Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Экологическая целесообразность использования органических и минеральных отходов промышленного производства в сельском хозяйстве 9
1.1. Специфика земельных ресурсов Сибири 9
1.2. Краткая характеристика земельных ресурсов сельскохозяйственного использования Иркутской области и республики Бурятия 11
1.3. Экологические проблемы традиционной системы удобрения почв . 13
1.3.1. Воздействие минеральных удобрений на плодородие почв 14
1.3.2. Органическое вещество почвы 18
1.3.3. Традиционные органические удобрения 19
1.4. Влияние твердых отходов промышленного производства на окружающую среду 23
1.5. Зола углей теплоэнергетических предприятий как мелиорант и комплексное удобрение почв 31
0 1.6. Использование твердых отходов деревоперерабатывающих предприятий для получения органических и органоминеральных удобрений 42
ГЛАВА 2. Объекты и методы 63
ГЛАВА 3. Характеристика ингредиентов и компостов на их основе 71
3.1. Оценка возможности включения золы углей, сжигаемых на ТЭС СЦКК в состав компостов 71
3.2. Химическое тестирование органических отходов СЦКК (шлам-лигнин, древесная кора) 86
3.3. Физико-химическая характеристика органоминеральных компостов 90
ГЛАВА 4. Влияние органоминеральных компостов на плодородие почв 99
4.1. Кислотность и поглощенные основания 99
4.2. Подвижные формы соединений основных элементов питания 101
4.3. Биологические свойства 104
4.4. Агрофизические свойства 112
4.5. Микроэлементный состав почв и растений 118
4.6. Санитарно-паразитологические показатели аллювиальной дерновой почвы опытного участка (пгт Селенги нск) 129
4.7. Биологическое действие топинамбура, выращенного на почве с внесением компоста, на организм теплокровных животных 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 132
ВЫВОДЫ 134
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136
- Специфика земельных ресурсов Сибири
- Оценка возможности включения золы углей, сжигаемых на ТЭС СЦКК в состав компостов
- Подвижные формы соединений основных элементов питания
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Деградация почвенного покрова относится к числу наиболее * острых проблем современного природопользования. С истощением запасов гумуса и биофильных элементов в почвах происходит резкое нарушение органического и минерального питания почвенной биоты, нарастают условия олиготрофности, падают общая биологическая активность и плодородие почв, снижается их устойчивость к эрозии, химическому и бактериальному загрязнению [Добровольский, Гришина, 1985; Мишустин, Емцев, 1987]. Острота данной проблемы усиливается дефицитом органических удобрений, *"* без внесения которых, невозможно рассчитывать на воспроизводство почвенного плодородия [Абашеева, 1992].
В то же время развитие промышленности, основанной на использовании растительного сырья, создание крупных животноводческих комплексов, птицефабрик, производственная деятельность предприятий теплоэнергетики привели к накоплению огромных масс органических и минеральных отходов, которые стали существенным фактором загрязнения окружающей среды и отчуждения земельных угодий. В исходном виде промышленные отходы как удобрения обладают рядом недостатков. Навоз и помет животноводческих комплексов и птицефабрик имеют повышенную влажность, содержат семена сорных растений, заражены яйцами гельминтов и патогенной микрофлорой. Для органических отходов деревообрабатывающей промышленности характерны низкое содержание
Ф элементов питания, бедность микрофлорой, повышенная кислотность и т.д. Сдерживающим фактором широкого применения золошлаковых отходов теплоэлектростанций (ТЭС) в сльском хозяйстве в качестве кальцийсодержащего мелиоранта почв является возможность содержания в них тяжелых металлов, токсичных и радиоактивных элементов в повышенных концентрациях.
Эффективный путь использования отходов промышленности в земледелии -предварительное компостирование, в процессе которого можно получить органоминеральные удобрения с оптимальными биологическими и физико-химическими параметрами. Утилизация отходов таким способом ослабит техногенное влияние на окружающую среду, поможет устранить дефицит органических удобрений. Это, в свою очередь, позволит повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, снизит потребность в минеральных удобрениях, увеличит эффективность их использования, сократит применение для производства компостов торфа, с добычей которого связано нарушение устойчивости болотных экосистем. Пока же отчуждаемые у природы огромные массы органического и минерального материала постоянно накапливаются в виде отходов, s± внося дисбаланс в круговорот биогенных элементов.
Удобрения из отходов промышленности, наряду с питательными веществами, могут содержать токсичные соединения, в том числе канцерогенной природы, тяжелые металлы, радиоактивные элементы и т.д. Поэтому, во избежание загрязнения почв необходимо предварительное изучение химического состава отходов производства, удобрений из этих отходов, их токсикологическая и санитарно-гигиеническая оценка, установление м допустимых доз внесения в почву.
ОСНОВНАЯ ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ. Экологическая оценка органоминеральных компостов (ОМК), полученных из крупнотоннажных отходов СЦКК и ТЭС комбината. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.
1. На основе изучения свойств и химического состава твердых отходов СЦКК w определить компонентный состав компостируемых смесей.
Оценить, с позиций экологии и гигиены окружающей среды, возможность использования золы углей в качестве минеральной основы компостов.
На основе определения химического состава почв и компостов рассчитать допустимую дозу внесения органоминеральных удобрений.
4. Установить эффективность использования компостов из отходов СЦКК (зола углей, Щ древесная кора, шлам-лигнин) для сохранения и повышения плодородия пахотных почв.
5. Дать токсикологическую оценку продукции, выращенной на почве, удобренной компостами из твердых отходов СЦКК. НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
1. Впервые, на основе проведения комплекса исследований, установлена возможность использования низкокальциевой золы углей в качестве минеральной основы компостов.
2. Определен оптимальный химический состав ОМК, изготовленных из твердых отходов СЦКК и ТЭС комбината.
3. Обнаружена овицидная активность ОМК, содержащих золу углей и шлам-лигнин.
4. Доказана возможность и эффективность использования компостов из твердых отходов целлюлозно-бумажной промышленности и теплоэнергетики для удобрения почв. Установлено отсутствие негативного влияния топинамбура, выращенного на почве с компостом из отходов СЦКК, на организм теплокровных животных.
Актуальность и новизна проведенных исследований подтверждены патентами. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. На основе результатов проведенных исследований разработаны, утверждены и введены в действие Технические Условия "Компосты органоминеральные на основе отходов ЦКК и животноводческих комплексов" (ТУ 13-7308058-25-92). Получен патент №2086521. 08.1997г. "Способ получения органоминерального удобрения".
Результаты исследований выявили принципиальную возможность создания на целлюлозно-картонных комбинатах безотходного производства. На территории Селенгинского комбината было налажено полупромышленное изготовление органоминеральных компостов из отходов. Ввод в действие фабрики компостов на СЦКК -это возможность утилизации не только собственных отходов, но и отходов животноводческих комплексов и птицефабрик. Производство и использование органоминеральных компостов в качестве удобрений позволит решить проблему сохранения и повышения плодородия почв сельскохозяйственных угодий не только подсобного хозяйства СЦКК, но и значительной площади сельхозугодий Кабанского района Республики Бурятия.
Принципы проведения данных исследований использовались при изучении возможности компостирования отходов Усть-Илимского ЛПК (получен патент №2144014. 01.2000 г.), Амурского ЦКК, при использовании органоминеральных компостов из органических и минеральных отходов (навоз, осадки сточных вод, опилки, шлаки) для рекультивации земель, нарушенных в результате угледобычи (Объединение ПРОКОПЬЕВСКУГОЛЬ). ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
Отвалы и шламонакопители твердых отходов (древесная кора, лигнин, зола углей), оказывающие отрицательное воздействие на окружающую среду, могут быть источником полезных компонентов для получения органоминеральных удобрений.
Низкокальциевая зола азейских углей, содержащая широкий спектр биофильных макро- и микроэлементов, может служить минеральной основой для получения органоминеральных компостов.
Органоминеральные компосты из твердых отходов СЦКК являются эффективными удобрениями и не оказывают отрицательного влияния на экологические условия в почвах агроэкосистем.
Продукция, выращенная на почве, удобренной компостами из отходов СЦКК, не загрязнена тяжелыми металлами и не обладает негативным биоэффектом на организм теплокровных животных.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации были представлены на II Всесоюзном совещании "Комплексное использование зол углей СССР в народном хозяйстве" (Иркутск, 1989 г.), на IV объединенном Международном симпозиуме по проблемам прикладной геохимии, посвященной памяти академика Л.В. Таусона, (Иркутск, Щ 1994), на Второй Верещагинской байкальской конференции (Иркутск, 1995 г.), на
Совещании "Экологические проблемы микробиологии, биотехнологии Байкальского региона" (Улан-Удэ, 1995 г.), на V Конференции "Аналитика Сибири и Дальнего Востока" (Новосибирск, 1996 г.). ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.
В заключение выражаю благодарность научному руководителю, заведующему лабораторией биогеохимии Лимнологического Института СО РАН, к. г.-м. н. Сутурину А. Н., старшему научному сотруднику Лимнологического Института СО РАН, к. ф.-м. н. Парадиной Л. Ф., старшему научному сотруднику Лимнологического Института СО РАН, к. г.-м. н. Бойко С. М., старшему научному сотруднику Института географии СО РАН, к. б. н. Антоненко А. М, старшему научному сотруднику Института геохимии СО РАН, к. г.-м. н. Бычинскому В. А. и всем сотрудникам лаборатории биогеохимии Лимнологического Института СО РАН.
Специфика земельных ресурсов Сибири
В почвенном покрове Сибири, крайне редки высокоплодородные почвы. В большинстве случаев приходиться сталкиваться с комплексом факторов, лимитирующих почвенное плодородие: длительной сезонной или многолетней мерзлотой, временным или постоянным избыточным увлажнением, неблагоприятным гранулометрическим составом, интенсивной ретроградацией фосфатов, краткостью активных температур и безморозного периода, поздневесенними и раннеосенними заморозками, засухами весной и затяжными или проливными дождями в период уборки урожая и т. п. [Органическое вещество..., 1989, Гаджиев и др. 1990].
Для значительной части почв характерны маломощность гумусового горизонта, очень низкая обогащенность органического вещества почв азотом, слабая деятельность почвенной микрофлоры, особенно в весенне-раннелетний период, замедленность процессов разложения органических остатков и минерализации питательных веществ [Макеев, 1959, Кузьмин, 1970, Органическое вещество..., 1989]. При освоении в сельскохозяйственное производство (распашка) лесных почв наблюдается особенно быстрое снижение содержания гумуса и азота. В результате плодородие таких почв резко падает [Безкоровайная и др., 1997]. При значительно расчлененном рельефе почвенный покров склонов испытывает разрушительное влияние талых и ливневых вод. Частые ветры эрозионно-опасной силы весной и в начале лета развевают поверхностный гумусовый слой [Бычков и др., 1989; Абашеева, 1992]. Безвозмездная потеря гумусовых веществ способствует интенсивному распылению структуры пахотного слоя склоновых почв, снижению и без того низкой в момент снеготаяния их эрозионной стойкости [Батуев и др., 1998]. Повсеместная распашка земель, интенсивная вырубка и уничтожение лесов привели к широкомасштабному развитию деградации почв и нарушению природного баланса органического вещества [Ишмуратов и др. 1999]. В распаханных почвах ускоряется и усиливается не только минерализация гумуса, но и происходит постепенное выветривание минеральной составляющей пахотного слоя, разрушение структурных агрегатов, ухудшение водно-физических свойств и режимов и, как результат - снижение плодородия и трансформация важнейших экологических функций почвы [Макеев, 1959; Гаджиев и др., 1998].
Деградационные процессы почвенного покрова сельскохозяйственных угодий стимулируются и сложившейся в Сибири практикой использования земель, в том числе недостаточным применением минеральных и органических удобрений. Если в 1970-1980 гг. минеральные удобрения вносили в действующем веществе суммарно около 40 кг азота, фосфора, калия на 1 га пашни, то в последние годы их вносят не более 10-15 кг или вообще не применяют. В результате такой агротехники формирование урожая происходит за счет истощения почвенного плодородия, что закономерно приводит к его деградации [Жуков, 1985; Гаджиев и др., 1998].
Неблагоприятную ситуацию усиливают высокая плотность сельскохозяйственного производства и размещение на ограниченных участках индустриальных гигантов (предприятия теплоэнергетики, нефтехимической, машиностроительной, химической, лесоперерабатывающей, металлургической, горнорудной промышленности). В индустриально развитых районах Сибири техногенный прессинг испытывают все компоненты агроэкосистем [Ломоносов и др. 1993; Котова и др., 1998]. Происходит не только накопление поллютантов в почвенном покрове, но и связанные с этим изменения в круговороте биофильных элементов, в активности биохимических процессов, снижении биологического разнообразия, определяющего формирование экологических и санитарных функций почвенного покрова [Котова и др., 1998]. о
Экологические аспекты сельскохозяйственного землепользования приобретают все большую актуальность. Отрицательное воздействие на почвенный покров сельхозугодий таких факторов, как эрозия, дефляция, засоление, подкисление, переосушивание, загрязнение и т.д. способны привести к полной утрате ценных земель [Суманеева, 1999].
Земельный фонд Иркутской области составляет 75.3 млн. га. Сельскохозяйственные угодья в земельном фонде занимают всего 3.7%. Из них около 67% приходится на пашню
[Природные ресурсы..., 2000]. Территории, освоенные сельским хозяйством, сосредоточены в пределах Иркутско-Черемховской равнины и Предбайкальской впадины. Среди почв сельхозугодий преобладают серые лесные почвы (32%). К карбонатным породам приурочены дерново-карбонатные почвы, занимающие вместе с дерновыми лесными около 30% [Кузьмин и др., 1981]. Черноземы распространены всего на 7% площади пашни, на долю дерново-подзолистых почв приходится 1% [Крестьянинова, 1980, Савельева и др., 1998; Природные ресурсы..., 2000]. В целом по области пахотные угодья имеют низкое (33%) или среднее (=45%) содержание гумуса. Почвы с повышенным и высоким содержанием гумуса занимают, как правило, пониженные элементы рельефа с неблагоприятными температурными условиями для возделывания зерновых культур. Из 2648.5 тыс. га сельхозугодий Иркутской области подвержено различного рода эрозии 683.4 тыс. га, что превышает показатели предыдущих лет [Крестьянинова, 1980, Государственный доклад..., 1999]. За последние пять лет объем внесения минеральных удобрений сократился в 5 раз, органических в 2 раза (в среднем доза внесения - 0.7 т/га), известкование кислых почв в 3 раза. В области наблюдается стабильное сокращение сельскохозяйственных земель, нарастает потеря почвами гумуса (за последние 10-25 лет его запасы уменьшились на 0.75%), V снижается плодородие почв [Государственный доклад..., 1999], увеличиваются площади земель техногенного загрязнения [Батуев и др., 1998]. В сельскохозяйственных угодьях, расположенных в зонах влияния промышленных предприятий выявлены повышенные содержания тяжелых металлов и токсичных элементов (Hg, As, Pb, Ni, Си, Mn) [Проблемы охраны озера Байкал..., 1996].
Более 20 лет в общественном секторе сельского хозяйства области нет прироста сельхозпродукции. Уже в 1985 году по сравнению с 1965 на каждого жителя зерна, картофеля, овощей производилось меньше в среднем на 1/3 [Суманеева, 1999].
Сельскохозяйственная деятельность в Бурятии развита преимущественно в межгорных котловинах лесостепных, степных и сухостепных пространств. Почвенный покров региона представлен черноземами, каштановыми, серыми лесными, дерново-карбонатными и аллювиальными почвами [Ногина, 1964]. Наибольшая часть сельскохозяйственной площади - 1500 тыс. га (32.5%) занята каштановыми почвами, черноземы составляют 379.4 тыс. га (8.7%), на серые лесные, аллювиальные и лугово-черноземные почвы приходится соответственно 520, 379.3, 134.1 тыс. га (11.4, 8.7, 2.9%) [Абашеева, 1992]. Почвы, являющиеся основным фондом земледелия, представлены чаще всего супесчаными и легкосуглинистыми разностями. Легкий гранулометрический состав почв обусловливает их высокую уязвимость при антропогенном воздействии [Ишигенов и др., 1984; Макаров, 2000]. К настоящему времени около 100 тыс. га супесчаных и песчаных почв превратились в движущиеся пески. Общая площадь пашни, подверженной эрозии, достигает 600 тыс. га [Абашеева, 1992]. Большая часть почв сельскохозяйственного использования характеризуется низким и очень низким содержанием гумуса при резко убывающем профильном распределении [Ишигенов, 1972]. Повсеместно отмечается ухудшение водно-физических свойств пахотных почв, развитие эрозионных процессов, потеря органического вещества [Ишигенов, Максимов, 1989]. За последние четыре года урожайность зерновых культур в лесостепной зоне составила 12-14 ц/га, в сухостепной - 7-12 ц/га. На землях подверженных деградации, которые выявлены почти во всех хозяйствах, урожайность еще ниже [Макаров, 2000].
В почвенном покрове Бурятии имеются участки с повышенным содержанием тяжелых металлов (I-Ig, Zn, Pb, Си, W, Mo, Be, Cr). Площади техногенного загрязнения почв встречаются в районах расположения г. Улан-Удэ, Гусиноозерска, Закаменска, пос. Тимлюя, рудника Ирокинда и связаны, в основном, с разработкой горнорудных месторождений [Суманеева, 1999].
Почвам антропогенных ландшафтов, независимо от их генезиса, присущи общие черты, из которых главным является потеря плодородного слоя. Восстановление и сохранение плодородия почв невозможно без внесения минеральных и органических удобрений, без включения в полевые и кормовые севообороты высокоурожайных культур, обогащающих почвы органическим веществом [Ишигенов, Максимов, 1989; Абашеева 1992].
Оценка возможности включения золы углей, сжигаемых на ТЭС СЦКК в состав компостов
Зола - высокодисперсное пылевидное вещество, образующееся в условиях высоких (1200-1600С) температур при сгорании угля в топках ТЭС. Минеральный и химический состав золы определяются составом минерального, органического вещества угля и условиями сжигания.
По данным рентгеноспектрального микроанализа минеральный состав энергетической золы представлен частичками несгоревшего ококсованного угля, не измененными в процессе сжигания топлива первичными минералами угленосных отложений (каолинит, кварц, полевые шпаты, пироксены), вторичными образованиями и стеклофазой, возникающими в результате дегидратации, декарбонатизации, обжига и плавления исходного вещества, а также взаимодействия компонентов минеральной части углей между собой и газообразными продуктами горения при температуре более 1000С. Стеклофаза представлена угловатыми либо сферическими, массивными или пустотелыми частицами и отличается повышенным содержанием кремния, алюминия, кальция, железа. Химический состав золы отражает суммарную характеристику минеральных компонентов и представлен преимущественно оксидами кремния, алюминия, кальция, железа, магния, титана, калия, фосфора, серы (табл.1).
По содержанию преобладающих элементов, зола азейских углей относится к глиноземистым низкокальциевым золам. Использовать ее наиболее целесообразно как минеральную структурообразующую основу для компостов и тепличных грунтов [Сутурин,
Бычинский, 1985; Сутурин, 2001].
Примечание. - здесь и далее Р - уровень вероятности, п - объем выборки.
Большим разнообразием отличается микроэлементный состав золы (рис.1). В сравнении с фоновым содержанием микроэлементов в почвах, угольная зола выделяется повышенным содержанием Си, Мо, В, Со. Количество Hg, Cd, As в золе азейских углей незначительно отличается от их среднего содержания в почве [Войткевич и др., 1990] и ниже экологических нормативов для компонентов органических удобрений из отходов промышленности [Орлов, Садовникова, 1996].
Подвижные формы соединений основных элементов питания
При подщелачивании почвенного раствора и повышении насыщенности удобренных почв обменными катионами ослаблялось физико-химическое поглощение фосфат-ионов, и количество доступных для растений соединений фосфора возрастало. Как видно по данным таблицы 24, в серой лесной глееватой почве без удобрения содержание подвижного фосфора в течение всего периода проведения опытов сохранялось на низком уровне, который в четвертый год эксперимента достиг минимального значения по сравнению с показателями } предшествующих лет и других вариантов опыта. Внесение компостов повышало обеспеченность почвы подвижными формами фосфора. И в четвертый год последействия количество его растворимых соединений в пахотном горизонте удобренных делянок превосходило контрольное. В аллювиальной дерновой почве установившееся относительно контроля более высокое содержание фосфатов, сохранялось в течение трех лет, а в почве без удобрения отмечено статистически достоверное снижение уровня подвижных соединений фосфора относительно исходного (табл.24). Примечание. - статистически достоверное снижение относительно показателей первого года. Компосты, содержащие в своем составе различные по растворимости соединения калия (см. табл.21), значительно обогащали этим элементом поглощающий комплекс серой лесной глееватой почвы. Влияние изучаемых удобрений на содержание обменного калия в аллювиальной дерновой почве было менее выраженным. Однако повышенный уровень калия в пахотном слое той и другой почвы сохранялся в течение всего периода проведения опытов.
В то время как его исходное содержание в почве неудобренных делянок с течением времени уменьшалось (см. табл.24)
Основными формами азотных соединений, доступных для большинства растений, являются, как известно, минеральные формы. В ходе исследований установлено, что к началу активной вегетации растений в пахотном слое серой лесной глееватой почвы, удобренной компостами, по сравнению с контрольным вариантом, повышалось содержание нитратного азота. Более высокое содержание его в этот период наблюдалось и в годы последействия изучаемых удобрений. После уборки урожая топинамбура (конец сентября) запасы нитратов по всем вариантам опыта резко снижались (рис.7). В аллювиальной дерновой почве максимальное накопление нитратного азота отмечено в период образования побегов топинамбура. В фазу активного роста растений (июль) наблюдалось резкое падение содержания нитратов, но преимущество почвы с удобрением относительно контроля сохранялось. Наименьшее содержание азота нитратов в пахотном слое аллювиальной Ф дерновой почвы по всем вариантам опыта установлено после уборки урожая, в конце сентября (см. рис.7). Плодородие почвы тесно связано с жизнедеятельностью обитающих в почве животных и микроорганизмов, являющихся обязательным звеном в цепи биологического круговорота веществ.
Вследствие большего, по сравнению с контролем, поступления в удобренную почву органического вещества, оптимизации ее кислотных свойств и привноса с компостами биофильных макро- и микроэлементов в пахотном слое активизируется жизнедеятельность почвенных микроорганизмов. Отмечено положительное влияние компостов на структуру и функционирование микроорганизмов в пахотном слое серой лесной глееватой почвы (табл.25). При действии и последействии компостов увеличивалось количество гетеротрофных, эвтрофных микроорганизмов, принимающих активное участие в процессах трансформации органического вещества. Выше, чем в контрольной почве была численность олигонитрофильных микроорганизмов. Широкое распространение олигонитрофилов обусловливает их большую роль в почвенных процессах, кроме того, они принимают активное участие в метаболизме гумусовых веществ, стабилизации C:N [Клевенская, 1974]. Благоприятное сочетание рН почвенной среды и влажности в исследуемый период способствовало активному росту микроскопических грибов. При определении их количества обнаружено достоверное (Р=0.95) увеличение грибов в 1.5-2 раза по сравнению с контролем. Отмечено, что в структуре грибного компонента доминировала популяция грибов родов: Trichoderma, Mucor, Cladosporium, реже Aspergillus, Penicillium, численность которых С значительно колебалась от фазы появления всходов до полного созревания топинамбура. Во все сроки исследования, по сравнению с неудобренной почвой, значительно возрастало количество бактерий, использующих минеральные формы азота (табл.25). В почве под действием компостов увеличилось число актиномицетов, что является одним из показателей интенсивных процессов минерализации органического вещества. В пахотном слое удобренных делянок активизировалась деятельность целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Как показали исследования, при последействии компостов численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов из года в год была выше, чем в почве контрольного варианта (табл.25).
