Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ МЕЛИОРАЦИИ ОБЫКНОВЕННЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ 15
1.1. Продуктивность и фитомелиоратавная роль однолетних бобовых
культур в одновидовыхи смешанных посевах (обзор литературы) 15
1.1.1. Значение однолетних бобовых культур в решении белковой проблемы и увеличении плодородия почвы 15
1.1.2. Обоснование смешанных посевов 19
1.1.3. Взаимовлияние компонентов в смешанных посевах 22
1.1.4. Рост, развитие, продуктивность и фитомелиоративная роль растений в одновидовых и смешанных посевах 24
1.1.5. Урожайность зеленой массы гороха в чистом и смешанном посевах 32
1.2. Использование сточных вод животноводческих комплексов для повышения продуктивности кормовых культур и плодородия почвы 36
1.2.1. Обоснование использования сточных вод 36
1.2.2. Проблема использования осадков сточных вод в стране 45
1.3. Загрязнение сельхозугодий под влиянием нефтяной промышленности , 53
1.3.1. Состав нефти и сточных нефтепромысловых вод (НСВ) 54
1.3.2. Действие нефуги и НСВ на растительность и биоту почвы 59
1.3.3. Влияние нефти и НСВ на физические и агрохимические свойства почв 66
1.3.4. Процессы в загрязненной нефтью почве 74
1.3.5. Изменение нефти при загрязнений почвы 77
1.4. Приемы рекультивации нефтезагрязыенных почв 81
1.4.1. Современное состояние и задачи мелиорации в повышении плодородия загрязненных и деградированных почв 81
1.4.2. Замена загрязненного слоя чистой почвой 85
1.4.3. Разложение нефти бактериями 86
1.4.4. Обогащение почвы воздухом и водой 89
1.4.5. Обеспечение почвы биогенными элементами (NPK) 91
1.4.6. Внесение органических удобрений 93
1.4.7. Проведение химических мелиорации 94
1.4.8. Подбор и возделывание культур на загрязненных землях 96
1.4.9. Приемы восстановления почв, загрязненных НСВ 98
2. ОБОСНОВАНИЕ, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 104
2.1. Обоснование необходимости предотвращения деградации почвы и проведения рекультивации загрязненных земель Самарской области 104
2.2. Климат 112
2.3. Метеорологические условия периода исследований 114
2.4. Почвы 1 2.4.1. Почвы опытного участка 121
2.4.2. Обследование нефтезагрязненных земель в АО «Чапаевское» Нефтегорского района 122
2.4.3. Обследование нефтезагрязненных почв в колхозе им. Калинина Кинельского района 1 2.5. Схема опыта 130
2.6. Методика проведения исследований 132
3. ПРОДУКТИВНОСТЬ И ФИТОМЕЛИОРАТИВНАЯ РОЛЬ ОДНОЛЕТНИХ БОБОВЫХ И ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР 136
3.1. Сравнительная продуктивность и качество урожая гороха и других однолетних бобовых культур 136
3.1.1. Урожайность зеленой массы и сбор сухого вещества 136
3.1.2. Химический состав и кормовые достоинства зеленой массы 138
3.2. Использование гороха и горохо-овсяной смеси 142
3.2.1. Продолжительность периода посев-всходы и полнота всходов 142
3.2.2. Морфология развития корневой системы 143
3.2.3. Взаимовлияние культур в смешанном посеве 150
3.2.4. Линейный рост, прирост биомассы и фотосинтетическая деятельность растений 1
3.2.5. Продуктивность гороха в одновидовом и смешанном посевах при разных сроках посева и укоса 159
3.2.6. Структура урожая и участие в ней бобового компонента 161
3.2.7. Химический состав зеленой массы 163
3.2.8. Кормовая ценность урожая 166
3.3. Фитомелиоративное значение гороха и овса 169
3.3.1. Пожнивно-корневые остатки 169
3.2.2. Гумус 171
3.3.2. Плотность почвы 172
3.3.3. Пористость 174
3.3.4. Сумма обменных оснований 176
3.3.5. Структурность почвы 178
3.3.7. Содержание питательных веществ в почве 179
3.4. Использование тороха и горохо-суданковой смеси 180
3.4.1. Продолжительность периода посев-всходы и полнота всходов ,... 181
3.4.2. Ростовые процессы, прирост биомассы и продуктивность фотосинтеза 183
3.4.3. Урожайность 185
3.4.4. Характер послеукосного отрастания, структура урожая и участие бобового компонента в смешанном посеве 187
3.4.5. Химический состав и кормовые достоинства 189
3.4.6. Сравнительная продуктивность суданко-бобовых смесей 192
3.5. Фитомелиоративное значение гороха и суданской травы 194
3.5.1. Пожнивно-корневые остатки 194
3.5.2. Гумус 196
3.5.3. Плотность почвы 197
3.5.4. Пористость 199
3.5.5. Сумма обменных оснований 202
3.5.6. Структурность почвы 203
3.5.7. Содержание питательных элементов в почве 205
3.6. Использование гороха и горохо-просяной смеси 206
3.6.1. Продолжительность периода посев-всходы и полнота всходов 206
3.6.2. Развитие корневой системы в ранние фазы вегетации 207
3.6.3. Ростовые процессы, прирост биомассы и продуктивность фотосинтеза 211
3.6.4. Продуктивность смесей и характеристика кормовых достоинств 214
3.6.5. Сроки использования 218
3.7. Фитомелиоративное значение гороха и кормового проса 220
3.7.1. Пожнивно-корневые остатки 220
3.7.2. Гумус 221
3.7.3. Плотность почвы 222
3.7.4. Пористость , 224 3.7.5. Сумма обменных оснований 227
3.7.6. Водопрочность 228
3.7.7. Содержание .питательных веществ в почве 229
4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД ЖИВОТНОВОДСТВА В КАЧЕСТВЕ ФИТОМЕЛИОРАТНОВ 231
4.1. Характеристика сточных вод 231
4.2. Режим орошения кормовых культур при поливе сточными водами 235
4.3. Продуктивность кормовых культур при поливе сточными водами 242
4.4. Использование сточных вод для биомелиорации черноземов 247
4.4.1, Влияние режимов орошения сточными водами на водно солевой режим и плодородие почвы 248
5. ИЗМЕНЕНИЕ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ ЗА ГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТАМИ И ПЛАСТОВОЙ ЖИДКОСТЬЮ 260
5.1. Влияние нефтяного загрязнения на водно-физические свойства почвы .263
5.2. Изменение свойств почв в условиях загрязнения нефтепродуктами 2
5.2.1. Изменение физических свойств почв 272
5.2.2. Воздействие на почвенный поглощающий комплекс 273
5.2.3. Влияние загрязнения на кислотно-основные свойства почвы 275
5.2.4. Воздействие загрязнения на органическую часть почвы 276
5.2.5. Влияние нефтезагрезнения на обеспеченность почв доступными соединениями азота и фосфора 2
5.3. Влияние загрязнения почвы пластовой жидкостью на солевой и пищевой режимы почвы 288
5.4. Влияние рекультивации на активность биологических процессов в условиях загрязнения нефтепродуктами 305
5.4.1. Общая численность микроорганизмов 321
5.4.3. Численность микромицетов 323
5.4.3. Численность актиномицетов 325
5.4.4. Численность целлюлозолитических микроорганизмов 326
5.4.5. Численность углеводородокисляющих микроорганизмов 328
5.4.6. Численность нитрифицирующих микроорганизмов 330
5.4.7. Динамика интенсивности почвенного дыхания 332
5.5. Исследование технологических параметров рекультивации нефтезаг рязненных земель 335 5.5.1, Влияние дозы разрыхлителя на интенсивность почвенной биодеградации нефтепродуктов в замазученном грунте при контакте с активным илом (лабораторные исследования) 335
5.5.2, Снижение концентраций нефтепродуктов по глубине слоя загрязненной почвы в зависимости от метода обработки 339
5.5.3, Влияние исходной концентрации нефтепродуктов в замазу-ченных грунтах на интенсивность их биодеградации при контакте с активным илом 349
5.5.4, Выбор дозы активного ила при биодеградации нефтепродуктов в замазученных грунтах , 365
6. ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВЫ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ НЕФТЕПРОДУКТАМИ И ПЛАСТОВОЙ ЖИДКОСТЬЮ 373
6.1. Технология восстановления плодородия замазученных грунтов 373
6.2. Технология восстановления плодородия почвы, загрязненных высокоминерализованными пластовыми водами 379
6.3. Изменение показателей плодородия почвы при рекультивации земель, загрязненных нефтепродуктов и пластовыми водами 3
6.3.1. Химические показатели плодородия 382
6.3.2. Агрохимические свойства почвы 386
6.3.3. Агрофизические свойства почвы 393
6.3.4. Исследование рекультивированной почвы на содержание тяжелых металлов , 401
6.4. Урожайность и качество продукции на рекультивированных землях 402
6.4.1. Урожайность 402
6.4.2. Качество продукции 408
6.4.3. Содержание тяжелых металлов в растениеводческой продукции 410
6.5. Восстановление плодородия почв, выведенных из сельскохозяйственного оборота в результате разливов нефти при ее добыче и транспортировки в Самарской области 414
7. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 422
ВЫВОДЫ 436
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 440
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 4
Введение к работе
Актуальность темы. Почва как естественная саморегулирующая система биосферы не справляется с современной антропогенной нагрузкой. Снижение использования техногенных средств улучшения плодородия почвы и повышения урожайности культур в сельскохозяйственном производстве в связи с острым дефицитом энергетических и материальных ресурсов в стране привело к быстрому нарастанию процессов деградации и загрязнения сельскохозяйственных угодий, в том числе и пашни.
За последние годы выведены из сельскохозяйственного использования и переведено в разряд неиспользуемых земель 33,5 млн га. Площадь сельскохозяйственных угодий сократилась на 12 млн га, в т.ч. на 1,9 млн га пашни и на 10,3 млн га сенокосов (Государственный (национальный) доклад о состоянии и использовании земель России).
Фонд черноземных земель России составляет 7 % общей площади, но на них размещается более половины всей пашни и производится 80 % земледельческой продукции. По данным Агрохимслужбы, 86 % пашни нуждается в улучшении.
Основные деградации почвы можно объединить в три большие группы.
1. Деградация от неправильного сельскохозяйственного использования земли. Падение плодородия почв связано с длительным сельскохозяйственным использованием пашни, с нарушением закона возврата, т.е. с недостаточным внесением удобрений, мелиорантов, несоблюдением плодосмена в севооборотах, сокращением площади многолетних трав, нарушением экологического равновесия. Все это вызывает такие виды деградации, как потери гумуса, разрушение структуры и снижение ее водо-прочности, декальцификация, переуплотнение пахотного и подпахотного горизонтов. По данным Самарского ЫИИСХ, это снижает урожайность культур на 25-30 %.
2, Загрязнение почвы продуктами антропогенной деятельности, куда относятся сточные воды общегородских и поселковых сетей канализации, крупных животноводческих комплексов. С развитием промышленности, рос том городов и повышением их благоустройства объем сточных вод с каждым годом возрастает (Советско-французский симпозиум по утилизации осадков сточных вод в качестве удобрений, 1979).
В России только осадки сточных вод составляют 3,0-3,5 млн т (по сухому веществу). При сбрасывании их в реки происходит загрязнение водоемов и прилегающей к ним территории. Поэтому остро встает вопрос об их утилизации.
3. Загрязнения технического характера. Все шире распространяется загрязнение сельскохозяйственных угодий промышленными отходами, нефтепродуктами и сопутствующими им веществами. Загрязнение земель происходит при добыче нефти, ее транспортировании, во время повреждения нефтепроводов и т.д.
Устранение и предотвращение деградации почвы требует определенных затрат. В связи с этим возникла необходимость обоснования теоретических положений и новых практических подходов к разработке рациональных приемов восстановления и использования, повышения плодородия почвы, увеличения продуктивности земледелия в новых условиях.
Восстановление и повышение плодородия почвы связано с воспроизводством органического вещества. Основной путь решения этой проблемы заключается в разработке систем удобрения, биомелиорантов и использовании навоза, соломы, сидератов, растительных остатков, сточных вод, т.е. в биологизации земледелия (Жученко А.А., 1990).
Важное место в решении этой проблемы занимает расширение посевов многолетних трав, бобовых и зернобобовых культур, насыщение ими севооборота (Беляк В.Б., 1999). Одно из решений проблемы утилизации сточных вод - исполвзование их в сельском хозяйстве. Сточные воды имеют различные агрохимические свойства, обусловленнвіе их происхождением и технологией обработки. В зависимости от этого определяются и условия их утилизации, в частности, использование в качестве удобрений и мелиорантов.
Химических состав сточных вод представлен в основном органическим веществом, содержится также значительное количество азота, фосфора и калия.
По концентрации сточные воды и особенно их осадки не уступают традиционным органическим удобрениям, а иногда и превосходят их (Васильев В.А., Лукьяиенков И.И., Минеев В.Г., 1984; Алексеев Ю.В., Аллилуева Т.И., 1988; Мерзлая Г.Е., 1995).
Использование очищенных сточных вод, а также их осадков в качестве удобрений и биомелиорантов является решением проблемы их утилизации, а также устранения дефицита органических удобрений и мелиорантов (Мила-щенкоН.З., 1987; Попов П.Д., 1989).
Основными экологическими критериями использования сточных вод и их осадков являются биологическое обеззараживание и отсутствие сверхнормативного содержания в них тяжелых металлов (Покровская С.Ф., Касатиков В,А., 1984; Благовещенская З.К., Грачев Н.К., Могиндовид Л.С, Три-шина Т.А., 1989; Касатиков В.А., 1990; Кузин Е.П., Гришин Г.Е., Тян В.П., Денисов К.Е,, 2003).
Из промышленного загрязнения сельхозугодий наиболее распространено загрязнение от нефтедобычи и транспортирования нефти. На территории России действуют десятки крупных и сотни средних и мелких месторождений нефти, сотни тысяч километров магистральных промысловых и технологических трубопроводов, по которым транспортируется нефть. По данным Рос-комстата, с 1992 г. на них произошло более 2000 аварий с загрязнением окружающей среды (Амосова Я.М., Трофимов С.Я., Суханова Н.И., 1999). Нефть и нефтепродукты являются весьма серьезными источниками загрязнения почвы. В мире теряется около 45-50 млн т нефти и нефтепродуктов (Кузяхметов Г.Г., Минибаев Р.Г., Гимаев Р.Н., 1985). В России потери нефти составляют 3 млн т ежегодно, или 1,2 % от ее добычи.
Рекультивация нефтезагрязненных земель - важнейшая из экологических проблем науки и практики.
Из большого разнообразия мелиорации более эффективными в настоящее время считаются биологические. Они наиболее полно отвечают современным экологическим требованиям ведения сельскохозяйственного производства. Биологическая мелиорация в теории и практике мирового сельского хозяйства успешно используется для целенаправленного улучшения природной среды, предупреждения деградаций, восстановления и повышения биологического потенциала деградированных земель. Ранее широко применявшиеся химические, инженерные, гидротехнические меры борьбы с деградацией почвенного покрова в условиях финансово-экономической нестабильности становятся в широком масштабе недоступными из-за их дороговизны. В этом плане фитом ел ио рация является одним из наиболее доступных приемов повышения плодородия почвы.
В связи с этим разработка биомелиоративных приемов сохранения и воспроизводства плодородия черноземных почв региона, обеспечивающих рост продуктивности полевых севооборотов, является актуальным направлением исследований.
Дорогостоящие химические, инженерные и гидротехнические мелиорации применяются в настоящее время при рекультивации сильно загрязненных земель. Сюда можно отнести рекультивацию земель, загрязненных отходами нефтяной промышленности, рекультивацию курьеров, разработок ископаемых, строительных площадок и территорий прокладки дорог, трубопроводов и т.д.
Без увеличения производства растительного белка невозможно значительное повышение продуктивности животноводства и перевод его на промышленную основу. В настоящее время дефицит белка в кормах составляет 20-25 г, а в некоторых областях - 30 г и более на одну кормовую единицу (Вавилов П.П., 1978; Васильев Н.Ф., 1979; Мишустин Е., Черепков Н., 1981).
В засушливых условиях Поволжья наибольшее значение из бобовых культур имеет люцерна, а из зернобобовых - горох, вика, чина и т.д. Горох в Самарской области при возделывании на семена занимает 100-130 тыс. га. Семеноводство его отлажено. Поэтому в последние годы эта культура получает широкое распространение как в одновидовых, так и в смешанных посевах со злаковыми растениями и подсолнечником на зеленую массу различного направления использования. Необходимость расширения посевов гороха диктуется и недостаточными площадями возделывания люцерны, а также производством значительного количества силоса низкого качества из зеленой массы позднеспелых гибридов кукурузы.
В современных условиях возникла необходимость зонального изучения продуктивности и фитомелиоративной роли гороха в одновидовых и в смешанных посевах с овсом, суданской травой и новой культурой - кормовым просом. Суданская трава и кормовое просо как засухоустойчивые и высокопродуктивные культуры должны получить на Юго-Востоке широкое распространение, особенно в смешанных посевах. Хозяйственная ценность этих культур должна тесно переплетаться с их мелиоративным воздействием на почву, что в настоящее время практически не изучено.
Цель и задачи исследований. Цель работы заключалась в разработке теоретических основ и экспериментального доказательства необходимости использования для предотвращения деградации почвы в качестве мелиорантов однолетних бобовых культур и сточных вод, а также инженерных приемов для восстановления плодородия земель, загрязненных нефтепродуктами, с одновременным повышением продуктивности пашни и полевых культур.
В задачи исследований входило: m
- изучить возможность увеличения урожайности и повышения качества зеленой массы основных кормовых культур, дающих зеленые корма в первой половине лета - гороха и овса, во второй половины лета - суданской травы, кормового проса за счет возделывания их в смеси и в одновидовых посевах;
- изучить некоторые биологические особенности, продуктивность и качество зеленой массы кормовых культур в одновидовых и смешанных посевах;
1щ- - исследовать влияние этих культур на плодородие почвы;
- исследовать возможность использования сточных вод животноводческих комплексов в качестве удобрений и фитомелиорантов;
- осуществить подбор наиболее отзывчивых по продуктивности и фи-томелиоративным свойствам культур при поливе сточными водами;
- выявить влияние сточных вод на агрохимические и агрофизические свойства почвы и определить экологически безопасные нормы полива;
- исследовать процессы, происходящие в почве при загрязнении ее не фте продуктами;
- определить степень снижения плодородия обыкновенных черноземов под влиянием загрязнения нефтепродуктами;
- исследовать влияние исходной концентрации нефтепродуктов и дозы разрыхляющей добавки на интенсивность биодеградации углеводородов в замазучениом грунте при контакте с активным илом;
- выявить снижение концентрации нефтепродуктов по глубине слоя загрязненной почвы в зависимости от метода обработки;
- определить научно-обоснованный выбор дозы активного ила при биодеструкции нефтепродуктов в замазученных грунтах;
- разработать комплексную технологию рекультивации почв, загрязненных нефтепродуктами с использованием разрыхляющих добавок, механического рыхления и биообработки активным илом; - рассчитать экономический эффект био- и фитомелиораций при предотвращении деградации почв и агроинженерных мелиоративных приемов рекультивации нефтезагрязненных почв.
Достоверность полученных результатов определяется корректным выбором типичных участков для проведения опытов, длительным, многолетним периодом исследований, незначительным варьированием экспериментальных данных по годам проведения опыта, использованием апробированных методик закладки опытов и проведения анализов и наблюдений, широкой апробацией результатов исследований на научных конференциях международного, федерального, регионального и местного уровней, применением математических методов статистического анализа экспериментальных данных, большим числом проведенных замеров, наблюдений и анализов.
Научная новизна работы. В условиях черноземов обыкновенных степной зоны Среднего Поволжья дано теоретическое обоснование необходимости проведения биологических мелиорации для повышения плодородия почвы и агробиоинженерных мелиорации для рекультивации нефтезагрязненных земель. Показана возможность использования в качестве фитомелио-рантов смешанных посевов с обязательным бобовым компонентом, эффективность которых не уступала многолетним травам по кормовым и фитоме-лиоративным достоинствам.
Изучена технология использования орошения сточными водами животноводческого свинокомплекса. Проведен подбор высокопродуктивных культур, отзывчивых на повышенный режим питания и повышенную влаго-обеспеченность. Выяснено эффективное биомелиоративное воздействие поливов сточными водами на плодородие черноземов.
Исследована закономерность ухудшения плодородия черноземов при загрязнении их нефтепродуктами.
Дано теоретическое обоснование и разработана технология рекультивации нефтезагрязненных земель. Определены их эффективность и окупаемость. Практическая значимость исследований вытекает из конкретных рекомендаций по применению способов расширенного воспроизводства обыкновенных черноземов за счет введения в севооборот злаково-бобовых травосмесей из однолетних культур, которые позволяют решить одновременно проблему производства белка в хозяйствах региона.
Полив экологически безопасными нормами очищенных сточных вод животноводческих комплексов позволяет в 2-3 раза увеличить производство сочных кормов при возделывании новых высокопродуктивных культур и осуществить воспроизводство плодородия черноземов обыкновенных с помощью высокой удобрительной и биомелиоративной способности сточных вод.
Показана высокая эффективность разработанной агробиоинженерной технологии рекультивации нефтезагрязненных земель.
Основные положения, выносимые на защиту:
- теоретическое обоснование возможности и необходимости использования дешевых местных средств, биомелиорантов, особенно фитомелиоран-тов активного ила, для предотвращения деградации обыкновенных черноземов, а также агроинжеиерных мелиоративных приемов для рекультивации нефтезагрязненных земель;
- закономерности роста, развития и формирования урожайности зеленой массы двухкомпоыентных злаково-бобовых травосмесей;
- значение травосмесей гороха со злаковыми культурами - овсом, суданской травой и кормовым просом в повышении продуктивности и плодородия чернозема обыкновенного;
- экологическая безопасность и целесообразность полива кормовых культур сточными водами животноводческих комплексов для повышения их продуктивности;
- биомелиоративиая роль сточных вод на черноземах обыкновенных; •
- закономерности ухудшения плодородия земель среднего Поволжья при загрязнении нефтепродуктами;
- технология агроинженерной рекультивации нефтезагрязненных земель;
- эффективность и окупаемость биомелиоративных приемов воспроизводства плодородия черноземов обыкновенных и рекультивации нефтезагрязненных земель.
Апробация работы. Основные положения, диссертации докладывались и обсуждались на международных научных конференциях (ГТенза, 2003; Са ратов, 2004), региональных конференциях (Самара, 2002, Саратов, 2004), внутривузовских научно-практических конференциях (Самара 1980, 1981, 1982, 1983, 1984, 1989, 1990, 1996, 1997; Пенза, 2004, 2005). Разработки автора защищены четырьмя патентами и авторскими свидетельствами.
По материалам диссертации опубликовано 43 научные работы общим объемом 6,8 печ. л,, в том числе авторских - 5,5 печ. л.
Реализация результатов исследований. Полученные результаты исследований по рекультивации нефтезагрязненных земель прошли производ ственную проверку и внедрены в хозяйствах многих районов Самарской об ласти (Кинельском, Волжском, Кинель-Черкасском, Похвистневском, Сергиевском, Б.-Черниговском, Нефтегорском и др.) на площади 1800 га.
Все рекультивированные земли (100 % пашни) переданы землевладельцам по решению районных комиссий по приемке рекультивированных земель.
