Агроэкологическая оценка и сельскохозяйственное использование субстрата очистных сооружений свеклосахарных заводов (на примере ОАО "Сахарный комбинат "Льговский")

Организация исследований и личный вклад автора. Автором работы сформулированы задачи и программы исследований, изучены агрофизические и агрохимические свойства субстрата очистных сооружений сахарного завода, проведены полевые исследования, собраны, обработаны и анализированы данные, полученных при написании диссертационной работы.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 1 статья - в рецензируемом журнале перечня ВАК РФ.

Характеристика серых лесных почв прилегающих к ОАО «Сахарный комбинат Льговский»

Территория завода ОАО «Сахарный комбинат Льговский» расположена на серых лесных почвах, которые имеют дифференцированный по элювиально-иллювиальному типу почвенный профиль. Анализ физических свойств почв показал, что плотность сложения верхнего гумусового слоя (0-36 см) составляет от 0,97 до 1,45 г/см³, плотность твердой фазы от 2.60 до 2.66 г/см³. С глубиной эти показатели соответственно возрастают до 1,68 и 2,71 г/см³.

Агроэкологические свойства серых лесных почв, прилегающих к Льговскому сахарному заводу, свидетельствуют о том, что содержание гумуса в слое 0-36 см составляет 2,78%, реакция среды слабокислая (рН - 5,6), сумма обменных оснований 20,0 м-экв/100 г, количество подвижных элементов питания азота, фосфора и калия невысокое и составляет соответственно 99,9 мг/кг, 90,5 и 112,0 мг/кг. С глубиной количество гумуса и элементов питания резко убывает и в слое 115 см количество гумуса составляет 0,60%, азота, фосфора и калия соответственно до 3,3 мг/кг, 9,1 и 91,2 мг/кг.

Таким образом, по основным физическим и агрохимическим свойствам серые лесные почвы Льговского района характеризуются относительно невысоким плодородием.

Агроэкологическая характеристика отходов свеклосахарного производства

Рассматривая основные крупнотоннажные отходы свеклосахарного производства (жом, фильтрационный осадок) по содержанию веществ, необходимых для нормального функционирования агроэкосистем необходимо отметить, что основным компонентом фильтрационного осадка, обусловливающим его мелиоративные свойства, является углекислый кальций. Органическое вещество, содержание которого достигает 12%, положительно влияет на почвенное плодородие.

Влажность жома, достигающая 91,0% создает определенные трудности для внесения его на поля - высокие затраты на транспортировку и равномерность распределения по площади. По содержанию органического вещества свекловичный жом превосходит фильтрационный осадок на 74,0%. Реакция фильтрационного осадка - щелочная, что обеспечивает нейтрализацию почвенной кислотности. Что касается свекловичного жома, то он быстро подкисляется с 5,20 до 3,50 из-за присутствия в нем около 2% сахарозы. По содержанию основных элементов питания (азот, фосфор, калий) различия незначительные.

Таким образом, свекловичный жом и фильтрационный осадок по основным агрохимическим показателям может быть использован для создания агроэкосистем.

Содержание тяжелых металлов в отходах свеклосахарного производства

Современная технология возделывания сахарной свеклы исключает применение ручного труда. Для борьбы с сорной растительностью, болезнями и вредителями используются различные пестициды, которые содержат соли тяжелых металлов. Кроме того, технология производства сахара связана с применение различных ингредиентов, которые также могут содержать токсиканты (пеногасители, антинакипины, флокулянты, антимикробные вещества). В этой связи, нами проводился анализ отходов свеклосахарного производства (жома и фильтрационного осадка) на содержание тяжелых металлов, при котором выявлено, что жом не содержит тяжелых металлов, а в фильтрационном осадке обнаружено повышенное содержание кадмия - 1,4 ПДК, по другим показателям превышения не наблюдалась.

Агроэкологическая оценка субстрата очистных сооружений

Очистные сооружения ОАО «Сахарный комбинат Льговский» эксплуатируются на протяжении 59 лет. Почвы, на которых располагаются очистные сооружения сахарных заводов (в дальнейшем субстрат) вследствие увеличения антропогенной нагрузки изменили свои первоначальные свойства и значительно отличаются от типичных для данного района почв.

Для изучения морфологического строения субстрата очистных сооружений закладывали два разреза, расположенных на типичном для данной местности рельефе. Расстояние между разрезами было 0,5 км. Агрофизические свойства субстрата очистных сооружений представлены в таблице 1.

Таблица 1

Агрофизические показатели субстрата очистных сооружений

Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что плотность сложения субстрата очистных сооружений составляет 1,13 г/см³ (слой 0-20 см), с глубиной плотность сложения несколько возрастает и составила 1,5…1,67 г/см³ (слой 80-120 см). Плотность твердой фазы изменяется незначительно и соответственно составляет 2,50 г/см³ и 2,72 г/см³. Соответственно, общая пористость имеет тенденцию к уменьшению от верхнего слоя почв 54,8% (слой 0-20 см) и до 38,6 (слой 100-120 см). В таблице 2 представлены агрохимические показатели субстрата очистных сооружений.

Таблица 2

Агрохимические показатели субстрата очистных сооружений

Агрохимические свойства почв (табл.2) свидетельствуют о том, что содержание органического вещества в слое 60-80 см составляет от 3,57% (слой 0-20 см) до 3,22% (слой 60-80 см), с последующей глубиной наблюдается резкое его снижение до 1,64 % (слой 80-100 см) и 1,22 % (слой 100-120 см). Реакция почвенной среды щелочная. Гидролитическая кислотность очень низкая (0,31-0,19 м-экв/100 г почвы), сумма обменных оснований весьма высокая и с глубиной незначительно возрастает от 45,3 м-экв/100 г (слой 0-20 см) до 48,0 м-экв/100 г (слой 100-120 см). Обеспеченность биофильными элементами очень высокая и составляет в слое 0-20 см: легкогидролизуемый азот 148,5 мг/кг; подвижный фосфор - 229,0 мг/кг и обменный калий - 404,0 мг/кг. С глубиной содержание элементов питания постепенно убывает.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать заключение, что субстрат очистных сооружений обладает благоприятными физическими свойствами и высоким потенциальным плодородием.

Состояние биологической активности по вариантам опыта

Одним из наиболее часто применяемых показателей, используемых для характеристики биологической активности почвы, является скорость разложения целлюлозы. В нашем опыте интенсивность разложения целлюлозы в почве определялась методом аппликации полотен. Результаты определения целлюлозоразрушающей активности приведены в таблице 3.

Таблица 3

Целлюлозоразрушающая активность микроорганизмов по вариантам опыта

Показатели биологической активности почвы под посевами ячменя свидетельствуют о том, что темпы разложения льняного полотна на вариантах с внесением жома были выше. Наблюдалась прямая зависимость между нормой внесения мелиоранта и целлюлозоразрушающей активностью. Так, на варианте с внесением жома в количестве 20 т/га активность микроорганизмов возрастала на 53%, а при внесении 10 т/га и 15 т/га на 17 и 24% соответственно.

Таким образом, жом значительно увеличил содержание органического вещества в почве, что привело к увеличению общей микробиологической активности в целом и целлюлозоразрушающей активности в частности.

Полевой опыт с ячменем

Большой интерес для нас представляло определение продуктивности ячменя, выращенного на субстрате очистных сооружений и в естественных условиях. Для этого закладывался полевой опыт на специально отведенной территории очистных сооружений, площадью 0,5 га. Подготовительные операции проводились согласно общепринятой технологической схеме подготовки почвы для яровых культур.

Опыт проводился в течение трех лет (2006-2008 гг.). Благоприятные погодные условия позволили провести посев культуры в оптимальные сроки (15 апреля). Для уборки использовали зерноуборочный комбайн СК-5М “Нива”. Урожайность ячменя по вариантам опыта 2006-2008 гг. представлена в таблице 4.

Таблица 4

Урожайность ячменя по вариантам опыта 2006-2008 гг.

Данные таблицы 4 свидетельствуют о том, что урожайность ячменя зависела от почвенных условий. Минимальная продуктивность ячменя была отмечена при выращивании его на субстрате очистных сооружений и составляла в среднем 1,62 т/га. На вариантах с внесением жома урожайность зерна ячменя была несколько выше и достигла максимального значения при норме его внесения 20 т/га.

Таким образом, использование жома в качестве мелиоранта является перспективным агроприемом при выращивании ячменя на субстрате очистных сооружений сахарных заводов.

Также нами закладывался лабораторный опыт по определению вегетативной массы ячменя. Полученные результаты подтверждают данные полевого опыта.

Структура и качество зерна ячменя по вариантам опыта

Биохимический состав зерна ячменя формируется под влиянием комплекса факторов внешней среды обитания растений - уровня плодородия почвы, условий увлажнения, солнечной инсоляции и температурного режима, мелиоративных приемов и т.д.

Данные наших экспериментальных исследований, полученных в 2006-2008 годах показали (табл. 5), что внесение жома на очистных сооружениях сахарного завода значительно улучшало условия произрастания ячменя. Это проявлялось в увеличении кустистости, урожайности и улучшении качества зерна в сравнении с вариантом без внесения жома.

Так, внесение жома в различных дозах по вариантам опыта повышало количество продуктивных стеблей на 1 м² на 3-9 шт., количество зерна в колосе на 1,6-2,4 шт., натуру зерна на 8-12 г. Следует отметить, что внесение жома в дозе 20 т/га на очистных сооружениях обеспечило продуктивность ячменя выше, чем на контрольном варианте: продуктивных стеблей на 4 шт., количество зерна в колосе на 1,3 шт., натуру зерна на 8 г/л.

Таблица 5

Элементы структуры урожая ячменя 2006-2008 гг.

Анализируя качество зерна ячменя (табл. 6) надо также отметить положительное действие жома. Он улучшает агрофизические, химические и биологические свойства субстрата, увеличивает содержание элементов питания для растений. Так, при внесении жома по вариантам опыта, наблюдалось увеличение массы 1000 зерен с 43,1 г на варианте без внесения мелиоранта до 45,3 г при норме внесения 20 т/га, что на 1,4 г выше контроля. Аналогичная закономерность прослеживается по содержанию белка в зерне ячменя. Содержание крахмала и экстрактивных веществ снижалось с 65,27% и 79,65% на контроле до 62,11% и 75,94% на варианте с внесением жома 20 т/га. Пленчатость, также как и содержание белка увеличивается по вариантам опыта.

биологический агроэкологический свеклосахарный субстрат

Таблица 6

Показатели качества ячменя по вариантам опыта

Таким образом, внесение жома в качестве мелиоранта на очистных сооружениях, имеющих щелочную реакцию среды и обедненных органическим веществом, значительно улучшают условия возделывания сельскохозяйственных культур (ячменя).

Энергетическая и экономическая оценка агроценозов

При анализе степени интенсификации сельскохозяйственного производства широко используют энергетическую оценку, как наиболее обобщенный и объективный показатель в плане международной системы единиц измерения. Проведенные нами подсчеты показали (табл. 7), что внесение жома в различных дозах по вариантам опыта значительно улучшило условия произрастания ячменя, что выразилось в увеличении продуктивности надземной массы культуры. На вариантах с внесением жома коэффициент энергетической эффективности возрастал вместе с увеличением количества вносимого жома. На варианте без внесения жома коэффициент энергетической эффективности снизился в сравнении с контролем на 0,08 и составил 1,74. Аналогичная закономерность прослеживается с показателем энергоемкости. Максимальное значение энергоемкости наблюдается на варианте без внесения мелиоранта (жома), а минимальное на варианте с внесением жома в норме 20 т/га.

Таблица 7

Биоэнергетическая оценка посевов ячменя по вариантам опыта

Анализ показателей энергетической оценки показал, что наиболее высокий коэффициент энергетической эффективности обеспечивали варианты опыта с внесением мелиоранта (жома) в количестве 15 т/га и 20 т/га.

Нами в течение 3-х лет (2006-2008 гг.) определялась урожайность ячменя по вариантам опыта, и рассчитывалась экономическая эффективность их производства. Данные по расчёту экономической эффективности возделывания ячменя по вариантам опыта приведен в таблице 8.

Приведенные в таблице 8 данные свидетельствуют о том, что применение жома на субстрате очистных сооружениях в качестве мелиоранта позволяет не только повысить урожайность ячменя до 2,60 т/га (жом - 20 т/га) но и улучшить все экономические показатели. Так, себестоимость 1 т ячменя снизилась соответственно с 2065,0 руб. до 1684,0-1480,0 руб. Соответственно увеличился чистый доход. Уровень рентабельности на очистных сооружениях без мелиоранта был ниже (42,1%), чем на контроле (45,2%). Применение жома в качестве мелиоранта значительно повысило уровень рентабельности, который возрастал с 45,2% (контроль) до 102,8% (субстрат очистных сооружений +жом 20 т/га).

Таблица 8

Экономическая эффективность возделывания ячменя по вариантам опыта, среднее за 3 года (расчет на 1 га)

Таким образом, урожай сельскохозяйственных культур и экономические показатели их производства зависели от количества внесения мелиоранта. Наименьший урожай и уровень рентабельности был на варианте с субстратом очистных сооружений сахарного завода. При внесении мелиоранта (жома) по вариантам опыта возрастала урожайность и соответственно увеличивался уровень рентабельности.

ВЫВОДЫ

1. За производственный сезон на ОАО «Сахарный комбинат Льговский» образуется около 170 тыс. т свежего жома, 25 тыс. т фильтрационного осадка, 30 тыс. т транспортерно-моечного осадка.

2. Очистные сооружения сахарного завода ОАО «Сахарный комбинат Льговский» расположены на серых лесных почвах и эксплуатируются на протяжении 59 лет. Почвы под очистными сооружениями подвергаясь высокой техногенной нагрузке, претерпели ряд изменений в отличие от естественных серых лесных почв, что привело к накоплению в них отдельных биофильных элементов.

3. Отходы свеклосахарного производства (жом, фильтрационный осадок) обладают благоприятным сочетанием всех показателей, необходимых для функционирования агроэкосистем. Они содержат пектиновые вещества, клетчатку, белок, минеральные вещества, микроэлементы: бор, кобальт, молибден и др.

4. Использование жома в качестве мелиоранта является перспективным агроприемом при выращивании на субстрате очистных сооружений сахарного завода сельскохозяйственных культур, например, ячменя.

5. Внесение жома в качестве мелиоранта на субстрат очистных сооружений, имеющего щелочную реакцию среды и обедненного органическим веществом, значительно улучшают условия возделывания сельскохозяйственных культур (ячменя). Это проявлялось в увеличении кустистости, урожайности и улучшении качества зерна в сравнении с вариантом без внесения жома. Внесение жома в дозе 20 т/га на субстрат очистных сооружений обеспечивает продуктивность ячменя выше, чем на контрольном варианте: продуктивных стеблей на 1-2 шт., количество зерна в колосе на 1,3 шт., натуру зерна на 8 г.

6. Положительное действие жома проявляется в улучшении агрофизических, химических и биологических свойств субстрата, увеличении содержания элементов питания для растений, улучшении качества продукции. Так, при внесении жома по вариантам опыта, наблюдалось увеличение массы 1000 зерен с 43,1 г до 45,3 г, что на 1,4 г выше чем на контроле. Аналогичная закономерность прослеживается по содержанию белка в зерне ячменя. Содержание крахмала и экстрактивных веществ снижалось с 65,27% и 79,65% на контроле до 62,11% и 75,94% на варианте с внесением жома 20 т/га. Пленчатость, также как и содержание белка увеличивается по вариантам опыта.

7. Применение жома на очистных сооружениях в качестве мелиоранта не только повышает урожайность ячменя до 2,15 т/га (жом - 10 т/га) до 2,60 т/га (жом - 20 т/га) но и улучшает экономические показатели. Так, себестоимость 1 т ячменя снижается соответственно с 2065,0 руб. до 1684,0-1480,0 руб. Соответственно увеличивается чистый доход. Применение жома в качестве мелиоранта значительно повышает уровень рентабельности с 45,2% на контроле до 102,8% на варианте с применением жома (20 т/га).

Предложения производству

1. Сахарным заводам проводить мелиорацию субстрата очистных сооружений и использовать его для производства растениеводческой продукции.

2. Для улучшения питательного режима и увеличения микробиологической активности субстрата очистных сооружений сахарных заводов в качестве мелиоранта применять отход сахарного производства (жом) в дозе 20 т/га.

Список работ опубликованных по теме диссертации

1. Спичак, В.В. Поля фильтрации свеклосахарных заводов как потенциальные земли сельскохозяйственного назначения / В.В. Спичак, Л.Н. Пузанова, Ю.В. Фильчаков // Сахарная свекла.- №6 - 2009. - С. 28-30.

2. Спичак, В.В. Актуальные вопросы экологической безопасности сахарного производства / В.В. Спичак, Л.Н. Пузанова, Е.П. Рыжкова // Сахар.- №1. - 2007. - С. 47-49.

3. Спичак, В.В. Эффективное использование вторичных сырьевых ресурсов сахарного производства / В.В. Спичак, В.М. Дудкин, П.А. Ананьева, Л.Н. Пузанова, В.Б. Остроумов // Хранение и переработка сельхозсырья.- №7 - 2007. - С. 73-76.

4. Спичак В.В. Новый спосо очистки сточных вод / В.В. Спичак, Т.В. Поливанова, Л.Н. Пузанова, // Сахар.- №6. - 2007. - С. 38-40.

5. Спичак, В.В. Эксплуатация и регенерация почв полей фильтрации сахарных заводов / В.В. Спичак, О.Г. Ревенков, Л.Н. Пузанова // Сахар.- №10. - 2008. - С. 62-64

6. Егорова, М.И. Оценка экологичности производства сахара / М.И. Егорова, Л.Н. Пузанова, Е.П. Рыжкова // Хранение и переработка сельхозсырья.- № - 2009. - С.

7. Пузанова, Л.Н. Прогноз экологичности сахарной отрасли / Л.Н. Пузанова, Е.П. Рыжкова // Сахар 2006. Повышение эффективности работы сахарной промышленности: VI ежегодная междунар. науч.-прак. конф., г. Москва, 26 - 30 апреля 2006 г. - Москва: МГУПП, 2006. - С. 161-166.

8. Спичак, В.В. Актуальные вопросы экологической безопасности сахарного производства / В.В. Спичак, Л.Н. Пузанова // Приоритетные направления развития сахарного производства и их научное обеспечение: материалы междунар. науч.-практ. конф. ГНУ РНИИСП РАСХН, г. Курск, 22-23 июня 2006 г. - Курск: ГНУ Российский научно-исследовательский институт сахарной промышленности РАСХН, 2006. - С. 53-60.

9. Пузанова, Л.Н. Экологический анализ производства сахара / Л.Н. Пузанова, Е.П. Рыжкова // Труды РНИИСП. - Вып. 5. - Курск: РНИИСП. - 2006. - С. 46-51.

10. Пузанова, Л.Н. Экологические аспекты развития свеклосахарного комплекса / Л.Н. Пузанова // Стратегия развития свеклосахарного комплекса России: материалы междунар. науч.-практ. конф. ГНУ РНИИСП РАСХН, г. Курск, 6-7 июня 2007 г. - Курск: ГНУ Российский научно-исследовательский институт сахарной промышленности РАСХН, 2007. - С.152-158.

11. Колотовченко, А.А. Анализ структуры и состава фильтрационного осадка свеклосахарного производства / А.А. Колотовченко, Л.Н. Пузанова // Региональные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса: материалы Всерос. науч.-практ. конф., г. Курск, 20-22 марта 2007 г., ч.2. - Курск: Изд-во КГСХА, 2007. - С. 167-168.

12. Пузанова, Л.Н. Составляющие экологической безопасности сахарного производства / Л.Н. Пузанова, Е.П. Рыжкова // Состояние биосферы и здоровье людей: материалы междунар. науч.-практ. конф. ПГСХА, г. Пенза, август 2007 г. - Пенза: Изд-во ПГСХА, 2007. - С. 159-161.

13. Егорова, М.И. Экологичность производства сахара: состояние и перспективы / М.И. Егорова, Л.Н. Пузанова // Производство сахара: энерго- и ресурсосбережения: материалы междунар. науч.-практ. конф. ГНУ РНИИСП РАСХН, г. Курск, 4-5 июня 2008 г. - Курск: ГНУ Российский научно-исследовательский институт сахарной промышленности РАСХН, 2008. - С.166-172.

14. Егорова М.И. Трансформация отходов производства сахара в условиях естественной биологической очистки / М.И. Егорова, Л.Н. Пузанова, Ю.В. Фильчаков: сбор. материалов Всерос. конф. Отделения хранения и переработки сельхозяйственной продукции РАСХН “Современные биотехнологии переработки сельскохозяйственного сырья и вторичных ресурсов”, 9-10 сент. 2009 г., г. Углич. - Углич, 2009. - С.72-75.

Размещено на Allbest.ru