CC BY
18
Information about the authors
Fedorishchenko Michael Gennadievich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the safety of technological processes and productions department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)35-9-96. E-mail: [email protected]
Kazakova Aliya Sabirovna - Doctor of Biological Sciences, professor of the agro-biotechnology department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 35-9-96. E-mail: [email protected].
Shabanov Nikolai Ivanivich - Doctor of Technical Sciences, professor of the safety of technological processes and productions department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 42-5-75 E-mail: [email protected].
Zholobova Maria Vladimirovna - post-graduate student of the safety of technological processes and productions department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 40-6-52 E-mail: [email protected].
УДК 631.1:631.459(470.61):633.11
ЦИКЛИЧЕСКОЕ ВНЕСЕНИЕ ВЕЩЕСТВА В ПОЧВУ ПРИ РОТАЦИОННОМ ВНУТРИПОЧВЕННОМ РЫХЛЕНИИ ДЛЯ РЕКРЕАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ
ПЛОДОРОДИЕМ БИОГЕОСИСТЕМ
© 2012 г. В.П. Калиниченко, В.К. Шаршак, В.Е. Зинченко, Е.П. Ладан,
В.В.Черненко, А.П. Ендовицкий, Е.Д. Генев, В.В. Илларионов, Б.Б. Мамилов
Обосновано техническое средство диспергирования вещества, обеспечивающего ротационное перемешивание вносимых субстанций и почвы в слое 30...60 см. Применение предлагаемого устройства дает агроландшафтной системе адаптационные возможности высокого уровня и обеспечивает природоохранный эффект.
Ключевые слова: дисперсная система почвы, техническое средство диспергирования вещества, природоохранный эффект.
The technical device of a substance dispersion providing rotational hashing of brought substances and the soil in a layer 30.60 cm is substantiated. Use of the offered device gives high level adaptable possibilities to agro-landscape system and provides nature protection effect.
Key words: disperse system of the soil, technical device of dispersion substance, nature protection effect.
На основе ретроспекции в плейстоцен перспектива вещественного состава большинства современных почв, образовавшихся в голоцене, до следующего вероятного оледенения обусловлена тем, насколько возможности современной цивилизации позволяют обеспечить длительное функционирование почв как объектов биосферы, устойчивого источника биологического вещества - источника продуктов
питания и сырья, в том числе методами внесения вещества в почву как дисперсную систему.
Природных источников существенного пополнения и изменения вещественного состава дисперсной системы почв в настоящий геологический период нет. Наоборот, идет потеря компонентов дисперсной системы почвы в процессе эрозионного и аграрного отчуждения вещества биологиче-
ской продукции, минерализации органического вещества, расхода вещества на пополнение продуктов литосферы. Многие дисперсные продукты, в том числе органические, к сожалению, современной агротехникой исключаются из активного биологического процесса текущей стадии биосферы.
Техника воздействия на дисперсную систему почвы должна обеспечить надлежащее с точки зрения современных фундаментальных представлений о генезисе почвы воздействие на природу этого биологического объекта, от чего зависит перспектива цивилизации [1, 2].
Объектом настоящего исследования является управление вещественным составом почвы. Проблема управления вещественным составом почв происходит из глубокой древности, была актуальна в Шумере, Египте, Риме.
Решение проблемы управления свойствами дисперсной системы почвы шло по имитационному пути [3, 4]. Из фундаментального аппарата генетического почвоведения следует задача управляемого синтеза дисперсных систем с новыми свойствами, в том числе введение в синтезируемые дисперсные системы новых ингредиентов.
Современная деградация почвенного покрова закономерно следует из действующей системы земледелия. Усиливается неблагоприятное протекание биосферного процесса - возрастает степень и скорость исключения свежего биологического вещества из активного биологического процесса как детрита - субстрата очередных генераций организмов. Наоборот, превалируют процессы седиментации литосферы и явление утраты биологического вещества в глубокие геологические слои.
В указанных обстоятельствах необходимы технические и технологические решения, обеспечивающие синтез агропоч-вы мощностью 50 см и более.
Выполнена апробация концепции рекреационной биогеосистемотехники на примере управления вещественным составом дисперсной системы почвы. Разработаны соответствующие технические средства и технологии. Обоснована новая технология рассредоточения биологиче-
ских, неорганических субстанций и загрязнений, пассивирования загрязнений в почвах на глубине современного антропогенного иллювиирования почвы. Обосновано техническое средство диспергирования вещества, обеспечивающего ротационное перемешивание фосфогипса и почвы в слое 30...60 см.
Задачи исследований следующие:
•S генетическое обоснование управления вещественным составом дисперсной системы почвы путем внесения в нее биологических и неорганических субстанций в слой почвы 30.60 см, утилизация и ре-циклинг отходов в почве в этом слое;
•S обоснование пассивирования кадмия, свинца в почве в слое 30.60 см в процессе его ротационной обработки;
•S технология рассредоточения вещества в почвах на глубине современного антропогенного иллювиирования с ротационным перемешиванием вносимых в слой почвы 30.60 см субстанций;
•S обоснование и разработка технического средства для ротационной обработки почвы в слое 30.60 см и рассредоточения вносимых в него субстанций в процессе обработки почвы.
Методические основы настоящей работы следующие:
- полевой (длительные эксперименты на стационарных участках in situ);
- лабораторный (в том числе, in vitro). Методика лабораторных исследований основана на общих требованиях к проведению анализов - ГОСТ 29269-91 и общепринятых аналитических методах изучения свойств почвы;
- теоретический, расчетный (термодинамическое и математические моделирование). Методический подход к оценке поведения ведущих загрязнителей - термодинамический, позволяющий оценить степень устойчивости новой биогеосистемы рециклинга фосфогипса в почве [5.7];
- эвристический (поиск нестандартных технических решений).
Длительные стационарные эксперименты, в которых рассмотрены биологические и агробиологические аспекты глубокой роторной обработки и удобрения почв, рециклинга в них различных органических,
неорганических субстанций и пассивирования загрязнений, описаны в [8].
Мелиорация почв путем рециклинга фосфогипса (отхода производства фосфорных удобрений) является важнейшей задачей, имеющей производственное, утилизационное, а также и природоохранное значение.
Мелиорация связана с другой проблемой свойств среды обитания населения в ЮФО, которой является утилизация отхода производства фосфорных удобрений -фосфогипса.
Фосфогипс - продукт кислотной обработки исходного сырья. В нем находится большое количество свежих загрязнений, извлеченных или синтезированных в процессе технологических химических реакций. Такие загрязнения очень активны в биосферных процессах.
На Невинномысском химическом комбинате «Азот», Белореченском ОАО «ЕвроХим-Белореченские Минудобрения» и других предприятиях имеется огромное количество фосфогипса, который хранится открытым способом, содержащиеся в нем в большом количестве загрязняющие вещества, в частности, стронций и фтор, поступают в окружающую среду эоловым путем, поступают в почвы, грунты и грунтовые воды.
Срок стабилизации загрязнения биогеосистемы, в которой функционирует большой сосредоточенный источник загрязнения, весьма длителен. Поэтому процесс рассредоточения загрязнений, содержащихся в фосфогипсе, в окружающую среду Невинномысска, других населенных пунктов и прилегающих территорий находится только на начальном этапе, масштаб воздействия этого источника загрязнения на окружающую среду будет нарастать во времени.
Применение на полигонах открытого хранения фосфогипса грунтовых экранов, которые якобы предохраняют от поступления растворимых веществ в грунтовые воды, дает только некоторую отсрочку тотального загрязнения грунтовых вод. В начале происходит формирование грунтовых вод в толще фосфогипса над экраном. Несмотря на краткосрочный оптимистиче-
ский прогноз, который обычно дают разработчики экрана в своем ОВОСе, через некоторый промежуток времени загрязненные грунтовые воды в полном объеме истекают через край экрана в природную биогеосистему.
Следует иметь в виду теорию и опыт применения фосфогипса в агромелиоративных целях, который имеется в Ростовской области [6.8]. Нами показано, что в рамках представлений концепции ландшафтной адаптации агротехники в ЮФО имеется уникальная возможность адаптировать мелиоративную агротехнику солонцовых почв черноземной и каштановой зон и одновременно утилизировать отход производства фосфорных удобрений - фосфо-гипс.
Солонцовые почвы имеют слабощелочную реакцию, определяющую их неблагоприятные свойства. Внесение фосфо-гипса в таких условиях обеспечит мелиоративный эффект. Кроме того, с фосфогип-сом в почву поступит фосфорное удобрение, причем в силу кислой реакции фосфо-гипса доступность фосфора растениям выше, чем при внесении обычных удобрений.
Отрицательной особенностью фосфо-гипса является достаточно высокое содержание стронция и фтора, которые являются загрязнителями окружающей среды. В связи с этим следует отметить, что агромелиоративное применение фосфогипса одновременно обеспечит природоохранный эффект. Обстоятельством природоохранного содержания предлагаемых мер является автоморфный водный режим большинства солонцовых почв. По этой причине вносимые в них субстанции локализуются на глубине векового проникновения влаги в почву -50.80 см. Следовательно, мелиоративная агротехника не только обеспечит повышение плодородия почв, но решит задачу вывода загрязнения из биосферы, обеспечит консервацию загрязнения. Предложенное решение обеспечит быстрое кардинальное рассредоточение и пассивирование загрязнения, что сведет к минимуму уровень опасности воздействия фосфогипса и содержащихся в нем веществ на окружающую среду.
Все почвы нуждаются в пополнении органическим веществом. В фундаменталь-
ных работах С.С. Сдобникова показано, что внесение органических веществ, навоза, птичьего помета, барды спиртового производства не только позволяет преодолеть известные экологические ограничения на внесение указанных субстанций в поверхностный слой почвы, но и, более того, усилить биологический эффект органического удобрения в 3.5 раз за счет исключения его минерализации в верхних слоях почвы [9].
Известен способ внесения жидких, пастообразных, сыпучих веществ (навоза, фосфогипса) в почву с последующей или непосредственной заделкой почвообрабатывающими орудиями [3, 4]. Недостатком способа является недостаточное перемешивание вносимых веществ с почвой.
Технической задачей является снижение тягового сопротивления обработке почвы при ее ротационном щелевании и внутрипочвенном фрезеровании, создание возможности внесения вещества в почву при ее ротационном щелевании и внутри-почвенном фрезеровании, снижение тяго-
вого сопротивления, повышение надежности кинематических элементов привода, уменьшение испарения влаги и минерализации органического вещества почвы через открытые щели в почве.
Ожидаемый технический результат -создание возможности при движении устройства в почве в процессе поделки двух щелей для поглощения воды; фрезерование внутренних слоев почвы с их разуплотнением и перемешивание между собой, сохранение гумусового слоя, стерни и травяного покрова на поверхности почвы; внесение веществ во фрезеруемый слой почвы; снижение тягового сопротивления обработке почвы при ее ротационном ще-левании и внутрипочвенном фрезеровании; повышение надежность кинематических элементов привода за счет применения смазки разбрызгиванием; увеличение жесткости конструкции; уменьшение испарения влаги и минерализация органического вещества почвы через открытые щели в почве (рис. 1, 2).
2
5
7
1
Рис. 1. Устройство для внесения вещества при ротационном внутрипочвенном рыхлении,
вид сбоку (обозначения в тексте)
Рис. 2. Устройство для внесения вещества при ротационном внутрипочвенном рыхлении,
вид спереди (обозначения в тексте)
Ротационные щелерезы 1, установленные каждый на отдельном диске 2, производят нарезку водопоглощающих щелей. Внутрипочвенный фрезерователь 3, оборудованный почвенными фрезами 4, производит внутрипочвенное ротационное рыхление и перемешивание. В диске щелереза 2 выполнен канал 5, в который подается жидкое, пастообразное вещество, предназначенное для внесения в почву. Из канала 5 вещество поступает в рампу 6, а оттуда через каналы 7 в почву, где перемешивается с нею фрезами 3.
Для случая мелиорации солонцовых почв технологический процесс обеспечивает перемешивание солонцового и подсо-лонцового горизонтов почвы, вовлечение в мелиорацию карбонатов почвы.
Для случая старопахотных черноземов, слитых почв и других объектов, природа которых проявляется в генетически и агротехнически значимом резком различии свойств слоев или горизонтов почвы на глубине 20.30 см, предлагаемое устройство является агентом реорганизации почвенного профиля, углубления корнеобита-емого слоя почвы, создания предпосылок
адаптации агротехники к свойствам агро-ландшафтной системы.
Применение предлагаемого устройства дает агроландшафтной системе адаптационные возможности совершенно нового уровня. Стартовые предпосылки адаптации принципиально отличаются от предлагаемых в настоящее время медленных аг-рофитоценотических мер адаптации. В последнем случае агроэкосистема может не достичь регионально обусловленного продукционного максимума агротехники, например, ввиду того, что конечный срок культуры многолетних трав окажется меньше срока отклика агроэкоситемы на фитомелиорацию. В результате агрофизические параметры почвы, полученные на завершающей стадии травяного фитоценоза, не достигнут состояния искомого го-меостаза продукционного максимума, а фитоценоз последующей культуры не будет развиваться в заявленном адаптированном ландшафту режиме по тривиальной причине отсутствия реальных предпосылок адаптации.
Возможно внесение в почву в ротационном процессе органических удобре-
ний; бытовых и промышленных отходов (барда спиртового производства и т.п.); химических отходов (мелиоранты фосфо-гипс, электролит травления стали и т.п.); комбинаций перечисленных субстанций с минеральными удобрениями.
Циклическая технология управления плодородием почв с повторной обработкой почвы, например через 10.15 лет, позволяет решить экологическую проблему утилизации загрязнений методом рассредоточения путем рециклинга любых бытовых и промышленных предварительно измельченных отходов методом рассредоточения в автоморфных карбонатных почвах зоны недостаточного увлажнения.
Технология обеспечивает полный контакт корневой системы растений и внесенных веществ с почвой, быстрый агрохимический, почвенно-мелиоративный эффект и длительное повышение плодородия. Питательные вещества почвы не минерализуются в верхнем слое почвы, как это имеет место при стандартной агротехнике, а аккумулируется в увеличенном в глубину рыхлом слое почвы. Корневая система растений развивается беспрепятственно.
Технология обеспечивает охрану природы - загрязнения не просто утилизируются, но повторно эффективно вовлекаются в агротехнику. Утилизируется отход производства фосфорных удобрений фос-фогипс. Кислая реакция фосфогипса благоприятна для почв тяжелого гранулометрического состава, способствует доступности фосфора растениям, улучшается процесс химической мелиорации, что позволяет отказаться от дорогостоящей нейтрализации фосфогипса.
Агромелиоративное применение фосфогипса одновременно обеспечит природоохранный эффект, поскольку большинство почв ЮФО имеют автоморфный водный режим и по этой причине вносимые в них субстанции локализуются на глубине векового проникновения влаги в почву 50.80 см. Обеспечивается консервация загрязнения. Солонцовые почвы являются неограниченным резервом агротехнически и экологически обоснованной утилизации отходов промышленного и сельскохозяйственного производства.
Литература
1. Котляков, В.М. Стратегия устойчивого развития России в начале XXI века: инновационные векторы и место географического прогноза / В.М. Котляков, А.А. Тишков // Инновации. - 2009. - № 9. -С. 74-81.
2. Калиниченко В.П. Природные и антропогенные факторы происхождения и эволюции структуры почвенного покрова / В.П. Калиниченко. - Москва: Изд-во МСХА, 2003. - 376 с.
3. Халанский, В.М. Сельскохозяйственные машины / В.М. Халанский, И.В. Горбачев. - Москва: Колос, 2003. -624 с.
4. Воробьев, С.А. Земледелие
/ С.А. Воробьев. - Москва: ВО «Агропром-издат», 1991. - С. 316.
5. Рекомендации по использованию фосфогипса для мелиорации солонцов / отв. ред. И.Н. Любимова; Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН. -Москва: Изд-во Россельхозакадемии, 2006. - 48 с.
6. Влияние различных мелиорантов на подвижность цинка и свинца в загрязненном черноземе / Т.М. Минкина, Г.В. Мотузова, О.Г. Назаренко, А.П. Само-хин, В.С. Крыщенко, С.С. Манджиева // Агрохимия. - 2007. - № 10. - С. 67-75.
7. Коэффициенты ассоциации и активность ионов кадмия и свинца в почвенных растворах / А.П. Ендовицкий, В.П. Калиниченко, В.Б. Ильин, А.А. Иваненко // Почвоведение. - 2009. - № 2. - С. 218-225.
8. Василенко, В.Н. Управление плодородием почв Южного федерального округа России / В.Н. Василенко, В.Е. Зин-ченко, В.П. Калиниченко // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. Естественные науки. -2005. - № 2. - С. 78-83; 2005. - № 3. - С. 75-79.
9. Сдобников, С.С. Пахать или не пахать? / С.С. Сдобников. - Москва: РАСХН, 1994. - 288 с.
10. Калиниченко, В.П. Устройство для внесения вещества при ротационном внутрипочвенном рыхлении. МПК А01В 33/02 (2006.01) А01В 49/02 (2006.01). Заявка в ФИПС от 3.05.08. Регистрационный
№ 2008124500. Входящий № 029710 от 16.06.2008. Отдел № 17 от 23.06.2008.
Сведения об авторах
Калиниченко Валерий Петрович - д-р биол. наук, профессор, заведующий кафедрой земледелия и мелиорации Донского государственного аграрного университета (п. Персиановский). Тел. 7-918-533-330-41. E-mail: [email protected].
Шаршак Владимир Константинович - д-р техн. наук, профессор кафедры процессов и аппаратов пищевых производств Донского государственного аграрного университета (п. Персиановский). Тел. 8(86360)36-6-39; 8(86352)42-0-94.
Зинченко Владимир Евгеньевич - канд. с.-х. наук, доцент, директор Донского научно-исследовательского института сельского хозяйства (п. Персиановский). Тел. 7-960-445-84-85. E-mail: [email protected].
Ладан Евгений Пантелеймонович - канд. техн. наук, доцент кафедры механизации и электрификации сельскохозяйственного производства Донского научно-исследовательского института сельского хозяйства (п. Персиановский). Тел. 8(86360)36-1-90.
Черненко Владимир Владимирович - канд. с.-х. наук, доцент кафедры земледелия и мелиорации Донского научно-исследовательского института сельского хозяйства (п. Персиановский). Тел. 7-906-425-95-86. E-mail: [email protected].
Ендовицкий Анатолий Петрович - эксперт Института плодородия почв юга России (п. Персиановский). Тел. 7-918-533-330.41. E-mail: [email protected].
Генев Евгений Дмитриевич - эксперт Института плодородия почв юга России (ИППЮР) при ДГАУ, старший преподаватель кафедры механизации и электрификации сельскохозяйственного производства Донского научно-исследовательского института сельского хозяйства (п. Персиановский). Тел. 8(86360)36-1-90.
Иларионов Виктор Васильевич - эксперт Института плодородия почв юга России (ИППЮР) при ДГАУ, старший преподаватель кафедры механизации и электрификации сельскохозяйственного производства Донского государственного аграрного университета. Тел. 8(86360)36-1-90.
Мамилов Беслан Баширович - канд. с.-х. наук, доцент кафедры плодоовощевод-ства и виноградарства Донского государственного аграрного университета (п. Персианов-ский). Тел. 7-951-494-54-75. E-mail: [email protected].
Information about the authors
Kalinichenko Valeryi Petrovich - Doctor of Biological Sciences, professor, chief of the agriculture and land improvement department, Don State Agrarian University. Phone: 8-918-533-330-41.
Sharhak Vladimir Konstantinovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Processes and devices of food productions department, Don State Agrarian University. Phone: 8(86352)36-6-39.
Zinchenko Vladimir Yevgenievich - Candidate of Agricultural Sciences, associate professor, Don State Agrarian University. Phone: 8-960-445-84-85. E-mail: [email protected].
Ladan Yevgenyi Panteleimonovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the electrification mechanization and electrification of agricultural production department, Don State Agrarian University. Phone: 8(886360)36-5-74.
Chernenko Vladimir Vladimirovich - Candidate of Agricultural Sciences, associate professor of the agriculture and land improvement department, Don State Agrarian University. Phone: 8-906-425-95-86.
Yendovitskyi Anatolyi Petrovich - expert of the soils fertility of the South of Russia institute, Don State Agrarian University. Phone: 8-918-533-330-41. E-mail: [email protected].
Genev Yevgenyi Dmitrievich - expert of the soils fertility of the South of Russia institute, assistant professor of the agriculture mechanization and electrification department, Don State Agrarian University. Phone: 8(86360)36-1-90.
Illarionov Viktor Vasilievich - assistant professor of the electrification mechanization and electrification of agricultural production department, Don State Agrarian University. Phone: 8(86360)36-1-90.
Mamilov Beslan Bashirovich - Candidate of Agricultural Sciences, associate professor of the fruit-and-vegetable growing and wine growing department, Don State Agrarian University. Phone: 8-951-494-54-75. E-mail: [email protected].
