Круглогодовое экологически безопасное использование городских сточных вод для орошения черноземов предалтайской провинции
На правах рукописи
АЛЕШИНА
Надежда Ивановна
КРУГЛОГОДОВОЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД ДЛЯ ОРОШЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ ПРЕДАЛТАЙСКОЙ ПРОВИНЦИИ
Специальности: 06.01.02 – мелиорация, рекультивация и охрана земель;
03.00.16 – экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Барнаул – 2007
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет» и в Алтайском филиале ФГУП НИИ по сельскохозяйственному использованию сточных вод (НИИССВ) «Прогресс»
Научные руководители: доктор биологических наук, профессор
Сергей Владимирович Макарычев
кандидат технических наук,
Анатолий Владимирович Тиньгаев
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук
Александр Степанович Давыдов
кандидат сельскохозяйственных наук
Николай Иванович Лихачев
Ведущая организация – кафедра физики и мелиорации почв
Московский государственный
университет (МГУ) им. М.В. Ломоносова
Защита состоится «14» ноября 2007 года в «1430» часов на заседании диссертационного совета Д 220.002.03 в ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»
Адрес: 656049 г. Барнаул, пр-кт Красноармейский, 98
Факс (3852) 62-83-96
E-mail:[email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»
Автореферат разослан «12» октября 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета С.В. Макарычев
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Во многих регионах России загрязнение воды становится угрозой для окружающей среды. Загрязненные неочищенные или недостаточно очищенные стоки, содержащие различные полютанты, попадают в поверхностные и подземные воды, представляя огромный риск для здоровья людей. В тоже время требуется вода для орошения, особенно в засушливых регионах, при одновременной её экономии. Решение данных проблем является актуальным для Алтайского края.
В 2005 г. поступление загрязненных сточных вод в поверхностные водные объекты Алтайского края (без очистки и недостаточно очищенных) составило 34480 тыс. м3.
Малые населенные пункты края, имеющие канализацию, сбрасывают сточные воды на поля фильтрации, на рельеф местности или в реки без глубокой биологической очистки. Это отмечается и в других областях Сибирского региона, поэтому поиски экологически безопасных и экономически эффективных технологий оказываются крайне востребованными.
Одним из широко распространенных способов очистки и утилизации сточных вод является их использование на земледельческих полях орошения (ЗПО). В результате применения ЗПО обеспечивается круговорот биологически важных элементов плодородия земель и надежная охрана окружающей среды от загрязнения сточными водами. По достигаемому эффекту очистки сточных вод земледельческие поля орошения целесообразнее искусственных. Проблема использования сточных вод, особенно в зимний период, обусловлена разнообразием почвенно-климатических условий. Кроме того, при многолетнем круглогодовом использовании сточных вод на орошение практически отсутствует концепция прогнозирования изменения агрохимических, физических свойств почв и режима грунтовых вод и их качества.
В этой связи предлагаемая работа по разработке экологически безопасных, научно обоснованных технологий круглогодового использования сточных вод в сельскохозяйственном производстве в условиях степной зоны Алтайского края весьма актуальна.
Цель работы. Целью настоящих исследований является разработка и научное обоснование экологически безопасной технологии круглогодового использования сточных вод в сельском хозяйстве с учетом почвенно-климатических условий.
Задачи исследований.
- Изучить особенности формирования городских сточных вод, их химический состав и дать ирригационную и санитарно-бактериологическую оценку.
- Разработать экологически безопасный способ подготовки сточных вод для круглогодового использования на орошение многолетней злаковой травы (костреца безостого).
- Разработать экологически безопасную технологию круглогодового использования сточных вод на полях орошения костреца безостого на черноземах обыкновенных в пределах Барнаульско-Кулундинского увала Приобского плато.
- Изучить процесс очистки сточных вод на полях орошения, засеянных многолетними злаковыми травами (кострец безостый). Определить степень очистки сточных вод почвами при их круглогодовом использовании.
- Исследовать динамику изменения плодородия почв при круглогодовом использовании сточных вод на полях орошения и их влияние на урожайность и качество костреца безостого.
- Определить санитарно-бактериологическое состояние почв, грунтовых вод и сельскохозяйственной продукции при круглогодовом использовании сточных вод на полях орошения.
- Разработать долгосрочный прогноз изменения агрохимических и физических свойств черноземов обыкновенных, уровня грунтовых вод и их состав при круглогодовом использовании сточных вод.
Научная новизна. Впервые в условиях Западной Сибири разработана и апробирована технология круглогодового использования сточных вод в сельскохозяйственном производстве. Проведены многолетние комплексные исследования по изучению влияния круглогодового использования городских сточных вод на свойства черноземов обыкновенных, урожайность зеленой массы костреца безостого, его качество, санитарно-бактериологическое состояние полей орошения, дан прогноз осолонцевания и засоления почв.
В результате исследований дана оценка технологии подготовки сточных вод для использования их на ЗПО, определены критерии качества сточных вод, разработана технология круглогодового использования городских сточных вод в системе агромелиоративных мероприятий, направленных на повышение плодородия почв, эффективность очистки и экологическую безопасность.
На защиту выносятся:
1. Технологии подготовки и круглогодового использования городских сточных вод на орошение многолетних злаковых трав - костреца безостого, обеспечивающие максимальную урожайность травы, утилизацию сточных вод, улучшение мелиоративного состояния и плодородия черноземов.
2. Оценка влияния круглогодового применения сточных вод на агрофизические и агрохимические свойства почв, на санитарно-бактериологическое состояние почв, грунтовых вод и сельскохозяйственную продукцию.
Практическая значимость. На основании теоретических, лабораторных и полевых исследований впервые в регионе научно обоснованы и внедрены технологии круглогодового использования городских сточных вод при возделывании многолетних злаковых трав (костреца безостого) в условиях Предалтайской провинции.
Разработаны также технологии подготовки сточных вод их использования для орошения в вегетационный период и намораживания зимой. Применение технологий обеспечивает повышение плодородия почвы, урожайности костреца безостого, и предотвращает загрязнение поверхностных и подземных вод.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на II международной научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 2007); на международной научной конференции по кормопроизводству «Состояние и перспективы развития кормопроизводства в Сибири» (г. Барнаул, 2007); на ежегодных научно-практических конференциях института природообустройства АГАУ (2006, 2007).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 4 печатных работах, из них 2 в издании по списку ВАК. Объем публикаций составляет 1,94 п.л., в том числе доля автора 1,2 п.л.
Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 163 страницах печатного текста, включая 38 таблиц, 19 рисунков, 13 приложений. Список используемой литературы включает 177 отечественных и зарубежных источников.
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
На основе обзора литературных источников выполнен анализ мирового опыта использования сточных вод и их влияние на окружающую среду. Проблемой утилизации сточных вод занимались В.Р. Вильямс (1922, 1948), С.Н. Строганов (1939), В.В. Докучаев (1949), А.Н. Костяков (1951, 1960), В.И. Вернадский (1960, 1965, 1983), Д.П. Прянишников (1965), Я. Вежбицкий (1961), М. Шульц (1965), Я. Куттера (1988) и др.
Были выявлены характерные особенности химического состава сточных вод малых городов, имеющие высокий уровень биологического и химического загрязнения, среднюю удобрительную ценность. Для снижения негативного воздействия городских сточных вод на поверхностные и подземные воды необходимо не только оптимизировать систему очистки, но и предусмотреть наиболее эффективное направление их утилизации.
Одно из возможных направлений утилизации сточных вод – орошение сельскохозяйственных культур. Этому вопросу посвящены работы И.П. Канардова (1946, 1974), Н.Г. Андреева (1961), М.Ф. Буданова (1965), В.И. Владимирского (1965), А.М. Можейко (1968), В.И. Марымова (1972), В.М. Новикова (1972, 1975, 1978), П.Н. Матвеева (1976), В.Т. Додолиной (1975, 1978), Г.Е. Мерзлой (1978, 1990), Л.Е. Кутепова (1983), Р.П. Воробьёвой (1995, 2000), Л.И. Сергиенко, Л.П. Овцова, Б.С. Семенов (1993), Д.П. Гостищева (1994, 2004), Р.П. Воробьёвой (1995, 2000) и др.
При использовании сточных вод в качестве источника орошения сельскохозяйственных культур наблюдается значительная экономия чистых вод, сохраняется плодородие почвы, повышается продуктивность пахотного горизонта. При этом имеет место почвенная доочистка сточных вод, что снижает негативное воздействие их на окружающую среду.
При круглогодовом использовании сточных вод, авторы исследований отмечают изменения в агрохимических и агрофизических свойствах почвы. В тоже время оценке качества воды для орошения посвящены исследования А.П. Розова (1956), А.М. Можейко (1958), Т.К. Воротник (1958), А.Н. Костякова (1960), М.Ф. Буданова (1965), И.М. Соболевой (1965), С.Я. Сойфер, Л.Н. Василенко (1978), С.Я. Бездниной (1987), Р.П. Воробьёвой (2000), А.В. Тиньгаева (2004) и др. Тем не менее, в настоящее время в России и мировой практике отсутствуют единые критерии оценки пригодности сточных вод для сельскохозяйственного использования.
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектами исследований явились городские сточные воды г. Алейска и черноземы обыкновенные умеренно-засушливой колочной степи. Формирование сточных вод г. Алейска происходит за счет хозяйственно-бытовых и ливневых вод. Общий годовой объем городских сточных вод в среднем за 10 лет составил 1,2 млн. м3.
Существующие очистные сооружения представлены механической очисткой в песколовках горизонтальных с круговым движением воды и двухъярусными отстойниками; естественной биологической очисткой сточных вод в картах полей фильтрации, которые вследствие кольматации почвы, стали прудами-накопителями. В настоящее время действует 15 карт полей фильтрации объемом 90 тыс. м3 каждая. При последовательном перетекании из одной карты в другую, сточные воды насыщаются кислородом, что способствует усилению процесса самоочищения воды, о чем свидетельствуют показатели биохимической потребности в кислороде (БПК5) и химической потребности в кислороде (ХПК) (рис. 1).
Разрабатываемые нами технологии предусматривают круглогодовое использование сточных вод на полях орошения. Площадь орошаемого участка составляет 146 га. Вегетационные поливы выполняются дождевальными машинами ДКШ-64 «Волжанка». Для подачи сточных вод используют передвижную станцию СНП-75/100 и трубопровод из быстро разборных алюминиевых труб РТЯ-220. Вневегетационные поливы осуществляются методом намораживания через гидранты магистрального трубопровода.
Для сбора и доочистки поверхностного стока с полей орошения созданы биоканалы, которые обеспечивают перехват всего поверхностного стока с водосборной площади и направляют воду в сторону естественного лога, откуда сток сбрасывается в р. Горевка и р. Чистюнька. Биоканал представляет собой засеянную площадь, имеющую уклон. Очистка загрязненного стока осуществляется с помощью высшей водной растительности по мере продвижения воды по каналам. При протекании сточных вод по заросшей растениями поверхности происходит механическая, биологическая и физико-химическая очистка стоков.
Рис. 1. Снижение содержания загрязнений сточных вод в картах полей фильтрации
Исследования по круглогодовому использованию сточных вод проводились по следующей схеме (табл. 1).
Таблица 1
Схема опыта
| № п/п | Варианты опыта (2001-2003 гг.) |
| 1. | Контроль без орошения. |
| 2. | Орошение сточными водами в вегетационный период. |
| 3. | Полив сточными водами методом намораживания во вневегетационный период (зимний). |
| 4. | Круглогодовое использование сточных вод (орошение сточными водами в вегетационный период + полив сточными водами намораживанием). |
На орошаемом участке были организованы мониторинговые исследования по водному и солевому режиму почв и агрохимическим свойствам, качеству сельскохозяйственной продукции, санитарно-бактериологическому состоянию сточных вод и орошаемых ими почв. Осуществлялся контроль за составом поливных сточных вод. Для данных исследований были заложены стационарные динамические площадки (рис. 2).
Химический состав сточных вод определялся по методам Ю.Ю. Лурье и А.И. Рыбниковой. Отбор проб сточных вод проводился в вегетационный и вневегетационный периоды поливов. Анализы делали в лаборатории ФГУ центра агрохимической службы «Алтайский».
Для ирригационной оценки сточных вод использовались методы: А.М. Можейко (1958), Т.К. Воротника (1958), М.Ф. Буданова (1965), И.М. Соболевой (1965), С.Я. Сойфера (1978), Л.Н. Василенко (1978), В.Т. Додолиной (1978), SAR и ирригационный коэффициент Стеблера.
Рис. 2. Обзорный план территории ОАО «Колпаковский» с прилегающими картами полей фильтрации
Для изучения общих физических, физико-химических и морфологических свойств почвы были заложены на опытном участке почвенные разрезы до 1,2 м. Изучение водно-физических и агрохимических свойств почвы определяли по общепринятым методикам. Гранулометрический и микроагрегатный состав почв выполняли по методу Н.А. Качинского (1973). Структурный состав и водопрочность макроагрегатов по методу Н.И. Савинова (Агрофизические методы…, 1966). Химический анализ почвы по показателям: рН водной и солевой по методикам, описанным в работе Е.В. Аринушкиной (1970); азот общий – по Кьельдалю; гумус – по И.В. Тюрину; подвижный фосфор и обменный калий – по Чирикову и Б.П. Мачигину; поглощенные основания и емкость поглощения – по К.К. Гедройцу и В. Пфефферу. Содержание токсичных солей рассчитывали по эмпирической зависимости Н.И. Базилевиц и Е.И. Панковой (1968), тип химизма солей по В.А. Ковда (1960), классификацию почв по степени засоления по Н.Г. Минашиной (1978), солонцеватости почв – по И.Н. Антипову-Каратаеву (1975). Проведение качественного анализа кормов выполняли по методикам, изложенным в работе М.А. Смурокина (1977). Прогноз засоления и осолонцевания почв проводили по разработанной методике Минводхоз СССР (1982), математическая модель разработана НИИССВ «Прогресс» (1993).
ГЛАВА 3. ПРИРОДНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕРРИТОРИИ
Рельеф опытно-производственного участка слабоволнистый с уклоном до 2 с западинами и просадочными блюдцами. Грунтовые воды расположены на глубине 7-10 м.
Технология подготовки и круглогодового использования сточных вод г. Алейска на полях орошения рассчитана с учетом природно-климатических условий. Средняя температура воздуха в вегетационный период составляет +20,4 С, а в зимнее время -18,1 С. Средняя годовая температура поверхности почвы +3 С. Глубина сезонного промерзания почвы более 200 см. Безморозный период длится в среднем 115-120 дней. Полное оттаивание наступает 22 марта. Почвенно-климатическая зона является маловодообеспеченной. Количество атмосферных осадков, выпадающих за год по средним многолетним данным 503 мм, в том числе 338 мм – за вегетационный период, в 2001 г. - 414 мм и 252 мм, в 2002 г. – 649 мм и 400 мм, в 2003 г. – 361 и 186 мм, в 2006 – 475 мм и 288 мм.
Почвы представлены черноземами обыкновенными. Коэффициент фильтрации почв равен 0,4 м/сут. Почвы участка характеризуются как слабощелочные, близкие к нейтральным с невысоким содержанием гумуса. В пахотном горизонте (0-30 см) опытного участка его количество составляет 3,2-3,8 %, а в подпахотном слое (30-50 см) - 2,1-3,2 %, общий азот характеризуется соответственно значениями 0,16-0,19 % и 0,11-0,16 %.
Содержание подвижного фосфора колеблется в пределах 152,4-163,8 мг/кг, что свидетельствует об обеспеченности почвы фосфором.
Черноземы в полной мере обеспечены калием. Содержание обменного калия в пахотном слое 98,3-251,2 мг/кг, в подпахотном – 78,3-98,3 мг/кг.
Емкость поглощения черноземов 30-32 мг-экв/100 г в слое 0-30 см и 28-30 мг-экв/100 г в слое 30-50 см. В слоях 50-100 см емкость поглощения составляла 20-28 мг-экв/100 г почвы. По минералогическому составу почвы относятся к группе монтмориллонитсмектитовой, наиболее опасной для осолонцевания. Следует отметить, что содержание поглощенного натрия невысокое: 0,28 мг-экв/100 г в 30-ти см слое почвы. При таком количестве поглощенного натрия осолонцевание почвы, как правило, не происходит. В слоях 30-50 и 50-100 см поглощенный натрий также находится в незначительных количествах (0,26-0,28 и 0,26-0,34 мг-экв/100 г почвы).
Содержание воднорастворимых солей в пахотном слое черноземов (0-30 см) составляет 0,0575-0,0640 % по сухому остатку, 0,025-0,032 % по токсичным солям. В более глубоких слоях почвы 30-50 и 50-100 см среднее содержание солей равно 0,0558-0,064; 0,0547-0,0558 %; а токсичных солей 0,024-0,032; 0,024-0,025 %. Черноземы не засолены, процессов осолонцевания не наблюдалось. Содержание поглощенного натрия от емкости поглощения в пахотном и подпахотном горизонте около 0,88-0,93%.
ГЛАВА 4. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТОЧНЫХ ВОД И ИХ ИРРИГАЦИОННАЯ ОЦЕНКА
Сточные воды характеризуются слабощелочной реакцией среды (рН 7,3-8,1), невысокой удобрительной ценностью, слабоминерализованные до 1,0 г/л. При оросительной норме 3200 м3/га в почву поступает в среднем: азота – 42 кг/га, фосфора – 90 кг/га, калия – 30 кг/га, что практически обеспечивает кострец безостый всеми необходимыми питательными элементами. Химический состав сточных вод представлен в табл. 2.
Таблица 2
Химический состав сточных вод г. Алейска (из карт полей фильтрации)
| Показатели | Годы исследований | |||
| 1991- 2000 гг. средние | 2001 г. | 2002 г. | 2003 г. | |
| рН | 7,8 | 7,3 | 8,0 | 7,9 |
| НСО3- | 4,4 | 3,4 | 3,9 | 3,5 |
| Cl- | 130,5 | 66,8 | 105,6 | 74,0 |
| SO4-- | 63,0 | 0,33 | 46,3 | 43,0 |
| P2O5 | 31,7 | 37,5 | 9,3 | 18,2 |
| Ca++ | 68,0 | 43,7 | 47,7 | 49,2 |
| Mg++ | 30,3 | 17,6 | 26,5 | 18,2 |
| Na+ | 218,2 | 25,5 | 70,8 | 26,0 |
| K+ | 12,6 | 11,7 | 11,9 | 11,9 |
| Nобщ | 18,7 | 9,3 | 9,3 | 8,2 |
| ХПК, мг О2/л | 724,0 | 789,0 | 843,0 | 717,5 |
| Сухой остаток, мг/л | 835,0 | 409,0 | 550,0 | 475,0 |
| Прокаленный остаток, мг/л | 559,0 | 315,0 | 431,0 | 335,0 |
Для ирригационной оценки поливных вод за 2001-2003 гг. использованы известные формулы катионно-анионных соотношений и суммы солей. Проведенные расчеты позволили сделать вывод об их пригодности для орошения.
По многолетним данным, полученным Воробьёвой Р.П., сточные воды содержат достаточно высокое количество натрия до 412,5 мг/л (1998 г.), что может привести к осолонцеванию черноземов. Для предотвращения негативных процессов осолонцевания предусматривается гипсование и известкование почв.
Содержание тяжелых металлов в сточных водах г. Алейска на 1-2 порядка ниже уровней ПДК для хозяйственно-питьевого водопользования и не превышает предельно-допустимых концентраций.
В городских сточных водах содержание канцерогенов (по бенз(а)пирену) от 12,810-12 до 567,610-12 мг/л, что значительно ниже ПДК (510-6 мг/л) для воды хозяйственно-питьевого пользования. В поливных сточных водах не обнаружено яиц гельминтов и патогенной микрофлоры.
ГЛАВА 5. КРУГЛОГОДОВОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОЧНЫХ ВОД
Одна из основных задач при круглогодовом использовании сточных вод на полях орошения – экологически безопасная утилизация их и регулирование водно-воздушного режима черноземов. Нами исследованы 3 режима подачи сточных вод на поля: режим орошения в вегетационный период, режим использования сточных вод во вневегетационный период (намораживание) и вегетационный + намораживание (круглогодовой). Режим орошения в вегетационный период (сроки, нормы) устанавливается по водопотреблению костреца безостого при влажности почвы 70-75 % от НВ.
Рис. 3. Динамика нагрузки поливных сточных вод на опытно-производственный участок
Оросительная норма составляла 3200 м3/га, поливы назначались при достижении влажности почвы 65-70 % от НВ. Фактический режим орошения состоял из 5-8 поливов, а в самые сухие годы поливные нормы достигали 600-800 м3/га (рис. 3).
Степень почвенной доочистки сточных вод изучалась с помощью лизиметров Е.И. Шиловой. Лизиметрические поддоны устанавливались в стенку почвенного шурфа на глубину 40 см и 70 см. Поглощение почвой ингредиентов сточных вод выявлялось путем сравнительного анализа содержания их в исходной воде и в фильтрате. Подаваемые сточные воды проходили почвенную очистку, не загрязняя поверхностных и подземных водных источников. Проведенные лизиметрические опыты по очистке сточных вод подтвердили эффективность почвенного метода очистки по таким показателям как ХПК, взвешенным веществам, общему азоту, нитратному азоту и т.д. Наиболее эффективная очистка отмечена в слое почвы 0-70 см. Имело место вымывание ионов сульфата, хлора, калия и натрия. Сточные воды, прошедшие почвенную очистку не загрязняли подземные, т.к. используемая в опыте норма нагрузки из расчета на 1 га составляла расчетную оросительную норму 3200 м3/га.
На варианте опытов 3 и 4 также проходила очистка сточных вод. Медленное таяние намороженного льда приводило к очистке талой воды в результате действия вымораживания и биологических процессов. В ней было заметно снижение концентрации почти всех веществ. Наиболее интенсивно - органических соединений и азота (табл. 3).
На опытно-производственном участке уровень грунтовых вод (УГВ) расположен на 7-10 м, но при круглогодовом использовании сточных вод отмечался его подъем. Он носил сезонный характер, в зимний период УГВ восстанавливался до первоначального уровня.
Таблица 3
Изменение химического состава сточных вод после их намораживания
| № п.п. | Вид сточных вод | ХПК, мг/л | Азот общий, мг/л | K2O, мг/л | P2O5, мг/л | Сухой остаток, мг/л |
| 1. 2. 3. 4. | Исходная сточная вода (осень с 21.11 по 20.12) Талые сточные воды (22.04) Талые сточные воды (03.05) Сточные воды из сборного биоканала (15.05) | 640 10,5 5,8 2 | 69 0 18 9 | 85 17 29 11 | 57 30 19 2 | 527 145 109 107 |
Анализ воды из скважин показал, что имело место появление нитратов в осенний период, не превышающее предельно-допустимых концентраций для хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Анализируя результаты исследований по влиянию круглогодового орошения сточными водами на агрохимические свойства почв можно отметить, что имело место увеличение содержания гумуса в черноземах как в пахотном, так и подпахотном горизонтах. Это вызвано, по нашему мнению, подачей на поля высоких норм сточных вод в 1999-2006 гг., равных 7,70-10,90 тыс. м3/га, содержащих органические вещества, макро- и микроэлементы, а также микрофлору (табл. 4).
Уменьшение содержания подвижного фосфора в почве связано как с выносом его с урожаем растений, так и с низким содержанием в сточных водах. По содержанию обменного калия в слое 0-60 см чернозем остается в классе высоко-обеспеченных. В неорошаемых условиях отмечено снижение содержания подвижного фосфора и обменного калия по сравнению с исходным состоянием, что, по-видимому, связано с выносом их возделываемой культурой.
Таблица 4
Агрохимические свойства почвы при орошении сточными водами
| Показатели | Слой почвы, см | Исходн. 1989 г. | 2003 г. | |||
| Вариант опыта | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |||
| Гумус, % | 0-20 0-60 | 3,80 3,00 | 5,01 3,78 | 5,28 4,08 | 4,95 3,59 | 5,41 3,91 |
| Nобщ, % | 0-20 0-60 | 0,19 0,15 | 0,28 0,22 | 0,33 0,27 | 0,33 0,24 | 0,31 0,22 |
| Nл.г., мг/100 г | 0-20 0-60 | 3,48 2,61 | 9,50 5,85 | 8,30 5,90 | 11,50 7,90 | 9,90 7,00 |
| Р2О5, мг/кг | 0-20 0-60 | 163,70 167,10 | 139 98 | 159 110 | 173 138 | 142 99 |
| К2О, мг/кг | 0-20 0-60 | 251,20 142,60 | 238 146 | 277 165 | 256 149 | 275 162 |
| рНсол | 0-20 0-60 | 6,30 6,10 | 6,60 6,60 | 6,90 7,10 | 6,80 6,80 | 6,90 6,80 |
| Поглощенный Na, % от емк. поглощения | 0-20 0-60 | 0,88 0,91 | 2,60 2,60 | 3,85 5,53 | 4,60 6,70 | 3,00 3,70 |
Результаты определения гранулометрического состава чернозема показывают, что по содержанию суммы фракций менее 0,01 мм в слое 0-100 см черноземы по всем четырем вариантам опыта (38,41; 40,45; 42,03 и 40,99 %) квалифицируются как среднесуглинистые. Следует обратить внимание на увеличение содержания в них иловатых и крупно-песчаных фракций при орошении сточными водами.
Сопоставляя результаты определения гранулометрического и микроагрегатного анализов черноземов обыкновенных в слое 0-60 см можно отметить, что поливы сточными водами г. Алейска привели к увеличению фактора дисперсности в слое 20-60 см по сравнению с контролем (без орошения), что свидетельствует о снижении прочности микроструктуры, а значит и структуры в целом. Так на варианте с вегетационными поливами фактор дисперсности составил 10,20-13,90 %, на варианте с намораживанием – 7,70-10,95 %, с круглогодовым использованием – 7,98-10,53%, а в контроле без орошения – 7,10-16,50 %. Считается, что разрушение структуры вызывается одновалентными катионами, чаще всего натрием, попадающим в почву с атмосферными осадками или сточными водами.
Плотность сложения определяет основные агрофизические свойства. При орошении сточными водами отмечается тенденция ее увеличения, как в пахотном слое, так и в подпахотном. В среднем в слое 0-20 см в контроле без орошения она составляет 1,28 г/см3, на варианте с вегетационными поливами - 1,35, с намораживанием – 1,37 г/см3 и с круглогодовым использованием – 1,37 г/см3 (табл. 5).
Таблица 5
Водно-физические свойства чернозема орошаемые сточными водами в пахотном слое
| Вариант | Плотность твердой фазы, г/см3 | Плотность сложения, г/см3 | Порозность, % |
| Контроль 1 | 2,50 | 1,28 | 49,15 |
| 2 | 2,63 | 1,34 | 48,95 |
| 3 | 2,60 | 1,38 | 47,10 |
| 4 | 2,63 | 1,37 | 47,90 |
Данные водопроницаемости почв показывают, что этот показатель заметно изменяется во времени, что связано с насыщением ее водой, набуханием почвенных коллоидов, изменением структурного состояния почвы. Кроме того, при полном насыщении почвы водопроницаемость приобретает более или менее постоянное значение, характеризующее процесс фильтрации. Следует отметить, что качество результатов определения водопроницаемости тем лучше, чем более почва однородна в пространстве и постоянна во времени, а присутствие поглощенного натрия в почвенном поглощающем комплексе способствует быстрому набуханию почвы, а значит ухудшению водопроницаемости.
Орошаемые почвы опытно-производственного участка, пропускающие за час от 75,8 до 91,1 мм воды при напоре 5 см обладают хорошей водопроницаемостью, а на неорошаемом участке до 161,8 мм – наилучшей (Мелиоративное почвоведение, 1956).
ГЛАВА 6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОРОШЕНИЯ МНОГОЛЕТНИХ ТРАВ ГОРОДСКИМИ СТОЧНЫМИ ВОДАМИ
Нами изучен также солевой режим и осолонцевание черноземов под влиянием орошения сточными водами.
В исходом состоянии они (слой 0-100 см) характеризовались: по сумме солей (0,055-0,064%, в среднем 0,061%) как незасоленные (Правила эксплуатации…, 1997), по типу химизма сульфатным – слой 0-20 см, хлоридно-сульфатным – слой 20-60 см, сульфатно-хлоридным – слой 60-100 см, в среднем в слое 0-100 см – сульфатно-хлоридным, по сумме токсичных солей (0,02-0,032%, в среднем 0,025%) – незасоленные (Пособие к ВСН…, 1985).
Данные, полученные по ирригационной оценке сточных вод показывают высокое (412,5 мг/л) содержание катиона Na, который вызывает осолонцевание почвы. Тем не менее многолетние поливы сточными водами по всем вариантам опыта не привели к критическим показателям поглощенного натрия в ППК. Сезонное повышение натрия в почвенно-поглощающем комплексе связано с режимом орошения. Содержание поглощенного натрия в пахотном горизонте в контроле без орошения составляет 0,5 мг-экв. на 100 г почвы, на участке с вегетационными поливами – 0,7 мг-экв. на 100 г, с круглогодовым использованием – 0,7 мг-экв. на 100 г, с намораживанием – 1,0 мг-экв. на 100 г почвы. В метровом слое соответственно- 0,5; 1,1; 0,8 и 1,2 мг-экв. на 100 г почвы или в % от емкости поглощения будет составлять 2,6; 3,85, 3,0 и 4,6 %, в метровом слое соответственно- 2,7; 5,6; 3,9 и 6,2 %.
Накопление легкорастворимых солей, их хлоридно-сульфатный, сульфатно-хлоридный или сульфатный тип засоления, а также наличие нескольких их максимумов в почвенно-грунтовой толще указывает на сезонный характер протекания процесса засоления-рассоления. В результате орошения сточными водами к осени происходит некоторое увеличение солей в почве, а к весне следующего года их содержание уменьшается.
Нами был сделан прогноз по засолению почв с помощью функций регрессии (Рекомендации…, 1987). Прогнозные расчеты показали, что орошение очищенными сточными водами в течение длительного периода (20 лет и более) не вызовет засоления, осолонцевания почв и загрязнения грунтовых вод.
Рис. 4. Изменение урожая сена костреца безостого, полученного на поле при орошении сточными водами г. Алейска
При орошении сточными водами чернозема обыкновенного при возделывании костреца безостого оказалось, что средняя урожайность сена в 2001 году на участке без орошения составила 1,94 т/га, на орошаемом участке вегетационными поливами – 5,36, с круглогодовым использованием – 6,46 и с намораживанием – 3,06 т/га. Урожайность сена многолетних трав на участке с круглогодовым использованием сточных вод была выше, чем без орошения в 3,32 раза. В 2002 году урожайность сена многолетних трав на участке с круглогодовым использованием сточных вод была выше, чем без орошения в 2,52 раза, а в 2003 году в 2,18 раза (рис. 4).
По оценке качества сено костреца безостого оценивалось 3-м классом и как неклассное. Уборку урожая в хозяйстве проводили в фазу созревания семян. Содержание кальция и фосфора под влиянием орошения существенно не менялось. Определение тяжелых металлов и основных микроэлементов в сене многолетних трав выявило, что их показатели, значительно ниже предельно допустимых концентраций. Таким образом, существенного загрязнения продукции при орошении сточными водами не выявлено.
ВЫВОДЫ
1. Ирригационная оценка городских сточных вод, свидетельствует об их пригодности для использования на поливы сельскохозяйственных культур. Сточные воды характеризуются слабощелочной реакцией среды (рН 7,3-8,1), невысокой удобрительной ценностью, слабоминерализованные до 1,0 г/л. При оросительной норме 3200 м3/га в почву поступает в среднем: азота – 42 кг/га, фосфора – 90 кг/га, калия – 30 кг/га, что практически обеспечивает кострец безостый всеми необходимыми питательными элементами.
2. Для улучшения состава сточных вод по загрязняющим ингредиентам разработана технология их подготовки перед подачей на поля орошения. Механическая очистка сточных вод осуществляется в горизонтальных песколовках с круговым движением воды, биологическая очистка сточных вод проходит в картах полей фильтрации, которые уже длительное время служат прудами-накопителями, вследствие кольматации почвы.
3. Степень очистки сточных вод в технологической схеме достигает по взвешенным веществам 60-70 %, органическим веществам по ХПК – 50 %, органическим веществам по БПК5 – 41 %.
Подготовленные сточные воды, попадая в черноземы обыкновенные, подвергаются доочистке слоем почвы 0-70 см (от бикарбонатов на 22,8 %, от общего азота на 100 %, органических веществ по ХПК – 36 %, фосфатов – 92,9 %, нитратов – 100 %.).
4. Экологически безопасная технология круглогодового использования сточных вод на черноземах позволяет весь их объем с карт полей фильтрации доочистить и обеспечить сельскохозяйственную культуру элементами питания, а также исключить попадание сточных вод в поверхностные и подземные воды.
5. Круглогодовое многолетнее использование сточных вод на черноземах обыкновенных повышает содержание гумуса с 3,8 % до 5,9 %. Увеличивается также содержание валовых форм азота с 0,19 % до 0,31 %, фосфора и калия, а также их доступных форм.
6. Использование городских сточных вод на полях орошения способствует изменению водопроницаемости черноземов от 161,80 (наилучшая водопроницаемость) до 75,8-91,1 мм в час (хорошая водопроницаемость). Фактор дисперсности почв орошаемого участка по сравнению с неорошаемыми почвами увеличивается на 3,0-5,0 %, указывая на ухудшение почвенной структуры. По сравнению с контролем, плотность орошаемой почвы в пахотном слое увеличилась на 0,1 г/см3 (7,8 %).
7. Черноземы при орошении сточными водами остаются не засоленными. Процессы осолонцевания тоже не превышают критических показателей. Отмечается лишь сезонное возрастание концентрации солей.
8. Полученные данные по урожайности костреца безостого свидетельствуют о целесообразности круглогодового использования городских сточных вод. Средняя урожайность сена на участке при круглогодовом использовании сточных вод была больше, чем без орошения в 3,3 раза. По оценке качества сено костреца безостого оценивается 3-им классом и как неклассное.
Содержание тяжелых металлов в сене многолетних трав выявили их низкие показатели, которые значительно ниже предельно допустимых концентраций.
9. Прогнозные расчеты показывают, что орошение очищенными сточными водами в течение длительного периода (более 20 лет) не вызовет засоления и осолонцевания черноземов, а также загрязнения грунтовых вод.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ
1. Для обеспечения охраны рек бассейна р. Оби от несанкционированных сбросов сточных вод, рекомендуется их круглогодовое использование для орошения многолетних злаковых трав. Поливной режим для полей орошения необходимо устанавливать по водопотреблению растений, в зимний период с ноября по февраль поливы проводить намораживанием слоем до 1,2 -1,5 м.
2. Применение экологически безопасной технологии круглогодового использования сточных вод рекомендуется как на посевах многолетних злаковых трав (кострец безостый, выдерживающий затопление до 40 суток) так и на парах и участках, подготовленных для культур позднего сева (кукуруза на зеленый корм).
3. При круглогодовом использовании сточных вод из-за повышения плотности почв и снижения водопроницаемости необходимо проводить щелевание.
Список опубликованных работ
1. Алешина Н.И. Обезвоживание и утилизация осадков сточных вод / Н.И. Алешина, Л.В. Терновая // Проблемы рационального природопользования в Алтайском крае: сб. науч. тр. – Барнаул: Изд-во АГАУ, 2005. – С.49-55.
2. Павлов А.С. Современное состояние сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения в Алтайском крае / С.А. Павлов, В.И. Заносова, Н.И. Алешина // Сельские территории: проблемы и перспективы развития: сб. науч. тр. – Екатеринбург, 2006. – С.85-92.
3. Макарычев С.В. Трансформация агрохимических свойств черноземов, орошаемых сточными водами (на примере г. Алейска) / С.В. Макарычев, Н.И. Алешина, А.В. Тиньгаев // Вестник Алтайского Государственного Аграрного Университета. – 2007. - № 9 (35). – С. 15-19.
4. Алешина Н.И. Использование городских сточных вод для орошения многолетних трав / Н.И. Алешина, С.В. Макарычев // Вестник Алтайского Государственного Аграрного Университета. – 2007. - № 10– С.23-28.
