Экологическая оценка использования куриного помета на почвах таежно-лесной зоны

IV.2 Целесообразность использования биологических тестов на загрязнение почв птичьим пометом

В разделе оценено влияние возрастающих доз птичьего помета на развитие проростков и массу растений при продолжительности выращивания 2 месяца. С использованием систем обратной связи оценено влияние птичьего помета, внесенного в разные типы почв, на адаптацию растений к изменению освещенности. В продолжение ранее выполненных исследований (Седых В.А., 1988) показано, что разные виды растений и их сорта в неодинаковой степени устойчивы к повышенным дозам азота, что определяет алгоритм подбора культур и сортов для выращивания их на почвах, сразу после внесения в них больших доз помета и загрязненных птичьим пометом. В полевых условиях изучена смена растительных ассоциаций на почвах, загрязненных пометом.

Содержание NO3 в проростках злаков больше при внесении высоких доз помета, в более окультуренных дерново-подзолистых почвах. Так, например, при внесении помета с опилками в дозе 21 т/га содержание нитратов в злаках составляло на дерново-подзолистых слабоокультуренных почвах 18,6±1,0 мг/кг; на хорошо окультуренных почвах - 21,6±0,7, а на низинном торфе - 43,4 ±0,4 мг/кг.

Изменение содержания NO3 в проростках при увеличении доз помета, вносимого в почву достаточно хорошо описывалась уравнениями линейной регрессии. Так, например, для дерново-подзолистой хорошо окультуренной почвы при внесении в нее помета с опилками У1 = 1,56Х; У2 = 5,7Х; при внесении помета У1 = 18,3Х; У2 = 18,4Х, где У1 при сравнении доз мг NO3/кг; У2 - по сравнению с контролем.

При выращивании на почвах с разными дозами помета проростков огурцов содержание NO3 в проростках было выше при внесении помета на дерново-подзолистую слабоокультуренную почву 61,0±3,6 мг/кг и ниже при внесении помета на торфянистую почву 51,2±1,8 мг/кг.

Содержание нитратов в проростках повышалось при внесении в почвы помета, по сравнению с внесением помета с опилками, что объясняется разным отношением в этих удобрениях C:N. Содержание NO3 в злаках в полевых условиях на дерново-подзолистых среднесуглинистых почвах Петелинской птицефабрики, где вносились 3 года назад большие дозы помета с опилками (500 т/га), составляло для точек с разными координатами от 9 до 27 мг/кг.

При оценке влияния внесения в почвы повышенных доз помета и помета с опилками методом прорастания семян и развития проростков установлено лучшее развитие растений в модельных опытах при дозах помета с опилками до 500 т/га - 10% от веса и угнетение при дозах более 20% от веса почв. При этом помет при продолжительности опыта 3 месяца оказывал более негативное действие, чем смесь помета с опилками. Улучшение развития растений отмечалось при добавлении в компост цеолита, древесного угля, верхового торфа «Spil-sorb». Повышение доз помета от 2 до 10% от веса почв привело к уменьшению скорости адаптации растений к изменению световых условий и гравитации.

IV.3. Закономерности изменения водной и воздушной среды при внесении в почвы высоких доз птичьего помета

Исследования проведены в полевых условиях и в модельных опытах. Выяснены особенности и масштабы выделения в воздушную среду продуктов транспирации растений, испарений из разных почв, из различных видов помета. Методом газовой хроматографии определено содержание органических соединений, NH3, CO2. В почвенных растворах и водах ручьев определено содержание NO3, оптическая плотность при 465 нм, Е4/Е6, общепринятые гидрохимические характеристики. Показано, что миграция веществ из почв, загрязненных птичьим пометом в водную и воздушную среду, в значительной степени определяется сорбционными свойствами почв и дозой удобрений.

В количественном отношении миграция была пропорциональна содержанию мигрирующих веществ в почве, т.е. обеспеченности почв биофильными элементами и токсикантами и степени загрязнения почв ими.

IV.3.1. Изменение состояния водной среды при внесении в почвы помета

Внесение высоких доз помета в почву приводит к существенному загрязнению водной среды калием, нитратами, фосфатами, патогенными микроорганизмами, водорастворимым органическим веществом, частично тяжелыми металлами. Так, в очищенной воде птицефабрики содержание термотолерантных бактерий составляло 24000 КОЕ/100 мл при ПДК не более 100; общеколиморфных бактерий 24000 (при ПДК не более6 1000); встречаются также яйца остриц, токсикар, власоглава. При анализе вод малых рек вблизи птицефабрики установлено превышение ПДК по общему железу до 1,07 мг/дм3; мутности до 28,5 ЕМФ, цветности до 90 (градусов) привкуса до 3 баллов; запаха до 5 баллов, перманганатной окисляемости - до 9,9 мг/дм3, общего микробного числа до 120 (число образующих колонии бактерий в 1 мл). Однако превышение ПДК по содержанию нитратов, нитритов, аммиака, числу общеколиморфных и термотолерантных колиморфных бактерий не установлено.

В ряде случаев концентрация NO3 в грунтовых водах выше, чем в поверхностных, что связано с использованием биотой соединений азота в поверхностных водах и с большей сорбцией ложем водоема. Так, например, в проведенных нами исследованиях содержание NO3 в поверхностных водах вблизи птицефабрик не превышало ПДК, а грунтовые воды были загрязнены нитратами. Подобные данные получены и на аналогичных почвах, на недалеко расположенных участках в опытах Шатилова И.С. и Замараева А.Г.

По данным модельных опытов, внесение повышенных доз помета в почву приводило к существенному увеличению содержания нитратов и водорастворимого органического вещества при оценке оптических плотностей растворов Е4 и Е4/Е6. При этом увеличивалось электрическое сопротивление растворов, содержание водорастворимых форм тяжелых металлов. Согласно полевым исследованиям, в зонах утилизации помета отмечалась значительная эвтрофикация водоемов.

Установлена корреляция большего загрязнения грунтовых вод нитратами и фосфатами в районах расположения птицефабрик на почвах и породах легкого гранулометрического состава, при развитии подзолообразования.

IV.3.2. Влияние птичьего помета на состояние воздушной среды

Применение высоких доз птичьего помета в земледелии приводит к значительному загрязнению воздушной среды. Это связано с выделением из почв СО2, NH3, недоокисленных соединений азота, метана (Гречин И.П., Стратанович М.В., Игнатьев Н.Н., Пельцер А., Кудеяров В.А.).

При внесении высоких доз помета эмиссия СО2 достигает максимальных значений для почв России и вносит существенный вклад (более 40%) в общее загрязнение воздушной среды.

Огромное значение имеет и выделение почвами метана (Безбородов Ю.Т., 2004), закиси азота (Семенов М.В., 2004). Внесение помета в почву приводит к значительному увеличению эмиссии газов из почв. Как указывает Титова В.И. (2002), при применении помета уровень выделения углекислоты возрастал на песчаной почвы на 57%, нам легкосуглинистой - на 39%.

Однако эманация газов из почв при внесении помета зависит от его состава, доз, времени внесения, свойств почв, выращиваемых культур, климатических условий, что определяет необходимость изучения этого вопроса. При этом почва как выделяет газы, так и поглощает их (депонирует). Это же относится и к растительному покрову. Важное практическое значение имеет поиск как путей увеличения депонирования почвами газов, так и путей оптимизации секвестирования выделения их в воздушную среду.

Согласно результатам анализов, из производственных площадок Петелинской ПТФ выбрасывается до 28 г/с веществ. В атмосферный воздух выбрасывается сажа, диоксид азота, сероводород, аммиак, метилмеркаптан, углекислый газ, пропионовый альдегид, диметиламин, фенол, диметилсульфид. Очевидно, что состав этих газов и их концентрации определяются технологическими циклами, и выделение их из помета зависит от его состава, условий внесения в почву и утилизации, свойств почв и климатических условий.

Так, при соблюдении технологических норм и при утилизации помета на значительном расстоянии от фабрик и при соблюдении оптимальных условий компостирования загрязнение воздушной среды не отмечается. Это установлено, например, для Петелинской ПТФ, по данным санитарно-эпидемиологического заключения. Оценка содержания СО2 в приземном слое воздуха, проводимая нами в полевых условиях, также показала концентрацию в воздухе СО2 не выше 400 ррм.

С нашей точки зрения, загрязнение воздушной среды газообразными продуктами, выделяющимися при разложении помета, наиболее опасно в районах, где воздушная среда уже в значительной степени загрязнена. Предлагается рассчитывать оптимальные дозы помета с учетом возможности локального негативного изменения состояния растений, водной и воздушной среды.

Учитывая глобальное значение изменения воздушной среды при внесении в почвы и хранении большого количества помета, важно найти пути оптимизации обстановки. С одной стороны, можно увеличить депонирующую способность почв по отношению к газам, т.е. увеличить поглощение газов почвами (за счет физической сорбции и биологической сорбции, в меньшей степени за счет химической и физико-химической сорбции). С другой стороны, можно уменьшить выделение газов в атмосферу при разложении помета. По полученным данным, добавление в почву с пометом цеолита, торфа «Spill-sorb», древесного угля, опилок уменьшало эманацию газов из почв.

Сочетание указанных приемов приводит к секвестированию эманации газов из почв. Частично эта проблема может быть решена и увеличением поглощения углекислого газа, метана, аммиака растениями, при увеличении биопродуктивности угодий за счет оптимизации всех звеньев систем земледелия. Важным приемом сокращения выделения СО2 из почв и депонирования его почвами является регулирование состава поступающих в почву органических удобрений. Образованию гумуса и меньшему выделению углекислого газа в атмосферу способствует расширение С:N до 15-20, увеличение содержания лигнина, целлюлоз и гемицеллюлоз.

Очевидно, для депонирования в почве газов, выделенных при разложении помета, необходима заделка его на достаточную глубину, чтобы осуществлялось разложение соответствующими микроорганизмами и чтобы в верхних слоях почв находился микробиологический фильтр.

Согласно проведенным исследованиям, при оценке взаимодействия помета с почвами целесообразно введение новых параметров оценки: 1) антипатогенной функции почв по отношению к патогенам, содержащимся в помете; 2) трансформирующей способности почв по отношению к компонентам помета; 3) депонирующей способности почв по отношению к CO2, N2O, метану, выделяющимся при разложении помета; 4) секвестирующей способности агрофитоценозов по отношению к CO2, NH3, метану.

Учитывая очень большие запасы помета, накапливаемые в России при интенсификации птицеводства, с нашей точки зрения, необходимо учитывать глобальные функции его применения и утилизации: 1) глобальную энергетическую функцию, связанную с накоплением в почве и водах энергии, фосфатов, с изменением КПД использования солнечной и антропогенно затраченной энергии; 2) глобальную информационную функцию, обусловленную сменой микробных сообществ, биоты, сукцессий растительного покрова, эволюцией почв, изменением пирамид вещества, энергии и информации; 3) глобальную экологическую функцию, обусловленную загрязнением водной и воздушной среды; 4) глобальную экономическую функцию, обусловленную изменением моделей плодородия почв и оптимальных приемов повышения урожая, деградацией почв и изменением их стоимости, штрафными санкциями за загрязнение почв, водной и воздушной среды. Очевидно, что необходим баланс всех перечисленных функций.

Внесение в почвы помета, по сравнению с его хранением, приводит к уменьшению загрязнения воздушной среды СО2 и уменьшению парникового эффекта.

1. Органические соединения помета частично сорбируются почвой и частично превращаются в гумус, что приводит к закреплению в почве углерода.

2. Кроме того, почвы сорбируют СО2, и выделение его в воздух при разложении помета уменьшается.

3. Внесение в обоснованных дозах помета в почву приводит к увеличению их плодородия, биопродуктивности угодий, а, следовательно, к увеличению поглощения СО2 растительностью.

Увеличение концентрации этих газов в почвенном воздухе до определенного предела обеспечивает повышение урожайности с/х культур. В нижеследующей таблице показано изменение базального фонового дыхания почв (БД мкг СО2/г · час) и субстрат-индуцированного дыхания (СИД) в почвах с разной дозой птичьего помета.

Таблица 12

Дыхание почв, удобренных и загрязненных птичьим пометом

Вариант	NO3, мг/кг	БД, мкг СО2/г·час	СиД, мкг СО2/г·час
ДП2ОК1 контроль + 3,3 г помета на 50 г почв ДП2ОК3 контроль + 3,3 г помета на 50 г почв торф низинный контроль + 3,3 г помета на 50 г почв	23 82 19 90 9 13	50,8±5,3 26,5±9,8 36,0±22,4 20,0±7,1 43,1±6,4 72,8±32,6	218,9±75,2 276,8±72,4 576,9±272,0 652,4±277,2 419,7±160,7 900,5±167,3

В пересчете на 1 га в течение сезона полученные величины показывают значительный вклад почв, загрязненных пометом, в баланс СО2 на планете.

Выделение из почв СО2 и NH3 оценивалось в модельных опытах на разных типах почв и определенного гранулометрического состава, при различных уровнях увлажнения и в полевых условиях. Почвы, более гумусированные и с большей микробиологической активностью, выделяли в воздух СО2 и NH3 больше

В проведенных исследованиях доказано выделение из почв, удобренных пометом, газообразных органических соединений, катионов. Это подтверждено анализом испарений из почв методами инфракрасной спектроскопии и дериватографии. В конденсате испарений содержалось 0,1-0,5 мг/л калия, натрия и других катионов и анионов, что является одной из статей баланса биофильных элементов в почве.

Испарения из почв обладали биологической активностью. Так, при средней дозе внесения помета под влиянием испарений из дерново-подзолистой почвы развитие проростков кресс-салата составляло 58,4±6,9 мм корней, 20,4±2,2 мм стеблей, а при высокой дозе помета 83,3±4,9 и 26,0±3,8. Однако, при максимальной дозе помета 1000 т/га начальное развитие проростков (t = 4 дня) тормозилось. В одном из опытов при средней дозе помета развитие корней и стеблей соответственно составило 4,9±0,6 и 2,0±0,2; при высокой дозе 6,3±0,5 и 1,7±0,5; при максимальной дозе - 3,9±0,3 и 0,7±0,1.

Как уже указывалось ранее, выделение СО2 в полевых условиях не превышало 450 ррм. Однако при изолировании поверхности на 2 часа концентрация СО2 в воздухе достигала 1300 ррм. В модельных опытах установлено и выделение из почв с пометом NH3, что оценивалось по цвету сорбентов с идентификацией его в цветовых системах CMYK, Lab, RGB. Увеличение доз помета до 48 т/га привело к увеличению выделения из почв NH3, однако, внесение 480 т/га ингибировало в первые 2 недели выделение NH3.

Учитывая громадные количества накопленного в России и в т.ч. в Московской области помета, эмиссия из него углекислого газа, метана, закиси азота существенно нарушает экологическое состояние воздушной среды. Это усугубляется тем, что птицефабрики, в основном, расположены ближе к городу, где воздушная среда уже загрязнена.

По полученным данным, в связи с многогранным влиянием птичьего помета на свойства почв при его использовании в земледелии необходимо проведение экологической экспертизы на возможные негативные изменения свойств почв, биоты, водной и воздушной среды. Для определенной локальной территории допустимо и определенное загрязнение почв, водной и воздушной среды (ПДК и ПДУ). Если лимиты на загрязнение уже исчерпаны, то необходимо введение безотходных технологий или изменение характера хозяйственного использования земель.

Поэтому, с нашей точки зрения, при применении птичьего помета в земледелии (при расчете его допустимых доз) необходимо учитывать загрязнение почв, водной и воздушной среды локального региона. При утилизации птичьего помета необходима оценка допустимых доз его внесения в почву. К технологическим операциям предъявляются следующие требования: 1) недопустимо изменение свойств почв до уровня гибели почв или невозврата к состоянию, допускающему с/х использование; 2) недопустимость изменения водной и воздушной среды ландшафта, а, тем более, района и региона выше ПДК.

IV.3.3. Изменение плодородия и ценности почв при внесении в них помета

Внесение птичьего помета в почвы значительно изменяет их плодородие, состояние водной и воздушной среды, загрязнение почв, а, следовательно, ценность почв. С одной стороны, при внесении в почвы обоснованных доз помета увеличивается их плодородие, а, следовательно, и ценность. Так, сводный показатель качества почв одной из птицефабрик при рН=6,4, содержании подвижных форм фосфора и калия 94,2 и 18,9 мг/100 г балл почв составлял 98,9 при минимуме в почвах этого хозяйства 29,1.

Проведенные исследования и статистическая обработка данных агрохимической службы показали повышение плодородия почв и урожая с/х культур на почвах с оправданными дозами внесения птичьего помета. Содержание подвижных форм Р2О5 в дерново-подзолистых почвах, как правило, выше 500 мг/кг; К2О - больше 250 мг/кг; содержание органического вещества - больше 2%; сумма поглощенных оснований - 12-15 мг-экв/100 г; рНКС1 - 5,5-6,0. Такие почвы характеризуются большими сводными показателями плодородия, на них выше урожай с/х культур и выше рентабельность с/х использования. Это определяет целесообразность и эффективность использования в земледелии экологически и экономически оправданных доз органических удобрений на основе птичьего помета.

Внесение органических удобрений существенно повышает и урожай с/х культур. Так, урожайность картофеля описывалась от воздействия антропогенных факторов следующей зависимостью: У = 195,0 - 9,9Х1 - 0,02Х2 + 0,005Х3 + 1,5Х4; r = 0,59; овощных культур У = 607,95 - 107,4Х1 - 0,07Х2 + 0,01Х3 + 1,9Х4; r = 0,72, где Х1 - отдача основных фондов; Х2 - себестоимость; Х3 - затраты на повышение плодородия; Х4 - внесение органических удобрений.

С другой стороны, при наличии загрязнения почв тяжелыми металлами их подвижность при внесении помета возрастает, что уменьшает стоимость земель. Выделение в воздух токсичных газообразных продуктов и загрязнение вод существенно снижает и стоимость земель.

IV.4. Оценка перспективности использования для оценки загрязнения почв птичьим пометом дистанционных методов зондирования

Оценена цветовая гамма почв и космических снимков методом компьютерной диагностики, электрическое сопротивление почв, отражательная способность почв в инфракрасном диапазоне.

Установлено, что загрязнение исследуемых почв птичьим пометом привело к увеличению показателя К в цветовой системе CMYK и ослаблению показателя L в системе Lab. К аналогичному эффекту привело и увлажнение почв. Загрязнение почв птичьим пометом привело к увеличению электрического сопротивления почв, что свидетельствует о перспективности использования для оценки загрязнения метода вертикального электрического зондирования. Загрязнение почв птичьим пометом привело после длительного периода компостирования к увеличению холодности почв, что свидетельствует о перспективности использования для оценки загрязнения отражательной способности почв в инфракрасном диапазоне.

Для практических целей важно знать закономерность изменения цветовой гаммы почв при загрязнении их птичьим пометом. Вычисленные нами уравнения регрессии зависимости степени загрязнения (У) от цветовой гаммы сухих образцов почв в системах CMYK и Lab приведены ниже.

У = 43,1 - 4,0С + 1,5М + 1,6Y + 1,4K; r = 0,96; F = 13,4

У = 81,5 - 1,9L + 4,5a + 3,4b; r = 0,94; F = 15,0

Таким образом, отражательная способность почв в определенном диапазоне спектра может быть выражена уравнением: У = k1X1 + k2X2 + … + knXn, где (Xi - Xn) - значение отдельных свойств почв и параметров внешней среды; ki - степень влияния Хi на отражательную способность в данном диапазоне спектра. При этом по влиянию (Xi - Xn) отмечаются эффекты синергизма и антагонизма Уki = 1.

У2 (свойство почв) = k1Z1 + k2Z2 + … + knZn, где Z1-n - отражательная способность в разных диапазонах спектра, Уk1-n - степень влияния связи Zi на У2, Уki = 1. В связи Zi и У2 также отмечаются эффекты синергизма и антагонизма.

Глава V. Концепция и закономерности влияния птичьего помета на плодородие почв и состояние компонентов экологической системы

V.1. Информационно-энергетическая оценка взаимодействия органических удобрений с почвой

Показано, что при взаимодействии птичьего помета с почвой происходит изменение трансформации, миграции и аккумуляции в почве вещества, энергии и информации самой почвы и органических удобрений. Это подтверждается изменением вещественного состава почв, микробиологической активности, состояния органического вещества, оцениваемых методами: ИКС и дериватографии, электронной микроскопии, энергетических эквивалентов вещественного состава, изменением структуры взаимосвязей в системе почва-растение. Эффект совместного действия обусловлен влиянием органических удобрений на свойства, процессы и режимы почв, саморазвитие компонентов экологической системы. Показано влияние высоких доз помета на развитие дернового процесса почвообразования, подзолообразования, оглеения. Показано, что экологическое состояние системы определяется трансформацией, миграцией и аккумуляцией вещества, энергии и информации при обмене с внешней средой, при обмене внутри системы на разных иерархических уровнях.

V.1.1. Информационная оценка взаимодействия помета с почвами

Информационная оценка органических удобрений обусловлена фракционным составом их соединений, функциональными свойствами на разном иерархическом уровне, микробиологической активностью помета, существенно изменяющей протекание микробиологических и ферментативных процессов в почве, являющейся запускающим механизмом для ряда последовательных реакций трансформации вещества и энергии в почве, составом воздушных экзаметаболитов, являющихся одним из наиболее быстрых переносчиков информации в почве.

Поступление в почву с пометом большого количества микроорганизмов приводит к ускорению процессов трансформации органической и минеральной части почв, к запуску ряда новых последовательных реакций трансформации и, как следствие, к изменению структурных взаимосвязей между свойствами почв. При умеренных дозах птичьего помета возникшие изменения свойств почв постепенно уменьшаются, и почва переходит в стационарное, равновесное с окружающей средой состояние.

По полученным нами данным, при внесении высоких доз птичьего помета в почву в значительной степени изменяются структурные взаимосвязи между свойствами почв, что является составной частью информационной оценки плодородия. Для исследуемых почв птицеводческих хозяйств эти связи хорошо характеризуются коэффициентами парной корреляции и уравнениями множественной регрессии. Рассматриваемые зависимости существенно отличаются для почв разного гранулометрического состава и в разных диапазонах содержания подвижных фосфатов в почвах.

По полученным данным, свойства почв в значительной степени взаимосвязаны друг с другом. При оценке зависимостей между данными анализов 640 образцов выяснено: 1) изучаемые взаимосвязи зависят от гранулометрического состава почв; 2) интервалов рН; 3) интервалов содержания подвижных фосфатов.

Связи между свойствами почв более тесные, чем связи свойств почв с климатическими условиями, что свидетельствует об отсутствии деградации почв при использовании принятых в хозяйствах дозах помета. Для оценки степени равновесия почв предлагается расчет суммы коэффициентов корреляции без знака для разных групп свойств почв, деленной на число связей в выборке.

По полученным данным, информационная оценка взаимодействия удобрений на основе птичьего помета с почвой и информационная оценка плодородия почв дополнительно обусловлены разнообразием фракционного состава соединений в почве, разнообразием сорбционных центров, микробиологической активности, экологических ниш, закономерными связями между свойствами почв и факторами почвообразования, связями внутри почвы. При прогрессивном развитии системы ее эволюция в большей степени определяется внутренними связями в почве, а не связями почвы с окружающей средой.

Убыль информации в почве обусловлена развитием эрозии, почвоутомления, элюированием, минерализацией гумуса, уменьшением разнообразия ферментов и микроорганизмов, экологических ниш, сорбционных центров, разнообразия геохимических барьеров, представленных отдельными горизонтами.

При увеличении доз помета выше допустимых пределов уменьшается разнообразие связей, разнообразие альтернативных вариантов развития почв и с/х использования земель, уменьшается число степеней свободы протекания почвенных процессов и хозяйственного использования почв

По полученным данным, внесение в почву высоких доз органических удобрений на основе птичьего помета и при утилизации птичьего помета за счет его внесения в почву в обоснованных дозах постепенно увеличивается развитие дернового процесса почвообразования (увеличивается содержание гумуса, доля в нем гуминовых кислот, глубина проникновения гумусовых затеков в почву, мощность гумусового слоя, глубина проникновения корней).

Однако, увеличение содержания органического вещества в верхнем слое почв приводит при промывном типе водного режима в таежно-лесной зоне к увеличению количества мигрирующих через почвенный профиль кислых продуктов и соединений, способных к комплексообразованию с поливалентными металлами, кальцием, магнием. Это сопровождается усилением развития элювиального процесса с увеличением мощности А2, А2В при опускании его глубже вниз по профилю. В большей степени это проявляется для подзоны северной тайги, но прослеживается и для подзоны южной тайги (Московской области).

Развитию элюирования способствует и понижение в почвах с высокой дозой помета окислительно-восстановительного состояния почв (развитие восстановительных условий). Внесение высоких доз помета в почву приводит и к увеличению интенсивности процесса оглеения, что связано, как с увеличением количества субстрата для развития микроорганизмов и с потреблением кислорода, так и с уплотнением почв и уменьшением диффузии кислорода с почву.

V.1.2. Энергетическая оценка взаимодействия помета с почвами

Поступление в почву большого количества органического вещества соответствует и большому поступлению в почву энергии. Почвенная система переходит на новый, более высокий энергетический уровень, что сопровождается увеличением миграции вещества и энергии в водную и воздушную среду, изменением оптимумов свойств почв, изменением наиболее эффективных путей повышения плодородия почв и оптимизации экологической системы.

Проведенными исследованиями показано, что при внесении в почвы органических удобрений происходит накопление энергии в почве, в микроорганизмах, но больше энергии и теряется с миграцией из почв в водную и воздушную среду; больше энергии накапливается в урожае. Больше энергии затрачивается и на почвообразование.

С нашей точки зрения, аналогично энергетической оценке калорийности продуктов необходимо проводить энергетическую оценку применения органических удобрений. Наличие высокого энергетического уровня состояния почв при применении органических удобрений должно поддерживаться постоянным внесением этих удобрений. При прекращении такого воздействия наступает ускоренная деградация почв.

V.2. В работе обосновывается необходимость экологической оценки применения органических удобрений в земледелии. Показано, что при внесении в почвы необоснованно высоких доз помета наблюдается деградация компонентов экологической системы: загрязнение почв, растительности, грунтовых вод, приземного слоя воздуха. При этом деградация одного компонента экологической системы вызывает нарушение экологического равновесия в других компонентах. При оценке влияния внешних факторов на деградацию почв проявляются эффекты синергизма и антагонизма.

Деградация протекает стадийно в пространстве и во времени. При этом она сначала возникает локально в пространстве и во времени, а затем распространяется на более глубокие слои почв, на большую площадь и проявляется постоянно.

В работе показано, что степень деградации почв при внесении высоких доз птичьего помета зависит от его состава, доз, гранулометрического состава почв, емкости поглощения, рельефа, климатических условий. Очевидно, что и ПДК почв по отношению к отдельным токсикантам должно зависеть от свойств почв, от степени деградации разных свойств почв, от степени деградации компонентов более низкого и более высокого иерархического уровня; от степени деградации других компонентов биогеоценоза.

Показано, что негативное влияние на компоненты агрофитоценозов, почвы высоких доз помета зависит от степени загрязнения почв, водной и воздушной среды региона, от доли неиспользованных лимитов на загрязнение.

V.3. Расчет оптимальных и допустимых доз внесения помета в почву

С учетом огромного, постоянно увеличивающегося накопления помета вблизи птицефабрик, риском катастрофического при этом загрязнения среды обосновывается необходимость дифференциации доз помета и компонентов на его основе для повышения урожая с/х культур, повышения плодородия почв, утилизации. Обоснована необходимость оценки допустимых доз помета, вносимого в почву, с учетом экологических ограничений на локальном уровне и уровне районов области.

Оптимальные дозы определяются допустимыми пределами изменения свойств почв, химического и биохимического состава растений, состояния водной и воздушной среды. При этом при оценке влияния помета на почву учитывается его влияние на свойства почв, их соотношение и взаимосвязи, протекающие почвенные и почвообразовательные процессы, режимы.

Таким образом, оптимальные и допустимые дозы помета, вносимого в почву, определяются его химическим и биохимическим составом, дозой, кратностью внесения, способом и временем внесения, свойствами почв и факторами почвообразования. Поэтому более правильно оценивать алгоритм его взаимодействия с компонентами агрофитоценозов.

Проведенные исследования позволили предложить алгоритм изменения свойств почв при внесении птичьего помета: Уi = f УkiXi, где ki - степень влияния независимой переменной Xi на Уi. Под Xi понимается химический и биохимический состав помета (удобрения на его основе); доза внесения т/га; время внесения; способ заделки в почву; сорбционные свойства почв по отношению к различным видам сорбции; водопроницаемость почв; климатические условия (сумма температур выше 100; количество выпадающих осадков, коэффициент увлажнения); гранулометрический состав почв, пород; положение по рельефу (в бассейне), уровень грунтовых вод, состав напочвенного покрова; Уi - изменение определенного свойства почв (плотность, содержание NO3, подвижных фосфатов и т.д.). Изменение плодородия почв УУ = f УkiYi.

Оптимальные дозы помета для повышения урожая с/х культур, как правило, рассчитываются с учетом азотного баланса в системе почва-растение. Дабаховой Е.В. (2005) предложены также расчеты и с учетом баланса фосфора, калия и возможности загрязнения почв тяжелыми металлами с учетом поступления их в почву с пометом.

В проведенных исследованиях для расчета допустимых доз помета, вносимого в почву, учитывались: а) вероятность загрязнения почв тяжелыми металлами, используя данные о содержании их в помете и ПДК; б) вероятность загрязнения почв калием, учитывая допустимое содержания калия в ППК до 10% от емкости поглощения, емкость поглощения почвами катионов, КАВ при обмене калия в ППК, содержание калия в помете; известные из литературы буферные свойства почв в отношении калия; в) вероятность загрязнения почв фосфором, учитывая содержание фосфора в помете, сорбцию фосфатов почвами (200-300 мг Р2О5 на 100 г почв), известные из литературы буферные свойства почв в отношении фосфатов; г) при оценке вероятности загрязнения почв и вод нитратами учитывалось содержание азота и NO3 в помете, коэффициент гумификации помета, отношение С:N в смеси помета с торфом или опилками, отношение углерода к азоту в почве, гранулометрический состав почв при промывном типе водного режима; д) при прогнозе загрязнения почв патогенными микроорганизмами проводилась экспертная оценка, используя литературные данные по полевым опытам.

Допустимые дозы внесения помета в почву отличаются для целей достижения оптимумов свойств почв, состояния водной и воздушной среды, получения максимальной урожайности, для оптимизации качества сельскохозяйственной продукции.

Для исключения существенного поверхностного и внутрипочвенного смыва компонентов органических удобрений на основе птичьего помета их нельзя вносить на эродированные почвы с уклоном более 20 для Московской области. Для исключения существенного поверхностного и внутрипочвенного смыва в ранневесенний период по еще замерзшему слою уклон поверхности должен быть менее 10 или птичий помет, вносимый осенью и весной должен быть хорошо перепахан до глубины 25-30 см почвы.

Отдельные типы почв обладают неодинаковой антипатогенной функцией. Согласно полевым исследованиям на дерново-подзолистых среднесуглинистых почвах, миграция органических соединений не обнаружена на глубине 1 м, что с учетом высоты капиллярного поднятия вод при утилизации помета ограничивает уровень грунтовых вод глубиной 3-4 м.

Для конкретных территорий и почв допустимые дозы помета, вносимого в почву. с точки зрения возможной деградации почв могут быть рассчитаны по уравнениям регрессии зависимости отдельных свойств от доз помета.

Для исследуемых почв, применяемых видов помета и помета с опилками, локальных факторов почвообразования установлены уравнения регрессии, описывающие изменение свойств почв и содержания NO3 в растениях от доз помета. Содержание NO3 в почвенном растворе (мг/л) дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы в модельных опытах описывались зависимостью У = 35,2Х. Содержание NO3 в проростках злаков на этой же почве (мг/кг): У = 34,3 + 10,2Х, r = 0,81. Зависимость содержания подвижных фосфатов от доз помета в этой же почве в модельных опытах (мг/100 г) описывалась зависимостью У = 1,8Х. В производственных условиях в интервалах доз 100-1000 т/га помета с опилками через 3 года содержание Р2О5 - У = 1,8Х; К2О = 0,04Х. В то же время, данные зависимости существенно изменяются от гранулометрического состава почв.

При обобщении данных по содержанию калия в почвах 17 птицеводческих хозяйств Московской области установлено, что содержание калия в среднесуглинистой почве было выше 201,7±13,8 мг/кг, чем в легкосуглинистой и супесчаной 139,9±18,4. Для легкосуглинистых почв получена зависимость У = 7Х; для среднесуглинистых - У = 5,8Х, где Х - содержание частиц < 0,01 мм в %. Максимальное содержание обменного калия в почвах птицеводческих хозяйств Московской области составляло 500 мг/кг.

По полученным данным, как максимальное, так и минимальное содержание подвижных фосфатов на легких почвах было ниже, чем на среднесуглинистых. По данным 640 определений максимальное значение составляло 984,0±164,5 - в среднесуглинистых почвах и 851,2±164,9 мг/кг - легкосуглинистых почвах, а минимальное соответственно 286,6±58,7 и 172,0±56,3 мг/кг.

Факторами, ограничивающими верхний предел доз, являются: 1) свойства, процессы и режимы почв; 2) урожай с/х культур и его качество (или биопродуктивность угодий и качество продукции); 3) состояние водной среды; 4) состояние воздушной среды.

По полученным нами данным, максимальная доза внесения в почвы помета с опилками составляет для повышения урожайности 30-60 т/га, в зависимости от свойств почв и факторов почвообразования.

С учетом полученных данных нами предлагается концептуальная схема экологической оценки влияния органических удобрений на основе птичьего помета на компоненты агрофитоценозов и биогеоценозов.

С учетом полученных экспериментальных данных допустимые дозы помета меньше на почвах и породах легкого гранулометрического состава, с меньшей емкостью поглощения, с меньшей антипатогенной функцией, при близком уровне грунтовых вод и водоемов, при уже существующем загрязнении почв тяжелыми металлами, при существующем загрязнении вод фосфатами и нитратами, при загрязнении водной среды, на эродированных почвах. Учитывая данные ограничения, более перспективно расположение новых птицефабрик в 4-ом почвенном районе Московской области, представленном дерново-подзолистыми и светло-серыми среднесуглинистыми почвами.

С экологической точки зрения основными тенденциями при выборе оптимальных и допустимых доз помета, вносимого в почву, является создание условий для уменьшения загрязнения почв, водной и воздушной среды, создание условий для максимального депонирования продуктов разложения помета в почвах и для секвестирования потоков этих продуктов в водную и воздушную среды.

Для уменьшения загрязнения почв, растений, водной и воздушной среды при применении помета в земледелии рекомендуется внесение в почвы компостов с опилками при увеличении отношения С:N - 15-20, с внесением сорбентов, при создании условий для интенсификации развития дернового процесса почвообразования с целью большей гумификации помета, при депонировании продуктов его разложения в почвах и секвестировании их эманации из почв.

Очевидно, что для разных почв необходимо и неодинаковое отношение С: N, алифатических и ароматических группировок, доли лигнина в органических удобрениях на основе помета. Это обусловлено как разным составом гумуса конкретных почв, так и неодинаковыми условиями разложения вносимых удобрений в почвах (рН, Eh, микробиологической активностью, влажностью, температурой, сорбционной емкостью почв, степенью открытости системы). Оптимальное соотношение С: N во вносимых органических удобрениях зависит и от химического и биохимического состава опада и корневых остатков выращиваемых культур.

Выводыучетом высоты капиллярного поднятия вод ри утилизации помета наружена на глубине 1 м, что с учетом высоты капиллярного подняти

1. Впервые проведена комплексная физико-химическая и комплексная почвенно-генетическая оценка влияния куриного помета на состояние почв, растений, микроорганизмов, водной и воздушной среды.

2. В дополнение к существующим методам оценки предлагается информационно-энергетическая оценка взаимодействия птичьего помета с почвой. При внесении в почву птичьего помета увеличивается интенсивность реакций, протекающих с потреблением тепла, изменяется энергия активации реакций дегидратации, теплота сгорания органической части почв, количество энергии, заключенной в микроорганизмах. Почва переходит на новый энергетический уровень.

Теплота сгорания куриного помета составляет 0,3-0,5 ккал/100 г, что при дозе 20 т/га эквивалентно поступлению в почву 80000 ккал/га, а при внесении 1000 т/га - эквивалентно поступлению в почву 4 млн. ккал/га.

Изменяются структурные взаимосвязи между свойствами почв - связь подвижных фосфатов с гумусом и другими физико-химическими и агрохимическими свойствами; зависимость кислотно-основного равновесия почв от содержания органического вещества. Предлагается оценивать отличие структурных взаимосвязей в исследуемых почвах от связей в модели плодородия почв, как показатель плодородия и деградации.

Для интегральной оценки структурных взаимосвязей предлагается вычисление Уr/n без учета знака коэффициентов корреляции. Показано отличие коэффициентов корреляции и уравнений регрессии в почвах без внесения высоких доз птичьего помета и с внесением, что определяет степень равновесия почв с окружающей средой.

3. Установлены закономерности изменения дерново-подзолистых почв при внесении в них помета в модельных опытах и в полевых опытах, в производственных условиях.

Внесение высоких доз помета в почву в модельных опытах привело к увеличению содержания водорастворимого органического вещества, водорастворимых фосфатов, калия, к увеличению комплексообразующей способности почвенного раствора и подвижности тяжелых металлов, образуются положительно и отрицательно заряженные комплексные соединения фосфатов, калия, кальция, магния, тяжелых металлов.

Внесение вблизи птицефабрик на поля помета в производственных условиях приводит к увеличению содержания подвижных фосфатов до 1500 мг/кг, подвижного калия - до 400 мг/кг, к сужению отношения поглощенных Са/Mg до 25% от исходного, к ухудшению структуры почв и к увеличению плотности почв.

Показано, что внесение экологически и экономически обоснованных доз помета в почвы и даже доз помета с опилками при утилизации до 1000 т/га не приводит к загрязнению почв тяжелыми металлами, но повышает подвижность тяжелых металлов, в связи с образованием комплексов, что опасно на территориях с уже существующим загрязнением.

4. Показано, что при внесении высоких доз птичьего помета в почву происходит значительное негативное изменение водной и воздушной среды, что необходимо учитывать при расчете оптимальных доз. В воде увеличивается содержание нитратов, фосфатов, органического вещества, патогенных микроорганизмов, калия. В воздушной среде увеличивается количество CO2, NН3, N2O, метана и газообразных органических продуктов с неприятным запахом.

Содержание NO3 в почвенных растворах при внесении больших доз помета достигает 1500 мг/л. В очищенной сточной воде птицефабрик содержание термотолерантных бактерий достигает 24000 КОЕ/100 мл (при ПДК = 100), общеколиморфных бактерий - 24000 (при ПДК = 1000). Базальное фоновое дыхание почв при высоких дозах помета достигает 70 мкг СО/г в час, что ? в 3 раза превышает значение этого показателя в незагрязненных почвах и соответствует максимальной эмиссии СО2 из почв России (> 8 т/га в год) и вносит существенный вклад в общее загрязнение воздушной среды.

Предлагается рассчитывать оптимальные дозы помета с учетом допустимости локального негативного изменения состояния растений, водной и воздушной среды.

5. В проведенных исследованиях установлены закономерности изменения свойств почв при внесении в них птичьего помета от вида помета, его доз, гранулометрического состава почв.

Составлены уравнения регрессии зависимости изменения свойств почв от доз и видов внесения в почвы помета, гранулометрического состава почв, типа почв, которые предлагается использовать для оценки допустимых доз помета, вносимого в почву.

6. Птицефабрики находятся в районах с разной степенью напряженности экологической ситуации, в которых лимиты на выброс токсикантов в значительной степени исчерпаны. Предлагается рассчитывать допустимые дозы внесения птичьего помета в почвы с учетом загрязнения почв, водной и воздушной среды района. Предложена корректировка допустимых доз внесения помета в почвы отдельных районов Московской области с учетом экологической ситуации в них.

7. В проведенных исследованиях с использованием биологических тестов (прорастания семян, развития растений, ответа растений на внешние воздействия, поглощение NO3), показано, что допустимые дозы внесения помета в почвы зависят от свойств почв, вида и сорта выращиваемых растений, их состояния, устойчивости к высоким концентрациям токсикантов. Это свидетельствует о необходимости корректировки ПДК в зависимости от свойств почв и выращиваемых культур.

Внесение органических удобрений на основе птичьего помета привело к увеличению микробиологической активности и разнообразия актиномицетов, что является запускающим механизмом трансформации органических и минеральных соединений почв. В то же время, очень высокие дозы помета, вносимые в почву, привели к угнетению биотестов, к существенному увеличению концентрации NO3 в растениях, к эвтрофикации водоемов.

8. Проведенные исследования и статистическая обработка данных агрохимической службы показали повышение плодородия почв и урожая с/х культур на почвах с оправданными дозами внесения птичьего помета. Содержание подвижных форм Р2О5 в дерново-подзолистых почвах, как правило, выше 500 мг/кг; К2О - больше 250 мг/кг; содержание органического вещества - больше 2%; сумма поглощенных оснований - 12-15 мг-экв/100 г; рНКС1 - 5,5-6,0. Такие почвы характеризуются большими сводными показателями плодородия, на них выше урожай с/х культур и выше рентабельность с/х использования. Это определяет целесообразность и эффективность использования в земледелии экологически и экономически оправданных доз птичьего помета.

9. Показана целесообразность использования для оценки степени загрязнения почв птичьим пометом компьютерной диагностики цветовой гаммы почв, растений, космических и аэрофотоснимков в цветовых системах CMYK, Lab.

10. По полученным данным, оптимальные и допустимые дозы помета отличались для помета и смеси помета с опилками, при развитии аэробных и анаэробных условий, при использовании помета для повышения урожай с/х культур, для повышения плодородия почв, при утилизации. Негативное влияние высоких доз помета на растения определялось в основном высоким содержанием NO3 и калия, негативное влияние на почвы - наличием патогенов, уплотнением почв, повышенным содержанием калия, негативное влияние на водную среду - повышенным содержанием NO3, фосфатов, калия, патогенов, водорастворимого органического вещества и негативное влияние на воздушную среду - выделением из продуктов трансформации помета СО2, NН3, метана, N2O.

Оптимизация доз помета, вносимого в почву, определяется необходимостью увеличения депонирующей способности почв по отношению к продуктам трансформации помета, увеличением секвестирующей способности систем земледелия по отношению к эманации газов из продуктов трансформации помета.

Основными рекомендуемыми мероприятиями являются расширение С: N в удобрениях на основе помета от 5-6 до 15-20, создание условий для интенсификации дернового процесса почвообразования, регулирование степени открытости термодинамической системы «почва», увеличение биопродуктивности угодий.

Список опубликованных работ

Монографии

1. Седых В.А., Савич В.И., Сидоренко О.Д. Применение в земледелии органических удобрений на основе птичьего помета. - М.: Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2011- 132 с.

2. Савич В.И., Седых В.А., Раскатов В.А. Экологические факторы стоимостной оценки земель. - М.: Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2011.- 297 с.

3. Седых В.А. Агроэкологическая оценка влияния высоких доз птичьего помета на свойства почв Московской области.- М.: Изд-во РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2012.-355 с.

4. Савич В.И., Сердюкова А.В., Седых В.А. Агроэкологическая оценка состояния свинца в системе почва-растение. М.: Изд-во ВНИИА, 2012- 413 с.

Методические рекомендации

5. Духанин Ю.А.., Савич В.И., Духанина Т.М., Седых В.А., Ермаков А.А. Методические рекомендации по анализу почвенных факторов, определяющих урожай с/х культур, Рекомендовано к изданию секцией «Земледелие и растениеводство» н/т совета Минсельхоза РФ, протокол №4 от 15.2.2011.- М.: Изд-во ФГНУ «Росинформагротех», 2011.- 312 с.

6. Фисинин В.И., Менькин В.К., Седых В.А. Использование нетрадиционных кормов в птицеводстве.- Загорск, 1991.- 0,2 п.л.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

7. Гриценко В.В., Седых В.А., Бакеев В.В., Кожевникова Л.Г. Урожайность ярового ячменя сортов интенсивного типа в зависимости от окультуренности дерново-подзолистой почвы// Известия ТСХА.- 1985.- Вып. 5.-С. 20-23.

8. Седых В.А., Карауш П.Ю. Перспективы создания органических удобрений с заданными свойствами на основе птичьего помета// Плодородие.- 2009.- №6.-С. 14-16.

9. Седых В.А., Кашанский А.Д., Химина Е.Г. Изменение подвижности тяжелых металлов в дерново-подзолистых почвах в зависимости от степени их гумусированности и применения высоких доз органических удобрений// Изв. ТСХА.- 2011.-Вып. 3.- С. 1-9.

10. Седых В.А., Савич К.В., Быкова Е.В. Экономически и экологически обоснованные модели плодородия почв// Плодородие.- 2011.-№3.- С. 35-37.

11. Савич В.И., Раскатов В.А., Седых В.А., Саидов А.К. Влияние тяжелых металлов на процессы деградации почв// Агро ХХ1.- 2011.- №10-12.-С. 46-48.

12. Седых В.А., Савич В.И., Лось К.С. Влияние комплексообразующей способности водорастворимого органического вещества органических удобрений и пожнивных остатков растений на подвижность поливалентных катионов// Агрохимический вестник.-2012.-№2.-С. 18-20.

13. Седых В.А., Савич В.И., Вуколов Н.Г. Изменение фосфатного состояния почв при применении высоких доз органических удобрений// Вестник УДН.- 2011.- №2.-С. 10-15.

14. Седых В.А., Савич К.В., Шиленко О.В., Лобанов А.Г. Структурные взаимосвязи между свойствами почв, как фактор плодородия// Плодородие.-2012.- №2.- С. 26-28.

15. Седых В.А., Трубицина Е.В., Борисова Е.В. Содержание положительно и отрицательно заряженных соединений катионов в почвах, как показатель их плодородия// Плодородие.- 2012.- №1.-С. 19-21.

16. Савич В.И., Седых В.А., Белопухов С.Л. Изучение гумата калия из птичьего помета// Агрохимический вестник.- 2012.- №4.-С. 21-23.

17. Байбеков Р.Ф., Седых В.А., Поветкина Н.Л. Влияние высоких доз птичьего помета на изменение калийного состояния дерново-подзолистых почв// Плодородие.- 2012.- №3.-С. 24-26.

18. Седых В.А., Норовсурэн Ж., Филиппова А.В. Особенности использования птичьего помета при применении в агроценозах// Изв. Оренбургского аграрного ун-та.-2011.- 4(32).-С. 283-285.

19. Байбеков Р.Ф., Седых В.А., Савич В.И., Устюжанин А.А. Оценка деградации почв с использованием метода вертикального электрического зондирования// Плодородие.-2012.- №5.-С. 24-26.

20. Седых В.А., Савич В.И., Вуколов Н.Г. Изменение плодородия и ценности земель при внесении высоких доз органических удобрений// Землеустройство, кадастр и мониторинг земель.- 2012.- №4.-С. 82-84.

21. Байбеков Р.Ф., Седых В.А., Савич В.И., Поветкина Н.Л. Влияние на развитие дернового процесса почвообразования высоких доз органических удобрений// Плодородие.- 2012.- №5.-С. 15-20.

22. Седых В.А., Савич В.И., Черников В.А. Информационно-энергетическая оценка взаимодействия органических удобрений с почвой// Изв. ТСХА.- 2012.- №6.-С. 25-31.

23. Седых В.А., Филиппова А.В., Саидов А.К. Изменение подвижности тяжелых металлов в почвах при применении высоких доз органических удобрений// Изв. Оренбургского аграрного ун-та.- 2012.- №4(36).-С. 209-212.

24. Седых В.А., Савич В.И., Поветкина Н.Л. Экологическая оценка использования птичьего помета в земледелии на дерново-подзолистых почвах Московской области// Агрохимический вестник.- 2012.- №6.-С. 18-23.

Статьи в журналах, сборниках трудов, материалах конференций

25. Менькин В.К., Хлыстова Л., Седых В.А. Использование травяной муки мари белой в кормлении цыплят-бройлеров// Передовой научно-производственный опыт в птицеводстве, рекомендованный для внедрения. Экспресс-информация.-Загорск.- 1991.- №4.

26. Савич В.И., Седых В.А. Энергетическая и информационная оценка органических удобрений// сб. «Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений».- Н.Новгород, ВВАГС, 2011.- С. 84-85.

27. Седых В.А., Кузелев М.М., Родионова Л.П. Изменение фосфатного состояния почв при применении высоких доз органических удобрений на основе птичьего помета//Сб. «Нетрадиционные источники и приемы организации питания растений».- Н.Новгород, ВВАГС, 2011.- С. 86-88.

...