Важнейшим фактором повышения плодородия почвы является органическое вещество. Особая роль органического вещества объясняется его воздействием на все свойства почвы и ее биологическую активность. Вносимые органические удобрения могут оказывать прямое действие на баланс органического вещества почвы, переходя частично в форму гумусных соединений. Создание бездефицитного баланса органического вещества в почве представляет обязательное условие интенсификации земледелия.
В настоящее время интенсивное сельскохозяйственное производство приводит к существенному снижению в почвах органического вещества. В 2014 году в целом по Краснодарскому краю отмечено снижение гумуса с 4,01 до 3,77 % или 8,5 тонны с 1 га [1].
Необходим поиск технологий, предупреждающих отрицательные экологические последствия интенсификации сельского хозяйства. В КубГАУ разработана комплексная биотехнология переработки органических отходов с помощью дождевых червей, в которой используются отходы спиртового производства и свиноводческие отходы [2].
На птицеводческих и животноводческих предприятиях скапливаются большие объемы отходов. Поголовье животных ежегодно выделяет 10 млн т полужидкого навоза, плюс в крае производится ежегодно в среднем около 6 млн т соломы злаковых культур, значительная часть которых может быть использована в качестве органического удобрения.
Из-за неполного использования помета и навоза, применения удобрений без должной подготовки произошли загрязнения территории предприятий и ферм, интенсивное засорение полей семенами сорняков, потери органической массы удобрений и питательных веществ и, как следствие, загрязнение окружающей среды.
Переработка продуктов сельского хозяйства приводит к образованию значительных объемов отходов. Скопление отходов производства спирта является одной из причин загрязнения и ухудшения состояния окружающей среды. Основными отходами производства спирта являются барда, лютерная вода и органические вещества. Свежая барда представляет собой водянистую массу светло-коричневого цвета с хлебным запахом и незначительным количеством сухого вещества (из анализа проб барды: сухого вещества 6–8 %, влаги 92–94 %). Спиртовая барда разделяется на твердую и жидкую фракции (кек и фугат). Фугат – вещество, которое самопрессуется, при этом длительно разлагается, много лет выделяя яды в окружающую среду.
Цель исследования. Создание и внедрение замкнутых систем производства и безотходной технологии – одно из направлений природоохранной деятельности. Лучший способ избавиться от загрязнений – исключить отходы, превратить их из загрязнителей в ценное сырье, что оказывается возможным при внедрении в производство замкнутой безотходной технологии. При этом сохраняется от загрязнений жизненная среда и получается дополнительная продукция.
Компостирование – классический образец биотехнологии органических отходов. Локальные накопления органических отходов, количество которых слишком велико для естественной биодеградации из-за медленно протекающих процессов в природных условиях, являются причинами многих экологических проблем. Компостирование позволяет получить ценный продукт, а также является процессом очистки, делающим низкоактивные отходы менее вредными для окружающей среды.
Материалы и методы исследования
Биотехнология вермикомпостирования основана на способности дождевых червей поглощать в процессе своей жизнедеятельности практически любые органические остатки и почву. Перерабатывая в процессе питания органические остатки с минеральными частицами почвы, черви переваривают их и обогащают собственной микрофлорой, ферментами, биологически активными веществами. Дождевые черви выделяют в почву активные биохимические вещества, которые разрушают кристаллическую решетку первичных минералов, извлекают из них минеральные вещества для своих жизненных потребностей и выделяют в виде биогенных элементов – копролитов. Выделяемые червями копролиты отличаются высоким содержанием гумуса, макро- и микроэлементов. Кроме того, копролиты становятся центром размножения многочисленной полезной микрофлоры. Ценность биогумуса в большом количестве микроорганизмов. Высокое содержание ферментов способствует процессам регенерации природно-бедных почв или почв, загрязненных химическими веществами. Биогумус содержит углерод, азот, фосфор, калий в пропорциях, благоприятных для питания растений. Применение органических удобрений в виде биокомпоста повышает плодородие почв за счет обогащения их гумусовыми соединениями, микроэлементами, азотом, фосфором, калием. Это высокоэффективное органическое удобрение, обеззараженное от патогенной микрофлоры, яиц и личинок гельминтов, не содержит жизнеспособных семян сорняков.
Подготовку компонентов субстрата осуществляли из свиноводческих отходов и отходов растениеводства. Навоз прессовали для разделения на твердую и жидкую фракции. В качестве отходов для компостирования используется твердая фракция, а жидкую фракцию навоза отправляют в накопитель для дегельминтизации. В качестве влагопоглотительного материала использовали солому озимой пшеницы, предварительно измельченную до 5–7 см.
Рабочую смесь составляли из жидких отходов спиртового производства – фугата и лютерной воды. Фугат и лютерную воду смешивали в соотношении 9:1, доводили до нейтральной среды рН равной 6,5–7,5 с помощью известкового раствора из расчета 13 г/л [2, 10].
Приготовление субстрата осуществляли в культивационных деревянных ящиках, являющихся составной частью стандартного ложа. Затем в каждый ящик слоями укладывали твердую фракцию – навоз и солому. Добавляли меморант СаО для доведения субстрата до нейтральной среды рН равной 6,5–7,5. Температурный режим в лаборатории поддерживали на уровне 18–22 °С.
Рабочей смесью поливали субстрат через три дня, обеспечивая влажность на уровне 75–80 % для поддержания нейтральной среды в субстрате и создания оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов. Субстрат равномерно перемешивали и выдерживали в течение двадцати пяти суток. После выдержки в нижнюю часть субстрата добавляли почву для воспроизводства естественной среды червей.
В качестве биообъектов для вермикомпостирования был использован малый красный червь – Lumbricus rubellus.
Проводили подкормку червей, добавляя в сформированную призму свежий компост слоем 5–10 см и осуществляли орошение призмы рабочей смесью. После обработки вермикомпоста, уложенного в призму, подкормку червей и орошение прекращали на несколько дней. Затем на образовавшийся подсушенный слой укладывали свежий компост. Черви в поисках корма перемещались в свежий слой компоста и далее их удаляли из призмы с подкормкой.
Полученный биогумус-сырец разрыхляли и подсушивали, то есть готовили для дальнейшей утилизации.
Далее проводили полевые исследования по установлению влияния биогумуса на урожайность сои в учхозе «Кубань». Почва опытного поля представлена чернозёмом выщелоченным малогумусным сверхмощным тяжелосуглинистым. Соя – важнейшая белковая и масличная культура разнообразного использования. Возделывая сою, хозяйства получают два полноценных урожая: белка и растительного масла. Соя – однолетнее растение. Корневая система стержневая. Стебель крепкий, прямостоячий, сильно ветвится и образует куст высотой до 1,5 м. Соя – светолюбивое растение, может произрастать на разных почвах, кроме кислых, сильнозасоленных или заболоченных. Хороший же урожай она может дать только на высокоплодородных почвах, богатых органическим веществом, с нейтральной реакцией среды [8].
Результаты исследования и их обсуждение
Одним из основных элементов, необходимых для растений, является азот, основная часть которого находится в почве в виде сложных органических соединений и мало доступна для растений. В растение азот поступает в виде ионов аммония и нитрата. Использование растением той или иной формы азота зависит от ряда факторов (реакция среды, температура, влажность) [6].
Аммонийный азот содержится преимущественно в верхних слоях почвы, слабо перемещается по профилю пахотного горизонта, так как хорошо удерживается почвенно-поглощающим комплексом, поэтому исключены его потери за счет вымывания. Из поглощенного состояния в результате обменных реакций он переходит в раствор и усваивается растениями. Нитратный азот в почве в основном находится в почвенном растворе. Его содержание в почве зависит от обеспеченности почвы органическим веществом, влажности почвы, температуры и реакции почвенного раствора.
Азот – основной биогенный элемент, запасы которого в почве ежегодно уменьшаются. Дефицит азота минеральных соединений может быть в значительной степени компенсирован биологическим путем за счет аккумуляции его азотфиксирующими микроорганизмами. Одним из источников пополнения азота в почве являются клубеньковые микроорганизмы. Способностью фиксировать молекулярный азот обладают многие микроорганизмы. Из литературы известно, что наиболее значительное количество азота накапливается в почве благодаря жизнедеятельности клубеньковых бактерий бобовых растений [3].
Вступая в симбиоз с клубеньковыми бактериями, соя приобретает свойство ассимилировать молекулярный азот воздуха. В процессе азотфиксации микроорганизмы переводят молекулярный газообразный азот N2 в аммонийную форму NH4, которая легко усваивается бактериями, а также растением, в ризосфере которого они обитают. Микробиологический азот в отличие от минерального усваивается растением на 100 %.
Клубеньковые бактерии снабжают бобовые растения азотом, который фиксируют из воздуха. Растения поставляют бактериям продукты углеводного обмена и минеральные соли, необходимые для развития и роста. Установлено, что 40…70 %, а в некоторых случаях 90 % необходимого азота соя получает благодаря симбиотической азотфиксации. Способность штамма инициировать высокую активность симбиотической азотфиксации называется активностью штамма. Активность не является особенным признаком клубеньковых бактерий и зависит от почвенно-климатических условий и определяется в значительной степени условиями питания растения-хозяина.
В полевых опытах по внесению биогумуса на опытные участки в учхозе «Кубань» наблюдалось заметное накопление минерального азота, несмотря на то, что прирост биомассы растений был максимален. Высокий уровень активности микроорганизмов-азотфиксаторов обусловил интенсивный приток азота из атмосферы в почву и, соответственно, положительный баланс минерального азота в почве, несмотря на его активный вынос растениями [4, 10]. Таким образом, опыты подтверждают, что, выращивая сою или другие бобовые культуры, можно сохранить естественное плодородие почвы.
На протяжении всей вегетации растения сои, выращенные с применением биогумуса, имели больший процент содержания азота, фосфора и калия в вегетативной части, чем на контрольном варианте, что положительно сказалось и на накоплении этих элементов в семенах.
Полевой опыт показал, что внесение органического удобрения в виде биогумуса способствует существенному повышению урожайности сои, стимулирует улучшение качества получаемой продукции. На контрольном варианте урожайность составила 18,2 ц/га. Внесение биогумуса в дозе 15 т/га увеличило урожайность семян сои до 21,7 ц/га. Увеличилась питательная ценность сои. Содержание белка по вариантам опыта колеблется от 33,1 на контроле до 37,8 и 38,3 % на вариантах с внесением биогумуса в дозах 15 и 20 т/га соответственно. При этом увеличилась масличность семян на всех вариантах с применением биогумуса по сравнению с контрольными образцами. Наилучшие показатели отмечены с внесением биогумуса 15 и 20 т/га, где содержание определяемого показателя составило 26,9 и 27,3 % соответственно; на контрольном варианте – 23,2 %.
Промышленное производство азотных удобрений – энергоемкий и дорогой процесс. Для получения высоких урожаев необходимо вносить большие нормы азота, что небезопасно с точки зрения охраны окружающей среды. Полевые опыты с внесением биогумуса под посевы сои подтвердили создание благоприятных условий для выработки биологического азота [5].
Даже одноразовое внесение биогумуса улучшает свойства почв и стабилизирует экологическую ситуацию мелиорируемого участка. Это подтверждается экологической оценкой применения биогумуса по результатам полевого опыта. Минимум содержания обменного аммония в почве отмечен на контрольном варианте – 1,6 мг/кг; максимум – 3,9 мг/кг при внесении 20 т/га биогумуса. Увеличение подвижных фосфатов в почве произошло по всем вариантам, больше всего фосфатов (177,5 мг/кг) отмечено на участке, где применялись самые высокие дозы биогумуса. По содержанию обменного калия наиболее выраженным было действие биогумуса в дозах 15 и 20 т/га. На этих вариантах содержание обменного калия составило 34,4 мг/кг.
Биогумус содержит в хорошо сбалансированной и легкоусвояемой форме все необходимые для питания растений вещества. Среднее содержание сухой органической массы в биогумусе составляет 50 %, а гумуса – 18 %; реакция среды, благоприятная для растений и микроорганизмов, – рН 6,8...7. Кроме того, в биогумусе представлены практически все необходимые микроэлементы и биологически активные вещества, среди которых ферменты, витамины, гормоны, ауксины, гетероауксины и др. [7].
Содержащееся в биогумусе органическое вещество в значительном количестве представлено гуминовыми кислотами (31,7...41,2 %) и фульвокислотами (22,3...34,8 %).
Среди гуминовых кислот преобладает наиболее ценная фракция – гуматы кальция (43,3...47,6 %). Наличие в вермикомпосте фульватногуматного типа гумуса (Сгк:Сфкт = 1,18...1,42) способствует формированию агрономически ценной структуры почвы. Элементы питания, находящиеся в биогумусе, взаимодействуя с минеральными компонентами почвы, образуют сложные комплексные соединения. Поэтому они надежно сохраняются от вымывания, медленно растворяются в воде, обеспечивая питание растений в течение длительного времени (не менее 2...3 лет). В 1 т биогумуса содержится в среднем 45 кг питательных элементов (NPK). Биогумус по своей питательной ценности может превосходить органические удобрения.
Процесс вермикомпостирования влияет на снижение количества тяжелых металлов в биогумусе и позволяет снизить риск загрязнения ими земель сельскохозяйственного использовании. Биогумус играет немаловажную роль и в процессах рекультивации почв, загрязненных пестицидами. Это особенно важно для почв, утративших способность к самоочищению из-за сильного загрязнения пестицидами и другими веществами. Биогумус позволяет таким образом вернуть сельскому хозяйству участки, непригодные для использования из-за сильного загрязнения [3].
Внесение большого количества биогумуса способствует резкой активизации почвенной микрофлоры, что является показателем ее высокой биологической активности. Очень важная роль в создании почвенного плодородия принадлежит актиномицетам, количество которых возросло в почве в 2–3 раза.
Заключение
Современное сельское хозяйство с его индустриальными технологиями, крупномасштабными работами по химизации и мелиорации земледелия отрицательно воздействует на окружающую среду в целом и на почву в частности. Необходим поиск технологий, предупреждающих отрицательные экологические последствия интенсификации сельского хозяйства. Эта проблема может быть решена путем биологизации земледелия, одним из элементов которой является применение биогумуса – продукта деятельности дождевых червей (вермикультуры).
Разработанная биотехнология позволяет комплексно утилизировать отходы спиртового производства и животноводческие твердые стоки. Экологическая привлекательность биотехнологии – безотходная утилизация животноводческих и спиртовых стоков; сохранение окружающей среды; снижение отрицательных воздействий на атмосферный воздух; уменьшение загрязнения грунтовых вод.