Содержание к диссертации
Введение
2. Состояние производства и применения органических удобрений. Обзор литературы 16
3. Условия проведения опытов и методы исследований 53
3.1. Место и условия проведения опытов 53
3.2. Методика исследований 54
4. Эколого-агрохимическая оценка систем удобрения с использованием навоза в центральной Якутии 61
4.1. Схема опыта и условия
его проведения 62
4.2. Влияние доз и сочетаний навоза и минеральных удобрений на урожайность картофеля 64
4.3. Окупаемость удобрений прибавкой урожая картофеля 73
4.4. Влияние доз и сочетаний навоза и минеральных удобрений на качество клубней картофеля 75
4.5. Влияние доз и сочетаний навоза и минеральных удобрений на агрохимические свойства почвы 80
4.6. Вынос питательных веществ урожаем картофеля 84
4.7. Баланс питательных веществ и
коэффициенты их использования 86
5. Эффективность применения птичьего помета, торфа и компостов на их основе 88
5.1. Оптимизация соотношений компонетов в торфопометных
смесях при компостировании в условиях Центральной Якутии 88
5.2. Влияние птичьего помета и компостов на его основе на урожайность картофеля 92
5.3. Агроэкологическая оценка применения торфа и торфопометных компостов 96
5.4. Экономическая и энергетическая эффективность применения торфопометных компостов на мерзлотной почве 99
6. Использование осадков городских сточных вод для удобрения 102
7. Особенности применения органических удобрений за северным полярным кругом 113
7.1. Условия проведения исследований 114
7.2. Формирование урожая картофеля в зависимости от применения органических и минеральных удобрений и гумата 116
7.3. Качество клубней картофеля при возделывании на мерзлотной почве 120
7.4. Содержание нитратов в клубнях картофеля и пораженность их болезнями 124
7.5.Агрохимические свойства почвы в зависимости от систем удобрения 126
8. Эффективность органических удобрений в условиях тепличных хозяйств 131
8.1. Методика исследований 132
8.2. Особенности вермикомпостирования в условиях Центральной Якутии 135
8.3. Влияние вермикомпостов на продуктивность томата в условиях защищенного грунта 141
8.4. Влияние вермикомпостов на основе разных субстратов и биопрепарата на урожайность и качество томата в защищенном грунте 145
9. Биологическая активность мерзлотной почвы при внесении органических и минеральных удобрений 153
9.1. Условия и методика исследований 154
9.2. Влияние органических и минеральных удобрений на численность и групповой состав микроорганизмов в мерзлотной таежной почве 156
9.3. Качественный состав микроорганизмов мерзлотной таежной палевой почвы 159
9.4. Влияние органических и минеральных удобрений на процесс нитрификации 160
9.5. Влияние органических и минеральных удобрений на аэробную и анаэробную азотфиксацию в мерзлотной таежной почве 161
9.6. Влияние органических и минеральных удобрений на урожайность и качество картофеля 163
10. Эффективность биологизированных систем удобрения в условиях мерзлотных почв
Якутии 166
Выводы 170
Предложения производству 179
Заключение 182
Список использованной
Литературы
- Место и условия проведения опытов
- Окупаемость удобрений прибавкой урожая картофеля
- Влияние птичьего помета и компостов на его основе на урожайность картофеля
- Качество клубней картофеля при возделывании на мерзлотной почве
Введение к работе
Актуальность и основания для исследования. Для обеспечения
продовольственной независимости страны, повышения
конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции на внутреннем и внешнем рынках, важное значение приобретает разработка приемов воспроизводства плодородия почв, стабилизации урожайности основных сельскохозяйственных культур на основе сбалансированного, экологически безопасного применения органических и минеральных удобрений. При этом важно учитывать, что наиболее эффективно совместное внесение органических и минеральных удобрений, обеспечивающее их пролонгированное действие в агроценозах. Согласно Д.Н. Прянишникову (1965), при интенсивной культуре и стремлении получать максимальные урожаи, если «хотят дать очень сильное удобрение, то применяют одновременно и навоз, и минеральные удобрения, чтобы избежать слишком большой концентрации солей весной и в то же время дать достаточный запас питания на вторую половину лета».
Необходимость комплексного применения естественных источников органического вещества с минеральными удобрениями вполне согласуется с парадигмой ФАО (2011 г.) о реализации устойчивой интенсификации растениеводства. В то же время следует принимать во внимание сложившийся в последние годы отрицательный баланс элементов питания растений в земледелии страны, обусловленный тем, что их вынос из почвы более чем в 3 раза превышает возврат с вносимыми удобрениями. При этом большая часть урожая возделываемых культур производится за счет мобилизации почвенного плодородия, сформированного еще в годы химизации (В.Г.Сычев и др. 2000, 2004; П.А.Чекмарев, 2012). Острый дефицит удобрений является характерным для земледелия России и отдельных регионов, в частности для Якутии.
Государственной программой Республики Саха (Якутия) «Развитие сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2012-2020 годы» (Указ Президента Республики Саха (Якутия) от 4 декабря 2013 г., № 2349) индекс производства продукции растениеводства доведен в среднем до 101,1% в сопоставимых ценах к предыдущему году. По данным Территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Республике Саха (Якутия), средняя урожайность сельскохозяйственных культур за 2012-2014 гг. составила: зерновых - 10,3 ц/га (22 ц/га в РФ за 2013 г.), картофеля - 89,2 ц/га (145 ц/га в РФ за 2013 г.) и овощей открытого грунта – 130,6 ц/га (214 ц/га в РФ за 2013 г.). При этом в Государственной программе отмечается, что из-за снижения объемов внесения органических и минеральных удобрений наблюдается снижение уровня плодородия мерзлотных почв. Сравнительный анализ результатов VII и IV туров агрохимического обследования пахотных угодий показывает, что продолжается увеличение площади пашни с очень низким и низким содержанием гумуса (с 44% в IV туре до 58% в VII туре).
Следует учитывать, что в Якутии годовое внесение органических удобрений снизилось с 701 тыс. т в 1986-1990 гг. до 83 тыс. т в 2001-2006 гг. В расчете на 1 га посадок картофеля количество органических удобрений за эти годы сократилось с 38 до 6 т/га, т.е. более чем в 6 раз. К причинам недостаточного применения органических удобрений, наряду с уменьшением объемов их производства по сравнению с 90-ми годами прошедшего столетия, относится также их низкое качество из-за нарушения технологий подготовки и хранения в маргинальных условиях, что приводит к значительным потерям питательных веществ для растений и загрязнению окружающей среды. В этой связи остро стоит проблема наиболее полного и рационального использования всех возможных ресурсов органического вещества, включая нетрадиционные источники.
В условиях Якутии актуальны научные разработки по изучению способов производства высококачественных органических удобрений, их эффективного, экологически безопасного применения под важнейшие сельскохозяйственные культуры при оптимизации доз и сочетаний с минеральными удобрениями и другими средствами химизации.
Цель исследований – в экстремальных условиях Якутии разработать эффективные приемы производства и применения органических удобрений в агротехнологиях, установить агрономически целесообразные и экологически безопасные дозы и сочетания их с минеральными удобрениями на мерзлотных почвах для улучшения биологической активности и воспроизводства почвенного плодородия, повышения урожайности и качества сельскохозяйственных культур.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработать приемы переработки органического сырья в виде торфа, малопригодного для прямого внесения, не ферментированного навоза, птичьего помета, осадков городских сточных вод в ценные, экологически безопасные органические удобрения для мерзлотных таежных палевых почв Якутии;
-
Изучить эффективность действия и последействия различных доз и сочетаний навоза крупного рогатого скота и минеральных удобрений в широком диапазоне доз и сочетаний под картофель на мерзлотной таежной палевой почве для улучшения плодородия, получения высокой урожайности качественной растительной продукции;
-
Исследовать закономерности действия и последействия торфа и торфопометного компоста при различном соотношении компонентов и возрастании доз внесения на урожайность и качество картофеля на мерзлотной таежной палевой почве;
-
Изучить агроэкологическую эффективность осадка сточных вод г. Якутска и удобрений на его основе в агроценозах картофеля;
-
Установить целесообразность производства вермиудобрений из различных субстратов и определить их влияние в условиях защищенного грунта на урожайность плодов томата;
-
Дать микробиологическую оценку действия органических удобрений на мерзлотной таежной палевой почве;
-
Изучить эффективность применения систем удобрения с использованием навоза при выращивании картофеля за Северным полярным кругом.
Объекты исследований. В Центральной Якутии в модельных и полевых опытах проведено изучение способов подготовки и использования органических удобрений, включая новые виды (компосты из осадков сточных вод, вермикомпосты из различного органического сырья), на свойства мерзлотных почв, урожайность сельскохозяйственных культур и качество растительной продукции. Проведен полевой эксперимент с навозом и минеральными удобрениями по факториальной схеме в широком диапазоне доз и сочетаний при возделывании картофеля на мерзлотной таежной палевой почве. Изучены особенности действия вермикомпостов, внесенных под томат в защищенном грунте. На севере Якутии под Верхоянском выполнен полевой опыт с навозом, минеральными удобрениями и биопрепаратом, позволивший установить агроэкологичесую эффективность средств химизации на мерзлотной аллювиальной почве.
Научная новизна исследований. Впервые в экстремальных
климатических условиях Якутии на холодных мерзлотных почвах изучены закономерности действия и последействия различных видов органических удобрений, включая нетрадиционные в виде осадков городских сточных вод и компостов на их основе, на урожайность и качество сельскохозяйственных культур. В полевом опыте с использованием факториальной схемы изучена эффективность влияния органических и минеральных удобрений в широком диапазоне доз и сочетаний на урожайность и качество картофеля. При этом вариант с односторонним внесением навоза крупного рогатого скота был введен в схему опыта и исследован как отдельный фактор. В результате комплексных исследований в данном опыте, а также в других полевых опытах получены новые данные по действию важнейших систем удобрения: минеральной, органической и органоминеральной – на урожайность и качество сельскохозяйственных культур, плодородие почвы и ее биологическую активность. С учетом величины урожайности возделываемых культур, их качественных характеристик, улучшения агрохимических свойств почвы установлено преимущество органоминеральной системы удобрения. Показано, что в условиях Центральной Якутии достоверно высокая (в среднем за 5 лет) урожайность картофеля – 19 т/га, превышающая контроль без внесения удобрений на 54,8% при окупаемости 1 кг NPK прибавкой 32 кг, достигается в варианте с ежегодной дозой подстилочного навоза 8 т/га в сочетании с минеральными удобрениями N36Р36К36. От применения минеральной системы удобрения (N60Р60К60) прибавка урожая, хотя и является значимой, но не превышает 17,8%. При внесении органической системы с использованием одного навоза урожайность картофеля находится на уровне контроля без внесения удобрений (прибавка не превышает 13,1%).
На основании выполненных исследований получены новые данные по утилизации птичьего помета, которые показали, что эффективным способом улучшения качества птичьего помета служит его переработка путем компостирования с торфом. Необходимый период ферментации в Якутии составляет 3 теплых месяца (июнь-август) с 1-2 перебуртовками компостной массы. Установлено оптимальное соотношение компонентов торф : помет, равное 0,5:1 при влажности помета 75-80%, торфа 60%. Рекомендуемое соотношение углерода к азоту (С : N) составляет не более 20-30. Реакция среды 7,1-7,8 ед. рН. Готовые компосты на основе птичьего помета и торфа при указанных параметрах отвечают нормативным требованиям Российской Федерации.
Установлена эффективность новых органических удобрений в виде компостов и вермикомпостов из традиционного и альтернативного органического сырья, позволяющих получать достоверный прирост продуктивности сельскохозяйственных культур в полевых условиях и в защищенном грунте.
На севере Якутии (Верхоянский район) по результатам полевого опыта на мерзлотной аллювиальной почве с учетом оптимизации систем удобрения выявлена возможность стабильного производства картофеля раннего сорта Полет при урожайности 6-7 т/га.
Практическая значимость и реализация результатов исследований.
-
В Центральной Якутии при ее высоком широтном расположении важным фактором сохранения почвенного плодородия и получения устойчивой продуктивности сельскохозяйственных культур, наряду с орошением и соблюдением агротехники, является рациональное применение органических и минеральных удобрений. С учетом сложившегося в Республике острого дефицита удобрений, прежде всего органических, целесообразно, наряду с навозом и птичьим пометом, шире использовать альтернативные источники органического вещества – нетоксичные промышленные и городские отходы. При этом, наиболее эффективны в агроэкологическом отношении компосты на их основе.
-
При сравнении систем удобрения на мерзлотной таежной почве в Центральной Якутии под картофель установлено преимущество органоминеральной системы в дозах N36Р36К36 + 8 т/га навоза, обеспечивающей получение средней урожайности картофеля на уровне 19 т/га (на 55% выше контроля) и окупаемости 1 кг NPK прибавкой клубней 32 кг.
3. При использовании птичьего помета на удобрение целесообразно его
компостирование с торфом в соотношении торф : помет 0,5:1 и внесение
компоста под картофель в дозе N300. При этом обеспечивается прибавка
урожая на уровне 33% по отношению к контролю при высокой окупаемости
затрат и хорошем качестве клубней. Низинный торф, который
характеризуется достаточно высокой удобрительной ценностью и содержит
90% органического вещества, 2,0% общего азота, 0,45% Р2О5, 0,2% К2О на
сухую массу, при использовании для удобрения в чистом виде
малоэффективен, т.к. дает всего лишь 5-процентную прибавку урожая картофеля.
4. Одним из способов подготовки навоза в Якутии является его
вермикомпостирование, в результате которого из 1 т навоза образуется 500 кг
удобрения. Применение вермикомпостов рекомендуется при выращивании
томата F1 Верлиока. Оптимальная доза внесения вермиудобрения составляет
100 г под растение, что обеспечивает урожайность плодов томата 6,2-7,6
кг/м2. При этом использование вермикомпоста под тепличный томат
способствует получению экологически безопасной и биологически
полноценной продукции с высоким содержанием витамина С и низким
содержанием нитратов.
5. В условиях севера Якутии (Верхоянский район) доказана
возможность получения урожайности картофеля раннего сорта Полет на
уровне 6-7 т/га при условии оптимизации минерального питания растений
путем применения органоминеральной системы удобрения. Ежегодная доза
навоза составляет 10 т/га, а дозы минеральных удобрений рекомендуется
устанавливать с учетом коэффициентов возмещения выноса.
Научные разработки нашли применение в сельском хозяйстве Якутии. Полученные результаты подтверждены производственной проверкой и внедрением в ГУП ГСИС «Маган» и муниципальном предприятии «Водоканал» г. Якутска, ГУП ПО «Птицепром», КП им. И. Барахова Верхневилюйского района, в ГУП ОПХ «Покровское» Хангаласского района, во многих крестьянских хозяйствах Намского, Мегино-Хангаласского, Усть-Алданского, Чурапчинского, Хангаласского и других районов республики.
Результаты исследований вошли в рекомендации «Производство торфопометных компостов и их использование под картофель в условиях Якутии» (Новосибирск, 1993), подготовленные Якутским НИИСХ совместно ЯРПИСХ «Урожай», ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова, в рекомендации «Вермикультивирование в условиях Центральной Якутии» (Якутск: ЯНИИСХ, 2000); использованы при подготовке справочного издания «Справочная книга по производству и применению органических удобрений» (Владимир: РАСХН, ВНИПТИОУ, 2001) и других нормативных документов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности влияния различных видов органических удобрений:
навоза крупного рогатого скота, птичьего помета, осадков городских сточных
вод; компостов, вермикомпостов - на урожайность и качество
сельскохозяйственных культур на мерзлотных почвах Якутии.
-
Установление эффективных, экологически безопасных доз традиционных и новых органических удобрений под картофель и овощные культуры в условиях Якутии.
-
Оценка эффективности действия и последействия систем удобрения: органической, минеральной и органоминеральной – на агрохимические свойства мерзлотных почв и продуктивность агроценозов.
4. Определение эффекта вермикультивирования и научное обоснование
использования вермиудобрений в условиях защищенного грунта
Центральной Якутии
5. Выявление возможности выращивания картофеля при оптимизации
сочетаний и доз органических и минеральных удобрений на севере Якутии.
Организация исследований и личный вклад соискателя.
Диссертационная работа выполнена автором лично. Соискатель провел анализ и обобщение литературных источников, принимал непосредственное участие в разработке схем опытов и программ исследований, в организации проведения полевых и лабораторных работ. Автором лично выполнены необходимые расчеты, проведена математическая обработка, анализ и обобщение экспериментальных данных, сформулированы выводы и практические рекомендации.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях Ученого совета Якутского НИИСХ (1988-2015 гг.), на экспертных комиссиях Министерства сельского хозяйства Республики Саха (Якутия) (1988-1993 гг.), на республиканских семинарах агрономов (1992-2015 гг.), республиканских конференциях ученых и специалистов (1992-1999 гг.), научно-практических республиканских конференциях (1990-2012 гг.), всероссийских конференциях (1991-2015 гг.), в научной экспедиции в Якутии (1991 г.), на всероссийских научно-практических конференциях с международным участием (1995-2015 гг.).
Публикации по теме диссертации. По материалам исследований опубликовано 126 работ, в том числе 13 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на изобретение, 1 монография, 10 рекомендаций производству и методических указаний.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 10 разделов, выводов, предложений производству, списка использованной литературы, приложения. Работа изложена на 263 страницах компьютерного текста, содержит 29 таблиц, 24 рисунка. В Приложении приведено 29 таблиц и 11 рисунков. Список использованной литературы включает 339 наименований, в том числе 17 на иностранных языках.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту – доктору сельскохозяйственных наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ Г.Е. Мерзлой (ВНИИ агрохимии имени Д.Н. Прянишникова), П.П. Охлопковой, А.Ф. Абрамову, У.К. Эверстовой, В.И. Дмитриевой, Е.И. Прибылых, А.Я. Федорову, Д.И. Степановой, Н.П. Тарабукиной, М.П. Неустроеву, сотрудникам лабораторий картофелеводства, агроэкологии и биохимии Якутского НИИСХ имени М.Г. Сафронова и сотрудникам ВНИИ агрохимии имени Д.Н. Прянишникова за ценные советы и помощь в проведении научных исследований.
Место и условия проведения опытов
Обеспечение населения высококачественными продуктами питания при сохранении экологической безопасности окружающей среды связано с устойчивым развитием сельскохозяйственного производства. К важным факторам устойчивой продуктивности земледелия нашей страны, включая регионы с маргинальными природно-климатическими условиями, относится внедрение эффективных, ресурсосберегающих агротехнологий с использованием приемов биологизации, обеспечивающих сохранение плодородия почв, оптимизацию режимов питания сельскохозяйственных культур путем рационального, экономически и экологически обоснованного применения органических и минеральных удобрений.
Земледелие Республики Саха (Якутия) развивается на территории между 56 и 64 северной широты, т.е. относится к рискованному. Высокие широты обусловливают в целом низкий уровень поступления солнечной энергии, короткий - до 60-90 дней – вегетационный период у растений, жесткие условия их перезимовки (Конюхов, 2005; Иванов, Винокурова, Игнатьева, 2008).
Для земледелия Якутии характерно распространение холодных мерзлотных почв. Летом мерзлотные почвы прогреваются слабо, и температура +10С на глубине верхнего слоя 10 см достигается только в июле (Савинов, 1976). Однако при этом, по мнению ряда авторов (Горбунова, 1961; Хлыновская, 1982), снижение урожая в определенной мере может компенсироваться за счет повышения продуктивности фотосинтеза на высоких широтах, положительного баланса органического вещества за счет накопления его в длинный световой день, а также других факторов. Тем не менее вегетационный период в Якутии с ее высокоширотным расположением самый короткий в России. К тому же сильно сокращают вегетацию растений заморозки, наступающие поздней весной и ранней осенью. Это становится причиной снижения урожая основных сельскохозяйственных культур – картофеля и зерновых. Зерно в посевах зерновых часто не может достичь восковой спелости, и их часто убирают на зеленую массу.
Особенностью земледелия Якутии является также острый дефицит влаги, что обусловливает необходимость организации орошения.
В районах с развитием земледелием в Якутии (Центральном районе и на Юго-Западе), как указывалось ранее, преобладают мерзлотные таежные палевые почвы. По гранулометрическому составу мерзлотные таежные палевые почвы как правило суглинистые. Содержание гумуса в таких почвах колеблется от 2 до 6%, фосфора – от 40 до 150 мг/кг, калия – от 20 до 200 мг/кг, реакция среды щелочная - рН от 7,5 до 8,2 (Консультативное агрохимическое обслуживание …, 2005; Иванов, Винокурова, Игнатьева, 2008; Становление и зрелость сельскохозяйственной науки Якутии …, 2000). По данным обследования, средневзвешенное содержание гумуса в почвах резко снижалось, особенно в последние шестой и седьмой туры (1994-2000 гг. и 2001-2006 гг.) – до 3,8 и 4%., что было связано с уменьшением объемов внесения органических удобрений, основной причиной которого было сокращение государственной финансовой поддержки хозяйствам, а затем и ее прекращение.
Вместе с тем органическим удобрениям в земледелии Якутии отводится важнейшая роль в системе мер по повышению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур.
К основным видам органических удобрений в Якутии относится навоз и птичий помет, к новым видам – различные компосты, в том числе компосты на основе птичьего помета и торфа, компосты на основе осадка сточных вод и древесных отходов, а также вермиудобрения и другие (Федоров, 1986; Федоров, Потапов, Батыев, Макаров, 1989; Сычев, Мерзлая, Петрова и др., 2007; Иванов, Винокурова, Игнатьева, 2008)
Навоз – традиционное, повсеместно распространенное органическое удобрение. При правильном хранении навоз обладает высокой удобрительной ценностью. По обобщению ВИУА (Нормативные показатели …, 1991), в нативном подстилочном навозе в среднем по Дальневосточному Федеральному округу, в который входит и Республика Саха (Якутия) содержится 0,55% общего азота (N), 0,3% фосфора (P2О5), 0,55% калия (К2О), или 1,4% NPK. По разным источникам (Федоров, Потапов, Батыев, Макаров, 1989; Иванов, Винокурова, Игнатьева, 2008), в сухом веществе перепревшего навоза крупного рогатого скота содержится в среднем 1,6-1,75% общего азота, 0,9-1,6% фосфора (Р2О5), 0,2-1,2% калия (К2О) при рН 7,5 и С: N=25, свиного навоза соответственно 1,6-2,5%; 0,8-3,6% и 1,0-2,2% при рН 6,8 и С: N=17.
Однако удобрительные качества навоза могут быть утрачены, если технологии хранения применяются с нарушениями, а в почву навоз вносится несвоевременно (Использование органических удобрений, 1966; Бесподстилочный навоз …, 1978; Lange, Specht, Asmus, 1971; Koriath, Asmus, Lange, 1972). Следует учитывать, что навоз представляет среду, благоприятную для сохранения разнообразных микроорганизмов, и в условиях вечной мерзлоты в Якутии микроорганизмы обладают выраженной устойчивостью к воздействию внешних факторов и могут годами сохранять жизнеспособность и патогенность.
Согласно некоторым сообщениям (Тарабукина, Степанов, Прокопьева, 1993), в кучах навоза в Якутии кишечная палочка выживает до 1,5 лет, золотистый стафилококк – до 2 лет, микобактерия туберкулеза – до 4 лет, мытный стрептококк – до 1 года. Таким образом, навоз, полученный в неблагополучных по инфекционным заболеваниям хозяйствах, необходимо обеззараживать.
Окупаемость удобрений прибавкой урожая картофеля
В настоящее время проведены значительные работы по изучению действия осадков сточных вод в системе почва-растение и их эффективности, накоплен определенный опыт в сельскохозяйственном использовании удобрений на их основе (Анализ существующего положения …, 1989; Касатиков, 1991; Плеханова, Кутукова, Обухов, 1995; Стратегия использования осадков сточных вод …, 2002; Пахненко, 2007; Васбиева, Зиновьев, 2013).
Осадки сточных вод, как и всякие органические удобрения, обогащают почву органическим веществом, валовыми и подвижными формами элементов питания, улучшают физические, физико-химические и биологические свойства почвы, особенно песчаной и деградированной. Также внесение осадков приводит к прочности почвенных агрегатов и увеличению запасов влаги в почве. В опытах Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технологического института органических удобрений и торфа применение безреагентного осадка сточных вод существенно улучшало агрохимические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы, тем самым повышая ее потенциальное плодородие (Касатиков, Баринова, Руник, Касатикова, 1987). С увеличением доз сухой массы снижалась кислотность почвы, значительно возрастал уровень обеспеченности подвижным фосфором. В осадках сточных вод содержится до 75% органического вещества и является их достоинством (Kutera, 1988).
Органическое вещество, по сообщению многих авторов, может определять направление процесса почвообразования, а также биологические, химические и физические свойства почвенной среды (Бабьева, Зенова, 1989; Кононова, 1969; Лыков, 1982; Орлов, Гришина, 1985; Гришина, 1986; Лукин, 2010; Шевцова, 2010; Романенков, Шевцова, Сиротенко, 2010; Черников, 2010).
Осадки сточных вод также могут играть важную роль в пополнении запасов фосфора в почве. В осадках его содержание высокое и связано это с применением населением фосфорсодержащих моющих средств. У фосфора и его соединений меньшая подвижность и растворимость в отличие от калия, который более легко вымывается из осадков и удаляется с очищенными водами (Schfafer, Kick, 1970).
Так, постоянное внесение осадков сточных вод на легких песчаных почвах в течение 4 лет, привело к увеличению содержания азота и гумуса. Влияние осадка на процесс гумусообразования оказалось более выраженным, чем навоза, и внесение 20 т/га осадка по действию было эквивалентным 40 т/га навоза. Содержание гумуса в почве повышалось вместе с увеличением доз осадка (Стратегия использования осадков сточных вод …, 2002). К настоящему времени накоплен значительный материал по воздействию осадков сточных вод на урожай, химический состав и питательную ценность сельскохозяйственных культур, в различных почвенно-климатических условиях. Большое количество исследований посвящено эффективности осадков различного происхождения, применяемых для удобрения пахотных земель (Ладонин, Мерзлая, Афанасьев, 2002). Влияние осадков сточных вод на развитие трав изучалось американскими исследователями. Было установлено, что в результате удобрения осадками повышалась их урожайность и содержание сырого протеина в травяных кормах, улучшалась их поедаемость животными, кроме варианта, где осадок вносился за день до выпаса (Decker, Charey, Davidson, Hammond, Mohanty, 1981) Использование растениями тяжелых металлов из почвы, удобренной осадками сточных вод, зависело от действия сопряженных процессов сорбции – десорбции элементов в подсистеме осадок – почва и их транслокационной активности.
Осадки сточных вод могут значительно повышать урожайность сельскохозяйственных культур и по действию лишь немного уступают минеральным удобрениям. Эффективным способом является удобрение осадком сточных вод совместно с минеральным калийным удобрением. Это сочетание дает хорошие результаты при повышении влажности почвы. Осадки сточных вод на аллювиальных луговых почвах в центральной части поймы реки Москвы положительно влияли на развитие многолетних трав и озимой ржи, которые интенсивнее кустились и наращивали биомассу. У растений при этом на 4-6 дней сокращался период вегетации (Шуравилин, 2005).
В Московской области на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве исследовали возможность использования в качестве удобрения компостов из осадков сточных вод г. Москвы различных сроков хранения и древесных отходов, которые вводили в их состав в количестве 10% сухой массы (Мерзлая, 2015). Один компост готовили из сброженного осадка сточных вод, поступающего непосредственно с фильтр-прессов Курьяновской станции аэрации, второй компост - из осадка той же станции после 10 лет размещения на иловых площадках. Для сравнения в схему опыта введены варианты с традиционным подстилочным навозом крупного рогатого скота. Все органические удобрения внесены в двух дозах - 10 и 35 т/га сухого вещества. Компост, который готовили из осадка длительного срока хранения, был в большей степени загрязнен тяжелыми металлами, чем компост из осадка, поступающего непосредственно с фильтр-прессов станции аэрации. Компосты из осадков различных сроков хранения характеризовались высокой удобрительной ценностью, содержали на сухую массу 48-52% органического вещества, 2-2,1% общего азота, 5,3-5,5% фосфора (Р2О5), 0,2% калия (К2О) при рН 7,2-7,4. В подстилочном навозе крупного рогатого скота содержалось 2,7% общего азота, 2,4% Р2О5, 2,1% К2О при рН 7,0.
От навоза компосты отличались меньшим содержанием органического вещества, азота, калия, но значительно превосходили его по содержанию фосфора. Компост из осадка длительного хранения на иловых площадках был загрязнен цинком и кадмием, содержание которых соответственно на 31 и 49% превышало допустимые концентрации. Общее количество тяжелых металлов в этом компосте было в 2 раза выше, чем в компосте из осадка, поступающего с фильтр-прессов и в 10 раз выше, чем в подстилочном навозе КРС. При закладке опыта был высеян кормовой злак - ежа сборная под покров ярового ячменя.
Результаты исследований показали, что применение компостов из осадков сточных вод г. Москвы в высоких дозах по сравнению с контролем в отличие от вариантов с низкими дозами достоверно повышало урожайность многолетних трав, о чем свидетельствуют данные, полученные в среднем за 10 лет. В то же время подстилочный навоз в высокой дозе за этот период превосходил по урожайности трав оба компоста в таких же дозах. Необходимо отметить также значимый эффект последействия высоких доз (35 т/га сухого вещества) органических удобрений в последующие четыре года. При этом последействие компоста из осадка сточных вод длительного хранения проявлялось в течение четырех лет, а последействие подстилочного навоза – три года.
Влияние птичьего помета и компостов на его основе на урожайность картофеля
Так, ежегодное внесение навоза в течение 100 лет увеличивало в почве по сравнению с контролем более чем в 2 раза содержание органического углерода и азота. Эти показатели плодородия в определенной мере повышались и при систематическом внесении минеральных удобрений. Благодаря улучшению плодородия почвы за счет внесения одного навоза или одних минеральных удобрений урожайность сельскохозяйственных культур по отношению к контролю возросла примерно в 2 раза в период многолетних наблюдений с 60-х годов 19 в. до 60-х годов 20 в. и в 4-5 раз – в период с 60-х годов 20 в. по настоящее время, а за последнее время с дополнением удобрений средствами защиты растений и модернизацией агротехники урожайность увеличилась в 7-9 раз.
На основании длительных опытов, выполненных в Германии в Берлинском университете имени Гумбольдта, продолжительностью от 41 до 88 лет, при исследовании агрохимических, агрофизических и физико химических параметров почвы в динамике и определении связи их с продуктивностью сельскохозяйственных культур, выявлена целесообразность совместного использования навоза и минеральных удобрений (Baumecke, Ellmer, Chmielewski, 2002; Ellmer, 2008). Согласно французским данным, в длительном полевом опыте вблизи Парижа (Гриньон), заложенном в 1875 г., где в схему были включены варианты с полным минеральным удобрением (NPK), а также с навозом, только систематическое внесение навоза за многолетний период позволяло поддерживать содержание в почве органического вещества на исходном уровне. На контроле и в варианте минеральных удобрений содержание органического углерода и азота в почве снизилось, причем более резко это снижение наблюдалось при внесении минеральных удобрений.
Аналогичные результаты по влиянию удобрений на плодородие почв были получены на основании многолетних исследований в США и Канаде. Например, в штате Миссури в длительных опытах на оподзоленной серо-бурой почве было выявлено, что без применения удобрений нельзя достичь положительного баланса гумуса в почве даже при насыщении севооборота клевером или при ежегодном запахивании зеленой массы ржи, возделываемой в монокультуре (Мазиров, Арефьева, 2012).
О положительном воздействии длительного (30-летнего) применения систем удобрения с использованием навоза на баланс гумуса в почве отмечается в исследованиях, выполненных в Белоруссии (Никончик, 2012). Согласно расчетам, при оптимальной структуре посевных площадей и освоении рекомендуемых севооборотов в пахотные почвы республики ежегодно может поступать 13,9 млн. т абсолютно сухой органической массы за счет корневых и пожнивных остатков сельскохозяйственных культур и 7,7 млн. т – за счет органических удобрений. В расчете на 1 га пашни возможное поступление органической массы составит 3 т за счет культурных растений и 1,9 т за счет органических удобрений, что эквивалентно, соответственно, 12 и 7,6 т подстилочного навоза. В общем количестве поставляемой в почву органической массы доля растительных остатков составит около 62% и органических удобрений 38%.
Приведенные результаты, полученные в длительных полевых опытах в зарубежных странах показывают, что научно обоснованное применение органических и минеральных удобрений является главной составляющей агротехнологий в различных природно-климатических условиях. В прошедшем столетии, как известно, в промышленно развитых странах в сельскохозяйственном производстве был взят курс на интенсификацию, в том числе за счет механизации и использования химических продуктов для удобрения и защиты сельскохозяйственных растений, что при завышении нагрузок на агросистемы приводило к негативным последствиям – деградации почв, засолению орошаемых земель, сокращению биологического разнообразия, развитию устойчивости у вредителей и возбудителей болезней растений, нанесению ущерба окружающей среде (выброс парниковых газов, загрязнение водоемов нитратами и т.п.) (Tilman, Cassman, Matson, Naylor, Polasky, 2002; Bruinsma, 2009).
За рубежом в последние десятилетия в результате бурного развития агропроизводства, включающего, наряду с различными интенсивными приемами, использование повышенных и высоких доз удобрений и других средств химизации, стали уделять внимание альтернативному (органическому, экологическому, биодинамическому) земледелию, исключающему применение минеральных удобрений (Минеев, Дебрецени, Мазур, 1993; Кирюшин, 2000; Горчаков, Дурманов, 2002; Горчаков, 2004; Экологическое сельское хозяйство …, 2004; Система биологизации земледелия, 2007; Гукалов, 2012; Лошаков, 2012; Боинчан, 2013; Rachel Carson, 1962; Smith, 1991; Gliessmann, 2000; www.аgbioworld.org.; www.wоrldbank.org; www.al.com/birminghamnews/today; www.gardenia.ru).
При этом, несмотря на государственную поддержку и активную пропаганду, органическое земледелие все еще практикуется на незначительных площадях, занимая не более 1% площади сельскохозяйственных угодий (Методическое руководство …, 2008). Важно отметить, что объективных и убедительных научных данных о преимуществе альтернативного земледелия перед адаптивно-ландшафтным по показателям продуктивности культур и качеству растительной продукции крайне недостаточно (Минеев, Болышева, 2005; Пуховский, 2005 Горчаков, Дурманов, 2002). В этой связи важное значение может иметь проведение научно-исследовательских работ по сравнительному изучению эффективности органических и органоминеральных систем удобрения, особенно при длительном применении их в севооборотах.
В настоящее время определена новая парадигма ФАО (2011 г.) – устойчивая интенсификация растениеводства (УИР) как увеличение выхода продукции с одного и того же участка при одновременном уменьшении негативных воздействий на окружающую среду и увеличении вклада в природный капитал и поток экологических услуг.
Для достижения этой цели ФАО одобрен «экологический подход» в управлении сельскохозяйственной деятельностью (fao.org.ag.save-and grow.ru). На практике это относится, в первую очередь, к поддержанию здорового состояния почвы, что в свою очередь способствует улучшению питания растений. При этом, согласно новой парадигме, самых высоких урожаев можно достичь, если растения получают питательные вещества при использовании сочетания естественных источников, к которым прежде всего относится навоз, введения посевов бобовых культур, и минеральных удобрений.
Приведенная выше парадигма о необходимости совместного внесения под культуры органических и минеральных удобрений не противоречит, а, наоборот, подтверждает ранее сформировавшуюся отечественную концепцию в области развития растениеводства, агрохимии и агрохимического обслуживания сельского хозяйства (Прянишников,1965; Загорча, Толочко, Думитрашко, Припа, Тищенко, 1979; Минеев, 1966; 1984; Минеев, Шевцова, 1978; Кочергин, 1968; Чуб, Гюрова, Потатуева, 1981; Демин, 1989; Чуб, 1989; Жученко, 1990; Расширенное воспроизводство плодородия почв …,1993; Минеев, Дебрецени, Мазур, 1993; Новиков, 1999; Ягодин, Жуков, Кобзаренко, 2003; Лыков, Еськов, Новиков, 2004; Концепция …, 2005; Методическое руководство …, 2008; Сычев, Минеев, 2011; Прогноз …, 2011; Кидин, 2012).
Качество клубней картофеля при возделывании на мерзлотной почве
С развитием городского строительства резко возрастает водопотребление населения и, соответственно, увеличиваются объемы сточных вод, при очистке которых на очистных сооружениях накапливаются колоссальные количества осадков. Утилизация осадков сточных вод представляет серьезную экологическую проблему. В мировой практике существуют такие способы утилизации осадков сточных вод, как захоронение, сжигание, сброс в океан или другие водоемы. Все они сопровождаются в той или другой степени загрязнением окружающей среды. Практикуется также биологическая утилизация осадков с помощью почвенного метода (СанПиН 2.1.7.573-96; Курганова, Копейкина, Гюнтер, Беляева, 1999; Стратегия использования осадков сточных вод…, 2002; Дегтярева, Газизов, Хисамутдинов, 2013; Ложкин, 2013).
О целесообразности применения для удобрения городских отходов (отбросов человеческого организма) отмечено в трудах Д.Н. Прянишникова (2015). Однако при использовании осадков сточных вод в земледелии ограничивающим фактором считается непостоянство их химического состава и возможное превышающее нормативы содержание в них различных порллютантов, в первую очередь тяжелых металлов и мышьяка, что может привести к загрязнению как почв, так и растений (Breunig, Martin, Wojahn, 1978; Gypta, 1977; Kutera, 1988). Тем не менее, при соблюдении экологических регламентов использование осадков сточных вод в сельском хозяйстве может служить важным фактором повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур. При этом следует указать, что в ряде западноевропейских стран сельскохозяйственное использование осадков достигает значительных размеров, составляя 30-40% образующихся их объемов, в России же оно не превышает 5-7% (Стратегия использования осадков сточных вод…, 2002).
На очистных сооружениях г. Якутска в сутки образуется около 10 т осадка сточных вод. Использование его для производства удобрений может стать важным ресурсом органического вещества, т.к. в Республике остро ощущается дефицит традиционных органических удобрений - навоза и птичьего помета, выход которых только на одну треть удовлетворяет потребность в них сельского хозяйства. Одним из сдерживающих факторов использования осадков сточных вод в качестве удобрений в маргинальных природных условиях Якутии является наличие в них патогенных организмов, в результате чего без предварительного их обеззараживания может возникнуть опасность распространения инфекционных и инвазионных болезней. При этом для обезвреживания осадков может быть успешно использован метод ферментации, позволяющий приготовить ценные в агрономическом отношении компосты.
Для решения вопросов получения экологически безопасных удобрений из осадков путем компостирования в условиях Якутии нами проводились соответствующие исследования. Совместно с В.Н. Дмитриевой были заложены опыты на Канализационной очистной станции сточных вод МУП «Водоканал» г. Якутска (Дмитриева, Степанов и др., 2000).
Эффект компостирования исследовали в опыте 4 «Изучение условий компостирования осадка сточных вод с древесными отходами».
Опыт включал варианты субстратов: осадок + опилки в пропорциях 8:1. 10:1 и 12:1. Субстраты помещали в короба на цементном покрытии размерами 1 x 1 х 1 м и вели фементацию при температуре воздуха 15-30С. Период компостирования составлял 2 месяца.
Опыт по изучению возможности обеззараживания компостов на основе осадка от яиц гельминтов проводился по схеме: осадок; осадок + опилки в соотношении 8:1, 10:1, 12:1; 10:1 + антагонист и 12:1 + антагонист.
Тест-культурами служили паспортизированные штаммы E. сoli (шт. 1257), St. аureus (шт.209 Р), местный штамм Sal. dublin. Микроб-антагонист - местный штамм Bacillus subtilis "ТНП-3", выделенный из почвы в ЯНИИСХ и депонированный во Всероссийском государственном НИИ контроля, стандартизации и сертификации ветеринарных препаратов (Дмитриева, г. Москва). Вермикомпостирование проведено в емкостях по 1,5 кг субстрата c внедрением по 200 особей гибрида красного калифорнийского вида Eisenia foetida. Субстрат контаминирован штаммом Sal. dublin.
При проведении исследований был определен химический состав осадков сточных вод г. Якутска, а также исходных материалов-наполнителей и полученных компостов и вермикомпостов.
Анализ показал, что содержание тяжелых металлов в осадках значительно ниже допустимых норм (СанПиН, 2.2.7.573-96).
Так, в сухом осадке сточных вод г. Якутска содержалось (в мг/кг) Cr 180, Zn 410, Cu 60, Pb 60, Cd 5, Ni 60, Co 50, Mo 10 (табл. 19 Приложения). Содержание общего азота в осадке составляло 1,21%; Р2О5 - 0,49%, К2О -0,27%, органического вещества - 34% при pH 7,2.
Исследования по производству компостов и вермикомпостов на основе осадков сточных вод дали положительные результаты.
С ростом содержания осадка в субстратах увеличивалось количество дождевых червей. За 30 дней достигался максимальный рост вермикультуры (на 60%). Таким образом, для вермикультивирования оказались пригодными все варианты субстратов, включая осадок без наполнителя.
В осадке, пролежавшем без обработки в течение всего периода опыта, количество яиц гельминтов снизилось незначительно, на 25%, тогда как в компостах оно уменьшилось в 2-4 раза. При этом введение микроба-антагониста Bacillus subtilis обеспечивало полное обеззараживание компоста от яиц гельминтов.
О выживаемости патогенных микроорганизмов в компостах и вермикомпостах свидетельствуют данные таблицы 6, которые к показывают, что такие патогенные микроорганизмы, как E. coli, St. aureus и Sal. dublin сохраняют жизнеспособность при компостировании и вермикомпостировании осадка с опилками при соотношении 12:1 более 1 месяца, а при добавлении суспензии с микробом-антагонистом период сохранения их жизнеспособности значительно сокращается. В целом же было установлено, что при введении микроба-антагониста в компост из осадка и опилок при месячной экспозиции происходило полное обеззараживание удобрения.