Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД И ЦЕОЛИТОВЫХ ТУФОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА -РАСТЕНИЯ (В УСЛОВИЯХ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ ОРЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ)

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД И ЦЕОЛИТОВЫХ ТУФОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА -РАСТЕНИЯ (В УСЛОВИЯХ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ ОРЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ)"

Я-зз.т

на правах рукописи

Ноздрина Светлана Ивановна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД И ЦЕОЛИТОВЫХ ТУФОВ В СИСТЕМЕ ПОЧВА - РАСТЕНИЯ (В УСЛОВИЯХ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ ОРЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ)

специальность - 03.00.16. - Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Орел - 2004

Работа выполнена на кафедре земледелия Орловского государственного аграрного университета в 1996 - 2000 гг.

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Л.П. Степанова

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук,

с.н.с. В.А. Касатиков

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Савич Виталий Игоревич; доктор сельскохозяйственных наук, профессор Лысенко Николай Николаевич

Ведущая организация: Управление природных ресурсов н охрана окружающей среды по Орловской области. ^^

Защита состоится «/^ » 2004 г. в часов на заседании

диссертационного совета КМ 220.052.01 при Орловском государственном аграрном университете по адресу: 302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69, Агроуниверситет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим Вас принять участие в заседании диссертационного совета или прислать свой отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью.

Автореферат разослан

«// » г.

Ученый секретарь <7'1*> /1

диссертационного совета ■/МакееваТ.Ф.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Проблема производства экологически безопасной продукции сельского хозяйства в настоящее время в нашей стране, как и во многих других странах мира, является одной го актуальных, поскольку непосредственно связана с качеством питания и среды обитания человека.

Острота данной проблемы и необходимость ей решения диктуются в частности, с одной стороны - загрязнением биосферы токсикантами промышленного происхождения, которое носит или глобальный, или региональный характер, а с другой - с загрязнением среды органическими отходами сельскохозяйственного производства.

Ухудшение свойств почв приводит к сокращению или утрате ими экологических и производительных функций, то есть деградации почв. Сокращение экологических функций почвы как среды обитания означает уменьшение биологической продуктивности, снижение поступления в атмосферу кислорода, ослабление связывания атмосферного углерода; усиление перехода углерода из почв в атмосферу; снижение буферной и поглотительной.способности, биологической активности, ослабление санитарных функций почв. Снижение производительных функций приводит к недоборам урожая, ухудшению качества продукции, возрастанию затрат на производство продукции. В настоящее время огромное количество отходов, складируемых на полях фильтрации и загрязняющих значительные площади, вызывает все большую тревогу. Одним из направлений утилизации осадка сточных вод (ОСВ) является их использование в сельском хозяйстве, в качестве удобрительных форм.

В связи с этим возникла необходимость изучения действия нетрадиционных удобрительных форм на основе природных материалов и продуктов переработки отходов сельскохозяйственного производства на свойства почвы. Совершенствование приёмов и технологий их применения для регулирования агрофизических, физико-химических и биологических свойств чернозёмных почв в адаптивно-ландшафтных системах земледелия центральных регионов России, и создания почв с воспроизводимым плодородием.

Цель работы. Целью работы явилось изучение возможности применения осадка сточных вод н цеолитов на черноземах оподоолен-ных в кормовом севообороте и установление отзывчивости культур на прямое действие и последействие нетрадиционных удобрительных форм и их влияния на своЙДО&МОДЬ и качес гво продукции.

В связи с этим в ходе исследований по комплексной оценке эффективности осадка сточных вод отдельно н в сочетании с цеолитом были поставлены следующие задачи;

- изучить влияние и выявить различия в действии и последействии осадка сточных вод и цеолитовых туфов на агрофизические и агрохимические свойства чернозема оподзоленного в сравнении с традиционными удобрениями (навоз, солома, минеральные удобрения);

- установить эффективность применения изучаемых видов удобрений определить место их внесения в севообороте;

• разработать экологически обоснованные рекомендации по использованию нетрадиционных видов удобрений с целью повышения продуктивности севооборота и плодородия чернозема оподзоленного в условиях Орловской областн.

Научная новшна исследований. Научной новизной работы является установление возможности использования осадка сточных вод и сочетаний осадка с цеолитами в кормовом севообороте и обоснование условий их применения на черноземах оподзоленных. Выявлена удобрительная эффективность цеолитовых туфов и осадка сточных вод в повышении эффективного плодородия черноземных почв и увеличение урожайности сельскохозяйственных культур. Сочетание осадка сточных вод с цеолитами приводит к снижению подвижных форм тяжелых металлов в почве и получению экологически безопасной продукции, при этом содержание тяжелых металлов не превышает ПДК их, как в почвах, так и в продукции. Доказано положительное действие и последействие осадка сточных вод и цеолитов на урожайность культур и продуктивность севооборота. Установлена отзывчивость различных культур на прямое внесение и последействие осадка сточных вод и цеолитов. Применение осадка сточных вод и их сочетание с цеолитами оказывает положительное влияние на формирование корневой системы и их поглощающую способность.

Практическая значимость работы и реализация её результатов. Установленные функциональные особенности и выявленные закономерности позволяют на научной основе обосновать приёмы и методы повышения эффективного плодородия почв и получение экологически безопасной продукции путём использования местных природных минеральных ресурсов и продуктов переработки органических отходов производства.

Результаты исследований могут быть использованы для разработки рекомендаций применения осадка сточных вод и цеолитовых туфов на черноземах оподзоленных лесостепной зоны в кормовых се-

вооборотах. Полученные данные могут быть рекомендованы дгхя воспроизводства плодородия и получения экологически безопасной продукции на техногенно загрязненных территориях. Разработаны приемы повышения плодородия чернозема оподзоленного с применением нетрадиционных видов удобрений на основе местных природных материалов и осадка сточных вод в сравнении с традиционными удобрительными формами: солома, навоз, минеральные удобрения. Установлено, что при внесении осадка сточных вод под пропашные культуры -кукурузу и кормовую свеклу достигается наибольшая продуктивность кормового севооборота. Сочетание осадка сточных вод с цеолитами повышает эффективность действия и последействия этих удобрительных форм, как при внесении под пропашные культуры, так и при использовании их под зерновые культуры.

Основные наложения, выносимые на защиту. На защиту выносится концепция комплексной оценки влияния цеолитовых туфов и осадка сточных вод на оптимизацию системы почва-растение и условий сё функционирования, которая включает следующие положения:

- обоснование применения цеолитовых туфов как фактора повышения эффективного плодородия чернозёмных почв ;

- обоснование эффективности внесения цеолитов н отходов сельскохозяйственного производства на величину урожая и его качество;

- обоснование агроэкологииеской эффективности осадка городских сточных вод как органоминерального удобрения в сочетании с цеолитовыми туфами с учётом биологических особенностей культур севооборота;

- установление эффективности применения цеолитовых туфов и их последействия при разных условиях внесения, обеспечивающих повышение плодородия и урожай ность культур;

- обоснование экологической безопасности получения продукции в кормовом севообороте при применении осадка сточных вод и цеолитовых туфов;

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы ежегодно (1995 - 2000 гг.) докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры земледелия и научно - [фактических конференциях (1995 - 1997 гг.) ОГАУ, на III Межд. научно-практической конференции, «Человек и окружающая среда», (Пенза 2000 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано б научных работ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 104 страницах компьютерного текста, иллюстрирована 21 таблицами и 25

рисунками. Она состоит из введения, 5глав, выводов, предложений производству, списка литературы из 170 наименований, в том числе 83 иностранных, и 22 приложений. -

Автор выражает искреннюю благодарность всем сотрудникам кафедры земледелия Орловского ГАУ, и особенно доктору с/х наук, профессору Степановой Л.П., научному консультанту доктору сельскохозяйственных наук Касатикову В. А.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

¿-Анализ литературных данных позволяет отметить значительное внимание исследователей к проблеме изыскания и использования для регулирования плодородия почв и повышения урожайности сельскохозяйственных культур к ряду нетрадиционных источников удобрений и мелиорантов, среди которых важное место занимают минералы группы цеолитов, осадок сточных вод. Показано, что эффективность и специфичность действия этих органо - минеральных улучшатедей в значительной степени определяются региональными особенностями возделываемых культур (Ягодин Б.А., 1995; Орлов Д.С., 1993, 1994; Янишевский Ф.В., 1989,1990; Касатиков В.А., 1989; Лурье А.А., 1995, Кауричев И.С., 1997; Карпухин А.И., 1988 и др.).

2. Объекты и методы проведения исследований

Исследования проводили в период 1996- 2000 гг. на территории Орловского района Орловской области, расположенного в центральной части Средне-Русской возвышенности, лесостепной зоне, в 7 км. от областного центра г. Орла Метеорологические условия в годы проведения исследований были различными и отличались от сред-немноголетних данных, что позволило установить разностороннее . влияние различных форм органических и минеральных удобрений на рост, развитие сельскохозяйственных культур и продуктивность кормового севооборота.

В целом за четыре года исследований климатические условия в опытах различались. В 1999 г. наблюдался повышенный температурный режим и недостаточное количество влаги. Остальные годы (1996, 1997, 1998) характеризовались наиболее благоприятными условиями: умеренным температурным режимом, достаточным и повышенным увлажнением, что положительно сказывалось на прохождении основных этапов морфогенеза растений и формирования урожая.

Было заложено 4 мелкоделяночных опыта. Полевые опыты проводились в кормовом севообороте; ячмень,- вико/овес, -кормовая свекла,- кукуруза. В них изучалось действие и последействие разового внесения ОСВ н цеолита под ячмень, вико/овес, кормовую свеклу, кукурузу в кормовом севообороте, в сравнении с традиционными формами удобрений; солома, навоз, минеральные удобрения.

Почва опытного участка - чернозем оподзоденный малогумусный, среднемошный, среднесуглинистый, мощность гумусового слоя 69- см., содержание гумуса 5,4) % Р:05-14,5 мг иК20-10,9мг- на 100г. почвы, рН - 5,1, сумма поглощенных оснований 20,8 - 30,0 мг/экв, гидролитическая кислотность 5,48 мг/экв. на 100 г почвы.

Схема опыта состояла из следующих вариантов; 1 Контроль; 2. Солома 20 т/га ;3.Навоз,20т/га ;4. Цеолит 20 т/га ;5. Осадок сточных вод (ОСВ) 10 т/га

б. ОСВ+ 1/2 цеолита; 7. Навоз + 1/2 неолита; 8. №К=деве навоза; 9.№К = дозе осадка Размер опытных делянок 2 м2 в четырех кратной повторно-стн. Удобрения вносили под основную обработку почвы.

Полевые исследования по различным аспектам действия и взаимодействия цеолита и отходов производства в системе почва - растение проводили со следующими материалами: цеолитовые туфы Хотъшецкого месторождения Орловской области, осадок сточных вод г. Орла.

Лабораторные исследования проводились на кафедре земледелия Орловского ОГАУ. В образцах почв определяли содержание органического вещества по методу Тюрина, рН, гидролитическую кислотность, обменные Са и М& подвижные фосфор и калий по методу Кирсанова (Агрохимические метод, 1975).

Для выявления уровня загрязнения почв ТМ и определения подвижное™ их соединений проводили экстракцию проб почв ацетатно - аммонийным буферным раствором с рН = 4,8. Валовое содержание ТМ определяли в 5М НК03 (Методические указания... ,ЦИНАО,1992).

Дня подготовки к анализу растений использовали метод сухого озо-ления при температуре 450°С. Определение содержания металлов в растительных объектах выполнено после растворения золы в 1Н НИОз при нагревании. Конечное определение РЬ, Сё, 7л, Си, N1, Мп, Со, Н£в почвах н растениях проводилось атомно-абсорбиионным методом в воздушно-ацетиленовом пламени на спектрофотометре С-115. Результаты опыта были обработаны с помощью программы Эйсаг.

Цеол1гтовые туфы по данным «Орел - геология» характеризуются следующим составом минералов: клиноптилолет - 37,5%; крисгобалкг -12,0 %; монтмориллонит - 13,7 %; гидрослюда - 11,0 %; кварц - 22,0 %;

кальцит - 3,0 %; минеральные группы полевых шпатов - 0,5 %. Химический состав: Те -22 %;А1 - 4,9 %;Са - 2,0 %; 1^-1,4 %; N3 1,5%; К-2,1 %; Си - 27,1 мг/кг, - 90,0 мг/кг; Сё-0,5 мг/кг, Сг - 62,5; Со - 7,2; Мо -1Мп - 462,0 мгУкг, Удельный вес - 2,49 г/см1; объемный вес - 0,99 г/см3; пористость—61,1 %.

Осадок сточных вод г. Орла: N -1,5 %; РА - 2,5.% %; К20 -2 %; С^- 43%;рНИЛ-7,4-7,5.

Содержание тяжелых металлов в ОСВ: Ag 12 -16 мг/кг; Сс117 -19 мг/кг, Со 15 -17 мг/кг, Сг 2100 - 2255 мг/кг; Си 2000 - 2200 мгУкг; Щ1 -2 мг/кг; №760-825 М1Укг;РЬ 169-198 М1Лсг;2п 1100-1210 мг/кг.

Навоз КРС. N - 0,5 %; Р2О5 - 0,24.%; К20 - 0,6 %;

Математическая обработка данных проведена статистическим методом по следующим критериям: коэффициент вариации (У%), средняя ошибка опыта (5Д среднее квадратичес кое отклонение (т), предельная ошибка опыта (%) (Доспехов Б.А.Д985).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3. {.Изменение агроэкологических свойств чернозема оподзоленно-го при использовании в качестве удобрения осадка сточных вод и неолита в кормовом севообороте

Длительное использование черноземов в сельском хозяйстве вызывает обеднение их гумусом, азотом, фосфором, поглощенными катионами (Са, Mg)J повышение гидролитической кислотности и снижение степени насыщенности основаниями, резкое ухудшение структуры и водно-физических свойств (Адерихин П.Г., 1963).

Проведённые нами исследования плодородия чернозема опод-золенного в условиях опыта показало изменение агрофизических и физико-химических свойств под влиянием органоминерапьных удобрений.

Структурно-агрегатный состав чернозема претерпевает большие изменения под влиянием испытуемых удобрений. Проведенные исследования показывают, что структурный состав чернозема оподзоленно-го под влиянием органом инеральных удобрений несколько улучшается (табл. 1).

Таблица 1

Структурно агрегатный состав чернозема о подзоле иного в кормовом севообороте, % (ячмень, вико/овес, свекла, кукуруза на силос) (1996- 1999 гг.)

№ п/п Варианты опыта Размер агрегатов, мм" К Плотность, г/см3 Коэффициент дисперсности по Качин-скому

10-0,25 >10 + <0,25 1-3

1 Контроль 54.0 66,5* 46.0 33,5* 16,3 1,28 1,99* 1,18 14,5

2 Солома 57,8 68,4* 42,2 31,6* 17,6 1,36 2,09* 1,07 8,4

3 Навоз 68.7 73,5* 31.3 26,5* 17,9 2.19 3,03* 1,06 7,0

4 Цеолит 64.1 67,9* 35.9 32,1* 16,8 1.78 2,07* 1,09 7,7

5 Осадок сточных вод 70.1 78,9* 29,9 21,1* 22,5 2,34 3,79* 1,02 6,9

б ОСВ + цеолит 77.5 69,4* 22.5 30,6* 26,4 3.44 2,27* 1,07 5,7

7 Навоз + цеолит 80,3 70,1* 19.7 29,9* 27,4 4,07 2,34* 1,04 5,3

8 = дозе навоза 57.5 62,9* 42.5 37,1* 21,8 135 1,70* 1,12 9,4

9 МРК = дозе ОСВ 56.2 67,7* 43,8 32,3" 20,3 1,28 2,И' 1,19 10,8

* - данные 1996 г.

Как видно из данных таблицы 1, улучшение структурного состояния чернозема о подзол енно го связано с внесением органических удобрений. Сумма агрономически ценных агрегатов 10-0,25 мм в контрольном варианте составляет 54,0%, При внесении минеральных удобрений количество агрономически ценных агрегатов увеличивается на 2,1-3,4% в сравнении с контролем. Внесение навоза, соломы и осадка сточных вод значительно повлияло на изменение агрегатного состава. При этом наибольшее оструктуривающее действие оказало внесе-

ние в почву осадка сточных вод, количество агрегатов 10-0,25 мм достигало 70,1%. Оструктуриваюшее действие навоза было несколько ниже, сумма агрономически ценных агрегатов составила 68,7%. Самое низкое действие на структурное состояние черноземных почв в условиях опыта оказала солома. При внесении соломы количество агрономически ценных агрегатов составило всего лишь 57,8% или на 3,7% выше, чем в контроле.

Результаты анализов показали улучшение структурного состояния почвы с внесением цеолитовой муки 64,1%. Действие испытываемых удобрений усиливалось при сочетании цеолита с органическими удобрениями. Как видно из данных таблицы количество агрегатов 100,25 мм при сочетании навоза с цеолитом резко увеличивается до 80,3%, что на 11,6% больше, чем при внесении навоза и 16,2% выше, чем при внесении цеолита в почву. Количество агрономически ценных агрегатов 10-0,25 мм при сочетании осадка сточных вод с цеолитом несколько снижалось (на 2,8%) в сравнении с внесением навоза с цеолитом, но оставалось высоким и было на 23,4% выше контрольного варианта. Сумма агрегатов 1-3 мм в пахотном горизонте самая высокая при сочетании навоза и ОСВ с цеолитом 26,4 - 27,4%.

Отмечается уменьшение количества агрономически ценных агрегатов размером 10-0,25 мм за четырехлетний период использования почвы без применения удобрений. В вариантах с внесением минеральных удобрений оценка структурного состояния переходит из категории "хорошее" в 1996 г. в удовлетворительную оценку по данным 1999 г, В вариантах с внесением навоза и осадка сточных вод хотя и выявлено уменьшение количества агрономически ценных агрегатов, но в меньшей степени. Так, в варианте с внесением цеолита количество агрегатов 0,25 -10 мм снизилось на 3,7%, в вариантах с внесением навоза количество агрономически ценных агрегатов уменьшилось на 4,8%, а с внесением осадка сточных вод на 8,8%. Однако оценка структурного состояния сохраняется хорошей.

Отмечается увеличение коэффициента структурности с 2,272,34 в 1996 году до 3,44-4,07 в 1999 г., при этом возрастает количество микроагрегатов; внесение органических удобрений (навоз и осадок сточных вод) снижает коэффициент дисперсности с 14,5 в контроле до 6,9-7,7 при раздельном внесении удобрений и 5,3-5,7 при совместном применении цеолита с органическими удобрениями и уменьшается плотность почвы.

Таким образом, внесение органоминеральных удобрений как в чистом виде, так и их сочетаний с цеолитом оказывает положительное

влияние на структурное состояние чернозема. По характеру острукту-рнвающего действия испытуемые удобрения можно расположить в следующий ряд: навоз + цеолит > осадок сточных вод + цголит > осадок сточных вод > навоз > цеолит > солома > минеральные удобрения. Применение местных удобрительных материалов (навоз, осадок сточных вод, цеолит) обеспечивает устойчивость структурного состояния чернозема и улучшает его водно -физические свойства.

Таблица 2

Влияние органических и минеральных удобрений на физико-

химические свойства чернозема о подзоле н:-юго 1999 г.

№ п/п Варианты опыта С орг., % Soch. мг/экв. на 100 г К гад?. Г мг/э::в. V, % На 100 т. 1 pHr'.CL

1 Контроль 3,14 32,0 3,27 90,72 5,16

2 Солома 3,16 32,9 2,65 92,54 5,11

3 Навоз 20 т/га 3,20 34,2 1,81 94,92 5,02

4 Цеолит 20 т/п» 3,18 35,3 0,92 97,45 5,62

5 ОСВ Ют/га 3,22 35,6 1,03 97,18 5,58

б ОСВ 10 т/га + цеолит 10 т/га 3,24 35,0 1,05 97,08 5,60

7 Навоз 20 т/га + цеолит Шт/га 3,26 34,5 1,23 96,55 5,52

8 КРК 3,15 30,9 3,65 89,43 4,99

НСР05 0,02 0,4

Применение нетрадиционных видов удобрений — осадка сточных вод н цеолита оказывает существенное влияние на содержание органического вещества, внесение осадка сточных вод в дозе 10 т/га приводит к увеличению содержания гумуса, количество углерода возрастает на 0,08% в,сравнении с контролем и не уступает действию навоза. Использование цеолита в дозе 20 т/га на черноземных почвах создает благоприятные условия для гумификации и накоплена гумуса, количество органических веществ возрастает до 3,18%, что Fia 0,04% выше контрольного варианта. Интерес представляют результаты опыта по влиянию совместного применения навоза и цеолита и осадка сточных вод с цеолитом. Как показывают результаты исследований, сочетание органических удобрений с цеолитом является эффективным н оказывает существенное влияние на накоплена гумуса, так содержание органического вещества увеличивается ка 0,10-0,12% с сравнении с контролем. При этом сочетание органических удобрений с ме-

янорантомулучшает режим органического вешества почвы в большей . степени; чём .их раздельное применение.

; . - Соьместное, применение мелиоранта с органическими удобрениями способствует увеличению суммы обменных оснований на 2,5-3,0 мг/экв в сравнении с контролем и насыщенности основаниями на 5,83-636%^ Применение :6рпшоминеральных удобрений приводит к изменению показателя рН от слабокислой до блшкой к нейтральной, а при внесении минеральных удобрений почва становится среднекислой.

Таким образом', применение осадка сточных вод и цеолита как мелиорантаУказывает,положительное влияние на режим органического вещества и физико-химические свойства чернозема оподтоленного. В целях поддержания оптимальных показателей свойств почвы необходимо сочетать совместное применение как осадка сточных вод, так и навоза с цеолитом. ^ '

3.2. Биологическая активность почвы

Одним из показателей плодородия почвы является ее биологическая арнвность. Нами была сделана попытка оценить биологическую активность почвы под влиянием изучаемых удобрений через показатель целлюлозорззлагающей активности почвы, выраженный в % потери массы льняной ткани (рис. 1.}.

5 -

■ 1996 г 91999 г

0

V 2 3 4 5 6 7 8 9 .. варианты опыта

Рис. 1/Влияние удобрений цеолита на целлюлозоразлагающую активность почвы (% потери массы льняной ткани)

Как показали результаты исследований при прямом внесении соломы и осадка сточных вод отмечается сшше ше биологической активности почвы в сравнении с контролем на 5,9% на соломе и 0,9% при внесении осадка сточных вод; усилений озоразлагающей

активности почвы наблюдалось при прямом внесйлнн завоза <5,0% и сочетании его с цеолитом — 49,5%. Повышение б и и» одической активности отмечалось при совместном внесении осадк?- сто шнх вол с цеолитом, В вариантах с внесением минеральных удо5рени^ уселнчекнг активности микроорганизмов почвы было незначит-дишк 4?,5-43,4%

Интерес представляют данные целлюлозера^лагазщей способности почвы в последействии испытуемых удобрений. пат<ч Показано увеличение биологической активности почвы в последе Й С ГЪ! * и ег.ломы и осадка сточных вод. При этом если через 4-е года писл'; навоза отмечалось снижение биологической активности то со-

четание навоза с цеолитом увеличивало последействие кзчоза на активность микроорганизмов. В вариантах опыта с ежегодном ягнением минеральных удобрений рассматриваемый нами покгззтечь Зиоло-гической активности почвы снижался с 42,5-43,4% до Отме-

чается положительное влияние последелст ВС* ЦеО-1:И~а НЯ цел-люлозо разлагающую активность почвы. Таким образом, осч«о.< «очных вод характеризуется продолжительным сроком действий па ¿но-логическую активность почвы, при этом последействий 31С.-0 -«ЧД* удобрения оказывает большее влияние на не^гю-'ю^^лз^^чую активность почвы, чем прямое действие. Для уве.тичени^ *:рока действия органических удобрений необходимо их сочетание С ЦгОЛИТОВь'ЛШ туфами.

3.3. Влияние различных форм органических и минеральных удобрений на содержание н запасы ЛОВ в черноземе оподзеленном

Многочисленными исследованиями доказано кзмененке содержания и состава гумуса при внесении в почг;' сюганичес;:'1Х удэСрсннй в процессе их сельскохозяйственного использования.

Однако до настоящего времени малоизученном остается вопрос о влиянии органических и минеральных удобрений на изменение содержания и состав легкоразлагаемых органически ьешеств черноземных почв.

Внесенные в почву органические и минер4льнт г<; удобрения закономерно повышали содержание и запасы ЛОБ по«вы {рис, 2.)-

Рис. 2. Влияние органических и минеральных удобрений на запасы ЛОВ в пахотном слое чернозема оподзоленного

Так, внесение традиционных форм органических удобрений -навоза - обеспечивает самое высокое количество ЛОВ в пахотном горизонте и их запасы - 0,99% или 29,7 т/га. Запашка в почву высоких доз соломы (20 т/га) способствует увеличению содержания лабильных органических веществ - 0,39 или 11,7 т/га, но в меньшей степени, чем внесение в почву 20 т/га навоза.

Интерес представляют результаты опытов по влиянию цеолита и осадка сточных вод на содержание легкоразлагаемого органического вещества в черноземе за четырехлетний период. Как видно из данных рис. 2, внесение минералов в почву создает благоприятные условия для накопления ЛОВ в почве - 0,44% или 13,2 т/га, что в 1,5 раза превышает контрольный вариант, в котором содержание ЛОВ составило всего лишь 0,29%, а его запас - 8,7 т/га. При внесении в почву осадка сточных вод Ю т/га происходит увеличение содержания ЛОВ в почве -0,63% или 18,9 т/га, что более чем в 2 раза превышает содержание ЛОВ в контроле, но меньше на 10,8 т/га в сравнении с содержанием ЛОВ в варианте с внесением навоза. Совместное применение осадка сточных вод с цеолитом и навоза с цеолитом также обеспечивает заметное накопление лепсоразлагаемых органических веществ - 0,53% н 0,78% соответственно. Применение минеральных удобрений привело к

незначительному увеличению ЛОВ - 0,36% и 10,8 т/га в пахотном слое чернозема.При этом установлено, что темпы минерализационных потерь ЛОВ зависели от вида удобрений, так в вариантах с внесением минеральных удобрений они составили 56,2%, в контрольном варианте снижение ЛОВ составило 43%. При внесении навоза снижение ЛОВ достигало 15%, а в вариантах с внесением цеолита и ОСВ - 27% и 40% соответственно. Совместное применение осадка сточных вод с цеолитом и навоза с цеолитом замедляло минералнзацнонные потери легко-разлагаемых органических веществ, темпы снижения достигали 33%-34% за четырехлетний период после внесения^

■ ...V .... .

3.4. Влняние органических и минеральных удобрений на содержание тяжелых металлов в пахотном слое чернозема оподзоленного

Один из вопросов в области применения осадка сточных вод (ОСВ) в сельском хозяйстве, представляющих научно-практический интерес, связан с изучением процесса элементного загрязнения почвы при применении осадков как удобрения. В ходе исследований, проведенных в кормовом севообороте ячмень, вико/овес, кормовая свекла, кукуруза, выявлено влняние ОСВ и цеолита на элементный состав почвы. Для большинства элементов отмечен незначительный рост значений коэффициентов концентрации (Кк) по вариантам опыта под влиянием испытуемых органом и нерапьных удобрений. Уровень загрязнения тяжелыми металлами почвы оценивали по величине коэффициента концентрации, показывающего во сколько раз содержание элемента в опытном варианте превышает контроль. При внесении осадка сточных вод отмечено увеличение в пахотном слое ряда элементов повышенной токсичности: свинца, хрома, цинка, меди, — значение Кк составило 1,57, Загрязнение почвы другими элементами при внесении осадка было малосущественным (рис. 3).

При внесении цеолита в почву наблюдается увеличение в пахотном слое никеля, цинка и хрома, при этом в наибольшей степени возрастает концентрация никеля в 1,66 раза в сравнении с контролем и хрома в 1,32 раза.

Сочетание цеолита с навозом и осадком сточных вод обеспечивает снижение коэффициента концентрации никеля, цинка и хрома в пахотном слое почвы и уменьшение величины суммарного показателя концентраций этих элементов в сравнении с содержанием указанных тяжелых металлов при внесении цеолита в почву (рис.3).

7.00 -т

6,00 -

2

си 5,00 -

3 гв 4,00 -

■ К.

1 о 3,00 •

Е

ч 2,00 -

а

1,00-

0,00-

"5

I Подвижные формы И Валовые формы

6 7 8 варианты опыта

Рис- 3 Влияние органических и минеральных удобрений на величину 2с валового и подвижного содержания тяжелых металлов в почве.

При внесении минеральных удобрений в почву наблюдается увеличение содержания никеля Кк- - 1,12; цинка - 1,02 и свинца - 1,15, суммарный показатель концентраций этих загрязнителей составляет 1,32-1,37. Необходимо отметить, что прц внесении соломы зерновых культур и навоза величина 2л составила 1,22-1,44. Из элементов токсичной группы наиболее интенсивно в слое внесения удобрения варьирует содержание никеля, цинка, хрома и свинца. Загрязнение почвы никелем, цинком, хромом и свинцом наблюдается при внесении в почву цеолита и осадка сточных вод.

Наиболее целесообразным с экологической точки зрения является совместное применение осадка сточных вод с цеолитом и навоза с цеолитом, по величине 2с рассматриваемые системы удобрения располагаются в следующей последовательности: цеолит > навоз + цеолит > осадок сточных вод + цеолит > осадок сточных вод > навоз > минеральные удобрения > солома. 1

; В результате исследований нами установлено наличие общей динамики валового содержания и концентрации в почве подвижных форм элементов. Наибольшее значение Кк в севообороте: ячмень, ви-

ко/овес, кормовая свекла-кукуруза при внесении осадка сточных'вод установлено для хрома - 1,3 к кадмия - 0,09 (рис.3). При внесении цеолита в почву величина коэффициента накопления элементов в почве увеличивается для меди - 1,16; цинка -1,40; никеля - 1,13 и кадмия -2,0.

При использовании в качестве органических удобрений соломы и навоза в кормовом севообороте происходит накопление подвижных форм цинка Кк - 1,54 и 1,42, в то время как общая .концентрация металла в пахотном горизонте возросла в 1,04-1,16 раза. В целом, по степени изменения лабильности в пахотном горизонте при внесении цеолита металлы располагаются в ряд: Сс1 > Хп > Си > №, а при внесении осадка сточных вод в качестве удобрения металлы можно расположить в следующей последовательности: С<1 > Сг > Хп.

При совместном внесении осадка с цеолитом степень изменения лабильности металлов в пахотном слое почвы можно представить в следующей последовательности: Хп > СЙ > Сг > Си > № > Ёе.

Сочетание навоза с цеолитом приводит к увеличению подвижных форм металлов в почве в сравнении с внесением навоза как удобрения, по степени изменения лабильности в почве металлы можно расположить в следующий ряд: Хп > Си > С<1 > №.

При этом сочетание навоза с цеолитом приводит к снижению количества подвижных форм кадмия в 1,5 раза в сравнении с вариантом, где вносится цеолит.

Как показали результаты исследований, сочетание осадка сточных вод с цеолитом и цеолита с навозом приводит к снижению подвижных форм кадмия и марганца.

Внесение осадка сточных вод в почву обеспечивает снижение лабильности таких элементов как медь, марганец, железо. Таким образом, внесение в почву осадка сточных вод в дозе 10 т/га не оказывает значительного влияния на элементную нагрузку агросистемы и не нарушает экологического равновесия, в условиях опыта не установлено превышение предельно допустимых концентраций по исследуемым элементам.

Таким образом, в кормовом севообороте в условиях черноземных почв лесостепной зоны выявлена агроэколоптческая эффективность удобрительных свойств цеолита и осадка сточных вод, внесение в почву которых не оказывает влияния на загрязнение агроландшафтов элементами-токсикантами в количествах не превышающих предельно допустимые концентрации тяжелых металлов в почвах.

4 ПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ КОРНЕВЫХ СИСТЕМ РАСТЕНИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД И ЦЕОЛИТОВ

С улучшением условий произрастания увеличивается адсорбирующая поверхность корней растений применение осадков сточных вод в качестве удобрения оказывает положительное влияние на развитие корней растений и их поглощающую способность. При этом сочетание осадка с цеолитом обуславливает высокое последействие на формирование корневой системы, обеспечивая в условиях опыта самую высокую адсорбирующую поверхность корней и количество поглощаемых веществ, выраженное величиной рабочей удельной адсорбирующей поверхности корней.

5. ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ И МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ КОРМОВОГО СЕВООБОРОТА

.Результаты исследований позволили выявить ряд оригинальных моментов в отношении зависимости продуктивности культур от прямого действия и последействия испытуемых видов удобрений.

Наибольшие абсолютные значения продуктивности получены по органическим и органоминеральным фонам. За четыре года прибавка в сборе кормовых единиц от внесения соломы составила 10,2-26,5 ц/га или 12,2-33,3%, при этом наибольшая продуктивность севооборота установлена при внесении соломы под посевы вико/овса и под кукурузу на силос. При разовом внесении 20 т/га наибольший сбор кормовых единиц получен за севооборот при внесении навоза под кормовую свеклу - 1157,7 ц. а самая наибольшая прибавка получена при внесении навоза под вико/овес 55,4 ц/к/ед. или 69,7%.

Продуктивность кормового севооборота при разовом внесении навоза под ячмень и кукурузу была практически одинаковой 120,8120,6 ц/к/ед. Применение цеолитов оказало положительное действие и последействие на урожайность культур и продуктивность севооборота. Самая наивысшая продуктивность установлена при внесении цеолитов под кормовую свеклу и вико/овес - 157,4 и 134,3 ц/к/ед. с 1 га пашни, где и самая большая прибавка к контролю 48,6 к 54,9 ц/к/ед., или 44,6% и 54,9%.

1 2 3 4 5 6 7-8 9

Варианты опыта □ячмень □ вико/овес М кормовая свекла О кукуруза на силос

Рнс.4, Влияние органических и минеральных удобрений на продук- , тнвность кормового севооборота в зависимости от места их внесения (ц/к/ед.)

При внесении осадка сточных вод самая высокая продуктивность культур севооборота отмечается при внесении его под кормовую свеклу - 193,6 ц/ к/ед. с 1 га и кукурузу 146,8 ц/к/ед., что обеспечило прибавку к контролю 84,8 ц/к/ед и 63,5 ц/к/ед или 77,9 % и 76,2 %. Именно в этих условиях осадок сточных вод проявляет высокую эффективность как в прямом действии, так и последействии. При внесении осадков под ячмень и вико/овес в севообороте продуктивность была несколько ниже, но оставалась достаточно высокой - 137,9 и 140,9 ц/к/ед., что обеспечивало прибавку в сборе кормовых единиц 65,3-61,5 % к контролю. Можно придти к выводу, что кормовая свекла и кукуруза относятся к культурам удлиненного вегетационного периода н проявляют высокую отзывчивость и активность поглощения элементов питания из почвы при внесении осадков.

Добавление цеолитов к осадкам сточных вод и навозу оказало высокое действие на продуктивность культур севооборота. При этом практически во всех звеньях продуктивность севооборота по органов цеолитовому фону превышала продуктивность севооборота по органическому фону. Так при совместном внесении осадка и цеолита самая высокая прибавка в продуктивности культур севооборота была получена при внесении удобрений под кукурузу - 104,6 или 87,2 ц/к/ед., при внесении под ячмень вико/овес и кормовую свеклу продуют-

ность севооборота увеличивалась на 82,6-84% в сравнении с контролем, а абсолютное значение продуктивности самым высоким было при внесении этих удобрений под кормовую свеклу в севообороте - 192,8 ц/к/ед,

' Добавление цеолитов к навозу обеспечивает высокую длительность и эффективность их последействия, продуктивность культур в севообороте за четыре года превысила продуктивность севооборота как по навозу, так и по цеолитам, высеянным раздельно. Самая высокая продуктивность этой системы навозо-цеолитового удобрения была установлена при внесении их под кормовую свеклу - 215 ц/к/ед. с 1 га пашни, где прибавка к контролю достигала 106,2 ц/к/ед. или 97,6 %. При внесении' навоза с цеолитом под ячмень и вико/овес продуктивность севооборота увеличивалась на 73,8 и 85,8 % к контролю, а при внесении под кукурузу продуктивность увеличилась на 94,4 % или 78,7 ц/к/ед. в сравнении с контролем. Следует отметить, что совместное применение навоза с цеолитом наиболее эффективно под кормовую свеклу и кукурузу в севообороте, что усиливает действие и последействие навоза на 34,3-36,3 % относительно варианта с внесением навоза и повышает эффективность последействия цеолита на 28,5-36,5 % в сравнении с цеолитовым фоном.

Внесение минеральных удобрений обеспечивает высокую продуктивность культур кормового севооборота, она достигала 152,8204,3 u/к/ед. с 1 га пашни. В целом по всем звеньям продуктивность по осадку сточных вод и цеолиту приближается к эффективности действия минеральных удобрений. При этом влияние и осадка сточных вод и навоза при сочетании их с цеолитами на продуктивность культур остается высоким и равномерным на протяжении всей ротации в отличие от соломы.

Таким образом, внесение осадка сточных вод и цеолита, как раздельно, так и совместно, оказывает положительное влияние как по действию, так и последействию на величину урожайности культур и продуктивность кормового севооборота.

Наиболее целесообразным в условиях чернозема оподзоленного лесостепной зоны РФ является разовое применение осадка сточных вод * и сочетаний цеолитов с осадком сточных вод и навозом в кормовом севообороте под пропашные культуры — кормовую свеклу и кукурузу.

Как показали наши исследования в условиях рыночной экономики обеспечить воспроизводство плодородия почв, прибавки в урожае культур и сохранение плодородия черноземов возможно только за счет внутренних резервов и прежде всего периодического (запасного)

внесения местных удобрительных ресурсов — солома, навоз, цеолит, осадок сточных вод.

6. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД И ЦЕОЛИТОВ НА ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВАХ

Анализ м икроэлементного состава почвенных образцов показал, что ни по одному металлу не произошло существенного изменения концентраций как валового содержания, так и подвижной формы при выращивании культур на черноземах оподзоленных с внесением осадка сточных вод в дозе 10 т/га.

Анализируя данные рис. 5, можно сделать вывод, что по сравнению с контролем, чистый выход энергии в варианте с цеолитом увеличился на 7 %, однако энергетический коэффициент уменьшился на 24 %, что говорит о высоких энергетических затратах при внесении цеолита. При совместном внесении осадка сточных вод с цеолитом чистый выход энергии увеличился, по сравнению с контролем, на 53,7 %. Наибольший выход чистой энергии при минимальных энергетических затратах наблюдается в варианте с внесением ОСВ 10 т/га, по сравнению с контролем на 107 %, наблюдается также увеличение энергетического коэффициента на 38 %.

Чистый выход энергии ГДж

3000^_^_

2500 ^_20177__

2000 ^_ИМ ^И

" иш ■ Я.

„У. ш. Ш ш7

1 2 3 4

т

Варианты

1 - Контроль; 2 - Цеолит 20 т/га; 3 - ОСВ 10 т/га + Цеолит Ют/га; 4~ ОСВ 10 т/га

Рис. 5. Чистый выход энергии при возделывании ячменя по вариантам

180,0 S* 160,0

¡ 140,0

к 120,0 л

5 юо,о 1 80,0 | 60,0 £ 40,0 | 20,0 £ о,о -20,0

Варианты опыта

"■"* ~** кормовая свекла — - кукуруза на силос

~ - - ви ко/о вес

Рис. 6. Уровень рентабельности кормового севооборота.

Расчёты экономической и энергетической эффективности применения осадка сточных вод в кормовом севообороте (рис. 6) показали, что наибольший уровень рентабельности достигается при использовании осадка сточных вод и его сочетаний с цеолитом. При этом наибольший уровень рентабельности установлен при внесении ОСВ под кормовую свёклу - 138,3 % и сочетаний ОСВ и цеолита - 136,1 %; а также при использовании этих удобрений под кукурузу - 80,7 и 108,8 % соответственно. Энергетическая оценка технологий с использованием осадка сточных вод и цеолита подтверждается высокими величинами коэффициентов энергетической эффективности, на ячмене они составляли 2,05; а при возделывании кукурузы - 3,6-3,9. Чистый выход энергии достигал 7,6'106 ГДж/га.

Использование осадка сточных вод в кормовом севообороте является экономически обоснованным и экологически выгодным arpo-

приемом, позволяющим снизить затраты на воспроизводство плодородия почвы, повысить продуктивность и рентабельность производства на 47%.

Выводы ,

1. Однократное внесение осадка сточных вод в дозе 10 т/га по сухому веществу обеспечивает высокое оструктуривающее действие и увеличивает количество агрономически ценных агрегатов в черноземе оподзоленном на 16 % в сравнении с контролем. В условиях совместного внесения осадка сточных вод и цеолита установлено высокое действие и последействие на возрастание устойчивости структурного состояния черноземов за четырехлетний период.

2. Применение осадка сточных вод и цеолита оказывает положительное влияние на режим органического вещества, физико-химические свойства и биологическую активность чернозема оподзо-ленного. В целях поддержания оптимальных показателей свойств почвы и увеличения срока действия удобрения необходимо совместное применение осадка сточных воде цеолитом.

3. Выявлено изменение фосфатного режима чернозема оподзо-ленного как в валовом содержании, так и подвижном, при внесении осадка сточных вод и его сочетания с цеолитом. При этом эффективность действия ОСВ на фосфатный режим чернозема не уступает действию фосфоритной муки.

4. Уровень при разовом внесении осадка сточных вод составил 1,57. При внесении цеолита в почву наблюдалось увеличение в почве никеля, цинка, хрома, при этом в наибольшей степени возрастает концентрация никеля (Кк= 1,66) и хрома (1,32). Сочетание цеолита с навозом и осадком обеспечивало снижение коэффициента концентрации и величины суммарного показателя загрязнения почвы этими элементами. По величине 2с рассматриваемые варианты применяемых удобрительных форм располагаются в следующей последовательности: цеолит > навоз + цеолит > осадок сточных вод + цеолит > осадок сточных вод > навоз > минеральные удобрения > солома. Исследованиями не установлено превышение ПДК валового содержания токсичных элементов.

5. Внесение в почву цеолита (20 т/га) и осадка сточных вод (10 т/га) не оказало значительного влияния на элементную нагрузку агро-экосистемы и не нарушало экологического равновесия: в условиях

опыта не установлено превышения предельно допустимых концентраций по исследуемым элементам - токсикантам.

6. Однократное внесение ОСВ обеспечивает высокое действие и последействие на рост и развитие культур севооборота и формирование корней растений и их поглощающую способность. При этом сочетание осадка с цеолитом обусловливает высокое последействие на формирование корневой системы, обеспечивая в условиях опыта высокую адсорбирующую поверхность корней и количество поглощаемых веществ.

7. Внесение осадка сточных вод и цеолитов оказали высокое влияние на продуктивность культур кормового севооборота (ячмень, вико/овес, кормовая свекла, кукуруза на силос), при этом продуктивность севооборота изменялась в зависимости от места разового внесения удобрения. Наиболее целесообразным в условиях черноземных почв является разовое внесение осадка сточных вод и сочетаний цеолитов с осадком и навозом под пропашные культуры в кормовом севообороте, что обеспечивало увеличение продуктивности на 76,2 -104,6%.

8. Действие и последействие осадка сточных вод в дозе 10 т/га не приводит к сверхнормативному накоплению в зерне ячменя тяжелых металлов. При этом наблюдается увеличение содержания белка в зерне и выхода его с урожаем на 1,1 ц/га в сравнении с контролем,

9. Энергетическая оценка и экономическая эффективность технологий с использованием осадка сточных вод и цеолита подтверждается высокими величинами коэффициентов энергетической эффективности 2,05 на ячмене, 3,6 - 3,9 на кукурузе и высоким уровнем рентабельности. Наибольший уровень рентабельности 138,3 % установлен при внесении ОСВ и его сочетаний с цеолитом под кормовую свеклу в севообороте.

Предложения производству

1. Рекомендовать внесение осадка сточных вод (10 т/га) в сочетании с цеолитами для регулирования плодородия почв и повышения продуктивности сельскохозяйственных культур,

2. Наиболее целесообразным в условиях черноземных почв центрального региона РФ является разовое внесение осадка сточных и сочетаний цеолитов с осадком и навозом под пропашные культуры в кормовом севообороте.

Список основных научных работ по теме диссертации

Влияние органо-минералъных удобрений на основе ОСВ на урожайность культур и свойства почвы (тезисы)//Матерналы научно-практ. конференции.-ОГСХА, 1995.-С. 71-72 (в соавторстве).

Эффективность органно-мннеральных удобрений на основе осадка сточных вод в кормовом севообороте (тезисыу/Тезисы докладов научно-практ. конф.-ОГСХА, Орел, 1997 (в соавторстве).

Влияние различных форм органно-минеральных удобрений на содержание и запасы ЛОВ в черноземе о подзоле нном//Межд. научно-практ, конф. "Человек и окружающая среда".-Пенза, 2000.-С. 138-140 (в соавторстве).

Влияние осадка сточных вод и цеолитов, внесенных в кормовом севообороте, на поглотительную деятельность корневых систем растений. Экология ЦЧО РФ. № 1 (10). 2003. С. 23-25 (в соавторстве).

Агроэкологическая эффективность удобрительных свойств осадка сточных вод и цеолитов. Экология ЦЧО РФ. № 1 (10). 2003. С.25 — 27 (в соавторстве).

Агроэкологические особенности применения цеолитовых туфов и осадка городских сточных вод при возделывании кукурузы. Орел Эколого-экономические аспекты развития растениеводства в рыночных условиях по материалам выездного заседания Президиума РАСХН 16-17 июля г. Орел 2002 г. С. 221-227 (в соавторстве).