Ecological justification for the effectiveness of recycling organic matter from waste to increase the primary production of cultivated plants

Full Text

Введение

Экологические проблемы в мире и России стоят очень остро на повестке дня. Одной из них является вопрос обращения с отходами, в том числе с органическими отходами производства и потребления. В то же время агроэкосистемы теряют плодородие в результате снижении в почве содержания органического вещества.

Анализ результатов исследований качества и плодородия почв за ряд лет в отдельных районах Оренбургской области позволил сделать вывод, что черноземы в агроэкосистемах теряют свои экологические показатели и можно прогнозировать снижение их биологической продуктивности [1, с. 14–16; 2, с. 213–216]. Мониторинговые исследования в других регионах Поволжья, в Самарской и Саратовской областях показывают аналогичные результаты. Плодородие почв, как экологический фактор, снижается [3, с. 37–40; 4, с. 5–13].

На фоне деградации почв Оренбургской области проводятся многолетние научные исследования, направленные на агротехнические мероприятия по повышению плодородия [5, с. 8–10], затрагиваются вопросы земледелия как превентивные меры по повышению плодородия [6, с. 230], однако не разработаны меры по увеличению содержания органического вещества почвы в качестве биологического экологического мероприятия.

В качестве органических веществ для рекультивации зарубежными учеными рассматриваются переработанные органические отходы. В работах зарубежных ученых освещены вопросы эффективности грунтового компоста как источника питательных веществ для растений [7, с. 385–388], обозначены российско-шведские разработки в сельском хозяйстве [8, с. 16–18]. Авторы статьи считают, что органические вещества могут быть побочными продуктами при переработке органических отходов, например, при переработке навоза методом метанового брожения [9, с. 3439; 10, с. 22], но в исследованиях ученых этот вопрос не рассматривался, поскольку внимание ученых было направлено на получение биогаза [11, с. 117–132.]. В настоящее время, в связи с развитием технологий и ресурсосбережением, появляются нетрадиционные вещества, которые можно использовать, но нормативы внесения которых не установлены [12, с. 55–58; 13, с. 22–24; 14, с. 3–4]. Повысить экологичность технологий по переработке органических отходов можно при утилизации полученных, в свою очередь, отходов в виде органических веществ, поэтому исследования являются актуальными. Производство первичной чистой продукции служит показателям эффективности экологических факторов [15, с. 940–943; 16, с. 9–14; 17, с. 210–249].

Цель исследований – изучение эффективности утилизации органических веществ, полученных при переработке отходов, для получения чистой первичной продукции агроэкосистмы на черноземе обыкновенном Оренбуржья.

Материалы и методы

Объект исследований – твердые и жидкие органические вещества, полученные при переработке отходов на биогаз, как побочные продукты, и компостировании органических отходов. Органические вещества были получены двумя способами. При первом способе на собственной установке использовали метод метанового брожения для получения биогаза при переработке органических отходов. В результате на установке образуются жидкие органические веществ 60% влажности.

При втором методе органические отходы компостировали вместе с органическим веществом, полученным первым методом. Получали твердые органические вещества 30% влажности. Реакция среды жидких и твердых органических веществ была близкая к нейтральной.

Способ утилизации переработанных отходов в агроэкосистеме был выбран в зависимости от качественного и количественного состава полученного органического вещества. Твердые органические вещества вносили в почву при посадке картофеля, жидкие органические вещества – в междурядья.

Исследования провели в Саракташском районе Оренбургской области, на территории фермерского хозяйства, на черноземе обыкновенном. Фермерское хозяйство имеет ограниченный набор культур. При исследованиях нормативов внесения жидких и твердых органических веществ в качестве индикаторной культуры был выбран картофель семейства Solonaceae, род Solanum.

Схема эксперимента: фон – без органических веществ, твердые органические вещества нормой внесения 1 т/га, 2 т/га, 3 т/га, 4 т/га, 5 т/га, жидкие органические вещества – 2 т/га, 4 т/га, 6 т/га, 8 т/га, 10 т/га.

Учетная площадь экспериментальной делянки – 12 м². Защитная зона между экспериментальными делянками 50 см. Повторность в эксперименте – четырехкратная [18]. На каждой экспериментальной делянке картофель посажен в 2 рядка с расстоянием между ними 60 см, расстояние между кустами картофеля 30 см. Картофель заделан при посадке на глубину 15 см. Учет продукции производился общепринятыми методами.

В течение периода вегетации проводили наблюдения за развитием растений, учитывали количество чистой первичной продукции агроэкосистемы общепринятыми методами. Исследования выполнены в 2021 г. Результаты исследований обработаны методами математической статистики [19, с. 40–43].

Результаты

Вопросы обращения с отходами регламентированы рядом законодательных документов: ФЗ «Об отходах производства и потребления» ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии», ФЗ «Об охране окружающей среды». Каждый субъект хозяйственной деятельности должен вести учет образующихся отходов, согласно приказу Минприроды России от 08.12.2020 № 1028. Одной из задач федерального проекта «Экономика замкнутого цикла» является повышение экологичности производственных процессов на основе снижения образования отходов. В связи с этим в ФЗ «Об охране окружающей среды» в 2023 г. появилась статья 51.1 о побочных продуктах, в соответствии с которой предприятие три года может не заявлять вещества как отходы производства, если их можно использовать как сырье. Предприятие само решает, каким образом использовать побочные продукты и, если в течение трех лет не найдет им применения, после этого может заявить их как отходы с соответствующим оформлением.

В Оренбургской области за период с 2010 г. по 2021 г. масса неопасных отходов производства и потребления была максимальной в 2015 г. и составляла 62780 т, а затем уменьшилась в 2021 г. до 30943 т [20]. Остаточное количество неутилизированных и необезвреженных отходов в 2021 г. составляло 17412 т (табл. 1).

 

Таблица 1 – Масса неутилизированных и необезвреженных отходов, т

Показатели	Период времени
	2010 г.	2015 г.	2020 г.	2021 г.
Образовано неопасных отходов производства и потребления	45658	62780	38497	30943
Не утилизировано и не обезврежено отходов	34630	51581	14168	17412

 

Неутилизированные и необезвреженные отходы могут стать вторичным сырьем. В их число входят и органические отходы.

По современным требованиям на использование органических веществ необходимо получить согласование Россельхознадзора для обеспечения экологической безопасности. Кроме того, экологическими нормами согласно «Инструкции по экологическому обоснованию хозяйственной и иной деятельности», 1995 г., предусматривается проверка полученных из отходов органических веществ на опасность для растений и окружающей среды. Для этого необходимо провести научные исследования и подтвердить их безопасность. При производстве органических веществ мы не использовали опасные для окружающей среды добавки. Полученные органические вещества хорошо разлагаются в окружающей среде, не образуют опасных побочных продуктов. Жидкие органические вещества обладают подвижностью в окружающей среде, мигрируют на глубину промачивания почвы, нестойкие, нестабильные во времени, существуют в почве в течение одного вегетационного периода. Твердые органические вещества не обладают подвижностью в окружающей среде, не мигрируют, более стойки и стабильны во времени, разлагаются в почве в течение не одного вегетационного периода.

Основным условием разложения органических веществ является наличие богатого микробного сообщества в агроэкосистеме с построением пищевых цепей по схеме продуценты – редуценты. Продолжительность разложения и трансформации органического вещества с высвобождением биогенных элементов для жидких органических веществ составляет один вегетационный период, для твердых органических веществ – несколько лет.

Полученные жидкие и твердые органические вещества оказывают влияние на рост и развитие растений в агроэкосистеме как поставщики микроэлементов, углерода и биогенных веществ.

Площадь под картофелем в Оренбургской области сократилась с 2010 по 2021 гг. с 16,1 до 6,0 тыс. га. По данным [20] картофель может иметь высокие урожаи на черноземах, но площадь возделывания картофеля своим урожаем обеспечивает население лишь на 1/3 от потребности, поэтому его приходится завозить. Средняя урожайность картофеля по Оренбургской области в 2021 г. составила 18,71 т/га, нестабильна по годам. Органические удобрения под картофель не вносились в последние десять лет, поэтому иследования проводились в условиях выровненности полей по содержанию органического вещества на фоновом уровне.

 

Таблица 2 – Биометрические показатели растений картофеля в фазе бутонизации

Вариант эксперимента	Высота растений, см	Высота растений, % к фону	Чистая первичная продуктивность надземной части, ц/га/год
Контроль, без органического вещества	38,6	–	23,4
Твердое органическое вещество, 1 т/га	47,2	22,28	28,4
Твердое органическое вещество, 2 т/га	53,4	38,34	33,6
Твердое органическое вещество, 3 т/га	55,3	43,26	36,5
Твердое органическое вещество, 4 т/га	59,2	53,37	38,9
Твердое органическое вещество, 5 т/га	56,2	45,60	37,3
Жидкое органическое вещество, 1 т/га	48,1	24,61	29,6
Жидкое органическое вещество, 2 т/га	54,1	40,16	34,5
Жидкое органическое вещество, 3 т/га	59,4	53,89	37,5
Жидкое органическое вещество, 4 т/га	61,7	59,84	39,8
Жидкое органическое вещество, 5 т/га	59,8	54,92	38,3

 

При утилизации органических веществ в агроэкосистеме результаты исследований показали, что наземная биомасса картофеля положительно отреагировала на твердое и жидкое органическое вещество (табл. 2). При утилизации твердых органических веществ растения были выше, чем на фоне при норме внесения 1 т/га на 22,28, 2 т/га – 38,34, 3 т/га – 43,26, 4 т/га – 53,37, 5 т/га – 45,60% соответственно.

При утилизации жидких органических веществ нормой 1 т/га растения была выше, чем на фоне на 24,61, 2 т/га – 40,16, 6 т/га – 53,89, 8 т/га – 59,84, 10 т/га – 54,92% соответственно.

Если на фоне высота растений картофеля составляла 38,6 см, то при утилизации нормой 1 т/га твердых органических веществ их высота составила 47,2 см, а жидких органических веществ – 48,1 см. При максимальной норме утилизации твердых органических веществ 5 т/га высота растений была 56,2 см, жидких органических веществ – 59,8 см, в то время как высота растений на фоне была 38,6 см.

Следует отметить, что растения хорошо росли и развивались, без признаков какого-либо угнетения при утилизации как твердых, так и жидких органических веществ.

Масса сухого вещества наземной биомассы, как результат фотосинтеза, на фоне составляла 23,4 ц/га, при утилизации нормой 1 т/га твердых органических веществ их масса составила 28,4 ц/га, а жидких органических веществ эквивалентной нормой 2 т/га – 48,1 см, таблица 2. Масса сухого вещества растений на фоне составляла 23,4 ц/га, при утилизации нормой 5 т/га твердых органических веществ их масса составила 37,3 ц/га, а жидких органических веществ эквивалентной нормой 2 т/га – 38,33 ц/га. Растения более эффективно реагировали на жидкие органические вещества.

Использование органических веществ в агроэкосистеме является эффективным. Органическое вещество в твердой и жидкой форме увеличивает чистую первичную продуктивность подземной биомассы картофеля (табл. 3, 4). Увеличение чистой первичной продуктивности подземной части по вариантам эксперимента является значимой.

 

Таблица 3 – Чистая первичная продуктивность подземной биомассы картофеля в варианте с внесением в почву твердых органических веществ

Вариант эксперимента	Чистая  первичная  продуктивность  подземная, т/га/год	Прибавка к фону, т/га/год	Прибавка к фону, %
Фон, без органических веществ	16,5	–	–
1 т/га	18,1	1,6	9,70
2 т/га	19,3	2,8	16,96
3 т/га	20,6	4,1	24,85
4 т/га	21,4	4,9	29,70
5 т/га	20,7	4,2	25,45
t-критерий Стьюдента	15,8	–	–

 

Таблица 4 – Чистая первичная продуктивность подземной биомассы картофеля в варианте с внесением в почву жидких органических веществ

Вариант эксперимента	Чистая  первичная продуктивность  подземной биомассы, т/га/год	Прибавка к фону, т/га/год	Прибавка  к фону, %
Фон, без органических веществ	16,5	–	–
2 т/га	18,3	1,8	10,91
4 т/га	19,8	3,3	16,67
6 т/га	21,2	4,7	22,17
8 т/га	22,6	6,1	36,97
10 т/га	21,3	4,7	28,48
t-критерий Стьюдента	14,7	–	–

 

Наиболее высокая чистая первичная продуктивность подземной биомассы картофеля была получена в варианте при внесении жидкого органического вещества нормой 4 т/га, что составила 22,6 т/га. Чистая первичная продуктивность подземной части картофеля в данном варианте по сравнению с фоном была выше на 6,1 т/га. Это связано с тем, что в данном варианте густота стояния растений была довольно высокая – 38740 шт./га, что позволило получить большую массу клубней на единицу площади. Вероятно, при междурядном внесении жидкое органическое вещество лучше перемешивалось с почвой и было более доступно растениям.

При математической обработке данных относительно зависимости чистая первичной продуктивности подземной биомассы картофеля от нормы внесения жидких и твердых органических веществ эмпирическое значение t является значимым.

Почва является биологической системой, в которой происходит разложение органического вещества растительных остатков и превращение в доступные для растений биогенные элементы. Внесение органических веществ, полученных из отходов, дополнительно поставляет органический углерод, микроэлементы и биогенные вещества, что повышает плодородие почвы, формирует и увеличивает микробное сообщество. Укороченные пищевые цепи сокращают время биологического круговорота в агроэкосистеме. Продуценты, в виде картофеля, под влиянием комплекса абиотических факторов внешней среды и повышения в почве органического вещества формируют чистую первичную продуктивность больше по сравнению с фоном. Однако при существующем комплексе абиотических факторов внешней среды, максимальная чистая первичная продуктивность формируется при норме внесения жидких органических веществ 8 т/га, твердых органических веществ – 4 т/га.

Вывод

Исследования показали, что в агроэкосистеме на черноземе обыкновенном Оренбургской области применение жидких и твердых органических веществ, полученных как побочное вещество при производстве биогаза из органических отходов и компостировании органических отходов с добавлением жидкого органического вещества, эффективно.

Реакция растений эффективнее на варианте с жидкими органическими отходами. Нормативы утилизации жидкого органического вещества установлены на уровне 8 т/га, что увеличивает чистую первичную продуктивность подземной биомассы на 36,97%, по сравнению с фоном, или на 22,6 т/га. Увеличение нормы внесения жидкого органического вещества до 10 т/га не привело к увеличению чистой первичной продуктивности подземной биомассы.

Применение твердого органического вещества наиболее эффективно при норме внесения твердого органического вещества 4 т/га, чистая первичной продуктивности подземной биомассы была на 29,7% выше, чем на фоне, и составила 21,4 т/га. Повышение нормы внесения твердого органического вещества до 5 т/га ее не увеличило.

Норматив утилизации твердого органического вещества рекомендуется на уровне 4 т/га.

About the authors

Тamara A. Gamm

Orenburg State University

Email: hammtam@mail.ru

doctor of agricultural sciences, associate professor, professor of Ecology and Environmental Management Department; Orenburg State

Russian Federation, Orenburg

Elena V. Grivko

Orenburg State University

Author for correspondence.
Email: grivko-ev@mail.ru

candidate of pedagogical sciences, associate professor of Ecology and Environmental Management Department

Russian Federation, Orenburg

Bakhyt B. Idigenov

Orenburg State University

Email: starmekh@yandex.ru

postgraduate student of Ecology and Environmental Management Department

Russian Federation, Orenburg

References

Supplementary files