Трансформация лиственничной коры и композиций на ее основе

продуктов питания и биопрепаратов для населения: мат-лы междунар. конф. - Новосибирск: Агро, 2002. - С. 20-21.

8. Полонская Д.Е., Воронова Н.Г. Биологическая активность выщелоченного чернозема Красноярской лесостепи // Плодородие почв и его воспроизводство в земледелии Восточной Сибири / ВАСХНИЛ. -Новосибирск, 1988. - С.116-123.

9. Гамзиков Г.П., Шотт П.Р. Сравнительная оценка азотфиксирующего потенциала у зернобобовых: мат-лы науч. чтений, посвящ. 100-летию закладки первых полевых опытов И.И. Жилинским. - Новосибирск: СО РАСХН, 1989. - С. 37-40.

--------♦'-----------

УДК 631.862:630.8 А.С. Нечаева, О.А. Ульянова

ТРАНСФОРМАЦИЯ ЛИСТВЕННИЧНОЙ КОРЫ И КОМПОЗИЦИЙ НА ЕЕ ОСНОВЕ

В модельном эксперименте изучена трансформация лиственничной коры и композиций на ее основе. Процесс минерализации описан уравнением первого порядка. Показано, что интенсивность минерали-зационного потока в композициях коррелирует с температурой воздуха и обусловлена соотношением органических и минеральных компонентов.

Ключевые слова: кора лиственницы, фосфоритная мука, вермикулит, мочевина, трансформация, минерализация, гумификация.

A.S. Nechayeva, O.A. Ulyanova TRANSFORMATION OF LARCH BARK AND COMPOSITIONS ON ITS BASIS

Transformation of larch bark and compositions on its basis are researched in the model experiment. Mineralization process is described by means of the first-order equation. It is shown that the mineralization flow intensity in the compositions correlates to air temperature and is determined by the organic and mineral components correlation.

Key words: larch bark, phosphorous powder, vermiculite, calurea, transformation, mineralization, humification.

Площадь лесов России, составляющая большую часть Северной Евразии, по состоянию на 1 января 1998 г. равна 719 млн га, из которых на долю лиственницы приходится 37 млн га [1]. Лиственница сибирская (Larix sibirica Ь) является распространенной породой дерева в Красноярском крае. Содержание коры лиственницы к объему ствола дерева варьирует от 18 до 25% [2]. Решением проблемы утилизации коры лиственницы может стать ее применение в сельском хозяйстве для приготовления компостов. Однако, несмотря на кажущуюся простоту компостирования, процессы, протекающие при этом, недостаточно изучены.

Целью данных исследований являлось изучение процесса трансформации коры лиственницы с различными добавками в удобрения (удобрительные композиции).

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись лиственничная кора - отход Енисейского лесозавода, мочевина (^), фосфоритная мука (Рф) и вермикулит (В) Татарского месторождения, территориально расположенного в Красноярском крае, и органо-минеральные композиции на их основе.

Схема опыта включала следующие варианты: 1. Кора (К) - контроль; 2. К + ^; 3. К + ^+ Рф 1% (Рф 1);

4. К +^+ Рф 3% (Рф 3); 5. К + ^+ Рф 1 + В; 6. К + Рф 1 + В; 7. К + N +В. Подготовку удобрительных композиций проводили методом компостирования в течение 180 суток. В качестве азотсодержащей добавки применяли мочевину в количестве 1,5 % азота, а в качестве фосфорсодержащей - фосфоритную муку в дозах 1 и 3 % по действующему веществу на сухую массу коры. Также в кору вносили вермикулит в количестве 10 % от ее массы. По данным [3], вермикулит усиливает агрохимический эффект удобрений.

Трансформацию полученных удобрительных композиций изучали по процессам минерализации и гумификации. Минерализацию органического вещества определяли по выделению СО2 абсорбционным методом в модификации И.Н. Шаркова [4]. Суммарное продуцирование углекислого газа из коры и композиций в виде С-Ш2 за период наблюдений выполняли методом линейного интерполирования. Для описания процес-

са минерализации органического вещества была использована экспоненциальная функция разложения, впервые предложенная H. Jenny, S. Gessel, F. Bingham [5] и детально рассмотренная J. Olson [6]. Эти авторы показали, что процесс разложения органических соединений подчиняется уравнению реакции первого порядка: dC/dT= - kC0, где С0 и С - концентрации субстрата в начале и в конце периода измерения; Т - время; k - константа скорости разложения субстрата, измеряемая в единицах (час, сутки, год).

Количественную оценку процесса гумификации удобрительных композиций, прокомпостированных в течение 90 и 180 суток, провели согласно методике [7-8]. В отобранных образцах находили содержание углерода органического вещества (Сорг) по Тюрину и углерода подвижного органического вещества (Спов) из одной навески пробы последовательно: углерод водорастворимый (Сн2о) методом бихроматной окисляемо-сти [8] , углерод, экстрагируемый 0,1 n NaOH (С0,1 n NaOH), в том числе углерод подвижных гуминовых кислот (Сгк) и фульвокислот (Сфк) [7]. Полученные результаты исследований были обработаны статистически методом дисперсионного анализа [9].

Результаты исследований и их обсуждение. Лиственничная кора содержит в своем составе элементы, количество которых уменьшается в следующем порядке (в скобках указано количество элемента в %): С (49,80) > Сa (1,78) > N (0,29) > Mg (0,19) > K (0,08) > P (0,05) > Fe (0,04) > Mn (0,035) > B (0,01) > Zn (0,005) > Co (0,004) > V (0,0032) > Pb (0,0031) > Sr (0,0015) > As (0,0001) > Cd (менее 0,0001). Из токсичных в коре лиственницы присутствуют As, Cd, Pb, Sr, но их количество значительно ниже ПДК, что подтверждает экологическую безопасность ее использования [10]. Исходная кора лиственницы характеризуется кислой реакцией среды (рН 4,1), высоким содержанием органического вещества и низким азота. Отсюда высокое отношение углерода к азоту, составляющее 172. Для устранения указанных недостатков необходимо проводить компостирование с добавками, обогащающими кору недостающими элементами минерального питания, понижающими отношение GN и нейтрализующими ее кислый рН.

30,00

nKrfr'rft''ч'/ rf?'ф’Ф’ <$>'<§>'^оК \4'

Дата

-»- Кора (К) К+Nm —а— К+NM+Рфі К+NM+РфЗ

K+NM+Рфі +B К+Рф1 +B —і— К+Nm+B —— Температура

Динамика продуцирования углекислого газа, г С/м2

Важнейшим показателем, определяющим интенсивность минерализации органического вещества коры, является скорость продуцирования углекислого газа. Минимальную интенсивность выделения СО2 из коры лиственницы наблюдали на контроле 16 гм^сут.-1 (рис., табл.1). Лимитирующим фактором, снижающим выделение углекислоты на контроле, является кислый рН коры. Другим фактором, сдерживающим ее разложение, является обогащенность коры полифенолами, лигнином, танинами, о чем свидетельствуют и данные других авторов [11]. Внесение в кору лиственницы минеральных добавок (мочевины, вермикулита, фосфоритной муки) способствовало нейтрализации избыточной кислотности, что стимулировало деятель-

ность микроорганизмов и, по-видимому, привело к усилению в 1,1-1,3 раза процесса минерализации в течение первых 60 суток компостирования в зависимости от варианта опыта (см. табл. 1). Низкие значения дисперсий по вариантам опыта свидетельствуют о достоверности полученных результатов. К концу 90 сут. компостирования происходит снижение выделения углекислого газа по всем вариантам опыта, но статистически отличными от контроля по этому показателю остаются варианты №3 и №4, где в композициях присутствуют совместно в качестве добавок фосфоритная мука и мочевина, являющиеся источниками минерального питания для микроорганизмов. В динамике по мере расходования легкодоступной пищи для микроорганизмов к концу 120 сут. компостирования и в дальнейшем происходит снижение эмиссии углекислоты до уровня контрольного варианта.

Таблица 1

Среднестатистические параметры продуцирования углекислого газа, гС-м-2-суг1

Вариант Период компостирования, сут.

30 60 90 120 150 180

X ± Sx S2 X ± Sx S2 X ± Sx S2 X ± Sx S2 X ± Sx S2 X ± Sx S2

1.Кора (К) 15,66±2,0 12,09 12,74±0,21 0,18 11,32±0,21 12,18 12,58±0,59 0,69 12,23±0,37 0,28 6,76±0,71 1,02

2.^ 20,08±2,42 17,57 15,79±0,62 1,52 11,43±0,62 9,98 12,84±1,61 5,21 11,85±0,86 1,48 6,90±0,42 0,36

3.^+Р3 20,07±2,13 13,63 15,45±0,47 0,86 13,12±0,47 17,16 14,08±1,37 3,73 12,03±0,81 1,3 6,87±0,29 0,17

4.^+Р6 20,49±1,97 11,68 16,58±0,29 0,35 12,73±0,29 13,93 13,09±2,04 8,32 10,12±0,33 0,22 7,03±0,42 0,36

5.К+Ч+РЭ+Б 20,11±2,91 25,35 15,85±0,45 0,82 11,23±0,45 14,29 14,45±1,64 5,35 11,39±0,39 0,31 7,80±0,89 1,58

6.К+Р3+В 18,11±3,23 31,34 13,91±0,32 0,41 13,17±0,32 17,63 15,52±2,31 10,66 12,99±0,82 1,34 6,54±0,41 0,34

7.^+В 17,24±0,92 2,55 16,23±0,57 1,27 11,33±0,57 13,98 15,85±2,52 12,66 11,83±0,34 0,23 9,69±1,19 2,83

Примечание. X - среднее арифметическое; Sx - ошибка среднего арифметического; Б2 - дисперсия.

Динамика колебания скоростей продуцирования СО2 (см. рис.) по всем вариантам опыта представлена многовершинными кривыми и связана с разной температурой в дни определений. Установлена сильная корреляционная зависимость между выделением углекислого газа и температурой. Коэффициенты корреляции составили 0,98-0,99.

Согласно уравнению, предложенному авторами [5-6], нами были рассчитаны константы скорости разложения коры лиственницы и композиций на ее основе в разные сроки компостирования. Минимальные константы разложения органического вещества отметили в контрольном варианте, а также в варианте №6, что обусловлено отсутствием азотной составляющей, тормозящей процесс минерализации. Следует отметить, что за первые 90 сут. компостирования минерализуется до 55-62% органического вещества лиственничной коры от общей полугодовой эмиссии углекислого газа в зависимости от варианта опыта (табл. 2). Совместное присутствие азота и фосфоритной муки в 90-суточной композиции стимулировало деятельность микроорганизмов, что способствовало максимальному значению константы разложения в варианте №3 - 0,38. В динамике на контрольном варианте константа разложения органического вещества осталась на прежнем уровне, в исследуемых же вариантах опыта она возросла в 2-3,2 раза к концу 180-суточного компостирования.

Таблица 2

Динамика скорости минерализации органического вещества коры лиственницы

и композиций на ее основе

Период разложения, сут.

№ Вариант 0-90 90-180 0-1 80

С к С к С к

1 Кора (К) - контроль 1136 57 0,24 848 43 0,03 1964 100 0,27

2 К+Ч„ 1294 60 0,27 867 40 0,30 2161 100 0,57

3 К+ ^+Рф 1 1357 60 0,38 890 40 0,43 2247 100 0,81

4 К+ Рф 3 1372 62 0,26 826 38 0,36 2198 100 0,62

5 К+ ^+Рф1+В 1292 58 0,20 935 42 0,44 2227 100 0,63

6 К+ Рф1+В 1279 57 0,13 952 0,04 2231 100 0,17

7 К+ ^+В 1277 55 0,31 1036 45 0,46 2313 100 0,77

Примечание. С - количество С-СО2: в числителе - в гм-2; в знаменателе - % общей эмиссии за полгода; к - константа скорости минерализации, сут.-1

Наряду с минерализацией органического вещества коры и композиций на ее основе происходит и синтез гумусовых веществ. Анализ данных подвижного органического вещества свидетельствует, что исходная лиственничная кора содержала (в %): Спов - 23,0 и в его составе Сн2о составлял 2,5; С0,1 п Иа0Н - 20,5, для нее характерен фульватный тип гумуса (Сге:Сфк=0,53). Результаты исследований показывают, что в процессе 90 сут. компостирования коры происходит уменьшение в среднем на 3,2 % содержания общего углерода по сравнению с контролем, при этом статистически значимых различий между вариантами с различными добавками не обнаружено (табл. 3). Исключение составил вариант №7, где содержание Сорг понизилось на 7% в сравнении с контролем, что обусловлено составом самой композиции. Внесение азота и вермикулита, содержащего большое количество магния и калия по-видимому стимулирует деятельность микроорганизмов, что способствует интенсивному разложению коры. А к 180 сут. компостирования данный показатель (Сорг) снижается в 1,2- 2,3 раза в зависимости от варианта опыта по сравнению с исходной корой. Оценивая полученные данные по содержанию подвижных водорастворимых органических веществ, следует сказать о максимальном их присутствии в исходной коре и понижении в 2 раза их количества во всех компостах (90 сут. компостирования), и в 2,6-5,6 раза в 180-суточных компостах. Исключение составили варианты №5. К+^+Рф1+В и №7. К+Им+В, где содержание водорастворимого углерода было низким и связано очевидно со вспышкой микробиологической активности и интенсивной минерализацией этой легкодоступной фракцией для микроорганизмов (см. табл. 3).

Таблица 3

Содержание подвижных органических веществ в коре лиственницы и композициях на ее основе

№ Вариант Сорг, % Спов, % Сгк.Сфк

Сн2о С0,1 п ИаОН

1 2 3 4 5 6

1 Кора (К) - контроль 42,61 ±2,01 41,30±1,75 1,05±0,20 0,97±0,14 9,97±1,02 9,32±2,85 0,88±0,56 0,24±0,07

2 К+Ч„ 40,60±2,01 30,08±1,84 1,39±0,30 0,88±0,24 4,09±0,17 3,56±0,41 0,95±0,20 0,88±0,19

Окончание табл. 3

1 2 3 4 5 6

3 К+ N^i+Рф 1 36,98±2,81 24,06±1,84 0,96±0,04 0,83±0,20 4,66±0,43 4,42±0,48 1,29±0,20 1,02±0,09

4 К+ Nni+ Рф 3 41,41±4,08 28,87±1,84 1,05±0,03 0,69±0,19 8,19±2,11 7,51±0,17 0,43±0,13 0,50±0,21

5 К+ ^+Рф1+В 43,42±1,84 28,07±0,80 0,61±0,02 0,45±0,12 7,22±0,19 5,53±0,15 1,19±0,12 0,91±0,23

6 К+ Рф1+В 44,22±1,05 42,51±5,30 1,18±0,10 0,76±0,28 10,05±0,82 9,48±0,63 0,55±0,15 0,30±0,03

7 К+ Nn,+B 34,97±1,84 22,06±1,06 0,58±0,09 0,57±0,41 8,00±0,42 7,43±0,44 0,79±0,35 0,32±0,08

Примечание. Компостирование (сут.): в числителе - 90; в знаменателе - 180.

Доля веществ, экстрагируемых 0,1 n щелочью, которые условно относят к гумусовым, варьировала после 90 сут. компостирования в пределах 4-10 % в зависимости от варианта опыта. Идентичные данные получены на контроле и в варианте №6, где отсутствие азота возможно тормозило процесс минерализации органического материала. К 180 суткам компостирования содержание веществ, экстрагируемых 0,1 n NaOH, уменьшается в 1,3-2,6 раза в зависимости от варианта опыта по сравнению с исходной корой и практически не изменяется с 90-суточными компостами. Исключение составил вариант №5, что обусловлено составом композиции. Сокращение количества веществ, экстрагируемых 0,1 n NaOH, связано с освобождением коры от сопутствующих гумусовым веществам смол, фенольных соединений, танинов и др., а не с уменьшением количества гумусовых веществ, что согласуется с результатами исследований, проведенных другими авторами [12].

Рассматривая показатель Сгк/СФк исследуемых композиций, следует отметить фульватный тип гумуса на контроле, а также в вариантах 2, 4, 6, 7, который практически не изменяется за 180 сут. компостирования. В других вариантах (К+^+Рф1 и К+^+Рф1+В) опыта отмечается лишь тенденция изменения типа гумуса к фульватно-гуматному типу.

В целом видно, что 180 сут. компостирования коры лиственницы с различными добавками недостаточно для получения полноценных гумифицированных продуктов-удобрений. Требуется продолжение наблюдений за процессом трансформации коры лиственницы и композиций на их основе.

Выводы

1. Процесс минерализации коры лиственницы и композиций на ее основе описан уравнением первого порядка.

2. Показано, что интенсивность минерализационного потока в композициях коррелирует с температурой воздуха (r=0,98-0,99) и обусловлена соотношением органических и минеральных компонентов.

3. Выявлено, что в разлагающихся композициях в динамике закономерно происходит снижение содержания в 1,2-2,3 раза Сорг, в 2,6-5,6 раза Сн2о и в 1,3-2,6 раза веществ, экстрагируемых 0,1 n NaOH, по сравнению с исходной корой.

Литература

1. Ключников М.В., Парамонов Е.Г., Трофимов И.Т. Лиственница в высокогорьях Алтая // Аграрная наука

- сельскому хозяйству: мат-лы III Междунар. науч.-практ. конф. - Барнаул, 2009. - С. 263-268.

2. Коробов В.В., Рушнов Н.П. Переработка низкокачественного древесного сырья (проблемы безотходной технологии). - М.: Экология, 1991. - 288 с.

3. Ахтямов Р.Я. Запасы вермикулита Красноярского края - перспективное сырье для повышения плодородия почв Средней Сибири // Роль минерально-сырьевой базы Сибири в устойчивом функционировании плодородия почв: мат-лы Всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск, 2001. - С. 125-126.

4. Шарков И.Н. Метод оценки и потребности в органических удобрениях для создания бездефицитного баланса углерода в почве пара // Агрохимия. - 1986. - № 2. - С. 109-117.

5. Jenny H., Gessell S., Bingham F. Comparative study of decomposition rates of organic matter in temperate and tropical regions // Soil Sci. - 1949. - Vol. 68. - P. 419-432.

6. Olson J. Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems // Ecology. -1963. - Vol. 44. - № 2. - Р. 322-331.

7. Агрохимические методы исследования почв. - М.: Наука, 1975. - 656 с.

8. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 478 с.

9. ДоспеховБ.А. Методика полевого опыта. - М.: Колос, 1979. - 416 с.

10. Ульянова О.А., Тарабанько В.Е. Изучение биологической активности водных экстрактов из коры лиственницы и компостов на ее основе // Вестн. КрасГАУ. - 2009. - № 6. - С. 93- 97.

11. Гоишина Л.А., Копцик Г.Н., Макаров М.И. Трансформация органического вещества почв: учеб. пособие.

- М.: Изд-во МГУ, 1990. - 88 с.

12. Варфоломеев Л.А., Шапошникова Л.В., Бенедиктова А.И. Влияние древесной коры и коровых компостов на гумусное и агроэкологическое состояние почвы // Почвенные исследования на Европейском Севере России. - Архангельск, 1996. - С. 181-190.

--------♦------------