+7 (342) 299 99 69

пн-пт с 900 до 1800

logotype

Биоконверсия органических отходов в условиях приенисейской сибири

Введение. Переход сельского хозяйства на интенсивные технологии требует применения разнообразных удобрительных средств для повышения урожайности полевых культур и воспроизводства плодородия почв. Минеральные удобрения на земледельческой территории Приенисейской Сибири, в пределах юга Красноярского края, вносятся сейчас в дозе 11,69 кг/га, а органические - 0,65 т/га [11]. Даже стартовый уровень применения минеральных удобрений, необходимый для почвенно-агроклиматических условий региона, не достигнут, а нормы органических удобрений очень низкие и не обеспечивают сохранения плодородия почв.

Перспективным ресурсом органического вещества (ОВ) для производства местных видов удобрений является крупнотоннажный отход лесной отрасли - древесная кора. Объемы накопления коры по РФ достигают 20-30 млн т в год [2, 6], а в Красноярском крае - около 500 тыс. т [9]. Проблема ее утилизации весьма актуальна: в целевые продукты перерабатывается всего 10% от массы образующейся коры, а остальная часть либо хранится в многолетних отвалах, либо сжигается, загрязняя окружающую среду [10].

Запасы природных ресурсов Сибири, которые могут использоваться в качестве компонентов для приготовления удобрительных композиций и почвогрунтов, также огромны и составляют: цеолитовых туфов - 73 млн т, вермикулита - 7,3 млн т, сапропеля - 19,8 млн т.

Наличие в крае крупнотоннажных отходов - древесной коры и большой минерально-сырьевой базы - делают возможным разработку на их основе нетрадиционных удобрительных композиций. Биоконверсия таких материалов в условиях Красноярского края рассматривается нами в качестве нового направления исследований, ориентированного на снижение риска неконтролируемого распространения древесных отходов и на конструирование удобрений нового поколения.

Цель сообщения заключается в обобщении многолетних данных по трансформации органического вещества коры и удобрительных композиций на ее основе в процессе компостирования, процессам превращения удобрительных композиций в черноземах и продуктивности агроценозов под действием удобрительных композиций.

Материалы и методы исследования. Удобрительные композиции (УК) созданы на основе коры разных видов деревьев (ели, лиственницы, сосны, осины) и агро-руд (цеолитовые туфы, вермикулит, сапропель). Для получения форм УК смешивали компоненты в различных соотношениях и компостировали их в течение годового периода. Кинетику трансформации УК оценивали по минерализации и гумификации органического вещества в модельных системах, которые представляли собой образцы компонентной смеси, помещенные в пластиковые контейнеры емкостью 450 см3 (по 3-4 повторности на каждый вариант).

Процесс минерализации органического вещества наблюдали по продуцированию СО2 абсорбционным методом в модификации И.Н. Шаркова [12] с шагом 14 дней. Суммарное продуцирование углерода в виде С-СО2 за период наблюдений оценивали с помощью метода линейного интерполирования. Гумификацию УК исследовали по следующим показателям: углерод органического вещества (Сорг) по методу [13] и углерод подвижного органического вещества (Спод), который определяли из одной навески последовательным извлечением водорастворимых соединений (Сн2о) методом бихроматной окисляемости и щелочегидролизуемых соединений экстракцией 0,1 н NaOH (СОДП NaOH). Содержание подвижных гуминовых кислот (Сгк) определяли при подкислении полученного щелочного экстракта раствором серной кислоты 1% концентрации, фульвокислот (Сфк) - по разности C01n NaOH и Сгк

Действие новых УК на трансформацию органического вещества черноземов и продуктивность сельскохозяйственных растений исследовали в полевых мелкоделя-ночных опытах в сосудах без дна диаметром 50 см и высотой 60 см. О процессах превращения УК в почве судили по содержанию углерода гумуса (Сгум) по Тюрину [1] и подвижного гумуса по методу [8].

Полученные результаты обработали методом вариационной статистики и корреляционно-регрессионного анализа с использованием программных пакетов «Excel» и «Statistica».

Результаты исследования и их обсуждение. Трансформация ОВ представляет собой «два потока единого цикла» - минерализацию и гумификацию [4]. Процесс минерализации - это комплекс физико-химических и биохимических микропроцессов, приводящих к полному разложению органических остатков и собственно гумусовых веществ до конечных продуктов окисления. В круговороте углерода этот процесс обязателен и необходим, т.к. обусловливает освобождение и переход в доступную форму основных элементов питания растений. Гумификация - это процесс новообразования гумусовых соединений в результате окисления и поликонденсации продуктов разложения. Благодаря этому процессу происходит накопление и воспроизводство гумуса.

Важнейшим показателем минерализации ОВ является скорость продуцирования углекислого газа. Как видим (рисунок), респирационная активность разной коры и композиций на ее основе неодинакова. Среднесуточное выделение CO2 в течение компостирования лиственничной коры изменяется от 5 до 12 г м сут" и согласно градациям [5] расценивается как слабое и среднее от срока определения показателя. Лимитирующими факторами являются кислый рН (4,1), низкое содержание азота (0,29%), широкое отношение (166). Внесение в лиственничную кору минеральных удобрений и природных цеолитов, нейтрализующих ее кислую реакцию, приводит к статистически значимому увеличению эмиссии СО2. К 150 суткам компостирования интенсивность продуцирования углекислоты из УК заметно снижается и далее продолжает снижаться в связи с исчерпанием запаса легкодоступной пищи для микроорганизмов, участвующих в разложении коры лиственницы.

Процессы минерализации еловой коры, содержащей 0,35% азота (С:К 147), протекают активнее, чем лиственничной. Выявленная закономерность согласуется с общепринятыми представлениями о том, что минерализация растительного вещества лимитируется концентрацией азота [7]. Кроме того, еловая кора характеризуется значительным количеством полисахаридов, в том числе и легкогидролизуемых, по сравнению с лиственничной и сосновой. Вносимые в еловую кору добавки (минеральные удобрения, цеолиты, вермикулит) способствуют увеличению интенсивности «дыхания» в 1,2-1,4 раза. Наиболее высокая респирационная активность (22 гм2сут-1) отмечается в первый месяц компостирования еловой коры с минеральными удобрениями и 10% добавкой цеолита Пегасского месторождения, которая остается высокой в течение 60 суток компостирования. В дальнейшем же происходит уменьшение интенсивности выделения СО2.

В тоже время внесенные в еловую кору цеолиты Сахаптинского месторождения благоприятствуют выделению углекислоты в течение 90 суток компостирования. Различия связаны, по-видимому, с неодинаковым количеством минералов в цеолитовых породах разных месторождений. По мере увеличения срока компостирования и уменьшения в них количества легкогидролизуемых соединений интенсивность выделения СО2 из всех УК достоверно снижается. Однако период, в течение которого высвобождается СО2 из УК на основе коры ели, заметно более длительный, чем из УК на основе лиственничной коры.

Интенсивность минерализации компостированной сосновой коры выше лиственничной, но ниже еловой. Резкое снижение эмиссии СО2 на всех вариантах опыта с сосновой корой наблюдается только через 270 суток компостирования. Вносимые в кору сосны минеральные добавки, как и в опытах с корой лиственницы или ели, достоверно увеличивают выделение углекислого газа. Варианты с внесением минеральных удобрений (КМК) вместе с цеолитом (КМЦК), вермикулитом (КМВК), сапропелем (КМСК) слабо различаются по продуцированию углекислоты. В годичном цикле компостирования отмечается несколько периодов всплеска и спада СО2.

Кора осины, в отличие от коры других видов деревьев, характеризуется высокой зольностью (5%), повышенным содержанием азота (0,41%) и легкорастворимых полисахаридов (26,6%), относительно узким отношением (108). Поэтому процессы минерализации осиновой коры и УК на ее основе протекают интенсивно, особенно в течение первых трех месяцев компостирования.

Органическое вещество - сложная гетерогенная система, каждый из компонентов которой характеризуется свойственной ему устойчивостью к биоразложению. Поэтому минерализацию ОВ коры следует рассматривать как сумму процессов, протекающих с разной скоростью. Экспериментальные данные позволили рассчитать константы скорости разложения (к, год-1) и периоды полураспада (Тщ лет) органической массы всех изученных видов коры и композиций на их основе согласно уравнениям кинетики первого порядка [3, 4].

Динамика продуцирования углекислого газа из исходной и компостированной коры разных видов деревьев
Рисунок - Динамика продуцирования углекислого газа из исходной и компостированной коры разных видов деревьев: Л – лиственница, Е – ель, О – осина, С – сосна (С-СО2, г∙м мес)

Константы разложения лиственничной и еловой коры, а также УК на их основе отличаются минимальными величинами (0,084-0,12; 0,076-0,095), коры осины и УК на ее основе - максимальными (0,14-0,23). Период полураспада осиновой коры составляет 3 года, сосновой - 6,3 года, еловой - 6,9 лет, лиственничной - 9,1 лет.

Результаты корреляционно-регрессионного анализа свидетельствуют о том, что константы разложения коры разных видов деревьев и композиций на их основе детерминируются химическим составом, запасами в них азота и зольных элементов по показателям С:ТЧ, С:зола (таблица).

Таблица - Взаимосвязь между константами разложения удобрительных композиций на основе коры разных видов деревьев и отношениями С: К, С:зола

УК на основе коры

С:зола

уравнения регрессии

г

уравнения регрессии

г

Лиственница

У=0,0002х2-0,03х+0,80

0,68

У=0,0024х+0,07

0,67

Ель

У=0,0003х+0,08

0,83

У=0,0024х+0,08

0,75

Сосна

У=-0,0032х+1,40

0,80

У=-0,0612х+1,39

0,83

Осина

У=0,0009х+0,14

0,72

У=-0.1136х+39,85

0,61

Связь между константой разложения и соотношением в коре лиственницы хорошо аппроксимируется полиномом второй степени (г=0,68), в то же время между константой разложения и соотношением С:зола установлена прямолинейная зависимость (г=0,67). Для еловой коры и УК на ее основе найдены сильные связи между константой разложения и соотношениями С:ТЧ, С:зола. Для сосновой коры и УК на ее основе определены отрицательные сильные прямолинейные зависимости между константой разложения и соотношениями С:ТЧ, С:зола. Положительная прямолинейная средняя зависимость установлена между показателями к и (г=0,72) и С:зола (г=0,61).

Процесс биоконверсии органической массы коры хвойных деревьев характеризуется низкими показателями гумификации. Выход гумусовых веществ в процессе компостирования удобрительных композиций возрастает на основе лиственничной коры до 3%, еловой -до 4-7%, сосновой - до 9-10%, осиновой - до 9-12%. Новообразование гумусовых веществ отмечается уже в течение первых 3 месяцев разложения и далее продолжается в течение 180 суток компостирования. К годовому периоду компостирования гумификация УК сопровождается изменением фульватно-гуматного типа подвижного гумуса на гуматный. Таким образом, меняя условия компостирования и состав исходных компонентов, можно управлять физико-химической природой получаемых удобрительных композиций.

Внесенные в чернозем обытовенный УК сразу же вовлекаются в процессы трансформации. Суммарное количество выделившегося СО2 из почвы за три вегетационных сезона составляет 8-19 т/га в зависимости от варианта опыта. С увеличением дозы внесения УК в почву интенсивность эмиссии углекислоты возрастает в 1,2-1,5 раза. Выделение С-СО2 интенсивнее всего происходит из удобренной почвы в первый год наблюдения, что обусловлено максимальным содержанием легкогидролизуемых соединений в удобрительных композициях.

По мере их расходования уже во второй год исследования, когда выращиваемой культурой была пшеница, обнаружено снижение эмиссии углекислого газа на 39-54%. Применение УК, особенно КМВК, способствует накоплению гумуса и его подвижных форм в почве. Вермикулит, входящий в состав этой композиции, оптимизирует гидротермические условия и физические свойства почвы.

Кроме того, благодаря своим ионообменным и адсорбционным свойствам, вермикулит, так же как и цеолит, сорбирует промежуточные продукты разложения ОВ, способствуя аккумуляции новообразованного гумуса в почве. В процессе трансформации двойной дозы УК в почве одновременно с минерализацией подвижных форм ОВ отмечается увеличение стабильных соединений гумуса. Под действием УК в почве интенсифицируется биохимическая активность, способствующая переходу органических соединений в легкогидролизуемые соединения, которые впоследствии минерализуются и становятся доступными для растений.

Выводы.

1. Интенсивность минерализации композиций, созданных на основе коры разных видов деревьев, определяется их биохимическим составом, запасами в них азота и зольных элементов, отношением C:N, реакцией среды. Константы разложения осиновой коры и УК на ее основе изменяются в пределах 0,14-0,23, сосновой коры и УК на ее основе - 0,11-0,14, еловой коры и удобрительных композиций - 0,084-0,12, лиственничной коры и композиций - 0,076-0,095. Период полураспада колеблется от 3 лет до 9,1 года.

2. Биоконверсия осиновой коры с естественной ассоциацией микроорганизмов и различными добавками позволяет получать удобрительные композиции с содержанием 9-12% гумусовых веществ от абсолютно-сухой массы органического материала, сосновой коры -9-10, еловой коры - 4-7, лиственничной коры - около 3%.

3. Двойная доза УК на основе осиновой коры и агроруд, внесенных в чернозем обьпсновенный, способствует возмещению «сработанных» в почве подвижных и накоплению стабильных соединений гумуса. Максимальная аккумуляция гумуса и его подвижных форм в черноземе обыкновенном происходит при внесении коровермикулитовой композиции, которая обеспечивает и наибольшую урожайность кукурузы и пшеницы.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голосов)
  • Комментарии к статье
  • Вконтакте
  • Facebook

Содержимое второго блока