CC BY
3
УДК 553.64:631.859(5671.56) DOI: 10.24412/1029-2551-2021-5-014
ФОСФАТНОЕ СЫРЬЕ ЯКУТИИ И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ УДОБРЕНИЙ И МЕЛИОРАНТОВ
А.П. Чевычелов, д.б.н., О.Г. Захарова, к.б.н.
Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН, e-mail: chev.soil@list.ru
Изучены различные минеральные и органические источники фосфатов природного происхождения, имеющиеся в Республике Саха (Якутия), на предмет их возможного использования на объектах сельскохозяйственного производства для повышения урожайности и качества продукции растениеводства, а также сохранения плодородия мерзлотных почв. По результатам исследования показано, что наиболее высоким потенциалом минеральных фосфатов отличаются апатитовые руды Селигдарского месторождения и низинные торфа Якокитского массива, расположенные на территории Южной Якутии. Так, минералы Селигдарского месторождения, а именно кальцит с апатитом и апатит содержали соответственно 1 094 и 11 115 мг Р2О5/кг минеральных фосфатов, среди которых абсолютно преобладали (88,2-94,5%) легкодоступные для растений фосфаты кальция. Низинный торф содержал 1 760 мг Р2О5/кг минеральных фосфатов, причем в их составе предельно превалировали (65,9%) фосфаты алюминия, а наиболее легкодоступные рых-лосвязанные фосфаты составляли 12,4% от общей суммы всех форм минеральных фосфатов.
Ключевые слова: Южная Якутия, минеральное и органическое фосфатное сырье, удобрения и мелиоранты.
PHOSPHATE RAW MATERIALS OF YAKUTIA AND POSSIBILITY OF ITS USE AS FERTILIZERS AND AMELIORANTS
Dr.Sci. A.P. Chevychelov, Ph.D. O.G. Zakharova
Institute for Biological problems of Cryolithozone of the Siberian branch of the RAS, e-mail: chev.soil@list.ru
Various mineral and organic sources ofphosphates of natural origin, available in the Republic of Sakha (Yakutia), were studied for their possible use in agricultural production facilities to increase the yield and quality of crop production, as well as to preserve the fertility ofpermafrost soils. According to the results of the study, it is shown that the apatite ores of the Seligdar deposit and the fen peat of the Yakokit massif, located on the territory of Southern Yakutia, have the highest potential of mineral phosphate. Thus, the minerals of the Seligdar deposit, namely calcite with apatite and apatite, contained 1 094 and 11 115 mg P2Os/kg of mineral phosphates, respectively, among which calcium phosphates, easily accessible to plants, absolutely predominated (88.2-94.5%). The fen peat contained 1 760 mg P2Û5/kg of mineral phosphates, with aluminum phosphates predominating (65.9%), and the most readily available loosely bound phosphates accounted for 12.4% of the total amount of all forms of mineral phosphates.
Keywords: Southern Yakutia, mineral and organic phosphate raw materials, fertilizers and ameliorants.
В настоящее время в России более 70% пахотных земель недостаточно обеспечены подвижным фосфором и нуждаются в кардинальном улучшении фосфатного режима почв [1]. Так, за 25-летний период в земледелии России (1992-2016 гг.) вынос фосфора с урожаями сельскохозяйственных культур превысил внесение данного элемента со всеми видами удобрений на 23 млн. т. Если в случае с азотом какая то часть его дефицита компенсируется за счет биологической фиксации, то пополнение запасов фосфора в почвах возможно только путем применения фосфатных удобрений [2, 3].
Ежегодно из России вывозится до 30% произведенного апатитового концентрата. Примерно 95% концентрата, остающегося в стране, идет на производство фосфорных и комплексных удобрений, 8790% которых также экспортируется. Внутренние
потребности при этом не удовлетворяются, что привело к критическому положению с обеспеченностью сельского хозяйства России фосфатными удобрениями. Начиная с 1997 г., их внесение на 1 га пашни не превышает 3-4 кг Р2О5, в то время как в бывшем СССР эта норма достигала 42 кг, а в развитых Европейских странах составляет 150-180 кг. В результате страна ежегодно недополучает 30-40 млн. т зерна или другой растениеводческой продукции [4].
Выработка различных видов продукции сельского хозяйства на душу населения по Дальневосточному федеральному округу (ДВФО) в 1,5-5,5 раза ниже средней по России. Обеспеченность региона пищевым зерном и овощами местного производства составляет соответственно 10-15 и 32%. По данным агрохимической службы РФ, более 70% пашни ДВФО представлены почвами с повышенной кис-
лотностью и низкой обеспеченностью подвижными фосфатами [5]. При этом в Якутии, входящей в состав ДВФО, за 20-летний период (1986-2005 гг.) объемы внесения минеральных удобрений уменьшились с 12,44 до 0,67 тыс. т действующего вещества или почти в 20 раз [6]. Продовольственная независимость северных регионов Дальнего Востока снизилась до катастрофически низкого уровня и практически полностью зависит от завоза продуктов питания из зарубежных стран и частично из других субъектов России [7]. В сложившихся условиях для интенсификации агропромышленного комплекса Якутии и повышения плодородия мерзлотных почв необходимо использовать местные природные ресурсы [8].
Цель исследования - выявление природных источников фосфатов в Якутии, сравнительная оценка их потенциала в качестве удобрений и мелиорантов на основе изучения общего количества и соотношения различных форм минеральных фосфатов.
Объекты и методы. Объектами исследования были отдельные минералы, магматические и осадочные горные породы некоторых месторождений Якутии. Содержание общего фосфора и калия в них определяли в процессе изучения их валового состава. Остальные физико-химические показатели определяли по общепринятым методикам, а именно: рНн2о - потенциометрически на приборе «Мульти-тест - ИПЛ-101», зольность - сухим сжиганием при температуре 950°С, валовой азот - по Кьельдалю, обменные катионы Са+2 и Мg+2 - по Гедройцу. Формы минеральных фосфатов определяли по Чанга-Джексону, подвижные фосфаты - по Гинзбург-Артамоновой, доступный калий - по Масловой.
Результаты. Из всех изученных минералов минимальное количество минеральных фосфатов (4652 мг Р2О5/кг) отмечалось в вермикулите и доломите. В цеолите Кемпендяйского месторождения содержание данных фосфатов увеличивалось уже в 3 раза. Из обычных горных пород минимальное содержание всех форм минеральных фосфатов (178 мг Р2О5/кг) фиксировалось в песчаниках, а максимальное (335 мг Р2О5/кг) - в алевролитах. Значительно более высокие концентрации фосфатов отмечали в минералах апатитовых руд Селигдарского месторождения. Так, суммарное содержание всех форм минеральных фосфатов в кальците с апатитом и
апатите соответственно составляет 1094 и 11115 мг Р2О5/кг, что почти в 10-100 раз превышает среднее количество, отмечаемое в обычных минералах и горных породах (табл. 1). При этом в составе минеральных фосфатов данных апатитовых руд абсолютно преобладают (88-94%) легкорастворимые и доступные для растений фосфаты кальция (Са-Р).
Апатит в рудах Селигдарского месторождения содержится в виде фрагментов различной крупности (от 10-20 см по длине оси до первых миллиметров) при среднем содержании Р2О5 несколько выше 6% [9]. Максимальное содержание Р2О5 в отдельных пробах достигает 23%. В данных апатитовых рудах спектральным анализом также обнаружены значительные количества (до 0,01%) таких микроэлементов, как Mn, V, Си и № [10]. На базе месторождения в ближайшей перспективе намечается создание Селигдар-ского горно-химического комбината, включающего в своем составе карьеры по добыче до 30 млн. т руды в год, мощную обогатительную фабрику по выпуску апатитового концентрата и химический завод для производства фосфорно-магниевых удобрений [8].
Были исследованы и органические источники фосфатов природного происхождения, а именно торфа Южной Якутии и окисленные каменные угли Нерюнгринского угольного месторождения (НУМ) (табл. 2). Суммарное содержание всех форм минеральных фосфатов в торфах изменялось значительно от 237 до 1760 мг Р2О5/кг, то есть варьировало более чем в 7 раз. При этом в двух типах торфа (переходном и низинном) преобладали фосфаты алюминия (А1-Р), а в верховом - рыхлосвязанные фосфаты 1 фракции. Среди исследованных торфов особенно выделяют низинные торфа Якокитского массива, которые по общему содержанию минеральных фосфатов уступают только апатитовым рудам Селигдарского месторождения (табл. 1 и 2).
Оценивая потенциал минеральных фосфатов торфов Южной Якутии, было интересно сопоставить его с таковым болотных фосфатов или торфовивианитов Западной Сибири, в которых минеральные формы фосфатов были определены по аналогичной методике [11]. Данные болотные руды разных месторождений этого региона содержат в среднем 5-7% Р2О5 и рассматривают их, как ценное фосфатное сырье. Торфа Южной Якутии содержат сходное (88,9-97%)
1. Формы минеральных фосфатов в породах и минералах, мг РгОй/кг
Порода, минерал Формы минеральных фосфатов Сумма
рыхлосвязанные А1-Р Ге-Р Са-Р оккл. А1-Р оккл. А1(Ге)-Р
Гранит 22/7,6* 28/9,6 49/16,9 149/51,4 3/1,0 39/13,4 290
Песчаник 16/9,0 3/1,7 18/10,1 79/44,4 1/0,6 61/34,3 178
Алевролит 16/4,8 34/10,1 123/36,7 131/39,1 21/6,3 10/3,0 335
Вермикулит 9/19,6 14/30,4 1/2,2 18/39,1 1/2,2 3/6,5 46
Цеолит 24/16,9 45/31,7 3/2,1 15/10,6 8/5,6 47/33,1 142
Доломит 16/30,8 6/11,5 6/11,5 18/34,6 2/3,8 4/7,7 52
Кальцит с апатитом 18/1,6 56/5,1 15/1,4 965/88,2 21/1,9 19/1,7 1094
Апатит 38/0,3 94/0,8 103/0,9 10500/94,5 373/3,3 7/0,1 11115
*Здесь и далее: числитель - содержание, мг Р2О5/кг; знаменатель - % от суммы всех фракций.
2. Формы минеральных фосфатов в торфах и окисленных каменных углях, мг Р2 Эг/кг
Торфа, угли Формы минеральных фосфатов Сумма
рыхлосвязанные А1-Р Ге-Р Са-Р оккл. А1-Р оккл. А1(Ге)-Р
Торф верховой 165/42,3 150/38,5 34/8,7 5/1,3 11/2,8 25/6,4 390
Торф переходный 30/12,6 101/42,6 50/21,1 30/12,6 9/3,8 17/7,2 237
Торф низинный 218/12,4 1160/65,9 96/5,4 235/13,3 5/0,3 46/2,6 1760
Окисленные каменные угли 25/7,1 82/23,2 30/8,5 43/12,1 69/19,5 105/29,7 354
общее количество форм (фракции 1-4) данных минеральных фосфатов, тогда как в торфовивианитах Западной Сибири таковое более вариабельно и составляет 67,4-91,5% (табл. 3). При этом в составе вивианитов абсолютно преобладают менее растворимые железо-фосфаты (Бе-Р), составляя 63,4-79,5% от суммы всех фракций. Также данные торфовивиани-ты характеризуются очень низким содержанием рыхлосвязанных (0,1-0,4%) и фосфатов кальция (0,30,9%), тогда как количество данных фракций фосфатов в торфах составляет соответственно 12,4-42,3% и 1,3-13,3%. В составе минеральных фосфатов торфов Южной Якутии, как правило, преобладают более растворимые и доступные для растений фосфаты алюминия. В целом можно констатировать, что торфа Южной Якутии характеризуются более высоким потенциалом минеральных фосфатов по сравнению с торфовивианитами Западной Сибири.
Ежегодно при добыче каменных углей в Южной Якутии в отвалы шахт и разрезов поступают значительные количества некондиционных каменных углей, которые со временем становятся отходом. Общее содержание минеральных фосфатов в углях Нерюн-гринского угольного месторождения составляет 354 мг Р2О5/кг, чуть выше такового, отмечаемого (335 мг Р2О5/кг) в алевролитах (табл. 1 и 2). Однако фракционный состав фосфатов углей имеет совершенно отличный характер от всех остальных изучаемых объектов. Так, в составе углей значительно повышено содержание окклюдированных фосфатов, суммарно составляющих 49,2%, т.е. чуть меньше половины от суммы всех минеральных фосфатов. Окклюдированные А1-Р и А1(Бе)-Р фракции 5 и 6 минеральных фосфатов обычно представляют прочнозакрепленные полуторные оксиды Бе и А1 соединения, не доступные для растений. Другая половина минеральных фосфатов углей, среди которых относительно преоб-
ладают фосфаты алюминия (23,2%), более-менее равномерно распределена по фракциям 1,3,4, составляя соответственно 7,1, 8,5 и 12,1%. Из этого следует, что данные окисленные каменные угли в целом обладают более низким потенциалом минеральных фосфатов по сравнению с торфами Южной Якутии.
Известен опыт по использованию окисленных углей в качестве фосфатных удобрений. Так, в полевом опыте на кислой серой лесной почве использовали окисленные угли из отвалов Харанутского угольного разреза (Иркутская область). При внесении угля в дозе 10 т/га оказывалось стойкое положительное воздействие на урожайность картофеля, как в первый, так и во второй год возделывания, при этом в продукции накапливался крахмал и фосфор. Внесение углей в данном опыте также увеличивало содержание подвижных фосфатов в толще 0-40 см этой серой почвы [11].
Также на данных почвах положительные результаты отмечали в полевых опытах с зерновыми. Так, при внесении оптимальной дозы углей 20 т/га урожайность пшеницы достигала 32,2 ц/га и была выше контроля на 56% [12].
Необходимо отметить, что изучаемые органические источники фосфатов по сути также одновременно служат мелиорантами, способными оказывать различное положительное воздействие на удобряемые почвы и выращиваемые растения. Последнее определяется физико-химическими свойствами данных мелиорантов. Так, в переходном и низинном торфах содержится 54-78% органического вещества, 1,922,34%, 0,38-1,05% и 0,61-0,85% - соответственно валового азота, фосфора и калия, а также 100-165 и 492839 мг/кг подвижных фосфатов и доступного калия. Сумма обменных оснований Са+2 и Mg+2 в данных типах торфа соответственно составляет 25,5-125,2 смоль(экв)/кг. Несколько худшими физико-химичес-
3. Групповой состав минеральных фосфатов торфов и торфовивианитов, %
Местоположение, месторождение Формы минеральных фосфатов Сумма
рыхлосвязанные А1-Р Ге-Р Са-Р
Торс за Южной Якутии
Массив Иенгра 42,3 38,5 8,7 1,3 90,8
Массив Беркакит 12,6 42,6 21,1 12,6 88,9
Массив Якокит 12,4 65,9 5,4 13,3 97,0
Торфовивианиты Западной Сибири [11, С. 1106]
Мензелинско-Умнинское 0,2 5,5 79,5 0,9 86,1
Воскресная Согра 0,1 1,7 89,4 0,3 91,5
Аркадьевское 0,4 6,8 63,4 0,7 71,3
Осиновское 0,4 1,9 64,6 0,5 67,4
4. Физико-химические свойства торфов и окисленных углей Южной Якутии
рНшо Зольность, % Валовые, % Обменные катионы, смоль(экв)/кг Подвижные, мг/кг
N Р2О5 К2О Са+2 М^+2 сумма Р2О5 К2О
Торф верховой, массив Иенгра
4,6 15,0 1,66 0,18 0,39 9,3 3,4 12,7 92 177
Торф переходный, массив Беркакит
5,0 22,0 1,92 0,38 0,61 15,0 10,5 25,5 100 492
То рф низинный, массив Якокит
6,4 46,2 2,34 1,05 0,85 87,6 37,6 125,2 165 839
Окисленные каменные угли НУМ
7,2 8,5 0,94 0,10 0,14 6,4 2,2 8,6 39
* содержание не определено
кими показателями обладают верховой торф и окисленные каменные угли (табл. 4). Но вместе с этим данные угли характеризуются почти нейтральной реакцией среды, содержат 81% органического вещества и почти 1% валового азота, а также отличаются минимальной суммой обменных катионов, составляющей 8,6 смоль(экв)/кг. Вследствие последнего окисленные угли могут быть мелиорантами на кислых, не насыщенных обменными основаниями, малоплодородных почвах. Так, в свое время были получены статистически достоверные прибавки урожая зеленой массы овса в течение двух лет в полевом опыте на неизвесткованной подзолистой почве Южной Якутии, при внесении окисленных каменных углей в дозе 60 т/га. При этом данные угли в опыте вносили в виде крошки диаметром менее 3 мм, а обменная кислотность почвы значительно снижалась [13]. При изучении эффективности применения углеотходов в полевом опыте на кислой дерново-подзолистой почве Предуралья наибольшее увеличение урожайности зерна полевых культур достигалась при внесении уг-леотходов в дозе 1,5 т/га, а продуктивность полевого семипольного севооборота возрастала на 18%. Также в данной почве отмечалось снижение гидролитиче-
ской кислотности, увеличение содержания Сорг. и подвижного фосфора соответственно на 7-13 и 1422% [14]. К сожалению, в данной работе не оценивали потенциал сапропелей и окисленных бурых углей Центральной Якутии, которые также могут рассматриваться как источники фосфатов.
Таким образом, из всех изученных минеральных и органических источников фосфора природного происхождения, имеющихся в Якутии, наиболее высоким потенциалом минеральных фосфатов обладали апатитовые руды Селигдар-ского месторождения и низинные торфа Яко-китского массива, расположенные на территории Южной Якутии. Данные апатитовые руды могут рассматриваться как высокоэффективные фосфорные удобрения, а низинные торфа -одновременно как эффективные фосфорные удобрения, так и многоцелевые мелиоранты. В отдельных случаях для устранения фосфатного дефицита в мерзлотных почвах Якутии также могут использоваться алевролиты, верховые и переходные торфа и окисленные каменные угли, обладающие значительно более низким потенциалом минеральных фосфатов.
Статья подготовлена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № 0297-2021-0027, ЕГИСУНИОКТР № АААА-А21-121012190033-5).
Литература
1. Сушеница Б.А., Капранов В.Н. Роль фосфатов в решении агрохимических и экологических проблем // Проблемы агрохимии и экологии, 2008, № 1. - С. 22-25.
2. Осипов А.И., Якушев В.П., Якушев В.В. История научных исследований в агрохимии и перспективы применения удобрений в России // Агрохимический вестник, 2020, № 2. - С. 73-79.
3. Кудеяров В.Н. Почвенно-биохимические аспекты состояния земледелия в Российской Федерации // Почвоведение, 2019, № 1. - С. 109-121.
4. Фахрутдинов Р.З., Карпова М.И., Садыков И.С., Туманова Т.Р., Межуев С.В. Минерально-сырьевая база фосфатного сырья России: состояние, проблемы и пути развития // Разведка и охрана недр, 2005, № 9. - С. 11-15.
5. Родионов С.М., Роганов Г.В. Минеральное фосфатное сырье Дальнего Востока и проблемы его освоения // Тихоокеанская геология, 2006, Т. 25, № 1. - С. 81-89.
6. Иванов И.А., Винокурова В.С., Игнатьева В.В. Особенности использования удобрений в Якутии. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2008. -132 с.
7. Глотов В.Е., Пугачев А.А. Региональные ресурсы развития агропромышленного комплекса Севера Дальнего Востока России // Вестник ДВО РАН, 2004, № 4. - С. 38-46.
8. Егоров Е.Г., Федорова Е.Н., Пономарева Г.А., Артамонов И.И., Тарасов М.Е., Егорова И.Е., Охлопков М.Н., Бубякин В.И. Южная Якутия: потенциал и территориальная организация хозяйственного комплекса. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. - 308 с.
9. Энтин А.Р., Белоусов В.М., Галкин Г.Ф. Новые данные по геологии Селигдарского апатитового месторождения / Апатиты Алданского щита. - Якутск: Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1977. - С. 5-19.
10. Тян О.А. Геологическое строение и вещественный состав жильных апатитопроявлений в зонах разломов центральной части Алданского щита / Апатиты Алданского щита. - Якутск: Изд-во СО АН СССР, 1977. - С. 54-64.
11. Гамзиков Г.П., Мармулев А.Н. Агрохимическая оценка болотных фосфатов Западной Сибири // Почвоведение, 2007, № 9. - С. 1104-1111.
12. Волчатова И.В., Медведева С.А., Серышев В.А., Плюснин Г.С. Использование отходов угледобывающей промышленности в качестве удобрений // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки, 2005, № 5. - С. 11-16.
13. Волчатова И.В., Медведева С.А. Отходы угледобычи - перспективное удобрение // Агрохимический вестник, 2008, № 3. - С. 26-27.
14. Коноровский А.К. Почвы Севера зоны Малого БАМа. - Новосибирск: Наука, 1984. - 120 с.
