Содержание и состав органического вещества дерново-подзолистой почвы при внесении удобрительных смесей на основе осадка сточных вод
Утилизация ОСВ уже на протяжении многих десятилетий является широко обсуждаемой проблемой. При этом считается признанным фактом, что химический состав ОСВ располагает к применению его в качестве органического удобрения. ОСВ очистных сооружений жилищно-коммунального хозяйства может служить источником для почвы органического вещества, а также макро- и микроэлементов (азота, фосфора, калия, кальция, магния, меди, цинка и др.), необходимых для нормального протекания физиологических и биохимических процессов растений. При этом продолжается поиск способов обезвреживания ОСВ (в частности, содержащих в нем ионов тяжелых металлов).
ОСВ представляет собой полутвердый остаточный материал, образующийся в результате осаждения взвешенных твердых веществ в процессе очистки городских канализационных вод. В ходе очистки стоки попадают сначала в первичный отстойник, где улавливаются взвешенные твердые частицы и органические вещества в результате гравитационного осаждения. Далее, уже в аэротенках, происходит биологическая очистка воды с участием микроскопических организмов: простейших, инфузорий, коловраток, грибов, бактерий. Последние из указанных играют основную роль в окислении органических соединений сточной воды и перехода их в осадок. В целом микробоценоз активного ила может содержать около 37 видов микроорганизмов.
На данном этапе после очистки воды от углеродсодержащих органических соединений создаются условия для развития нитрифицирующих бактерий, которые способны накапливать фосфаты, обеспечивая тем самым их переход из воды в твердые частицы. Поэтому были разработаны методы управления очисткой воды в аэротенках путем воздействия на метаболизм микроорганизмов активного ила. Осадок из первичного отстойника и активный ил попадают на иловые карты и в дальнейшем подлежат утилизации.
По причине сложного технологического процесса очистки канализационных вод обращение с огромным количеством осадков влечет за собой значительные эксплуатационные расходы на водоочистные сооружения. В связи с этим необходимы соответствующие стратегии их использования, устойчивые с экологической и экономической точек зрения.
Основными способами утилизации ОСВ являются сжигание и санитарное захоронение, значительно реже — внесение в почву с целью улучшения ее агрохимических показателей. Однако применение очищенного ОСВ в качестве удобрения может покрыть большую часть потребностей в азоте и фосфоре многих сельскохозяйственных культур. Более того, внесение ила в почву, главным образом в сельском хозяйстве, по сравнению со сжиганием или санитарным захоронением обходится дешевле.
Хотя использование ОСВ в качестве источника питательных веществ и органических соединений может оказывать положительное влияние на почву. Оно также представляет собой риск из-за содержания загрязняющих веществ, таких как тяжелые металлы, органические соединения и патогенные микроорганизмы. Среди органических соединений наиболее часто обнаруживаются в осадках коммунальных сточных вод адсорбируемые органические галогены (АОГ), линейные алкилбензолсульфонаты (ЛАС), нонилфенолы и этоксилаты нонилфенола (НП), диэтилгексилфталат (ДЭГФ), полиароматические углеводороды (ПАУ), полихлорированные бифенилы (ПХБ), полихлорированные дибензо-n-диоксины и -фураны (ПХДД/Ф). Даже такие ценные питательные вещества, как соединения фосфора, могут вызывать загрязнение водных и наземных экосистем при внесении в сельскохозяйственные угодья в избытке в виде удобрений.
Неопределенность в отношении воздействия нежелательных веществ в составе ОСВ делает его использование в сельском хозяйстве сложной и рискованной практикой с точки зрения влияния на здоровье. Поэтому необходимо найти такие технологии применения ОСВ, которые бы не вредили окружающей среде и организму человека.
Тем не менее важным фактом в условиях дефицита традиционных органических удобрений является высокое содержание в составе ОСВ органического вещества, которое способно повышать гумус в почве, что в свою очередь благоприятно отражается и на других ее параметрах, а также на продуктивности полевых культур.
Цель работы — изучение влияния ОСВ, вносимого в почву в виде удобрительных смесей с дополнительными органическими субстратами (торфом, опилками, соломой), на содержание и состав органического вещества дерново-подзолистой супесчаной почвы, а также на урожайность полевых культур.
Материалы и методы исследования
Полевой опыт проводился в 2015–2017 гг. на дерново-подзолистой супесчаной почве в Калининском районе Тверской области. Почва пахотного слоя имела слабокислую реакцию (рНKCl 5,7), содержание подвижного фосфора составляло 241 мг/кг, подвижного калия — 124 мг/кг почвы, органического вещества — 1,3%.
Смеси на основе ОСВ с очистных сооружений г. Твери и органических наполнителей (еловых опилок либо низинного торфа или ржаной соломы) вносили один раз — в начале эксперимента (в мае 2015 г.). Для сравнения в опыт был включен вариант с компостом (БиоКомпост «Тверской»), производимым на территории станции очистных сооружений из ОСВ и опилок.
Схема опыта включала следующие варианты:
- контроль (без удобрений),
- компост на основе ОСВ,
- ОСВ — опилки: 1:1,
- ОСВ — опилки: 1:2,
- ОСВ — опилки: 1:3,
- ОСВ — торф: 1:1,
- ОСВ — торф: 1:2,
- ОСВ — торф: 1:3,
- ОСВ — солома: 1:1,
- ОСВ — солома: 1:2,
- ОСВ — солома: 1:3.
Количество частей ОСВ и органических наполнителей подбиралось исходя из разного соотношения углерода к азоту. Химический состав компонентов изучаемых смесей и компоста различался между собой (табл. 1). Содержание токсичных элементов в ОСВ, а также его санитарно-бактериологические и санитарно-паразитологические показатели соответствовали нормам ГОСТ Р 54651-2011.
Повторность четырехкратная, размер делянки — 6 м2. Опытные культуры по годам: 2015 г. — вико-овсяная смесь, 2016 г. — озимая рожь, 2017 г. — яровой ячмень. Почвенные образцы отбирали в конце вегетационных сезонов в 2015–2017 гг. для определения содержания органического вещества методом И.В. Тюрина, группового и фракционного состава органического вещества по схеме И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой, уборку урожая осуществляли поделяночно Определяли продуктивность культур звена полевого севооборота (вико-овсяная смесь, озимая рожь, яровой ячмень).
Содержание тяжелых металлов и мышьяка в растениеводческой продукции определяли методом атомно-адсорбционной спектрометрии с помощью прибора «Спектр-5-4». Пробы готовили и анализировали по общепринятым методикам. Cтатистическую обработку производили с помощью MS Office Exel (США) и пакета программ («Ландшафт», Россия).
Содержание тяжелых металлов и мышьяка в полученной растениеводческой продукции соответствовало СанПиН 42-123-4089-86.
Результаты и обсуждение
Все изучаемые в опыте удобрительные смеси на основе ОСВ (ОСВ) оказывали достоверное повышение органического вещества в дерново-подзолистой супесчаной почве относительно контроля (табл. 2).
К концу вегетационного сезона года внесения изучаемых удобрений наиболее высокая доля органического вещества в почве была при использовании ОСВ и органических субстратов в соотношении 1:1 и достигала 1,46–1,5%, опережая эффективность компоста (1,44%) с математически доказанной разницей. При этом на контроле она составляла 1,27%. В последействии (2016–2017 гг.) происходило незначительное снижение содержания органического вещества почвы на всех вариантах опыта. Удобрительные смеси не потеряли своего положительного воздействия на данный показатель, который варьировал в пределах 1,34–1,49% и был выше контроля (1,25%).
Перед закладкой опыта дерново-подзолистая супесчаная почва по составу органического вещества была отнесена к гуматно-фульватному типу. В течение эксперимента в контрольном варианте состав органического вещества сохранил свой исходный тип, соотношение его компонентов практически не изменялось.
Внесение ОСВ совместно с органическими субстратами повлияло на распределение фракций гумусовых кислот (табл. 3, 4).
Уже в год прямого действия доля наиболее ценной фракции одних гуминовых кислот (ГК-1) в почве вариантов с удобрительными смесями достоверно превышала контроль (14,5% к общему С), а также вариант сравнения — компост (15,2%) и составляла от 15,7 до 16,2%.
Применение изучаемых смесей отразилось и на двух, и на трех фракциях гуминовых кислот. Так, наиболее эффективная смесь ОСВ с торфом в равных соотношениях позволила увеличить содержание ГК-2 до 10,8% к общему С, в то время как на контроле и в варианте с компостом оно составляло 9,1% и 10,3% соответственно.
В последующие годы (2016–2017 гг.) внесенные удобрительные смеси продолжали поддерживать количество гуминовых кислот одной фракции достоверно выше по сравнению с контролем и компостом. Это говорит о пролонгированном действии осадка сточных вод, на что указывают исследования ряда авторов.
Положительное влияние на фракционный состав фульвокислот (ФК) от внесения ОСВ совместно с дополнительными органическими субстратами проявилось в том, что снизилась доля агрессивной фракции 1а (табл. 4).
В год прямого действия особенно повлияли на почву в данном отношении смеси ОСВ и торфа в соотношении 1:1, 1:2, 1:3, а также ОСВ — опилки и ОСВ — солома (1:1). В последействии происходили некоторые изменения в содержании фракций фульвокислот, наблюдалось снижение их суммарного количества в ряде вариантов. При внесении смесей с участием торфа (1:1 и 1:2) продолжалась убыль ФК-1а (7,7–7,8%), в то время как на контроле и в варианте с компостом их содержание оставалось практически прежним (8,5% и 7,9% соответственно).
Удобрительные смеси на основе ОСВ оказали определенное воздействие на продуктивность культур звена полевого севооборота (вико-овсяная смесь, озимая рожь, яровой ячмень) (55,2–68,1 т/га корм. ед.), сформировав достоверный прирост (значимость различий р < 0,05) относительно контроля, который составил 14,5–27,4 т/га корм. ед. (рис. 1).
Содержание тяжелых металлов и мышьяка в полученной растениеводческой продукции соответствовало СанПиН 2.3.2.560-96.
Отмечено снижение продуктивности изучаемых культур по мере расширения соотношения любого органического субстрата (опилок, торфа, соломы) к ОСВ. Так, если в звене севооборота на фоне ОСВ с торфом в соотношении 1:1 было получено 17,6 т/га корм. ед., то при соотношении ОСВ с торфом 1:3 — 15,3 т/га корм. ед. Эта же тенденция была отмечена и при исследовании других видов органических наполнителей в удобрительных смесях. Смеси ОСВ и наполнителей в равных долях обеспечили достоверное превышение продуктивности по сравнению с компостом (прибавка к компосту составила 9,1–11,6 т/га корм. ед.).
Полученные данные согласуются с мировой и отечественной практикой применения ОСВ в растениеводстве и положительном влиянии на сельскохозяйственные культуры.
Выводы
Полученные результаты свидетельствуют о положительном влиянии ОСВ в составе удобрительных смесей с участием дополнительных органических субстратов (опилок, торфа, соломы) на содержание и состав органического вещества дерново-подзолистой супесчаной почвы, а также на продуктивность полевых культур.
Данные удобрительные смеси способствовали повышению количества органического вещества почвы (1,38–1,5%) и поддержанию его в течение трех лет (1,33–1,49%), превышая контроль (1,25–1,27%) и исходный показатель до начала эксперимента (1,3%) (значимость различий р < 0,05).
Исследуемые удобрения обеспечили увеличение доли агрономически ценной фракции гуминовых кислот (ГК-1) и снижение агрессивной фракции фульвокислот (ФК-1а). В сравнении с готовым компостом удобрительные смеси, в составе которых компоненты были в равных долях, оказывали более сильное влияние на изучаемый состав органического вещества.
Смеси ОСВ и наполнителей в соотношении 1:1 способствовали наиболее высокому приросту продуктивности звена севооборота относительно других вариантов опыта. Прибавка к компосту составила 9,1–11,6 т/га корм. ед.
Об авторах
Галина Юрьевна Рабинович, доктор биологических наук, заведующая отделом биотехнологий
2016vniimz-noo@list.ru; https://orcid.org/0000-0002-5060-6241
Елена Александровна Подолян, кандидат сельскохозяйственных наук, младший научный сотрудник лаборатории плодородия отдела биотехнологий,
https://orcid.org/0000-0002-2754-0053
Татьяна Степановна Зинковская, кандидат сельскохозяйственных наук, заведующая лабораторией плодородия отдела биотехнологий,
https://orcid.org/0000-0003-3546-9637
Федеральный исследовательский центр «Почвенный институт им. В.В. Докучаева», Пыжевский пер., д.7, стр.2, Москва, 119017, Россия
УДК 633:375:633.2 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-375-10-79-83
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
