Эффект оказываемый вермикомпостами (биогумус) и компостами на рост растений (отчет об исследовательской программе)

Введение

  Вермикомпосты, которые произведены фрагментацией органических отходов земляными червями, обладают прекрасной макроструктурой и содержат питательные вещества в формах, которые являются непосредственно доступными для употребления растениями. В оранжерейных испытаниях, рост ноготков и томатной рассады, в коммерческой садоводческой почвосмеси (Metro-Mix 360), был значительно увеличен после замены данной смеси, смесью Metro-Mix 360 с 10 % или 20 % вермикомпоста произведенного из свиного навоза. То же, но меньшее повышение в росте ноготков и томатной рассады произошло после добавления вермикомпостированных пищевых отходов, а при внесении компоста из листьев был получен минимальный прирост. Сухой вес малины, выращенной в почве смешанной с вермикомпостом из свиного навоза был больше, чем у малины выращенной в почве которая вообще ничем не удобрялась и был чуть больше, чем у малины выращенной в почве прошедшей полную обработку минеральными удобрениями. Для сравнения при внесении компостов произведе нных из отходов из сада, перепревших листьев или из коры интенсивность роста была меньше, чем в контрольном контейнере. Добавление 4% куриного помета привело к гибели большинства ростков. Однако, количество погибших растений было значительно уменьшено, а рост восстановлен, в результате добавления в эту смесь вермикомпоста из свиного навоза, но этот эффект не наблюдался при добавлении обычных компостов. Рост растений в почвах содержащих смесь вермикомпоста и куриного помета был таким же как и в контрольном контейнере. Результаты наших исследований показали, что вермикомпосты имеют огромный потенциал для улучшения роста растений в садоводческих контейнерах и в почве. Однако, похоже, между различными вермикомпостами и компостами будут различия, связанные с различной природой микрофлоры и различным содержанием питательных элементов.

  В связи с увеличением населения на нашей планете, и, следовательно, увеличением интенсивности производства на животноводческих фермах, большие объемы органических отходов, произведенных во всем мире, создают серьезную проблему, а также являются одним из главных источников экологического загрязнения. Эти отходы требуют больших площадей для хранения, испускают в воздух аммиак и неприятный запах, загрязняют грунтовые воды и представляют значительную опасность для здоровья человека (Inbar и другие. 1993). Очень малую часть этих отходов можно непосредственно вносить в почву, остальная же часть может нанести серьезный урон плодородию почвы, может оказаться структурно несовместимой с последней, кроме того их внесение может закончиться остановкой круговорота азота. Некоторые способы обработки этих отходов могут превратить их в прекрасное удобрение, безопасное для внесения в почву.

  Компостирование, вообще определяемое как биологическое, аэробное преобразование органических отходов в различные органические продукты, которые можно без вреда для роста растений добавлять в почву, было отмечено как самый адекватный метод для того, чтобы регулировать количество органических отходов. В процессе компостирования, органические отходы перерабатываются в устойчивые субстраты без запаха, которые могут применяться для внесения в почву гораздо более эффективно и благоприятно чем свежие органические отходы. Обычный и самый распространенный способ компостирования это способ ускоренного аэробного компостирования, в котором субстрат проходит через "горячую" стадию (45 - 54 градусов Цельсия), где микроорганизмы высвобождают теплоту, углекислый газ и воду. Однако, в последние годы, исследователи заинтересовались использованием другого связанного биологического процесса, для того, чтобы разложить и стабилизировать органические отходы и который не включает в себя "горячую" стадию, но вовл кает земляных червей.

  Не вызывает сомнения способность некоторых земляных червей употреблять широкий диапазон органических остатков типа отстоя сточных вод, отходов животноводчества, остатков урожая, и пищевых отходов. В процессе кормления, земляные черви фрагментируют субстрат, обогащают его микрофлорой и увеличивают способность к разложению субстрата, что приводит к компостированию и к так называемому эффекту гумификации, с помощью которого неустойчивый субстрат окисляется и стабилизируется. Конечный продукт, который обычно называют вермикомпостом (биогумус) и полученный путем прохождения субстрата через желудок земляного червя, весьма отличается от первоначального материала. Вермикомпост это хорошо фракционированное вещество (подобно торфу) с высокой пористостью, хорошей способностью к проветриванию, дренажем и водной вместимостью. Вермикомпост содержит питательные вещества в формах доступных к непосредственному употреблению растениями, типа нитратов, сменного фосфора и растворимого калия, кальция и магния. Соответственно, вермикомпост должен иметь большой потенциал в садоводческой и сельскохозяйственной индустрии как биостимулятор роста растений.

  Существует несколько исследовательских программ, которые изучают ответ растений на внесение вермикомпоста и использование его в качестве компонента при составлении почвосмеси для рассады. Большинство этих исследований подтвердило высокую эффективность применения вермикомпоста и эффект оказываемый последним на рост растений. Использование вермикомпоста в качестве добавки к почве или как компонента почвосмеси для садоводческих контейнеров привело к улучшению прорастания семян и к ускорению роста рассады.

  За последние три года, в университете штата Огайо была развита всесторонняя программа исследования вермикомпоста. Она включила в себя эксперименты, в которых проводились исследования вермикомпоста и эффекта оказываемого им на прорастание, рост, цветение и плодоношение различных растений, среди них были помидоры, перец, малина, кроме того эффект исследовался на различных цветочных культурах - петунии, ноготки, хризантемы и подсолнухи. Последовательная тенденция во всех этих экспериментах состояла в том, что улучшение роста растений наблюдалось при относительно небольшой дозе внесения вермикомпоста (10-20% относительно полного объема контейнера), большая доза внесения не давала дальнейшего улучшения роста, но и не уменьшала описываемого эффекта.

  Компостирование и вермикомпостирование весьма различные процессы, особенно относительно температур при которых они происходят и сообществ микрофлоры, которые преобладают в фазе активной обработки (то есть термофильные бактерии в компостировании и мезофильные бактерии и грибки в вермикомпостировании). Субстраты, получаемые в результате обработки этими двумя способами, также весьма отличаются. Так Эдвардс и Барроус (1988) сообщили, что в результате их исследований они обнаружили содержание в вермикомпосте питательных веществ в виде непосредственно доступном к употреблению растениями, а также значительно отличие в структуре этих материалов, вермикомпост в их случае обладал гораздо лучшей структурой. Такие же сообщения были получены от Кришнамурти и Вайрабиа(1986), а также от Томато и Галли(1995). Поэтому мы выдвигали гипотезу о том, что должны быть существенные отличия в эффекте оказываемом компостами и вермикомпостами на рост растений, когда последние используются в качестве улучшителей почв ы или в качестве компонента почвосмеси для садоводческих контейнеров.

Материалы и методы

  Мы провели два отдельных оранжерейных исследования, чтобы сравнить то, как компосты и вермикомпосты влияют на рост растений, когда используются в качестве добавки к садовым контейнерам или в почву. Основные химические свойства всех используемых удобрений приведены в Таблице 1.

  Таблица 1. Химические характеристики улучшителей почвы, вермикомпостов и компостов

  Первое исследование проводилось в Оранжерее Отдела Садоводства в Государственном университете Штата Огайо. В этом испытании, мы сравнили прорастание и рост рассады помидора (сорт 'Rutgers') и ноготков (сорт 'Королева София') в коммерческой садоводческой среде (почвосмесь Metro-Mix 360) замененной смесью последней с двумя типами вермикомпостов (вермикомпост из свиного навоза и вермикомпост из пищевых отходов) и двумя типами компостов (компостированные листья и твердые органические отходы). Соединение Metro-Mix 360 производится из вермикулита, канадского торфяного мха сфагнума, золы, коры и песка, и содержит дополнительные питательные вещества. Вермикомпост из свиного навоза нам поставила фирма Vermicycle Organics Inc (Шарлотта, Северная Каролина), приготовлен он был из измельченного свиного навоза переработанного земляными червями (Eisenia spp.) в ложах в закрытом помещении. Вермикомпост из пищевых отходов был обеспечен Орегонской Корпорацией Почвы (Портленд, Штат Орегон) и состоял он из пр одовольственных отходов переработанных земляными червями в реакторе непрерывного действия. Компост из твердых органических отходов "Com-Til" был привезен из города Колумбия (Штат Огайо), а компост из листьев поставила фирма Kurtz Bros, Inc (Гроверпорт, Штат Огайо).

  Мы проращивали и растили помидоры и ноготки в 200 ячейках контейнеров наполненных различными смесями компостов и вермикомпостов с Metro-Mix 360. Субстраты включали в себя следующие смеси: Metro-Mix 360, в качестве контрольного контейнера; соединение Metro-Mix 360 с добавлением 10 или 20% (от объема) вермикомпостов и компостов. Кроме того, мы использовали еще девять контейнеров с различными смесями (см. Таблицу 2) по четыре ячейки на каждую смесь.

  Таблица 2. Смеси используемые в исследовании

  Все контейнеры увлажнялись по специальному решению, так называемое профессиональное питательное решение Питера. Оно представляет из себя растворенные в воде удобрения и рекомендуется для непрерывного внесения вместе с водой, а также содержит все минеральные макро и микроэлементы необходимые для питания растений. После посадки, растения выращивались в течение четырех недель. Из всех ячеек контейнеров на 3, 7, 14 и 21 день после прорастания изымались несколько растений и проводились соответствующие измерения. Среднее количество полного содержания хлорофилла в листьях измерялось методом Морана (1982 год), в нем используется N-dimethylformamide (DMF) в качестве растворителя, чтобы извлечь хлорофилл. Также определялся средний сухой вес растений выращенных во всех смесях. Кроме того, как часть этого эксперимента, мы оценили физиологический профиль сообществ микроорганизмов в каждой смеси. Делалось это с помощью аппарата BIOLOG GN, путем растворения и помещения субстрата в аппарат, где находились 92 различных углеродистых источника (пластинки). Некоторые из этих источников, вроде простого сахара, с готовностью потребляются различными микробными разновидностями, но другие, более сложные вещества могут быть разложены на более простые только специфическими микроорганизмами, а иногда, только их сообществами. Поэтому, о полноте наличия микроорганизмов, а также об их активности будет говорить степень использования каждой пластинки. Тогда можно будет взять сумму всех действий с каждой пластинки и использовать ее как полный индекс микробной деятельности в каждой смеси.

  Во втором исследовании, проводившемся в Исследовательском центре Государственного университета штата Огайо в Пайктоне, мы оценили два вермикомпоста и четыре компоста в качестве компонента почвосмеси для садоводческих контейнеров и выращивали в них малину. Мы выращивали малину сорта "Наследие" в течение трех месяцев в оранжерее в четырех больших горшках, содержащих минеральную почву с 20% содержания (от объема) вермикомпоста (вермикомпост из свиного навоза и вермикомпост из пищевых отходов) или компост (из листьев, отходов из сада, коры деревьев, куриного помета), или комбинации вермикомпостов и компостов. Вермикомпост из свиного навоза и из пищевых отходов, а также компост из листьев были такими же как и описанные в предыдущем исследовании.

Результаты

  Когда мы сравнили химические свойства вермикомпостов и компостов (см. Таблицу 1), была обнаружена тенденция у вермикомпоста к более низкому рН, более низкой концентрации азота аммония, и более высокой концентрации азота нитрата, чем у многих из компостов. Однако в целом содержание и форма питательных веществ в компостах и вермикомпостах схожи, что затрудняет оценку реакции растений на эти субстраты с использованием только химического анализа. Чтобы устранить этот эффект в исследовании применялись основные минеральные удобрения, а вносились они ежедневно.

  В первом исследовании, рассада ноготков, выращенная в смеси с 20% содержанием компоста из твердых органических отходов, была повреждена и была поэтому исключена из исследования. Различие в полных концентрациях хлорофилла в листьях наблюдалось только на примере рассады ноготков, и это различие стало очевидным уже в течение первой недели после прорастания (см. Рис 1). Рассада ноготков, выращенная в контейнерах с 10% или 20% вермикомпоста из свиного навоза или с 10% вермикомпостированных пищевых отходов, содержала больше хлорофилла чем растения, выращенные в контрольном контейнере с Metro-Mix или в любой из смесей Metro-Mix/компост.

  Рис.1 Содержание хлорофилла в листьях ноготков (мг/гр, значение +- ошибка) спустя семь дней после прорастания

  Однако, эти различия имели тенденцию уменьшаться, поскольку растения росли. Спустя три недели после прорастания, сухие веса растений ноготков, выращенных во всех используемых в исследовании смесях, весили больше чем ноготки, выращенные в контрольном лотке со смесью Metro-Mix (рис.2). С другой стороны, Metro-Mix и компост из листьев, произвел меньший рост ноготков, чем контроль или любая другая смесь.

  Рис.2 Сухой вес растений ноготков (гр, значение +- ошибка) спустя три недели после прорастания

  Томатная рассада, выращенная в смеси Metro-Mix и вермикомпосте из свиного навоза в 10% норме, спустя три недели весила значительно больше, чем рассада, выращенная в Metro-Mix и снабжаемая всеми необходимыми минеральными удобрениями (рис. 3). Смеси содержащие 10% вермикомпоста из пищевых отходов или 20% вермикомпоста из свиного навоза немного увеличили сухой вес томатной рассады по сравнению с контрольным, тогда как обе концентрации компоста из листьев уменьшили сухой вес рассады. Наибольший сухой вес среди всех смесей получился в смеси с 10% и 20% компоста из твердых органических отходов.

  Рис.3 Сухой вес томатной рассады (гр., значение +- ошибка) спустя три недели после прорастания

  Все смеси, содержащие вермикомпост, отличались значительно большей микробиологической активностью (рис.4).

 Рис.4 Индекс суммарной активности микрофлоры (значение +- ошибка)

 Наибольшую разницу в росте удалось обнаружить при выращивании малины (рис.5). Проростки растений, выращенных в почве с добавлением вермикомпоста из свиного навоза, были столь же большими, как и те, которые выращивались в почве прошедшей полную обработку минеральными удобрениями, и весили значительно больше (1,8 раза) чем те, которые росли в не удобряемой почве. Смеси почвы с вермикомпостом из пищевых отходов и компостом из куриного помета дали очень низкий результат, который был подобен результату полученному с почвой без удобрений. Поправка почвы 20%-ым компостом из листьев и коры закончились еще более бедным результатом, чем в контрольном контейнере. Хотя удобрение компостом из куриного помета (1%) и имело небольшой эффект, увеличение его до 4% отрицательно сказалось на росте растений. Этот вредный эффект был значительно уменьшен с внесением вермикомпоста из свиного навоза (20%), а компост из листьев и из коры не смог его уменьшить. Растения выращенные в смеси из 20% вермикомпоста из свиного н авоза и компоста из куриного помета были такими же, как те, которые выросли в контрольном контейнере (то есть в почве без удобрений) (Рис. 5)

  Рис.5

Обсуждение

  Эти эксперименты, вместе с другими, о которых сообщается в литературе, демонстрируют тот факт, что вермикомпост имеет значительный потенциал для того, чтобы улучшить рост растений, когда используется как компонент садоводческой почвенной среди или как добавка к различным смесям для выращивания цветочных комнатных культур. Однако основные различия компостов и вермикомпостов зависят, видимо, от качества исходного материала используемого при их производстве. Фундаментальные же различия в эффекте, оказываемом компостами и вермикомпостами на рост растений, объясняются тем, что в них происходят различные по природе процессы, в которых участвуют весьма отличающиеся друг от друга сообщества микроорганизмов. Деятельность последних выливается в тот факт, что в компостах минеральный азот концентрируется в форме аммония, тогда как в вермикомпосте большинство азота превращается в нитрат, то есть в форму азота непосредственно доступную для употребления растениями.

  Из экспериментов, которые мы здесь описали, следует, что в случае добавления вермикомпоста из свиного навоза, вермикомпост последовательно выиграл у большинства компостов, за исключением компоста из твердых органических отходов и другого вермикомпоста из пищевых отходов. Добавление 10% или 20% вермикомпоста из свиного навоза в коммерческую садоводческую среду значительно увеличивало рост ноготков, даже когда в среду добавлялись все необходимые минеральные, питательные вещества.

  Усилению роста растений при добавлении вермикомпостов из свиного навоза или из пищевых отходов может способствовать множество факторов. Исследователи Гох и Хайенс сообщили, что рост растений оптимизируется, если значение рН находится между значениями 5.0 - 6.5, тогда как значение рН вермикомпоста из свиного навоза составляет 5.3, а вермикомпост из пищевых отходов и все остальные компосты имели достаточно высокое значение рН (между 6.8 и 8.1). Возможно, что высокие показатели рН этих субстратов подняли щелочность среды в контейнерах, что в известной мере повлияло на ухудшение роста растений, по сравнению с контейнером в который добавлялся вермикомпост из свиного навоза.

  Улучшение роста могло также произойти из-за различий в минеральном содержании вермикомпостов и компостов. Вермикомпост из свиного навоза содержал большие концентрации нитратов, увеличивая, таким образом, рост растений к уровню, сопоставимому с ростом малины в контейнере с плодородной почвой.

  Компостированные твердые органические отходы содержали большое количество аммония, что увеличило рост томатов в оранжерейном исследовании. Снижение в росте растений, после замены садоводческой среды компостами из отходов со двора, перепревших листьев и коры, возможно, могло быть связано с уровнем стабильности или зрелости этих компостов, а не с уровнем содержания минеральных микроэлементов в них.

  Савиоззи (1988) сообщил, что для того, чтобы использовать органические отходы в сельском хозяйстве и избежать при этом неблагоприятных эффектов на рост растения, они должны быть преобразованы в вещество подобное перегною или гумусу, кроме того, они должны быть сбалансированы и устойчивы в смысле содержания в них питательных микроэлементов. Нежелательный эффект вызванный большой концентрацией компоста из куриного помета, вероятно произошел из-за чрезвычайно высокой концентрации аммония, который попросту сжег корни растений.

  Особый интерес представляет тот факт, что вермикомпост в наших исследованиях показал способность уменьшать этот вредный эффект. Это говорит о том, что вермикомпост сыграл роль своеобразного буфера. Эта его способность вызвана, очевидно, высокой активностью микрофлоры, которая уменьшала или аннулировала вред нанесенный высокой концентрацией аммония.

  Хотя это исследование было направлено больше на изучение эффектов оказываемых на рост растений, а не на изучение причин, ведущих к этим эффектам, наши результаты показали значительные различия в активности деятельности сообществ микрофлоры в контейнерах, в которые вермикомпосты и компосты добавлялись. Возможно это следствие различных биохимических процессов происходящих при производстве компостов и вермикомпостов. Активная стадия компостирования характеризуется наличием теплолюбивых бактерий, тогда как активная стадия вермикомпостирования характеризуется мезофильными бактериями и грибками, которые стимулируются деятельностью земляных червей. Поэтому, вероятно, различие в эффекте, оказываемом компостами и вермикомпостами на росте растений, не могут быть просто функцией различия в содержании в них питательных элементов. Особенно хорошо это видно в первом исследовании в оранжерее, когда контейнер ежедневно снабжался всеми необходимыми минеральными, питательными веществами.

  Вероятно, есть иные причины, приведшие к увеличению рост растений, это могут быть: увеличенная ферментативная способность вермикомпоста; наличие полезных микроорганизмов; а также биологически активный рост растения, в свою очередь влияющий на микрофлору.

Заключение

  Вермикомпост имеет значительный потенциал улучшения роста растений, когда добавляется в качестве улучшителя почвы или компонента садоводческого контейнера. Оптимальный рост в нашем исследовании, которое касалось достаточно короткого периода роста растений, наблюдался при добавлении вермикомпоста из свиного навоза и компоста из твердых органических отходов. Наши результаты показали значительное различие вермикомпостов и компостов в характере содержания питательных веществ, характер их микробных общин и эффектов оказываемых ими на рост растений. Данные исследования и эксперименты не последние. Мы продолжаем более глубоко исследовать различия между вермикомпостами и компостами, а также те механизмы, с помощью которых последние влияют на рост растений.

Оглавление  ::  Следующяя статья