CC BY
73
УДК 631.417.2
ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ПРОЦЕССА МИНЕРАЛИЗАЦИИ ПРИ КОМПОСТИРОВАНИИ
© О.А. Ульянова1', В.В. Чупрова2, И.В. Люкшина2, М.В. Ивченко2
1 Институт химии и химической технологии СО РАН, ул. К. Маркса, 42,
Красноярск, 660049 (Россия) e-mail: kora@ksс.krasn.ru
2Красноярский государственный аграрный университет, пр. Мира, 88,
Красноярск, 660049 (Россия)
Исследованы процессы минерализации коры лиственницы и ели. Изучено влияние различных минеральных добавок: минеральных удобрений и природных цеолитов на интенсивность минерализационных процессов древесной коры. Определены факторы, влияющие на процесс минерализации. Дана количественная оценка эмиссии С-СО2 при компостировании для различных органо-минеральных композиций. Показано, что внесение цеолитов в органоминеральный компост уменьшает потери углерода при разложении лиственничной коры и увеличивает их в вариантах с еловой.
Введение
Интенсификация земледелия все более зависит от биологических аспектов формирования урожая сельскохозяйственных растений, в частности, от необходимости регулярного возврата в почву полноценного органического материала. Для поддержания бездефицитного баланса гумуса в Красноярском крае объем внесения органических удобрений нужно увеличивать с 13,5 до 21,6 млн т. Поэтому надо изыскивать дополнительные ресурсы для производства органических удобрений [1]. Привлечение для нужд сельского хозяйства края полезных ископаемых и отходов биологического происхождения является актуальным. Ценным и перспективным сырьем для получения нетрадиционных органических удобрений могут служить многотоннажные отходы деревообрабатывающей промышленности - кора различных пород деревьев. Так, только в Красноярском крае ежегодный вывоз коры на свалки составляет около 2 млн т, а по России соответственно - 20-25 млн т. В качестве минеральных добавок к коре, помимо традиционно используемых минеральных удобрений, можно использовать природные цеолиты, обладающие уникальными ионообменными, адсорбционными свойствами и пролонгирующим эффектом. Тем более, что запасы цеолитового сырья в нашем крае огромны и доступны. Переработка дешевой и доступной древесной коры методом компостирования совместно с цеолитовым сырьем позволит вернуть органические и минеральные вещества в биологический круговорот. Однако процессы деструкции древесной коры изучены недостаточно, а с добавками цеолитов еще не исследованы.
Поэтому основной целью наших исследований явилось изучение влияния различных минеральных добавок, в том числе и цеолитовых, на интенсивность процесса минерализации разных видов коры при компостировании.
Автор, с которым следует вести переписку.
Экспериментальная часть
Объектами исследований были многотоннажные отходы деревообработки края - кора ели и лиственницы, цеолиты Сахаптинского и Пегасского месторождений, а также органо-минеральные композиции (удобрения) на их основе. Исследования проводили в модельных опытах. Схема опытов включала следующие варианты:
1. Кора лиственницы - контроль.
2. Кора лиственницы + минеральные удобрения.
3. Кора лиственницы + минеральные удобрения + цеолит сахаптинский 10%.
4. Кора лиственницы + минеральные удобрения + цеолит сахаптинский 15%.
5. Кора еловая - контроль.
6. Кора еловая + минеральные удобрения.
7. Кора еловая + минеральные удобрения + цеолит сахаптинский 10%.
8. Кора еловая + минеральные удобрения + цеолит сахаптинский 15%.
9. Кора еловая + минеральные удобрения + цеолит пегасский 10%.
Через каждые 2 недели компостирования проводили перемешивание смесей и осуществляли их полив. Влажность органо-минеральных композиций поддерживали на уровне 60% от полной влагоемкости. Регулярно измеряли температуру на протяжении всего периода опыта.
Исходная кора лиственницы имела кислую реакцию среды (рН 4.1) и содержала 40% С; 0;29% N 0,12% Р; 0,8% К, соотношение С : N составляло 138. Еловая кора имела рН 5.3 и содержала 33% С; 0,33% N
0,12% Р; 0,2% К, соотношение С : N было 100. Влияние содержания азота в тканях коры на скорость разложения определялось потребностью микроорганизмов в связанном азоте для клеточных синтезов, так как древесная кора с высоким отношением С : N не обеспечивает этой потребности. Поэтому, чтобы сузить С : N кору обогащали азот- и фосфорсодержащими добавками. В качестве азотсодержащей добавки использовали N (мочевину) в дозе - 0,8% на абсолютно сухое вещество, из фосфорсодержащих добавок применяли Рс.д. (двойной суперфосфат) - в дозе 0,3% на абсолютно сухое вещество. При подготовке органоминеральных композиций разного состава в смесь древесной коры и минеральных удобрений, предварительно измельченной до размера 3-10 мм, вводили (по весу) 10 и 15% цеолита Сахаптинского и Пегасского месторождений в зависимости от варианта опыта. Размер фракций вносимого цеолита составил
0,63-1,0 мм. Цеолит Сахаптинского месторождения (территориально находящегося в Красноярском крае), используемый в опытах, представлен в основном минералами: клиноптилолитом и гейландитом, содержание которых в породе составляет 45%. По химическому составу этот цеолит содержит (в %): 8і02 -63,60; А1203 - 13,10; СаО - 4,0; К20 - 3,10; Mg0 - 1,7; №20 - 0,70. Цеолит Пегасского месторождения, так же как и Сахаптинского, представлен минералами гейландит-клиноптилолитовой формы, но процентное содержание их в породе выше и составляет 64%. По химическому составу пегасский цеолит включает (%): 8і02 - 62,70; А1203 - 13,61; Са0 - 4,69; К20 - 1,01; Mg0 - 0,31; №20 - 0,31 [2]. Как видим, эти цеолиты обогащены преимущественно щелочно-земельными ионами и представлены в основном кальциевой формой, содержание цеолитов в породах достаточно высокое (45-64%) и позволяет использовать их в качестве минеральных добавок при подготовке органо-минеральных удобрений.
Важнейшим показателем, определяющим интенсивность минерализации при компостировании органоминеральных композиций на основе коры и цеолитов, является скорость продуцирования углекислоты. Поэтому одной из задач наших исследований было определить количественно потоки углерода, характеризующего трансформацию органического вещества в деструкционном звене углеродного цикла. Интенсивность продуцирования С02 определяли абсорбционным методом в модификации Шаркова [3]. Экспозиция определений составила 24 часа с шагом в одну неделю. Суммарные потери углерода в виде С02 за период наблюдений оценивали с помощью метода линейного интерполирования по формуле:
В, + В2 В2 + В, В„ , + Вп
А = (-^------------2х ^ +^-3х ґ2 + пх іп_{) х 0,273
где А - суммарное количество С-С02 , выделившееся за период наблюдений, в г/м2; Бь В2, В3 ... Вп -соответственно величины первого, второго, третьего, п-ного измерений скорости продуцирования С02 при
компостировании (г/м2 за 24 ч); 11, 12, 1п-1 - периоды времени между измерениями (сут); 0,273 -
коэффициент пересчета С02 в С.
Количественные характеристики, полученные в результате экспериментов, были обработаны статистически [4].
Обсуждение результатов
Процесс деструкции биомассы коры лиственницы с различными минеральными добавками при компостировании наглядно прослеживается по респирационной активности коры и органо-минеральным композициям на ее основе (рис. 1). Интенсивность продуцирования углекислоты в контрольном варианте за весь период наблюдений была минимальной и в первый месяц компостирования составляла 10 г С02/м2 за 24 ч. Лимитирующим фактором, снижающим интенсивность минерализационных процессов (по выделению СО2) коры, является ее кислая реакция среды (рН 4,1). Показано, что внесение минеральных добавок: минеральных удобрений и природных цеолитов в лиственничную кору, нейтрализующих ее кислую реакцию среды, приводит к резкому увеличению скорости продуцирования СО2 в 1,7-1,8 раза в зависимости от используемой добавки. Различия между контролем и вариантами с применением различных минеральных добавок существенны. В то же время варианты с использованием только минеральных удобрений (вариант 2) и применение минеральных удобрений совместно с 10 и 15% добавками цеолитов Сахаптинского месторождения (варианты 3 и 4) оказались статистически незначимы в течение указанного выше периода (табл. 1). Как видно из рисунка 1, интенсивность минерализационных процессов во второй месяц компостирования оставалась высокой в вариантах с применением различных добавок и варьировала от 17,16 до 18,86 г С02/м2 за 24 ч по сравнению с контролем (9,91 г С02 /м2 за 24 ч). Средние значения эмиссии диоксида углерода за второй и третий месяц компостирования были статистически различимы между контролем и вариантами с внесением минеральных добавок в кору. Также существенны были различия по этому показателю между вариантом с минеральными удобрениями (вариант 2) и с совместным применением минеральных удобрений и природных цеолитов (варианты 3 и 4). Но статистически неразличимы по среднему показателю эмиссии СО2 оказались варианты с разным содержанием цеолитов (варианты 3 и 4). К четвертому месяцу компостирования скорость выделения углекислоты несколько снизилась во всех вариантах, но по-прежнему она статистически значима по сравнению с контролем. Различия же между вариантами с использованием разных минеральных добавок нивелировались (табл. 1). В течение пятого месяца компостирования средние значения интенсивности продуцирования СО2 были статистически неразличимы для всех вариантов опыта с применением лиственничной коры. Вероятнее всего, это может свидетельствовать о полном расходовании легкогидролизуемого органического вещества в компостах. В течение 6-го месяца компостирования интенсивность продуцирования углекислоты резко упала, а затем продолжала замедляться в связи с потерей легкодоступной пищи для микроорганизмов, участвующих в разложении коры.
Судя по динамике продуцирования СО2, процессы минерализации выражены особенно активно в вариантах с еловой корой. Ход разложения еловой коры при компостировании с различными добавками показан на рисунке 2. Наиболее высокая респирационная активность (21,52 г СО2/м2 за 24 ч) в 1-й месяц компостирования отмечена в варианте 9 с использованием еловой коры + минеральные удобрения + 10% цеолита Пегасского месторождения. Совместное внесение минеральных удобрений и цеолитовых добавок разных месторождений в еловую кору стимулировало микробиологические процессы, что способствовало в значительной степени усилению продуцирования диоксида углерода в 1,3-1,4 раза по сравнению с контролем и в 1,2 раза по сравнению с вариантом 6, где применялись только минеральные удобрения.
ей' гЛ- ей' л'
Рис. 1. Динамика продуцирования С02. (—о— кора лиственницы - контроль; —▲— кора лиственницы + мин. удобр. + цеолит сахаптинский 10%; —□— кора лиственницы + мин. удобр.; —•— кора лиственницы + мин. удобр. + цеолит сахаптинский 15%)
Рис. 2. Динамика продуцирования С02. (—▲— кора еловая - контроль; —□— кора еловая + мин. удобр.; — П — кора еловая + мин. удобр. + цеолит сахаптинский 10%; —•— кора еловая + мин. удобр. + цеолит сахаптинский 15%; —*— кора еловая + мин. удобр. + цеолит пегасинский 10%;)
Среднестатистические значения скорости выделения углекислоты в вышеуказанных вариантах достоверно различимы (табл. 1). При разложении еловой коры действие цеолита положительно сказалось на увеличение интенсивности продуцирования СО2 с первых дней компостирования. Используемые в опытах цеолиты, как было указано выше, представлены кальциевой формой. По мнению Л. И. Инишевой [5], кальций играет роль регулятора процесса распада органического вещества, нейтрализующего кислотность и увеличивающего биологическую активность. Во второй месяц компостирования еловой коры с различными минеральными добавками сохранилась та же самая закономерность продуцирования углекислоты, что и для 1-го месяца: интенсивность выделения СО2 на контроле без внесения минеральных добавок была минимальной, среднестатистически значимые максимальные значения отмечены в вариантах
с внесением 10% добавок цеолитов разных месторождений. При этом средние значения выделения СО2 в вариантах с применением цеолитов разных месторождений Сахаптинского и Пегасского были статистически неразличимы (табл. 1). Респирационная активность еловой коры с минеральными удобрениями и 10% добавкой цеолита Пегасского месторождения была довольно высокой в течение первых двух месяцев компостирования, затем интенсивность быстро падала и продолжала замедляться в дальнейшем, а с 3-го месяца была даже ниже контрольного варианта (рис. 2). В то же время внесение в еловую кору 10 и 15% добавок цеолитов Сахаптинского месторождения в течение 3-го месяца усилило минерализационные процессы, и интенсивность продуцирования углекислоты в этих вариантах была максимальной. Различия по действию цеолитовых добавок разных месторождений в этот период, по-видимому, связаны с неодинаковым содержанием цеолита в породах. К 4-му месяцу компостирования органо-минеральных композиций все различия между вариантами опыта нивелировались. Исключение составил вариант с использованием пегасского цеолита, где скорость выделения СО2 была существенно ниже контроля.
Таким образом, интенсивней минерализуются еловая кора и органо-минеральные композиции на ее основе, чем лиственничная. Во-первых, это объясняется более узким отношением С : N у еловой коры по сравнению с лиственничной. Во-вторых, это обусловлено разным химическим составом коры, используемой для опытов. По данным В.А. Левданского и др. [6], химический состав коры лиственницы включает (%): экстрактивные вещества - 22,6; полисахариды легкогидролизуемые - 13,8; полисахариды трудногидролизуемые - 19,5; целлюлоза - 60,3; лигнин - 21,2; зольные вещества - 2,3. В еловой же коре содержится (в %): водорастворимые вещества - 11,0; вещества, экстрагируемые спиртобензольной смесью, - 18,5, целлюлоза - 23,0 (в 2,6 раза меньше, чем в коре лиственницы); лигнин - 32,0; пентозаны - 14,0; зольные вещества - 2,5 [7].
Динамика колебания скоростей продуцирования СО2 (рис. 1 и 2) по всем вариантам опыта представлена многовершинными кривыми убывающего характера и связана с разной температурой в дни определений. Наиболее высокие показатели выделения диоксида углерода были отмечены в период максимальных среднесуточных температур воздуха. Нашими исследованиями установлена тесная корреляционная зависимость между эмиссией СО2 и температурой на протяжении всего опыта. Коэффициенты корреляции по всем вариантам превышают 0,9.
Общие потоки С-СО2 по вариантам опыта за весь экспериментальный период представлены в таблице
2. Как видно из таблицы 2, суммарное выделение углекислоты по периодам (месяцам) тесно коррелирует с показателями динамики продуцирования СО2. Под влиянием минеральных удобрений и природных цеолитов по всем вариантам опыта выявлено усиление процессов минерализации древесной коры. На протяжении первых трех месяцев в опытах с лиственничной корой в варианте, где использовались минеральные удобрения, были отмечены наибольшие потери С-СО2 (в 1,7-1,9 раза выше контроля). Внесение цеолитовых добавок (10 и 15%) в органо-минеральный компост, благодаря их адсорбционной способности, снизило потери С-СО2 по сравнению со 2-м вариантом опыта, где применялись только минеральные удобрения, но по-прежнему привело к увеличению общего потока С-СО2 в 1,5-1,7 раза по сравнению с контролем. В течение 4-го месяца компостирования различия между вариантами 2, 3, 4 по суммарному выделению С-СО2 сгладились и были выше контроля в 1,4 раз. Затем к 5-му месяцу компостирования общие потери С-СО2 снизились и стали одинаковыми по всем вариантам опыта. Иная закономерность отмечена нами для опытных вариантов с еловой корой (табл. 2). Наибольшие потери С-СО2 (в 1,3—1,4 раза выше контроля) были отмечены в первые три месяца компостирования еловой коры совместно с минеральными удобрениями и цеолитами разных месторождений. К четвертому месяцу компостирования суммарные потери С-СО2 уменьшились и все различия по вариантам опыта устранились. В течение 6-го месяца компостирования по всем вариантам опыта были отмечены одинаково минимальные потери С-СО2. Рассматривая варианты с разными видами коры, можно отметить, что наименьшие значения общего стока С-СО2 наблюдали на контроле независимо от вида коры, что свидетельствует о низкой степени минерализации и может быть обусловлено кислой реакцией среды исходной коры, широким отношением С : N.
Статистические параметры
Варианты органоминеральных композиций 1 месяц компостирования 2 месяц компостирования 3 месяц компостирования 4 месяц компостирования 5 месяц компостирования 6 месяц компостирования
Х±Бх Б2 Х±Бх Б2 Х±Бх Б2 Х±Бх Б2 Х±Бх Б2 Х±Бх Б2
1.Коралиств-контроль 10,00±0,24 1,16 9,11±0,50 3,93 12,26±0,34 1,54 9,51±0,62 4,63 8,12±0,76 6,91 5,20±0,83 6,24
2. Коралиств+ мин.удоб. 18,28±0,31 1,94 18,86±0,53 4,44 19,57±0,43 2,44 13,03±0,49 2,89 8,48±0,94 10,67 5,01±0,94 7,87
3. Коралиств + мин.удоб. + цеолит сахап. 10% 17,88±0,38 2,81 17,24±0,41 2,67 18,18±0,61 4,89 12,69±0,60 4,26 8,31±0,88 9,25 4,74±0,87 6,78
4. Коралиств+ мин.удоб. + цеолит сахап. 15% 17,36±0,30 1,78 17,16±0,41 2,75 17,45±0,36 1,69 12,27±0,51 3,16 8,42±0,87 9,17 3,97±0,71 4,51
5. Кораелов. - контроль 15,80±0,27 1,43 15,06±0,58 5,35 17,57±0,40 2,05 14,33±0,45 2,48 11,83±0,82 7,99 6,24±0,72 4,64
6. Кораелов + мин.удоб. 19,49±0,28 1,60 16,95±0,33 1,73 17,85±0,33 1,39 15,06±0,36 1,58 10,88±0,85 8,67 5,44±0,95 8,11
7. Кораелов + мин.удоб. + цеолит сахап. 10% 20,73±0,19 0,76 18,58±0,40 2,62 20,07±0,14 0,26 15,78±0,40 1,91 10,46±1,00 11,90 4,83±0,83 6,21
8. Кора<,лов +мин.удоб. + цеолит сахап. 15% 20,53±0,21 0,89 17,87±0,49 3,89 19,32±0,27 0,98 14,03±0,60 3,90 9,79±1,00 12,19 4,44±0,43 1,69
9. Кора<,лов +мин.удоб. + цеолит пегас. 10% НСР 095 21,52±0,13 1,17 0,36 19,75±0,32 1,54 1,67 17,12±0,64 1,48 5,32 11,97±0,53 1,75 3,31 8,93±0,77 3,02 7,07 3,72±0,27 2,26 0,66
Таблица 2. Общий поток С-СО2 по вариантам опыта, г/м2
Варианты Суммарное выделение С-СО2 по периодам Сумма за весь период с 19.04 по 18.10
с 19.04 по 16.05 с 17.05 по 14.06 с 15.06 по 19.07 с 20.07 по 16.08 с 17.08 по 13.09 с 14.09 по 18.10
1.Коралиств-контроль 78 72 113 75 62 47 447
2. Коралиств+ мин.удоб. 141 143 190 102 69 44 689
3. Коралиств + мин.удоб. + цеолит сахап. 10% 139 131 171 100 67 41 649
4. Коралиств + мин.удоб. + цеолит сахап. 15% 135 131 168 97 68 36 635
5. Кораелов. - контроль 122 115 168 111 93 59 668
6. Кораелов + мин.удоб. 151 131 173 115 87 50 707
7. Кораелов + мин.удоб. + цеолит сахап. 10% 159 145 194 121 85 45 749
8. Коралл +мин.удоб. + цеолит сахап. 15% 158 141 154 106 79 44 682
9. Кора<,лов +мин.удоб. + цеолит пегас. 10% 165 152 165 94 70 38 684
44 О. А. Ульянова, В .В. Чупрова, И.В. Люкшина, М.В. Ивченко
Вносимые в кору с минеральными удобрениями цеолиты действовали по-разному на общие потери С-О2: в случае с корой лиственницы, - снижая их, в вариантах с еловой корой, - наоборот, увеличивая, возможно это связано с различным содержанием трудногидролизуемых и легкогидролизуемых соединений в них. Максимальное (749 г СО2/м2) суммарное выделение С-СО2 за весь 6-месячный период определений было отмечено в варианте, где еловая кора компостировалась совместно с минеральными удобрениями и 10%-ной добавкой цеолита Сахаптинского месторождения. В то же самое время при компостировании лиственничной коры с этой же добавкой суммарное выделение С-СО2 было на 100 г СО2/м2 ниже. Механизм действия природных цеолитов на минерализационные процессы разных видов коры при компостировании довольно сложен и требует дальнейших исследований. Количественное описание общих потоков С-СО2 при минерализации коры и органо-минеральных композиций на ее основе, может быть использовано для балансовых оценок потоков углерода в экосистемах.
Выводы
1. Основными факторами, влияющими на процесс минерализации коры, являются реакция среды (рН), соотношение С^, температура и химический состав коры, минеральные добавки.
2. Проведенными исследованиями показано, что интенсивней минерализуются еловая кора и органоминеральные композиции на ее основе, что в значительней мере обусловлено их химическим составом и более узким соотношением С : N.
3. Под влиянием минеральных удобрений и природных цеолитов интенсивность минерализационных процессов у разных видов коры увеличивается в 1,2—1,9 раза по сравнению с контролем. Количественные показатели общих потерь С-СО2 , свидетельствуют о различном влиянии цеолитов на разные виды коры при компостировании. Показано, что внесение цеолитов в органо-минеральный компост уменьшает потери углерода при разложении лиственничной коры и увеличивает их в вариантах с еловой.
Список литературы
1. Кильби И.Я., Лазуткин В.М. Баланс гумуса в почвах, потребность и ресурсы органических удобрений в Красноярском крае // Баланс органического вещества и плодородие почв в Восточной Сибири. Новосибирск, 1985. С. 3-9.
2. Кулебакин В.Г., Ульянова О.А., Бугаева Т.И., Меркулова Е.Н. Исследование физико-химических свойств цеолитов и некоторые аспекты их комплексного использования // Роль минерально-сырьевой базы Сибири в устойчивом функционировании плодородия почв. Красноярск, 2001. С. 105-109.
3. Шарков И.Н. Метод оценки потребности в органических удобрениях для создания бездефицитного баланса углерода в почве пара // Агрохимия. 1986. №2. С. 109-117.
4. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М., 1979. 416 с.
5. Инишева Л.И. Агрономическая природа торфа // Химия растительного сырья. 1998. №4. С. 17-22.
6. Левданский В.А., Полежаева Н.И., Бутылкина А.И., Кузнецов Б.Н. Изучение процесса получения антоцианидинхлоридов из коры лиственницы и пихты // Химия в интересах устойчивого развития. 2002. №3.
7. Хакимова Ф.К., Калегин А.Д., Меллер Я.М., Кофтун Т.Н. Изучение состава отходов окорки различной продолжительности хранения // Известия вузов. Лесной журнал. 1987. №6. С. 121-123.
Поступило в редакцию 10 апреля 2002 г.
