Оценка воздействия вторичных ресурсов сахарного производства на биоресурсы агроэкосистем
На правах рукописи
Коноплина Елена Александровна Оценка воздействия вторичных ресурсов сахарного производства на биоресурсы агроэкосистем Специальность 03.02.14 – биологические ресурсы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук
Воронеж – 2011
Работа выполнена на кафедре агроэкологии ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный университет им. К.Д. Глинки»
Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Юрий Иванович Житин
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Николай Трофимович Павлюк доктор сельскохозяйственных наук, профессор Анатолий Иванович Стифеев Ведущая организация – ГНУ « Воронежский научно-исследовательский институт сельского хозяйства ЦЧП им. В. В. Докучаева» РАСХН
Защита состоится 07 апреля 2011 года в 12 00 часов в ауд. 268, на заседа нии диссертационного совета Д 220.010.06 при ФГОУ ВПО «Воронежский го сударственный аграрный университет им. К.Д. Глинки» по адресу: 394087, г. Воронеж, ул. Мичурина, 1.
Тел./факс(4732)53-73-69, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Воро нежский государственный аграрный университет им. К.Д. Глинки», с авторефе ратом – на сайте http://www.vsau.ru/science/diss Автореферат разослан « » марта 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент О.М. Кольцова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Одной из центральных проблем, изучаемых современной наукой, является проблема обеспечения населения земного шара и отдельных стран необходимыми природными ресурсами в настоящее время, в ближайшей и отдаленной перспективе. Эта проблема приобретает особую акту альность по мере роста дефицита и истощения многих видов природного сырья.
В ряде регионов Планеты обозначились энергетические сырьевые и продо вольственные кризисные ситуации. В решении проблемы продовольственных ресурсов особое внимание уделяется растительным. Их доля в общем продо вольственном обеспечении жителей нашей планеты составляет 88%, еще 10% дают пастбища – их всего 2%, Мировой океан.
Следует отметить, что в настоящее время мир растений насчитывает бо лее 500 тыс. видов, среди которых много хозяйственно ценных, имеющих пи щевое, кормовое, техническое, лекарственное и декоративное значение, однако, общее количество используемых человеком на свои нужды растений пока оста ется )ничтожным. По подсчетам Н.И. Вавилова из 1600-1700 видов, широкое распространение получили лишь 150-180, а кормят человечество буквально единичные особи.
Использование интенсивной технологии в сельском хозяйстве, внедрение монокультурных посевов привели к тому, что только 20 видов растений состав ляют более 90% рациона человека. Затраты энергии на производство продук ции постоянно увеличиваются, поэтому требуются разработки, технологии, приемы, которые позволяют более эффективно использовать энергоресурсы. В первую очередь за счет вторичных ресурсов производства.
Цель работы – определить влияние вторичных ресурсов сахарного про изводства на биоразнообразие и продуктивность агроэкосистем.
В задачи исследований входило:
– провести экологическую оценку качества сточных вод и фильтрацион ных осадков;
– определить состав и продуктивность агрофитоценозов при орошении сточными водами;
– оценить воздействие орошения агроценозов сточными водами на поч венно-биотический комплекс;
– установить влияние фильтрационных осадков на состав и продуктив ность агроценозов;
– рассчитать энергетическую и экономическую эффективность примене ния отходов сахарного производства в агроэкосистемах.
Научная новизна результатов исследований заключается в том, что вы явлены процессы, определяющие состав и плотность популяций агроэкосистем при использовании вторичных ресурсов сахарного производства. Установлена взаимосвязь между составом продуцентов и детритной пищевой цепи агроцено зов. Определены факторы, обеспечивающие биоразнообразие и продуктивность агроценозов.
Практическая значимость. Результаты исследований позволяют обеспе чить научно-обоснованное использование сточных вод и фильтрационных осадков в агроэкосистемах Центрального Черноземья.
Защищаемые положения:
1. Орошение сточными водами увеличивает плотность популяций проду центов, продуктивность и качество культур.
2. Использование сточных вод оказывает положительное влияние на поч венно-биотический комплекс, существенно увеличивая эффективность работы детритной пищевой цепи.
3. Внесение фильтрационных осадков повышает биологическую актив ность почвы, изменяет состав фитоценозов и увеличивает урожайность культур.
Апробация работы. Результаты работы доложены и получили одобрение на научных и учебно-методических конференциях профессорско преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов ВГАУ (2007, 2010);
международных научно-практических конференциях (Воронеж, 2007;
Саратов, 2009).
Публикации результатов исследований. По материалам исследований в соавторстве и лично опубликовано 5 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, выводов, предложений производству общим объемом 176 страниц маши нописного текста. Она содержит 37 таблиц, 7 рисунков, 4 приложения. Список используемой литературы включает 270 наименований, в том числе 22 ино странных источника.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1 ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ РЕСУРСОВ САХАРНЫХ ЗАВОДОВ В АГРОЭКОСИСТЕМАХ (Обзор литературы) В результате анализа отечественной и зарубежной литературы выявлено, что химический состав сточных вод не остается постоянным, а изменяется по годам и сезонам. Среди солей преобладают бикарбонаты и сульфаты кальция, соотношение одно- и двухвалентных ионов 1:1, а содержание хлоридов не пре вышает 500 мг/л (Алещенко, 1985). Орошение сточными водами значительно улучшает водно-физические и химические свойства почвы, обогащает почву питательными веществами. Уменьшает численность и активность вредных микроорганизмов в почве в 3…5 раз по сравнению с орошением чистой водой (Использование сточных вод…, 1989). Проблема оценки качества и использо вания сточных вод остается нерешенной, прежде всего потому, что требования к воде постоянно изменяются, усложняются, а точнее детализируются в соот ветствии с проблемами охраны окружающей среды (Экологические требова ния…, 1995).
Наиболее перспективным местным материалом для окультуривания почв с дефицитом кальция в Воронежской области является дефекат, который можно рассматривать как комплексное удобрение пригодной для снижения кислотно сти почвы и обогащения ее элементами питания растений (Мязин, 1997;
Шиш кин, 2002).
До настоящего времени исследования о влиянии вторичных ресурсов са харного производства (сточных вод и фильтрационных осадков) на биоресурсы агроэкосистем практически не проводились.
2 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ Экспериментальная работа выполнена в ФГОУ ВПО Воронежском ГАУ им. К.Д. Глинки в 2006 – 2009 гг. Полевые опыты проводились на полях опыт ной станции агроуниверситета, территория которой расположена в лесостепной части ЦЧР.
Климат места проведения исследования умеренно-континентальный с не устойчивым увлажнением. Среднегодовая температура воздуха +5,40С, средне годовая сумма осадков – 554 мм, из них в холодный период – 227 мм (41%), и в теплый период – 327 мм (59%).
Метеоусловия в годы проведения исследований по данным Воронежского гидрометеобюро значительно различались. Весенне-летний период 2007 года характеризовался повышенным температурным режимом и дефицитом осадков за исключением июня, когда превышение среднемноголетней нормы составило 19%.
Весна 2008 года была ранней с повышенным температурным режимом и обильными осадками. Лето было жарким, за исключением июня, с существен ным дефицитом осадков.
Весеннее - летний период 2009 года характеризовался повышенным тем пературным режимом и значительным дефицитом осадков.
Почва опытного участка – чернозем выщелоченный, среднемощный, малогумусный, тяжелосуглинистый на лессовидном суглинке. Содержание гумуса 3,7 – 3,8% (0 – 20см), pH солевой вытяжки 5,0 – 5,2, гидролитиче ская кислотность 3,20 – 3,35 мг-экв на 100 г почвы. Содержание подвижного фосфора 100 – 105 мг/кг, обменного калия 105 – 128 мг/кг.
В исследованиях применялись общепринятые в агроэкологии методики закладки и проведения опытов (Юдин, 1980;
Опытное дело в полеводстве, 1982;
Доспехов, 1985;
Посыпанов, 1991;
Яшин, 2000, 2001).
Объектами исследования являлись агроценозы рапса сорт Ратник, сои сорт Воронежская 31, ячменя сорт Скарлетт, сточные воды, фильтрационные осадки Добринского сахарного завода.
Опыты были заложены по следующей схеме:
Опыт 1: Влияние сточных вод на биоресурсы агроценозов.
1. Контроль – без орошения.
2. Орошение сточными водами.
Опыт 2: Воздействие фильтрационных осадков на состав и продуктивность агроценозов.
1. Контроль – без внесения фильтрационных осадков.
2. Свекловичный дефекат.
3. Тростниковый дефекат.
Технологии возделывания рапса, сои и ячменя рекомендованные для ЦЧР.
Опыт размещался в звене севооборота рапс – соя – ячмень. Площадь учетной делянки 10 м2, повторность 4 - х кратная. Размещение вариантов сис тематическое.
Орошение сточными водами проводили в течение вегетации куль тур. Поливные нормы определяли расчетным путем.
Фильтрационные осадки вносили осенью под основную обработку почвы в 2006 г. Дозу дефеката рассчитывали по гидролитической кислот ности.
Для определения химического состава сточных вод использовали следующие методики: водородный показатель – ПНД Ф 14.1:2:3:4.121 – 97;
ХПК – ПНД Ф 14.1:2.100 – 97;
взвешенные вещества ПНД Ф 14.1:2:3:4.123 – 97;
азот аммонийный, азот общий – ПНД Ф 14.1:2:1 – 95;
нитраты – ПНД Ф 14.1:2.4 – 97;
нитриты – ПНД Ф 14.1:2.3 – 95;
Сульфа ты – РД 52.24.405 – 95;
хлориды – ПНД Ф 14.1:2.99 – 97;
калий, натрий – РД 52.24.391 – 95;
железо, кадмий, марганец, медь, свинец, цинк – ПНД Ф 14.1:2.22 – 95;
кальций, магний – РД 52.24.403 – 95;
гидрокарбонаты, кар бонаты, общая щелочность – ПНД Ф 14.2.99 – 97;
фосфаты – ПНД Ф 14.1:2.112 – 97;
сухой остаток – ПНДФ 14.1:2.114 – 97.
Определение качественного состава фильтрационных осадков про водилось по следующим методикам: сухое вещество – методом высуши вания по ГОСТ 23637 – 79, содержание органического вещества – ГОСТ 13496.2 – 84;
содержание калия – на пламенном фотометре;
фосфора – ванадно-молибденным методом, общего азота – ГОСТ 13496.4 – 84 (по Кьельдалю);
реакцию дефеката, определяли потенциометрическим мето дом. Суммарную массовую долю углекислого кальция и магния – трило нометрически, влажность – весовым методом, содержание валовых форм тяжелых металлов – атомно - адсорбционным методом анализа.
Согласно «Методике государственного сортоиспытания сельскохо зяйственных культур» (1985) проведены основные наблюдения и учеты:
фенологические наблюдения за прохождением основных этапов роста и развития растений, их морфологический анализ, биопродуктивность, структура урожая перед уборкой.
Определение количества дождевых червей проводили методом по слойной выкопки и разборки проб в слое почвы 0 – 40 см (Гиляров, 1949).
Количество и массу азотфиксирующих клубеньков определяли пу тем выкапывания монолита размером 30 х 30 х 15 см с последующим от мыванием клубеньков, подсчетом и взвешиванием. Леггемоглобин в клу беньках определяли по методике Посыпанова (1991, 1993).
Определение подвижных форм фосфора и калия в почве проводили по методу Чирикова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26204 – 91), опреде ление гумуса проводилось по методу Тюрина согласно ГОСТ 26213 – 91;
определение рН солевой вытяжки по методу ЦИНАО (ГОСТ 26483 – 85);
определение содержания общего азота в почве – ГОСТ 13496 – 84 (по Кьельдалю);
определение ферментативной активности почвы по Галстяну (1984);
влажность почвы и запасы продуктивной влаги определяли по «Методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур», токсичность тяжелых металлов (ТМ) в почве определяли мето дом биотестирования в водных вытяжках (Минеев, Ремпе, 1990;
Ашихми на, 2005). Видовой состав сорных растений, численность, массу сырых растений определяли с помощью учетных рамок площадью 1 м 2 (Исаев, 1990).
Уборку урожая проводили раздельным способом, вручную, с после дующим обмолотом семян и зерна культур. Пересчет проводили на стандарт ную влажность и 100% чистоту.
В зерне ячменя определяли: содержание сырого белка – умножением ко личества общего азота на коэффициент 5,7 азотный индекс по Климашевскому (1991), крахмала – поляриметрическим методом (по Эверсу), экстрактивных веществ (ГОСТ 12136 – 77), пленчатость (ГОСР – 10846 – 76), натуру зерна (ГОСТ – 10840 – 76), массу 1000 зерен (ГОСТ – 10842 – 76).
Определение масличности в семенах сои и рапса проводили по ГОСТ 10857 – 64;
белка – ГОСТ 10846 – 91.
Математическую обработку результатов исследований проводили мето дами корреляционного, дисперсионного анализов (Доспехов, 1985) на ПК с ис пользованием Еxcel 2000, Statistica 5.5.
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 3.1 Экологическая оценка качества сточных вод и фильтрационных осадков Результаты анализов сточных вод позволяют судить о том, что ХПК в годы проведения исследований колебалось в пределах 474,2 – 802,0 мг О2/дм3, что ниже требований ГОСТ в 2,5 – 4,2 раза, и следовательно, не является лими тирующим фактором ее использования для орошения.
Вероятность осолонцевания почвы при орошении сточными водами не значительная SAR = 2,56.
По степени опасности развития процессов натриевого, магниевого осо лонцевания, содообразования и общей минерализации сточная вода относится к I классу опасности.
Реакция сточной воды в проведенных исследованиях колебалась в преде лах 6,31 – 6,67 ед., и соответствовала нормативным требованиям.
Однако, по содержанию кадмия превышение ПДК составило в 2007 г. в раза, и в 2008 и 2009 гг. в 2 раза.
При определении токсичности воды и использовании в качестве тест - объекта семян рапса длина корней в сточной воде уменьшилась на 27,7%;
семян ячменя 23,9%;
семян пшеницы 25,0% (табл. 1).
Таблица 1 – Фитотоксичность сточной воды Культура Вариант Средняя Изменение длины Токсичность длина корня, корня, воды, % мм % к контролю Водопроводная Рапс 13,4 100 – вода (2007 г.) Сточная вода 9,7 72,3 27, Водопроводная 6,3 100 – Ячмень вода (2008 г.) Сточная вода 4,8 76,1 23, Водопроводная 8,4 100 – Пшеница вода (2009 г.) Сточная вода 6,3 75,0 25, Следовательно, сточная вода может быть использована для орошения с определенным экологическим риском.
Использование эйхорнии для очистки сточных вод позволило снизить со держание взвешенных веществ в 2,1 раза, хлоридов в 3,7 раза, натрия в 4,2 раза и кадмия в 2 раза, сульфаты остались без изменения. Использование ее для орошения культур позволило выявить положительное влияние на все компо ненты агроценозов, в том числе и существенное повышение продуктивности.
Однако, в условиях производства на современном этапе развития АПК ее сложно использовать, так как содержание взвешенных веществ не должно пре вышать в сточной воде 500 мг/л, ХПК – 700 мг О2/л. Температура воды для нормального развития эйхорнии должна составлять не ниже 160С. Такая темпе ратура в водоемах Центрального Черноземья обычно наступает в июне и под держивается в течение максимум двух месяцев.
Размножение и хранение необходимо проводить в теплицах. По прове денным наблюдениям в таких условиях она сильно повреждается паутинным клещем. В водоемах зрелого состояния она достигает лишь к августу месяцу, когда вегетационные поливы практически заканчиваются.
Проведенный анализ фильтрационных осадков позволяет судить о том, что тростниковый фильтрационный осадок превышает свекловичный по со держанию органического вещества на 13,4%, АДВ – 31,7%, фосфора – 0,62%, калия – 0,14%. Реакция фильтрационных осадков щелочная. Содержание кад мия превышает ПДК в свекловичном дефекате в 2 раза, а в тростниковом – в раза.
3.2 Состав и продуктивность агрофитоценозов при орошении сточными водами Установлено, что орошение сточными водами не оказывало существенно го влияния на токсичность почвы. Она возрастала в процессе вегетации, при поливе агроценозов рапса с 5,0 до 13,9%;
сои – с 6,6 до 15,7%;
ячменя – с 10, до 18,8% (табл. 2).
Таблица 2 – Токсичность почвы, % (тест - культура – кресс - салат) Этапы органогенеза культур Вариант IV этап VIII этап XII этап Рапс – 2007 г.
Контроль Фон Фон Фон Орошение 5,0 7,6 13, Соя – 2008 г.
Контроль Фон Фон Фон Орошение 6,6 14,5 15, Ячмень – 2009 г.
Контроль Фон Фон Фон Орошение 10,4 18,8 18, Полевая всхожесть семян сои увеличилась на 10,9%, а ячменя на 8,9%.
При орошении сточными водами превышение запасов продуктивной влаги над контролем в агроценозах рапса составило 79,1 – 200,6%;
сои – 56,9 – 211,1%;
ячменя – 67,9 – 75,0% (табл. 3).
Таблица 3 – Запасы продуктивной влаги в агроценозах, мм Слой Этапы органогенеза культур Вариант почвы, см IV этап VIII этап XII этап Рапс – 2007 г.
0 – 20 16,1 19,6 15, Контроль 20 – 40 17,8 20,3 16, 0 – 20 32,3 34,9 27, Орошение 20 – 40 35,1 33,8 29, Соя – 2008 г.
0 – 20 20,2 15,5 15, Контроль 20 – 40 21,2 16,8 15, 0 – 20 31,7 32,8 28, Орошение 20 – 40 34,9 33,1 29, Ячмень – 2009 г.
0 – 20 17,3 16,8 15, Контроль 20 – 40 18,5 17,7 17, 0 – 20 29,8 29,4 26, Орошение 20 – 40 29,0 29,2 27, Увеличение запасов продуктивной влаги обеспечивало более благопри ятные условия для роста и развития культур.
При орошении агроценозов сои сточными водами количество клубеньков на растениях в фазу образования бобов увеличивалось на 24,0 шт./раст. или в раза. При этом на контроле формировались мелкие клубеньки и размещались преимущественно на боковых корешках, в то время как при орошении форми ровались более крупные клубеньки, которые имели розовую окраску и разме щались в большинстве на главном корне. Установлена тесная взаимосвязь ме жду развитием симбиотического аппарата и продуктивностью сои + 0,871 ± 0,073. Площадь ассимиляционной поверхности посевов в фазу цвете ния увеличивалась на 6,7%, а в фазу налива семян на 9,3%.
У посевов ячменя площадь листовой поверхности при орошении сточ ными водами возрастала на 12,8%, а удельная поверхность плотности листьев на 22,6% и достигала 44,5 г/дм2. Согласно теоретическим расчетам Тооминга (1977), оптимальное значение УПП листьев при освещенности, близкой к сред ней дневной в умеренной зоне, равно 40 – 60 г/дм2.
Увеличение запасов продуктивной влаги повышало засоренность посевов рапса на 14,3%;
сои в 2,3 раза;
ячменя на 30,8% (табл. 4).
Таблица 4 – Состав и плотность популяций сегетальных растений в агроценозах Число сегетальных растений, шт./м Группа сегетальных растений Рапс Соя Ячмень Контроль Яровые 3 – Зимующие 2 5 Корневищные 3 – – Многолетние корнеотпрысковые 6 1 Общее число растений 14 6 Орошение Яровые 2 – Зимующие – 5 Корневищные 5 7 – Многолетние корнеотпрысковые 9 2 Общее число растений 16 14 НСР0,95 1,4 2,7 1, При этом в посевах рапса в большей мере увеличивалась засоренность корневищными и корнеотпрысковыми сорняками – на 66,7% и в 1,5 раза;
в аг роценозах сои в 7 и 2 раза соответственно. В агроценозах ячменя большее рас пространение имели яровые сегетальные растения, которые занимали в составе фитоценоза 50,9%. Между слабой засоренностью посевов и продуктивностью культур отрицательной взаимосвязи не установлено.
Продуктивность посевов рапса при орошении повышалась на 31,8%, а содержание масла – с 46,0 до 47,2% (табл. 5).
Таблица 5 – Урожайность культур, ц/га Вариант Рапс Соя Ячмень Контроль 19,2 18,9 28, Орошение 25,3 23,5 48, НСР0,95 3,1 1,2 4, Густота стояния растений в агроценозах ко времени уборки рапса колеба лась от 141 до 157 шт./м2. Хотя норма высева была одинаковой на вариантах опыта – 2,5 млн. всхожих семян на 1 га, то есть к уборке выживаемость расте ний составила 56,4% и 62,8%. При орошении густота посева уменьшилась на шт./м2. Очевидно, что орошение, увеличивая высоту, облиственность и ветви стость рапса, усиливали взаимозатенение их в посеве, что вызвало самоизрежи вание ценозов за счет гибели более слабых, отставших в росте растений. При этом число стручков на растении при использовании сточных вод увеличилось на 31,8%. Число стручков на растении тесно коррелирует с урожайностью рап са (r = 0,83 ± 0,09). Повышение индивидуальной продуктивности с избытком компенсировало некоторое уменьшение густоты стеблестоя посевов.
Урожайность семян сои при орошении сточными водами увеличивалась на 24,3%, содержание белка – на 1,4%, а масла изменялось незначительно.
Число семян в бобе возрастало на 7,6%, семян на растении – на 18,1%, масса семян с растения – на 18,4% и масса 1000 семян – на 3,1%.
Продуктивность ячменя повысилась на 45,9%, несколько снизилось со держание белка и пленчатости, крахмала и экстрактивных веществ увеличи лось на 1,91 и 2,75%.
3.3 Функционирование почвенно-биотического комплекса при орошении агроценозов сточными водами Проведенные исследования позволяют судить о том, что на плотность дождевых червей в агроценозах в весенне-летний период существенное влия ние оказывали климатический режим, водный режим и возделываемая культу ра (табл. 6).
Таблица 6 – Численность и биомасса дождевых червей в ПБК Этапы органогенеза культур Вариант IV этап VIII этап XII этап 2 2 2 экз./м2 г/м экз./м г/м экз./м г/м Рапс – 2007 г.
Контроль 34 32,3 26 22,9 21 19, Орошение 68 66,9 64 61,3 62 59, НСР0,95 7,1 10,2 9, Соя – 2008 г.
Контроль 38 36,7 36 34,9 31 28, Орошение 72 71,9 68 64,9 66 67, НСР0,95 12,5 10,5 13, Ячмень – 2009 г.
Контроль 27 26,8 24 22,8 24 22, Орошение 80 79,4 74 72,3 72 71, НСР0,95 7,4 8,5 9, Наибольшая численность и биомасса люмбрицидов на контроле, отмече ны на IV этапе органогенеза сои в 2008 г., когда в марте и апреле выпадали обильные осадки и наблюдался высокий температурный режим – 38 экз./м2, что выше чем в 2007 г. в посевах рапса на 11,8% и на 40,7% в 2009 г. в посевах ячменя;
а биомасса – 36,7 г/м2, что выше на 13,6% и 36,9% соответственно.
Орошение сточными водами агроценозов способствовало увеличению численности люмбрицидов в посевах рапса в 2 раза, в посевах сои на 89,5%, в посевах ячменя в 2,9 раза. В то же время биомасса их увеличивалась соответст венно в 2,1 раза;
на 93,4% и в 3,0 раза.
В весенне-летний период на контроле наблюдалось уменьшение числен ности и биомассы люмбрицидов. В 2007 г. на VIII этапе на 30,8% и 41,1%;
а к XII этапу на 61,9 и 65,5%. В 2008 г. на 5,6 и 5,2%;
22,6 и 28,3% соответствен но. В 2009 г. на 12,5 и 17,5%, но в дальнейшем, в отличие от других лет их чис ленность и биомасса практически не изменились.
При орошении агроценозов сточными водами численность и биомасса дождевых червей изменялись в меньшей мере по этапам органогенеза культур.
Почвенные беспозвоночные играют важную роль в формировании струк туры микробоценозов и регуляции их функциональной активности (Тишлер, 1971;
Коржов, 2005).
Одним из показателей биологической активности почвы, характеризую щим способность сохранить гомеостаз, является ферментативная активность.
В результате анализа установлено, что наиболее высокая ферментативная активность наблюдалась при повышенном температурном режиме и обильных осадках в весенний период 2008 г. ( рис. 1).
IV VII XII IV VII XII IV VII XII этапы Соя - 2008 г. органогенеза Рапс - 2007 г. Ячмень - 2009 г.
Контроль Орошение Рисунок 1 – Активность каталазы, см3О2/г/мин При повышенном температурном режиме и дефиците осадков (2007, 2009 г.) биологическая активность почвы была существенно ниже – на 28,8 – 34,0%, чем весной 2008 г.
Орошение сточными водами увеличивало активность каталазы на IV эта пе органогенеза культур на 8,9 – 18,0%;
на VIII этапе – на 12,7 – 39,6%;
а на XII этапе – на 9,8 – 29,6%.
Взаимосвязь между биомассой люмбрицидов и биологической активно стью почвы составила 0,824 ± 0,067.
Увеличение биологической активности почвы обусловило и процессы минерализации детрита при орошении сточными водами.
Содержание легкогидролизуемого азота в агроценозах рапса при ороше нии сточными водами увеличивалось в сравнении с контролем на IV этапе ор ганогенеза в слое 0 – 20 см на 24,8%, а в слое 20 – 40 см на 48,6%;
в агроцено зах сои на 39,1% и 37,1%;
а в агроценозах ячменя на 54,8% и 72,8% соответст венно. Прослеживается следующая закономерность – чем неблагоприятнее складывались метеоусловия в период вегетации культур, тем эффективнее было воздействие орошения на содержание легкогидролизуемого азота. Данная зави симость прослеживалась на протяжении вегетации всех изучаемых культур.
Содержание подвижного фосфора и обменного калия при орошении культур изменялось незначительно.
3.4 Влияние фильтрационных осадков на состав и продуктивность агроценозов При отстаивании сточных вод формируются фильтрационные осадки, ко торые оказывают многостороннее воздействие на ресурсы агроценозов, в пер вую очередь на почвенно-биотический комплекс (Серегин, 2009).
При внесении в агроценозы фильтрационных осадков содержание орга нического вещества увеличивалось в первый год после внесения на 5,3 – 7,9%, в большей мере при использовании тростникового дефеката, который сущест венно превышает свекловичный по содержанию органического вещества. На блюдалось подщелачивание почвенного раствора в агроценозах рапса до 5,7 – 6,1 единиц рН и реакция практически не изменялась в течение периода исследований.
Проведенные анализы, позволяют судить о том, что численность и био масса дождевых червей при использовании фильтрационных осадков изменя лась незначительно (табл. 7).
Таблица 7 – Численность и биомасса дождевых червей в агроценозах культур на 1 м2 (XII этап органогенеза) 2007 г. 2008 г. 2009 г.
Числен- Числен- Числен Биомас- Биомас- Биомас Вариант ность, ность, ность, са, г са, г са, г шт. шт. шт.
Контроль 21 18,7 29 26,8 23 21, Свеклович 21 19,6 28 25,9 25 23, ный дефекат Тростниковый 20 18,8 28 26,1 26 24, дефекат НСР0,95 1,3 1,0 1, Данные показатели в большей мере определялись погодными условиями в течение вегетации культур. Максимальная численность и биомасса отмечена в 2008 г. – 28 – 29 шт./м2 и 25,9 – 26,8 г/м2, который характеризовался повы шенным температурным режимом и обильными осадками.
Изучение сезонной динамики активности каталазы в годы исследований показало, что наиболее высокая она весной или летом, в зависимости от метео условий, при внесении фильтрационных осадков (рис. 2).
Этапы органоге IV VII XII IV VII XII IV VII XII неза Соя - 2008 г. Ячмень - 2009 г.
Рапс - 2007 г.
Контр оль Cвекловичный дефекат Тростниковый дефекат Рисунок 2 – Активность каталазы, см3 О2/г/мин.
При повышенном температурном режиме и дефиците осадков весной 2007 года максимальная активность каталазы отмечена при внесении тростни кового дефеката – 5,6 см3 О2/г/мин., что превышает контроль на 9,8%. В даль нейшем при выпадении обильных осадков в июне, активность каталазы увели чивалась до 6,5 см3 О2/г/мин. и превышала контроль на 8,3%. К уборке она снижалась до 5,1 см3 О2/г/мин.
Повышенная температура и обильные осадки в весенний период 2008 го да оказали благоприятное влияние на деятельность микроорганизмов и фермен тативная активность на контроле составила 6,3 см3 О2/г/мин., а при внесении фильтрационных осадков увеличивалась до 6,5 – 6,7 см3 О2/г/мин.
Весной 2009 года при повышенном температурном режиме и дефиците осадков активность каталазы также была максимальной при использовании фильтрационных осадков – 5,5 – 5,6 см3 О2/г/мин., что выше контроля на 5,8 – 9,3%.
Содержание подвижного фосфора при внесении свекловичного дефеката увеличивалось в агроценозах рапса на IV этапе органогенеза культуры на 5,0%, а при использовании тростникового фильтрационного осадка на 13,2%.
В дальнейшем под культурами запасы подвижного фосфора уменьша лись, прежде всего, с повышением поглощения фосфора растениями, и в из вестной степени с трансформацией в труднодоступные формы при снижении влажности почвы и увеличивались к концу вегетации.
В агроценозах рапса на VIII этапе органогенеза содержание подвижного фосфора на контроле в течение вегетации снижалось на 5,8%, а при внесении тростникового дефеката на 31,8%;
в посевах сои – на 11,4% и 14,2%;
в посевах ячменя – на 11,2% и 14,4% соответственно (табл. 8).
Таблица 8 – Динамика содержания азота, фосфора и калия по этапам органогенеза культур IV этап VIII этап XII этап Вариант Nобщ, P2O5, K2O, Nобщ, P2O5, K2O, Nобщ, P2O5, K2O, % мг/кг мг/кг % мг/кг мг/кг % мг/кг мг/кг Рапс – 2007 г.
Контроль 0,20 108,7 105,4 0,19 102,7 95,7 0,19 106,5 101, Свекловичный дефекат 0,21 114,1 100,2 0,20 95,6 93,9 0,19 100,9 97, Тростниковый дефекат 0,22 123,0 92,4 0,20 93,3 91,6 0,20 98,5 93, Соя – 2008 г.
Контроль 0,21 111,8 122,1 0,21 100,4 103,5 0,21 103,8 110, Свекловичный дефекат 0,22 117,6 113,9 0,22 102,1 98,7 0,22 109,5 103, Тростниковый дефекат 0,23 119,7 105,6 0,23 104,8 96,1 0,23 108,7 100, Ячмень – 2009 г.
Контроль 0,22 115,4 123,4 0,21 103,8 101,5 0,21 110,8 111, Свекловичный дефекат 0,23 118,0 109,5 0,22 104,6 99,4 0,22 105,9 106, Тростниковый дефекат 0,24 118,7 106,9 0,23 103,8 102,3 0,23 108,6 104, Установлено, что при внесении в почву фильтрационных осадков содержа ние обменного калия снижалось. Его динамика в течение вегетационного пе риода сходна с динамикой подвижного фосфора.
Более активное потребление агроценозами биогенных элементов связано с повышением запасов продуктивной влаги при внесении в систему фильтра ционных осадков (рис. 3).
При внесении тростникового дефеката в агроценозы рапса содержание продуктивной влаги увеличивалось в течение вегетации культуры на 9,6 – 22,1%;
в агроценозах сои на 7,5 – 16,6%;
в агроценозах ячменя на 8,0 – 15,0%.
Изменение состава почвенно-биотического комплекса оказало сущест венное влияние на формирование агроценозов культур.
Этапы IV VII XII IV VII XII IV VII XII органо Ячмень - 2009 г.
Соя - 2008 г.
Рапс - 2007 г. генеза Контроль Свекловичный дефекат Тростниковый дефекат Рисунок 3 – Запасы продуктивной влаги в агроценозах (0 – 20 см), мм Проведенные исследования позволяют судить о том, что при повышен ном температурном режиме в летний период 2007 года в посевах рапса преоб ладали многолетние корнеотпрысковые сорняки (вьюнок полевой, бодяк поле вой, осот полевой). Внесение свекловичного дефеката увеличивало засорен ность посевов на 66,7% (табл. 9).
Таблица 9 – Засоренность агроценозов на VIII этапе органогенеза культур Количество растений, шт./м Виды сегетальных растений Свеклович- Тростнико Контроль ный дефекат вый дефекат 2007 г. (Рапс) Малолетние зимующие 2 4 Малолетние яровые 2 3 Многолетние корнеотпрысковые 5 8 Общее число растений 9 15 2008 г. (Соя) Малолетние зимующие 5 7 Малолетние яровые 2 4 Многолетние корнеотпрысковые 1 2 Общее число растений 8 13 2009 г. (Ячмень) Малолетние зимующие 7 11 Малолетние яровые 17 15 Многолетние корнеотпрысковые 12 16 Общее число растений 36 42 Увеличение засоренности посева при внесении свекловичного дефеката обусловлено высоким содержанием зачатков и семян сорных растений, а также изменением реакции почвенного раствора.
При дефиците осадков в летний период 2008 года засоренность посевов сои была на контроле незначительной, а в агроценозах с использованием свек ловичного дефеката она увеличилась на 62,5% и тростникового фильтрацион ного осадка – 37,5%.
В 2009 году при дефиците осадков и повышенном температурном режи ме в летний период засоренность посевов ячменя достигала 36 шт./м2, а при внесении свекловичного дефеката увеличивалась до 42 шт./м2 или на 16,7%.
Однако она не оказала отрицательного влияния на развитие и продуктивность агроценозов (табл. 10).
Таблица 10 – Влияние фильтрационных осадков на урожайность культур, ц/га Вариант Рапс Соя Ячмень Контроль 18,9 17,6 27, Свекловичный дефекат 21,7 19,8 31, Тростниковый дефекат 22,8 20,4 32, НСР0,95 1,4 1,7 1, Урожайность рапса при внесении в агроценозы свекловичного дефеката увеличилась на 14,8%, а тростникового фильтрационного осадка – 20,6%;
сои – 12,5 и 15,9%;
ячменя – 13,8 и 19,6 % соответственно.
4 ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА Анализ показателей биоэнергетической оценки позволяет судить о том, что наибольший выход энергии с урожаем продукции рапса и ячменя обеспечи вает применение орошения – 50,6 ГДж/га, 74,9 ГДж/га, что превышает контроль на 12,2 ГДж/га, 23,6 ГДж/га соответственно.
При внесении тростникового дефеката наибольший выход энергии с уро жаем наблюдался в агроценозах рапса и ячменя и составил 45,6 ГДж/га и 59, ГДж/га соответственно.
Условно чистый доход на 1 га при орошении в агроценозах рапса превы шает контроль на 60,7%;
сои – 68,9%;
ячменя – 62,9%. Уровень рентабельности составил 55,6-126,9%, тогда как на контрольном варианте 47,7-80,9%.
Использование в качестве мелиоранта тростникового дефеката в агроце нозах рапса обеспечило повышение условно чистого дохода на 68,5%;
сои – 74,5%;
ячменя – 80,0 % в сравнении с контрольным вариантом и 77,4%;
78,7%;
86,8% соответственно при внесении свекловичного дефеката.
ВЫВОДЫ 1. Использование сточных вод для орошения агроценозов по степени опасности хлоридного засоления и загрязнению ПБК тяжелыми металлами свя зано с определенным экологическим риском.
2. Тростниковый фильтрационный осадок превышает свекловичный де фекат по содержанию органического вещества на 13,4%, АДВ – 31,7%, фосфора – 0,62%, калия – 0,14%.
3. Орошение сточными водами увеличивало фитотоксичность почвы в те чение вегетации культур: в агроценозах рапса с 5,0 до 13,9%;
сои с 6,6 до 15,7%;
ячменя с 10,4 до 18,8%;
но полевая всхожесть семян сои увеличивалась на 10,9%, а ячменя на 8,9%.
4. При орошении сточными водами сои развитие симбиотического аппара та увеличивалось в 3 раза, площадь ассимиляционной поверхности листьев на 6,7 – 9,3 %;
у посевов ячменя площадь листовой поверхности увеличивалась на 12,8%, а УПП на 22,6%.
5. Увеличение запасов продуктивной влаги повышало засоренность посе вов рапса на 14,3%, сои в 2,3 раза, ячменя на 30,8%. Между засоренностью по севов и продуктивностью культур взаимосвязи не установлено.
6. Продуктивность посевов рапса при орошении сточными водами увели чивалась на 31,8%, сои – на 24,3%, ячменя – на 45,9%. Качество продукции улучшалось незначительно.
7. При орошении агроценозов сточными водами численность люмбрици дов увеличивалась на 89,5% – 2,9 раза, а биомасса на 93,4% – в 3 раза, а биоло гическая активность почвы на 8,9 – 39,6%. Взаимосвязь между биомассой люм брицидов и биологической активностью почвы составила 0,824 ± 0,067.
8. Содержание легкогидролизуемого азота в орошаемых агроценозах по вышалось на 24,8 – 72,8%;
содержание фосфора и калия изменялось незначи тельно.
9. При внесении в агроценозы фильтрационных осадков содержание орга нического вещества увеличивалось на 5,3 – 7,9%;
подвижного фосфора на 5,0 – 12,2%. Наблюдалось подщелачивание почвенного раствора на 0,5 – 0,8 ед.
рН;
повышалась биологическая активность почвы на 5,8 – 9,3%.
10. При внесении тростникового дефеката содержание продуктивной вла ги в агроценозах рапса увеличивалось в течение вегетации культуры на 9,6 – 22,1%;
в агроценозах сои на 7,5 – 16,6%;
в агроценозах ячменя на 8,0 –15,0%.
11. Засоренность посевов рапса при использовании свекловичного дефе ката увеличивалась на 66,7%;
сои – на 62,5%;
ячменя – на 16,7%, а тростнико вого фильтрационного осадка на 22,2;
37,5 и 0% соответственно.
12. Урожайность рапса при внесении в агроценозы свекловичного дефека та возрастала на 14,8%, а тростникового фильтрационного осадка – 20,6%;
сои – 12,5 и 15,9%;
ячменя – 13,8 и 19,6 % соответственно.
13. Наибольший выход энергии с урожаем продукции рапса и ячменя обеспечивает применение орошения – 50,6 ГДж/га, 74,9 ГДж/га, что превышает юконтроль на 12,2 ГДж/га, 23,6 ГДж/га соответственно.
14. При внесении тростникового дефеката наибольший выход энергии с урожаем наблюдался в агроценозах рапса и ячменя и составил 45,6 ГДж/га и 59,2 ГДж/га соответственно.
15. Использование в качестве мелиоранта тростникового дефеката в аг роценозах рапса обеспечило повышение условно чистого дохода на 68,5%;
сои – 74,5%;
ячменя – 80,0 % в сравнении с контрольным вариантом и 77,4%;
78,7%;
86,8% соответственно при внесении свекловичного дефеката.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 1.Орошение агроценозов сточными водами сахарных заводов на земле дельческих полях орошения целесообразно проводить малыми нормами поли вов, осуществляя мониторинг почвенно-биотического комплекса.
2. Для снижения кислотности почвы, обогащения ее органическим веще ством и элементами питания растений целесообразно использовать фильтраци онные осадки сахарных заводов.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Виноградова Е. А. Проблемы очистки сточных вод предприятий сахар ной промышленности/Е. А. Виноградова, Е. В. Мартемьянова //Агроэкологический вестник. – Воронеж: Типография «Истоки», 2006. – №5. – с. 91 – 95.
2. Виноградова Е. А. Проблемы очистки сточных вод предприятий/Е. А.
Виноградова//Высокие технологии в экологии: труды 10 - ой международной конференции. – Воронеж, 2007. – с. 120 – 123.
3. Коноплина Е. А. Влияние сточных вод на функционирование ПБК и продуктивность агроценозов сои Центрального Черноземья/Е. А. Конопли на//Основы рационального природопользования: Материалы II международной научно - практической конференции. – Саратов, 2009. – с. 85 – 89.
4. Стекольникова Н. В. Экологическое обоснование использования сточ ных вод в агроценозах Центрального Черноземья/Н. В. Стекольникова, Е. А.
Коноплина//Современная Россия: проблемы социально-экономического, эколо гического и духовно-политического развития: Всероссийская науч. - практ.
конференция. – Волгоград. – М.:ООО «Глобус», 2009. – с.102 – 105.
5. *Житин Ю. И. Подходы к оценке сточных вод, используемых для оро шения агроценозов/Ю. И. Житин, Е. А. Коноплина//Вестник Воронежского го сударственного аграрного университета. – Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ. – Вып.
4 (27), 2010. – с. 38 – 45.
* – публикация в списке рекомендованном ВАК.
Подписано в печать 28.02.2011 г. Формат 60х801/16. Бумага кн.-журн.
П.л. 1,0. Гарнитура Таймс. Тираж 100 экз. Заказ № 4807.
Типография ФГОУ ВПО ВГАУ 394087, Воронеж, ул. Мичурина, 1.