Агроэкологическая оценка воздействия обогащенных микробиологическими деструкторами компостов на основе ОСВ на дерново-подзолистую супесчаную почву Владимирской Мещеры

Рауэлиаривуни Андриантсалама Ситрака

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Агроэкологическая оценка воздействия обогащенных микробиологическими деструкторами компостов на основе ОСВ на дерново-подзолистую супесчаную почву Владимирской Мещеры
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Агроэкологическая оценка воздействия обогащенных микробиологическими деструкторами компостов на основе ОСВ на дерново-подзолистую супесчаную почву Владимирской Мещеры"

на правах рукописи

РАУЭЛИАРИВУНИ АНДРИАНТСАЛАМА Ситрака

Агроэкологическая оценка воздействия обогащенных микробиологическими деструкторами компостов на основе ОСВ на дерново-подзолистую супесчаную почву Владимирской Мещеры.

03.02.08 - экология (биология) 06.01.04 - агрохимия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-2013

005059284

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева

Научные руководители: доктор биологических наук,

профессор

Васенев Иван Иванович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Касатиков Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор, главный научный сотрудник лаборатории химической мелиорации ГНУ ВНИИ агрохимии им.Д.Н.ГТрянишникова Аканова Наталья Ивановна

кандидат биологических наук, профессор, завкафедрой химии, почвоведения, землеустройства и БЖД Калужского филиала РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева Сюняев Николай Михайлович

Ведущая организация: Владимирский НИИСХ

Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 15 мая 2013 года в 1600 на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА им. К.А. Тимирязева по адресу: 127750, Москва, ул. Прянишникова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан апреля 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

СелицкаяО.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Одной из основных экологических проблем современной цивилизации является утилизация отходов производства и потребления. Среди них особое место занимают городские осадки сточных вод (ОСВ), которые в больших объемах накапливаются на очистных сооружениях городов и промышленных объектов, создавая повышенную потенциальную опасность для экологического состояния окружающей среды (Агроэкология, 2004; Моисеенко и др.,2009; Сюняев и др., 2012).

Осадки сточных вод, как правило, содержат повышенное количество основных элементов питания и органических веществ. Это определяет их привлекательность в качестве источника нетрадиционных органо-минеральных удобрений, способствующих поддержанию устойчивого почвенного плодородия (Лукин, 2006; Мерзлая, 2009; Васенев и др., 2012), что особенно актуально для пригородных зон больших городов, наиболее привлекательных для интенсивного ведения сельского хозяйства (Климова и др., 2009).

В сельском хозяйстве пригородных районов практически всех развитых стран активно применяются осадки сточных вод и их компосты в качестве дешевых местных (нетрадиционных) удобрений. Так, в странах ЕС в качестве удобрения ежегодно используется 32,4% производимых в них 10 млн.т осадка сточных вод. При этом уровень сельскохозяйственной утилизации ОСВ во Франции достигает - 43%, в Люксембурге - 50%, а в Швейцарии - даже 70% (Eurostat, 2009). И в мире, в целом, прослеживается устойчивая тенденция к устойчивому росту сельскохозяйственной утилизации ОСВ. В США, по прогнозам (Philippe Collet, 2012), она составит не менее 65% к 2015 г.

В Российской Федерации ежегодно производится не менее 3 млн.т осадков сточных вод, которые нуждаются в экологической безопасной утилизации (Еськов и др., 2006). В качестве удобрений применяется пока ещё только около 7% осадков (Алексеева, 2002, Пахненко, 2009), что примерно в 4,5 раза меньше средних европейских показателей.

Массовое применение осадка сточных вод в качестве удобрений ограничено наличием в них повышенных концентраций загрязняющих веществ, среди которых особую роль играют тяжелые металлы (Smith 2008; Савич, 2009). Экологические риски загрязнения сельскохозяйственных почв, продукции, грунтовых вод и водоемов, в результате применения осадка сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов, особенно возрастают в случае их применения на почвах легкого гранулометрического состава, которые широко распространены на Европейской территории России и преобладают в районах Владимирской Мещеры (Касатиков и др., 2010).

Подготовка на основе осадка сточных вод компоста подразумевает значительные временные и энергетические затраты, сократить которые позволяет агроэкологически обоснованное применение микробиологических препаратов-деструкторов грубых органических веществ (Герасимов, 2008).

Подготовка компостов на основе ОСВ подразумевает значительные временные и энергетические затраты, сократить которые позволяет агроэкологи-чески обоснованное применение микробиологических препаратов-деструкторов грубых органических веществ (Емцев, 2005; Сидоренко, 2006;Герасимов, 2008).

Цель и задачи исследования:

Целью работы является проведение комплексных агроэкологических исследований с оценкой воздействия обогащенных микробиологическими деструкторами компостов на основе осадков сточных вод на характерные для Владимирской Мещеры дерново-подзолистые супесчаные почвы.

В соответствие с подставленной целью решались следующие задачи:

1. Анализ качества осадка сточных вод (ОСВ) города Владимира и созданного на его основе, с использованием в качестве наполнителя опилок хвойных пород, компоста, с агроэкологической оценкой технологии получения компостов ОСВ с применением микробиологических препаратов.

2. Оценка воздействия компостов, созданных на основе осадка сточных вод с применением микробиологических деструкторов, на характерную для Владимирской Мещеры исходно очень бедную пахотную дерново-подзолистую почву супесчаного гранулометрического состава.

3. Сравнительный анализ последействия применения исследуемых компостов ОСВ, с использованием двух видов микробиологических препаратов (БАРКОН, БИОФОРСЕ) на продуктивность тестовой сельскохозяйственной культуры и качество растительной продукции.

4. Сравнительная оценка эффективности применения технологии компостирования осадка сточных вод с использованием двух видов микробиологических препаратов (БАРКОН, БИОФОРСЕ).

Научная новизна.

Проведенные исследования показали, что компостирование ОСВ с применением исследуемых микробиологических препаратов позволяет улучшать агроэкологическое качество получаемых компостов: снижение валового содержания азота с 2,17% до 1,56% и уменьшение валового содержание и содержания подвижных форм тяжёлых металлов - в 1,5 раза.

Применение повышенных доз (30 т/га) компостов на основе ОСВ с микробиологическими деструкторами на дерново-подзолистой супесчаной почве Владимирской Мещеры способствовало значительному повышению содержания в ней подвижного фосфора: в среднем, на 75 мг/кг Р205 - в сравнении с контролем (+84%).

Важно подчеркнуть, что под действием компостов и ОСВ существенно возрастало содержание фосфора в зерне озимой пшеницы: с 0,90% Р205 до 1,00%; но они не повлияли на концентрацию тяжелых металлов в тестовых культурах, качество которых характеризуется как удовлетворительное (без превышения МДУ для зерновых культур). Применение компостов с БИОФОРСЕ способствует значительному повышению содержания белка в зерне.

Практическая значимость работы.

Проведенные исследования показали хорошие перспективы сельскохозяйственной утилизации городских осадков сточных вод с удобрением бедных дерново-подзолистых почв легкого гранулометрического состава - при предварительном компостировании их с использованием микробиологических препаратов-деструкторов и проведении мониторингового контроля за экологическим состоянием удобряемых почв и качества получаемой продукции.

На основании результатов исследований разработаны рекомендации по применению микробиологических деструкторов для получения качественных компостов на основе ОСВ. Проведенный анализ эффективности двух микробиологических препаратов показал возможность значительного сокращения времени компостирования осадка сточных вод - на 14 %, с обеспечением более высокой температуры компостирования - в среднем, на 9°С.

Применение компостов на основе ОСВ с микробиологическими деструкторами позволило значительно повысить урожайность озимой пшеницы (на 37-46 %) и тритикале (на 47-54%), а также их технологическое качество, не снижая показателей экологической безопасности продукции.

Апробация работы. Основные результаты исследований, выводы и научные положения диссертации были представлены на заседаниях кафедры экологии РГАУ-МСХА и научных конференциях молодых ученых и специалистов (2010; 2011). Отдельные результаты вошли в ежегодные отчеты НИР ВНИИОУ (РАСХН) за 2010-2012гг. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения и 5 глав, включая обзора литературы, описание объектов и методов исследования, анализ результатов проведенных экспериментов, списка литературы, выводы и приложение. Материалы диссертации изложены на 125 страницах текста, содержат 32 таблицы и 8 рисунков. Библиографический список включает 170 источников, в том числе 85 - на английском и французском языках.

Благодарности. Автор выражает особую благодарность своим научным руководителям - профессору И.И. Васеневу и профессору В.А. Касатикову за оказанную научно-методическую помощь и советы при подготовке и выполнений диссертационной работы. Автор признателен Н.П. Шабардиной, коллективу кафедры экологии РГАУ-МСХА и сотрудникам ВННИОУ за научные консультации, поддержку, ценные советы и помощь в проведении исследований.

Глава 1. Обзор литературы: Агроэкологические и технологические особенности производства и применения удобрений на основе осадка городских сточных вод Владимирской Мещеры

Индустриальное развитие неизбежно приводит к урбанизации. Одной из главных экологических проблем существования и развития городов является утилизация хозяйственно-бытовых сточных вод (Урбоэкология, 2010). Большую угрозу для экосистем представляют концентрированные отходы, которые содержат токсичные и вредные вещества (Агроэкология, 2004, Albrecht, 2007).

Основным способом утилизации осадков сточных вод (ОСВ) в экосистеме является их использование в сельском хозяйстве в качестве органомине-рального удобрения (Севастьянов, 2001; Шуравлин и др., 2006; Мерзлая, 2009). По удобрительной ценности ОСВ не уступают подстилочному навозу; правильное применение их в сельском хозяйстве позволяет существенно повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур (Болышева и др., 2006; Сюняев и др., 2010). Общая доля ОСВ, используемых в сельском хозяйстве России, еще значительно ниже среднеевропейского уровня. Следует отметить, что требования, которые предъявляются к осадкам в РФ, более высокие - по сравнению с западными странами (Пахненко, 2009; Pham, 2010).

Положительные стороны применения ОСВ в качестве удобрений связаны с улучшением агрохимических свойств почв, повышением содержания в них органического вещества, макро- и микроэлементов, биологической активности почвы (Дорошкевич, 2002; Asshobei, 2005; Куликова, 2010; Васбьиева, 2011). Однако существует ряд ограничений, сдерживающих применение ОСВ в сельском хозяйстве: прежде всего - наличие в них тяжелых металлов и патогенных микроорганизмов (Анциферова и др., 2001; Касатиков и др., 2010).

Тяжелые металлы относятся к загрязняющим веществам, которые с трудом удаляются из почвы (Пахненко, 2009; Черногоров и др., 2012). Регулярное внесение в почву с ОСВ ионов тяжелых металлов недопустимо, поскольку возрастает опасность их биотрансформации и накопления в пищевых цепях с возможным попаданием в организм человека (Bemal-Martinez, 2007; Раскатов и др., 2010). Поэтому, в последнее время, ОСВ применяются в основном в виде компостов - совместно с наполнителями. Более того, в случае использования осадков сточных вод муниципальных образований предпочтительным является их предварительное компостирование, приводящее к существенному снижению содержания токсичных соединений, патогенных микроорганизмов и стабилизации органического вещества (Chen, 2002; Ros, 2003; ¿'anches-Monedero, 2004; Boyd, 2006). В связи с этим заслуживающим внимание является разработка технологического процесса компостирования осадка сточных вод в смеси с опилками хвойных пород при добавлении микробиологического деструктора (Свиридова, 2005, Касатиков и др., 2012).

Природная микробиота способна трансформировать компоненты, составляющие ОСВ. Но для того, чтобы улучшать экономическую эффективность и

экологическую безопасность применение компостов на основе ОСВ, процесс компостирования можно существенно улучшить и ускорить, используя специи-альные микробные препараты (Ракой, 2009).

Глава 2. Объекты и методы исследований.

Полевые исследования проводились на опытном поле ГНУ ВНИИОУ РАСХН, в 10 км от города Владимира вблизи п. Вятхино Судогодского района Владимирской области в 2010-2011 гг. (северо-восточная часть Мещерской низменности). Климат умеренно-континентальный, характеризуется выраженными сезонами. Среднегодовая температура воздуха колеблется в пределах от 3,7 до 4,0°С; сумма среднесуточных температур выше Ю'С - 2150-2200'. Среднегодовое количество осадков - 550 мм. Продолжительность периода с температурой выше+10°С составляет 130-145 дней.

Природа Владимирской области сочетает в себе черты типичной таежно-лесной зоны. В почвенном покрове области преобладают подзолистые и дерново-подзолистые почвы. Большое распространение имеют их супесчаные варианты. Дерново-подзолистые почвы в районе исследования имеют кислую реакцию (pHKCi равно 5,2-5,5), низкие значения суммы поглощенных оснований (4,5-5,5мг-экв./100г), гидролитической кислотности (1,0-2,5мг-экв./100г), содержания гумуса (1,05-1,17%), подвижного фосфора (14-25 мг Р205/Ю0 г) и обменного калия (63-104 мг К20 /100 г).

Объектами исследования являются: осадки сточных вод и компосты на основе ОСВ с микробиологическими препаратами, развитая на флювиогляци-альных отложениях дерново-подзолистая супесчаная почва опытного поля ВНИИОУ, и озимая пшеница сорта «Заря» — в качестве тестовой культуры.

Аэробно-стабилизированные осадки сточных вод мы получили с очистных сооружений г. Владимира. Содержание валового количества тяжелых металлов применяемых в 2010-2011 гг. осадков сточных вод не превышало нормативных показателей ГОСТ РФ как для первой, так и для второй группы ОСВ: валовое содержание Cd составило 1,27 мг/кг, Си - 65,95 мг/кг, Ni - 27,63 мг/кг, Zn - 94,14 мг/кг, РЬ - 27,42 мг/кг.

В работе исследовано влияние на компостирование ОСВ микробиологических препаратов БАРКОН и БИОФОРСЕ. Разработанный во ВНИИСХ микробиологии (г. Пушкино, Санкт-Петербург), препарат БАРКОН содержит специальный комплекс лигнин- разрушающих микроорганизмов. Добавлялся в начале компостирования из расчета 20 л/т (сухого органического вещества ОСВ + опилок) или 20 мл/кг. Препарат БИОФОРСЕ Compost производства Bionick Company (г. Москва) содержит комплекс природных микроорганизмов, ферментов и питательных веществ, предназначенных для ускорения процесса

разложения органических соединений. Для производства 1 т компоста требуется 20 л рабочего раствора (концентрация 0,5).

В качестве исследуемой тестовой культуры была выбрана озимая пшеница сорта Заря. Озимая пшеница сорта «Заря» выведена в НИИ сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны. Сорт - среднеспелый, зимостойкий, среднеустойчив к засухе и полеганию.

Методы исследований

Исследования проводились с применением комплекса методов: полевых (закладка полевых опытов), лабораторных (микробиологических и химических) и информационно-аналитических исследований.

Полевые исследования. В указанный период проведены один опыт по компостированию ОСВ с использованием микробиологических деструкторов и 2 мелкоделяночных полевых опыта с исследуемыми культурами (основная тестовая культура - озимая пшеница). Полевые исследования были выполнены на опытном стационарном поле Всероссийского научно-исследовательского института органических удобрений (ВНИИОУ) Россельхозакадемии в 2010 -2011гг.

Технологические исследования по компостированию ОСВ и изучению влияния микробиологических деструкторов на агроэкологическое качество получаемых компостов проводились в 2010 г. на площадке для компостирования ВНИИОУ - в 3 буртах при соотношении С:Н = 25. Органо-минеральный компост был приготовлен из безреагентного аэробно-стабилизированного ОСВ с очистных сооружений города Владимира и опилок (хвойных пород) с использованием микробиологических деструкторов при заложении бурта с послойным чередованием ОСВ и наполнителя (Опыт 1).

Схема Опыта № 1 (2010г.):

Бурт №1 -(Контроль без добавок)+опилки

Бурт №2 -Компост + препарат Баркон (100л/1т органики)+ опилки

Бурт №3 -Компост + препарат Биофорсе (20лДт органики)+опилки

Микробиологические препараты применяли согласно рекомендациям производителей. В полевых условиях ежедневно определяли температурный режим компостов. Перебуртовка и поливы компостных смесей проводились раз в 2 недели. Наблюдения за режимом влажности выполняли путем отбора образцов и определения влажности термовесовым методом.

Полевые исследования по оценке воздействия органо-минеральных компостов на основе ОСВ с применением микробиологических деструкторов Баркон и Биофорсе на дерново-подзолистую супесчаную почву и на зерновую культуру (озимая пшеница) провели в полевых опытах № 2-3 (2010 - 2011гг.). Пахотный горизонт почвы на опыте № 2 (с озимой пшеницей) имел следующие агрохимические характеристики: содержание гумуса - в среднем, около 1,3 %,

PHkcl - 6,1, содержание подвижного фосфора - 25,8 мг/100 г. и калия - 27,6 мг/100 г.

Схема Опыта № 2:

1. Контроль без удобрений,

2. ОСВисх. 30 т/га,

3. Компост без добавок, 30 т/га,

4. Компост с БАРКОНОМ, 30 т/га,

5. Компост с BIOFORCE, ЗОт/га.

Севооборот опыт 2: (закладка 2010 г.) - озимая пшеница - ячмень,

Осадок сточных вод вносили под основную обработку почвы в дозах 30 т/га (в расчете на 50 % влажность) в опыт 2 под озимую пшеницу сорта «Заря» - осенью 2010 г.

Образцы почвы были отобраны из пахотного горизонта по фазам развития зерновых культур (ГОСТ 28168-89). Повторность каждого варианта 5-ти кратная. Обработка и уход за посевами проводились вручную. В течение вегетации растений проводили фенологические наблюдения. Урожай зерна и соломы учитывали сплошным деляночным методом взвешивания.

Все работы выполнялись вручную, исходя из рекомендаций по закладке и проведению полевых опытов (Доспехов, 1974; Минеев, 1989).

Лабораторные исследования. Санитарно-гигиеническую оценку почвы и удобрений осуществили на основе нормативных документов (СанПиН 2.1.7.1287-03, ГОСТ Р. 17.4.3.07-2001, СанПиН 5061-89).

В образцах почвы и удобрений проводили определение основных агрохимических показателей: pHKCi - потенциометрический (ГОСТ 26483-85), Нг -по Каппену (ГОСТ 26212-91). Определение подвижных форм фосфора и обменного калия в почве проводили по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207-91), содержания органического углерода (Сорг.) - методом Тюрина в модификации Никитина со спектрометрическим окончанием по Орлову - Гриндель (ГОСТ 26213-85), содержания азота - по ГОСТ 26715-85.

Валовое содержание и содержание подвижных форм тяжелых металлов -по «Методическим указаниям по определению тяжелых металлов» ЦИНАО (1992) определялось методом атомной абсорбции в лаборатории ФГУ ЦАС «Нижегородский».

Математическую обработку данных проводили методом дисперсионного анализа (Доспехов, 1987). Результаты исследований обрабатывали и оформляли на персональном компьютере с помощью программ MS Excel и Statistica 8.

Глава 3. Экологические и технологические особенности хранения и компостирования осадков городских сточных вод (ОСВ) с применением микробиологических деструкторов.

Исследования проводилось на полевой площадке для компостирования во ВНИИОУ в 2010-2011 гг. В качестве сырья для компостирования использовали осадки сточных вод (ОСВ) очистных сооружений города Владимира и опилки хвойных пород в качестве наполнителя.

В работе использовался осадок, полученный для исследования в июне 2010 г. В первой серии экспериментов, проводимых в сентябре 2010 г., использовался осадок, предварительно пролежавший на площадке в течение 4 месяцев (включая летний период). Во второй серии экспериментов (апрель 2011 г.) -осадок, который пролежал 10 месяцев, включая летний и зимний период.

По своим агрохимическим характеристикам используемый в опытах ОСВ, в целом, был близок усредненным показателям для очистных сооружений города Владимира (табл.1).

Таблица 1. Агроэкологическая характеристика ОСВ

Вариант Влажность % Зольность % Валовое содержание, % Содержание подвижных форм, мг/кг рНксь

N Р2О5 к2о N-N03 РгО, к2о

Средние характеристики свежего ОСВ г. Владимира (п=4) 75,0 ±0,5 40,6 ±4,2 2,2 ±0,2 2,2 ±0,2 0,44 ±0,04 7,8 ±1,5 1100 ±200 145 ±15 7,1 ±0,2

ОСВ июнь 2010 г. 76,0 51,0 2,57 3,05 0,54 4,5 1050 154 6,4

ОСВ сентябрь 2010 г. 75,6 54,6 2,50 2,4 0,56 4,4 1050 158 6,5

ОСВ апрель 2011 г. 75,0 56,3 2,58 2,7 0,57 5,7 2464 169 6,9

Исходные показатели свежего используемого ОСВ (июнь 2010 г.) характеризуются повышенными (по сравнению со средними значениями для ОСВ города Владимира) значениями зольности (51%) и валового содержания азота (2,57%), фосфора (3,05%) и калия (0,54%).

Содержание подвижных форм фосфора и калия не имело достоверных различий от средней характеристики ОСВ, содержание нитратного азота - в 1,5 раза ниже. Осадок характеризуется нормальной реакцией среды, при отклонении от средних значений на ± 0,7 рНка..

За первые три (летние) месяца хранения осадка в нем отмечается значительная потеря органического вещества и повышение зольности (на 7% от зольности исходного ОСВ). Содержание подвижных форм питательных элементов и рН меняются незначительно.

В последующие 6 месяцев (включая зимний период) отмечается замедление процесса минерализации органического вещества ОСВ (с возрастанием зольности на 3 %) и резкое увеличение содержания подвижного фосфора - в 2,4 раза.

По валовому содержанию тяжелых металлов (табл. 2) осадок характеризуется как слабо загрязненный (нормативы ГОСТ РФ): без превышений ПДК для ОСВ (0,02-0,19 ПДК); но по отношению к ОДК первой группы почв зафиксированы превышения концентраций тяжелых металлов практически для всех элементов (1,2 - 2,4 ОДК), кроме свинца (0,85 ОДК). Содержание подвижных форм тяжелых металлов значительно ниже существующих ПДК для ОСВ и ОДК для первой группы почв (0,13 - 0,46 ОДК).

Таблица 2 Содержание тяжелых металлов в ОСВ

Виды удобрения Тяжелые металлы

РЬ са Си Ъа N1 Сг Мп н8 Ав

Валовое содержание, мг/кг

Осадок 27,4 1,2 66 94,1 27,6 96,1 317,3 0,17 0,67

ПДК ОСВ I гр. 250 15 750 1750 200 500 - 7,5 10

ОДК почвы I гр. 32 0,5 33 55 20 80 - - -

Подвижные формы, мг/кг

Осадок 1,92 0,2 1,39 3,16 1,25 0,95 57 - -

ПДК ОСВ I гр. б - 3 23 4 - - - -

ПДК почвы I гр. 6 0,5 3 23 4 б - - -

Используемые в качестве органосодержащего наполнителя древесные опилки хвойных пород (традиционно получаемые с мебельной фабрики) характеризуются пониженной влажностью (24%), высоким содержанием углерода (49%). Высокая поглотительная способность опилок позволяет существенно снизить общую влажность получаемого компоста.

Компостирование проводилось в буртах с размером 1x1x1,5м, объемом 1,5 м3, в которых содержится около 1 т компостной смеси. Соотношение осадка к опилкам равно 1:0,16 по массе на натуральную влажность и 1:0,548 при расчете по сухому веществу. Микробиологические препараты применяли в дозе 20 л препарата (в разбавлении 1:10 коммерческих препаратов) на 1 т сухого вещества, с концентрацией препаратов 5х185КОЕ/г для БАРКОНА и 5хЮ9КОЕ/г для БИОФОРСЕ.

Компостирование продолжалось в течение года, при этом в первые два месяца компостируемую смесь еженедельно перемешивали для поддержания оптимального температурного режима.

Процесс компостирования смеси ОСВ с опилками при добавлении микробиологических деструкторов протекает в термофильном режиме с температурным максимумом, наблюдаемом на 27-29 сутки (рис. 1). Микробиологические добавки оказали существенно влияние на интенсивность биотермического процесса компостирования ОСВ с опилками. Максимальная температура в случае контроля составила 42°С, в компостах с препаратом БИОФОРСЕ она повышалась до 48°С, с препаратом БАРКОН - до 52°С.

Температурный режим компостирования, °С

Время эксперимента сутки —Контроль, —"—БАРКОН, —ВЮРОЯСЕ. ..........Температура воздуха

Рис. 1. Температурный режим компостирования ОСВ с опилками в качестве наполнителя и биопрепаратами.

Температура выше 26°С (пороговой температуры между внешней средой и началом мезофильного режима компостирования) на варианте контроля сохраняется 34 дня. При применении препарата БИОФОРСЕ отмечается его увеличение на 2 дня, а в случае препарата БАРКОН - на 5 дней. Ещё более четкие отличия проявляются при анализе длительности периода с температурами выше 35 и 45°С. В случае контроля количество дней с превышением температуры 35°С составило 12 дней, с БИОФОРСЕ - 18 дней, а с БАРКОН -30 дней (т.е. 2,5 раза больше, чем на контроле). Превышение температуры 45°С отмечается только в вариантах с биопрепаратами: 3 дня в компосте с препаратом БИОФОРСЕ и 6 дней - с препаратом БАРКОН.

Выявленная динамика температурного режима свидетельствует о наиболее высокой минерализующей активности микрофлоры в компосте с микробиологическим препаратом БАРКОН, который устойчиво поддерживает достоверно более высокую температуру - по сравнению с контролем.

Длительность повышенной температуры компостирования - очень важный фактор обеззараживания компостов от болезнетворных микроорганизмов. Проведенные исследования санитарно-экологического состояния исследуемых ОСВ и компостов выявили сохранение их неудовлетворительного качества по содержанию болезнетворных микроорганизмов во всех вариантах проведенных исследований (табл. 3). Остаётся актуальной задача дальнейшего наращивания и устойчивого сохранения повышенных температур (до 62°С) в процессе компостирования - при обеспечении минимального объема побочных потерь органического вещества ОСВ и сопряженных выбросов парниковых газ.

Таблица 3. Санитарно-гигиенические показатели исследуемых ОСВ и компостов.

Вариант Влажность, % Коли-титр Титр анаэробных клостридий Наличие сальмонеллы

Сентябрь 2010 г.

Осадок 75,6 0,001 0,01 присутствуют

Компост контроль 74,2 0,001 0,001 присутствуют

Компост с БАРКОН 73,2 0,001 0,001 присутствуют

Компост с БИОФОРСЕ 76 0,001 0,001 присутствуют

Апрель 2011 г.

Осадок 76 0,001 0,01 присутствуют

Компост контроль 77 0,001 0,001 присутствуют

Компост с БАРКОН 69 0,001 0,001 присутствуют

Компост с БИОФОРСЕ 77 0,001 0,001 присутствуют

СанПиН 2.1.7.573-96 75 >1 >0,1 отсутствует

Используемые для компостов ОСВ характеризуются (табл. 4) относительной высокой зольностью (51,0%) и валовым содержанием калия (0,54%), повышенным содержанием азота (2,17%) и фосфора (3,05%). По содержанию

подвижных форм основных элементов питания осадок отличается пониженным содержанием нитратного азота (4,5 мг /кг N - N03), очень высоким содержанием подвижного фосфора (1019 мг/кг Р2О5) и обменного калия (154 мг/кг К20).

Таблица 4. Агрохимические характеристики исследуемых ОСВ и компостов.

Вариант Вес компоста, кг Зольность % Валовое содержание, % Содержание подвижных форм, мг/кг рНксь

N Р2О5 к2о N-N03 Р2О5 к2о

Исходные материалы компоста

Используемый для компостов ОСВ (п=3) 51,0 ±2,5 2,17 ±0,08 3,05 ±0,20 0,54 ±0,07 4,5 ±0,7 1050 ±15 154 ±2 6,4 ±0.1

Опилки (наполнитель) 1,6 1,02 0,40 0,12 4,5

Свежие компостные смеси

К25 Контроль 1000 27,8 1,28 2,24 0,28 2,2 904 136 6,3

К25 БАРКОН 1000 28,0 1,26 2,30 0,27 2,4 916 127 6,4

К25БИОФОРСЕ 1000 27,6 1,29 2,24 0,24 2,7 912 138 6,5

Состояние компостов Сентябрь 2010 г.(3 месяца компостирования)

К25 Контроль 775 32,8 1,38 2,84 0,29 4,8 1904 169 7,0

К25 БАРКОН 810 32,9 1,32 2,76 0,32 4,4 1579 142 7,0

К25 БИОФОРСЕ 830 34,4 1,45 2,76 0,34 4,9 1661 159 7,0

Состояние компостов Апрель 2011 г.(10 месяцев компостирования)

К25 Контроль 610 34 1,33 2,56 0,37 5,7 1697 182 6,7

К25 БАРКОН 645 34,5 1,26 2,44 0,36 6,7 1741 163 6,7

К25 БИОФОРСЕ 662 34,3 1,43 2,49 0,42 7,1 1750 164 6,7

Чрезмерно высокое содержание подвижных форм фосфора осложняет применение ОСВ в качестве удобрения - наряду с его сильной обсеменённо-стью патогенной микрофлорой и высоким содержанием тяжелых металлов.

Частичному улучшению агроэкологического качества осадка способствуют применяемые в качестве наполнителя при компостировании ОСВ опилки

хвойных пород, которые характеризуются низкой зольностью (1,6%), пониженным содержанием азота (1,02%), фосфора (0,4%) и калия (0,12%). Их использование позволяет нормализовать основные показатели осадка (табл. 4).

Содержание элементов питания и их соотношение в свежих компостах существенно отличается от ОСВ. В сравнении с осадком, компост-контроль характеризуется пониженными значениями зольности (27,8%), содержанием азота, фосфора (соответственно - в 1,7 и 1,4 раза). В свежем компосте также отмечено значительно снижение (по сравнению с ОСВ) содержания подвижных форм азота (Д=2,3 мг/кг N-N03), фосфора (Л=146 мг/кг Р205) и калия (Д=18 мг/кг К20)

Свежие компосты с добавлением биопрепаратов-деструкторов достоверно не отличаются от контрольного варианта компоста по зольности, содержанию валового калия и подвижных форм фосфора. В то же время, свежий компост с БАРКОН характеризуются незначительным снижением обменного калия (на 9 мг/кг К20), и оба варианта компостов с биопрепаратами — незначительным повышением содержания нитратного азота, подвижного фосфора и частичной нейтрализацией реакции среды (Д=0,2 рНка).

Для учета потери массы при компостировании в компостную смесь были заложены марлевые пакеты с 1 кг компоста, которые взвешивали при закладке и по завершению компостирования. Через 3 месяца компостирования масса компоста в контроле сократилась на 22,5 % - 225 кг в пересчет на общую массу бурта, по сравнению со свежим осадком (рис. 2).

1000

КОНТРОЛЬ 3 апрель 2011г.

БАРКОН и сентябрь 2010г.

БИОФОРСЕ

■ апрель 2011г.

Рис. 2. Динамика потери в массе исследуемых компостных смесей.

Масса компоста в том же варианте в зимний период сократилась до 610 кг, общие потери составили 390 кг. В экспериментах с биопрепаратами отмечается некоторое снижение скорости минерализации (и уменьшения массы) компостов: на 190 и 165 кг (19 и 16,5 %) - в случае БАРКОН, и на 170 и 168 кг - в случае БИОФОРСЕ. Таким образом, для варианта компостирования с БИОФОРСЕ характерны как минимальные потери веса, так и их наиболее равномерный характер, что косвенно свидетельствует об относительно устойчивом функционировании микробиоты.

После трех месяцев компостирования наблюдается значительное повышение концентрации в компосте зольных элементов (на 4 абсолютных или 15 относительных %), двукратное увеличение содержания нитратного азота и подвижного фосфора, нейтрализация реакции среды до 7,0 рНка (см. табл. 4).

Трехмесячные компосты с добавлением микробиологических деструкторов характеризуются пониженным (относительно контроля) содержанием подвижного фосфора и обменного калия. Максимальное различие с контролем отмечаются: по содержанию зольных элементов и валового азота - у компоста с БИОФОРСЕ (повышение концентраций); а по содержанию нитратного азота, подвижных форм фосфора и калия - у компоста с БАРКОН (снижение концентраций). В десятимесячном компосте наблюдается дальнейший рост концентрации зольных элементов и калия, с некоторым понижением валового фосфора.

Постепенное повышение при компостировании значения реакции среды (рНКс|) является следствием ускоренной минерализации органической части компоста с повышением содержания зольных частиц (рис.3). Отдельно отметим отличия в сезонной динамике реакции среды ОСВ и контрольного компоста, где четко выражено временное подкисление после трех месяцев компостирования. В компостах с биопрепаратами-деструкторами, наоборот, в этот период наблюдаются максимальные в эксперименте нейтральные значения рН.

Рис. 3. Динамика изменения рН в осадке и компостах

В результате компостирования наблюдается значительное снижение содержания в компостах большинства тяжелых металлов - в сравнении с осадком (табл. 5). Более высокое содержание ионов тяжелых металлов отмечено в компосте с БАРКОН: концентрации цинка, никеля и меди - соответственно, на 9,3; 5,1 и 4,1 % выше, чем в контрольном варианте. Возможно, это связано с большей степенью минерализации в термофильных фазах. Наименьшее содержание ТМ отмечалось в компосте с БИОФОРСЕ. Следует отметить, что валовое содержание тяжелых металлов во всех компостах оказалось значительно ниже ПДК для ОСВ (0,05 - 0,12 ПДК). Содержание подвижных форм ТМ - значительно ниже ПДК для ОСВ и первой группы почв (0,08 - 0,49 ПДК). По суммарному влиянию на валовое содержание ТМ и содержание в компосте их подвижных форм наилучшие показатели получились у компоста с препаратом БИОФОРСЕ.

Таблица 5. Содержание подвижных форм ТМ в ОСВ и компостах, мг/кг сухого вещества.

Варианты* Тяжелые металлы, мг/кг

РЬ са Си Хп № Сг Мп

Валовое содержание

Осадок 27,4 1,20 66,0 94,1 27,6 96,1 317,3

Компост-контроль 23,7 0,93 46,4 84,6 17,7 74,8 265,3

Компост с БАРКОН 22,7 0,85 46,9 83,3 16,1 70,5 262,8

Компост с БИОФОРСЕ 19,2 0,82 44,1 82,8 15,1 61,0 249,7

ОДК ОСВ I гр. 250 15 750 1750 200 500 -

ОДК/ПДК почвы I гр. 130 2,0 132 220 80 90 -

Подвижные формы

Осадок 1,92 0,20 1,39 3,16 1,25 0,95 57

Компост-контроль 0,74 0,09 0,98 3,01 0,68 0,48 46

Компост с БАРКОН 0,73 0,18 1,49 3,12 1,19 0,98 62

Компост с БИОФОРСЕ 0,69 0,13 1,02 2,97 0,95 0,62 59

ПДК ОСВ I гр. 6 - 3 23 4 - -

ПДК почвы I гр. 6 0,5 3 23 4 6 -

* для ОСВ данные на июнь 2010 г. (закладка опыта), для компостов - на сентябрь 2010 г.

Глава 4. Влияние осадка сточных вод и биологически модифицированных компостов на агроэкологические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы

Влияние ОСВ и компостов на его основе на основные характеристики дерново-подзолистых супесчаных почв исследовалось на протяжении двух лет в мелкоделяночном опыте на Опытном поле ВНИИОУ. Внесение ОСВ и компостов на их основе существенно увеличило содержание доступных форм нитратного азота в почве (рис. 4).

Содержание нитратного азота (ТЧ - №Э3) в фазе всходов увеличивалось, в сравнении с контрольным вариантом, на 34-65 % и было максимальным в варианте с применением компоста с БАРКОН - 26,2 мг/кг (рис. 4). Из-за низкой влажности почвы в фазах осеннего кущения (7-9 %) и выхода в трубку (4,95,6%) содержание этой формы азота было очень незначительным - вплоть до предела обнаружения. Нитрификация затухала и вновь выровнялась в фазу колошения. В фазу колошения содержание N - >Ю3 в вариантах с компостами было ниже, чем в контрольном варианте и варианте с ОСВ, что объясняется более интенсивным использованием N - N03 повышенной биомассой растений.

Контроль ОСВ Компост Компост с Компост с

контроль БАРКОН БИОФОРСЕ

_____^всходы___ч кущение я выход в трубку в колошение

Рис. 4. Динамика содержания нитратного азота в пахотном горизонте под озимой пшеницей (на абсолютно сухое вещество).

Содержание азота в аммиачной форме было низким во всех фазах развития пшеницы и по вариантам различалось мало (Касатиков и др., 2011; 2012). Контрольный вариант без использования ОСВ характеризуется невысоким содержанием минеральных форм азота в фазе всходов озимой пшеницы и их резким снижением - в последующих (рис. 4).

В случае применения ОСВ происходит трехкратное повышение содержания минерального азота в фазе всходов, в результате даже его последующее

резкое снижение не сопровождается дефицитом минеральных форм азота. Замена ОСВ компостом сопровождается двукратном снижением стартового содержания азота в фазе всходов (тем не менее, оно в полтора выше, чем в варианте контроля).

в всходы ® кущение ■ выход в трубку ■ колошение

Контроль ОСВ Компост Компосте

контроль БАРКОН

Компост с БИОФОРСЕ

Рис. 4. Динамика запасов содержания минеральных форм азота в пахотном горизонте дерново-подзолистой почвы под озимой пшеницей, кг/га.

Суммарные запасы минерального азота в течение вегетационного периода в пахотном горизонте почвы не превышали 12 кг/га в фазу кущения. В варианте с БИОФОРСЕ отмечаются наиболее высокие значения минерального азота среди компостов в фазе всходов и наиболее равномерное его распределение по фазам кущение-выход в трубку-колошение.

Таким образом, внесение в супесчаную дерново-подзолистую почву свежего органического вещества с ОСВ и компостами способствовало существенному повышению содержания в ней минеральных форм азота - не выходя за пределы экологически допустимых значений (рис. 4).

В течение всей вегетации наибольшее содержание нитратного азота отмечалось на варианте с внесением ОСВ. Компостирование ОСВ способствовало сезонной стабилизации пула минерального азота в пахотном горизонте исследуемой дерново-подзолистой почвы легкого гранулометрического состава. Наилучшее последействие отмечается в варианте применения компоста с биопрепаратом БИОФОРСЕ.

Разовое внесение органоминеральных удобрений на основе ОСВ в дозах 30 т/га оказало существенное, но неоднозначное влияние на целый ряд агрохимических свойств исследуемой супесчаной дерново-подзолистой почвы (табл. 6).

Таблица 6. Агрохимическая характеристика пахотного горизонта дерново-подзолистой супесчаной почвы (озимая пшеница, 2011).

Вариант опыта Год анализа Собшч % N РіО, к,о рНка НгИДр. Са-Н-Мй"' Е V,%

мг/кг мг.-эквЛОО г

Контроль 2010 г.* 0,834 172 260 256 6,1 0,5 6,00 6,50 92,3

2011 г.** 0,824 29 230 262 6,1 0,54 5,02 5,56 90

ОСВ 30 т/га 2010 г.* 0,767 263 220 280 6,1 0,49 5,58 6,07 92

2011 г.** 0,848 41 350 278 6,2 0,76 5,50 6,26 88

Компост контроль 30 т/га 2010 г.* 0,764 267 210 282 6,2 0,49 5,57 6,16 92

2011 г.** 0,835 27 340 284 6,2 0,69 5,78 6,47 89

Компост БАРКОН 30 т/га 2010 г.* 0,854 271 300 290 6,2 0,48 5,74 5,92 92

2011 г.** 1,026 24 490 295 6,3 0,68 5,58 6,26 89

Компост БИОФОРСЕ ЗОт/га 2010 г.* 0,766 279 300 273 6,2 0,43 5,63 6,06 93

2011 г." 1,045 25 360 284 6,4 0,56 5,67 6,23 91

Примечание: * - август 2010 г. - до закладки опыта,

* * - июль 2011 г. - сразу после уборки озимой пшеницы.

Прежде всего, следует отметить увеличение содержания Собщ. - максимально выраженное в вариантах применения компостов с микробиологическими добавками. Так в варианте с использованием компоста с БАРКОН содержание Собщ. возросло на 16,7 относительных %, в случае с БИОФОРСЕ - даже на 26,6 отн. %. Данная зависимость обусловлена более интенсивной гумификацией органического вещества компостов с изучаемыми микробиологическими добавками и проявляется в большей степени при осеннем внесении компостов.

Среди подвижных форм основных элементов питания максимальной положительной динамикой характеризуется содержание подвижного фосфора, возрастающее в результате применения компостов и ОСВ от 1,2 до 1,6 раз.

В результате применения ОСВ и компостов несколько повышается значение рНКС|,но одновременно незначительно повышается гидролитическая кислотность, и снижается степень насыщенности почвенного поглощающего комплекса. По совокупности проанализированных агрохимических и физико-химических характеристик почв наиболее благоприятные изменения отмечаются в варианте компоста с БИОФОРСЕ.

Содержание тяжелых металлов в применяемых ОСВ и компостах, по большинству элементов, существенно ниже ОДК, поэтому их применение в качестве органоминерального удобрения под озимую пшеницу не привело к значительному повышению экологической нагрузки на почву (табл. 7).

Таблица 7. Влияние компостов на основе ОСВ на содержание ТМ в

пахотном горизонте супесчаной дерново-подзолистой почвы под озимой пшеницы, 2011 г.

Вариант Элементы гс

са | Си | Сг і № | рь | гп

Валовое содержание

Контроль 0,38 2,62 4,55 4,87 9,23 27,19 -

ОСВ 30 т/га 0.52 1,4» 3.43 1,3 4.90 1,1 5.04 1,0 11,41 1,2 37,65 1,4 2,4

Компост без добавок 30 т/га 0.45 1,2 3.21 1,2 4,59 1,0 4.95 1,0 11,33 1,2 35,08 1,3 1,9

Компост с БАРКОН 30 т/га 0.49 1,3 3.34 1,3 4,67 1,0 5,02 1,0 11,38 1,2 35,58 1,3 2,1

Компост БИОФОРСЕ 30т/га 0.47 1,2 3.27 1,2 4.60 1,0 4.98 1,0 11,35 1,2 36,06 1,3 1,9

ОДК в почве, мг/кг 2 132 90 80 130 220

Подвижные формы

Контроль 0,10 0,12 0,12 0,32 0,52 0,74 -

ОСВ 30 т/га 0.14 1,4 0.15 1,2 0.14 1,2 0.41 1,3 0.72 1,4 0.94 1,3 2,8

Компост без добавок 30 т/га 0.12 1,2 0.14 1,2 0,13 1,1 0.34 1,1 0.60 1,1 0.82 1,1 1,8

Компост с БАРКОНОМ 30 т/га 0.13 1,3 0.15 1,2 0,14 1,2 0,33 1,0 0.64 1,2 0.80 1,1 2,0

Компост с БИОФОРСЕ 30т/га 0.13 1,3 0.14 1,2 0,13 1,1 0,36 1,1 0.68 1,3 0.86 1,2 2,2

ОДК в почве, мг/кг 0,5 3,0 6,0 4,0 6,0 23,0

* - В числителе - содержание ТМ, мг/кг; в знаменателе - Кс - коэффициент накопления ТМ.

Максимальное значение показателя суммарного валового загрязнения почвы составили 2,4 при применении ОСВ, при существенном снижении (до 1,9-2,1) в вариантах применения компостов. Увеличение содержания подвижных форм элементов-загрязнителей в пахотном горизонте почвы было также незначительным (с гс=2,8 при применении ОСВ), с более контрастным снижением показателя суммарного загрязнения в вариантах применения компостов.

Глава 5. Сравнительный анализ влияния исследуемых компостов на основе ОСВ, с использованием микробиологических препаратов (БАРКОН, БИОФОРСЕ), на урожайность культур и качество растительной продукции.

Компосты и ОСВ оказали достоверное положительное влияние на урожайность и качество выращиваемых в опыте зерновых культур (табл. 8). Достоверные прибавки урожайности озимой пшеницы получены в размере 3746 % к контролю. При этом не выявлено преимущественного влияния на урожайность компостов с микробиологическими добавками - в сравнении с традиционными способами компостирования ОСВ с опилками.

Таблица 8. Урожайность озимой пшеницы Заря

Вариант Урожайность, г/м2 Прибавка Масса 1000 зерен,г Сырой белок, %

г/м2 %

Контроль 246 - - 48,54 11,1

ОСВ 30 т/га 352 106 43 49,76 10,5

Компост без добавок 30 т/га 359 113 46 47,42 10,0

Компост с БАРКОН 30 т/га 340 94 38 47,45 10,0

Компост с БИОФОРСЕ 30 т/га 336 90 37 49,38 11,9

НСРо5,г/м2 29,4 1,63

Применение ОСВ в дозе 30 т/га под озимую пшеницу обеспечило существенную разницу урожая ( в сравнении с контролем), равную 106 г/м2 или 41,4 %, а с изучаемыми компостами эта разница составила от 90 до 113 г/м2. Достоверная прибавка зерна к контролю без удобрений получена на варианте с применением компоста, приготовленного обычным способом - 45,9 %, при прибавках в 38,2 % для компоста с добавлением БАРКОН и 37,2 % - для компоста с добавлением БИОФРСЕ.

По содержанию белка наилучшие результаты получены в варианте применения компоста с БИОФОРСЕ: на 12-19 относительных % выше, чем в дру-

гих вариантах с компостами, и на 7 отн. % выше, чем на контроле - со значительно более низкой урожайностью пшеницы.

Химический анализ растений ( табл. 9) показал, что в зерне озимой пшеницы значительно увеличилось содержание азота при внесении ОСВ - на 0,31 %. В 2 из 3 вариантов с применением компостов содержание N было даже несколько ниже, чем в контроле: 1,93-1,68 %. Содержание этого элемента в соломе на всех вариантах изменялось незначительно по отношению к контролю. Заметно повышено содержание фосфора в зерне (до 17 относительных %) и калия - в соломе (до 30 относительных %). Расчеты показали, что коэффициент использования калия из удобрений составил 57-79 %.

Таблица 9. Химический состав растений озимой пшеницы, %

Вариант В зерне В соломе

N р2о5 к2о N Р2О5 к2о

Контроль 1,94 0,91 0,48 0,43 0,10 1,21

ОСВ 30 т/га 2,25 0,93 0,47 0,44 0,13 1,39

Компост контроль 30 т/га 1,88 1,00 0,48 0,45 0,12 1,38

Компост с БАРКОН 30 т/га 1,68 1,06 0,50 0,44 0,23 1,58

Компост с БИОФОРСЕ 30 т/га 1,93 1,00 0,53 0,39 0,13 1,30

По характеру и сбалансированности изменения содержания основных элементов питания в зерне наилучшие показатели были получены в варианте применения компоста с добавлением БИОФРСЕ.

Применение ОСВ и компостов в качестве удобрений с дозой сухих веществ около 12-15 т/га повышает концентрацию тяжелых металлов в почве, но их невысокое фоновое содержание и повышенная абсорбционная способность применяемых компостов не допускают превышений в сельскохозяйственной продукции (зерно, солома) предельно допустимых концентраций ТМ (табл. 10).

Содержание ТМ в зерне и соломе существенно ниже МДУ. Наибольшее увеличение интегрального показателя загрязнения тяжелыми металлами в зерне вызвали хром и свинец. Содержание Сг в зерне возросло с 0,07 мг/кг на контроле до 0,17 мг/кг при применении ОСВ и до 0,13 мг/кг при применении компостов. Замена ОСВ компостами позволяет снизить интегральный показатель загрязнения зерна ТМ до 2 раз - в вариантах компостов с биопрепаратами-деструкторами.

Содержание поступления ТМ в соломе выше, чем в зерне (наибольший рост наблюдается при внесении ОСВ), и понижающий загрязнение эффект замены ОСВ компостами в этом случае проявляется гораздо слабее. Тем не

менее, ни в одном варианте опыта не отмечается превышения МДУ для сочных и грубых кормов.

Таблица 10. Содержание ТМ в растениях озимой пшеницы в мг/кг, 2011 г.

Вариант Элементы г*

Сё Си Сг № РЬ га

Зерно

Контроль 0,186 3,48 0,07 0,16 0,13 33,65 -

ОСВ 30 т/га 0,197 1,1 6.35 1,8 0.17 2,4 0.28 1,8 0.27 2,1 41,89 1,2 5,4

Компост-контроль, 30 т/га 0,171 <1 4.47 1,3 0.12 1,7 0.26 1,6 0.21 1,6 34,03 1 3,2

Компост с БАРКОН, 30 т/га 0,177 <1 4.54 1,3 0.11 1,6 0.23 1,4 0.17 1,3 35,46 1 2,6

Компост с БИОФОРСЕ, 30т/га 0,174 <1 4.19 1,2 0.13 1,9 0.21 1,3 0.19 1,5 34,26 1 2,9

Солома

Контроль 0,164 1,07 0,07 0,45 0,44 9,23 -

ОСВ 30 т/га 0.23 1,4 2.84 2,6 ОЛ. 1,4 0.74 1,6 0.57 1,3 29,05 3,1 6,4

Компост-контроль, 30 т/га 0,191 1,2 2.47 2,3 0.09 1,3 0.65 1,4 0.53 1,2 24,03 2,6 5

Компост с БАРКОН, 30 т/га 0,204 1,2 2.64 2,5 0.09 1,3 0.66 1,5 0.49 1,1 24,46 2,7 5,3

Компост с БИОФОРСЕ, 30т/га 0,213 1,3 2.69 2,5 0.09 1,3 0.69 1,5 0.51 1,2 25,26 2,7 5,5

МДУ (сочные и грубые корма), мг/кг 0,3 30 0,5 3 5 50

*В числителе - содержание ТМ, мг/кг; в знаменателе - Кс - коэффициент накопления ТМ.

Выводы

1. Ежегодно растущие объемы производства осадков сточных вод и крайне низкие, по сравнению с развитыми странами, объемы их наиболее экологически эффективной сельскохозяйственной утилизации в России актуализируют задачи агроэкологических исследований технологий применения ОСВ и их последействия на качество получаемой при этом сельскохозяйственной продукции и почв. Это особенно актуально для почв легкого гранулометрического состава, с пониженным уровнем эффективного плодородия и экологической емкости к антропогенным воздействиям.

2. Проведенные исследования состава осадка сточных вод (ОСВ) города Владимира и компостов, получаемых на их основе с использованием в качестве наполнителя опилок хвойных пород и микробиологических препаратов-деструкторов, показали хорошую эффективность последних для ускорения биотермического процесса компостирования - на 8-9 суток (14% стандартного периода), с устойчивым значительным повышением температуры компостирования - на 8-12°С.

3. Компостирование ОСВ с применением опилок хвойных пород в качестве наполнителя и исследуемых микробиологических препаратов позволяет существенно улучшать агроэкологическое качество получаемых компостов: снижение валового содержания азота с 2,17 до 1,56%, фосфора - с 3,05 до 2,24%, и уменьшение валового содержание и содержания подвижных форм тяжёлых металлов - в среднем, в 1,5 раза.

4. Применение разовых повышенных доз компостов на основе ОСВ с микробиологическими деструкторами (30 т/га, или 12-15 т/га сухого вещества) на пахотных дерново-подзолистых супесчаных почвах Владимирской Мещеры способствовало значительному повышению содержания в них органического углерода (до 16-27 относительных % ) и подвижного фосфора (в среднем, на 75 мг/кг Р2О5) - без значимых отрицательных воздействий на агроэкологическое качество почв (содержание нитратного азота и тяжелых металлов сохраняется в рамках допустимых значений).

5. Применение компостов и ОСВ оказало достоверное положительное влияние на урожайность и качество выращиваемой в опыте озимой пшеницы. Достоверная прибавка зерна к контролю без удобрений получена на варианте с применением компоста, приготовленного обычным способом - 45,9 %, при прибавках в 38,2 % для компоста с добавлением БАРКОН и 37,2 % - для компоста с добавлением БИОФРСЕ. В варианте применения компоста с БИОФОРСЕ получены наилучшие результаты по содержанию белка: на 12-19 относительных % выше, чем в других вариантах с компостами, и на 7 отн. % выше, чем на контроле - со значительно более низкой урожайностью пшеницы.

6. Сравнительный анализ эффективности применения двух исследуемых микробиологических препаратов (БАРКОН и БИОФОРСЕ) показал более высокий суммарный агроэкологический эффект применения БИОФОРСЕ: среднее превышение температуры компостирования на 7-12°С, более сбаланси-

рованный и устойчивый характер содержания подвижных форм NPK, наименьшие и равномерные потери веса компоста при его длительном созревании-хранении, максимальную стабилизацию содержания подвижных форм тяжелых металлов, и лучшее последействие применения компоста на агроэкологическое качество супесчаных дерново-подзолистых почв и зерна озимой пшеницы.

7. Дополнительных агроэколопиеских исследований требуют вопросы дальнейшего повышения температуры компостирования для обеззараживания компостов от болезнетворных микроорганизмов и снижения отрицательного агроэкологического последействия многократного применения повышенных доз компостов ОСВ на бедных дерново-подзолистых почвах легкого гранулометрического состава.

Список научных работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Рауэлиаривуни A.C., Васенев И.И., Касатиков В.А. Агроэкологическая оценка последействия обогащенных микробиологическими деструкторами компостов на основе ОСВ на дерново-подзолистую супесчаную почву Владимирской Мещеры // Агрохимический вестник. 2013. № 2. С. 43-46.

Материалы в сборниках трудов конференций:

2. Рауэлиаривуни A.C., Васенев И.И. Экспериментальные обеспечения aipo-экологической оценки воздействия компоста на основе осадков сточных вод на дерново-подзолистые почвы И Материалы международной конференции молодых ученых, посвященной 145-летию Академии имени К.А. Тимирязева. 2010. Т.1., с. 126.

3. Касатиков В.А., Рауэлиаривуни A.C., Шабардина Н.П. Влияние биологически модифицированных компостов на макро- и микроэлементный состав зерновых культур и их урожайность // Биологизация адаптивно-ландшафтной системы земледелия - основа повышения плодородия почвы, роста продуктивности сельскохозяйственных культур и сохранения окружающей среды: Материалы Всероссийской научно-практической конференции Белгородского НИИИСХ РАСХН. 2012. Т. 2. С. 111.

4. Касатиков В.А., Рауэлиаривуни A.C., Шабардина Н.П. Влияние биологически модифицированных компостов на агробиологические и экологические свойства почвы // Материалы Всероссийской юбилейной научно-практической конференции «Научное обеспечение земледелия СКФО», посвященной 100-летию Ставропольского НИИСХ. 2011. С. 234-235.

5. Касатиков В.А. Рауэлиаривуни A.C., Шабардина Н.П. Влияние биологически модифицированных компостов на агрохимический состав почвы, макрозлементный состав зерновых культур и их урожайность // Материалы координационного совещания «Высокоэффективные системы использования органических удобрений и возобновляемых биологических ресурсов». ВНИИОУ, 2012. С. 48-51.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Формат 60х84'/(б. Усл.печ.л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ

Издательство РГАУ-МСХА 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44 Тел.: (499) 977-00-12,977-26-90,977-40-64

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Рауэлиаривуни Андриантсалама Ситрака, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - МСХА

имени К.А. ТИМИРЯЗЕВА

04201357111 на правах рукописи

РАУЭЛИАРИВУНИ АНДРИАНТСАЛАМА Ситрака

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСВТИЯ ОБОГАЩЕННЫХ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИМИ ДЕСТРУКТОРАМИ КОМПОСТОВ НА ОСНОВЕ ОСВ НА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТУЮ

СУПЕСЧАНУЮ ПОЧВУ ВЛАДИМИРСКОЙ МЕЩЕРЫ.

Специальность 03.02.08 — экология (биология) 06.01.04 - агрохимия

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители:

доктор биологических наук, профессор Васенев Иван Иванович доктор сельскохозяйственных наук, профессор Касатиков Виктор Александрович

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ стр

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................4

ГЛАВА I - АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ УДОБРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД.

1.1. Проблема утилизации осадка городских сточных вод........................................................................................11

1.2. Экологические ' и технологические особенности компостирования осадка сточных вод........................................22

1.3. Агроэкологические свойства осадка сточных вод и компостов на его основе.................:.........................................................38

1.4. Влияние осадка сточных вод и компостов на концентрации тяжелых металлов в системе почва - растение..............................41

ГЛАВА II- ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Краткая характеристика Владимирской Области (климат, Рельеф, породы)....................................................................47

2.2. Основные объекты исследования.......................................48

2.3. Методы исследования......................................................50

ГЛАВА Ш-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОССОБЕНОСТИ

КОМПОСТИРОВАНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД С ПРИМЕНЕНИЕМ

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ.

3.1. Изучение свойства осадков сточных вод г. Владимира............58

3.2. Технологические особенности компостирования осадков сточных

вод и опилок хвойных пород при использовании метода

микробиологической биотехнологии.........................................60

ГЛАВА 1У-ВЛИЯНИЕ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД И БИОЛОГИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КОМПОСТОВ НА АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ СУПЕСЧАНОЙ ПОЧВЫ ВЛАДИМИРСКОЙ МЕЩЕРЫ.

4.1. Влияния ОСВ и компостов на его основе на изменение агрохимических свойств дерново-подзолистой супесчаной почвы Владимирской мещеры...........................................................69

4.2. Изучение фитотоксичности дерново-подзолистой почвы удобренной ОСВ и компостами на основе осадков городских сточных вод....................................................................................74

4.3. Влияния ОСВ и компостов на содержание тяжелых металлов в

дерново-подзолистой супесчаной почве Владимирской мещеры......76

.ГЛАВА V- СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ИССЛЕДУЕМЫХ КОМПОСТОВ НА ОСНОВЕ ОСВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ (БАРКОН, БИОФОРСЕ), НА УРОЖАЙНОСТЬ КУЛЬТУР И КАЧЕСТВО РАСТИТЕЛЬНОЙ ПРОДУКЦИИ.

5.1. Воздействие осадка городских сточных вод и компостов на их

основе на развитие озимой пшеницы............................................77

5.2 Влияния ОСВ и компостов на его основе на содержание тяжелых

металлов в растениях..............................................................82

ГЛАВА VI- АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ ПОСЛЕДЕЙСТВИЯ ПРИМЕНЯЕМЫХ КОМПОСТОВ НА ОСНОВЕ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД.

6.1. Исследование почвы по агрохимическим показателям после использования осадка сточных вод в качестве удобрения...............85

6.2. Влияние осадка сточных вод на содержание ионов тяжелых металлов.................................................................................88

ВЫВОДЫ.......................Г...........................................................90

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................93

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность: Одной из основных экологических проблем современной цивилизации является утилизация отходов производства и потребления. Среди них особое место занимают городские осадки сточных вод (ОСВ), которые в больших объемах накапливаются на очистных сооружениях городов и промышленных объектов, создавая повышенную потенциальную опасность для экологического состояния окружающей среды (Агроэкология, 2004; Моисеенко и др.,2009; Сюняев и др., 2012).

Осадки сточных вод, как правило, содержат повышенное количество

основных элементов питания и органических веществ. Это определяет их

привлекательность в качестве источника нетрадиционных органо-минераль-ных удобрений, способствующих поддержанию устойчивого почвенного плодородия (Лукин, 2006; Мерзлая, 2009; Васенев и др., 2012), что особенно актуально для пригородных зон больших городов, наиболее привлекательных для интенсивного ведения сельского хозяйства (Климова и др., 2009).

В сельском хозяйстве пригородных районов практически всех развитых стран активно применяются осадки сточных вод и их компосты в качестве дешевых местных (нетрадиционных) удобрений. Так, в странах ЕС в качестве удобрения ежегодно используется 32,4% производимых в них 10 млн.т осадка сточных вод. При этом уровень сельскохозяйственной утилизации ОСВ во Франции достигает - 43%, в Люксембурге - 50%, а в Швейцарии - даже 70% (Eurostat, 2009). И в мире, в целом, прослеживается устойчивая тенденция к ' устойчивому росту сельскохозяйственной утилизации ОСВ. В США, по прогнозам (Philippe Collet, 2012), она составит не менее 65% к 2015 г.

Массовое применение осадка сточных вод в качестве удобрений ограничено наличием в них повышенных концентраций загрязняющих веществ, среди которых особую роль-играют тяжелые металлы (Smith 2008; Савич,

2009). Экологические риски загрязнения сельскохозяйственных почв, продукции, грунтовых вод и водоемов, в результате применения осадка сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов, особенно возрастают в случае их применения на почвах легкого гранулометрического состава, которые широко распространены на Европейской территории России и преобладают в райрнах Владимирской Мещеры (Касатиков и др.,

2010).

Подготовка на основе осадка сточных вод компоста подразумевает значительные временные и, энергетические затраты, сократить которые позволяет агроэкологически обоснованное применение микробиологических препаратов-деструкторов грубых органических веществ (Герасимов, 2008). Подготовка компостов на основе ОСВ подразумевает значительные временные и энергетические затраты, сократить которые позволяет агроэкологически обоснованное применение микробиологических препаратов-деструкторов грубых органических веществ (Емцев, 2005; Сидоренко, 2006;Герасимов, 2008).

Цель и задачи исследования:

Владимирской Мещеры дерново-подзолистые супесчаные почвы. В соответствие с подставленной целью решались следующие задачи:

3. Сравнительный анализ последействия применения исследуемых компостов ОСВ, с использованием двух видов микробиологических препаратов (БАРКОН,' БИОФОРСЕ) на продуктивность тестовой сельскохозяйственной культуры и качество растительной продукции.

Научная новизна.

содержания в ней подвижного фосфора: в среднем, на 75 мг/кг Р205 - в сравнении с контролем (+84%).

Практическая значимость работы.

Проведенные исследования показали хорошие перспективы сельскохозяйственной утилизации городских осадков сточных вод с удобрением бедных дерново-подзолистых почв легкого механического состава - при предварительном компостировании их с использованием микробиологических препаратов-деструкторов и проведении мониторингового контроля за экологическим состоянием удобряемых почв и

качества получаемой продукции.

Применение компостов на основе ОСВ с микробиологическими деструкторами позволило значительно повысить урожайность озимой пшеницы (на 37^6 %) и тритикале (на 47-54%), а также их технологическое качество, не снижая показателей экологической безопасности продукции.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОССОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА И ПРМЕНЕНИЕЯ УДОБРЕНИИЙ НА ОСНОВЕ ОСАДКА

ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД.

Научно-техническое развитие человечества вносит значительные изменения в экосистемы нашего планета. Индустриализация общества неизбежно приводит к урбанизации многих стран мира, расширению городов, к уничтожению лесов, загрязнению биосферы и атмосферы в целом. Современный образ жизни человека и связано с ним концентрации отходов представляют Большую угрозу для окружающей среды и людей, которые могут содержать токсичных веществ (Агроэкология, 2000).

С ростом городов и повышением их степени благоустройства возрастают объемы отходов, в том числе сточных вод. Сброс их в водоёмы без предварительной очистки от иловых частиц, микрофлор, и избытка содержания химических ингредиентов в России и Европе запрещён действующим законодательством. Поэтому сточные воды подвергаются очистки. В иловых станциях аэрации накапливается осадок сточных вод (ОСВ) в больших объемах. Не находящие применения ОСВ скапливается на территории станции. При решении технологических вопросов, связанных с очисткой городских сточных вод, очистные сооружения часто сталкиваются с проблемой утилизации произведенных отходов в виде ОСВ (Сычев, 2007). *

Вместе с тем осадок, как и сточные воды, ОСВ содержит много полезных веществ и питательных элементов, является ценным органическим удобрением для сельскохозяйственных культур( Шуравлин и др.2006).

На очистных сооружениях г. Московского региона накапливается 4050 тыс. м3 осадка в сутки/ Удобрительная ценность ОСВ определяется

содержанием в нем органического вещества, основных элементов питания и микроэлементов. ОСВ Московских станций аэрации содержит около 6,5 тыс. т азота, 13 тыс. т фосфора, 90 тыс. т гумусо-подобных веществ (Храменков и др., 2002).

В некоторых видах осадка сточных вод элементы питания находятся в связанной форме, что затрудняет прогнозирование скорости их переход в доступные формы. В результате возникает опасность внесение питательных элементов в дозах больше нормальных для растений.

Наряду с органическими веществами и питательными элементами в осадке присутствуют опасные микроорганизмы и тяжелые металлы, которые вызывают необходимость в специальной обработке и захоронении осадка. Поэтому очень актуально встает задача утилизации ОСВ городских очистных сооружений (Мохаммед, 2001; Chen, 2002; Deiana, 1990).

Городские отходы муниципального хозяйства, в том числе и осадков в крупных населенных пунктах создают много проблем в их утилизации. Применение ОСВ в качестве7 удобрения в сельском хозяйстве способствует улучшению почв, и решать экологические проблемы их захоронения.

Таким образом, многолетние исследования и практика по применению показывают, что применение осадка сточных вод в сельском хозяйстве - одни из наиболее рациональных способов их утилизации.

Органические вещества в осадках повышают структуру почвы, водоустойчивость почвенных агрегатов, вследствие чего улучшается ее водный воздушный и теплообменный режимы, а также к процессам эрозии. Особенный эффективны ОСВ на легких дерново-подзолистых почвах, где их применение устраняет дисбаланс элементов питания.

Большинство видов осадков пригодны для использования в сельском хозяйстве, однако в каждом конкретном случае необходимо определить их состав, дозы, сроки, и периодичность внесения.

1.1. Проблема утилизации осадка городских сточных вод, их классификация

В населенных пунктах проблемы возникают в связи с утилизацией осадка сточных вод. Возникновение необходимости очистки сточных происходит из превышения их количества в очистных станциях, которые не справляются с переработкой компонентов сточных вод и, вследствие этого, загрязняются экосистемой (Анализ..., 2008; Дайс Маер, 2009)..

Поэтому современная наука предложила систему очистки сточных вод, пригодного для их утилизации или сброса в природу, или после дополнительной обработки, для непосредственного использования человеком.

Мировой опыт по утилизации ОСВ уходит в прошлый век. Сточные воды отводили как жидких удобрений для сельского хозяйства. В последнее время широкое использование человеком более токсичных материалов, новых продуктов химии привело к тому, что превратились в промышленно-бытовые отходы (ADEME, 2006.). Существенно из этого состава осадка сточных вод. В зольной части осадка появились тяжелые металлы, такие как цинк, ртуть, медь, свинец, кадмий, никель, и при попадании в почву заметно повлияет на её элементный состав(Малютина и Исаева, 1996).

Все примеси можно отнести к осадкам сточных вод, задержанные в течение очисткой сточных в отстойниками, а также другими специальными

сооружениями после механической, биологической и физико-химической очистки (Amir, 2005).

Ежегодное производство ОСВ в очистных сооружениях городов РФ исчисляется в 3.5 млн. т сухого вещества. Таким образом, в 2010 году накоплено ОСВ на станциях составляет 55 млн. т по сухому веществу.

Только 10-15% из них обрабатываются с использованием

современных технологии, включающих стадии уплотнения, стабилизации,

j V

обезвоживания, утилизации, организованного складирования или захоронения, а остальные в необработанном виде выливается на иловые площадки (Касатиков, 1996, Сюняев, 2006) .

В странах ЕС ежегодно производится около 10 млн.т осадка сточных вод, из которых 32,4% используется в качестве удобрения. При этом во Франции уровень сельскохозяйственной утилизации ОСВ достигает - 43%, а в Люксембурге - 50% а в Швейцарии даже 70% (Eurostat, 2009). В целом, в мире прослеживается устойчивая тенденция к устойчивому росту сельскохозяйственной составляющей в общих объемах утилизации. По прогнозам в США к 2015 г. она составит не менее 65% (Philippe Collet, 2012). В азиатских странах очень бурно развивается применение ОСВ в сельском хозяйстве, китайское правительство планирует утилизировать ОСВ до 45 % в 2020 году (Bernai, 2010). В Российской Федерации ежегодно производство осадков сто

Информация о работе

Рауэлиаривуни Андриантсалама Ситрака
кандидата биологических наук
Москва, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Агроэкологическая оценка воздействия обогащенных микробиологическими деструкторами компостов на основе ОСВ на дерново-подзолистую супесчаную почву Владимирской Мещеры - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы