Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приемы использования отходов производства в агроэкосистемах Центрального Черноземья. Монография
.pdf
Общее микробное обсеменение сброженной массы составляет 1,43 ⋅ 106, исходного навоза – 8,5 ⋅ 106, количество инактивиро-
ванных яиц гельминтов, потерявших жизнеспособность, – 11%.
Семена сорных растений при термофильном режиме (50…550С)
полностью теряют свою всхожесть (Севернев, 1992).
Это делает сброженный навоз полноценным органическим
удобрением. Результаты использования его аналогичны получаемым при применении других органических веществ. Образующиеся при этом гумусные материалы улучшают физические
свойства почвы, а остаток служит источником энергии и питательных веществ для деятельности бактерий, что способствует
повышению растворимости важных химических питательных
веществ, содержащихся в почве, а следовательно, усвоению их
высшими растениями (Мовсесов, Павличенко, Анацкая, 1989).
Исследованиями, проведенными рядом авторов, отмечено
повышение урожая на 15-20% при использовании анаэробно переброженного навоза (Васильев, Швецов, 1983; Дубровский,
1985; Горновесов, 1969; Гриднев, Резваткина, 1979; Житин, Белоусова, 2002). Сравнительными полевыми опытами, проведенными в Запорожье еще в 1969-71 гг., было показано, что по сравнению с участками, удобренными хозяйственным навозом штабельного хранения, сброженный навоз давал прибавки урожая от
3% (по капусте) до 26% (по суданке), по картофелю и кукурузе –
10…20%. Применение сброженного навоза для удобрения теп-
личных культур при одинаковых дозах азота дает такой же урожай, как и при использовании минеральных удобрений, а содержание нитратного азота в – 5 раз меньше (Дибровскис, Виестур,
1986).
Опытами, проведенными на полигонах Московской области,
установлены нормы внесения сброженного навоза, полученного
на биогазовой установке «Блок-Модуль 2-4-ИБГУ-1», которые
составили 1-3 т на гектар. Такие удобрения действуют сразу же
после их внесения в почву, так как содержат необходимые для
растений минеральные компоненты, биологически активные ростстимуляторы растений, а также витамины группы В, в том числе и витамин В-12, активно влияющие на корневую ризосферу. 1-
3 тонны таких удобрений по своему эффекту на растения и, в ко-
31
нечном счете, на урожай эквивалентны 80-100 т навоза. Удобрения универсальны и на подзолистых почвах повышают урожай,
как минимум, в 2 раза (Мовсесов, Павличенко, Анацкая, 1989).
Существенный интерес шлам представляет для детоксикации нефтепродуктов, так как содержит в своем составе анаэробные бактерии, которые способны существовать и продуцировать
в условиях ограниченного доступа кислорода (Житин, Белоусова,
2004).
Нефтепродукты оказывают наибольшее отрицательное
влияние на почву в связи с их загрязнением основными органическими компонентами нефти: органическим углеродом, азотом,
битумозными веществами, полициклическими ароматическими
углеводородами (Каплин, 2001).
Экологическая безопасность применения и калорийность
биогаза в сочетании с простотой технологии его получения, а
также огромное количество отходов, подлежащих переработке,
являются положительными факторами для дальнейшего развития
биогазовой промышленности. Производство биогаза стало одним
из основных принципов энергетической политики ряда стран Тихоокеанского региона. Так, в начале 80-х годов XX в. в Китае
производилось до 110 млрд м3 биогаза, что эквивалентно 6080 млн т сырой нефти, а в середине этого периода было создано
до 70 млн установок, покрывающих бытовые потребности в энергии у 70% крестьянских семей. В Индии одним из основных
принципов энергетической политики является производство биогаза в сельской местности. Только в 1975 г. в Индии действовало
около 30 тыс. мелких газовых установок, обеспечивающих газом
около 200 тыс. человек (Осадчая, Поднорский, Семенов и др.,
1990).
Экологическое обоснование использования метанового
эффлюента в качестве органического удобрения
Анализ органических удобрений, используемых в опытах,
позволяет судить о том, что они существенно различаются между
собой по содержанию органического вещества, биогенных элементов, наличию сорных растений.
32
Глубина разложения органических веществ в процессе анаэробного сбраживания составляла 30,0-34,2%, что соответствует
сохранению максимального удобрительного потенциала, а при
гниении навоза – 35,3-37,9 % (табл. 4).
Таблица 4. Состав органических удобрений, 2003-2005 гг.
Показатели
Влажность, % 90,9…96,1 65,0…73,2 93,1…97,5 93,0…96,7
Сухое органическое
вещество, %
Водородный
показатель, рН
Азот, % (к сухому веществу):
общий
аммиачный
Углерод, %
(к сухому веществу)
Нитраты, мг/кг 53,7...57,2 46,4...49,2 38,6...42,0 37,5...38,3
Фосфор, % (к сухому
веществу)
Калий, % (к сухому
веществу)
Количество семян
сорных растений,
шт./кг
Всхожесть семян сорных растений, %
Свежий
навоз
75,0…85,6 50,3…62,4 45,0…51,4 44,6…49,8
6,8…8,0 7,5…7,9 7,4…7,9 7,2…7,8
6,29...6,32
2,12...2,15
48,4…57,5 33,1…32,5 28,1…31,1 22,3…25,0
1,91…3,87 1,73...2,31 2,22…3,58 2,19...3,63
2,65…3,51 2,96...3,09 2,87...3,11 2,98...3,12
320...350 320...350 320...350 320...350
11,2...12,1 10,1...10,5 0,8...0,9 0,4...0,6
Полуперепре-
вший навоз
5,12...5,21
1,52...1,61
Метановый эффлюент
при 450С при 550С
5,22...5,33
2,82...2,93
4,70...4,82
3,27...3,39
Содержание углерода в метановом эффлюенте уменьшилось
на 44,1-55,3% в сравнении со свежим навозом. Проведенные расчеты показали, что около 40% углерода затрачивается на образование метана и около 13% теряется безвозвратно. Содержание
углерода в полуперепревшем навозе снизилось на 34,8%. Последнее связано с потерей его в процессе гниения.
Существенные потери углерода при хранении навоза отмечают
Ананиашвили (1959), Андрюхин (1979), Емельяненко (1982). Так,
из 1 т навоза влажностью 80% за 6 месяцев хранения его теряется
45 кг, что эквивалентно 2437,4 МДж (Андрюхин, 1979).
33
Углерод является универсальным компонентом массы живых растений. По данным Ягодина (2002), на долю углерода приходится 45% сухой массы растения. Он входит в состав всех без
исключения: 1) углеводов клетки, включенных в качестве структурных фрагментов в нуклеиновые кислоты и выполняющих
роль молекулярного «топлива» клетки; 2) белков, играющих роль
исполнительных механизмов, «молекулярных машин», которые
осуществляют самые разнообразные функции живой клетки, начиная с фотосинтеза и кончая переносом веществ через мембраны; 3) нуклеиновых кислот, которые программируют работу всей
клетки и, в первую очередь, работу механизмов сборки белков;
4) липидов, образующих мембраны клетки. Углерод, поглощаемый растениями в виде СО2, является основным субстратом фотосинтеза. Растения способны воспринимать углекислоту через
корни, но основная масса СО2 поступает через листья.
Для обеспечения воспроизводства гумусовых веществ и нормального функционирования почвенных флоры и фауны необходимо, чтобы содержание негумифицированного органического вещества в черноземе было не менее 3,0-3,5% по углероду. Для оптимального роста растений концентрация диоксида углерода в почвенном воздухе должна составлять не более 1%. Растения переносят увеличение концентрации диоксида углерода до 15%. Однако
это оказывает неблагоприятное влияние на жизнедеятельность
корней: задерживается их рост, подавляются процессы аммонификации и нитрификации, снижается поступление азота и фосфора в
растение, тормозится синтетическая активность.
Фосфор и калий сохраняются полностью в шламе, тогда как
в полуперепревшем навозе потери фосфора составляют 10,432,5%. Весьма возможно также, что во время процесса брожения
фосфор переходит в форму, лучше усваиваемую растениями, и
что образуются небольшие количества действующих веществ,
которые благоприятно влияют на рост растений (Баадер, 1982).
Потери азота при производстве биогаза составили около
18,6-20,5%, в то время как при гниении навоза в 21,3-22,9%.
Важно отметить, что содержание аммиачного азота в шламе в
сравнении с исходной массой (свежий и перепревший навоз) в
среднем увеличилось на 45,3%. Саловарова, Козлов (2001) установили, что белки разлагаются в реакторах до аминокислот и
34
олигопептидов, которые могут дезаминироваться до аммиака или
войти в состав живой биомассы. Может также произойти расщепление небелковых азотистых соединений до кислот, диоксида
углерода и аммиака.
Что касается семян сегетальных растений в органических
удобрениях, которые лимитируются экологическими требованиями, предъявляемыми к навозу, навозной жиже и др., то их
всхожесть в шламе уменьшалась в сравнении со свежим навозом
на 93,3% и с полуперепревшим – на 92,8%.
Подобные же результаты более получены Мовсесовым и др.
(1998), которые отмечают, что термотолерантный режим (+450С)
обеспечивает: эффект обеззараживания – на 50-60%, дегельминтизацию – на 43-60%, снижение всхожести семян сорных растений (девитализация) – на 45-100%, значительное снижение уровня неприятных запахов (дезодорацию).
Термофильный режим (+550С) обладает более выраженным
экологическим эффектом: 90-100% обеззараживанием и дегельминтизацией, полной потерей всхожести семян сорных растений,
дезодорацией.
Внесение в агроценозы навоза и шлама оказало существенное влияние на функционирование ПБК, развитие растений и их
продуктивность (табл. 5).
Таблица 5. Влияние метанового эффлюента
на агрофизические свойства почвы, 2003-2005 гг.
Варианты
Плотность
почвы, г/см
Контроль 1,21 2,60 53,5 43,1
Навоз КРС 1,16 2,61 55,6 45,6
Метановый
1,13 2,58 56,0 46,4
эффлюент
Плотность твер-
3
дой фазы, г/см3
Общая
пористость, %
Полевая
влагоемкость, %
Плотность почвы, которая в значительной мере определяет
ее водный и воздушный режим, биологическую активность, а
также непосредственно влияет на развитие корневых систем,
уменьшалась при использовании шлама на 7,0%.
В тесной зависимости от плотности твердой фазы и особенно
плотности сложения черноземов находится их общая пористость,
35
определяющая водно-воздушный режим почв. Снижение плотности почвы на вариантах с добавлением метанового эффлюента и
навоза КРС способствовало повышению пористости на 2,5 и 2,1%
соответственно; полевой влагоемкости – на 2,5 и 3,3%.
Шеуджен (2003) отмечает, что минимальное содержание кислорода в почвенном воздухе, обеспечивающее жизнедеятельность растений, варьирует от вида к виду, однако обычно рост
корней заметно тормозится при падении концентрации кислорода
ниже 10%, а при его содержании менее 5% развитие корней может совершенно прекратиться.
Влага – важнейший элемент эффективного плодородия почвы. Она определяет условия жизни микроорганизмов, биогенность почвы, темпы разложения органического вещества почвы и
накопления в ней подвижных питательных веществ. На черноземах в зоне неустойчивого и недостаточного увлажнения влага
чаще всего находится в первом минимуме и определяет высоту
урожая возделываемых культур (Ковда, 1985; Черепанов, 1986).
При уплотнении почвы ухудшается ее аэрация и увеличивается доля недоступной влаги. При плотности 1,5-1,6 г/см3 на долю доступной влаги приходится всего 5-10% объема почвы, причем эта вода имеется только при высоком влагосодержании. Чем
суше почва, тем больше угнетаются растения от повышенной
плотности (Воронин, 2003).
Достаточная аэрация при наличии доступной влаги создает
лучшие условия для активизации микробиологических процессов, предотвращения денитрификации, мобилизации питательных веществ.
При снижении плотности и повышении пористости почвы
уменьшается непроизводительное физическое испарение влаги
почвами, особенно в начале вегетационного периода, что также
необходимо для эффективной продуктивности почвенной микрофлоры (Воронин, 2002).
По данным Федотова и др. (2005), оптимальная плотность
пахотного слоя почв для роста и развития растений картофеля –
0,9-1,1 г/см3.
Ценность метанового эффлюента как органического удобрения определяется также наличием в нем микрофлоры, повышающей ферментативную активность почвы. Для каждого типа почв
36
характерен определенный набор ферментов, однако интенсивность ферментативных процессов в почве зависит от конкретных
условий: наличия и концентрации субстрата, температуры, влажности, рН и др.
Будучи мощными катализаторами, ферменты обеспечивают
разрушение первичного органического вещества и синтеза вторичного, обогащение почвы биогенными элементами и гумусом
(Купревич, 1954).
Поступая из различных источников, ферменты становятся
структурными неотъемлемыми компонентами почвы и обусловливают уникальное ее свойство – ферментативную активность,
рассматриваемую как совокупность каталитических процессов и
биохимических реакций, участвующих в превращениях поступающих в почву разнообразных органических остатков, а также
части минеральных веществ. В почве присутствует и функционирует огромное количество разнообразных ферментов, объединенных в комплексы, последовательно осуществляющих синтетикодеструктивные реакции материального и энергетического обмена
(Купревич, Щербакова, 1968).
Кроме того, ферментативная активность, отражая функциональное состояние живого сообщества почвы, обеспечивает посредством катализа реакций связь между компонентами агроэкосистемы, ведущим звеном в которой является автотрофный блок.
При этом необходимо учитывать то обстоятельство, что действие
отдельных ферментов, входящих в одну группу, находится в тесной корреляционной связи друг с другом, что позволяет при
оценке биологической активности почвы производить определение активности одного из них: из карбогидраз – инвертазу, обеспечивающую катализ углеродсодержащих органических соединений; из амидаз – уреазу, принимающую участие в трансформации азотсодержащих органических соединений; из оксидаз, катализирующих окислительно-восстановительные процессы, – каталазу (Кононова, 1970).
При гидролитическом расщеплении высокомолекулярных
органических соединений образуются промежуточные продукты
распада (аминокислоты, нуклеотиды, органические кислоты, моносахариды) или конечные продукты минерализации – углекислый газ, аммиак, фосфорная кислота. Через эти сложнейшие ре-
37
акции, катализируемые ферментами, в почве осуществляются
циклы важнейших органических соединений углерода, азота,
фосфора, обеспечиваются окислительно-восстановительные процессы, связанные с питанием, дыханием, ассимиляцией СО2 растениями и микроорганизмами.
Успешное решение проблемы роста продуктивности агроценозов зависит от всестороннего исследования процессов разрушения и синтеза органического вещества в системе «почва –
растения», осуществляемых с помощью ферментов.
Вклад растений в формирование ферментного пула почвы
осуществляется как в результате непосредственного выделения
внеклеточных ферментов корневой системы в процессе метаболизма и внутриклеточных ферментов при разложении растительных остатков, так и косвенным путем, благодаря ризосферному
эффекту почвенной микрофлоры (Красильников, 1958; Хазиев,
1976; Щербакова, 1980).
Наиболее широко изучены в почве ферменты классов оксидоредуктаз, которые катализируют окислительно-восстановительные реакции, играющие ведущую роль в биохимических
процессах в клетках живых организмов, а также в почве.
Среди ферментов, входящих в класс оксидоредуктаз, хорошо изучена каталаза. Она разлагает ядовитую для клеток перекись водорода, образующуюся в процессе дыхания живых организмов и различных биохимических реакций окисления органических веществ, на воду и молекулярный кислород:
2Н2О2
каталаза
2Н2О+О2 .
Образование каталазы связано с деятельностью грибов и водорослей, а также корней высших растений. Каталаза является не
только внутриклеточным ферментом, она активно выделяется
микроорганизмами в окружающую среду, обладает высокой устойчивостью, может накапливаться и длительно храниться в почве (Купревич, 1954). По степени активности каталазы судят о направленности происходящих в почве окислительных процессов.
Некоторые ученые (Андреюк, Мальцева, Дульгеров, 1974; Хазиев, 1982) установили корреляционную связь между активностью
каталазы и численностью микроорганизмов.
38
Проведенными исследованиями установлено, что активность каталазы была примерно одинаковой, что обусловлено метеоусловиями, которые несущественно различались между собой
(табл. 6).
Таблица 6. Ферментативная активность почвы
Вариант
Контроль (без внесения удобрения) 2,6 2,3 2,4
Навоз КРС 2,7 2,6 2,8
Метановый эффлюент 3,2 3,1 3,2
НСР
0,95
см3 О
2
Активность каталазы, см3 О2/г/мин.
2003 г. 2004 г. 2005 г.
0,3 0,2 0,1
Активность каталазы существенно повышалась при использовании шлама: в 2003 г. – на 23,1%, в 2004 г. – на 34,8%, в 2005 г. –
на 33,3%. Панников, Минеев (1987) отмечают, что под влиянием
органического вещества навоза усиливаются микробиологические
процессы в почве. По данным ВИУА, вследствие микробиологических процессов, разлагающих клетчатку, содержание усвояемых
растениями фосфатов в красноземе повышалось в 2-3 раза. Повидимому, в результате выделения микроорганизмами продуктов
жизнедеятельности нерастворимые фосфаты кальция, железа, алюминия и другие формы переходят в соединения, усвояемые растениями. Фосфор же, потребленный микроорганизмами и закрепленный в плазме, при их отмирании переходит в легкоусвояемые растениями соединения.
Микроорганизмы выделяют различные ферменты, стимуляторы роста и витамины, которые поглощаются корнями растений
и тем самым способствуют более энергичному их росту. Кроме
этого, микроорганизмы выделяют большое количество антибиотиков. Поэтому в ризосфере создается неблагоприятная среда для
развития фитопатогенных веществ. Исследования последних лет
показали, что многие антибиотики, вырабатываемые микроорганизмами, легко поступают через корни внутрь растений и тем
самым предохраняют их от разнообразных заболеваний (Красильников, 1958; Мишустин, 1981; Кожевин, 1989).
39
Внесение в агроценозы органических удобрений оказывало
существенное влияние не только на биологическую активность
ППК, но и на засоренность посевов (табл. 7).
Таблица 7. Состав сегетальных растений в фазу цветения
картофеля
Число сорняков, шт./м
2
пырей
Варианты
Контроль 1,5 1,9 1,4 1,3 1,4 0,9 6,8 7,2 6,4 0,6 0,9 0,3
Навоз КРС 1,7 2,1 1,6 2,6 2,7 2,2 7,1 7,3 6,3 0,6 0,9 0,4
Метановый
эффлюент
ползучий
2003 г.
2004 г.
1,2 1,6 1,1 1,0 1,2 0,8 5,3 5,8 5,1 0,4 0,6 0,2
2005 г.
вьюнок
полевой
2003 г.
2004 г.
виды горца марь белая
2005 г.
2003 г.
2004 г.
2005 г.
2003 г.
2004 г.
2005 г.
Использование навоза приводило к увеличению засоренности посевов на 15,5%, в том числе корневищных – на 12,5%, корнеотпрысковых – на 208,3%, в то время как применение метанового эффлюента снижало численность сегетальных растений на
27,2%.
Картофель как широкорядная культура имеет от всходов до
смыкания рядков очень низкую конкурентоспособность, поэтому он
легко подавляется сорняками, которые отнимают у него питательные вещества, воду и свет. В фазе всходов уже 5 сорняков на 1 м2,
или 1% покрытия площади сорняками, снижают урожайность так,
что достигается порог вредоносности (Исаев, 1990; Maykus, 1985).
Сильные по своей конкурентоспособности сорняки влияют
не только на урожайность, но и на размер клубней, что снижает
их товарность, повышает потери. Кроме того, опасность поражения картофеля фитофторозом повышается на засоренных посадках, так как они хуже проветриваются, тем самым создаются благоприятные условия для развития гриба – возбудителя болезни.
Для регулирования продукционных процессов, протекающих в агроценозах, важно найти показатели, достаточно полно
отражающие условия развития растений. Необходимо оптимизировать в любой период те факторы, которые могут ограничить
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]