АГРОХИМИЯ, 2007, № 5, с. 68-75
УДК 631.87:631.879.2
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕТРАДИЦИОННОГО УДОБРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД
© 2007 г. С. Ю. Селивановская, И. Н. Курицин, А. А. Савельев
Казанский государственный университет, экологический факультет 420008 Казань, ул. Кремлевская, 18, Россия Поступила в редакцию 31.07.2006 г.
Внесение компостов из осадка сточных вод в дозах от 25 до 175 т/га с различной периодичностью приводило к изменению функционирования микробного почвенного сообщества, которое отразилось в увеличении уровня микробной биомассы и респираторной активности и снижении уровня азотфиксирующей активности. Для решения вопроса, какая из схем внесения является оптимальной, был предложен метод, включающий оценку средней эффективности воздействия за различные интервалы времени, с последующим применением кластерного анализа для выявления устойчиво эффективных схем обработки почв удобрением. Применение данного метода к полученным экспериментальным данным позволило установить, что наиболее благоприятный эффект на микробные сообщества оказывает двухкратное внесение компоста в дозах 50-75 т/га с интервалом в 2 года.
ВВЕДЕНИЕ
Любое антропогенное воздействие на экосистемы приводит к их изменению, уровень и направление которого зависит от интенсивности воздействия. К числу таких антропогенных воздействий относится применение мелиорантов в агроэкосистемах, в качестве которых используют, в частности, нетрадиционные удобрения, приготовленные на основе осадков сточных вод [1-6]. Ранее было показано, что наиболее перспективным является их применение в лесных питомниках, поскольку это не влечет за собой образования загрязненной токсикантами продукции. Более того, в случае использования осадков сточных вод крупных муниципальных образований предпочтительным является их предварительное компостирование, приводящее к существенному снижению содержания токсичных соединений и стабилизации органического вещества [6-11].
Характер эффекта от внесения осадков сточных вод не всегда является однозначным и зависит от того, какие показатели используются в исследовании. Наиболее четкие ответы о наличии или отсутствии положительного или негативного эффектов встречаются в работах, где анализу подвергали физико-химические свойства почв, уровень загрязненности почвы токсикантами или характеристики выращиваемых растений [7, 1215]. В тех же случаях, когда оценке подвергалось микробное сообщество, однозначный ответ чаще всего отсутствовал [2, 4, 8]. Это обусловлено содержанием в осадках сточных вод и полезных микробам компонентов, и токсикантов, что вызывает разнонаправленные эффекты в отношении различных определяемых параметров, а так-
же десинхронизацию флуктуаций процессов. В то же время, поскольку микроорганизмы осуществляют основные функции в круговороте органогенных элементов и, соответственно, определяют уровень плодородия почв, именно их ответная реакция должна учитываться в первую очередь при решении вопроса о допустимости вмешательства в почвенные экосистемы. В настоящее время состояние микробного сообщества оценивается на основании ряда показателей, набор которых определяется индивидуально каждым автором [16-20]. Проблема интерпретации результатов обостряется при принятии практических решений, например, выборе эффективного способа обработки почвы, в частности, дозы и периодичности внесения нетрадиционных удобрений. Возможным решением этой проблемы является использование математических методов, которые в почвенной микробиологии пока не нашли широкого применения [12, 21].
Цель работы - поиск метода анализа и интерпретации полученной в полевом эксперименте ответной реакции почвенного микробного сообщества на внесение нетрадиционного удобрения на основе осадка сточных вод в различных дозах и с различной периодичностью.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Полевые опыты проводили на территории лесного питомника Матюшенского лесничества Пригородного лесхоза (Республика Татарстан) на серой лесной почве. Опытные площадки размером 1.5 х 2.5 м были заложены рендомизировано в четырехкратной повторности. В работе исполь-
зовали компосты из осадка сточных вод станции очистки г. Казани. Компосты готовили из осадка сточных вод, опилок и торфа (1 : 1 : 1). В течение первых 3 мес. компост перемешивали, затем он дозревал без перемешивания в течение 3 мес.
Компостированный осадок был внесен в почву в дозах 30, 60, 90 т/га весной 1999 г. (варианты 30, 60, 90 соответственно), в дозах 25, 50 и 75 т/га весной 1999 г. и повторно в 2001 г. (варианты 25, 50, 75 соответственно) и в дозах 100, 150 и 175 т/га в 1999 г. (варианты 100, 150, 175). В контрольном варианте компост не вносили. Весной 1999 и 2001 г. участки были засеяны семенами сосны обыкновенной Pinus sylvestris. Семена сосны обыкновенной (2 класс, всхожесть 94%) высевали сеялкой СКП-6 по 5-строчной схеме. Норма высева 1.2 г/м строчки. Сеянцы сосны выращивали в течение 2 лет (ротация сеянцев сосны - 2 года), затем сеянцы выкапывали и пересаживали в природные лесные массивы. В 2003 г. участки не засевали, почву перекапывали и оставляли под паром. Таким образом, в работе анализировали следующие варианты обработки почвы компостом: 30, 60, 90, 100, 150 и 175 т/га с периодичностью внесения компоста один раз в 4 года и 25, 50 и 75 т/га с периодичностью внесения компоста один раз в 2 года. Анализ состояния почвенного микробного сообщества осуществляли с 1999 г. по 2003 г.
Пробы почвы отбирали методом конверта. С каждого участка отбирали по пять почвенных образцов с глубины 0-10 см. Пробы смешивали, конечная масса образцов составляла 0.5 кг. Образцы освобождали от корневых остатков, просеивали через сито (2 мм) и до начала анализа хранили при 4°C.
Измерение углерода микробной биомассы проводили экстракционно-фумигационным методом [22]. Измерение интенсивности дыхания необога-щенной почвы определяли титрационным методом [23]. Определение потенциальной активности азотфиксации осуществляли ацетиленовым методом [24]. Все анализы осуществляли не менее чем в 3-х повторностях.
Статистическое распределение значений каждого параметра преобразовывали к нормальному, гипотезу о нормальности преобразованных значений проверяли с использованием критерия %2.
Эффективность применения удобрений по каждому показателю оценивали в сравнении с контролем и представляли трехкомпонентным вектором.
Для выявления оптимальной схемы внесения компоста применяли метод иерархической кластеризации, основанный на матрице расстояний между векторами эффективности, вычисленными с учетом их дисперсии. Для расчета расстояния между объектами использовали t-статистику Стьюден-та. Кластеризацию данных осуществляли в программе STATISTICA version 6 StatSoft Inc. (2001).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ ответной реакции почвенного микробного сообщества на внесение компостов осуществляли на основе определения таких показателей, как уровень микробной биомассы, респираторная активность и азотфиксирующая активность почв, так как эти показатели наиболее часто используются для характеристики почвенных сообществ [4, 19, 24-29]. Кроме того, именно такие показатели, как микробная биомасса и респираторная активность, включены в национальные и международные программы мониторинга качества почвы, а недавно в них были включены и показатели, отражающие круговорот азота [30].
Поскольку стандартные статистические оценки предполагают нормальное распределение значений, полученные экспериментальные данные (распределение которых было близко обратному у-распределению) были нормализованы с помощью функции у = -1пх; данная функция была выбрана из нескольких возможных как наиболее подходящая по критерию %2 согласия распределения преобразованных значений с нормальным. В качестве примера на рис. 1 приведены гистограммы распределения исходных и преобразованных значений показателя респираторная активность для вариантов почвенной обработки 25, 50 и 75 т/га. Весь дальнейший анализ проводили с использованием преобразованных данных.
На рис. 2 в качестве примера представлены изменения уровня микробной биомассы, азотфик-сирующей и респираторной активностей микроорганизмов почвенных образцов для вариантов 25, 50 и 75 т/га, а также для образца необработанной почвы. Данные позволяют сравнить три варианта обработки. Внесение компоста приводило к резкому увеличению микробной биомассы в почве при всех вариантах ее обработки. Аналогичный эффект отмечен и другими авторами [10, 29, 31]. Повторная обработка почвы привела к увеличению уровня биомассы в целом, однако ни один из вариантов не продемонстрировал свое преимущество над другими.
Меньший стимулирующий эффект оказывало внесение компоста на азотфиксирующую активность почв (рис. 26). Более того, внесение высоких доз 100-175 т/га (иллюстрации не представлены) вызывало существенный ингибирующий эффект, связанный, вероятнее всего, с внесением дополнительного аммонийного азота [4].
При анализе респираторной активности наблюдали картину, схожую с обнаруженной для микробной биомассы. В целом, внесение всех доз компоста стимулировало респираторную активность (рис. 2в), что согласуется с данными, представленными в литературе [2, 31]. Отмечена тенденция увеличения респираторной активности с возрастанием дозы компоста, однако выявить,
(а)
(б)
~ 6 л н о
ь
ИТ1
12 10 8 6 4 2
0
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 -1 0 1 Значение параметра
— Без внесения компоста
---Компост, 25 т/га
..... Компост, 50 т/га
-----Компост, 75 т/га
2 3
Рис. 1. Распределение исходных результатов анализа респираторной активности почв при внесении компоста (а) и результатов после нормализации (б).
0
0
4
5
какая из доз является предпочтительной, было затруднительно, поскольку в разных точках максимальную активность демонстрировали образцы разных вариантов: например, на 30-е сут - вариант 75 т/га, на 60-е - вариант 25 т/га, на 150-е сут - вариант 50 т/га. Полученные данные подтверждают известное положение о флуктуацион-ном характере почвенных процессов. Антропогенное вмешательство в виде вносимого компоста приводило к изменению процессов, связан
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.