Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние многолетнего круглогодового орошения сточными водами на свойство дерново-подзолистой почвы, урожайность многолетних трав и качество продукции в условиях Московской области

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Сако Лассана, Москва

/ / -s

U ' v l /; ;/

Российский университет дружбы народов

На правах рукописи

Сако Лассана

Влияние многолетнего круглогодового орошения сточными водами на свойства дерново-подзолистой почвы, урожайность многолетних трав и качество продукции в условиях Московской области

06.01.03- агропочвоведение

06.01.02 - сельскохозяйственная мелиорация

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научные руководители:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор A.B. Шуравилин

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Л.П. Овцов //

Москва-1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................10

1.1 Особенности формирования и очистки смешанных точных вод.... 10

1.2 Изменение свойств почв и их плодородия при орошении смешанными сточными водами...................................................24

ГЗ.Водопотребление и особенности орошения кормовых культур сточными водами.....................................................................28

1.4. Влияние орошения сточными водами на урожайность сельскохозяйственных культу и качество продукции............................32

1.5. Особенности круглогодового орошения сточными водами..........35

ГЛАВА II. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ......41

2.1. Природно-климатические условия........................................42

2.2. Формирование, подготовка, химический состав оценка качества сточных вод.................................................................................47

2.3 Структура землепользования...............................................59

2.4. Оросительная система и способы орошения...........................61

2.5. Методика исследований...................................................65

2.6. Агротехника возделывания сельскохозяйственных культур.......69

ГЛАВА III. ВОДНЫЙ РЕЖИМ ПОЧВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБЪЕМОВ УТИЛИЗАЦИИ ПОЛИВНЫХ СТОЧНЫХ ВОД....................................72

3.1. Режим грунтовых вод......................................................72

3.2. Распределение сточных вод на полях орошения.....................81

3.3. Режим орошения многолетних трав....................................84

3.4. Динамика влажности и водный баланс почвы........................85

4. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ

ПРИ МНОГОЛЕТНЕМ КРУГЛОГОДОВОМ ОРОШЕНИИ.....................92

4.1. Физические и водно-физические свойства почвы....................92

4.2. Агрохимические свойства почвы.......................................100

4.2.1. Содержание гумуса в почве............................................100

4.2.2. Поглотительная способность почвы.................................102

4.2.3. Питательный режим почвы............................................104

4.3. Содержание микроэлементов, в том числе тяжелых металлов, в почве земледельческих полей орошения (ЗПО)....................................115

4.4. Микрофлора почвы и её биологическая активность при орошении

сточными водами..........................................................................118

ГЛАВА V УРОЖАЙНОСТЬ И КАЧЕСТВО МНОГОЛЕТНИХ

ТРАВ ПРИ КРУГЛОГОДОВОМ МНОГОЛЕТНЕМ ОРОШЕНИИ

СТОЧНЫМИ ВОДАМИ................................................................119

5.1 .Урожайность многолетних трав...........................................119

5.2. Качество зеленой массы трав.............................................120

ВЫВОДЫ..................................................................................128

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ..............................................132

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ...........................................................................149

Введение

Актуальность исследований. В настоящее время техногенные нагрузки на природную среду приводят к большим отрицательным экологическим последствиям. На поверхности земли все более нарушается естественное распределение химических элементов. В ряде регионов вся биосфера, в целом, составляет серьезную опасность для здоровья человека. Интенсивное развитие промышленности, рост благоустройства населения требует всё большего расхода чистой воды, тем самым, способствуя увеличению объема хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Огромное количество поступающих неочищенных стоков в результате хозяйственной деятельности человека представляют определенную опасность для окружающей природной среды вследствие их непосредственного загрязняющего воздействия на почву, поверхностные водные источники и грунтовые воды. Так в 1997 г. в России сброс сточных вод в поверхностные водные объекты составил 59,3 км3, из которых 23,0 км3 (39%) отнесены к категории загрязненных, в том числе доля в них стоков жилищного коммунального хозяйства - 52%. В результате этого, в водоемы было сброшено большое количество загрязняющих веществ (в тыс. т.): нефтепродуктов - 7,8%; взвешенных веществ -542,1, фосфора общего - 31.2, азота аммонийного - 129,3, фенола - 0,06, синтетически поверхностно-активных веществ (СПАВ) - 3,6, соединений меди - 0,2, железа - 19,6, цинка -0,7 и др.

Проблема сокращения сброса загрязненных сточных вод и улучшения гидрохимического состояния водоемов возможна только в результате их очистки, обезвреживания и утилизации.

Прогрессивным направлением развития технологии очистки сточных вод является создание производств с замкнутым циклом водоснабжения,

когда эти воды, пройдя очистные сооружения, вновь используются в водообороте предприятия. Такие сооружения являются дорогостоящими и сложными. Они включают искусственно - биологическую, химическую, химико-биологическую и другие виды очистки, а стоимость их достигает 50 -100% сметной стоимости предприятий, в некоторых случаях и выше. При этом примерный суммарный эффект удаления загрязнений не превышает 8590%. Перспективной является также технология естественных биологических способов очистки и в частности, бокс-пруды, биологические пруды, где очистка происходит на 98% и более за счет деятельности специально подобранных водорослей, высшей растительности и млекопитающих, а также поля фильтрации, биологические каналы и др.

Наиболее экономически выгодной и экологически безопасной технологией очистки и утилизации сточных вод является использование их для орошения сельскохозяйственных культур, где достигается полная очистка (100%).

При орошении полей сточными водами решается одновременно несколько задач: происходит почвенная очистка сточных вод, предотвращается сброс сточных вод в водоисточники, увлажняется почва и используются питательные элементы сточных вод, что повышает урожайность сельскохозяйственных культур.

Метод почвенной очистки относят к естественному биологическому способу очистки сточных вод. Процесс почвенной очистки управляем: можно достигнуть полного обезвреживания примесей сточных вод в почве, усвоения питательных элементов растениями, при условии соблюдения технологии сельскохозяйственного использования сточных вод (оптимальной поливной и оросительной норм, режима орошения, подбора сельскохозяйственных культурЛхостава сточных вод_и их подготовки к орошению).

Примеси хточыых вод в органической форме ловышаюх содержание гумуса, улучшают минеральное питание растений. Полив. сточными водами

после механической очистки предпочтительнее полива сточными водами после биологической очистки, так как искусственно-биологическая очистка все органические вещества переводит в минеральные легко растворимые, хорошо мигрирующие по профилю почвы с оросительной водой.

Орошение сточными водами повышает ллодородие лочв, вследствие наличия в них биогенных элементов, органических веществ и полезных микроорганизмов. Во многих странах восточной Азии и Западной части Океании практика внесения экскрементов и нечистот в почву позволяет уже более 4-х тысяч лет сохранять ее плодородие и остается основой их обезвреживания.

Сточные воды промышленных предприятий существенно отличаются между собой, что связано с технологией производства. Более благоприятным химическим составом, наряду с некоторыми другими предприятиями, характеризуются сточные воды легкой промышленности (тонкосуконные фабрики и др.), которые, как правило, пригодны для орошения после их предварительной локальной очистки, чаще в смеси с хозяйственно-бытовыми сточными водами. Обычно поливные сточные воды (промышленные и хозяйственно-бытовые) поступают в единую канализационную сеть и потребитель сам готовит их к орошению.

Сточные воды находят применение в различных почвенно-климатических зонах, в том числе и в условиях Московской области. Одним из таких показательных примеров является более чем 30-ти-летнее (с 1963 г.) успешное функционирование земледельческих полей орошения (ЗПО) пос. Старая Купавна Ногинского района Московской области. Существенной особенностью данного объекта в сельскохозяйственном отношении является преобладание на ЗПО бедных супесчаных дерново-подзолистых почв, а также применение технологии круглогодового орошения сточными водами, рекомендуемой именно на легких хорошо фильтрующих почвах.

Создание ЗПО в пос. Старая Купавна обусловлено необходимостью обезвреживания прежде всего, производственных (промышленных) сточных вод Купавинской тонкосуконной фабрики, с примесью (не менее 20%) бытовых стоков поселка фабрики. В 1962-1963 гг. небольшую часть бытовых стоков поселка фабрики стали использовать на ограниченной площади в организованном в 1960-1961 гг. экспериментальном хозяйстве центральной научно-исследовательской станций по сельскохозяйственному использованию сточных вод (ЦНИССВ). Систематическое орошение на ЗПО было начато после завершения строительства в 1967 г. самостоятельного магистрального напорного трубопровода и канализационной насосной станции подачи промстоков фабрики.

К системе канализации подключены также бытовые стоки. На ЗПО используются смешанные сточные воды после совместной предварительной, в основном, механической очистки и обеззараживания их в бокс-прудах.

Многочисленными исследованиями установлена высокая эффективность земледельческих полей орошения круглогодового действия с использованием сточных вод текстильных фабрик и их сочетания с хозяйственно-бытовыми сточными водами. Однако сведений о влиянии их на почвенные процессы, плодородие почв, урожайность кормовых культур и качество продукции при длительном круглогодовом орошении недостаточно. Цель и задачи исследований. Целью исследований являлось выявление особенностей многолетнего круглогодового орошения смешанными сточными водами и комплексная оценка их влияния на свойства супесчаных дерново-подзолистых почв, урожайность и качество кормовых культур в условиях Московской области.

Для выполнения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить химический состав сточных вод и дать им агрономическую и санитарно-химическую оценку.

2. Изучить и обосновать режим круглогодового орошения смешанными сточными водами при выращивании многолетних злаковых трав.

3. Установить влияние круглогодового многолетнего орошения смешанными сточными водами на изменение водно-физических, агрохимических, биологических свойств легких дерново-подзолистых почв и накопление в них микроэлементов, в том числе тяжелых металлов.

4. Выявить влияние многолетнего круглогодового орошения смешанными сточными водами на состояние грунтовых вод.

5. Изучить влияние орошения смешанными сточными водами на урожайность и качество многолетних трав.

Научная новизна. Впервые для условий Московской области дана оценка влияния многолетнего (более 30 лет) круглогодового орошения смешанными сточными водами (тонкосуконной фабрики в смеси с хозяйственно-бытовыми) на супесчаные дерново-подзолистые почвы, многолетние травы и грунтовые воды. Изучен химический состав смешанных сточных вод и дана их ирригационная и токсикологическая оценка. Научно обоснованы годовые нормы нагрузки поливных сточных вод. Установлено влияние многолетнего орошения сточными водами на почвенные процессы, свойства и плодородие почв. Выявлены закономерности в изменении водно-физических, агрохимических и биологических свойств почв в зависимости от годовых норм нагрузок при длительном круглогодовом орошении. Определено влияние многолетнего круглогодового орошения смешанными сточными водами на уровень грунтовых вод и их гидрохимический состав. Установлено влияние многолетнего орошения смешанными сточными водами на изменение содержания микроэлементов, в том числе тяжелых металлов в почве, растениях и грунтовых водах в зависимости от годовых норм нагрузок. Изучено влияние круглогодового орошения смешанными сточными водами на урожайность и качество многолетних трав.

Практическая ценность работы. Круглогодовое использование подготовленных смешанных сточных вод на полях орошения позволит предотвратить их сброс в поверхностные водные источники и не допустить загрязнения этих вод биогенными элементами и тяжелыми металлами. На основании полученных результатов исследований и оценки материалов НИИССВ "Прогресс" разработаны годовые нормы внесения стоков (вегетационные и невегетационные) при многолетнем круглогодовом орошении смешанными сточными водами. Установлено, что невегетационная норма должна составлять 1,5-3 тыс. м3/га и подаваться за 12 полива. В вегетационный период при орошении многолетних трав рекомендуется проводить 3-6 поливов с вегетационной оросительной нормой

3 3

2-4 тыс. м /га и годовой нормой нагрузки сточных вод - 3,5-5,5 тыс. м /га в зависимости от погодных условий. При этом повышается плодородие супесчаных дерново-подзолистых почв. Прибавка урожая многолетних трав по сравнению с контролем (без орошения) увеличивается примерно в 2 раза без заметного ухудшения качества кормовой продукции.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались в 1997 г. на заседании кафедры общего земледелия, а в 1998 и 1999 гг. на кафедре почвоведения, агрохимии и агроэкологии РУДН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 научных

работ.

Объем работы. Диссертация изложена на 148 странице машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, включающих: литературный обзор, объекты и методику исследований, результаты экспериментальных исследований, выводы и рекомендации производству. Список использованной литературы насчитывает 159 наименований, в том числе 35 на иностранном языке.

Глава I. Обзор литературы

1.1. Особенности формирования и очистки смешанных сточных

вод

Смешанные сточные воды представляют собой смесь бытовых (хозяйственно-фекальных) и сточных вод промышленных предприятий, поступающих в канализационные сети. Соотношение их определяет химический состав и качество сточных вод.

Согласно разработкам УкрНИССВ (1986), бытовые сточные воды содержат органические и минеральные примеси, бактериальные загрязнения и яйца гельминтов. По составу эти воды сравнительно однообразны, большей частью пресные с большим количеством питательных веществ и высокой биологической активностью. Как отмечают В.М. Новиков, Э.Е. Элик (1986) хозяйственно-бытовые сточные воды сильно отличаются между собой. Они содержат питательные элементы и соли, моющие и специфические вещества. Так, при орошении многолетних трав бытовыми сточными водами г. Кедайняй, прошедших механическую очистку, содержание питательных элементов составляло: N - 29,5-40 мг/л, Р2О5- 2,29-7,4 мг/л и К20 - 28-34,7 мг/л (Н.Г. Андреев, Я.И. Бересневичуте, 1969). По данным В.В. Игнатовой (1969) при выращивании силосных культур в совхозе "Ногинский" использовались бытовые сточные воды, имеющие бикарбонатно-сульфатный состав и нейтральную или слабощелочную реакцию среды. При этом содержание азота составляло 60 мг/л, Р205 -13,6 и К20 -16,2 мг/л.

Хозбытовые сточные воды пос. "Шушары" Ленинградской области, подаваемые на склон для очистки, по исследованиям Р.П.Воробьевой (1997), характеризовались стабильно слабощелочной реакцией среды (рН = 7,0-8,1), низким содержанием питательных элементов: азота общего до 60 мг/л (в том числе аммиачного 30 мг/л), фосфора до 20 мг/л, калия до 52 мг/л. Загрязненность вод по БПК5 варьировала в пределах 76-113 мг/л.

Содержание органического вещества по ХПК изменялось от 94 до 111 мг/л. Общая минерализация не превышала 0,33 г/л. По данным того же автора хозбытовые сточные воды пос. "Яровое" Алтайского края обладали щелочной реакцией (рН = 8,3) и малой степенью минерализации (до 0,5 г/л по прокаленному остатку). Среди питательных элементов, азот общий составлял в среднем 47 мг/л, фосфор - 4,5 и калий - 66 мг/л.

Выполненные многочисленные обобщения Л.П. Овцовым, В. В. Игнатовой, Э.Е. Элик и др.(1989) по составу хозяйственно- бытовых сточных вод показали, что эти воды характеризуются как правило, невысокой концентраций растворенных веществ (не выше 1,0 г/л), нейтральной реакцией среды или близкой к ней, малым содержанием органических веществ, низкой удобрительной ценностью. По данным Л.П. Овцова, С.И. Мишина, Л.Е. Кутепова и др. (1997) в хозяйственно-бытовых сточных водах отмечается высокий уровень биологического загрязнения. Химический состав, удобрительная ценность хозяйственно-бытовых сточных вод и их использование на земледельческих полях орошения изучено достаточно детально (