Утилизация сточных вод в качестве удобрения ячменя

Введение

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
Июнь	1	24	24,1	114	14,5	15,2	97
	2	8	22,9	35	16,1	16,2	99
	3	27	25,0	108	21,7	17,2	126
	всего	59	70,0	84	17,4	16,2	107
Июль	1	19	30	63	17,0	17,8	96
	2	19	31	61	19,3	18,1	107
	3	27	31	87	15,1	18,1	92
	всего	65	92	71	17,1	18,0	95
Август	1	66	26	254	15,9	17,8	89
	2	22	25	88	18,5	16,5	112
	3	107	24	446	16,6	15,1	110
	всего	195	75	260	17,0	16,5	103
Сентябрь	1	39	19	205	14,7	13,0	113
За вегетационный период	455	325	140	15,1	15,0	101

Сумма осадков за вегетационный период ячменя в 2007 году на 130мм выпало больше в сравнении с многолетними данными. В наиболее критический период (выход в трубку - колошение) и в целом по фазам развития, количество влаги и температурный режим находились в оптимальных значениях для роста и развития растений ячменя

По природно-географическому районированию Калужской области земельная площадь учебно-опытного поля относится к Угринско-Суходревскому району Смоленско-Московской провинции. Территория учебно-опытного поля делится ложбинами стока на несколько слабоприподнятых участков. Здесь сформировались дерново-подзолистые почвы супесчаные по механическому составу на водно-ледниковых отложениях, подстилаемых мореной. Грунтовые воды подходят ближе к поверхности в ложбинах стока, а так же здесь происходит застой дождевых и талых вод, в результате этого происходит процесс оглеения почв. Здесь сформировались дерновоподзолистые глеевые почвы. К ложбинам стока примыкают слабопониженные участки равнины, где сформировались дерново-среднеподзолистые слабоглееватые почвы. Более половины территории учебно-опытного поля занято лесами. В геологическом строении территории учебно-опытного поля большая роль принадлежит четвертичным отложениям. Почвообразующие породы на данной территории представлены водно-ледниковыми отложениями, которые на раз личной глубине подстилаются мореной суглинистой. Водно-ледниковые отложения представлены рыхлыми, слоистыми песками. Эти породы крайне бедны зольными элементами. В механическом составе водно-ледниковых отложений преобладает фракции песка. В химическом отношении водно-ледниковые отложения характеризуются невысокой суммой поглощенных оснований (3,8-5,2 мг-экв./100 г почвы), гидролитическая кислотность так же низкая (0,35-0,28 мг-экв./100 г почвы). Степень насыщенности основаниями от 81,2 до 93,6 °/о. Реакция почвенной среды от сильнокислой до близкой к нейтральной (рН 4,5-6,4). Содержание фосфора в среднем 16,25 мг на 100г почвы, калия 13,6 мг на 100г почвы. Подстилание водно-ледниковых отложений мореной оказывает существенное влияние на формирование почвенного профиля. При подстилании водно-ледниковых отложений мореной резко меняется водный режим, так как морена является хорошим водоупором, задерживает влагу, которую при сильном иссушении верхних горизонтов могут использовать растения. Подстилание верхних супесчаных и песчаньix горизонтов суглинистой мореной имеет свои и отрицательные свойства, так как в весеннее время и во влажные годы морена держит верховодку, что сильно затрудняет своевременную вспашку и дальнейшую обработку почвы. Почвенный покров учебно-опытного поля представлен дерново-подзолистыми почвами нормально увлажнения. По рельефу данные почвы приурочены к слабоповышенным водоразделам. Пахотный горизонт (Апах) имеет светло-серую окраску, часто с белосоватобурыми пятнами припашки нижнего горизонта и характеризуется комковатой структурой или бесструктурный. Мощность пахотного горизонта колеблется от 24 до 34см. Ниже замечают хорошо выраженный оподзоленный горизонт А₂, мощностью от 9 до 20см с буровато-белесой окраской. Далее, как правило, переходный подзолистый горизонт А₂В с белесой окраской. Иллювиальные горизонты В₁ и В₂ представлены бесструктурными песками буровато - белесого цвета. Данные химического состава почв учебно-опытного поля, на котором расположен экспериментальный севооборот, приведены в таблице 5.

5. Химический состав почв учебно-опытного поля КФ РГАУ-МСХА

	Номер почвенного профиля
	40	40	40	40	40	40
Горизонт	Ап	А2	А2в1	В1	В2	В3
Глубина, см	0 - 28	28 - 38	40 - 50	65 - 75	85 - 95	130 - 140
Гумус, %	1,21	0,17	-	-	-	-
Сумма поглощенных оснований, мг - экв/100г почвы	5,8	4,8	5,9	8,3	10,0	13,0
Гидролитическая кислотность, мг - экв/100г почвы	0,58	0,58	0,88	2,28	4,03	4,2
Степень насыщенности основаниями, %	91,6	80,0	87,0	78,4	78,2	75,6
рН сол	6,5	6,0	5,3	3,9	3,4	3,4
Р2О5, мг на/100 г почвы	26,3	6,0	2,8	-	-	-
К2О, мг на/100 г почвы	8,5	8,5	2,5	-	-	-

Супесчаные почвы отличаются низким естественным плодородием, они сыпучи, легко водо - и воздухопроницаемы, маловлагоемки, имеют низкую поглотительную способность. Органические вещества в таких почвах хорошо разлагаются и минерализуются, а минеральные (нитратные формы) вымываются в нижележащие горизонты. Поэтому при внесении органических удобрений необходимо увеличивать нормы и запахивать на глубину 18 - 22см. Для ускоренного повышения плодородия данных почв необходимо применять целый комплекс агротехнических мероприятий.

Ботанико-биологические особенности ячменя

Зерно ячменя обладает высокими кормовыми качествами и широко применяется как концентрированный корм для всех видов сельскохозяйственных животных. В среднем зерно содержит (в %): воды - 13; золы - 2,8; белка - 12; клетчатки - 5,5; БЭВ - 64,4; жира - 2,1.

Среди яровых зерновых культур, ячмень - наиболее скороспелая культура (период вегетации 70 - 100 дней). К теплу ячмень малотребователен. Зерно его может прорастать при температуре 1 - 2 ⁰С, поглощая до 50% воды от массы зерна, причем набухает оно медленно. Небольшие заморозки (до 4 - 5⁰С) всходы ячменя переносят без заметных повреждений. В период цветения и налива зерна опасны даже незначительные заморозки.

Ячмень - растение длинного дня. Прорастает 5 - 8 корешками. Кустится (через 8 - 12 дней после всходов) сильнее, чем яровая пшеница и овес, образуя до 4 - 5 стеблей на растении, из них 2 - 3 продуктивных. Корневая система и ее усвояющая способность у ячменя относительно слабая.

Как самоопылитель ячмень нередко в засуху цветет еще до выхода колоса из влагалища листа и заканчивает цветение до полного выколашивания.

Слабая усвояющая способность корней, быстрое прохождение фаз развития обуславливает короткий период поступления питательных веществ и повышенную требовательность ячменя к плодородию. Наиболее пригодны для ячменя среднесвязные суглинистые плодородные почвы.

Эта культура солевынослива и засухоустойчива. Ячмень довольно экономично расходует влагу, транспирационный коэффициент от 350 до 400. к недостатку влаги ячмень особенно чувствителен в фазы выхода в трубку - колошение (критический период). Достаточно устойчив к высоким температурам. Из вредителей ячменя опасны шведская и гесенская мухи, особенно сильно поражающие запоздалые посевы.

Технология возделывания ячменя

Предшественники

Лучший предшественник для ярового ячменя - пропашные культуры (кукуруза, картофель, сахарная свекла), под которые обычно вносят удобрения. Хорошими предшественниками являются также озимые, идущие по удобренному чистому пару.

Яровой ячмень, посеянный после пропашных культур, особенно пригоден для пивоварения; в этом случае он даст не только высокий урожай, но и зерно хорошего качества, с высоким содержанием крахмала. Для продовольственных целей или на корм скоту ячмень можно высевать после зерновых бобовых культур, накапливающих в почве много азота.

Ячмень, будучи скороспелой культурой, сам служит хорошим предшественником для яровых, а в некоторых районах и для озимых культур. Благодаря ранним срокам уборки ячмень более ценен как покровная культура, чем другие яровые зерновые хлеба.

Система удобрений

Применительно к конкретным условиям дозы удобрений устанавливают с учетом агрохимических свойств почвы, планируемой урожайности и запаса продуктивной влаги в почве. Фосфорные и калийные удобрения вносят под основную обработку почвы, при посеве и в рядки применяют суперфосфат или аммофос, так как данный тип удобрения позволяет намного увеличить эффективность фосфорных удобрений. Азотные удобрения вносят обычно под предпосевную обработку почвы.

Яровой ячмень относится к группе культур, чувствительных к повышенной кислотности. Он лучше растет при близкой к нейтральной реакции и хорошо отзывается на известкование. При повышенной кислотности почвенного раствора ухудшается рост и ветвление корней, поэтому затрудняется использования растениями воды и питательных элементов из почвы и удобрений. При кислой реакции нарушается обмен в растениях, ослабляется синтез белков, подавляются процессы превращения простых углеводов в более сложные органические соединения. Особенно чувствительны растения к повышенной кислотности почвы в первый период роста, сразу после прорастания.

При внесении извести она взаимодействует с угольной кислотой, находящейся в почвенном растворе, и нейтрализует ее, а также снижается содержание в почве подвижных соединений алюминия и марганца, они переходят в неактивное состояние, и поэтому устраняется вредное действие их на растения.

В результате снижения кислотности и улучшения физических свойств почвы под влиянием известкования усиливаются жизнедеятельность микроорганизмов и мобилизация ими азота, фосфора и других питательных элементов из почвенного органического вещества.

Известь обладает длительным действием. Установлено, что полная доза извести при основном известковании может положительно влиять на урожайность сельскохозяйственных культур в течение двух ротаций 7 - 8- польного севооборота, половинная доза - не более одной ротации (6 - 7лет). Полную, а также половинную дозу извести следует вносить с заделкой под плуг с осени под вспашку или весной под глубокую культивацию.

Для нормального роста и развития растений, кроме обычных видов удобрений (NPK), необходимо внесение недостающих микроудобрений - бора, марганца, цинка, меди, молибдена и др. недостаток в почве каких - либо из этих микроэлементов приводит к заболеваниям, нарушениям обмена веществ в растениях и значительному снижению урожаев.

Основная и предпосевная обработка почвы

Главная задача обработки почвы под яровой ячмень - накопление и сохранение осенне-зимних осадков и уничтожение сорных растений. Основной обработкой почвы может быть вспашка на глубину 24см с предпахотным лущением (дискованием), без лущения (после свеклы и картофеля) или плоскорезная обработка. Для низкорослого ячменя очень важно при вспашке почвы не допустить образования свальных гребней и развальных борозд. На склонах проводят противоэрозионную обработку почвы (контурная вспашка, ячеистая вспашка, щелевание по горизонталям склона и др.).

Для уменьшения стока воды, увеличения запасов влаги в почве и повышения урожайности ячменя очень важно снегозадержание сочетать с регулированием снеготаяния и задержанием талых вод путем полосного распахивания снега, создания снежных уплотненных валов поперек склона и полосного мульчирования снега между снежными валами.

Весной при поспевании почвы проводят боронование. Основная цель ранневесеннего боронования - закрытие влаги накоплиной за зимний период, а также провокация семян сорных растений к прорастанию. Следующую операцию, которую проводят, сразу после боронования является внесение азотных удобрений. Азотные удобрения вносят все рассчитанное количество, так как подкормка эффекта не дает. Для заделки минеральных удобрений, а также уничтожения всходов сорняков (в фазе белой ниточки) проводят культивацию на глубину 12 - 14см. Для создания плотного ложа семенам ярового ячменя и уничтожения всходов сорных растений проводят предпосевную культивацию почвы на глубину посева -- 5см гусеничными тракторами.

Подготовка семян к посеву. Посев

Для посева следует использовать в первую очередь крупные семена, отличающиеся высокой энергией прорастания. Они дают более дружные всходы и лучше растут. Важные приемы повышения урожайности ярового ячменя (1-2 ц с 1га) -- воздушно-тепловая обработка и солнечный обогрев семян. Семена протравливают против твердой головни преимущественно сухим способом. Протравливание проводят за две - четыре недели до посева.

Сроки посева

Яровой ячмень относится к культурам наиболее ранних сроков посева. Запоздание с посевом на 7 дней снижает урожайность в Нечерноземной зоне на 10--15%. При ранних сроках посева яровой ячмень дает более крупное зерно с меньшим содержанием пленок, а всходы меньше повреждаются шведской мухой. Сеять яровой ячмень следует одновременно с яровой пшеницей или сразу после нее.

Способы посева

Яровой ячмень лучше всего сеять узкорядным способом. На повышение урожайности и улучшение качества зерна большое влияние оказывает направление рядков. В многолетних опытах Опытной станции полеводства ТСХА при направлении рядков с севера на юг во все годы урожайность ячменя была на 1,5--2 ц с га выше, чем при направлении с востока на запад. Одновременно значительно возрастало содержание крахмала в зерне (на 2--3%).

Норма посева

Изменяются в зависимости от района возделывания. В Нечерноземной зоне норма посева колеблются в пределах 1,9--2,4 ц на 1га (5,5--6 млн. всхожих семян). Эти примерные нормы следует уточнять в зависимости от местных почвенных и агротехнических условий. В загущенных посевах ячменя содержание белка в зерне снижается; это следует учитывать при возделывании пивоваренного ячменя.

Глубина посева

Семеня ярового ячменя, заделывают на глубину 5см, так как почва среднесуглинистая. Высеянные семена ячменя набухают медленно, поэтому их следует заделывать обязательно во, влажный слой почвы.

Уход за посевами

В сухую весну после посева ярового ячменя применяют прикатывание, чтобы вызвать приток влаги к семенам из глубоких слоев почвы, а во влажные годы этот прием имеет цель ускорить прогревание почвы и вызвать появление дружных всходов.

На тяжелых заплывающих почвах может образоваться корка, затрудняющая появления всходов; ее надо разрушить боронованием. Боронование проводят до и после появления всходов. До появления всходов бороновать следует на третий день после посева поперек направлению рядков ячменя, для уничтожения не только корки, но и неокрепших всходов однолетних сорных растений.

Боронование после появления всходов необходимо проводить в фазе кущения ярового ячменя на глубину 2 - 3см. Цель - сохранение накопленной влаги в почве, разрыхление почвы, увеличения доступа воздуха к корням и уничтожение всходов сорных растений. Для более раннего рыхления всходов лучше пользоваться вращающимися мотыгами, так как борона может повредить значительное количество слабо укоренившихся всходов.

В борьбе с сорной растительностью, болезнями и вредителями ярового ячменя широко используют химические средства (гербициды, фунгициды и инсектициды).

Уборка и послеуборочная доработка урожая

Уборка урожая предусматривается на чистых от сорняков посевах прямым комбайнированием в фазу полной спелости зерна с влажностью не более 18 - 20%, на средне и сильно засоренных - раздельным способом в фазу восковой спелости зерна с влажностью 20 - 30% при скашивании в валки и с влажностью 16 - 18% при подборе и обмолачивании массы из валков.

Следует отметить, что задержка с уборкой на 5 дней ведет к потерям урожая на 10 -12%; 10 -20 дней задержки увеличивает потери до 40%.

При двухфазном (раздельном) способе уборки зерновых производительность комбайна выше, зерно получается более выполненным, с высокой всхожестью и на 1 - 4 ц/га больше, чем при прямом комбайнировании.

Свежеобмолоченный ворох немедленно подвергают первичной очистке от сорняков, зелени и других примесей. Затем сушат до влажности 13 - 14% и окончательно сортируют до кондиции, соответствующей стандартным семенам 1 - 2 классов [5].

2.2 Схема опытов

Научно - исследовательская работа проводилась на опытном поле КФ РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева на экспериментальном участке кафедры сельскохозяйственной радиологии и экологии в 2007 году.

Объектами исследований являлись:

ь осадок сочных вод с иловых площадок г. Калуги (ОСВ);

ь обезвоженный осадок сточных вод (ООСВ или КЕК);

ь дерново - подзолистая супесчаная почва на водно - ледниковых отложениях, подстилаемая мореной;

ь сельскохозяйственная культура - ячмень.

Схема опыта включала следующие варианты:

1. Контроль (возделывание ячменя без удобрений);

2. ОСВ в норме 200 т/га по сухому веществу с внесением его в пахотный слой почвы;

3. ООСВ в норме 200 т/га по сухому веществу с внесением его в пахотный слой почвы;

4. ОСВ в норме 200 т/га по сухому веществу с внесением в подпахотный слой почвы;

5. ООСВ в норме 200 т/га по сухому веществу с внесением его в подпахотный слой почвы.

Обоснованием схемы опыта служит выдвинутая нами рабочая гипотеза, изложенная в главе «Введение». Расположение и размещение повторений и вариантов опыта представлено на рисунке 1.

1	2	3	4	5		2	4	5	3	1		5	4	3	2	1
б/у	ОСВп	ООСВп	ОСВпп	ООСВпп		б/у	ОСВп	ООСВп	ОСВпп	ООСВпп		б/у	ОСВп	ООСВп	ОСВпп	ООСВпп

Рисунок 1. Схема расположения повторений и вариантов опыта на Опытном поле КФ РГАУ-МСХА в 2007году.

Опыт заложен в трех кратной повторности. Расположение делянок одноярусное. Размещение вариантов опыта - систематическое. Размер опытной делянки 2,5 х 2 м. общая площадь делянки 5 кв. м. Общее количество делянок - 15.

2.3 Характеристика методов исследования

Исследования проводились в натуральных условиях в соответствии с методикой полевого опыта по Б.А. Доспехову (1985г).

Влажность почвы определяли термостатно - весовым методом путем взвешивания влажных и сухих почвенных проб на технических весах с пересчетом на проценты от массы абсолютно сухой почвы.

Учет урожая проводили сплошной уборкой зерна с опытной делянки с последующим определением его влажности и пересчетом на стандартную влажность (14%). Для изучения структуры урожая отбирали снопы из 50 растений.

Высоту растений определяли линейкой у 10 контрольных растений ячменя по вариантам опыта в соответствующие фазы развития.