CC BY
52
ПРИЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ
УДК 631.6(91):631.821.1 DOI 10.24411/0235-2516-2019-10038
ИСТОРИЯ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИЗВЕСТКОВАНИЯ
КИСЛЫХ ПОЧВ В РОССИИ
А.И. Осипов, д.с.-х.н.
Агрофизический научно-исследовательский институт, e-mail: [email protected]
Многолетний опыт и практика земледелия свидетельствуют о постоянном подкислении и обеднении кальцием и магнием сельскохозяйственных земель, в результате чего в нашей стране ежегодно не добирают около 20 млн. т продукции в пересчете на зерно. Резко снижается эффективность минеральных удобрений, ухудшается экологическая обстановка, падает качество сельскохозяйственной продукции. В статье раскрыты исторические этапы известкования, новые подходы к данному приему, связанные с использованием сыромолотой доломитовой муки грубого помола. Показано, что наряду с природными известковыми материалами важно использовать известьсо-держащие отходы промышленности как важный и довольно дешевый источник химических мелиорантов. Многие из них, обладая высокой активностью взаимодействия с почвой, существенно превосходят природные карбонаты, а содержащиеся в них примеси микроэлементов часто оказывают положительное влияние на рост и развитие возделываемых культур. Однако большинство из них могут содержать в своем составе различные тяжелые металлы и другие токсичные элементы, представляющие опасность для экологического состояния почв и сопредельных сред, поэтому должны подвергаться всесторонней экологической оценке и нормированию. Большое внимание уделяется созданию программно-аппаратных комплексов для дифференцированного внесения известковых мелиорантов и минеральных удобрений с помощью современных машин.
Ключевые слова: кислотность и плодородие почв, методы известкования, мелиоранты, помол, сыромолотая доломитовая мука, известьсодержащие отходы.
HISTORY AND PRACTICAL ASPECTS OF ACID SOILS LIMING IN RUSSIA
Dr. Sci. A.I. Osipov
Agrophysical Scientific-Research Institute, e-mail: [email protected]
Years of experience and practice of agriculture have shown continuous acidification and depletion of calcium and magnesium agricultural land, with the result that every year our country gets about 20 million tons in terms of grain. The efficiency of mineral fertilizers is sharply reduced, the ecological situation of the environment is deteriorating, the quality of agricultural products is falling. The article reveals the historical stages of liming, new approaches to this technique associated with the use of raw dolomite flour. It is shown that along with natural lime materials, it is important to use lime containing industrial waste as an important and fairly cheap source of chemical meliorants. Many of them, having a high activity of interaction with the soil, significantly exceed natural carbonates, and the impurities of trace elements contained in them often have a positive effect on the growth and development of cultivated crops. However, most of them may contain a variety of heavy metals and other toxic elements that are hazardous to the ecological status of soils and adjacent environments, and should therefore be subject to comprehensive environmental assessment and regulation based on monitoring results. Much attention is paid to the creation of software and hardware systems for the differentiated application of lime meliorants and mineral fertilizers with the help of modern machines.
Keywords: acidity and soil fertility, methods of liming, ameliorants, fineness of grind, wet-grined dolomite powder, lime containing wastes.
В истории сельского хозяйства разных стран мира имеется немало примеров коренного улучшения почв и повышения урожаев с помощью извест-
кования. Так, в Англии еще во времена Плиния (господство римлян) употребляли мергель, в котором видели как бы концентрированное богатство
почвы - «ее тучность». В Германии мергелевание также применяли с XII в., с XVII в. в целом ряде областей, включая и Силезию, перешли на использование обожженного известняка, в тоже время в северных областях применяли луговую известь. Однако в ту эпоху не существовало теории питания растений и в вопросах применения удобрений шли наощупь. В России первые сведения об удобрениях появляются в трудах Императорского Вольного Экономического Общества (ИВЭО) 7 сентября 1771 г., где Андрей Нартов опубликовал свою статью об извести [1]. В дальнейшем в трудах ИВЭО появляются многочисленные публикации таких выдающихся ученых, как А.Н. Энгельгардт, Д.И. Менделеев, К.А. Тимирязев и других. В них рассказывается о применении в качестве удобрений древесного угля, мергеля, гранита, шлака доменных печей, золы, полученной при сжигании торфа, каменного угля, древесины, об отходах патошных и мыловаренных заводов. В 1888 г. в Лужском уезде Петербургской губернии в имении барона П.А. Бильдеринга по инициативе ИВЭО была организована зональная опытная станция, перешедшая в 1895 г. в ведение Департамента земледелия. По единой схеме проводили опыты в Петербургской, Московской, Смоленской и Симбирской губерниях, которые сопровождались анализом почв и метеорологическими наблюдениями. На основании этих опытов Д.И. Менделеев сделал прогноз об огромной значимости известкования для почв Нечерноземной зоны России. В последующие годы вопросами известкования занимались А.Т. Кирсанов, М.Ф. Корнилов, Н.А. Сапожников. В 1930 г. была опубликована работа А.Т. Кирсанова «Известкование почв и простые способы определения потребности их в извести». В 1931 г. в стране организовали Всесоюзный институт удобрений, агрохимии и агропочвоведения (ВИУАА) им. К.К. Гедройца с филиалами и отделениями. Ленинградское отделение ВИУАА было весьма многочисленным (более 130 чел.) и плодотворно работающим. Уже в 1931 г. коллективом было опубликовано и подготовлено к печати 76 научных работ в области почвенно-географического районирования, химии почв, применения удобрений и известкования почв. Исследованиями в области известкования кислых почв в данном отделении занимались М.Ф. Корнилов, Н.А. Сапожников, А.А. Немчинов, Н.И. Алямов-ский, Д.А. Иванов, В.И. Чебыкин, И.В. Кинзерский, А.Т. Кирсанов и др. В качестве известковых и органических удобрений они изучали гажу, туф, тор-фотуф, сапропель, торф, навоз, отходы промышленности. В 1956 г. на базе Ленинградского отделения ВИУАА, Ленинградской областной сельскохозяйственной опытной и селекционной станций был создан Северо-Западный НИИ сельского хозяйства (СЗНИИСХ), переименованный в 2003 г. в
Ленинградский НИИСХ. В институте успешно продолжались исследования по разработке научных основ известкования кислых почв с 1956 по
1964 гг. под руководством М.Ф. Корнилова, а с
1965 по 2001 гг. - А.Н. Небольсина. Сотрудникам отдела удалось сохранить самые длительные в регионе опыты по изучению доз извести при первичном и повторном известковании закладки 1957 и 1959 гг. (аттестат № 001 РАСХН) [2].
В 1964 г. в стране организуется агрохимическая служба, включающая, наряду с районными, довольно мощные и хорошо оснащенные областные и республиканские агрохимические лаборатории. Помимо обследования почв колхозов и совхозов сотрудники агрохимических лабораторий занимались проведением опытной работы. Головной организацией зоны стала Ленинградская агрохимическая лаборатория, директором которой был назначен А.С. Кащенко. За пять лет работы (1964-1969) зональные агрохимические лаборатории накопили большой аналитический материал по анализам почв, кормов и растений, поэтому в целях научно-методического руководства агрохимической службы в 1969 г. создается Центральный научно-исследовательский институт агрохимического обслуживания сельского хозяйства (ЦИНАО), а в 1971 г. его Ленинградский филиал, основная деятельность которого была связана с внедрением вычислительной техники для обработки агрохимической информации и повышения эффективности ее использования при решении вопросов агрохимического обслуживания сельского хозяйства (был создан автоматизированный банк данных на машинных носителях с использованием ЭВМ «Минск-32»). Задачей филиала также было решение вопросов известкования кислых почв, с 1972 г. этой проблемой стал заниматься отдел радиологии, которым руководил Ю.В. Алексеев. Вместе с программистом М.А. Войчук были разработаны подходы к определению доз извести с учетом таких параметров, как масса корнеобитаемого слоя известкуемой почвы, гидролитическая кислотность и степень насыщенности основаниями. Были созданы компьютерные программы, позволяющие уточнять дозу извести и составлять проектно-сметную документацию (ПСД) на проведение работ по известкованию почв. В дальнейшем, кроме составления ПСД с использованием автоматизированного банка данных (АБД), совместно с математиком М.К. Эпштейном и программистом Е.П. Ратновской был создан программный комплекс, в который входили следующие программы: «Определение эффективности использования извести путем сравнения результатов двух последующих циклов обследования почв», «Определение прогнозируемой потребности в СаСОз для вывода почв на уровень поддерживающего известкования за фиксированное число
лет», «Определение потребности в извести, составление ПСД на известкование почв и расчет экономической эффективности известкования». С помощью динамической математической модели авторы рассчитали необходимый ежегодный фонд мелиорантов для известкования кислых почв Ленинградской области после вывода их на оптимальный уровень кислотности. Эта величина составила 600 тыс. т извести в год. В 1985 г. на базе Ленинградского филиала ЦИНАО был создан Всесоюзный, а с 1991 г. Всероссийский научно-исследовательский, конструкторский и проектно-технологический институт химической мелиорации почв (ВНИПТИМ), как единый научно-исследовательский и методический центр страны для решения задач химической мелиорации почв, который возглавил А.И. Мячин.
Программа известкования, осуществляемая в нашей стране с 1969 г., позволила за 20 лет создать положительный баланс кальция в земледелии и существенно уменьшить площади сильнокислых почв. Для сравнения следует отметить, что в Западной Европе известь в сельском хозяйстве используют более 200 лет. В последнее время общая площадь кислых почв в России достигла 50 млн. га. По расчетам ученых, с учетом пятилетнего цикла известкования, для достижения и поддержания оптимальной реакции среды необходимо ежегодно вносить мелиорант на площади 10 млн. га в дозе 10 т. Наибольших объемов известкования 6,5 млн. га мы добились в 1990 г. (табл. 1). К началу третьего тысячелетия экономические условия функционирования сельского хозяйства нашей страны изменились. Резко снизилась государственная поддержка работ по поддержанию почвенного плодородия, а большинство хозяйств не имели достаточных финансовых ресурсов для организации известкования. В результате этого с 1990 г. темпы известкования почв начали резко падать и к 2016 г. его объемы сократились в 30 раз. Внесение минеральных удобрений за этот период сократились со 112 до 38 кг/га, а органики с 10,5 до 1,1 т/га. Несмотря на снижение доз внесения минеральных и органических удобрений, наблюдается увеличение урожайности зерновых и зернобобовых культур с 13,2 до 23,9-26,2 ц/га. Это можно объяснить тем, что начиная с 2000 г., из оборота вывели слабоокультурен-ные почвы, на которых возделывание сельскохозяйственных культур было нерентабельным. Количество таких земель к настоящему времени достигло 50 млн. га. Формирование урожайности на возделываемых почвах осуществлялось в основном за счет почвенного плодородия. Так, по данным Мин-сельхоза России, за пять лет с 2006 по 2010 г. из почв с урожаем сельскохозяйственных культур было вынесено 45 млн. т, а внесено всего 10 млн. т действующего вещества. Таким образом, отрицательный баланс за 5 лет составил 35 млн. т действующе-
го вещества. В последнюю пятилетку с 2012 по 2016 г. из почв вынесено 51,7, а внесено 21,9 млн. т действующего вещества. Отрицательный баланс составил 29,8 млн. т действующего вещества.
29 января 2019 г. на очередном совещании в Минсельхозе России первый заместитель Министра Джамбулат Хатуов отметил, что осуществлять известкование можно только с применением мелиорантов, зарегистрированных в Государственном каталоге пестицидов и агрохимикатов. В среднем это занимает не менее года. Поэтому для своевременного выполнения работ по известкованию необходимо значительно сократить сроки госрегистрации, а для полного обеспечения потребностей регионов в мелиорантах необходимо вводить в эксплуатацию пока неиспользуемые месторождения. В 2019 г. Министерство планирует увеличить площади почв по известкованию в 3 раза и довести их до 775 тыс. га. Для этого необходимо применить более 5 млн. т известковых материалов, что также втрое превышает показатель 2018 г.
В связи с тем, что вынос кальция и магния из почвы не компенсируется их внесением, в земледелии России сложился отрицательный баланс кальция. Отмечен интенсивный рост площадей кислых почв в Центрально-Черноземном, Поволжском, Северо-Кавказском, Восточно-Сибирском и других регионах России. Проблема максимально эффективного применения средств химизации приобретает важное значение. На сельскохозяйственных угодьях с повышенной кислотностью ежегодно не добирают около 20 млн. т продукции в пересчете на зерно. Резко снижается эффективность минеральных удобрений, ухудшается экологическая обстановка, падает качество сельскохозяйственной продукции. Причинами резкого сокращения известкования стали: утрата материально-технической базы для проведения данных работ, высокая стоимость традиционных известковых мелиорантов, прекращение федеральной финансовой поддержки, недостаточность финансовой поддержки из областных бюджетов и нерешенность правовых вопросов с землей. Из-за резкого спада работ произошло массовое закрытие и перепрофилирование цехов по производству известняковой муки. Темпы известкования в ряде регионов значительно сдерживаются также из-за недостатка природных известковых материалов. Поэтому одной из важнейших задач по повышению обеспеченности земледелия известковыми удобрениями с меньшими затратами является более широкое использование местных карбонатных материалов, применение которых для известкования известно давно и доказано практическим и научным опытом. К концу ХХ в. на местные материалы приходится не более 14% от общего объема известковых удобрений, а между тем запасы их огромны и составляли в то время примерно 700 млн. т. Только по предприятиям строймате-
1. Динамика применения агрохимикатов и урожайность зерновых и зернобобовых культур
Показатель Единица измерения Год
1990 2005 2013 2015 2016 2018
Объемы известкования тыс. га 6500 350 210 238 215 250
Внесено минеральных удобрений кг/га 112,0 25,0 37,0 38,0 37,0 38,0
Внесено органических удобрений т/га 10,5 0,9 1,0 1,1 1,1 1,1
Урожайность зерновых и зернобобовых ц/га 13,2 18,8 23,8 23,9 26,2 25,9
риалов в 34 регионах ежегодный выход карбонатных отходов достигал 20,7 млн. т, а использовалось на различные цели 8,9 млн. т. С учетом наличия отходов в отвалах на этих предприятиях имелась возможность производства мелиорантов 12-15 млн. т в год. Применение таких мелиорантов позволит решить актуальную задачу по реутилизации и вторичному использованию отходов. Это сократит площади земель, используемых для их складирования, а также обеспечить сельхозтоваропроизводителей дешевыми известковыми материалами, территориально расположенными вблизи от потребителя. Другим, весьма важным и довольно дешевым источником пополнения запасов природных известковых материалов являются отходы промышленности, к которым относятся некоторые виды шлаков, шламов, золы сланцев, бурых углей, отходный мел, известково-доломитовые отходы, дефекаты и др. Большинство отходов промышленности не требует какой-либо сложной подготовки для использования в качестве известковых удобрений. Чаще всего достаточно отделить более крупные частицы от основной массы отхода через сито с отверстиями в диаметре 3-5 мм. Некоторые же отходы можно применять для известкования почвы даже без отсева. Многие из шлаков и зол обладают высокой активностью взаимодействия с почвой, поэтому существенно превосходят природные карбонаты, а содержащиеся в них примеси микроэлементов часто оказывают положительное влияние на рост и развитие сельскохозяйственных растений [3, 4]. Исследования позволяют рекомендовать на почвах с выраженным дефицитом магния проводить известкование магнийсодержащими мартеновскими шлаками, которые при внесении высоких норм минеральных удобрений обеспечивают более сбалансированное питание сельскохозяйственных культур и эффективнее, чем внесение извести.
При использовании торфяной золы для известкования почв необходимо иметь в виду, что зола низинных
2. Эффективность применения известковых материалов
Вид известково- Дополнительная сельскохозяйственная
го материала продукция, т/га зерн.ед.
в среднем в среднем за 3 ро- % к кон-
за год тации севооборота тролю
Доломитовая 0,42 7,6 100
мука (контроль)
Сланцевая зола 0,49 8,8 116
Цементная пыль 0,89 10,6 139
Доменный шлак 0,21 3,8 50
и переходных торфов более эффективна в сравнении с золой верховых аналогов [5].
В длительном полевом опыте Ленинградского НИИСХ была изучена сравнительная эффективность доломитовой муки с отходами промышленности. Как видно из таблицы 2, эффективность сланцевой золы и цементной пыли в среднем за три ротации полевого севооборота была выше доломитовой муки на 16-39%. Эффективность доменного шлака оказалась в 2 раза ниже контрольного варианта со стандартной доломитовой мукой. В то же время отходы могут содержать различные тяжелые металлы (свинец, кадмий, мышьяк, селен, стронций) и другие опасные токсиканты. Использование таких отходов в качестве мелиорантов может представлять опасность для экологического состояния почв и сопредельных сред. Поэтому каждый новый химический мелиорант из отходов должен подвергаться всесторонней экологической оценке и нормированию, базирующемуся на результатах мониторинга. В полевом опыте изучали влияние сланцевой золы и доломитовой муки на урожайность овса, возделываемого на дерново-подзолистой слабоокульту-ренной кислой почве. Установлено, что применение мелиорантов увеличивает урожайность овса с 7,5 до 16,1 и 24,0 ц/га, или на 114-220% (табл. 3). Высокая эффективность сланцевой золы по сравнению с доломитовой мукой обусловлена присутствием в ее составе 2% калия, 3,9% серы, а также 10 мг/кг меди. На фоне минеральных удобрений преимущество сланцевой золы было менее выраженным и составило 0,71 т/га, или 24%. Применение минеральных удобрений на фоне доломитовой муки способствовало увеличению урожайности овса с 1,61 до 2,92 т/га, а на фоне сланцевой золы с 2,40 до 3,63 т/га. Эффективность мелиорантов прослеживалась и в последействии на второй год опыта. Прибавка урожайности овса по сравнению с контролем составила 59-76%, а на фоне последействия минеральных удобрений - 87-112%, причем наибольшие прибавки были в вариантах со сланцевой золой (табл. 4).
Во ВНИПТИМ были проведены исследования по изучению возможности использования бутарного продукта, фосфогипса и фосфатно-известкового отхода Кингисеппского химического комбината в качестве химических мелио-
3. Влияние химических мелиорантов на урожайность овса в полевом опыте
Вариант Уро- Прибавка Отношение
жай- к контро- к доломи-
ность, лю товой муке
т/га т/га % т/га %
Контроль 0,75 - - - -
Доломитовая мука 1,61 0,86 114 - -
Сланцевая зола 2,40 1,65 220 0,79 49
ЫРК + доломитовая мука 2,92 2,17 289 - -
№К + сланцевая зола 3,63 2,88 384 0,71 24
НСР(05) 0,443
4. Влияние последействия химических мелиорантов на урожайность овса
рантов. Большой интерес для сельского хозяйства Ленинградской области представляет бутарный продукт, который в измельченном виде может заменить известь и фосфоритную муку. Внесение его в почву в дозе 5 т/га эквивалентно 250 кг Р2О5 и 2,7 т СаСОз. Была доказана эффективность внесения фосфогипса в дозах до 500 кг/га на карбонатных и произвесткованных почвах, особенно под бобовые и крестоцветные культуры. Предложены приемы и способы экологически безопасного использования в качестве мелиорантов известьсодержащих отходов Прибалтийской ГРЭС, белитовых шламов Канско-Ачинского глиноземного комбината, конверсионного мела, феррохро-мового шлака, золы торфа, бурых углей и др. Выявлено, что мелиоранты на основе отходов древесных активных углей снижают загрязнение растениеводческой продукции тяжелыми металлами [1]. В целом сотрудниками ВНИПТИМ изучено более 23 отходов промышленности в качестве известьсодержащих мелиорантов. Подготовлены, исследованы и аттестованы отраслевые стандартные образцы известковых удобрений для метрологического обеспечения аналитических работ с известковыми удобрениями. Разработан и зарегистрирован в органах Госстандарта на предприятиях новый стандарт «Удобрения известковые местные. Технические условия». Стандартизация местных известковых удобрений (мел, известковый туф, мергель, озерная известь, доломитовая и известняковая мука) позволит улучшить качество поставляемых сельскому хозяйству мелиорантов и более рационально использовать местные маломощные источники карбонатного сырья.
Сотрудниками лаборатории агроэкологии ВНИПТИМ был создан портативный анализатор карбонатов ПАК-1. С его помощью в полевых условиях можно определить нуждаемость почв в известковании по наличию свободных карбонатов и содержание карбонатов в процентах. Прибор позволил оперативно измерять активность мелиорантов: скорость нейтрализации почвенной кислотности и изучить ее значение при мелиорации почв, загрязненных радионуклидами и тяжелыми металлами. Создание прибора было защищено авторским свидетельством (Ю.В. Алексеев, Ю.А. Субботин, С.Я. Хнальков). Для повышения качества внесения твердых известковых материалов, сокращения их потерь и обеспечения охраны окружающей среды конструкторско-технологи-ческим отделом института под руководством Г.Ф. Гриднеева разработаны принципиально новые универсальные шнековые рабочие органы с изменяемой шириной захвата от 4 до 10 м к машинам МВУ навесным и самоходным агрегатам с возможностью дифференцированного внесения минеральных удобрений и извести. Однако ни ПАК-1, ни шнековые рабочие органы не были внедрены в сельскохозяйственное производство.
Альтернативы известкованию нет. Известковые мелиоранты, нейтрализуя избыточную кислотность в почвах, повышают коэффициенты использования минеральных удобрений, оптимизируют условия для почвенной биоты (патогенная грибная микрофлора сменяется бактериальной, растет число фосфатмобилизующих бактерий, азотфиксаторов, целлюлозоразлагающих микроорганизмов), обеспечивают геохимический барьер для вымывания подвижных элементов, уменьшают вынос биогенов в водоемы. Следует отметить, что коэффициенты использования азота из удобрений, а, следовательно, и их окупаемость на сильнокислых почвах в 1,4-2,7 раза ниже, чем на слабокислых и нейтральных. При разбросном внесении фосфорных удобрений на сильнокислых почвах коэффициенты использования их составляют всего 1,7-2,0%. На почвах с благоприятной реакцией - 10-15%, а при локальном внесении - 30% [3]. При возделывании сельскохозяйственных культур на не известкованных почвах происходит их постепенное дальнейшее подкисление и увеличение содержания фитоток-сичных элементов. По данным Небольсина А.Н. и Небольсиной З.П. [6, 7] содержание подвижных форм алюминия возрастает в среднем за 1 год на 1,2%, марганца - на 2,1% и железа - на 2,4%. Причиной подкисления неизвесткованных почв служит отрицательный баланс оснований - кальция и магния. Отчуждение оснований с урожаями по контрольным делянкам невелико и составляет (по хозяйственному выносу) за 6 ротаций севообо-
Вариант Уро- Прибавка Отношение
жай- к контро- к доломи-
ность, лю товой муке
т/га т/га % т/га %
Контроль 1,13 - - - -
Доломитовая мука 1,80 0,67 59 - -
Сланцевая зола 1,99 0,86 76 0,19 11
ЫРК + доломитовая мука 2,11 0,96 87 - -
№К + сланцевая зола 2,39 1,26 112 0,28 13
НСР(05) 1,83
оборота 1800 кг/га СаСОэ, или 50 кг/га в год. Вымывание оснований по результатам лизиметрических опытов с идентичной почвой и одинаковым уровнем применения минеральных удобрений в зависимости от выпавших осадков колебалось от 21 кг/га под многолетними травами до 270 кг/га под картофелем в пересчете на СаСО3. В сумме потери оснований за счет вымывания составили 4,0-4,5 т/га СаСОэ, а поступление кальция и магния в почву с минеральными удобрениями только 3,0-3,2 т/га. Анализы атмосферных осадков, которые проводили нерегулярно, показали, что рН колебался от 4,4 до 7,4, содержание кальция от 0,4 до 7,2, а магния от 0,1 до 1,9 мг/л. В целом за 45 лет исследований с атмосферными осадками в почву поступило около 1,0 т/га СаСО3. Темпы подкисления не известкованных почв вполне согласуются с отрицательным балансом оснований.
Процесс подкисления усиливается за счет выпадения «кислых» дождей и в результате применения ряда удобрений, в первую очередь азотных. В 2001 г. сотрудники ВНИПТИМ под руководством В.Б. Минина сформулировано понятие «Асидизация» [8]. Это совокупность процессов и явлений в природной среде с промывным типом водного режима, связанных с выщелачиванием верхних почвенных горизонтов, их подкислением и последующими за этим изменениями физико-химических, биологических и агрохимических свойств почв. Асидизация включает в себя два одновременно идущих процесса: протонирование и потерю щелочноземельных элементов. Поступающие в почвенный раствор протоны активно вступают в обменные реакции с ионами кальция и магния, адсорбированными почвенным поглощающим комплексом. В результате данного процесса они переходят в почвенный раствор и поглощаются растениями или теряются с нисходящим водным потоком за пределы пахотного слоя почвы. Деятельность человека оказывает значительное воздействие на физико-химическое состояние почв, выступая мощным источником добавочных протонов и подкисления. Необходимо выделять следующие основные антропогенные процессы, способствующие асидизации:
- сбор и отчуждение с урожаем полевых культур. Вынос кальция и магния составляет для средних урожаев зерновых культур от 30 до 40 кг/га, для овощных до 300-500 кг/га. В отчуждаемом урожае превышение количества катионов над анионами может составлять 1,4-4,5 кмоль/га.
- применение минеральных удобрений, многие из которых подкисляют почвенную среду. Потери кальция при использовании минеральных удобрений в пересчете на окись кальция составляют 0,5 кг на 1 кг КРК на суглинистой почве, 1 кг - на супесчаной и 1,5 кг - на песчаной, а на окись магния, соответственно 0,15 кг; 0,3 и 0,45 кг. В соответствии с этими процессами была создана математи-
ческая модель, включающая ГИС технологию для описания асидизации. Программа позволяет прогнозировать изменение реакции почвенной среды и запаса щелочноземельных элементов в почвах в зависимости от складывающихся метеорологических условий, поступления подкисляющих веществ и реализуемых сельскохозяйственных технологий.
Для устойчивого и экологически безопасного развития сельского и лесного хозяйства необходимо прогнозировать долгосрочную динамику почвенной реакции, сопутствующих свойств почвы и правильно управлять ею. Свойства кислых почв настолько различны, что при использовании традиционных подходов расчета доз извести по величине рН, гранулометрическому составу и содержанию гумуса приходится сталкиваться как с очень высокой эффективностью известкования, так и с очень низкой, из-за недоучета отдельных факторов. Для этого разработана усовершенствованная система расчета доз извести, которая, наряду с такими показателями, как реакция почвенной среды, гранулометрический состав и содержание гумуса, учитывают еще и содержание фосфора, фитотоксичных элементов алюминия марганца и железа, условия увлажнения, типы севооборотов, чувствительность растений к кислотности и ее составляющим. За счет максимально возможной адаптации системы известкования к конкретным почвенным условиям и требованиям возделываемых культур можно сэкономить не менее 10% извести. Очень важно знать природу кислотности, чем она обусловлена. Например, на торфяных почвах культурные растения прекрасно развиваются при рН 4,5, так как кислотность здесь обусловлена ионами водорода. На избыточно увлажненных, глеевых почвах кислотность обусловлена присутствием в ППК ионов железа и марганца, поэтому на этих почвах доза извести рассчитывается до рН 6,5, т.к. только при этом значении рН фитотоксичность этих элементов прекращается. Скорость взаимодействия химических мелиорантов с почвой и продолжительность их действия в сильной степени зависят от химических свойств извести и ее гранулометрического состава. Относительно крупные частицы диаметром от 3 до 5 мм не являются «балластом», как считалось ранее, хотя и взаимодействуют с почвой гораздо медленнее, чем мелкие частицы. Для поддержания относительно постоянного уровня реакции почвенной среды в течение продолжительного времени известковые материалы должны содержать широкий спектр частиц различного размера. Действие полной дозы извести продолжается не менее 7-10 лет и потери извести из почвы в течение этого периода, как правило, не приводят к снижению урожая сельскохозяйственных культур (за исключением овощных участков с культурами высокочувствительными к кислотности на поливных землях).
Необходимость повторного известкования может своевременно показать проводимое в регионе агрохимическое обследование. Установлено, что взаимодействие известковых материалов с почвой происходит за счет постепенного перехода оснований в почвенный раствор и последующей реакции раствора с почвенным поглощающим комплексом. Часть почвенного раствора может передвигаться вниз по профилю. Этот процесс обусловливает потери оснований за счет вымывания, которому способствует наличие в почвенном растворе анионов, способных образовывать с кальцием и магнием хорошо растворимые соединения. Интенсивность вымывания оснований из корнеобитаемого слоя почвы и продолжительность действия извести зависит также от гранулометрического состава почв и уровня применения минеральных удобрений. С уменьшением содержания физической глины в почве и увеличением доз минеральных удобрений продолжительность действия извести сокращается. В условиях СевероЗападного федерального округа с промывным типом водного режима непроизводительные потери оснований в большинстве случаев по абсолютной величине превышают полезный хозяйственный вынос кальция и магния с урожаями. В произвесткованных почвах со временем за счет вымывания реакция пахотного слоя становится более кислой, кислотность же подпахотного - снижается и здесь накапливается значительные количества оснований. Способность почв удерживать катионы оснований от вымывания напрямую связана с емкостью их поглощения. Катионы, не вошедшие в состав почвенного поглощающего комплекса, являются базой для потерь за счет вымывания. Естественными средствами, увеличивающими емкость поглощения почв, могут служить природные минералы - цеолиты. В литературе отмечается положительное влияние цеолитов на снижение вымывания оснований из верхних слоев почв [9]. В перспективе такие же положительные результаты могут быть получены при внесении в почву искусственных ионообменников - катионитов.
Количество находящихся в почвенном растворе катионов связано с концентрацией ионов в нем. Согласно Н.И. Горбунова [10], по степени поглощения почвой анионы делятся на 3 группы. Первая - силь-нопоглощаемые, это анионы фосфорной, отчасти кремниевой и угольной кислоты, образующие с катионами труднорастворимые соединения. Ко второй группе относятся анионы, которые не поглощаются почвой, это хлориды, нитраты и нитриты. К третьей группе следует отнести анионы, занимающие по поглощению среднее положение между двумя первыми, например, анион серной кислоты. Исходя из этого, можно предположить, что в вымывании оснований из почвы наибольшее участие из анионов минеральных кислот играют анионы хлор водородной (соляной), азотной и серной кислот, поэтому подбо-
ром химического состава удобрений можно уменьшить потери за счет вымывания [11, 12]. Для проверки этого предположения в Ленинградском НИИСХ были проведены лизиметрические опыты, в которых сравнивали потери оснований из кислых и известкованных почв. Испытывали обычные удобрения, содержащие в анионной части хлор, нитрат и сульфат-ионы, и не содержащие их - фосфаты аммония и калия в количествах, эквивалентных 120 кг/га д.в. Удобрения вносили под яровую пшеницу, на следующий год изучали их последействие. Установлено, что химический состав минеральных удобрений действительно оказывает большое влияние на вымывание оснований из произвесткованных почв. Поэтому была сформулирована научная концепция создания экологически безопасных минеральных удобрений, которая включает в себя: создание удобрений с учетом реальных коэффициентов использования элементов питания, обладающих оптимальными соотношениями основных макроэлементов для конкретной культуры; создание удобрений с минимальным содержание анионов, способных образовывать с кальцием и магнием хорошо растворимые соединения; создание удобрений, в которых элементы минерального питания [13].
При современных экономических условиях для экономного использования известковых материалов целесообразно несколько изменить подходы к формированию севооборотов. В севообороты должны входить культуры с одинаковым или близким отношением к кислотности и ее составляющим. Необходимо отказаться от чистых паров и использовать повторные посевы для уменьшения потерь оснований за счет вымывания и увеличения продолжительности действия извести. Лизиметрические опыты однозначно показывают, что наибольшее количество оснований вымывается в периоды, когда почвы не заняты растительным покровом. Это усугубляется значительным количеством просачивающихся в эти периоды осадков. Эти факты известны всем и не требуют дополнительных доказательств. Чрезвычайно перспективно использование для перемещения катионов по профилю почв явлений электрофореза и электроосмоса, основанных на электролизе почв. Исследования в Ленинградском НИИСХ показали, что с помощью постоянного электрического тока, катионы кальция, магния и калия могут перемещаться из нижних горизонтов почв в корнеобитаемый слой растений. Однако они чрезвычайно сложны, трудоемки и требуют дорогостоящей электрической аппаратуры. Известно, что известкование существенно изменяет свойства почвенного поглощающего комплекса почв. Под влиянием извести достоверно увеличивалась емкость поглощения почв, которая зависит главным образом от содержания гумуса. Однако определение скорости взаимодействия из-
вести с почвой по изменению реакции рЩа или гидролитической кислотности через определенные промежутки времени не дает точных результатов и не позволяет судить вся ли известь прореагировала с почвой. Анализы образцов почв полевых опытов показывают, что из-за недостаточного перемешивания частиц извести с почвой и относительно медленного ее растворения, некоторое количество непрореагировавшей извести обнаруживается даже через несколько лет после известкования. Изменение почвенной реакции в большей мере зависит от дозы внесения извести и буферных свойств почвы, которые определяются содержанием органических и минеральных коллоидов. Чтобы сдвинуть реакцию в легких почвах требуется значительно меньше извести, чем в тяжелых. На темпы снижения кислотности почв влияет не только размер частиц, вносимых мелиорантов, но и их химический состав. В туфе, гаже, известняковой и доломитовой муке кальций и магний находятся чаще всего в виде карбонатов, в цементной пыли и сланцевой золе в виде оксидов, а в доменных шлаках в виде силикатов. По растворимости эти формы извести можно расположить в следующий убывающий ряд - оксид кальция > карбонат кальция > силикаты кальция. Поэтому наиболее сильное действие на почву в первые годы после внесения оказывает гажа, где кальций представлен в карбонатной форме. Однако подкисление почвы, произвесткованной гажой, происходит быстрее, чем при использовании других видов известковых удобрений. Доломитовая мука обладает более пролонгированным действием на почву, но на 7-8 год ее влияние выравнивается с гажой, а в последующие годы ее действие на почву отчетливо сильнее. Сланцевая зола и цементная пыль содержат в своем составе как весьма активные соединения кальция и магния (оксиды), так и слаборастворимые (силикаты). По продолжительности действия на почву цементная пыль уступает гаже и доломитовой муке.
В данной статье хочется выделить Республику Татарстан, как один из немногих субъектов Российской Федерации, где вопросам химической мелиорации уделяется серьезное внимание. С 2011 по 2013 г. Татарстан ежегодно известковал по 140 тыс. га, или более 56% от объемов России. В Республике действует 28 карьеров по добыче и производству местных известковых удобрений с годовой производительностью около 2 млн. т. Доломитовую и известняковую муку вносят в сыромолотом виде с тониной помола менее 3 мм, что существенно снижает стоимость известкования. Окупаемость 1 руб. затрат в Республике составляет 2,26 руб., а срок окупаемости мелиоранта - 2,0-2,5 года [14].
В Ленинградской области в 1986-1990 гг. ежегодно известковали от 80 до 120 тыс. га. К этому времени среди сельскохозяйственных угодий стали
преобладать почвы с нейтральной и близкой к нейтральной реакцией среды. В 2007-2011 гг. средневзвешенное значение рН снизилось с 5,84 до 5,60. Увеличилась площадь всех групп кислых почв, особенно слабокислых. К 2010 г. известкование в области практически прекратилось, районные сельхозхимии фактически перестали существовать, а техника для известкования морально устарела. В сложившейся ситуации было принято решение внедрить в Ленинградской области положительный опыт Республики Татарстан по известкованию кислых почв сыромолотыми известковыми мелиорантами, что позволит снизить стоимость данного мероприятия в 2 раза, а также использовать при этом новые современные технологии точного земледелия и их информационно-технологическое обеспечение, созданные в Агрофизическом институте [15]. Предлагаемая программа по возрождению известкования кислых почв в Ленинградской области была рассмотрена и одобрена в июне 2013 г. на совместном выездном заседании членов бюро Отделения Мелиорации, водного и лесного хозяйства Россельхозакадемии и специалистов Комитета по агропромышленному и рыбохозяйственному комплексу. Для этих целей были разработаны технические условия на сыромолотый мелиорант грубого помола «Доломитовая мука» выпускаемый ООО Торговым домом «Доломит». В 2016 г. технические условия зарегистрированы в сборнике агрохимика-тов, разрешенных к применению на территории России. Специалисты Агрофизического института активно участвуют в создании программно-аппаратных комплексов для дифференцированного внесения известковых мелиорантов и других минеральных удобрений на современную машину РМУ-8, выпускаемую совместно Германией и Беларусью. По сравнению с имеющимися машинами МХА-7 и МВУ-8 обладают большей производительностью и надежностью в работе, высоким качеством внесения мелиорантов (неравномерность у новых машин от 3 до 10%, у старых 20-25%), а также возможностью работать по точному земледелию с электронными картами полей, позволяющими учитывать пестроту почвенной кислотности. Основной задачей комплекса является внесение известковых материалов и твердых минеральных удобрений на сельскохозяйственные поля. Комплекс позволяет проводить работы как в обычном режиме (сплошной, одинаковой дозой), так и в режиме «точного земледелия» - дифференцированно. Для выполнения работ в системе «точного земледелия» необходимо предварительно провести агрохимическое обследование сельскохозяйственных полей с топографической привязкой и создать на основе полученных лабораторных данных «карты-задания», которые будут использоваться бортовыми системами комплекса в поле [4, 15].
С 2012 г. в Меньковском филиале Агрофизического института заложен производственный опыт по влиянию доломитовой муки грубого помола на кислотно-основные свойства дерново-подзолистой супесчаной почвы и урожайность козлятника восточного. В опыте использовали отсев доломитовой муки тониной помола менее 10 мм в дозах 3,2 и 6,4 т/га без фона и на фоне 5 т компоста многоцелевого назначения (КМН), состоящего из куриного помета и верхового торфа в соотношении 1:1, который прошел ускоренную ферментацию про температуре 80°С в течение 7 суток (табл. 5). КМН представлял собой однородную сыпучую массу темно коричневого цвета влажностью 60-70%, pHкa колебался в пределах 6,9-7,2. Массовая доля общего
азота составляла 1,7%, фосфора (Р2О5) - 1,5, а калия (К2О) - 1,8% на абсолютно сухое вещество. Исследования показали, что через год после внесения доломитовой муки в 2013 г. почва из градации среднекислой (рНка 4,8) перешла в градацию слабокислой (рНка 5,3) на одинарной дозе извести и pHкa 5,4-5,6 на двойной. На фоне 5 т КМН отмечается тенденция эффективного влияния доломитовой муки грубого помола на кислотность почвы в 2014 и 2015 г. В последующие годы это действие сглаживается, что объясняется низкими дозами известковых удобрений. В ближайшее время такие полевые опыты с доломитовой мукой грубого помола с широким диапазоном доз и возделываемых культур будут продолжены в тесном контакте с сотрудниками ФГБУ ЦАС «Ленинградский». Полученные результаты позволят написать новые технические условия на сыромолотую доломитовую муку грубого помола, что позволит существенно сократить затраты на известкование кислых почв.
Таким образом, проблема рационального и наиболее эффективного использования известковых материалов не может сводиться только к увеличению продолжительности действия извести. Она многообразна и требует дальнейших исследований.
5. Динамика кислотности почвы при при-мененнн доломитовой муки грубого помола
Вариант 2013 г. 2014 г. 2015 г. 2016 г. 2017 г. 2018 г.
Без КМН
Фон 4,8 4,4 4,6 4,4 4,6 5,0
Фон + 3,2 5,3 5,1 4,8 4,8 5,2 5,2
Фон + 6,4 5,6 5,6 5,4 5,4 5,4 5,5
КМН, 5 т/га
Фон 4,8 5,1 - 4,4 4,8 4,9
Фон + 3,2 5,3 5,5 5,1 5,1 5,3 5,1
Фон + 6,4 5,4 5,8 5,6 5,6 5,4 5,4
Литература
1. Осипов А.И. Известкование кислых почв в историческом аспекте. Агрофизика от А.Ф. Иоффе до наших дней. -СПб.: АФИ, 2002. - С. 275-289.
2. Небольсин А.Н., Осипов А.И., Эглит Л.В. Деятельность Ленинградского (Северо-Западного) научно-исследовательского института сельского хозяйства в историческом аспекте. Этапы научной деятельности Ленинградского НИИСХ. - Белогорка: Изд-во ООО «Инновационный центр защиты растений», 2005. - С. 7-18.
3. Осипов А.И. Научные основы химической мелиорации почв и перспективы их дальнейшего изучения // Агрофизика, 2012, № 3. - С. 41-50.
4. Якушев В.П., Осипов А.И. Химическая мелиорация почв - вчера, сегодня, завтра // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, 2013, № 30. - О. 68-72.
5. Осипов А.И. Известь содержащие отходы промышленности и их эффективное использование / Материалы Международной научно-практической конференции и V съезда почвоведов и агрохимиков (Минск, 2015 г.), часть 2. - Минск: ИВЦ Минфина, 2015. - С. 182-185.
6. Небольсин А.Н., Небольсина З.П. Теоретические основы известкования почв. - СПб.: Изд-во ООО «Инновационный центр защиты растений», 2005. - 252 с.
7. Небольсин А.Н., Небольсина З.П. Известкование почв. - СПб.: Изд-во НЧОУ НПО «СПУ им. Дона Боско», 2010. - 254 с.
8. Осипов А.И., Минин В.Б. Научные основы управления реакцией среды кислых пахотных почв / Материалы XVI Международного экологического форума «День Балтийского моря» (Санкт-Петербург, 2015 г.). - СПб.: Изд-во «Свое издательство», 2015. - С. 49-50.
9. Осипов А.И., Гадаборшев Р.Н. Применение цеолитов в сельском хозяйстве: учебное пособие. - СПб.: АМА НЗ РФ, 2009. - 66 с.
10. Горбунов Н.И. Минералогия и физическая химия почв. - М.: Наука, 1978. - 293 с.
11. Якушев В.П., Осипов А.И., Миннулин Р.М., Воскресенский С.В. К вопросу об известковании кислых почв в России // Агрофизика, 2013, № 2. - С. 18-24.
12. Осипов А.И. Научные основы известкования кислых почв и перспектива их дальнейшего изучения / Сборник научных трудов отделения сельскохозяйственных наук. - СПб.: Северная звезда, выпуск 5, 2014. - С. 112-122.
13. Небольсин А.Н., Яковлева Л.В., Осипов А.И. и др. Экологически безопасные удобрения: методические указания. - СПб.: Изд-во ООО «Инновационный центр защиты растений», 2005. - 26 с.
14. Осипов А.И., Миннулин Р.М. Опыт работы Республики Татарстан по известкованию кислых почв / Материалы международного конгресса «Агрорусь» (Санкт-Петербург, 2013 г.). - СПб.: ЗАО Экспо-Форум, 2013. - С. 74-75.
15. Якушев В.П., Осипов А.И., Якушев В.В. Потенциал развития отрасли растениеводства в РФ с использованием информационных технологий точного земледелия / Материалы Шестого Международного форума «Продовольственная безопасность» (Санкт-Петербург, 2016 г.). - Пушкин: типография ИАЭП, 2016. - С. 66-73.
