Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы 8
1.1. Состав и свойства осадков сточных вод 8
1.2. Улучшение свойств почв с помощью осадков сточных вод 11
1.3. Использование осадков сточных вод в сельском и лесном хозяйстве 16
1.4. Способы снижения вредного воздействия осадков сточных вод на почву и растения 31
2. Природные условия района исследований 37
3. Объекты и методика исследований 42
4. Экологическое обоснование применения осадков сточных вод на лесосеменных плантациях 48
5. Влияние осадков сточных вод на лесорастительные свойства почв 60
5.1. Физические свойства почв 60
5.2 Агрохимические свойства почв 65
6. Влияние осадков сточных вод на рост сосны обыкновенной 69
6.1. Прирост сосны по высоте и диаметру 69
6.2 Прирост осевых, боковых побегов и длина хвои 75
7. Генеративное развитие сосны обыкновенной при использовании осадков сточных вод 85
7.1. «Цветение» сосны обыкновенной 85
7.2. Биологические свойства пыльцы 90
7.3. Урожай шишек И Семян 93
7.4. Посевные качества семян 94
Выводы 103
Литература 106
Приложения 121
- Улучшение свойств почв с помощью осадков сточных вод
- Природные условия района исследований
- Объекты и методика исследований
- Экологическое обоснование применения осадков сточных вод на лесосеменных плантациях
Улучшение свойств почв с помощью осадков сточных вод
Использование осадков сточных вод в качестве удобрений имеет давнюю историю. Первые опыты по изучению удобрительной ценности канализационного ила в нашей стране были проведены П.С.Севостьяновым (1931...1937), который пришёл к заключению, что ОСВ могут быть приравнены к навозу и минеральным удобрениям. Аналогичные выводы были сделаны и другими авторами (Шванская, 1938; Беляк, 1955; Львович, 1965). При этом решаются одновременно две задачи - устранение большого количества этих отходов и обеспечение сельского и лесного хозяйства органическими удобрениями. Полученные результаты по использованию осадков в качестве удобрений свидетельствуют об их высокой агрономической эффективности.
Осадки сточных вод благоприятно влияют на физическое состояние почвы и её пригодность к обработке, благодаря высокому содержанию в них органического вещества (80...85 %): снижается плотность почвы, повышается количество водопрочных почвенных агрегатов, водоудерживающая способность и гидравлическая проводимость. В ходе исследований (Наап, 1982) были получены данные благоприятного воздействия ОСВ на почвенную структуру; флокку-лированные известью осадки вызывают более значительное улучшение структуры, чем нефлоккулированные, из-за большего поступления в почву ионов кальция (Pommel, 1979).
Повышенная агрономическая эффективность ОСВ обусловлена содержанием не только макро - и микроэлементов, но и наличием микроорганизмов, влияющих на биологическую активность почвы. Осадки сточных вод изменяют агрохимические свойства почвы: происходит снижение кислотности, увеличение суммы поглощённых оснований и степени насыщенности ими, а также значительное увеличение количества подвижного фосфора. Нейтрализующее действие осадков на почву отмечено рядом исследователей (Гольдфарб и др., 1983; Герасимчук и др., 1986).
Являясь источником энергетического материала для почвенной микрофлоры, ОСВ не приводит её к токсикозу, повышая интенсивность развития основных групп микроорганизмов. Применение ОСВ и других органических удобрений на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве благоприятно сказывается на накоплении гумуса, подвижного фосфора (Дмитриева, 1969; Соловьёв, Хомяков, 1989; Макаренко и др., 1991; Чеботарёв, 1991). Внесение в почву осадков изменяет и характер распределения фракций почвенного органического углерода. При длительном (несколько десятилетий) удобрении почвы осадком в окрестностях Мюнхена содержание гумуса возросло почти в 4 раза: с 3,5 до 12 %. Основной показатель качества органических удобрений - коэффи-цент гумификации, составляющий для ОСВ 0,25...0,35 (Sluijsmans, 1983).
Почвы, удобренные осадками, обогащаются органическим веществом и основными элементами минерального питания растений, а также многими микроэлементами. Повышается "дыхание" почвы - показатель микробиологической активности, а также протеолитическая и нитрификационная активность. В почве, удобренной свежими осадками сточных вод, повышалась влажность, снижался окислительно-восстановительный потенциал, становилась более интенсивной деятельность червей, усиливались процессы разложения органических веществ (Донкова, Петрова, 1997; Рекомендации по..., 1988; Касатиков, Бурлаков, 1989; Тришина, Ульянов, 1992).
В Финляндии в одном из полевых опытов вносили ОСВ в легкосуглинистую почву дозами 50 и 100 т/га вместе с полными минеральными удобрениями. Содержание органического вещества в почве увеличилось с 12,4 до 14,1 и 15,1 % соответственно. При дозах сухого вещества осадка от 4,6 до 140 т/га наблюдалось также повышение содержания углерода в почве с 800...900 до 1200... 1500 мг/кг, азота - с 214 до 7400 мг/кг, фосфора - с 68 до 2277 мг/кг, калия - с 17,6 до 439 мг/кг, и некоторых других элементов (Мёрзлая, Полунин и др., 1991).
Известно, что удобрительная ценность осадков из очистных сооружений определяется количеством доступного растениям азота. Увеличение концентрации общего азота в пахотном слое при внесении осадков отмечено рядом исследователей (Baxter е.а., 1983; Genevini е.а., 1986; Zaccheo, Carbarino,1986; Тришина, Ульянов, 1992). В питании растений значительную долю занимает минеральный азот почвы, большая часть которого создаётся за счёт разложения находящихся в почве органических азотсодержащих соединений. В первый год внесения осадка освобождается 15... 17 % минерального азота (Nerudova, 1984).
Природные условия района исследований
В 70...80-х годах было поставлено много полевых опытов, где изучалась эффективность применения ОСВ городов Москвы, Ленинграда, Киева, Харькова и др. в сельском хозяйстве.
Осадки, прошедшие аэробную или анаэробную обработку, могут быть использованы на рекультивируемых землях, в лесных культурах, на землях, вышедших из-под сельскохозяйственного использования, в т.ч. пахотных землях в период покоя растений, на лугопастбищных угодьях, в виноградниках, плодовых садах. Осадок, прошедший компостирование или высушивание, можно применять на всех угодьях. Удобрения из ОСВ при сельскохозяйственном использовании в большинстве случаев вносят поверхностно с последующей заделкой в пахотный слой на глубину до 30...40 см. Применяют при этом обычно машины и орудия, используемые для внесения навоза. В некоторых случаях жидкие осадки подают по трубопроводам. Разрабатываются также способы подпочвенного внесения в глубокие борозды (Покровская, 1978).
В зависимости от методов предварительной обработки ОСВ их используют в сельском хозяйстве в жидком (при влажности 92...98 %) или обезвоженном (55...88 %) виде. Жидкие осадки вносят в почву с помощью специальных автомобильных и тракторных цистерн или подают по трубопроводам в полевые хранилища с последующим использованием транспорта или оросительных систем (Русаков и др., 1995).
Органо-минеральные удобрения на основе ОСВ могут использоваться для поверхностного внесения под предпосевную культивацию. Оптимальная доза их - 120... 140 т/га. Заметно улучшаются рост и развитие растений; в результате этого улучшается фракционная структура их корневых систем; происходит обильное образование микоризы. Под влиянием удобрения в пахотном слое значительно повышается содержание подвижных форм азота, фосфора, уменьшается плотность почвы (Ведмедь и др., 1993).
В округах Бранденбурга (Германия) ОСВ местных очистных сооружений утилизируется на 100 % исключительно на сельскохозяйственных землях, как путём непосредственного внесения в чистом виде, так и после компостирования. Общее количество осадков в год составляет 800... 1800 т сухого вещества (Brodde, 1998).
В опытах с внесением ОСВ в дозах 10, 20, 40 т/га выделялись растения, удобренные дозой 40 т/га. Они имели хороший рост, развивали большую фотосинтетическую поверхность. Прирост сухого вещества у них был в 2...3 раза выше, чем в контроле. Урожай ячменя увеличился на 5,2 ц/га, картофеля - на 56...58 ц/га, свеклы-на 30,7... 109 ц/га (Жукова и др., 1988).
Установлено, что с повышением доз ОСВ с 30 до 120 т/га по сухому веществу продуктивность картофеля и ячменя увеличивается. Высокие дозы ОСВ (60 и 120 т/га) дали эффект, сравнимый с использованием торфо-навозного и торфо-помётного компоста (Иванов и др., 1996; Чеботарёв, 1997).
Использование непереработанного ОСВ на фоне обычного удобрения не оказывает негативного влияния на почвы и зерновые культуры в первый год его применения в дозе 20 т/га. Слабое отрицательное воздействие отмечено при дозе 54 т/га. В дозе 54 т/га осадок понизил на 50 % урожай кукурузы, что очевидно связано с иммобилизацией азота в начале роста растений; однако при этой дозе повысился на 20 % урожай картофеля (Liard е.а.,1995).
Одним из ограничений использования одноразовой дозы осадка служит допустимое содержание в нём минерального азота. Под большинство сельскохозяйственных культур оно не должно превышать 200 кг/га/год, при орошении -300 кг/га, с учётом азота из других источников поступления (Русаков и др., 1995).
При использовании ОСВ урожай картофеля повышался по сравнению с контролем на 50...80 ц/га и более (22...66 %), озимой пшеницы и озимой ржи -на 6...14 ц/га (14...46 %), кукурузы и подсолнечника на силос - на 73...113 ц/га (13...39 %) (Ишкаев и др., 1989; Мёрзлая, Полунин и др., 1991; Сергиенко и др., 1991). Наибольшие урожаи сельскохозяйственных культур (подсолнечника, кукурузы, гороха, овса, ячменя) получены от применения 20...40 т/га осадка, внесённого один раз в 2...3 года. Сочетание ОСВ с азотно-фосфорными удобрениями способствует большему повышению урожая сельскохозяйственных культур (Архип, 1979; Тян, 1992). Было установлено, что при внесении ОСВ в дозе 30 т/га в течение двух лет возрастало содержание азота в биомассе кукурузы на 50 %, в зерне ячменя на 8 %. Увеличение протеина наблюдалось в зерне кукурузы и ячменя на 14,4 % и 12,3 % (Рачковская и др., 1990). ОСВ вносили в дозах 125 и 250 т/га под кукурузу и гречиху. Рост и зелёная масса их увеличилась на 30...39 %, сухая масса кукурузы - на 49...82 %. Урожай зерна гречихи повысился на 9...21 % (Ишкаев и др., 1989; Шевяков, 1992).
В сельском хозяйстве наиболее целесообразным является внесение осадков сточных вод под зерновые и технические культуры, а также при улучшении мелиорированных земель и создании культурных пастбищ. Осадки сточных вод и компосты на их основе рекомендуют вносить осенью под зябь или весной под перепашку почвы в дозе не более 30 т/га, один раз в три года и лишь в хорошо произвесткованные почвы. На слабо- и среднеокультуренных дерново-подзолистых почвах рекомендуется применять осадок в дозах 10... 15 т/га (по сухому веществу). Более низкие дозы (5... 10 т/га) следует применять на сильно-окультуренных дерново-подзолистых лесных почвах, а также чернозёмах.
Объекты и методика исследований
На слабо- и среднеокультуренных дерново-подзолистых почвах рекомендуется применять осадок в дозах 10... 15 т/га (по сухому веществу). Более низкие дозы (5... 10 т/га) следует применять на сильно-окультуренных дерново-подзолистых лесных почвах, а также чернозёмах. Запрещается удобрять осадками овощные культуры, а также культуры, форми рующие урожай в листьях и стеблях, где возможно значительное накопление солей тяжёлых металлов. Органические удобрения на основе ОСВ под многолетние злаковые и бобово-злаковые травосмеси на сено и зелёный корм следует вносить под основную вспашку почвы перед её залужением травами. Одновременно вносят фосфорно-калийные удобрения (Apel, 1997; Чеботарёв, 1999). Наиболее пригодны осадки сточных вод для удобрения лугопастбищных угодий, так как травы способны использовать большое количество азота, поступающее с осадком. При удобрении почвы компостированным ОСВ в дозе 125 т/га урожай трав повышался на 36 % (Hall, Williams, 1984).
В штате Чикаго используют ОСВ для рекультивации земель (на площади 6,2 тыс.га), нарушенных угольными разработками. На полях, удобренных осадком, возделывают кукурузу, пшеницу, многолетние травы и всё это поступает на корм скоту. Иностранными специалистами накоплен опыт использования осадков в работах по вовлечению в хозяйственный оборот выработанных торфяников, для восстановления растительного покрова после окончательной грунтовой засыпки свалок, а также для борьбы с эрозией почвы (Дмитриева, 1969; Архип, 1979; Сюта, Васяк, 1983; Благовещенская и др., 1989).
В США ведутся работы по более широкому применению осадков сточных вод для производства из них витамина (B]2), белкового корма для птиц и животных. Изучался активный ил как протеиновая добавка в комбикорм для форели. Дегустация показала хорошее качество рыбы (Дмитриева, 1969).
Улучшая баланс биологически важных элементов минерального питания в почвах, применение осадков сточных вод приводит также к значительному увеличению содержания в них подвижных форм тяжёлых металлов, которые могут усваиваться и накапливаться в растениях. Так, при длительном применении ОСВ (в течение 8 лет) на полях, где выращивали картофель, овёс, бобовые культуры, озимую рожь, наблюдалось значительное накопление тяжёлых металлов в почве и растениях. Возрастание концентрации в почве Zn, Си, РЬ и Сг приводило к значительному снижению урожая пшеницы и даже полному его отсутствию (Гармаш, 1989; Макаренко и др., 1991; Сдобникова, Адрианов, 1992;Решецкий, 1993).
Поступление тяжёлых металлов в растения снижается при высоком содержании в почве гуминовых кислот, а также преобладании в них оксидов железа и глинистых минералов. Иногда при внесении в почву сильно загрязнённых тяжёлыми металлами осадков в высоких дозах (до 400...700 т/га) не наблюдается превышения их предельно допустимых концентраций (ПДК) в растениях, что обусловлено не только буферной способностью почв, но и высокими защитными свойствами выращиваемых культур. В северо-восточных районах США сельскохозяйственные культуры, непосредственно употребляемые в пищу, рекомендуется выращивать через три года после последнего внесения ОСВ (Тришина, Ульянов, 1992).
До недавнего времени в странах ЕЭС на удобрения перерабатывалось до 30...40 % общего количества осадков сточных вод. Но уже в последние годы в Скандинавских странах было запрещено применение их под луговые травосмеси и продовольственные культуры. В Западной Германии запрещено дальнейшее применение осадков в качестве удобрения, так как это связано с загрязнением почв тяжёлыми металлами (Жукова, Иноземцева, 1995).
Лесные почвы, как правило, характеризуются низким естественным плодородием. Опыт применения осадков сточных вод в качестве удобрений в лесном хозяйстве свидетельствует о высокой их эффективности в целях окультуривания и повышения плодородия почв на разных лесохозяйственных объектах. За исключением грибов и ягод, леса не являются поставщиками продуктов питания, что значительно ослабляет проблему загрязнения их содержащимися в ОСВ токсикантами. Чаще всего леса удалены от населённых пунктов, что сводит до минимума возможность вредного влияния на человека последствий применения осадков.
Экологическое обоснование применения осадков сточных вод на лесосеменных плантациях
В процессе механической, биологической и физико-химической очистки сточных вод на станциях аэрации образуется большое количество осадков, представляющих собой ил и состоящих в основном из органических веществ. По внешнему виду ОСВ - тёмносерое, вязкое, бесструктурное вещество, напоминающее сапропель и имеющее болотный запах; влажность его после выдержки в отвалах - 70...80 %.
Специфичность осадков определяется составом сточных вод, сбрасываемых в общегородскую канализационную сеть. Наибольшей удобрительной ценностью обладают осадки, полученные при очистке хозяйственно-бытовых стоков. Химический состав осадков сточных вод весьма разнообразен. Основными их компонентами (до 80...85 %) являются органические вещества - углеводы, жироподобные и белковые вещества сложного состава. Осадки содержат углерод, главным образом в органической форме (20...30 % сухого вещества). В сброженном ОСВ выявлены полисахариды, жиры, воск, протеиновые смеси. На долю минерального углерода приходится от 1 до 4 %, наиболее вероятно в форме карбонатов кальция, магния и других металлов (Urbini,1982; Мёрзлая, Полунин и др., 1991). Многочисленные исследования показывают, что ОСВ содержат значительное количество основных элементов минерального питания растений.
Содержание общего азота в различных видах осадков колеблется от 0,6 до 7 % сухого вещества, наибольшее количество (1,4...7 %) отмечено в активном иле. В сыром осадке азота содержится 1,5...4,2 %, в сброженном -0,9...5,2 %. Азот в осадках находится в основном в виде органических соединений. По некоторым данным в активном иле и сброженном осадке на органический азот приходится 85...90 % общего азота; 95...99 % минерального азота находится в аммонийной форме (Мёрзлая, Полунин и др., 1991).
Содержание валового фосфора в ОСВ в зависимости от вида и места происхождения колеблется от 0,3 до 8 % сухого вещества, что намного выше его содержания в навозе. Фосфор в них в основном (на 50...80 %) входит в состав веществ, труднодоступных для растений (Артюшин, Державин, 1971; Гольдфарб и др., 19ВЗ)шя в осадках содержится в несколько раз меньше, чем в традиционных органических удобрениях, и составляет 0,2...3 % сухого вещества.
Содержание кальция в ОСВ довольно высокое - 2,4...3 % сухого вещества. Максимально высокое значение этого элемента (до 25 %) и более наблюдается в осадках, обработанных известью.
Осадки сточных вод обычно характеризуются слабокислой или близкой к нейтральной реакцией среды (рНксі 6,0...6,1) и высокой степенью насыщенности основаниями.
В первый год после внесения в почву анаэробно сброженного осадка минерализуется около 40 % содержащегося в нём органического вещества, на второй - 20 %, на третий - 5 %. В год внесения осадка в почву для растений доступно 10 %, а в последующие годы - 3 % имеющегося в нём азота. Наибольшее увеличение содержания подвижного фосфора происходит на 2...3 год в процессе минерализации органического вещества. Считается, что по содержанию питательных веществ 1 тонна сухого вещества осадка сточных вод ЗШиваленитрюфоски (Покровская, Касатиков, 1987; Касатикова и др., 1991; Мёрзлая, Полунин и др., 1991; Горшкова, Садовникова и др.,1998).
В осадках сточных вод имеются все основные формы бактерий: палочковидные, шарообразные, дрожжи, плесневые грибки. Сырой осадок может быть заражён возбудителями болезней животных и человека: вирусами (вирус гепатита, энтеровирусы), бактериями (сальмонеллы, шигеллы, кишечные палочки, микробактерии, простейшие трематоды, нематоды, цестоды), яйцами гельминтов (аскариды, власоглавы и др.). Наибольшую угрозу для здоровья человека представляют сальмонеллы, вирусы и яйца гельминтов. Вирусы, адсорбированные твёрдыми частицами, способны сохраняться в окружающей среде до двух лет, яйца гельминтов - до пяти и более лет. Частичный обеззараживающий эффект даёт мезофильное (при температуре 33...35С) или термофильное (при 53...55С) анаэробное сбраживание осадков в метантенках. При термофильном сбраживании происходит выделение большого количества газа - метана, весьма ценного для использования в хозяйственных целях. В сброженном осадке сохраняются яйца гельминтов, которые погибают через несколько лет после хранения ОСВ на открытых иловых площадках (Burge, Marsh, 1978; Евилевич, Еви-левич,1988; Жукова, Иноземцева, 1995).
Осадки сточных вод, как правило, загрязнены тяжёлыми металлами (ТМ), поверхностно активными веществами, красителями и другими токсичными для растений и человека веществами. Особенно сильное загрязнение наблюдается в городах и промышленных центрах, где в хозяйственно-бытовые сточные воды сбрасываются промышленные стоки. Характер и интенсивность деятельности отдельных производственных структур оказывают существенное влияние на количественный и качественный состав элементов в промышленных стоках. Так, повышенное содержание бора находится в сточных водах фабрик, производящих стекло, фарфор и искусственное волокно. Кадмий поступает от предприятий, производящих аккумуляторы и радиаторы. Хром и медь проникают в сточные воды при изготовлении специальных сплавов и электрических проводов. Ртуть находят в стоках заводов, производящих хлор и соду. Свинец поступает в стоки от лакокрасочных изделий. Изготовление специальной стали и красок приводит к повышению содержания никеля в сточных водах (Juste, 1976).
Слабо загрязнённые осадки сточных вод в лесной, целлюлозно-бумажной, пищевой (сахарной, кондитерской), химической, топливной промышленности в большинстве случаев пригодны для использования в качестве удобрения, а сточные воды и ОСВ в нефтеперерабатывающей, цветной и чёрной металлургии наиболее сильно загрязнены токсикантами и в качестве удобрений не используются (Спец. каталог, 1988).
Содержащиеся в осадках тяжёлые металлы в течение последних десятилетий рассматриваются в литературе как опасные загрязнители окружающей среды. Соли тяжёлых металлов обладают высокой токсичностью и способностью накапливаться в выращиваемых культурах и пищевых цепях.
