Введение
Актуальность проблемы
Научно-технический процесс создает человечеству не толькоразличные материальные блага, но и экологические проблемы. Среди них следуетособенно отметить накопление отходов и радиоактивное загрязнение поверхностиЗемли [1,3,9].
Значительные площади сельхозугодий агросферы загрязненырадиоцезием Чернобыльского следа и для получения нормативно «чистой» продукциитребуется проведение определенных защитных, достаточно дорогостоящихмероприятий [2,3,4]. На иловых площадках очистных сооружений канализациигородов накоплено огромное количество активного ила, образующегося в ходемногоступенчатой обработки городских сточных вод. Почвенный путь утилизации активногоила в качестве удобрения является в мировой практике наиболее приоритетным.[32]. Эффективность активного ила в условиях радиоактивного загрязнениясельскохозяйственных угодий изучена в настоящее время крайне недостаточно. Внаучной литературе есть сведения об очистке почв от нефтепродуктов сиспользованием препаратов на основе активного ила (17,32).
Использование активного ила в качестве удобрениясельскохозяйственных культур в условиях радиоактивного загрязнения территорииможет позволить решить сразу несколько эколого-агрохимических проблем за счетих взаимодействующего синергизма: утилизация активного ила, повышениюустойчивости культур и плодородие почв, снижение содержания радиоцезия впродуктах растениеводства. Однако, при использовании активного ила следуетстрого соблюдать принцип: соответствие активного ила СаНПиН 2.1.7.573-96; ГОСТР17.4.3.07-2001 и Типовому технологическому регламенту использования ОСВ вкачестве органического удобрения.
Цели и задачи исследований
Целью наших исследований являлось изучение активного ила(АИ) в качестве агрохимического приема по снижению содержания радиоцезия взерне ячменя на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве.
Для достижения поставленной цели решались следующиезадачи:
1.изучение особенностей роста и развития ячменя на радиоактивнойдерново-подзолистой легкосуглинистой почве в условиях внесения в нее различных дозактивного ила;
2.определение уровней урожайности ячменя на радиоактивнойпочве при внесении различных доз активного ила;
3.проведение анализа структуры урожая ячменя;
4.анализ удельной активности зерна ячменя и оценкарадиомелиративной эффективности активного ила;
5.оценка экономической эффективности возделывания ячменяна радиоактивной почве в условиях применения различных доз активного ила.
Рабочая гипотеза
Предлагается, что активный ил, содержащий в своем составемакро- и микроэлементы, органическое вещество, микроорганизмы и ферменты,обладает радиомелиоративным свойством за счет повышения урожайности ячменя ивозникновения эффекта «разбавления», повышения сорбционной способности почвы иблокировки механизма поглощения радиоцезия ячменём полиэлементным составом АИ.
Место проведения НИР
Научно исследовательская работа проводиласьнаэкспериментальном участке кафедры сельскохозяйственной радиологии и экологии,расположенного на опытном поле Калужского филиала РГАУ-МСХА имени К. А.Тимирязева в 2007 году.
Автор дипломной работы выражает искреннюю благодарностьсвоему научному руководителю, профессору Сюняеву Н.К., за помощь при проведениинаучных исследований и написании дипломной работы.
1. Современное состояние изученности вопроса (обзорлитературы по теме исследования)
1.1 Анализ почвенного пути утилизации активного ила
Многосторонняя хозяйственная деятельность человеческогообщества, вооруженного сложной техникой, ныне охватывает практически всюатмосферу, сушу и океан, и вносит значительные количественные и качественныеизменения в биологические циклы движения элементов в биосфере, поставив подугрозу ее бесперебойное функционирование и существование самого человека.Например, такие компоненты как мусор, отходы, отбросы в мировом масштабенакапливаются в объеме свыше10 т в год. С ростом численности населения планеты,развитием научно-технического прогресса, интенсифицирующего любой труд, степеньвоздействия человеческого общества на биосферу в принципе будет возрастать[16].
С одной стороны, все больше добывается полезныхископаемых, заготавливается растительной и животной продукции, используетсяприродных вод для производственных, жилищно-бытовых и сельскохозяйственныхцелей, вовлекаются в сельскохозяйственный оборот новые площади мелиоративныхземель, строятся города и населенные пункты, производственные помещения и такдалее, а с другой стороны, хозяйственная деятельность человечествасопровождается накоплением различного рода отходов производства, городскогокоммунального хозяйства, которые загрязняют природную среду.
Вот почему с особой актуальностью встает задачаутилизации возрастающего количества отходов промышленности и городскогокоммунального хозяйства.
Отходы городского коммунального хозяйства, в том числе иактивный ил (АИ) в крупных городах и населенных пунктах порождают массу проблемв связи с их утилизацией.
Существует ряд способов утилизации АИ: сбрасывание в моряи океаны, сжигание, захоронение в почвенной среде, обезвреживание ииспользование в качестве органических удобрений, как добавка при приготовленииразличных компостов и т.д. В Японии, например, уже в 1981 г. в эксплуатации находилось около 500 установок конечной переработки и за год перерабатывалосьоколо 65*10 м3 сточных вод, при этом количество полученного ила составило около24*10 м3. Они состоят на 80% из обезвоженного брикета, на 11% из пепла (получаемогов результате сжигания после обезвоживания) и других отходов (сухой или агрегированныйил) в количестве 9%. Указанные отходы (42%) захоранивают в землю, сбрасывают вморе (36%), в объеме 15% эффективно используют. Из эффективно используемыхотходов 93%о приходится на улучшение лугопастбищных и сельскохозяйственныхземель. Главный упор делается на применение канализационного ила в качествеудобрений [15,17].
Имеются способы утилизации АИ посредством их размещения ввоздухе. Однако в данной среде можно разместить лишь воду, которая содержится вАИ, а также органические вещества, превращенные в углекислый газ и азотистыесоединения. Остальная часть, а именно зола, если речь идет о сжигании, вбольшинстве случаев остается в почве. Следовательно, почва остается средойнаиболее широко используемой для размещения АИ в форме накопления вопределенных местах больших объемов ила или же использования их в качествеорганического удобрения, модификатора почв [15].
Компостирование бытового мусора и осадка сточных вод зарубежом рассматривается как важный элемент стратегии повторного использованияотходов. При этом решаются две задачи: во-первых, избавляются от отходов,создающих угрозу загрязнения окружающей среды, во-вторых, расширяютпроизводство органических удобрений, потребность в которых очень велика.
Наиболее широко указанный способ переработки отходовприменяется в густонаселенных развитых странах, где остро стоят проблемы охраныокружающей среды и ощущается дефицит природных ресурсов. Так, в Нидерландахперерабатывается на компост 30-40% бытовых отходов, в Австрии и Бельгии около25%, во Франции 8% [17].
Исследования показали, что добавление осадка при компостированииотходов создает условия для разложения целлюлозосоставляющих компонентовотходов, в частности позволяет компостировать мусор, содержащий большоеколичество бумаги. На некоторых компостирующих заводах США благодаря добавлениюосадка АИ удается перерабатывать на компост отходы, содержащие до 90% бумаги. ВФРГ для этой цели используют полужидкий осадок влажностью 92-96% (доля его всоставе компостируемой массы составляет 10-20%) и частично обезвоженный осадоквлажность 50-75% (доля его в массе — 14-34%) [15].
Не потерял своего значения и традиционный способ полевогокомпостирования отходов в штабелях под открытым небом. Он прост в техническомотношении, не требует больших затрат, обеспечивает высокий обеззараживающийэффект. С помощью такого способа из бытового мусора и осадка сточных водполучают компост, обладающий высокой агрономической ценностью.
Различают две модификации этого способа: с использованиемтак называемых динамичных (с ворошением отходов) и статичных (без ворошения)штабелей; компостирование проводится в условиях принудительной аэрации.Благодаря аэрированию, улучшающему условия жизнедеятельности микроорганизмов,процесс перегнивания отходов значительно ускоряется. По методу полевогокомпостирования организована переработка бытового мусора, смешанного с осадком,на многих специализированных предприятиях. Так, в США на 180 из 200компостирующих предприятиях отходы перерабатывают указанным способом [31].
В Польше методом полевого компостирования получают около4000 т компостов в год. Отбросы укладывают штабелями в три ряда (ширина каждогоряда около 2 м) с расстоянием между ними 2,5 м. Затем добавляют фекалий, бульдозер с двух сторон выравнивает мусор и формирует штабель высотой около 1,5 м.
В одном штабеле помещается около 700 м3 отбросов, а всего на заводе ежегодно закладывается 16 тыс. м3 мусора. Фекалий вносят вколичестве 3 м3 на 5 м3 отбросов. При этом исходная влажность составляет60-65%, что считается оптимальным для процесса ферментации и получения готовогокомпоста с влажностью не менее 30%.
Для интенсификации компостирования рекомендуетсяприменятьактивный ил [22].
Крупнейший в Европе мусороперерабатывающий завод,компостирующий бытовые отходы и осадок сточных вод, построен в г. Фленсбург(ФРГ). Производительность его — 400 т компоста в день. На заводе могутперерабатываться отходы города с населением 350 тыс. человек. Технологическийпроцесс начинается с подачи мусора в загрузочную воронку мусородробилкимолоткового типа, проходя через которую, масса дробится на куски размером около 200 мм в поперечнике, а затем поступает на магнитный сепаратор. Отдельный приэтом металл прессуют в брикеты весом до 40кг и реализуют как вторичныйматериал. Из магнитного сепаратора масса подается в загрузочные барабаны двух компостерныхбарабанов длиной 40м, диаметром 3,75м, емкостью 200 т. Туда же поступает осадоксточных вод. Компостирование длится 24 часа при непрерывном вращении барабановсо скоростью 1,25 об/мин. В результате саморазогрева мусора температура вбарабанах повышается до 60С°, при этом погибают болезнетворные микроорганизмы,яйца гельминтов и семена сорных трав. Биометрический процесс в аэробныхусловиях при постоянной подаче свежего воздуха. Отсасываемый из барабановвоздух очищается в земляном фильтре. В конце барабана помещены два грохота сячейками различных размеров для отделения некомпостируемых примесей,составляющих 20-30% от веса мусора. Затем компост измельчают и выгружают наспециальную площадку для дозревания, где он минерализуется в течение 90 дней.
Завод перерабатывает весь мусор и отстой сточных вод г.Фленсбург, который раньше сбрасывали в Балтийское море. По составу питательныхвеществ изготавливаемый компост близок к навозу, а по количеству известипревосходит последний [22].
В итальянских городах (Болонье, Ферраре, Мадене, Барии идр.) организованы центры, занимающиеся сбросом отходов и их компостированием.При помощи специального оборудования производится просеивание, перемешиваниеотходов и их укладка в штабеля. Процесс приготовления компостов продолжается6-12 месяцев. К городскому мусору добавляют отходы мясной и рыбнойпромышленности, масличного производства, виноделия, осадок сточных вод, опилки,древесную кору. Благодаря этому содержание азота в компостах повышается до 4%,фосфора — до 3%, калия — до 2%. При компостировании отходов в штабеляхдобавляют бактерии в расчете 700 тыс. живых клеток на 1г компостируемой массы,из них 10-20% приходится на актиномицеты и стрептомицеты [39].
Одним из способов утилизации ОСВ является егоиспользование в качестве органоминерального удобрения, при этом одновременнорешается ряд задач: исключается необходимость хранения (захоронения),повышается плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур, незагрязняется окружающая природная среда.
Ученые отмечают, что современное производствотрадиционных органических удобрений в Чехословакии покрывает лишь 70%потребности пахотных земель в органических веществах. Поэтому использованиевсех возможных дополнительных источников органических веществ являетсянастоятельным требованием времени.
Ил со станций очистки сточных вод общественнойканализации представляет собой важнейший источник органических, питательных ибиологически активных веществ. Непосредственное удобрение илом со станцийочистки сточных вод является выгодным способом использования этих отходов, еслиони используются соответствующим образом при определенных природных ипроизводственных условиях. Благодаря экономической выгоде, которую приноситнепосредственно удобрение илом его потребителям и поставщикам, а также всемународному хозяйству, указанный способ использования ила признается иприменяется во всем мире.
В бывшем СССР общий годовой объем осадков на 1986 годсоставлял 4-4,7 млн. т по сухому веществу. К 1990 году он должен былувеличиться до 9-10 млн. [30,32,36,37].
Однако уровень использования отходов городов и осадкасточных вод в сельском хозяйстве стран СНГ пока невысок, В почву вносится неболее 4-6% осадка сточных вод с очистных сооружений крупных городов. Большаячасть отходов вывозится на свалки, создающие опасные очаги загрязненияокружающей среды. При этом безвозвратно теряются содержащиеся в отходахполезные компоненты.
Удобрительная ценность АИ
Значительная часть продуктов полеводства (прямо иликосвенно) направляется в пищу человека. Следовательно, выделения человеческогоорганизма должны содержать большие количества азота и зольных составных частей,взятых растениями из почвы. Сравнительно с испражнениями травоядных, отбросычеловеческого организма должны быть процентно богаче (считая на сухое вещество)азотом и фосфорной кислотой, во-первых, потому, что пища человека богачебелками, чем корм травоядных.
Если, например, в пище животных (сене) содержится 1,5%азота, считая на сухое вещество, то в пище человека его бывает от 2-3% (зернахлебов) до 15% (мясо). Во-вторых, пища людей лучше переваривается, значит,большая часть ее окисляется, давая воду и углекислый газ, а потом оставшаясядоля еще больше обогащается газом, чем в организме травоядных [31].
В среднем, человек выделяет в сутки около 133г твердыхизвержений и 1200г жидких. В них содержится соответственно: азота 2 и 14г, золы4,5 и 14г, фосфорной кислоты 1,35 и 1,78г, оксида калия 0,64 и 2,29 г[27].
На целесообразность использования в земледелии отбросовчеловеческого организма указывает [35,38]. Он констатирует, что в городахотходы уходят в канализацию. Очень трудно определить, какую часть из нихудается использовать. Ясно лишь одно, что при недостатке удобрений вообщенельзя игнорировать большие возможности, которые представляет этот источниказота, особенно при одновременном использовании торфа.
Первые опыты по изучению удобрительной ценностиканализационного ила (АИ), были проведеныисследования, в результате пришли к заключению,что активный илможет приравниваться к навозу и минеральным удобрениям.Аналогичные выводы сделаны и другими авторами [31-38].
По данным [15,22], в ОСВ содержание общего азота ифосфора в 1,5-2
раза выше, чем в навозе КРС, а именно эти элементы определяют ценность любоговида удобрений.
Высокое содержание элементов питания АИ подтверждаетработа [17]. Изученный им ил с городских, очистных сооружений содержал впроцентах на сырой вес: N общий — 0,8; Р2О5 — 0,9; К 20 — 0,4; нитратный азот — 6,4 мг/100; аммиачный азот — 457 мг/100; подвижный фосфор — 542 мг/100 г массы.
В технологическом цикле очистки сточных вод получаютсяразличные типы осадков, которые по своим удобрительным качествам могут резкоотличаться друг от друга.Для обезвоживания АИмогут использовать известь,хлорное железо. В этом случае они обогащаются кальцием, железом, а иногдамагнием [27].
Колебания в содержании основных элементов питания в АИсоставляет: по азоту 0,8...6%, фосфору 0,6...5,6%, калию 0,1...0,5%. Примернотакие же данные приводят ученые США и Канады: азот 1,1… .7,6%, фосфор1,3...8,0%, калий 0,1...0,3% [20].
Несомненным достоинствомАИ является высокое содержаниеорганического вещества до 75% [31]. Высокая оценка органического вещества данаи в работе [26], в которой отмечено, что органическое вещество в значительноймере определяет направления процесса почвообразования, биологические,химические и физические свойства почвенной среды.
На это обращают внимание и ряд других зарубежныхисследователей. Они приходят к выводу, что при многолетней обработке почваначинает испытывать недостаток в органических веществах, так как культивацияускоряет ее разрушение, а отдача от запашки пожнивных остатков оказываетсянедостаточной для возмещения потерь. Органическое вещество образует из частицпочвы агрегаты, между которыми остаются большие поры, через которые воздухможет проникать к корням, а излишки воды -испаряться. При недостаткеорганических веществ почвенные агрегаты теряют свою прочность и распадаются.Почва становится более плотной, доступ воздуха прекращается и в результате росткорней происходит аномально. Песчаные и пылеватые почвы в наибольшей степени подвергнутытаким структурным изменениям. Внесение органических удобрений в такие почвыулучшает их качество, в результате чего полученный урожай будет выше, чем привнесении оптимального количества обычных удобрений, но без добавления органики[47].
Твердые вещества осадков оказываются более эффективными всравнении с эквивалентным количеством подстилочного навоза.
При увеличении пористости почвы повышается скоростьинфильтрации воды и уменьшаются потери воды, а также эрозия почвы в результатеповерхностного стока. Там, где на поверхность почвы вносятся жидкие осадки,поры временно закрываются, и на несколько дней инфильтрация воды замедляется.Как только слой осадков начинает высыхать, он трескается, и вода легкопроникает между частицами. В течение некоторого времени эти частицыпредохраняют почву под собой от структурного разрушения и закупорки пор последождя. Таким образом, более длительное воздействие приводит к увеличениюскорости инфильтрации воды. Твердые вещества осадков в результате измельчения проникаютв ходы дождевых червей, что ускоряет абсорбцию почвой воды, поступающей вповерхности. Поверхностное применение компостированных осадков в расчете 56т/га увеличивает скорость инфильтрации воды на 50% по сравнению с неудобреннойпочвой. Действие этих осадков сохраняется, по крайней мере, в течение двух лет[17].
Указанные опыты показали, что внесенные с осадком в почвутяжелые металлы не сильно влияют на развитие растений. Использование осадкатребует осторожности. Его следует хорошо перемешивать и строго соблюдать срокивнесения. При небольшом содержании в осадке водорастворимого аммония часть его,связанная с органическим веществом, представляет собой источник, медленнопоставляющий азот, который могут полнее использовать растения с длительным вегетационнымпериодом. Содержащийся в нем фосфор соответствует по действию на рост растенийфосфору, извлекаемому из минеральных туков лимоннокислой вытяжкой. Недостатоккалия в осадке требует его добавки в виде минерального удобрения [17].
Зарубежные ученые провели исследования с осадком сточныхвод из г. Пулава на почвах различного гранулометрического состава. Отбиралиобразцы почв из подпахотного слоя, добавляли 5 и 10% осадка и инкубировали при20°С в течение 24 недель. Осадок имел рН — 5,6, 16,2% органического вещества,1,13% общего азота, 100,5мг/100г N-NH4, 1105мг/100г N-N03, 605 мг/кг Zn, З мг/кгСа. Добавление осадка сопровождалось сильным увеличением численности бактерий,грибов, актиномицетов свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов (в томчисле Clostridium). Не отмечено увеличения численности целлюлолитическоймикрофлоры. Выявлено активное разложение соединений С и N. За период инкубацииколичество органического углерода уменьшилось на 14-31%, N -на 0-20 %.Происходило уменьшение доли растворимых форм фосфора. Резко уменьшилосьсодержание подвижных форм Zn (вытяжка 0.005 М ДТПА). Сделан вывод, что АИ из г. Пулава может быть использован для рекультивации деградированных почв. Однако нерекомендовано применять осадок на почве с емкостью поглощения катионов
Многие ученые считают, что в целях уменьшения загрязненияпочв при использовании в качестве удобрений осадка городских сточных вод,последний следует применять в строго контролируемых условиях, ибо почвы по-разномуреагируют на его внесение. Критериями пригодности почв для внесения в нихосадка городских сточных вод является топография и уклон местности, текстура,водонепроницаемость и дренаж почв, поверхностный сток и эрозионные процессы,затопляемость территории, величина влагоемкости почв, глубина залеганиягрунтовых вод, рН почвы, емкость катионного обмена почвы, содержание в нейтяжелых металлов и возможность защиты источников водоснабжения населения.Применение ОСВ рекомендовано на однородных выровненных участках при уклоне до5%. Возможно применение его и при уклоне до 15%, но при условии предотвращенияповерхностного стока. Исключается использование осадка на почвахглинистых и уплотненных, с очень низкой или чрезмерно большой водонепроницаемостью, а также наоголенных и плохо дренированных почвах, где возможно периодическое избыточноеувлажнение верхнего 50см слоя, поскольку рН почвы оказывает существенноевлияние на степень подвижности в ней тяжелых металлов, увеличивая или уменьшаяих абсорбцию растениями. На кислых почвах с рН менее 5,5 вообще не следуетприменять осадок сточных вод. Почвы с рН 5,5-6,5 должны предварительноизвестковаться до величины рН, превышающей 6,5 [30].
По мнению [22] применение возрастающего количества АИ вЮжной Африке на почвах сельскохозяйственного назначения — один из путейэкономически выгодной его утилизации. ОСВ содержит основные элементы питаниярастений, в особенности N и Р, микроэлементы (Zn, Си, Мо, Мп), улучшаетфизические свойства почвы, структуру, водоудерживающую способность,влагоперенос. В АИ различных регионов Южной Африки содержание N варьируется от15,7 до 58,4 г/кг. Известные преимущества ОСВ могут проявляться в недостаточнойстепени в связи с потенциальной опасностью его для здоровья человека иживотных. В ОСВ могут содержаться такие тяжелые металлы как Cr, Cd, Hg, Cu, Pb,Co, Zn, Mo, патогенные организмы (бактерии, простейшие, гельминты, вирусы),избыточное количество нитратов, токсические вещества, пестициды,полихлорированные бифенилы, алифатические соединения, эфиры, моно- иполициклические ароматические вещества, фенолы, нитрозамины. Вредноевоздействие АИ на окружающую среду можно снизить посредством поддержания рНпочвы > 6,5 (путем известкования), использования рациональной технологиивнесения, осуществления контроля качественных
показателей почвы, воды и растений.
На выявление питательной ценности АИ, их влияния насвойства почв, урожай и качественный состав выращиваемых растений направляют усилиямногие отечественные исследователи. Они провели исследования на 3-х типах почв,с количеством внесенного осадка от 23 до 470 т/га [31-38].
Отмечено изменение величин емкости поглощения, содержанияорганического углерода, общего азота и тяжелых металлов по профилю почв.Наиболее высоким оказалось увеличение азота в горизонте А, тогда как вгоризонтах В и С — незначительное. Содержание органического углерода в целомимело ту же тенденцию к увеличению, но сильно сказывалась суммарная дозаудобрений и распределение ее по годам. Емкость обмена катионов повышалась повсем горизонтам, отмечено снижение значений рН в
горизонте А и В. Содержание тяжелых металлов, особенно Cd, Cr, Cu, Pb, Zn
возрастало заметно, особенно в горизонте А, и сильно зависело от содержания ихв осадке и норм осадка [37].
Оценивали эффективность применения АИ на отвалах добычикаменного угля. Отвалы кислые. Применяли известь (4,5 т/га), вносилиминеральные удобрения по N 67 Р 134 К 134 и сеяли клевер красный, овсяницутростниковую, ежу сборную и лядвенец рогатый. Оценивали эффективность разовоговнесения в 1986 г. АИ по 0,15, 31 и 64 т/га сухого вещества, наблюдали заростом растений и изменением свойств почвы на отвале. При внесении АИ надземнаябиомасса трав возрастала, хотя доля бобовых компонентов в травостое уменьшалосьиз-за большого количества азота, поступившего с осадком. При внесении высокихнорм АИ увеличивалось в почве содержание органического вещества с 1,5 до 2,2%,количество подвижных форм Си в 4,6, Zn в 5,1, Fe в 1,4, и РЬ в 1,3 раза, нозначение рН почти не изменилось. На нейтральной неразрушенной почве вблизиотвалов с естественной травянистой растительностью внесение осадка приводило кповышению продуктивности посевов в 1,5 — 2,8 раза, увеличению содержания впочве Fe, Cu, Zn, Cd, но в меньшей мере, чем на кислом отвале, величина рНпосле внесения осадка слабо изменилась [27].
Ряд ученых провели исследования действия АИ на иловатойсреднесуглинистой почве с кукурузой. Определили влияние осадка на урожайкукурузы, содержание питательных веществ в почве и грунтовых водах. Вносилиежегодно по 6,6 и 13,2 т/га АИ в пересчете на сухое вещество. С 6,6 т/га АИпоступало приблизительно азота 200 и фосфора 450 кг/га. Через 12 лет примененияпо 6,6 и 13,2 т/га АИ в почвах содержалось соответственно 455 и 666 кг/гафосфора. Не отмечено неблагоприятного влияния на рост растений кукурузы, оченьвысокого содержания свинца в почве и на баланс питательных веществ в растении.Сделаны выводы о возможности дальнейшего применения ОСВ в нормах, непревышающих потребности кукурузы в азотных удобрениях (17). Ряд авторов [14,19]изучили возможность пополнения запаса микроэлементов за счет использованияорганических удобрений на легкой почве с рН 7,8 в полевом опыте по схеме:контроль (без органических удобрений), внесение при закладке опыта по 10 т/ганавоза или осадка сточных вод. Органические удобрения вносили весной споследующей заделкой на глубину 25 см, а минеральные — на всех вариантах вдозе: азот -56 кг/га, фосфор — 8 кг/га действующего вещества в форме мочевины исуперфосфата ежегодно, перед посевом с заделкой дисками. Опытная культура — сорго. В год внесения органических удобрений урожайность зерна составила наконтроле 3,1 ц/га, при внесении навоза — 16,7, а осадка — 33,4 ц/га.Концентрация доступного Fe в почве на контроле в начале и конце экспериментаоставалась ниже предельно допустимой. За счет внесения органических удобрений впочве повышалось содержание доступного фосфора, меди и марганца, чтоположительно влияло на урожайность сорго.
Ряд авторов [15,17,33,47] исследовали АИ на предметразработки высокоэффективных экологически безопасныхтехнологий. Жидкиедигестированные АИ вносили на террасированную водосборную площадь и выращиваликукурузу и канареечник. Применяли АИ в течение 19 лет (в сумме 200 т/га сухоговещества) и получили высокие урожаи кукурузы. При этом содержание в растенияхазота, фосфора и калия оказалось нормальным. По мере увеличения норм АИ в почвевозрастало количество органического и общего азота.
В опытах анализировали периодически содержаниепитательных веществ в поверхностных стоках, почве и грунтовых водах. Показано,что ОСВ смогут быть хорошим источником питательных веществ для растений приэкологически безопасном состоянии среды.
Определенная работа по изучению и использованию АИпроводится и в нашей стране. Результаты исследований, проведенных надерново-подзолистых почвах с различными видами ОСВ свидетельствуют о том, чтостоки богаты питательными элементами, содержание тяжелых металлов в нихнаходится в пределах допустимых концентраций. Применение ОСВ положительновлияет на урожайность сельскохозяйственных культур. Прибавки урожая пропашныхзерновых культур в микрополевом опыте от АИ в дозе 30 т/га сухого веществасоставили 20-25%. В полевом опыте сбор сена викоовсяной смеси от внесения 10 и30 т/га ОСВ повысился соответственно на 6,6 и 19,7% [17].
Наличие тяжелых металлов в зеленой массе викоовсянойсмеси, выращенной при внесении АИ и в почве после ее уборки, в указанных опытахне превышало ПДК.
Интересен опыт Ставропольского СХИ в совхозе«Константиновский» Предгорного района с кукурузой на силос. Иловые осадкисточных вод г. Пятигорск вносили по вариантам: 1 — контроль, 2 — нитрааммофос,3 — иловый осадок — 60 т/га, 4- то же — 120 т/га, 5- то же -180 т/га.Агрохимический анализ почв показал, что содержание гумуса и рН были постоянныво всех вариантах и во все периоды (соответственно 5,1-5,6% и 7,5-7,8%).Увеличение содержания в почве фосфора в период уборки урожая, по сравнению спредшествующим периодом, свидетельствовало о том, что после формированиярепродуктивных органов происходил отток фосфора в почву. В этот периодснижалось количество фосфора в зеленой массе кукурузы[18].
В Латвийской РНПО «Плодородие» полевые опыты в звенесевооборота: картофель-кормовая свекла-ячмень провели на дерново-подзолистойсупесчаной, хорошо окультуренной почве. Использовали АИ Болдерей с рН 6,9-9,5,содержанием органического вещества 76%, N — 1,39%, К — 1,82%, Р — 16,5мг/100г,Са — 295, Mg — 162,1мг/100г, срок хранения 4-5 лет. В результате действия ипоследействия ОСВ за 2 года нормой140т/га получено кормовых единиц с 1га — 25710, нормой 70т/га — 24980, контроль -18857. Авторами рекомендуетсяиспользование АИ в качестве удобрений с нормированным содержанием основнойгруппы тяжелых металлов [18].
Установлено, что АИ городских очистных сооружений вумеренных дозах способен повышать содержание гумуса и биологическую активностьпочвы, устойчивость растений к экстремальным погодным условиям. Оптимальнаянорма под зерновые под основную обработку — 20т/га, под кукурузу — 40т/га. На3-й год можно возделывать сахарную свеклу, за счет высокого последействия.Хорошие результаты дает внесение АИ под зяблевую вспашку в сочетании с известью[38]
Эффективно сочетание умеренной дозы АИ (20 т) суменьшенной в 3 раза расчетной дозы NPK. Химический состав сельскохозяйственнойпродукции, выращенной с применением указанных норм АИ, не хуже контрольныхобразцов [33].
В полевых экспериментах изучены термофильно-сброшенныеобезвоженные осадки Саратовской городской станции, содержащие 25-40%органического вещества, до 4,8% общего азота, 0,7-2,1% валового фосфора, до0,8% подвижного фосфора, до 140 мг/кг обменного Са. Сделан вывод, чтоприменение АИ в качестве органических удобрений не вызывает негативноговоздействия на окружающую среду и сохраняет чистоту природных ландшафтов [15].
Сотрудники Волго-Вятского ВНИПТИХИМ провели вегетационныеопыты с кукурузой ВИР-42 и гречихой сорта Майская на дерново-среднеподзолистойпочве. В качестве удобрений использовали осадки сточных вод очистных сооруженийг. Казань с влажностью 64,4%, содержанием NH4-N 3,46%, N03-N 0,03%, Р205 2,7%,К20 0,57%, Сг 1000 г/кг,
Си 500, Ni 500, Zn 67мг/кг, рН 7,2. АИ вносили по 50 и 100г/кг,что соответствует 125 и 250т/га, контроль без АИ. Анализы, проведенные через5,10 и 15 дней после начала опыта, показали, что АИ усиливаютбиологическуюактивностьпочвы.Отмеченболееинтенсивныйрост растений. Урожайзеленой массы кукурузы возрос на 130-139%, а гречихи на 109-121% при внесениииз расчета 125 т/га. Повышенная доза (250 т/га) не оказала существенноговлияния на дальнейший рост урожая [15,17].
Многие авторы считают, что удобряющий эффект осадковсточных
вод, главным образом определяется наличием в них азота [17].
Использование общего азота, содержащего в том или иномвиде Аи, в первый год зависит, главным образом, от минерального азота, которыйдоступен растениям сразу же, органическая же часть за счет минерализации освобождаетсямедленно, в первый год порядка 15-17%. В Аи, сброшенных в термофильныхусловиях, N усваивается в первый год примерно на 46,6%. Это объясняется высокимсодержанием аммиачного азота [32]
Технологические операции по внесению илов в почву могутрезко снизить общее содержание азота во вносимых илах. Если жидкий осадоквносится на поверхность почвы и сразу не заделывается, потери азота за счетулетучивания достигают 80% [37].
Наряду с источником азота АИ могут играть важную роль впополнении запасов фосфора в почве. Высокое его содержание в АИ связано сусиленным применением фосфорсодержащих моющих средств в быту, а также тем, чтофосфор и его соединения обладают меньшей подвижностью и растворимостью вотличие от калия, который легко вымывается и уносится с очищенными водами [38].
Усовершенствование технологии извлечения из сточных водОСВ фосфора, по сообщению [17]позволит с учетом того, что каждый жительНидерландов ежегодно сбрасывает в канализацию до 1 кг фосфора, извлекать данный элемент в количестве 0,9 кг, что практически позволит удовлетворитьнужды растениеводства. Однако, при современной технологии очистки сточных вод,достигается максимум половинный отбор фосфора [17].
Обобщая литературныеданные, можно констатировать, что АИобладает высоким удобряющим эффектом при выращивании сельскохозяйственныхкультур и все же при их применении должны учитываться климатические условиярегиона, типы почв, виды осадка и конкретно вид выращиваемой культуры[43].
Тяжелые металлы в определенных случаях могут выступать вроли ведущего экологического фактора, определяющего направление и характерразвития биогеоценозов. Массированное загрязнение ими внешней среды можетприводить к катастрофическим токсикозам растений, животных и людей, и поэтомудиагностируется сравнительно легко и быстро. Более сложно оценить токсическоедействие относительно невысоких концентраций тяжелых металлов, внешне медленнои малозаметно влияющих на окружающую среду. Между тем, загрязнения именнотакого рода, действуя длительное время, способны вызвать сдвиги в существующембиологическом равновесии. Почва является той биологической средой, в которойпроисходит накопление тяжелых металлов в результате антропогенной деятельности.Основная масса техногенно рассеянных металлов, хотя и выбрасывается в воздух,очень быстро поступает на поверхность почвы [31]. Значительная часть тяжелыхметаллов включается в почвообразовательные процессы (сорбируется почвеннымпоглощающим комплексом, связывается с органическим веществом,перераспределяется по профилю). Некоторая часть поглощается растительностью. Врезультате получаются техногенные геохимические аномалии тяжелых металлов [43].
Таким образом, имеющиеся научные материалы отечественныхисследователей свидетельствуют о том, насколько сложна данная проблема. В миреидет интенсивный поиск путей утилизации возрастающего количества осадковгородских сточных вод — продуктов жизнедеятельности человека, а так же другихвидов отходов городского коммунального хозяйства. Имеющиеся литературные данныепо вопросам использования в качестве удобрений нельзя автоматически переноситьна наши почвенно-климатические условия, а по отдельным разделам, например, влияниеАИ на состав почвенных растворов и т.д. материалов практически не имеется. Сучетом вышеизложенного, целью наших исследований было изучить возможностииспользования осадков сточных вод г. Калуги в качестве удобрений.
1.2 Загрязнение сельскохозяйственных растений и их урожаярадиоактивными веществами
Радиоактивное загрязнение растений может происходитьдвумя путями: первый — аэральный путь, когда выпадающие из воздухарадиоактивные вещества непосредственно осаждаются на листьях, стеблях, плодах идругих органах растения, и второй — непрямое загрязнение, когда в процессепочвенного питания радионуклиды поглощаются из загрязненной почвы корневойсистемой и поступают в надземные органы растений.
Во время выпадения радиоактивных осадков растениязагрязняются преимущественно аэральным путем. Этим путем могут загрязняться нетолько вегетирующие растения, но также и собранный урожай, если во времявыпадения радиоактивных осадков он окажется не укрытым защитными материалами наполях, площадках, токах и других местах на открытом воздухе. После окончаниявыпадения радиоактивных осадков из атмосферы в последующие вегетационные сезоныглавным источником поступления радионуклидов в растения и накопления их вурожае становится почва. В случае многолетних хронических радиоактивныхвыпадений урожай может загрязняться одновременно аэральным и почвенным путями.
Как при аэральном, так и при почвенном пути главнымфактором, определяющим степень радиоактивного загрязнения растений и их урожая,является величина радиоактивности, приходящаяся на единицу поверхноститерритории (плотность радиоактивных выпадений и плотность радиоактивногозагрязнения почвы), которая обычно выражается в Кюри на 1 км2 [3,5,12,19].
Аэральное радиоактивное загрязнение растений.Радиоактивные осадки, выпадающие из атмосферы на сельскохозяйственные угодья,не задерживаются растительным покровом полностью. Часть из них минует растенияи, осаждаясь в свободном пространстве между растениями, достигает поверхностипочвы. Величины задерживания радиоактивных осадков растительным покровомзависят от мощности развития надземной массы растений (урожайности), степениоблиственности, структуры травостоя, морфологического строения растений истепени шероховатости и опушенности их поверхностных тканей, дисперсности ифизико-химических свойств радиоактивных осадков, погодных условий во время их выпаденияна растительность. В зависимости от этих факторов размеры первичногозадерживания радиоактивных осадков растениями могут варьировать в очень широкихпределах: от 10 до 60%).
В экспериментах по изучению радиоактивного загрязнениясельскохозяйственных культур было установлено, что величина задерживаниярадиоактивных осадков находится в прямой зависимости от урожайности надземнойрастительной массы. Процент задерживания для одного и того же вида растенийможет изменяться во времени в соответствии с изменением величины надземнойбиомассы в результате роста и развития растений. Так, например, при внесении ввиде дождя раствора цезия-137 на посев яровой пшеницы надземной массой былозадержано: в фазу кущения — 15%, в фазу выхода в трубку — 25%, в фазу цветения- 50%, в фазу молочной и восковой спелости — 60% от нанесенного количестварадионуклида [1,12].
Задерживание радиоактивных осадков растительным покровомв сильной степени зависит от физико-химических свойств этих осадков. Так, привыпадении, на посев яровой пшеницы в фазу колошения растений растворимых формрадионуклидов в виде дождя первоначальное задерживание было в 5-7 раз выше, чемпри выпадении твердых нерастворимых радиоактивных частиц размером 50-100мкм[19].
Различные сельскохозяйственные культуры обладаютнеодинаковой способностью к задерживанию выпадающих из атмосферы радиоактивныхосадков, что обусловлено видовой спецификой морфологического строения растения.Так, задерживание растворимых форм радионуклидов в период максимальногоразвития надземной массы составляет для гороха 75%>, яровой пшеницы — 70%),ячменя, овса и проса — 50%>, гречихи -40%, картофеля — 25%.
Неодинаковой способностью к задерживанию радиоактивныхосадков характеризуются не только разные виды растений, но также и различныечасти, и органы одного и того же растения. При нанесении водного растворастронция-90 на растения яровой пшеницы задерживание составляло: для листьев — 40%, для стеблей — 20%, для мякины — 10% и для зерна – 0,6%.
У некоторых растений хозяйственно ценные части урожаядостаточно надежно защищены от непосредственного загрязнения радиоактивнымиосадками (зерно бобовых культур, зерно кукурузы, клубни картофеля, подземнаячасть корнеплодов). Их радиоактивное загрязнение может происходить впоследующие периоды либо метаболическим путем, либо в результате вторичногозагрязнения при контакте с загрязненной соломой, ботвой, почвой [3,5].
После прекращения радиоактивных выпадений, осевшие нарастения радиоактивные вещества, в полевых условиях могут смываться дождями истряхиваться ветром. Наибольшие полевые потери этих веществ с загрязненныхрастений происходит сразу же после окончания радиоактивных выпадений, когдарадиоактивные вещества еще прочно не закрепились на поверхности листьев,стеблей, соцветий, плодов. С течением времени интенсивность потерь заметноснижается (таблица1).
1. Полевые потери стронция-89 загрязненными растениями вразные сроки после нанесения раствора радионуклида на кормовые сеяные травы (впроцентах от первоначально задержанного количества)Показатели Декада после нанесения стронция-89на растения 1-я 2-я 3-я 4-я 5-я 6-я 7-я Потери (отдельно по каждой декаде) 37 31 12 8 4 2 1 Суммарные потери за время наблюдения 37 68 80 88 92 94 95