Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Использование отходов сахарной промышленности для повышения плодородия малопродуктивных почв

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Использование отходов сахарной промышленности для повышения плодородия малопродуктивных почв"

На правах рукописи 005049492

ШИЛОВА ЕЛЕНА ЮРЬЕВНА

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ САХАРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ МАЛОПРОДУКТИВНЫХ ПОЧВ

06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

7 ФЕВ 2013

Москва-2013

005049492

Работа выполнена в Мещерском филиале Всероссийского научно исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костяков; (ГНУ ВНИИГиМ) Россельхозакадемии

Научный руководитель: кандидат сельскохозяйственных нау] Перегудов Сергей Викторович

Официальные оппоненты:

Титова Вера Ивановна - доктор сельскохозяйственных наук, профес сор.ФГБОУ ВПО "Нижегородская государственная сельскохозяйственная ака демия", зав.кафедрой агрохимии и агроэкологии

Яшин Валерий Михайлович - кандидат технических наук, Всероссий ский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н Костякова Россельхозакадемии, зав.лабораторией природоохранных режимо] мелиорации

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Рязанский государственный

агротехнологический университет» им.П.А.Костычева

Защита состоится «21» февраля 2013 г. в 11 часов на заседании диссертацион ного совета Д 006.038.01 во Всероссийском научно-исследовательском инсти туте гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова по адресу: 127550, Моек ва, ул. Большая Академическая, д. 44.

Автореферат разослан и размещен на сайте ГНУ ВНИИГиМ им. А.Н. Костя кова^/,^/2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ им. А.Н Костякова.

Ученый секретарь диссертационного совета , Исаева С.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы В последние годы в Российской Федерации наблюдается прогрессирующее снижение плодородия почв. По данным государственной агрохимической службы России и Госкомзема России, 56 млн.га пашни (45%) характеризуется низким содержанием гумуса, что лимитирует урожайность на этих землях. В настоящее время ежегодный расход питательных веществ из почвы пашни в 5 раз превышает их возврат с вносимыми минеральными и органическими удобрениями, что приводит к использованию растениями потенциальных почвенных запасов, сформированных в естественных условиях и, как следствие, к развитию деградационных процессов. Учитывая, что почвы является национальным достоянием и от их состояния во многом зависит продовольственная безопасность страны, актуальным направлением научных исследований является восстановление плодородия почв, для чего требуется внесение значительных объемов органических веществ.

Особое место в решении этой проблемы занимает проблема использования органических отходов, содержащих большое количество аккумулированной энергии. Негативное влияние на экологическое состояние земель обусловлено трудностями с переработкой и хранением отходов, значительная часть которых вывозится на свалки и служит источником загрязнения окружающей среды. Опасность представляют места неорганизованного складирования отходов. Особое место занимают отходы свеклосахарных предприятий. При производстве сахара образуется в среднем 200 ООО т/год дефеката, который складируется на промышленных полигонах или полях фильтрации как невостребованный отход. При этом практически на каждом заводе отчуждается более 120 га земель. Использование органических отходов в качестве нетрадиционных удобрений в сельском хозяйстве позволяет обеспечить поступление в почву органического вещества и элементов питания в доступных для растений видах. При этом одновременно решается задача утилизации отходов, что снижает антропогенную нагрузку на окружающую среду. Однако при ненормируемом использовании или некачественной подготовке органических отходов могут развиваться процессы загрязнения, накопления нитратов, засоления и осолонцевания почв, а также снижение их биологической активности за счет развития патогенной микрофлоры и ухудшения водно-физических свойств. В связи с этим проблема повышения плодородия почв с использования отходов сахарного производства для повышения является своевременной и актуальной. Цель и задачи исследований Целью настоящих исследований является создание и исследование эффективности новых удобрительно-мелиорирующих смесей на основе отходов сахарной промышленности для повышения плодородия малопродуктивных и деградированных почв.

В программу исследований входило решение следующих задач:

• провести анализ и дать агроэкологическую оценку современного состояния сельскохозяйственных угодий России;

• выполнить анализ факторов, влияющих на сохранение и восстановление плодородия почв;

• изучить химический состав и основные свойства отходов сахарной промышленности и оценить возможность их использования в качестве компонента удобрительно-мелиорирущей смеси (УМС);

• разработать состав удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарной промышленности для воспроизводства почвенного плодородия;

• исследовать в лабораторных и полевых условиях эффективность применения УМС на основе отходов сахарной промышленности для повышения плодородия малопродуктивных почв;

• разработать технологию восстановления почвенного плодородия ранее осушенных сельскохозяйственных земель с использованием новой удобрительно-мелиорирующей смеси пролонгированного действия и дать рекомендации по применению УМС для малопродуктивных почв Мещерской низменности.

Методика проведения исследований

Исследования выполнялись в лабораторных условиях на вегетационных сосудах по общепринятой методике. Деляночные опыты проводились по методике Доспехова Б.А. на землях ОПХ «Полково» (Рязанская область, Рязанский район). Агрометеорологические наблюдения осуществлялись при помощи автоматической метеостанции МЕТЕОЗСАМРШЭ 923. Отбор почвенных проб проводился в соответствии с ГОСТом 28168-89. Для определения водно-физических свойств почв использовались стандартные методики. Содержание гумуса оценивалось по методу Тюрина, определение рН проводилось в соответствии с ГОСТом 26483-85, содержание подвижных форм фосфора и калия по ГОСТу 26207-91, содержание общего азота - по Кьельдалю, аммонийного азота - по ГОСТу 26489-85, величина гидролитической кислотности - по ГОСТу 26212-91. Урожай учитывался в соответствии с методикой Доспехова Б.А. (1973), учет распределения массы корневых систем в почвенной толще осуществлялся количественно-весовым методом.

Исследования качества вико-овсяной смеси выполнялось по требованиям и нормативам качества для сена по следующим показателям:

- химический состав (содержание сырого протеина, сырой клетчатки, сырой золы) и питательность кормов в аккредитованной испытательной лаборатории ФГУСАС «Подвязьевская».

- содержание тяжелых металлов (свинца, кадмия, меди и цинка) в соответствии с ГОСТом 30692-2000.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- на основе теоретических предпосылок и практического опыта разработан новый компонентный состав удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства, обеспечивающий повышение плодородия почв и урожайности кормовых культур;

- подтверждено, что внесение разработанной удобрительно-мелнорирующей смеси устойчиво повышает урожайность вико-овсяной смеси и содержание гумуса в почве в течение длительного времени;

- выявлены закономерности влияния доз внесения УМС на рост и развитие, урожайность и качество однолетних трав, динамику гумуса на малопродуктивных почвах;

- разработана технология приготовления УМС и даны рекомендации по ее использованию для повышения почвенного плодородия малопродуктивных и деградированных почв.

Научная новизна подтверждена заявкой на изобретение «Способ получения удобрительно-мелиорирующей смеси на основе дефеката сахарного производства» №2011149138/13 от 02.12.2011 г. Основные положения, выносимые на защиту:

- компонентный состав удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства и технология ее приготовления;

- закономерности влияния удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства на урожайность вико-овсяной смеси, содержание гумуса в почве и качество кормов;

- технология восстановления почвенного плодородия ранее осушенных сельскохозяйственных земель с использованием новой удобрительно-мелиорирующей смеси пролонгированного действия.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами вегетационного опыта, многолетних полевых экспериментов, статистической обработкой полученных данных, использованием современных методов исследований и применением утвержденных методик для определения необходимых показателей в аттестованных лабораториях. Личное участие автора

Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в работе, выполнены автором как самостоятельно, так и в соавторстве. При этом лично автором осуществлена постановка эксперимента, подготовка и проведение вегетационного опыта, полевых исследований, обработка полученных данных и реализация технологических решений в ОПХ «Полково» и ЗАО «Забо-рье».

Практическая значимость работы

Технология предназначена для восстановления плодородия малопродуктивных деградированных почв и может быть использована сельскохозяйственными товаропроизводителями для повышения плодородия, урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались на Юбилейной международной конференции «Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства», Москва, 2009 г.; международной научно-практической конференции «Приемы повышения плодородия почв и эффективности удобрений», Горки, 2009 г; международной научно-практической конференции «Вермикомпо-стирование и вермикультивирование как основа экологического земледелия в

ХХГвеке: проблемы, перспективы, достижения», Минск, 2010 г.; на секциях Ученого Совета ВНИИГиМ, (Москва 2009, 2010, 2011 гг.). Основные результаты работы опубликованы в восьми научных работах, в том числе 3 в журнале, рекомендованном в ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, изложена на 138 стр. машинописного текста, иллюстрирована 23 рисунками, содержит 31 таблицу, список литературы включает 141 наименование, в том числе 8 иностранных изданий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, методика проведения исследований, а также научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе «Использование отходов в сельскохозяйственных целях для повышения плодородия почв» дана краткая оценка современного состояния сельскохозяйственных угодий и анализ основных деградационных процессов, снижающих плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, а также выполнен анализ факторов, обеспечивающих сохранение и восстановление плодородия почв. Деградированные почвы имеют низкую продуктивность, которая связана как со снижением запасов гумуса, так и нарушением их структуры (В.А.Ковда,1979). Для восстановления продуктивности таких почв разработаны различные способы и мелиоративные приемы, сущность которых сводится к регулированию водного, воздушного, пищевого режимов и увеличению запасов гумуса. Вопросами повышения содержания гумуса в почвах посредством внесения органического вещества занимались Д.Н.Прянишников, В.И.Кирюшин, Н.Г.Ковалев, В.Г.Сычев, Л.Л.Шишов, Г.Е.Мерзлая и многие другие. Однако дозы удобрений рассчитывались, как правило, исходя из потребности растений в элементах питания. Для активизации процессов гумусонакопления требуется повышение вещественно-энергетического состояния почвы путем внесения значительных доз органического углерода, в качестве которого можно использовать специально подготовленные органические отходы.

Вопросам сельскохозяйственного использования органических отходов в качестве удобрений занимались многие ученые. В работах Н.Г. Андреева, М.Ф. Буданова, В.И. Владимирского, Р.П. Воробьёвой, Д.П. Гостищева, В.Т. Додо-линой, И.П. Канардова, JI.E. Кутепова, В.И. Марымова, П.Н. Матвеева, Г.Е. Мерзлой, В.М. Новикова, Л.П. Овцова, В.П. Орлова, H.A. Романенко, Г.П. Седовой, Б.С. Семенова, Л.И. и др. в качестве предпосылок безопасного использования органических отходов в сельском хозяйстве определены сроки и дозы внесения отходов, технология и техника внесения, агротехнические приемы возделывания сельскохозяйственных культур.

В Российской Федерации ежегодно образуется более 130 млн. т отходов, общее количество отходов, накопленных на зарегистрированных площадках их временного и постоянного размещения, составило более 2 млрд. т, а площадь захоронений, без учета несанкционированных свалок, превысила 22 тыс. га

(Панкеев И.А., Рыбальский Н.Г. и др. 2003). Современные крупнотоннажные производства по производству продуктов питания путем экстракции из биологического материала имеют наибольшие объемы различных отходов. Так, при производстве сахара из сахарной свеклы с фильтрационными и транспортно-моечными отходами теряется до 30% сырья, а значит и аккумулированной в нем энергии. Уровень вовлечения осадков сахарного производства в оборот не достигает 20%: фильтрационный осадок используется на 17%, а транспортно-моечный - на 15% (В.А.Чубукин, Н.А.Климахин, Ю.К.Маслов и др. 1982).

Таким образом, в решении проблемы повышения почвенного плодородия значительная роль может принадлежать использованию органических отходов, содержащих большое количество аккумулированной энергии. Один из путей использования этой энергии - превращение органосодержащих отходов в удоб-рительно-мелиорирующие смеси с заданными для данной конкретной почвы параметрами. Поэтому была поставлена задача вовлечения в сельскохозяйственное производство отходов сахарной промышленности, в частности фильтрационного осадка, который наносит наибольший вред окружающей среде и практически не востребован.

Во второй главе «Возможность и целесообразность использования отходов сахарной промышленности для повышения плодородия почв» рассмотрен технологический процесс производства сахарного песка из сахарной свеклы и даны характеристики отходов, различающихся по своему составу, возможности и способам их дальнейшего использования.

В настоящее время по данным Союзроссахара работают 27 сахарных заводов. Суточный объем производства сахара составляет около 5,6 тыс. тонн. В соответствии с особенностями технологии переработки 1000 т свеклы образуется около 830 т сырого жома, 50 т мелассы, 120 т фильтрационного осадка, 150 т транспортно-моечного осадка, 14 т отсева известнякового камня, 2500-3500 т сточных вод, свыше 30 т свекловичных обломков (Е.И.Сизенко,1999).

В практике сельского хозяйства достаточно широкое применение нашли все основные отходы свеклосахарного производства. Жом, составляющий основную долю отходов в свеклосахарном производстве — ценный и хорошо усвояемый корм. Фильтрационный осадок (дефекат) также можно широко использовать в сельскохозяйственном производстве. Вследствие высокого содержания кальция он может использоваться в качестве известкового материала. Учитывая, что наряду с карбонатами, кальций в нем представлен и формой Са(ОН)2, нейтрализующий эффект дефеката выше, чем известняковой муки. Кроме того, данный отход содержит органическое вещество, что позволяет рассматривать его как источник пополнения органического вещества в почве. Использование фильтрационного осадка в качестве удобрения обусловлено его составом: около 80% углекислого кальция и 20% несахаров на сухое вещество осадка, влажность его около 50%. Элементный состав осадка включает углекислый магний, азот (0,2...0,4% N), фосфор (0,3...0,5% Р205), калий (0,3...0,5% К20).

Для определения возможного загрязнения фильтрационного осадка тяжелыми металлами выполнены анализы осадков сахарных заводов из различных

регионов в аттестованной лаборатории по агрохимическому обслуживанию сельскохозяйственного производства ФГУ «Подвязьевская» Рязанской области. Концентрация большинства из обнаруженных в фильтрационном осадке металлов значительно ниже их нормативного значения (табл. 1).

1. Содержание тяжелых металлов в фильтрационном осадке сахарных заводов

Наименование металла пдк Содержание тяжелых металлов валовой формы, мг/кг

Сотницинский сахарный завод Тульский сахарный завод Белорусский сахарный завод

Медь (Си) 33,0 7,2 10,0 9,4

Цинк 51,0 24,2 30,7 30,3

Свинец(РЬ) 16,0 22,8 28,9 28,6

Кадмий (С<1) 0,2 0,98 1,11 1,15

Поэтому фильтрационный осадок может быть отнесен к допустимой по степени загрязнения категории веществ, вносимых в почву. По влиянию на почву, растения и качество сельскохозяйственной продукции фильтрационный осадок равноценен стандартной известковой муке (ГОСТ Р 50261-92), а иногда бывает и более эффективен. Внесение фильтрационного осадка в почву улучшает ее структуру, интенсифицирует разложение соломы в навозе, повышает активность ферментов, содержащихся в почве и т.д. (В.А.Чубукин, Н.А.Климахин, Ю.К.Маслов и др. 1982). Однако применение фильтрационного осадка в качестве удобрения имеет узкий диапазон в силу физико-химических характеристик данного продукта. Для расширения области его применения с целью восстановления плодородия различных видов почв необходимо изменить ряд исходных параметров дефеката.

В работе предложено использовать фильтрационный осадок в качестве основного компонента удобрительно-мелиорирующей смеси (УМС).

Теоретическими предпосылками создания новой удобрительно-мелиорирующей смеси явились:

- наличие органического углерода как источника биогенной энергии для восстановления гумусового запаса почвы;

- создание устойчивой кислотно-щелочной буферной системы;

- повышение микробиологической активности в почве;

- экологическая безопасность.

Удобрительно-мелиорирующая смесь готовилась на основе дефеката Сотницинского сахарного завода Рязанской области, торфа и микробных препаратов в соответствии с рекомендациями Л.В.Кирейчевой и О.Б.Хохловой. Дефекат имеет сильнощелочную среду, рН 9-10 и высокое содержание кальция

- до 80%. Для удобрения в смеси содержится недостаточное количество органического вещества (15%) и элементов питания растений, что является основанием для создания композиции УМС с дополнительным внесением торфа. Основные характеристики составляющих смеси приведены в табл. 2.

2. Состав основных компонентов удобрительно-мелиорирующей смеси на

основе дефеката и торфа

Состав и свойства компонентов УМС Дефекат Торф

Влажность, % 15,1 60,0-70,0

Зола,% 85,0 до 5

рН солевой вытяжки 10,1 2,8-3,5

Органическое вещество,% 15,0 до 95,0

Азот общий (Ы),% (в перерасчете на сухое вещество) 0,58 0,80-1,20

Фосфор (Р205),% (в перерасчете на сухое вещество) 0,06 0,60-0,12

Калий (К20),% (в перерасчете на сухое вещество) 0,10 до 0,10

Калий и магний (Са2+,М§2+),% (в перерасчете на сухое вещество) 79,5 до 0,5

Технология приготовления смеси основана на нейтрализации высокой щелочности за счет увеличения содержания торфа, который имеет кислую реакцию, компостирования смеси с привнесенными культурами микроорганизмов и обогащения композита минеральными удобрениями. Количественный состав компонентов рассчитывался на основе оптимального количества органического вещества (не менее 50%) и показателя кислотности рН 6,5-7,5. Для этого выбраны следующие весовые соотношения: 1 часть дефеката и 3 части торфа при 15% влажности дефеката и 50-70% влажности верхового торфа. Высокое содержание олиго- и моносахаридов в дефекате вызывает бурное развитие гнилостных бактерий. Для подавления гнилостных процессов в смесь, после внесения торфа и нейтрализации щелочности, вносилась композиция почвенных микроорганизмов на основе молочнокислых бактерий с целью превращения моносахаридов в молочную кислоту, которая является ингибитором гнилостных процессов в органических субстратах.

В исследованиях использованы культуры микроорганизмов, применяемые в производстве кисломолочных продуктов и полученные из коллекции микроорганизмов Московского государственного университета прикладной биотехнологии (В.И.Ганина, С.В.Фильчакова):

- монокультуру молочнокислых палочек Lactobacillusacidophilus, штамм ACT -41, который зарегистрирован во Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов за номером ВКПМ В-9644;

- смесь штаммов дрожжевых грибов, выделенных из кисломолочных продуктов: штамм SaccharomycescerevisiaeDRA, штамм Saccharomycescerevisi-aeDR8, штамм рода CandidalЖ10;

- смесь штамма АСТ-41 и кефирной закваски.

Для того чтобы определить правильное соотношение компонентов УМС и выбрать необходимый штамм микроорганизмов в лабораторных условиях были проведены тестовые опыты. Подготовлены 3 варианта смеси с разными культурами микроорганизмов и добавлением сена. Дефекат перемешивался с торфом и сеном в соотношении 1:3:1. Ежедневно измерялся рН смеси (солевой раствор) до достижения значений 6,5 - 7,5, после чего каждый из вариантов смеси обрабатывался раствором молочнокислых бактерий в объемном соотношении 1:1000 (1 литр на 1т). Влажность субстрата доводилась до 60% влажности поливом дехлорированной водой. Смесь компостировалась в течение 2-х недель без доступа света при оптимальной температуре 20-25°С до стабилизации рН. Готовая смесь должна быть темно-коричневого цвета, мелкокомковатая, рассыпчатая, однородной окраски. Из трех вариантов компоста, только смесь с добавлением молочнокислых бактерий из смеси штамма АСТ-41 и кефирной закваски через 2 недели достигли уровня рН 6,7 и однородной окраски. Поскольку молочнокислые бактерии смеси штамма АСТ-41 и кефирной закваски представляют собой симбиоз разных микроорганизмов, было сделано предположение, что они смогут адаптироваться к новой среде - почвенной смеси и благоприятно повлиять на неё. Поэтому в качестве микробного препарата была выбрана именно эта смесь.

Таким образом, технология приготовления смеси включала следующие этапы.

1. Дефекат перемешивали с торфом в соотношении 1:3, и через сутки измеряли рН смеси (солевой раствор), через 3 суток измерение рН повторяли. Если рН находится в интервале 6,5-7,5, то смесь обрабатывается раствором микробных препаратов, в нашем случае - кефирной закваской.

2. После обработки раствором микробных препаратов, субстрат доводили до 60% влажности и смесь компостировали в течении 2-х недель без доступа света при оптимальной температуре 20-25°С и 60% влажности.

3. После компостирования в смесь вносили минеральные удобрения аналогично составу УМС (Патент № 2286321 от 26.11.2006 г. Л.В. Кирейчева, О.Б. Хохлова). В 1 тонне смеси должно содержаться 50...65 кг (5-6,5%) действующего вещества ЫРК, в том числе: азота - 2,5...3,0%, фосфора - 1,5-2,0%, калия - 1,0-1,5%. Для оптимального содержания азота из расчета на 1 тонну смеси вносили 15-23 кг минерального азота (Ы), 13-20 кг фосфора (Р205), 8-13 кг калия (К20).

4. В готовой смеси определяли содержание тяжелых металлов.

В нашем случае содержание тяжелых металлов (ТМ) в дефекате не превышало допустимые значения для осадков сточных вод, при использовании их в качестве удобрений (ГОСТ Р 17.4.3.07-2001). Это послужило обоснованием для дальнейших исследований эффективности подготовленной смеси.

В третьей главе «Характеристика природных условий Рязанской Мещеры. Выбор объекта исследований» дана краткая характеристика климатических особенностей Мещерской низменности, характеризуемых значительным колебанием температуры и выпадающих осадков в вегетационный период. Основной чертой почвенного покрова является значительная заболоченность дер-

ново-подзолистых почв и широкое распространение болотных торфянистых и торфяных почв. Дерново-подзолистые, потенциально плодородные почвы занимают около 70% Мещеры. Торфяно-болотные почвы занимают около 20% территории, из которой наиболее ценными являются низинные торфяники.

В качестве объектов исследований было выбрано 2 опытно-производственных участка, расположенных в Мещерской низменности: участок «Тинки II» с постторфянными почвами и участок «Заборье» с деградированными дерново-подзолистыми почвами. Опытно-производственный участок «Тинки II» расположен на болоте Тинки площадью 280 га и находится в опытно-производственном хозяйстве «Полково». Осушительная сеть на участке была построена в 60-х г.г. прошлого века и представлена магистральным каналом длиной 1,2 км, глубиной 2,5-3,0 м, шириной по дну 1,5 м и уклоном дна 0,0015. Осушение позволяет поддерживать уровень грунтовых вод в среднем за вегетацию на глубине 90-120 см от поверхности земли. Осушительная система длительное время не подвергалась ремонту и реконструкции, поэтому сейчас ее состояние можно оценить как неудовлетворительное.

Почвы участка - выработанные торфяники (постторфяные) — характеризуются большей частью небольшой мощностью гумусового горизонта, низким содержанием гумуса и доступных для растений питательных веществ и микроэлементов, а также легким механическим составом и, как правило, наличием подстилающего слоя песка или супеси. По данным анализа почвенного профиля постторфяных почв, изученного в 2009 году, мощность гумусового горизонта составила около 15-25 см. Подпахотный горизонт расположен на глубине 3040 см и представлен слабовязким мелкозернистым песком. Горизонт 40-110 см песчаный со светлыми включениями кремнезема. Ниже 130 см находится материнская порода, сложенная древнеаллювиальными песками. Наличие в почвенном разрезе на глубине 60-120 см оглеенного горизонта указывает на избыточное переувлажнение.

Дерново-подзолистые почвы на участке в «Заборье» относятся к категории легких почв. По почвенному профилю установлено, что гумусовый горизонт слабо выражен, размытый, мощность составляет около 25 см, около 5 см - дернина. Подпахотный горизонт представлен мелкозернистыми песками, слабо выражен. Горизонт 55-70 см песчаный, более светлого цвета с железистыми включениями. На глубине 70-130 см оглеенный горизонт, на глубине 80 см сформировавшийся кремнезем. Агрохимические свойства почв опытных участков представлены в табл. 3.

Исследования проводили в период с 2009 по 2012 годы. Погодные условия 2009 г. близки к средним многолетним и характеризовались умеренно сухим климатом с обеспеченностью осадков 75%. Среднесуточная температура воздуха за вегетацию 2009 года составила 16,0°С, что ниже среднемноголетней на 0,5° С. Вегетационный период 2010 г. был засушливый, за вегетационный период выпало 126,4 мм осадков, обеспеченность по осадкам 60%. Температура была выше среднемноголетней на 3,7°С.

3. Результаты исследования агрохимических свойств почв на участке

«Тинки II» и «Заборье»

Тип почвы рн ГОСТ 2648385 ^орг., ^ (по Тюрину) мобщ., % (по Кьель-далю) р2о5, мг/100 г почвы к20, мг/100 г почвы

ГОСТ 26207-91

Постторфяная почва 5,7 7,1 0,235 25 11,8

Дерново-слабоподзолистая 5,2 3,45 0,19 32 13

Для вегетационного периода 2011 года характерно неравномерное распределение осадков, за вегетационный период выпало 71,6 мм, при норме 199,0 мм (36% от нормы). В целом вегетационный период был неблагоприятным для роста растений. Среднесуточная температура воздуха за вегетацию 2011 года составила 19°С, что выше среднемноголетней на 2,5° С. По температуре воздуха 2012 г. характеризуется умеренно теплым и благоприятным для развития зерновых культур. За вегетационный период май - август выпало осадков в сумме 263,9 мм, что превышает на 12 % среднемноголетние.

Анализ метеорологических условий периода вегетации 2009-2012 годы показал, что исследования проведены в характерных для Рязанской области климатических условиях.

В четвертой главе «Исследование эффективности использования удоб-рительно-мелиорирующей смеси для повышения плодородия малопродуктивных и деградированных земель» приведены результаты лабораторного и полевых опытов.

С целью определения оптимальной дозы внесения УМС в 2009 году был проведен опыт на вегетационных сосудах, площадью 346 см2 по 6 вариантам в 5-ти кратной повторности. В каждый сосуд засыпалась почва массой 5 кг. Использовалась почва с опытного участка Тинки II (таблица 3). Удобрительно-мелиорирующую смесь вносили из расчета 10, 20, 40 кг на гектар. Контролем являлась исходная почва без УМС. Для оценки влияния на растения чистого дефеката и УМС дополнительно было заложено еще 2 варианта. В качестве исследуемой культуры использовали овес - зерновая культура, типичная для умеренного климата. Продолжительность опыта составила 39 дней. По результатам опыта определялась зеленая и корневая масса овса (табл. 4).

Полученные результаты показали, что использование дефеката в чистом виде приводит к угнетению растений. Наблюдается уменьшение зеленой массы на 9,8% и массы корневой системы овса на 4,4% по сравнению с контролем. Однако гибель растений не наступила, что свидельствует о том, что токсичность для почвы чистого дефеката не велика. Наилучшая прибавка массы овса наблюдается в варианте 6, где была использована разработанная смесь в чистом виде. Это способствовало увеличению зеленой и корневой массы соответственно на 67,8 и 70% по сравнению с контролем. Однако при внесении УМС в ко-

личестве 40 т/га практически не снижается ни зеленая масса, ни корневая масса овса (вариант 5). По сравнению с вариантом 6, разница не превышает 4,5%, что в пределах точности опыта. Отсюда можно сделать вывод, что доза внесения УМС 40 т/га является наиболее приемлемой с экономической точки зрения.

4. Зеленая и корневая масса овса в вегетационном опыте (г/сосуд, сырого

вещества)

Вариант Овес, зеленая масса- (числитель), корневая масса - (знаменатель), г/сосуд Прибавка

Повторности г/сосуд % К контролю

1 2 3 4 5 Сред. -II- -//-

Контроль (без внесения мелиоранта) 11,43 2,56 10,42 2,94 11,75 2,43 10,37 2,54 11,51 2,87 11,09 2,67 ... ...

Вариант 1 (дефекат в чистом виде) 10,03 2,37 9.75 2.76 9,87 2,28 10,12 2,65 9,79 2,71 9.91 2,55 -1,18 -0,12 -9,8% 4,4

Вариант 2 (УМС Ют/га) 13,17 3,17 13,68 2,68 12,74 3,36 14,91 3,02 13,16 3,19 13,53 3,08 2.44 0,41 22% 15,3

Вариант 3 (УМС 20 т/га) 15,38 4,76 16,79 4,17 16,87 3,84 16,43 3,67 17,37 3,63 16,56 4,01 5.47 1,34 49,3% 50,1

Вариант 4 (УМС 40 т/га) 19,71 4,34 17,73 4,67 16,42 4,78 19,77 4,39 16,93 4,23 18,11 4,48 7.02 1,87 63,3% 67,7

Вариант 5 (УМС в чистом виде) 18,28 4,51 19,33 4,38 17,56 4,72 18,79 4,61 19,16 4,49 18,62 4,54 7,53 1,87 67,8% 70,0

НСР05 0,49/0,16

Многолетние полевые опыты были проведены на участке «Тинки II» в 2009-2012 годах на делян очном опыте по методике Доспехова Б. А. Цель опыта - изучение последействий дозы внесения удобрительно-мелиорирующей смеси на урожайность и плодородие почвы. Закладка опыта была произведена по 4 вариантам (дозы внесения из расчета 10, 20 и 40 т/га) в 5 кратной повторности. Площадь делянки 20 м2 . В качестве тестовой культуры была использована ви-ко-овсяная смесь. Агротехника общепринятая для региона. Посев семян проводился в оптимальные сроки для исследуемой в опыте культуры.

В процессе исследований осуществлялся отбор почвенных образцов по методу «конверта». В точках, намеченных для взятия образцов, предварительно удалялись все растительные остатки. Точечные пробы отбирались буром на глубину пахотного слоя. Проводилось определение рН, содержание подвижных форм фосфора и калия, содержание общего азота, аммонийного азота, величина гидролитической кислотности. Для определения углерода органических соединений почвы использовался метод Тюрина. Урожай учитывался по учетным делянкам в соответствии с методикой Доспехова Б.А. (1973) сплошным методом.

Исследования качества вико-овсяной смеси выполнялось по требованиям и нормативам качества сена по показателям: содержание сырого протеина, сырой золы, кальция, фосфора, процентное содержание сухого вещества, влаги в соответствии с ГОСТами 13496.4-93, 26226-95, 26570-95, 26657-97, 52838-2007, 52838-2007. Для экологической оценки качества кормов определили содержание тяжелых металлов (свинца, кадмия, меди и цинка) в соответствии с ГОСТом 30692-2000.

В течение вегетационных периодов всех лет исследований проводились фенологические наблюдения за ростом и развитием вико-овсяной смеси, по результатам которых сделаны следующие выводы: вико-овсяная смесь отзывчива на внесение УМС, причем с увеличением дозы внесения увеличиваются высота и кустистость растений. Наилучшие показатели в варианте с дозой внесения УМС 40 т/га. В конце каждого вегетационного периода производился учет урожая зеленой массы (рис.1).

□ урожайность в ц/га 2009г.

■урожайность в ц/га 2010г.

®урожайность в ц/га 2011г.

иурожайность в ц/га 2012г.

Рис. 1. Динамика урожайности вико-овсяной смеси на участке Тинки II

без УМС 10т/га внесения УМС

УМС 20т/га

УМС 40т/га

Результаты исследований показали, что внесение УМС позволяет значительно повысить урожайность вико-овсяной смеси. С увеличением дозы внесения удобрительно-мелиорирующей смеси урожайность повышается с 17,1 до 38, ц/га по сравнению с контролем в первый год исследований при дозе внесения из расчета 40 т/га. Относительно контроля в варианте с дозой УМС 40 т/га высота растений увеличилась в 2,5 раза. Однако за четыре года исследований при однократном внесении УМС наблюдается снижение урожайности вико-овсяной смеси на всех вариантах. Это связано как с климатическими условиями в конкретные годы, так и со сработкой органики, внесенной в почву.

В 2012 году были выполнены наблюдения за развитием корневой части растений (рис 2).

Наиболее мощная корневая система сформировалась также в варианте с внесением УМС дозой 40 т/га - 8,99 т/га. В контрольном варианте масса корневой системы составила 3,81 т/га или в 2,4 раза меньше. Таким образом, можно сделать вывод, что применение удобрительно-мелиорирующей смеси способствует более интенсивному накоплению в почве свежего органического материала, а, следовательно, возможности образования гумуса и повышения плодородия почвы.

Я " миамма -

. ' ! •.....■ > ~*'{ I '" .. с'л\ У' л*у .........1

\ ЛИ .10 I 11 ;

Кошро и.

ММ

Рис. 2. Развитие корневой системы вико-овсяной смеси на контроле и при внесении УМС дозой 40 т/га

Для подтверждения полученных результатов были проведены аналогичные исследования на малопродуктивной дерново-подзолистой почве на опытном участке в «Заборье» в период с 2010 по 2012 годы. Характеристика дерново-подзолистых почв дана в табл. 3. Дерново-подзолистые почвы по механическому составу песчаные. Водно-физические свойства характеризуются следующими показателями: плотность 1,2-1,66 г/см3, влагоемкость 32%. Агрохимические показатели дерново-слабоподзолистой почвы следующие: рН 5,2; Р205 32 мг/в ЮОг; К20 13мг/100г., содержание органического вещества 3,45%.

На участке также проводились деляночные опыты с вико-овсяной смесью в 5- кратной повторности для 4 вариантов: контроль, внесение УМС 10,20 и 40 т/га. Динамика урожайности приведена на рис. 3. Как и в предыдущем опыте, внесение УМС оказало заметное влияние на урожайность и качество продукции.

Выполненный анализ растительной продукции показывает высокую питательную ценность сена и соответствие нормативам качества для 1-го класса. Содержание загрязнителей не превышает максимально-допустимый уровень. Относительная бедность микроэлементами обусловлена преимущественно песчаным составом почвенного профиля.

сз урожайность 2010г. ■ урожайность 2011г. я урожайность 2012г.

Рис.3. Динамика урожайности вико-овсяной смеси на дерново-подзолистых почвах участка «Заборье»

Полученные данные за три года исследований на дерново-слабоподзолистых почвах позволяют утверждать, что применение удобритель-но-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства положительно сказывается как на качестве получаемой сельскохозяйственной продукции, так и на величине урожайности.

Для оценки влияния УМС на плодородие почвы был произведен отбор проб из корнеобитаемого слоя и выполнено определение гумуса на опытных участках «Тинки II» и «Заборье» по методике Тюрина в соответствии с ГОСТ 26213-91 (табл. 5).

5. Содержание гумуса в почве (слой 0-20 см),%

Варианты опыта 2009 год весна 2010 год весна 2010 год осень 2011 год весна 2011 год осень 2012 год весна 2012 год осень Прибавка^

Контроль «Тинки II» 7,1 6,9 7,0 6,8 7,2 7,1 7,2 0,1

УМС (40 т/га) «Тинки II» 7,1 7,2 7,4 7,5 8,4 7,8 8,4 1,3

Контроль «Заборье» - 3,45 3,5 3,6 3,7 3,4 3,6 0,15

УМС (40 т/га) «Заборье» 3,45 4,8 5,0 5,4 5,1 5,4 1,95

Как видно из таблицы, после внесения УМС происходит закономерное повышение гумуса в слое 0-20 см, его содержание увеличивается за 4 года на 1,3% на участке «Тинки II» и 1,95% за 3 года в «Заборье». Причем, скорость его накопления с годами увеличивается, что связано с активацией почвенной микрофлоры и усилением процессов гумусообразования при развитии биомассы растений. На контроле наблюдается естественное колебание содержания гумуса.

Известно, что образование гумуса связано с микробиологической активностью почвы. Поскольку при разработке удобрительно-мелиорирующей смеси были использованы микробные препараты, представляет интерес изучение влияния УМС на микробиологическую активность. Микроорганизмы, участвуя в превращениях минеральных элементов в почве, также активно воздействуют на ее кислотность, продуцируя при этом масляную и молочную кислоты. Минеральная часть почвы разрушается под воздействием различных органических и неорганических кислот, щелочей ферментов и других соединений - продуктов жизнедеятельности почвенных микроорганизмов (В.А. Черников, P.M. Алексахин, A.B. Голубев, 2000). Одним из наиболее часто применяемых показателей для характеристики биологической активности почвы является скорость разложения целлюлозы. В наших опытах интенсивность разложения цел-

люлозы в почве определялась известным методом аппликации полотен. Полученные результаты показывают, что внесение УМС активизирует биологическую активность почвы. Активность увеличивается в прямой зависимости от нормы внесения УМС (рис.4).

Вариант опыта - ♦ - Постторфяные почвы Дерново-подзолистые почвы

Рис. 4. Динамика степени разложения льняного полотна в зависимости от дозы внесения УМС на постторфяных и дерново-подзолистых почвах

Полученные результаты показывают, что внесение УМС активизирует микробиологическую активность почвы, что обеспечивает стимулирование процессов гумусообразования и подтверждает накопление гумуса в почве.

Таким образом, многолетние вегетационные и полевые исследования, выполненные в Рязанской Мещере на землях ОПХ «Полково» и «Заборье» подтвердили теоретические предпосылки о возможности и целесообразности использования новой удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства для повышения урожайности и восстановления плодородия малопродуктивных почв выработанных торфяников и деградированных дерново-подзолистых почв. В процессе исследований установлено, что внесение в почву удобрительно-мелиорирующей смеси дозой 40т/га позволило существенно повысить урожайность вико-овсяной смеси с 18,5 до 39,3 ц/га на постторфяных и с 13 до 33,4 ц/га дерново-подзолистых почвах по сравнению с контролем и увеличить запасы гумуса соответственно с 7,1 до 8,4% и с 3,45 до 5,4% на тех же почвах.

В пятой главе «Технология приготовления и внесения удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства и эколо-го-эффективность применения» даны технология приготовления и внесения в почву УМС, а также расчет эколого-экономической эффективности ее применения на малопродуктивных и деградированных почвах.

Дефекат, торф и солому в весовых соотношениях 1:3:1 подаются на площадку и перемешиваются с помощью бульдозера. Укладывают в штабель послойно, каждый слой толщиной до 0,5 м проливают раствором молочнокислых бактерий смеси штамма АСТ-41 и кефирной закваски в объемном соотношении 1:1000 (1 литр на 1 т). Полив производят поливочной машиной. С помощью

грейферного экскаватора формируют штабель высотой 1,5-2,0 м, шириной 3,0-4,0 м, длиной 30-35 м. Заложение внешних отходов должно быть 1:0,5 -1:0,75. Штабель укрывают пленкой и оставляют для созревания в течение двух недель. Пленка должна быть черной, так как солнечный свет дезактивирует почвенные микроорганизмы. Активизация микроорганизмов должна начаться с анаэробных бактерий, поэтому пленку кладут плотно и герметично. Температура созревания компоста не должна превышать 30°С, оптимальная температура 25-28°С. Температура контролируется термометрами, вставленными в штабель на глубину до 1м. Если температура начинает подниматься выше 30°С, пленку снимают и бурт утрамбовывают гусеничным трактором, что уменьшает доступ кислорода, снижает активность аэробных бактерий и нормализует температуру бурта. Созревший компост отправляют на площадку смешивания. Далее подают транспортером минеральные удобрения, которые экскаватором вносят в компост и все перемешивают. Полученный продукт фасуют в полимерные непрозрачные пакеты.

Технологический процесс внесения удобрительно-мелиорирующей смеси в почву предусматривает максимальное сохранение ее плодородия, энергосбережение, высокую производительность труда и применение существующих технических средств и включает следующие операции:

1. Предварительная подготовка почвы. С целью равномерного распределения смеси по поверхности почвы производят выравнивание поверхности и измельчение комков.

После многолетних трав проводят дискование дернины тяжелой дисковой бороной в два следа. Глубина обработки в 8-10 см. После дискования на слабоокультуренных почвах проводят вспашку с предшественниками на глубину 20-25 см, разделку пласта дисковыми боронами вдоль пахоты и планировку поверхности поля.

После зерновых культур, однолетих трав проводят лущение стерни и через 10-12 дней - вспашку без оборота пласта на глубину 20-25 см. На сильно засоренных участках после лущения стерни перед пахотой можно провести дискование на глубину 15-18 см.

2. Внесение удобрительно-мелиорирующей смеси. В почву удобри-тельно-мелиорирующую смесь следует вносить равномерно разбрасывая. Внесение целесообразно осуществлять весной при влажности почвы не более 20%. За один прием вносится вся рассчитанная доза смеси.

3. Обработка почвы после внесения удобрительно-мелиорирующей смеси. Для равномерного распределения смеси по всему почвенному слою рекомендуется проводить дискование в два следа, глубокое фрезование и затем выравнивание неровностей на поверхности почвы.

Расчет эколого-экономической эффективности выполнен по оценке общественной эффективности, которая учитывает экологические последствия реализации мелиоративных мероприятий: восстановление плодородия малопродуктивных и деградированных почв. Дисконтированное сальдо приростного потока для варианта с внесением УМС составляет 104767,8 против 27169 руб./га на контроле.

выводы

1. Выполненный анализ литературных источников и современная агроэко-логическая оценка состояния сельскохозяйственных угодий России показали, что для почв России характерно неблагоприятное соотношение и отрицательный баланс питательных веществ, что привело к снижению почвенного плодородия за счет использования растениями запасов гумуса почвы. Перспективным направлением в решении этой проблемы является повышение вещественно-энергетического состояния почвы путем внесения значительных доз органического углерода.

2. Для повышения плодородия малопродуктивных и деградированных почв возможно использование органических отходов, содержащих большое количество аккумулированной энергии. Одним из путей использования этой энергии является преобразование органосодержащих отходов в удобрительно-мелиорирующие смеси с заданными для данной конкретной почвы параметрами.

3. На основе изучения химического состава и основных свойств отходов сахарной промышленности выполнена оценка возможности их использования в качестве удобрения и разработан компонентный состав новой удобрительно-мелиорирующей смеси, включающий фильтрационный осадок (дефикат) сахарной промышленности, торф и солому в соотношении 1:3:1, обработанные раствором молочнокислых бактерий смеси штамма АСТ-41 и кефирной закваски в объемном соотношении 1:1000 (1 литр на 1 т).

4. На основе проведения вегетационных опытов была установлена оптимальная доза внесения удобрительно-мелиорирующей смеси в объеме 40 т/га и периодичность внесения 1 раз в 5лет.

5. Оценка эффективности новой смеси проводилась на постторфяных и малопродуктивных дерново-подзолистых почвах Рязанской Мещеры. Многолетними полевыми исследованиями на землях ОПХ «Полково» и «Заборье» установлено, что внесение в почву удобрительно-мелиорирующей смеси дозой 40 т/га позволило существенно повысить урожайность вико-овсяной смеси с 18,5 до 39,3 ц/га на постторфяных и с 13 до 33,4 ц/га дерново-подзолистых почвах по сравнению с контролем. Выполненный анализ качества растительной продукции по нормативам качества для кормов показывает ее высокую питательную ценность и соответствие нормативам качества для сена 1-го класса, экологическую безопасность.

6. Проведенный анализ позволяет утверждать, что применение удобрительно-мелиорирующей смеси нормой 40 т/га обеспечило увеличение содержания гумуса в почве на постторфяных почвах с 7,1 до 8,4 % в течение трех лет, а на дерново-подзолистых с 3,45 до 5,4% в течение двух лет. Изучение микробиологической активности подтверждает формирование процессов гумусообразова-ния в почве, о чем свидетельствует целлюлозоразрушающая активность.

7. Разработана технология восстановления почвенного плодородия ранее осушенных сельскохозяйственных земель с использованием новой удобритель-

но-мелиорирующей смеси пролонгированного действия, которая включает технологию ее изготовления и внесения в почву. Расчеты свидетельствуют об экономической эффективности применения удобрительно-мелиорирующей смеси. Дисконтированное сальдо приростного потока в 3,5 раза выше при внесении УМС, чем при обычной технологии.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Для предупреждения деградационных процессов и повышения продуктивности малопродуктивных почв рекомендуется внесение удобрительно-мелиорируюшей смеси на основе отхода сахарной промышленности - дефека-та, торфа и соломы в соотношении 1:3:1, обработанной микробным препаратом.

Использование отходов сахарного производства в качестве компонента удобрительно-мелиорирующей смеси с заданными параметрами решает:

• проблему восстановления запасов гумуса и почвенного плодородия малопродуктивных и деградированных почв, а также повышение урожайности сельскохозяйственных культур;

• экологическую проблему, связанную с утилизацией отходов сахарной промышленности и охраной окружающей среды.

2. Рекомендуется единовременно вносить не менее 40 т/га с периодичность один раз в три- пять лет в зависимости от степени деградации почвы. Смесь вноситься поверхностным способом с последующей заделкой на глубину 810 см по вспашке перед посевом при влажности почвы не более 20%. За один прием вносится вся рассчитанная доза смеси. Для равномерного распределения смеси по всему почвенному слою проводится дискование в два следа, а затем выравнивание поверхности почвы.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Кирейчева Л.В., Хохлова О.Б., Перегудов C.B., Шилова Е.Ю. Использование удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства для повышения плодородия малопродуктивных почв// Агрохимический вестник. - 2010. - № 1 - С. 22-25.

2. Перегудов C.B., Шилова Е.Ю. Возможность повышения плодородия почв с помощью органоминеральных смесей на основе отходов сахарного производства// Плодородие. - 2011. - № 6. - С. 15-16.

3. Кирейчева JI.B., Шилова Е.Ю. Влияние новой удобрительно-мелиорирующей смеси из отходов сахарного производства на почвенное плодородие// Вестник РАСХН. - 2013. - №1 - С. 45-47.

Прочие публикации

4. Перегудов C.B., Кирейчева JI.B., Хохлова О.Б., Шилова Е.Ю. Применение отходов сахарного производства для приготовления удобрительно-

мелиорирующей смеси//Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства. Том I: Матер, юб. междунар. конф. - М. 2009. - С. 409

5. Кирейчева JI.B., Хохлова О.Б., Перегудов C.B., Шилова Е.Ю. Удобри-тельно-мелиорирующая смесь на основе отходов сахарного производст-ва//Приемы повышения плодородия почв и эффективности удобрений: Матер, междунар. конф. - Горки. 2009. - С.69-73

6. Перегудов C.B., Шилова Е.Ю., Ганина В.И., Фильчакова С.А. Компостирования органоминеральных смесей на примере отходов сахарного про-изводства//Вермикомпостирование и вермикультивирование как основа экологического земледелия в XXI веке: проблемы, перспективы, достижения: Сбор. науч. тр. междунар. конф. - Минск. 2010. - С.156-160

7. Перегудов C.B., Шилова Е.Ю. Удобрительно-мелиорирующая смесь на основе отходов сахарного производства как нетрадиционное удобрение// Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений: Матер, межд. науч.-практ.конф. — Н.Новгород: Из-во ВВАГС, 2011. — С.368

8. Перегудов C.B., Шилова Е.Ю. Способ утилизации отходов сахарного производства для приготовления удобрительно-мелиорирующей смеси// Юбилейный сборник науч. трудов студентов, аспирантов и преподавателей агроэкологического факультета РГАТУ, посвященный 110-летию со дня рождения профессора И.С. Травина: Матер, науч.-практ.конф. - Рязань, 2010. — С.41-46.

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костикова Россельхозакадемии Москва 124550, ул. Б.Академическая, 44 Подписано к печати 15.01.2013 г. Заказ 2 Тираж 100

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Шилова, Елена Юрьевна, Москва

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ И МЕЛИОРАЦИИ ИМЕНИ А.Н. КОСТЯКОВА (ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии)

ШИЛОВА ЕЛЕНА ЮРЬЕВНА

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ САХАРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ МАЛОПРОДУКТИВНЫХ

ПОЧВ

06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Диссертация на соискание ученой степени I

кандидата сельскохозяйственных наук '

СО

ю см

СО со

ю £ со 8

со __

^^ О Научный руководитель:

^^ со доктор технических наук, профессор

^^ ° Л.В. Кирейчева

Москва-2013

Содержание

Стр.

Введение. Общая характеристика работы 4

Глава 1 Использование отходов в сельскохозяйственных целях для повышения плодородия почв 9

1.1 Современная агроэкологическая оценка почвенного покрова

и анализ факторов, влияющих на состояние плодородие почв 9

1.2 Краткая характеристика малопродуктивных почв и виды деградации 15

1.3 Основные направления повышения плодородия малопродуктивных

и деградированных почв 19

1.4 Использование отходов в сельскохозяйственных целях для повышения плодородия почв 22 Выводы по главе 1 35 Глава 2. Возможность и целесообразность использования отходов

сахарной промышленности для повышения плодородия почв 36

2.1 Технологический процесс получения сахарного песка из

сахарной свеклы 38

2.2 Основные характеристики отходов сахарного производства и

оценка возможности их использования в сельском хозяйстве 43

2.3 Обоснование компонентного состава удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарной промышленности

и методика приготовления 50

Выводы по главе 2 59

Глава 3 Характеристика природных условий

Рязанской Мещеры. Выбор объекта исследований 61

3.1 Природные условия Мещерской низменности

(климат, рельеф, почвенный покров) 61

3.2 Выбор и описание объектов исследования 65 З.ЗМетодика проведения исследований в вегетационном опыте 74

3.4 Методика проведения полевого опыта 77

Выводы по главе 3 83 Глава 4 Исследование эффективности использования удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства для повышения плодородия

малопродуктивных и деградированных земель 84

4.1 Определение оптимальной дозы внесения

удобрительно-мелиорирующей смеси в вегетационном опыте 84

4.2 Влияние УМС на свойства постторфяных деградированных

почв и урожайность вико-овсяной смеси 86

4.3 Исследования повышения плодородия малопродуктивных дерново-слабоподзолистых почв и урожайность

вико-овсяной смеси 94

4.4 Влияние дозы внесения УМС на динамику гумуса,

биологическую активность почв и урожайность однолетних трав 97

Выводы по главе 4 102 Глава 5 Технология приготовления и внесения УМС на основе отходов

сахарного производства и эколого-экономическая эффективность 103

5.1 Технология приготовления удобрительно-мелиорирующей

смеси 103

5.2 Технология внесения удобрительно-мелиорирующей смеси 106

5.3 Эколого-экономическое обоснование применения удобрительно-мелиорирующей смеси для повышения почвенного плодородия 108

5.4 Рекомендации по восстановлению плодородия

малопродуктивных и деградированных почв 112

Выводы по главе 5 113

Выводы 114

Список используемых источников 116

Приложение 130

Введение. Общая характеристика работы

Актуальность. В последние годы в Российской Федерации наблюдается прогрессирующее снижение плодородия почв. По данным государственной агрохимической службы России и Госкомзема России, 56 млн.га пашни (45%) характеризуется низким содержанием гумуса, что лимитирует урожайность на этих землях. В настоящее время ежегодный расход питательных веществ из почвы пашни в 5 раз превышает их возврат с вносимыми минеральными и органическими удобрениями, что приводит к использованию растениями потенциальных почвенных запасов, сформированных в естественных условиях и, как следствие, к развитию деградационных процессов. Учитывая, что почва является национальным достоянием и от ее состояния во многом зависит продовольственная безопасность страны, актуальным направлением научных исследований является восстановление плодородия почвы, для чего требуется внесение значительных объемов органических веществ [92].

Особое место в решении этой задачи занимает проблема использования органических отходов, содержащих большое количество аккумулированной энергии. Использование органических отходов в качестве нетрадиционных удобрений в сельском хозяйстве позволяет обеспечить поступление в почву органического вещества и элементов питания в доступных для растений видах. Однако при ненормируемом использовании или некачественной подготовке органических отходов могут развиваться процессы загрязнения, накопления нитратов, засоления и осолонцевания почв, а также снижение их биологической активности за счет развития патогенной микрофлоры и ухудшения водно-физических свойств. Негативное влияние на экологическое состояние земель обусловлено трудностями с переработкой и хранением отходов, значительная часть которых вывозится на свалки и служит источником загрязнения окружающей среды. Опасность представляют территории неорганизованного складирования многотоннажных отходов, среди которых выделяются отходы

свеклосахарных предприятий. При производстве сахара в России образуется в среднем 200 ООО т/год фильтрационного осадка (дефеката), который складируется на промышленных полигонах или полях фильтрации как невостребованный отход. При этом практически на каждом заводе отчуждается более 100 га земель. Использования отходов сахарного производства позволяет решать несколько задач: увеличение урожайности сельскохозяйственных культур; повышение плодородия почвы и охрану окружающей среды за счет их утилизации, что обуславливает своевременность и актуальность исследований.

Цель и задачи исследований. Цель настоящих исследований - разработка компонентного состава новой удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарной промышленности и оценка ее эффективности для увеличения урожайности и повышения плодородия малопродуктивных и деградированных почв.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ современного состояния сельскохозяйственных угодий;

2. Выполнить анализ факторов, влияющих на сохранение и восстановление плодородия почв;

3. Изучить химический состав и основные свойства отходов сахарной промышленности и оценить возможность их использования в качестве компонента удобрительно-мелиорирующей смеси (УМС);

4. Разработать состав удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарной промышленности для воспроизводства почвенного плодородия;

5. Исследовать в лабораторных и полевых условиях эффективность применения УМС на основе отходов сахарной промышленности для повышения плодородия малопродуктивных почв, урожайности и качества вико-овсяной смеси;

6. Разработать способ восстановления почвенного плодородия длительно используемых сельскохозяйственных земель с применением новой удобрительно-мелиорирующей смеси пролонгированного действия и дать рекомендации по применению УМС для малопродуктивных почв Мещерской низменности.

Методика проведения исследований. Исследования выполнялись в лабораторных условиях на вегетационных сосудах по общепринятой методике. Деляночные опыты проводились по методике Доспехова Б.А. на землях ОПХ «Полково» (Рязанская область, Рязанский район). Агрометеорологические наблюдения осуществлялись при помощи автоматической метеостанции МЕТЕОЗСЛИРЛО 923. Отбор почвенных проб проводился в соответствии с ГОСТом 28168-89. Для определения водно-физических свойств почв использовались стандартные методики. Содержание гумуса оценивалось по методу Тюрина, определение рН проводилось в соответствии с ГОСТом 2648385, содержание подвижных форм фосфора и калия по ГОСТу 26207-91, содержание общего азота - по Кьельдалю, аммонийного азота - по ГОСТу 26489-85, величина гидролитической кислотности - по ГОСТу 26212-91. Урожай учитывался в соответствии с методикой Доспехова Б.А. (1973), учет распределения массы корневых систем в почвенной толще осуществлялся количественно-весовым методом.

Исследования качества вико-овсяной смеси выполнялось по требованиям и нормативам качества для сена по следующим показателям:

- химический состав (содержание сырого протеина, сырой клетчатки, сырой золы) и питательность кормов в аттестованной испытательной лаборатории ФГУСАС «Подвязьевская».

- содержание тяжелых металлов (свинца, кадмия, меди и цинка) в соответствии с ГОСТом 30692-2000.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- на основе теоретических предпосылок и практического опыта разработан новый компонентный состав удобрительно-мелиорирующей смеси на основе

отходов сахарного производства (дефеката), обеспечивающий повышение плодородия почв и урожайность вико-овсяной смеси;

- выявлены закономерности влияния доз внесения УМС на рост и развитие, урожайность и качество однолетних трав, динамику гумуса на малопродуктивных почвах;

- подтверждено, что внесение разработанной удобрительно-мелиорирующей смеси оказывает устойчивое положительное влияние на плодородие деградированных почв в течение длительного времени;

предложен способ приготовления УМС и даны рекомендации по ее использованию для повышения почвенного плодородия малопродуктивных и деградированных почв.

Научная новизна подтверждена заявкой на изобретение «Способ получения удобрительно-мелиорирующей смеси на основе дефеката сахарного производства» № 2011149138/13 от 02.12.2011 г.

Основные положения, выносимые на защиту:

- компонентный состав удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства и технология ее приготовления;

- закономерности влияния удобрительно-мелиорирующей смеси на основе отходов сахарного производства на урожайность вико-овсяной смеси, содержание гумуса в почве;

- способ восстановления почвенного плодородия ранее осушенных сельскохозяйственных земель с использованием новой удобрительно-мелиорирующей смеси пролонгированного действия.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами вегетационного опыта, многолетних полевых экспериментов, статистической обработкой полученных данных, использованием современных методов исследований и применением утвержденных методик для определения необходимых показателей в аттестованных лабораториях.

Личное участие автора. Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в работе, выполнены автором как самостоятельно, так и в соавторстве. При этом лично автором осуществлена постановка эксперимента, подготовка и проведение вегетационного опыта, полевых исследований в ОПХ «Полково» и ЗАО «Заборье», обработка полученных данных.

Практическая значимость работы. Способ восстановления плодородия малопродуктивных и деградированных почв может быть использован сельскохозяйственными товаропроизводителями для повышения плодородия почв, урожайности и качества сельскохозяйственной продукции.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Юбилейной международной конференции «Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства», Москва, 2009 г.; международной научно-практической конференции «Приемы повышения плодородия почв и эффективности удобрений», Горки, 2009г; международной научно-практической конференции «Вермикомпостирование и вермикультивирование как основа экологического земледелия в XXI веке: проблемы, перспективы, достижения», Минск, 2010 г.; на секциях Ученого Совета ВНИИГиМ, (Москва 2009, 2010, 2011 гг.).

Публикации. Основные результаты опубликованы в восьми научных работах, в том числе 3 в журнале, рекомендованном в ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций, изложена на 143 стр. машинописного текста, иллюстрирована 23 рисунками, содержит 32 таблицы, список литературы включает 142 наименование, в том числе 8 иностранных изданий.

Автор выражает огромную благодарность руководителю Мещерского филиала, к.с-х.н. С.В.Перегудову за консультации и помощь в организации проведения исследований, к.с-х.н. К.Н.Евсенкину, к.с.-х.н. А.В.Нефедову и всем сотрудникам филиала за оказанную помощь.

Глава 1 Использование отходов в сельскохозяйственных целях для повышения плодородия почв

1.1 Современная агроэкологическая оценка почвенного покрова и анализ факторов, влияющих на состояние плодородие почв

В последние годы в Российской Федерации площади сельскохозяйственных угодий неуклонно снижаются, одна из причин -снижение плодородия почв и деградация почвенного покрова. По данным государственной агрохимической службы России и Госкомзема России 56 млн.га пашни (45%) характеризуется низким содержанием гумуса, 43 млн.га (36%) - повышенной кислотностью (отмечается увеличение кислотности почв в лесостепной и черноземной зоне), 28 млн.га (23%) - низким содержанием фосфора и 12 млн.га (9%) - низким содержанием калия, что лимитирует уровень урожайности на этих землях, (рис. 1.1.)

□ низкое содержание гумуса

■ повышенная кислотность

■ низкое содержание фосфора

Шнизкое содержание калия

Рис. 1.1. Характеристика почв по данным государственной агрохимической службы России в млн.га [29]

Для восстановления запасов гумуса в почве требуется внесение больших объемов органического вещества. От содержания органического вещества

зависят физико-химические и технологические свойства пахотного слоя, агрегатное состояние и водопрочность микроструктуры.

Органическое вещество почвы — совокупность всех органических соединений, которые попадают и присутствуют в почве. Это органические остатки биоценоза различной степени разложения, привнесенные в почву органические вещества в виде удобрений, сидератов, торфа, остатков фитоценоза, а также гумус почвы (рис 1.2)

Рисунок 1.2 - Формы органического вещества в почве [129] Динамика органического вещества почвы зависит от комплекса факторов, таких как влажность почвы, рН, кислотность, температура, содержание питательных элементов, состав и свойства органического вещества, определяющие его устойчивость к разложению, а также доступность органического вещества для трансформирования различными группами

микроорганизмов. Системы земледелия оказывают в различной степени влияния на эти факторы, приводя к многочисленным сочетаниям разнонаправленных воздействий.

Любое изменение в системе землепользования, севообороте, способах обработки почвы, дозах удобрений приводит к изменению в количественном и качественном составе органического вещества до достижения нового состояния равновесия, что требует, как правило, десятков лет.

Среди различных форм органического вещества почвы наиболее важную функцию выполняет гумус. Роль гумуса в формировании почв переоценить невозможно. Для того, чтобы органическое вещество превратилось в гумус необходимо создание специальных условий для процесса гумификации.

По мнению А.Г. Трусова [118] гумификация - это процесс окисления и конденсации относительно простых, мономерных промежуточных продуктов пиррольных и бензольных соединений, которые образуются при воздействии диоксида углерода и аммиака, выделяемых микроорганизмами, и кислорода воздуха. Существенный вклад в развитие микробиологических основ гумусообразования внес В.Р. Вильяме [14]. Он предложил обобщенную схему гумусообразования, обратив особое внимание на комплекс факторов гумусообразования и среди них на источники органического вещества, «разлагатели» и условия гумусообразования. Процесс гумификации по И.В. Тюрину [121] - реакции медленного биохимического окисления высокомолекулярных веществ имеющих циклическое строение. Он выделил 2 категории процессов:

1) разложение исходных органических остатков и синтеза микробной плазмы;

2) новообразования или синтеза гуминовых веществ (рис 1.3).

Исходные органические вещества

Углеводы Белки Лигнин, дубильные вещества Смолы, жиры

Г ■

т

Минеральные яетпестня почяы

' 7 * / Ч

Разложение

Промежуточные продукты распада

Конечные продукты распада и окисления

в м ы в а н и е

I

/ Гумификация Битуминизация

Гуминовые Битумы

вещества

Микробный синтез

Протеины, гемицеллюлозы и др.

(Автолиз) _1 1_

Рис. 1.3. Схема процессов превращения органического вещества в почве [121]

Поддержание бездефицитного баланса гумуса в почве возможно путем восполнения гумуса в почве и создания условий, благоприятных для гумусообразования. В связи с этим в решении проблемы сохранения и повышения плодородия почв первостепенное значение имеет выявление закономерностей минерализации и гумификации органического вещества в зависимости от почвенных условий. Подобного рода исследования служат

необходи�