Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема утилизации отходов и пути ее решения на современном этапе 8
1.1. Утилизация осадков городских сточных вод 8
1.2. Удобрительная ценность ОСВ 12
1.3. ОСВ как источник микроэлементов 20
1.4. Гигиенические аспекты применения ОСВ 23
2. Условия проведения опытов, объекты и методы исследований 29
2.1. Почвенно-климатические условия Самарской области 29
2.2. Объекты исследований 34
2.3. Методика проведения опытов 37
2.4. Формула расчета допустимого внесения осадка сточных вод в почву- 44
3. Технология переработки промышленных и коммунальных стоков на очистных сооружениях г. Самара 45
- технология переработки ОСВ 45
- физико-химическая характеристика поступающих стоков 46
- физико-химическая характеристика осветленной воды 49
- физико-химическая характеристика очищенной воды 52
- обеззараживание и выпуск очищенных стоков 52
- бактериологический контроль 52
- гельминтологический контроль 56
- иловые поля 58
4. Результаты исследований 60
4.1. Химический состав ОСВ гг. Самара и Тольятти 60
- химический состав ОСВ г. Самара 60
- химический состав ОСВ г. Тольятти 63
4.2. Влияние различных доз ОСВ г. Самара и их сочетаний с навозом на рост и урожайность сельскохозяйственных культур на разных типах почв в условиях вегетационного опыта 63
4.3. Влияние ОСВ г. Самара, навоза и их сочетаний на химический состав водных вытяжек из почвы 75
4.4. Влияние ОСВ г. Самара на урожайность сельскохозяйственных культур в условиях полевого опыта 80
4.5. Действие и последействие ОСВ на структуру урожая 92
4.6. Влияние ОСВ г. Самара на химический состав растений и качество продукции 100
4.7. Влияние ОСВ на агрохимические, биологические свойства почвы и состав почвенных растворов 112
4.8. Влияние ОСВ г. Тольятти на свойства почв, рост и урожайность сельскохозяйственных культур 127
- ОСВ и азотный режим почвы 127
- ОСВ и микрофлора почвы 133
- ОСВ: рост, развитие и урожайность ячменя 140
- ОСВ: рост, развитие и урожайность яровой пшеницы 144
- ОСВ: рост, развитие и урожайность кукурузы 148
- ОСВ: рост, развитие и урожайность сахарной свеклы 152
- ОСВ: рост, развитие и урожайность картофеля 153
4.9. Влияние ОСВ на химический состав и качество продукции растениеводства 155
4.10. Влияние ОСВ на содержание ионов тяжелых металлов в растениях 164
4.11. Влияние ОСВ на технологические качества зерна 172
4.12 Содержание 3,4-бенз(а)пирена в почве и растениях 172
4.13 Результаты экспресс-анализа растений на безвредность для живых организмов 178
4.14 Биоэнергетическая и агроэкономическая оценка применения ОСВ в качестве удобрений 179
Выводы 187
Предложение производству 189
Список основной использованной литературы 190
Приложения 209
- Удобрительная ценность ОСВ
- Методика проведения опытов
- Влияние ОСВ г. Самара на химический состав растений и качество продукции
- Влияние ОСВ на химический состав и качество продукции растениеводства
Введение к работе
Актуальность работы. Проблема оптимизации взаимодействия человека природы в настоящее время волнует все человечество, поскольку с ростом исленности населения планеты возрастают и масштабы производственной еятельности. Следовательно, увеличивается добыча полезных ископаемых, нергично вовлекаются в производственные процессы другие природные іесурсьі, причем рост и развитие практически любого производства нередко опровождаются загрязнением окружающей природной среды.
В связи с ростом населения городов, других населенных пунктов, троительством дорог, газонефтепроводов, линий электропередач, идроэлектростанций сокращаются площади пахотных земель. Заметно іадает содержание гумуса в почвах из-за некомпенсированного выноса лементов минерального питания растений с урожаями сельскохозяйственных ультур. Все это с особой актуальностью ставит вопрос о расширенном оспроизводстве плодородия почв за счет научно обоснованного возврата >рганического вещества, развития полезной микрофлоры, макро- и \икроэлементов.
Высокий уровень интенсификации земледелия и недостаточное інесение органического вещества в пахотном слое приводят к усилению линерализации гумуса - основного носителя плодородия. Снижение їлодородия почв характерно и для Среднего Поволжья, в частности, Самарской области. Размер потерь колеблется в зависимости от типа почв, эсобенностей возделываемых культур, системы севооборотов и обработки 10чв, эрозионных процессов и уровня сельскохозяйственного производства.
В целом по области разница в сторону уменьшения содержания гумуса лежду периодами обследования (20-30 лет) составила 0,7%, что :оответствует ежегодной потере его в пахотном слое в пределах 0,9 т/га.
орошаемых эемлрх минерализация органического вещества идет быорее. чрм на Со.арных. Дмя восполнения указанных потерь необходимо вносить в почву до 5 6 т/га органических удобрений.
В соответствии с проведенным расчетом хозяйствам Самарской области для осуществления научно разработанных систем удобрений в севооборотах потребуется около 15-16 млн.т органики. Ежегодно выход навоза.в области (с учетом планируемого поголовья скота) составит 7 млн.т. В свьзи с дефицитом традиционных органических удобрений (навоз КРС, бесподстилочный навоз, навозная жижа, птичий помет, компосты, солома, опилки, лесной опад, городской мусор, зеленая масса растений,, сапропель и др),' большой интерес в качестве удобрений представляет канализационный ил-осадок сточных вод (ОСВ). По ориентировочной оценке, общее количество осадков сточных вод но станциях нашей страны в 19У5 г. составило свыше 10 млн.т в год по сухому веществу, в т.ч. на очистных сооружениях Самарской области более 200 тыс.т. Это значительный резерв для производстза органических удобрений, интенсификации земледелия. По содержанию сухого вещества, основных элементов питания и удобрительной ценности 10 млн.т осадков сточных вод равноценны примерно 50 млн.т навоза.
Использование хотя бы части ОСВ на удобрения позволило бы сохранить значительное количество минеральных туков, уменьшить дефицит гум/са. Использование их поможет повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, решить экологические и санитарно-гигиенические проблемы. Однако для сельскохозяйственной практики - это новое и пока мало изученное удобрение, что создает подчас весьма осторожное отношение к ОСВ, а порой и недоверие к нему.
Основным фактором, сдерживающим применение ОСВ, является наличие в нем тяжелых металлов, влияние которых на почву, растения и
ічество продуктов мало изучено. Осадки сточных вод индивидуальны по
оему химическому составу. Поэтому для правильного их использования в
ічестве удобрений следует в каждом конкретном регионе организовать
:естороннее изучение их химического состава и выявление действия ОСВ
з плодородие почв, урожай и качество выращиваемых
ільскохозяйственньїх культур. Применительно к Среднему Поволжью эдобных материалов практически нет.
Разработка научных основ применения ОСВ как удобрений, возврат в эчву широкого набора элементов питания, в основном естественного эоисхождения, и в итоге оздоровление окружающей природной среды -эоблема, имеющая большое научное и народнохозяйственное значение.
Цель и задачи исследований. Исследования проводились с целью зіявления возможности использования осадков городских сточных вод в зчестве удобрения, разработки технологий их применения и получения сологически безвредной растениеводческой продукции в Среднем іоволжье. Программой исследования предусматривалось решение педующих основных задач :
- изучить химический состав осадков сточных вод гг. Самара и Тольятти,
ключая микроэлементы, в т.ч. и контролируемые тяжелые металлы ;
выявить действие ОСВ на плодородие почв (агрохимические, иологические свойства почв и состав почвенных растворов) ;
установить эффективность действия и последействия ОСВ и их очетаний с органическими и минеральными удобрениями на рост, урожай и ачество продукции сельскохозяйственных культур ;
выявить влияние ОСВ на содержание 3,4-бенэ(а)пирена в почве и іастениях ;
дать биологическую оценку растительной продукции на безвредность іля живых организмов ;
- разработать технологию применения ОСВ в растениеводстве. Научная новизна результатов. Обобщен мировой и отечественный опыт по вопросам использования осадков городских сточных вод в качестве удобрений и впервые применительно к Среднему Поволжью всесторонне изучен химический состав ОСВ гг. Самара и Тольятти, включая широкий набор макро- и микроэлементов.
Разработаны теоретические основы влияния ОСВ на агрохимические и биологические свойства почв, состав почвенных растворов, полученных с помощью лизиметра, сконструированного автором, а также влияние ОСВ на рост, урожай и качество различных сельскохозяйственных культур, выращенных в условиях вегетационных и полевых опытов на почвах разного механического состава. Выявлена их положительная роль в обогащении почвы органическим веществом, элементами питания растений, определены конкретные дозы их'применения в качестве удобрений в условиях Среднего Поволжья. Разработана технология (рекомендации) применения ОСВ в растениеводстве.
Практическая ценность работы. Результаты исследований позволяют рекомендовать для применения в качестве удобрений осадки ОСВ гг. Самара и Тольятти, предложить научно обоснованные дозы их применения без загрязнения окружающей среды, поэтапно обогащать почву органическим веществом, элементами питания растений и получать экологически безопасную растениеводческую продукцию в условиях Среднего Поволжья.
Материалы экспериментальных работ вошли в "Систему ведения сельского хозяйства Куйбышевской области на 1986-1990 гг." и в "Систему ведения агропромышленного производства Куйбышевской области на 1991-1995 годы" (Самара, 1989), научно-практическое руководство по "Комплексному агротехническому окультуриванию полей в Куйбышевской
5 зети" (Куйбышев, 1989), "Концепцию развития адаптивно-ландшафтной емы земледелия Самарской области" (Безенчук, 1995).
По теме диссертации получено авторское свидетельство № 1792592 иметрическая установка), опубликовано свыше 20 научных работ.
Производственные испытания, проведенные в совхозе "Молодая эдия" Волжского района Самарской области, подтвердили результаты тов.
Установлено, что рациональное использование осадков сточных вод в естве органо-минеральных удобрений в пригородных хозяйствах с нспортировкой до 30 ... 50 км экономически выгодно.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и :уждались на конференции Агропромышленного комитета Самарской іасти "Проблемы использования илов очистных сооружений в качестве ібрений" (Самара, 1988), на областной научно-производственной іференции "Экология-89" (Самара, 1989), научно-производственной іференции "Эколого-экономические проблемы развития территориальных К" (Калинин, 1989), научно-практической конференции "Химизация іьского хозяйства и окружающая среда" (Челябинск,! 989), научно-эктической конференции "Вопросы экологии в интенсивных земледелиях іволжья" (Саратов, 1990), научно-практической конференции, посвященной -летию научно-производственного обьединения "Нива Татарстана" ззань, 1990), на Всесоюзной научно-практической конференции очвозащитное земледелие контурно-мелиоративной организации рритории в степной зоне" (Луганск, 1990), научно-практической нференции "Экологические проблемы сельскохозяйственного производства пути их решения" (Санкт-Петербург, 1991), научно-практической нференции "Ресурсосбережение и экологическая безопасность при сборе, илизации. и захоронении промышленных отходов" (Самара, 1991), на
Всесоюзной научно-практической конференции "Природоохранные аспект землепользования и сельскохозяйственного производства в свободнь экономических зонах" (Санкт-Петербург, 1991), на международной научнс практической конференции "Стратегия экологической безопасности Россик (Санкт-Петербург, 1992), на заседании секции Российской академи сельскохозяйственных наук по проблеме "Способы борьбы с засолением заболачиванием орошаемых земель и утилизация коллекторно-дренажног стока в степной зоне" (Волгоград, 1992), научно-практической конференции посвященной 90-летию Самарского НИИСХ (п. Безенчук, 1993), научнс практической конференции "Проблемы регионального природоведения (Самара, 1993), научно-практической конференции, посвященной 60-летик Челябинского научно-исследовательского института сельского хозяйств (Челябинск, 1994), научно-практической конференции "Экологически проблемы в Агропромышленном комплексе Среднего Поволжья" (Пензе 1995).
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и предпожени производству. Работа изложена на 208 страницах машинописного тексте содержит 100 таблиц, 21 рисунок и приложения на 161 странице (12 таблиц). Список использованной литературы включает 185 наименований, том числе 31 иностранных авторов.
Доля личного участия автора в получении научных результата составляет около 90%. Под его руководством и непосредственном участи провели исследования и осуществили производственную проверку кандидата наук в Самарском НИИСХ им. академика Н.М. Тулайкова Самарской сельскохозяйственной академии.
Основные положения, выносимые на защиту :
осадки сточных вод как источник органического вещества,
предложения по использованию макро- и микроэлементов ;
научно обоснованный возврат элементов питания в почву ;
технология повышения плодородия почв, урожайности
сельскохозяйственных культур и их качественных характеристик с
использованием осадков городских сточных вод ;
контроль, концентрации тяжелых металлов и 3,4-бенз(а)пирена в
почвах и растениях, соответствие их содержания в кормах
зоогигиеническим нормам, предусмотренным в животноводстве ;
рекомендации по созданию санитарной чистоты и оздоровлению
окружающей природной среды.
Диссертационная работа выполнена в 1984-1992 гг. на основе
реализации научной темы : "Осадки городских сточных вод и их влияние на
плодородие почв, урожай и качество сельскохозяйственных культур в
Среднем Поволжье", входящей в комплексную программу
"Сбалансированное использование и сохранение природных ресурсов Куйбышевской области в условиях интенсивного развития производительных сил на XII пятилетку и до 2000 года" (Куйбышев, 1987), по материалам вегетационных и полевых опытов с осадками сточных вод г. Самара и в Самарской сельскохозяйственной академии по лабораторным, вегетационным и полевым опытам с осадками сточных вод г. Тольятти, проведенных под научным руководством автора и при его непосредственном участии ассистентом кафедры физиологии Самарской ГСХА И.В. Пужойкиным в 1980-1992 гг.
При написании работы учтены советы члена-корреспондента РАСХН, доктора сельскохозяйственных наук A.M. Медведева, заведующего лабораторией обработки почв и энергосберегающих технологий Самарского НИИСХ, заслуженного деятеля науки РФ, доктора сельскохозяйственных наук, профессора И.А. Чуданова, заведующего лабораторией севооборотов и почвенного плодородия Самарского НИИСХ,
доктора сельскохозяйственных наук, профессора В.А. Корчагина, заведующего кафедрой экологии и ботаники Самарского государственного университета, доктора биологических наук, профессора Н.М. Матвеева. Оказавшим помощь и поддержку в работе коллегам выражаю искреннюю благодарность.
Удобрительная ценность ОСВ
Значительная часть продуктов полеводства (прямо или косвенно) направляется в пищу человека, следовательно, выделения человеческого организма должны содержать большие количества азота и зольных составных частей, взятых растениями из почвы. Сравнительно с извержениями травоядных, отбросы человеческого организма должны быть процентно богаче (считая на сухое вещество) азотом и фосфорной кислотой, во-первых, потому, что пища человека богаче белками, чем корм травоядных. Если, например, в пище животных (сене) содержится 1,5% азота, считая на сухое вещество, то в пище человека его бывает от 2-3% (зерна хлебов) до 15% (мясо). Во-вторых, пища людей лучше переваривается, значит, большая часть ее окисляется, давая воду и углекислый газ, а потому оставшаяся доля еще больше обогащается газом, чем в организме травоядных.
В среднем, человек выделяет в сутки около 133 г твердых извержений и 1200 г жидких. В них содержится соответственно : азота 2 и 14 г, золы 4,5 и 14г, фосфорной кислоты 1,35 и 1,78 г, окиси калия 0,64 и 2,29 г.
Маки (Mechi J.J., 1859) говорил:" 200 тонн лондонских сточных вод эквивалентны 3,5 центнерам гуано".
На целесообразность использования в земледелии отбросов человеческого организма указывает Д.Н. Прянишников (1903). Он констатирует, что в городах отходы уходят в канализацию, Очень трудно определить, какую часть из них удается использовать. Ясно лишь одно, что при недостатке удобрений вообще нельзя игнорировать большие возможности, которые представляет этот источник азота, особенно при одновременном использовании торфа.
Первые опыты по изучению удобрительной ценности канализационного ила (ОСВ) были проведены П.С. Севастьяновым (1931-1937), который пришел к заключению, что осадки сточных вод могут приравниваться к навозу и минеральным удобрениям. Аналогичные выводы сделаны и другими авторами (Шванская Л.П., 1938, Беляк Б.И., 1955, Львович А.Н., 1965).
По данным Э.Рюмбензам и Э.Рау (1969), в ОСВ содержание общего азота и фосфора в 1,5-2 раза выше, чем в навозе КРС, а именно эти элементы определяют ценность любого вида удобрений.
Высокое содержание элементов питания в ОСВ подтверждает работа ОД. Архип (1979). Изученный им ил с городских очистных сооружений содержал в %на сырой вес : N общий - 0,8; Р2О5 0,9; К20- 0,4; нитратный азот - 6,4мг/100; аммиачный азот- 457 мг/100; подвижной фосфор - 542 мг/100 г массы.
В технологическом цикле очистки сточных вод получаются различные типы осадков, которые по своим удобрительным качествам могут резко отличаться друг от друга. Для обезвоживания ОСВ могут использовать известь, хлорное железо. В этом случае они обогащаются кальцием, железом, а иногда магйием ( Туровский И.С., 1982).
Колебания в содержании основных элементов питания в ОСВ (Горохова С.Г., 1981, Капелькина Л.П., 1984, Алексеев Ю.В. и др., 1986, Кардиналовская Р.И., 1986) составляет: по азоту 0,8...6%, фосфору 0,6...5,6%, калию 0,1...0,5%. Примерно такие же данные приводят ученые США и Канады: азот 1,1...7,6%, фосфор 1,3... 8,0, калий 0,1...0,3% (Schfafer К., Kick Н., 1970).
Несомненным достоинством ОСВ является высокое содержание органического вещества- до 75% (Schultz W., 1951, Johnson S., 1963, Туровский И.С., 1977). Высокая оценка органического вещества дана и в работе М.М. Кононовой (1969), в которой отмечено, что органического вещество в значительной мере определяет направления процесса почвообразования, биологические, химические и физические свойства почвенной среды.
На это обращают внимание и ряд других зарубежных исследователей. Они приходят к выводу, что при многолетней обработке почва начинает испытывать недостаток в органических веществах, так как культивация ускоряет ее разрушение, а "отдача" от запашки пожнивных остатков оказывается недостаточной для возмещения потерь. Органическое вещество образует из частиц почвы агрегаты, между которыми остаются большие поры, через которые воздух может проникать к корням, а излишки воды испаряться. При недостатке органических веществ почвенные агрегаты теряют свою прочность и распадаются. Почва становится более плотной, доступ воздуха прекращается и в результате рост корней происходит аномально. Песчаные и пылеватые почвы в наибольшей степени подвергнуты таким структурным изменениям. Внесение органических удобрений в такие почвы улучшает их качество, в результате чего полученный урожай будет выше, чем при внесении оптимального количества обычных удобрений, но без добавления органики (De Наап, 1980).
Твердые вещества осадков оказываются более эффективными в сравнении с эквивалентным количеством хлевного навоза (Epstein Е., Taylor J., 1976; Gypta S., Dowdy V., 1977; Kladivko E., Helson D., 1979).
При увеличении пористости почвы повышается скорость инфильтрации воды и уменьшаются потери воды, а также эрозия почвы в результате поверхностного стока. Там, где на поверхность почвы вносятся жидкие осадки, поры временно закрываются и на несколько дней инфильтрация воды замедляется. Как только слой осадков начинает высыхать, он трескается, и вода легко проникает между частицами. В течение некоторого времени эти частицы предохраняют почву под собой от структурного разрушения и закупорки пор после дождя. Таким образом, более длительное воздействие приводит к увеличению скорости инфильтрации воды. Твердые вещества осадков в результате измельчения проникают в ходы дождевых червей, что ускоряет абсорбацию почвой воды, поступающей в поверхности. Поверхностное применение компостированных осадков в расчете 56 т/га увеличивает скорость инфильтрации воды на 50% по сравнению с неудобренной почвой. Действие этих осадков сохраняется, по крайней мере, в течение двух лет (Kelling К., Peterson А., 1979).
Указанные опыты показали, что внесенные с осадком в почву тяжелые металлы не сильно влияют на развитие растений. Использование осадка требует осторожности. Его следует хорошо перемешивать и строго соблюдать сроки внесения. При небольшом содержании в осадке водорастворимого аммония часть его, связанная с органическим веществом, представляет собой источник, медленно поставляющий азот, который могут полнее использовать растения с длительным вегетационным периодом. Содержащийся в нем фосфор соответствует по действию на рост растений фосфору, извлекаемому из минеральных туков лимоннокислой вытяжкой. Недостаток калия в осадке требует его добавки в виде минерального удобрения.
Польские ученые (Kobus D., Zaban J., 1990) провели исследования с осадком сточных вод из г. Пулава на почвах различного гранулометрического состава. Отбирали образцы почв из подпахотного слоя, добавляли 5 и 10% осадка и инкубировали при 20 С в течение 24 недель. Осадок имел рН - 5,6, 16,2% органического вещества, 1,13% общего азота, 100,5 мг/100г N-NH4, 1105 мг/100г N-N03, 605 мг/кг Zn, 3 мг /кг Cd. Добавление осадка сопровождалось сильным увеличением численности бактерий, грибов, актиномицетов свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов (в том числе Chostridium). Не отмечено увеличения численности целлюлолитической микрофлоры. Выявлено активное разложение соединений С и N. За период инкубации количество органического углерода уменьшилось на 14-31%, N -на 0-20 %. Происходило уменьшение доли растворимых форм фосфора. Резко уменьшилось содержание подвижных форм Zn (вытяжка 0,005 М ДТП А). Сделан вывод, что ОСВ и г. Пулава может быть использован для рекультивации деградированных почв. Однако не рекомендовано применять осадок на почве с емкостью поглощения катионов 5 мэкв/100 г ввиду относительно высокого содержания в ней цинка.
Румынские ученые (Dumitru М., Carstea S., Nastea В., Rauta С, 1989) считают, что в целях уменьшения загрязнения почв при использовании в качестве удобрений осадка городских сточных вод, последний следует применять в строго контролируемых условиях, ибо почвы по- разному реагируют на его внесение. Критериями пригодности почв для внесения в них осадка городских сточных вод является топография и уклон местности, текстура, водонепроницаемость и дренаж почв, поверхностный сток и эрозионные процессы, затопляемость территории, величина влагоемкости почв, глубина залегания грунтовых вод, рН почвы, емкость катионного обмена почвы, содержание в ней тяжелых металлов и возможность защиты источников водоснабжения населения. Применение ОСВ рекомендовано на однородных выравненных участках при уклоне до 5%. Возможно применение его и при уклоне до!5%, но при условии предотвращения поверхностного стока. Исключается использование осадка на почвах и глинистых уплотненных почвах с очень низкой или чрезмерно большой водонепроницаемостью, а также на оголенных и плохо дренированных почвах, где возможно периодическое избыточное увлажнение верхнего 50-см слоя, поскольку рН почвы оказывает существенное влияние на степень подвижности в ней тяжелых металлов, увеличивая или уменьшая их абсорбацию растениями. На кислых почвах с рН менее 5,5 вообще не следует применять осадок сточных вод. Почвы с рН= 5,5-6,5 должны предварительно известковаться- до величины рН, превышающей 6,5.
Методика проведения опытов
Экспериментальные исследования по изучению химического состава ОСВ г.Самара, их воздействия на почву и растения проводились в лаборатории технологии зерна и массовых анализов Самарской НИИСХ им. Н.М. Тулайкова с 1986 по 1992 годы с использованием вегетационных и полевых опытов. Вегетационные сосуды емкостью 5 кг наполнялись почвами (обыкновенным черноземом и супесчаной), агрохимическая характеристика которых приведена в табл. 2.3.1. В каждый сосуд вносились соответствующие количества органических и минеральных удобрений согласно схеме опыта. Влажность почв на протяжении вегетационного периода поддерживали на уровне 60-70% от полевой влагоемкости. На сосуд высевали по 15 растений яровой пшеницы (сорт Жигулевская), горохоовсяную смесь в соотношении 3:1 (горох Срєднєволжский, овес Астор). Водные вытяжки получали путем полива 1,5 л дистиллированной воды на один сосуд в фазы полных всходов, колошения и полного созревания, по общепринятой методике определяли количественный состав анионов и катионов.
Вегетационные опыты на почвах разного механического состава были заложены в 3-4-х кратной повторности по следующей схеме:
1. Контроль (без удобрений)
2. 20 т/га ОСВ
3. 40 т/га ОСВ
4. 80 т/га ОСВ
5. 20 т/га ОСВ + 20 т/га навоза
6. 40 т/га ОСВ + 40 т/га навоза
7. NPK (экв. содержание в 80 т/га ОСВ)
Полевые опыты проводились на опытных полях орошаемого участка института.
Почва - обыкновенный среднесуглинистый чернозем. Пахотный слой почвы (0-40 см) характеризовался следующими агрохимическими показателями: содержание гумуса (по Тюрину) составляло в среднем 4-5%, общего азота -0,30%, легкогидролизуемого азота (по Тюрину и Кононовой) - 7,0 мг/100 г почвы, валого фосфора - 0,13%, подвижного фофсфора (по Чирикову) -13,66 мг/100 г почвы, рН солевой вытяжки - 6,1.
Схема полевого опыта :
1. Контроль (без удобрения}
2. 40 т/га ОСВ
3. 80 т/га ОСВ
4. 40 т/га навоза
5. 80 т/га навоза
6. 40 т/га ОСВ + 40 т/га навоза
7. 80 т/га ОСВ + NPK (под запрограмированный урожай)
8. NPK (экв. содержание в 80 т/га ОСВ)
Планируемый урожай зеленой массы кукурузы до 60,0 т/га, озимой пшеницы 4,5-5,0; яровой пшеницы 2,0-2,5, овса 3,0-3,5, зеленой массы люцерны 50,0-55,0 т/га.
Доза внесения ОСВ и навоза подобраны таким образом, чтобы, во-первых, не допустить загрязнения почвы тяжелыми металлами, а во-вторых, из расчета поддержания бездефицитного баланса гумуса. Возделывались сельскохозяйственные культуры со следующим чередованием их в звене севооборота : 1) кукуруза; 2) яровая пшеница; 3) овес с подсевом многолетних трав (люцерна); 4) люцерна 1-го года; 5) люцерна 2-го года. Отдельно возделывалась озимая пшеница после люцерны.
С целью изучения миграции элементов питания (катионов, анионов, и др.) в 4-х вариантах (контроль без удобрений; 80 т/га ОСВ; 80 т/га навоза и NPK экв. содержание в 80 т/га ОСВ) были установлены лизиметры нашей конструкции (авторское свидетельство № 1792592 от 07.02.93 Бюл. № 5).
В почвенных растворах, полученных с помощью лизиметров, определяли сухой остаток, сумму анионов и катионов с применением общепринятых методов, изложенных в руководстве, по выполнению почвенных анализов под редакцией Л.Н. Александровой, О.А. Найденовой (1986). Химические анализы почв проводили по методикам : содержание гумуса - по Тюрину, общего азота- Кьельдалю, фосфора - колориметрически, калия - на пламенном фотометре, легкогидролизуемого азота - по Тюрину и Кононовой, подвижного фосфора и обменного калия - по Чирикову, гидролитическую кислотность и рН солевой вытяжки, сумму поглощенных оснований, нитрификационную способность почвы, нитратов- методами ЦИНАО.
Биологическую активность почвы определяли методом льняных полотен « аппликаций ». Льняное полотно нашивали на полихлорвиниловую пластинку 7,5 х 25 см и помещали вертикально в почву в пробуренную на глубину 0-25 см в трех местах делянок в двух несметных повторениях скважину. Через 6-12 недель пластины выкапывали и высушивали до воздухо-сухого состояния и взвешивали. Время закладки пластин с полотном - начало всходов сельскохозяйственных культур. Проводили наблюдение за фенологическими фазами развития зерновых культур (начало и полные всходы, кущение, трубкование, колошение, восковая спелость зерна), кукурузы: начало и полные всходы, образование 5,7,9 листьев, выметывание метелки, цветение метелки, молочная и восковая спелость зерна. Фазы развития определяли путем глазомерной оценки. Начало фазы отмечали в день, когда она наступала не менее, чем у 10-15%, а полная-75% растений. Густота стояния растений: зерновых культур - при полных всходах и перед уборкой. Для определения густоты всходов и сохранности растений к уборке выделяли постоянные площадки размером 0,166 кв.м (два соседних рядка длиной 55,5 см) в двух несмежных повторениях, пропашных культур - густоту устанавливали путем сплошного подсчета на учетной площади делянки при полных всходах в двух несмежных повторениях по всем вариантам опытов.
Определяемая структура урожая зерновых - высота растении, продуктивная кустистость, длина колоса, число колосков и зерен в колосе, масса зерна с колоса-и 50 растений, масса соломы 50 растений. Анализы проводили в фазу восковой спелости зерна по среднему образцу, взятому в течение одного дня с двух рядков длиной 55,5 см в местах по диагонали делянки (сі кв. метра) в двух несметных повторениях. По кукурузе определяли высоту и массу растений, число и массу початков на одно растение перед уборкой ее на силос в двух несметных повторностях, для чего отбирали на двух средних рядках подряд 20 растений.
Химический состав золы растений определяли рентгенофлуоресцентным методом в лаборатории радиометрических исследований ВНИИЗМ (г.Тверь).
Технологические и физиологические качества зерна яровой и озимой пшеницы (натура, стекловидность, масса 1000 зерен, количество сырой клейковины, свойства теста по альвеографу, фаринографу, хлебопекарные качества) определяли согласно методике, рекомендованной Госкомиссией по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур.
Агротехника проведения полевого опыта: после уборки предшествующих культур проводили лущение стерни. Осадок сточных вод и навоз вносили навозоразбрасывателем, минеральные удобрения (аммиачная селитра, двойной суперфосфат, хлористый калий) - переоборудованной сеялкой СН-16, под вспашку почву. Пахали плугом ПН-4-35 с предплужниками. Весной проводили покровное боронование, предпосевную культивацию. Посев зерновых культур осуществляли сеялкой СУК-24 А, кукурузы - СУПН-8. Норма высева яровой пшеницы - 6 млн., озимой - 5млн. всхожих зерен на 1 га, кукурузы - из расчета 70 тыс. растений на 1 га.
На посевах зерновых культур применяли обработку гербицидами группы 2,4-Д и препаратами ТУР.
Под кукурузу после покровного боронования зяби проводили двухкратную культивацию почвы. Под предпосевную культивацию вносили почвенный гербицид эридикан. Уход за посевами состоял из двух междурядных оброботок культиваторами и химической прополки гербицидами группы 2,4 Д. После посева зерновых и кукурузы проводили прикатывание почвы кольчатыми катками.
Влияние ОСВ г. Самара на химический состав растений и качество продукции
Особое внимание уделили изучению химического состава и качества сельскохозяйственной продукции. В растениях кукурузы, яровой и озимой пшеницы, овса и люцерны определяли содержание 25 химических элементов. Химический состав культурных растений по годам исследований приведены в приложении- (табл; 81-97). Для многих макро- и микроэлементов пока не установлены ПДК как для почвы, так и растений, поэтому основное внимание было уделено анализу особо контролируемых металлов в растительной продукции таких, как свинец, мышьяк, кадмий, кобальт, медь, цинк, молибден, йод и селен, для которых разработаны ПДК (табл. 4.6.1- 4.6.4, рис. 17-21).
Свинец по общепринятому мнению относят к особо опасным загрязнителям. Однако, как отмечает Алексеев Ю.В. (1987), именно свинец представляет наименьшую опасность для растений. Свинец обладает способностью снижать подвижность в почве других металлов, например, молибдена, образуя с анионом молибденовой кислоты молибдат свинца РЬМо04. Такое же действие он может оказать и на анионы хромовой кислоты, образуя хромат свинца и уменьшая подвижность шестивалентного хрома.
Ионы свинца, поступающие в почву, очень быстро теряют подвижность в результате химических реакций, сопровождающихся образованием труднорастворимых фосфатов, сульфатов, карбонатов, хроматов, молибдатов, гидрооксидов, а также за счет поглощения органическими и минеральными коллоидами. Они прочнее, чем другие катионы, удерживаются гумусом почвы. При рН, близком к 6, свинец адсорбируется глинистыми частицами или переходит в карбонатную форму. Видимо, именно этими причинами объясняется факт снижения содержания свинца в определенных нами культурных растениях под влиянием ОСВ. Наглядно это видно и из данных, приведенных на рис. 17-21.
Обычное содержание свинца в сельскохозяйственных культурах, используемых в пищу, находится в пределах 1-5 мг/кг сухого вещества.
Невысокая фитотоксичность свинца, видимо, объясняется также наличием хорошо действующей в растении системы инактивации элемента, проникающего в корневую систему. Основная часть свинца задерживается в корнях растений. Опытным путем Н.Ю. Гармаш (1983) установил, что в солому пшеницы поступает менее 1%, а в ботву картофеля -1 - 2% свинца, содержащегося в корнях. При этом в зерне пшеницы и корнеплодах картофеля содержание свинца не зависило от дозы его внесения в почву, лишь при концентрации 200 мг/кг оно немного возрастало.
При попадании в почву небольших количеств мышьяка опасность для растений невелика благодаря способности большинства из них выводить данный элемент из тканей надземных органов. Источником опасности он становится лишь тогда, когда поступает в больших количествах в легкие почвы ( Алексеев Ю.В., 1987). Данное положение подтверждается и результатами наших опытов. Ни в одном из выращиваемых растений, несмотря на достаточно высокие дозы, вносимых в почву ОСВ, содержание мышьяка не превысило ПДК (1,0 мг/кг).
Физиологическая роль кадмия в растениях изучена пока недостаточно. Известно, что этот элемент очень фитотоксичен. Я.В. Пейве (1975) отмечает, что кадмий весьма подвижен в растениях и аккумулируется преимущество в надземных частях. Токсичность его по сравнению с токсичностью свинца наблюдается при меньших концентрациях в субстрате. Хотя обычные концентрации кадмия в растительном материале находятся в пределах 0,2 до 0,8 мг/кг, в отдельных случаях в разных видах растений содержание этого элемента может достигать 80 мг/кг и более, что связано со снижением урожайности на 25%. Такие овощи, как салат и шпинат, могут содержать 100мг/кг кадмия и при этом не давать видимых проявлений отравления. Загрязненные растения могут содержать даже до 400 мг/кг кадмия и более (Kloke A., Schenke Н., 1974). В противоположность другим минеральным элементам, за .исключением цинка, кадмий может накапливаться в относительно больших количествах в генеративных органах. В среднем его содержание в зерне увеличивается с 0,2 до 4 мг/кг (в соломе с 0,1 до 12 мг/кг).
Высокая фитотоксичность кадмия объясняется, как отмечает Ю.В. Алексеев (1987), его близостью по химическим свойствам к цинку. Поэтому кадмий может выступать в роли цинка во многих биохимических процессах, нарушая работу таких ферментов, как карбоангидраза, различные дегидрогеназы, фосфатазы, связанные с дыханием и другими физиологическими процессами, а также протеиноз и пептидаз, учавствующих в белковом обмене, ферментов нуклеинового обмена и др. Как химический аналог цинка кадмий может заменять его в энзиматической системе, необходимой для фосфорилирования глюкозы и сопровождающий процесс образования и потребления углеводов.
Замещение цинка кадмием в растительном организме приводит к цинковой недостаточности, что в свою очередь вызывает угнетение и даже гибель растения.
В свете рассмотренных положений ОСВ не оказывают ингибирующего влияния на рост и развитие растений. Растения не накапливают его выше предельно-допустимых концентраций.
Цинк обладает слабой фитотоксичностью, которая обнаруживается только при существенном увеличении его содержания в почве. Так, на почвах с малой емкостью катионного поглощения токсичный эффект цинка наблюдается при поступлении его в количествах 400-700 кг/га, а на почвах с большой емкостью поглощения - 2000 кг/га. Появление признаков токсичности цинка у растений наступает при содержании его в тканях 300-500 мг/кг сухого вещества. Обычное содержание цинка в частях растений, бедных хлорофиллом, 7-27 мг/кг сухого вещества, в материалах богатых хлорофиллом, оно составляет 40-95 мг/кг. Содержание цинка в злаковых зерновых культурах меньше, чем в бобовых (Дробков А.А., 1958, Пейве Я.В., 1975, Алексеев Ю.В., 1987 и др.).
Люцерна в наших опытах под влиянием ОСВ также накапливала в своем составе больше цинка по сравнению с кормовой культурой -кукурузой. Однако, концентрация эта была несущественной, в пределах ПДК - 100,0 мг/кг).
Невысокие дозы кобальта и молибдена малотоксичны для растений. С увеличением рН (переход почвы к слабокислому и нейтральному состоянию) поглощение молибдена почвой уменьшается, возрастают его подвижность и поступление в растения.
Кобальт и молибден, содержащиеся в ОСВ, не оказали отрицательного влияния на рост, развитие полевых культур. Концентрация этих элементов в растениях не превышала ПДК (2,0 мг/кг).
Медь переходит в растение из почвы очень слабо. Увеличение ее содержания в почве в 12 раз приводит к ее накоплению в зерне, клубнях, соломе и листьях максимум в 2 раза (Алексеев Ю.В., 1987).
Это положение подтверждается и результатами наших исследований. Все изучаемые растения не накапливали в себе в больших количествах медь.
Вопрос о значении йода в жизни растений освещен в литературе еще недостаточно. Так, А.А. Дробков (1958) отмечает, что добавление йода дает значительную прибавку вегетативной массы (53%) и корней (90%) только на фоне бора и марганца. С учетом небольших значений ПДК (5,0 мг/кг) высокие концентрации йода в почве могут оказать угнетающее влияние на рост и развитие растений. ОСВ, внесенный в почву в достаточно высоких дозах, не оказал ингибирующего влияния на выращиваемые растения и их концентрация в них находилась в пределах нормы.
Интересно поведение лантана в почве. Его усвоение растениями при внесении ОСВ в почву по сравнению с контролем было невысоким, а в сочетании с навозом и, особенно, с минеральными удобрениями лантан усваивался больше (см. рис. 17-19).
Содержание селена (рис. 21) в культурных растениях также не превысило ПДК (1,0 мг/кг).
Олово усваивалось растениями очень незначительно (см. рис.18). Определение качественных показателей зеленой массы люцерны показало, что под влиянием органических удобрений возрастает содержание клетчатки на 1,46 - 2,92%, нитратного азота - на 42,9 - 163,7 мг/кг (22,0-84,1%). Однако увеличение нитратов не переходит границы нормы (ПДК - 500 мг/кг). Наблюдается лишь тенденция снижения содержания крахмала на 0,04 -Ю,15%, каротина - на 0,6 - 5,2%, что связано с увеличением общей урожайности люцерны под влиянием удобрений.
Влияние ОСВ на химический состав и качество продукции растениеводства
Качество продукции растениеводства - понятие очень многостороннее и однозначно оценить его по какому-либо одному критерию крайне затруднительно. Обычно для оценки продукции того или иного вида сельскохозяйственной культуры учитывают содержание в ней основного вещества, ради которого его выращивают. Основой для такой оценки служит биохимический контроль (содержание белков, жиров, сухого вещества и др.). Однако, данные анализов по органическим соединениям не дают оснований делать окончательное заключение об их гигиеническом качестве, который стал меньше зависеть от свойств почвы, а в большей степени от хозяйственной деятельности человека.
Содержание азота. В 1986 г. по результатам вегетационного опыта с внесением 40,60 и 120 т на га ОСВ ВАЗ установлено, что указанные дозы заметно влияют на химический состав кукурузы (табл. 4.9.1).
Содержание азота в листьях кукурузы в первом определении возрастало по мере увеличения дозы ОСВ соответственно в 1,2-1,5 и 1,9 раза. Аналогичные данные получены и при анализе стеблей, где содержание азота при внесении 120 т ОСВ на га было выше контроля в 3,5 раза.
В фазу молочно-восковой спелости содержание азота в листьях увеличилось в 1,1-1,4 и в стеблях - в 1,2-1,9 раза. В зерне азота (в%) также возрастал по мере повышения дозы ОСВ. Валовое количество его, усвоенного одним растением (не считая стержней початков) за вегетационный период при дозе ОСВ 40 т/га возросло с 151,9 мг в контроле до 213 мг на сосуд. Внесение ила в дозах 60 и 120 т/га повысило данный показатель соответственно до 288,7 и 540 мг на сосуд. В переводе на белок (сырой протеин) содержание азота в листьях и стеблях увеличилось в 1,4 - 3,6 раза.
Указанные результаты подтвердились и при выращивании кукурузы в полевом опыте (табл. 4.9.2). Содержание общего азота повысилось в год внесения ОСВ: в листьях с 0,67 до 1,7%, в стеблях с 0,64 до 1,01%, в зерне с 0,01 до 1,38%.
Положительный эффект сохранился по данным показателям и в последующие два года после внесения ила. Действие ОСВ ВАЗ на содержание азота в растениях яровой пшеницы оказалось меньшим, чем по кукурузе. Так, в 1986 г. в вегетационных опытах (табл. 4.9.3) содержание общего азота возросло в зерне с 1,92 (контроль) до 2,06 {120 т ОСВ на га}, в соломе соответственно с 0,63 до 0,69%, что находится в пределах ошибки опыта.
В связи в увеличением общей массы растений на вариантах с внесением ОСВ, общее количество усвоенного растениями азота возросло с 146 до 296 мг, а количество сырого протеина - с 915 до 1847 мг на сосуд.
Сходные результаты получены и в полевых условиях (табл. 4.9.4). Содержание общего азота в зерне в первый год действия ОСВ повысилось с 1,06 до 1,18%, на второй и третий год действия соответственно с 1,00 до 1,14 и с 1,44 до 1,80%. С учетом повышения урожайности можно заключить, что удобрение почвы ОСВ значительно увеличивает сбор сырого протеина с гектара. В среднем за 3 года действия и последействия в контроле количество протеина составило 7,4, а на удобренном фоне - 8,5 ц/га.
Так, в вегетационном опыте с ОСВ ТОАЗ содержание общего азота в зерне при влажности 60% ПВП поднялось от 2,03 (контроль) до 2,37 (60 т/га) и 2,43% (120 т/га). Соответственно возрос и сбор сырого протеина (12,18 - 14,22 - 14,58 мг/сосуд}. Внесение ОСВ обогатило азотом и солому, что немаловажно при использовании ее на корм скоту. Следует отметить, что ячмень - культура, обладающая более высокой чем пшеница засухоустойчивостью - сохраняет способность накапливать азот в зерне и соломе по всем вариантам внесения ила, в том числе и при дефиците влажности почвы (40% от ПВП). Полевые испытания внесения 40 т/га ОСВ ВАЗ в течение 1988 - 1990 гг. также оказали положительное воздействие на качество ячменя (табл. 4.9.6).
Содержание общего азота в зерне в первый год действия ОСВ увеличилось с 1,42 до 1,58%. Однако на второй год содержание общего азота в зерне ячменя, удобренного илом, уменьшилось и составило 1,44 против 1,91% в контроле. Этот факт объясним тем, что в 1989 г. получена высокая урожайность на делянках с внесением ОСВ: 22,4 против 9,8 в контроле (табл. 4.8.16). На третий год действия ила содержание общего азота поднялось с 2,20 до 3,50%.
Содержание фосфора. Общеизвестно, что живому организму фосфора требуется примерно в 10 раз меньше, чем азота, однако, он является важнейшим биогенным элементом; он не только источник пищи для растений, но и носитель энергии, входящий в различные нуклеиновые кислоты, участвует в составе дегидрогеназ в дыхании и фосфолирировании. Он тесно связан с энергетическим обменом, уровень которого косвенно определяет и интенсивность всех биологических процессов. По содержанию фосфора в растении можно судить о его общей жизнедеятельности, активности важных процессов.
Примечательно то, что яровая пшеница в полевом опыте также положительно реагировала на внесение ила. В первый год действия при внесении ОСВ 40 т на га содержание фосфора в листьях повысилось с 0,45 до 0,53%. В этих же пределах наблюдалось увеличение количества фосфора в стеблях и зерне. На второй и третий год действия ОСВ общая тенденция повышенного содержания фосфора в листьях, стеблях и зерне яровой пшеницы сохранялась (табл. 4.9.9).
В первый год действия ОСВ в дозе 40 т/га повысило содержание общего фосфора в листьях с 0,45 до 0,53%, в стеблях и зерне -соответственно с 0,38 до 0,57% и с 0,72 до 0,76%. На второй и третий год содержание общего фосфора в растениях, выращенных на делянках, удобренных ОСВ, также оказалось повышенным.
Следовательно, полученные нами результаты выявили общую тенденцию увеличения содержания общего фосфора во всех частях растения. Однако резких различий по вариантам опыта не зафиксировано. Объясняется это тем, что синтез полифосфатов в столь сложной многокомпонентной системе, которые представляют собой ОСВ, проходит не так быстро, как бы нам хотелось. Полифосфатам присуща исключительно сильно выраженная способность к образованию стабильных комплексов со всеми металлами. В почвенной среде идет не залповое высвобождение данного элемента, а медленное, под воздействием микрофлоры.
