Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10
1.1. Характеристика почвенных субстратов для растениеводства в условиях защищенного грунта 10
1.2. Применение органических удобрений при выращивании сельскохозяйственных культур 13
1.2.1. Использование нетрадиционных органических удобрений в интенсивном растениеводстве 19
1.3. Способы получения вермикомпостов как нетрадиционных органических удобрений 23
1.3.1. Средообразующие функции дождевых червей 28
1.3.2. Выбор кормов различного происхождения для использования их в ходе вермикультивирования 29
1.3.3. Подходы к оценке адаптации дождевых червей 31
1.3.4. Адаптация дождевых червей к условиям обитания 32
1.3.5. Адаптация дождевых червей к питанию 34
1.3.6.Оценка адаптации дождевых червей в условиях вермикультивирования 35
1.4. Экологическая оценка вермикомпостов 39
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 48
2.1. Методы определения качественных и количественных показателей полученного нетрадиционного органического удобрения и почвы 48
2.2. Методы определения тяжелых металлов в тепличных грунтосмесях и наземных частях растений 51
2.3. Определение параметров рациональной технологии выращивания маточного стада дождевых червей 51
2.4. Морфометрические исследования рассады огурца 52
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 54
3.1. Параметры рациональной технологии выращивания маточного стада дождевых червей 54
3.1.1. Характеристика используемого для вермикультивирования субстрата и емкостей 54
3.1.2. Оценка численности и биомассы дождевых червей 60
3.1.3. Оценка плодовитости культивируемых дождевых червей 63
3.2. Разработка технических условий на производство нового органического удобрения Вермигумус-НКТ 65
3.3. Экологическая оценка полученного Вермигумуса НКТ 69
3.3.1. Выращивание рассады огурца к условиях защищенного грунта с использованием Вермигумуса НКТ 69
3.3.2. Влияние Вермигумуса-НКТ на биогенную миграцию тяжелых металлов в основных компонентах агроэкеосистем 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 84
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 86
ВЫВОДЫ 87
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 89
ПРИЛОЖЕНИЕ
- Характеристика почвенных субстратов для растениеводства в условиях защищенного грунта
- Методы определения качественных и количественных показателей полученного нетрадиционного органического удобрения и почвы
- Параметры рациональной технологии выращивания маточного стада дождевых червей
Введение к работе
Актуальность исследования
Жизнедеятельность человека и животных, любая технологическая деятельность неизбежно приводят к образованию различных видов отходов, оказывающих то или иное воздействие на окружающую среду. Одной из наиболее сложных проблем защиты окружающей среды и сохранения экологического равновесия является проблема управления процессами утилизации и обезвреживания отходов. Проблемы образования и использования отходов многогранны. Отходы производства и потребления могут являться ценные видами вторичных материальных и энергетических ресурсов. Широкое использование отходов в качестве вторичных материальных и энергетических ресурсов может не только решить экологические проблемы загрязнения окружающей среды, но и обеспечить материально-сырьевую базу необходимыми ресурсами. В некоторых случаях производство отдельных видов товарной продукции из вторичного сырья (отходов) значительно проще и дешевле, чем из первичного природного сырья.
В то же время возможности утилизации отходов для получения ценных продуктов и для обезвреживания содержащихся в них токсичных продуктов используют пока крайне незначительно. В настоящее время в России обезвреживают не более 10% образующихся токсичных отходов и только около 45% используют, остальное вывозят на свалки. Таким образом, проблема управления отходами и их переработки является актуальной и до конца еще не решенной. В настоящее время происходит формирование научных подходов к оценке проблемы отходов в целом, правовых норм хозяйственной деятельности, связанной с образованием, утилизацией и обезвреживанием отходов, нахождением оптимальных путей их размещения, наносящих минимальный ущерб окружающей среде.
В последние десятилетия мировая наука и практика все больше внимания уделяет проблемам биологизации земледелия, применению биологических методов очистки промышленных и коммунальных отходов.
Процесс переработки органических отходов с использованием дождевых червей стал называться вермикомпостированием. Характерной чертой этой биотехнологии является возможность переработки дождевыми червями широкого ассортимента органических отходов: навоз всех видов животных, помет, осадки очистных сооружений, отходы сельскохозяйственного и перерабатывающих производств. Метод вермиккомпостирования играет большую роль в решении природоохранных проблем, связанных с загрязнением окружающей среды.
Усиление антропогенной нагрузки приводит к вовлечению в биогеохимический круговорот тяжелых металлов и микроэлементов, что приобретает особое значение для функционирования экосистем, здоровья человека. Большое значение для сохранения здоровья людей имеет учет трансформации эволюционно сложившегося биогеохимического цикла биологически важных элементов в компонентах агроэкосистем, особенно в цепи: почва-растения-человек (Виноградов, 1982; Воробьев и др., 1998; Гребенников, Ельников, 2001; Обухов, 1990; Овчаренко, 1995; Пинский, 1990; Просянни-кова, Анохин, 1999; Сает и др., 1990). Как избыток химических элементов в окружающей среде, так и их недостаток могут отразиться на изменениях обмена веществ, на развитии специфических заболеваний человека. Так значительный ущерб здоровью человека может нанести изменение содержания тяжелых металлов как приоритетных загрязнителей в продукции растениеводства. В настоящее время слабо изучены региональные особенности распределения тяжелых металлов в компонентах агроэкосистем, взаимосвязи между биогеохимическими условиями окружающей среды и состоянием здоровья человека. Актуальным является биогеохимическая оценка в условиях защи-
щенного грунта как наиболее уязвимых с точки зрения накопления поллю-тантов агроэкосистем.
Развиваемые принципы экологического земледелия, органического растениеводства направлены на корректировку накопившихся в сельском хозяйстве проблем (Минеев и др., 1993; Орлов, 1996). Одной из мер снижения доступности для растений тяжелых металлов является применение мелиорантов, образующих с поллютантами труднорастворимые соединения. Чаще всего для этой цели используют известковые материалы. Биодоступность тяжелых металлов снижает и повышенное содержание органического вещества в почвах.
В условиях резкого сокращения объемов применения традиционных органических удобрений - навоза и т.д. большое значение придается новым, нетрадиционным видам органических удобрений - компостам. Особую роль среди них играют вермикомпосты, получаемые в ходе технологий вермиком-постирования отходов сельскохозяйственного производства. Важным преимуществом вермикомпостов является повышение их качественных характеристик по отношению к традиционным органическим удобрениям, улучшение физических и агрохимических свойств, снижение дозы внесения, положительное воздействие на плодородие почв, продуктивность выращиваемых культур. Проблему переработки органосодержащих отходов сельского хозяйства, промышленности и городского хозяйства с помощью вермикульту-ры принято считать приоритетной в области земледелия и экологии (Стад-ник, 1994).
Однако не существует технологий вермикомпостирования отходов сельскохозяйственного производства для Юга России, в литературе нам не встретилось данных по применению вермикомпостов в условиях защищенного грунта. Важность этих вопросов и необходимость их научного обеспечения обусловили выбор цели настоящего исследования.
Цель и задачи исследования
Цель настоящего исследования состояла в экологической оценке вновь полученного нетрадиционного органического удобрения Вермигумус НКТ в условиях защищенного грунта.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи.
Определить качественные и количественные характеристики органического удобрения Вермигумус НКТ, изготовленного при верми-компостировании навоза крупного рогатого скота.
Сравнить химический состав органического удобрения Вермигумус НКТ с компостом.
Оценить влияние органического удобрения Вермигумус НКТ на рост рассады огурца в условиях защищенного грунта.
Определить качественные и количественные характеристики почвы при использовании Вермигумуса НКТ.
Изучить биогенную миграцию тяжелых металлов в основных компонентах агроэкосистем под влиянием нетрадиционного органического удобрения.
Научная новизна работы
В результате проведенных исследований выявлены качественные и количественные показатели органического удобрения Вермигумус НКТ, полученного при вермикомпостировании навоза в условиях Юга России. Качественный и количественный состав полученного органического удобрения Вермигумус НКТ отвечает техническим требованиям, предъявляемым к вер-микомпостам.
Выведены технологические линии дождевых червей, сохраняющих жизнеспособность при температуре свыше 30С. В процессе работы определены параметры рациональной технологии выращивания маточного стада дождевых червей, проведено обоснование выбора кормовых компонентов
для культивируемых дождевых червей, определены подходы к оценке адаптации разводимых дождевых червей, оценены показатели качества используемых кормовых субстратов.
Изучено влияние Вермигумуса НКТ на биодоступность тяжелых металлов.
Практическая значимость работы состоит, прежде всего, разработке технических условий производства органического удобрения Вермигумус НКТ в условиях Юга России. Подтверждено соответствие качества полученного органического удобрения разработанным техническим условиям. Вермигумус НКТ стимулирует рост рассады огурца в условиях защищенного грунта, связывает тяжелые металлы в фунте.
Полученные результаты могут лечь в основу разработки технологии промышленного вермикомпостирования отходов сельскохозяйственного производства в условиях Юга России.
На основании полученных данных для Юга России было рекомендовано экологически безопасное нетрадиционное агрохимическое средство, используемое для повышения плодородия и продуктивности сельскохозяйственных культур в условиях защищенного грунта.
На защиту выносятся следующие положения;
основой технологии вермикультвивирования в условиях Юга России является использование технологических линий дождевых червей, адаптированных к повышенным значениям температуры и специализированных на переработке определенных видов сельскохозяйственных отходов; включение вермикомпостов в биологический круговорот агроценоза является важным элементом системы управления биогенной миграцией тяжелых металлов и плодородием почв.
Апробация работы
Материалы доложены и обсуждены на Первой российской научной конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы современных аграрных технологий» (Астрахань, 2006); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива - 2006» (Нальчик, 2006); IX Международной научной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» (Астрахань, 2006); Второй российской научной конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы современных аграрных технологий» (Астрахань, 2007).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ общим объемом 0,8 п.л. (авторский вклад - 0,515 п.л.) получено положительное решение о формальной экспертизе заявки на выдачу патента на изобретение (Заявка на изобретение № 2006119533.-Приоритет от 05.07.2006).
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит введение, 3 главы, выводы, 10 рисунков, 10 таблиц, библиографический указатель (145 источника, из них 32 - работы иностранных авторов).
Характеристика почвенных субстратов для растениеводства в условиях защищенного грунта
В настоящее время большое внимание уделяется выращиванию овощной продукции в защищенном грунте. Субстраты (грунты) закрытого грунта отличаются от почв естественного происхождения, различают собственно почвы, почвосмеси, заменители почв органического происхождения (торф, солома, опилки), искусственные субстраты, представляющие собой инертные материалы (Плешков и др., 1991).
Для получения качественной растениеводческой продукции важен правильный подбор субстрата. Круглогодично на площади тепличных комплексов выращивают несколько видов культур, поэтому важно, чтобы субстрат был универсальным.
Все субстраты защищенного грунта условно можно разделить на следующие группы, характеристика которых приведена ниже (Тараканов и др., 1982).
1. Собственно почвы - высокоплодородные и хорошо удобренные органическими и минеральными удобрениями.
2. Почвенные смеси (грунты). В качестве компонентов используют почвы, органические и минеральные удобрения, торф и другие материалы в различных соотношениях. Основным компонентом почвогрунтов является дерновая земля. Дерновая земля может быть подготовлена путём компостирования растительных остатков почти до полного разложения. Также можно заготовить дерновую землю и на целинных, специально отведенных участках, (пастбища, искусственные и естественные луга). Это - верхний слой толщиной 8-2 см. Дернину укладывают в штабеля шириной 1,2-1,5 м произвольной длины, соблюдая следующий порядок укладки: травяной покров каждого второго слоя должен ложиться на травяной покров первого слоя (Бояркина, 1986). К дерну добавляют навоз или навозную жижу, на поверхности штабеля делают углубление для улавливания осадков или удержания воды (Удобрение..., 1986). Применение дерновой земли возможно только через два сезона. В течение следующего летнего сезона штабель необходимо перелопачивать не менее двух раз, осенью земля пропускается через сита. Уже готовая к применению земля складируется в закрытое помещение.
Дерновая земля по своей структуре отличается хорошей пористой и упругой структурой, большим запасом питательных веществ, имеет нейтральную или слабокислую реакцию. Часто ее используют в качестве одного из компонентов почвосмесей для выращивания разных видов тепличных растений (Бояркина, 1986).
Перегнойная земля - это еще один важный компонент почвосмеси. Использование перегнойной земли насыщает почвосмеси питательными веществами, улучшает агрофизические свойства смеси (Удобрение..., 1986).
В весенних парниках навоз домашней скотины нередко используется в качестве биотоплива, к осени из навоза образуется перегной. Получившийся перегной вычищают и складируется в штабеля. Штабеля в течение летнего сезона несколько раз увлажняют и перелопачивают. Перегной хранят на открытых площадках в течение одного года. На следующий год получившуюся перегнойную землю пропускают через мелкоячеистые сита и хранят в закрытом помещении.
Перегнойная земля содержит в своем составе большое количество питательных веществ: азота - 0,8-1,2 %, фосфора - 1,0-1,7 %, калия -2,0 %, кальция -1,2-2,0 %, магния -3,0-5,0 %. Такое количество питательных веществ позволяет использовать перегнойную землю в качестве компонента почвосмеси для выращивания рассады (Бабин, 2002).
Торф. В условиях защищенного грунта при приготовлении почвосмеси часто используют разные виды торфа (состав торфа зависит от его происхождения). Чаще используют торф низинных болот. Хорошо разложившийся торф складывают в штабеля высотой 60-80 см, слои чрез каждые 20-25 см увлажняют навозной жижей и посыпают известью 10-15 кг на 1м .К концу первого сезона и в середине второго смесь перелопачивают. На третий год повышается биологическая активность торфа и снижается его кислотность. В такой форме торф готов к применению.
Торфяная земля в чистом виде содержит небольшое количество питательных веществ: азота - 1,0-0,9 %, фосфора - 1,3-2,8 %, калия -1,5 %. Благодаря хорошей влагоемкости, мягкости и рыхлости такая земля используется в качестве рыхлителя различных почвомесей для улучшения их физических свойств (Крицын, 1970).
Листовая земля. Для получения качественной листовой земли собранные осенью сухие листья или лесную подстилку складывают в штабеля шириной 1,2-1,5 м произвольной длины, при укладке слои увлажняют навозной жижей или раствором коровяка. На следующее лето полученную листовую массу увлажняют навозной жижей и перелопачивают не менее 2 раз. На второй год хорошо перепревшие листья образуют листовую землю (Алехно, 1986).
Листовая земля используются в качестве хорошего рыхлителя. По сравнению с дерновой землей она не богата питательными компонентами: азота -0,7-1,2 %, фосфора - 1,4-2,6 %, калия -1,3,0 %, кальция -2,3 %, магния -4,0%.
Методы определения качественных и количественных показателей полученного нетрадиционного органического удобрения и почвы
Аналитическая процедура для выполнения химических анализов нетрадиционных видов органических удобрений, компостов на их основе (вер-микомпостов) и почвы приведена ниже. 1. Массовую долю сухого вещества в пробах органического удобрения определяли по ГОСТ 26713-85. Метод основан на определении потери массы пробы органического удобрения при высушивании до постоянной массы при температуре 105-110 С. Для взвешивания с погрешностью не более 0,1 г ис пользовали весы лабораторные квадрантные ВЛКТ-500-М. После определения массовой доли влаги сухой остаток навески органического удобрения измельчали в фарфоровой ступке и просеивали через сито с размером отверстий 1 мм до полного прохождения. Подготовленные таким образом пробы помещали для хранения в стеклянные бюксы. Их использовали для последующего определения химического состава. 2. Массовую долю органического вещества в пересчете на углерод оп ределяли по ГОСТ 27980 термогравиметрическим методом. Для определения массовой доли органического вещества использовали результаты анализа проб органического удобрения на содержание золы. Массовую долю золы в органических удобрениях определяли по ГОСТ 26714-85 термогравиметрическим способом. Метод основан на определении потери массы пробы органического удобрения после прокаливания при температуре 800 С. Для определения массовой доли золы использовали сухой остаток навески после определения массовой доли влаги. Для взвешивания с погрешностью не более 0,001 г применяли весы SaroriusBP210D. Отношение углерода к азоту C:N определяли расчетным путем. Для расчетов использовали результаты определения массовой доли органического углерода в пересчете на углерод, массовой доли общего азота, массовой доли сухого вещества. 3. рН в органических удобрениях определяли по ГОСТ 27979-88. Ме тод основан на приготовлении суспензии пробы органического удобрения в 1М растворе хлористого калия с последующим потенциометрическим опре делением рН. рН определяли в пробе органического удобрения с исходной влажностью. Измерение рН проводили с помощью рН-метра MV 88, электрод измерительный ЭСЛ-43-07, электрод вспомогательный ЭВЛ-1М3.1. Буферные растворы для градуировки рН-метра, 1М раствор КС1 готовили из стандарт-титров. 4. Общий азот в органических удобрениях определяли по ГОСТ 26715- 85 фотометрическим методом -в модификации ЦИНАО. Метод основан на минерализации сухого органического удобрения при нагревании с концен трированной серной кислотой в присутствии перекиси водорода с после дующим измерением оптической плотности окрашенного индофенольного соединения, образующегося в щелочной среде при взаимодействии аммиака с гипохлоритом и салицилатом натрия. Раствор минерализата служит исход ным для определения общих форм азота, фосфора и калия.Для измерений оптической плотности окрашенных растворов использовали спектрофотометр SPEKOL 11. Измерения проводили при длине волны 655 нм в кювете с толщиной просвечиваемого слоя 10 мм. Градуировку прибора проводили с использованием государственного стандартного образца состава раствора ионов аммония ГСО 7747-99. 5. Общий фосфор в органических удобрениях определяли по ГОСТ 26717-85 фотометрическим методом в виде синего фосфорно-молибденового комплекса. Для анализа использовали раствор минерализата, полученный при разложении пробы для анализа на общий азот по ГОСТ 26715-85. Оптическую плотность окрашенных растворов измеряли с помощью спектрофотометра SPEKOL 11. Измерения проводили при длине волны 710 нм в кювете с толщиной просвечиваемого слоя 10 мм. Градуировку прибора проводили с использованием государственного стандартного образца состава раствора фосфат-ионов ГСО 7748-99.
Параметры рациональной технологии выращивания маточного стада дождевых червей
При выращивании маточного стада дождевых червей обычно используют компостированный в аэробных условиях навоз различных видов сельскохозяйственных животных в смеси с отходами, содержащими целлюлозу и другие органические вещества (рис.1; 2). При использовании тех или иных кормовых субстратов необходимо учитывать их химический состав, от которого зависят адаптационные способности червей и выход готовой продукции (биогумус и биомасса червей). Оптимальной для дождевых червей является нейтральная реакция кормового субстрата, при резком отклонении рН в кислую или щелочную сторону может наблюдаться угнетение и гибель червей. Общее содержание органических веществ и некоторых элементов (углерод, азот, фосфор, калий) определяют питательную ценность кормового субстрата. При выращивании маточного стада особое внимание следует обратить на обеспеченность азотом, входящего в состав белковых молекул. Переработанный червями кормовой субстрат формирует для них благоприятную среду обитания, так как он характеризуется нейтральной реакцией среды, а также повышенной способностью к удержанию влаги и газообмену за счет пористой структуры. При внесении маточной культуры червей в новый ящик для культивирования дно ящика покрывали увлажненным почвогрунтом, содержащий вермигумус, из расчета 43 кг/м2. Почвогрунт содержит смесь вермигумуса, садовой земли и речного песка в соотношении 4:5:1 и хранится в высушенном состоянии (влажность 6%). Результаты химического анализа почвогрунта приведены в таблице 1. Увлажненный почвогрунт готовят из высушенного за 2-3 часа до внесения в емкости для культивирования путем смешивания с водой в весовом соотношении 4,2:5,8. Наличие в почвогрунте вермигумуса обеспечивает его пористую структуру и благоприятный для адаптации вносимой маточной культуры червей химический состав. Нами проведен химический анализ компостированных в аэробных условиях кормовых субстратов разного состава: №1 - навоз крупного рогатого скота (КРС) + трава злаковых (9:1), №2 - конский навоз + навоз КРС (1:1), №3 - овечий навоз + навоз КРС (1:1), №4 - навоз КРС + томатный жмых (1:1), навоз КРС + трава лебеды (9:1). Отношение компонентов в кормовых субстратах рассчитывали на сухое вещество. Результаты анализа приведены в таблице 2. Установлена слабощелочная реакция у большинства кормовых субстратов, и несколько повышенная щелочность кормового субстрата №3 (овечий навоз + навоз КРС). Питательность всех вариантов кормовых субстратов по данным химического анализа можно оценить как хорошую. Об этом можно судить по высокому содержанию в кормах органических веществ, минеральных компонентов.
