CC BY
10УДК 631.95:628.381.1
ПОСЛЕДЕЙСТВИЕ ПОВЫШЕННЫХ ДОЗ ОСАДКА ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД НА АЗОТНЫЙ РЕЖИМ, БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ И АГРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ
В.А. Касатиков, Ас.-х.и., Н.П. Шабардина, ВНИИОУ - филиал ФГБНУ «Верхневолжский ФАНЦ», каву47(и yandex.ru, В.А. Раскатов, к.б.н, РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева, 1ч^каи>у\<а 1Ы.ги
Представлены результаты исследований, полученные в длительном опыте Географической сети опытов с удобрениями по изучению агробиологических изменений, протекающих в дерново-подзолистой супесчаной почве под влиянием осадков городских сточных вод (ОСВ) и доломитовой муки. Показано, что последействие повышенных доз ОСВ оказывает заметное влияние на азотный режим, биологические показатели и агрохимические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы.
Ключевые слова: азотный режим, биологические показатели, осадок сточных вод, почва.
Б01: 10.25680/819948603.2019.111.12
При очистке сточных вод неизбежно возникает проблема утилизации образующихся осадков. Осадок городских сточных вод (ОСВ) содержит значительное количество органического вещества, азота и зольных элементов, особенно фосфора. Это обусловливает целесообразность широкого использования ОСВ в качестве нетрадиционных органических удобрений в сельском хозяйстве, а также при городском озеленении [1]. Необходимость данного подхода обусловлена также тем, что одним из основных условий сохранения экосистем в устойчивом состоянии является использование органогенных отходов как сырьевого ресурса с целью уменьшения их негативного воздействия на окружающую среду [2]. Использование ОСВ на удобрение в исходном состоянии или в составе агрохимиката - один из приемов их утилизации [3]. При этом по эффективности ОСВ и агрохимикаты на их основе не уступают традиционным органическим и минеральным удобрениям [4].
В частности, ОСВ и агрохимикаты на их основе, благодаря высокому содержанию органического вещества, улучшают плодородие почвы и его агрофизические свойства и повышают урожай сельскохозяйственных культур. Внесение данных агрохимикатов в почву оказывает положительное влияние на агрохимические свойства почв, увеличение в ней запасов органического вещества, азотный режим. При этом повышается биологическая активность почвы, возрастает количество целлюлозоразлагающих бактерий при снижении доли плесневых грибов. Особенно отчетливо почвоулуч-шающие свойства агрохимикатов на основе ОСВ проявляются на песчаных, супесчаных и малоплодородных деградированных почвах [5].
Одним из наиболее важных вопросов в исследованиях с органическими удобрениями является изучение трансформации азота в почве и его потерь. В то же время при использовании в качестве удобрений ОСВ со слабощелочной или нейтральной реакцией среды, важен анализ их влияния на кислотно-основные свойства почвы. Исследования биологической активности почвы выявили, что применение ОСВ и удобрения на его основе увеличивает общую численность микроорганизмов, повышает ее каталазную активность и создает благоприятные условия для развития основных физиологических групп микроорганизмов.
Цель наших исследований - изучить последействие повышенных доз осадка городских сточных вод на азотный режим, биологические показатели и агрохимические свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы.
Методика. Исследования проводили в опыте, заложенном в 1984 г., по изучению влияния систематического применения осадка городских сточных вод и доломитовой муки на агроэкологические свойства почвы и урожайность культур, входящем в Географическую сеть длительных опытов с удобрениями. За весь период исследований суммарные дозы ОСВ составили 1801440 т/га (50 % влажности). Известкование проводили в дозах 3, 6, 9 т/га доломитовой муки. В 2018 г. изучали последействие ОСВ и доломитовой муки на агробиологические свойства и гумусовое состояние дерново-подзолистой супесчаной почвы. Содержание гумуса определяли по Тюрину И.В., микробной биомассы (СМб) - по Благодатской С.А., целлюлозолитическую активность - по Звягинцеву Д.А., продуцирование СО2 - по Шаркову И.Н. [6-8].
Результаты и их обсуждение. В течение вегетационного периода овса изучали содержание минеральных форм азота в слое почвы 0-20 см. Проведенные исследования выявили увеличение содержания минерального азота по последействию ОСВ на 19-23 и 60-79 %, согласно дозам 180 и 1440 т/га (табл. 1). Влияние известкования на суммарное содержание минеральных форм азота было незначительным, так увеличение доз доломитовой муки с 3 до 6-9 т/га по последействию 180 т/га ОСВ обеспечивало прирост минерального азота в почве на 2,6-3,3%, а при дозе ОСВ 1440 т/га - на 3,4-11,9%. Содержание N-NO3 достигало максимума в фазы всхо-ды-кущение, a N-NH4 - в фазе всходов. В дальнейшем в процессе нитрификации содержание N-NH4 в почве снижается. Второй пик его накопления приходится на фазу колошения. Аналогичная зависимость выявлена при исследовании влияния ОСВ на биологические показатели почвы: содержание углерода микробиомассы, целлюлозолитическую, дыхательную и нитрификаци-онную активность дерново-подзолистой супесчаной почвы (табл. 2). По последействию возрастающих доз ОСВ содержание См6 превышало контроль на 5-17% при дозе ОСВ 180 т/га и на 30-43% при дозе 1440 т/га, что свидетельствует об интенсификации микробиологических процессов в почве. Целлюлозолитическая ак-
тивность почвы служит косвенным показателем развития её биологических свойств. Как известно, целлюло-зоразрушающая микрофлора находится в корреляционной связи с содержанием минерального азота. В соответствии с данными, приведенными в таблице 2, интен-
сивность разложения хлопчатобумажной ткани в сравнении с контролем возрастала пропорционально дозам ОСВ 18 и 1440 т/га на 83-110 и 125-164 % соответственно. Аналогичная зависимость выявлена по дыхательной и нитрификационной способности почвы.
1. Влияние последействия различных доз осадка сточных вод и уровней известкования почвы на динамику содержания подвижных
Вариант опыта Содержание, мг/кг а.с. в-ва Вер. n-nh4+ n-no3. мг/кг В% к контролю
n- n03 n- nh4
Фаза ВСХОДОВ Фаза кущения Фаза колошения Фаза полной спелости Фаза всходов Фаза кущения Фаза колошения Фаза полной спелости
Контроль, без удобрений 3,31 1,37 2,44 1.42 2,35 1,14 2,71 0,63 3,84 100
ОСВ, 180 т/га + дол. м., 3 т/га 3,81 1,72 2,75 1,68 2,67 1,32 3,39 0,87 4,56 119
ОСВ, 1440 т/га + дол. м., 3 т/га 3,77 4,66 2.84 2.26 2,93 1,67 5,44 0,98 6,13 160
ОСВ, 180 т/га + дол. м., 6 т/га 3,64 3,21 2,57 1.51 2,79 1,24 3,24 0,64 4,71 123
ОСВ, 1440 т/га + дол. м., 6 т/га 5,84 4,46 3,10 2,18 3,71 1,68 5,62 0,86 6,86 179
ОСВ, 180 т/га + дол. м., 9 т/га 3,24 2,87 2,35 1,42 3,12 1,49 3,54 0,71 4,68 122
ОСВ, 1440 т/га + дол. м., 9 т/га 4,79 4,00 2,56 2,26 3,45 2,14 5,14 1,02 6,34 165
2. Показатели биологического состояния дерново-подзолистой супесчаной почвы в слое 0-20 см по последействию различных доз
осадка сточных вод и уровней известкования
Вариант опыта Содержание Смб. Целлюлозол.акт. Дыхательная активность Нитрифик. способность Суммарная билог. ак- БА, %
мг/кг % Сепень разл., % % к контр. С-С02, кг/га % N-NO, %к конт. тивн., %
Контроль, без удобрений 260 100 20,8 100 20,2 100 15,2 100 100 100
ОСВ, 180 т/га + дол. м., 3 т/га 273 105 38,2 183 23,1 114 17,5 115 134 130
ОСВ, 1440 т/га + дол. м., 3 т/га 352 135 48,2 231 24,7 122 27,6 181 137 161
ОСВ, 180 т/га + дол. м., 6 т/га 296 113 41,0 197 23,2 115 18,9 124 102 120
ОСВ, 1440 т/га + дол. м., 6 т/га 373 143 55,0 264 25,9 128 28,2 185 117 167
ОСВ, 180 т/га + дол. м., 9 т/га 305 117 43,8 210 23,6 117 21,4 140 126 142
ОСВ, 1440 т/га + дол. м., 9 т/га 340 130 46,8 225 25,2 125 32,2 215 127 165
Величина дыхательной активности почвы в вариантах с ОСВ выше уровня контроля на 14-28%. Нитрифи-кационная активность почвы, характеризующая деятельность нитрификаторов, зависит от уровня известкования и при дозе ОСВ, 180 т/га возрастает на 15-40%, а при дозе 1440 т/га - на 81-115%.
Анализ численности микроорганизмов по последействию ОСВ выявил существенное количественное увеличение основных групп микроорганизмов (табл. 3). В частности, содержание протеолитических групп возрастало с 9,9 • 106 КОЕ/г по последействию дозы ОСВ, 180 т/га на фоне известкования в дозе 3-9 т/га в 1,33-1,68 раза, а при дозе ОСВ, 1440 т/га - в 1,23-1,51 раза.
3. Влияние последействия различных доз осадка сточных вод и уровней известкования почвы на количество микрорганизмов в слое почвы 0-20 см
Вариант опыта Численность микрорганизмов, 106 КОЕ/г КАА
почвы МПА
протео- амило- целлюло- микро-
литич. литич. зол. миц.
(среда МПА) (среда КАА) (среда Гатчинсо-на) (среда Чапека)
Контроль, без
удобрений 9916 18056 74 23 1,82
ОСВ, 180 т/га +
дол. м., 3 т/га 13172 27232 104 27 2,07
ОСВ, 1440 т/га
+ дол. м., 3 т/га 12236 22952 119 32 1,88
ОСВ, 180 т/га +
дол. м., 6 т/га 15170 18721 94 9 1,23
ОСВ, 1440 т/га
+ дол. м., 6 т/га 10184 22648 83 29 2,22
ОСВ, 180 т/га +
дол. м., 9 т/га 16651 23072 118 14 1,39
ОСВ, 1440 т/га
+ дол. м., 9 т/га 14966 22753 122 18 1,52
Численность аммонификаторов, аминоавтотрофов, актиномицетов, бактерий, использующих минеральные формы азота, на КАА возросла с 18,06 • 106 КОЕ/г на контроле до 18,72-27,23 • 106 КОЕ/г в вариантах с ОСВ, т.е. в 1,51-1,28 при дозе ОСВ, 180 т/га и в 1, 27 раза при дозе ОСВ, 1440 т/га с обратной зависимостью от доз известкования.
Численность целлюлозолитических форм микроорганизмов по фонам известкования возрастала в среднем в 1,51; 1,2 и 1,62 раза и была близкой по последействию ОСВ в дозах 180 и 1440 т/га. Содержание микромицетов было наибольшим при уровне известкования 3 т/га. При этом в вариантах с уровнем известкования 6-9 т/га отмечалось развитие гриба Триходерма. Соотношение численности амилолитических и протеолитических микрорганизмов (КАА/МПА) показывает интенсивность процессов минерализации органического вещества. В вариантах с дозой ОСВ, 180 т/га и уровнях известкования 6-9 т/га их величина минимальна и равна 1,23-1,39 ед. При уровне известкования 3 т/га данное соотношение максимально и равно 1,88-2,07 ед., что свидетельствует о более интенсивной минерализации органического вещества ОСВ, в то время как повышение уровня известкования замедляет данный процесс (табл.3).
В результате проведенных исследований был рассчитан комплексный показатель биологической активности (БА) почвы. Его уровень определяли путем расчета отношения численности микрорганизмов, нитрифицирующей способности, дыхания, целлюлозолитиче-ской активности, величины Смб к соответствующим показателям почвы на контроле с последующим определением их средней арифметической. Полученные данные свидетельствуют, что наиболее благоприятные условия для деятельности почвенной биоты создаются
по последействию максимальной дозы ОСВ и уровней известкования 6-9 т/га.
Анализ изменения агрохимических свойств пахотного слоя почвы по последействию ОСВ выявил снижение обменной и гидролитической кислотности почвы, особенно заметное в вариантах с максимальными дозами ОСВ и доломитовой муки (табл. 4). При этом сохраняется обратная зависимость Нгидр от уровня известкования почвы и доз ОСВ. Как и по последействию первого года, сохранилась пропорциональная зависимость
суммы поглощенных оснований от доз ОСВ и уровня известкования почвы. Ее величина возросла с 7,64 на контроле до 8,74-8,98 мг-экв/100 г почвы. Данная зависимость обусловлена процессом разложения органической части внесенного ОСВ и, как следствие, разрушением органоминеральных комплексов в составе ОСВ с высвобождением катионов Са 2 и Mg+2, а также фактором известкования. При этом емкость катионного обмена ПГТК пропорциональна зависимости от доз ОСВ и не зависела от уровня известкования почвы.
4. Влияние длительного применения различных доз ОСВ в сочетании с известкованием на агрохимические свойства дерново-
Вариант опыта pHKci нг S п. о. (Ca+Mg) ЕКО Р2О5 подв. К2О06М. Гумус, %
мг-экв/100 г мг/кг
Контроль, без удобрений 6,2 0,87 7,64 8,51 408 30 1,47
ОСВ, 180 т/га + дол. м., 3 т/га 6,47 0,60 7,94 8,54 816 34 1,60
ОСВ, 360 т/га + дол. м., 3 т/га 6,55 0,58 8,37 8,95 964 39 1,73
ОСВ, 720 т/га + дол. м., 3 т/га 6,60 0,55 8,52 9,07 1390 43 1,99
ОСВ, 1440 т/га + дол. м., 3 т/га 6,62 0,55 8,75 9,30 2080 46 2,33
ОСВ, 180 т/га + дол. м., 6 т/га 6,64 0,56 8,49 9,05 828 34 1,56
ОСВ, 360 т/га + дол. м., 6 т/га 6,69 0,50 8,61 9,11 1058 35 1,62
ОСВ, 720 т/га + дол. м., 6 т/га 6,70 0,48 8,77 9,25 1493 41 2,02
ОСВ, 1440 т/га + дол. м., 6 т/га 6,72 0,48 8,92 9,40 2116 43 2,75
ОСВ, 180 т/га + дол. м., 9 т/га 6,72 0,47 8,55 9,02 882 35 1,65
ОСВ, 360 т/га + дол. м., 9 т/га 6,75 0,47 8,68 9,15 992 37 1,85
ОСВ, 720 т/га + дол. м., 9 т/га 6,77 0.44 8,84 9,28 1568 40 2,14
ОСВ, 1440 т/га + дол. м., 9 т/га 6,78 0,44 8,98 9,42 2135 43 2,82
По последействию ОСВ с высоким содержанием Р2О506Щ (2,48 %) в отчетном году сохранялось повышенное количество подвижных форм этого элемента в слое 0-20 см, пропорциональное дозам ОСВ. Содержание Р205 подв в вариантах с внесением ОСВ превышало контроль в 2,0-5,1 и 2,1-5,2 раза, согласно уровням известкования (см. табл. 4). В отличие от последействия ОСВ первого года в отчетном году повысилось содержание Р205 подв пропорционально его дозам и независимо от уровня известкования.
По сравнению с подвижным фосфором содержание КгОобм в почве изменялось менее интенсивно из-за более низкой концентрации элемента в ОСВ (0,72 %) и колебалось от 30 до 43 мг/кг. При этом, как и по фосфору, проявилась тенденция к повышению его уровня за счет продолжения разложения органической массы ОСВ на второй год его последействия. Данная зависимость обусловлена высокой степенью стабилизации исходного ОСВ при наличии органоминеральных соединений.
Внесение в почву стабилизированного органического вещества в составе ОСВ способствовало сохранению высокого уровня гумусированности почвы. Данная зависимость не связана с уровнем известкования почвы. Содержание гумуса в слое почвы 0-20 см находилось в прямой зависимости от величины суммарной дозы ОСВ, возрастая с 1,47 на контроле до 2,33-2,82 % при дозе ОСВ 1440 т/га. Более высокое содержание гумуса в вариантах с уровнями известкования 6 и 9 т/га и дозами ОСВ 720 и 1440 т/га обусловлено пониженной миграционной активностью органического вещества.
Таким образом, в процессе проведенных исследований последействие второго года ОСВ способствует активному протеканию биологических процессов в слое почвы 0-20 см, что проявляется в положительной динамике азотного режима почвы пропорционально дозам ОСВ и уровням известкования, а также таких биологических показателей как содержание углерода микробиомассы, целлюлозолитическая, дыхательная и нит-рификационная активности дерново-подзолистой супесчаной почвы.
Литература
1. Касатиков В.А., Черников В.А., Раскатов В.А. и др. Агроэкологи-ческие и технологические аспекты использования осадков городских сточных вод в качестве удобрения// Материалы международного симпозиума «Экологические и технологические вопросы производства и использования органических и органоминеральных удобрений на основе осадков городских сточных вод и твердых бытовых отходов». - Владимир, 2004. - С. 29-39.
2. Касатиков В.А., Раскатов В.А., Шабардина Н.П. Влияние микробиологических деструкторов лигнинсодержащих отходов на агроэко-логические свойства компоста на основе осадка сточных вод и опилок//Доклады МСХА. - Вып. 283.-2010,- С.806-811.
3. Есъков А.И. [и др.]; ред. А.И. Есъков Ресурсы органических удобрений в сельском хозяйстве России [Текст]: (информационно-аналитический справочник) / Российская академия сельскохозяйственных наук, Государственное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский, конструкторский и проектно-технологический институт органических удобрений и торфа" Российской академии сельскохозяйственных наук. - Владимир, 2006.-200 с.
4. Е.П. Пахненко. Осадки сточных вод и другие нетрадиционные органические удобрения. - М., 2010. - 311 с.
5. Анализ опыта почвенного пути утилизации осадков сточных вод / Сюняев Н. К, Тютюнъкова М. В., Слипец А. А. [и др.]. - М.: ФГОУ ВПО РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева, 2008. - 108 с.
6. Благодатский С.А., Благодатская Е.В., Горбенко A.A.,Пстыков Н.С. Регидратационный метод определения биомассы микрорганизмов в почве. // Почвоведение. - 1987. - №4,- С.71-81.
7. Звягинцев Д.Г. Биология почв. Учеб. пособие. - М.: изд-во МГУ, 2005.-445 с.
8. Шарков H.H. Абсорбционный метод определения эмиссии С02 из почв //Методы исследования органического вещества почв. - Владимир. 2005.-401 с.
CONSEQUENCES OF INCREASED DOSES OF SEDIMENTS OF URBAN WASTE WATER ON NITROGEN MODE, BIOLOGICAL INDICES AND AGROCHEMICAL PROPERTIES OF SOD-PODZOLIC SOIL
V. I. Kasatikov', N.P. Sliabardina1, V. A. Raskatov, ' I XffOL , kasv47(a>yandex.ru 2Russian Timiryazev State Agrarian University, raskatov\<u list. ru
The article presents the results of studies obtained in a long experiment of the Geographic Network of experiments with fertilizers for the study of agrobiological changes occurring in sod-podzolic sandy loam soil under the influence of precipitation of urban wastewater (WWS) and dolomite flour. It is concluded that the aftereffect of increased doses ofWWS have a noticeable effect on the nitrogen regime, biological indicators and agrochemical properties of sod-podzolic sandy loam soil. Keywords: nitrogen regime, biology, sewage sludge, soil.
УДК 631.453
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОТЕСТА С ЭИХИТРЕИДАМИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКОТОКСИКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ почвы
А.П. Баранов, М.Н Лунёв, д.б.н., ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова
e-mail: [email protected].
Работа выполнена по госзаданию №0572-2019-0011
Предложена модификация биотеста с энхитреидами (кольчатыми червями) для оценки экотоксикологического состояния почвы. В стандартный биотест с энхитреидами включена тест-реакция подопытных организмов, оценивающая токсичность почвы по изменению живой массы энхитреид в процессе биотеста. Сравнительный анализ показал более высокий корреляционный коэффициент данной тест-реакции по сравнению с выживаемостью энхитреид.
Ключевые слова: биотестирование, энхитреиды, токсичность, тест-реакция.
Б01: 10.25680/819948603.2019.111.13
Одним из основных направлений экотоксикологического мониторинга окружающей среды в настоящее время является развитие приемов экстраполяции результатов лабораторных методов биотестирования на состояние изучаемого объекта в природных условиях [1, 2]. Необходимость дать оценку результатам биотестов, полученных на организменном, популяционном уровнях для окружающей среды, в аспекте их влияния на уровни сообщества, экосистемы, свести данные, полученные на разных культурах с разной чувствительностью в общий фактор направленности загрязнения ставит задачи экстраполяции данных результатов.
Одним из главных условий, необходимых для экстраполяции результатов биотестирования, при котором возможен пересчет токсического эффекта на более высокие уровни биологической организации, является достижение в процессе биотеста величин ЕО^о (средняя летальная доза, приводящая к гибели 50% популяции) [3].
В процессе оценки экотоксикологического состояния такого объекта как почва, отличающегося адсорбционными свойствами и способного иметь хроническую токсичность, не всегда удается достичь такого токсикологического показателя как ЬЭ^,, в периоды времени, установленные методикой биотестов.
Одна из таких ситуаций возникает при биотестировании почв с внесенным осадком сточных вод (ОСВ), когда присутствующие в составе осадка контаминанты прочно закреплены в почве. Для определения соответ-
ствия результатов лабораторных биотестов последействию внесения ОСВ в полевых условиях на организмы, принадлежащие к одному таксону энхитреид, проведены исследования с почвой, удобренной ОСВ в высоких дозах.
Методика. Почву для биотестирования отбирали с опыта по многолетнему внесению аэростабилизирован-ных ОСВ. Аккумулированная доза осадков, внесенная за 15 лет в исследуемую почву, составила 1440 т/га.
Почва опытного участка дерново-подзолистая, сформированная на двучленных ледниковых отложениях. Пахотный и иллювиальный горизонты находятся в толще супесчаного отложения, перекрывающего тяжелый моренный суглинок. Исходная агрохимическая характеристика слоя почвы 0-20 см: рНсол 6,0, Нг. -1,05 мг-экв/100 г почвы, S - 7,0 мг-экв/100 г почвы, Р2О5 - 95 мг/кг почвы, К20 - 43 мг/кг почвы, Сорг -0,8%.
Для создания шкалы токсичности в отдельные образцы почвы вносили нитрат кадмия Cd(NO;,)2'4 Н20. В пересчете на кадмий дозы составили 60 и 120 мг/кг.
Биотестирование почвы проводили с использованием биотеста с энхитреидами Enchytraeus albidus [4] -кольчатыми белыми червями.
Анализ на соотношение «масса энхитре-ид/смертность» проводили, перенося взвешенную и промытую в воде массу энхитреид, отобранных на сроках 5, 10, 15, 20, 25, 39 сут, в искусственную почву OECD (70% кварцевый песок, 20 коалиновая глина.
