Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы
1.1 .Возможности и проблемы утилизации ОСВ в качестве удобрения
1.2. Общая характеристика вермикомпостов 16
1.3.Влияние вермикомпостов на свойства почвы и продуктивность растений
2. Условия и методы проведения исследований
2.1. Климатическая характеристика и погодные условия 33
2.2. Характеристика почвы 36
2.3. Характеристика удобрений 39
2.4. Методика проведения исследований 40
2.5. Методы лабораторных исследований 44
3. Влияние субстрата на интенсивность развития навозных червей и качество получаемых вермикомпостов 47
4. Влияние удобрений на свойства почвы
4.1. Влияние удобрений на агрохимические показатели почвы 56
4.2. Влияние удобрений на биологическую активность почвы 77
5. Влияние удобрений на продуктивность культур
5.1. Сравнительная оценка разных вермикомпостов 88
5.2. Сравнительное действие вермикомпостов и исходных удобрений
6. Влияние удобрений на химический состав и качество растительной продукции
6.1. Влияние удобрений на качество продукции
6.2. Влияние удобрений на химический состав продукции
7. Содержание тяжелых металлов в почве и растениях 125
8. Эффективность применения удобрений
8.1 Влияние удобрений на удельный вынос элементов питания 135
8.2 Окупаемость удобрений прибавкой урожая 139
8.3 Энергетическая эффективность применения удобрений
Выводы 143
- Общая характеристика вермикомпостов
- Характеристика почвы
- Влияние удобрений на биологическую активность почвы
- Окупаемость удобрений прибавкой урожая
Введение к работе
Актуальность исследований
Проблема утилизации осадков сточных вод (ОСВ) актуальна как с экономической, так и с природоохранной точек зрения. Ежегодное накопление ОСВ в нашей стране достигает 30 млн. тонн, и количество этих отходов растёт с каждым годом. До настоящего времени отсутствуют достаточно эффективные технологии их утилизации: некоторые из них чрезвычайно энергоёмки; для других не достаёт соответствующего оборудования; третьи - малопроизводительны. В тоже время, осадки содержат большое количество органического вещества, азота, фосфора, калия, других элементов необходимых для питания растений, то есть могут быть использованы в качестве органического удобрения. Однако применение их на удобрение ограничено рядом факторов: плохими физическими свойствами; наличием загрязнителей, прежде всего тяжелых металлов, в количествах превышающих допустимые нормы; высоким содержанием патогенной микрофлоры. Одним из способов повышения безопасности ОСВ и улучшения их агрономической ценности является вермикомпостирование.
Большой опыт по вермикомпостированию накоплен в США, Германии, Италии, Японии, Австралии и других странах. В последние годы решению этой проблемы, как в теоретическом, так и в практическом плане уделяется и в нашей стране. Исследования показывают, что 4-5 месячное компостирование ила очистных сооружений с помощью культуры червей даёт возможность получить компост с высокой удобрительной ценностью, при этом количество тяжёлых металлов в нём снижается в 3 - 4 раза. Уничтожается запах отходов, до некоторой степени снижается их зараженность патогенами (Касатиков В.А., 1996). Своевременность нашего исследования обосновывается тем, что проблема удобрений вплотную смыкается с проблемой окружающей среды и созданием безотходного экологически чистого производства. К сожалению, до сих пор остается не решенным ряд вопросов, связанных с производством и применением
этого вида органического удобрения. Практически отсутствуют рекомендации по приемам вермикомпостирования ОСВ, нет данных по характеристике получаемых удобрений и рекомендаций по их использованию. Наконец, что очень важно, не выяснена экономическая и экологическая эффективность переработки органических отходов с помощью вермикультуры.
Цель и задачи проведения исследований
Основной целью исследований явилось изучение возможности использования вермикомпостирования для получения безопасных и агрономически ценных удобрений на основе ОСВ.
Для ее решения поставлены следующие задачи:
определить наиболее оптимальные компоненты для предварительного компостирования с ОСВ при получении вермикомпостов;
дать агрохимическую характеристику и оценить безопасность (по содержанию тяжелых металлов) полученных удобрений;
выявить действие вермикомпостов на агрохимические свойства светлосерых лесных почв;
установить влияние разных вермикомпостов и исходных органических удобрений на урожайность, качество зерновых (озимой пшеницы, ячменя) и овощных (столовой свеклы, моркови, пекинской капусты, салата, редиса) культур;
изучить влияние удобрений на накопление тяжелых металлов в почве и в продукции растениеводства;
рассчитать вынос и коэффициенты использования питательных элементов растениями из удобрений в прямом действии и последействии;
оценить агрономическую и биоэнергетическую эффективность применения вермикомпостов.
Научная новизна
Установлено, что в процессе вермикомпостирования происходит снижение содержания азота, а изменение количества фосфора, калия и тяжелых металлов зависит от исходного материала. Впервые в условиях Нижегородской области изучена возможность получения агрономически ценных вермикомпостов на основе ОСВ и их применения на некоторых зерновых (озимая пшеница, ячмень) и овощных (столовая свекла, морковь, пекинская капуста, салат, редис) культурах.
Установлено, что вермикультивирование ОСВ невозможно - это витальная среда для культуры червей. Вермикомпостирование удобрений на основе ОСВ приводит к снижению содержания азота в конечном продукте.
Выявлено, что вермикомпосты на основе ОСВ, способствовали повышению содержания гумуса и биологической активности, оцениваемой по целлюлолитиче-ской способности, нитрифицирующей активности и дыханию почвы, но не оказывали влияния на ее физико-химические свойства.
Судя по урожайности, применение вермикомпостов на основе ОСВ под изучаемые культуры возможно. По показателям качества продукция характеризуется как удовлетворительная, содержание свинца, меди и цинка не превышало ПДК, но по содержанию кадмия основная часть исследованной овощной продукции не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям.
Практическая значимость работы
На основании результатов проведенных исследований разработаны рекомендации по получению вермикомпостов на основе ОСВ, применению вермикомпостов в производстве, позволяющие улучшить свойства почвы, повышать урожайность и качество продукции, не снижая ее безопасности. Полученный экспериментальный материал позволяет рассматривать исследуемые вермиудобре-ния, как составную часть экологически чистых технологий, направленных на снижение загрязнения окружающей среды.
Материалы исследования используются в учебных курсах по сельскохозяйственной экологии и агрохимии для студентов агрономических специальностей в Нижегородской ГСХА.
Основные защищаемые положения
- вермикомпостирование компостов на основе ОСВ, с учетом предвари
тельного их компостирования с навозом, птичьим пометом и соломой, да
ет возможность получать агрономически полноценные удобрения;
применение вермикомпостов на основе ОСВ способствует получению высоких урожаев зерновых и овощных культур;
показатели качества растительной продукции, полученной при использовании вермикомпостов на основе ОСВ, улучшаются как в сравнении с абсолютным контролем, так и в сравнении с ОСВ;
использование вермикомпостов на основе ОСВ приводит к улучшению питательных свойств, но не оказывают влияния на физико-химические показатели почвы.
Апробация работы
Результаты исследований были доложены на региональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (Йошкар-Ола, 2001), на научно-практической конференции посвященной 125-летию со дня рождения Н.В. Рудницкого «Здоровье, питание - биологические ресурсы» (Киров, 2001), на научно-практической конференции «Актуальные проблемы лесного хозяйства и рациональное использование природных ресурсов Нижегородской области» (Н.Новгород, 2002), на 2й международной научно-практической конференции «Дождевые черви и плодородие почв» (Владимир, 2004), а также на научно-практических конференциях Нижегородской ГСХА в 1999-2004 гг.
Общая характеристика вермикомпостов
Существует много технологий утилизации и переработки ОСВ, большинство из которых сами не являются безотходными. Перспективным направлением может стать биоконверсия с помощью вермикультуры, дающая возможность получения нового экологически высокоэффективного органического удобрения - вермикомпоста (биогумус): Вермикомпост - это продукт, получаемый из органических отходов, подвергнутых физико-химической, биохимической и микробиологической трансформации в кишечнике дождевых червей (Безуглова О.С., 2000; Черников В.А, Чекерес В.А., 2000; Tomati U., Grappelli A., Galli Е., 1986). В настоящее время вопросами использования вермикультуры для переработки осадков сточных вод, бытового мусора и других отходов занимаются многие исследователи как в нашей стране, так и за рубежом (Алексеев Ю.В., 1987; Касатиков В.А., 1989; Игонин A.M., Титов И.Н., Елин Е.Н.,2003; Minnich J., 1977; Mitchell M.J., Homer S.G., Abrams B.J., 1980 и др.). По мнению Б.Г. Стадника (1994), только вермикомпостирование позволяет перерабатывать этот далеко небезбпасный продукт в качественное удобрение. При этом основными экологическими критериями являются биологическая обез- зараженность ОСВ и отсутствие сверхнормативного содержания в них тяжелых металлов (Покровская С.Ф., Касатиков В.А., 1987; Касатиков В.А., 1990). Преимущества вермикомпостирования по сравнению с обычными способами компостирования специалисты видят в следующем. Во-первых, отходы, заселенные червями, перестают выделять неприятные запахи. Так, в исследованиях, проведенных в Швеции, содержание в осадках сточных вод сульфидов, создающих неприятный запах этих отходов, после переработки червями снижается почти на порядок (Lofs-Holmin А., 1985; Tomati U., Grappelli A., Galli Е.э 1988). Во-вторых, при вермикомпостировании происходит ускорение процесса разложения и минерализации органического вещества отходов, что связывают с улучшением аэрируемости отходов (Glathe Н., 1975; Juste С, Solda Р., 1983; Tomati U., Grappelli A., Galli Е., 1986.). В-третьих, в присутствии червей создаются благоприятные условия для деятельности микроорганизмов, которые подавляют развитие патогенных бактерий. По данным исследований, проведенных в Сельскохозяйственном университете в Стокгольме (Швеция), через 1 месяц после заселения ОСВ червями численность сальмонелл снизилась на 99 % (Lofs-Holmin А, 1985) В системе мер, направленных на снижение загрязнения окружающей среды, вермикомпостирование таких отходов, как ОСВ, может сыграть важную роль, т. к. полученное удобрение может найти применение в сельском хозяйстве при соблюдении мер экологической безопасности. Но прежде чем внедрять его в производство, удобрение должно пройти агроэкологическую оценку на возможность и целесообразность использования.
Особый интерес представляет вопрос о влиянии червей на изменение содержания в переработанных отходах тяжелых металлов (как по валовому содержанию, так и по концентрации их подвижных форм). В исследованиях В.А Касатикова (1996) установлено, что в процессе вермикомпостирования ОСВ происходит изменение как макроэлементного, так и микроэлементного состава, рассматриваемого по валовому содержанию и кон- центрации подвижных форм. В частности, происходит снижение уровней азота и фосфора соответственно на 37 % и 47 % за счет разбавления ОСВ на 20 % целлюлозосодержащим материалом в виде соломы и использования элементов питания для нарастания биомассы червей. При этом на 36 % возрастала концентрация калия за счет калия соломы и меньшего его использования верми-культурой. В процессе вермикомпостирования ОСВ уровень валового содержания большинства токсичных элементов уменьшается за счет «разбавления» их при подготовке субстрата и использования металлов при нарастании биомассы вермикультуры. В вермикомпосте на основе ОСВ с очистных сооружений г. Москвы получено 2-3 кратное снижение содержания поллютантов, а для осадка из г. Владимира — 1,5-2 кратное снижение. При этом благоприятными становились экологические показатели, связанные с динамикой и доступностью растениям тяжелых металлов. Происходило снижение степени подвижности кадмия в зависимости от субстрата в 2-2,8, меди - в 3,47-4,1, никеля - в 2,7-4,2, цинка — в 2,1-2,8 раза. Таким образом, если уменьшение концентрации макроэлементов в осадке снижает их качество как удобрения, то снижение концентрации тяжелых металлов повышает уровень экологической безопасности, расширяя ареал их применения в сельском хозяйстве (Касатиков В.А., 2003). Согласно выводам зарубежных специалистов, несмотря на способность червей накапливать тяжелые металлы, их содержание в образующемся компосте не снижается, а, наоборот, несколько возрастает, что связывают с интенсификацией микробиологической деятельности, способствующей высвобождению тяжелых металлов. Поэтому необходимо проявлять осторожность при использовании в сельском хозяйстве вермикомпоста, изготовленного из таких отходов, чтобы не допустить ухудшения санитарно-гигиенического качества продукции (Fleckenstein J., Graff О., 1982. Malecri М., Neuhauser Е., Loehr R., 1982). Другие авторы (Мерзлая Г.Е. и др., 1995; Мерзлая Г.Е., Афанасьев Р.А., 2001) утверждают обратное: изучение основных показателей химического состава компостов и вермикомпостов не выявило резких различий между исходными субстратами и полученными удобрениями. Изучение отличий между традиционными компостами и вермикомпоста-ми, полученными из навозов КРС и свиного, птичьего помета и торфокомпост-ной смеси в лабораторном опыте, показало, что компостирование отходов с участием червей сопровождалось большими потерями органического материала, а также мобилизацией фосфора и калия (Калинина О.Ю., 2000). Переработанная червями органическая масса, по сравнению с традиционным компостированием, повышает коэффициент гумификации в 1,7-2,5 раз. В вермикомпосте по сравнению с субстратом, в 3-3,5 раза увеличивается число бактерий и более разнообразен видовой состав микрофлоры. Влажный вермикомпост отличается высоким уровнем ферментативной активности, особенно активностью оксидо-редуктаз (Лазарчик В.Е. и др., 1994). За счет интенсивной ферментации вермикомпост содержит значительное количество биологически активных веществ (ауксинов, гетероауксинов), которые снимают стрессы у растений (особенно при высадке рассады) и усиливают приживаемость, ускоряют прорастание семян, повышают устойчивость культур к заболеваниям (Мельник И.А., 1990; Терещенко П.В., 1999). Высокое содержание ферментов способствует процессам регенерации природно бедных почв, а также почв, загрязненных химическими и радиационными веществами (Спевак В.Я., 1999). Некоторые исследователи считают, что вермикомпосты по сравнению с обычными компостами более гомогенны, обладают более высокой водо-удерживающей способностью и водопрочностью, которая определяет структуру почвы (Мельник И.А., 1991).
Питательные вещества в данном удобрении находятся в концентрированной форме, сбалансированы по химическому составу, медленно растворимы и обеспечивают длительное потребление их растениями. Однако химические свойства вермикомпоста зависят от состава отходов, служащих сырьем для его производства. По обобщенным данным, содержание в вермикомпосте органического вещества колеблется от 24 до 64 %, углерода — от 12 до 29 %, общего азота - от 0,8 до 3 %, фосфора - от 0,5 до 5 %, калия - от 0,3 до 2,5 % (Мерзлая Г.Е., Афанасьев Р.А., 1999). Технология вермикомпостирования основана на способности червей поглощать растительные остатки и почву в процессе своей жизнедеятельности. При этом органические отходы в организме червей подвергаются биохимическим изменениям: они расщепляются на более простые вещества, обогащаются питательными элементами, ферментами и полезной микрофлорой, минеральные соли превращаются в легкодоступные для растений формы, происходит нейтрализация кислот, содержащихся в исходном субстрате (Артюшин A.M., 1994; СтадникБ.Г., 1994). Сырьем для производства вермикомпоста могут служить любые органические отходы, поддающиеся разложению: различные виды навоза, бытовой мусор, ОСВ, отходы перерабатывающей, целлюлозо-бумажной и фармацевтической промышленности, а также солома, гнилое сено, листья, опилки, стружка и др. (Морев Ю.Б., 1989). Однако многие исследователи отмечают, что, независимо от природы органического вещества, содержание целлюлозы в нем должно составлять не менее 20-25 % (Терещенко П.В., 2000; Еремин А.Е., Белова СМ., 2000; Edwards С. А., 1985; Ferrari A., Bonazzi Y., 1983), поскольку она способствует улучшению воздушного режима среды обитания и является кормом для червей.
Характеристика почвы
Исследования проводились на светло-серой лесной почве, сформировавшейся на лессовидных суглинках. По гранулометрическому составу почва легко- и среднесуглинистая. Профиль серых лесных почв дифференцирован по гранулометрическому составу на отчетливо выраженный элювиальный и менее очерченный иллювиальный горизонты. Пахотный слой почвы обладает высокой агрегированностью и водопрочностью структуры. Обобщенная агрохимическая характеристика почвы и содержание в ней тяжелых металлов на момент закладки опытов приведены в таблицах 2.3.-2.5. Из приведенных данных следует, что использованные в опытах почвы равноценны по величине обменной кислотности (слабокислые), все они характеризуются высокой степенью насыщенности основаниями. Однако при этом сумма поглощенных оснований почвы в микрополевых опытах № 2 и № 3 практически в 2 раза выше, чем в остальных. Степень гуму-сированности почвы изменяется от очень низкой (опыт № 1) до низкой. Следует отметить, что содержание подвижных соединений фосфора высокое и очень высокое, в то время как калия - низкое (опыты № 2,3) и повышенное. Содержание валовых форм ТМ в почвах не превышает установленных требований (табл. 2.4.). Наиболее высоко в них относительное содержание никеля и кадмия, наименее - свинца и меди. Количество подвижных форм ТМ также не превышает установленных нормативов (табл. 2.5.). При этом наибольшей подвижностью характеризуются Cd, наименьшей - Си и Сг. Таким образом, можно отметить, что почва, используемая для опытов, незначительно различается по питательному режиму. При этом обращает на себя внимание дисбаланс между основными элементами питания, который наиболее ярко выражен в почве микрополевых опытов (№№ 2, 3). Количество ТМ в почвах в целом невысоко, однако необходим достаточно жесткий контроль за содержанием в них кадмия. Экспериментальные исследования проводили на кафедре агрохимии и агроэкологии НГСХА в период 1999-2003 г.г. в условиях лабораторных, вегетационных, вегетационно-полевых и микрополевых опытов. Вегетационно-полевой и вегетационные опыты проводились на вегетационной площадке, микрополевые - на опытном поле кафедры агрохимии и агроэкологии в учебно-опытном хозяйстве «Новинки» Богородского района Нижегородской области. Лабораторный опыт проводили в поддонах (от вегетационных сосудов) объемом 500 см3, в трехкратной повторности, в отапливаемом помещении (лаборатория кафедры агрохимии и агроэкологии).
Опыт заложен по следующей схеме: 1) навоз подстилочный; 2) ОСВ; 3) компост на основе ОСВ и навоза; 4) помет; 5) компост на основе ОСВ и помета; 6) компост на основе ОСВ и соломы. Технологическая схема предварительной подготовки субстратов включала измельчение отходов (2-3 см), составление компостируемой смеси в соотношении 1:1, поддержание оптимальной температуры и влажности. Продолжительность ферментации составила 3 месяца. В готовые компосты заселяли по 15 навозных червей из расчета численности особей 30 тыс./м3 со средней массой одной особи 0,3 г. Температура субстрата поддерживалась на уровне 17 С, влажность - 70-80 %. Схемы вегетационных, вегетационно-полевого и микрополевых опытов, представлены в таблице 2.8., количество внесенных питательных веществ - в таблице 2.9. Дозы органических удобрений приведены в расчете на сухое вещество. Вегетанионно-полевой опыт (опыт №1) был заложен в 2000 году на светло-серой лесной легкосуглинистой почве. Для исследований использовали пахотный слой почвы, привезенный с опытного поля учхоза «Новинки». Опыт заложен в сосудах из нержавеющей стали без дна, диаметром 40 см и высотой 60 см, в четырехкратной повторности, в 4 яруса со смещением в ярусе на один вариант. Масса почвы в слое 0-20 см, имитирующем пахотный горизонт, составила 35 кг. Органические удобрения внесены при набивке сосудов в 2000 г. в пахотный слой и тщательно перемешаны с почвой. В 2000 г. изучение эффективности удобрений проводили на столовой свекле сорта Бордо 237 (прямое действие), в 2001 опытной культурой была морковь сорта Витаминная 6 (последействие 1), в 2002 г. - пекинская капуста сорта Хибинская (последействие 2). Столовую свеклу убирали 10 сентября, морковь - 12 сентября, пекинскую капусту - 7 июля. Вегетационные опыты (№№ 4. 5) были заложены по схемам, аналогичным микрополевым опытам в 2001 году. Исследования проводили в пластмассовых сосудах Митчерлиха объемом 5 кг, в 4х кратной повторности. Удобрения вносили в почву при набивке сосудов,в один прием. Прямое действие удобрений изучали на салате сорта «Кучерявец Одесский», с вегетационным периодом с 26.05. до 30.06.2001 г., последействие - на редисе сорта «Рубин» (27.05.-4.07.2002 г). Закладку, уход и уборку опытов проводили в соответствии с требованиями методики опытного дела (Доспехов Б.А., 1973; Юдин Ф.А., 1980). Уход за опытами включал следующие операции: а вегетационные опыты: регулярный полив и периодическое промачива-ние сосудов, прополка, прореживание. К. моменту уборки в сосудах оставляли по 10 растений. После уборки первой культуры на осенне-зимний период сосуды помещали в слабоотапливаемое помещение. Перед посевом второй культуры проводили перебивку сосудов; б) вегетапионно-полевой опыт: прореживание растений, рыхление почвы, удаление сорняков, полив при длительной засухе. К уборке в сосудах остава лось по 8 растений столовой свеклы и моркови и 10 пекинской капусты; в) микрополевые опыты: в течении вегетации проводили прорезку дорожек и удаление крупной сорной растительности с делянок. Учет урожая в оба года исследований проводили сплошным методом после предварительной уборки защитных полос. 2.5. Методы лабораторных исследований Лабораторные исследования по теме диссертации проводили на кафедре агрохимии и агроэкологии НГСХА и в ФГУ Центр агрохимической службы «Нижегородский». Анализы почв проводили следующими методами: обменную кислотность определяли потенциометрически (ГОСТ 26483-85); гидролитическую кислотность - по Каппену (ГОСТ 26219-91); сумму поглощенных оснований - по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821-88); гумус - по методу Тюрина в модификации Никитина (ГОСТ 26213-91); подвижный фосфор и калий - по Кирсанову в модификации ЦИНАО с последующим определением P2Os колориметрически на ФЭК-56 М; калия - на пламенном фотометре FLARHO- 4 (ГОСТ 26207-91); нитратный азот - дисульфофеноловым методом Грандваль-Ляжу, а аммонийный азот - с реактивом Несслера фотоколометрическим методом; нитрифицирующую способность почвы - по методу Кравкова в модификации Почвенного института им. В.В. Докучаева; интенсивность выделения СОг из почвы - методом Галстяна; целлюлолитическую активность почвы - лабораторным методом Кристенсена.
При анализе растений использовали следующие методы: содержание азота, фосфора и калия определяли из одной навески после мокрого озоления по методу К. Гинзбург с последующим, определением азота по методу Кьельдаля, фосфора - колориметрически по методу Мерфи и Райли на фотоэлектроколо-риметре КФК-2, а калия - на пламенном фотометре FLAPHO-4; содержание белка методом расчета с учетом содержания азота; крахмал - по Эверсу, поля-метрически; клетчатку - по Кюршнеру и Ганеку в модификации Петербургского (ГОСТ 13496.2-91); содержание нитратов - с помощью ионоселективного электрода по методу ЦИНАО на pH-METR Тур № 517 (ГОСТ 13496.19-86); содержание сахара - рефрактометрически на УРЛ; витамина С - по Плешкову. Органические удобрения анализировали по общепринятым методикам: рН водной вытяжки определяли на ионометре ЭВ-74 (ГОСТ 27979-88); определение общего азота, фосфора и калия - путем минерализации сухого органического удобрения концентрированной серной кислотой в присутствии смешанного катализатора с последующим определением азота - по методу Кьельдаля, фосфора - колориметрически на ФЭК-56 М, калия - на пламенном фотометре FLAPHO-4 (OCT 10109-88, Практикум по агрохимии...., 1987). Массовая доля влаги определена по ГОСТ 26715-85; определение массовой доли органического вещества проведено в пересчете на углерод по ГОСТ 27980-88. Содержание тяжелых металлов в органических удобрениях, в почве и растениях было определено методом атомно-абсорбционной спектрометрии на ААС-30 в соответствии с методическими указаниями МСХ от 10.03.92 в ФГУ ЦАС «Нижегородский». Статистическая обработка опытов проведена методом дисперсионного анализа (Доспехов Б.А., 1973), на ПЭВМ с использованием пакетов прикладных программ для статистической обработки «Statistica».
Влияние удобрений на биологическую активность почвы
Исследования проводились на светло-серой лесной почве, сформировавшейся на лессовидных суглинках. По гранулометрическому составу почва легко- и среднесуглинистая. Профиль серых лесных почв дифференцирован по гранулометрическому составу на отчетливо выраженный элювиальный и менее очерченный иллювиальный горизонты. Пахотный слой почвы обладает высокой агрегированностью и водопрочностью структуры. Обобщенная агрохимическая характеристика почвы и содержание в ней тяжелых металлов на момент закладки опытов приведены в таблицах 2.3.-2.5. Из приведенных данных следует, что использованные в опытах почвы равноценны по величине обменной кислотности (слабокислые), все они характеризуются высокой степенью насыщенности основаниями. Однако при этом сумма поглощенных оснований почвы в микрополевых опытах № 2 и № 3 практически в 2 раза выше, чем в остальных. Степень гуму-сированности почвы изменяется от очень низкой (опыт № 1) до низкой. Следует отметить, что содержание подвижных соединений фосфора высокое и очень высокое, в то время как калия - низкое (опыты № 2,3) и повышенное. Содержание валовых форм ТМ в почвах не превышает установленных требований (табл. 2.4.). Наиболее высоко в них относительное содержание никеля и кадмия, наименее - свинца и меди. Количество подвижных форм ТМ также не превышает установленных нормативов (табл. 2.5.). При этом наибольшей подвижностью характеризуются Cd, наименьшей - Си и Сг. Таким образом, можно отметить, что почва, используемая для опытов, незначительно различается по питательному режиму. При этом обращает на себя внимание дисбаланс между основными элементами питания, который наиболее ярко выражен в почве микрополевых опытов (№№ 2, 3). Количество ТМ в почвах в целом невысоко, однако необходим достаточно жесткий контроль за содержанием в них кадмия. Экспериментальные исследования проводили на кафедре агрохимии и агроэкологии НГСХА в период 1999-2003 г.г. в условиях лабораторных, вегетационных, вегетационно-полевых и микрополевых опытов. Вегетационно-полевой и вегетационные опыты проводились на вегетационной площадке, микрополевые - на опытном поле кафедры агрохимии и агроэкологии в учебно-опытном хозяйстве «Новинки» Богородского района Нижегородской области. Лабораторный опыт проводили в поддонах (от вегетационных сосудов) объемом 500 см3, в трехкратной повторности, в отапливаемом помещении (лаборатория кафедры агрохимии и агроэкологии).
Опыт заложен по следующей схеме: 1) навоз подстилочный; 2) ОСВ; 3) компост на основе ОСВ и навоза; 4) помет; 5) компост на основе ОСВ и помета; 6) компост на основе ОСВ и соломы. Технологическая схема предварительной подготовки субстратов включала измельчение отходов (2-3 см), составление компостируемой смеси в соотношении 1:1, поддержание оптимальной температуры и влажности. Продолжительность ферментации составила 3 месяца. В готовые компосты заселяли по 15 навозных червей из расчета численности особей 30 тыс./м3 со средней массой одной особи 0,3 г. Температура субстрата поддерживалась на уровне 17 С, влажность - 70-80 %. Схемы вегетационных, вегетационно-полевого и микрополевых опытов, представлены в таблице 2.8., количество внесенных питательных веществ - в таблице 2.9. Дозы органических удобрений приведены в расчете на сухое вещество. Вегетанионно-полевой опыт (опыт №1) был заложен в 2000 году на светло-серой лесной легкосуглинистой почве. Для исследований использовали пахотный слой почвы, привезенный с опытного поля учхоза «Новинки». Опыт заложен в сосудах из нержавеющей стали без дна, диаметром 40 см и высотой 60 см, в четырехкратной повторности, в 4 яруса со смещением в ярусе на один вариант. Масса почвы в слое 0-20 см, имитирующем пахотный горизонт, составила 35 кг. Органические удобрения внесены при набивке сосудов в 2000 г. в пахотный слой и тщательно перемешаны с почвой. В 2000 г. изучение эффективности удобрений проводили на столовой свекле сорта Бордо 237 (прямое действие), в 2001 опытной культурой была морковь сорта Витаминная 6 (последействие 1), в 2002 г. - пекинская капуста сорта Хибинская (последействие 2). Столовую свеклу убирали 10 сентября, морковь - 12 сентября, пекинскую капусту - 7 июля. Вегетационные опыты (№№ 4. 5) были заложены по схемам, аналогичным микрополевым опытам в 2001 году. Исследования проводили в пластмассовых сосудах Митчерлиха объемом 5 кг, в 4х кратной повторности. Удобрения вносили в почву при набивке сосудов,в один прием. Прямое действие удобрений изучали на салате сорта «Кучерявец Одесский», с вегетационным периодом с 26.05. до 30.06.2001 г., последействие - на редисе сорта «Рубин» (27.05.-4.07.2002 г). Закладку, уход и уборку опытов проводили в соответствии с требованиями методики опытного дела (Доспехов Б.А., 1973; Юдин Ф.А., 1980). Уход за опытами включал следующие операции: а вегетационные опыты: регулярный полив и периодическое промачива-ние сосудов, прополка, прореживание. К. моменту уборки в сосудах оставляли по 10 растений. После уборки первой культуры на осенне-зимний период сосуды помещали в слабоотапливаемое помещение. Перед посевом второй культуры проводили перебивку сосудов; б) вегетапионно-полевой опыт: прореживание растений, рыхление почвы, удаление сорняков, полив при длительной засухе. К уборке в сосудах остава лось по 8 растений столовой свеклы и моркови и 10 пекинской капусты; в) микрополевые опыты: в течении вегетации проводили прорезку дорожек и удаление крупной сорной растительности с делянок. Учет урожая в оба года исследований проводили сплошным методом после предварительной уборки защитных полос. 2.5. Методы лабораторных исследований Лабораторные исследования по теме диссертации проводили на кафедре агрохимии и агроэкологии НГСХА и в ФГУ Центр агрохимической службы «Нижегородский». Анализы почв проводили следующими методами: обменную кислотность определяли потенциометрически (ГОСТ 26483-85); гидролитическую кислотность - по Каппену (ГОСТ 26219-91); сумму поглощенных оснований - по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821-88); гумус - по методу Тюрина в модификации Никитина (ГОСТ 26213-91); подвижный фосфор и калий - по Кирсанову в модификации ЦИНАО с последующим определением P2Os колориметрически на ФЭК-56 М; калия - на пламенном фотометре FLARHO- 4 (ГОСТ 26207-91); нитратный азот - дисульфофеноловым методом Грандваль-Ляжу, а аммонийный азот - с реактивом Несслера фотоколометрическим методом; нитрифицирующую способность почвы - по методу Кравкова в модификации Почвенного института им. В.В. Докучаева; интенсивность выделения СОг из почвы - методом Галстяна; целлюлолитическую активность почвы - лабораторным методом Кристенсена.
При анализе растений использовали следующие методы: содержание азота, фосфора и калия определяли из одной навески после мокрого озоления по методу К. Гинзбург с последующим, определением азота по методу Кьельдаля, фосфора - колориметрически по методу Мерфи и Райли на фотоэлектроколо-риметре КФК-2, а калия - на пламенном фотометре FLAPHO-4; содержание белка методом расчета с учетом содержания азота; крахмал - по Эверсу, поля-метрически; клетчатку - по Кюршнеру и Ганеку в модификации Петербургского (ГОСТ 13496.2-91); содержание нитратов - с помощью ионоселективного электрода по методу ЦИНАО на pH-METR Тур № 517 (ГОСТ 13496.19-86); содержание сахара - рефрактометрически на УРЛ; витамина С - по Плешкову. Органические удобрения анализировали по общепринятым методикам: рН водной вытяжки определяли на ионометре ЭВ-74 (ГОСТ 27979-88); определение общего азота, фосфора и калия - путем минерализации сухого органического удобрения концентрированной серной кислотой в присутствии смешанного катализатора с последующим определением азота - по методу Кьельдаля, фосфора - колориметрически на ФЭК-56 М, калия - на пламенном фотометре FLAPHO-4 (OCT 10109-88, Практикум по агрохимии...., 1987). Массовая доля влаги определена по ГОСТ 26715-85; определение массовой доли органического вещества проведено в пересчете на углерод по ГОСТ 27980-88. Содержание тяжелых металлов в органических удобрениях, в почве и растениях было определено методом атомно-абсорбционной спектрометрии на ААС-30 в соответствии с методическими указаниями МСХ от 10.03.92 в ФГУ ЦАС «Нижегородский». Статистическая обработка опытов проведена методом дисперсионного анализа (Доспехов Б.А., 1973), на ПЭВМ с использованием пакетов прикладных программ для статистической обработки «Statistica».
Окупаемость удобрений прибавкой урожая
Одним из способов определения эффективности удобрений является расчет их окупаемости прибавкой урожая. Для расчета агрономической эффективности удобрений, то есть окупаемости, была использована методика Т.А. Кула-ковской (Методика определения ..., 1977). Расчет окупаемости удобрений проведен для микрополевых опытов № 2, 3, результаты определения представлены в таблице 8.3. Наибольшая прибавка урожая в сумме по двум культурам в опыте № 2 наблюдалась в варианте с внесением навоза. Однако фактическая доза навоза в силу относительно высокой его влажности была наибольшей, в результате чего агрономическая эффективность была довольно высокой, но не лучшей. В варианте с вермикомпостом 1 прибавка урожая была на 2 % меньше, чем в варианте с навозом, но окупаемость этого удобрения была наивысшей -57,8 кг/т. В опыте № 3 наибольшая прибавка урожая и окупаемость удобрений были в варианте с внесением вермикомпоста 2. Несмотря на относительно низкую прибавку урожая в варианте с применением ОСВ, их окупаемость занимает промежуточное положение между вермикомпостом 1 и навозом, вермикомпостом 2 и пометом. Самая низкая прибавка урожая и окупаемость наблюдалась в вариантах с компостами. 8.3. Энергетическая эффективность применения удобрений Наиболее совершенным показателем, характеризующим эффективность применения органических удобрений, может служить оценка их достоинств по энергетическому критерию, который не зависит от конъюнктуры рынка и характеризует совершенство развития технологий и технических средств для их осуществления. Расчет энергетической эффективности удобрений проведен в соответствии с Методикой оценки ... (1997) для микрополевых опытов № 2,3, результаты представлены в таблице 8.4. Согласно полученным данным (табл. 4.1) можно отметить, что применение органических удобрений в опытах было достаточно эффективным: накопленная в урожае энергия превышала энергозатраты на производство и применение удобрений. В микрополевом опыте № 2 энергетически невыгодным было применение компоста 1, что связано с низкой прибавкой урожая. Эффективность вермикомпоста 1 (ОСВ + навоз) была в 2,3 и 1,6 раза выше, чем применение компоста 1 и ОСВ соответственно, и не значительно уступала эффективности навоза. В микрополевом опыте № 3, несмотря на высокие затраты связанные с производством и применением органических удобрений, полученный урожай компенсировал их. Энергетическая эффективность изменялась от 1,5 при внесении помета до 2,7 при использовании вермикомпоста 2 (ОСВ + помет).
Эффективность компоста 2 была выше, чем помета, но уступала ОСВ. Таким образом, можно констатировать: по величине удельного выноса вермикомпосты не имеют преимущества перед исходными материалами; коэффициенты использованияэлементов питания растениями в рассматриваемых опытах отличаются от средних значений. В целом наиболее эффективно азот и калий усваивались из ОСВ, а фосфор -из помета и навоза; по агрономической эффективности вермикомпосты существенно превосходят исходные компоненты, в то время как компосты уступают им; внесение вермикомпостов в опытах энергетически предпочтительнее, чем внесение ОСВ и компостов; использование навоза в опыте № 2 оказалось эффективнее вермикомпоста 1, действие вермикомпоста 2 в опыте № 3 - эффективнее помета. выводы 1. Изучение адаптационной способности червей показало, что чистые ОСВ и куриный помет являются для них витальной средой. Наиболее благоприят ные условия для воспроизводства потомства и нарастания биомассы червей отмечены в компосте на основе ОСВ и навоза, где количественный прирост составил 127 %, а масса увеличилась на 33 % по отношению к контролю (чистый подстилочный навоз). В результате вермикомпостирования содержание азота в полученных удобрениях снижалось на 15-27 % по сравнению с исходным компостом и было практически пропорционально увеличению количества популяции червей, изменение фосфора и калия не имело определенной закономерности. Содержание тяжелых металлов в вермикомпостах в целом было ниже, чем в исходных компостах. Наиболее существенно снизилось содержание кадмия (на 11-92 %), меди (на 60-67 %), никеля (на 56-82 %). Удобрения, за исключением вермикомпоста на основе ОСВ и навоза, не соответствуют нормативным требованиям по содержанию в них кадмия. 2. Удобрения не оказали существенного влияния на физико-химические свой ства почвы, при тенденции к снижению кислотности и увеличению суммы поглощенных оснований. При этом преимущества вермикомпостов перед исходными компонентами не выявлено. На содержание гумуса изучаемыевермикомпосты оказали одинаковое и более сильное влияние, чем навоз и ОСВ, увеличив его на 0,12 % по сравнению с исходным. Содержание подвижных соединений фосфора при внесений удобрений возрастает в среднем по опытам на 15-25 %, но наиболее существенно - при внесении ОСВ. Содержание аммиачного азота в полевых условиях в удобренных вариантах изменяется в пределах 5-20 мг/кг при четкой динамике увеличения его от мая к августу. Вермикомпосты с ОСВ на основе навоза и помета уступали последним, внесенным в чистом виде, но превосходили ОСВ. 3. Агроэкологическая оценка вермикомпоста по биологической активности почвы показала отсутствие негативного влияния изучаемых удобрений на почвенно-биотический комплекс. Внесение вермикомпостов по отношению к контрольному варианту стабильно повышало интенсивность дыхания почвы (в среднем на 27 %), нитрифицирующую активность (на 37 %); целлюло-литическая активность возрастала на 93 % при возделывании овощных культур, но снижалась на 13 % при выращивании зерновых. 4. Применение органических удобрений способствовало увеличению содержания в почве валовых запасов кадмия, меди, хрома (соответственно на 4-18 %, 9-52 %, 8-26 %); количество свинца увеличилось лишь при внесении ОСВ (на 22 %). Во всех случаях содержание рассматриваемых элементов не превышало ПДК. 5. Вермикомпосты оказали значительное влияние на урожайность сельскохозяйственных растений, изменяющуюся в зависимости как от вида вермикомпоста, так и от биологических особенностей культуры. На зерновых культурах (озимая пшеница, ячмень) лучшим был вермикомпост на основе ОСВ и помета (прибавка составила 39 % к контролю, 5 % - к вермикомпосту на основе ОСВ и навоза). Максимальная продуктивность столовой свеклы, моркови и пекинской капусты также получена при внесении этого же удобрения, причем прибавка составила 66 % по отношению к контролю, 7 % - к вермикомпосту на основе ОСВ и навоза и 13 % - к вермикомпосту на основе ОСВ и соломы.
На салате и редисе большее влияние отмечено по вермикомпосту на основе ОСВ и навоза (96 % к контролю и 42 % - к вермикомпосту на основе ОСВ и помета). 6. Качество овощной продукции, выращенной при использовании вермиком постов на основе ОСВ, в целом оценивается как удовлетворительное: содер жание витамина С в столовой свекле, моркови, пекинской капусте и салате выше, чем на контроле на 12-160 %, содержания Сахаров - на 12-39 %, сухо- го вещества — на 5-18 %. При этом наиболее существенно улучшилось качество столовой свеклы, среди вермикомпостов некоторые преимущества имело удобрение, полученное на основе ОСВ и навоза. 7. Безопасность сельскохозяйственной продукции оценивали по концентрации нитратного азота и тяжелых металлов. Превышение ПДК по нитратам обнаружено только в случае выращивания столовой свеклы на «чистом» ОСВ (2,6 ПДК) и вермикомпосте на основе ОСВ и помета (1,1 ПДК). Сравнение вермикомпостов с исходными органическими удобрениями не выявило различий во влиянии их на содержание нитратного азота в продукции. Выращенная продукция не превышала ПДК по содержанию свинца, цинка и меди, но не соответствовала санитарно-гигиеническим требованиям по кадмию: столовая свекла - при внесении ОСВ и всех вермикомпостов; столовая морковь - при использовании ОСВ и вермикомпост на основе ОСВ и соломы; пекинская капуста - во всех вариантах. 8. Исследованиями установлено, что при внесении вермикомпостов увеличивается удельный вынос озимой пшеницей азота и фосфора (в среднем на 8 и 32 % соответственно по сравнению с контролем) при незначительном снижении потребления калия; вынос азота ячменем увеличивается на 14 % при практически неизменном потреблении фосфора и калия. 9. Окупаемость вермикомпостов прибавкой урожая варьирует от 58 кг/т (ОСВ + навоз) до 80 кг/т (ОСВ + помет). Вермикомпосты оказали больший агрономический эффект, чем ОСВ и превосходили действие подстилочного навоза и куриного помета. В целом, внесение вермикомпостов в опытах, несмотря на высокие энергозатраты, было эффективно.
