Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Выращивание лесопосадочного материала с использованием гидролизного лигнина и иловых осадков на дерново-подзолистых почвах Марий Эл

ВАК РФ 06.03.01, Лесные культуры, селекция, семеноводство

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Мухортов, Дмитрий Иванович, Йошкар-Ола

т

(/(

/ \ / Л

На правах рукописи

Мухортов Дмитрий Иванович

ВЫРАЩИВАНИЕ ЛЕСОПОСАДОЧНОГО МАТЕРИАЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОЛИЗНОГО ЛИГНИНА И ИЛОВЫХ ОСАДКОВ НА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВАХ МАРИЙ ЭЛ

Специальность 06.03.01 - Лесные культуры, селекция, семеноводство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Е.М. Романов

Йошкар-Ола 1999

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК......................... 9

1.1. Физико-химическая характеристика гидролизного лигнина и иловых осадков очистных сооружений.............................................. 9

1.2. Агрохимическая оценка гидролизного лигнина, иловых осадков очистных сооружений и удобрений на их основе........................................................................................ 14

1.3. Модификация гидролизного лигнина и иловых осадков путем совместного компостирования....................................................... 24

1.4. Использование удобрений на основе гидролизного лигнина и иловых осадков в лесном хозяйстве.................................................. 30

2. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА, ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ.......................................... 35

2.1. Программа исследований..................................................... 35

2.2. Объекты исследований......................................................... 36

2.3. Методика выполнения полевых экспериментов......................... 40

2.4. Методика выполнения лабораторных исследований................... 45

3.ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................. 48

3.1. Климатические условия Республики Марий Эл......................... 48

3.2. Геологическое строение, рельеф и гидрография........................ 50

3.3. Лесорастительное, лесокультурное районирование и растительность.................................................................................... 53

3.4. Почвы и почвообразующие породы....................................... 54

3.5. Физические и агрохимические свойства дерново-подзолистых суглинистых почв лесных питомников......................................... 55

4. ПРОИЗВОДСТВО НЕТРАДИЦИОННЫХ ОРГАНО -

МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ ДЛЯ ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКОВ....... 63

4.1 Агроэкологическая оценка гидролизного лигнина и иловых осадков....................................................................................... 63

4.2. Оптимизация дозы внесения известковых материалов при нейтрализации гидролизного лигнина............................................... 67

4.3. Биотехнологические аспекты производства НОМУЛП................ 72

4.4. Технологии производства НОМУЛП...................................... 84

5. АГРОЛЕСОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НЕТРАДИЦИОННЫХ ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ ДЛЯ ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКОВ...................................................................... 118

5.1. Влияние НОМУЛП на поступление в дерново-подзолистые суглинистые почвы и растения солей тяжелых металлов....................... 118

5.2. Влияние состава и дозы внесения НОМУЛП на физико-химические свойства почвы....................................................... 103

5.3. Влияние совместного внесения НОМУЛП и песка на физико-химические свойства дерново-подзолистых суглинистых почв........... 107

6. ВЛИЯНИЕ НОМУЛП НА РОСТ СЕЯНЦЕВ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ.................................................................................. 119

6.1. Влияние дозы внесения в почву НОМУЛП на рост сеянцев......... 119

6.2. Влияние совместного внесения в почву НОМУЛП и песка на рост сеянцев ели............................................................................ 139

7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОЛИЗНОГО ЛИГНИНА И УДОБРЕНИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ В ШКОЛЬНОМ ОТДЕЛЕНИИ ПИТОМНИКА........;......................................................................... 146

7.1. Влияние дозы внесения в почву НОМУЛП на рост саженцев сосны...................................................................................... 146

7.2. Использование специального субстрата на основе гидролизного лигнина и песка в качестве мульчирующего материала при выращи-

вании саженцев ели..................................................................................................................................148

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................................161

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ......................................................................................164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................166

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................168

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................190

ВВЕДЕНИЕ

Почва и ее плодородие является одним из основных факторов влияющих на качество и выход лесопосадочного материала. Около 25% всех постоянных лесных питомников Республики Марий Эл расположены на дерново-подзолистых суглинистых почвах. В результате длительного периода эксплуатации лесных питомников, преобладания монокультуры при выращивании посадочного материала, значительного выноса питательных веществ при выкопке сеянцев и саженцев, не всегда обоснованного использования средств химизации приводит к снижению плодородия, ухудшению водно-физических, химических и биологических свойств данного типа почв. Что в свою очередь ведет к ухудшению качества и снижению выхода лесопосадочного материала. В связи с этим особую актуальность приобретает производство и применение местных органоминеральных удобрений на основе органических отходов. К ним на территории Республики относятся гидролизный лигнин - многотоннажный отход гидролизно-дрожжевого производства и иловые осадки очистных сооружений. Их использование в качестве почвоулучшителей решает и экологическую проблему.

Проблема деградации дерново-подзолистых суглинистых почв лесных питомников не может быть решена только повышением содержания в их пахотном горизонте органического вещества. Повышение плодородия почв должно основываться на комплексном воздействии на них за счет внесения органических, минеральных удобрений, известковых материалов и песка. Поэтому разработка рекомендаций по комплексной мелиорации дерново-подзолистых суглинистых почв является определяющим условием продления сроков эффективного функционирования лесных питомников на данных типах почв и получения посадочного материала высокого качества.

Цель и задачи исследований. Цель исследований заключалась в разработке технологий производства нетрадиционных органо-минеральных

удобрений для лесных питомников (НОМУЛП) на основе ИО и ГЛ и оценке эффективности их влияния на плодородие дерново-подзолистых суглинистых почв, рост сеянцев и саженцев древесных растений.

В соответствии с поставленной целью в задачи исследований входило:

- изучить биотехнологические аспекты производства органо-минерального удобрения на основе ИО и ГЛ, в том числе разработать методики оптимизации дозы внесения известковых материалов для нейтрализации гидролизного лигнина;

- изучить агролесоэкологические вопросы влияния НОМУЛП на свойства дерново-подзолистых суглинистых почв, в том числе транслокацию подвижных форм тяжелых металлов по почвенному профилю;

- определить оптимальные дозы внесения НОМУЛП и возможность их применения с песком для комплексной мелиорации деградированных дерново-подзолистых суглинистых почв путем агрохимической диагностики и изучения отзывчивости сеянцев и саженцев древесных растений;

- обосновать возможность применения гидролизного лигнина и смесей на его основе в качестве мульчирующего материала для борьбы с сорной растительностью и оптимизации водного и температурного режимов почвы в школьном отделении питомника.

Научная новизна работы. Предложена методика расчета норм внесения известковых материалов для нейтрализации кислотности ГЛ, определены оптимальные дозы внесения НОМУЛП в дерново-подзолистые суглинистые почвы при выращивания сеянцев и саженцев. Теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность комплексной мелиорации дерново-подзолистых суглинистых почв с применением НОМУЛП. Доказана эффективность использования субстрата на основе ГЛ в качестве мульчирующего материала для снижения засоренности посадок в школьном отделении питомника.

Практическая ценность полученных результатов. Разработаны технологии и организовано производство НОМУЛП в Мушмаринском лесопитомнике Комитета по лесному хозяйству Республики Марий Эл и Кададин-ском ОЛХ Пензенского управления лесами. Внедрение рекомендаций позволило получить в 1996-1998 годах экономию денежных средств в сумме 23452 деноминированных рублей. Технические условия ТУ 9291 - 001 - 02069579 -98 «Удобрения на основе отходов гидролизно-дрожжевого производства» утвержденны Федеральной службой лесного хозяйства России.

Апробация. Материалы исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Восстановление, выращивание и комплексное использование сосновых лесов России» (Йошкар-Ола, 1995г), II съезде почвоведов (Санкт-Петербург, 1996), международной конференции «Почва, отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля» (Пенза, 1996), научной конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов, сотрудников МарГТУ (Йошкар-Ола, 1996), научно-практической конференции «Современные проблемы учета и рационального использования лесных ресурсов» (Йошкар-Ола, 1998).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Личный вклад автора заключается в обработке литературных данных, постановке программы и методики исследований, сборе и анализе экспериментального материала, формулировании выводов и рекомендаций производству.

Научные положения и рекомендации, составляющие предмет защиты:

1. Агролесоэкологическое обоснование возможности применения НОМУЛП при выращивании сеянцев и саженцев на дерново-подзолистых суглинистых почвах;

2. Методика расчета норм внесения известковых материалов для нейтрализации кислотности ГЛ;

3. Разработанные технологии производства НОМУЛП;

4. Целесообразность и эффективность совместного внесения песка и НОМУЛП при комплексной мелиорации дерново-подзолистых суглинистых почв;

5. Обоснование возможности применения специального субстрата на основе ГЛ в качестве мульчирующего материала для снижения засоренности посадок в школьном отделении питомника.

Обоснованность и достоверность результатов исследований основаны на достаточном объеме экспериментального материала и его обработке методами математической статистики, а также воспроизводимости результатов. Для определения биометрических показателей было измерено 9580 сеянцев и 2714 саженцев древесных растений, произведено взвешивание 516 образцов растительного материала при определении массы отдельных органов сеянцев и саженцев, выполнен агрохимический анализ 306 смешанных образцов почвы и 182 органо-минеральных удобрений и их компонентов.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 159 страниц машинописного текста, в том числе 46 таблиц и 23 рисунка. Список литературы включает 178 наименований, в том числе 18 иностранных авторов.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК

Одной из важнейших задач при выращивании лесопосадочного материала является оптимизация почвенной экологии. Этого невозможно добиться без применения органических удобрений. Они служат основным средством повышения гумусированности почв, являющейся важнейшим признаком степени их окультуренности (Тюрин, 1965, Ковда, 1981, Лыков. 1984, Кулав-ская, 1984, Васильев и др., 1984).

Как показала практика, основным видом органических удобрений, применяемых в лесных питомниках Марий Эл и ряда других регионов России, выступает торф. Но запасы торфа ограничены, а в ряде районов его практически нет. Перевозка же торфа на большие расстояния (более 50 км) сопряжена со значительными затратами средств и экономически нецелесообразна (Тикавый и др., 1983). Использование нетрадиционных удобрений, полученных на основе органических отходов одно из перспективных направлений в обеспечении бездефицитного баланса гумуса почв лесных питомников. На территории Республики Марий Эл к ним можно отнести гидролизный лигнин (ГЛ) и иловые осадки (ИО) очистных сооружений, сотни тысяч тонн которых скопилось на очистных сооружениях канализации (ОСК), других местах складирования. Их утилизация в качестве почвенных мелиорантов решает и экологическую проблему - снижается вероятность загрязнения ими окружающей среды.

1.1. Физико-химическая характеристика гидролизного лигнина и иловых осадков очистных сооружений

Гидролизный лигнин представляет собой наиболее многотоннажный отход гидролизно-дрожжевого производства. Это сыпучая масса с относительно постоянным гранулометрическим составом. Исследованиями З.С. Ка-

лугиной, A.C. Синникова, Т.Б. Мошковой (1982) установлено, что основную массу его (85-90%) составляют частицы размером менее 5 мм. ГЛ является хорошим адсорбентом - 1 г его имеет внутреннюю поверхность до 790 м2 (Тикавый и др., 1983), он характеризуется большой емкостью поглощения -до 100 мгэкв/100 г, влагоемкость достигает 250% (Ефремов, Курмышева, 1994).

Многие исследователи высказывают мнение, что технический гидролизный лигнин близок по своему составу с природным (Иванова, 1989, 1991; Чудаков, 1968, 1989; Комаров и др., 1986). Однако элементарный состав технического гидролизного лигнина несколько иной, чем чистого препарата лигнина, так как в нем помимо самого лигнина присутствует до 30% остаточных полисахаридов (Юшкевич и др., 1975). В техническом ГЛ содержится 54-58% углерода, 6,0-6,2% водорода, 35,8-40,0% кислорода. Гидролизный лигнин имеет следующие функциональные группы: ОСН3 - 11,7%, СО - 3,2, ОН - 6,85, СООН - 1,1-1,5% (Тикавый, 1983). Исследованиями З.С. Калугиной и др. (1982) установлено, что в его состав входят собственно лигнин 6070%, органические кислоты 2-3%, моносахара 6-7%, трудногидролизуемые углеводы 10-16%, смолы, жиры 4,5-6%, низкомолекулярные фенольные соединения, а также не отмытая серная кислота 0,5-2,0%.

Лимитирующим фактором, ограничивающим использование Г Л в качестве органического удобрения может являться его сильнокислая реакция, в пределах 1,9-4,7 (Калугина и др., 1982), обусловленная наличием в нем остатков серной кислоты. ГЛ также содержит в своем составе вещества фе-нольной группы, однако при добавлении в него известковых материалов происходит снижение их концентрации с одновременной нейтрализацией остатков серной кислоты (Перевертайло, 1987), а A.A. Комаров (1988) утверждает, что при внесении ГЛ в почву, он не только не выделяет в нее токсичные фенолы, а, даже напротив, поглощает их из почвы.

Тяжелые металлы в ГЛ выступают в качестве микроэлементов. Так, по исследованиям Г.В. Селюжицкого и др. (1978), медь, хром, барий, стронций, иттрий составляют 0,0002-0,2% к золе. Цинк, олово, никель, кобальт, молибден, хром, свинец, бериллий отсутствуют или присутствуют в незначительных количествах и не являются токсичными (Иванова, 1991; Якименко, 1992).

Иловые осадки очистных сооружений (ИО) - суспензии, выделяемые из сточных вод в процессе их механической, биологической и физико-химической (реагентной) очистки. Физические и химические характеристики иловых осадков зависят, в первую очередь, от вида сточных вод, поступающих на очистные сооружения, содержащих разнообразные по составу загрязнения минерального, органического и бактериального происхождения. Иловые осадки в зависимости от типа сооружений, применяемых для очистки сточных вод и обработки осадков можно подразделить на следующие виды (Туровский, 1988):

• грубые примеси (отбросы), задерживаемые решетками;

• тяжелые примеси (песок), задерживаемые песколовками;

• плавающие примеси (жировые вещества), всплывающие в отстойниках;

• сырой осадок - суспензия, включающая в основном оседающие взвешенные вещества, которые задерживаются первичными отстойниками;

• активный ил, задерживаемый во вторичных отстойниках в процессе биологической очистки;

• осадок анаэробно сброженный в осветлителях - перегнивателях, двухъярусных отстойниках и метатенках;

• аэробно стабилизированный активный ил, или его смесь с осадком из первичных отстойников в сооружениях типа аэротенков;

• сгущенный, или уплотненный активный ил или осадок в сгустителях или уплотнителях;

• осадок, обезвоженный на механических аппаратах;

• осадок, подсушенный на иловых площадках;

• осадок, термически высушенный в различных сушилках.

Влажность иловых осадков зависит от их вида, способа и продолжительности хранения и т.д. и варьирует в достаточно широких пределах от 82 до 99,7%. Иловые осадки городских сточных вод (сырые и сброженные) при влажности более 90% представляют собой жидкую текучую массу; при влажности 86-90% имеют консистенцию сметаны; при влажности 82-86% похожи на жидкую грязь, а при более низкой влажности имеют вид слегка влажной земли. Активный ил уже при влажности 88-91% имеет консистенцию сметаны, а при 85-87% и ниже вид влажной земли. Большая часть влаги осадков находится в связанном состоянии, и поэтому они обладают плохой водоотдачей (Туровский, 1988).

По мнению И.С. Туровского (1988) �