В основе механизма почвенной утилизации органических отходов лежит поглотительная способность почвы. Исследования, проведенные в различных почвенно-климатических условиях, свидетельствуют о высокой поглотительной способности почв (Марымов, 1982; Сергиенко, 1987; Diez et al., 1992; Kutera, 1990; Long-term..., 1994). Первичную ступень механизма обеспечивает механическое поглощение. В почвах задерживаются не только крупные, но и коллоидные частицы и даже бактерии, диаметры которых в несколько раз меньше самых малых капилляров. Физико-химическая и химическая поглотительная способность почвы обеспечивает очистку главным образом от минеральных примесей, в результате чего в почве закрепляются многие важные для растений питательные вещества. Растворенные минеральные вещества поглощаются почвой на 60-80% и водорастворимые органические вещества - на 85-95%. В основе химической поглотительной способности почвы заложена способность анионов создавать с катионами нерастворимые соединения или малорастворимые соли, выпадающие в осадок, который примешивается к твердой фазе почвы. Биологическая поглотительная способность почвы обусловлена процессами жизнедеятельности микроорганизмов, находящихся в почве. Попавшие в почву органические вещества подвергаются распаду и разложению вплоть до образования неорганических веществ (процесс минерализации), а также трансформации с образованием органического вещества почвы - гумуса (Органические удобрения…, 1984; Минеев и др., 1993). Использование органических отходов в качестве удобрений, по данным авторов, ведет к увеличению урожайности кормовых культур до 200%.
Однако, при использовании органических отходов в качестве удобрения существует серьезная опасность загрязнения как получаемой продукции, так и окружающей среды различными вредными веществами, поступающими в почву вместе с отходами. В органических отходах нередко наблюдается высокое содержание подвижного минерального азота, солей ТМ и других токсикантов, что вызывает необходимость введения экологических ограничений на использование.
В навозе КРС, птичьем помете не обнаружено элементов, присутствие которых в больших количествах представляло бы серьезную опасность окружающей среде и качеству продукции. Содержание регламентируемых элементов в них не превышает не только ПДК, предъявляемые к органическим удобрениям, но и, как правило, концентрацию этих элементов в почве. Валовое содержание тяжелых металлов в основном ниже ПДК для осадков сточных вод, лишь в отдельных партиях безреагентных осадков отмечается 2-5-кратное превышение Сr+3, Ni, Сu и Zn, а превышение ПДК (ОДК) для почв по валовым формам достигают 3-20 раз (Cr+3, М Си, Zn, Cd, Sn и Pb) в безреагентных и 2-6 раз (Сr+3 Си, Zn, Cd и Sn), по подвижным - соответственно 14-33 (Ni, Cu, Zn и Cd) и 3-19 (Сг+3, Ni, Cu, Zn и Cd) раз, что создает опасность загрязнения ими почвы и растениеводческой продукции (Еськов, 2006; Воробьева, 2004; Усенко, 2000).
Учитывая источники формирования органических отходов, многообразие их состава, наличие химического и биологического загрязнения, предложена концептуальная модель безопасного использования органических отходов в сельскохозяйственном производстве, включающая эколого-мелиоративное и экономическое обоснование использования органических отходов (Важнейшей составляющей модели является мониторинг обращения органических отходов - комплексная система наблюдений за формированием, объемами и составом органических отходов, оценка и прогноз изменения состояния сельскохозяйственных угодий, а также показатели урожайности и качества сельскохозяйственной продукции. Прогнозами обосновывают нормы и сроки внесения органических отходов и определяют многолетнее воздействие на сельскохозяйственные земли, подземные и поверхностные воды. Оптимизация распределения отходов научно обосновывает применение органических отходов на сельскохозяйственных землях с учетом максимизации дохода сельхозпроизводителей.
Во второй главе приводится теоретическое обоснование возможности использования органических отходов в качестве удобрений.
было установлено как положительное влияние органических отходов на урожайность и плодородие почвы, так и отрицательное в виде биологического загрязнения, занитрачивания, засоления, осолонцевания и загрязнения почв тяжелыми металлами. Как известно, основным показателем, определяющим эффективность использования органических отходов в сельском хозяйстве, является урожайность возделываемых культур. По результатам анализа фондовых материалов и литературных источников автором были получены регрессионные зависимости урожайности зеленой массы кормовых культур и зерна пшеницы от содержания биогенных элементов в почве при внесении органических отходов.
Наряду с биогенными элементами, влияющими на урожайность сельскохозяйственных культур, в органических отходах содержатся токсичные вещества – тяжелые металлы, мышьяк и другие поллютанты, оказывающие негативное влияние на почвенную микрофлору. Малые концентрации микроэлементов оказывают стимулирующие воздействие на рост бактерий в почве, а повышенные их концентрации оказывают ингибирующие воздействие. Тяжелые металлы особенно токсичны для микробиоты. В загрязненных тяжелыми металлами почвах наблюдается ослабление развития микроорганизмов и энзиматической активности, что приводит к снижению урожайности (Hattori, 1989; Lokwood, 1994; Kabata-Pendias, 1989,2005).
Для оценки изменения почвенной микрофлоры, характеризующей интенсивность и направленность микробиологических процессов, критерием которых служат микробиологическая активность почвы, по результатам анализа фондовых материалов и литературных источников была выявлена зависимость микробиологической активности почвы от количества и качества внесенных в почву твердых органических отходов по разложению льняной ткани. Степень разложения льняной ткани в зависимости от содержания подвижных форм микроэлементов имеет вид:
Рисунок 3 - Степень разложения льняной ткани в зависимости от подвижных форм микроэлементов за вегетационный период (%).
При внесении в почву осадка сточных вод в объеме до 50 т/га происходит увеличение, микробиологической активности почвы за счет роста бактерий в почве. При большей дозе происходит снижение микробиологической активности вследствие увеличения содержания тяжелых металлов в почве. Микробиологическая активность является важным экологическим ограничением при установлении объема внесения органических отходов в почву.
Еще одним из важнейших экологических показателей влияния органических отходов на почвы являются бактериологическая и гельминтологическая оценка, которые определяют степень загрязнения микроорганизмами и яйцами гельминтов. Животноводческие стоки содержат в большом количестве микроорганизмы, поэтому они при орошении культур в определенные периоды могут представлять эпидемиологическую опасность. Это может оказать отрицательное влияние на санитарное состояние выращиваемых культур, а также на окружающую природную среду за счет возможного выноса микроорганизмов в грунтовые воды при избыточном увлажнении.
Для обеспечения безопасного использования органических отходов в качестве удобрений разработаны следующие требования: применение сточных вод для орошения не должно приводить к ухудшению водно-физических свойств почв; в сточных водах содержание жизнеспособных яиц гельминтов и цисты кишечных патогенных простейших не должно превышать 1 экземпляр в 1 дм3. Орошение сточными водами не допускается на территории I и II поясов зоны санитарной охраны источников централизованного хозяйственно-типового водоснабжения; на территории выклинивания водоносных горизонтов, а также при наличии трещиноватых пород, не перекрытых водоупорным слоем. При использовании на орошение сточных вод уровень грунтовых вод на пашне должен находится не выше 1,2 м, на сельхозугодиях-1,0 м, в исключительных случаях допускается 0,8 м. Безопасное использование осадков сточных вод в качестве удобрений осуществляется на основе регламента в соответствии с технологической документацией с учетом местных условий, в том числе свойств и гидрологического режима почв, радиационного фона, содержания нормируемых загрязнений в осадках и почве, общего и минерального азота, подвижных форм фосфора и калия, особенностей возделываемых культур. (Овцов, Воробьева, Тиньгаев и др., 2002). Не допускается применять осадки в водоохранных зонах и их прибрежных защитных полосах, а также в пределах особо охраняемых природных территорий; поверхностно в лесах, лесопарках, на сенокосах и пастбищах; на затопляемых и переувлажненных почвах; на территориях с резко пересеченным рельефом, а также на площадках с уклоном в сторону водоема более 3?; в пределах II пояса зон санитарной охраны источников централизованного питьевого водопользования.
При выборе способа и техники полива животноводческими стоками учитывают почвенно-мелиоративные и климатические условия объекта, состав и режим орошения возделываемых культур, размеры и рельеф орошаемой площади, возможность механизации и автоматизации полива, а также санитарно-гигиенические и водоохранные требования. При организации полей орошения животноводческими стоками должны быть получены сведения об эпидемиологической и эпизоотической ситуациях в данной зоне в местных учреждениях санитарно-эпидемиологической и ветеринарной служб. Выполнение вышеуказанных требований позволит предотвратить возникновение инфекционных и инвазионных заболеваний среди населения и животных.
Для накопления, систематизации и анализа информации об источниках органических отходов, объемах и местах их захоронения, границах административных, природных и природно-хозяйственных единиц, почвах, реках, озерах, подземных водах, периодах наблюдения и оценках окружающей среды, качества органических отходов для использования их в сельском хозяйстве автором разработана система мониторинга обращения органических отходов( рис.4).
Универсальным инструментом для мониторинга обращения отходов и прогнозирования состояния почвы, водных объектов и подземных является применение математических методов, вычислительной техники и геоинформационных технологий. Для отображения свойств объектов в структуре геоинформационной системы выделяется информационная модель, база данных, аналитическая база и программный комплекс.
Геоинформационная система (ГИС) мониторинга обращения отходов на региональном уровне разработана в пакете
мониторинга обращения отходов в регионе предназначена для наблюдения за объемами, качеством и размещением органических отходов и состоянием окружающей среды, оценки фактического и прогнозного состояния окружающей среды при использовании органических отходов в качестве удобрений. С целью прогнозирования влияния органических отходов на окружающую среду используется комплекс математических моделей.
