Россия
Россия
Россия
с 01.01.2013 по настоящее время
Омск, Россия
УДК 631.8 Удобрения. Внесение удобрений. Стимуляция роста растений. Ростовые вещества
УДК 631.812.1 Твердые удобрения
УДК 631.861 Удобрения животного происхождения в целом
Цель исследований – изучение экологической безопасности и эффективности влияния продукта ферментативной переработки биоотходов птицефабрики (биоудобрения) на отдельные элементы плодородия почвы и урожайность яровой мягкой пшеницы. Задачи: изучение химического состава удобрения; измерение показателей численности микроорганизмов; определение содержания нитратного азота и фитотоксичности при внесении микроудобрения в почву; оценка его эффективности в полевом опыте при возделывании яровой пшеницы. Закладку полевых испытаний биоудобрения проводили на опытном полигоне лаборатории агрохимии в зоне южной лесостепной зоне Омской области. Почва опытного участка лугово-черноземная среднемощная среднегумусовая тяжелосуглинистая. Схема полевого опыта разрабатывалась с учетом динамики минерализации (20 %) органических удобрений в год их применения: 1 – контроль (без удобрений); 2 – внесение азотно-фосфорных минеральных удобрений в дозе N60P60 (эквивалентная по содержанию N, P, K в 10 т биоудобрения); внесение биоудобрения в дозах: 3 – 10 т/га; 4 – 15 т/га; 5 – 20 т/га. Повторность в опыте трехкратная. Площадь опытной делянки – 18 м2. Закладку опыта, учеты и наблюдения проводили по общепринятым методикам. Лабораторный опыт закладывали по методике ускоренного компостирования по схеме: 1 – контроль (0); внесение в почву биоудобрения в дозах: 2 – 10 т/га; 3 – 20 т/га; 4 – 30 т/га. Качественный анализ биоудобрения показал, что концентрация поллютантов в нем не превышает допустимых пределов. В его составе отсутствовали патогенные и болезнетворные микроорганизмы. По содержанию макроэлементов (NPK) оно не уступает основным биоресурсам (навозу КРС, сапропелю, сидератам). Узкое соотношение азота к углероду (3,6) в нем обеспечивает короткий срок биодеградации его в почве. Внесение биоудобрения в дозах 10–20 т/га положительно влияет на микробный гомеостаз, при этом не проявлялась токсичность почвенного субстрата, улучшался азотный режим питания растений, урожайность яровой пшеницы возрастала до 11 %.
биоудобрение, птицеводство, птичий помет, аэробная ферментация, урожайность яровой пшеницы
Введение. В аграрном комплексе РФ птицеводство – экономически выгодное производство, обеспечивающее население полноценным питанием: мясной продукцией, яйцом и продуктами их переработки. Но при этом на птицефабриках ежегодно образуется большое количество помета и других биоотходов, превышающее по массе основную продукцию, которое может представлять реальную угрозу загрязнения окружающей среды [1]. Анализ существующих технологий переработки птичьего помета и биоотходов в России и за рубежом показывает, что большинство из них энергоемки, требуют специального оборудования и зачастую экологически небезопасны [2, 3]. Например, при термической сушке птичьего помета получают концентрированное органическое удобрение, на что тратится значительное количество энергии, но в процессе сушки выделяются побочные газообразные вещества. Одним из решений данной проблемы является освоение биологических технологий переработки органических отходов, например, аэробной ферментативной переработки с помощью микробных ассоциаций. Конечный продукт ферментации содержит необходимые растениям макро- и микроэлементы, комплекс агрономически ценной микрофлоры, лишен патогенов, семян сорняков, удобен для применения [4].
В активно развивающемся аграрном комплексе Омской области отрасль птицеводства в последние десятилетия базируется на птицеводческих хозяйствах современного промышленного типа, однако же проблема утилизации отходов по-прежнему актуальна. В ее решении производители используют различные подходы: классические и инновационные способы переработки биоотходов. Отдельного внимания заслуживает установка биоконверсии птичьего помета, которая была введена в эксплуатацию в ЗАО «Иртышское» Омского района в 2019 г.
Цель исследований – изучение экологической безопасности и эффективности влияния продукта ферментативной переработки биоотходов птицефабрики (биоудобрения) на отдельные элементы плодородия почвы и урожайность яровой мягкой пшеницы.
Задачи: изучение химического состава удобрения; измерение показателей численности микроорганизмов; определение содержания нитратного азота и фитотоксичности при внесении микроудобрения в почву; оценка его эффективности в полевом опыте при возделывании яровой пшеницы.
Объекты и методы. Исследования проводились в ФГБНУ «Омский АНЦ» в лаборатории агрохимии. Изучаемое биоудобрение получали в вертикальной ферментационной установке COMPO TC-101: сверху в вертикальную круглую емкость объемом около 95 м2 загружались биоотходы влажностью 65–70 %, а снизу ежедневно выгружался готовый продукт. Для разложения органических отходов использовались ферментативные бактерии – Bacillus, Micrococcus, Pseudomonas, Clostridium, они исполняют этапы ферментативного гидролиза и кислотообразования. Микроорганизмы выделяют экзоферменты, осуществляя гидролиз, разложение сложных соединений на простые. Размножение бактерий происходит при наличии питательной среды, в которую входят углерод и кислород. В самом продукте достаточно энергии, и в результате жизнедеятельности микроорганизмов происходило разложение аммиака и других компонентов на доступные для растений вещества. Одновременно эти процессы приводят к увеличению температуры до 70 °С, уничтожая патогены. За это время выделяется столько тепла, что, подключив к агрегату теплообменники, можно обогревать производственные помещения. За время производственного цикла, составляющего 8–10 дней, объем продукта уменьшался более чем на 70 %, что значительно снижало транспортные расходы.
Закладку полевых опытов проводили на опытном полигоне лаборатории агрохимии в зоне южной лесостепи Омской области. Почва опытного участка – лугово-черноземная среднемощная среднегумусовая тяжелосуглинистая. Содержание подвижного фосфора и обменного калия до посева – 105–128 и 350 соответственно мг/кг почвы (по Чирикову), рН 6,6–6,7. Лабораторный опыт закладывали по методике ускоренного компостирования по схеме: 1 – контроль (0); внесение в почву биоудобрения в дозах: 2 – 10 т/га; 3 – 20 т/га; 4 – 30 т/га. Схема полевого опыта разрабатывалась с учетом динамики минерализации (20 %) органических удобрений в год их применения: 1 – контроль (без удобрений); 2 – внесение азотно-фосфорных минеральных удобрений в дозе N60P60 (эквивалентная по содержанию N, P, K в 10 т биоудобрения); внесение биоудобрения в дозах: 3 – 10 т/га; 4 – 15 т/га; 5 – 20 т/га. Повторность в опыте 3-кратная. Площадь опытной делянки – 18 м2. Закладку опыта, учеты и наблюдения проводили по общепринятым методикам. Предшественник – яровая мягкая пшеница, вторая культура после пара. Удобрения вносили весной перед посевом пшеницы с дальнейшей заделкой в почву. Посев яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) и учет урожайности проведен в оптимальные для зоны сроки, сорт – Мелодия селекции ФГБНУ «Омский АНЦ». В течение вегетации проводился уход за посевами: гербицидная и механическая прополка. Определение содержания в почве основных макроэлементов проводили по общепринятым методикам; токсичности почвы – по методу ВИУА (1991); определяли численность микроорганизмов, выращенных на мясо-пептонном агаре (МПА) и крахмало-аммиачном агаре (КАА) [5]. Результаты исследований математически обработаны.
Результаты и их обсуждение. Химический анализ биоудобрения показал, что после 10-дневной ферментации оно имело соответствующий качественный и количественный состав. Содержание основных макроэлементов в нем было практически равноценно, соотношение N : P : K – 1 : 0,9 : 0,8. Количество поллютантов (Рb, Cd, As, Hg, остаточное количество пестицидов) согласно нормативной документации не превышало допустимых значений. Патогенные и болезнетворные микроорганизмы, в т. ч. энтеробактерии, стафилококки, клостридии, бациллы, энтеровирусы, цисты кишечных патогенных простейших, отсутствовали. Исследуемое биоудобрение являлось высококонцентрированным по обеспеченности его фосфором (2,8 % Р2О5) и калием (2,6 % К2О) – их в 10–17 раз выше, чем в навозе КРС, сапропеле и сидеральной смеси. По содержанию валового азота биоудобрению (3,2 %) уступают и навоз (0,45 %), и сидераты (0,44 %), и только у сапропеля концентрация валового азота (2,3 %) была близка к значению данного показателя. Важным показателем при оценке удобрительной ценности любого органического удобрения является не только содержание в нем углерода и азота, но и их соотношение. В изучаемом биоудобрении C : N = 3,6, из чего можно сделать вывод, что при его внесении оно будет быстро биодеградировать, обеспечивая растение основными биогенными элементами питания, и способствовать сохранению почвенного плодородия за счет экономного использования естественных почвенных ресурсов.
Перед закладкой полевого опыта был проведен лабораторный опыт по изучению влияния биоудобрения на микробиоценоз почвы (табл. 1).
Таблица 1
Структура микробного ценоза и трансформация органического вещества в почве,
млн КОЕ/г абс. сухой почвы (срок экспозиции 25 сут)
|
Доза биоудобрения, т/га |
Микроорганизмы |
МПА/КАА |
КАА/МПА |
|
|
на МПА |
КАА |
|||
|
0 |
103,3 |
93,5 |
1,1 |
0,9 |
|
10 |
285,2 |
251,8 |
1,1 |
0,9 |
|
20 |
341,7 |
391,7 |
0,9 |
1,2 |
|
30 |
208,1 |
179,6 |
1,2 |
0,9 |
В контрольном варианте численность микроорганизмов, растущих на МПА и КАА, была 103,3 и 93,5 млн КОЕ/г соответственно. В вариантах с биоудобрением наблюдался всплеск минерализационной активности почвы, которая в большей степени зависела от дозы удобрения: численность возросла в 2–4 раза. Установлено, что дозы биоудобрения 10–20 т/га активизировали микробиоценоз почвы, причем чем выше доза, тем больше численность микроорганизмов, и это относится к обеим группам микроорганизмов, их численность экспоненциально возрастала. Тогда как в варианте с внесением 30 т/га наблюдался менее активный рост численности в сравнении с предыдущими вариантами опыт. Если учесть, что внешние экологические факторы в эксперименте не изменялись, то можно предположить, что микробная активность почвы сдерживалась образованием повышенной концентрации метаболитов в результате биотрансформации 30 т/га биоудобрения. Следует подчеркнуть, что микроорганизмы, растущие на КАА, были более чувствительны, это отчетливо видно на графике (рис. 1), изменение их численности имеет более высокие пиковые значения.
|
10 т/га 20 т/га 30 т/га |
Рис. 1. Численность микроорганизмов на МПА и КАА (± к контролю), %
По соотношению численности микроорганизмов на МПА и КАА были рассчитаны коэффициенты минерализации (Кмин = КАА/МПА) и иммобилизации азота (Киммоб. = МПА/КАА) в почве. Отношение числа микроорганизмов, растущих на КАА, к числу микроорганизмов, растущих на МПА, менее единицы и при обратном соотношении более единицы во всех вариантах кроме 20 т/га, это свидетельствует, что процессы иммобилизации идут более интенсивно. Эта направленность почвенных процессов при внесении биоудобрения подтверждает его экологичность: соединения, образующиеся при его разложении, остаются в границах педосферы.
Эффективность азотных удобрений подтверждена многочисленными исследованиями [6, 7], однако при их применении почва испытывает определенную техногенную нагрузку. В качестве биологического источника азота может быть использовано биоудобрение. Потенциальное азотонакопление при внесении данного биоудобрения было оценено через 7; 14 и 25 дней. Компостирование позволило учитывать азот нитратов, окисленный не только из минеральных форм, но и образованный за счет минерализации мобильных соединений органического вещества. Оценка почвенного субстрата (почва + биоудобрение) при компостировании показала, что в зависимости от времени и дозы органического удобрения количество N-NO3 изменилось на 6–68 % относительно варианта без внесения биоудобрения (рис. 2).
Рис. 2. Изменение содержания нитратного азота в почвенном субстрате
в зависимости от срока компостирования, %
Наибольшее азотонакопление шло при внесении 10 и 20 т/га биоудобрения. Содержание N-NO3 за 25 сут в варианте 10 т/га возросло на 49 %, 20 т/га – на 59 % в сравнении с контролем, а вот в варианте внесения 30 т/га – резко снизилось на 54 %. Такое снижение, предположительно, обусловлено закреплением азота микробной плазмой, так, Киммоб. = МПА/КАА > 1, или особенностями протекания процесса нитрификации. Таким образом, внесение биоудобрения в количестве 10–20 т/га улучшало азотный режим питания растений при экологически безопасном его применении.
В лабораторных условиях также была установлена фитотоксичность почвы при внесении биоудобрения методом биотестирования, тест-культура – редис (Raphanus sativus var. Sativus, сорт Французский завтрак). Токсичность почвы определяли по реакции роста корешков редиса через 7; 14 и 25 дней при t = 20 °С. При внесении биоудобрения в количестве10 т/га токсичность почвы не была обнаружена – ни общая, ни биологическая (рис. 3).
Рис. 3. Изменение длины корешка редиса при прорастании (± к контролю), %
При внесении же 20 и 30 т/га биоудобрения растения уже на начальном этапе онтогенеза испытывали депрессивное влияние продуктов метаболизма биоудобрения. Длина корешка в варианте внесения 20 т/га снизилась на 81–89 % за счет того, что в этом варианте, согласно данным наших исследований, образовалось достаточно большое количество N-NO3. Высокие концентрации азотной кислоты в почвенном растворе, вероятно, ингибировали развитие растений. В варианте 30 т/га также отмечалось снижение длины на 24–35 %. Различия по вариантам объясняются разной концентрацией азотсодержащих оксокислот в почвенном растворе, так как в варианте 30 т/га биоудобрения в почвенном растворе в процессе нитрификации содержался не только конечный продукт – азотная кислота (нитрат-ионы) в достаточном количестве, но и азотистая кислота (нитрит-ионы), которая слабее и поэтому действие почвенного раствора на рост и развитие корешков редиса мы наблюдаем не такое токсичное, как в варианте внесения 20 т/га биоудобрения.
Однако данный эксперимент – это полуоткрытая система, поэтому в полевых условиях описанные выше результаты могут не проявляться, и это мы чуть позже отметим при анализе урожайности полевой культуры опыта. Проведенными исследованиями установлено, что в полевом опыте урожайность яровой пшеницы в варианте без удобрений составила 3,43 т/га (табл. 2).
Таблица 2
Влияние биоудобрения на урожайность зерна яровой пшеницы, т/га
|
Вариант |
Урожайность |
Прибавка |
|
|
Контроль (без удобрений) |
3,43 |
т/га |
% |
|
N60P60 |
3,99 |
0,56 |
16 |
|
Биоудобрение, т/га: 10 |
3,60 |
0,17 |
5 |
|
15 |
3,77 |
0,34 |
10 |
|
20 |
3,82 |
0,39 |
11 |
|
НСР05 |
0,42 |
||
Существенное влияние на продуктивность яровой пшеницы оказала оптимизация минерального питания: при внесении минеральных удобрений в дозе N60P60 дополнительно получено 0,56 т/га зерна, внесение биоудобрения обеспечило получение прибавки урожая 0,14–0,39 т/га, или 5–11 %. Лучшим вариантом с позиции экономической целесообразности был вариант внесения 20 т/га биоудобрения, прибавка составила 0,39 т/га зерна и дальнейшее увеличение дозы до 30 т/га не обеспечило существенного роста урожайности. Однако стоит помнить, что органические удобрения обладают длительным сроком последействия и оказывают положительное влияние на сохранения почвенного плодородия [5].
Заключение. Таким образом, внедрение микробных биотехнологий в технологический цикл птицеводческих хозяйств обеспечивает надежное экологическое благополучие из-за отсутствия источника загрязнения окружающей среды – птичьего помета и других отходов, а растениеводческие хозяйства будут иметь возможность увеличения урожайности сельскохозяйственных культур за счет сохранения почвенного плодородия сельскохозяйственных угодий.
1. Волошин Е.И. Эффективность применения органических удобрений в агропромышленном комплексе Красноярского края // Вестник КрасГАУ. 2016. № 4. С. 138–146.
2. Инновационные способы переработки биоотходов птицеводства / В.Н. Попов [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий. 2020. № 82 (1). С. 194–200.
3. Anaerobic digestion of different feedstocks: impact on energetic and environmental balances of biogas process / J. Bacenetti [et al.] // Science of The Total Environment. 2013. P. 541–551.
4. Получение органического продукта, обладающего свойством биоудобрения, путем биоконверсии птичьего помета / Г.В. Петрова [и др.] // Вестник КрасГАУ. № 12. 2020. С. 90–95.
5. Воронкова Н.А. Биологические ресурсы и их значение в сохранении почвенного плодородия и повышении продуктивности агроценозов Западной Сибири. Омск, 2014. 188 с.
6. Влияние дифференцированного внесения азотных удобрений на урожайность и качество зерна яровой пшеницы / Н.Ф. Балабанова [и др.] // Инновационные технологии в земледелии и растениеводстве: сб. науч. ст., посвящ. 70-летию д-ра с.-х. наук Юшкевича Леонида Витальевича. Омск, 2022. С. 10–16.
7. Агротехнические приемы повышения продуктивности пашни в Приенисейской Сибири / А.А. Шпедт [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2022. № 7. С. 11–19.
