ООО "Алтайагрохимсоюз Плюс",
ООО "Алтайагрохимсоюз Плюс
УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
На сегодняшний день во многих регионах России необходимо проведение комплекса мероприятий по рекультивации полигонов ТКО в связи с их переполнением. При формировании экологически устойчивого агроландшафта при рекультивации полигона ТКО требуется внесение почвогрунта с высоким содержанием органического вещества и биогенных элементов. Осадки сточных вод являются хорошей альтернативой почвогрунту для рекультивации полигона ТКО из-за высокого содержания в них органического вещества и биогенных элементов. Исследования проводились на полигоне ТКО, расположенном на северо-западной окраине г. Барнаула в пределах ранее существовавшего Льняного лога. Рекультивацию полигона проводили в два этапа: технический и биологический. Полевой опыт закладывали в трех вариантах: контроль (почва), смесь осадков сточных вод и почвогрунта (1:1), осадки сточных вод. Содержание гумуса, азота, фосфора и калия в почвенных конструкциях зависело от внесенных осадков сточных вод и изменялось за годы исследования. Наибольшее содержание биогенных элементов отмечено в почвенной конструкции с использованием только осадков сточных вод. Максимальная урожайность сельскохозяйственных культур также была получена на вариантах с использованием осадка сточных вод.
рекультивация, полигон, осадки сточных вод, агроландшафт.
Введение
Ежегодно в мире образуется более 2 млрд тонн твердых коммунальных отходов (ТКО), растет число полигонов их захоронения. На территории России масса ТКО достигла 8448,6 млн. т, что на 21,5% выше уровня 2020 г. [1]. На сегодняшний день во многих регионах России необходимо проведение комплекса мероприятий по рекультивации полигонов ТКО в связи с их переполнением. Для стабилизации экологического состояния окружающей среды необходимо создать агроландшафт (ландшафт). Изучением рекультивации полигонов ТКО, а также проектированием ландшафтов и агроландшафтов занимались многие иностранные и отечественные ученые.
При формировании экологически устойчивого агроландшафта при рекультивации полигона ТКО требуется внесение почвогрунта с высоким содержанием органического вещества и биогенных элементов. Осадки сточных вод являются хорошей альтернативой почвогрунту для рекультивации полигона ТКО из-за высокого содержания в них органического вещества и биогенных элементов, с одной стороны. С другой стороны осадки сточных вод содержат различные поллютанты [2].
Цель исследования - выявить влияние внесения осадка сточных вод при рекультивации на агрохимические показатели почв и урожайность сельскохозяйственных культур агроландшафта.
Объект и методы исследования
Исследования проводились на полигоне ТКО, расположенном на северо-западной окраине г. Барнаула в пределах ранее существовавшего Льняного лога (рис. 1).
Рисунок 1 – Полигон ТКО
Полигон ТКО г. Барнаула открыт в 1975 году на землях Льняного лога площадью 33,7 га. На полигоне ТКО накоплено 12680 тыс. т. отходов, при предельной емкости 13200 тыс. т.
Территория полигона состоит из двух карт. Верхняя карта на период изысканий заполнена и не используется, нижняя – эксплуатируется, туда постоянно привозятся бытовые отходы.
В геоморфологическом отношении полигон расположен в пределах склона Приобского плато. Абсолютные отметки по устьям выработок изменяются от 243,7до 251,9 м.
Морфологический состав размещения отходов представлен бытовыми и строительными отходами (таблица 1).
Таблица 1 – Морфологический состав размещения отходов
|
Бытовые отходы 64% |
|
|
Полимерные материалы (в т.ч. целлофан, пластик) |
15% |
|
Бумага и картон |
15% |
|
Древесные остатки |
1% |
|
Текстиль |
3% |
|
Стекло |
4,3% |
|
Камни, керамика |
8% |
|
Заполнитель – разложившиеся органические отходы |
17,7% |
|
Строительные отходы 36% |
|
|
Куски бетона |
16% |
|
Куски асфальта |
9% |
|
Куски металла |
5% |
|
Обломки кирпича |
6% |
Согласно данным инженерно-геологических изысканий выделены следующие геологические элементы:
ИГЭ-1 – насыпной грунт, смесь бытового и строительного мусора, отсыпан сухим способом, без изолирующих слоев, неравномерно по плотности и сложению, метод складирования отходов – навалом. Распространен по всей территории полигона, залегает первым по поверхности, пройденная мощность 2,0-30,2 м. Давность отсыпки грунта более 5 лет, грунт считается самоуплотненным. Расчетное значение плотности насыпного грунта равно 433,1 кг/м3. Расчетное сопротивление Ro=80 кПа.
ИГЭ-2 – суглинок лессовидный, непросадочный, твердый с включением полутвердого и тугопластичного, желто-бурого, буровато-серого цвета, с карбонатными прожилками. Вскрытая мощность элемента 1,0-10,0 м.
На полигоне ТКО в северной его части выбран небольшой участок размером 45×17 м. Визуальный осмотр данного участка позволил охарактеризовать его по следующим критериям: твердые коммунальные отходы уплотнены, отмечено большое количество строительных и полимерных отходов. Участок имеет ровную поверхность, находится чуть ниже, чем основной массив полигона ТКО.
Концептуальная модель формирования агроландшафта на отработанном полигоне твердых коммунальных отходов с использованием осадков сточных вод реализована в Ramus Education по методологии IDEF0.
Для рекультивации полигона ТКО использовали осадки сточных вод (ОСВ) г. Барнаула со сроком хранения более 5 лет, взятые на комплексе очистных сооружений.
ОСВ г. Барнаула имеют реакцию среды 6,1, влажность 33%, Осадки сточных вод характеризуются значительным содержанием азота, фосфора и калия – соответственно, 0,69, 1,9, 1,97%..
При использовании ОСВ в сельскохозяйственном производстве, а также при биологической рекультивации ТКО с целью создания агроландшафта важен анализ наличия тяжелых металлов в ОСВ (таблица 2).
Таблица 2 – Валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка в ОСВ (в пересчете на сухое вещество)
|
Показатель |
Значение, мг/кг |
ПДК |
|
|
Min |
Max |
||
|
Ртуть |
0,021 |
0,32 |
15 |
|
Кобальт |
4,6 |
103 |
- |
|
Кадмий |
0,12 |
20,1 |
30 |
|
Мышьяк |
0,96 |
11,3 |
20 |
|
Никель |
6,6 |
92,6 |
400 |
|
Марганец |
180 |
656 |
- |
|
Хром |
16,8 |
105,3 |
1000 |
|
Молибден |
3,5 |
5 |
- |
|
Цинк |
34,49 |
1186,1 |
3500 |
|
Свинец |
3,7 |
91,2 |
500 |
|
Молибден |
3,5 |
5 |
- |
Содержание поллютантов в ОСВ не превышает предельно-допустимые концентрации. По результатам проведенных исследований установлено, что ОСВ г. Барнаула полностью соответствуют требованиям СанПиН 1.2.3685–21 и ГОСТ Р 54534–2011.
Материалы и методы исследования
В исследовании использовали системный подход с применением общенаучных и специальных методов.
Агрохимические, санитарно – бактериологические и санитарно – паразитологические исследования проводились в аккредитованных лабораториях г. Барнаула.
Технология проведения технического этапа рекультивации включала несколько видов работ: разравнивание ТКО, планировка поверхности бульдозером, уплотнение тяжелым катком, создание противофильтрационного экрана из глины, вывоз на полигон почвогрунта и ОСВ и создание плодородного слоя.
Биологический этап включал посадку деревьев, вспашку почвогрунта и посев сельскохозяйственных растений.
Завозили почвогрунт с площадки, расположенной на расстоянии 500 м от опытного участка. ОСВ брали из буртов, находящихся на расстоянии 2 км на иловых картах КОС 2.
Погрузку почвогрунта и ОСВ осуществляли с помощью бульдозера и экскаватора, доставку на опытный участок – большегрузным самосвалом КамАЗ. Перемешивание и разравнивание почвогрунта на поверхности поля – бульдозером.
Биологический этап рекультивации завершался в мае 2019 года посевом озимой зерновой культуры тритикале и многолетних злаковых трав фестулолиум и кострец безостый. В это же время была проведена посадка древесно-кустарниковых растений: клен канадский, рябина обыкновенная и барбарис для лесомелиоративной защиты агроландшафта.
На рисунке 2 представлена схема по проведению этапов рекультивации полигона ТКО на всех вариантах опыта. Варианты различаются составом почвогрунтов, которые использованы для создания плодородного слоя: почва, смесь осадков сточных вод и почвогрунта, осадки сточных вод.
2) Смесь осадков сточных вод и почвогрунта (1:1).
3) Осадки сточных вод.
На всех вариантах создавали плодородный слой мощностью 40 см, что позволило выращивать на участках растения.
Результаты исследований
Климат на полигоне ТКО г. Барнаула резко континентальный, с небольшим количеством осадков. Погодные условия в годы проведения исследований характеризовались значениями, близкими к средним многолетним. Наибольшая средняя температура в вегетационный период была 22 °C в 2019 году (рисунок 3). За годы исследования минимальное количество осадков в вегетационный период выпало 185 мм в 2019 г., а максимальное в 2022 г. – 311 мм [6].
2) Смесь осадков сточных вод и почвогрунта (1:1).
3) Осадки сточных вод.
На всех вариантах создавали плодородный слой мощностью 40 см, что позволило выращивать на участках растения.
Результаты исследований
Климат на полигоне ТКО г. Барнаула резко континентальный, с небольшим количеством осадков. Погодные условия в годы проведения исследований характеризовались значениями, близкими к средним многолетним. Наибольшая средняя температура в вегетационный период была 22 °C в 2019 году (рисунок 3). За годы исследования минимальное количество осадков в вегетационный период выпало 185 мм в 2019 г., а максимальное в 2022 г. – 311 мм [6].
Рисунок 3 – Средняя температура за 2019–2022 год
На опытном полевом участке рекультивированного полигона ТКО для формирования плодородного слоя были использованы почвы и ОСВ.
Количество биогенных элементов в почвенных конструкциях зависело от нормы внесения осадков сточных вод и грунта (таблица 3).
Содержание гумуса и питательных элементов во вновь созданном агроландшафте по вариантам опыта в период с 2020 по 2022 год незначительно изменяется. За годы исследований содержание гумуса практические не изменялось.
Наибольшее содержание азота общего определено на варианте 3 (ОСВ) и составило 0,37%. Наименьшее содержание азота общего определено в почве. За период с 2020–2022 гг. его значение находилось на уровне 0,04-0,06%. На варианте ОСВ+почва содержание азота общего занимало промежуточное положение, но ближе к ОСВ (0,28–0,31%).
Таблица 3 – Агрохимические показатели агроландшафта рекультивированного участка полигона ТКО г. Барнаула.
|
Варианты |
Годы |
pH сол. |
pH водн. |
Гумус, % |
Азот общий, % |
Фосфор общий, % |
Калий общий, % |
|
Контроль (почва) |
2020 |
6,5 |
7,8 |
3,2 |
0,06 |
0,35 |
0,94 |
|
2021 |
6,6 |
6,6 |
4 |
0,06 |
0,42 |
1,17 |
|
|
2022 |
6,8 |
7,4 |
3,7 |
0,04 |
0,35 |
1,11 |
|
|
Смесь осадков сточных вод и почвогрунта (1:1) |
2020 |
5,5 |
5,9 |
4,8 |
0,28 |
1,85 |
2,11 |
|
2021 |
6,5 |
6,5 |
4,1 |
0,3 |
1,19 |
2,14 |
|
|
2022 |
5,4 |
5,5 |
4,3 |
0,31 |
1,4 |
1,07 |
|
|
Осадок сточных вод |
2020 |
5,7 |
5,8 |
8,7 |
0,23 |
2,38 |
0,98 |
|
2021 |
5,4 |
5,4 |
8,5 |
0,36 |
2,03 |
1,4 |
|
|
2022 |
5,5 |
5,7 |
9,2 |
0,37 |
1,92 |
0,98 |
В ОСВ большая часть фосфора (70–90%) находится в неорганической форме. Содержание фосфора в почве влияет на рост растения. В первоначальных сформированных почвенных конструкциях общего фосфора по вариантам содержалось соответственно 0,35%, 1,85%, 2,38%. В последующие годы в динамике запасов общего фосфора прослеживалась динамика на его уменьшение за счет выноса урожаем.
Влияние на развитие растений также оказывает калий. Содержание калия общего в почве за 3 года исследований находилось примерно на уровне 1%. Во 2-м и 3-м вариантах, где были внесены осадки сточных вод, запасы калия общего увеличились незначительно.
Почвогрунты, помимо питательных элементов, в своем составе содержат загрязняющие вещества, такие как тяжелые металлы. Загрязняющие вещества во вновь созданный агроландшафт вносятся с осадками сточных вод и зависят от объема их внесения.
Результаты исследования почвенных конструкций на содержание в них тяжелых металлов и мышьяка доказывают, что эти поллютанты не могут служить препятствием для использования осадков сточных вод для формирования агроландшафта(таблица 4).
В 2020 году, когда закладывали полевой опыт, минимальное содержание тяжелых металлов (ТМ) и мышьяка находилось в почвогрунте. В почвенных конструкциях агроландшафта, которые были образованы с использованием осадков сточных вод, содержание ТМ и мышьяка значительно возросло: кадмия – от 0,36 до 0,43 (почва+ОСВ) и до 0,46 мг/кг (ОСВ); мышьяка – от 0,69 до 0,98 (почва+ОСВ) и до 1,24 (ОСВ); ртути – от 0,016 до 0,019 (почва+ОСВ) и до 0,022 (ОСВ); свинца – от 13,6 до 86,0 (почва+ОСВ) и до 91,2 (ОСВ); цинка – от 45,14 до 65,42 (почва+ОСВ) и до 66,39 (ОСВ); меди – от 16,09 до 96,37 (почва+ОСВ) и до 126,1 (ОСВ) мг/кг. Несмотря на увеличение содержания ТМ и мышьяка в почвенных конструкциях агроландшафта, их содержание оставалось в количествах значительно ниже ПДК.
Таблица 4 – Содержание тяжелых металлов и мышьяка во вновь созданных почвенных конструкциях агроландшафта, мг/кг
|
Варианты |
Годы |
Кадмий |
Мышьяк |
Ртуть |
Свинец |
Цинк |
|
Контроль (почва) |
2020 |
0,36 |
0,69 |
0,016 |
13,6 |
45,14 |
|
2021 |
0,26 |
0,77 |
0,017 |
12 |
39,6 |
|
|
2022 |
0,13 |
0,71 |
0,016 |
11,5 |
44 |
|
|
Смесь осадков сточных вод и почвогрунта (1:1) |
2020 |
0,43 |
0,98 |
0,019 |
86 |
65,42 |
|
2021 |
0,26 |
0,64 |
0,018 |
61,5 |
35,65 |
|
|
2022 |
0,27 |
0,83 |
0,019 |
46,2 |
49 |
|
|
Осадок сточных вод |
2020 |
0,46 |
1,24 |
0,022 |
91,2 |
66,39 |
|
2021 |
0,3 |
0,88 |
0,021 |
84,3 |
43,41 |
|
|
2022 |
0,46 |
0,96 |
0,022 |
81 |
54 |
|
|
ПДК |
30 |
20 |
15 |
500 |
3500 |
В 2022 году, когда завершали исследования, мы установили, что содержание ТМ и мышьяка в почвенных конструкциях агроландшафтов на всех вариантах уменьшилось.
На основании проведенных исследований на участке рекультивированного полигона была определена урожайность по вариантам полевого опыта (рисунок 4).
За 3 года исследований максимальная урожайность зерна тритикале получена на 2-м варианте. В 2020 году урожайность составила 7,58 т/га, в 2021 году она достигла значения 8,52 т/га, в 2022 году снизилась до 4,4 т/га. Минимальная урожайность за все годы исследований была получена на варианте с почвой.
Максимальная урожайность зеленой массы фестулолиума за все годы исследований сформировалась на 3-м варианте (ОСВ). В 2020 году она составила 9,9 т/га, в 2021 году – 10,6 т/га, в 2022–10,7 т/га. Немного этому значению уступала урожайность на 2-м варианте. На контроле урожайность сформировалась самой низкой из всех вариантов.
Наибольшую продуктивность за годы исследований проявил кострец безостый. На этой культуре получена максимальная урожайность зеленой массы, которая в 2020 году на 3-м варианте (ОСВ) составила 13,0 т/га. В 2021 2022 годах на 3-м варианте также получена самая высокая урожайность.
Дисперсионный анализ данных по урожайности за годы исследования показал наличие значительных различий между вариантами. Степень влияния вариантов на урожайность составила более 80%.
Выводы
- Содержание гумуса, азота, фосфора и калия в почвенных конструкциях зависело от внесенных осадков сточных вод и изменялось за годы исследования. Наибольшее содержание биогенных элементов отмечено в почвенной конструкции с использованием только осадков сточных вод. Содержание азота общего на вариантах почва, ОСВ+почва, ОСВ изменялось за годы исследования, соответственно, с 0,04–0,06, 0,28–0,3, 0,23–0,37%. Содержание фосфора общего на вариантах почва, ОСВ+почва, ОСВ изменялось за годы исследования, соответственно, с 0,35–0,42, 1,19–1,85, 1,92–2,38 %. Содержание калия общего на вариантах почва, ОСВ+почва, ОСВ изменялось за годы исследования, соответственно, с 0,94–1,11, 1,07–2,14, 0,98–1,40%.
- За 3 года исследований максимальная урожайность зерна тритикале получена на 2-м варианте и изменялась с 4,4-8,52 т/га, максимальная урожайность зеленой массы фестулолиума за все годы исследований сформировалась на варианте ОСВ и изменялась с 9,9-10,7 т/га, максимальная урожайность зеленой массы костреца безостого была получена на варианте ОСВ и изменялась с 10,3-13 т/га. Минимальная урожайность всех сельскохозяйственных культур за все годы исследований была получена на варианте почва.
Заключение
Таким образом, осадки сточных служат безопасным и экономически эффективным вариантом использования вторичных ресурсов, применяемых для рекультивации нарушенных земель (полигонов ТКО).
1. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2021 году. Государственный доклад. - М.: Минприроды России; МГУ имени М.В.Ломоносова, 2022. - 685 с.
2. Воробьева Р. П. Использование осадка сточных вод/Р. П. Воробьева, А.С.Давыдов, Г.Е. Мерзлая, Р. А. Афанасьев, В.Б. Шепталов. - Новосибирск: Наука, 2020.-192с.
3. Чепрунова Ю.В., Тиньгаев А.В., Шепталов В.Б. Урожайность и качество продукции сельскохозяйственных культур на вновь созданном агроландшафте рекультивируемого полигона твердых коммунальных отходов. Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2021. № 4 (198). С. 49-54.
4. Чепрунова, Ю.В. Формирование агроландшафта на отработанном полигоне твердых коммунальных отходов с использованием осадков сточных вод /Чепрунова Ю. В., Тиньгаев А.В. // Роль мелиорации в обеспечении продовольственной безопасности. - 2022. - С. 133-138.
5. Tingayev, A.V., Cheprunova, Y.V. Impact of pollutants in the soil of the agrolandscape of the recultivated landfill on crops // Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture.2022. Volume 14, Issue 2, Pages 373-38.
6. Тиньгаев А.В., Терещенко Т.В. Обоснование орошения костреца безостого в условиях рекультивируемого полигона твердых коммунальных отходов. Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2022. № 11 (217). С. 79-84.
