Содержание к диссертации
Введение
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 по
вышения 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 промышлен
ности , 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 121
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 125
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 153
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 загрязнения 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 270
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 278
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 нефтепродук
тов 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 381
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 сельскохозяйст
венного оборота в результате разливов нефти при ее добыче и транспор
тировки в Самарской области 414
7. Энергетическая и экономическая эффективность 422
Выводы 436
Предложения производству 440
Список литературы
- Значение однолетних бобовых культур в решении белковой проблемы и увеличении плодородия почвы
- Метеорологические условия периода исследований
- Морфология развития корневой системы
- Продуктивность кормовых культур при поливе сточными водами
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 за
грязнение сельскохозяйственных угодий промышленными отходами, нефте
продуктами и сопутствующими им веществами. Загрязнение земель проис
ходит при добыче нефти, ее транспортировании, во время повреждения неф
тепроводов 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 про-
мышленную 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:
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.
Значение однолетних бобовых культур в решении белковой проблемы и увеличении плодородия почвы
Уровень благосостояния народа в стране определяется количеством белка, потребляемого на душу населения. По данным ФАО, норма потребления белка составляет 12 % общей калорийности рациона человека, или 90-100 г в сутки, в том числе 60-70 % белка животного происхождения (Иванов Н.Н., 1947; Иванов Н.Р., 1970; Вавилов П.П., Посыпанов ПС, 1978).
С белком связан весь ход жизненных процессов как в животных, так и в растительных организмах. Белок является составной частью протоплазмы и клеточного ядра, биокатализаторов, ферментов, витаминов, является строительным материалом для образования органов и тканей. Продукты распада белков используются для образования ростовых веществ, гормонов, алкалоидов растений и др, (Иванов Н.Н., 1947; Дмитроченко А.П., 1964; Попов И.С., Дмитроченко А.П., Крылов В.М., 1975).
В настоящее время среднее потребление белка в день на душу населения в мире составляет около 60 г, в том числе 30 % белка животного происхождения. В развитых странах оно равняется 90-95 г, а в развивающихся -20-25 г (Вавилов П.П., Посыпанов Г.С., 1978).
Особенно велик дефицит пищевого животного белка. Мировое производство его в четыре раза ниже потребности.
В нашей стране средняя обеспеченность каждого человека пищевым белком близка к норме, но еще недостаточно производится белка животного происхождения, что обусловлено дефицитом кормового белка, производимого растениями (Попов И.С. и др., 1975; Вавилов П.П, Посыпанов Г.С., 1978; Вавилов П.П., 1.979; Эйхфельд ИГ,, Тоомре Р.И., 1980).
По данным Е, Мишустина, Н. Лерепкова (1981), растениеводство страны производит 63 млн т белка в год, из них около 48 млн т скармливается животным, что составляет 75-80 % потребности.
Основными поставщиками кормового белка являются корма растительного происхождения: зеленая масса, сено, сенаж, силос, гранулы, травяная мука, зерно злаковых и бобовых культур и др.
Увеличить валовые сборы белка и значительно улучшить качество производимых кормов можно в основном за счет расширения площадей возделывания зернобобовых культур, однолетних и многолетних бобовых трав и увеличения их урожайности (Мовсисянц А.П., 1959; Бегучев П.П., Грид-невА.В., 1961; Лобанов П.П., 1975; Андреев В.В., 1979; Багдасарянц Н., 1979). Важная роль принадлежит расширению площадей под смешанными посевами бобовых и злаковых трав, пожнивных посевов (Чеботаев Н.Ф., Мартиросов СИ., 1959; Берзинь М., Майорова Е., 1959; Елсуков М.П., 1959; Ливанов К.В., 1970; Карнаухова З.С., 1971; Лупашку М.Ф., 1974; Бенц В.А., 1974, 1979 и др.; Жученко А.А., 1990; Бабич А.А., 1992; Кислов А.В., 1992; Варламов В.А., 2005).
С глубокой древности человек возделывает горох, сою, люпин, бобы, фасоль и другие бобовые растения. В наши дни эти культуры широко используются на продовольственные цели, для кормления сельскохозяйственных животных, технической переработки, для получения медицинских препаратов, на зеленое удобрение. Белок бобовых культур нашел применение в оборонной промышленности при изготовлении взрывчатых веществ (Годунова К.Н,, 1943).
Велика роль бобовых культур в повышении плодородия почвы. Благодаря симбиозу с клубеньковыми бактериями, они способны усваивать из атмосферы свободный азот и накапливать его в корнях и пожнивных остатках от 20 до 100 кг/га и более (Татаринцев А.И., 1966; Коов П.Ф., 1971; Иванов В.П., 1973; Боднар Г.В., Лавриненко Г.Т., 1977; Эйхфельд И.Г., Тоомре Р.И., 1979; Надежкин СМ., 1999).
К.А. Тимирязев (соч. т. 1. М., 1957), отмечая достоинство бобовых культур, писал: «Едва ли в истории найдется много открытий, которые были бы таким благодеянием для человечества, как это включение ... бобовых растений в севооборот, так поразительно увеличившее производительность труда земледельца».
Роль биологического азота особенно велика в последние годы. В большинстве почв содержание азота минимально, тогда как при урожайности зерновых культур 20-25 ц/га из почвы его выносится 60-75 кг. Коэффициент использования минеральных удобрений составляет около 70 %, и для: получения планируемого урожая нужно внести 80-100 кг/га азота.
По данным Е. Мишустина, Н. Черепкова (1981), на производство 1 т биологического азота затрачивается около 150-200 рублей, зерновых культур -500-700 руб., а белка, производимого промышленностью - 1000 руб. Следовательно, основное количество азота, потребного для растения, необходимо получать биологическим путем за счет симбиотической фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями бобовых растений (Бодиар Г.В., 1968).
Не менее важна роль бобовых культур и как поставщиков белка в пищевой промышленности и в животноводстве для производства белковых добавок к пшенице, ячменю, овсу, кукурузе и другим культурам, для которых которых характерно низкое содержание белка (Татаринцев А.И., 1966; Не-кдюдов Б.М., 1968; Боднар Г.В., Лавриненко Г.Т., 1977; Кононов В.М., 1995).
Метеорологические условия периода исследований
Утилизация сточных вод и их осадков - важная экологическая проблема науки и практики. Одним из путей утилизации осадков сточных вод (ОСВ) является использование их в качестве удобрений и мелиорантов.
Этому вопросу уделяли внимание многие ученые. Действие осадков сточных вод на свойства почвы связано с наличием в них органического вещества и зольной части. По данным многих авторов, различные дозы ОСВ неодинаково влияют на плодородие почвы. Применение их в дозе 120 т/га повышает содержание гумуса на 0,60 %. Использование осадков с торфом, навозом и пометом позволило увеличить его количество соответственно на 0,15 %, 0,29 и 0,31 %. Кислотность снижается, особенно при использовании осадков сточных вод и компостов органических удобрений (Кузин Е.Н., Гришин Г.Е., Тян В.П и др., 2003).
Осадки сточных вод в дозах 60 т/га и более в трехпольном звене севооборота создают положительный баланс азота в почве.
По данным Пензенской ГСХА, осадки сточных вод улучшали структурное состояние чернозема выщелоченного, снижали его кислотность и увеличивали урожайность культур (Кузин Е.Н., Гришин Г.Е., Тян В.П.и др., 1997).
По данным И.А. Иванова, В.Ф. Ивановой, Е.Н. Кравчук и др. (1996), наиболее эффективное изменение агрохимических свойств в результате внесения осадков сточных вод отмечается на слабоокультуренных песчаных почвах. Уже через 3-4 месяца после внесения рН почвы повышался с 4,1 до 5,5, гидролитическая кислотность снижалась с 4,7 до 1,98 мг-экв/100 г почвы, содержание минерального азота возрастало с 13,6 до 24,8 мг/кг, подвижного фосфора - с 220-316 до 250-380 мг/кг. При этом использование малых и средних доз ОСВ (22-60 т/га) не оказало существенного влияния на содержание органического углерода в почве. Лишь применение очень больших доз (до 778 т/га) приводило к возрастанию его на 2,03-2,74 %.
При внесении осадков сточных вод кислотность почвы увеличилась на 0,9-1,2 ед., содержание подвижного фосфора повысилось до 27,3 мг/100 г почвы, что на 15,6 % больше, чем на контрольном варианте. В слое почвы 0-30 см повышение дозы ОСВ с 30 до 120 т/га позволило за 3 года увеличить содержание гумуса на 0,23-0,60 %.
Увеличение количества подвижных соединений фосфатов, степени их подвижности, а соответственно, и доступности их растениям при внесении осадков сточных вод отмечали многие исследователи. Внесение осадков сточных вод в дозе 60 т/га 1 раз за ротацию севооборота на дерново-подзолистой почве незначительно повышало содержание в ней подвижных форм тяжелых металлов. При систематическом применении осадков, особенно в сочетании с физиологически кислыми минеральными удобрениями, следует вести постоянный контроль за содержанием тяжелых металлов в осадках сточных вод, объектах агроценоза, почве, растениях. Осадки сточных вод улучшают гумусное состояние почв, обогащая их соединениями гуминовой природы, снижают все виды почвенной кислотности. Эти изменения носят долгосрочный характер (Болышева Т.Н., Андронова Л.А., 1996).
По данным Л.Н. Михайлова (1997), при использовании осадков сточных вод и навоза в почвенном профиле до 60 см наблюдалась тенденция к накоплению влаги. Под всеми сельскохозяйственными культурами в пахотном слое возрастало количество нитратов, подвижных форм фосфора и калия.
Осадки стопных вод, повышая плодородие почвы, способствуют увеличению продуктивности сельскохозяйственных культур.
Результаты исследований свидетельствуют о высокой отзывчивости культур на внесение осадков сточных вод (Воропаев В.Н., 1990). Применение ОСВ в дозе 30 т/га под картофель и овес обеспечивало прибавки (в среднем за 2 года) 4,40 и 0,52 т/га соответственно, или 22 и 29 %.
Кормовая свекла хорошо реагировала на внесение осадков сточных вод совместно с калийными удобрениями, обеспечив прибавку в 11,7 т/га при урожайности на контроле 55,60 т/га (Иванов И.А., Иванова В.Ф., Кравчук Е.И. и др., 1996).
Исследованиями Л.Н. Михайлова (1996), проводимыми в Самарской области, установлено, что осадки сточных вод по своей удобрительной ценности превосходили навоз, причем их эффективность на супесчаной почве выше, чем на обыкновенном черноземе. Определено, что в условиях вегетативного опыта на обыкновенном черноземе по мере повышения доз осадков значительно увеличивается биологический урожай горохо-овсяной смеси (на 25,6-57,7 %) и яровой пшеницы (на 18,3-51,1 %). На супесчаной почве урожайность возрастала соответственно на 18,0-47,5 и 22,9-102,2 %, а зерна пшеницы - на 40,0-87,2 и 24,4-107,3 %.
Достоверные прибавки урожая ячменя были получены при внесении 30 т/га осадков сточных вод, а яровой пшеницы, гороха и гречихи - при внесении 40 т/га. Наибольшая продуктивность культур получена при внесении 50 т/га осадков, при этом прибавка относительно контроля составила у ячменя 4,2 ц/га, яровой пшеницы - 2,4 ц/га, гороха - 3,6 ц/га, гречихи - 4,1 ц/га (Ломов СП., Зеленин И.Н., Кирасиров З.А. и др., 1998).
Осадки сточных вод повышали урожайность зеленой массы кукурузы на 9,1-15 % и в значительной степени увеличивают выход сухого вещества и кормовых единиц с 1 га посева (Михайлов Л.Н., 1993).
Морфология развития корневой системы
Для изучения морфологии развития корневой системы гороха в одно-видовом и смешанном посевах применяли метод В.Г. Ротмистрова, с помощью которого можно отмыть корневую систему и точнее определить ее массу в определенном слое почвы. Использовался траншейный метод для изучения скорости роста и глубины проникновения корней.
Траншею отрывали глубиной 2 м, длиной 12 м и шириной 1 м. Для спуска в траншею делали земляные ступени. С одной стороны траншеи делали вырез шириной у основания 40 см и высотой 80 см с уклоном к иизу в сторону стенки.
В траншее ставили и закрепляли стекло. В 20 см от стекла устанавливали щит и пространство между ними засыпали грунтом. Сверху траншею накрывали матами. Семена высевали в 1,5-2,0 см от стекла с заданной густотой и на оптимальную глубину. Со времени появления всходов на стекле проводили наблюдения за глубиной проникновения корневой системы и ее формированием.
Проведенные исследования и наблюдения показали, что рост корневой системы гороха в глубину продолжается в течение всего периода наблюдений до фазы зеленой спелости бобов. При раннем сроке посева в течение 57 дней, или от посева до начала цветения, существенных различий в скорости роста и углубления корневой системы гороха в одновидовом посеве и в смеси с овсом не наблюдалось.
Корневая система к этому времени углубилась на 110 см при среднесуточном приросте 2,0 см. Но последний был интенсивнее в первые 25 дней от посева и составлял 2,6-3,0 см в сутки (табл. 3.5). На 25 мая горох раннего срока посева значительно отличался от посева во второй срок как надземной частью растений, так и подземной.
С началом цветения корневая система гороха в смешанном посеве развивалась интенсивнее и к фазе зеленой спелости бобов достигла 170 см против 150 см на одновидовом посеве. Среднесуточный прирост корней соответственно составил 3,0 и 2,0 см. В ростовых процессах надземной массы наблюдалась обратная зависимость - растения из смеси оказались ниже на 7 см.
При посеве гороха во второй срок в период посев-всходьт и в последующие 30 дней глубина проникновения корней была меньше, чем при раннем. В последующий же период, или к 69-му дню после посева, за счет более интенсивного прироста она была, наоборот, больше на 9 см.
Корневая система гороха имела три типа корней: главный зародышевый стержневой с боковыми корнями, семядольные и эпикотильные.
Распространение корней в глубину происходит за счет роста главного корня. Боковые корни, выполняющие функцию усвоения, начинают образовываться через 3-6 дней после начала роста стержневого и не ближе чем в 8-12 см от зоны роста главного корня.
На 4-7-й день после появления всходов образуются семядольные корни, на 6-10-й - эпикотильные. При просыхании верхнего слоя почвы эпикотильные корни отмирали и вновь отрастали при выпадении осадков.
По нашим наблюдениям, наибольшее количество боковых корней в слое почвы 0-80 см приходится на фазу бутонизации: на раннем сроке посева - на 46-й день, на посеве во второй срок - на 39-й. К этому времени общее их количество в пересчете на 10 растений достигает соответственно 843 и 404, В последующий период часть их отмирает в верхней части корня. Но общее количество продолжает возрастать еще некоторое время за счет образования эпикотильных корней после выпадения осадков (табл. 3.6).
В смешанном посеве количество боковых корней было меньше, чем в одновидовом. Но превышение было не столь значительным в сравнении с ранним сроком посева. Клубеньки начали формироваться после появления всходов. На 3-4-й день на главном корне образовались утолщения, а на 6-8-й - хорошо различимые клубеньки. Вначале они были мелкими, располагались только на главном корне и в слое 7-15 см, затем увеличились в размерах, образовались на боковых корнях и в более глубоких горизонтах. Наибольшая глубина образования клубеньков - 80 см, а самые крупные из них, диаметром 0,4-0,6 см были на глубине 45-50 см в фазе бутонизация-цветение.
Для определения динамики накопления пожнивных и корневых остатков использовали ящики шириной 15 см, длиной 45 см и высотой 60 см. Для обеспечения нормального развития растений и корневой системы они не имели дна, В день посева ящики зарывали в почву и набивали послойно почвой в соответствии с генетическими горизонтами. Семена высевали в них 1 мая на установленную глубину и с заданной густотой.
Отмывали корни в течение вегетационного периода 4 раза. Отмытые корни вместе с надземной частью высушивали до воздушно-сухого состояния и затем проводили их анализ.
Результаты исследований показали, что накопление органической массы растений в ее подземной и надземной частях идет неравномерно. Еще до появления всходов в подземной части она начинает нарастать. С появлением всходов и началом фотосинтетической деятельности растений наблюдается более интенсивный прирост надземной массы. На одновидовом посеве гороха через 11-14 дней после всходов (24 мая) количество воздушно-сухой массы надземной и подземной частей примерно одинаково, В смешанном посеве такое равенство наступает на 3-4 дня раньше. В последующий период и до конца наблюдений (7 июля) в фазе зеленой спелости бобов в одновидовом посеве гороха в большем количестве органическая масса накапливается в надземной части (табл. 3.7).
Продуктивность кормовых культур при поливе сточными водами
В качестве фитомелиорантов использовались сточные воды Алексеев-ского свинокомплекса Кинельского района Самарской области. Суточный выход экскрементов на Алексеевском свинокомплексе составлял примерно 350 тонн, в том числе 140 т твердой фракции и 210 т - жидкой. В свиных экскрементах присутствовали азот, калий, фосфор, кальций, магний, цинк, медь, железо, натрий, сера. Азот в навозе более чем на 50 % представлен аммонийными соединениями (преимущественно карбонатом аммония). Выход основных питательных элементов - азота, калия, фосфора -с экскрементами свиней на Алексеевском свинокомплексе составлял: азота общего - 9,8 кг/гол. в год, фосфора общего - 1,8 кг/гол., калия - 4 кг/гол. Таким образом, 90000 свиней накапливали в год с экскрементами 882 т азота, 162 т фосфора, 360 т калия.
Жидкий навоз - ценное органическое удобрение, держащее большое количество легкорастворимых питательных веществ. В то же время в нем можно обнаружить патогенные виды кишечной палочки, стрептококки, стафилококки, возбудителей лептоспироза, сальмонеллы, грибы, различные вирусы, яйца свиной аскариды, власоглава, фагостома и др.
Жизнеспособность патогенных микроорганизмов, яиц и личинок гельминтов в жидком навозе свиней сохраняется длительное время. Споры сальмонелл могут жить в нем 6-9 мес; при понижении температуры окружающей среды этот срок увеличивается.
Очевидно, что для использования навоза и стоков в качестве удобрения и для увлажнительно-удобрительных поливов необходимо проводить их предварительную очистку и обезвреживание. С этой целью свиноводческие стоки, используемые для орошения, очищались и обеззараживались на местных сооружениях и в прудах-накопителях.
На очистных сооружениях свинокомплекса осуществляли механическую и двухступенчатую биологическую очистку стоков. Ежедневно через очистные сооружения проходило 3-3,5 тыс. м3 сточных вод, образующихся в результате гидросмыва экскрементов на фермах. В процессе механической очистки происходило разделение твердой и жидкой фракций.
Первая ступень биологической очистки включала в себя первичные отстойники, аэротенки и вторичные отстойники. В первичных отстойниках происходило оседание взвешенных частиц на дно, так как скорость движения воды очень мала. Затем значительно осветленные стоки проступали в аэротенки, оснащенные мощными турбинами, обеспечивающими интенсивное поступление кислорода. Под влиянием активного ила и кислорода происходило интенсивное окисление органических веществ. Осаждение активного ила осуществлялось во вторичных отстойниках.
Вторая ступень биологической очистки также включала в себя отстойники, аэротенки с активным илом и вторичные отстойники. Отсюда очищенные и осветленные стоки поступали на доочистку на очистные сооружения г. Самары.
Часть стоков, содержащая большое количество взвешенных веществ и биогенов, с первичных и вторичных отстойников биоочистки поступала в пруды-накопители, где происходило их освобождение от патогенной микрофлоры под влиянием солнечной энергии, кислорода, микроводорослей и дет-ритофагов.
В зимнее время пруды служат буферными емкостями для приема стоков. В летнее время вода из последнего (третьего) пруда каскада накопителей использовалась для орошения кормовых культур.
Эффективность очистки сточных вод свинокомплекса в сравнении с исходными стоками представлена в табл. 4.1 (по результатам химических анализов за 1988-1993 гг.). Следует отметить, что по основным показателям (взвешенные вещества, БПК5, ХПК) стоки, прошедшие очистку, соответствовали действующим санитарно-гигиеническим требованиям. В избытке находились биогенные вещества - азот, фосфаты, удаление которых на очистных сооружениях практически невозможно. Их поступление в водоемы неизбежно приводило к нарушению экологического равновесия. Наиболее рационально в природоохранном отношении осуществлять утилизацию растворенных в стоках биогенов на орошаемых полях.
По основным показателям они соответствовали «Санитарным правилам .,.», но содержали яйца гельминтов. Поэтому зеленая масса выращиваемых культур идет на переработку в производство витаминной муки.
Оценку пригодности сточных вод свинокомплекса для целей орошения проводили путем сравнения их по ряду показателей с предельно допустимыми величинами, установленными ВНИИССВ (для черноземных почв). Результаты представлены в табя. 4.2.
