Введение к работе
Актуальность исследований обусловлена, с одной стороны, недостатком традиционных видов удобрений, с другой, необходимостью утилизации крупнотоннажных отходов лесоперерабатывающих предприятий. В настоящее время до 96 % пахотных угодий в России имеют отрицательный баланс гумуса, т.е. неизбежно деградируют (Смагин, 2001). Как известно (Гамзиков, 1981, 2007; Кочергин, 1985; Храмцов, 1997, 2009; Рудой, 2003; Минеев, Болышева, 2005; Духанин и др., 2005), рациональное применение минеральных и органических удобрений является одним из основных путей сохранения почвенного плодородия и повышения продуктивности агроценозов. Из-за низкой платежеспособности сельхозпроизводителей спрос на минеральные удобрения удовлетворяется в РФ лишь на 10 % от необходимого научно обоснованного уровня. Потребность в органических удобрениях для поддержания бездефицитного баланса гумуса в РФ составляет 840 млн тонн, но даже при полной мобилизации всех ресурсов навоза и помета она может быть удовлетворена лишь на 13 % (Кизяев, Кирейчева, 2006).
В связи с резким снижением обеспеченности хозяйств удобрениями целесообразно перейти к использованию местных агроруд и отходов промышленности, пригодных для подготовки удобрений на их основе. Перспективным ресурсом органического вещества для производства местных видов удобрений может служить крупнотоннажный отход лесной отрасли – древесная кора, которая является действенным средством, улучшающим биологическую активность, структурное и гумусное состояние почвы. По подсчетам специалистов, объемы накопления коры по РФ составляют 20–30 млн т в год (Варфоломеев, 1992; Садовникова и др., 2006). В комплексной переработке лесных ресурсов утилизация коры является наиболее слабым звеном: в целевые продукты перерабатывается всего 10 % от её массы, а многие миллионы тонн хранятся в отвалах, загрязняя окружающую среду в районах интенсивного лесопользования, или сжигаются (Ушанова и др., 2006). К ценным природным ресурсам, улучшающим плодородие почв, относятся цеолитовые туфы, вермикулит, сапропель. Запасы их в Красноярском крае значительны и составляют: цеолитовых туфов – 73 млн т., вермикулита – 7,3 млн т., сапропеля – 19,8 млн м3. По данным многих исследователей (Качанова, 1987; Постников, Илларионова, 1990; Ахтямов, 2001; Абашеева и др., 2002; Мукина, 2003), цеолитовые туфы, вермикулит, сапропель могут использоваться для приготовления удобрительных смесей, почвогрунтов. Однако широкое применение коры и агроруд в качестве комплексных удобрений должно быть обосновано эколого-агрохимическими исследованиями, учитывающими свойства почв, биологические особенности культур, продолжительность вегетационного сезона.
Перспективным и экологически безопасным способом утилизации различных органических отходов, является их вермикомпостирование, т.е. переработка дождевыми червями, которые трансформируют органические отходы в высокоэффективное биологическое удобрение – вермикомпост (Жигжитова, Корсунова, 1999; Еськов и др., 2004; Цыганов и др., 2004; Корсунова, Алтаев, 2006; Дондокова, 2006; Кубарев и др., 2007; Терещенко, 2007; Филиппова, 2010). В условиях недостаточной обеспеченности удобрениями агропромышленного комплекса Красноярского края компостирование коры разных видов деревьев совместно с местным сырьем и вермикомпостирование является актуальным.
Об эффективности компостов из коры на урожайность полевых культур свидетельствуют работы многих авторов (Гладкова, 1979; Кардиналовская, 1986; Кононов, 1991, 1992; Варфоломеев, 1992; Бенедиктова, Аммосова, 1994; Амосова и др., 1995; Варфоломеев и др., 1996; Кебич и др., 1995, 1997; Кириенко, Имранова, 1998; Куликова, 2003; Луганцева, 2005, 2006; Садовникова и др., 2006; Gabriels, 1989; Kubota, 1989). Однако процессы, протекающие при компостировании коры с разными добавками, и при взаимодействии их с почвами, как и механизмы действия композиций на свойства почв и рост растений не изучены.
Целью работы является изучение рострегулирующей активности, закономерностей трансформации удобрительных композиций и эколого-агрохимическая оценка их действия в системе почва–растение.
Задачи исследований:
-
Изучить свойства коры разных видов деревьев, местных агроруд (цеолитовых туфов, вермикулита, сапропеля) и разработать на их основе составы удобрительных композиций.
-
Определить физиологически активные соединения в удобрительных композициях на основе коры разных видов деревьев и установить связь их рострегулирующей активности с составом и содержанием терпеновых соединений.
-
Выявить закономерности трансформации коры разных видов деревьев при компостировании с различными добавками и особенностей режимов и процессов, происходящих при внесении удобрительных композиций в почвы.
-
Оценить влияние удобрительных композиций на агрохимические свойства и продуктивность системы почва–растение.
Защищаемые положения:
-
Рострегулирующая активность удобрительных композиций, созданных на основе коры сосны и ели, зависит от содержания в них дитерпенов абиетанового ряда, а с лиственничной корой – дитерпенов кауранового ряда.
-
Интенсивность минерализации удобрительных композиций из коры разных видов деревьев определяется их биохимическим составом, запасами азота и зольных элементов, отношением C:N, рН. Константы разложения удобрительных композиций с осиновой корой выше, чем с корой хвойных деревьев. Процесс трансформации удобрительных композиций сопровождается накоплением подвижных гумусовых веществ, возмещающих «сработанные» запасы гумуса в почве.
-
Минерализационный поток (по выделению СО2) из чернозема обыкновенного и темно-серой лесной почвы в атмосферу под влиянием удобрительных композиций детерминируется содержанием в почвах гумуса и его подвижных форм.
-
Внесение удобрительных композиций в почвы способствует улучшению их гумусного состояния, увеличению содержания питательных элементов и продуктивности полевых культур.
Научная новизна. В работе впервые:
- выявлено, что удобрительные композиции (УК) на основе коры хвойных видов деревьев содержат дитерпеновые соединения, стимулирующие ризогенез однодольных и двудольных растений;
- определены константы разложения и периоды полураспада коры разных видов деревьев (ели, лиственницы, осины, сосны) и УК на их основе, позволяющие оценить срок действия УК. Установлено, что удобрительные композиции с осиновой корой разлагаются быстрее, чем на основе хвойных;
- разработан состав УК с осиновой корой и вермикулитом Татарского месторождения Красноярского края. Предложены два способа приготовления УК с осиновой корой и цеолитовым туфом;
- количественно оценены эмиссионные потери углерода и накопление новообразованных гумусовых веществ в почвах с различными видами удобрений. Показано, что внесение УК на основе коры разных видов деревьев в почвы способствует повышению их эффективного плодородия и продуктивности полевых культур;
- оптимизированы дозы внесения вермикомпоста в почвы, выявлена высокая эффективность его применения под яровые пшеницу и рапс условиях Красноярской лесостепи;
- разработаны модели, позволяющие определять продуктивность полевых культур на преобладающих в Красноярской лесостепи почвах, удобренных УК, в зависимости от содержания в них гумуса и подвижных его форм.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты исследований позволили раскрыть особенности и закономерности трансформации новых УК на основе коры разных видов деревьев, а также механизмы их влияния на свойства почв и продуктивность полевых культур. Ризогенез растений усиливается за счет преобладания дегидроабиетиновой кислоты в УК с корой сосны и ели и доминирования кауренов в УК с корой лиственницы. Процессы трансформации при подготовке УК и при внесении их в почвы характеризуются количественными оценками минерализационного потока и новообразованного гумуса и его подвижных соединений.
Удобрительные композиции из еловой, сосновой, осиновой кор и цеолитовых туфов, вермикулита, сапропеля, птичьего помета могут применяться в технологиях выращивания полевых культур. Это, с одной стороны, позволит увеличить количество доступных нетрадиционных удобрений, а с другой, утилизировать крупнотоннажные отходы птицеводства и деревообрабатывающей промышленности, тем самым улучшить экологическую обстановку в регионе.
Материалы исследований внедрены в землепользовании ОАО «Заря», используются при изучении курсов «Нетрадиционные удобрения и технологии их применения», «Агрохимия», «Почвоведение», «Экологическое почвоведение», «Охрана почв и мониторинг», а также включены в учебную программу направления «Садово-парковое и ландшафтное строительство» в Институте агроэкологического менеджмента Красноярского государственного аграрного университета.
Результаты исследований имеют потенциальное коммерческое значение и защищены 2 патентами РФ № 2115300 и № 2283294.
Апробация и публикации работы. По теме диссертации опубликовано 73 работы, в том числе одна авторская и две коллективных монографии, одно авторское учебное пособие и два патента РФ, 18 статей в рецензируемых журналах, из них 15 – рекомендуемых ВАК. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на региональных (Красноярск, 2006, 2007, 2008; Кемерово, 2009); всероссийских (Красноярск, 2001, 2005, 2008, 2009; Москва, 2002; Улан-Удэ, 2005; Санкт-Петербург, 2006; Барнаул, 2007, 2009; Новосибирск, 2007; Уфа, 2008; Томск, 2010; Архангельск, 2010) и международных конференциях (Moscow, 2001; Томск, 2003; Vladimir, 2004; Freiburg, Germany, 2004; Petrozavodsk, 2005; Иркутск, 2007; Барнаул, 2007, 2009, 2010; Минск, 2007; Санкт-Петербург, 2008; Кызыл, 2008; Кемерово, 2008; Одесса, 2009; Улан-Удэ, 2009, 2010; Воронеж, 2010); IV–V съездах общества почвоведов имени В.В. Докучаева (Новосибирск, 2004; Ростов-на-Дону, 2008); на научных школах (Томск, 2003, 2004, 2005, 2007); на семинарах кафедры почвоведения и агрохимии КрасГАУ и заседаниях Красноярского отделения общества почвоведов (2009, 2010).
Результаты диссертационной работы экспонировались на выставках: «Инновации для экономики и социальной сферы» (Иркутск, 2003), «Достижения СО РАН» (Барнаул, 2006), «Развитие инновационной деятельности в промышленности г. Красноярска» (Красноярск, 2007), «Красноярск. Технологии будущего» (Красноярск, 2010).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Она изложена на 297 страницах, содержит 104 таблицы, 25 рисунков, 4 приложения. Список литературы включает 366 наименований, в т.ч. 36 публикаций иностранных авторов.
Работа выполнялась в соответствии с планами НИР Института химии и химической технологии СО РАН (1998–2009 гг.) и программой исследований кафедры почвоведения и агрохимии КрасГАУ «Оценка состояния почвенного плодородия и биологической продуктивности агроэкосистем за период сельскохозяйственного использования юга Средней Сибири (в пределах Красноярского края)» (№№ 01.02.001 03880; 01.2.006 13786). Часть исследований проводилась в рамках комплексной программы «Развитие сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на территории края на 2009–2011 годы и на период до 2017 г., а также по хоздоговорам с концерном «Енисейлес» № 649–84 (1991–1992 гг.) по теме: «Разработка технологии получения удобрения на основе коры хвойных пород с применением высокоэнергонапряженных воздействий», с холдинговой компанией «Развитие» № 215–84 (1992–1993 гг.) по теме: «Разработка технологии использования древесных отходов в производстве компостных удобрений»; при финансовой поддержке Красноярского краевого фонда науки по гранту: 12 F 104 C (2004 г.) «Трансформация короцеолитовых удобрений в почвах Средней Сибири».
Вклад автора в разработку проблемы. Автору принадлежит постановка проблемы и разработка научной программы исследований, а также непосредственное участие в проведении модельных, вегетационных, микрополевых и полевых исследований, анализе, интерпретации и публикации полученных материалов.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту д.б.н., проф. В.В. Чупровой за ценные научные консультации, директору ОАО птицефабрики «Заря» к.э.н. И.В. Исаеву за помощь в проведении полевых опытов, д.х.н., проф. В.Е. Тарабанько, сотрудникам лаборатории комплексной переработки биомассы ИХХТ СО РАН и коллегам кафедры почвоведения и агрохимии КрасГАУ, а также соавторам работ за плодотворное сотрудничество.
