Еколого-агрохімічна оцінка застосування осаду стічних вод як добрива за вирощування фітоенергетичних культур

Abstract

Дисертаційну роботу присвячено дослідженню, яке зосереджується на екологічних засадах та підходах до застосування осаду стічних вод як добрива для вирощування фітоенергетичних культур. Проаналізовано важливі аспекти, такі як якість осаду, небажані речовини, стандарти та норми, альтернативні методи обробки стічних вод, моніторинг впливу на навколишнє середовище та збереження біорізноманіття. Враховуючи ці фактори, дослідження спрямовано на розроблення ефективних та сталих практик використання осаду стічних вод для підвищення родючості ґрунту та підтримки вирощування енергетичних культур з метою зменшення негативного впливу на навколишнє середовище. В дослідницькій роботі проаналізовано вплив застосовуваного осаду стічних вод на агроекологічний стан дерново-підзолистого ґрунту; розглянуто стратегії та технології ревіталізації нафтозабруднених ґрунтів; досліджено різноманітні методи очищення ґрунту від нафтових забруднень, включаючи біологічні, фізико-хімічні та фітотехнологічні підходи. Вперше встановлено еколого-агрохімічну ефективність застосування осаду стічних вод як добрива під фітоенергетичні культури, а також вирішено проблему екологічно безпечної їх утилізації на дерново-підзолистих ґрунтах Передкарпаття; на основі результатів комплексних ґрунтово-агрохімічних, мікробіологічних та агроекологічних досліджень визначено показники продуктивності агроценозів, економічної та енергетичної ефективності. Удосконалено систему мінерального живлення фітоенергетичних культур з урахуванням впливу осаду стічних вод (ОСВ) та компостів, виготовлених на його основі, на еколого-агрохімічний стан і фітотоксичність дерново-підзолистого ґрунту, характер трансформації в ньому органічної речовини, динаміку вмісту гумусових сполук та секвестрацію вуглецю, зміну фракційно-групового складу гумусу та біологічної активності ґрунту. Набуло подальшого розвитку вчення про особливості екологічно безпечної утилізації місцевих сировинних ресурсів як джерела органічної речовини у ґрунті з метою відновлення його екологічних функцій. Застосування ОСВ разом з мінеральними добривами значно підвищило продуктивність фітоенергетичних культур, таких як верба енергетична, сильфія пронизанолиста, світчграс, міскантус і топінамбур. Ефективність такого підходу відбивалося у збільшенні вегетативної маси на 57 – 64% порівняно з контрольними показниками. Для верби енергетичної та сильфії пронизанолистої порядок підвищення концентрації елементів збільшувався у такому порядку: фосфор > калій > кальцій > нітроген; для світчграсу та міскантуса цей порядок змінювався так: фосфор > кальцій > калій > нітроген, а для топінамбура – фосфор > кальцій > нітроген > калій. Найвищий вміст нітрогену у зеленій масі верби енергетичної спостерігається у випадку за внесення компосту на основі ОСВ і соломи у співвідношенні 3:1 та у дозуванні 60 т/га. Для топінамбура найвищі показники вмісту нітрогену, калію та кальцію досягалися при внесенні компосту на основі ОСВ у дозуванні 40 т/га із додаванням N10P14K58. Це дослідження підтверджує важливість інтегрованого підходу до внесення добрив, який включає використання як органічних, так і мінеральних компонентів для оптимізації живлення рослин і, як наслідок, підвищення їхньої продуктивності. Окрім екологічної оцінки дослідження присвячено аналізу економічної та енергетичної ефективності використання осаду стічних вод як добрива для вирощування фітоенергетичних культур на дерново-підзолистих ґрунтах регіону Передкарпаття. Робота вивчає потенціал використання цього інноваційного підходу до сільськогосподарського виробництва в контексті забезпечення відновлювальної енергії та сталого використання ресурсів. На забруднених нафтою територіях Передкарпаття, після застосування різних доз органічних добрив (ОСВ) спостерігається зростання вмісту плюмбуму у рослинній масі міскантуса, який при дозі ОСВ 40 т/га та N10P14K58, досягає 4,30 мг/кг ґрунту. Також ця доза добрив призводить до збільшення концентрації плюмбуму у біомасі світчграсу до 3,97 мг/кг ґрунту. Коефіцієнти концентрації міцнозв‘язаних форм кадмію коливаються у межах від 1,09 до 1,56. При цьому найвищі їх значення спостерігаються при додаванні органічних добрив (ОСВ ) у кількості 40 ОСВ 40 т/га та N10P14K58. Коефіцієнти концентрації міцнозв‘язаних форм плюмбуму при культивуванні світчграсу з дозами 20 до 40 т/га (варіанти 4 – 6) встановлено у межах від 1,02 до 1,15. Змінність коефіцієнтів концентрації кадмію залишається у діапазоні від 1,18 до 1,49. Співвідношення між вмістом кадмію та плюмбуму у зеленій масі та концентрацією цих металів у коренях світчграсу і міскантуса, а також у вивченому ґрунті демонструє тісний кореляційний зв'язок із множинним коефіцієнтом детермінації R2 в межах 0,71 – 0,79. Дослідження кореляційних залежностей між вмістом важких металів у ґрунті та їх накопиченням у рослинах вказує на можливість використання свічграсу та міскантуса як індикаторів забруднення довкілля нафтопродуктами. Порівняння коефіцієнтів біологічного поглинання плюмбуму показує, що для міскантуса вони менші на 0,5 порівняно із світчграсом, але коефіцієнти біологічного накопичення плюмбуму в міскантусі вищі на 0,14. Втім, коефіцієнт біологічного поглинання кадмію виявляється вищим для свічграсу, становлячи 336,67, тоді як для міскантуса він складає 288,33 (варіант 7). Відповідно до класифікації важких металів, кадмій та плюмбум віднесені до першої групи ступені ризику, який ці метали становлять для екології, оскільки вони проявляють високу здатність до біологічного поглинання та є елементами активного накопичення. Ця особливість фітоенергетичних культур, таких як світчграс та міскантус, є важливою для підтримки екологічної стійкості ґрунтового покриву, що робить їх ефективними засобами для рекультивації та відновлення нафтозабруднених територій. Оцінка енергетичної ефективності вирощування фітоенергетичних культур свідчать про найвищий економічний ефект при використанні компостів на основі органічних відходів та мінеральних добрив N10P14K58 у дозі 40 т/га. Вихід валової енергії з одиниці площі при вирощуванні енергетичної верби є досить великим при повторному внесенні свіжого органічного матеріалу, однак, з огляду на екологічну небезпеку збільшення вмісту важких металів у ґрунті понад гранично допустимі концентрації, доцільніше застосовувати компости на основі органічних відходів та соломи (в пропорції 3:1) у дозі 20–40 т/га. Вихід валової енергії з одиниці площі у разі вирощування сильфії, міскантуса та світчграсу є найвищим при внесенні свіжого органічного матеріалу в нормі 40 т/га та компостів на його основі з соломою (в пропорції 3:1) у дозі 30 т/га. З точки зору енергетичної ефективності вирощування фітоенергетичних культур, внесення органічного матеріалу у дозі 40 т/га, а також компосту на основі органічних відходів і соломи (в пропорції 3:1) у дозі 30 т/га, забезпечує найкращі показники, зокрема коефіцієнти енергетичної ефективності на рівні 2,5 – 2,7 для топінамбура, 2,8 – 2,9 для енергетичної верби у другому циклі використання, а також інших енергетичних культур. Для поліпшення фізико-хімічних властивостей дерново-підзолистого ґрунту рекомендується використовувати органічне добриво у дозі 60 т/га та компости на основі органічних відходів та тирси (у співвідношенні 3:1) також у дозі 60 т/га. Для відновлення нафтозабруднених ґрунтів рекомендується використовувати органічне добриво у нормі 40 т/га та комплексне мінеральне добриво з вмістом N10P14K58. Це сприятиме підвищенню основних агрохімічних показників, зменшенню фітотоксичного впливу, а також зменшенню забруднення ґрунтів полютантами. Рекомендовано вирощувати фітоенергетичні культури, такі як верба енергетична та міскантус. Для збільшення продуктивності енергетичних культур на 30 – 40% рекомендується вносити компости на основі органічних відходів та соломи (у співвідношенні 3:1) у дозі 30 т/га, а також додавати мінеральне добриво з вмістом N30K55. Також доцільно вносити свіже органічне добриво у дозі 40 т/га для світчграсу, міскантуса, сильфії пронизанолистої та топінамбура. Для збільшення об’єму біомаси енергетичної верби на 60% порівняно з контрольним рекомендується вносити свіже органічне добриво (ОСВ) та компости на основі соломи та тирси (у співвідношенні 3:1) у нормі 60 т/га. The dissertation work is devoted to research that focusses on environmental principles and approaches to the use of sewage sludge as a fertiliser for growing energy crops. Important aspects such as sludge quality, undesirable substances, standards and norms, alternative methods of wastewater treatment, environmental impact monitoring and biodiversity conservation have been analysed. Taking into account these factors, the study is aimed at developing effective and sustainable practises for the use of sewage sludge to increase soil fertility and support the cultivation of energy crops, in order to reduce the negative impact on the environment. The research work analysed the effect of the use of sewage sludge on the agroecological state of sod-pidzolic soil; strategies and technologies for the revitalisation of oil-contaminated soils were considered; various methods of soil cleaning from oil pollution, including biological, physicochemical and phytotechnological approaches, were studied. For the first time, the ecological and agrochemical efficiency of the use of sewage sludge as a fertiliser for energy crops was established, and the problem of environmentally safe utilisation on sod-pidzoly soils of Precarpathia was resolved on the basis of the results of complex soil-agrochemical, microbiological and agroecological studies, indicators of productivity of agrocenoses, economic and energy efficiency were determined; The system of mineral nutrition of phytoenergy crops has been improved, taking into account the effect of sewage sludge and composts made on its basis on the ecological and agrochemical state and phytotoxicity of sod-pidzolic soil, the nature of transformation of organic matter in it, the dynamics of the content of humus compounds and carbon sequestration, change in fractional and group composition of humus and biological activity of the soil; The doctrine of the features of ecologically safe utilisation of local raw materials as a source of organic matter in the soil in order to restore its environmental functions has been further developed. The use of sewage sludge together with mineral fertilisers has significantly increased the productivity of energy crops such as Salix Viminalis L., Miscánthus Х giganteus, Silphium perfoliatum L, Panicum Virgatum L, Helianthus tuberosus L. The effectiveness of this approach was expressed in an increase in vegetative mass by 57 – 64% compared to benchmarks. For energy willow and cup-plant , the order of increasing the concentration of elements changed phosphorus > potassium > calcium > nitrogen. For switchgrass and silvergrass, this order changes to phosphorus > calcium > potassium > nitrogen, and for Jerusalem artichoke to phosphorus > calcium > nitrogen > potassium. The highest nitrogen content in the green mass of energy willow is observed for the introduction of compost based on sewage sludge and straw in a ratio of 3:1 at a dose of 60 t/ha. For artichoke, the highest levels of nitrogen, potassium and calcium were achieved when compost based on sewage sludge was applied at a dose of 40 t/ha with the addition of N10P14K58. This study highlights the importance of an integrated approach to fertilisation, which includes the use of both organic and mineral components to optimise plant nutrition and, as a result, increase their productivity. The study is devoted to the analysis of the economic and energy efficiency of the use of sewage sludge as a fertiliser for the cultivation of energy crops on sod-pidzolic soils of the Precarpathian region. The work is exploring the potential of using this innovative approach to agricultural production in the context of providing renewable energy and sustainable use of resources. In the oil-contaminated areas of Precarpathia, after the use of various doses of organic fertilisers (sewage sludge), there is an increase in the lead content in the plant mass of miscanthus at a dose of sewage sludge 40 t/ha and N10P14K58, reaching 4.30 mg/kg of soil. Also, this dose of fertilisers leads to an increase in the concentration of lead in the biomass of switchgrass to 3.97 mg/kg of soil. The concentration coefficients of gross forms of cadmium range from 1.09 to 1.56, with the highest values observed when adding organic fertilisers (sewage sludge) in the amount of 40 sewage sludge 40 t/ha and N10P14K58. The concentration coefficients of gross lead forms in the cultivation of switchgrass with doses of 20 to 40 t/ha (variants 4 – 6) have indicators from 1.02 to 1.15. The variability of cadmium concentration coefficients remains in the range from 1.18 to 1.49. The relationship between the content of cadmium and lead in the green mass and the concentration of these metals in the roots of switchgrass and cup-plant, as well as in the studied soil, shows a close correlation, with a multiple determination coefficient of R2 in the range of 0.71 – 0.79. The study of correlation dependencies between the content of heavy metals in the soil and their accumulation in plants indicates the possibility of using switchgrass and cup-plant as indicators of environmental pollution by petroleum products. Comparison of the coefficients of biological absorption of the plumbum shows that for cup-plant they are 0.5 less compared to the svizhgras, but the coefficients of biological accumulation of the plumbum in cup-plant are higher by 0.14. However, the coefficient of biological absorption of cadmium turns out to be higher for switchgrass, amounting to 336.67, while for cup-plant it is 288.33 (variant 7). According to the classification of heavy metals, cadmium and plumbum are classified in the first group because they exhibit a high capacity for biological absorption and are elements of active accumulation. This feature of energy crops, such as swichgrass and cup-plant, is important to maintain the environmental sustainability of the soil cover, making them effective means for reclamation and restoration of oil-contaminated areas. Economic calculations and assessment of the energy efficiency of growing phytoenergy crops indicate the most favourable economic result when using composts based on organic waste and mineral fertilisers N10P14K58 in the norm of 40 t/ha. The output of gross energy from a unit area in the cultivation of energy willow is quite large when fresh organic material is re-injected, but given the environmental danger of increasing the content of heavy metals in the soil above the maximum permissible concentrations, it is more expedient to use composts based on organic waste and straw (in a ratio of 3:1) at a dose of 20–40 t/ha. The output of gross energy from a unit of area during the cultivation of silvergrass, cup-plant and switchgrass is the highest when introducing fresh organic material at a norm of 40 t/ha and composts based on it with straw (in a ratio of 3:1) in the norm of 30 t/ha. In terms of energy efficiency of growing phytoenergy crops, the introduction of organic material in the norm of 40 tons per hectare, as well as compost based on organic waste and straw (in a ratio of 3:1) in the norm of 30 t/ha, provides the best indicators, in particular energy efficiency coefficients at the level of 2.5–2.7 for Jerusalem artichoke, 2.8 – 2.9 for energy willow in the second cycle of use, as well as other energy crops. To improve the physicochemical properties of sod-pidzolic soil, it is recommended to use organic fertiliser in the norm of 60 t/ha and compost based on organic waste and sawdust (in a ratio of 3:1) also in the norm of 60 tons per hectare. To restore oil-contaminated soils, it is recommended to use organic fertiliser at the rate of 40 t/ha and complex mineral fertiliser with the content of N10P14K58. This will lead to an increase in the main agrochemical indicators, a decrease in phytotoxic exposure, as well as a decrease in soil pollution by polluters. It is recommended to grow energy crops such as energy willow and cup-plant. To increase the productivity of energy crops by 30 – 40%, it is recommended to apply composts based on organic waste and straw (in a ratio of 3:1) in the norm of 30 t/ha, as well as add mineral fertiliser with the content of N30K55. It is also advisable to apply fresh organic fertiliser at a rate of 40 t/ha for switchgrass, cup-plant, silvergrass and Jerusalem artichoke. To increase the biomass of energy willow by 60% compared to control, it is recommended to apply fresh organic fertiliser (SS) and composts based on straw and sawdust (in a ratio of 3:1) in a norm of 60 t/ha.