Содержание к диссертации
Введение
1. Применение осадков городских сточных вод в качестве удобрения 7
1.1. Способы производства и обработки осадков городских сточных вод как определяющее условие их пригодности в качестве удобрения 8
1.2. Состав осадков сточных вод и их санитарно-гигиенические и удобрительные свойства 17
1.3. Использование осадков сточных вод на удобрение как один из наиболее рациональных путей их утилизации 26
1.3.1. Влияние осадков сточных вод на почву 29
1.3.2. Влияние осадков сточных вод на урожайность сельскохозяйственных культур и качество продукции 39
1.3.3. Агроэкологические основы оптимизации доз осадков сточных вод 46
2. Методика и условия проведения исследований...52
2.1. Объекты исследования и их агроэкологическая характеристика 52
2.2. Метеорологические условия проведения полевых опытов 58
2.3. Методика исследований 60
3. Влияние осадков сточных вод на свойства слабоокультуренных песчаных дерново-подзолистых почв 64
3.1. Влияние осадка сточных вод на физические и водно-физические свойства почвы 64
3.2. Зависимость агрохимических свойств почвы от применения осадков сточных вод 66
3.2.1. Изменение кислотно-основных свойств почвы 67
3.2.2. Изменение содержания гумуса под действием осадков сточных вод 70
3.2.3. Изменение содержания подвижных соединений питательных элементов 72
3.2.4. Изменение содержания подвижных соединений тяжёлых металлов 76
4. Агрономическая эффективность использованрїя в качестве удобрения осадков сточных вод г. великие луки 81
4.1. Агрономическая эффективность осадков сточных вод в звене полевого севооборота 81
4.2. Агрономическая эффективность осадков сточных вод на культуре картофеля 85
4.3. Последействие осадков сточных вод на урожайность возделываемого после картофеля овса 86
5. Влияние осадков сточных вод г. велржие луки на качество сельскохозяйственной продукции 89
5.1. Влияние осадков сточных вод на питательную ценность продукции 89
5.2. Загрязнение продукции тяжёлыми металлами вследствие применения осадков сточных вод 93
6. Экономическая эффектррвность примененрїя осадков сточных вод г. велржие луки в качестве удобрения 97
Выводы 103
Предложенр1я производству 106
Список литературы 107
Пррїложенрія 126
- Состав осадков сточных вод и их санитарно-гигиенические и удобрительные свойства
- Метеорологические условия проведения полевых опытов
- Зависимость агрохимических свойств почвы от применения осадков сточных вод
- Агрономическая эффективность осадков сточных вод на культуре картофеля
Введение к работе
Эффективность земледелия любой страны в значительной степени определяется уровнем плодородия основного средства производства - почвы. В тех регионах, где почвы от природы бедны питательными веществами, стабильное производство продуктов растениеводства и животноводства целиком зависит от уровня применения удобрений (Н.А.Сапожников, М.Ф.Корнилов 1965; Б.А.Ягодин и др., 1982; И.А.Иванов и др., 2002). К их числу относятся все области Северо-Запада РФ, обладающие в настоящее время преимущественно слабо- и среднеокультуренными дерново-подзолистыми почвами -объектами наиболее эффективного применения удобрений. Здесь даже на хорошо окультуренных почвах требуется обоснованное применение органо-минеральных систем удобрения (А.И.Иванов, 2000).
Несмотря на огромную потребность в применении удобрительных средств, реальные объёмы их использования за прошедшие 10 лет сократились в 16-50 раз. Это уже привело не только к резкому снижению производства товарной продукции растениеводства, но и развитию скрытой деградации наиболее плодородных почв.
При этом быстрые темпы урбанизации во второй половине прошлого столетия способствовали не просто росту городского народонаселения, но и многократному увеличению объёмов отходов техногенной среды. Ежегодное накопление сухого вещества в составе осадков сточных вод в пределах РФ по разным оценкам составляет от 2,7 до 3,5 млн. тонн (В.А.Касатиков, 1996; А.В.Кирейчева, О.Б.Хохлова, 2002). Это ведёт к существенному обострению экологической обстановки даже вблизи небольших городов. Обогащённость этих отходов деятельности урбанистических систем питательными веществами предопределяет главное и самое дешёвое направление их утилизации -использование в качестве удобрения. По обобщённым данным отечественных и зарубежных учёных, в сельском хозяйстве развитых стран Европы используется от 30 до 90 % накапливаемых осадков городских сточных вод, то- гда как в РФ эта величина не превышает 5 - 7 % (Е.В.Курганова и др., 1999).
Важнейшими факторами, сдерживающими применение этих удобрений, являются наличие в некоторых случаях в них токсичных компонентов (преимущественно соединений тяжёлых металлов), а также отсутствие чёткого научного обоснования условий их высокоэффективного использования. Для решения последней проблемы кафедрой агрохимии Великолукской ГСХА в 1991 году было развёрнуто комплексное исследование. В качестве важного его раздела стала и наша научная работа, начатая в 1992 году. Её главной целью было установление агроэкологической эффективности применения в качестве удобрения осадков сточных вод г. Великие Луки Псковской области на песчаных дерново-подзолистых почвах, доля которых вместе с супесчаными только в её пахотном фонде составляет около 48 % (И.А.Иванов, В.П.Спасов, А.И.Иванов, 1998).
В ходе достижения поставленной цели мы последовательно решали ряд научных задач: определение удобрительной ценности осадков сточных городских очистных сооружений и влияния их применения на агрофизические и агрохимические свойства дерново-подзолистых почв лёгкого гранулометрического состава; выявление уровня воздействия применяемых осадков сточных вод на рост, развитие и продуктивность основных полевых культур; установление зависимости между использованием в качестве удобрения осадков сточных вод и качеством основной продукции растениеводства; определение экономической эффективности осадков сточных вод, используемых на удобрение.
Новизна и научная значимость данной работы заключаются в том, что в ней впервые в условиях Псковской и Тверской областей определены условия агроэкологически эффективного применения в качестве удобрения на песчаных дерново-подзолистых почвах осадков городских сточных вод.
Практическая ценность представленной научной работы состоит в разработке рекомендаций по применению осадков сточных вод под полевые культуры, реализация которых позволяет повысить их продуктивность в среднем по звену полевого севооборота на 7 - 21 %, а на картофеле - на 265% при сохранении и улучшении параметров плодородия лёгких почв.
Основные положения диссертации доложены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава в Великолукской ГСХА в 1994 и 1995 гг. и научно-практической конференции молодых учёных «Молодые учёные в научном обеспечении сельского хозяйства на современном этапе» в Санкт-Петербургском ГАУ в 2003 г.
По материалам исследования опубликовано 5 печатных работ.
Диссертационная работа выполнена на кафедре агрохимии и почвоведения Великолукской ГСХА под руководством доктора сельскохозяйственных наук, профессора, заслуженного агронома РСФСР И.А.Иванова. Автор выражает искреннюю благодарность доценту Е.И.Кравчук и другим сотрудникам и студентам кафедры, которые оказали значительную помощь в ходе проведения научных работ и дали важные замечания и советы по написанию диссертации.
Состав осадков сточных вод и их санитарно-гигиенические и удобрительные свойства
Осадки городских сточных вод представляют собой весьма неоднородный биотехногенный продукт, состав и свойства которого могут варьировать по сезонам года, в зависимости от технологии их производства и количества поступающих загрязнителей (М.Г.Левина, 1974; Е.В.Курганова и др., 1999; F.Lobnik, J.Stupar, P.Stegnar, 1981). Однако это не означает безграничности в изменчивости их свойств, тем более, если сравниваются продукты производства одной технологической линии.
Наиболее стабильными являются параметры физического состояния этих техногенных образований. В зависимости от технологии их производства влажность готовых осадков в нашей стране может изменяться от 50 до 85 - 95 % (С.Ф.Покровская, В.А.Касатиков, 1987). Наименьшие величины содержания влаги свойственны реагентным видам, прошедшим многостадийное обезвоживание, наибольшие - безреагентным, недавно произведённым и даже естественно досушиваемым и обеззараживаемым на иловых площадках в течение различного времени. Важные недостатки физических свойств последних, по мнению Д.С.Орлова с соавт.(2002), резко ограничивают возможности для их утилизации в качестве удобрения.
При влажности 90 - 95 % осадки представляют собой чаще студенистую вязкую массу темно-серого цвета с неприятным запахом (С.Ф.Покровская, В.А.Касатиков, 1987). Их консистенция напоминает жидкий и полужидкий навоз, а объёмная масса приближается к 900 - 1000 кг/м3. Сброженные и технологически обезвоженные осадки городских сточных вод чаще имеют влажность не выше 65 %. Они представляют собой хорошо структурированную тёмно-серую массу с плотностью 600 - 700 кг/м3 (В.А.Касатиков и др., 1986). При использовании же в качестве реагента извести осадок принимает светло-серый землистый цвет и крупно-комковатую структуру (доминируют комочки 5-10 мм), а его плотность чаще составляет 700 - 800 кг/м3. В составе механических фракций осадков сточных вод практически всегда доминируют илистые частицы и очень редко существенную роль играют пылеватые и более крупные - песчаные. Близость свойств этих продуктов техногенеза к таковым у озёрных илов дала основание Г.Е.Мёрзлой и Р.А.Афанасьеву (2001) называть их техногенными аналогами сапропелей. По комплексу физико-химических параметров осадки сточных вод являются весьма благоприятными. Их реакция изменяется от слабокислой и нейтральной у безреагентных видов до щелочной (рН - 10 - 12 ед.) - у обработанных известью и аммиаком (В.А.Касатиков, 1996; W.Z.Morgan, 1980; S.B.Hornik, 1984;N.Peschen, 1986; D.Strauch, 1986). По причине доминирования органических, минеральных и органо-минеральных илистых и коллоидных частиц осадки имеют значительную ёмкость поглощения, иногда достигающую 100 - 200 мг-экв/100г. В составе поглощённых катионов преобладают либо компоненты используемых реагентов (Са2+, NH4+, Fe3+), либо солей самих сточных вод (Са2+, Na+, Mg2+ и т.д.). В некоторых случаях обменные позиции в значительной мере могут быть заняты катионами тяжёлых металлов (С.Ф.Покровская, В.А.Касатиков, 1987; Л.К.Садовникова, С.И.Решетников, Д.В.Ладонин, 1993; L.Sadovnikova etal., 1996). Физико-химические параметры осадков сточных вод в значительной мере предопределяют их биологические свойства. Оценивая последние, учёные, прежде всего, обращают внимание на наличие болезнетворных организмов, контролирующих их санитарно-гигиеническое состояние (С.Ф.Покровская, В.А.Касатиков, 1987). Наибольшую потенциальную угрозу для здоровья человека могут представлять сальмонеллы, яйца гельминтов и вирусы (в частности, гепатита) (Н.П.Орлов, 1958; А.А.Шевцов, 1965; А.А.Шевцов, Н.А.Колабский, С.Н.Никольский, 1979; R.Chaney, C.Lloyd, 1979; C.Breer, 1983). Тем не менее, многочисленные исследования, проведённые в этом направлении, показывают, что реальной эта опасность бывает только у свежеприготовленных, безреагентных и, тем более, несброженных осадков сточных вод (С.Ф.Покровская, 1984; Г.Я.Чегринец, 1984; R.Clemenst, 1982; U.Keller, 1983; N.Peschen, 1986). При этом технологически комплексно обеззараженные осадки сточных вод практически не содержат болезнетворных организмов (Использование ..., 1983; С.Ф.Покровская, 1984; В.И.Шубин, 1985; Применение ..., 1986; Irradiation, 1982; U.Keller, 1983; Pro-zessing ..., 1984).
Метеорологические условия проведения полевых опытов
Количество осадков, их распределение в течение вегетационного периода, тепловой режим и другие метеорологические условия оказывают значительное влияние на эффективность удобрений (Г.И.Ваулина, Л.П.Воллейдт,1985). За четыре года наблюдений было отмечено существенное варьирование выпавших осадков и показателей температурного режима (табл. 6, рис. 2) месяцев в 351 мм их фактическое количество изменялось от 250 мм (в 1994 г) до 360 (в 1993 г). В целом же погодные условия в анализируемые годы принадлежат к циклу не очень типичных для данного района сухих лет. По показателям температурного режима годы проведения опытов были преимущественно тёплыми, особенно 1992 и 1995 гг. Специфичное соотношение осадков и температур воздуха обусловило весьма низкий гидротермический коэффициент. В среднем за годы наблюдений он составил 1,3, при многолетней норме 1,6. Исключением были вторая половина лета и осень 1993 года, в другие годы - непродолжительные промежутки времени весной или осенью. Указанные выше метеорологические условия не могут быть отнесены к числу благоприятных для сельскохозяйственных культур, выращиваемых на песчаных почвах с их неудовлетворительными водно-физическими свойствами.
По данным И.А.Иванова (1989), на северо-западе РФ любое отклонение в погоде от среднемноголетних параметров, тем более в засушливую сторону, способствует существенному снижению отдачи от удобрений. Методической основой исследования служили микрополевой и полевой опыты. Микрополевой опыт закладывался в полиэтиленовых сосудах без дна размером 1 х 1 х 0,4 м в 4-кратной повторносте. В сосудах была искусственно сформирована верхняя часть профиля дерново-слабоподзолистой песчаной почвы: горизонты Апах - 0 - 20 см и А2В - 20 - 40 см. Опыт проведен в развёрнутом во времени полевом севообороте: 1) люпин жёлтый (кормовой) (1992 г), 2) рожь озимая (1993 г), 3) картофель (1994 г), 4) овёс (1995 г). Изучаемые удобрения вносились дважды за ротацию в первом и третьем полях севооборота (в занятом пару и под картофель) в определённых схемой дозах (дозы ОСВ приведены в расчёте на стандартную 60 % влажность): под люпин (рожь): под картофель: 1. Без удобрений, 1. Без удобрений 2. ОСВ, 20 т/га 2. ОСВ, 30 т/га 3. ОСВ, 40 т/га 3. ОСВ,60 т/га 4. ОСВ, 40 т/га + торф, 40 т/га 4. ОСВ, 60 т/га + торф, 60 т/га 5. ОСВ,40 т/га + Ы30РбоК9о 5. ОСВ, 60 т/га + N9oK9o В результате среднегодовая обеспеченность единицы площади изучаемым видом удобрений составляла от 12,5 до 25 т/га при естественной влажности, или от 5 до 10 т/га сухого вещества. В четвёртом и пятом вариантах опыта ОСВ вносился в смеси с низинным торфом и с минеральными удобрениями (аммиачной селитрой, двойным суперфосфатом и хлористым калием). И чистый ОСВ, и его смеси с другими удобрениями равномерно перемешивались во всём пахотном слое. Выбор такой схемы позволял нам рассчитывать на получение объективной информации о характере действия осадков сточных вод на почву и полевые культуры и выявление факторов, повышающих их эффективность. Две культуры севооборота (рожь озимая и овёс) выращивались по последействию изучаемых удобрений. Посев зерновых культур и люпина проводился рядовым способом с междурядьями 15 см в завышенных на 30 % нормах. После полных всходов в сосудах оставляли 500 растений озимой ржи, 550 - овса, 130 - люпина. Картофель высаживался в 2 ряда выровненными по массе клубнями сорта Сулев (10 клубней на сосуд). Уход состоял в поддержании посевов в чистом от сорняков состоянии и окучиваниях картофеля. Он проводился вручную. Сорняки после уничтожения высушивались на поверхности делянки, а затем заделывались в почву. Программа наблюдений включала фенологическую и метеорологическую часть, а также контроль за состоянием почвы. Урожай учитывался сплошным весовым методом.
Зависимость агрохимических свойств почвы от применения осадков сточных вод
Агрохимические свойства дерново-подзолистых почв и, прежде всего, параметры питательного режима, по некоторым данным, относятся к одним из самых податливых при их окультуривании (В.К.Пестряков, 1977; А.И.Иванов, 2000). По признанию большинства учёных, не добившись их оптимизации, практически невозможно рассчитывать на сколь-либо стабильное земледелие (Д.Н.Прянишников, 1962; Н.А.Сапожников, М.Ф.Корнилов, 1977; Б.А.Никитин, 1986; И.А.Иванов, 1989). Специфика химического состава реагентного осадка сточных вод предопределяет его существенное действие на агрохимические свойства почвы. Тем более, когда речь идёт о столь малобуферных и бесплодных песчаных почвах, которые служили нам объектами исследования, и относительно высоких дозах самого удобрения. Использованный в исследовании реагентный ОСВ был обогащен известью, применяемой в процессе его обезвоживания, и, соответственно, имел щелочную реакцию. Его щёлочность находилась на уровне 8,0 ед. рН д, если он был обработан хлорным железом и 11,2 ед. - негашёной известью. И если нейтрализующая способность первого, по нашим данным, никогда не превышала 10 %, то у последнего она варьировала в пределах 20 - 30 %. Поэтому воздействие на кислотно-основные свойства обладающих малой буферно-стыо песчаных почв было весьма значительным (табл. 8,9). Уже через 3-4 месяца после внесения ОСВ рНксі повысился: в полевом опыте от дозы 20 т/га - на 0,29, от дозы 40 т/га - на 1,11, от дозы 60 т/га -на 1,38 единицы. Это значит, что затраты этого удобрения на повьппение рН сильнокислой песчаной почвы на 1 ед. составили около 35-40 т/га. В микрополевом опыте, где исходный рНксі почвы был значительно выше, и она была близкой к нейтральной, изменение в среднем по всем изучаемым дозам и сочетаниям составило 0,38 единицы. Затраты же удобрений на смещение рН на 1 ед. здесь оказались также более высокими - около 50 -55 т/га. По всей видимости, такие отличия объясняются отмеченной выше разницей в буферности и ёмкости поглощения этих двух почв.
С увеличением показателей возрастают и затраты известковых материалов. Данное положение подтверждается трудами учёных-агрохимиков (О.А.Кедров-Зихман, 1932; А.Н.Небольсин, 1983; А.Н.Небольсин и др. 1997; И.А.Шильников и др., 1977; И.А.Шильников, ЛАЛебедева, 1987; А.И.Иванов, 2000). За указанный период в обоих опытах под действием ОСВ отмечено снижение гидролитической кислотности на фоне увеличения суммы обменных оснований: в микрополевом опыте с 0,92 - 1,13 до 0,72 - 0,98 и с 1,38 -1,48 до 1,48 - 1,57 мг-экв на 100 г почвы; в полевом - с 3,90 - 4,35 до 2,09 -2,80 и с 1,41 - 1,56 до 1,57 - 1,75 мг-экв на 100 г почвы соответственно. И хотя два этих показателя, особенно содержание обменных кальция и магния, изменялись менее значительно в сравнении с обменной кислотностью почвы, обнаруженные закономерности имели очень важное положительное значение в оптимизации их кислотно-основного состояния. Позитивные изменения кислотно-основных свойств имели место и на следующий год после внесения известьсодержащего осадка (микрополевой опыт). Причём по такому показателю, как сумма обменных оснований, они были даже более существенными, чем в год внесения удобрения. При сочетании ОСВ с минеральными удобрениями его положительное действие на кислотно-основное состояние почвы было несколько ослабленным. Очевидно, это объясняется использованием в опытах физиологически кислых минеральных удобрений - аммиачной селитры и хлористого калия. Однократное же внесение 40 т/га навоза приводило к несущественному изменению анализируемых свойств почв. В среднем за время наблюдений в расчёте на 10 т/га ОСВ, внесённых в сильнокислую песчаную почву, изменение показателей составило: pHKci -+0,27, Нг- -0,48 мг-экв/100 г, Са + Mg - +0,15 мг-экв/100 г. У почвы, имевшей исходный показатель pHKci 5,55, изменения в расчёте на 10 т/га ОСВ были меньшими для обменной и гидролитической кислотности - (+0,16 ед.) и (-0,10 мг-экв/100 г) соответственно, и большим - для суммы обменных катионов кальция и магния (+0,24 мг-экв/100 г). Последнее отличие связано с большей обогащённостью кальцием и магнием использованного в микрополевом опыте ОСВ.
Агрономическая эффективность осадков сточных вод на культуре картофеля
Исследования с культурой картофеля проводились в 1993 - 1995 гг. и хотя эти годы характеризовались удовлетворительными метеоусловиями для данной культуры, тем не менее, в силу исключительной неблагоприятности свойств почвы урожайность клубней в контрольном варианте составила только 48 ц/га (табл. 16).
Как и в микрополевом опыте, действие ОСВ на урожайность картофеля было весьма значительным и устойчивым по годам. Уже при малой дозе (20 т/га) обеспечивалось более чем удвоение урожая, а при дозе 40 т/га - утроение. Повышение дозы ОСВ до 60 т/га приводило к дальнейшему, практически пропорциональному, росту урожайности. Дополнение же осадка минеральными удобрениями не обеспечивало достоверных прибавок урожая. Вероятно, по причине невысокого качества использованного в опыте навоза (табл. 5), эффективность последнего оказалась ниже, в сравнении с равными дозами ОСВ.
В то же время приходится констатировать, что и на фоне высоких доз удобрений урожайность картофеля на песчаной дерново-подзолистой почве продолжает оставаться невысокой - чаще менее 200 ц/га. По-видимому, это связано с комплексом причин, в частности, с неустойчивостью водного режима и низкой микробиологической активностью песчаных почв, сформированных на сильнокислых песчаных отложениях.
В среднем же за три года исследований в расчёте на 1 тону удобрений получено клубней: в варианте Навоз, 40 т/га - 197 кг, в варианте ОСВ,20 т/га - 301, в варианте ОСВ, 40 т/га - 240, в варианте ОСВ 60 т/га - 210 кг, в варианте ОСВ, 40 т/га + N60P30K90 - 264. Таким образом, с позиции агрономической эффективности любая из изучавшихся доз ОСВ может быть признана оправданной. Выбор же оптимального варианта потребует, в первую очередь, экологический экспертизы, то есть учёта действия ОСВ на почву и качество клубней и экономических расчётов.
Однолетние опыты, выполняемые в производственных условиях колхоза «Прогресс» Западнодвинского района Тверской области, завершались изучением последействия внесённых под картофель удобрений на урожайность овса, для которого картофель являлся предшественником. Соответственно, полевой опыт выполнялся в 1994 - 1996 гг., и никакие удобрения в эти годы дополнительно под овёс не вносились.
Как и для картофеля, для овса были характерны крайне низкие урожаи в варианте без удобрений (от 6,2 до 10,8 ц/га), что указывает на исключительно низкое плодородие использованной в опыте почвы (табл. 17).
На этом фоне установлено достоверное действие и навоза, и ОСВ на урожай второй культуры. Минимальные прибавки урожая зерна овса регистрировались при дозе ОСВ 20 т/га (2,5 ц/га), максимальные - при дозе 60 т/га (5,7 ц/га). Такое соотношение сохранялось все три года исследований.
Если сравнивать эти данные с данными микрополевого опыта, можно обнаружить определённые различия и в высоте урожаев, и в эффективности удобрений. В микрополевом опыте продуктивность посевов овса была существенно выше (табл. 14, 15), а прибавки от удобрений - ниже, в сравнении с анализируемым полевым опытом. Это может быть связано с возделыванием в звене севооборота бобовой культуры, а также с двукратным внесением ОСВ в предшествующие посеву овса годы. Полученные данные показывают, что даже на очень лёгкой по гранулометрическому составу почве ОСВ (как и навоз) обладает существенным последействием на второй год после внесения. Фактический уровень его эффективности в последействии зависит от ряда сопутствующих условий (прибавки урожая овса в микрополевом опыте составляли 2 - 12 %, а в полевом -ЗО - 70 %). Факторами, снижающими последействие осадков сточных вод, являются более высокий уровень плодородия, неблагоприятные погодные условия, возделывание азотфиксирующих культур, в частности, люпина жёлтого.
