Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменение состава и свойств отходов животноводства в процессе компостирования с участием дождевых червей Eisenia foetida

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата сельскохозяйственных наук, Калинина, Ольга Юрьевна, Санкт-Петербург

Санкт-Петербургский государственный университет

на правах рукописи

Калинина Ольга Юрьевна

/л

Изменение состава и свойств отходов животноводства в процессе компостирования с участием дождевых червей

Етяета /<ЪеМа.

03.00.27. - почвоведение

диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научные руководители: доктор биологических наук О. Г. Чертов, кандидат сельскохозяйственных наук

^ А. И. Попов

Санкт-Петербург -1998

Содержание

стр.

Введение........................................................................................... 4

Глава 1 Обзор литературы 1.1. Агрономическая и экологическая роль вермикомпостирования............................................................................ 8

1.2. Антропогенное влияние на процессы трансформации органического вещества почвы и состав педобиоты......................17

1.2.1. Органическое вещество почвы...................................................... 17

1.2.2. Классификация органического вещества почвы на основе его морфологических признаков.......................................................... 23

1.2.3. Изменение органического вещества почв при их хозяйственном использовании....................................................... 28

1.2.4. Состав педобиоты.......................................................................... 34

1.2.5. Роль педобиоты в трансформации органического

вещества почвы.............................................................................. 39

1.2.6. Изменение состава педобиоты при антропогенной нагрузке...... 53

1.3. Заключение ..................................................................................... 59

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1. Методы лабораторных исследований............................................. 63

2.2. Метод постановки эксперимента.................................................... 68

2.3. Характеристика объектов исследования......................................... 71

ГлаваЗ. Обсуждение результатов

3.1. Агрохимическая характеристика компостов и вермикомпостов... 83

3.2. Изменение органического вещества при компостировании и вермикомпостировании................................................................ 93

3.3. Состав гумуса компостов и вермикомпостов............................... 107

3.4. Характеристика органического вещества компостов и вермикомпостов по степени устойчивости к окислению............ 115

3.5. Водопрочность структурных отдельностей различных

компостов..................................................................................... 123

3.6. Заключение и выводы.................................................................... 129

Практические рекомендации...................................................... 136

Литература....................................................................................137

Приложения.................................................................................. 163

Введение.

Решение проблем, связанных с биологической утилизацией локально накопленных органических отходов, с оптимизацией деятельности агробиогеоценозов требует новых подходов, основанных на исследовании экологических механизмов функционирования экосистем.

В настоящее время предпочтение отдается системам земледелия, которые ориентированы на формирование устойчивого равновесия в агроэкоценозах с помощью природных механизмов их саморегуляции. При реализации биологических приемов земледелия важным для получения высоких урожаев экологически чистой сельскохозяйственной продукции является то, как функционирует вся система агроэкоценоза, а не только подсистема "растение". Особенностью биологического земледелия является его замкнутость, когда все органические отходы возвращаются в почву. Вермикомпостирование является важным звеном в развивающихся подходах биодинамического земледелия.

Вермикомпостирование - это биологический способ утилизации органических отходов различного происхождения с помощью сообщества педобионтов, в котором функционально доминируют навозные черви (Е1зеп1а /оеШа). В результате вермикомпостирования образуется вермикомпост - естественно гумифицированный и агрегированный органический материал. Вермикомпост обладает водопрочной структурой, свободен от патогенных микроорганизмов и семян сорных растений.

Применение вермикомпоста актуально при оптимизации функционирования агроэкоценозов, которые в результате сельскохозяйственного использования утрачивают важные биогеценотические звенья. Внесение в пахотную почву произведенного в интенсифицированных условиях гумифицированного материала в виде вермикомпоста позволяет компенсировать утраченные функциональные

звенья агроэкосистемы без полного восстановления видового разнообразия почвенной биоты. Все сказанное определяет актуальность предлагаемой работы.

Наиболее исследованным и распостраненным сырьем, которое используется при вермикомпостировании, является навоз крупного рогатого скота (КРС) (Мельник, Карпец, 1990; Haimi, Huhta,1987; Hand et al., 1988; Fleddermann, 1990). Свойства вермикомпостов, полученных из трудноутилизируемых отходов, таких как свиной навоз и птичий помет, изучены мало.

Цель и задачи исследования. Целью работы было проследить изменение свойств не только навоза крупного рогатого скота, но и свиного навоза, птичьего помета при компостировании с червями (вермикомпостирование) и при обычном компостировании без участия червей; сравнить свойства вермикомпостов и компостов, полученных из разных органических отходов.

В соответствии с целью задачи исследования были следующими:

- в лабораторных условиях из исходных образцов навоза крупного рогатого скота (КРС), свиного навоза (СВ), птичьего помета (ПП), торфокомпостной смеси (ТК) получить компосты и вермикомпосты;

- сравнить компосты и вермикомпосты по агрохимическим показателям;

- изучить процесс минерализации органического вещества исследуемых исходных объектов при компостировании и вермикомпостировании в зависимости от их биохимического состава;

- охарактеризовать биохимический состав органического вещества исходных объектов, изучить изменения биохимического состава при инкубировании органических материалов в присутствии дождевых червей и без них.

охарактеризовать процесс гумификации материала и качественный состав гумуса исходных объектов, компостов и

вермикомпостов, установить направленность изменений группового и фракционного состава гумуса в процессе компостирования и вермикомпостирования;

- оценить органическое вещество компостов и вермикомпостов по их устойчивости к окислению с помощью метода хемодеструкционного фракционирования; установить изменения в соотношении лабильной и стабильной части органического вещества при компостировании и вермикомпостировании.

- охарактеризовать степень водопрочности агрегатов в исходных объектах, компостах и вермикомпостах, сравнить компосты и вермикомпосты по степени их водопрочности.

Научная новизна. Изучена агроэкологическая возможность получения вермикомпостов из трудноутилизируемых отходов (свиной навоз, птичий помет). Проведен сопоставительный анализ вермикомпостов из различных органических материалов. Для оценки качества органического вещества вермикомпостов использован новый метод хемодеструкционного фракционирования.

Значимость для теории и практики. Показано место вермикомпостирования в системе биодинамического земледелия как эффективного способа восстановления утраченных функциональных звеньев агроэкосистемы с использованием природных механизмов гумусообразования. Прослежены биохимические механизмы формирования вермикомпостов. Дана оценка качественного состава органического вещества вермикомпостов. Охарактеризованы агрохимические свойства вермикомпостов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Вермикомпостирование эффективно для переработки таких трудноутилизируемых отходов животноводства, как свиной навоз и птичий помет.

2) Компостирование органических отходов с участием дождевых червей сопровождается не только большими по сравнению с компостированием без червей потерями органического вещества, но и более активной трансформацией органического материала. При вермикомпостировании гумификация происходит на фоне интенсивной минерализации органического вещества.

3) Активная трансформация органического вещества отходов животноводства сопровождается мобилизацией таких важных биофильных элементов, как фосфор и калий.

4) Выявлено, что процесс биохимического окисления органического вещества состоит из двух стадий - относительного обеднения и обогащения органического вещества кислородом.

5) Компостирование с червями способствовало образованию агрономически ценной водопрочной структуры.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на конференции молодых ученых факультета Почвоведения МГУ "Современные проблемы почвоведения и экологии" (Москва, Красновидово, 1994), на 3 Международной конференции «Освоение Севера, проблемы рекультивации» (Сыктывкар, 27-31 мая 1997), на конференции Докучаевские молодежные чтения' 98 - "Почвы и почвенный покров современных наземных экосистем" (Санкт-Петербург, 13-15 апреля 1998 год). По результатам исследования опубликовано 6 работ.

Работа была выполнена на кафедре "Почвоведения и географии почв" СПбГУ под руководством доктора биологических наук О. Г. Чертова и кандидата сельскохозяйственных наук А. И. Попова.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Агрономическая и экологическая роль вермикомпостирования

Вермикомпостирование - биотехнологический способ переработки органических материалов (чаще всего органических отходов различного происхождения) с помощью искусственно воссозданного природного биоценотического комплекса гетеротрофных организмов, включающих в себя мезофауну, в частности дождевых червей {Е1зета /Ъеййа), и естественно сопутствующих им представителей мезо-, микрофауны и сообщества микроорганизмов.

Технология вермикомпостирования состоит из трех стадий. Во время первой стадии ферментации происходит обеззараживание компоста от патогенных микроорганизмов, яиц гельминтов, семян сорных растений и получение субстрата для дальнейшей переработки дождевыми червями. В течение первой стадии ферментации можно выделить две фазы. Первая фаза - саморазогрев органической массы в буртах до 50° -80°С, когда при разложении органического субстрата термофильными микроорганизмами в аэробных условиях преобладают экзотермические реакции. Вторая фаза стадии ферментации обеззараживание субстрата - поддержание температурного режима в пределах 50° -80°С в течение 12 часов и более. Продолжительность стадии ферментации состовляет 25 - 30 дней, включая временной период термической стерилизоции субстрата и период при снижении температуры до 30° -40°С.

Вторая стадия - собственно вермикомпостирование - переработка субстрата под воздействием дождевых червей и сопутствующих им беспозвоночных и микроорганизмов в неполностью гумифицированный компост. Продолжительность стадии вермикомпостирования 100 суток при температуре внутри гряды 15° - 25°С, влажности субстрата 70 - 80%

от полной влагоемкости и плотности червей в рабочем слое 500 особей/дм3. Во время второй стадии биохимические процессы гумификации преобладают над процессами минерализации органического вещества компоста. Перед третьей стадией производится искусственное отделение дождевых червей.

Третья стадия - гумификации - продолжается 1-1,5 месяца. В это время завершается созревание вермикомпоста. Готовый вермикомпост очищают от балластных включений, гранулируют и доводят до заданной влажности 40-45% от полной влагоемкости (Дереневский и др;, 1994).

Конечным продуктом вермикомпостирования является вермикомпост - темноокрашенная, естественно гранулированная и гумифицированная органо-минеральная масса, не слеживающаяся при хранении.

При переработке органических отходов с помощью дождевых червей патогенные микроорганизмы погибают, исчезает неприятный запах. Объем органических отходов уменьшается на 40%, образуется водопрочная мелкозернистая структура, что значительно облегчает транспортировку и внесение полученного органического удобрения (см. Покровская С. Ф., 1991). По данным С. Ф. Покровской и Ф. Б. Призжухова (1990) при заселении дождевыми червями созревание компоста совершается в 2 - 5 раз быстрее, чем без них. Вермикомпосты находят применение:

1) в качестве почвоулучшителя и мульчирующего материала;

2) как удобрение;

3) как субстрат для рассады и комнатных растений (ПесШегтапп, 1990). При использовании вермикомпостов в качестве почвоулучшителя обращают внимание прежде всего на отсутствие болезнетворных микроорганизмов, на содержание токсичных веществ (например, тяжелые металлы) и на содержание органического вещества. При

использовании вермикомпостов в качестве удобрения или как субстрата для растений дополнительное внимание уделяется содержанию в нем биофильных элементов и их доступности для растений. По данным, приведенным А. Фледдерманн (1990) вермикомпосты должны отвечать следующим параметрам: сухое вещество >40%; СЖ<30; рНсаС12>5,5; 1Мобщ> 1 %; Р205общ > 1,2 %; К2 Ообщ >0,5 %.

С.П. Дереневским и соавторами (1994) для вермикомпостов определены более конкретные границы содержания органического вещества (36-45%), общего азота (0,6-1,2%), валовых и подвижных форм фосфора и калия (К2Овал.= 1,0-1,8%; Р2 05вал. =0,8-1,0%; К2ОП0ДВ =400-450 мг/100г; РгОзподв =200-300 мг/100г).

При рассмотрении вермикомпоста в качестве удобрительного средства второстепенное внимание обращается на присутствие в нем гумусовых веществ. Известно, что положительное влияние органических удобрений во многом связано со степенью их гумифицированности (Тейт, 1991). Вермикомпосты из навоза крупного рогатого скота и осадков сточных вод содержат 24 - 55 % органического вещества, 4-17% в котором составляют гуминовые кислоты. Элементный состав гуминовых кислот вермикомпостов находится в обычных для гуминовых кислот пределах (Негуаз е1 а1., 1989).

Е. Ролетто и соавторы (1985) предложили минимальные значения для Сгк/Сфк, Сгк+фк, Сгк.

По мнению II. Рифальди и соавторов (1983) при верми-компостировании происходит активное новообразование гумусовых веществ.

В таблице 1 приведены результаты изучения гумуса вермикомпостов.

и

Таблица 1

Соотношение углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот (Сгк/Сфк), содержание углерода гуминовых и фульвокислот (Сгк+фк), переходящих в пирофосфатную вытяжку (рН=8,5), содержание углерода гуминовых кислот (Сгк) в вермикомпостах

Исследователи Сгк/Сфк % Сгк+фк % Сгк

А. Saviozzi et. al. (1988) 0,4-2,8 11,2-31,6 3,5-23,3

А. Fleddermann (1991) 1,2-3,4 15,0-26,3 8,6-19,9

Е. Roletto et. al. (1985). 1 7 3

Известно, что в кишечнике дождевых червей создаются благоприятные условия для новообразования гумусовых веществ (Стриганова, 1980). В замкнутом пространстве оказываются механически и химически преобразованные растительные остатки, минеральные вещества, активизированные симбиотические микроорганизмы и ферменты (Стриганова, 1980; Nagltisch, 1965; Mitchell et al., 1977). В связи с этим процесс гумификации при вермикомпостировании осуществляется более высокими темпами и носит более глубокий характер, чем при обычном компостировании (Albanell et al., 1988). По данным И.А. Мельника (1990) коэффициент гумификации вермикомпостов равен 15-25% в отличие от 10% у навоза.

Значительная обогащенность вермикомпостов гумусовыми веществами обеспечивает их исключительные физические свойства. Вермикомпост представляет из себя гомогенную мелкозернистую массу, обладающую высокой удельной поверхностью (Hartenstein R., Hartenstein Е., 1981). Структурные отдельности вермикомпостов - копролиты дождевых червей. Вермикомпосты характеризуются высокой водоудерживающей способностью (Самедов, Надиров, 1989; МЬа, 1983). Содержание водопрочных агрегатов в вермикомпостах 70-90 % (Попов, Чертов, 1994).

Преобразование многих трудноутилизируемых органических отходов путем вермикомпостирования позволяет решить две важные экологические проблемы. Первая связана с утилизацией органических отходов хозяйственной деятельности человека; вторая с восполнением и поддержанием плодородия почв.

Многие современные экологические проблемы возникают из-за локального накопления органических отходов, количество которых слишком велико для естественного потенциала биодеградации. Например, происходит массовое накопление органического материала в виде осадков бытовых и промышленных сточных вод после очистки на станциях аэрации, а также отходов крупных животноводческих комплексов. Подобный органический материал целесообразно использовать в сельском хозяйстве в качестве органических удобрений, поскольку он содержит питательные вещества, необходимые для растений. За границей для производства органических удобрений используется около 70 % от ежегодно образующихся органических отходов, у нас в стране - только 8 % (Ковалев, Глазков, 1991). Приготовление органических удобрений из органических отходов сопряжено не только с техническими трудностями, поскольку чаще всего они представляют собой пастообразную текучую массу. Отходы крупных животноводческих комплексов содержат патогенные группы микроорганизмов, яйца и личинки гельминтов. В результате огро