Подготовка сточных вод и режим орошения сельскохозяйственных культур в условиях лесостепной зоны челябинской области
На правах рукописи
ШЕПТАЛОВ Вячеслав Борисович
ПОДГОТОВКА СТОЧНЫХ ВОД И РЕЖИМ ОРОШЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ
ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ
Специальность: 06.01.02 - мелиорация, рекультивация
и охрана земель
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Барнаул – 2011
Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет» в 2008 – 2010 гг.
| Научный руководитель: | доктор сельскохозяйственных наук, доцент Давыдов Александр Степанович |
| Официальные оппоненты: | доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Михайлова Надежда Викторовна |
| кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Шнейдер Владимир Давидович | |
| Ведущая организация: | ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» |
Защита состоится 15 декабря 2011 года в 11.30 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.002.03 при ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет» по адресу 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98, факс (3852) 62-83-96,
e-mail [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет».
Автореферат разослан 14 ноября 2011 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Н.Н. Чернышева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. С пуском комплекса по убою и переработке мяса птицы в поселке Тимирязевский Чебаркульского района было начато строительство очистных сооружений. Ежедневный объем сточных вод от убойного цеха комплекса и дополнительно коммунальных сточных вод поселка Тимирязевский составляет около 2 тыс. м3. За год объем сточных вод может составить более 700 тыс. м3. Этот объем стоков необходимо утилизировать.
Одним из наиболее приемлемых способов утилизации является их использование в качестве жидкого органического удобрения для орошения сельскохозяйственных растений. Для правильного применения сточных вод необходимо знать их химический состав, определить сроки и нормы внесения, подобрать культуры. Для каждой почвенно-климатической зоны эти условия специфичны.
В этой связи тема исследований по разработке технологии подготовки сточных вод и разработке режима орошения сельскохозяйственных культур в условиях лесостепной зоны Челябинской области весьма актуальна.
Цель исследований. Разработка и научное обоснование технологии подготовки сточных вод убойного цеха птицеводческого комплекса и режима орошения сельскохозяйственных растений.
Задачи исследований:
1. Изучить химический состав сточных вод, используемых для орошения, определить их удобрительную ценность.
2. Дать экологическую оценку сточным водам.
3. Дать характеристику агрохимическим и водно-физическим свойствам почв орошаемого участка.
4. Подобрать культуры для возделывания при орошении сточными водами.
5. Разработать режим орошения сельскохозяйственных растений.
6. Установить влияние орошения сточными водами на урожайность растений и качество продукции.
7. Определить экономическую эффективность возделывания сельскохозяйственных растений при орошении сточными водами.
На защиту выносятся положения:
1. Целесообразность и практическая возможность использования сточных вод для орошения сельскохозяйственных растений.
2. Влияние сточных вод различного состава на урожайность растений и качество продукции.
Научная новизна. Впервые по результатам исследований, проведенных в условиях Челябинской области, дана оценка сточных вод убойного цеха птицеводческого комплекса. Обоснована возможность их использования для орошения сельскохозяйственных растений. Установлено их влияние на величину и качество урожая. Теоретически определены и практически подтверждены оптимальные нормы внесения сточных вод под различные культуры с учетом погодных условий вегетационного периода.
Практическая значимость. Реализована технология подготовки сточных вод для орошения в системе прудов с различными видами растений и животными организмами. Предложены культуры, наиболее отзывчивые на орошение сточными водами, и разработаны режимы орошения. Орошение сточными водами обеспечило повышение урожайности растений без снижения качества продукции.
Реализация результатов исследований. Запроектированы и построены очистные сооружения для сточных вод убойного цеха птицеводческого комплекса с возможностью приема коммунальных сточных вод поселка Тимирязевский. Прошли производственные испытания технологии подготовки сточных вод и режимы орошения сельскохозяйственных растений на полях ООО «Агрофирма «Тимирязевская»» Чебаркульского района.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на общественных слушаниях с участием: представителей администрации пос. Тимирязевский; ТО Роспотребнадзора в г. Чебаркуле, Чебаркульском и Уйском районах; архитектора Чебаркульского района; дирекции ООО «Агрофирма «Тимирязевская»»; общественности пос. Тимирязевский в 2009-2010 гг.
Личный вклад соискателя. Автор диссертации являлся ответственным исполнителем тематики исследований. Принимал непосредственное участие в разработке программы исследований, закладке и проведении полевых опытов, ведении сопутствующих наблюдений, обработке полученных результатов, написании диссертационной работы.
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 5 научных статьях, опубликованных в изданиях, входящих в перечень ВАК. Объем публикаций составляет 1,1 п.л., в том числе доля автора – 0,4 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, рекомендаций производству, библиографического списка и приложений. Содержание работы изложено на 120 страницах печатного текста, включает 22 таблицы, 12 рисунков, 2 приложения. Список литературы включает 187 наименований, в том числе 8 на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Орошение сельскохозяйственных растений сточными водами
На основании анализа результатов исследований как отечественных и зарубежных ученых показано, что использование сточных вод на орошение рассматривается многими исследователями как надежное средство их обезвреживания, эффективный способ получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур и охраны окружающей среды от загрязнения (Канардов, 1946, 1964, 1974; Костяков, 1960; Андреев, 1961, 1965, 1969, 1976, 1977; Львович, 1965, 1968; Новиков, 1972, 1978, 1985, 1986; Додолина, 1970; Мерзлая, 1963, 1978; Можейко, 1966, 1967, 1968, 1972; Буданов, 1970; Кутепов, 1983; Сергиенко, 1990; Романенко, 1993; 1995; Сергиенко, Овцов, Семенов, 1993; Гостищев, 1990, 2004; Воробьёва, 1995, 2000; Давыдов, 2008, 2011 и другие).
За прошедшие десятилетия накоплен большой опыт утилизации сточных вод и жидкого навоза, однако, до сих пор этот вопрос является сложной проблемой. Это связано с большим разнообразием химического состава сточных вод, зависящего от вида животных, хранения и обработки навоза, а также размеров хозяйств (Никитин, 1992; Шевелев, Кошевой, 1992; Меркурьев, Воробьева, 1996; Разяпов, 1996; Давыдов, Воробьева, 1997; Мерзлая, 1998). На разработку технологии подготовки сточных вод цеха по убою и переработке птицы и режима орошения сельскохозяйственных культур в условиях лесостепной зоны Челябинской области и направлены наши исследования.
Глава 2. Объекты, методы и условия проведения исследований
Челябинская область находится на границе двух частей света – Европы и Азии. Чебаркульский район расположен в центре Челябинской области. Климат на территории района континентальный, с ярко выраженными временами года. Средняя температура января – 16оС (минимальная – 47оС), средняя температура июля +17оС (максимальная +38оС), среднее годовое количество осадков 400 – 500 мм.
Исследования проведены в 2008 – 2010 гг. Лабораторные опыты выполнены в Челябинском НИИСХ (пос. Тимирязевский Чебаркульского района) и в НИИХИМ АГАУ (г. Барнаул); полевые – на землях ООО «Агрофирма «Тимирязевская»» и ИП Водичко А.А.. Опыты сопровождались постоянными наблюдениями и учетами, выполненными с соблюдением требований методик опытного дела (Доспехов, 1985).
Размещение вариантов в опыте – систематическое; повторность – трехкратная; площадь опытной делянки – 50 м2 (5 м х 10 м). Способ полива – дождевание. Глубина активно регулируемого поливами слоя почвы 0,5 и 1,0 м в зависимости от культуры.
Сельскохозяйственные культуры подобраны согласно требованиям, изложенным в ВНТП 01-98 (Издание официальное, М., 1998).
Для орошения сточными водами были выбраны многолетние травы, кукуруза, однолетние травы, ячмень и пшеница.
В 2009 году возделывали кукурузу на зеленый корм, ячмень – на зеленую массу и кострецово-люцерновую травосмесь 4 года пользования – на сено.
В 2010 году после кукурузы были посеяны однолетние травы (смесь овса, ячменя, вики) – на зеленый корм; после ячменя – пшеница на зерно, многолетняя кострецово-люцерновая травосмесь использовалась 5-й год.
Схема полевого опыта включала:
1. Вариант без орошения;
2. Орошение чистой водой;
3. Орошение сточными водами убойного цеха, смешанными со сточными водами поселка Тимирязевский в соотношении 1 : 1;
4. Орошение сточными водами убойного цеха.
Режим орошения на всех культурах во все годы исследования разрабатывался для поддержания уровня предполивной влажности не ниже 60% НВ. На многолетних травах заданный уровень увлажнения поддерживали в слое почвы 1 м, на всех остальных культурах – в слое 0,5 м.
Водно-физические свойства почвы определяли по методикам, изложенным в работах Н.А. Качинского (1965, 1970), А.Ф. Вадюниной, З.А. Корчагиной (1986). Анализы почв на агрохимические и агромелиоративные показатели выполняли по соответствующим ГОСТам.
Анализ сточных вод проводили по пособию «Рекомендации по анализу сточных вод животноводческих комплексов» (1984).
Агротехника возделывания сельскохозяйственных культур соответствовала рекомендованной для данной зоны.
При обработке опытных данных использовали методы математической статистики, изложенные в работе Б.А. Доспехова (1985).
Сведения о погодных условиях в годы проведения исследований получены на метеорологической станции Тимирязевская Чебаркульского района.
За вегетационный период 2009 года (май-август) осадков выпало на 57,8 мм больше, чем по средним многолетним значениям (288,8 и 231,0 мм, соответственно). Температура воздуха за 2009 год (16,3 оС) превысила среднюю многолетнюю на 1,3 оС.
В 2010 году за вегетационный период выпало осадков меньше среднемноголетнего значения на 75,1 мм, температура воздуха превысила среднюю многолетнюю на 4,0 0С.
В 2009 году кукурузу на зеленую массу возделывали на черноземе обыкновенном, а ячмень на зеленый корм и кострецово-люцерновую травосмесь на сено – на серой лесной почве.
На поле с кукурузой чернозем обыкновенный неполно-развитый, маломощный среднесуглинистый. Мощность гумусового горизонта 34 см. Содержание гумуса в пахотном горизонте (0–20 см) составляет 5,36%; легкогидролизуемого азота – 4,05 мг/кг; подвижного фосфора (P2O5) – 107,5 мг/кг; обменного калия (K2O) – 66,5 мг/кг. Реакция почвенного раствора является нейтральной (pHc – 6,11; pHв – 7,41).
На поле с ячменем и кострецово-люцерновой травосмесью почва – серая лесная. Мощность гумусового горизонта 22 см. Содержание гумуса в пахотном горизонте (0–20 см) составляет 4,79%; легкогидролизуемого азота – 1,01 мг/кг; подвижного фосфора (P2O5) – 44,8 мг/кг; обменного калия (K2O) – 58,3 мг/кг. Реакция почвенного раствора является нейтральной (pHc – 6,61; pHв – 7,71).
Наименьшая влагоемкость чернозема обыкновенного в слое 0-50 см 25,2% от веса сухой почвы, серой лесной почвы – 21,0%.
Плотность сложения почвы в слое 0-50 см 1,34 г./см3 – в черноземе и 1,40 г/см3 – в серой лесной почве. Удельная масса чернозема обыкновенного и серой лесной почвы близка по значениям. В слое 0-50 см в черноземе – 2,65 г/см3, в серой лесной – 2,66 г/см3.
Водопроницаемость за первый час на черноземной почве – 3,1 мм/мин., на серой лесной почве – 8,7 мм/мин, что почти в три раза выше.
Глава 3. Технологии подготовки и экологические показатели сточных вод
Среднесуточный выход сточных вод убойного цеха и жилого поселка составляет 2000 м3/сутки или 730 тыс. м3 в год. Состав сточных вод по опытным данным приведен в таблице 1.
Таблица 1 –Состав сточных вод убойного цеха птицефабрики и
хозяйственно-бытовых сточных вод жилого поселка
| Показатель | Ед. измер. | Вид сточных вод | ПДК | ||
| из убойного цеха | хозяйственно-бытовые | смешанные | |||
| Взвеш. вещества | мг/л | 2000 | 700 | 1350 | 10,75 |
| БПК | мг О2/л | 2800 | 500 | 1650 | 3 |
| Жиры | мг/л | 1000 | 3-5 | 502-503 | отсутствие |
| Азот аммонийный | мг/л | 130,0 | 40-50 | 85-90 | 0,39 |
| Фосфор общий | мг/л | 20,0 | 15-30 | 18-25 | 0,2 |
| рН | –– | 6,5 – 8,0 | 7,5 | 7-7,5 | 6,5 – 8,5 |
Расчетная производительность очистных сооружений составляет 3000 – 3350 м3/сутки. Период работы сооружений с учетом климатических условий принят в 138 суток – с 10 мая по 25 сентября. Сточные воды после прохождения через сооружения механической очистки и после жироловок поступают в регулирующий приемный резервуар насосной станции. Далее стоки по напорному трубопроводу перекачиваются в секции прудов-накопителей сточных вод годового и полугодового регулирования, где выдерживаются с 25 сентября текущего года по 10 мая следующего. За зимний период верхний слой жидкости промерзает. При этом через 10-15 дней микробы группы кишечной палочки (Escherichia coli) погибают в толще льда на 99%. Сточные воды из прудов-накопителей поступают в пруд подготовленных стоков, где выдерживаются с 10 мая по 25 сентября, затем подготовленные стоки направляются на очистку в водорослевые и рачковые пруды. Доочистка сточных вод осуществляется на биоинженерных сооружениях (БИС) с высшей водной растительностью (ВВР).
Кислород, вырабатываемый водорослями, в процессе фотосинтеза интенсивно окисляет органические соединения загрязнений в стоках и переводит их в минеральную форму. Глубина стояния воды в водорослевых прудах составляет от 1 до 1,5 м. Из водорослевых прудов стоки самотеком подаются в рачковые пруды.
В рачковых прудах формируется значительная масса фито– и зоопланктона (микроводоросли, личинки насекомых, ракообразные и другие беспозвоночные), служащая хорошим кормом для рыб.
Из рачковых прудов сточные воды направляются на БИС с ВВР. Использование ВВР вызвано их доступностью и повсеместным распространением, простотой культивирования, способностью к фотосинтезу. Особое место среди них занимают полупогруженные водные растения: рогоз, тростник обыкновенный, камыш озерный.
Снижение БПК5 (биохимическая потребность в кислороде в пятисуточной пробе) по звеньям цепи очистных сооружений приведено в таблице 2.
Таблица 2 –Динамика снижения БПК5, мг О2/л по звеньям технологической
цепи очистки сточных вод
| Пруд подготовленных стоков | Водорослевые пруды | Рачковые пруды | Биоинженерные сооружения | |||||
| 1-я ступень | 2-я ступень | |||||||
| вход | выход | вход | выход | вход | выход | вход | выход | |
| 1650 | 1650 | 650 | 650 | 200 | 200 | 50 | 50 | 3 |
Подготовленные сточные воды с очистных сооружений используются для орошения сельскохозяйственных растений. Они характеризуются нейтральной реакцией среды (pH 7,42–7,58), низкой общей минерализацией, не превышающей 748 мг/л.
В 1 м3 сточных вод убойного цеха содержится: азота растворимого более 0,05 кг, а в годовом объеме, составляющем 365000 м3, его накопится более 18 тонн; подвижного фосфора в 1 м3 0,027 кг, в объеме 365000 м3 – 9,9 т.; калия в 1 м3 – 0,035 кг, в объеме 365000 м3 – 12,8 тонн.
В смешанных сточных водах в 1 м3 содержится азота растворимого 0,038 кг, в объеме 730000 м3 его накопится почти 28 тонн; подвижного фосфора в 1 м3 – 0,015 кг, в объеме 730000 м3 – 11 т.; калия в 1 м3 – 0,020 кг, в объеме 730000 м3 – 14,6 тонн.
Подготовленные сточные воды содержат допустимое количество непатогенных микроорганизмов (БГПК, ФКП, энтерококков, клостридий), не содержат патогенной микрофлоры и яиц гельминтов.
Пригодность сточных вод для орошения была оценена как по их агрохимической, так и ирригационной характеристикам.
Ниже рассмотрены отдельные показатели оценки качества поливной воды в среднем за 2009-2010 гг. Минерализация сточных вод (менее 1 г/л), рН (7,42-7,58), не превышают допустимых значений, поэтому сточные воды по указанным показателям являются пригодными для орошения.
По соотношению одновалентных катионов к сумме всех катионов (0,03-0,22), сточные воды характеризуются как неопасные (Можейко, Воротник, 1958).
По соотношению суммы одновалентных катионов к двухвалентным (0,36-0,49) оцениваются как пригодные для орошения (Соболева, 1965).
В США качество воды оценивают по величине коэффициента потенциального поглощения натрия (SAR):
SAR = 
;
где концентрация катионов выражается в мг-экв/л.
Вместе с тем, С.Я. Сойфер и Л.Н. Василенко (1978) отмечают, что оценка качества оросительных вод, основанная на показателе натриевого адсорбционного отношения SAR не всегда приемлема, так как она не учитывает резервы кальция в почве, и оценка возможности осолонцевания в ряде случаев будет преувеличенной. Дополнительный эффект от наличия резервов кальция в почвах учитывает «выверенное» натриевое адсорбционное отношение, используемое в настоящее время в некоторых лабораториях США:
SAR*=
;
где pHC – расчетная величина, учитывающая сумму катионов (Ca+++Mg++) и анионов (CO3--+HCO3-).
При орошении сточными водами убойного цеха птицефабрики и жилого поселка Тимирязевский осолонцевание почв не ожидается, так как SAR* = 0,43-3,56 при допустимом значении не более 6.
Ирригационный (щелочной) коэффициент Стеблера (Ка) в подготовленных сточных водах превышает 25 (при нормативе Ка 18), что характеризует их как воды хорошего качества.
Содержание в сточных водах хлоридов (74,4 – 87,0 мг/л), сульфатов (10,9 – 41,8 мг/л), натрия (3,0 – 34,2 мг/л) не превысило рекомендованные.
Таким образом, по соотношению ионов и по большинству расчетных коэффициентов сточные воды пригодны для орошения сельскохозяйственных культур.
Глава 4. Режим орошения сточными водами и водопотребление растений
Для большинства зерновых культур, многолетних трав, возделываемых на поливе, нижний предел оптимальной влажности почвы составляет 60 – 65% НВ (Колпаков, Сухарев,1988; Ерхов и др.,1991; Желязко и др., 2006).
В наших исследованиях был принят уровень предполивной влажности почвы, равный 60% НВ.
Для поддержания заданного уровня влажности почвы были определены оросительные, поливные нормы и сроки полива. По расчетам оросительные нормы составили, м3/га: на кукурузе – 1100; на ячмене – 600; на однолетних травах, пшенице – 400; на многолетних травах – 2700.
Фактически в 2009 году на кукурузе было проведено 2 полива нормой 200 м3/га, оросительная норма составила 400 м3/га. На ячмене было проведено 2 полива нормой 200 м3/га, оросительная норма – 400 м3/га. На многолетних травах 4 года пользования было проведено 3 полива нормой 400 м3/га, оросительная норма – 1200 м3/га.
В 2010 году было проведено на однолетних травах 2 полива нормой 200 м3/га, оросительная норма составила 400 м3/га. На пшенице было проведено 2 полива нормой 200 м3/га, оросительная норма – 400 м3/га. На многолетних травах 5 г. п. было проведено 5 поливов нормой 400 м3/га, оросительная норма – 2000 м3/га.
За все годы исследований на вариантах с орошением влажность расчетного слоя почвы находилась в заданных пределах от НВ до 60% НВ.
На варианте без орошения в 2009 году влажность расчетного слоя почвы под кукурузой и ячменем также не опускалась ниже 60% от НВ, но фактические значения оказались ниже, чем на вариантах с орошением. Под многолетними травами влажность почвы снизилась ниже уровня 60% от НВ.
В 2010 году на всех культурах на варианте без орошения влажность почвы опустилась до уровня ниже 60% НВ.
Были установлены количественные связи между расходами влаги и урожайностью сельскохозяйственных культур, определено влияние на урожайность культур и суммарное водопотребление орошения чистой природной водой и сточными водами.
Данные по структуре суммарного водопотребления культур представлены в таблице 3.
В 2009 году на варианте без орошения максимальное водопотребление было в посеве многолетних трав на сено – 3574 м3/га. На кукурузе и ячмене суммарное водопотребление оказалось ниже на 157 и 225 м3/га, соответственно.
Таблица 3 –Структура суммарного водопотребления культур (Е, м3/га)
| Культура | Год | Е, м3/га | Оросительная норма | Приход влаги от осадков | Использование запасов почвенной влаги | |||
| м3/га | % от Е | м3/га | % от Е | м3/га | % от Е | |||
| Кукуруза, полив | 2009 | 3556 | 400 | 11,2 | 2888 | 81,2 | 268 | 7,6 |
| Кукуруза, б/о | 3417 | 0 | 0 | 2888 | 84,5 | 529 | 15,5 | |
| Ячмень, полив | 3519 | 400 | 11,4 | 2888 | 82,1 | 231 | 6,5 | |
| Ячмень, б/о | 3349 | 0 | 0 | 2888 | 86,2 | 461 | 13,8 | |
| Мн. тр. 4 г.п.., полив | 4118 | 1200 | 29,1 | 2888 | 70,1 | 30 | 0,8 | |
| Мн. тр., б/о | 3574 | 0 | 0 | 2888 | 80,8 | 686 | 19,2 | |
| 1-лет. тр., полив | 2010 | 2334 | 400 | 17,1 | 1559 | 66,8 | 375 | 16,1 |
| 1-лет. тр., б/о | 2409 | 0 | 0 | 1559 | 64,7 | 850 | 35,3 | |
| Пшеница, полив | 2197 | 400 | 18,2 | 1559 | 71,0 | 238 | 10,8 | |
| Пшеница, б/о | 2188 | 0 | 0 | 1559 | 71,3 | 629 | 28,7 | |
| Мн. тр. 5 г.п., полив | 3559 | 2000 | 56,2 | 1559 | 43,8 | 0 | 0 | |
| Мн. тр., б/о | 2859 | 0 | 0 | 1559 | 54,5 | 1300 | 45,5 | |
В структуре суммарного водопотребления основной приход влаги приходится на осадки. По культурам доля этой влаги изменялась от 80,8 до 86,2%.
На вариантах с орошением приход влаги от осадков снизился до 81,2% – на кукурузе и до 70,1% – на многолетних травах. Вторым по значимости источником влаги явилась оросительная норма. На кукурузе и ячмене оросительная норма в суммарном водопотреблении превысила 11%, а на многолетних травах – 29%.
В 2010 году на варианте без орошения приход влаги от осадков на пшенице составил 71,3%, а на многолетних травах всего 54,5%. В этом году использование запасов почвенной влаги под многолетними травами превысило 45%. На вариантах с орошением доля оросительной воды в суммарном водопотреблении многолетних трав превысила 56%.
Эффективность использования растениями воды оценивается по коэффициенту водопотребления, который показывает, сколько расходуется воды на образование единицы товарной продукции (м3/т).
Коэффициенты водопотребления представлены в таблице 4.
Из культур, возделываемых в 2009 году, наименьшие коэффициенты водопотребления были на кукурузе. Они изменялись от 52,92 (орошение стоками убойного цеха) до 58,31 м3/т на контроле без орошения. Максимальные коэффициенты водопотребления оказались у многолетних трав на сено. Они варьировали от 355,00 (орошение стоками убойного цеха) до 430,60 м3/т на варианте без орошения.
Таблица 4 –Коэффициенты водопотребления культур
| Культура | Вариант | Год | Суммарное водопотребление, м3/га | Урожайность, т/га | Коэф. водопотреб., м3/т |
| Кукуруза (зеленая масса) | без орошения | 2009 | 3417 | 58,6 | 58,31 |
| чистая вода | 3556 | 61,6 | 57,73 | ||
| смешанные стоки | 3556 | 66,1 | 53,80 | ||
| стоки убойного цеха | 3556 | 67,2 | 52,92 | ||
| Ячмень (зеленая масса) | без орошения | 2009 | 3349 | 22,8 | 146,89 |
| чистая вода | 3519 | 23,2 | 151,68 | ||
| смешанные стоки | 3519 | 25,2 | 139,64 | ||
| стоки убойного цеха | 3519 | 27,4 | 128,43 | ||
| Многолетние травы (сено) | без орошения | 2009 | 3574 | 8,3 | 430,60 |
| чистая вода | 4118 | 10,2 | 403,73 | ||
| смешанные стоки | 4118 | 10,5 | 392,19 | ||
| стоки убойного цеха | 4118 | 11,6 | 355,00 | ||
| 1-летние травы (зеленая масса) | без орошения | 2010 | 2409 | 12,5 | 192,72 |
| чистая вода | 2334 | 15,5 | 150,58 | ||
| смешанные стоки | 2334 | 17,0 | 137,29 | ||
| стоки убойного цеха | 2334 | 17,3 | 134,91 | ||
| Пшеница (зерно) | без орошения | 2010 | 2188 | 1,39 | 1574,10 |
| чистая вода | 2197 | 1,71 | 1284,79 | ||
| смешанные стоки | 2197 | 1,77 | 1241,24 | ||
| стоки убойного цеха | 2197 | 1,72 | 1277,33 | ||
| Многолетние травы (сено) | без орошения | 2010 | 2859 | 4,9 | 583,47 |
| чистая вода | 3559 | 9,5 | 374,63 | ||
| смешанные стоки | 3559 | 10,8 | 329,54 | ||
| стоки убойного цеха | 3559 | 10,0 | 355,90 |
Коэффициенты водопотребления у ячменя при сравнении с кукурузой, также возделываемой на зеленый корм, оказались почти в 2,5 раза выше. Это связано с тем, что при сравнимых значениях по суммарному водопотреблению, урожайность зеленой массы ячменя оказалась значительно ниже урожайности кукурузы. На всех культурах в 2009 году наибольшие коэффициенты водопотребления были на варианте без орошения. Это свидетельствует о том, что, несмотря на меньшее суммарное водопотребление из-за отсутствия поливов, эффективность расходования влаги минимальная.
В 2010 году на всех культурах максимальные значения коэффициента получены на варианте без орошения. На однолетних травах он составил 192,72 м3/т, а на вариантах с орошением он изменялся от 134,91 до 150,58 м3/т. На других культурах прослеживается такая же закономерность.
Максимальные значения коэффициента водопотребления из всех культур получены на пшенице, возделываемой на зерно. На вариантах с орошением он изменялся от 1241,24 до 1284,79 м3/т, а без орошения достиг почти 1600 м3/т.
Влияние орошения сточными водами на почву. Орошение сточными водами повлияло не только на растения, но и способствовало незначительному увеличению содержания в черноземной почве гумуса (от 5,36 до 5,44-5,67 мг/кг), подвижного фосфора (от 107,5 до 108,8-131,3 мг/кг), обменного калия (от 66,5 до 75,0-84,0 мг/кг).
В серой лесной почве содержание гумуса до орошения в слое 0 – 20 см было 4,79%, после орошения сточными водами – 4,83%. Содержание подвижного фосфора увеличилось от 44,8 до 49,3-49,8 мг/кг, обменного калия – от 58,3 до 63,0-68,0 мг/кг.
На водно-физические свойства почв сточные воды за 2 года орошения влияния не оказали.
Глава 5. Урожайность растений и качество продукции при орошении сточными водами
На варианте без полива (контроль) сформировалась урожайность зеленой массы кукурузы 58,6 т/га. При проведении поливов стоками убойного цеха и смешанными стоками получена достоверная прибавка урожайности к контролю, соответственно, 8,6 и 7,5 т/га.
Максимальная урожайность однолетних трав получена при орошении сточными водами убойного цеха – 17,3 т/га. Прибавка урожайности, в сравнении с контролем, составила 4,8 т/га. Прибавка урожайности при орошении смешанными стоками составила 4,5 т/га. (табл. 5).
Таблица 5. Урожайность зеленой массы растений, т/га
| Вариант | Оросительная норма, м3/га | Поступление элем. питания, кг/га | Кукуруза, 2009 г. | Однолетние травы, 2010 г. | ||||
| N | P | K | урожайность, | прибавка урожайности | урожайность | прибавка урожайности | ||
| Без полива (контр.) | 0 | 0 | 0 | 0 | 58,6 | 0 | 12,5 | 0 |
| Чистая вода | 400 | 0 | 0 | 0 | 61,6 | 3,0 | 15,5 | 3,0 |
| Смешанные стоки | 400 | 15,4 | 6,2 | 8,0 | 66,1 | 7,5 | 17,0 | 4,5 |
| Стоки убойн. цеха | 400 | 20,1 | 10,7 | 13,9 | 67,2 | 8,6 | 17,3 | 4,8 |
| НСР05 | 3,2 | 0,9 | ||||||
На варианте без полива (контроль) в 2009 году урожайность сена многолетних трав (кострец-люцерна) была 8,3 т/га. Орошение способствовало достоверному повышению урожайности сена. Минимальная прибавка урожайности, из всех вариантов с орошением, получена при поливе чистой водой и составила 1,9 т/га.
Максимальная урожайность сена получена в варианте с поливами сточными водами убойного цеха птицекомплекса и составила 11,6 т/га. Прибавка урожайности составила 3,3 т/га (табл. 6).
Таблица 6 –Урожайность сена многолетних трав, т/га (2009 год, один укос)
| Вариант | Оросительная норма, м3/га | Поступление элем. питания, кг/га | Урожайность | Прибавка урожайности к контролю | ||
| N | P | K | ||||
| Без полива (контроль) | 0 | 0 | 0 | 0 | 8,3 | 0 |
| Чистая вода | 1200 | 0 | 0 | 0 | 10,2 | 1,9 |
| Смешанные стоки | 1200 | 46,2 | 18,6 | 24,0 | 10,5 | 2,2 |
| Стоки убойного цеха | 1200 | 60,3 | 32,1 | 41,7 | 11,6 | 3,3 |
| НСР05 | 0,7 | |||||
В 2010 году многолетние травы использовалась 5-й год. Было проведено 2 укоса, урожайность представлена в таблице 7.
Таблица 7 –Урожайность сена многолетних трав, т/га (2010 год, за 2 укоса)
| Вариант | Оросительная норма, м3/га | Поступление элем. питания, кг/га | Урожайность | Прибавка урожайности к контролю | ||
| N | P | K | ||||
| Без полива (контроль) | 0 | 0 | 0 | 0 | 4,9 | 0 |
| Чистая вода | 2000 | 0 | 0 | 0 | 9,5 | 4,6 |
| Смешанные стоки | 2000 | 77,0 | 31,0 | 40,0 | 10,8 | 5,9 |
| Стоки убойного цеха | 2000 | 100,5 | 53,5 | 69,5 | 10,0 | 5,1 |
| НСР05 | 0,9 | |||||
Максимальная урожайность сена многолетних трав за 2 укоса, как и на других культурах, получена при орошении сточными водами. Единственное отличие в том, что урожайность на варианте с поливами смешанными сточными водами оказалась выше, чем при орошении сточными водами убойного цеха птицекомплекса.
За 2 укоса урожайность сена на этом варианте составила 10,8 т/га, а прибавка урожайности к контролю - 5,9 т/га. На всех вариантах урожайность в 1-й укос превосходила урожайность 2-го укоса.
Урожайность зеленой массы ячменя в 2009 году на серой лесной почве при орошении смешанными стоками составила 25,2 т/га, при орошении стоками убойного цеха достигла 27,4 т/га.
Пшеница в 2010 году без орошения сформировала урожайность 1,39 т/га (таблица 8). Орошение привело к значительному увеличению урожайности. Эта урожайность по всем вариантам была, практически, одинаковой, а прибавки урожайности изменялись в интервале от 0,32 до 0,38 т/га.
Таблица 8 –Урожайность ячменя на зеленую массу и пшеницы на зерно, т/га
| Вариант | Оросительная норма, м3/га | Поступление элементов питания, кг/га | Ячмень, 2009 г. | Пшеница, 2010 г. | ||||
| N | P | K | урожайность | прибавка урожайности | урожайность | прибавка урожайности | ||
| Без полива (контр.) | 0 | 0 | 0 | 0 | 22,8 | 0 | 1,39 | 0 |
| Чистая вода | 400 | 0 | 0 | 0 | 23,2 | 0,40 | 1,71 | 0,32 |
| Смешанные стоки | 400 | 15,4 | 6,2 | 8,0 | 25,2 | 2,40 | 1,77 | 0,38 |
| Стоки убойн. цеха | 400 | 20,1 | 10,7 | 13,9 | 27,4 | 4,60 | 1,72 | 0,33 |
| НСР05 | 1,32 | 0,24 | ||||||
Повышение продуктивности животных зависит не только от увеличения валового сбора кормов, но и от их качества. Для питания животных обязательными являются органические и минеральные вещества корма (Менькин, 2006; Владимиров, 2009).
В зеленой массе кукурузы при орошении произошло почти двукратное увеличение содержания сырого жира (с 8,8 до 15,5%), но отмечено снижение, в сравнении с контролем, содержания сырой клетчатки (с 24,0 до 20,5%).
Содержание сырого протеина в сене многолетних трав с 1-го укоса на контроле составило 16,68%, при орошении стоками убойного цеха достигло 18,07%. При 2-м укосе содержание сырого протеина составило, соответственно, 20,98 и 22,10%.
В зеленой массе однолетних трав увеличилось содержание сырого протеина с 15,66% – на контроле, до 19,06% - при орошении сточными водами.
В зерне яровой пшеницы при орошении сточными водами произошло незначительное увеличение содержания азота (2,41% на контроле и 2,59% при орошении) и калия (0,66% – контроль, 0,71% – при орошении).
По остальным показателям заметного влияния орошения сточными водами на качество продукции не обнаружено.
Экономическую эффективность от применения сточных вод рассчитывали по стоимости полученного урожая и затратам на проведение поливов.
В расчетах принята цена 2,5 рубля за 1 кг зерна овса (1 кг овса = 1 к.ед.). Фактические затраты на внесение 1 м3 оросительной воды составили 1,95 руб.
Наиболее высокий условный чистый доход получен на кукурузе – более 4 тыс. руб. с гектара, на многолетних травах – 2,97, на однолетних травах – 1,62 тыс. руб./га. Самый низкий условный чистый доход получен на пшенице (0,39 тыс. руб./га), но уровень рентабельности составил 50%.
Если учитывать экономическую эффективность и продуктивность растений, то предпочтение следует отдать кукурузе и многолетним травам. По этим культурам, кроме высокого экономического эффекта, получен максимальный выход кормовых единиц. На многолетних травах он составил более 6 т/га, а на кукурузе превысил 16 т/га.
ВЫВОДЫ
1. Многоступенчатая технология подготовки, включающая сооружения механической очистки, пруды-накопители, водорослевые и рачковые пруды, биоинженерные сооружения (БИС) с высшей водной растительностью (ВВР) способствует очистке сточных вод от яиц гельминтов, поглощению органических и неорганических веществ, снижению биохимической потребности в кислороде (БПК5) с 1650 до 3 мг О2/л.
2. Подготовленные сточные воды характеризуются нейтральной реакцией среды (pH 7,42–7,58), низкой общей минерализацией (574 мг/л), сравнительно невысоким содержанием биогенных элементов. В 1 м3 сточных вод содержится азота растворимого 0,05 кг, подвижного фосфора – 0,027 кг, калия – 0,035 кг. В годовом объеме сточных вод убойного цеха, составляющем 365000 м3, азота растворимого накопится более 18 тонн, фосфора – 9,9 т, калия – 12,8 тонн.
3. Ирригационный (щелочной) коэффициент (Ка) для сточных вод имеет значение более 18, что характеризует их как оросительный источник высокого качества. При орошении такими водами опасность засоления и осолонцевания чернозема обыкновенного и серой лесной почвы маловероятна.
4. Орошение сточными водами в течение 2 лет способствовало незначительному увеличению содержания в черноземной почве гумуса (с 5,36 до 5,44-5,67%), подвижного фосфора (с 107,5 до 108,8-131,3 мг/кг), обменного калия (с 66,5 до 75,0-84,0 мг/кг). Такие же закономерности, как и в черноземной почве, прослеживаются в серой лесной почве. На водно-физические свойства почв сточные воды за 2 года орошения влияния не оказали.
5. Наиболее пригодными для орошения сточными водами оказались многолетние травы. При оросительной норме 2000 м3/га площадь, необходимая для утилизации годового объема сточных вод 730000 м3, составит менее 400 га.
6. Для поддержания заданного режима орошения растений сточными водами потребовалось провести по 2 полива нормой 200 м3/га (оросительная норма 400 м3/га) на кукурузе, ячмене, однолетних травах, пшенице и 3-5 поливов нормой 400 м3/га (оросительная норма 1200 -2000 м3/га) – на многолетних травах.
7. Орошение сточными водами, в сравнении с контролем, на всех культурах обеспечило достоверные прибавки урожайности: на кукурузе – 7,5 т/га зеленой массы; ячмене – 4,60 т/га зеленой массы; многолетних травах – 5,9 т/га сена; однолетних травах – 4,5 т/га зеленой массы; пшенице – 0,38 т/га зерна.
8. Сточные воды ухудшения качества продукции, в сравнении с орошением чистой водой и вариантом без орошения, не вызвали.
9. Орошение сточными водами экономически выгодно. Условный чистый доход составил: на кукурузе – 4,60 тыс. руб./га; на многолетних травах – 2,98; на ячмене – 1,30; на однолетних травах – 1,62; на пшенице – 0,40 тыс. руб./га.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ
1. Сточные воды убойного цеха, подготовленные по предложенной технологии, целесообразно использовать для орошения кормовых культур. При выборе культур предпочтение следует отдать кукурузе на зеленую массу и многолетним травам на сено как культурам, обладающим высокой продуктивностью и качеством корма. В качестве покровной культуры для многолетних трав использовать ячмень на зеленую массу.
2. Оросительные нормы при орошении кукурузы, однолетних трав, ячменя, пшеницы не должны превышать 400 м3/га, на многолетних травах они могут доходить до 2000 м3/га.
3. Для орошения сточными водами использовать дождевальные машины ДДН – 70 или ДКН – 80.
Список опубликованных работ по теме диссертации
1. Воробьева, Р.П. Технология очистки сточных вод Уральской птицефабрики и жилого поселка /Р.П.Воробъева, А.В. Тиньгаев, В.Б. Шепталов, О.Н. Никулина, Н.И. Алешина //Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2008. №12. С.47-49.
2. Давыдов, А.С. Опыт применения сточных вод для орошения /А.С. Давыдов, А.В. Тиньгаев., В.Б. Шепталов //Вестник Алтайского государственного аграрного университета. №12. 2008. С. 43-45.
3. Давыдов, А.С. Очистка сточных вод убойного цеха птицефабрики и жилого поселка /А.С. Давыдов, Н.И. Алешина, В.Б. Шепталов //Вестник Алтайского государственного аграрного университета. №3. 2010. С. 44-48.
4. Давыдов, А.С. Удобрительная ценность сточных вод убойного цеха птицеводческого комплекса /А.С. Давыдов, В.Б. Шепталов //Вестник Алтайского государственного аграрного университета. №9. 2011. С. 22-24.
5. Шепталов, В.Б. Влияние удобрительных поливов сточными водами на урожайность кукурузы и однолетних трав /В.Б. Шепталов, А.С. Давыдов. //Вестник Алтайского государственного аграрного университета. № 11. 2011. С. 11-13.
