Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Объемы производства и мировая практика утилизации ОСВ 7
1.2. Химический состав и удобрительная ценность ОСВ 10
1.3. Сельскохозяйственные источники поступления, трансформация и миграция ТМ в почве 15
1.4. Формы соединений тяжелых металлов в почвах 21
1.5. Транслокация ТМ в растительную продукцию агроценозов 23
1.6. Приемы рекультивации почв, загрязненных ТМ, их оценка и эффективность 28
1.7. Фитомелиорация почв, загрязненных ТМ 30
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1. Объекты исследования 41
2.2. Характеристика химического состава ОСВ 42
2.3. Методы исследований 44
Глава 3. Результаты и обсуждение
3.1. Влияние ОСВ и извести на агрохимические показатели почвы 46
3.1.1. Поступление питательных элементов в почву при внесении ОСВ... 46
3.1.2. Влияние ОСВ низвести на кислотно - основные свойства почвы ... 48
3.1.3. Влияние ОСВ и извести на содержание органического углерода и основных питательных элементов в почве 52
3.2. Влияние применения ОСВ и извести на содержание и перераспределение ТМ в почве 59
3.2.1. Кадмий 61
3.2.2. Никель 65
3.2.3. Свинец 68
3.2.4. Цинк 71
3.2.5. Медь 74
3.2.6. Перераспределение ТМ в профиле дерново-подзолистой почвы при внесении возрастающих доз ОСВ низвести 76
3.3. Влияние возрастающих доз ОСВ и извести на накопление ТМ растениями люпина узколистного, донника желтого и горчицы белой 80
3.4. Влияние ОСВ и извести на урожай люпина узколистного, донника желтого и горчицы белой 89
3.5. Баланс ТМ в пахотном горизонте супесчаной дерново-подзолистой почвы 90
Выводы 96
Список литературы 98
Приложения
- Химический состав и удобрительная ценность ОСВ
- Транслокация ТМ в растительную продукцию агроценозов
- Характеристика химического состава ОСВ
- Влияние ОСВ низвести на кислотно - основные свойства почвы
Введение к работе
Негативное воздействие промышленности, орошение сточными водами и применение нетрадиционных мелиорантов и удобрений привело к существенному загрязнению тяжелыми металлами (ТМ) почв сельскохозяйственных угодий. В настоящее время около 8 % почв сельскохозяйственного использования содержат ТМ в количествах выше предельно допустимых концентраций (Овчаренко, 1997). Для мелиорации подобных почв используют самые разнообразные методы. В настоящее время наиболее распространены физические и химические способы рекультивации земель. Физические методы мелиорации основаны на удалении ТМ из корнеобитаемого слоя почвы или снижении их концентрации. К ним относят: изъятие загрязненной почвы или загрязненного слоя и внесение чистого грунта; промывка почвы водой, минеральными кислотами, растворами комплексообразователей; физическое разбавление загрязненного слоя путем различных агромелиоративных приемов (глубокая вспашка, рыхление, щелевание) и т.д. (Большаков и др., 1993; Еськов, 2004). Химические методы мелиорации базируются на переводе катионов ТМ в недоступные для растений формы: применение высоких доз органических удобрений, известкование, фосфоритование и глинование, реже используются цеолиты и ионообменные смолы. Перечисленные способы не лишены недостатков, потому что сопровождаются образованием вторичных очагов загрязнения (промывные воды, грунтовые воды, а также места захоронения загрязненных слоев почв). Связывание ТМ в почве в недоступные растениям формы имеет недолгосрочный эффект: применение физиологически кислых минеральных удобрений, переувлажнение и ряд других факторов, приводит к возобновлению поступления ТМ в растения. По сведениям американских ученых, затраты на мелиорацию почв
вышеперечисленными методами очень высоки и составляют 90 - 500 USD/m3 (Schnoor, 1997).
Актуальность темы. В связи с острой проблемой загрязнения почв, возникла необходимость в поисках новых технологий. В последние годы широкое распространение получил новый способ очистки почв от ТМ с помощью растений — фитомелиорация. Одной из разновидностей этого метода является фитоэкстракция - использование растений для удаления элементов-загрязнителей из почвы. Чаще всего это растения, относящиеся к семействам крестоцветных, бобовых, маревых, ивовых. По мнению зарубежных исследователей, реабилитация почв с помощью растений является самым дешевым и экологически оправданным способом, её стоимость невелика и составляет, в среднем, 15-40 USD /м3. С помощью метода фитоэкстракции достигнуты определенные успехи в очистке почв. Так, в Нью-Джерси удалось за один сезон с помощью индийской горчицы {Brassica junced) снизить уровень РЬ в почве с 700 мг/кг до 400 мг/кг (Schnoor, 1997). В последнее десятилетие за рубежом проводятся всесторонние исследования по изучению биологии растений фиторемедиаторов и механизмов фитоэкстракции. Прикладные аспекты данного метода изучены недостаточно, не выявлены оптимальные условия внешней среды, обеспечивающие высокий уровень потребления ТМ растениями из почвы. В отечественной и зарубежной литературе предлагается определенный набор культур - фитоэкстракторов. Однако для каждого конкретного случая загрязнения необходим подбор наиболее приемлемой и эффективной культуры, с учетом климатических условий, типа почв, уровня и типа загрязнения и многих других факторов.
Целью данной работы являлось изучение фитомелиорирующих свойств люпина узколистного, горчицы белой и донника желтого на дерново-подзолистой супесчаной почве с полиметаллическим загрязнением, возникшим в результате применения осадка сточных вод (ОСВ).
6 В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
Исследовать особенности аккумуляции и выноса Cd, Си, Ni, Pb и Zn люпином узколистным, донником желтым и горчицей белой.
Изучить влияние полиметаллического загрязнения на продуктивность исследуемых культур.
Изучить последействие применения возрастающих доз ОСВ на фоне различных доз извести на агрохимические свойства почвы.
Исследовать последействие длительного применения ОСВ совместно с известью на накопление, трансформацию и миграцию Cd, Си, Ni, РЬ и Zn в почве.
Научная новизна исследования. Впервые изучены фитомелиоративные свойства растений при полиметаллическом загрязнении почвы. Установлено, что донник желтый,^ горчица белая и люпин узколистный являются перспективными фитомелиорантами. Эти растения способны аккумулировать сразу несколько ТМ. Максимальный эффект получен при выращивании донника желтого, который обладает высокой аккумулирующей способностью к кадмию, цинку, меди и никелю. Показано, что фитомелиоративный эффект растений зависит от их избирательной способности поглощать отдельные металлы, концентрации ТМ в почве, а также от влажности почвы. Установлено, что известкование почвы снижает эффективность приема фитомелиорации.
Практическая значимость. Полученные в работе закономерности, оценка эффективности приема фитомелиорации почв с помощью различных культур, выявление особенностей накопления отдельных металлов различными фитомелиорантами позволяет использовать конкретные растения на почвах, загрязненных ТМ в результате промышленного и сельскохозяйственного использования.
Химический состав и удобрительная ценность ОСВ
Города и крупные промышленные объекты России имеют очистные сооружения, где бытовые и промышленные стоки проходят очистку. В сухой массе осадков содержится 40 - 70% органического вещества, 1 - 3% общего азота, 1,5 - 6% фосфора (Р205), 0,15 - 0,35% калия (К20), 3 - 5% кальция (Са), а также магний, сера и другие элементы, используемые растениями для питания (Kutera, 1988; Михайлов, 1996). Осадки городских сточных вод обычно имеют близкую к нейтральной реакцию среды (рН 6,5 - 8). Все это делает возможным их применение в сельском хозяйстве в качестве органического удобрения.
Наряду с питательными веществами, в муниципальных осадках могут содержаться тяжелые металлы (табл. 2), количество которых зависит от состава и доли промышленных сточных вод, а также от способа подготовки осадков. Содержание ТМ в осадках колеблется в широких пределах и в ряде случаев может превышать установленные допустимые концентрации (Стратегия использования осадков сточных вод..., 2002). Этот фактор может стать ограничивающим при утилизации осадков в качестве удобрения.
Важно учитывать непостоянство состава осадков во времени и возможное улучшение его химических свойств, связанное с совершенствованием технологий очистки сточных вод или другими причинами (Мерзлая, 2005). В частности систематический анализ химического состава осадков сточных вод Курьяновской и Люберецкой станций аэрации по содержанию более чем 20 элементов, показал, что за последнее десятилетие произошло значительное снижение их концентраций (табл. 3). Как видно из приведенных данных, содержание ТМ в ОСВ г. Москвы в 1996 — 1999 гг. было существенно ниже нормативных значений, в то время как в 1989 г. наблюдалось превышение ПДК по всем элементам.
Одним из главных достоинств ОСВ, является наличие в их составе большого количества органических веществ. Они часто сходны с почвенным гумусом и содержат гуминовые (или гуминоподобные) вещества, которые не только являются источниками элементов минерального питания для растений, а также хорошо связывают катионы и анионы, повышают буферную способность почв благодаря высокому содержанию и большому набору функциональных групп. Органическое вещество ОСВ включает в себя микробные клетки и продукты их разложения, целлюлозу, хитин, лигнин, химические соединения идущие с канализационным стоком (белки, полисахариды, жирные кислоты, масла, нефтепродукты и отходы органического синтеза); соединения, образующиеся в процессе обработки и хранения сточных вод (фталовые сложные эфиры, воска и смолы, полиспирты и полисахара, аминокислоты, бензоидные структуры). Все это обуславливает как повышение микробиологической активности почвы при внесении ОСВ, так и ее токсикоз.
Однако органическое вещество осадка сточных вод, внесенного в почву, разлагается в год внесения на 20-35 % (Reddy, Patrik, 1975; Орлов и др., 1997). В работе Л.А. Андроновой (2002) показано, что нестабилизированный свежий ОСВ, представленный легкоминерализующимися соединениями, не способен поддерживать в течение длительного времени стабильное гумусное состояние почвы и обеспечивать положительный баланс органического углерода. В условиях оптимального увлажнения и температуры органический углерод осадка легко минерализуется. В работе Э. Юмвихозе (1999) также отмечено, что ОСВ довольно быстро минерализуются. Так, через пять лет после внесения осадка содержание органического вещества стало почти таким же, как на контроле. Соединения органического вещества после длительного вылеживания ОСВ в буртах более стабильны и оказывают длительное воздействие на содержание органического вещества в почве (Кононов, Лагутина, 1995).
Содержание общего азота в ОСВ колеблется от 40 до 46 кг/т. Только небольшая часть этого азота находится в форме, доступной для растений. В процессе минерализации, зависящем от многих факторов (влажности и температуры почвы, рН и запасов гумуса) азот переходит в форму, доступную для растений (Sims, Boswell, 1980; Покровская, Касатиков, 1987).
Отличительной особенностью ОСВ является значительное содержание в их составе фосфора, что обусловлено наличием в составе осадка моющих средств, содержащих в качестве детергентов значительное количество полифосфатов (Пьянкова и др., ч. I, 2001). ОСВ могут служить основным источником фосфорного питания растений и при дозах более 30 т/га снимается необходимость фосфорного питания растений за счет действия минеральных удобрений.
Содержание калия в осадках намного меньше, чем в навозе, его большая часть находится в жидкой фазе ила и может вымываться при хранении. Потери могут достигать 50-80 % (Касатиков, 1988). Поэтому применение ОСВ практически не влияет на изменение обеспеченности почв калием.
Многочисленные исследования использования ОСВ в качестве удобрения показывают, что в почвах увеличивается содержание органического вещества, азота, фосфора, других макро- и микроэлементов. Под действием осадков, как правило, снижается кислотность почв, увеличивается их влагоемкость, что особенно важно для угодий с почвами легкого гранулометрического состава. Улучшаются тепловой, водный и воздушный режимы почв (Tsadilas et al., 1995; Чеботарев, 1997; Орлов и др., 1997).
Транслокация ТМ в растительную продукцию агроценозов
Тяжелые металлы поступают в растения двумя путями - воздушным (оседание пыли на вегетативных органах растений) и почвенным (через корневую систему). Значение последнего источника поступления ТМ в растения определяется загрязнением почв. При сбалансированном минеральном питании и благоприятных климатических условиях растения могут блокировать значительные количества загрязнителей в корневой системе, препятствуя их поступлению в репродуктивные органы даже на очень загрязненных почвах (Большаков, 1993).
Достаточно большую роль в поступлении токсикантов в растительную продукцию играют протекторные функции почвы (Stigliani et aL, 1991; Овцов, 2000). Растения поглощают ТМ из почвенного раствора. Таким образом, поступление токсикантов в растения на почвах, имеющих высокую буферность по отношению к металлам, незначительно даже при высоком загрязнении почв. К почвенным факторам, значительно влияющим на поступление ТМ в растения, относят: реакцию почвенного раствора, гранулометрический состав, содержание органического вещества и катионно-обменную способность (Рэуце, Кырстя, 1986; Nielsen etal., 1987; Sadusky, Wentsel, 1991)
Накопление поллютантов в растениях зависит не только от буферных способностей почв, но и от толерантности самих растений. Диапазон толерантности растений имеет видовую принадлежность и зависит от токсичности металла и концентрации его в почве (Beckett, Davis, 1978; Demir et al., 1990). Эти механизмы вырабатываются не только в ходе онтогенеза, но и филогенеза (Гребенников, Ельникова, 2001). Как правило, высокой устойчивостью к воздействию металлов отличаются виды растений, растущие в биохимических провинциях с высокими концентрациями ТМ в течение длительного исторического периода.
Согласно результатам исследований, проведенных в сельскохозяйственном институте в г. Нитра, по способности накапливать Cd культуры располагались в следующий ряд (в порядке возрастания): овес - пшеница — бобы — горох -подсолнечник - травы луговые - кукуруза - редис - морковь - салат (Mucha V., Mucha R., 1987). В ряде опытов показано, что бобовые культуры были более активными концентраторами ТМ, чем зерновые. В опытах с пшеницей и бобами конскими, выращенными на кварцевом песке, чтобы исключить инактивацию некоторого количества тяжелых металлов, которое обычно наблюдается в почвах и более полно выявить защитные возможности растений, установлено, что Zn, Pb и Cd оказывают неодинаковое воздействие на злаки и бобовые (Ильин, 1991b). Так, Zn угнетал бобовые во всем диапазоне изученных концентраций (0-600 мг/кг песка) сильнее, чем пшеницу. Свинец напротив, начиная с дозы 400 мг, сильнее угнетал пшеницу. При повышении дозы Cd у пшеницы сокращались размеры растений и их органы, уменьшалась биомасса. У бобов конских в пределах доз 1-10 мг/кг Cd рост не подавлялся, а при более высоких дозах происходило угнетение растений. Специфическая особенность бобовых культур - высокое содержание кальция, которому отводится важная экологическая роль в снижении токсичности ряда ТМ (Магницкий, 1969).
Е. Goralch, F. Gambus (1992), проводившие сравнительные исследования чувствительности сельскохозяйственных растений к токсическому действию ТМ в сельскохозяйственной академии в Кракове (Польша), выявили, что кукуруза является самой толерантной культурой из всех взятых ими тест-растений. Остальные культуры по степени устойчивости к поллютантам раполагались в следующем нисходящем ряду: подсолнечник, редис, овес, озимая пшеница.
И.О. Плеханова и др. (1995) отмечали, что из овощных культур наиболее устойчива к загрязнителям капуста. В белокочанной капусте, выросшей даже на сильнозагрязненной почве, содержание Cd в которой превышало 10 мг/кг, его количество в культуре было значительно ниже ПДК. Следующей по устойчивости культурой являлся картофель, содержание Cd в клубнях которого достигало критического значения при его содержании в почве равном 8-10 мг/кг. Промежуточное положение по устойчивости к ТМ занимали корнеплоды моркови, свеклы, а также растения кукурузы (зеленая масса). Очень слабой устойчивостью к накоплению ТМ обладали петрушка, укроп, салат, а также надземные части картофеля и свеклы. В работе Г.А. Евдокимовой и Н.П. Мозговой (1993) отмечено, что салат, щавель интенсивно поглощают Си, Со и Ni, поступление этих элементов в растения укропа, лука и особенно огурца намного меньше. Дикие злаки накапливают Ni больше, чем культурные. При исследовании поглощения какого-либо элемента растениями следует учитывать взаимодействие этого элемента с другими при поступлении в растения (Гребенников, Ельников, 2001).
Содержание избыточных количеств ТМ в растительной массе может существенно меняться в течение вегетационного периода. Одной из причин этого является неспособность потока, поступающего из почвы в растения, равномерно в течение всей вегетации насыщать ТМ прирост биомассы, который в середине лета достигает максимума, и хотя темп их поступления более или менее равномерен, возникает так называемый «эффект разбавления» (Ильин, 19916).
ТМ, как известно, по-разному накапливаются в органах растений. Опыты свидетельствуют о наличии трех защитных механизмов (барьеров) на пути проникновения ТМ в растение: на границе почва - корень, корень - стебель, стебель - зерно (Hardlmann et al., 1984). По степени насыщенности ТМ основные органы растений, как правило, располагаются в следующий ряд: корни листья стебли семена (плоды) (Большаков и др., 1993). Преимущественное накопление металлов в корнях объясняется тем, что при проникновении в плазму происходит инактивация и депонирование значительных количеств ТМ, видимо в результате образования малоподвижных соединений с органическими веществами (Ильин, 1991а).
Растения, произрастающие в условиях избытка химических элементов, в том числе и ТМ в зависимости от характера их накопления и распределения разделяют на 3 группы: накопители, исключители и индикаторы (Backer, 1981). Накопители отличаются повышенным содержанием металла в растительных органах независимо от его концентрации в почве. По мнению А.П. Виноградова
(1982), такие виды обладают генетически закрепленной потребностью поглощать большое количество поллютантов. У исключителен поступление токсикантов в надземную массу задерживается и остается на низком уровне в широком диапазоне концентраций этих элементов во внешней среде. И только при содержании выше критического уровня начинается неограниченное поступление загрязнителей в растение - когда его защитные механизмы нарушаются. У индикаторов поглощение и транспорт ТМ в надземную часть пропорциональны их концентрации в почве (Микроэлементы в растениях..., 1987).
Коэффициенты накопления (Кн) ТМ растениями являются количественной характеристикой способности отдельных растений или их частей к поглощению поллютантов. Повышенная защищенность органов запасания ассимилянтов -семян, плодов, корне- и клубнеплодов от загрязнителей, отмеченная рядом авторов (Ильин, 1986; Плеханова и др., 1995) отчетливо проявляется в значениях Кн. Например, ботва картофеля, кормовой и столовой свеклы значительно интенсивнее накапливают металлы, чем клубни и корнеплоды этих растений. Высокими значениями Кн характеризуются также зеленые овощи (петрушка, салат) и травы (райграс). Следовательно, загрязнение почв будет в первую очередь приводить к избыточному накоплению поллютантов именно в этих чувствительных культурах. По отношению к различным элементам растения также ведут себя по-разному. Так, капуста, обладающая высокой устойчивостью к Cd и, соответственно, низкими значениями Кн этого элемента, характеризуется довольно высокими коэффициентами накопления Ni и Сг.
Характеристика химического состава ОСВ
Исследования проводились в опытном хозяйстве Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технологического института органических удобрений (ВНИПТИОУ) (Владимирская обл., пос. Вяткино) в 2001-2004 годах на опытных участках отдела «Нетрадиционных органических удобрений». Полевой мелкоделяночный опыт был заложен в 1984 г. Размер делянки 2,0 м х 2,0 м. Повторность опыта - четырехкратная. Почва опытного участка дерново-подзолистая, сформированная на двучленных ледниковых отложениях. Пахотный и иллювиальный горизонты находятся в толще супесчаного отложения, перекрывающего тяжелый моренный остаточнокарбонатный суглинок.
В опыте использовали ОСВ очистных сооружений коммунального хозяйства г. Владимира. Три раза за ротацию пятипольного севооборота на фоне 3 и 9 т/га извести в почву вносили ОСВ в дозах 15, 30, 60 и 120 т/га, известкование проводили один раз в ротацию. Известь использовалась с избытком, как мелиорант, для снижения подвижности ТМ в почве. Схема опыта представлена в таблице 6. В период с 1984 по 2000 гг. чередование культур в севообороте было следующим: озимая пшеница - сорт "Памяти Федина", ячмень - сорт "Зазерский - 85", овес - сорт "Астор", клевер красный - сорт "Московский 1" 2-х лет пользования. За это время ОСВ внесли 10 раз, известь внесли 4 раза. В результате длительного систематического применения различных доз ОСВ в почве создано сильное полиметаллическое загрязнение. С 2001 года на фонах, с разным уровнем полиметаллического загрязнения изучали прием фитомелиорации. Выращивали следующие растения фитомелиораторы: люпин узколистный (2001 г.), горчица белая (2002, 2004 гг.), донник желтый (2003 г.), ОСВ и известь в этот период не применяли. в Агротехника возделывания культур — общепринятая для центрального района
В опыте использовали осадок сточных вод Владимирской станции очистки. Термически высушенный осадок Владимирских очистных сооружений представляет собой рассыпчатую однородную массу темно-серого цвета. Он обладает рядом положительных свойств: содержит до 14% органического углерода, имеет нейтральную реакцию. ОСВ характеризуется достаточно высокой зольностью, что связано как с существенными потерями органического вещества при сбраживании осадка, так и за счет того, что в отстойники-накопители попадает значительное количество поверхностных стоков, то есть почвенной массы, смываемой дождями и при снеготаянии. Город Владимир расположен на холмах, здесь очень сильно выражен плоскостной смыв. По содержанию питательных элементов осадок несбалансирован, в его составе соединения фосфора преобладают над азотом и калием (табл. 7).
Микроэлементный состав осадка сильно варьирует по годам исследования (табл. 8). Общим для всех лет исследования было сильное загрязнение Cd -металлом 1 класса опасности, его количество (средние значения за 10 раз использования) в 2,6 - 4,8 раз превышало допустимые нормы для ОСВ, используемых в качестве органических удобрений. Содержание Ni, Zn, Си и РЬ в ОСВ не превышало ПДК, разрешающих применение ОСВ под зерновые, зернобобовые, зернофуражные и технические культуры (ГОСТ Р 4.3.07-2001).
Концентрация биодоступных соединений металлов в ОСВ также сильно колеблется. Отмечается высокий уровень содержания подвижных форм Cd, Zn и Ni. В вытяжку ААБ от валового содержания ТМ в ОСВ переходило 9 - 30% Cd, 7 - 39% Zn и 4 - 26% Ni. Подвижность Си и РЬ значительно ниже: 3 - 7% и 1 — 2% соответственно.
Для решения поставленных задач в конце вегетации ежегодно отбирали смешанные образцы из пахотного горизонта вариантов опыта. Для изучения миграции ТМ в почвенном профиле при разных уровнях загрязнения отбирали почвенные пробы с глубин 0-20 см (пахотный горизонт), 20-40 см, 40-50, 50-60, 60-70 и 70-80 см почвенным буром. Растения убирали в фазе технологической спелости, учет урожая проводили поделяночно.
В почвенных образцах определяли параметры агрохимической характеристики по следующим методам: рН водной вытяжки (ГОСТ 26483-85) - потенциометрически; гидролитическую кислотность (ГОСТ 26212-91) по методу Каппена; подвижные формы фосфора (ГОСТ 26207-91) и калия (ГОСТ 26207-91) определяли в вытяжке Кирсанова: фосфор - колориметрически по Дениже, калий - методом пламенной фотометрии; сумму поглощенных оснований (ГОСТ 26487-85) - по Кап пену-Гил ьковицу; содержание органического углерода (ГОСТ 26213-91) - колориметрически по методу Тюрина в модификации Никитина (Практикум по агрохимии, 2001). Определение общего содержания азота, фосфора и калия в почве проводили после разложения почвы в смеси концентрированной серной и хлорной кислот: азот по методу Кьельдаля (ГОСТ 26107), фосфор — колориметрически, калий -на пламенном фотометре. Определение валового содержания ТМ проводили методом кислотной варки в смеси концентрированной азотной и соляной кислот в соотношении 1 : 3 (Методика выполнения измерений валового содержания..., 2002), кислоторастворимых форм ТМ - в вытяжке ЇМ НС1 и обменно-поглощенных форм ТМ — в вытяжке 1М ацетатно-аммо ни иного буфера (ААБ) с рН 4,8 (Практикум по агрохимии, 2001). В воздушно-сухих образцах растений определяли содержание ТМ после мокрого озоления в концентрированной HNO3 с добавлением Н2О2 (Методические указания..., 1995). Полученные результаты анализов почв и растений, величины урожаев были статистически обработаны с помощью пакета программ Excel и «Statistica».
Влияние ОСВ низвести на кислотно - основные свойства почвы
Внесение возрастающих доз ОСВ и извести, оказывало разностороннее влияние на свойства почвы. Почва, на которой был заложен многолетний полевой опыт (контрольный вариант), обладала близкой к нейтральной реакцией почвенного раствора, невысокой величиной гидролитической кислотности и низким содержанием органического вещества, а также характеризовалась низким содержанием подвижных форм фосфора и калия (табл. 10, 12, 13, рис. 5,6).
Многократное внесение ОСВ и извести способствовало достоверному увеличению величины рН по сравнению с контролем на всех вариантах опыта в течение всего периода наблюдений (табл. 10). Отмечали некоторое снижение величины рН при увеличении дозы ОСВ. Это, видимо, связано с образованием органических кислот при разложении осадка. Анализ величины рН в подпахотном горизонте показал, что при внесении ОСВ и извести происходило снижение кислотности не только в пахотном, но и подпахотном горизонте (приложение 1). При изучении динамики величины рН водной вытяжки с течение четырех лет выявлено, что исследуемый показатель менялся незначительно, отмечали слабую тенденцию к снижению актуальной кислотности к 2004 году на всех вариантах опыта.
Величина гидролитической кислотности также изменялась при внесении возрастающих доз ОСВ на фоне различных доз извести. Вне зависимости от дозы мелиоранта, на вариантах с применением минимальной дозы ОСВ наблюдали снижение величины Нг на 34 — 44% по сравнению с контролем (табл. 10). С увеличением дозы осадка на фоне обеих доз извести, происходило подкисление, на вариантах с максимальной дозой осадка гидролитическая кислотность была достоверно выше, чем на контроле. Увеличение количества мелиоранта с 3 до 9 т/га, способствовало снижению этого показателя на 9 -15% на всех дозах ОСВ только в год внесения осадка и извести (2001 год). В дальнейшем влияние увеличения дозы извести на величину гидролитической кислотности не достоверно. НСР о,95 15,1 15,8 15,2 14,8 Так, на фоне 3 т/га извести после последнего внесения ОСВ и мелиоранта сумма поглощенных оснований в пахотном горизонте увеличилась в 2,7, 3,1, 3,7 и 4,3 раза (при использовании соответственно 15, 30, 60 и 120 т/га ОСВ) по сравнению с контролем. На фоне 9 т/га извести величина суммы поглощенных оснований на соответствующих вариантах была на 14 - 25% выше, чем на фоне 3 т/га извести.
К 2004 году наблюдали постепенное снижение этого показателя на всех вариантах опыта. Видимо, происходило интенсивное вымывание катионов из легкой по гранулометрическому составу почвы. Исследования И.Г. Платонова (2000) показали, что с вертикальным движением воды в почве связаны значительные потери Са и Mg (в основном по трещинам, ходам червей и корней).
Лизиметрические опыты, проведенные СЗНИИСХ (Северо-Западный НИИ сельского хозяйства) на дерново-подзолистой почве показали, что при внесении в почву 3,1 и 16,3 т/га извести, потери кальция увеличились с 15 кг/га до 65 и 199 кг/га в год. А на фоне N120P120K120 при внесении этих доз извести потери кальция составили 266 и 453 кг/га в год соответственно (Небольсин и др., 1998). Данные о значениях рассматриваемого показателя в подпахотном горизонте почвы подтверждают это. При внесении возрастающих доз ОСВ и извести сумма поглощенных оснований увеличилась не только в пахотном, но и в подпахотном горизонте: в 3,8 - 5,7 раза на фоне 3 т/га извести и в 4,4 - 7,2 раза на фоне 9 т/га извести (рис. 2). Максимальное значение суммы поглощенных оснований в подпахотном горизонте отмечали на варианте с применением максимальной дозы ОСВ и извести (приложение 1).
ОСВ используют в сельском хозяйстве в качестве органического удобрения. Поэтому одним из основных критериев оценки эффективности их использования является содержание органического вещества в почве при использовании этого вида отходов. НСР о,95 0,08 0,07 0,09 0,08 0,02 0,02 0,02 0,01 Регулярное применение самой низкой дозы ОСВ (15 т/га) не привело к существенному увеличению содержания органического углерода (ОУ), ОСВ в подобной дозе оказывает поддерживающий эффект и стабилизирует содержание органического вещества в пахотном горизонте на постоянном, но достаточно низком уровне (табл. 13). При использовании ОСВ в дозе 30, 60 и 120 т/га содержание ОУ увеличилось по сравнению с контролем в 1,5-2,7 раза по сравнению с контролем.
Динамика содержания ОУ в пахотном и нижележащем горизонте (за 4 года исследований) позволяет констатировать: органическое вещество осадка в почве подвергается быстрой минерализации, а также интенсивно мигрирует в подпахотные горизонты.
Данное свойство органического вещества ОСВ отмечают многие исследователи (Putnam et al., 1989; Э. Юмвихозе, 1999; Андронова, 2002; Анциферова, 2003). Содержащиеся в осадке жиры, масла и белки активизируют деятельность почвенных микроорганизмов. Используя их в качестве источника питания, микроорганизмы начинают быстро размножаться и разлагают органическое вещество (Орлов и др., 1997). Кроме того, основная часть органического вещества свежеполученных ОСВ представлена биомассой микроорганизмов, участвующих в биологической очистке сточных вод, которая достаточно легко минерализуется (Орлов, Садовникова, 1996). Наиболее существенное снижение содержания ОУ в пахотном горизонте произошло в 2004 году. Этот год отличался аномально влажным летом, биомасса возделываемой культуры (горчица белая) была низкой (табл. 14), следовательно, восполнение ОУ за счет корневого опада было также незначительным.
Таким образом, для поддержания бездефицитного баланса гумуса и создания его оптимального уровня ОСВ необходимо регулярно вносить в дозах выше 30 т/га, что небезопасно из-за высокого содержания тяжелых металлов.
В пахотном слое почвы опыта (контроль) содержится 0,08 - 0,09 % общего азота (табл. 13). Основное количество азота в почве сосредоточено в органическом веществе, поэтому все закономерности изменения содержания ОУ характерны и для азота. Так, на вариантах с низкой дозой ОСВ, наблюдается значимое, но несущественное увеличение (в 1,1 - 1,2 раза) содержания общего азота по сравнению с контролем. На вариантах с максимальной дозой осадка в год внесения ОСВ содержание этого элемента увеличилось в 2,2 - 2,4 раза.
Изучение содержания азота в слое 20 - 40 см показало (рис. 4), что внесение возрастающих доз ОСВ приводит к обогащению азотом подпахотного горизонта почвы, связанное с вмыванием элемента из слоя 0 - 20 см. Содержание общего азота в подпахотном горизонте увеличилось по сравнению с контролем в 1,3 - 1,9 раза на фоне 3 т/га извести и в 1,0 - 1,7 раза на фоне 9 т/га мелиоранта (приложение 3). Миграция азота, по видимому, происходит как в составе органических соединений, так и в минеральной форме. В исследовавшемся ОСВ нитратный азот составляет в среднем 1,2% от общего его содержания. Кроме того, по мере минерализации органического вещества ОСВ в почве появляются все новые порции нитратного и аммонийного азота (Parker, Sommers, 1983). Аммонийный азот теряется в виде газообразных продуктов, а нитраты, как известно, интенсивно вымываются, особенно на почвах легкого гранулометрического состава. Почва, на которой заложен опыт, характеризуется низким содержанием доступного для растений фосфора (рис. 5, приложение 2): содержание элемента в вытяжке Кирсанова на контроле составляет 5,3 - 7,9 мг на 100г почвы. Фосфор в составе ОСВ представлен в основном различными низкомолекулярными фосфорорганическими соединениями.
