Агроэкологическая оценка воздействия осадка сточных вод на базовые компоненты агроэкосистем с яровым рапсом в условиях южной части Нечерноземной зоны

Макарова, Марина Павловна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Агроэкологическая оценка воздействия осадка сточных вод на базовые компоненты агроэкосистем с яровым рапсом в условиях южной части Нечерноземной зоны
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Агроэкологическая оценка воздействия осадка сточных вод на базовые компоненты агроэкосистем с яровым рапсом в условиях южной части Нечерноземной зоны"

На правах рукописи

МАКАРОВА МАРИНА ПАВЛОВНА

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД НА БАЗОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ АГРОЭКОСИСТЕМ С ЯРОВЫМ РАПСОМ В УСЛОВИЯХ ЮЖНОЙ ЧАСТИ НЕЧЕРНОЗЕМНОЙ ЗОНЫ

специальность 03.02.08. - экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

21 МОЯ 2013

Москва-2013

005538582

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»

Научный руководитель:

Виноградов Дмитрий Валериевич -

доктор биологических наук

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Гогмачадзе Гулади Джемалович -

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, генеральный директор ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт информатизации агрономии и экологии» (ВНИИ Агроэкоинформ)

Евтюхии Владимир Федорович -

доктор биологических наук, доцент, технический директор ООО «Мещерский научно-технический центр»

Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени ДН Прянишникова (ВНИИА)

Защита состоится 11 декабря 2013 г. в « 16 » час. « 30 » мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева, по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 15 (тел./факс: 8 (499) 976-24-92; dissovet@timacad.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ФГБОУ ВПО РГАТУ - МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан « 7 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

О.В.Селицкая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одной из основных природоохранных задач экологии является рациональное использование природных ресурсов, которую во многом можно решить за счет разумной утилизации отходов. В первую очередь это касается осадков сточных вод (ОСВ) городских очистных сооружений.

Основным способом утилизации ОСВ является их захоронение на специальных площадках (иловых картах). Однако это ведет к нерациональному использованию органического вещества, содержащегося в осадках, нарушению экологических связей по вовлечению органоминеральных комплексов в биологический круговорот, а также дополнительному строительству дорогостоящих накопителей твердых осадков, что ни экономически, ни экологически не оправдано.

Наличие в осадках сточных вод необходимых для растений элементов питания обуславливает возможность их использования в качестве нетрадиционных органических удобрений, одновременно решая экологические проблемы их утилизации.

В промышленных масштабах применение осадков сточных вод в России не превышает 5-7% от их общего количества, в то время как во многих высокоразвитых странах в качестве удобрений используют до 35-40% ОСВ [Овчаренко, 1996].

В связи с этим, проведение исследований, посвященных разработке агрономически эффективных и экологически безопасных технологий использования вторичных ресурсов в качестве удобрения, представляется актуальной проблемой, стоящей перед исследователями.

Цель работы - разработать агроэкологические приемы, позволяющие использовать осадки сточных вод в качестве нетрадиционных удобрений для повышения экологической устойчивости и восстановления плодородия выработанных торфяников и увеличения продуктивности агроценозов ярового рапса в условиях южной части Нечерноземной зоны.

Задачи исследований:

- выявить агроэкологическое действие осадка сточных вод и его смесей с цеолитом на эколого-агрохимические свойства и биологическую активность выработанного торфяника;

- изучить биологические особенности роста и развития, определить параметры фотосинтетической деятельности ярового рапса, структуру урожая и урожайность в зависимости от различных уровней антропогенной нагрузки, вызванной применением осадка сточных вод и его смесей с цеолитом и минеральными удобрениями в условиях южной части Нечерноземной зоны;

оценить экономическую и биоэнергетическую эффективность использования изучаемых нетрадиционных удобрений в посевах ярового рапса;

- определить и рекомендовать производству наиболее эффективные и экологически безопасные приемы применения осадка сточных вод в качестве нетрадиционных удобрений в условиях южной части Нечерноземной зоны.

Научная новизна. Впервые обоснована возможность применения осадка сточных вод городских очистных сооружений на выработанных торфяниках и темно-серой лесной почве при выращивании ярового рапса в условиях южной части Нечерноземной зоны.

Проведен анализ регионально-типологических закономерностей роста, развития и продуктивности растений ярового рапса при разном уровне антропогенной нагрузки, вызванной применением осадка сточных вод и его смесей с цеолитом.

Исследовано влияние осадка сточных вод в чистом виде и совместно с минеральными удобрениями на продуктивность агроценозов ярового рапса и качественный состав маслосемян.

Полученные данные могут служить основой для дальнейшего совершенствования приемов использования осадка сточных вод в сельскохозяйственном производстве.

Практическая значимость работы. На выработанных торфяниках и темно-серых лесных почвах в условиях южной части Нечерноземной зоны, разработаны и рекомендованы производству агроэкологические приемы, позволяющие использовать осадок сточных вод в качестве нетрадиционного органического удобрения в агроценозах ярового рапса: определены оптимальные дозы ОСВ и оптимальные соотношения осадка и природного мелиоранта - цеолита в органо-цеолитовых смесях (ОЦС), способствующие повышению урожайности маслосемян; изучено последействие органо-цеолитовых смесей на рост и развитие растений в следующем поколении; проведена сравнительная оценка эффективности применения минеральных удобрений и осадка сточных вод.

Основные положения, выносимые на защиту:

- агроэкологическое действие осадка сточных вод и органо-цеолитовых смесей на эколого-агрохимические свойства и биологическую активность выработанного торфяника;

- биологические особенности роста и развития ярового рапса, качество семенного материала в зависимости от применения осадка сточных вод, минеральных удобрений и их смесей на темно-серой лесной почве южной части Нечерноземной зоны;

- биоэнергетическая и экономическая эффективности применения осадка сточных вод и его смесей с цеолитом и минеральными удобрениями при возделывании ярового рапса.

АПК в контексте обеспечения продовольственной безопасности государства» (г. Курск, 2010 год), «Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений» (г. Нижний Новгород, 2011 год), «Научно-практические аспекты технологий возделывания и переработки масличных культур (г. Рязань, 2013 год).

Основные положения изложены в 11 статьях, из них 4 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК.

Реализация результатов исследований. Разработки, положенные в основу диссертационной работы, успешно прошли производственную проверку и внедрение в ОПХ «Полково» Мещерского филиала ВНИИГиМ, на агротехнологической опытной станции РГАТУ Рязанского района, Рязанской области.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 170 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству, библиографического списка из 195 источников, в том числе 40 зарубежных авторов, содержит 45 таблиц, 18 рисунков и 34 приложения.

Личное участие автора. Автором осуществлена разработка программы исследований, заложены и проведены лабораторные и полевые опыты, определена методика исследований, проведены анализы и наблюдения, выполнена статистическая обработка полученных результатов.

За непосредственное научно-методическое руководство, внимание и всестороннюю поддержку автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору биологических наук Виноградову Д.В., доктору сельскохозяйственных наук, профессору Левину В.И., кандидату сельскохозяйственных наук Перегудову C.B.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Условия и методика проведения исследований

Почвенно-климатические условия. Исследования по теме диссертации выполняли в условиях Рязанской области, расположенной в южном Нечерноземье. Климат умеренно-континентальный, с умеренно холодной зимой, теплым летом и хорошо выраженными переходными сезонами - весной и осенью. Длительность вегетационного периода с температурой выше +5 °С составляет 175-185 дней, с температурой выше +10 °С - 135-145 дней. Сумма активных температур - 2200-2400 °С. Средняя годовая сумма осадков 510 мм.

Агрометеорологические условия в годы проведения исследований складывались следующим образом: в 2008 и 2012 гг. характеризовались избыточным увлажнением (ГТК>1); в 2009 и 2011 гг. - нормальным увлажнением и температурным режимом (ГТК - 1); в 2010 году отмечались острозасушливые явления (ГТК за вегетацию<0,8).

Опыты были заложены на выработанных торфяниках и темно-серых лесных почвах. Агрохимические свойства выработанного торфяника: содержание

углерода (Сорг) - 7,1 %; зольность - 40 %, рН - 5,4, гидролитическая кислотность (Нг) - 0,61 мг-экв/100 г. Обеспеченность фосфором и калием -средняя: содержание подвижного фосфора (Р2О5) - 16,5 мг/100 г почвы, обменного калия (К20) - 16,8 мг/100 г почвы.

Агрохимические свойства темно-серой лесной почвы: содержание гумуса -3,5%, кислотность близкая к нейтральной (рН - 5,8), гидролитическая кислотность (Нг) - 1,76 мг-экв/100 г почвы, содержание подвижного фосфора (Р2О5) - 16,0 мг/100 г почвы, обменного калия (К2О) - 12,5 мг/100 г почвы.

Методы исследований. Исследования были проведены в период с 2008 по 2012 годы в ОПХ «Полково» Мещерского филиала ВНИИГиМ, и на агротехнологической опытной станции ФГБОУ ВПО РГАТУ Рязанского района Рязанской области.

Опыт 1. Агроэкологическая оценка эффективности применения различных доз осадка сточных вод в агроценозах ярового рапса

Осадок сточных вод представляет собой вязкую массу темно-серого цвета. Перед исследованием ОСВ хранили на иловых картах в течение 3 месяцев после их извлечения из аэротенков.

Агрохимическая характеристика осадков: влажность - 68%; рН - 8,8; содержание азота - 1,74%, фосфора - 1,60%, калия - 0,33%. По содержанию макроэлементов ОСВ соответствовал требованиям, предъявляемым к осадкам, используемым в качестве удобрения.

Экотоксикологическая оценка ОСВ: цинк - 1130 мг/кг, медь - 330 мг/кг, свинец - 62 мг/кг, кадмий - 8,4 мг/кг. Содержание тяжелых металлов не превышало ПДК (ГОСТ 17.4.3.07-2001). Санитарно-бактериологические и санитарно-паразитологические показатели осадка сточных вод не превышали допустимых значений.

Фитотоксичность осадка определяли в лабораторных условиях, проращивая семена ярового рапса сорта Ратник и сорта Галант на водных вытяжках в соотношениях ОСВ : вода 1 : 10; 1 : 100; 1 : 1000, а также на чистом осадке. Повторность четырехкратная. Семена контрольного варианта проращивали в дистиллированной воде.

Полевой опыт закладывали в ОПХ «Полково» Мещерского филиала ВНИИГиМ на выработанном торфянике.

Схема опыта:

1. Контроль (без удобрений);

2. ОСВ 3 т/га;

3. ОСВ 9 т/га;

4. ОСВ 15 т/га;

5. ОСВ 21 т/га.

Дозы осадка определяли с учетом содержания в осадке азота и тяжелых металлов в пересчете на сухое вещество (с.в.). Площадь опытной делянки составляла 30 м2, учетная площадь 20 м2, повторность четырехкратная.

Опыт 2. Агроэкологическое обоснование применения органо-цеолитовых смесей на выработанных торфяниках.

В опыте применяли осадок сточных вод очистных сооружений г. Рязани и цеолит Хотынецкого месторождения Орловской области. Цеолит - порода, сложенная каркасными алюмосиликатами щелочных и щелочноземельных металлов. Наиболее ценным свойством цеолитов является высокая емкость катионного обмена и способность адсорбировать тяжелые металлы.

В химическом составе цеолита преобладали оксиды кремния (48% от массы), титана (18%), натрия (12%) и алюминия (11%). Цеолит имел щелочную реакцию (рН 8,3), высокое содержание фосфора и калия, плотность - 2,2 г/см3, объемная масса - 1,28 г/см3, общая пористость - 61%, катионнообменная емкость - 34,2 мг-эквЛ 00 г почвы. Содержание токсичных элементов: свинца -23 мг/кг, кадмия - 1,2 от/кг, мышьяка - 1,3 мг/кг.

Опыт закладывали в ОПХ «Полково» Мещерского филиала ВНИИГиМ на выработанном торфянике. Площадь опытной делянки составляла 30 м2, учетная площадь 20 м2, повторность четырехкратная. Для приготовления органо-цеолитовых смесей (ОЦС) доза осадка сточных вод составляла 9 т/га с.в., дозы цеолита соответствовали вариантам:

1. Контроль (без удобрений);

2. ОСВ;

3. ОЦС-1 (соотношение осадок и цеолит 1 : 0,25);

4. ОЦС-2 (соотношение осадок и цеолит 1 : 0,5);

5. ОЦС-3 (соотношение осадок и цеолит 1 : 0,75);

6. ОЦС-4 (соотношение осадок и цеолит 1:1).

Эффективность последействия органо-цеолитовых смесей на рост и продуктивность семенного потомства во втором поколении (М2) определяли по той же схеме. Для посева использовали семена, полученные от растений, выращенных при применении смесей осадка сточных вод и цеолита в первом поколении (М,).

Опыт 3. Агроэкологическая оценка применения осадка сточных вод и минеральных удобрений в агроценозах ярового рапса.

Опыт закладывали на агротехнологической опытной станции РГАТУ на темно-серой лесной почве.

Площадь опытной делянки составляла 24 м2, учетная площадь 20 м2, расположение делянок систематическое, повторность четырехкратная.

1. Контроль

2. РбоКбо

3. К90Рб0К60

4. КшРбоКбо

5. ОСВ

6. ОСВ + РбоКбо

Из минеральных удобрений использовали аммиачную селитру (34,25% К), двойной суперфосфат (49% Р205) и хлористый калий (56% К20). ОСВ в дозе 7 т/га (120 кг/га И).

Наблюдения, учеты и анализы в исследованиях проводились по общепринятым методикам. Полевые опыты были заложены по методике опытного дела Б.А. Доспехова [1985]. Фенологические наблюдения, густоту стояния и биометрические показатели учитывали согласно «Методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур» [1971,1985].

Отбор почвенных образцов производился в соответствии с ГОСТами 17.4.3.06-86, 17.4.4.02 - 84 и 17.4.3.01 - 83 после уборки сельскохозяйственной культуры по вариантам. Отбор почвенных образцов производился методом конверта. В почвенных образцах определяли содержание органического углерода по методу И.В. Тюрина [ГОСТ 26213-84], подвижного фосфора (Р205) и обменного калия (К20) - по методу А.Г. Кирсанова [ГОСТ 26207-91], рН солевой вытяжки - электрометрически [ГОСТ 26483-85]. Агрохимические исследования выполнены на кафедре агрохимии и почвоведения РГАТУ, в лабораториях ФГБУ «Станция агрохимической службы «Рязанская», ООО «Мещерский научно-технический центр».

Площадь листьев, фотосинтетический потенциал определяли по методике, описанной А.А. Ничипоровичем [1961]; чистую продуктивность фотосинтеза рассчитывали по формуле, предложенной Киддом, Вестом и Бригсом [Ничипорович и др., 1961]. Учет засоренности проводили количественно-весовым методом согласно «Методическим указаниям по полевому испытанию гербицидов в растениеводстве» [2004]. Уборку урожая маслосемян рапса и определение его структуры проводили, используя «Методические указания по изучению коллекции технических и масличных культур» [1976]. Учет урожая осуществляли поделяночно с последующим пересчетом на стандартную влажность и чистоту.

Содержание глюкозинолатов в семенах определяли методом «глюкотеста» [Бородулин, 1985], жирнокислотный состав - методом газожидкостной хроматографии [Харченко, 1985]. Математическую обработку данных осуществляли методом дисперсионного анализа [Доспехов, 1985]. Экономическую эффективность рассчитывали по соответствующим показателям. Биоэнергетическая оценка исследуемых технологий проводилась согласно методическим рекомендациям ВАСХНИЛ [1989].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Агроэкологическая оценка эффективности применения различных доз осадка сточных вод в агроценозах ярового рапса

Фитотоксичностъ осадка сточных вод. Водные вытяжки осадков сточных вод не оказали ингибирующего воздействия на прорастание семян ярового рапса. Показатели, отражающие начальные этапы прорастания: энергия прорастания и лабораторная всхожесть - были на уровне контроля и составляли 80 и 96% соответственно. Установлено, что водные вытяжки ОСВ обеспечили стимуляцию роста проростков ярового рапса.

Наибольшее увеличение длины ростков наблюдалось в водных вытяжках с концентрацией 1:10. С увеличением степени разбавления до 1:1000 отмечалась тенденция в сторону снижения эффекта стимуляции. Зародышевый корешок является более консервативным органом на изменение условий питания.

Следовательно, вещества, содержащиеся в водной вытяжке ОСВ, не оказывая ингибирующего воздействия на корневую систему проростков семян ярового рапса, способствуют интенсификации ростовых процессов гипокотиля.

При проращивании семян ярового рапса на чистом осадке отмечалось ингибирование ростовых процессов: лабораторная всхожесть снизилась на 1,3-1,5%, длина корешка уменьшилась на 18 %, а ростка - на 19-23%(табл. 1).

Таблица 1. Влияние ОСВ на биометрические параметры проростков ярового рапса _

Вариант Показатели

лабораторная всхожесть, % длина корешка, мм длина ростка, мм

сорт Ратник

Контроль 97,3 ±0,61 24,6 ±0,15 13,1 ±0,22

ОСВ 96,0 ± 0,43 20,3 ±0,19 10,6 ±0,34

сорт Галант

Контроль 96,9 ± 0,52 23,8 ±0,18 13,3 ±0,24

ОСВ 95,4 ± 0,49 19,5 ±0,20 10,2 ±0,30

Влияние возрастающих доз осадка сточных вод на плодородие выработанного торфяника. Применение осадка сточных вод на выработанных торфяниках способствовало повышению их плодородия, при этом произошло увеличение содержания в почве подвижного фосфора и обменного калия.

Уровень загрязнения почвы тяжелыми металлами оценивали по величине коэффициента концентрации (Кс), который показывает, во сколько раз содержание поллютанта в варианте превышает контроль, и по суммарному показателю (Zc). По величинам Кс валового содержания выделен следующий убывающий ряд элементов: Cu>Zn>Cr>Ni>Cd>Pb (рис. 1).

н § 2,5 к

1 § 2

' 01 Д 1 о и 1

о я

* § 0,5 и

ОСВ 3 т/га ОСВ 9 т/га ОСВ 15 т/га ОСВ 21 т/га □ цинк □ медь □ свинец О кадмий Яхром □ никель Рис. 1. - Влияние ОСВ на коэффициенты концентрации тяжелых металлов

Концентрации тяжелых металлов в почве опытных вариантов увеличились пропорционально дозам осадка (табл.2). В варианте с максимальной дозой ОСВ концентрация свинца превысила контроль в 1,2 раза, кадмия и никеля - в 1,5 раза, хрома - в 1,7 раза, цинка - в 2,1 раза, меди - в 2,8 раза.

Таблица 2. Влияние ОСВ на валовое содержание тяжелых металлов в выработанном торфянике, мг/кг_

Вариант Zn Си РЬ Cd Сг Ni Коэффициент Zc

Контроль 12,6 1,00 гл. 1,00 4Л 1,00 0.28 1,00 7^3 1,00 £8 1,00 1,0

ОСВ 3 т/га 13,9 1,10 ЗА 1,15 м 1,02 0,29 1,04 м 1,16 7J. 1,04 1,5

ОСВ 9 т/га 16,4 1,30 м 1,41 4J5 1,05 0,31 1,12 10.6 1,45 8,3 1,22 2,5

ОСВ 15 т/га 23,9 1,90 6,0 2,22 4^9 1,14 0,36 1,29 11,4 1,56 м 1,32 4,4

ОСВ 21 т/га 27,0 2,14 15 2,78 52 1,21 0,42 1,50 12,7 1,74 10.1 1,49 5,9

ПДК для почвы 220 132 130 1 100 80 -

в числителе - валовое содержание, мг/кг, в знаменателе - коэффициент концентрации (Кс)

Увеличение содержания цинка и меди является положительным для низкоплодородных, деградированных почв, так как данные микроэлементы принимают участие в физиологических процессах, протекающих в растениях.

По величине суммарного показателя уровень загрязнения выработанного торфяника по всем вариантам опыта был допустимым (Zc< 8). В варианте с дозами ОСВ 3 т/га он составил 1,5; 9 т/га-2,5; 15 т/га-4,4; 21 т/га-5,9.

Одним из показателей экологического состояния почвенной экосистемы является целлюлозолитическая активность. Установлено положительное влияние ОСВ на активизацию деятельности почвенной биоты, что связано, прежде всего, с увеличением в почве содержания питательных веществ (рис. 2).

После 30-суточного нахождения в почве деструкция льняной ткани была наибольшей в варианте с внесением ОСВ в дозе 9 т/га и составила 38,2%, увеличение дозы до 15 т/га снижало изучаемый показатель до 31,7%. При дальнейшем увеличении дозы осадка интенсивность разложения льняной ткани снизилась на 1,9%.

При экспозиции в течение 60 суток наблюдалась аналогичная закономерность: снижение массы ткани в варианте с дозой ОСВ 9 т/га составило 69,0 %, что было выше контрольного варианта на 14,9%.

По шкале Д.Г. Звягинцева [Минеев, 2000] биологическая активность выработанного торфяника всех вариантов оценивалась как сильная (50-80 % разложившегося полотна за вегетационный сезон).

Контроль ОСВ 3 т/га ОСВ 9 т/га ОСВ 15 т/га ОСВ 21 т/га

Рис. 2. - Влияние ОСВ на целлюлозолитическую активность выработанного торфяника

Влияние осадка сточных вод на рост и развитие растений ярового рапса. Так как на клеточном уровне стресс-фактор вызывает реакцию защитного торможения метаболизма и подавление процессов клеточного деления, рост растений является одним из самых чувствительных процессов к действию различных факторов внешней среды [Хакимов, Севостьянов, 2002].

Установлено, что осадок оказал угнетающее воздействие на прорастание семян ярового рапса, причем четко прослеживалась закономерность: чем выше доза ОСВ, тем ниже полевая всхожесть. Так, в среднем за годы исследований, полевая всхожесть в контрольном варианте составила 80,5%, в вариантах с дозами ОСВ 3 т/га, 9 т/га и 15 т/га - 75,6; 73,5 и 67,1%% соответственно, с дозой 21 т/га полевая всхожесть снизилась до 65,0%.

Продолжительность вегетационного периода ярового рапса за годы исследований составила 85-104 дня в зависимости от дозы ОСВ. При более высокой дозе вегетационный период увеличился в среднем на 3-19 дней.

Одним из критериев оценки влияния среды на растения является изменение пигментного фонда. Анализ содержания хлорофилла а в листьях рапса в фазу начало стеблевания показал, что в зависимости от дозы осадка данный показатель изменился с 5,8 мг/г сырой массы на контроле до 14,1 мг/г - с дозой ОСВ 21 т/га. В вариантах с дозами 3 т/га, 9 т/га и 15 т/га содержание хлорофилла а увеличилось на 20,7; 69,0 и 89,6% соответственно.

Использование ОСВ способствовало также увеличению количества боковых побегов на 4,8-22,6%. Кроме того, у растений опытных вариантов высота прикрепления нижней ветви с плодами превышала этот показатель на контроле, что особенно ценно при механизированной уборке.

Применение осадка сточных вод оказало положительное влияние не только на линейные параметры растений, но и на формирование мощного листового аппарата. С увеличением вносимых концентраций ОСВ структура урожая и урожайность ярового рапса увеличивалась (табл. 3). Максимальная средняя урожайность получена на варианте с дозой осадка 21 т/га и составила 10,7 ц/га.

3' Влияние 0СВ на урожайность семян ярового рапса, среднее за

200о-2010 гг.

Вариант Ур< эжайность, ц/га Средняя урожайность, ц/га К контролю

2008 2009 2010 +/- %

Контроль 5,6 4,8 3,3 4,6

ОСВ 3 т/га 6,2 4,8 3,6 4,9 0,3 6,5

ОСВ 9 т/га 7,9 7,5 5,0 6,8 2,2 47,8

ОСВ 15 т/га 11,3 11,0 7,0 9,8 5,2 113,0

ОСВ 21 т/га 12,3 12,1 7,8 10,7 6,1 132,6

В результате проведенного химического анализа в семенах ярового рапса опытных вариантов нитратов не обнаружено.

Применение осадка сточных вод привело к незначительному увеличению содержания тяжелых металлов в семенах ярового рапса (табл. 4). В зависимости от дозы ОСВ отмечалось возрастание концентрации меди - в 1,22-1 50 раза цинка - в 1,05-1,27 раза, никеля - в 1,08-1,20 раза. В среднем по значениям Кс выделен следующий убывающий ряд элементов: Си>гп, №, РЬ>Сс1>Сг. С увеличением дозы осадка снижалась интенсивность поглощения растениями цинка, меди, хрома и никеля. Согласно величине показателя Тс содержание тяжелых металлов и микроэлементов в семенах ярового рапса соответствовало минимальному уровню загрязнения (менее 3).

Таблица 4. Влияние возрастающих доз ОСВ на коэффициенты концентрации (Кс) и биологического поглощения (Кб) микроэлементов и тяжелых металлов в семенах ярового рапса, среднее за 2008-2010 гг.

Вариант

Си

РЬ

Сг

Коэффициент

Контроль

1.00 0,23

1,00 0,17

1,00 0,02

ОСВ 3 т/га

ОСВ 9 т/га

ОСВ 15 т/га

ОСВ 21 т/га

1,05 0,22

1.00 0,19

1.22 0,18

1.00 0,28

1.05 0,02

1.00 0,18

1,00

1.15 0,21

1.35 0,16

1,04 0,19

1.12 0,02

1.27 0,16

1.50 0,11

1.18 0,02

1,37 0,15

1,71 0,10

1.25 0,02

в числителе биологического поглощения (Кб)

1,02 0,24

1,08 0,19

1,46

1.07 0,19

1,05 0,20

1.15 0,17

1,89

1,12 0,18

1.20 0,18

1.10 0,20

1.20 0,17

2,37

1.21 0,19

1.28 0,16

3,02

- коэффициент концентрации (Кс), в знаменателе

- коэффициент

Установлено, что у растений опытных вариантов отсутствовал явный токсичный эффект в виде отставания в росте от растений контроля, а также хлороза и некроза листьев от больших доз ОСВ. Внесение осадка способствовало интенсивному увеличению линейных параметров растений и формированию мощного и активноработающего листового аппарата, что отразилось на продуктивности посевов. Увеличение урожайности маслосемян рапса доказывает высокую отзывчивость этой культуры на дополнительное питание макро- и микроэлементами, содержащимися в ОСВ.

2. Агроэкологическое обоснование применения органо-цеолитовых смесей на выработанных торфяниках

При внесении осадка сточных вод и его смесей с цеолитом выявлено изменение содержания в почве подвижного фосфора (Р2О5). В варианте с чистым осадком показатель повысился на 53% по сравнению с контролем. Органо-цеолитовые смеси способствовали увеличению количества подвижного фосфора на 61 - 91%. Содержание обменного калия (К20) контрольного варианта составило 160 мг/кг почвы. В варианте с ОСВ данный показатель увеличился до 168 мг/кг. При внесении осадка совместно с цеолитом уровень обеспеченности почвы обменным калием по сравнению с контролем повысился на 18-52%.

В связи с невысоким содержанием в ОСВ тяжелых металлов выявлено слабое изменение геохимического состава выработанного торфяника. Загрязнение по величинам коэффициентов концентрации (Кс) соответствовало минимальному уровню (больше 1, но меньше 2). Ъс индекс составил 2,5. При использовании смесей осадка сточных вод и цеолита уровень загрязнения по суммарному показателю снизился до 1,9 за счет адсорбции мелиорантом соединений цинка, меди, никеля и хрома.

Оценка биологической активности почвы через показатель интенсивности разложения льняного полотна показала, что применяемые в опыте органо-цеолитовые смеси способствовали созданию более оптимальных условий для микробоценоза, чем внесение чистого осадка сточных вод. Деструкция льняной ткани при экспозиции в течение 30 суток составила 41,5-51,4%, что было выше, чем в варианте с ОСВ на 3,3-13,2%, контроля - на 19,4-29,3%. При нахождении в почве в течение 60 суток снижение масса льняного полотна достигло 71,6-79,8%, превысив данный показатель в варианте с осадком на 2,6-10,8%, в контрольном варианте - на 17,5-25,7%.

При увеличении в составе смеси содержания цеолита, целлюлозолитическая активность выработанного торфяника усиливалась, максимальные значения отмечались при внесении осадка сточных вод и цеолита в соотношении 1:1. Активизация жизнедеятельности целлюлозоразрушающих микроорганизмов свидетельствует о положительном влиянии органо-цеолитовых смесей на биологическую активность почвы в целом.

По данным Ф.И. Хакимова, С.М. Севостьянова [2002] при адаптации к стрессовому воздействию комплексной характеристикой распределения ассимилятов между надземными органами и корневой системой является отношение «побег/корень» (ОПК). В эксперименте установлено, что наиболее оптимальные условия для роста и развития растений сформировались в вариантах с применением органо-цеолитовых смесей. Значения ОПК превышали данный показатель на контроле на 36,5-48,5%, в варианте с чистым осадком - на 5,5-14,8%. Наибольшее значение ОПК (17,9) отмечалось в варианте с соотношением осадка и цеолита 1:0,75. При дальнейшем увеличении в смеси дозы цеолита значения данного показателя снизились в среднем на 5,5%, что свидетельствует о формировании более мощной корневой системы за счет сокращения массы надземных органов.

Применение смесей осадка сточных вод и цеолита способствовало увеличению площади ассимиляционной поверхности, повышению фотосинтетического потенциала и чистой продуктивности фотосинтеза, что оказало положительное влияние на формирование генеративных органов. При внесении органо-цеолитовых смесей прибавка урожая маслосемян составила от 2,8 до 5,6 ц/га. Максимальный эффект был получен при соотношении осадка и цеолита 1:0,75; урожайность составила 11,0 ц/га.

Применение природного сорбента - цеолита совместно с осадком сточных вод способствовало меньшему накоплению поллютантов в растительной продукции (табл. 5). Значение коэффициента Zc уменьшилось с 1,89 в варианте с чистым осадком до 1,48 в варианте с соотношением осадок сточных вод и цеолит 1:1.

Таблица 5. Влияние органо-цеолитовых смесей на коэффициенты концентрации (Кс) и биологического поглощения (Кб) микроэлементов и тяжелых металлов в семенах ярового рапса, среднее за 2008-2010 гг.

Вариант Zn Си РЬ Cd Cr Ni Коэффициент Zc

Контроль 1.00 0,23 1,00 0,17 1,00 0,02 1.00 0,19 1,00 0,28 1.00 0,18 1,00

ОСВ 1,15 0,21 1.35 0,16 1,12 0,02 1,07 0,19 1.05 0,20 1.15 0,17 1,89

ОЦС-1 1.12 0,21 1.30 0,16 1.12 0,02 1.07 0,19 1,05 0,21 1,12 0,17 1,78

ОЦС-2 1,08 0,21 1.25 0,16 1,12 0,02 1,07 0,19 1,02 0,21 1,10 0,17 1,64

ОЦС-3 1.05 0,21 1,22 0,17 1.12 0,02 1.07 0,19 1.00 0,21 1.05 0,17 1,51

ОЦС-4 1,05 0,22 1.19 0,17 1.12 0,02 1.07 0,19 1.00 0,21 1.05 0,17 1,48

в числителе - коэффициент концентрации (Кс), в знаменателе - коэффициент биологического поглощения (Кб)

Применение органо-цеолитовых смесей не оказало ингибирующего

действия на рост и развитие растений ярового рапса в следующем поколении.

Линейные параметры, фотосинтетические показатели, элементы структуры

урожая, продуктивность растений опытных вариантов находились на уровне контроля.

3. Агроэкологическая оценка применения осадка сточных вод и минеральных удобрений в агроценозах ярового рапса

Применяемые осадок сточных вод и минеральные удобрения способствовали накоплению в почве тяжелых металлов, но превышение ПДК при этом не наблюдалось (табл. 6).

По коэффициенту Тс (2,97) вариант с чистым осадком соответствовал слабо загрязненному уровню. Добавление к ОСВ фосфорно-калийных удобрений привело к увеличению данного показателя до 3,47 ед. При этом по сравнению с вариантом с чистым осадком значительно увеличилось содержание цинка (на 17,8%) и свинца (на 6,2%).По величинам Кс валового содержания выделен убывающий ряд элементов: Сг>2п>Си>№>Сс1>РЬ.

Минеральные удобрения оказали несущественное влияние на валовое содержание тяжелых металлов в почве: коэффициент загрязнения в варианте с фосфорно-калийными удобрениями составил 1,18, в вариантах с полным минеральным питанием - 1,35-1,57.

Таблица 6. Влияние ОСВ на валовое содержание тяжелых металлов темно-серой лесной почве_

Вариант Ъа Си РЬ са Сг N1 Коэффициент гс

Контроль 25,9 1,00 16,4 1,00 10,1 1,00 0,25 1,00 16,3 1,00 1А 1,00 1,00

РбоКбо 26.0 1,00 17,1 1,04 10,3 1,02 0.27 1,08 16,3 1,00 7^4 1,04 1,18

^оРбоКбо 26.2 1,01 17,6 1,07 10,5 1,04 0,27 1,08 16.9 1,04 Ш 1Д1 1,35

КшРбоКбо 27,4 1,06 18.2 1,11 10,5 1,04 0,28 1,12 17,5 1,07 м 1,17 1,57

ОСВ 34,3 1,32 22,5 1,37 11,3 1,12 0,32 1,28 25,4 1,56 м 1,32 2,97

ОСВ + РбоКбо 40.4 1,56 23,2 1,41 12.0 1,19 0,32 1,28 26,7 1,64 9*2 1,39 3,47

ПДК для почвы 220 132 130 1 100 80

в числителе - валовое содержание, мг/кг, в знаменателе - коэффициент конце нтрации (Кс)

Внесение осадка сточных вод, содержащего значительное количество азота, необходимого для роста растений, способствовало более интенсивному росту растений в высоту и ветвлению. В фазу начало стеблевания растения были выше, чем на контроле на 35,9%, в фазу начало бутонизации - на 53,4%, в фазу начало цветения - на 33,0%, в фазу цветение - на 27,1%.

Применяемые удобрения оказали положительное влияние не только на величину площади ассимиляционной поверхности, но и на продолжительность ее функционирования, что отразилось на фотосинтетическом потенциале посевов ярового рапса (табл. 7).

Таблица 7. Влияние ОСВ и минеральных удобрений на фотосинтетическую активность растений ярового рапса, среднее за 2008-2010 гг.

Вариант Фотосинтетический потенциал, млн. м2хсут. /га Чистая продуктивность фотосинтеза, г/(м2хсут.)

розетка листьев - начало цветения вегетационный период розетка листьев начало цветения

Контроль 0,59 ± 0,06 1,04 ±0,20 1,75 ± 0,09 1,63 ±0,24

РбоКбо 0,58 ± 0,08 0,96 ±0,21 1,71 ±0,10 1,59 ±0,24

N^PéoKéo 0,78 ±0,14 1,28 ±0,34 2,12 ±0,32 1,87 ±0,32

N^oPéoKéo 0,87 ±0,19 1,40 ±0,39 2,14 ±0,34 1,89 ±0,32

ОСВ 0,94 ± 0,20 1,55 ±0,49 2,15 ±0,34 1,89 ±0,35

ОСВ +Р60К60 1,12 ± 0,13 1,62 ±0,50 2,19 ±0,34 1,92 ±0,35

В период «розетка листьев - начало цветения» на фоне минерального питания фотосинтетический потенциал составил 0,78-0,87 млн. м2хсут. /га, в варианте с ОСВ - 0,94 млн. м2хсут. /га, превысив контроль соответственно на 32,2-47,5% и 59,3%. Наибольшее значение фотосинтетического потенциала отмечалось в варианте с совместным внесением осадка и фосфорно-калийных удобрений - 1,12 млн. м2хсут. /га.

Засоренность посевов ярового рапса зависела от потенциальной засоренности почвы семенами сорняков и органами вегетативного размножения, а также приемов агротехники.

Видовой состав сорняков был представлен, в основном, малолетниками:

- яровые ранние: марь белая (Chenopodium álbum), подмаренник цепкий (Galium aparine), горец почечуйевый {Polygonum persicaria), горец шероховатый (Polygonum lapathifolium);

- яровые поздние: лебеда раскидистая (Atriplex patula), просо куриное (Echinochloa crusgalli), щирица запрокинутая (Amarantus retroflexus).

- зимующие: ярутка полевая (Theaspi arvense), пастушья сумка (Capsella bursapastoris);

- двулетние: донник белый (Melilotus albus), донник лекарственный (Melilotus officinalis).

Из многолетних сорняков встречались корневищные - пырей ползучий (Elytrigia repens), хвощ полевой (Equisetum arvense); корнеотпрысковые - осот полевой {Sonchu sarvensis), вьюнок полевой (<Convolvulus arvensis), одуванчик обыкновенный (Taraxacum officinale), подорожник большой (Plantago major).

,„ * СреДНС? П° ваРиантам засоренность находилась в пределах 18,9-43,5 шт./м (табл. 8).

Таблица 8. Засоренность посевов ярового рапса при применении осадка

стг>чнт.гу пг1тт и шлгапапт ... ™ -..„„it______к.

Вариант Количество сорняков, шт./м2 Масса одного сорняка, г

многолетних однолетних всего

Контроль 4,1 ±0,6 14,8 ± 1,1 18,9 ± 1,7 5,8 ± 0,3

РбоКбо 4,3 ± 0,7 14,5 ± 1,4 18,8 ±2,0 6,1 ±0,3

N9oP60K60 4,5 ± 0,6 23,8 ± 3,6 28,3 ± 4,0 7,2 ± 0,3

N,2oP6oK60 4,9 ± 0,6 24,8 ± 3,2 29,7 ±3,7 7,5 ± 0,4

ОСВ 7,4 ±0,5 36,0 ± 6,6 43,4 ±7,1 7,7 ± 0,6

ОСВ+Рб0Кбо 6,7 ± 0,3 43,5 ± 11,3 50,2 ± 11,1 7,7 ± 0,9

Фосфорно-калийные удобрения не оказали влияния на количество сорняков. Применение полного минерального удобрения (NPK) привело к увеличению численности сорных растений на 9,4-10,8 шт./м2 или 49,7-57 1% Внесение осадка сточных вод способствовало увеличению засоренности в 2 3 раза. Максимальное количество сорняков наблюдалось в варианте с совместным применением ОСВ и фосфорно-калийных удобрений и составило в годы исследований 37,5-57,8 шт./м2, превысив контроль в 2,7 раза. Следует отметить, что при повышении уровня питания увеличивалось как количество однолетних, так и многолетних сорных растений.

С улучшением условий питания, не смотря на высокую конкурентную способность ярового рапса, сорные растения развивались более интенсивно.

В среднем за годы исследований масса одного сорняка в варианте с полным минеральным удобрением была выше контроля на 1,4-1,7 г (24 1-29 3%) в варианте с чистым осадком - на 1,9 г (32,8%). Добавление к ОСВ фос'форно-калииных удобрений не оказало влияния на данный показатель - масса одного сорняка составила 7,7 г (32,8% к контролю). Максимальная масса сорняков

2шГгод%Го-25Т W008 Г°Д ~ 125'4"474'° Г/М2' НИЗкая - в острозасушливый

Внесение удобрений оказало положительное влияние на интенсивность нарастания биомассы и семенную продуктивность (табл. 9). В варианте с чистым осадком была получена максимальная урожайность - 16,1 ц/га, плюс 5,6 ц/га к контрольному варианту. При совместном внесении ОСВ и фосфорно-калииных удобрений урожайность семян ярового рапса снизилась до 15,4 ц/га

Таблица 9. Влияние ОСВ и минеральных удобрений на элементы структуры урожая ярового рапса, среднее за 2008-2011 гг. _

Вариант Густота стояния перед уборкой, шт./м2 Количество стручков на 1 растении, шт. Количество семян в 1 стручке, шт. Масса 1000 семян, г. Высота, см Урожайность, ц/га

Контроль 156,8 24,8 16,6 3,85 71,1 10,5

РбоКбо 152,6 25,1 16,5 3,76 69,8 9,8

^оРбоК«, 176,3 32,1 18,4 3,88 81,1 12,3

^оРЛ 180,2 34,2 19,0 3,93 88,1 14,9

ОСВ 160,8 36,3 19,7 3,97 90,4 16,1

ОСВ+РбоКбо 169,5 34,4 19,1 3,99 86,0 15,4

НСР05 3,5 4,5 1,2 0,13 2,2 2,4

Применяемые в опыте удобрения не оказали существенного влияния на масличность культуры (табл. 10). Однако повышали качественные показатели масла. В жирнокислотном составе масла содержание наиболее ценной олеиновой кислоты было на 1,7-2,6% выше, чем на контроле. С увеличением уровня азотного питания отмечалось повышение содержания белка, в среднем на 2-3%. Применение удобрений не отразилось на содержании гликозидов. Во всех вариантах оно находилось на низком уровне 9,65 - 9,70 ммоль/г.

Таблица 10. Биохимический состав и содержание тяжелых металлов и мышьяка в семенах ярового рапса при применении минеральных удобрений и осадка сточных вод

Показатель Контроль ИпоРбоКбо ОСВ + Р60К60

Масличность, % 43,7 43,5 42,5

Олеиновая кислота, % 55,8 58,4 57,5

Эруковая кислота, % Следы Следы Следы

Белок, % 20,5 22,3 23,4

Клетчатка, % 5,9 6,2 6,0

Зола, % 5,1 5,1 5Д

Гликозинолаты, ммоль/г 9,75 9,65 9,70

Кадмий, мг/кг 0,058 0,062 0,067

Свинец, мг/кг 0,076 0,080 0,091

Мышьяк, мг/кг 0,150 0,154 0,157

Цинк, мг/кг 3,25 3,52 3,74

Никель, мг/кг 1,38 1,63 1,74

Медь, мг/кг 0,58 0,65 0,90

Железо, мг/кг 4,45 4,58 4,61

Хром, мг/кг 2,15 2,40 2,52

Существенного повышения концентрации тяжелых металлов в семенах ярового рапса не обнаружено ни по одному из элементов. Коэффициенты концентрации поллютантов в варианте с минеральными удобрениями составили 1,03-1,18, в варианте с ОСВ - 1,04-1,55.

В среднем по значениям Кс выделены следующие убывающие ряды:

- на фоне минерального питания: №>Си, Сг>2п>С<1>РЬ>Ре, Ав;

- при совместном внесении осадка сточных вод и минеральных удобрений-Си>№>РЬ>Сг>Сё >2п>Аэ>Ре.

Показатель Хс соответствовал минимальному уровню загрязнения (менее 3) и составил при применении минеральных удобрений 1,68, при совместном применении ОСВ и фосфорно-калийных удобрений 2,58.

4. Биоэнергетическая и экономическая эффективность

В настоящее время стоимостное выражение затрат и продукции изменяется каждый день, поэтому наиболее объективной и постоянной является оценка, полученная при расчете биоэнергетической эффективности.

Применение осадка сточных вод в качестве удобрения не требовало значительных затрат и способствовало повышению биоэнергетического коэффициента с 3,15 на контроле до 6,21 в варианте с дозой ОСВ 21 т/га.

При внесении органо-цеолитовых смесей максимальная энергетическая ценность урожая была получена в варианте с соотношением осадок и цеолит 1:0,75 - 34680 мДж/га. В этом же варианте наблюдался наибольший биоэнгергетический коэффициент - 4,78.

При использовании осадка сточных вод в качестве нетрадиционного удобрения на темно-серой лесной почве энергозатраты в вариантах с чистым осадком и смесью ОСВ и фосфорно-калийных удобрений составили соответственно 8133,7 и 9300,0 мДж/га (табл. 11).

Таблица 11. Биоэнергетическая оценка технологии возделывания ярового рапса при применении осадка сточных вод и минеральных удобрений_

Вариант Урожайность, ц/га Энергетическая ценность, мДж/га Затраты энергии, мДж/га Биоэнергетический коэффициент

Контроль 10,5 35700 6467,4 5,52

РбоКбо 9,8 33320 8435,4 3,95

ЛооРбоКбо 12,3 41820 11302,7 3,70

**120Рб0Кб0 14,9 50660 14150,8 3,58

ОСВ 16,1 54740 8133,7 6,73

ОСВ + Рб0К60 15,4 52360 9300,0 5,63

Наибольшие биоэнергетические коэффициенты были получены при внесении осадка в чистом виде (6,73), наименьшие - в вариантах с минеральными удобрениями: 3,58-3,70 - при внесении полного минерального удобрения (ЫРК), 3,95 - фосфорно-калийного.

Показателем, обобщающим экономическую эффективность производства продукции, является рентабельность. Рассчитывается данный показатель как отношение чистой прибыли к затратам на производство.

При расчете экономической эффективности использовались цены, действительные на 2013 год. Так как ОСВ является отходом и используется в качестве вторичного ресурса, его стоимость была принята за 0,0 руб.

Согласно проведенным расчетам экономическая эффективность производства маслосемян ярового рапса определялась, в первую очередь, уровнем урожайности. В структуре затрат наибольший объем приходился на средства защиты растений - 29-40% и семена - 23-31 % (рис. 3).

29%

□ Машины и оборудование

□ Семена

□ ГСМ

□ Пестициды

□ Оплата труда

Рис. 3. Структура затрат на выращивание ярового рапса при дозе осадка сточных вод 21 т/га.

Уровень рентабельности в контрольном варианте составил 15,1%. Осадок сточных вод в дозе 3 т/га способствовал незначительному повышению данного показателя - на 4,0%.При внесении ОСВ в дозах 9 т/га и 15 т/га данный показатель достиг 49,7 и 112,2% соответственно. Максимальной экономической эффективность характеризовался вариант с применением осадка сточных вод в дозе 21 т/га - рентабельность производства семян ярового рапса достигла 133,5%.

В связи с высокой стоимостью минеральных удобрений объем затрат на их приобретение составил 27,5-32,7%. Меньше затрат приходилось на средства защиты растений (16,7-22,2%), семена (12,8-17,0%), горюче-смазочные материалы (13,8-15,7%), машины и оборудование (12,1-13,9%), оплату труда (7,4-8,4%). Применение в посевах ярового рапса вызвало снижение эффективности производства, в то время, как использование в качестве удобрений осадка сточных вод привело к повышению уровня рентабельности.

выводы

1. Применение осадка сточных вод очистных сооружений г. Рязани и органо-цеолитовых смесей способствовало улучшению эколого-агрохимических свойств выработанных торфяников Мещерской низменности: увеличилось содержание подвижного фосфора и обменного калия, снизилась кислотность, активизировались процессы жизнедеятельности микробного сообщества.

2. Использование умеренных доз ОСВ (3-21 т/га с. в.) на выработанных торфяниках в условиях южной части Нечерноземной зоны положительно повлияло на экологические и фотосинтетические показатели растений ярового рапса. Так, в фазу цветения высота опытных растений превышала контроль на 19,3-88,9%, площадь листьев - на 18,4-61,4%, фотосинтетический потенциал -на 20,8-83,0% соответственно дозам осадка. Наибольшая площадь ассимиляционной поверхности составила 18,4 тыс. м2/га, наибольший фотосинтетический потенциал за вегетационный период - 1,70 млн. м2*сут./га.

3. Осадок сточных вод способствовал усилению конкурентной способности растений ярового рапса, что сказалось на сохранности растений к уборке и на формировании оптимальной структуры урожая.

4. Яровой рапс при выращивании на выработанном торфянике очень отзывчив на дополнительное питание макро- и микроэлементами, содержащимися в ОСВ. При очень низкой урожайности на контроле - 4,6 ц/га, доза ОСВ 15 т/га способствовала увеличению урожайности до 9,8 ц/га, что близко к среднему значению для региона.

5. Применение осадка сточных вод на темно-серой лесной почве превосходило действие полного минерального питания на процессы роста и развития растений ярового рапса. В фазу цветения растения в варианте с минеральным питанием были выше контроля на 22,6%, в варианте с чистым осадком - на 53,9%. Площадь листьев составила соответственно вариантам 13,4 и 17,7 тыс. м2/га, фотосинтетический потенциал - 1,25 и 1,55 млн. м2хсут./га.

6. Внесение полного минерального удобрения и смеси осадка сточных вод с фосфорно-калийными удобрениями способствовало улучшению качества рапсового масла. Содержание в масле олеиновой кислоты увеличилось на 1,7-2,6%, белка - на 1,8-2,9% по сравнению с контролем. На содержание гликозидов данные удобрения влияния не оказали.

7. Использование осадка сточных вод в дозах 3-21 т/га на выработанных торфяниках привело к незначительному увеличению валового содержания тяжелых металлов, не превышая предельно-допустимые концентрации. Значения суммарного коэффициента Хс во всех опытных вариантах соответствовали допустимому уровню загрязнения почвы.

8. Разработанные и апробированные в рамках данной работы, органо-цеолитовые смеси стимулировали рост и развитие растений, увеличивали фотосинтетические показатели и продуктивность, способствовали повышению устойчивости к действию неблагоприятных факторов окружающей среды.

На вариантах с внесением цеолита получена прибавка урожая от 2,8 до 5,6 ц/га. Максимальный эффект был получен при соотношении осадка и цеолита 1:0,75. Полученные семена содержали меньше поллютантов, за счет адсорбции мелиорантом цинка, никеля, меди, хрома.

9. Энергетическая ценность урожая повышалась с увеличением дозы осадка. Биоэнергетические коэффициенты в опытных вариантах составили 3,32-6,10 (3,15 на контроле).

10. Применение осадка сточных вод в качестве нетрадиционного удобрения привело к увеличению рентабельности выращивания ярового рапса на выработанных торфяниках. Максимальная рентабельность составила 133,5% на варианте с дозой осадка сточных вод 21 т/га.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Применение осадка сточных вод является эффективным приемом повышения плодородия деградированных почв, в частности выработанных торфяников Мещерской низменности.

2. При выращивании ярового рапса в условиях южной части Нечерноземной зоны рекомендуется оптимальная доза осадка сточных вод очистных сооружений г. Рязани - 15 т/га, способствующая повышению урожайности маслосемян с минимальным уровнем загрязнения тяжелыми металлами.

3. Для оптимизации макроэлементного питания растений ярового рапса, выращиваемого на темно-серой лесной почве, рекомендуется применять ОСВ совместно с фосфорно-калийными удобрениями.

4. В качестве эффективного способа снижения миграции поллютантов в системе «почва - растения» следует рассматривать применение природных мелиорантов, в частности, цеолитов Хотынецкого месторождения Орловской области, имеющих высокую емкость катионного обмена и способных адсорбировать тяжелые металлы.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Макарова, М.П. Формирование высокопродуктивных посевов ярового рапса на почвах выработанных торфяников / М.П. Макарова // Международный технико-экономический журнал. - 2012. - № 3. - С. 79-83.

2. Макарова, М.П. Агроэкологическая оценка применения органо-минеральных удобрений на основе осадков сточных вод и цеолита на выработанных торфяниках / М.П. Макарова // Международный технико-экономический журнал. - 2013. - № 4. - С. 55-60.

3. Макарова, М.П. Влияние органоминеральных удобрений на основе ОСВ и цеолита на продуктивность агроценоза ярового рапса / М.П. Макарова, Д.В. Виноградов // Вестник РГАТУ. - 2013. - № 3. - С. 109-112.

4. Макарова, М.П. Использование органоминеральных удобрений на основе ОСВ и цеолита на выработанном торфянике / М.П. Макарова // Агрохимический Вестник. -2013. - №5. - С. 29-30.

В сборниках научных трудов:

5. Макарова, М.П. Изменение посевных качеств семян ярового рапса и биометрических параметров проростков в зависимости от концентрации водных вытяжек осадков сточных вод городских очистных сооружений различных сроков хранения / М.П. Макарова // Экология 2007: Эстафета поколений: материалы VI Пущинской междунар. школы-семинара по экологии. - М: Изд - во МГУЛ, 2007. - С. 6-8.

6. Макарова, М.П. Влияние осадков сточных вод на целлюлозо-литическую активность торфяной почвы / М.П. Макарова // Агрохимия и экология: история и современность: матер. Междунар. научно-практ. конф. -Нижний Новгород, 2008. - С. 142-144.

7. Макарова, М.П. Комплексное применение осадка сточных вод городских очистных сооружений и минеральных удобрений при возделывании ярового рапса на выработанном торфянике / М.А. Макарова // Актуальные проблемы аграрной науки: матер. Междунар. юбилейной научно-практ. конф. -Рязань, 2009. - С. 244-246.

8. Андрющенко М.П. Действие и последействие осадков сточных вод городских очистных сооружений на рост и развитие сельскохозяйственных культур / М.П. Андрющенко // Современные энерго- и ресурсо-сберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства: Материалы научных чтений. - Рязань, 2009. - С. 284-286.

9. Андрющенко М.П. Эффективность использования осадка сточных вод в агроценозах Brassica napus olieifera / М.П. Андрющенко // Модернизация АПК в контексте обеспечения продовольственной безопасности государства: Матер. Междунар. научно-практ. конф., ч. 1. - Курск, 2011. - С. 11-13.

10. Андрющенко М.П. Агроэкологические особенности совместного применения осадка сточных вод и цеолита на почвах выработанных торфяников / М.П. Андрющенко // Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений: матер. Междунар. научно-практ. конф. -Нижний Новгород, 2011. - С. 293-295.

11. Левин В.И. Влияние органоминеральных удобрений на основе ОСВ и цеолита на фотосинтетические показатели и продуктивность посевов ярового рапса / В.И. Левин, М.П. Макарова // Научно-практические аспекты технологий возделывания и переработки масличных культур: матер. Междунар. научно-практ. конф. - Рязань: ФГБОУ ВПО РГАТУ, 2013. - С. 195-197.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Макарова, Марина Павловна, Москва

ФГБОУ ВПО Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

На правах рукописи

0420136467Г

Макарова Марина Павловна

Агроэкологическая оценка воздействия осадка сточных вод на базовые компоненты

агроэкосистем с яровым рапсом в условиях южной части Нечерноземной зоны

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: Доктор биологических наук,

Виноградов Д.В.

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................5

I .АГРОЭКО ЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).....................................................................................................10

1.1 Состав осадков сточных вод. Способы их утилизации. Регламенты применения осадков сточных водв сельском хозяйстве................................10

1.2 Влияние осадков сточных вод на почву....................................................16

1.3 Влияние осадков сточных вод на растения...............................................21

1.4 Применение осадков сточныхвод совместно с минеральными удобрениями и агромелиорантами...................................................................25

II. МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.....34

2.1 Агроклиматическая характеристика района проведения исследований......................................................................................................34

2.2 Метеорологические условия проведения исследований.........................38

2.3 Характеристика почвы опытного участка.................................................45

2.4 Схема и агротехнические условия проведения полевых опытов............48

2.5 Наблюдения, учеты и анализы...................................................................52

III. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ДОЗ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД В АГРОЦЕНОЗАХ ЯРОВОГО РАПСА.................................................................55

3.1 Фитотоксичность осадка сточных вод.......................................................55

3.2 Действие возрастающих доз осадка сточных вод на плодородие выработанного торфяника................................................................................57

3.3 Действие осадка сточных вод на рост и развитие растений ярового рапса....................................................................................................................61

3.4 Действие осадка сточных вод на продуктивность ярового рапса...........69

IV. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОРГАНО-ЦЕОЛИТОВЫХ СМЕСЕЙ НА ВЫРАБОТАННЫХ ТОРФЯНИКАХ.....................................................................................................73

4.1 Действие органо-цеолитовых смесей на пищевой режим и биологическую активность выработанного торфяника.................................73

4.2 Действие органо-цеолитовых смесей на рост и развитие растений ярового рапса......................................................................................................76

4.3 Действие органо-цеолитовых смесей на продуктивность растений ярового рапса......................................................................................................82

4.4 Эффективность последействия органо-цеолитовых смесей на рост и продуктивность семенного потомства.............................................................86

V. АГРОЭКОЛОГИЯПСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД И МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ В АГРОЦЕНОЗАХ ЯРОВОГО РАПСА................................................................................................90

5.1 Действие осадка сточных вод и минеральных удобрений на пищевой режим и биологическую активность почвы....................................................90

5.2 Действие осадка сточных вод и минеральных удобрений на рост и развитие растений ярового рапса.....................................................................93

5.3 Действие осадка сточных вод и минеральных удобрений на продуктивность растений ярового рапса.......................................................100

VI. БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АГРОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ЯРОВОГО РАПСА.................................................................................................................106

6.1 Биоэнергетическая эффективность возделывания ярового рапса в зависимости от доз осадка сточных вод........................................................106

6.2 Биоэнергетическая эффективность возделывания ярового рапса при применении органо-цеолитовых смесей.......................................................107

6.3 Биоэнергетическая эффективность возделывания ярового рапса при применении осадка сточных вод и минеральных удобрений......................108

VII. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АГРОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ЯРОВОГО РАПСА.......................................109

7.1 Экономическая эффективность применения возрастающих доз осадка

сточных вод в посевах ярового рапса............................................................109

7.2 Экономическая эффективность применения органо-цеолитовых смесей в посевах ярового рапса..................................................................................110

7.3 Экономическая эффективность применения осадка сточных вод и минеральных удобрений в посевах ярового рапса.......................................112

ВЫВОДЫ...................................................................................................117

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ..................................................119

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................120

Приложения...............................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Осадок сточных вод представляет собой биогенные отложения, накопившиеся в илоуплотнителях и частично обезвоженные в сушильном цехе очистных сооружений. По данным многочисленных исследований, они имеют сложный состав макро- и микроэлементов, содержат 20-30% органического углерода, 2-5% гуминовых веществ, 1-3% азота, 1-3% фосфора, 0,2-0,7% калия. Основным способом утилизации ОСВ является их захоронение на специальных площадках (иловых картах) [59]. Однако это ведет к нерациональному использованию органического вещества, содержащегося в осадках, нарушению экологических связей по вовлечению органо-минеральных комплексов в биологический круговорот, а также дополнительному строительству дорогостоящих накопителей твердых осадков, что ни экономически, ни экологически не оправдано.

Наличие в ОСВ необходимых для растений элементов питания обуславливает возможность их использования в качестве нетрадиционных удобрений, при этом решая экологические проблемы их утилизации [37].

В промышленных масштабах применение осадков сточных водв России не превышает 5-7% от их общего количества, в то время как во многих высокоразвитых странах в качестве удобрений используют до 35-40% осадков сточных вод [95].

Основным сдерживающим фактором широкого применения удобрений на основе ОСВ в земледелии является содержание в них токсичных веществ: тяжелых металлов, органических и минеральных кислот, фенолов, полиароматических углеводов.

В связи с потенциальной токсичностью рекомендуется применять осадки на нарушенных, деградированных почвах, площади которых ежегодно увеличиваются. Это позволит повысить их экологическую устойчивость, восстановить плодородие и вовлечь в сельскохозяйственный оборот.

При подборе сельскохозяйственных культур необходимо учитывать, что внесение ОСВ может вызвать избыточное накопление токсикантов в растениеводческой продукции. Поэтому наиболее экологически безопасно применять осадки сточных вод в трофической цепочке «почва - растение», т.е. когда человек не является завершающим звеном. Например, использовать полученную растениеводческую продукцию на технические или семенные цели.

Цель и задачи исследований. Разработать агроэкологические приемы, позволяющие использовать осадки сточных вод в качестве нетрадиционных удобрений для повышения экологической устойчивости и восстановления плодородия выработанных торфяников и увеличения продуктивности агроценозов ярового рапса в условиях южной части Нечерноземной зоны.

Для достижения данной цели в процессе исследований предусматривалось решить следующие задачи:

цеолитом и минеральными удобрениями в условиях южной части Нечерноземной зоны;

- определить экономическую и биоэнергетическую эффективность использования изучаемых нетрадиционных удобрений в посевах ярового рапса;

Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что впервые обоснована возможность применения осадка сточных вод городских очистных сооружений на выработанных торфяниках и темно-серой лесной почве при выращивании ярового рапса в условияхюжной части Нечерноземной зоны.

Поведен анализ регионально-типологических закономерностей роста, развития и продуктивности растений ярового рапса при разном уровне антропогенной нагрузки, вызванной применением осадка сточных вод и его смесей с цеолитом.

мелиоранта - цеолита в органо-цеолитовых смесях (ОЦС), способствующие повышению урожайности маслосемян; изучено последействие органо-цеолитовых смесей на рост и развитие растений в следующем поколении; проведена сравнительная оценка эффективности применения минеральных удобрений и осадка сточных вод.

Основные положения, выносимые на защиту:

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на VI Пущинской международной школе-семинаре «Экология 2007: Эстафета поколений» (г. Пущино, 2007 год), научных чтениях «Современные энерго- и ресурсосберегаюшие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства» (г. Рязань, 2009 год), международных научно-практических конференциях «Агрохимия и экология: история и современность» (г. Нижний Новгород, 2008 год), «Актуальные проблемы аграрной науки» (г. Рязань, 2009 год), «Модернизация АПК в контексте обеспечения продовольственной безопасности государства» (г. Курск, 2010 год), «Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений» (г. Нижний Новгород, 2011 год), «Научно-практические аспекты технологий возделывания и переработки масличных культур (г. Рязань, 2013 год).

Основные положения изложены в 11 статьях, из них 4 опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК.

Личное участие автора. Автором осуществлена разработка программы исследований, заложены лабораторные и полевые опыты, определена методика исследований, проведены анализы и наблюдения, выполнена статистическая обработка полученных результатов.

За непосредственное научно-методическое руководство, оказанное содействие в проведении исследований, внимание и всестороннюю поддержку автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору биологических наук Виноградову Д.В., доктору сельскохозяйственных наук, профессору Левину В.И., кандидату сельскохозяйственных наук ПерегудовуС.В.

1.АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Состав осадков сточных вод. Способы их утилизации. Регламенты применения осадков сточных водв сельском хозяйстве

Осадки сточных вод очистных сооружений (ОСВ) - избыточный активный илпродукт биологической очистки и шламы, образующиеся в результате физико-химической очистки [48]. По данным Л.Л. Гольдфарба, И.С. Туровского, С.Д. Беляевой (1983) объем осадков на станциях аэрации достигает 1% от объема сточной жидкости [27].

Первичный осадок представляет собой суспензию со специфическим запахом влажностью 95-98%. Для удаления воды и максимального уменьшения первоначального объема осадков, их стабилизируют в метантенках в термофильном и мезофильном режимах [48,130,183]. Вторичный осадок - студенистая вязкая масса темно-серого цвета. В дальнейшем осадки подвергают обезвоживанию путем естественной сушки на иловых площадках (картах) или посредством вакуумфильтрации, гЬштьтпппесеоняния и гтентпи(1гигиповяния И 401 Отпр>к-авшиегя на «ттовых

х------х—л--- ---------- — —1----х—-г J---г--------- ц-----------------—* *— ——

картах осадки сточных вод приобретают вид землистой, сыпучей массы с рассыпчатой, комковатой структурой [155].

По данным В.А. Касатикова, С.М. Касатиковой, Л.Л. Гольдфарба, В.М. Перелыгина (1986) технология обработки осадков сточных вод, включающая сбраживание их в метантенках с последующей подсушкой на иловых площадках является наиболее распространенной как в нашей стране, так и за рубежом. Объем производства таких осадков составляет более 80% от общего [107].

В настоящее время существует несколько способов утилизации ОСВ, из которых наиболее распространенным является их депонирование на специальных полигонах (иловых картах).

Некоторые виды осадков после их подготовки рекомендовано использовать в металлургии, при производстве строительных материалов, в стекольном производстве [156]. По данным Е.А. Королевой (2000) ОСВ можно использовать в производстве керамзитового гравия. Энергоемкость такого керамзита снижается на 20-25% [67].

Одним из способов утилизации осадков сточных вод является их сжигание. В настоящее время сжиганию подвергается 5% осадков в Англии и до 30% в Дании. В Германии предложен способ сжигания активного ила с получением заменителей нефти и каменного угля. Подсчитано, что при сжигании 350 тыс. тонн активного ила можно получить топливо, эквивалентное 700 тыс. баррелей нефти и 175 тыс. тонн угля [126]. По данным В.И. Цветкова, А.Г. Куприянова (2000) строительство завода сжигания на Центральной станции аэрации Санкт-Петербурга позволило решить проблему наращивания полигонов для хранения ОСВ, общая площадь которых к середине 90-х годов составила 150 га [139].

Сжигание и хранение ОСВ на специальных полигонах - мероприятия дорогостоящие, а грамотное использование их в качестве удобрений является наиболее экономически оправданным приемом, обеспечивающим возвращение в почву ценных элементов питания [37,128,133].

В России первые опыты по изучению удобрительной ценности осадков сточных вод были проведены П.С. Севостьяновым в 1931 - 1937 годах. В своих экспериментах он пришел к заключению, что осадки могут приравниваться к навозу и минеральным удобрениям. Аналогичные выводы сделаны и другими авторами. Так, по данным В.И. Усенко (2000) у ОСВ и навоза соотношение «C:No6uj.» составляет 10,5-15,6, что указывает на их равноценное значение как источника азота для растений и органического

вещества для почвы [131]. В целом осадки сточных вод оцениваются как азотно-фосфорные органоминеральные удобрения [26,35,39,53,59,64].

По данным ВОЗ, в сельском хозяйстве Франции, Нидерландов, США, Польши, Швейцарии и Германии применяют соответственно 24, 35, 40, 50, 74 и 40% всего количества накопившихся ОСВ. В России в кач

Информация о работе

Макарова, Марина Павловна
кандидата биологических наук
Москва, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Агроэкологическая оценка воздействия осадка сточных вод на базовые компоненты агроэкосистем с яровым рапсом в условиях южной части Нечерноземной зоны - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы