The effect of manure-lignin compost on the productivity of agrocenoses in the Komi Republic

Full Text

Введение

В настоящее время наблюдается снижение производства минеральных удобрений и навоза. Поэтому нетрадиционным видам удобрений принадлежит важная роль, поскольку они повышают урожайность культур сельского хозяйства [1, 2]. К нетрадиционным видам удобрений относится лигнин, который получают в гидролизной промышленности России в качестве отходов более 4 млн т в год. В планах его увеличение в 2,5–3,0 раза. Сходство лигнина с органическим веществом почвы позволяет его использовать в агропромышленном комплексе (далее – АПК) как составную часть компостов. Как известно, подобные удобрения достаточно хорошо способны обогащать почву как органическими, так и минеральными компонентами. На сегодняшний день в сельском хозяйстве уже применяют многие виды удобрений, в том числе и состоящие из разных элементов: торфа, опилок, помета птиц, минеральных компонентов, стимуляторов роста и т. д. Кроме того, в сельском хозяйстве также используется и смесь для удерживания влаги, которая состоит из отходов древесной промышленности и гидролизного лигнина, а также обладает питательными свойствами, что очень важно для выращивания сельскохозяйственных культур в тепличных условиях [4, 5]. Единственное, почему нельзя в большом количестве применять гидролизный лигнин в виде органики для удобрений, это низкие значения его рН=1,9–4,7 [6, 7], обусловленные технологическими приемами переработки древесины. Также гидролизный лигнин содержит в своем составе вещества фенольной природы и остатки серной кислоты, которые можно нейтрализовать добавлением известковых материалов, что проводится путем применения различных подходов, в том числе и перемешивание в компостной яме с такими компонентами, как помет, соли фосфора и калия. Только после данной процедуры лигнин допускается применять в качестве органического удобрения для разных сельскохозяйственных культур [8, 9].

Цель исследований – установление зависимости урожайности дерново-подзолистой почвы от применения пометнолигнинового компоста.

Материал и методы

Научные исследования на почвах опытного участка Института агробиотехнологий ФИЦ Коми НЦ УрО РАН Республики Коми проводили в соответствии с методикой Б. А. Доспехова [10]. До закладки опыта для почвы опытного участка характерен низкий уровень плодородия со следующими физико-химическими показателями: содержание подвижного фосфора – 97,0 мг/кг, обменного калия – 94,5 мг/кг, гумуса – 2,42 %; pH_KCL=4,79; гидролитическая кислотность составляла 4,5 ммоль/100 г почвы.

В научной работе использовали следующие методы химического анализа. В образцах почвы определяли рН солевых вытяжек и гидролитическую кислотность ионометрически с помощью анализатора жидкости «Эксперт - 001»; подвижные формы фосфора – по методу Кирсанова применяя спектрофотометр GENESYS 150 при длине волны 710 нм. Массовую долю обменных форм калия определяли на пламенном фотометре; обменные катионы кальция и магния – комплексонометрическим методом; сумму поглощенных оснований – методом Каппена; общий азот – с помощью спектрофотометра GENESYS 150 при длине волны 655 нм; массовую долю органического углерода и гумуса почвы по методу Тюрина в модификации ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН [11], используя спектрофотометр GENESYS 150.

В растениях определяли биохимические параметры. Объемы общего азота и фосфора вычисляли посредством применения подхода фотоколорометрики; сырую золу – применяя сухое озоление в муфельной печи; сырую клетчатку – при помощи отделения компонентов, растворимых в щелочной среде, и выделения объема осадка, который можно расценивать в качестве клетчатки; калий измеряли посредством пламенного фотометра на растительном сырье после того, как провели процедуру сухого озоления; нитратный азот – ионоселективным способом; кальций – трилонометрически; кормовые единицы, БЭВ, сырой протеин – расчетным методом.

В ходе исследования выяснилось, что в состав технического лигнина входит небольшое количество азота и зольных элементов (рис. 1 и 2), а также для него характерна высокая кислотность, это явилось препятствием для его применения в качестве удобрения.

 

Рисунок. 1. Агрохимические свойства удобрений, в % к абсолютно сухой массе.

 

Рисунок 2. Агрохимические свойства удобрений, в мг/кг к абсолютно сухой массе.

 

Однако сходство лигнина с негидролизуемой частью гуминовой кислоты позволяет использовать его как источник прогумусовых веществ. Уникальные свойства лигнина послужили основой для исследования относительно его использования в качестве удобрения.

Как ранее мы отметили, лигнин нейтрализуется посредством обработки доломитовой мукой. После проведения процедуры физические свойства практически не отличаются от тех показателей, которые были у него до обработки. Если говорить об агрохимических характеристиках, то объемы азота, калия и фосфора увеличиваются в течение нескольких недель после окончания обработки, а уровень кислотности значительно уменьшается – практически в 6,9 раз (рис. 3).

 

Рисунок 3. Кислотность лигнина и его модификаций, а также торфонавозного компоста.

 

Пометнолигниновый комплекс (далее – ПАК) отличается от торфонавозного компоста (далее – ТНК) повышенным содержанием минеральных элементов (калия и фосфора), полным отсутствием семян сорняков.

Результаты и их обсуждение

Исследования в полях показали, что воздействие на агрохимические свойства почвы при внесении пометнолигнинового комплекса в более высоких дозах приводит к увеличению калия с 48,3 до 350,1 мг/кг, фосфора – с 56,2 до 1791,2 мг/кг (рис. 4); гумуса – с 2,77 до 6,32 % (рис. 5). Это означает, что исследуемое удобрение может выступать как регулятор важнейших свойств почвы.

 

Рисунок 4. Воздействие пометнолигнинового комплекса на содержание фосфора и калия в почве.

 

Рисунок 5. Воздействие пометнолигнинового комплекса на содержание гумуса в почве.

 

К снижению всех видов кислотности почвы привело внесение ПЛК вместе с известкованием почвы (рис. 6).

 

Рисунок 6. Воздействие пометнолигнинового комплекса вместе с известкованием почвы на изменение ее кислотности.

 

Нейтрализовать кислотность почвы удалось посредством внесения доломитовой муки и ПЛК, что позволило снизить кислотность до нормативного значения (рис. 7).

 

Рисунок 7. Воздействие пометнолигнинового комплекса совместно с доломитовой мукой на изменение гидролитической кислотности почвы.

 

Таким образом, итоги исследования показывают, что состав почвы после внесения удобрений стал намного питательнее, объемы гумуса, азота, фосфора и калия повысились в несколько раз, что является довольно позитивным моментом. Использование высокой дозы ПЛК привело к увеличению весовой влажности относительно контрольного варианта (рис. 8).

 

Рисунок 8. Изменение весовой и объемной влажности, общей порозности и порозности аэрации почвы (слой 0-10 см) под воздействием пометнолигнинового комплекса.

 

Что касается объемной влажности, то она была ниже оптимальной при наиболее высокой дозе ПЛК.

В зависимости от дозы ПЛК наблюдалось увеличение общей порозности почвы на 2,6–15,4 %. Варианту ПЛК 1000 т/га свойственна наибольшая общая порозность (64,98 %), превышающая контрольный вариант на 15,36 %.

Также повышение доз ПЛК способствовало увеличению порозности аэрации. Так, при наиболее высокой дозе ПЛК составила 31,17 %, что выше контрольного варианта на 6,7 %.

Под влиянием пометнолигнинового комплекса наблюдалось снижение объемной массы почвы во всех вариантах на 0,19–0,41 г/см³, при наибольшей дозе ПЛК снижение более существенно. Для удельной массы почвы также характерно снижение, однако отклонение от контроля в двух вариантах несущественно (рис. 9). Опыты, проведенные в полях, свидетельствуют о питательных свойствах ПЛК длительного действия, а также об изменении физических свойств почвы в сторону улучшения за счет ПЛК. Для роста урожайности растений на тяжелых почвах [12] гидролизный лигнин при одновременном его внесении с известью может быть более эффективным, чем ПЛК.

 

Рисунок 9. Изменение объемной и удельной масс почвы (слой 0–10 см) под влиянием пометнолигнинового комплекса.

 

Исследование показало увеличение урожайности злаковых трав по мере увеличения дозы пометнолигнинового комплекса во всех вариантах опыта (рис. 10).

 

Рисунок 10. Изменение продуктивности многолетних злаковых трав (сено) вследствие влияния пометнолигнинового комплекса, ц/га.

 

Исследование показало, что в рассматриваемый период времени эффективность удобрений различалась в зависимости от таких факторов, как погодные условия и возраст растения в период уборки урожая.

Продуктивность сена увеличивается при повышении доз ПЛК, наиболее высокая доза ПЛК дает наибольший урожай. По результатам восьми лет исследований валовой урожай многолетних трав превысил контрольный вариант на 82,9 % (рис. 11). Сравнивая полученный урожай от использования ПЛК и торфонавозного компоста (доза – 200 т/га), следует отметить, что с помощью ПЛК продуктивность растет с 15 до 230 ц/га.

 

Рисунок 11. Изменение валового сбора многолетних злаковых трав (2008–2019) за счет использования пометнолигнинового комплекса.

 

Согласно рис. 12, применение ПЛК в наибольшей дозе позволило увеличить в сене сырой протеин на 1 %; сырую золу – на 0,2 %; сырой жир – на 0,26 %; содержание клетчатки снизилось с 34,5 до 33,4 %.

 

Рисунок 12. Изменение клетчатки, сырого жира, сырой золы, сырого протеина в сене посредством применения пометнолигнинового комплекса (средние показатели за 2009–2019 годы).

 

Также наблюдался рост содержания каротина с 63,1 до 70,7 мг/кг, количество нитратов находилось в пределах допустимой нормы (рис. 13).

 

Рисунок 13. Изменение содержания каротина и нитратов в многолетних травах под влиянием пометнолигнинового комплекса (средние показатели за 2009–2019 годы).

 

Изменение доз ПЛК привело к колебанию кормовых единиц в 1 кг сена то в сторону снижения, то в сторону увеличения (рис. 14).

 

Рисунок 14. Изменение содержания кормовых единиц в 1 кг сена под влиянием пометнолигнинового комплекса (средние показатели за 2009–2019 годы).

 

Заключение

В ходе исследования выяснилось, что ПЛК по технологическим и агрохимическим свойствам эффективнее традиционных торфонавозных. Кроме того, пометнолигниновый комплекс способствует снижению кислотности почвы; повышению содержания в ней гумуса, подвижных форм фосфора и калия.

Повышение доз ПЛК благоприятно влияло на рост урожайности сена. Повышению качества сена, содержания каротина; макроэлементов; сбора белка с 1 га сельскохозяйственных земель способствовали удобрения на основе лигнина. Также необходимо отметить, что качество сена не ухудшалось под воздействием пометнолигнинового компоста в дозе 1000 т/га (отсутствовало превышение нитратами предельно допустимой концентрации (далее – ПДК)).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

Olga V. Brovarova

Institute of Agrobiotechnologies, Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: olbrov@mail.ru

Candidate of Sciences (Chemistry), Researcher

Russian Federation, Syktyvkar

Nikolai T. Chebotarev

Institute of Agrobiotechnologies, Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: olbrov@mail.ru

Doctor of Sciences (Agriculture), Chief Researcher

Russian Federation, Syktyvkar

Ekaterina А. Bessolitsina

Institute of Agrobiotechnologies, Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: bess2000@mail.ru

Candidate of Sciences (Biology), Leading Researcher

Russian Federation, Syktyvkar

References

Supplementary files