на правах рукописи

РАУЭЛИАРИВУНИ АНДРИАНТСАЛАМА Ситрака

Агроэкологическая оценка воздействия обогащенных

микробиологическими деструкторами компостов на основе ОСВ на

дерново-подзолистую супесчаную почву Владимирской Мещеры.

03.02.08 – экология (биология)

06.01.04 – агрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-2013 1

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А.

Тимирязева Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Васенев Иван Иванович доктор сельскохозяйственных наук, профессор Касатиков Виктор Александрович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории химической мелиорации ГНУ ВНИИ агрохимии им.Д.Н.Прянишникова Аканова Наталья Ивановна кандидат биологических наук, профессор, зав.кафедрой химии, почвоведения, землеустройства и БЖД Калужского филиала РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева Сюняев Николай Михайлович

Ведущая организация: Владимирский НИИСХ Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 15 мая 2013 года в 1600 на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете – МСХА им. К.А. Тимирязева по адресу: 127750, Москва, ул. Прянишникова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан апреля 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Селицкая О.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Одной из основных экологических проблем современной цивилизации является утилизация отходов производства и потребления.

Среди них особое место занимают городские осадки сточных вод (ОСВ), которые в больших объемах накапливаются на очистных сооружениях городов и промышленных объектов, создавая повышенную потенциальную опасность для экологического состояния окружающей среды (Агроэкология, 2004; Моисеенко и др.,2009; Сюняев и др., 2012).

Осадки сточных вод, как правило, содержат повышенное количество основных элементов питания и органических веществ. Это определяет их привлекательность в качестве источника нетрадиционных органо-минеральных удобрений, способствующих поддержанию устойчивого почвенного плодородия (Лукин, 2006; Мерзлая, 2009; Васенев и др., 2012), что особенно актуально для пригородных зон больших городов, наиболее привлекательных для интенсивного ведения сельского хозяйства (Климова и др., 2009).

В сельском хозяйстве пригородных районов практически всех развитых стран активно применяются осадки сточных вод и их компосты в качестве дешевых местных (нетрадиционных) удобрений. Так, в странах ЕС в качестве удобрения ежегодно используется 32,4% производимых в них 10 млн.т осадка сточных вод. При этом уровень сельскохозяйственной утилизации ОСВ во Франции достигает – 43%, в Люксембурге – 50%, а в Швейцарии – даже 70% (Eurostat, 2009). И в мире, в целом, прослеживается устойчивая тенденция к устойчивому росту сельскохозяйственной утилизации ОСВ. В США, по прогнозам (Philippe Collet, 2012), она составит не менее 65% к 2015 г.

В Российской Федерации ежегодно производится не менее 3 млн.т осадков сточных вод, которые нуждаются в экологической безопасной утилизации (Еськов и др., 2006). В качестве удобрений применяется пока ещё только около 7% осадков (Алексеева, 2002, Пахненко, 2009), что примерно в 4,5 раза меньше средних европейских показателей.

Массовое применение осадка сточных вод в качестве удобрений ограничено наличием в них повышенных концентраций загрязняющих веществ, среди которых особую роль играют тяжелые металлы (Smith 2008; Савич, 2009). Экологические риски загрязнения сельскохозяйственных почв, продукции, грунтовых вод и водоемов, в результате применения осадка сточных вод с повышенным содержанием тяжелых металлов, особенно возрастают в случае их применения на почвах легкого гранулометрического состава, которые широко распространены на Европейской территории России и преобладают в районах Владимирской Мещеры (Касатиков и др., 2010).

Подготовка на основе осадка сточных вод компоста подразумевает значительные временные и энергетические затраты, сократить которые позволяет агроэкологически обоснованное применение микробиологических препаратов-деструкторов грубых органических веществ (Герасимов, 2008).

Подготовка компостов на основе ОСВ подразумевает значительные временные и энергетические затраты, сократить которые позволяет агроэкологически обоснованное применение микробиологических препаратов-деструкторов грубых органических веществ (Емцев, 2005; Сидоренко, 2006;Герасимов, 2008).

Цель и задачи исследования:

Целью работы является проведение комплексных агроэкологических исследований с оценкой воздействия обогащенных микробиологическими деструкторами компостов на основе осадков сточных вод на характерные для Владимирской Мещеры дерново-подзолистые супесчаные почвы.

В соответствие с подставленной целью решались следующие задачи:

1. Анализ качества осадка сточных вод (ОСВ) города Владимира и созданного на его основе, с использованием в качестве наполнителя опилок хвойных пород, компоста, с агроэкологической оценкой технологии получения компостов ОСВ с применением микробиологических препаратов.

2. Оценка воздействия компостов, созданных на основе осадка сточных вод с применением микробиологических деструкторов, на характерную для Владимирской Мещеры исходно очень бедную пахотную дерново-подзолистую почву супесчаного гранулометрического состава.

3. Сравнительный анализ последействия применения исследуемых компостов ОСВ, с использованием двух видов микробиологических препаратов (БАРКОН, БИОФОРСЕ) на продуктивность тестовой сельскохозяйственной культуры и качество растительной продукции.

4. Сравнительная оценка эффективности применения технологии компостирования осадка сточных вод с использованием двух видов микробиологических препаратов (БАРКОН, БИОФОРСЕ).

Научная новизна.

Проведенные исследования показали, что компостирование ОСВ с применением исследуемых микробиологических препаратов позволяет улучшать агроэкологическое качество получаемых компостов: снижение валового содержания азота с 2,17% до 1,56% и уменьшение валового содержание и содержания подвижных форм тяжёлых металлов – в 1,5 раза.

Применение повышенных доз (30 т/га) компостов на основе ОСВ с микробиологическими деструкторами на дерново-подзолистой супесчаной почве Владимирской Мещеры способствовало значительному повышению содержания в ней подвижного фосфора: в среднем, на 75 мг/кг P2О5 – в сравнении с контролем (+84%).

Важно подчеркнуть, что под действием компостов и ОСВ существенно возрастало содержание фосфора в зерне озимой пшеницы: с 0,90% P2О5 до 1,00%; но они не повлияли на концентрацию тяжелых металлов в тестовых культурах, качество которых характеризуется как удовлетворительное (без превышения МДУ для зерновых культур). Применение компостов с БИОФОРСЕ способствует значительному повышению содержания белка в зерне.

Практическая значимость работы.

Проведенные исследования показали хорошие перспективы сельскохозяйственной утилизации городских осадков сточных вод с удобрением бедных дерново-подзолистых почв легкого гранулометрического состава – при предварительном компостировании их с использованием микробиологических препаратов-деструкторов и проведении мониторингового контроля за экологическим состоянием удобряемых почв и качества получаемой продукции.

На основании результатов исследований разработаны рекомендации по применению микробиологических деструкторов для получения качественных компостов на основе ОСВ. Проведенный анализ эффективности двух микробиологических препаратов показал возможность значительного сокращения времени компостирования осадка сточных вод – на 14 %, с обеспечением более высокой температуры компостирования – в среднем, на 9С.

Применение компостов на основе ОСВ с микробиологическими деструкторами позволило значительно повысить урожайность озимой пшеницы (на 37–46 %) и тритикале (на 47–54%), а также их технологическое качество, не снижая показателей экологической безопасности продукции.

Апробация работы. Основные результаты исследований, выводы и научные положения диссертации были представлены на заседаниях кафедры экологии РГАУ-МСХА и научных конференциях молодых ученых и специалистов (2010; 2011). Отдельные результаты вошли в ежегодные отчеты НИР ВНИИОУ (РАСХН) за 2010-2012гг. По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения и 5 глав, включая обзора литературы, описание объектов и методов исследования, анализ результатов проведенных экспериментов, списка литературы, выводы и приложение. Материалы диссертации изложены на 125 страницах текста, содержат 32 таблицы и 8 рисунков. Библиографический список включает 170 источников, в том числе 85 – на английском и французском языках.

Благодарности. Автор выражает особую благодарность своим научным руководителям – профессору И.И. Васеневу и профессору В.А. Касатикову за оказанную научно-методическую помощь и советы при подготовке и выполнений диссертационной работы. Автор признателен Н.П. Шабардиной, коллективу кафедры экологии РГАУ-МСХА и сотрудникам ВННИОУ за научные консультации, поддержку, ценные советы и помощь в проведении исследований.

Глава 1. Обзор литературы: Агроэкологические и технологические особенности производства и применения удобрений на основе осадка городских сточных вод Владимирской Мещеры Индустриальное развитие неизбежно приводит к урбанизации. Одной из главных экологических проблем существования и развития городов является утилизация хозяйственно-бытовых сточных вод (Урбоэкология, 2010). Большую угрозу для экосистем представляют концентрированные отходы, которые содержат токсичные и вредные вещества (Агроэкология, 2004, Albrecht, 2007).

Основным способом утилизации осадков сточных вод (ОСВ) в экосистеме является их использование в сельском хозяйстве в качестве органоминерального удобрения (Севастьянов, 2001; Шуравлин и др., 2006; Мерзлая, 2009).

По удобрительной ценности ОСВ не уступают подстилочному навозу; правильное применение их в сельском хозяйстве позволяет существенно повысить плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур (Болышева и др., 2006; Сюняев и др., 2010). Общая доля ОСВ, используемых в сельском хозяйстве России, еще значительно ниже среднеевропейского уровня. Следует отметить, что требования, которые предъявляются к осадкам в РФ, более высокие – по сравнению с западными странами (Пахненко, 2009; Pham, 2010).

Положительные стороны применения ОСВ в качестве удобрений связаны с улучшением агрохимических свойств почв, повышением содержания в них органического вещества, макро- и микроэлементов, биологической активности почвы (Дорошкевич, 2002; Asshobei, 2005; Куликова, 2010; Васбьиева, 2011).

Однако существует ряд ограничений, сдерживающих применение ОСВ в сельском хозяйстве: прежде всего – наличие в них тяжелых металлов и патогенных микроорганизмов (Анциферова и др., 2001; Касатиков и др., 2010).

Тяжелые металлы относятся к загрязняющим веществам, которые с трудом удаляются из почвы (Пахненко, 2009; Черногоров и др., 2012). Регулярное внесение в почву с ОСВ ионов тяжелых металлов недопустимо, поскольку возрастает опасность их биотрансформации и накопления в пищевых цепях с возможным попаданием в организм человека (Bemal-Martinez, 2007; Раскатов и др., 2010). Поэтому, в последнее время, ОСВ применяются в основном в виде компостов – совместно с наполнителями. Более того, в случае использования осадков сточных вод муниципальных образований предпочтительным является их предварительное компостирование, приводящее к существенному снижению содержания токсичных соединений, патогенных микроорганизмов и стабилизации органического вещества (Chen, 2002; Ros, 2003; Sanches-Monedero, 2004;

Boyd, 2006). В связи с этим заслуживающим внимание является разработка технологического процесса компостирования осадка сточных вод в смеси с опилками хвойных пород при добавлении микробиологического деструктора (Свиридова, 2005, Касатиков и др., 2012).

Природная микробиота способна трансформировать компоненты, составляющие ОСВ. Но для того, чтобы улучшать экономическую эффективность и экологическую безопасность применение компостов на основе ОСВ, процесс компостирования можно существенно улучшить и ускорить, используя специиальные микробные препараты (Pakou, 2009).

Полевые исследования проводились на опытном поле ГНУ ВНИИОУ РАСХН, в 10 км от города Владимира вблизи п. Вяткино Судогодского района Владимирской области в 2010-2011 гг. (северо-восточная часть Мещерской низменности). Климат умеренно-континентальный, характеризуется выраженными сезонами. Среднегодовая температура воздуха колеблется в пределах от 3,7 до 4,0С; сумма среднесуточных температур выше 10С – 2150–2200.

Среднегодовое количество осадков – 550 мм. Продолжительность периода с температурой выше +10С составляет 130–145 дней.

Природа Владимирской области сочетает в себе черты типичной таежнолесной зоны. В почвенном покрове области преобладают подзолистые и дерново-подзолистые почвы. Большое распространение имеют их супесчаные варианты. Дерново-подзолистые почвы в районе исследования имеют кислую реакцию (рНKCl равно 5,2-5,5), низкие значения суммы поглощенных оснований (4,5-5,5мг-экв./100г), гидролитической кислотности (1,0-2,5мг-экв./100г), содержания гумуса (1,05-1,17%), подвижного фосфора (14-25 мг Р2О5/100 г) и обменного калия (63-104 мг К2О /100 г).

Объектами исследования являются: осадки сточных вод и компосты на основе ОСВ с микробиологическими препаратами, развитая на флювиогляциальных отложениях дерново-подзолистая супесчаная почва опытного поля ВНИИОУ, и озимая пшеница сорта «Заря» – в качестве тестовой культуры.

Аэробно-стабилизированные осадки сточных вод мы получили с очистных сооружений г. Владимира. Содержание валового количества тяжелых металлов применяемых в 2010-2011 гг. осадков сточных вод не превышало нормативных показателей ГОСТ РФ как для первой, так и для второй группы ОСВ: валовое содержание Cd составило 1,27 мг/кг, Cu – 65,95 мг/кг, Ni – 27, мг/кг, Zn – 94,14 мг/кг, Pb – 27,42 мг/кг.

В работе исследовано влияние на компостирование ОСВ микробиологических препаратов БАРКОН и БИОФОРСЕ. Разработанный во ВНИИСХ микробиологии (г. Пушкино, Санкт-Петербург), препарат БАРКОН содержит специальный комплекс лигнин- разрушающих микроорганизмов. Добавлялся в начале компостирования из расчета 20 л/т (сухого органического вещества ОСВ + опилок) или 20 мл/кг. Препарат БИОФОРСЕ Compost производства Bionick Company (г. Москва) содержит комплекс природных микроорганизмов, ферментов и питательных веществ, предназначенных для ускорения процесса разложения органических соединений. Для производства 1 т компоста требуется 20 л рабочего раствора (концентрация 0,5).

В качестве исследуемой тестовой культуры была выбрана озимая пшеница сорта Заря. Озимая пшеница сорта «Заря» выведена в НИИ сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны. Сорт – среднеспелый, зимостойкий, среднеустойчив к засухе и полеганию.

Методы исследований Исследования проводились с применением комплекса методов: полевых (закладка полевых опытов), лабораторных (микробиологических и химических) и информационно-аналитических исследований.

Полевые исследования. В указанный период проведены один опыт по компостированию ОСВ с использованием микробиологических деструкторов и 2 мелкоделяночных полевых опыта с исследуемыми культурами (основная тестовая культура – озимая пшеница). Полевые исследования были выполнены на опытном стационарном поле Всероссийского научно-исследовательского института органических удобрений (ВНИИОУ) Россельхозакадемии в 2010 гг.

Технологические исследования по компостированию ОСВ и изучению влияния микробиологических деструкторов на агроэкологическое качество получаемых компостов проводились в 2010 г. на площадке для компостирования ВНИИОУ – в 3 буртах при соотношении C:N = 25. Органоминеральный компост был приготовлен из безреагентного аэробно-стабилизированного ОСВ с очистных сооружений города Владимира и опилок (хвойных пород) с использованием микробиологических деструкторов при заложении бурта с послойным чередованием ОСВ и наполнителя (Опыт 1).

Схема Опыта № 1 (2010г.):

Бурт №1 –(Контроль без добавок)+опилки Бурт №2 –Компост + препарат Баркон (100л/1т органики)+ опилки Бурт №3 –Компост + препарат Биофорсе (20л/1т органики)+опилки Микробиологические препараты применяли согласно рекомендациям производителей. В полевых условиях ежедневно определяли температурный режим компостов. Перебуртовка и поливы компостных смесей проводились раз в 2 недели. Наблюдения за режимом влажности выполняли путем отбора образцов и определения влажности термовесовым методом.

Полевые исследования по оценке воздействия органо-минеральных компостов на основе ОСВ с применением микробиологических деструкторов Баркон и Биофорсе на дерново-подзолистую супесчаную почву и на зерновую культуру (озимая пшеница) провели в полевых опытах № 2-3 (2010 - 2011гг.).

Пахотный горизонт почвы на опыте № 2 ( с озимой пшеницей) имел следующие агрохимические характеристики: содержание гумуса – в среднем, около 1,3 %, pHKCL – 6,1, содержание подвижного фосфора – 25,8 мг/100 г. и калия – 27, мг/100 г.

1. Контроль без удобрений, 2. ОСВисх. 30 т/га, 3. Компост без добавок, 30 т/га, 4. Компост с БАРКОНОМ, 30 т/га, 5. Компост с BIOFORCE, 30т/га.

Севооборот опыт 2: (закладка 2010 г.) – озимая пшеница – ячмень, Осадок сточных вод вносили под основную обработку почвы в дозах т/га ( в расчете на 50 % влажность) в опыт 2 под озимую пшеницу сорта «Заря»

– осенью 2010 г.

Образцы почвы были отобраны из пахотного горизонта по фазам развития зерновых культур (ГОСТ 28168-89). Повторность каждого варианта 5ти кратная. Обработка и уход за посевами проводились вручную. В течение вегетации растений проводили фенологические наблюдения. Урожай зерна и соломы учитывали сплошным деляночным методом взвешивания.

Все работы выполнялись вручную, исходя из рекомендаций по закладке и проведению полевых опытов (Доспехов, 1974; Минеев, 1989).

Лабораторные исследования. Санитарно-гигиеническую оценку почвы и удобрений осуществили на основе нормативных документов (СанПиН 2.1.7.1287-03, ГОСТ Р. 17.4.3.07-2001, СанПиН 5061-89).

В образцах почвы и удобрений проводили определение основных агрохимических показателей: рНKCl – потенциометрический (ГОСТ 26483-85), Нг – по Каппену (ГОСТ 26212-91). Определение подвижных форм фосфора и обменного калия в почве проводили по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207-91), содержания органического углерода (Сорг.) – методом Тюрина в модификации Никитина со спектрометрическим окончанием по Орлову – Гриндель (ГОСТ 26213-85), содержания азота – по ГОСТ 26715-85.

Валовое содержание и содержание подвижных форм тяжелых металлов – по «Методическим указаниям по определению тяжелых металлов» ЦИНАО (1992) определялось методом атомной абсорбции в лаборатории ФГУ ЦАС «Нижегородский».

Математическую обработку данных проводили методом дисперсионного анализа (Доспехов, 1987). Результаты исследований обрабатывали и оформляли на персональном компьютере с помощью программ MS Exсel и Statistica 8.

Глава 3. Экологические и технологические особенности хранения и компостирования осадков городских сточных вод (ОСВ) с применением Исследования проводилось на полевой площадке для компостирования во ВНИИОУ в 2010-2011 гг. В качестве сырья для компостирования использовали осадки сточных вод (ОСВ) очистных сооружений города Владимира и опилки хвойных пород в качестве наполнителя.

В работе использовался осадок, полученный для исследования в июне 2010 г. В первой серии экспериментов, проводимых в сентябре 2010 г., использовался осадок, предварительно пролежавший на площадке в течение 4 месяцев (включая летний период). Во второй серии экспериментов (апрель 2011 г.) – осадок, который пролежал 10 месяцев, включая летний и зимний период.

По своим агрохимическим характеристикам используемый в опытах ОСВ, в целом, был близок усредненным показателям для очистных сооружений города Владимира (табл.1).

Таблица 1. Агроэкологическая характеристика ОСВ тики свежего ОСВ г. Владимира (n=4) июнь 2010 г.

сентябрь 2010 г.

апрель 2011 г.

Исходные показатели свежего используемого ОСВ (июнь 2010 г.) характеризуются повышенными (по сравнению со средними значениями для ОСВ города Владимира) значениями зольности (51%) и валового содержания азота (2,57%), фосфора (3,05%) и калия (0,54%).

Содержание подвижных форм фосфора и калия не имело достоверных различий от средней характеристики ОСВ, содержание нитратного азота – в 1, раза ниже. Осадок характеризуется нормальной реакцией среды, при отклонении от средних значений на 0,7 pHKCL.

За первые три (летние) месяца хранения осадка в нем отмечается значительная потеря органического вещества и повышение зольности (на 7% от зольности исходного ОСВ). Содержание подвижных форм питательных элементов и pH меняются незначительно.

В последующие 6 месяцев (включая зимний период) отмечается замедление процесса минерализации органического вещества ОСВ (с возрастанием зольности на 3 %) и резкое увеличение содержания подвижного фосфора – в 2, раза.

По валовому содержанию тяжелых металлов (табл. 2) осадок характеризуется как слабо загрязненный (нормативы ГОСТ РФ): без превышений ПДК для ОСВ (0,02 0,19 ПДК); но по отношению к ОДК первой группы почв зафиксированы превышения концентраций тяжелых металлов практически для всех элементов (1,2 - 2,4 ОДК), кроме свинца (0,85 ОДК). Содержание подвижных форм тяжелых металлов значительно ниже существующих ПДК для ОСВ и ОДК для первой группы почв (0,13 - 0,46 ОДК).

Таблица 2 Содержание тяжелых металлов в ОСВ опилки хвойных пород (традиционно получаемые с мебельной фабрики) характеризуются пониженной влажностью (24%), высоким содержанием углерода (49%). Высокая поглотительная способность опилок позволяет существенно снизить общую влажность получаемого компоста.

Компостирование проводилось в буртах с размером 1х1х1,5м, объемом 1,5 м, в которых содержится около 1 т компостной смеси. Соотношение осадка к опилкам равно 1:0,16 по массе на натуральную влажность и 1:0,548 при расчете по сухому веществу. Микробиологические препараты применяли в дозе 20 л препарата (в разбавлении 1:10 коммерческих препаратов) на 1 т сухого вещества, с концентрацией препаратов 5х185КОЕ/г для БАРКОНА и 5х109КОЕ/г для БИОФОРСЕ.

Компостирование продолжалось в течение года, при этом в первые два месяца компостируемую смесь еженедельно перемешивали для поддержания оптимального температурного режима.

Процесс компостирования смеси ОСВ с опилками при добавлении микробиологических деструкторов протекает в термофильном режиме с температурным максимумом, наблюдаемом на 27-29 сутки (рис. 1). Микробиологические добавки оказали существенно влияние на интенсивность биотермического процесса компостирования ОСВ с опилками. Максимальная температура в случае контроля составила 42оС, в компостах с препаратом БИОФОРСЕ она повышалась до 48оС, с препаратом БАРКОН – до 52оС.

Рис. 1. Температурный режим компостирования ОСВ с опилками в качестве наполнителя и биопрепаратами.

Температура выше 26оС (пороговой температуры между внешней средой и началом мезофильного режима компостирования) на варианте контроля сохраняется 34 дня. При применении препарата БИОФОРСЕ отмечается его увеличение на 2 дня, а в случае препарата БАРКОН – на 5 дней. Ещё более четкие отличия проявляются при анализе длительности периода с температурами выше 35 и 45оС. В случае контроля количество дней с превышением температуры 35оС составило 12 дней, с БИОФОРСЕ – 18 дней, а с БАРКОН – 30 дней (т.е. 2,5 раза больше, чем на контроле). Превышение температуры 45оС отмечается только в вариантах с биопрепаратами: 3 дня в компосте с препаратом БИОФОРСЕ и 6 дней – с препаратом БАРКОН.

Выявленная динамика температурного режима свидетельствует о наиболее высокой минерализующей активности микрофлоры в компосте с микробиологическим препаратом БАРКОН, который устойчиво поддерживает достоверно более высокую температуру – по сравнению с контролем.

Длительность повышенной температуры компостирования – очень важный фактор обеззараживания компостов от болезнетворных микроорганизмов.

Проведенные исследования санитарно-экологического состояния исследуемых ОСВ и компостов выявили сохранение их неудовлетворительного качества по содержанию болезнетворных микроорганизмов во всех вариантах проведенных исследований (табл. 3). Остается актуальной задача дальнейшего наращивания и устойчивого сохранения повышенных температур (до 62оС) в процессе компостирования – при обеспечении минимального объема побочных потерь органического вещества ОСВ и сопряженных выбросов парниковых газ.

Таблица 3. Санитарно-гигиенические показатели исследуемых ОСВ и Компост с

БАРКОН

Компост с

БИОФОРСЕ

Компост с

БАРКОН

Компост с

БИОФОРСЕ

2.1.7.573- Используемые для компостов ОСВ характеризуются (табл. 4) относительной высокой зольностью (51,0%) и валовым содержанием калия (0,54%), повышенным содержанием азота (2,17%) и фосфора (3,05%). По содержанию подвижных форм основных элементов питания осадок отличается пониженным содержанием нитратного азота (4,5 мг /кг N - NO3), очень высоким содержанием подвижного фосфора (1019 мг/кг PO) и обменного калия (154 мг/кг KO).

Таблица 4. Агрохимические характеристики исследуемых ОСВ и Используемый для компостов ОСВ (n=3) (наполнитель) Состояние компостов Сентябрь 2010 г.(3 месяца компостирования) Состояние компостов Апрель 2011 г.(10 месяцев компостирования) Чрезмерно высокое содержание подвижных форм фосфора осложняет применение ОСВ в качестве удобрения – наряду с его сильной обсеменённостью патогенной микрофлорой и высоким содержанием тяжелых металлов.

Частичному улучшению агроэкологического качества осадка способствуют применяемые в качестве наполнителя при компостировании ОСВ опилки хвойных пород, которые характеризуются низкой зольностью (1,6%), пониженным содержанием азота (1,02%), фосфора (0,4%) и калия (0,12%). Их использование позволяет нормализовать основные показатели осадка (табл. 4).

Содержание элементов питания и их соотношение в свежих компостах существенно отличается от ОСВ. В сравнении с осадком, компост-контроль характеризуется пониженными значениями зольности (27,8%), содержанием азота, фосфора (соответственно – в 1,7 и 1,4 раза). В свежем компосте также отмечено значительно снижение (по сравнению с ОСВ) содержания подвижных форм азота (=2,3 мг/кг N-NO3), фосфора (=146 мг/кг PO) и калия (= мг/кг KO) Свежие компосты с добавлением биопрепаратов-деструкторов достоверно не отличаются от контрольного варианта компоста по зольности, содержанию валового калия и подвижных форм фосфора. В то же время, свежий компост с БАРКОН характеризуются незначительным снижением обменного калия (на 9 мг/кг KO), и оба варианта компостов с биопрепаратами – незначительным повышением содержания нитратного азота, подвижного фосфора и частичной нейтрализацией реакции среды (=0,2 pHKCl).

Для учета потери массы при компостировании в компостную смесь были заложены марлевые пакеты с 1 кг компоста, которые взвешивали при закладке и по завершению компостирования. Через 3 месяца компостирования масса компоста в контроле сократилась на 22,5 % – 225 кг в пересчет на общую массу бурта, по сравнению со свежим осадком (рис. 2).

масса компоста в кг

КОНТРОЛЬ БАРКОН БИОФОРСЕ

Рис. 2. Динамика потери в массе исследуемых компостных смесей.

Масса компоста в том же варианте в зимний период сократилась до кг, общие потери составили 390 кг. В экспериментах с биопрепаратами отмечается некоторое снижение скорости минерализации (и уменьшения массы) компостов: на 190 и 165 кг (19 и 16,5 %) – в случае БАРКОН, и на 170 и 168 кг – в случае БИОФОРСЕ. Таким образом, для варианта компостирования с БИОФОРСЕ характерны как минимальные потери веса, так и их наиболее равномерный характер, что косвенно свидетельствует об относительно устойчивом функционировании микробиоты.

После трех месяцев компостирования наблюдается значительное повышение концентрации в компосте зольных элементов (на 4 абсолютных или относительных %), двукратное увеличение содержания нитратного азота и подвижного фосфора, нейтрализация реакции среды до 7,0 pHKCl (см. табл. 4).

Трехмесячные компосты с добавлением микробиологических деструкторов характеризуются пониженным (относительно контроля) содержанием подвижного фосфора и обменного калия. Максимальное различие с контролем отмечаются: по содержанию зольных элементов и валового азота – у компоста с БИОФОРСЕ (повышение концентраций); а по содержанию нитратного азота, подвижных форм фосфора и калия – у компоста с БАРКОН (снижение концентраций). В десятимесячном компосте наблюдается дальнейший рост концентрации зольных элементов и калия, с некоторым понижением валового фосфора.

Постепенное повышение при компостировании значения реакции среды (рНKCl) является следствием ускоренной минерализации органической части компоста с повышением содержания зольных частиц (рис.3). Отдельно отметим отличия в сезонной динамике реакции среды ОСВ и контрольного компоста, где четко выражено временное подкисление после трех месяцев компостирования. В компостах с биопрепаратами-деструкторами, наоборот, в этот период наблюдаются максимальные в эксперименте нейтральные значения рН.

ОСВ КОНТРОЛЬ БАРКОН БИОФОРСЕ

Рис. 3. Динамика изменения pH в осадке и компостах В результате компостирования наблюдается значительное снижение содержания в компостах большинства тяжелых металлов – в сравнении с осадком (табл. 5). Более высокое содержание ионов тяжелых металлов отмечено в компосте с БАРКОН: концентрации цинка, никеля и меди – соответственно, на 9,3; 5,1 и 4,1 % выше, чем в контрольном варианте. Возможно, это связано с большей степенью минерализации в термофильных фазах. Наименьшее содержание ТМ отмечалось в компосте с БИОФОРСЕ. Следует отметить, что валовое содержание тяжелых металлов во всех компостах оказалось значительно ниже ПДК для ОСВ (0,05 - 0,12 ПДК). Содержание подвижных форм ТМ – значительно ниже ПДК для ОСВ и первой группы почв (0,08 - 0,49 ПДК).

По суммарному влиянию на валовое содержание ТМ и содержание в компосте их подвижных форм наилучшие показатели получились у компоста с препаратом БИОФОРСЕ.

Таблица 5. Содержание подвижных форм ТМ в ОСВ и компостах, мг/кг Глава 4. Влияние осадка сточных вод и биологически модифицированных компостов на агроэкологические свойства дерновоподзолистой супесчаной почвы Влияние ОСВ и компостов на его основе на основные характеристики дерново-подзолистых супесчаных почв исследовалось на протяжении двух лет в мелкоделяночном опыте на Опытном поле ВНИИОУ. Внесение ОСВ и компостов на их основе существенно увеличило содержание доступных форм нитратного азота в почве (рис. 4).

Содержание нитратного азота (N - NO3) в фазе всходов увеличивалось, в сравнении с контрольным вариантом, на 34-65 % и было максимальным в варианте с применением компоста с БАРКОН – 26,2 мг/кг (рис. 4). Из-за низкой влажности почвы в фазах осеннего кущения (7-9 %) и выхода в трубку (4,9содержание этой формы азота было очень незначительным – вплоть до предела обнаружения. Нитрификация затухала и вновь выровнялась в фазу колошения. В фазу колошения содержание N - NO3 в вариантах с компостами было ниже, чем в контрольном варианте и варианте с ОСВ, что объясняется более интенсивным использованием N - NO3 повышенной биомассой растений.

Рис. 4. Динамика содержания нитратного азота в пахотном горизонте под озимой пшеницей (на абсолютно сухое вещество).

Содержание азота в аммиачной форме было низким во всех фазах развития пшеницы и по вариантам различалось мало (Касатиков и др., 2011;

2012). Контрольный вариант без использования ОСВ характеризуется невысоким содержанием минеральных форм азота в фазе всходов озимой пшеницы и их резким снижением – в последующих ( рис. 4).

В случае применения ОСВ происходит трехкратное повышение содержания минерального азота в фазе всходов, в результате даже его последующее резкое снижение не сопровождается дефицитом минеральных форм азота.

Замена ОСВ компостом сопровождается двукратном снижением стартового содержания азота в фазе всходов (тем не менее, оно в полтора выше, чем в варианте контроля).

Рис. 4. Динамика запасов содержания минеральных форм азота в пахотном горизонте дерново-подзолистой почвы под озимой пшеницей, кг/га.

Суммарные запасы минерального азота в течение вегетационного периода в пахотном горизонте почвы не превышали 12 кг/га в фазу кущения. В варианте с БИОФОРСЕ отмечаются наиболее высокие значения минерального азота среди компостов в фазе всходов и наиболее равномерное его распределение по фазам кущение-выход в трубку-колошение.

Таким образом, внесение в супесчаную дерново-подзолистую почву свежего органического вещества с ОСВ и компостами способствовало существенному повышению содержания в ней минеральных форм азота – не выходя за пределы экологически допустимых значений (рис. 4).

В течение всей вегетации наибольшее содержание нитратного азота отмечалось на варианте с внесением ОСВ. Компостирование ОСВ способствовало сезонной стабилизации пула минерального азота в пахотном горизонте исследуемой дерново-подзолистой почвы легкого гранулометрического состава. Наилучшее последействие отмечается в варианте применения компоста с биопрепаратом БИОФОРСЕ.

Разовое внесение органоминеральных удобрений на основе ОСВ в дозах 30 т/га оказало существенное, но неоднозначное влияние на целый ряд агрохимических свойств исследуемой супесчаной дерново-подзолистой почвы (табл. 6).

Таблица 6. Агрохимическая характеристика пахотного горизонта дерновоподзолистой супесчаной почвы (озимая пшеница, 2011).

контроль

БАРКОН

30 т/га

БИОФОРСЕ

Примечание: * – август 2010 г. – до закладки опыта, ** – июль 2011 г. – сразу после уборки озимой пшеницы.

Прежде всего, следует отметить увеличение содержания Cобщ. – максимально выраженное в вариантах применения компостов с микробиологическими добавками. Так в варианте с использованием компоста с БАРКОН содержание Cобщ. возросло на 16,7 относительных %, в случае с БИОФОРСЕ – даже на 26,6 отн. %. Данная зависимость обусловлена более интенсивной гумификацией органического вещества компостов с изучаемыми микробиологическими добавками и проявляется в большей степени при осеннем внесении компостов.

Среди подвижных форм основных элементов питания максимальной положительной динамикой характеризуется содержание подвижного фосфора, возрастающее в результате применения компостов и ОСВ от 1,2 до 1,6 раз.

В результате применения ОСВ и компостов несколько повышается значение pHKCl,но одновременно незначительно повышается гидролитическая кислотность, и снижается степень насыщенности почвенного поглощающего комплекса. По совокупности проанализированных агрохимических и физико-химических характеристик почв наиболее благоприятные изменения отмечаются в варианте компоста с БИОФОРСЕ.

Содержание тяжелых металлов в применяемых ОСВ и компостах, по большинству элементов, существенно ниже ОДК, поэтому их применение в качестве органоминерального удобрения под озимую пшеницу не привело к значительному повышению экологической нагрузки на почву (табл. 7).

Таблица 7. Влияние компостов на основе ОСВ на содержание ТМ в пахотном горизонте супесчаной дерново-подзолистой почвы * - В числителе – содержание ТМ, мг/кг; в знаменателе – Кс – коэффициент накопления ТМ.

Максимальное значение показателя суммарного валового загрязнения почвы составили 2,4 при применении ОСВ, при существенном снижении (до 1,9-2,1) в вариантах применения компостов. Увеличение содержания подвижных форм элементов-загрязнителей в пахотном горизонте почвы было также незначительным (с Zc=2,8 при применении ОСВ), с более контрастным снижением показателя суммарного загрязнения в вариантах применения компостов.

Глава 5. Сравнительный анализ влияния исследуемых компостов на основе ОСВ, с использованием микробиологических препаратов (БАРКОН, БИОФОРСЕ), на урожайность культур и качество Компосты и ОСВ оказали достоверное положительное влияние на урожайность и качество выращиваемых в опыте зерновых культур (табл. 8).

Достоверные прибавки урожайности озимой пшеницы получены в размере 37к контролю. При этом не выявлено преимущественного влияния на урожайность компостов с микробиологическими добавками – в сравнении с традиционными способами компостирования ОСВ с опилками.

Таблица 8. Урожайность озимой пшеницы Заря Применение ОСВ в дозе 30 т/га под озимую пшеницу обеспечило существенную разницу урожая ( в сравнении с контролем), равную 106 г/м или 41,4 %, а с изучаемыми компостами эта разница составила от 90 до 113 г/м.

Достоверная прибавка зерна к контролю без удобрений получена на варианте с применением компоста, приготовленного обычным способом – 45,9 %, при прибавках в 38,2 % для компоста с добавлением БАРКОН и 37,2 % – для компоста с добавлением БИОФРСЕ.

По содержанию белка наилучшие результаты получены в варианте применения компоста с БИОФОРСЕ: на 12-19 относительных % выше, чем в других вариантах с компостами, и на 7 отн. % выше, чем на контроле – со значительно более низкой урожайностью пшеницы.

Химический анализ растений ( табл. 9) показал, что в зерне озимой пшеницы значительно увеличилось содержание азота при внесении ОСВ – на 0,31 %. В 2 из 3 вариантов с применением компостов содержание N было даже несколько ниже, чем в контроле: 1,93-1,68 %. Содержание этого элемента в соломе на всех вариантах изменялось незначительно по отношению к контролю. Заметно повышено содержание фосфора в зерне (до 17 относительных %) и калия – в соломе (до 30 относительных %). Расчеты показали, что коэффициент использования калия из удобрений составил 57-79 %.

Таблица 9. Химический состав растений озимой пшеницы, % По характеру и сбалансированности изменения содержания основных элементов питания в зерне наилучшие показатели были получены в варианте применения компоста с добавлением БИОФРСЕ.

Применение ОСВ и компостов в качестве удобрений с дозой сухих веществ около 12-15 т/га повышает концентрацию тяжелых металлов в почве, но их невысокое фоновое содержание и повышенная абсорбционная способность применяемых компостов не допускают превышений в сельскохозяйственной продукции (зерно, солома) предельно допустимых концентраций ТМ (табл. 10).

Содержание ТМ в зерне и соломе существенно ниже МДУ. Наибольшее увеличение интегрального показателя загрязнения тяжелыми металлами Zc в зерне вызвали хром и свинец. Содержание Cr в зерне возросло с 0,07 мг/кг на контроле до 0,17 мг/кг при применении ОСВ и до 0,13 мг/кг при применении компостов. Замена ОСВ компостами позволяет снизить интегральный показатель загрязнения зерна ТМ до 2 раз – в вариантах компостов с биопрепаратами-деструкторами.

Содержание поступления ТМ в соломе выше, чем в зерне (наибольший рост наблюдается при внесении ОСВ), и понижающий загрязнение эффект замены ОСВ компостами в этом случае проявляется гораздо слабее. Тем не менее, ни в одном варианте опыта не отмечается превышения МДУ для сочных и грубых кормов.

Таблица 10. Содержание ТМ в растениях озимой пшеницы в мг/кг, 2011 г.

Компост-контроль,