Содержание к диссертации
Введение 6
1. Опыт использования осадков сточных вод в земледелии (литератур
ный обзор) , 13
Влияние осадков сточных вод на почву 15
Влияние осадков сточных вод на урожайность сельскохозяйственных культур 21
Опасность загрязнения почвы и растениеводческой продукции
при внесении осадков сточных вод 29
Дозы, способы и сроки внесения осадков сточных вод в качестве мелиорантов и удобрений 37
Исследование осадков сточных вод за рубежом 40
2. Место, условия и методика проведения исследований , 58
2.1. Почвенно-климатическая характеристика района проведения ис
следований с удобрительными дозами ОСВ 58
Климат 58
Почвы 59
2 Л .3. Погодные условия в годы проведения опытов 62
2.2. Почвенно-климатическая характеристика района проведения
опыта с мелиоративными дозами ОСВ 64
Климат 65
Почвообразующие породы 67
Рельеф 68
Растительность 69
Почвы 71
Погодные условия в годы проведения опыта 72
2.3. Схема постановки и методика проведения полевых опытов 74
2.3 Л. Схема опытов с удобрительными дозами ОСВ 74
Схема опытов с мелиоративными дозами ОСВ 76
Методы исследований 77
3. Химический состав осадков сточных вод и их агрохимическая оценка 81
Запасы ОСВ в Саратовской области 81
Химический состав ОСВ г. Саратова 84
Химический состав ОСВ г. Пензы 87
4. Изучение эффекта замены навоза осадками сточных вод при выра
щивании культур "в кормовом севообороте (производственный опыт) ... 90
Влияние ОСВ на рост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур 90
Влияние ОСВ на качество урожая сельскохозяйственных культур 94
Зоотехнический анализ кормов 94
Содержание микропитательных элементов и тяжелых металлов в растениях 98
4.3. Влияние ОСВ на агрохимические свойства почвы при внесении
их в удобрительных дозах 100
Солевой режим почвы 100
Пищевой режим почвы 101
Динамика состава поглощенных оснований почвы 106
Динамика валовых и подвижных форм микропитательных элементов в почве 106
5. Изучение удобрительных доз внесения ОСВ под основные культуры
кормового севооборота в лабораторно-полевом опыте 112
Влияние различных доз ОСВ на рост, развитие и урожай сельскохозяйственных культур 112
Влияние различных удобрительных доз ОСВ на качество урожая сельскохозяйственных культур 120
5.2.1. Зоотехнический анализ кормов 120
4
5.2.2. Содержание микропитательных элементов и тяжелых ме
таллов в кормах 125
Влияние ОСВ на агрохимический состав почвы 127
Динамика ми кро питательных элементов и тяжелых металлов в почве 131
Влияние скармливания кормов после ОСВ на организм животных 134
6. Изучение мелиоративных доз ОСВ в севообороте 141
Изменение содержания гумуса 141
Влияние биологической мелиорации на агрофизические свойства чернозема 150
Структура почвы 150
Плотность почвы 167
Общая пористость и пористость аэрации 175
Наименьшая влагоемкость '. 181
Водопроницаемость 188
7. Режим влажности и запаса влаги в почве 192
Динамика влажности почвы 192
Запасы общей влаги в почве 201
Запасы продуктивной влаги 207
Коэффициент водопотребления 216
8. Агрохимические свойства чернозема ....* 219
Емкость поглощения и сумма обменных оснований 219
Кислотность почвы 224
Пищевой режим почвы 228
Азот 228
Фосфор 232
Калий 235
9. Урожайность сельскохозяйственных культур в севообороте 241
Урожайность 241
Содержание тяжелых металлов в растениеводческой продукции.. 247 10. Экономическая эффективность использования осадков сточных вод под сельскохозяйственные культуры 262
Эффективность ОСВ как удобрений 262
Эффективность ОСВ как биомелиорантов , 265
Эколого-экономическая эффективность „ 265
Энергетическая эффективность 272
Выводы 275
Список литературы 279
Приложения 316
Введение к работе
Почва, как естественная саморегулирующаяся система биосферы, не справляется с современной антропогенной и технологической нагрузкой. В результате почти полного прекращения работ по сохранению и повышению плодородия земель во всех регионах России идет быстрое нарастание процессов деградации почв, резкое снижение их плодородия. По этой и другим причинам за последние годы уже выведены из сельскохозяйственного оборота десятки миллионов гектаров земли. Особенно интенсивно теряют плодородие черноземы.
Практическое земледелие нуждается в разработке рекомендаций по регулированию плодородия почв на основе применения рациональных систем удобрения и средств мелиорации, с учетом направленности и темпов изменения агрофизических и агрохимических свойств черноземов, происходящих под антропогенным воздействием в конкретных почвенно-климатических условиях.
В связи с этим возникла необходимость обоснования теоретических положений и новых подходов к рациональной разработке приемов повышения плодородия почв и увеличения продуктивности сельскохозяйственных культур в новых условиях многоукладного землепользования, с учетом дефицита энергетических, материальных ресурсов и технологических средств повышения урожайности и плодородия почвы в стране.
Стабилизация и повышение плодородия почвы, связанное с воспроизводством органического вещества, является одной из актуальных проблем земледелия. Основной путь ее решения заключается в разработке систем удобрения с использованием навоза, соломы, сидератов, растительных остатков, отходов промышленности, осадков сточных вод и т.д., т.е. в биологиза-ции земледелия (А.А. Жученко, 1988, 1990).
7 Одним из основных побочных продуктов антропогенной деятельности являются сточные воды общегородских и поселковых сетей канализации, крупных животноводческих комплексов. С развитием промышленности, ростом городов и повышением степени их благоустройства объем сточных вод и твердых осадков, получаемых при их очистке, с каждым годом возрастает (Советско-французский симпозиум по утилизации осадков сточных вод в качестве удобрений, 1979).
В странах Европейского экономического сообщества используется в среднем 30 % накапливающихся осадков сточных вод. Но в различных странах эти показатели сильно различаются (P.J. Matthews, М. Santori, L. Spinosa, 1982).
Один из способов утилизации осадков сточных вод (ОСВ) — использование их на удобрение полевых культур и в качестве биомелиорантов. Их можно применять непосредственно после первичной обработки: уплотнения, обезвоживания, стабилизации, сбраживания, санобработки. Используются также термически высушенные осадки, представляющие собой санитарно обеззараженный сухой сыпучий продукт, удобный для хранения, транспортировки и внесения в почву (J.H. Alter, 1976; Е. Nitsch, 1986).
В Российской Федерации из общего количества осадков используется на удобрение очень малая их часть, примерно 1,5 %, хотя многие ученые рекомендуют более широкое их применение (В.А. Касатиков, А.А. Мусикаев, Гольдфарб, В.М. Перелыгин, 1982; Л.Н. Михайлов, 1992; 1995).
В России осадки сточных вод составляют 3-3,5 млн т (по сухому веществу). Они имеют различные агрохимические свойства, обусловленные технологией их обработки, соотношением объемов бытовых и промышленных стоков в общегородских и поселковых сетях канализации. В зависимости от технологических свойств осадков определяются и условия их утилизации, в частности, в качестве удобрения и мелиорантов. При этом основными экологическими критериями являются биологическая обеззараженность осадков
8 сточных вод и отсутствие сверхнормативного содержания в них тяжелых металлов (С.Ф. Покровская, В.А. Касатиков, 1984; З.К. Благовещенская, Н.К. Грачева, Л.С. Могиндовид, Т.А. Тришина, 1989; В.А. Касатиков, 1990; Г.Е. Мерзлая и др., 1995).
Химический состав осадков городских сточных вод представлен в основном органическим веществом и содержит значительные количества азота, фосфора и калия. По концентрации этих элементов осадки сточных вод не уступают традиционным органическим удобрениям и мелиорантам, а иногда превосходят их (В.А. Васильев, И.И. Лукьяненков, В.Г. Минеев, 1984; Ю.В. Алексеев, Т.И. Аллилуева, 1988; Требования к качеству сточных вод и их осадков, используемых для орошения и удобрения. М., 1995). Использование осадков сточных вод в чистом виде или в виде компостов на их основе является решением проблемы их утилизации, а также устранения дефицита органических удобрений и мелиорантов с целью предотвращения деградации почв (В.А, Васильев, И.И. Лукьяненков, В.Г. Минеев, 1984; Н.З. Милащенко, 1987; П.Д. Попов, 1989).
Осадки городских сточных вод используются в сельском хозяйстве в качестве биомелиорантов, также органно-минеральных азотно-фосфорных удобрений, содержащих необходимые для развития растений макро- и микроэлементы.
Целесообразность утилизации осадков в качестве удобрения определяется комплексным содержанием в них биогенных элементов. Однако, оценивал осадки сточных вод как биомелиоранты и удобрение, следует учитывать и отрицательные их качества.
Наличие токсикантов в осадках само по себе не исключает возможности их использования в качестве мелиорантов и удобрения. В выпускаемых промышленностью минеральных удобрениях (суперфосфат и др.), а также в используемых как удобрение отходах производств (колчеданные огарки и др.) допускается, например, наличие такого сильного токсиканта, как мышьяк.
В то же время даже азот, являющийся одним из основных элементов питания растений, внесенный в почву в повышенных количествах, оказывает токсичное действие на растениях.
В тех случаях, когда осадки не пригодны по своему составу для внесения под пищевые культуры, они могут вноситься под технические культуры, а также применяться при озеленении городов, лесовосстановительных работах, рекультивации земель после промышленного их использования и т.д.
В каждом конкретном случае необходимы специальные исследования по составу ОСВ и распределению химических веществ в цепи: ОСВ - почва -растение - животный организм — человек. Этой цели служат многолетние полевые эксперименты по изысканию путей утилизации ОСВ в зависимости от их состава и агрохимических свойств почв района использования.
Цель и задачи исследований. Целью проведенных исследований является теоретическое и экспериментальное обоснование экологопрактической целесообразности применения осадков сточных вод на черноземах лесостепной зоны Поволжья.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
обосновать возможность использовать осадков сточных вод в качестве удобрений и биомелиорантов на черноземах лесостепной зоны Поволжья;
изучить влияние удобрительных доз осадков сточных вод (10-20 т/га) на продуктивность и пищевой режим черноземов;
выявить возможность использования мелиоративных доз (до 100 т/га) осадков сточных вод для повышения плодородия почвы;
исследовать воздействие осадков сточных вод в качестве биомелиорантов на агрофизические свойства черноземов;
определить влияние осадков сточных вод в мелиоративных дозах на агрохимические свойства почвы;
раскрыть влияние осадков сточных вод на динамику влагозапасов в почве;
установить степень загрязнения почвы и продукции растениеводства различными токсикантами при использовании мелиоративных доз осадков сточных вод;
разработать приемы совместного применения осадков сточных вод с навозом, соломой и другими биомелиорантами;
создать методику расчета экологически безопасных доз осадков сточных вод по содержанию в них тяжелых металлов;
- дать энергетическую оценку применения осадков сточных вод на
черноземах.
Научная новизна. Доказана возможность применения осадков сточных вод на черноземах лесостепной части Поволжья как в качестве удобрений, так и в качестве биомелиорантов. Изучено влияние осадков сточных вод на агрохимические и агрофизические свойства почвы. Предложены методы расчета экологически безопасных доз осадков сточных вод по значению допустимой концентрации токсикантов. Исследована динамика влагозапасов в почве под влиянием мелиоративных доз осадков сточных вод.
Практическая значимость. В результате исследований разработаны экологически безопасные и экономически целесообразные удобрительные и мелиоративные дозы внесения осадков сточных вод для черноземов лесостепной зоны Поволжья. Даны практические рекомендации по расчетам экологически безопасных доз внесения осадков при сочетании их с навозом, соломой и другими биомелиорантами.
Применение осадков сточных вод повышало плодородие почвы, увеличивало запасы влаги в ней и повышало урожайность сельскохозяйственных культур на 30-40 %.
Положения, выносимые на защиту:
— возможность использования осадков сточных вод в качестве удобрений и в качестве биомелиорантов в дозах до 100 т/га;
влияние осадков сточных вод на агрохимические, агрофизические свойства черноземов и их водный режим;
роль осадков сточных вод в повышении продуктивности черноземов;
- методы расчета экологически безопасных норм внесения осадков
сточных вод с учетом ПДК токсикантов.
Экологическая безопасность и энергетическая целесообразность применения осадков сточных вод в качестве удобрений и биомелиорантов.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований внедрены в хозяйствах Саратовской области Татищевского р-на, Аткарского р-на (СХГСК «Россия»), Базарнокарабулакского р-на (ООО «Тепловское», ООО КФ «Деметра»), Балаковского р-на (ОПХ «Новониколаевское»), Петровского района (совхоз «Сталь», Петровский конезавод), использованы в учебных пособиях «Сельскохозяйственная экология» (1997), «Методы экологических исследований» (2000), «Агроэкология» (2001), справочниках «Спутник эколога» (1997), в лекционных курсах и лабораторных занятиях для студентов агрономических и агроэкологических специальностей в СГАУ и ПГСХА.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международных и региональных научно-практических конференциях «Почва, жизнь, благосостояние» (Пенза, 2001); «Биосферосовместимые и сре-дозащитные технологии при взаимодействии человека с окружающей природой» (Пенза, 2001); «Проблемы изучения и охраны биоразнообразия и природных ландшафтов Европы» (Пенза, 2001); «Ресурсы недр России: экономика и геополитика, геотехнологии и геоэкология, литосфера и геотехника» (Пенза, 2003); на ежегодных внутривузовских конференциях профессорско-преподавательского состава СГАУ и ПГСХА (1990-2002 гг.).
Личное участие автора. Материал диссертации получен лично автором и сотрудниками кафедры под его руководством, а также при совместном проведении исследований с кафедрой почвоведения и агрохимии ПГСХА и кафедры земледелия и сельскохозяйственной мелиорации СГАУ.
12 Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 330 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 10 глав, выводов и предложений производству, включает в себя 87 таблиц, 20 графиков, 10 приложений. Список использованной литературы содержит 423 наименования, в том числе 45 на иностранных языках.
