CC BY
18
ЗАРУБЕЖНЫЙ опыт
УДК 631.67.03:631.45
ИЗУЧЕНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД НА ОРОШЕНИЕ
В УСЛОВИЯХ ЙЕМЕНА
В.Т. Скориков, к.с.-х.н., А.В. Шуравилин, д.с.-х.н, С.А. Койка, к.с.-х.н., Е.А. Пивень, к.м.н.
Российский университет дружбы народов (РУДН), e-mail: [email protected]
Изложены результаты исследований (2007-2009 гг.) по влиянию сточных вод г. Ибб (Йемен) на загрязнение красно-бурых карбонатных почв, урожайность и качество продукции. Установлено, что при поливах сточными водами происходит накопление тяжелых металлов в почве и растительной продукции, однако их содержание было ниже ПДК. Прогнозные расчеты показали, что содержание меди и кадмия в почве к десяти годам орошения превысят ПДК, а кобальта - через 15 лет. Поэтому рекомендуется цикличная подача сточных и грунтовых вод.
Ключевые слова: сточные воды, грунтовые воды, загрязнение, тяжелые металлы, урожайность, люцерна, пшеница, картофель, качество продукции.
RESEARCH OF SEWAGE WATERS APPLICATION FOR IRRIGATION IN YEMEN V.T. Skorikov, A.V. Shuravilin, S.A. Koyka, E.A Piven'
Results of researches (2007-2009) of sewage waters from Ibb city (Yemen) influence on red-brown carbonate soil, yield and quality of production. Established that irrigation by sewage waters leads to accumulation of heavy metals in soil and plants, but it concentration lower than permitted limits. Prognosis calculations has showed that copper and cadmium concentration in soil exceeds permitted limits in 10 years, cobalt concentration - 15 years. Recommended cycle application of sewage and ground waters.
Keywords: sewage waters, ground waters, pollution, heavy metals, yield, lucerne, wheat, potato, quality of production.
Неконтролируемое использование сточных вод на орошение приводит к повышенному содержанию в почве, тяжелых металлов (ТМ), что негативно сказывается как на качестве сельскохозяйственной продукции, так и на экологическом состоянии природной среды. В связи с этим основной целью исследований была разработка технологии орошения сельскохозяйственных культур и выявление влияния сточных вод на загрязнение почв.
Исследования проведены в 2007-2009 гг. на землях крестьянского хозяйства «Аль-Майтами» в окрестностях г. Ибб (южный Йемен). Почвенный покров опытных участков представлен горными красно-бурыми карбонатными почвами средне- и тяжелосуглинистого гранулометрического состава. Содержание гумуса в верхнем слое почвы (0-40 см) составляет 1,07-1,24%, карбонатов ^аОД3) - 8,4-10,0%. Почва умеренно обеспечена гумусом, низко обеспечена подвижным фосфором и высоко обеспечена обменным калием. Содержание общего азота составляет 0,059-0,065%, подвижного фосфора 0,75-0,85
и обменного калия 11,4-12,2 мг/100 г почвы. Емкость обмена высокая и варьирует от 33 до 39 мг-экв/100 г почвы. В составе обменных катионов доля натрия достигает 7,7-15,0% (2,8-5,2 мг-экв/100 г почвы), что указывает на наличие процесса осолонцевания. Почва незасо-ленная. Плотность сложения в слое почвы 0-40 см составляет 1,24-1,26 г/см3, пористость - 50%, наименьшая влагоемкость (НВ) - 28,1%, максимальная гигроскопическая влага - 5,0-6,8% от массы. Основными методами исследований были полевой и лабораторный. При этом использовали общепринятые методики.
Городские сточные воды г. Ибб после их очистки характеризуются слабой минерализацией (в среднем 1162 мг/л) слабощелочной реакцией (pH 7,3-7,4). Содержание взвешенных веществ составляло 480-546 мг/л и превышало нормативные показатели (до 200 мг/л). Сточные воды содержат большое количество загрязнителей органического и биологического происхождения: значение химического потребления кислорода (ХПК) составляло
1. Содержание микроэлементов и тяжелых металлов в сточных водах города Ибб (Йемен)
после их очистки за 2007-2009 гг., мг/л
Показатель 2007 г. 2008 г. 2009 г. Среднее ПДК Показатель экологической опасности (ЭО)
Железо 0,16 0,17 0,22 0,183 5,0 0,037
Медь 0,026 0,151 0,141 0,106 0,2 0,53
Цинк 0,014 0,01 0,03 0,018 1,0 0,018
Марганец 0,04 0,09 0,11 0,008 0,2 0,40
Кобальт 0,02 0,021 0,03 0,024 0,05 0,48
Кадмий 0,001 0,002 0,003 0,002 0,01 0,3
Никель 0,002 0,003 0,004 0,003 0,2 0,015
Свинец 0,002 0,003 0,004 0,003 0,03 0,10
X ПХЗ - - - - 6,96 1,88
209,8-230,1 мг/л, содержание биохимического потребления кислорода в течение 5 дней (БПК5) - 72,6-86,6 мг/л. По химизму засоления сточные воды хлоридно-бикарбонатные, а по катионному составу - кальциевые. Они характеризуются невысокой питательной ценностью. Содержание аммонийного азота, нитратов и нитритов было ниже ПДК. Количество химических загрязнителей - микроэлементов и ТМ, было значительно ниже ПДК. Содержание железа, меди, марганца и кобальта после биологической очистки оставалось более высоким по сравнению с другими элементами - в среднем 0,5 ПДК (табл. 1).
В очищенных сточных водах медь, марганец, кадмий и кобальт представляют определенную экологическую опасность (ЭО = 0,3-0,53). Однако суммарный показатель ЭО был ниже суммарного ПДК в 3,7 раза. Показатель химического загрязнения (ПХЗ) соответственно составил 0,27, что характеризует сточные воды как ма-лозагрязненные. По большинству агроирригационных показателей сточные воды вполне пригодны для орошения сельскохозяйственных культур и не превышают допустимых величин. Содержание ТМ в почве зависело от объема поданной воды и выноса элементов с урожаем. В целом валовое содержание ТМ в слое почвы 0-30 см не превышало допустимого предела.
Для анализа относительного изменения валового содержания ТМ при внесении стоков применяли коэффициенты концентрации Кс, рассчитываемые по формуле: Кс = С^/С/, где Сл - аномальная концентрация элемента в варианте; С^ - концентрация элемента на контроле.
По значению Кс выделены следующие убывающие ряды микроэлементов по опытам: опыт 1 (люцерна) Cd > № > Си
> РЬ > гп > Со; опыт 2 (яровая пшеница) Cd > № > РЬ > Си
> гп > Со; опыт 3 (картофель) Cd > № > Си > РЬ > гп > Со.
При поливах городскими сточными водами в максимальной степени повышается валовое содержание кадмия, никеля, а в минимальной - цинка и кобальта. Следует отметить, что влияние орошения городскими сточными водами на подвижные формы микроэлементов проявляется в более контрастном изменении микроэлементного состава почвы в сравнении с валовым содержанием (табл. 2). Приведенные данные свидетельствуют о том, что содержание подвижных форм ТМ в слое почвы 0-30 см при трехлетнем орошении сельскохозяйственных культур городскими сточными водами заметно повышалось, но было значительно ниже ПДК.
При орошении сточными водами содержание ТМ в слое почвы 0-30 см было ниже ПДК: по меди в 2,9 раза, по кобальту в 4,7 раза, по кадмию в 1,9 раза, а по другим элементам - в десятки раз. Следует отметить, что содержание кадмия в слое почвы 0-30 см после трехлетнего орошения люцерны очищенными городскими сточными водами составляло 0,52 ПДК. Эти значения свидетельствуют о том, что длительное орошение городскими сточными водами может привести к загрязнению почвы кадмием выше ПДК.
При возделывании яровой пшеницы в слое почвы 030 см содержание меди за трехлетний период увеличилось в 3,9 раза, цинка - в 2,8 раза, марганца - в 1,8 раза, кобальта - в 4,3 раза, кадмия - в 1,6 раза, никеля - в 3,7 раза и свинца - в 3,5 раза. В опыте 3 к концу исследований содержание меди повысилось в 4,3 раза, содержание марганца, цинка, никеля и свинца - в 2-4 раза, содержание кобальта - в 5,4 раза а кадмия - в 1,7 раза, (0,48 ПДК). Во избежание накопления ТМ в почве целесообразно применять цикличный режим орошения, при котором чередуются периоды орошения сточными и грунтовыми водами.
2. Содержание подвижных форм^ тяжелых металлов в слое почвы 0-30 см, мг/кг
Год Источник оросительной воды Элемент
СЪ Zn Mn Ой Сd № Pb
Опыт 1 - люцерна
2007 Грунтовая 0,23 0,254 1,0 0,15 0,14 0,03 0,06
Сточная 0,48 0,44 1,72 0,45 0,18 0,1 0,13
2008 Грунтовая 0,26 0,256 1,0 0,15 0,14 0,03 0,06
Сточная 0,73 0,65 2,1 0,71 0,21 0,15 0,19
2009 Грунтовая 0,28 0,258 1,20 0,15 0,14 0,03 0,06
Сточная 1,05 0,92 2,80 1,06 0,26 0,19 0,25
Опыт 2 - яровая пшеница
2007 Грунтовая 0,224 0,252 0,99 0,15 0,14 0,03 0,06
Сточная 0,45 0,39 1,34 0,30 0,16 0,06 0,11
2008 Грунтовая 0,24 0,253 1,1 0,15 0,14 0,03 0,06
Сточная 0,65 0,53 1,46 0,44 0,19 0,09 0,15
2009 Грунтовая 0,25 0,255 1,05 0,15 0,14 0,03 0,06
Сточная 0,86 0,71 1,76 0,64 0,22 0,11 0,21
Опыт 3 - картофель
2007 Грунтовая 0,225 0,253 1,0 0,15 0,14 0,03 0,06
Сточная 0,47 0,41 1,44 0,37 0,17 0,08 0,12
2008 Грунтовая 0,25 0,254 1,08 0,15 0,14 0,03 0,06
Сточная 0,69 0,56 1,69 0,53 0,20 0,11 0,16
2009 Грунтовая 0,26 0,256 1,14 0,15 0,14 0,03 0,06
Сточная 0,94 0,84 2,0 0,81 0,24 0,14 0,22
Исходное содержание (на начало исследований) 0,22 0,25 0,98 0,15 0,14 0,03 0,06
ПДК 3,0 23 400 5 0,5 4 6
3. Урожайность люцерны, яровой пшеницы и картофеля при поливах, т/га
Вариант опыта 2007 г. 2008 г. 2009 г. Среднее Отклонение от контроля 100%
% т/га
Люцерна на зеленую массу
1. Грунтовая вода 61,39 79,51 77,09 72,66 -
2. Сточная вода 72,12 101,3 97,6 90,34 23,8 17,68
НСР05 1,85 2,68 2,14 3,53
Точность опыта, % 5,3 5,9 5,5 6,4
Яровой пшеницы
1. Грунтовая вода 4,37 4,46 4,21 4,35 -
2. Сточная вода 5,07 5,12 4,98 5,06 16,3 0,71
НСР0.5 0,35 0,38 0,43 0,45
Точность опыта, % 4,2 4,8 4,1 5,8
Картофель
1. Грунтовая вода 30,45 32,17 29,94 30,85 -
2. Сточная вода 35,88 36, 13 33,76 35,26 14,3 4,41
НСР0.5 1,41 1,48 1,0 1,59
Точность опыта, % 4,5 4,8 3,9 5,2
Следует отметить, что вместе с городскими сточными водами в почву поступает значительное количество ТМ, и их концентрация может увеличится в несколько раз. При этом содержание меди и кадмия в почве уже к десяти годам орошения превысит ПДК, а кобальта - через 15 лет. Все другие элементы остаются ниже ПДК в течение трех ротаций севооборота.
Поливы сточными водами заметно повышали урожайность сельскохозяйственных культур по сравнению с грунтовыми водами (табл. 3). В среднем за три года урожайность зеленой массы люцерны составила 90,34 т/га и была выше контроля (полив грунтовыми водами) на 17,68 т/га, или на 23,8%, урожайность зерна яровой пшеницы - 5,06 т/га и была выше контроля на 0,71 т/га, или на 16,3%, а урожайность картофеля составила 35,26 т/га и была больше по сравнению с поливом грунтовой водой на 4,41 т/га, или на 14,3%. Таким образом, поливы сельскохозяйственных культур условно очищенными городскими сточными водами обеспечивают более высокую урожайность по сравнению с поливом грунтовыми водами. Это связано с наличием в сточных водах большого количества питательных веществ и полезных микроэлементов. Кроме того, при орошении городскими сточными водами поступление питательных элементов в почву и растения происходило постоянно при каждом поливе, т.е. отмечалось дозированное их внесение вместе с водой во все фазы развития растений.
При орошении городскими сточными водами не исключается возможность накопления в урожае нитратов и ТМ. При поливах люцерны содержание нитратов в кормовой продукции было незначительным и в среднем за 2007-2009 гг. составляло 0,15%, что значительно ниже ПДК. Содержание ТМ в зеленой массе люцерны при поливах сточными водами увеличилось: меди - на 11,2%, цинка - на 34,8%, никеля - на 10,7%, кадмия - на 25%, кобальта - на 44,4% и свинца - на 28% по сравнению с поливом грунтовой водой, однако их количество было невысоким и значительно ниже ПДК.
Нами был проведен корреляционно-регрессионный анализ зависимости концентрации ТМ в кормовой продукции люцерны от содержания их подвижных форм в почве. Уравнения линейной регрессии имеют вид:
Y = 0,07 + 0,69X (Г = 0,88);
Zn: Y = 0,86 + 0,04X (Г = 0,92);
№: Y = 0,49 - 1,23X (Г = 0,90);
Cd: Y = 0,001 + 0,002X (Г = 0,93);
Y = 0,13 - 0,003X (Г = 0,96);
Pb: Y = 0,43 - 0,58X (Г = 0,87),
где Y - содержание ТМ в растительной продукции, Х - содержание ТМ в почве.
Орошение сточными водами яровой пшеницы повышало содержание нитратов в зерне, но их значения по абсолютным величинам были значительно ниже ПДК. При поливах отмечается заметное увеличение содержания ТМ в зерне. Так, в среднем за три года содержание меди увеличилось в 1,7 раза, цинка - в 1,2 раза, никеля -в 1,3 раза, кадмия - в 1,4 раза, кобальта - в 1,3 раза, но по абсолютным показателям было незначительным и не оказало отрицательного влияния на ее качество.
При орошении картофеля городскими сточными водами получаемая продукция соответствовала установленным стандартам, а содержание нитратов и ТМ не превышало ПДК. Так, в среднем за три года содержание меди при поливах сточной водой было в 1,7 раза больше контроля, но значительно ниже ОДК. Содержание цинка и свинца было ниже ОДК в 2,8 и 1,4 раза, содержание никеля составляло 0,12 мг/кг и было в 4,17 раза меньше ОДК. Содержание кадмия составляло 0,02 мг/кг, но оставалось меньше ОДК в 1,5 раза. В целом, содержание ТМ в клубнях картофеля при поливах сточными водами оставалось значительно ниже ОДК, но в 1,5-2 раза выше, чем при орошении грунтовыми водами.
Таким образом, орошение сточными водами г. Ибб не оказало отрицательного влияния на загрязнение продукции ТМ. В зависимости от объемов городских сточных вод, химического состава и возможности утилизации на земледельческих полях орошения рекомендуется их использовать с применением экологически безопасной технологии цикличного орошения, основанной на периодической подаче сточных вод в течение 4-5 лет и грунтовой воды в течение 2-3 лет, что значительно снизит риски возможного загрязнения почв и растительной продукции.
