Утилизация сточных вод в качестве удобрения ячменя
Одной из главных экологических проблем существования и развития городов является утилизация хозяйственно-бытовых сточных вод. Эта проблема с развитием человеческой цивилизации становится все острее, так как продолжается рост городов за счет концентрации в них населения и промышленности. Следовательно, увеличивается и накопление городских сточных вод. По своему химическому составу осадки городских сточных вод (ОСВ) с иловых площадок могли бы служить прекрасным удобрением для большинства культур и мелиорантом почв. Однако по литературным данным имеется ряд ограничений использования их в этом направлении: наличие в них тяжелых металлов (ТМ), радионуклидов (РН), заразных микроорганизмов (ЗМ) и гельминтов (ГМ). В каждом конкретном случае требуется специфический подход к использованию ОСВ, так как каждый крупный город имеет осадки определенного качества, количества и состава.
Подобная проблема стоит и перед г. Калугой. На городских иловых площадках накоплен достаточно большой объем ОСВ. Ясной линии их утилизации на сегодняшний день нет. Изучается возможность использования ОСВ в качестве органо-минерального удобрения под с/х культуры. Доказано их положительное действие на продуктивность многих культур. Выявлены основные ТМ, накапливающиеся в продукции растениеводства при внесении ОСВ в высоких нормах. Установлены тенденции в изменениях параметров плодородия дерново-подзолистых почв (35 ,36).
Однако неизученными остались длительность эффективности действия ОСВ в качестве удобрения при разовом внесении, эффективность обезвоженного осадка сточных вод (ООСВ или КЕК), особенности действия ОСВ и ООСВ на фоне известкования почв, проблемы высоких доз ОСВ и ООСВ, технологические приемы локализации ОСВ и ООСВ в почву при возделывании различных культур, особенности применения ОСВ и ООСВ в различных севооборотах, мониторинг за накоплением ТМ в почвах, продукции растениеводства.
Цели и задачи исследования
Целью научно-исследовательской работы явилось изучение агроэкологической и экономической эффективности высоких доз осадков сточных вод различной влажности при почвенном пути их утилизации в качестве удобрения ячменя при возделывании его в технических целях для получения биотоплива.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) изучить особенности роста и развития ячменя при внесении в дерново-подзолистую супесчаную почву высоких доз ОСВ и ООСВ (в норме 200 т/га по сухому веществу) на третий год после их применения с различным способом их локализации в почве;
2) исследовать структуру, уровень и качество урожая ячменя на третий год после применения высоких доз ОСВ и ООСВ (в норме 200 т/га по сухому веществу) в качестве удобрения;
3) установить уровни накопления ТМ в зерне ячменя и дерново-подзолистой супесчаной почве при внесении в качестве удобрения 200 т/га по сухому веществу ОСВ и ООСВ на третий год последействия;
4) выявить изменение параметров плодородия дерново-подзолистой супесчаной почвы на третий год после внесения в нее в качестве удобрения ячменя 200 т/га ОСВ и ООСВ.
5) рассчитать экономическую эффективность применения 200 т/га по сухому веществу ОСВ и ООСВ в качестве удобрения ячменя на третий год последействия на дерново-подзолистой супесчаной почве.
Рабочая гипотеза исследования
Из-за нехватки близлежащих площадей вокруг иловых площадок для внесения рекомендованных доз осадков в качестве удобрения с/х культур, выявить агроэкологическую и экономическую эффективность внесения высоких доз ОСВ и ООСВ на перспективу в качестве удобрения любых ботанических видов растений и мелиоранта почв без ущерба окружающей среде и для получения биотоплива.
Научная новизна исследования определяется тем, что впервые в условиях нашего региона изучена эффективность высоких доз ОСВ и ООСВ в качестве удобрения ячменя в последействии на дерново-подзолистой супесчаной почве.
Практическое значение полученных результатов состоит в том, что они подтверждают возможность разового использования высоких доз ОСВ и ООСВ в качестве удобрения ячменя на дерново-подзолистой супесчаной почве.
Автор выражает огромную благодарность научному руководителю, заведующему кафедрой сельскохозяйственной радиологии и экологии, профессору Сюняеву Н. К. за помощь при проведении исследований и подготовке дипломной работы.
Глава 1. Современное состояние изученности вопроса (обзор литературы по теме исследования)
Один из основных продуктов антропогенной деятельности человека в урбанизированном мире являются городские отходы, в том числе осадки городских сточных вод (ОСВ). Накопление ОСВ на станциях аэрации с одной стороны осложняют их производственную деятельность, приводит к расширению сети иловых карт для хранения и обезвреживания сточных осадков, а с другой стороны в эпицентре и ближайших территориях городов возникают при накоплении ОСВ потенциальные источники загрязнения биосферы, гидросферы, литосферы и отчуждения дефицитных земельных ресурсов.
Существуют несколько основных направлений утилизации ОСВ:
1) захоронение на специальных полигонах;
2) сжигание;
3) использование в качестве удобрений.
Первые два способа разрабатываются только в отношении отходов промышленного производства.
Для утилизации ОСВ станций аэрации и иловых площадок разрабатываются только преимущественно третий способ использования в качестве удобрений (1, 8, 22, 25).
По данным итальянского института водных проблем, в странах ЕЭС ежегодно утилизуются на удобрения около 2млн. т сухого вещества этого вида отходов городов, что составляет 40% всего объема осадка, накапливающегося на станциях аэрации. Согласно расчетам, экономия азотных удобрений за счет осадка составляет 2-4%, фосфорных - 8%, калийных – 2%.
В РФ из объема производства ОСВ в 5 млн.т по сухому веществу на удобрения используется не более 10%, остальные складируются в зонах прилегающих к станциям аэрации, создавая источники локального загрязнения биосферы.
Наибольшая плотность городского населения и разветвленная сеть станций аэрации для переработки бытовых и промышленных стоков имеет место в Центральном, Северо-западном и Западном регионах, Нечерноземной зоны РФ. В них основным пахотным фондом являются дерново-подзолистые почвы, из которых 12 млн. га пашни имеют песчаный и супесчаный механический состав. Несмотря на то, что в подавляющем большинстве случаев супесчаные и песчаные почвы отличаются низким естественным плодородием, значимость их в сельском хозяйстве из-за регионального расположения велика. При применении современной агротехники данные почвы имеют достаточно хорошую продуктивность. Повышение их плодородия требует внесения значительных доз органических и минеральных удобрений (6,40).
Наиболее распространенным видом органических удобрений в Нечерноземной зоне РФ являются торфяной навоз, торфонавозный компост, низинный торф. Внесение данных удобрений оказывает благоприятное влияние на агрохимические свойства почвы, способствует росту урожайности сельскохозяйственных культур (6,40).
Однако в современных условиях сельскохозяйственного производства основная масса органических удобрений направляется под пропашные и технические культуры. Дефицит данных удобрений, исходя из предпосылки положительного баланса гумуса, составляет в целом по РФ около 400 млн. т/год. В связи с этим возникает целесообразность использования других видов и источников органических удобрений, например ОСВ. Ежегодно объемы их накопления превышают 30млн.т в расчете на 75% влажности.
Использование ОСВ в сельском хозяйстве РФ позволяет в первую очередь восполнить нехватку в органических удобрениях в районах, прилегающих крупным городам и в пригородных зонах мелких и средних городов. Органическое вещество, макро и микроэлементы, высокое содержание фосфора, слабощелочная и нейтральная реакция кислотности делают ОСВ ценным удобрением. Тем самым ОСВ могут являться существенным источником питательных веществ, составляющим ежегодно по азоту (N) до 90-100 тыс. т, фосфору (Р2О5) 130-160 тыс. т и калию (К2О) 15-20 тыс.т (21, 22).
В условиях ограничения запасов сырья для производства минеральных удобрений, в первую очередь фосфорных, ОСВ являются потенциальным резервом элементов питания. Проведенные исследования свидетельствуют о высокой удобрительной ценности осадков (Белая,1968; Даукшее,1985 и др.; Двойнишников,1975; Дмитриева,1969; Касатиков,1984; Канунникова,2000; Хоренко,2002).
Низкий уровень применения осадков в РФ (5-10% годового производства) объясняется, прежде всего, недостаточными в организации исследований по вопросам производства и использования технологически различных видов ОСВ на удобрения, отсутствием полной объективной научной информации об их влиянии на урожай и его качество, о накоплении и распределении в растениях биогенных макро- и микроэлементов, тяжелых металлов, вносимых в почву в составе ОСВ, о предельно-допустимых дозах влияния этого удобрения под разные культуры, о нормированном подходе, об оценке фитотоксичности осадков и так далее (2, 16).
Между тем опыт утилизации ОСВ в ФРГ, США, Франции, Финляндии и ряде других стран свидетельствует о том, что при наличии эффективной технологии обработки осадков и контроле за их применением, большая часть ОСВ (до 60%) может быть использована в качестве удобрения в сельском хозяйстве, в городском озеленении, а также при рекультивации земель, лесовосстановительных и других работах.
Бесконтрольное же применение ОСВ может повысить экологическую нагрузку на агроэкосистему за счет внесения в нее ряда токсичных тяжелых металлов, в тоже время захоронение ОСВ, их концентрация на свалках создает реальную опасность неконтролируемого загрязнения среды обитания человека.
Таким образом, внесение ОСВ в почву в отличие от торфяных удобрений может нести в себе ряд как положительных, так и отрицательных моментов. Основной из них – наличие в осадках в ряде случаях повышенного уровня тяжелых металлов. К ним относятся элементы, имеющие плотность более 5г/см3, их насчитывается 38. Четыре из них свинец, кадмий, цинк и медь рассматриваются как одни из наиболее опасных загрязнителей биосферы (8, 26).
Агроэкологические свойства ОСВ
ОСВ представляет собой примеси в твердой фазе, выделенные из воды в результате механической, биологической и физико-химической очистки или сочетания этих методов.
Твердая фаза осадков на 60-70% состоит из органических соединений, способных быстро разлагаться и загнивать с образованием неприятных запахов. Поэтому их утилизация обычно предшествует специальная подготовка. В зависимости от способа обработки ОСВ различают следующие виды осадков:
1) сырой осадок, выпадающий в первичных отстойниках очистных сооружений;
2) избыточный активный ил, образующийся в результате биологической очистки;
3) сброженный осадок, продукт анаэробного или аэробного сбраживания осадка из первичных остатков и активного ила из вторичного отстойника;
4) шлам – продукт химической очистки.
Свежие отходы, получаемые путем очистки сточных вод, богаты органическим веществом, способны к быстрому брожению, поэтому осадки надо стабилизировать. Использование для этого сбраживания в метатенках в термофильном и мезофильном режимах обеспечивает минерализацию 30-50% органического вещества (26, 39).
На практике часто применяется компостирование ОСВ и других коммунальных отходов или заменяющими их веществами (навоз, торф, опилки, древесная кора, биомасса растений, глины). Готовый компост представляет собой сыпучий продукт с высоким содержанием питательных веществ в усвояемой для растений форме.
Как и для компостов, состав ОСВ не является постоянным и зависит от источника происхождения осадков и способа их обработки (22).
1. Состав осадка в зависимости от способа обработки (по данным ряда авторов)
| Вид осадка | Содержание | |||
| сухого в-ва в % от сырой массы | орг. в-ва, в % от сухого вещества | азота, в % от сухого вещества | С:N | |
сырой сбраженный в анаэробных условиях сбраженный в аэробных условиях подсушенный на иловых площадках стабилизированный и механически обезвоженный обезвоженный, обработанный в автоклаве | 3-5 5-10 4-8 30-50 35-50 40-50 | 60-80 40-60 50-70 50-70 35-50 ≈80 | 3-5 2-7 3-8 3-8 2-4 1-2 | 10-14 5-10 5-8 5-8 8-12 ≈20 |
Так термическая сушка способствует уменьшению в них органического вещества. Этому также способствует обработка осадков такими реагентами, как известь, хлористого железа. Предварительная термическая обработка, проводимая перед механическим обезвоживанием, вызывает, кроме того, значительную потерю азота, которая может достигнуть 40-50% (1).
Обработка осадков известью способствует потере азота в виде катионов аммония и анионов (нитрат ионов) и снижению доступности для растений фосфора. Установлено, однако, что от 64% до 84% общего фосфора осадков находится в подвижной форме. Фосфор присутствует в осадках, главным образом, в твердой фазе. Калий и натрий находятся в растворенном состоянии, их значительная часть выводится в результате фильтрации и центрифугирования ОСВ. Условия и длительность хранения осадков также могут оказывать определенное влияние на концентрацию в них различных элементов. Процентное содержание элементов питания в осадке и другие качественные показатели зависят в значительной мере от его влажности, а также происхождения, соотношения бытовых и промышленных стоков и сезона года (15).
Углерод содержится в осадках главным образом в органической форме (20-30% от сухого вещества). В состав органической части ОСВ входят полисахариды, жиры, воск, масла, протеиновые смеси и ряд полифункциональных групп. Осадки содержат от 1 до 4% минерального углерода, очевидно в форме карбоната кальция и магния и других металлов.
Присутствие соединений тяжелых металлов в осадках сточных вод создает одну из трудностей их использования в качестве удобрения. Известно, что многие элементы способны накапливаться в тканях растений, так и в организмах их потребляющие. Поэтому одним из критериев пригодности ОСВ для сельского хозяйства служит уровень содержания в нем тяжелых металлов, наличие которых во многом обусловлено деятельностью промышленных предприятий. Причем, специфика производства и вид удобрений могут влиять на качественный и количественный состав ТМ в почвах (2, 12).
Металлы содержатся в отходах в различной форме: обменной, абсорбированной, связанной с органическим веществом, карбоната и т. д. Вследствие того, что в осадках ТМ связаны в основном с твердой фазой, сушка и обезвоживание не вызывает их значительных потерь, а прохождение осадка через аэробную фазу может оказывать влияние на локализацию металлов в нем и их лабильность после внесения в почву, но этот вопрос изучен недостаточно. Никель, цинк и кадмий являются наиболее лабильными металлами в силу своей высокой способности к комплексообразованию.
В настоящее время определены ПДК для некоторых ТМ в осадках (таблица 2). В Англии и в некоторых других странах ПДК основаны на цинковом эквиваленте, равным сумме 8 частей никеля, 2 частей меди, 1 части цинка. Систематический анализ показал, что превышение этого уровня содержания металлов в ОСВ делает его непригодным для применения на удобрение в сельском хозяйстве.
2. Значение ПДК тяжелых металлов в осадке сточных вод в ряде стран (по данным зарубежных ученых)
| ТМ | ПДК ТМ в осадке (мг/кг сухого вещества) | |||||||
| ФРГ | Финляндия | Австрия | Франция | Швеция | Голландия | Швейцария | Директивы ЕЭС | |
| Pb | 1200 | 1200 | 500 | 300 | 300 | 500 | 900-1500 | 750 |
| Cd | 20 | 30 | 10 | 15 | 15 | 10 | 25-40 | 20 |
| Cr | 1200 | 1000 | 500 | 200 | 1000 | 500 | 900-1500 | 750 |
| Cu | 1200 | 3000 | 500 | 1500 | 3000 | 500 | 900-1500 | 1000 |
| Ni | 200 | 500 | 200 | - | - | 100 | 150-300 | 300 |
| Hg | 25 | 25 | 10 | 8 | 8 | 10 | 8-15 | 16 |
| Zn | 3000 | 5000 | 2000 | 3000 | 10000 | - | 2500-4000 | 2500 |
| Mn | - | 3000 | - | 500 | - | - | - | - |
| Co | - | 100 | 100 | 200 | - | - | 80-150 | - |
| Ag | - | - | 100 | - | - | - | - | - |
В этих странах действует система контроля за содержанием ТМ в осадках. Разрешение на их использование сопровождается данными о дозах и сведениями о количестве поступающих при этом в почву питательных элементов. Кроме ТМ, в осадке обнаруживают роданиды, фенолы, кетоны и ряд других органических соединений, в том числе пестициды, полихлорбифенилы (ПХБ) и так далее (14, 20).
На удобрения используются в основном обеззараженный осадок, в противном случае в нем присутствует в большом количестве вирусы, патогенные грибы и яйца гельминтов. Роль же самой почвы в стерилизации в значительной степени зависит от того, как патогены, конкурируют с естественной флорой почвы (27).
Изучению процессов разложения микроорганизмами ОСВ, содержащих повышенное количество ТМ, посвящен ряд исследований. В них выявлена повышенная устойчивость к ТМ микроскопических грибов, в то время как количество спорофитных бактерий, и актиномицетов уменьшается. Под действием токсичных элементов обедняется также видовой состав споровых бактерий, водорослей и грибов. Сравнительно большой устойчивостью к свинцу отличаются актиномиценты, а многие микроорганизмы толерантны к кадмию. Очевидно, следует ожидать влияние стронция на процесс нитрификации в почве, ингибирование которого в целом способствует избыточное накопление данного ТМ. Максимальное влияние на процессы денитрификации и жизнедеятельности растений, по данным многих авторов, оказывает кадмий. Этот металл снижает рост бактерий, тормозит процессы превращения оксида азота (IV) и способствует интенсификации накопления в почве нитратов в отличие от свинца (33). В тоже время внесение осадка, в отличие от действия металлов при промышленном загрязнении, увеличивает общую численность микроорганизмов, повышает ферментативную активность и создает условия для развития основных физиологических групп микроорганизмов.
Под действием ОСВ в 1,5-1,7 раза увеличивалось количество целлюлозоразлагающих бактерий, а содержание плесневых грибов снижалось. По мнению авторов, это связано с подщелачиванием почвы осадками.
Грибы и бактерии, усваивающие минеральный азот, наиболее устойчивые к действию ТМ. При повышении их концентрации в почве меняется активность ферментов, что является одним из диагностических показателей загрязненности почвы. Результаты исследований показали также, что шлам, содержащий тяжелые микробные популяции, изменялся под действием металлов, что может сказаться отрицательно на круговороте питательных элементов.
Внесение в почву ТМ, особенно кадмия и меди, повлияло также на распределение видов грибов (10, 11).
Проведенные исследования и опыт использования осадков в сельском хозяйстве свидетельствуют о том, что ОСВ является органическим, азотно-фосфорным удобрением, содержащим также ряд микроэлементов, необходимых для роста и развития растений. Под влиянием ОСВ повышается обеспеченность почв органическим веществом и элементами питания растений.
Считается, что влияние осадков и компостов на их основе заключается в улучшении водно-физических свойств почвы, обеспечение растений фосфором, микроэлементами и частично в удовлетворении их потребности в азоте и калии. ОСВ повышают общий запас фосфора в почве и, по мнению ученых, обогащенные фосфором ОСВ целесообразно использовать в качестве фосфорных удобрений.
Доступность фосфора в ОСВ неодинаково и зависит от его вида. В сыром осадке она приравнивается к доступности фосфора в монокальцийфосфатах, тогда как в подсушенном осадке фосфор трудноспособен усваиванию растениями. На доступность фосфора из осадка определенное влияние оказывает реакция почвенной среды и тип флокулянта. Так, эффективность ОСВ, скоагулированного кальцием, была наибольшей на кислых почвах, скоагулированого алюминием и железом – на нейтральных и слабощелочных почвах.
Согласно одним данным, непрерывная минерализация органического фосфора ОСВ способствует содержанию усвояемого фосфора в почве на относительно высоком уровне в течение нескольких лет. Однако, по другим данным, усвояемый фосфор постоянно фиксируется почвой. По некоторым данным зарубежных ученых обработанные известью осадки могут значительно повысить фиксирующую способность почвы по отношению к фосфатам. Что касается его потерь, то в аноксичных условиях значительное количество фосфора некоторых видов ОСВ может быть внесено в органической форме. В обычных условиях использование фосфора растениями значительнее, чем потери в результате перколяции (2,13).
Внесение ОСВ в почву может существенно изменить ее физико-химические свойства. Выявлено, что некоторые металлы могут блокировать активные участки гуминовых кислот, препятствуя тем самым образованию подвижных органических соединений, их минерализации и накоплению в почве элементов питания. ТМ ослабляют и разрушают связь гуминовых кислот с минеральной частью почвы, что способствует вымыванию илистого материала и частичным потерям гумуса. Известны высокие нейтрализующие свойства осадков, обработанных с добавлением извести, и обратное действие ОСВ. При удобрении посевов осадками, имеющих нейтральную и слабощелочную реакцию, проявляются его нейтрализующее действие. Это их свойство имеет особенно большое значение при улучшении малоплодородных земель. Внесение осадка отражается также и на других физико-химических свойствах почвы. В частности возрастает сумма поглощенных оснований и степень насыщенности ими почвы, снижается гидролитическая кислотность, меняется электропроводимость почвенного раствора (21, 28).
Осадки оказывают положительное влияние и на структуру почвы, но в меньшей степени, чем солома и навоз. Флокулирование известью отходов вызывает более значительное улучшение структуры почвы, чем не флокулированные. Исследование зарубежных ученых выявили положительное влияние ОСВ и компостов на их основе, особенно в смеси с городским мусором, на агрегатное состояние почв, подверженных эрозии. Это связано с присутствием в них органического вещества, повышающего оструктуренность почвы, а также наличие грубых частиц и кальция, улучшающих водно-физические свойства почвы. При этом увеличивается общая порозность почв, по мнению одних ученых. А по результатам исследования других – разложение органического вещества компостов может привести к ухудшению физических свойств почвы (23, 28).
ОСВ являются одним из источников антропогенного загрязнения почвенного покрова. В Дании 90% кадмия поступает в почву с ОСВ в дозе 5т/га сухого вещества, остальные 8% идут из атмосферы и 2% - с минеральными удобрениями. При продолжительном внесении осадка происходит постепенное накопление в почве ТМ, не пропорциональное дозам ОСВ, что указывает на некоторую иммобилизацию ТМ со временем почвой. Через 2 года после внесения отмечалось увеличение концентрации ТМ на глубине 20 и 40см (13).
Подвижность ТМ в почвах, их поведение в системе почва-растение, а также способность их к миграции находятся в зависимости от сорбционной способности почвы. Она в свою очередь определяется такими факторами, как почвенная кислотность, концентрация органического вещества, его свойства, гранулометрический и минералогический состав и некоторые другие. Поэтому ввиду многообразия факторов и их сочетания можно выявить закономерности миграции и поступление ТМ ОСВ из почвы в растения. Речь может идти пока в основном об общих чертах данного процесса. В частности с увеличением кислотности почвы подвижность металлов и их способность к транслокации в растение возрастет независимо от источника ТМ. Так при снижении кислотности почвы на 1,0 активность цинка и стронция возрастает в 100 раз. В кислой среде кадмий, свинец также более подвижны. В то же время, по данным зарубежных ученых подвижность кадмия и цинка в почвах, удобренных осадком, снижалась при рН 6,4. Известкование глинистых почв, обработанных ОСВ, также уменьшает подвижность цинка, никеля, меди и кадмия. Однако, по мнению других зарубежных ученых при повышении рН сорбция металлов понижается. В частности содержание водорастворимого кадмия в вариантах с различными дозами внесения ОСВ в карбонатных почвах было выше, чем в кислых (37).
Следует отметить, что для металлов, вносимых в почву вместе с ОСВ, часто создаются дополнительные условия изменения подвижности. Это определяет специфику накопления токсикантов в почве. Так минерализация и нитрификация азота ОСВ приводила к снижению кислотности почвы. Внесение осадка обогащенного нитратами, повышает кислотность почв, создает условия для растворения металлов и поглощение их растениями. Накопление ТМ быстрее происходит в почвах с высоким содержанием органического вещества. При этом переход их в малоподвижную форму идет тем сильнее, чем больше в состав гумуса гуминовых кислот. В частности свинец образует наиболее стабильные комплексы с гуминовыми кислотами. Взаимодействие ТМ с желатоподобными соединениями может наоборот послужить причиной увеличения подвижности металлов в почве.
Подготовка ОСВ к внесению в почву также влияет на накопление в ней металлов. Так сырой осадок способствовал более значительной аккумуляции металлов в почве, чем компостированный. Исключение составляет кадмий. Его содержание в почвах, обработанных технологически разнородными осадками, находилось примерно на одном уровне.
Таким образом, химизм ТМ в почве является сложным процессом, зависящим от ряда факторов. Образующиеся в почве соединения на основе ТМ имеют различную степень подвижности, что влияет на способность металлов транслокации в растения. В настоящее время во многих странах, в том числе и РФ, существует педельно-допустимые концентрации (ПДК) ряда ТМ в почве. При этом среди исследователей нет единого мнения, как в отношении методического подхода к разработке ПДК, так и количественном их уровне по элементам и типам почв. При известном уровне содержания ТМ в ОСВ можно расчетным путем на основе ПДК ТМ в почве определить дозы внесения осадка. Рациональное их применение уменьшит уровень загрязнения почвы, а, следовательно, и растений ТМ. Вопрос об удобрении почв с повышенным содержанием металлов решается в каждом конкретном случае соответствующими компетентными органами. При расчете доз ОСВ, обычно исходят, из данных об их составе, свойствах почв, эрозионной опасности и вида растений. Различные сельскохозяйственные культуры отличаются друг от друга по способности аккумулировать металлы, что также особенно должно учитываться при расчете доз осадков (34, 36).
При помощи ТМ активизируются ряд ферментов. Их влияние может оказывать решающую роль на биохимические процессы, протекающие в растениях, определяя тем самым урожай культуры и их качество. Так осадки, содержащие медь, повышают урожайность зерновых культур на торфяно-болотных и песчаных почвах. Марганец и цинк способствуют росту урожайности сахарной свеклы, кукурузы и других культур. Из-за дефицита железа наблюдается явление хлороза цитрусовых. Но в то же время все эти элементы в больших дозах оказывают токсичное действие на растения.
Кадмий, никель не требуются растениям и вместе с такими металлами, как свинец, ртуть, хром, мышьяк опасны для растений и их органов в связи с их способностью транслокироваться из почвы в растения. При высоких концентрациях этих ТМ в растительных тканях защитные возможности растений исчерпываются, что приводит к нарушению процессов их жизнедеятельности и снижению урожайности культур. В то же время применение больших доз ОСВ за 2 года (200т/га по СВ.) не вызвало депрессионного действия на растения и при этом происходит даже значительное увеличение биомассы (9, 22).
В настоящее время разработаны ПДК ТМ в растительной биомассе (таблица3).
3. Предельно допустимые концентрации ТМ в растительной ткани
| ТМ | ПДК мг/кг | |
| для растений | для корма | |
Cd Co Cr Cu Hg Ni Pb Se Zn | 5-10 10-20 1-2 15-20 0,5-0,1 20-30 10-20 20-30 150-200 | 0,5-0,1 10-50 50-300 30-100 1,0 50-60 10-30 5 500 |
Чтобы правильно оценить возможность использования осадков в качестве удобрения и разработать дозы их внесения, необходимо учитывать факторы, влияющие на перенос элементов из почвы в растения. Прежде всего, содержание ТМ в растениях зависит от общей концентрации их в почве. Повышение содержания в ней металлов чаще всего вызывает увеличение содержания их в растениях.
Существует ряд факторов, регулирующих поступление и накопление металлов культурами. Один из основных – кислотность. Поглощение ТМ растениями значительно выше в кислых почвах. Наиболее высокое содержание металлов в растениях наблюдалось при рН<4,8. Известкование глинистых почв понижало концентрацию Zn, Cu, Ni в растение салата-латука. И для уменьшения подвижности большинства поступающих с ОСВ металлов (свинец, цинк, кадмий, никель) необходимо поддерживать рН почвы выше 6,5. Перевод поступающих в почву ТМ в малоподвижную форму и снижение их доступности растениям происходит также за счет поглощения металлов глинистыми минералами. Активность ТМ в почвах тяжелого гранулометрического состава также снижается, становясь менее доступным для корневой системы растений (14, 18).
Доступность ТМ для растений зависит и от вида осадка. Наибольшее количество металлов поступают в растения при внесении в почву жидкого анаэробносброженного осадка, в нем металлы находятся в растворимой форме. В то же время в компостах ТМ менее доступны для растений, чем ТМ в осадке. Следовательно, один из возможных путей снижения подвижности ТМ, попадающих в почву вместе с ОСВ – их применение в качестве удобрения в сочетании с навозом, торфом, различными компостами и фосфорными удобрениями.
В определенной степени поступление ТМ из ОСВ в растения зависит от свойств самих металлов. В больших количествах могут накапливаться цинк, кадмий, кобальт, никель; в меньшей – свинец, медь, стронций, ртуть. Это объясняется чаще всего их неодинаковой способностью к взаимодействию с ППК почвы. Взаимодействие элементов друг с другом также оказывает влияние на процесс их поглощения растениями.
Распределение ТМ в растениях носит неравномерный характер. В нем участвуют питательные вещества, вода, поглощенные растениями из почвы и продукты обмена веществ. В вегетативных органах растений металлов обычно накапливается больше, чем в их генеративных частях. Для устранения токсичного действия некоторых металлов в растениях образуются коньюгаты ТМ с эндогенными продуктами обмена веществ. Следует иметь в виду, что растения могут накапливать под действием ОСВ большую биомассу, могут нормально развиваться, а полученная продукция может иметь хороший товарный вид, но концентрация ТМ будет высокой (15, 19).
Абсолютное большинство исследователей в нашей стране и за рубежом отмечают повышение биомассы и продуктивности растений при внесении различных доз осадков сточных вод в качестве удобрения, несмотря на проблему поступления и накопления ТМ.
Анализ литературных источников выявил относительно слабую изученность вопроса, связанного с использованием ОСВ в сельском хозяйстве при отсутствии отечественных исследований по ряду моментов, в том числе по ОСВ с ОСК г. Калуги.
Противоречивость мнений и выводов, существующих в научной литературе об использовании ОСВ в качестве удобрений растений и мелиоранта почв, а также недостаточность экспериментальных данных по использованию в АПК Калужской области осадков сточных вод г. Калуги качестве удобрения сельскохозяйственных культур послужили основанием для проведения наших исследований (7, 27, 30, 31).
Глава 2. Условия и методика проведения исследований
2.1 Условия проведения исследований. Климат и метеорологические условия 2007 года
Район местонахождения учебно-опытного поля характеризуется умеренно-континентальным климатом с теплым летом и умеренно-холодной зимой, устойчивым снежным покровом и хорошо выраженными сезонами.
Переход среднесуточной температуры через +5°С приходится на 18 апреля, а продолжительность периода с температурой выше +5°С составляет 174 – 177 дней. Из приведенных данных видно, что теплом могут быть здесь обеспечены все сельскохозяйственные культуры. Переход среднесуточной температуры воздуха через +10°С приходится на первую декаду мая, а продолжительность периода составляет 135 – 138 дней. Весенние заморозки на ровных открытых местах заканчиваются в среднем 6-10 мая, а осенние начинаются 24 – 27 сентября. Продолжительность безморозного периода составляет 135 – 146 дней. Полное оттаивание почвы наблюдается 23 – 24 апреля. По влагообеспеченности район поля можно отнести к зоне достаточного увлажнения. Сумма осадков за период с температурой выше +10°С составляет 300 – 320 мм, а испаряемость за тот же период 195 – 210 мм.
4. Среднесуточная температура воздуха и сумма атмосферных осадков за вегетационный период 2007 года
| Месяц | Декада | Сумма осадков, мм | Средняя температура воздуха, °С | ||||
| 2007г. | Сред. многол. норма | % к норме | 2007г. | Сред. многол. норма | % к норме | ||
| Апрель | 3 | 14 | 14,8 | 27 | 6,5 | 8,2 | 79 |
| Май | 1 | 11 | 16,9 | 65 | 11,6 | 10,7 | 108 |
| 2 | 48 | 17,0 | 282 | 11,5 | 12,3 | 93 | |
| 3 | 33 | 20,0 | 165 | 12,3 | 13,8 | 89 | |
| всего | 92 | 53,9 | 172 | 11,8 | 12,3 | 96 | |