Способ получения продукции топинамбура на определенные цели

Изобретение относится к области сельского хозяйства и рекультивации. В способе продукцию топинамбура получают в результате возделывания его на техногенно загрязненных дерново-подзолистых почвах. При этом определяют интенсивность загрязнения почвы азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием путем отбора и последующего анализа образцов почвы на загрязнение и интенсивность загрязнения ее азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием. При уровне загрязнения почвы азотной кислотой и уксуснокислым свинцом не более 3 ПДК, серной кислотой и хлористым калием не более 1 ПДК, продукцию топинамбура получают и направляют для использования в медицинских, пищевых и кормовых целях. При уровне загрязнения почвы азотной кислотой и уксуснокислым свинцом не более 9 ПДК, серной кислотой и хлористым калием не более 3 ПДК продукцию топинамбура направляют на технические цели. Способ позволяет получать биологически чистую продукцию топинамбура и возвращать в сельскохозяйственный оборот техногенно загрязненные земли. 9 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при возделывании топинамбура на загрязненных азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны РФ.

Топинамбур, земляная груша, подсолнечник клубненосный (Heliánthus tuberósus L.) - ценная сельскохозяйственная культура широкого спектра применения, успешно произрастает в разнообразных почвенно-климатических условиях. Растение нетребовательно к почве, его можно выращивать почти на всех почвенных разновидностях, кроме солонцовых и болотных. Однако лучше всего она удается на легких супесчаных, достаточно влажных почвах (Основы технологии сельскохозяйственного производства. Земледелие и растениеводство. Под ред. B.C. Никляева. М.: «Былина», 2000. С. 429).

Топинамбур - продуктивная культура, обладающая большими возможностями многоцелевого назначения как пищевая, кормовая, техническая культура, так и сырье для получения углеводов.

Клубни топинамбура содержат много инулина, они съедобны в сыром и вареном виде. Имеют разностороннее медицинское использование. Зеленая масса земляной груши также обладает высокой питательной ценностью. По данным З.И. Усановой и Ю.В. Байбаковой в условиях Верхневолжья содержание сухого вещества в клубнях топинамбура сорта Скороспелка колеблется в пределах 16-24%, а в зеленой массе - 20-30%; сырого протеина в ботве и клубнях - около 10% на абсолютно сухое вещество; сахаров в клубнях - около 22%.

Из топинамбура можно приготовить фруктозный сахар, фруктозный сироп, инулин, этиловый спирт, витаминизированные продукты повышенной биологической ценности. Он может быть использован в качестве добавок: в пищевой и кондитерской промышленности при производстве профилактических и антидиабетических продуктов и продуктов детского питания (сиропы, соки, пряники, конфеты, мармелад, ирис, хлебобулочные изделия, лимонад и др.); в фармацевтической и медицинской промышленности при изготовлении лечебных и медицинских препаратов, в первую очередь для больных сахарным диабетом и атеросклерозом; в парфюмерной промышленности для изготовления лечебно-профилактических питательных кремов и паст, губной помады, шампуней и др.; в химической промышленности для изготовления топливных спиртов, смол, пластификаторов, органических растворителей, ацетона и др. Из биомассы можно готовить лечебный чай, гранулы для топинамбуровых ванн, травяную муку, кормовые дрожжи, каучук, целлюлозу, брикеты для сжигания в виде топлива, а также этиловый спирт, биогаз и др. Концентрат топинамбура может быть использован в варении колбас и при приготовлении пельменей (Куликов Ю.И., Прокопенко В.И., Голубин М.Л. Основные направления использования концентратов топинамбура в технологии мясопродуктов // Материалы первой Международной научно-практической конференции «Растительные ресурсы для здоровья человека (возделывание, переработка, маркетинг)». М.: типография «Арес», 2002. С. 247-248).

Разработаны эффективные технологии переработки клубней с получением фруктозосодержащих продуктов или с получением инулина (Винаров А.Ю., Кантере В.М., Платова Т.В., Мухамеджанова Т.Г., Сидоренко Т.Е., Дирина Е.Н. Биотехнология получения фруктозного сиропа из топинамбура // Материалы первой Международной научно-практической конференции «Растительные ресурсы для здоровья человека (возделывание, переработка, маркетинг)». М.: типография «Арес», 2002. С. 269-272; Патент РФ №2485958).

Привлекательна технология получения биоэтанола для двигателей внутреннего сгорания (Джанаев К.И., Гобеев В.Н. Перспектива использования биомассы топинамбура сорта скороспелка для получения биоэтанола // Известия Городского государственного аграрного университета. Владикавказ: Горский государственный аграрный университет. 2012. С. 396-398).

Все больший интерес привлекает возможность получения пектина и пектиносодержащего сырья из клубней топинамбура. Вызывают интерес проекты получения из топинамбура саморазрушающейся пищевой пленки, переработки топинамбура на вискозу, на получение картона и бумаги из зеленой массы топинамбура.

Топинамбур - универсальная кормовая культура. Для кормления животных можно использовать клубни, зеленую массу в свежем виде и в виде силоса, ботвы, переработанных в травяную муку. Все виды кормов из топинамбура имеют высокую питательную ценность.

Топинамбур считается отличным рекультиватором выведенных из сельскохозяйственного оборота земель при добыче угля, нефти, бывших карьеров, полигонов и свалок, действенным биологическим защитником (Зеленков, В.Н. Топинамбур: агробиологический портрет и перспективы инновационного применения / В.Н. Зеленков, Н.Г. Романова. М: РГАУ-МСХА, 2012. 161 с.).

Запатентовано множество способов возделывания топинамбура как монокультуры, заключающихся в обработке почвы, внесении органических и минеральных удобрений, посадке клубней, проведении междурядных обработок, уборке зеленой массы и клубней. Одни из них направлены на улучшение условий выращивания топинамбура, снижая при этом повреждаемость клубней при уборке урожая, количество посадочного материала, а также трудозатраты и заболевания склеротинией (патент РФ №2455813, кл. A01B 79/02, 2010; патент РФ №2539635, кл. А01G 1/00, A01B 79/02, 2013; патент РФ №2485756, кл. А01G 1/00, 2012; патент РФ №2250585, кл. A01B 79/02, 2003), другие технические решения позволяют повысить выход кормовых единиц с площади, получить фураж зеленой массы (патент РФ №2471337, кл. A01G 1/00, A01B 79/02, 2011), повысить качество кормов и увеличить продуктивность площади (патент РФ №2537526, кл. А01G 1/00, A01B 79/02, A23K 1/00, 2013).

На дерново-подзолистых почвах Тверской области топинамбур возделывают по общепринятой в Нечерноземной зоне РФ технологии, включающей обработку почвы, нарезку гребней, посадку клубней весной или осенью, уход за посадками, уборку зеленой массы и клубней. Технология доказала свою эффективность в многократных полевых опытах З.И. Усановой и др. с лучшим для Нечерноземной зоны РФ сортом топинамбура «Скороспелка» (Усанова, З.И. Биологические особенности и технологии возделывания картофеля и земляной груши / З.И. Усанова, А.К. Осербаев. - Тверь: «Триада», 2004, С. 49-74).

Но учитывая ценность культуры топинамбура и широкое и многостороннее его использование, нельзя не отметить, что получение органической продукции растениеводства является важнейшим направлением развития аграрной науки и научного обеспечения АПК регионов страны и связано с выращиванием сельскохозяйственных культур на почвах, свободных от техногенного загрязнения. Вместе с тем, в настоящее время острота экологических проблем, начавшихся с локальных загрязнений, выросла до угрозы глобальных катастроф. Человечество к началу XXI века вошло в экологический кризис, когда состояние окружающей среды уже угрожает дальнейшему его существованию. Одним из наиболее опасных факторов воздействия на биосферу и особенно почву являются химические соединения, выделяющиеся при работе транспорта. Также важнейшими антропогенными источниками химического загрязнения почвы являются промышленность и сельское хозяйство, а основными факторами техногенного воздействия - выпадение кислотных осадков (главным образом растворов серной и азотной кислот), поступление в почву тяжелых металлов и неправильное применение органических и минеральных удобрений (Хохлова, О.Н. Введение в химическую экологию. Ч.2. Загрязнение окружающей среды / О.Н. Хохлова. Воронеж: Издательско-полиграфический центр ВГУ, 2010. С. 58-77). Почвы медленно накапливают загрязняющие вещества, выполняя при этом протекторные функции в отношении других природных образований. Но играя барьерную роль, они постепенно сами подвергаются загрязнению, и на каком-то этапе оно может достичь таких уровней, когда почвенный покров становится малопригодным для сельскохозяйственного использования. На таких почвах получить экологически чистую продукцию растениеводства невозможно. При этом объемы выбросов загрязняющих веществ в настоящее время не снижаются.

Известны способы возделывания топинамбура на землях, вышедших из сельскохозяйственного оборота, например на засоленных почвах полупустыни при близком залегании грунтовых вод (Патент РФ №2253221, Кл. A01G 1/00, A01G 25/00, 2003), а также на почвах юга и юго-востока Казахстана в условиях орошения (Рекомендации «Топинамбур и тописолнечник в условиях орошения на юге и юго-востоке Казахстана. Алма-Ата, Кайнар, 1989, с. 4, 7-8, 10).

Ряд авторов к числу ценных биологических и хозяйственных свойств топинамбура относят способность произрастания на почвах, загрязненных тяжелыми металлами и другими экотоксикантами (Зеленков В.Н. Топинамбур: агробиологический портрет и перспективы инновационного применения / В.Н. Зеленков., Н.Г. Романова. М: РГАУ-МСХА, 2012, с. 85, прототип).

Отмечая способность топинамбура произрастать на почвах, загрязненных тяжелыми металлами и другими экотоксикантами, и при этом являться культурой многоцелевого использования, в данном изобретении поставлена задача: выявить уровни загрязнения дерново-подзолистых почв Нечерноземной зоны РФ самыми распространенными и с не снижающимися объемами их выбросов экотоксикантами: азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием, при которых возможно получение продукции топинамбура целенаправленно на медицинские, продовольственные, кормовые и технические цели, а также определить возможности топинамбура как фитомелиоранта.

Технический результат заключается в возможности ведения сельскохозяйственного производства топинамбура на техногенно загрязненных азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием дерново-подзолистых почвах и в получении при этом биологически чистой продукции, используемой в медицинских, продовольственных и кормовых целях, и продукции топинамбура, используемой в технических целях, и, кроме того, в возвращении в сельскохозяйственный оборот таких земель.

Поставленная в изобретении задача решена следующим образом.

Способ получения продукции топинамбура на определенные цели в результате возделывания его на техногенно загрязненных дерново-подзолистых почвах отличается от известных тем, что определяют интенсивность загрязнения почвы азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием путем отбора и последующего анализа образцов почвы на загрязнение и интенсивность загрязнения ее азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием. При уровне загрязнения почвы азотной кислотой и уксуснокислым свинцом - не более 3 ПДК (предельно допустимая концентрация для определенного типа экотоксиканта), серной кислотой и хлористым калием - не более 1 ПДК, в результате возделывания топинамбура получают органическую продукцию топинамбура на медицинские, пищевые и кормовые цели, а при уровне загрязнения почвы азотной кислотой и уксуснокислым свинцом не более 9 ПДК, серной кислотой и хлористым калием - не более 3 ПДК, получают продукцию топинамбура на технические цели. На технические цели может использоваться продукция топинамбура, полученная и при уровне загрязнения почвы азотной кислотой не более 3 ПДК, уксуснокислым свинцом, серной кислотой и хлористым калием - не более 1 ПДК. Но учитывая тот факт, что свободных от техногенного загрязнения почв, необходимых для выращивания органической продукции, остается все меньше и меньше, а также способность топинамбура произрастать на почвах, загрязненных экотоксикантами и при определенных их концентрациях получать органическую продукцию, следует использовать продукцию топинамбура в технических целях при более высоких концентрациях экотоксикантов в почве, а именно: при уровне загрязнения почвы азотной кислотой и уксуснокислым свинцом не более 9 ПДК, серной кислотой и хлористым калием - не более 3 ПДК.

Тип экотоксиканта и интенсивность загрязнения этим экотоксикантом почвы влияют на качество выращиваемой сельскохозяйственной продукции. Выявление уровня загрязнения почвы экотоксикантами позволяет целенаправленно и правильно использовать полученную продукцию топинамбура.

Устойчивость топинамбура к азотной, серной кислотам, уксуснокислому свинцу и хлористому калию выявлена на основе изучения:

- особенностей роста, развития и формирования урожайности топинамбура на загрязненной в разной степени экотоксикантами дерново-подзолистой почве;

- изменения химического состава растений топинамбура (листьев, стеблей, клубней) под воздействием различных экотоксикантов при разной степени загрязнения;

- содержания основных питательных веществ (сахаров, сырого протеина, в наземной массе и клубнях) в разных вариантах опыта.

- изменения содержания в почве некоторых питательных веществ и экотоксикантов в процессе выращивания топинамбура.

Изобретение поясняется таблицами.

В таблице 1 представлено прохождение фаз развития топинамбура при разном загрязнении почвы; в таблице 2 показан габитус растений топинамбура в период максимума при разном загрязнении почвы; в таблице 3 - динамика содержания хлорофиллов и каротиноидов в листьях топинамбура; в таблице 4 - влияние различных экотоксикантов на массу корней топинамбура, в среднем на 1 сосуд; в таблице 5 - урожайность, структура урожая топинамбура, в среднем на 1 сосуд; в таблице 6 - влияние различных экотоксикантов на показатели клубневой продуктивности топинамбура, в среднем на 1 сосуд; в таблице 7 - влияние загрязнения почвы различными экотоксикантами на качество урожая и химический состав зеленой массы топинамбура; в таблице 8 - влияние загрязнения почвы различными экотоксикантами на качество урожая и химический состав клубней топинамбура; в таблице 9 - влияние различных экотоксикантов на обменную кислотность, содержание в почве инитратного азота, подвижной серы, подвижного свинца, а также обменного калия.

Заявленный способ получения продукции топинамбура на определенные цели в результате возделывания его на техногенно загрязненных дерново-подзолистых почвах осуществляют следующим образом.

Благодаря своим биологическим особенностям топинамбур в Тверской области можно возделывать без значительных производственных затрат, так как его технология возделывания близка к технологии возделывания картофеля. Для возделывания топинамбура обычно используют технику для производства картофеля - картофелепосадочные, картофелеуборочные комбайны и др. машины.

Посадку проводят весной или осенью. Оптимальный срок уборки культуры в Тверской области: конец сентября - начало октября (Усанова, З.И. Биологические особенности и технологии возделывания картофеля и земляной груши / З.И. Усанова, А.К. Осербаев. - Тверь: «Триада», 2004. - С. 63).

В процессе возделывания топинамбура не требуется применения гербицидов, пестицидов и других химических препаратов для различных обработок против сорняков, вредителей и болезней.

Технология доказала свою эффективность в многократных полевых опытах З.И. Усановой и др. с лучшим для Нечерноземной зоны РФ сортом топинамбура «Скороспелка» (Усанова, З.И. Биологические особенности и технологии возделывания картофеля и земляной груши / З.И. Усанова, А.К. Осербаев. - Тверь: «Триада», 2004. - С. 60-64)

Перед обработкой почвы производят отбор проб почвы и анализ на тип и содержание в ней экотоксикантов - азотной и серной кислот, уксуснокислого свинца и хлористого калия. По возможности в почве определяют непосредственно содержание азотной и серной кислот, уксуснокислого свинца и хлористого калия. Однако данные методики не всегда доступны, поэтому можно ограничиться определением содержания нитратного азота, подвижных форм серы, свинца и калия. Также общий вывод о типе и степени загрязнения почв можно сделать на основе имеющихся данных о разливах кислот, соединений свинца и хлористого калия.

Отбор и анализ образцов почвы производят известными методами: нитратный азот - по ГОСТ 26951-86; подвижную серу - по ГОСТ 26490-85; подвижный свинец - на атомно-адсорбционном спектрометре (Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. М.: ЦИНАО, 1992. 40 с.); подвижный калий - по Кирсанову (ГОСТ 26207-91).

Посадку клубней топинамбура при выращивании целенаправленно на получение органической продукции на медицинские, пищевые и кормовые цели осуществляют в почву с уровнем загрязнения азотной кислотой и уксуснокислым свинцом до 3 ПДК, серной кислотой и хлористым калием до 1 ПДК. При выращивании топинамбура на технические цели (спирт, биогаз) посадку можно производить при загрязнении почвы азотной кислотой и уксуснокислым свинцом до 9 ПДК, серной кислотой и хлористым калием - до 3 ПДК. При таком уровне загрязнения почвы невозможно получить биологически чистую продукцию (табл. 5, табл. 6). При загрязнении почвы серной кислотой и хлористым калием в объемах, равных 9 ПДК, выращивание топинамбура невозможно - растения погибают.

Пример конкретного выполнения заявленного способа.

Проведение эксперимента позволило более четко определить возможности топинамбура как фитомелиоранта и уровни загрязнения почвы, при которых продукция топинамбура может использоваться целенаправленно в медицинских, продовольственных, кормовых и технических целях.

Особенности формирования урожайности и качества урожая топинамбура на дерново-подзолистых почвах, загрязненных азотной, серной кислотами, уксуснокислым свинцом и хлористым калием, и устойчивость топинамбура к этим экотоксикантам, выявлены на основе исследований, проведенных в лабораторных условиях на кафедре общего земледелия и растениеводства технологического факультета Тверской ГСХА. Исследования проводили в 2014 году в двухфакторном опыте в вегетационных сосудах.

Для набивки сосудов использовали дерново-среднеподзолистую остаточную карбонатную глееватую почву на морене, легкосуглинистую по гранулометрическому составу, в которой содержалось: гумуса (по Тюрину) - 1,51%, P₂O₅ - 358 и K₂O 95 мг/кг (по Кирсанову), Nлг 44,8 мг/кг (по Корнфилду), pH_сол - 4,9, Н_гид=2,63 мг-экв./100 г, Pb_{подвижный} - 4,4 мг/кг.

Схема опыта: Фактор А - Тип загрязнения: 1. Контроль (без загрязнения), 2. Азотная кислота - HNO₃ (ПДК=130 мг/кг), 3. Серная кислота - H₂SO₄ (160 мг/кг), 4. Уксуснокислый свинец - Pb(CH₃COO)₂ (32 мг/кг), 5. Хлористый калий - KCl (360 мг/кг) (ПДК в соответствии с ГН 2.1.7.2041-06).

Фактор В - Интенсивность загрязнения: 1 ПДК, 3 ПДК, 9 ПДК.

Повторность в опыте - четырехкратная. Объект исследований: лучший для Нечерноземья сорт клубневого направления «Скороспелка», авторы Устименко Г.В., Усанова З.И. (Усанова, З.И. Формирование высокопродуктивных агроценозов топинамбура: особенности минерального питания, удобрение: монография / З.И. Усанова, Ю.В. Байбакова. Тверь: «АгросфераА» Тверская ГСХА, 2009. С. 30-33).

Способ внесения экотоксикантов - полив растворенными в дистиллированной воде соединениями. Сосуды с почвой перед посадкой выровнены по массе (7 кг). Набивку сосудов провели 29, посадку - 30 апреля. В каждый сосуд высаживали по два клубня. В течение вегетации проводили поливы из расчета 400 мл воды на сосуд. Выдерживали одинаковый режим поливов. Учет урожая проведен 17-18 сентября. Вегетационные сосуды с растениями находились в вегетационном домике.

В опыте проводили наблюдение за ростом и развитием растений, динамикой образования побегов, листьев; определение содержания растительных пигментов в листьях в ацетоновой вытяжке на спектрофотометре «Grating 722»; интенсивности фотосинтеза по количеству накопленного органического вещества путем «мокрого» сжигания высечек определенной площади, содержание углерода при этом учитывалось титрованием солью Мора (Третьяков, Н.Н. Практикум по физиологии растений / Н.Н. Третьяков, Т.В. Карнаухова, Л.А. Паничкин и др. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Агропромпздат, 1990. с. 86-92, 106-108). Время измерения - с 9 до 12 часов.

При уборке урожая учитывали сырую массу ботвы, клубней, корней; содержание сухого вещества в ботве и клубнях (Усанова, З.И. Формирование высокопродуктивных агроценозов топинамбура: особенности минерального питания, удобрение: монография / З.И. Усанова, Ю.В. Байбакова. Тверь: «АгросфераА» Тверская ГСХА, 2009. С. 30); сырой клетчатки в клубнях (Лаврова Г.П., Зоотехнический анализ кормов: учебное пособие к лабораторным занятиям для студентов зооинженерного факультета по специальности 310700 - «Зоотехния» / Г.П. Лаврова, Е.И. Машкина. Барнаул: АГАУ, 2006. С 18-19); суммы сахаров на рефрактометре ИРФ - 454Б. Для перевода показаний прибора в процент сахаров использовали шкалу Бриггса.

В процессе исследований (анализа данных) получены следующие результаты:

1. Выявлено, что топинамбур неодинаково реагирует на различные экотоксиканты и их дозы. Азотная кислота HNO₃ при загрязнении почвы до 3 и 9 ПДК благодаря улучшению азотного питания ускоряет развитие растений (максимально при 9 ПДК), способствует образованию бутонов на верхних боковых ветвях. Загрязнение почвы H₂SO₄ (3-9 ПДК) и KCl (9 ПДК) задерживало появление всходов на 1-4 дня (табл.1).

2. Важнейшим показателем реакции растений на степень загрязнения почвы и вид экотоксиканта является габитус растений топинамбура (табл. 2). Исследованиями выявлено, что наибольшей высоты и числа листьев достигли растения на почвах, загрязненных HNO₃. Данные показатели возрастают при увеличении уровня загрязнения. При 3-9 ПДК появляются соцветия. Число побегов в сосуде при этом уменьшается. Наиболее угнетающее воздействие оказало внесение H₂SO₄ и KCl в дозе 9 ПДК, при этом растения погибли. Однако в случае с KCl через 30 дней началось вторичное отрастание клубня. Все это свидетельствует о высокой жизненности топинамбура и устойчивости к экотоксикантам.

3. Урожай создается в процессе фотосинтеза, важнейшими участниками которого являются зеленые пигменты: хлорофилл А и хлорофилл Б. Основная функция хлорофилла заключается в поглощении световой энергии и преобразовании ее в химическую. Каротиноиды (каротины и ксантофиллы) являются дополнительными пигментами фотосинтетического аппарата, увеличивающими его спектральный диапазон (Кахнович Л.В. Фотосинтез. Минск: Изд. БГУ, 2002. С. 137.).

Доза внесения экотоксикантов, равная 3 ПДК, в нашем опыте является наибольшей, при которой ни один из них не вызвал гибели растения. Изучение содержание фотосинтезирующих пигментов в этом случае позволило выявить изменения в формировании урожайности топинамбура на молекулярном уровне при загрязнении разными экотоксикантами. Наши исследования показали, что наиболее существенная положительная динамика при этом наблюдалась в вариантах с HNO₃ и Pb(CH₃COO)₂, что характеризует устойчивость топинамбура к этим экотоксикантам, способность на загрязненных почвах сохранять на достаточно высоком уровне фотосинтетическую деятельность растений и накопление биомассы топинамбура (табл. 3).

4. Фитотоксическое действие высоких доз экотоксикантов сказывается на формировании корневой системы. Так, наименьшая масса корней была в вариантах 3 и 9 ПДК H₂SO₄, 9 ПДК KCl (в 6,1-13,4 раз меньше, чем в контроле). Отрицательное влияние на развитие корневой системы оказало также загрязнение почвы HNO₃ в дозе 9 ПДК, когда масса корней снизилась в 2,1 раза (табл. 4).

5. Учет урожая топинамбура в сосудах выявил существенное преимущество в накоплении фитомассы насыщения почвы азотной кислотой (HNO₃) (табл. 5). При всех 3-х уровнях загрязнения почвы увеличилась масса ботвы и клубней, в большей мере при 3 ПДК. Это свидетельствует об улучшении питания растений азотом при загрязнении почвы HNO₃. Наибольшее негативное влияние на урожайность топинамбура оказывает загрязнение почвы 3-9 ПДК H₂SO₄ и 9 ПДК KCl.

6. Для топинамбура как для клубненосного растения особенно важно определить действие экотоксикантов на образование и рост клубней. Важнейшим показателем также является коэффициент хозяйственной эффективности фотосинтеза (Кхоз). Он определяется как отношение урожая сухой фитомассы, накопленного наиболее ценной частью растения (в данном случае - клубнями), к общему рожаю сухой фитомассы целого растения. (Усанова, З.И. Формирование высокопродуктивных агроценозов топинамбура: особенности минерального питания, удобрение: монография / З.И. Усанова, Ю.В. Байбакова. Тверь: «АгросфераА» Тверская ГСХА, 2009. С. 93). Исследованиями выявлено наиболее сильное отрицательное влияние на эти процессы загрязнения почвы серной кислотой и хлористым калием в дозе 3-9 ПДК: при 3 ПДК число и масса клубней снизились, а при 9 ПДК клубни не образовались. Наименьший Кхоз был в варианте 1 ПДК Pb(CH₃COO)₂. Положительно на клубневую продуктивность повлияло загрязнение азотной кислотой, особенно в дозе 3 ПДК. При этом отмечены наибольшие число и масса клубней, а также Кхоз. Наиболее крупные клубни образовались при 1 ПДК H₂SO₄ и KCl (табл. 6).

7. Действие экотоксикантов на качество урожая и химический состав зеленой массы и клубней оценивали по содержанию абсолютно сухого вещества, сырого протеина, нитратов и свинца. В клубнях также оценивали содержание сахаров.

Насыщение почвы азотной кислотой до 9 ПДК существенно не изменяет содержание сухого вещества, повышает массовую долю сырого протеина в ботве и клубнях. Увеличение накопления нитратов в сравнении с контролем произошло только при повышении дозы HNO₃ до 9 ПДК. Сахаристость клубней при 1-3 ПДК сохраняется на уровне контроля, а при 9 ПДК снижается на 3%, что вполне закономерно и объясняется в условиях оптимизации азотного питания большим расходом энергии при интенсивном биосинтезе азотистых соединений, которую растения получают в процессе окисления углеводов (Каюмов, М.К. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений: учебное пособие / М.К. Каюмов. Москва: ФГОУ ВПО Росс. гос. аграр. заоч. университет. 2004. С. 93-96, 125). Серная кислота при загрязнении почвы до 1 и 3 ПДК существенно увеличивает содержание сухого вещества в листостебельной массе и клубнях, а также сахаров в клубнях. Максимально допустимый уровень содержания свинца в растениях - 50 мг/кг, токсичная доза - 100 мг/кг (Дзантиева, Л.Б. Биоресурсный потенциал топинамбура сорта интерес и батата, интродуцированных в РСО-Алания: дис.…канд. биол. наук: 03.00.32 / Л.Б. Дзантиева. - Владикавказ, 2006. С. 78). В нашем опыте наименьшее содержание свинца отмечено в контроле, наибольшее и превышающее МДУ - в варианте с 9 ПДК Pb(CH₃COO)₂. Таким образом, клубни в данном варианте не рекомендуются для употребления в пищевых и кормовых целях, а ботва является токсичной для человека и животных. Хлористый калий снижает содержание сухого вещества в зеленой массе и клубнях, а также сахаристость клубней (табл. 7, табл. 8).

8. Подкисление почвы в нашем опыте было вызвано внесением серной и азотной кислот. Исследования показали, что величина pH солевой вытяжки (pH_KCl) почвы при выращивании топинамбура сдвигается в сторону подщелачивания во всех вариантах. Наиболее сильно pH_KCl восстановилась при загрязнении HNO₃ в дозе 9 ПДК. Азотная кислота после внесения увеличивала количество нитратов почвы. Выращивание топинамбура снизило эту величину до уровня, близкого к контролю. Содержание подвижной серы при загрязнении H₂SO₄ увеличилось. Выращивание топинамбура незначительно снизило эту величину при 3-9 ПДК и увеличило при 1 ПДК. При 3-9 ПДК значительно восстанавливается рН_KCl, но почва остается очень сильно кислой в соответствующей классификации (Барановский, И.Н. Практикум по агрохимии / И.Н. Барановский, М.Н. Перевалов. Под редакцией И.Н. Барановского. 2-е изд., перераб. и доп. Тверь, 2004. С. 64). Выявлено, что выращивание топинамбура практически не влияет на содержание подвижного свинца; уменьшает содержание подвижного калия в почве (табл. 9).

Исследовав особенности формирования урожайности и качества урожая топинамбура на дерново-подзолистых почвах, загрязненных азотной, серной кислотами, уксуснокислым свинцом и хлористым калием, устойчивость топинамбура к этим экотоксикантам и изменение агрохимических показателей почвы, можно сделать следующие выводы:

1. Выращивание топинамбура на почвах, загрязненных азотной кислотой до 3 ПДК, ускоряет рост и развитие растений, повышает интенсивность продукционного процесса вследствие улучшения азотного питания растений. Содержание нитратов в ботве снижается, в клубнях остается на уровне контроля. Такую продукцию можно использовать в любых целях, включая медицинские, пищевые.

2. Увеличение степени загрязнения почвы HNO₃ до 9 ПДК значительно повышает содержание нитратов в сравнении с контролем в ботве в 8 раз, в клубнях в 1,5 раза, вследствие чего использование зеленой массы возможно только в технических целях.

3. Возможно возделывание топинамбура на почвах, загрязненных серной кислотой и хлористым калием до уровня 1 ПДК, а также уксуснокислым свинцом - до 3 ПДК, что не оказывает отрицательного влияния на формирование урожайности топинамбура, повышает содержание сухого вещества в ботве и клубнях, сахаров в клубнях.

4. Загрязнение почвы Pb(CH₃COO)₂ до 9 ПДК повышает концентрацию свинца в клубнях до 75,44, а в ботве до 114,01 мг/кг, что превышает МДУ. Такую продукцию целесообразно использовать только в технических целях.

5. Повышение концентрации серной кислоты и хлористого калия в почве до 9 ПДК вызывает гибель растения, что делает невозможным возделывание топинамбура.

6. Проблема предотвращения загрязнения окружающей среды требует динамичного решения, чтобы обеспечить нормальное развитие человечества. В этих условиях при разработке новых экологически более приемлемых технологических решений необходим системный подход, включающий в себя соблюдение требований охраны природы и рационального использования природных ресурсов. Одним из таких многообещающих ресурсов является топинамбур.

Для подтверждения не только возможности ведения сельскохозяйственного производства топинамбура на техногенно загрязненных почвах, но и возвращения в сельскохозяйственный оборот земель, загрязненных азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием, были сделаны анализы образцов почвы на влияние этих экотоксикантов на обменную кислотность, содержание в почве нитратного азота, подвижной серы, подвижного свинца, а также обменного калия загрязненной экотоксикантами почве и после уборки топинамбура (табл. 9), которые подтверждают, что помимо способности произрастать на техногенно загрязненных почвах в качестве их естественного фитомелиоранта топинамбур обладает ценным химическим составом и низким коэффициентом накопления токсичных веществ, что позволяет назвать его культурой стратегического значения.

Посредством выращивания топинамбура можно решать фитосанитарные проблемы поглощения выделяющихся газов, создавать экологически замкнутые производства, проводить рекультивацию техногенно нарушенных территорий и одновременно получать биологически чистую продукцию. Топинамбур ценен в экологическом плане. Он не нуждается в обработке пестицидами, поскольку устойчив ко многим болезням и вредителям, в том числе и к колорадскому жуку, дает здоровую растительную продукцию. Кроме этих достоинств топинамбур, обладая, высокой фотосинтезирующей активностью, способствует оздоровлению атмосферы и улучшению экологии нашего региона.

Заявленный способ получения продукции топинамбура на определенные цели в результате возделывания его на техногенно загрязненных почвах промышленно осуществим. Общепринятая технология возделывания топинамбура на дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны РФ хорошо изучена. Выявление уровня загрязнения почвы самыми распространенными экотоксикантами - азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием не представляет трудности, что позволит целенаправленно вести сельскохозяйственное производство топинамбура на загрязненных этими экотоксикантами почвах и получать при этом продукцию топинамбура не только на технические цели, но и биологически чистую продукцию на медицинские, пищевые и кормовые цели. Кроме того, возделывание топинамбура на техногенно загрязненных почвах, учитывая его способность рекультивировать выведенные из сельскохозяйственного оборота земли, направлено на возвращение в сельскохозяйственный оборот земель, загрязненных азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием.

Способ получения продукции топинамбура на определенные цели в результате возделывания его на техногенно загрязненных дерново-подзолистых почвах может быть рекомендован в Нечерноземной зоне РФ.

Способ получения продукции топинамбура на определенные цели в результате возделывания его на техногенно загрязненных дерново-подзолистых почвах, отличающийся тем, что определяют интенсивность загрязнения почвы азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием путем отбора и последующего анализа образцов почвы на загрязнение и интенсивность загрязнения ее азотной, серной кислотой, уксуснокислым свинцом и хлористым калием, и при уровне загрязнения почвы азотной кислотой и уксуснокислым свинцом не более 3 ПДК, серной кислотой и хлористым калием не более 1 ПДК, продукцию топинамбура получают и направляют для использования в медицинских, пищевых и кормовых целях, а при уровне загрязнения почвы азотной кислотой и уксуснокислым свинцом не более 9 ПДК, серной кислотой и хлористым калием не более 3 ПДК - в технических целях.