CC BY
156
УДК 634.864.2:631.895
АЗОТСОДЕРЖАЩЕЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ УДОБРЕНИЕ НА ОСНОВЕ ПОДСОЛНЕЧНОЙ ЛУЗГИ
© М.В. Ефанов1\ Д.В. Дубкин1, А.И. Галочкин1, П.Р. Шотт2
1 Алтайский государственный университет, пр. Ленина, 61, Барнаул, 656099 (Россия) e-mail: [email protected]
2Алтайский НИИ земледелия и селекции СО РАСХН, Научный городок, 37,
Барнаул, 656910 (Россия) e-mail: [email protected]
Методом окислительного аммонолиза механохимическим способом получено новое азотсодержащее (3,0-8,2% N) удобрение на основе подсолнечной лузги. Методом полевых опытов показано, что использование полученного удобрения под яровую пшеницу повышает ее урожайность на 18,6%, что сравнимо с действием сульфата аммония (20,6%).
Введение
В последние годы внимание исследователей привлекает разработка методов, позволяющих получать новые виды дешевых органических удобрений. К числу сырьевых ресурсов для получения таких удобрений можно отнести технический лигнин [1, 2] и лигноуглеводные материалы, в том числе компосты на основе древесных отходов (кора, опилки) и навоза [3, 4].
Известно, что при медленном микробиологическом разложении лигнина растительных остатков в почве образуются органические продукты, обладающие физиологическим действием на растения [5]. Гумификация лигнина под действием почвенной микрофлоры происходит через стадию окисления (деметоксилирования) с образованием полифенольных соединений, которые затем претерпевают конденсационно-окислительные превращения, образуя гумусовые (биологически активные) вещества, обусловливающие плодородие почвы [5].
Однако естественное микробиологическое разрушение лигнина, приводящее к получению физиологически активных гумусовых веществ, - процесс довольно длительный, продолжающийся много лет. Ускорения этого процесса можно достичь химическим путем окислительной деструкции лигнина с образованием в его структуре физиологически активных групп. К таким функциональным группам относятся прежде всего группировки, содержащие азот в связанной медленноусвояемой форме. Их образование в макромолекуле лигнина можно достичь за счет реакции окислительного аммонолиза.
В работах [6-8] разработаны различные технологические способы получения медленноусвояемых азотсодержащих удобрений путем оксиаммонолиза лигнинов под действием кислорода в аммиачной среде в жестких условиях (температура 120-180°С, давление 5-50 атм). Основными недостатками предложенных способов оксиаммонолиза являются: низкий выход продуктов, сложность и длительность
технологического процесса.
Автор, с которым следует вести переписку.
Однако, на наш взгляд, для восполнения запасов гумуса в почве более целесообразно использовать непосредственно не лигнин, а различные лигноуглеводные материалы (древесные и растительные сельскохозяйственные отходы), постепенно разлагающиеся в почве до гуминовых веществ.
По статистическим данным, в Алтайском крае потенциальные ресурсы лигноуглеводного растительного сырья, например костры льна и лузги подсолнечника, составляют около 4 и 45 тыс. т, соответственно [9]. Это сырье имеет однородный химический состав и сосредоточено, главным образом в местах первичной переработки растительного сельскохозяйственного сырья, что удешевляет производство удобрений на его основе.
Поэтому целью настоящей работы является получение новых азотсодержащих удобрений окислением лигноуглеводных материалов (лузги подсолнечника) кислородом воздуха в среде аммиака и изучение их свойств. Применение лигноуглеводных материалов в качестве исходного сырья для получения удобрений позволяет значительно расширить сырьевую базу и удешевить технологический процесс.
Экспериментальная часть
В качестве исходного сырья использовали воздушно-сухие опилки подсолнечной лузги (фракция 0,4-
0,75 мм). Состав сырья: 31,3% целлюлозы, 29,3% лигнина и 27,2% гемицеллюлоз. Содержание азота -
0,5%, содержание метоксильных групп - 4,6%. Навеску сырья массой 5,0 г помещали в цилиндрический реактор (емк. 500 см3) вибромельницы (вибратор ИВ - 98Б - 2, частота - 2800 мин-1) с 15 стальными стержнями (10x110 мм), куда компрессором подавали воздух до установления давления - 3 атм. Количество аммиака (25% раствор) - 0,9 г/г сырья. Температура в камере реактора - 30±1°С (термостат).
Реакционную смесь подвергали интенсивному механическому измельчению в течение 10-150 мин. Затем продукты выгружали из мельницы и отделяли от размалывающих тел. Продукты промывали дистиллированной водой до отрицательной реакции на сульфат - ион и сушили в эксикаторе до постоянной массы. Содержание азота определяли полумикрометодом Кьельдаля [10], количество карбоксильных групп - методом обратного кондуктометрического титрования [11]. Содержание метоксильных групп определяли методом Цейзеля при помощи ГЖХ анализа по методике, описанной в руководстве [12]. Изучено влияние продолжительности механохимического синтеза на функциональный состав продуктов окислительного аммонолиза подсолнечной лузги персульфатом аммония в среде аммиака (табл. 1).
Полевые опыты заложены в мае 2001 г. на опытном участке лаборатории агрохимии и экологии АНИИЗиС СО РАСХН. Объекты исследований: 1. яровая мягкая пшеница сорта «Алтайский простор»;
2. почва - чернозем обыкновенный малогумусный среднесуглинистый.
Почва опытного участка характеризуется следующими агрохимическими свойствами: содержание гумуса - 4,8%, рНсол = 6,3, гидролитическая кислотность - 2,62 мг-экв/100 г почвы, содержание нитратного азота перед посевом - 8,5 мг/кг почвы. По условиям влажности и температурному режиму 2001 г. был благоприятным для роста и развития растений пшеницы, что способствовало положительной реакции этой культуры на внесенные удобрения.
Схема опытов включала следующие варианты: 1) без удобрений; 2) продукт 10 (8% азота); сульфат аммония (20,5% азота).
Все удобрения внесены непосредственно перед посевом пшеницы из расчета 90 кг азота на 1 га. Площадь опытной делянки - 1 м2 Повторность в опыте четырехкратная с последовательным расположением вариантов. В течение периода вегетации проведены отборы проб почвенных и растительных образцов, наблюдения и учеты велись по общепринятым методикам [13].
Обсуждение результатов
Как показывает анализ данных, приведенных в таблице 1, с увеличением продолжительности механохимического синтеза в составе продуктов увеличивается содержание связанного азота при одновременном увеличении количества карбоксильных групп. Следовательно, параллельно окислению древесины происходит связывание азота. Более высокое содержание карбоксильных групп по сравнению с количеством азота во всех полученных продуктах может свидетельствовать об образовании группировок с
органически прочно связанным азотом. Это может быть обусловлено также недостатком аммиака в реакционной смеси (табл. 1).
За 120-150 мин реакции содержание азота, карбоксильных и метоксильных групп в полученных продуктах становится практически постоянным и в дальнейшем не изменяется. Процесс связывания азота заканчивается через 120 мин интенсивного механохимического воздействия. Параллельно окислению древесины и связыванию ей азота протекает процесс значительного деметоксилирования с потерей около 5-60% метоксильных групп от их исходного количества.
Таким образом, продолжительность механохимического синтеза азотсодержащих производных древесины оказывает влияние на процесс окислительного связывания азота древесиной. За 120-150 мин реакции в состав подсолнечной лузги вводится до 8,2% общего азота.
Полученные азотсодержащие продукты (3,0-8,2% общего азота) содержат 3,2-6,5% карбоксильных и 2,0-4,1% метоксильных групп, 15-35% легкоотщепляемого и 65-85% органически прочно связанного азота от его общего количества и могут быть использованы в качестве органических удобрений и сорбентов (табл. 1, 2-5).
Наблюдения за ростом и развитием растений пшеницы показали, что уже с фазы кущения удобренные посевы имели видимое преимущество с контрольным вариантом: как по высоте растений, так и по окраске.
В дальнейшем это преимущество нарастало и к фазе цветения отмечался значительный эффект от внесенных удобрений, проявившийся как на рост растений в высоту, так и на прирост их биомассы (табл. 2).
Так, по высоте растений все опытные варианты характеризовались статистически достоверным увеличением значений на 16,7-18,3 см, или 18,9-20,8% к неудобренному варианту (контроль). При этом различия между видами удобрений находились в пределах ошибки эксперимента.
Усиление ростовых процессов под воздействием удобрений привело к формированию значительно большей биомассы растений. Прирост сухого вещества растений пшеницы составил 26-60% к контрольным растениям. Относительно слабое действие (прирост 26%) отмечено при использовании продукта 10, содержащего 8% азота (табл. 2).
Учет урожая зерна показал, что под воздействием изученных удобрений урожай зерна яровой пшеницы возрос на 18,6%, при эффекте сульфата аммония - 20,6% (табл. 3). Следовательно, суммарный эффект органоминеральных удобрений сравним с эффектом сульфата аммония.
Анализ структуры урожая (табл. 4) показал, что увеличение урожайности яровой пшеницы под воздействием сульфата аммония происходило как за счет увеличения продуктивной кустистости растений, так и за счет роста озерненности колоса. Эти показатели возросли соответственно на 16,4 и 14,6%. Реакция пшеницы на органоминеральные удобрения несколько иная. Действие этих удобрений проявилось главным образом за счет увеличения зерен в колосе: 12-23% контролю (табл. 4).
Таблица 1. Свойства азотсодержащих удобрений на основе лузги подсолнечника
Образец Продолжительность процесса, мин Содержание азота, %
общего легкогидролизуемого, % от общего азота органически прочносвязанного, % от общего азота
1 10 3,0 35 65
6 20 3,5 - -
7 30 5,5 - -
8 60 6,3 20 80
9 90 6,5 15 85
10 120 8,0 15 85
11 150 8,2 15 85
Таблица 2. Влияние органоминеральных удобрений на рост яровой пшеницы (фаза цветения)
Варианты Средняя высота растений, см Средняя масса 10 растений, г
Контроль 87,9 10,3
Продукт 10 105,0 13,0
Сульфат аммония 106,2 16,5
НСР05 5,9 1,9
Таблица 3. Влияние органоминеральных удобрений на урожайность яровой пшеницы
Варианты Урожайность зерна
г/м2 Прибавка, % к контролю
Контроль 311 -
Продукт 10 369 18,6
Сульфат аммония 375 20,6
НСР05 35,1 -
Таблица 4. Структура урожая яровой пшеницы в зависимости от вида удобрений
Варианты Число растений, шт/м2 Число колосьев, шт/м2 Кустистость Число зерен в колосе, шт Масса 1000 г зерен
Контроль 325 416 1,28 19,2 38,8
Продукт 10 287 437 1,53 21,0 40,2
Сульфат 291 434 1,49 22,0 39,3
аммония
НСР05 30,4 48,3 0,18 2,2 2,4
Анализ содержания азота, фосфора и калия в урожае показал, что в зерне пшеницы под влиянием удобрений дополнительного накопления фосфора и калия не происходит, а концентрация азота возрастает, хотя существенные различия с контролем отмечены лишь при использовании сульфата аммония.
В то же время в соломе выявлено увеличение концентрации как азота, так и калия, особенно при применении сульфата аммония. Изменение концентраций Р2О5 по всем вариантам опыта укладывалось в пределах ошибки эксперимента.
Следовательно, улучшение условий азотного питания растений за счет внесенных удобрений способствует лучшему использованию питательных веществ почвы. Усиление ростовых процессов и отмеченное повышение концентраций элементов питания в зерне и соломе приводит к соответствующим изменениям показателей выноса питательных веществ с урожаем.
Показано, что вынос азота возрастает на 35,7% в случае применения сульфата аммония и на 20,8% -при использовании органоминеральных удобрений. Эти показатели составили соответственно для фосфора 25,4 и 12,6%, для калия - 44,1 и 16,3% (табл. 5).
При этом максимальные величины выноса азота и калия наблюдались под воздействием сульфата аммония и продукта 10, а фосфора - сульфата аммония. Использование азота из органоминеральных удобрений растениями несколько ниже, чем из сульфата аммония, соответственно 21 и 36%, это связано с тем, что органически связанный азот поступает в распоряжение растений постепенно, по мере минерализации органического вещества.
Проведенные исследования позволяют заключить, что изучаемые органоминеральные удобрения могут быть использованы для улучшения условий азотного питания растений. При их внесении наблюдается усиление ростовых процессов, что способствует формированию большей биомассы, увеличению озерненности колоса и в конечном итоге повышению урожайности яровой пшеницы на 19-21%. Этот факт аналогичен действию минерального азота, внесенного в эквивалентных дозах.
В этой связи возникает необходимость изучения последействия внесенных удобрений на последующие культуры севооборота. Наиболее перспективными удобрениями для практического применения по результатам их действия в год внесения следует признать продукт 10, содержащий 8,0% общего азота.
Таблица 5. Вынос элементов питания урожаем яровой пшеницы, г/м2
Варианты N Р205 к2о ад Ку (Р2о5) Ку(к2о)
Контроль 11,05 4,53 8,91 - - -
Продукт 10 13,35 5,10 10,36 20,8 12,6 16,3
Сульфат аммония 15,00 5,68 12,84 35,7 25,4 44,1
НСР05 1,33 0,59 1,80 - - -
Выводы
1. При окислении подсолнечной лузги кислородом воздуха в среде аммиака механохимическим способом в течение 10-150 мин получены азотсодержащие производные (3,0-8,2% N), содержащие 3,26,5% карбоксильных и 2,0-4,1% метоксильных групп.
2. Полученные продукты повышают урожайность пшеницы на 18,6% и могут быть использованы в качестве азотсодержащих органических удобрений гуминового типа.
Список литературы
1. Чудаков М.И., Меклер Н.А., Раскин М.Н. и др. Окислительная деструкция лигнина с получением удобрений и кормовых добавок // Гидролизная и лесохимическая промышленность. 1971. №10. С. 4-7.
2. А.с СССР № 333156. Способ получения сложных удобрений на основе лигнина. МКИ С 05 D 11/00. Опубл. 1972. БИ №11.
3. Кононов О.Д., Лагутина Т.Б. Удобрения из отходов лесопредприятий // Химия в сельском хозяйстве. 1996. №6. С. 14-17.
4. Гелес И.С., Федорец Н.Г., Клеманский Ю.М. Удобрения из отходов деревообрабатывающей и целлюлознобумажной промышленности // Химия в сельском хозяйстве. 1997. №6. С. 20-22.
5. Кодина Л.А., Александрова Г.В. Биодеградация лигнина // Успехи микробиологии. 1990. Вып. 24. С. 156-189.
6. А.с СССР № 635104. Способ получения азотсодержащих производных лигнина. МКИ С 07 G 1/00. Опубл. 1978. БИ №44.
7. А.с СССР № 535264. Способ получения сложного азотсодержащего удобрения. МКИ С 05 d11/00. Опубл. 1976. БИ №42.
8. Мажара М.П., Сапотницкий С.А. Получение медленноусвояемых удобрений на основе лигносульфонатов // Продукты переработки древесины - сельскому хозяйству. Рига, 1973. Т. 2. С. 147-154.
9. Посевные площади и урожайность основных сельскохозяйственных культур в Алтайском крае в 2000 году. Барнаул, 2001. 100 с.
10. Климова В.А. Основные микрометоды анализа органических соединений. М., 1975. 221с.
11. Закис Г.Ф., Нейберте Б.Я. Изучение функционального состава продуктов окисления лигнина // Изв. АН Латв. ССР. 1972. №7. С. 374-377.
12. Болотин Д.Б., Черных А.Г. Методика определения метоксильных групп в лигнинах // Химия древесины. 1982. №5. С. 109-110.
13. Петербургский А.В. Практикум по агрохимии. М., 1968. 469 с.
Поступило в редакцию 7 февраля 2002 г.
