Трансформация удобрительных композиций на основе коры и минерального сырья в агросерой почве Красноярской лесостепи (стр. 1 )

На правах рукописи

Трансформация удобрительных композиций на основе коры и минерального сырья в агросерой почве Красноярской лесостепи

Специальность 03.02.13 – почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Красноярск – 2012

 

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» на кафедре почвоведения и агрохимии

Научный руководитель: доктор биологических наук,

доцент кафедры почвоведения и агрохимии ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный

аграрный университет

Официальные доктор биологических наук,

оппоненты: ведущий научный сотрудник института леса

им. СО РАН

Ведрова Эстелла Федоровна

кандидат биологических наук,

начальник отдела развития растениеводства

министерства сельского хозяйства

и продовольственной политики

Красноярского края

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Бурятская государственная

сельскохозяйственная академия»

им.

Защита диссертации состоится «28» мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.01 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» г. Красноярск, пр. Мира 90. Тел/факс: (3; e-mail: [e-mail].

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан « » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В условиях недостаточной обеспеченности удобрениями агропромышленного комплекса Красноярского края и улучшения экологической обстановки на этой территории предлагается вовлекать древесную кору и местные минеральные ресурсы в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья для получения на их основе удобрительных композиций [Ульянова, Чупрова, Луганцева и др., 2007]. Кора является крупнотоннажным отходом производства и обладает высоким гумусообразовательным потенциалом. Перспективным представляется применение в качестве компонента для удобрительных композиций и природных сорбентов, в частности, вермикулита, который по мнению многих авторов усиливает агрохимический эффект удобрений [Качанова, 1987; Ахтямов, 2001; Иванова, Иноземцева, 2010]. В то же время почвы агроценозов Сибири остро нуждаются во внесении фосфора, так как его валовое содержание составляет 0,15–0,37 %, что соответствует запасам 4,1–8,8 т/га в слое 0–40 см [Рудой, 2003]. Поэтому в почвы края требуется дополнительное внесение фосфорных удобрений. В настоящее время производство однокомпонентных фосфорных удобрений в нашей стране практически свернуто, 95 % апатитового концентрата вывозится за границу, на внутренний рынок поступает 3–5 кг/га Р2О5, а высокие цены на комплексные удобрения сделали их недоступными для большинства сельхозпроизводителей [Капранов, 2009]. Восточнее Урала нет ни одного завода по производству фосфорных удобрений. В сложившейся обстановке особое значение приобретают имеющиеся местные ресурсы фосфатных руд, которые могут решить проблему обеспеченности фосфором почв региона. Тем более вермикулит и фосфатные руды добываются на Татарском месторождении, территориально расположенном в Красноярском крае. Запасы, дешевизна и доступность древесной коры, вермикулита, фосфатных руд определяют их как перспективные компоненты для приготовления новых удобрительных композиций (УК), трансформация которых еще не изучена. Это сдерживает разработку технологий по комплексной переработке отходов деревообрабатывающих предприятий с использованием местного минерального сырья.

Серые лесные почвы широко распространены в Красноярской лесостепи, общая площадь их составляет 1086,7 тыс. га [Крупкин, Топтыгин, Пахтаев, 1999]. Поэтому изучение в них процесса трансформации удобрительных композиций имеет важное значение для исследования особенностей новообразования гумусовых веществ и накопления подвижного органического вещества, влияющего на эффективное плодородие почвы и продуктивность полевых культур.

Цель исследований – выявить закономерности трансформации удобрительных композиций на основе местных ресурсов коры и минерального сырья в агросерой почве Красноярской лесостепи.

Задачи исследований.

1. Изучить свойства коры разных видов деревьев (лиственничной, сосновой, пихтовой), местного минерального сырья (фосфоритной муки и вермикулита) и разработать на их основе составы УК.

2. Определить особенности трансформации коры разных видов деревьев при компостировании с минеральными удобрениями, фосфоритной мукой и вермикулитом.

3. Выявить закономерности трансформации органического вещества агросерой почвы при внесении различных УК.

4. Оценить вклад УК в формирование фитомассы полевых культур.

Научная новизна. Получены новые УК на основе совместного компостирования коры и местного минерального сырья. Впервые получены новые количественные характеристики процесса трансформации компостированной лиственничной коры с минеральными удобрениями, фосфоритной мукой и вермикулитом Татарского месторождения, показавшие различия в интенсивности выделения СО2, накоплении подвижных форм органического вещества и величине отношения подвижных гуминовых и фульвокислот. Определены константы разложения коры разных видов деревьев (лиственницы и пихты) и новых УК на их основе, позволяющие оценить срок действия УК. Количественно оценены эмиссионные потери углерода и накопление новообразованных гумусовых веществ в агросерой почве с применением новых УК.

Научная и практическая значимость. Выявленные закономерности трансформации органического вещества агросерой почвы под действием УК могут быть использованы при разработке концепции управления плодородием агросерых почв региона. Удобрительные композиции, приготовленные на основе коры, фосфоритной муки и вермикулита могут применяться при выращивании полевых культур. Создание и применение УК на основе коры деревьев позволит утилизировать отходы деревообрабатывающей промышленности и использовать местное минеральное сырье (фосфоритную муку и вермикулит), добываемое на Татарском месторождении края. При этом улучшится экологическая обстановка в зоне действия деревообрабатывающих предприятий и решится проблема обеспечения удобрительными ресурсами в регионе. Результаты исследований используются при изучении курсов «Почвоведение», «Экологическое почвоведение», «Нетрадиционные удобрения и технологии их применения», «Агрохимия» в Институте агроэкологических технологий Красноярского государственного аграрного университета.

Апробация работы. Результаты исследований представлялись и обсуждались на конференциях: региональных «Красноярский край: освоение, развитие, перспективы» (г. Красноярск, 2003, 2004); на всероссийских «Студенческая наука – взгляд в будущее» (г. Красноярск, 2005, 2006); «Болота и биосфера» (г. Томск, 2004, 2005, 2007); международных «Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (г. Томск, 2010); «Ломоносов-2004, 2010» (г. Москва); «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 2009); «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (г. Абакан, 2005, 2006, 2008, 2010); «Современные тенденции развития земледелия и защиты почв» (Улан-Удэ, 2009); на заседаниях кафедры почвоведения и агрохимии ФГБОУ ВПО «КрасГАУ» (2004–2011 гг.). Результаты работы экспонировались на выставке «Красноярск. Технологии будущего» (г. Красноярск, 2010).

Работа была поддержана грантом краевого фонда науки (2004 г); губернаторской премией Красноярского края (2006 г); государственной стипендией имени зоолога (2007 г); государственной стипендией Правительства Российской Федерации (2007–2008 гг); государственной стипендией Президента Российской Федерации (2010 г).

Публикации. Автором опубликовано 24 работы, из них по теме диссертации 9, в том числе 3 работы в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы. Она изложена на 139 страницах, содержит 42 таблицы, 23 рисунка, 5 приложений. Список литературы включает 258 наименований, в т. ч. 19 публикаций иностранных авторов.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю за всестороннюю помощь, поддержку, критические замечания, профессору и коллегам кафедры почвоведения и агрохимии КрасГАУ за ценные советы и научные консультации.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

В главе представлен обзор литературы по биоконверсии коры в ценные продукты и удобрения [Гладкова, 1979; Гришкова, 1986; Mexal, Fisher, 1987; Варфоломеев, 1992; Куликова, 2003; Луганцева, 2010; Ульянова, 2011 и др.], использованию фосфоритной муки и вермикулита в сельском хозяйстве [Энгельгардт, 1959; Прянишников, 1963; Безуглая, Буланцев, Рябизина, 1990; Ахтямов, 2001; Абашеева и др., 2002; Капранов, 2009; Меркушева, Убугунов, Кожевникова и др., 2009; Иванова, Иноземцева, 2010 и др.], трансформации органического вещества почв под действием удобрений [Кононова, 1963; Александрова, 1980; Кирюшин, 1984; Ганжара, 1986; Когут, 1987; Аммосова, Бенедиктова, Орлов, 1995; Шарков, 1997; Henriksen, Breland, 1999; Кудеяров, 1999; Завьялова, Косолапова, Ямалтдинова, 2005; Корсунова, Чимитдоржиева, 2008; Чупрова и др., 2009; Назарюк, Калимуллина, 2010 и др.].

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Характеристика природных условий земледельческой части

Красноярской лесостепи

Рассматривается характеристика природных условий земледельческой части Красноярской лесостепи [Вередченко, 1961; Галахов, 1964; Сергеев, 1971; Бугаков, Чупрова, Шугалей и др., 1979].

2.2. Объекты исследования

Объектами исследования являлись агросерая типичная среднепахотная среднегумусированная тяжелосуглинистая почва на коричнево-бурой карбонатной глине (светло-серая лесная высоковскипающая среднемощная тяжелосуглинистая на коричнево-бурой карбонатной глине), сельскохозяйственные культуры (кукуруза, пшеница, овес), лиственничная, сосновая и пихтовая кора – отходы Енисейского лесозавода, фосфоритная мука (Рф) и вермикулит (В) Татарского месторождения, территориально расположенного в Красноярском крае, и УК на их основе.

Почва, используемая в опытах, характеризовалась низким содержанием гумуса (2,39 %), очень низким содержанием нитратного азота (3,2 мг/кг), низким – подвижного фосфора (7,3 мг/100 г) и обменного калия (8,9 мг/100 г). Гидролитическая кислотность составляла 2,8 мг-экв/100 г, степень насыщенности основаниями равна 83 %. Величина актуальной кислотности – 6,1, обменной – 4,9.

Исходная кора (лиственницы, сосны и пихты) отличались высоким содержанием углерода 48, 52, 53 % соответственно, но низким содержанием азота, широким отношением С:N, равным 166 в коре лиственницы и пихты и 153 – сосны. Лиственничная кора отличалась содержанием кальция до 17900 мг/кг и фосфора до 800 мг/кг, пихтовая превосходила другую кору высоким количеством магния (2026 мг/кг) и калия (2511 мг/кг), сосновая – обогащенностью азотом (0,34 %).

Минеральное сырье (фосфоритная мука и вермикулит), используемое для подготовки УК, добывалось на одном месторождении, что упрощает технологию их приготовления и снижает себестоимость. По данным рентгенофазового анализа, фосфатные руды Татарского месторождения представлены в основном фторапатитом, а вермикулит является продуктом химического выветривания биотита и флогопита.

2.3. Методы исследований

Исследования проводились в модельных и микрополевых опытах на полевом стационаре кафедры почвоведения и агрохимии ФГБОУ ВПО «КрасГАУ», расположенном в Красноярской лесостепи (560 с. ш. и 920 в. д.).

В модельных опытах № 1–3 изучали трансформацию (по процессам минерализации и гумификации) коры и УК на ее основе.

Модельный опыт № 1 закладывали с лиственничной корой по схеме: 1. Кора лиственницы (Клист) – контроль; 2. Клист + 1,5 % мочевины (КлистNм); 3. Клист +Nм + 1 % фосфоритной муки (КлистNмРф1); 4. Клист +Nм +3 % фосфоритной муки (КлистNмРф3); 5. Клист +Nм + 1% фосфоритной муки + вермикулит (КлистNмРф1В); 6. Клист + 1 % фосфоритной муки + 10 % вермикулита (КлистРф1В); 7. Клист + 1,5 % мочевины + 10 % вермикулита (КлистNм В).

Модельный опыт № 2 проводили с сосновой корой по схеме: 1. Кора сосновая (Ксосн) – контроль; 2. Ксосн + 1,5 % мочевины + 0,25 % суперфосфата (КсоснNмРс ); 3. Ксосн + 1,5 % мочевины + 0,25 % суперфосфата + 10 % вермикулита (КсоснNмРс В).

Модельный опыт № 3 закладывали с пихтовой корой по схеме: 1. Кора пихты (Кпихт) – контроль; 2. Кпихт + 1,5 % Nм + 0,25 % Рс (КпихтNмРс).

Влажность УК поддерживали на уровне 60 % полной влагоемкости.

Полученные УК на основе сосновой коры и минерального сырья использовали в микрополевом опыте на стационаре Красноярского государственного аграрного университета для изучения трансформации органического вещества в агросерой почве под действием УК. Схема опыта включала варианты: 1. Почва (П) без внесения УК – Контроль (без/УК); 2. П + Кора сосны (без каких-либо добавок) – Ксосн; 3. П + Ксосн + сернокислый аммоний (Nа) – КсоснNа; 4. П + КсоснNа + суперфосфат простой (Рс) – КсоснNаРс; 5. П + Ксосн Nа + фосфоритная мука (Рф) – КсоснNаРф; 6. П + КсоснNаРф + вермикулит (В) – КсоснNаРсВ ; 7. П + NаРфВ – NаРфВ. Кору и УК на ее основе вносили весной единожды в сосуды без дна, диаметром 50 см и высотой 60 см перед посевом первой культуры в севообороте: кукуруза (сорт Сибирячка) – пшеница (сорт Тулунская 12) – овес (сортообразец Мутант) в дозе 20 т/га. Повторность опыта 3-кратная. Уборку урожая растений проводили в фазу восковой спелости путем скашивания растений на уровне почвы.

Минерализацию органического вещества в УК и почве определяли по выделению СО2 абсорбционным методом в модификации (2005). Суммарное продуцирование углерода в виде С-CO2 за период наблюдений оценивали с помощью метода линейного интерполирования. Гумификацию УК, прокомпостированных в течение 90, 180, 270, 360, 450 и 540 суток на основе коры лиственницы и с тем же интервалом до 360 суток в композициях на основе сосны и пихты проводили по следующим показателям: Сорг по Тюрину, Спод методом бихроматной окисляемости из одной навески последовательно СН2О и 0,1н. NaOH (С0,1н. NaOH) по , (1980). В составе Спод определяли углерод гуминовых кислот (Сгк) и углерод фульвокислот (Сфк). Содержание углерода микробной биомассы (СМБ) – регидратационным методом в динамике в свежих почвенных образцах [Благодатский и др., 1987].

Валовые азот, фосфор, калий определяли методом БИК-спектроскопии (аналитическая система на основе сканера NIR-4250), легкогидролизуемый азот методом Корнфилда [Агрохимические методы..., 1975].

Химический состав коры разных видов деревьев исследовали методами хромато-масс-спектрометрии и атомно-эмиссионной спектрометрии, элементный состав коры изучали на анализаторе «Flash EA-1112, Thermo Quest».

Фосфатную руду и вермикулит Татарского месторождения, используемые во всех опытах в качестве добавок к коре при создании УК, предварительно исследовали с помощью рентгенофазового и атомно-адсорбционного методов анализа. Рентгенофазовый анализ минерального сырья (фосфатной руды и вермикулита) выполнили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4; излучение Cuka, скорость сканирования 1 град/мин. Регистрацию и обработку данных рентгеновской дифракции провели с использованием компьютерной системы обслуживания. Полученные дифрактограммы расшифровывали по стандартной процедуре путем сравнения с библиотекой эталонных рентгеновских дифракционных спектров порошковых материалов (ASTM). Химический состав проб минерального сырья определили на атомно-адсорбционном спектрофотометре Сатурн-2.0.

Полученные результаты исследования были обработаны статистически, методом дисперсионного анализа [Доспехов, 1979], корреляционно-регрессионного, с использованием программных пакетов «Excel».

ГЛАВА 3. ТРАНСФОРМАЦИЯ УДОБРИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

НА ОСНОВЕ КОРЫ ХВОЙНЫХ ВИДОВ ДЕРЕВЬЕВ

ПРИ КОМПОСТИРОВАНИИ

3.1. Минерализация композиций на основе лиственничной, пихтовой,

сосновой коры

Низкая интенсивность минерализационных процессов исходной коры лиственницы, сосны, пихты обусловлена низким рНН2О, низким содержанием азота и широким отношением C:N. Внесение различных добавок в кору нейтрализовало избыточную кислотность и обогащало недостающими элементами питания, что способствовало усилению процессов минерализации композиций (рис. 1).

1. Клист – контроль; 2. КлистNм; 3. КлистNм Рф1; 4. КлистNмРф3; 5. КлистNмРф1В;

6. КлистРф1В; 7. КлистNм В

1. Ксосн – контроль; 2. КсоснNмРс; 3. КсоснNмPсB

1. Кпихт – контроль; 2. КпихтNмРс

Рис. 1. Среднесуточное продуцирование СО2 из УК

на основе коры, г·м-2·сут-1: Л – лиственницы; С – сосны; П – пихты

Период максимальной минерализации композиций с лиственничной, сосновой корой продолжался в течение 150 суток компостирования, пихтовой – 120 суток. Добавление вермикулита в УК на основе лиственницы усиливало процессы минерализации в 1,3–2,1 раза, а в УК с корой сосны в 1,4–1,5 по сравнению с контролем. Интенсивность минерализационного потока в композициях коррелирует с температурой воздуха (r = 0,70–0,99).

Полученный экспериментальный материал позволил рассчитать константы разложения (k) коры и композиций на их основе, которые для коры сосны и УКсосн изменялись в пределах 0,11–0,14, коры пихты и УКпихт – 0,072 – 0,11, коры лиственницы и УКлист – 0,063–0,088. Константы разложения органического вещества УКсосн были выше в 1,1–1,5 раза, чем в УКпихт, и в 1,7 раза, чем в УКлист. Константы разложения коры и композиций на их основе имели тесную корреляционную связь с показателями C:N (r = 0,75–0,80) и C:зола (r = 0,83–0,86).

3.2. Гумификация композиций на основе лиственничной,

пихтовой, сосновой коры

Процессы гумификации органического вещества пихтовой, сосновой, лиственничной коры и УК на их основе сопровождались накоплением новообразованных гумусовых веществ в композициях 90-суточного срока компостирования в следующих количествах: УКпихт (13,3–14,9 %), УКсосн (8,7–9,5 %), УКлист (2,9–6,0 % от массы исходного материала), снижающегося к годовому периоду наблюдений в 1,9–4,0 раза в зависимости от состава УК.

Доля водорастворимых соединений в составе Спод в композициях на основе коры лиственницы составляла 15–24 %. В составе щелочногидролизуемых соединений в варианте КлистРф1В преобладал Сфк, а в вариантах КлистNмРф3 и КлистNмВ – Сгк. В составе подвижного органического вещества удобрительных композиций на основе коры сосны доминировали щелочногидролизуемые соединения. Максимальное количество Сгк в составе последних обнаружили в композиции КсоснNмPсB, а – Сфк – на контроле. Фульватный тип гумуса контрольного варианта изменился на фульватно-гуматный в УКсосн и УКлист, что свидетельствует о произошедшей гумификации УК.

ГЛАВА 4. ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

АГРОСЕРОЙ ПОЧВЫ ПРИ ВНЕСЕНИИ УДОБРИТЕЛЬНЫХ

КОМПОЗИЦИЙ

4.1. Минерализация органического вещества в агросерой почве

Суммарное продуцирование углекислоты за вегетационный период выращивания кукурузы было минимальным на контроле. Внесение в почву удобрительных композиций стимулировало микробиологическую активность, что привело к достоверному повышению эмиссии СО2. Максимальное количество выделившегося СО2, за весь период наблюдений превысившее контроль в 1,3 раза, отметили при внесении в агросерую почву удобрительной композиции КсоснNаРф (рис. 2). Во второй год наблюдений отмечена аналогичная закономерность продуцирования углекислого газа по вариантам опыта, но интенсивность продуцирования СО2 снизилась по сравнению с предыдущим годом исследования на 43–50 % (табл. 1).