CC BY
192
УДК 631.854.2;631.84.41
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПТИЧЬЕГО ПОМЕТА НА СОСТОЯНИЕ ПОЧВ,
ВОЗДУШНОЙ И ВОДНОЙ СРЕДЫ
В.А. Седых, к.с.-х.н., В.И. Савич, д.с.-х.н., Н.Л. Поветкина, к.б.н.
РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail:
В работе предлагается информационно-энергетическая оценка взаимодействия органических удобрений с почвой. При этом учтены лимиты на выброс токсикантов в локальном районе, а также существующие уровни загрязнения почв, водной и воздушной среды. Почвы при внесении в них больших доз помета переходят на более высокий энергетический уровень, что требует корректировки моделей плодородия почв и ПДК. При разработке путей оптимизации обстановки предлагается регулировать не следствия, а сопутствующие причины деградации компонентов агрофитоценозов.
Ключевые слова: почва, плодородие, помет, экологическое состояние.
APPRAISAL OF POULTRY LITTER ON CONDITION OF SOIL, AIR AND WATER V.A. Sedykh, V.I. Savich, N.L. Povetkina
Informational-energetic appraisal of organic fertilizer relations with soil is presented in article. Toxicant contamination limits in local area and modern pollution of soil, air and water are taken into account. Soils after high doze of litter application transfer to higher energetic level that needs change of soil fertility and maximum permissible concentrations model. Elaboration of optimization ways needs regulation of effect but causes of agrophytocoenosis degradation.
Keywords: soil, fertility, poultry litter, ecological condition.
Птичий помет не только хорошее удобрение, но и фактор загрязнения окружающей среды при неправильном использовании. Сырой помет обладает сильным неприятным запахом, содержит большое количество семян сорных растений, яиц и личинок гельминтов, мух, а также много патогенных микроорганизмов. При этом патогенны не только накапливаются в почве, но и попадают в водную и воздушную среду и растения. При применении птичьего помета неблагоприятное влияние на компоненты экологической системы оказывает и повышенное содержание нитратов в почвах и грунтовых водах. В то же время, при правильном применении птичьего помета в земледелии доход на 1 руб. затрат составляет до 9 руб. [1, 2].
В работе проведена оценка влияния высоких доз птичьего помета на экологическое состояние почв. Объектом исследования выбраны дерново-подзолистые почвы 17 птицеводческих хозяйств Московской области.
Методика исследования состояла в статистической обработке данных и в постановке модельных опытов с внесением разных доз птичьего помета в дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы. Агрохимические и физико-химические свойства почв, микробиологическая активность определены общепринятыми методами, содержание в почвах положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений определено с использованием метода химической автографии на основе электролиза. Содержание N03 в почвах определено с ионселективным электродом, в растениях - с использованием нитрат-тестера «Соэкс», содержание СО2 в почвенном и приземном слое воздуха определено с использованием газоанализатора 2С-10С-С02, а в лабораторных условиях определение БД и СИД выполнено с использованием газового хроматографа. Для энергетической оценки состояния почв дополнительно сняты инфракрасные спектры и дериватограммы почв. При информационной оценке состояния почв и их деградации вычислены уравнения регрессии и уравнения парной корреляции для 15 видов зависимостей. Принятый уровень вероятности Р = 0,95. В дополнение к существующим методам предложена информационно-энергетическая оценка взаимодействия органических удобрений с почвой.
Использование помета в земледелии целесообразно рассчитывать в зависимости от цели внесения органического удобрения в почву: а) для повышения урожая (20-30 т/га); б) для повышения плодородия почв - 50-100 т/га (при закладке садов); в) для утилизации - 500-1000 т/га и в зависимости от свойств почв, гранулометрического состава пород, соотношения в помете С^, степени трансформации помета в процессе хранения, уровня грунтовых вод, близости водоемов, загрязнения почв тяжелыми металлами, состояния водной и воздушной среды.
Энергетическая оценка определяется большим поступлением и накоплением энергии в почве. При разложении органических удобрений в почве, как и при разложении органических остатков, часть соединений разлагается до более простых, что сопровождается увеличением Д8 и уменьшением Дв. Другая часть соединений за счет освободившейся в данном процессе энергии вступает в реакции полимеризации, поликонденсации, комплексообразования - в реакции, ведущие к усложнению системы, увеличению в ней Ди, Дв, ДН и к умень-
шению Д8. Оба этих процесса идут одновременно. Внесение органических удобрений приводит и к увеличению теплоты сгорания почв. Так, например, теплота сгорания органических веществ в не удобренных и удобренных дерново-подзолистых почвах составляет соответственно для мобильных групп гуминовых кислот 3800 и 4100 кал/г; фульвокислот - 2200 и 2400; микробной биомассы - 5160 и 5300 кал/г [3].
Информационная оценка взаимодействия помета с почвами определяется изменением структурных взаимосвязей в почвах, оцениваемых по уравнениям регрессии и парной корреляции, сумме коэффициентов корреляции ^/п) без знака, деленной на число связей, по информационной емкости в байтах, скорости передачи информации в битах, адекватности ответа почв и растений на внешние воздействия. Прогрессивное развитие почв соответствует увеличению доли влияния на эволюции внутренних связей над внешними. Деградация почв соответствует существенному изменению параметров информационной оценки почв от моделей плодородия.
Под влиянием высоких доз птичьего помета, вносимых в почву, происходит изменение сукцессии развития микроорганизмов, растений, почв, изменение интенсивности дернового, подзолообразовательного процессов и процесса оглеения. В наших исследованиях установлено следующее:
1. Внесение птичьего помета не увеличивает валовое содержание тяжелых металлов в почве, но увеличивает их подвижность в связи с образованием комплексов с водорастворимыми лигандами продуктов трансформации помета в почве.
Содержание водорастворимого цинка составляет 0,01-0,07 мг/л или около 1-10-6 моль/л, что ниже растворимости 2и(0Н)2, гпСОз, 2п5(0Н)б(С0з)2, Zn0, 2п3(Р04)24Н20 при рН 5-6.
Содержание водорастворимого железа составляет 0,1-1 мг/л или 2-10-6-2-10-5 моль/л. Это соответствует растворимости осадков Ре(0Н)3 при низкой концентрации в растворе фосфатов и рПР = 37,5.
Содержание водорастворимой меди составляет 0,010,05 мг/л или около 1-10-6 моль/л. При рН 5-6 это соответствует присутствию в растворе Си0Н+ и Си(ОН)2.
Содержание водорастворимого свинца составляет 0,01-0,1 мг/л или 5-10-7-5-10-8 моль/л, что ниже растворимости РЬ(0Н)2.
Содержание подвижных форм тяжелых металлов по профилю почв (вытяжка СН3СООNH4 с рН 4,6) подчинялось элювиально-иллювиальному распределению. Так, при низкой и высокой дозе помета, внесенного в почву, содержание железа в Апах и В составляло 5,1 и 21,1 мг/кг и 21,8 и 29,1.
Для водорастворимых форм и подвижных форм, растворимых в 0,01н и 0,1н КС1 это проявляется, например, для цинка. Так, в горизонте Ап, А2 и В содержание водорастворимого цинка составит при низкой дозе внесения удобрений соответственно 0,02, 0,01 и 0,04 мг/л; при средней дозе - 0,03; 0,01 и 0,04 мг/л; при высокой дозе -0,07; 0.02 и 0,03 мг/л соответственно.
С использованием метода химической автографии на основе электролиза в почвах установлено наличие положительно и отрицательно заряженных комплексных соединений тяжелых металлов. При этом доля отрицательно заряженных соединений увеличивалась при
больших дозах помета. Так, при средней дозе помета с опилками (500 т/га) содержание отрицательно заряженных комплексных соединений составляло в горизонтах А, А2В и В соответственно 2,9±0,4 и 1,5±0,3 мг/л, а при большой дозе (1000 т/га) - 3,1±0,9 и 1,4±0,2 мг/л.
Влияние комплексообразования на подвижность в почвах тяжелых металлов подтверждается и при вытеснении их из почв десорбентами с разной комплексообра-зующей способностью с использованием метода конкурирующего комплексообразования. Так, для цинка его вытеснение из почв подчинялось зависимости: У = 0,10 + 1,15х; г = 0,84; для Си - У = 0,03 + 1,08х; г = 0,58; для Fe - У = 0,17 + 1,18х; Г = 0,98.
2. Внесение помета в почву значительно увеличивает содержание и долю подвижных фосфатов, которые в определенной степени представлены: положительно и отрицательно заряженными комплексными соединениями. Подвижность фосфатов возрастает при образовании комплексов водорастворимого органического вещества помета с Fe, А1, Mn, Ca, Mg. При очень высоких дозах подвижность фосфатов падает, в связи с блокировкой их в ППК органическими пленками. Образование комплексных соединений фосфатов обусловливает их миграцию в иллювиальный горизонт. Внесение в почвы высоких доз куриного помета приводит к резкому увеличению подвижных фосфатов в почвах до 2000 мг/кг. При этом содержание гумуса увеличивается в значительно меньшей степени в связи с усилением его минерализации. Так, в среднесуглинистых дерново-подзолистых почвах Петелинской ПТФ при среднем содержании подвижных форм Р2О5 - 1180 мг/кг содержание органического вещества составляло 3,1±0,2%; S = 14,6 мг-экв/100 г. При содержании Р2О5 = 731 мг/кг содержание гумуса составляло 2,4±0,1 и S = 11,9 мг-экв/100 г. В легкосуглинистых почвах эти показатели были несколько ниже: при содержании Р2О5 = 1220 мг/кг, содержание органического вещества 2,9±0,2%; S = 12,6 мг-экв/100 г; при содержании Р2О5 = 765 мг/кг, содержание органического вещества 2,0±0,1%, S = 11,6. Повышенное содержание фосфатов в почвах нарушало оптимальное соотношение N:P:K и приводило к осаждению ряда микроэлементов в виде осадков фосфатов, но снижения урожая при этом не происходило [4].
3. Большее содержание Р2О5 в почвах соответствует более нейтральной реакции среды, накоплению гумуса и калия, сужению отношения поглощенных Са/Ы^ Так, при содержании Р2О5 396,5±28,2 мг/кг, отношение поглощенных Са/Mg составляло 4,4, а при содержании Р2О5 = 970,4±39,9 оно было 4,0. Внесение высоких доз птичьего помета приводило и к значительному увеличению подвижного калия, что часто соответствовало повышению рН, увеличению дисперсности почв и гумуса. Так, при содержании К2О = 362,5±34,9 мг/кг величина рИКс1 равнялась 6,0±0,2, Нг = 1,6±0,2 мг-экв/100 г; гумус = 2,8±0,3%. При содержании К2О = 148±7,4 указанные показатели были соответственно равны 5,6±0,1; 2,0±0,2 и 2,7±0,2. При внесении в почвы помета в них увеличивается количество подвижных комплексных соединений калия и их доля от валового содержания, увеличивается их миграция в иллювиальный горизонт. Внесение в почву повышенных доз помета сопровождалось увеличением содержания водорастворимого органического вещества, миграцией его в более глубокие слои почв, умень-
шалась селективность органического вещества к кальцию, возрастала его комплексообразующая способность. Под влиянием высоких доз помета деградация компонентов агрофитоценозов развивается на разных иерархических уровнях. Деградация на более низком уровне уменьшает устойчивость к деградации на более высших условиях, однако тренд изменения почв определяется состоянием компонентов агрофитоценоза более высокого иерархического уровня [5].
4. Внесение в почву высоких доз птичьего помета приводит к загрязнению воздушной среды, пропорционально дозам внесения помета. Установлено выделение из почв с испарениями катионов и анионов, органических продуктов с наличием в них ароматических и алифатических группировок. Обоснованное экологически внесение помета в почву приводит к закреплению в ней СО2, ^О, метана. Этот процесс усиливается при создании условий для повышения интенсивности образования гумуса (рН 6-7); увеличения доли в ППК Са и Mg, увеличения емкости поглощения почв, доли в почве минералов типа 2:1; 2:2; смены аэробных и анаэробных условий, разложения в контакте с минеральной частью почв, при увеличении продолжительности трансформации, периода биологической активности.
В зависимости от уровней загрязнения почв, водной и воздушной среды предлагается регулирование окислительно-восстановительных условий для закрепления NO3 или С02, КИ3, ^0. С увеличением доз помета до 1000 т/га увеличивалось содержание в приземном слое воздуха углекислого газа и аммиака. При этом базальное фоновое дыхание (БД) достигало 40 мг/кг СО2/г-час, а субстрат-индуцированное дыхание 400-500 мг/кг СО2/г-час. Полученные данные показывают значительный вклад эманации газов при хранении помета и внесении его больших доз (1000 т/га помета с опилками) в баланс СО2 на планете. Однако, в полевых условиях содержание СО2 в воздухе над полями, где 2 года назад вносили высокие дозы помета (500 т/га), не превышало 40 ррм. Воздушные выделения из почв, удобренных высокими дозами помета, также стимулировали развитие биотеста (корни и стебли кресс-салата).
5. Внесение высоких доз помета приводит к резкому увеличению содержания N03 в почвенных растворах (при внесении 1000 т/га помета с опилками) до 1000 мг/л. Очень высокие дозы помета без опилок порядка 1000 т/га приводят к ингибированию в первые 2-3 месяца нитрифицирующей способности почв и к меньшему образованию N0^ Увеличение миграции N03 в водную среду происходит на почвах и породах легкого гранулометрического состава, а также с водной эрозией на склонах более тяжелого гранулометрического состава и по мерзлому слою весной. В проведенных нами исследованиях при внесении в дерново-подзолистую почву высоких доз птичьего помета содержание NО3 в водной вытяжке из почв достигало 932,4±158,2 мг/л (при максимуме 1440 мг/л), но и при относительно низких дозах содержание NО3 составляло 286,0±140,2 мг/л. При этом при сверхвысоких дозах (до 20% сухого помета от веса почвы) резко увеличивалось содержание МИ3, МИ4, а содержание N03 снижалось до 20-60 мг/л.
6. В водах рек вблизи птицефабрик содержание N03 не превышало 20 мг/л. Однако, по данным эколого-агрогеохимического районирования Московской обла-
сти, вблизи птицефабрик нитратами загрязняется в средней степени и первый и второй грунтовые горизонты [3]. В очищенной сточной воде содержание аммиака составляло 85,4 мг/л при ПДК < 1,5; содержание термотолерантных бактерий - 24000 К0Е/100 мл при ПДК - не более 100; содержание общеколиморфных бактерий 24000 К0Е/100 мл при ПДК - не более 1000. Повышенное содержание микроорганизмов привело к значительному уменьшению в воде растворенного кислорода (до 1,0 мг О2) при ПДК - не менее 4,0. В то же время, в поверхностных водах и реках вблизи птицефабрик значение ПДК были превышены только по запаху и цвету.
7. Содержание NО3 в проростках злаков, выращенных на дерново-подзолистых почвах, где вносили дозы помета с опилками до 3% от массы почв, достигало 50 мг/кг, увеличиваясь при выращивании их на хорошо окультуренной почве, по сравнению с плохо окультуренной, и при внесении чистого помета, по сравнению с внесением его с опилками. В проростках огурцов, выращенных на этих же почвах (2 недели) содержание NО3 достигало 60 мг/кг. При определении содержания NО3 в проростках злаков в полевых условиях на почвах, где 2 года назад вносилось 500 т/га помета с опилками, концентрация составляла 20-27 мг/кг.
Зависимость содержания NО3 в растениях от доз помета хорошо описывается уравнениями парной корреляции. Для торфяной почвы У = 34,3 + 10,2Х; г = 0,81. Для дерново-подзолистой среднесуглинистой хорошо окультуренной почвы У = 16,7 + 11,1Х; г = 0,73; для плохо окультуренной - У = 15,8 + 14,2Х; г = 0,88. В ряде случаев эта зависимость лучше описывалась нелинейными уравнениями:
У = 47,2Х0,09; г = 0,92 для торфяных почв;
У = 1/[0,02 + 0,04Ехр(-х)] ; г = 0,82 для хорошо окультуренных почв;
У = 1/(0,06 - 0,02Х); г = -0,92 для плохо окультуренной почвы.
Прогноз изменения почв и окружающей среды при применении органических удобрений на основе птичьего помета обусловлен расчетами их взаимодействий с почвами, характеризующимися определенными свойствами в зависимости от климатических условий и положения почв по рельефу. Процессы взаимодействия определяется дозами и нормами удобрений, их химическим и биохимическим составом, микробиологической активностью, временем и способами внесения. Учиты-
вая это, разработан алгоритм влияния органических удобрений (EXj) на свойства почв (£У0:
0 n
EJ кР" = EJ kx"
1 1
c учетом эффектов синергизма, антагонизма в определенных интервалах Xj.
Выявлены факторы, обусловливающие влияние органических удобрений (Xj) на состояние системы почва-растение (yj): 1) состав; 2) дозы, нормы; 3) время внесения; 4) очередность внесения; 5) состояние свойств почв (в т.ч. степень равновесия в системе при yj = max или min; 6) факторы почвообразования (интегральные показатели геоморфологии, литологии, климата); 7) изменение фракционного состава во времени и в пространстве; 8) экологические требования культур; 9) эффекты синергизма, антагонизма по влиянию: а) отдельных функциональных групп на свойства почв и состояние растений; б) по влиянию на плодородие и урожай изменения разных свойств почв.
Изменение свойств почв, водной и воздушной среды под влиянием помета происходит стадийно, чаще по синергетическому пути развития с проявлением принципа эмерджентности и эффектов синергизма и антагонизма. Поэтому предлагаются алгоритмы расчета доз с учетом гранулометрического состава, емкости поглощения, рельефа, УГВ, климата, антипатогенной функции почв. Оценку доз проводят с учетом возможного существующего уровня загрязнения почв, растений, водной и воздушной среды.
Более предпочтительно размещать новые птицефабрики на территориях с преобладанием светлосерых лесных и дерново-подзолистых среднесуглини-стых почв на покровных отложениях. При внесении помета в почву отмечается взаимовлияние компонентов экологической системы: почва, растения, микроорганизмы, водная и воздушная среды. Это определяет необходимость корректировки моделей плодородия почв и путей его повышения с учетом состояния всех компонентов экологической системы.
Таким образом, высокие дозы помета существенно влияют, как на свойства почв и микробиологическую активность, так и на состояние окружающей среды. Поэтому при оценке допустимых доз помета необходимо учитывать также неизрасходованные лимиты загрязнения компонентов экологической системы.
Литература
1. Мерзлая Г.Е., Лысенко В.П. Агроэкологические прогнозы использования птичьего помета // Агрохимический вестник, 2002, № 6. - С. 23.
2. Титова В.И., Седов Л.К., Дабахова Е.В. Индустриальное птицеводство, «Экология: опыт сосуществования», Н.Новгород, ВВАГС, 2004. - 249 с.
3. Савич В.И., Сычев В.Г., Замараев А.Г., Сюняев Н.К., Никольский Ю.Н. Энергетическая оценка плодородия почв. - М.: ВНИИА, 2007. - 498 с.
6. Володин В.Л. Экологические основы оценки и использования плодородия почв. - М.: ЦИНАО, 2000. - 336 с.
7. Седых В.А., Кашанский А.Д., Химина Е.Г., Карауш П.Ю. Изменение подвижности тяжелых металлов в дерново-подзолистых почвах в зависимости от степени их гумусированности и применения высоких доз органических удобрений // Известия ТСХА, 2011, № 3. - С. 1-8.
8. Седых В.А., Савич В.И., Вуколов Н.Г., Хусейн Х.А. Изменение фосфатного состояния почв при применении высоких доз органических удобрений // Вестник РУДН, 2011, № 2. - С. 10-15.
9. Савич В.И., Булгаков Д.С.. Вуколов Н.Г., Раскатов В.А., Васильев А.А., Сюняева О.И., Чанышев И.О. Интегральная оценка плодородия почв. - М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2010. - 347 с.
