Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Решение проблемы управления твердыми бытовыми отходами как необходимое условие устойчивого развития 12
1.1. Перспективы использования биотермически переработанных твердых бытовых отходов для повышения плодородия кислых почв 12
1.2. Общемировая проблема управления твердыми бытовыми отходами 13
1.3. Оценка изменения качества окружающей среды при различных методах удаления твердых бытовых отходов 19
1.3.1. Изменение качества окружающей среды при захоронении ТБО на полигонах и свалках 19
1.3.1.1. Свалки представляют собой источник загрязнения приземного слоя атмосферы 23
1.3.1.2. Свалки воздействуют на геологическую среду 27
1.3.1.3. Захоронение ТБО как один из факторов антропогенного воздействия на глобальные циклы элементов в биосфере 32
1.3.2. Изменение качества окружающей среды при термическом обезвреживании твердых бытовых отходов (сжигании) 39
1.3.3. Изменение качества окружающей среды при механизированной переработке твердых бытовых отходов 50
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 59
2.1. Микрополевой опыт 1. Влияние компоста из твердых бытовых отходов на агрохимические свойства дерново- подзолистой почвы, рост, развитие и химичесий состав растений 60
2.2. Микрополевой опыт 2. Урожайность и химический состав растений при использовании компоста из твердых бытовых отходов в качестве компонента питательных субстратов 62
2.3. Полевой опыт. Вличние компоста из твердых бытовых отходов на агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы, урожай и химический состав зерновых культур 64
2.4. Модельный лабораторный опыт 1. Изменение подвижности химических элементов в процессе трансформации органического вещества компоста из твердых бытовых отходов... 65
2.5. Модельный лабораторный опыт 2. Переход тяжелых металлов в системе компост из твердых бытовых отходов-раствор
в зависимости от рН зкстрагента 67
2.6. Методы исследований 68
ГЛАВА 3. Влияние компоста из твердых бытовых отходов на агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы, рост, развитие и химический состав растений 70
3.1. Динамика кислотности почвы, обменного кальция и подвижных соединений фосфора и калия при использовании компоста из ТБО в качестве органического удобрения 70
3.2. Динамика нитратного азота в почве в процессе минерализации компоста из ТБО 80
3.3. Влияние компоста из ТБО на рост и развитие растений 86
3.4. Влияние компоста из ТБО на химический состав растений 90
3.4.1. Влияние компоста из ТБО на накопление тяжелых металлов растениями 90
3.4.2. Влияние компоста из ТБО на накопление азота, фосфора, калия и кальция растениями 104
ГЛАВА 4. Влияние компоста из твердых бытовых отходов на агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы, урожай и химический состав зерновых культур 110
4.1. Влияние компоста из ТБО на урожай зерновых культур 110
4.2. Влияние компоста из ТБО на химический состав зерновых культур 111
4.2.1. Зависимость поступления химических элементов в растения от условий проведения эксперимента 111
4.2.2. Влияние компоста из ТБО на вынос азота, фосфора, калия и кальция с урожаем зерновых культур 114
4.2.3. Влияние компоста из ТБО на поступление тяжелых металлов в растения 120
4.3. Динамика кислотности почвы и подвижных соединений кальция, фосфора и калия в процессе трансформации компоста из ТБО в условиях полевого эксперимента 123
4.4. Динамика кислоторастворимых соединений цинка, меди и марганца в почве в процессе трансформации
компоста из ТБО 132
ГЛАВА 5. Урожайность и химический состав сельскохозяйственных культур при использовании компоста из твердых бытовых отходов в качестве компонента питательных субстратов 137
5.1. Урожайность сельскохозяйственных культур при использовании компоста из ТБО в качестве компонента субстратов 137
5.2. Влияние субстратов на основе компоста из ТБО на накопление тяжелых металлов растениями 140
5.3. Динамика кислотности субстратов. Зависимость содержания азота, углерода, подвижных соединений фосфора, калия и обменного кальция от объемной доли компоста в субстрате 146
ГЛАВА 6. Изменение подвижности химических элементов в процессе трансформации органического вещества компоста из твердых бытовых отходов 153
Глава 7. Переход тяжелых металлов в системе компост из твердых бытовых отходов - раствор в зависимости от рн экстрагента 179
7.1. Причины низкого уровня биодоступности тяжелых металлов в системе компост из ТБО-почва-растение 179
7.2. Зависимость перехода ТМ в системе
компост из ТБО - раствор от рН экстрагента 182
ГЛАВА 8. Агроэкологическая характеристика компоста из твердых бытовых отходов 193
Выводы 212
Рекомендации производству
- Оценка изменения качества окружающей среды при различных методах удаления твердых бытовых отходов
- Микрополевой опыт 2. Урожайность и химический состав растений при использовании компоста из твердых бытовых отходов в качестве компонента питательных субстратов
- Динамика нитратного азота в почве в процессе минерализации компоста из ТБО
- Влияние компоста из ТБО на химический состав зерновых культур
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема управления твердыми бытовыми отходами (ТБО) в последние десятилетия является глобальной экологической проблемой. Ежегодно на планете образуются миллионы тонн ТБО, во вторичный оборот включается не более 4%. Подавляющее количество ТБО продолжают вывозить на свалки (полигоны). В результате сотни тысяч гектаров почвы оказались погребены под антропогенными отложениями, представляющими собой геохимические аномалии полиэлементного состава. При этом, по некоторым оценкам, (Крельман Э.Б., 1993) теоретически около 90 % отходов можно вовлечь во вторичный хозяйственный оборот. На государственном и международном уровнях ведутся дискуссии о выборе экономически выгодных и экологически целесообразных стратегиях обращения с отходами.
Существующие технологии биотермической переработки ТБО позволяют получить компост, по физико-химическим свойствам и теплотворной способности близкий к традиционным органическим удобрениям. Данный продукт характеризуется высоким содержанием органического вещества и наличием всех элементов, необходимых для питания растений. По содержанию углеводов, белков и лигнина, компост из ТБО сравним с растительными остатками, поступающими в почву. Исследования (Дуденков СВ. и др., 1984.; Цуркан М.А. и др., 1989;. Serrawittling С, Houot S., Barriuso Е. 1996) свидетельствуют, что использование компоста из ТБО улучшает агрофизические и биологические свойства почвы, почвенную структуру, уменьшает эрозию, увеличивает влагоудерживающую способность.
За последние десятилетия в Нечерноземной зоне РФ резко сократилось количество вносимых органических удобрений, и темпы потерь гумуса в почвах составили 0,5-1,7 т/га. В связи с этим актуальна проблема положительного баланса органического вещества в почве и поддержания плодо-
родия почв (Органические удобрения...., 1984; Выполнение «Федеральной
комплексной программы », 2000).
Наши исследования показывают, что компост из ТБО обладает дли
тельным нейтрализующим действием на почвенную кислотность. Использо
вание его на кислых дерново-подзолистых почвах равноценно известкова
нию. (Витковская С.Е., Дричко В.Ф., 2002). В настоящее время это особен
но актуально, так как в последние годы площади известкования в России со
кратились в 15-20 раз (Эколого-экономические основы 2000).
Компост из ТБО не находит широкого применения в агросфере из-за повышенных концентраций некоторых тяжелых металлов и наличия балластных включений. Решение проблем улучшения качества компоста и снижения экологического риска при его использовании включает в себя следующие основные задачи: введение селективного сбора ТБО, усовершенствование технологии производства компоста, нормирование поступления примесных элементов в почву и контрольные мероприятия.
Включение максимально возможного количества органических отходов в биологический круговорот путем использования в агросфере позволит регулировать антропогенные потоки веществ, снизить уровень негативного воздействия продуктов трансформации отходов на экосистемы и управлять плодородием кислых почв.
Однако при включении отходов в биологический круговорот происходит комплексное воздействие на экосистему: изменяется элементный состав системы почва - почвенный раствор - растение. Изменение элементного состава происходит на протяжении всего периода минерализации отходов. В связи с этим актуальны исследования, направленные на прогнозирование экологических последствий использования переработанных ТБО.
Для оценки изменения состояния агроэкосистем в процессе взаимодействия биотермически переработанных ТБО с почвой необходимо получение кинетических характеристик трансформации органического вещества
отходов и распределения продуктов их трансформации по компартментам агроценоза.
Цель работы. Агроэкологическое обоснование использования био-термически переработанных твердых бытовых отходов для повышения плодородия кислых почв.
Задачи исследования:
1. Выявить преимущества биотермической переработки ТБО по сравнению
с другими широко используемыми методами обезвреживания отходов (вывоз на свалки, сжигание).
Дать агроэкологическую оценку компоста из твердых бытовых отходов.
Обосновать подходы к нормированию и контролю содержания тяжёлых металлов в почве при использовании биотермически переработанных ТБО для повышения плодородия почв.
Оценить возможности использования компоста из ТБО в качестве мелиоранта кислых почв.
Изучить влияние компоста из ТБО при использовании его в качестве органического удобрения на агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы, рост, развитие и химический состав растений.
Изучить закономерности формирования урожая и изменения химического состава растений при использовании компоста из ТБО в качестве компонента питательных субстратов.
Изучить закономерности распределения тяжелых металлов в системе компост из ТБО - почва - растение.
Получить кинетические характеристики трансформации органического вещества компоста из ТБО.
Изучить динамику подвижных соединений химических элементов в процессе трансформации органического вещества компоста из ТБО.
10. Установить зависимость перехода тяжелых металлов, содержащихся в
компосте из ТБО, в раствор от рН экстрагента.
Научная новизна исследований. Показано, что захоронение ТБО, а также уничтожение их при сжигании можно рассматривать как существенный фактор антропогенного воздействия на глобальные циклы элементов (углерод, азот, фосфор) в биосфере. Полученные в работе сведения и закономерности распределения химических элементов в системе компост из ТБО - почва - растение дополняют имеющуюся информацию о процессах трансформации органосодержащих веществ в почвах. Впервые получены кинетические характеристики экологического состояния агроценоза при использовании биотермически переработанных ТБО в качестве органического удобрения и мелиоранта кислых почв. Впервые установлено, что нейтрализующее действие компоста на почвенную кислотность более продолжительно, чем при использовании известняковой муки. Доказано, что свежий компост оказывает более продолжительное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур и вынос биофильных элементов растениями, чем компост, прошедший стадию дозревания в штабелях или использованный в качестве биотоплива. Сформулированы возможные причины фитотоксич-ности свежего компоста. Предложен коэффициент, позволяющий исключить влияние видовых особенностей растений на оценку изменения биодоступности химических элементов в процессе трансформации мелиорантов в почве. Выявлены причины низкого уровня биодоступности тяжелых металлов в системе компост из ТБО - почва - растение. Впервые установлена зависимость перехода тяжелых металлов в системе компост из ТБО - раствор от рН экстрагента.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы: 1. При выборе стратегии управления отходами на государственном и региональном уровнях.. 2. При разработке технологий и рекомендаций по использованию компоста из ТБО в качестве органического удобрения и мелиоранта кислых почв, а также в качестве основного ингредиента при производстве органо-минеральных удобрений и питательных
субстратов и грунтов. 3. При оценке экологического риска, связанного с использованием компоста из ТБО.
На основании проведенных исследований разработаны «Технические условия» на компост из ТБО, вырабатываемый на Санкт-Петербургских заводах ГУП «Завод МПБО-2» и ЗАО «Опытный завод МПБО».
Основные положения, выносимые на защиту:
Процесс трансформации органической фракции ТБО является одним из основных факторов опасности на свалках, полигонах и прилегающих к ним территориях.
Возврат биотермически переработанных ТБО в сельскохозяйственные и городские земли является одним из активных элементов замыкания биологического круговорота веществ.
При использовании компоста из ТБО в качестве удобрения и мелиоранта кислых почв улучшаются агрохимические и агрофизические свойства почв, возрастает урожайность сельскохозяйственных культур.
Тяжелые металлы, поступающие в почву с компостом, длительное время находятся в труднодоступных для растений формах.
Нормированное использование компоста в качестве органического удобрения и мелиоранта не приводит к загрязнению почв и урожая тяжелыми металлами. Использование компоста из ТБО, производимого на Санкт-Петербургских заводах МПБО, должно быть ограничено в первую очередь из-за повышенных концентраций Pb, Zn и Си.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на: межвузовской научно-практической конференции "Биология и экология в системе современного педагогического образования", Санкт-Петербург-Ставрополь, 1994; Всесоюзной научной конференции "Научные основы ведения агропромышленного производства в условиях крупных радиационных аварий», Обнинск, 1998; седьмой ежегодной научной конференции "XXI век: молодежь, образование, экология, ноосфера", СПб, 1999.; третьем международном коллоквиуме "Полевые эксперименты для устойчивого
11 земледелия", СПб, 1999; Fifth International Symposium and Exhibition on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe., Prague 2000; Международной научной конференции «Современные проблемы органической химии, экологии и биотехнологии», КГУ, Луга. 2001; международной научно-практической конференции «Агрофизика XXI века» (к 70-летию образования Агрофизического института) СПб, 2002; международном симпозиуме «Экологические и технологические вопросы производства и использования органических и органоминеральных удобрений на основе осадков сточных вод и твердых бытовых отходов», Владимир, 2003; VI съезде Докучаевского общества почвоведов, Новосибирск, 2004; научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава СПб государственного аграрного университета (1994, 1995. 1998, 2005); научно-методических семинарах лаборатории химической и биологической мелиорации почв АФИ (2000-2005 г.г.).
По результатам исследований опубликовано 28 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, выводов и рекомендаций производству. Работа изложена на 249 стр. компьютерного текста, содержит 66 таблиц и 34 рисунка. Список литературы включает 292 источника, из которых 57 принадлежат зарубежным авторам.
Оценка изменения качества окружающей среды при различных методах удаления твердых бытовых отходов
Для захоронения отходов мегаполисы постоянно требует отчуждения все новых и новых площадей.
Городские свалки занимают более 700 тыс. га поверхности планеты (по данным на 1989 год), ежегодно занимаемая ими площадь увеличивается на 15 тыс. га (Амосов Д.А. и др., 2000).
Оценки показывают (Концепция обращения с...., 2003) что в РФ действующие свалки и полигоны занимают 40 тыс. га земли, кроме того, около 50 тыс. га составляет площадь закрытых (заполненных) свалок и полигонов. Дополнительно ежегодно для захоронения ТБО отчуждается около 1 тыс. га. Из всего количества полигонов только 8% отвечают санитарным требованиям.
По некоторым данным (Мелкумов Ю.А., 1998; Астрецов В.М. и др., 1998), площадь территории, подверженной воздействию полигона, примерно в 10 раз превышает площадь, занимаемую полигоном (свалкой). Эти территории сопоставляют с зонами экологического бедствия.
Таким образом, исходя из данных (Амосов Д.А. и др., 2000; Мелкумов Ю.А., 1998; Астрецов В.М. и др., 1998), к 2005 году на Земле площадь, занимаемая свалками должна составлять 940 тыс.га, а отчуждаемая ими территория - 9 млн. 400 тыс. га. Только на территории Московского региона под действующие поли 20 гоны отведено более 880 га. (Букреев Е.М., Корнеев В.Г., 1999; Мелкумов Ю.А., 1998). В районе Санкт-Петербурга свалки и полигоны занимают более 680 га. Из них около 300 га - закрытые свалки. Несанкционированные свалки занимают 256 га (Федоров М.П., Прохорова А.Р., 1997). Действующие по лигоны (ПТО-1 и ПТО-3), занимают площадь 127,5 га (Экологическая об становка 1997). Известно (Дуденков СВ. и др., 1984), что для захоронения 1 т мусора требуется площадь 3 м2.
Беньямовский Д.Н. приводит данные (Беньямовский Д.Н., 1994), что по прогнозам в России к 2005 объем образования ТБО должен возрасти примерно до 38 млн. т, а по СНГ - до 70 млн. т. Таким образом, при захоронении на полигонах 97% ТБО, ежегодное увеличение площади свалочных масс составит 111 и 204 млн. м соответственно. Согласно статистическим данным (Беньямовский Д.Н., 1994) только в Австралии, Англии, Бельгии, Дании, Италии, Канаде, США, Франции, ФРГ, Швейцарии и Японии ежегодно вывозится на полигоны 294,9 млн. т ТБО (из них - 71,5% - в США). Нетрудно подсчитать, что для захоронения такого количества ТБО ежегодно требуется площадь около 885 млн. м2 (88,5 тыс. га).
Полигоны проектируются на срок эксплуатации от 15 до 20 лет (Албо-ров И.Д., Степанова С.Н., 2002). Однако реально эксплуатация их продолжается гораздо дольше. При закрытии полигонов толщина запирающего грунта обычно составляет около 1 м, а мощность свалочных отложений может достигать десятков метров (Мелкумов Ю.А., 1998).
Полигоны и свалки ТБО представляют собой техногенно измененные экосистемы, самовосстановление которых в обозримом будущем невозмож но. Такие системы называют (Экология ,1997) «антропогенная экологи ческая система» и «эколого-экономическая система». Свалочные отложения являются техногенным аккумулятором биофильных элементов и тяжелых металлов (Минько О.И. и Лифшиц А.Б., 1992). В зону воздействия тела полигона (свалки) попадает геологическая среда, подземные воды, воздушная среда, а также поверхностные воды, донные отложения, почвенный и растительный покров прилегающих территорий.
Захоронение отходов на полигоне (свалке) приводит к изменению всех структурных компонентов естественной природной экосистемы: резко изменяется состав неорганических и органических веществ, которые включаются в биологический круговорот; продукты трансформации отходов изменяют химический состав водной, воздушной и почвенной сред; изменяется видовой состав продуцентов, консументов и редуцентов; изменяются элементы рельефа местности.
Длительность протекания процессов разложения органосодержащих отходов на полигонах ТБО составляет от 20 до 100 лет (Алборов И.Д., Степанова С.Н., 2002).
Данные обследования полигонов и свалок Московского региона (Мел-кумов Л.А. и др., 1999) свидетельствуют, что воздействие полигонов ТБО на природную среду изменяется в широких пределах - от слабого до катастрофического. Разнообразие природно-технических систем "полигон ТБО -природная среда" обусловлено главным образом выбором геоэкологических условий участков и соблюдением природоохранных мероприятий.
Однако для любой системы "полигон ТБО - природная среда" используются общие критерии оценки отклонения данной системы от равновесного состояния.
Складирование и захоронение отходов приводит к концентрированию химических веществ в окружающей среде и формированию мелкоконтурных полиэлементных геохимических аномалий.
Микрополевой опыт 2. Урожайность и химический состав растений при использовании компоста из твердых бытовых отходов в качестве компонента питательных субстратов
Наблюдали рост, развитие и химический состав растений при использовании компоста из ТБО в качестве компонента питательных субстратов (1997-2001 г.г.). В течение 6-ти вегетационных периодов изучали динамику рН субстратов и зависимость содержания азота, углерода и подвижных соединений фосфора, калия и обменного кальция от объемной доли компоста в субстрате.
Опыт проводили на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве (рНш - 4,8; Нг - 2,9 мг-экв/100г; N - 0,2%, Са -1,6%) в 3-кратной повторносте по следующей схеме: 1. Контроль (без удобрений) 2. Компост из ТБО (25% от объема сосуда) 3. Компост из ТБО (50% от объема сосуда) 4. Компост из ТБО (75% от объема сосуда). Примечание: (100%-й объем сосуда: для почвы - 5,5 кг; для компоста - 2,8 кг).
Агрохимическая характеристика компоста из ТБО (при приготовлении смесей): рН 7,6; влажность 43,5%; содержание органического вещества 56,2 %; K20-l,5%, Р2О5-0,48%; C:N30,5. Содержание ТМ в компосте и почве представлено в табл. 2.2.
Смеси почвы со свежим компостом из ТБО компостировали в течение 14 суток. В первый год проведения опыта (1997) растения кормовых бобов сорт «Русский черный» выращивали в вегетационных сосудах. В последующий период (1998-2001 г.г.) субстраты были помещены в траншею в полиэтиленовых сосудах без дна и исследования продолжили в условиях микро-пол евого опыта. Выращивали растения пекинской капусты (1998 г.- 2 урожая; 1999 г.) сорт «Хибинская»; растения кормовых бобов (2000 г.) сорт «Русский черный» и растения кукурузы, сорт скороспелая «Венгерская местная» (2001 г.). В растениях определяли содержание ТМ (Zn, Си, Pb. Cd, Ni, Mn, Fe).
С целью изучения влияние компоста из ТБО на реакцию почвы, почвенный поглощающий комплекс и химический состав растений в течение 1999-2002 гг. проводили полевой опыт на дерново-подзолистой супесчаной почве (опытная станция Агрофизического научно-исследовательского ин-статута «Меньково»). Повторность 4-кратная. Площадь делянки 16 м. Почва опытного участка до закладки опыта имела разброс агрохимических показателей в следующих диапазонах: pHKci 4,95-5,08; содержание обменного Са2+ 2,97 - 3,94 мг-экв/100 г; подвижного Р2О5 121-143 мг/кг; подвижного К20 210-225 мг/кг. Схема опыта: 1. Контроль (без удобрений) 2. N90P90K90 3. N90P90K90 + известняковая мука 4. N90P90K90+ компост из ТБО (2-кратное внесение) 5. N90P90K90 + компост из ТБО (1 -кратное внесение).
Минеральные удобрения (экофоска) и известняковая мука (доза по 1 Нг) были внесены в мае 1999 года. В вариантах 2 и 3 в мае 2001 г. экофоска была внесена повторно в дозе N70P70K.70. Компост из ТБО был внесен в ноябре 1999 г. в вариантах 4 и 5 (свежий, влажность 55%) и повторно - в мае 2001 г. в варианте 4 (годичной выдержки, влажность 41%). Дозы внесения компостов -17 т сухой массы на га (табл. 2.3).
В 2000 году выращивали ячмень сорта «Криничный», в 2001 г. - овес сорта «Борус», в 2002 г. - вико-овсяную смесь. В растениях определяли валовое содержание азота, фосфора, калия, кальция и ТМ (Zn, Си, Pb, Mn, Fe).
Отбор почвенных образцов проводили через 94; 388; 481; 732; 836 и 1120 суток после закладки опыта (в пересчете для вариантов с компостом из ТБО - через 208; 301; 552; 656 и 948 суток после внесения компоста). Наблюдали динамику кислотности почвы, подвижных соединений кальция, фосфора и калия и кислоторастворимых соединений ТМ (Zn, Си, Мп).
Многолетние полевые опыты показали, что при внесении компоста в почву большая часть ТМ длительное время (как минимум, 4-5 лет) остается в труднодоступных для растений формах. С целью выявления причин низкого уровня биодоступности ТМ содержащихся в компосте из ТБО и уста новления скорости минерализации компоста в оптимальных для разложения органического вещества условиях, был заложен модельный эксперимент. Условия эксперимента предусматривали, что процесс трансформации органического вещества компоста будет протекать значительно интенсивнее, чем в естественных условиях.
Опыт проводили в фарфоровых стаканах объемом 1 л в 3-кратной повторности. Для закладки опыта использован кварцевый песок, просеянный через сито диаметром 1мм, и свежий компост из ТБО. Схема опыта: 1. Компост 2. Кварцевый песок + компост (1:1) 3. Кварцевый песок + компост (3:1). Соотношение песок: компост определяли по объему. Плотность: песка -1,72 г/см; компоста - 0,57 г/см . Массовая доля сухого вещества компоста на момент закладки опыта в вариантах 1-3 составляла 100,13,4 и 4,9%.
Наибольшая интенсивность процессов разложения органических веществ наблюдается при некоторых средних значениях температуры (около 30 С) и влажности почвы близкой к 60-80% от полной влагоемкости (Орлов Д.С. и др., 1996). Воздействие температуры на скорость разложения обусловлено прежде всего ее влиянием на рост и развитие микроорганизмов, а также на обогащенность кислородом и влажность (Гришина Л.А. и др., 1990).
Динамика нитратного азота в почве в процессе минерализации компоста из ТБО
Азот, как в биологических тканях, так и в почве обнаруживается в легко метаболизируемых формах. Такие азотсодержащие соединения, как аминокислоты, белки, пептиды, аминосахара и нуклеиновые кислоты встречаются в виде компонентов биомассы, негумифицированных переходных компонентов органического вещества, а также в гумифицированных формах (Тейт III Р., 1991). Азот входит также в состав более устойчивых к биодеградации структур гуминовых кислот (Stevenson F. J., 1982; Орлов Д.С., 1990). Считается, что в почве азот подвержен биологической минерализации - превращению органических форм азота в неорганические формы в процессе окисления углеродных субстратов почвенными микроорганизмами. Главной движущей силой этого процесса является потребность микроорганизмов в энергии (Тейт III Р., 1991). Обобщая литературные данные (Арзамасова 3. А., Рышкова Л. К., 1979; Агрохимия, 1989), трансформацию азота в процессе компостирова ния ТБО и минерализации компоста в почве можно представить следующим образом (рис. 3.5.)
Известно (Арзамасова 3. А.,. Рышкова Л. К., 1979) что при аэробном биотермическом компостировании первым этапом разложения белков является их гидролиз на более простые элементы: полипептиды, пептиды и далее DH аминокислоты. Аминокислоты и белки в процессе синтеза входят в состав новых веществ - гумусоподобных соединений. Одновременно протекает дальнейший процесс разложения аминокислот до Минерализация орга нических веществ кончается нитрификацией, т. е. окислением иона до НО г, а затем до NO3. Известно (Осипов А.И., Соколов О.А., 2001), что окисление аммония не является единственным источником нитратов при минерализации органического вещества: гетеротрофные микроорганизмы способны окислять не только аммиак и нитриты, но и органические азотистые соединения. Продукты этих гетеротрофных процессов нитрификации могут быть представлены нитратами, нитритами, гидроксиламином и органическими соединениями. Интенсивность нитрификации является показателем степени разложения. Некоторые авторы отмечают (Chefetz В. et al., 1996), что увеличение уровня NO3 в течение последней стадии компостирования может быть использовано как показатель зрелости компоста.
В компосте из ТБО соотношение аммонийной и нитратной форм азота зависит от срока выдержки. Как показывают наши исследования (Витков-ская С.Е., 2005) в свежем компосте минеральный азот находится преимущественно в аммонийной форме. В процессе минерализации компоста происходит увеличение содержания нитратного азота.
В порядке увеличения содержания нитратного азота (мг/100 г сухого вещества) внесенные в почву опыта компосты из ТБО располагаются в ряд (табл. 2.1): Свежий (2,9) Годичный (26,8) Биотопливо (35,4)
Время, необходимое для нитрификации, зависит от численности популяции нитрификаторов (Nitrosomonas, Nitrobacter), аэрации, рН почвы и ее температуры (Барбер С.А., 1988). Было установлено (Бабаянц Р.А., 1958), что нитрификация, едва заметная при температуре 5С, значительно развивается при 12С, достигает максимальной интенсивности при 37С, замедляется при 47С и полностью прекращается при 55С. Как уже отмечалось выше, в биобарабане температура массы достигает 55-60С, что по-видимому, и является причиной незначительного содержания нитратов в свежем компосте.
Динамика нитратного азота в почве - один из показателей скоростей трансформации азотсодержащих органических соединений.
Процессы синтеза и разложения органического вещества почвы, минерализации и иммобилизации азота тесно взаимосвязаны. Скорость нитрификации в значительной степени зависят от физико-химических и биологических свойств почвы, от метеорологических условий (Мацнева Н.Г., 1977; Шелковников В.А. и др., 1977; Цанава В.П, и др., 1979; Цуркан М.А. и др., 1989; Третьякова СП., 1997). Изменение концентрации NO3 в почве опыта изучали в течение 1 года (табл.3.5; рис.3.6).
Влияние компоста из ТБО на химический состав зерновых культур
Влияние продолжительности контакта компостов с почвой на накопление растениями азота, калия, фосфора и кальция можно оценить по содержанию (табл. 3.16) и выносу (табл. 3.17) элементов.
Динамика содержания азота (%) в растениях пекинской капусты представлена кривыми с максимумом (рис. 3.10): пик приходится на 1998 г. (2-й урожай). Как видно на рисунке, на момент внесения в почву в компосте из ОСВ азот находился в более доступной для растений форме: в вар.5 содержание N в растениях 1-го урожая в 1,3-1,4 раза выше, чем в других вариантах опыта.
На кривых изменения содержания калия в растениях пекинской капусты в вариантах 2-4 максимум также приходится на 2-й урожай 1998 г. В варианте с компостом из ОСВ в течение 2-х вегетационных периодов вынос калия линейно снижался (рис. 3.11).
Накопление элемента в течение вегетации растений удобно характеризовать выносом на данный момент времени, поскольку этот параметр, как и масса растений, является интегральной характеристикой состояния растений. Концентрация элемента в растении есть производная величина от выноса элемента и массы растений и от соотношения скоростей их изменения может увеличиваться или уменьшаться (Дричко В.Ф., Цветкова В.В., 1990).
Опыт показал, что компосты из ТБО существенно увеличивают вынос азота, фосфора, калия и кальция растениями. В первый год взаимодействия мелиорантов с почвой вынос N и К20 пекинской капустой был выше, чем в контроле в 2-4 и 1,3-3,5 раза соответственно. На второй год взаимодействия удобрений с почвой (1999 г.) во всех вариантах с компостами из ТБО вынос СаО существенно превышал вынос в варианте с известняковой мукой (контроль) (табл. 3.17).
Установлено, что только при использовании свежего компоста из ТБО существенное влияние на выносы элементов питания (N, Р2О5, К20, СаО) с урожаем проявлялось в течение 3-х вегетационных периодов. Действие компоста из ОСВ на вынос указанных элементов наблюдали только в первый год после внесения.
Скорости выноса элементов с растениями и водами при внесении органических удобрений в почву должны зависеть от степени минерализации органического вещества удобрений и соотношения в них валовых и подвижных форм элементов. В компосте, прошедшем стадию дозревания в штабелях, а также после использования компоста в качестве биотоплива, снижается массовая доля органического вещества и увеличивается содержание подвижных форм фосфора, калия и нитратного азота (см. гл.8). Вероятно, этим объясняется более продолжительное влияние свежего компоста из ТБО на урожай (п.3.3) и вынос элементов питания растениями по сравнению с компостом годичной выдержки и биотопливом.
Опыт показал, что компосты из ТБО существенно увеличивают вынос азота, фосфора, калия и кальция растениями. В первый год взаимодействия мелиорантов с почвой вынос N и К20 пекинской капустой был выше, чем в контроле в 2-4 и 1,3-3,5 раза соответственно. На второй год взаимодействия удобрений с почвой (1999 г.) во всех вариантах с компостами из ТБО вынос СаО существенно превышал вынос в варианте с известняковой мукой (контроль) (табл. 3.17).
Установлено, что только при использовании свежего компоста из ТБО существенное влияние на выносы элементов питания (N, Р2О5, К20, СаО) с урожаем проявлялось в течение 3-х вегетационных периодов. Действие компоста из ОСВ на вынос указанных элементов наблюдали только в первый год после внесения.
Скорости выноса элементов с растениями и водами при внесении органических удобрений в почву должны зависеть от степени минерализации органического вещества удобрений и соотношения в них валовых и подвижных форм элементов. В компосте, прошедшем стадию дозревания в штабелях, а также после использования компоста в качестве биотоплива, снижает
ся массовая доля органического вещества и увеличивается содержание подвижных форм фосфора, калия и нитратного азота (см. гл.8). Вероятно, этим объясняется более продолжительное влияние свежего компоста из ТБО на урожай (п.3.3) и вынос элементов питания растениями по сравнению с компостом годичной выдержки и биотопливом.
Исследования показали, что на кислой дерново-подзолистой почве влияние компоста из ТБО на урожай зерновых культур может быть равноценно влиянию минеральных удобрений в сочетании с известкованием.
Урожайность зерна ячменя (2000 г.) в вариантах с компостом из ТБО (4,5) была достоверно выше, чем в контроле в 2,2 - 2,4 раза и превышала урожайность в варианте 2 (фон) в 1,4-1,6 раза (табл. 4.1). То есть, через год после внесения минеральных удобрений (экофоска и известняковая мука были внесена в мае 1999 года, гл. 2) компост из ТБО обеспечил прибавку урожая зерна ячменя на 41,3-56,6 % по отношению к вар.2.
Последействие свежего компоста через год после внесения было равноценно повторному внесению минеральных удобрений: урожай зерна овса (2001 г.) в вариантах 4 и 5 был выше, чем в контроле в 1,7 и 1,9 раза соответственно и не имел существенных различий с вариантами 2 и 3, в которых в мае 2001 г. повторно была внесена экофоска (гл.2).
Компост годичной выдержки, внесенный в 2001 г. (вар.4.) не оказал последействия на урожай вико-овсяной смеси (2002 г.). Как видно из таблицы 4.1. различия по вариантам были несущественны.
Таким образом, полученные данные подтверждают результаты микро-полевого опыта (гл.З): использование свежего компоста из ТБО в качестве органического удобрения на дерново-подзолистой почве более эффективно,
С целью подтверждения результатов, полученных в микрополевом опыте (гл.З) в условиях полевого эксперимента изучено влияние компоста из ТБО на реакцию почвы, почвенный поглощающий комплекс и химический состав растений.
