Получение нетрадиционного органического удобрения вермигумус НКТ и его экологическая оценка в условиях защищенного грунта (стр. 1 )

На правах рукописи

получение нетрадиционного органического удобрения вермигумус нкт и его экологическая оценка в

условиях защищенного грунта

03.00.16 - экология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Астрахань 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО Астраханский государственный университет, а также в тепличном хозяйстве МУП «Коммунстройсервис» г. Астрахани.

Научный руководитель: доктор биологических наук

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации

;

доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации

Ведущая организация: ГНУ Астраханская опытная станция

Всероссийский институт растениеводства

Защита состоится «_28_» __мая___ 2007 г. в ________ часов на заседании диссертационного совета Д 212.009.02 при Астраханском государственном университете по адресу: г. Астрахань, пл. Шаумяна, 1, Естественный институт АГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Естественного института Астраханского государственного университета Астрахань, пл. Шаумяна, 1

Автореферат разослан «____» __________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук,

доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Усиление антропогенной нагрузки приводит к вовлечению в биогеохимический круговорот тяжелых металлов и микроэлементов, что приобретает особое значение для функционирования экосистем, здоровья человека. Большое значение для сохранения здоровья людей имеет учет трансформации эволюционно сложившегося биогеохимического цикла биологически важных элементов в компонентах агроэкосистем, особенно в цепи: почва-растения-человек (Виноградов, 1982; Гребенников, Ельников, 2001; Обухов, 1990; Овчаренко, 1995; Пинский, 1990; Просянникова, Анохин, 1999; Сает и др., 1990). Как избыток химических элементов в окружающей среде, так и их недостаток могут отразиться на изменениях обмена веществ, на развитии специфических заболеваний человека. Так значительный ущерб здоровью человека может нанести изменение содержания тяжелых металлов как приоритетных загрязнителей в продукции растениеводства. В настоящее время слабо изучены региональные особенности распределения тяжелых металлов в компонентах агроэкосистем, взаимосвязи между биогеохимическими условиями окружающей среды и состоянием здоровья человека. Актуальным является биогеохимическая оценка в условиях защищенного грунта как наиболее уязвимых с точки зрения накопления поллютантов агроэкосистем.

Развиваемые принципы экологического земледелия, органического растениеводства направлены на корректировку накопившихся в сельском хозяйстве проблем (Минеев и др., 1993; Орлов, 1996). Одной из мер снижения доступности для растений тяжелых металлов является применение мелиорантов, образующих с поллютантами труднорастворимые соединения. Чаще всего для этой цели используют известковые материалы. Биодоступность тяжелых металлов снижает и повышенное содержание органического вещества в почвах.

В условиях резкого сокращения объемов применения традиционных органических удобрений – навоза и т. д. большое значение придается новым, нетрадиционным видам органических удобрений – компостам. Особую роль среди них играют вермикомпосты, получаемые в ходе технологий вермикомпостирования отходов сельскохозяйственного производства. Важным преимуществом вермикомпостов является повышение их качественных характеристик по отношению к традиционным органическим удобрениям, улучшение физических и агрохимических свойств, снижение дозы внесения, положительное воздействие на плодородие почв, продуктивность выращиваемых культур.

Однако не существует технологий вермикомпостирования отходов сельскохозяйственного производства для Юга России, в литературе нам не встретилось данных по применению вермикомпостов в условиях защищенного грунта. Важность этих вопросов и необходимость их научного обеспечения обусловили выбор цели настоящего исследования.

Цель настоящего исследования состояла в экологической оценке вновь полученного нетрадиционного органического удобрения Вермигумус НКТ в условиях защищенного грунта.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1.  определить качественные и количественные характеристики органического удобрения Вермигумус НКТ;

2.  сравнить химический состав органического удобрения Вермигумус НКТ с компостом;

3.  оценить влияние органического удобрения Вермигумус НКТ на рост рассады огурца в условиях защищенного грунта;

4.  определить качественные и количественные характеристики почвы при использовании Вермигумуса НКТ;

5.  изучить связь между содержанием биодоступных форм тяжелых металлов в почве и растениеводческой продукции под влиянием нетрадиционного органического удобрения.

Научная новизна. В результате проведенных исследований выявлены качественные и количественные показатели органического удобрения Вермигумус НКТ, полученного при вермикомпостировании навоза в условиях Юга России. Качественный и количественный состав полученного органического удобрения Вермигумус НКТ отвечает техническим требованиям, предъявляемым к вермикомпостам.

Выведены технологические линии дождевых червей, сохраняющих жизнеспособность при температуре свыше 30°С. В процессе работы определены параметры рациональной технологии выращивания маточного стада дождевых червей, проведено обоснование выбора кормовых компонентов для культивируемых дождевых червей, определены подходы к оценке адаптации разводимых дождевых червей, оценены показатели качества используемых кормовых субстратов.

Изучено влияние Вермигумуса НКТ на биодоступность тяжелых металлов.

Научно-практическая значимость состоит в разработке технических условий производства органического удобрения Вермигумус НКТ в условиях Юга России. Подтверждено соответствие качества полученного органического удобрения разработанным техническим условиям. Вермигумус НКТ стимулирует рост рассады огурца в условиях защищенного грунта, связывает тяжелые металлы в грунте.

Полученные результаты могут лечь в основу разработки технологии промышленного вермикомпостирования отходов сельскохозяйственного производства в условиях Юга России.

На основании полученных данных для Юга России было рекомендовано экологически безопасное нетрадиционное агрохимическое средство, используемое для повышения плодородия и продуктивности сельскохозяйственных культур в условиях защищенного грунта.

Положения, выносимые на защиту:

-  основой технологии вермикультвивирования в условиях Юга России является использование технологических линий дождевых червей, адаптированных к повышенным значениям температуры и специализированных на переработке определенных видов сельскохозяйственных отходов;

-  включение вермикомпостов в биологический круговорот агроценоза является важным элементом системы управления примесными элементами (тяжелые металлы) и плодородием почв.

Апробация. Материалы доложены и обсуждены на Первой российской научной конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы современных аграрных технологий» (Астрахань, 2006); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива – 2006» (Нальчик, 2006); IX Международной научной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» (Астрахань, 2006); Второй российской научной конференции студентов и молодых ученых с международным участием «Актуальные проблемы современных аграрных технологий» (Астрахань, 2007).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ общим объемом 0,8 п. л. (авторский вклад – 0,515 п. л.) получено положительное решение о формальной экспертизе заявки на выдачу патента на изобретение (Заявка на изобретение № .-Приоритет от 01.01.2001).

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит введение, 3 главы, выводы, 10 рисунков, 10 таблиц, библиографический указаисточника, из них 32 - работы иностранных авторов).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материал и методы исследования

Оценка качественных и количественных показателей полученного нетрадиционного органического удобрения и почвы включала: определение массовой доли сухого вещества (ГОСТ ), массовой доли органического вещества в пересчете на углерод (ГОСТ 27980) термогравиметрическим методом, массовой доли золы (ГОСТ ) термогравиметрическим способом, отношения углерода к азоту С:N расчетным путем, рН (ГОСТ ), общего азота (ГОСТ ) фотометрическим методом в модификации ЦИНАО, общего фосфора (ГОСТ ) фотометрическим методом, общего калия (ГОСТ ) пламенно-фотометрическим методом, гуминовых веществ (ГОСТ 9517-94).

Определение валового содержания тяжелых металлов проводили методом кислотной варки в концентрированной азотной кислоте с добавлением 30 % Н2О2, кислоторастворимых форм тяжелых металлов - в вытяжке 1М НCl и обменнопоглощенных форм тяжелых металлов - в вытяжке 1М ацетат-аммонийного буфера с рН 4,8 (Методические рекомендации, 1981).

Образцы растений взвешивали, высушивали в термостате. Воздушно сухие образцы размалывали на электрической мельнице. Содержание Zn, Cu, Pb, Cd, Ni и Cr в растительных образцах определяли после озоления концентрированной азотной кислотой с 30 % Н2О2. на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Хитачи-1080».

Определение параметров рациональной технологии выращивания маточного стада дождевых червей проводили при вермикультивировании ящичным способом. Лабораторное производство вермигумуса ориентировали на переработку отходов сельскохозяйственного производства: навоз крупного рогатого скота, лошадей, овец; подсушенные растения лебеды татарской, томатный жмых.

Морфологические признаки огурца изучали на рассаде. Длину главного стебля измеряли линейкой от основания стебля до точки роста верхушки стебля. Подсчитывали количество листьев. Оценивали общее развитие растений, внешний вид. Исследованию подверглись 50 растений в трехкратной повторности. Статистические параметры определяли по общепринятым методикам.

Результаты исследования и их обсуждение

Параметры рациональной технологии выращивания маточного

стада дождевых червей

Нами проведен химический анализ компостированных в аэробных условиях кормовых субстратов разного состава:

№1 – навоз крупного рогатого скота (КРС) + трава злаковых (9:1),

№2 – конский навоз + навоз КРС (1:1),

№3 - овечий навоз + навоз КРС (1:1),

№4 - навоз КРС + томатный жмых (1:1),

навоз КРС + трава лебеды (9:1).

Отношение компонентов в кормовых субстратах рассчитывали на сухое вещество. Результаты анализа приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты химического анализа кормовых субстратов

Показатели качества	Результат анализа кормовых субстратов
1	2	3	4	5
рН KCl не менее	7,8	7,7	8,4	7,9	7,7
Содержание:
- сухое вещество, %, не менее	13,0	17,0	18,0	16,0	18,0
- органическое вещество, % от сухого вещества, не менее	78	63	66	72	62
- доля гуминовых веществ, % от общего содержания органического вещества, не менее	4,4	10,1	4,9	7,1	4,8
- соотношение С:Н, не более	20,2	19,4	12,4	14,2	14,6
- азот общий, % на сухую массу, не менее	1,80	1,60	2,37	2,31	2,04
- фосфор общий, % на сухую массу, не менее	1,06	0,95	1,51	1,66	0,97
- калий общий, % на сухую массу, не менее	0,81	0,98	4,40	0,75	0,90

Установлена слабощелочная реакция у большинства кормовых субстратов, и несколько повышенная щелочность кормового субстрата №3 (овечий навоз + навоз КРС). Питательность всех вариантов кормовых субстратов по данным химического анализа можно оценить как хорошую. Об этом можно судить по высокому содержанию в кормах органических веществ, минеральных компонентов.

С учетом способности дождевых червей проявлять максимальную адаптивность к разным видам кормовых субстратов на ранних этапах онтогенеза, нами были выведены технологические линии дождевых червей для формирования специализированных маточных стад для переработки отходов сельхозпроизводства определенного вида.

Плотность посадки червей маточного стада в ящики для культивирования может варьировать в широких пределах. Оптимальные результаты культивирования достигаются при внесении маточной культуры червей в соответствии со средними значениями плотности посадки (8 тыс. шт./ м2 или 1,44 кг/ м2). В процессе выращивания маточного стада червей общую численность и биомассу неполовозрелых и половозрелых червей следует поддерживать не выше уровня 16,0 тыс. шт./м2 и 2,9 кг/м2 соответственно. При соблюдении этого правила удается сохранять высокую продуктивность при выращивании маточного стада червей при хороших показателях длины и массы тела половозрелых особей.

Таблица 3

Вариабельность показателей плотности посадки червей маточного стада в емкости для культивирования, М (min-max)

Группа	Численность, тыс. шт. /кв. м.	Биомасса, кг/кв. м.
Коконы	6,5 (2,3-12,5)	-
Неполовозрелые	5,6 (1,6-10,3)	0,83 (0,26-1,33)
Половозрелые	2,4 (1,2-3,8)	0,61 (0,42-0,86)

Темп роста биомассы разновозрастной группы червей в ящиках зависит от степени их адаптации к условиям культивирования. При поддержании оптимальных условий содержания коэффициент прироста биомассы за месяц должен составлять не менее 1,2-1,3, что позволяет получать удвоение биомассы за 2-3 месяца. По мере достижения максимально допустимой плотности посадки (более 16,0 тыс. шт./м2 и 2,9 кг/м2) червей следует рассаживать в соответствии с оптимальными значениями данных параметров.

В лабораторных условиях в экспериментальных емкостях объемом 1л, где содержались дождевые черви (в соотношении неполовозрелые особи : половозрелые особи как 3:1) определяли продукцию коконов при разных температурных режимах и кормлении компостированным навозом КРС. Установлено, что средняя скорость сбрасывания составила 2,0±0,34 кокона/нед. Не выявлено корреляции между массой дождевых червей и числом коконов. При температурном оптимуме (18-25ºС) количество зародышей в среднем составило 2,5 особей, относительная масса кокона составила 3,3% от средней массы половозрелых червей. Средняя масса кокона составила 10,2±0,10 мг.

Выявлено влияние повышенных значений температуры на снижение массы отложенных коконов и увеличение относительного числа уродств у эмбрионов. Так прогрев субстрата до 33ºС в течение 3-5 суток обусловил появление различного вида аномалий развития у 15,3±2,30% эмбрионов. При кормлении дождевых червей разными кормовыми субстратами отмечена 100%-ная выживаемость животных.

3.2. Разработка технических условий на производство нового органического удобрения Вермигумус-НКТ

Анализ рынка органических удобрений в России показывает наличие товаров, не вполне соответствующих по качеству продукции вермикомпостирования. Это обусловлено наличием почвосмесей, смесей торфа и продукции вермикомпостирования на рынке органических удобрений. Такая продукция предлагается под видом чистого вермигумуса. Поэтому проведение процедуры сертификации производимой продукции является обязательным условием продвижения вермикомпоста как конкурентноспособного товара. Для реализации этой цели было проведено техническое документирование получаемого вермикомпоста и проведение процедуры подтверждения соответствия разработанным техническим условиям.

Разработанные технические условия изготовления вермикомпоста приведены в Приложении 1.

Нами проведен химический анализ полученного вермикомпоста и сравнение его свойств с разработанными техническими условиями. Результаты анализа приведены в таблице 4.

Таблица 4

Результат химического анализа произведенного вермикомпоста

Показатели качества	Технические требования к вермикомпостам	Фактическое значение результата анализа
1	2	3
рН KCl не менее	6,5	7,8
Содержание:
- сухое вещество, %, не менее	40	13,0
- органическое вещество, % от сухого вещества, не менее	15	78
- доля гуминовых веществ, % от общего содержания органического вещества, не менее	15	4,4
- соотношение С:Н, не более	30	20,2
- азот общий, % на сухую массу, не менее	0,5	1,80
- фосфор общий, % на сухую массу, не менее	0,1	1,06
- калий общий, % на сухую массу, не менее	0,1	0,81
-фенолы, мг/кг, не более	15	<0,05
-полициклические углеводороды, мг/кг, не более	0,02	<0,005
90Sr, Ku/кг, не более	5*10-10	1,4*10-10
137Cs, Ku/кг, не более	5*10-7	1,0*10-7
-сумма радионуклидов, Ku/кг, не более	1*10-8	0,8*10-8
-тяжелые металлы, мг/кг, не более
Cd	20	0,1
Co	100	1,6
Cr	750	0,6
Cu	1000	3,0
Hg	16	<0,01
Mn	3000	25,0
Mo	50	0,1
Ni	300	4,0
Pb	750	3,9
Zn	2500	21,7
-жизнеспособные яйца гельминтов, шт/кг	отсутствуют	Не обнаружено
-титр кишечной палочки, не менее, г	0,01	1,0

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о соответствии полученного вермигумуса разработанным техническим условиям производства нового органического удобрения – Вермигумуса-НКТ (рис.8). Пробы органического удобрения Вермигумус-НКТ прошли испытания для целей сертификации по Техническому заданию, согласованному с органом по сертификации продукции ФГУ «ГЦАС «Астраханский», по ТУ .