CC BY
65
творимых минеральных удобрений, биогенных элементов и органических веществ с поверхностным стоком с близлежащих сельскохозяйственных угодий происходит регулярное загрязнение воды.
Литература
1. ГОСТ 17.1.2.04-77. Охрана природы. Гидросфера. Показатели состояния и правила таксации рыбохозяйственных водных объектов.- М.: Изд-во стандартов, 1977. - 12 с.
2. Методы химического анализа в гидробиологических исследованиях. - Владивосток, 1979. - 127 с.
3. Мордовин, А.М. Гидроклиматология и гидрохимия Зейского водохранилища / А.М. Мордовин, Е.С. Петров,
B.П. Шестеркин. - Владивосток-Хабаровск: Дальнаука, 1997. - 138 с.
4. Савкин, В.М. Экологические аспекты освоения водных ресурсов водохранилищ Сибири / В.М. Савкин,
C.Я. Двуреченская // Проблемы региональной экологии. - 2008. - № 6 . - С. 144-148.
5. Шестеркин, В.П. Особенности миграции химических элементов в воде Амура в летнюю межень 2002 года / В.П. Шестеркин, В.А. Чудаева, Н.М. Шестеркина, С.Г. Юрченко // Биогеохимические и гидрологические исследования техногенных экосистем. - Вып. 14. - Владивосток: Дальнаука, 2004. - С. 163-171.
'--------♦-------------
УДК 631.862:630.8 О.А. Ульянова, А.С. Нечаева, С.В. Хижняк
ТРАНСФОРМАЦИЯ СОСНОВОЙ КОРЫ И КОМПОЗИЦИЙ НА ЕЕ ОСНОВЕ
В данной работе исследован процесс трансформации коры сосны совместно с минеральными удобрениями и местным сырьем (цеолитом, вермикулитом и сапропелем).
Ключевые слова: сосновая кора, минеральные удобрения, цеолит, вермикулит, сапропель, трансформация, минерализация, гумификация.
O.A. Ulyanova, A.S. Nechaeva, S.V. Khizhnyak TRANSFORMATION OF PINE BARK AND COMPOSITIONS ON ITS BASIS
The process of pine bark transformation together with mineral fertilizers and local raw materials (zeolite, ver-miculite and sapropel) is researched in the article.
Keywords: pine bark, mineral fertilizers, zeolite, vermiculite, sapropel, transformation, mineralization, humification.
Решение проблемы комплексного использования лесных ресурсов предполагает широкое вовлечение в переработку всех видов древесных отходов. Утилизация коры является наиболее слабым звеном в комплексной переработке лесных ресурсов [10]. Однако известно [2, 3, 9], что кора различных пород деревьев является действенным средством, улучшающим структуру и гумусное состояние почвы.
В целях развития теоретических основ применения коры в сельском хозяйстве необходимо изучение механизмов ее трансформации. В данной работе был исследован процесс трансформации коры сосны совместно с минеральными удобрениями и местным сырьем (цеолитом, вермикулитом и болотным образованием - сапропелем) в удобрительные композиции, в которых сельское хозяйство в настоящее время испытывает дефицит.
Объекты и методика исследования
Трансформацию сосновой коры изучали при ее компостировании с минеральным сырьем, сапропелем без участия компонентов почвы в лабораторных условиях в литровых пластмассовых сосудах в течение одного года. Влажность конвертируемой массы коры поддерживали на уровне 60 %. Исходная сосновая кора характеризуется невысокой зольностью (2,3 %), имеет широкое отношение С:И (153), рНн2о- 4,05. Отношение С:Ы было сбалансировано внесением мочевины (Им). В качестве источника фосфора использовали су-
перфосфат (Рс). Минеральные удобрения (^ и Рс) вносили в количествах (по действующему веществу) 1,5 и
0,25 % соответственно в расчете на абсолютно сухую массу коры. Кроме этого, для повышения агрохимического эффекта в композиции вносили местное минеральное сырье: цеолит и вермикулит в количестве 10 % от массы коры, а также сапропель. Методика компостирования сосновой коры включает предварительное ее измельчение до размера частиц 5-10 мм. Подготовку удобрительных композиций осуществляли согласно схеме: 1. Кора сосны (К)+NмPс (короминеральная композиция - КМК) - контроль; 2. К+NмPс+цеолит (короми-неральноцеолитовая композиция - КМЦК); 3. К+NмPс+вермикулит (короминеральновермикулитовая композиция - КМВК); 4. К+NмPс : сапропель = 2:1 (короминеральносапропелевая композиция - КМСК). В течение годового периода наблюдений в удобрительных композициях в динамике определяли подвижные формы азота: нитратную - дисульфофеноловым методом в модификации С.Л. Иодко и И.Н. Шаркова [6], аммонийную -фотоколориметрически в присутствии реактива Несслера, легкогидролизуемую - по Корнфильду [1]. Трансформацию органического вещества коры оценивали по процессам минерализации и гумификации. Минерализацию полученных удобрительных композиций определяли по целлюлозоразложению аппликационным методом по Д.Г. Звягинцеву [5] и по интенсивности продуцирования СО2 абсорбционным методом в модификации И.Н. Шаркова [11]. Для количественной оценки процесса гумификации удобрительных композиций из образцов, прокомпостированных в течение 3, 6, 9 и 12 месяцев, гумусовые вещества извлекали 0,1 н NaOН, гуминовые кислоты (Сгк) - при подкислении полученного щелочного экстракта раствором серной кислоты 1 % концентрации. Содержание фульвокислот (Сфк) устанавливали по разности общего количества углерода гумусовых веществ в 0,1 н NaOн вытяжке и углерода гуминовых кислот в этой же вытяжке [1]. Полученные результаты исследования были обработаны статистически методом дисперсионного анализа [4].
Результаты и их обсуждение
Сосновая кора содержит в своем составе элементы, количество которых уменьшается в следующем порядке (мг/кг): Ca (5397) > K (913) > А (681) > Mg (524) > Fe (407) > Р (290) > Na (165) > Mn (116) > Zn (17) > Си (15) > В (4,40) > И (4,00) > N1 (1,00) > Дв (1,00) > Сг (0,90) > РЬ (0,90) > и (0,85) > V (0,75) > Cd (0,20) > Эг (0,14) > Ва (0,13) > Мо (0,08) > Св (0,02) > Ве (0,01). Как видим, содержание токсичных элементов в коре ниже ПДК, что позволяет ее использовать в сельском хозяйстве. В свое время академик Д.Н. Прянишников [8] считал, что вопрос о наиболее рациональной системе использования отходов имеет существенное агрономическое и санитарное значение. При этом он указывал на целесообразность такого приема, как компостирование отходов, позволяющего получать ценные удобрения.
Обобщая данные таблицы 1, видно, что компостирование сосновой коры с различными добавками в аэробных условиях приводит к уменьшению в композициях содержания углерода органического вещества, но увеличению количества азота, что способствует сужению отношения С : N. Кроме этого в процессе компостирования коры на статистически значимые величины увеличивается содержание легкогидролизуемого азота, фосфора и калия, уменьшается кислотность.
Таблица 1
Характеристика сосновой коры и удобрительных композиций на ее основе
Вариант Сорг, % рНнр Валовые, % Легкогидролизуемый азот по Корнфилду, мг/кг С^
N Р К
Кора сосны, исходная без компостирования 52,0 4,05 0,34 0,03 0,09 150 153
Кора сосны, компостированная без добавок 50,2 4,35 0,54 0,03 0,09 246 92
КМК 48,0 5,05 1,51 0,24 0,09 1294 32
КМЦК 42,2 4,55 1,32 0,28 0,12 1314 31
КМВК 43,6 5,05 1,62 0,40 0,30 728 27
КМСК 48,6 6,40 0,90 0,29 0,15 1394 54
Исследование процесса минерализации органического вещества коры сосны показало, что в контрольном варианте на протяжении первых 5 месяцев компостирования разложение коры происходит медленно, о чем свидетельствуют низкие среднестатистические значения скорости продуцирования СО2 (11-12 г С/м2 в сутки). Лимитирующими факторами, снижающими интенсивность минерализации органического вещества исходной сосновой коры, являлся кислый рН (4,05), широкое отношение С:Ы (153). Добавки к сосновой коре минеральных удобрений, цеолита, вермикулита, сапропеля способствуют уменьшению ее кислотности, что приводит к росту численности грибов в 2,7-5,3 раза в вариантах с минеральным сырьем и увеличению бактерий в 5 раз в варианте с сапропелем по сравнению с контролем (табл. 2). Присутствие легкодоступной пищи для микроорганизмов в композициях стимулирует повышение продуцирования СО2 в 1,3-1,9 раза в зависимости от варианта. Исследователи [7, 12] считают, что главным источником углекислоты является метаболизм микроорганизмов.
Таблица 2
Количество микроорганизмов в композициях, млн шт. на 1 г коры (метод прямого счета)
Вариант Грибы Бактерии
Кора - контроль 2,4 87,2
КМК 12,8 86,4
КМЦК 8,0 76,8
КМВК 6,4 98,4
КМСК 1,6 446,4
Следует отметить, что скорость продуцирования СО2 в вариантах КМК, КМЦК, КМВК и КМСК в течение первых 4 месяцев компостирования варьировала от 14 до 23 г С /м2 в сутки. Постепенно по мере разложения легкогидролизуемых соединений интенсивность процесса минерализации в этих удобрительных композициях снижалась и к 5 месяцу компостирования достигла уровня значений контрольного варианта (рис.1). Обнаружено, что за первые пять месяцев компостирования потери углерода в удобрительных композициях составили около 50 % от общего продуцирования С-СО2 за весь период наблюдений. В период же с 10-го по 12-й месяц компостирования выделение С-СО2 было минимальным и варьировало в пределах 5-11 % от суммарного продуцирования С-СО2. Динамика колебания скоростей продуцирования СО2 (см. рис. 1) по всем вариантам опыта представлена многовершинными кривыми убывающего характера и связана с разной температурой в дни определений. Наиболее высокие показатели выделения диоксида углерода отмечены в период максимальных среднесуточных (24-26 0С) температур воздуха. Результатами исследований установлена тесная корреляционная зависимость между эмиссией СО2 и температурой на протяжении всего опыта. Коэффициенты корелляции составили г = 0,7-0,9.
Рис. 1. Динамика продуцирования углекислого газа
Суммарное количество С-СО2, выделившееся из композиций за весь период наблюдений (12 мес.), убывало в ряду (в г С /м2): КМВК (1473) > КМСК (1400) > КМЦК (1358) > КМК (1251) > кора сосны (1157).
Полученные данные по продуцированию углекислого газа согласуются с результатами определения целлюлозоразлагающей способности композиций. Она выше всегда в вариантах с вермикулитом, цеолитом, сапропелем. Об интенсивности целлюлозоразложения в композициях судили по шкале, разработанной Д. Г. Звягинцевым, согласно которой интенсивность разложения целлюлозы на контроле была очень слабой на протяжении всего периода компостирования, что связано с недостатком азота, кислым рН и т.д. Интенсивность целлюлозоразложения КМК, КМЦК, КМСК в первый месяц компостирования характеризовалась как средняя и составляла 41-48 %, а КМВК - как сильная (разложилось 54 % целлюлозы), что обусловлено составом композиций. В последующие месяцы компостирования различия между КМК, КМЦК и КМВК по данному показателю нивелировались, а интенсивность разложения целлюлозы характеризовалась как средняя согласно градациям (Звягинцев, 1978) по сравнению с контролем, где разложения целлюлозы почти не происходило. Интенсивность разложения целлюлозы тесно коррелировала с содержанием легкогидролизуемого азота в композициях, определенного по методу Корнфильда. Минимальное количество последнего отмечено на контроле на протяжении всего периода компостирования (150-241 мг/100 г). Внесение в сосновую кору минеральных добавок за первые 3 месяца компостирования способствовало увеличению содержания легкогидролизуемого азота в 3,0 раза в сравнении с контролем. В динамике через полгода компостирования композиций содержание азота в КМК, КМЦК И КМВК превысило контроль в 3,4-3,8 раза. В течение 9-12 месяцев компостирования этот показатель был выше контрольного варианта в 5,2-5,3 раза в КМК и КМЦК. Содержание легкогидролизуемого азота за этот же период в КМВК превысило контроль в 3,0-4,3 раза.
Минерализация легкогидролизуемых соединений азота в первые три месяца компостирования выражается в мобилизации аммонийного азота. При этом его количество в композиции с сапропелем увеличивается в 1,5 раза, что определяется изначально высоким содержанием его в композиции. В вариантах с минеральным сырьем, наоборот, его количество снижается в 2,2-2,4 раза по сравнению с контролем, что обусловлено поглощением 1\1Н4+ цеолитом и вермикулитом. В течение 9-го месяца компостирования содержание нитратов повышается в 1,2-4,8 раза в композициях с минеральным сырьем, а содержание аммонийного азота в этих же композициях снижается в 2,3-4,0 раза. К концу компостирования в композициях происходит накопление нитратной формы азота.
Конверсия компостируемых композиций приводит к изменению их химического состава (табл. 3). Доля веществ, экстрагируемых 0,1 н щелочью, которые условно относятся к гумусовым, сокращается с 17,8 % в исходной коре до 7,2-8,6 % в исследуемых композициях к концу 3-месячного срока компостирования. Это связано с освобождением коры сосны от сопутствующих гумусовым веществам летучих терпеновых и фенольных соединений, танинов и др., а не с уменьшением количества гумусовых веществ, что согласуется с результатами исследований других авторов [3]. Объективным доказательством произошедшей гумификации композиций служит изменение соотношения гуминовых кислот к фульвокислотам. Установлено, что в течение первых 3-х месяцев конверсии сосновой коры с минеральным сырьем и сапропелем происходит накопление в основном фульвокислот в композициях. Соотношение гуминовых кислот к фульвокислотам варьирует в пределах 0,5-0,8. В результате конверсии органического вещества коры через 9 месяцев компостирования в КМВК и КМЦК отмечено преобладание подвижных гуминовых кислот над фульвосоединениями. К концу 12 месяца компостирования в КМК, КМЦК, КМВК соотношение гуминовых кислот к фульвокислотам возрастает уже до 1,0-1,3. Результаты исследования свидетельствуют, что, изменяя условия компостирования и состав исходных компонентов, можно управлять физико-химической природой получаемых удобрительных композиций.
Выводы
1. Основными факторами, влияющими на процесс трансформации коры, являются рН, отношение С:1\, химический состав композиции, гидротермические условия.
2. Трансформация коры сосны с естественной ассоциацией микроорганизмов в композициях с минеральными питательными солями, цеолитом, вермикулитом, сапропелем позволяет получать нетрадиционные органо-минеральные удобрительные композиции с содержанием гумусовых веществ 7-9 % от исходного органического материала коры.
Таблица 3
Характер трансформации коры и композиций на ее основе, мг С/100 г
Вариант Длительность компостирования, мес.
3 6 9 12
С 0,1 н NaOH С 0,1 н NaOH С 0,1 н NaOH С 0,1 н NaOH
Сгк Сфк Сгк/Сфк Сгк Сфк Сгк/ Сфк Сгк Сфк Сгк/ Сфк Сгк Сфк Сгк/Сфк
Кора 3673 14105 0,26 5302 9204 0,58 3465 3587 0,97 2211 2662 0,83
КМК 3794 4826 0,79 3302 4061 0,81 2174 2851 0,76 1058 1040 1,02
КМЦК 3313 5177 0,64 4346 5091 0,85 2409 2833 0,85 1628 1258 1,29
КМВК 2711 5289 0,51 2894 4706 0,61 2141 1802 1,19 1446 1090 1,33
КМСК 2950 5600 0,53 4172 4308 0,97 1881 1674 1,12 898 1800 0,50
НСР05 520 721 0,24 1729 1878 0,21 307 1247 0,29 705 799 0,39
3. Применение композиций на основе сосновой коры будет способствовать, во-первых, улучшению
гумусного состояния почв, а во-вторых, позволит утилизировать крупнотоннажные отходы лесной отрасли.
Литература
1. Агрохимические методы исследования почв. - М.: Наука, 1975. - 656с.
2. Варфоломеев, Л.А. Приготовление промышленных компостов на основе твердых отходов деревообработки / Л.А. Варфоломеев. - М., 1992. - 92 с.
3. Варфоломеев, Л.А. Влияние древесной коры и коровых компостов на гумусное и агроэкологическое состояние почвы / Л.А. Варфоломеев, Л.В. Шапошникова, А.И. Бенедиктова // Почвенные исследования на Европейском севере России. - Архангельск, 1996. - С.181-190.
4. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта / Б.А. Доспехов. - М.: Колос, 1979. - 416 с.
5. Звягинцев, Д.С. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Д.С. Звягинцев, И.В. Асеева, И.П. Бабье-ва, Г.Г. Мирчинк. - М.: Изд-во МГУ, 1980. - 223 с.
6. Иодко, С.Л. Новая модификация дисульфофенолового метода определения нитратов в почве / С.Л. Иодко, И.Н. Шарков // Агрохимия. - 1994. - №4. - С. 95-97.
7. Маштаков, С.М. Активность ферментов и интенсивность дыхания как показатели биологической деятельности почвы / С.М. Маштаков, Т.Н. Кулаковская, С.М. Гольпина // ДАН СССР. - 1954. - Т.98. - №1.
8. Прянишников, Д.Н. Избранные сочинения /Д.Н. Прянишников. - Т.1. - М.: Колос, 1965. - С. 610-611.
9. Получение удобрительных композиций и влияние их на содержание и состав органического вещества в черноземе обыкновенном Красноярской лесостепи / О.А. Ульянова [и др.] // Агрохимия. - 2007. -№6. - С. 42-47.
10. Ушанова, В.М. Альтернативные пути использования коры хвойных в различных технологиях / В.М. Уша-нова, Н.А. Заика, Т.И. Гоомовых// Химия и химическая технология. - 2006. - Т.49. - Вып. 5. - С. 72-77.
11. Шарков, И.Н. Метод оценки и потребности в органических удобрениях для создания бездефицитного баланса углерода в почве пара / И.Н. Шарков // Агрохимия. -1986. - № 2. - С. 109-117.
12. Lundegardh, H. Carbon dioxide evolution of soil end growth / H. Lundegardh // Soil Sci. -1927. - №23.
'--------♦------------
