CC BY
28
УДК 631.81:631.813
ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫЕ И ЭНЕРГО-РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ПРИЕМЫ ИЗВЕСТКОВАНИЯ ПОЧВ В ЗЕМЛЕДЕЛИИ
И. А. Шильников, доктор с.-х. наук, профессор;
Г. Е. Гришин*, доктор с.-х. наук, профессор; Н. А. Зеленое, канд. с.-х. наук;
Н. И. Аканова, доктор биол. наук, профессор; Е. В. Курносова*, канд. с.-х. наук ВНИИА им. Д. Н. Прянишникова, г. Москва, т. 8-495-976-37-50 *ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8-8412-628-571
Изложены агроэкологические аспекты применения в сельскохозяйственном производстве известьсодержащих отходов промышленности в качестве химических мелиорантов. Использование металлургических шлаков обусловило снижение всех форм кислотности, улучшение питательного режима почв, а также повысило содержание кальция, магния, фосфора в почве.
Ключевые слова: почва, кислотность, известкование, дефекат, металлургические шлаки.
Площади почв с избыточной кислотностью в Российской Федерации наибольшие в мире. В то же время известкование проводится в ничтожных масштабах (300...350 тыс. га в год при необходимых 7.8 млн. га), вследствие чего сложился отрицательный баланс кальция, при котором компенсируется лишь 6.7 % потерь оснований из корнеобитаемого слоя почв.
Известкование является основным средством оптимизации реакции среды в почве. Устранение избыточной кислотности повышает плодородие почв, эффективность применения минеральных удобрений и улучшает экологическую обстановку. На основании нашей методики [10] разработан прогноз изменения кислотности почв. Из него следует, что площадь кислых почв к 2010 году увеличится на 16,4 млн. га; площадь почв, нуждающихся в первоочередном известковании (pH 5,0 и меньше), возрастет на 9,3 млн. га и составит более трети всей пашни (табл. 1).
Таблица 1
Прогноз кислотности пахотных почв на 2010 год
Средневзвешенный показатель pH пахотных почв уменьшится на 0,24 и составит 5,14; среднегодовое изменение показателя активной кислотности в сторону снижения составит 0,034, что согласуется с данными многолетних полевых опытов (табл. 2).
Таблица 2 Изменение средневзвешенного показателя pH пахотных почв в зоне известкования с 2003 по 2010 годы
Средневзвешенный показатель pH Изменение средневзвешенного показателя pH
2003 год 2010 год за 7 лет за 1 год
5,38 5,14 0,24 0,034
В условиях возрастания стоимости удобрений и затрат на их применение важнейшей проблемой стала разработка наиболее рациональных и эффективных приемов применения минеральных и известковых удобрений, обеспечивающих максимальную окупаемость их сельскохозяйственной продукцией. Особенно актуально это для Нечерноземной зоны России, где преобладают почвы с низким естественным плодородием и складывается резко отрицательный баланс питательных веществ и, как следствие, рост площадей с избыточной кислотностью.
В Российской Федерации основными являются карбонатные формы известковых удобрений, полученные путем размола твердых карбонатных пород (известняков и доломитов), либо их прямой добычи, требующей иногда последующего просеивания (рыхлые мергели, туф, гажа, мел и др.).
Группа почв по pH 2003 год 2010 год
млн. га % млн. га %
,0 6, ,6 Ю 24,0 40,9 7,2 12,3
5, 5 22,5 38,2 30,0 51,2
,0 5, ,6 9,5 16,3 17,1 29,2
4,5 и менее 2,7 4,6 4,4 7,3
Всего 58,7 100 58,7 100
в т. ч. с рН=5,5 и менее 34,7 59,1 51,5 87,7
5,0 и менее 12,2 20,9 21,5 36,6
4,5 и менее 2,7 4,6 4,4 7,5
40 Агрономия
В современных условиях, когда затраты на известкование 1 гектара пылевидной известняковой мукой достигают 10 тыс. руб., высокая стоимость этого мероприятия является главной причиной ничтожных темпов химической мелиорации почв. Применение же высокоэффективных известьсодержащих отходов промышленности позволяет в среднем на 40 % снизить затраты на химическую мелиорацию.
Среди известьсодержащих отходов имеется ряд форм достаточно широко исследованных, такие как сланцевая зола и цементная пыль. Их высокая эффективность и экологическая безопасность многократно подтверждены [1, 8]. В то же время отличающиеся наибольшим количеством ценных компонентов металлургические шлаки исследованы в меньшей степени, хотя их запасы, вывезенные в отвалы, составляют сотни миллионов тонн и ежегодно увеличиваются на 2 млн. т.
Металлургические шлаки, являясь силикатной формой известкового удобрения, содержат комплекс необходимых для растений питательных макро- и микроэлементов. Результаты длительного полевого опыта Всероссийского научно-исследовательского института удобрений и агропочвоведения им. Д. Н. Прянишникова (ВИУА) показали, что в течение 30 лет положительное действие металлургического шлака на урожай сельскохозяйственных культур было выше, чем известняковой муки (табл. 3).
Таблица 3
Влияние форм известковых удобрений на продуктивность севооборота, ц/га зерновых единиц
Вариант опыта 19681976 гг. 19771983 гг. 19841990 гг. 19911998 гг.
_о с5 £ ° дж ® о рр О ^ а к са а Ю и р 1= .о с5 дж &. о рр О ^ а к са а Ю и р 1= .о с5 дж &. о рр О ^ а к са а Ю и р 1= .о с5 гс ° дж рр О ^ а к са а Ю и р 1=
Без извести 44,4 - 30,0 - 37,4 - 30,9 -
Извест- няковая мука 44,2 - 36,0 6,0 40,1 2,7 33,8 2,9
Металлур- гический шлак 45,6 1,2 37,9 7,9 41,5 4,1 36,0 5,1
Высокий агрономический эффект при известковании почв металлургическими шлаками отмечен в исследованиях УралНИ-ИЧМ и других научных учреждений страны
[3,5]. Обобщая полученный экспериментальный материал и результаты внедрения шлаков в условиях производства, можно констатировать, что это одна из лучших форм известковых удобрений и необходимо эти отходы использовать в качестве известковых удобрений с наиболее благоприятными для потребителей свойствами.
Таблица 4
Действие шлаков на урожай сельскохозяйственных культур, ц/га
Культура Урожай без известкования Прибавка урожая от известняковой муки Прибавка урожая от внесения шлаков
ферросплавных -е л а § 1 Ё § е л э мартеновских
молотых гранулиро- ванных
Ячмень 15,0 2,8 3,2 2,1 2,6 1,6
Пшеница 16,0 3,2 4,1 4,0 2,5 1,8
Клевер (сено) 25,0 11,6 13,2 12,0 11,6 10,0
Кукуруза 283 37 - 43 - -
Горохо- овсяная смесь (зеленая масса) 124 22 - - 34 18
Металлургические шлаки, в сравнении со стандартными известковыми удобрениями, оказывают специфическое воздействие на почву и растения, что связано с наличием в них кремниевой кислоты в виде силиката кальция. Кроме того, имеют значение и другие составные части шлаков. В полевом опыте прослежена динамика изменения кислотности почвы при известковании разными формами известковых удобрений за 30 лет их последействия при однократном внесении в полной дозе, определяемой гидролитической кислотностью почвы. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что действие металлургического шлака на кислотность почвы было несколько слабее, чем известняковой и доломитовой муки. Повышение pH почвы при применении шлака было в среднем на 0,4.0,6 ниже, чем при применении карбонатных форм известковых удобрений. Продуктивность же сельскохозяйственных культур в первом случае была выше. Следовательно, при известковании металлургическими шлаками можно получать высокую продуктивность растений при более низких, чем рекомендуется, значениях pH почвы (рисунок).
Нива Поволжья № 2 (15) май 2010 41
X
а
о
■Известняковая мука по 1 г. к.
-Металлургический шлак по 1 г. к.
■Контроль
Влияние различных форм химических мелиорантов на динамику кислотности почвы
Благодаря алюмосиликатной части шлаков могут улучшаться физические и физико-химические свойства почв, особенно песчаных и супесчаных, повышаться емкость поглощения, возрастать их связность и влагоемкость.
Обогащение почвы коллоидальной ЭЮ2 в результате внесения силикатных известковых удобрений приводит к увеличению отношения ЗЮ2: Р203 в поглощающем комплексе. Это уменьшает активность полуторных окислов почвы, которые, в особенности ионы алюминия, могут оказывать непосредственное вредное влияние на развитие растений, а также сильно закрепляет находящуюся в почве фосфорную кислоту.
Одна из причин лучшего действия силикатов, по сравнению с другими формами известковых удобрений, состоит в том, что более полно и на более продолжительный срок устраняется вредное действие активного алюминия. При применении силикатов в почве образуются алюмосиликаты, обладающие меньшей растворимостью, чем гидрат окиси алюминия, получающийся при внесении Са (0Н)2. С увеличением отношения Б102: Р203 в поглощающем комплексе повышается подвижность имеющейся в почве фосфорной кислоты, уменьшается поглощение Р205, вносимой с удобрениями, и увеличивается доступность ее растениям.
Поэтому весьма перспективно создание на основе металлургического шлака известково-фосфорного удобрения путем введения в его состав дешевых фосфоритов. При этом себестоимость единицы пя-тиокисифосфора будет в 3-4 раза ниже, чем в производимых сложных удобрениях -нитрофоске, азофоске, аммофоске. Такой
комплексный состав за один прием внесения может на 8-12 лет снимать необходимость в применении как известковых, так и фосфорных удобрений. Добавление калия сделает шлаки универсальным удобрением.
Результаты исследований РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева с мартеновскими и электросталеплавильными шлаками, содержащими 5.12 °% магния, показали, что шлаки оказывали прямое положительное воздействие и длительное последействие на магниевый режим почвы, повышая в ней содержание подвижного магния (на 2.9 мг/100 г) и создавая более сбалансированные по магний-катионному составу соотношения Са: Мд и Мд: К. При внесении шлака повышались содержание и вынос магния урожаями сельскохозяйственных культур. Исследование коэффициентов усвоения магния из шлака растениями выявило длительное его использование.
Применение шлака в качестве магнийсодержащего известкового удобрения экономически более выгодно, чем совместное внесение магниевого удобрения, не обладающего длительным последействием, и извести. Это значение шлака в современных условиях очень актуально, так как почти повсеместно на песчаных и супесчаных почвах обнаружено магниевое голодание растений. Площадь почв, нуждающихся в первоочередном внесении магния, составляет около 7 млн. га.
По данным многолетних исследований установлено, что эффективность металлургических шлаков в качестве известкового удобрения определяется модулем их основности, нейтрализующей способностью, гранулометрическим и минералогическим составами. Нейтрализующая спо-
42 Агрономия
собность и растворимость кальция и магния шлаков и минералов со стекловидной структурой выше, чем у кристаллических. Например, нейтрализующая способность мервинита со стекловидной структурой составляет 108 %, а с кристаллической - 89 %; мартеновского шлака стекловидного -83 %, кристаллического - 72 % [3, 9].
К степени помола шлаков предъявляют более жесткие требования, чем к известняковой и доломитовой муке, так как частицы крупнее 1 мм существенного влияния на агрохимические свойства почвы и урожай сельскохозяйственных культур не оказывают. Исследование эффективности мелких фракций металлургических шлаков (мельче 1,0 мм) показало, что наиболее эффективными были фракции мельче 0,25 мм.
Металлургические шлаки не только увеличивают урожай, но и улучшают качество сельскохозяйственной продукции, повышая содержание в ней кальция, магния, фосфора и белка.
Вероятное негативное влияние металлургических шлаков на почву и растения длительное время связывали с наличием хрома в некоторых из них. Результаты проведенных в последние годы исследований не подтвердили предполагаемых опасений. Токсичного действия хрома шлаков на растения, при котором урожайность снижалась бы на 5.10 %, не установлено. Нет также убедительных данных о накоплении хрома и других тяжелых металлов в растительной продукции при внесении шлаков.
Установлено, что с увеличением содержания в шлаках хрома падает нейтрализующая способность и растворимость кальция и магния. Растворимость хрома в 2 %-ной лимонной кислоте (характеризующей его доступность для растений) ничтожно мала, так как он находится в виде трудно растворимых соединений кальция. Результаты вегетационных и полевых опытов показали, что вследствие слабой растворимости хрома в шлаке и в условиях слабощелочной среды его накопление в растениях не изменялось даже при внесении шлаков с содержанием хрома до 9 %.
Таким образом, значение применения шлаков как высокоэффективного энерго- и ресурсосберегающего фактора актуально и чрезвычайно перспективно. При этом очень важно природоохранное значение применения шлаков , так как не только освобождаются тысячи гектаров земли, занятых отвалами, но и обогащаются почвы кальцием, магнием, фосфором, кремнием и комплексом микроэлементов. Задача состоит в том, чтобы в процессе подготовки
шлаков для их использования в сельском хозяйстве они имели бы наиболее благоприятные показатели по всем свойствам (нейтрализующей способности; гранулометрическому, минералогическому, фазовому и химическому составам).
Ценным известковым удобрением является отход свеклосахарного производства - дефекат, содержащий 45.50 % СаС03, 13.15 % органического вещества, до 0,5 % азота и 0,6 % пятиокисифосфора. Первое обобщение результатов полевых опытов с дефекатом в 50-60-х годах прошлого столетия провела Е. А. Бровкина [2]. Была выявлена его высокая эффективность в свекловичных севооборотах на черноземах оподзоленных и выщелоченных, поглощающий комплекс которых не насыщен основаниями. Одновременно Е. А. Бровкина разработала критерии нуждаемости ненасыщенных основаниями черноземов в известковании. Исследования Гришина Г. Е. и Курносовой Е. В. [4] по действию дефеката на выщелоченных черноземах лесостепи Среднего Поволжья выявили его положительное влияние на урожайность яровой пшеницы и сахарной свеклы в полевом севообороте (табл. 5).
Таблица 5
Продуктивность культур при использовании дефеката
№ Вариант Урожайность, т/га Сбор за 2 года зерн. ед.
яровая пше- ница сахар- ная свекла
1. Контроль (без вариантов) 3,02 18,05 7,71
2. Дефекат 1,5 Нг 3,19 21,03 8,66
3. Дефекат 2,0 Нг 3,45 21,10 8,92
4. Дефекат 2,5 Нг 4,08 19,05 9,03
В последние годы появился ряд исследований, свидетельствующих о положительном влиянии дефеката на урожайность растений на обыкновенном черноземе, по существующим критериям не нуждающемся в известковании. В полевом опыте, проведенном Супрун С. В. [7] в Воронежской области на среднемощном, среднегумус-ном тяжелосуглинистом обыкновенном черноземе, дефекат повышал урожай как корней сахарной свеклы, так и содержание сахара в них.
В полевом опыте на обыкновенном черноземе Саратовской области с ячменем также вполне отчетливо проявилось положительное действие дефеката на урожай [6].
Нива Поволжья № 2 (15) май 2010 43
Приведенные данные свидетельствуют о том, что зона применения дефеката значительно шире, чем предполагалось ранее. Известные нам публикации свидетельствуют также о том, что дефекат является достаточно «чистым» известковым материалом, не загрязняющим почву и растения токсичными элементами, что зафиксировано в технических условиях на это известковое удобрение.
Для всесторонней агрономической, экономической и экологической оценки отходов промышленности в качестве известковых удобрений необходима комплексная программа исследований, выполнение которой может быть осуществлено учеными в области агрохимии с обязательным привлечением специалистов других профессий. Применение высокоэффективных и недорогих известьсодержащих отходов промышленности на площади хотя бы 1 млн. га позволит ежегодно экономить не менее 1,5.1,8 млрд. руб.
Литература
1. Алямовский, Н. И. Известковые удобрения СССР / Н. И. Алямовский. - М., 1966. -278 с.
2. Бровкина, Е. А. Известкование почв дефекационной грязью. / Е. А. Бровкина // Сахарная свекла. - М., 1956. - С. 15-18.
3. Васильева, С. Н. Эффективность металлургических шлаков в качестве известковых удобрений в зависимости от химического, гранулометрического и минералогического составов: автореф. дис. . канд. с.-х. наук / С. Н. Васильева. - М., 1975. - 25 с.
4. Гришин, Г. Е. Совместное использование дефеката и навоза в севообороте / Г. Е. Гришин, Е. В. Курносова // Плодородие. - 2005. - № 3 (24). - С. 26-27.
5. Кузьмич, М. А. Агроэкологическое обоснование применения нетрадиционных химических мелиорантов в земледелии России. Автореф. дис. ... докт. с.-х. наук / М. А. Кузьмич. - М., 2004. - 46 с.
6. Пенкина, С. В. Влияние мелиорантов и минеральных удобрений на продуктивность ярового ячменя на черноземе обыкновенном Саратовского Правобережья: ав-тореф. дис. ... канд. с.-х. наук / С. В. Пен-кина. - Саратов, 2004. - 20 с.
7. Супрун, С. В. Влияние антропогенных факторов на плодородие почвы, урожайность и качество корнеплодов сахарной свеклы: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук / С. В. Супрун. - М., 2008. - 25 с.
8. Турбас, Э. М. Результаты полевых опытов по сравнению эффективности известковых удобрений на различных фонах /
Э. М. Турбас, В. Хийс // Вопросы известкования кислых почв. - Горки, 1973. - С. 135139.
9. Шильников, И. А. Эффективность металлургических шлаков как известковых удобрений в зависимости от их структуры. / И. А. Шильников, С. Н. Васильева // Агрохимия. - М., 1974. - С. 86-94.
10. Шильников, И. А. Методика прогнозирования кислотности почв и расчета баланса кальция в земледелии Нечерноземья Российской Федерации / И. А. Шиль-ников, Н. И. Аканова, В. Н. Баринов. - М., 1999. - 22 с.
44 Агрономия
