Нетрадиционные природные и техногенные удобрения-мелиоранты и их возможности

УДК 631.6:631.8

НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ УДОБРЕНИЯ-МЕЛИОРАНТЫ И ИХ ВОЗМОЖНОСТИ

© 2016 г. А.С. Межевова

В современных условиях сказываются последствия землепользования и катастрофические изменения в экосистемах. Поэтому необходимы новые решения по агротехнической мелиорации земель, что особенно важно в острозасушливых условиях. Одним из направлений в решении этих проблем являются нетрадиционные удобрения-мелиоранты. Их основу составляют иловые осадки после биоочистки сточных вод и природные мелиоранты-сорбенты. Известны многочисленные попытки по использованию осадков в качестве удобрений. Физико-химические свойства осадков зависят от исходного «сырья», технологии и продолжительности обработки, а также от сроков хранения на иловых картах. Свежевыгруженный осадок г. Волжского имеет влажность 98,5%, после 5 лет хранения - 76,7%; массовая доля органического вещества - соответственно 63,8 и 46,3%. Но это непереработанная органика, которая длительно разлагается в почве. В Волгограде разработан новый метод биологической очистки сточных вод и обработки осадка. В нем органическое вещество составляет 12-15%, но это подлинная органика, легко доступная корням растений и почвенной биоте. При полевых исследованиях использовали доступные серийные осадки г. Волжского, которые обладают повышенными адсорбционными свойствами; доза внесения осадка 5-10 т/га. В качестве природного мелиоранта применяли глауконит Саратовского месторождения; соотношение осадка и глауконита 20:1-10:1. Основу глауконита данного месторождения составляют: кремнезём SiO2 (68,2%), глинозём Al2O3 (14,8%), калийное удобрение K2O (11,1%) и другие компоненты. Глауконит способствует улучшению структуры и влагоемкости почвы. С учетом сорбционных свойств осадок и глауконит целесообразно вносить на поверхность почвы - в виде мульчирующего слоя - после основной обработки почвы, один раз в 2 года. Основную обработку рекомендуется выполнять чизельно-отвальным орудием (глубина чизелевания 35-45 см), глубина оборота пласта 15-20 см). Нетрадиционные удобрения-мелиоранты эффективны в острозасушливых условиях при возделывании в основном технических и кормовых культур.

Ключевые слова: удобрение-мелиорант, осадок сточных вод, глауконит, чизелевание почвы.

In modern conditions there appear lasting consequences of land tenure and catastrophic changes in ecosystems. Therefore, new solutions for the agro-technical land reclamation are required, which is especially important under the acute drought conditions. One of the ways to solve these problems are unconventional fertilizer-meliorants. They are based on silt sediment after biological treatment of wastewater and natural meliorants-sorbents. Numerous attempts to by the use of sludge as fertilizer are known. Physico-chemical properties of sediment depend on the initial "raw material", technology and processing time, as well as the storage time on the silt maps. Freshly discharged sediment of Volzhskiy city has moisture content of 98.5%, after 5 years of storage it is 76.7%; mass fraction of organic matter is respectively 63.8 and 46.3%. But that is unprocessed organics that decomposes in the soil for a long time. In Volgograd, the new method of biological wastewater treatment and sediment treatment was designed. The organic matter in it is 12-15%, but it is a genuine organics, that is easily accessible for plant roots and soil biota. At field research there were used available serial sediments of Volzhskiy, which have higher adsorption properties; application dose of sludge is 5-10 t/ha. Glauconite of Saratov deposit was used as a natural meliorant; ratio of glauconite and sludge is 20:1-10:1. The basis of glauconite of this deposit are: silica SiO2 (68.2%), alumina Al2O3 (14.8%), potash fertilizer K2O (11.1%), and other components. Glauconite helps to improve structure and moisture capacity of soil. Taking into account the sorption properties of sediment and glauconite it is expedient to input onto the soil surface - as a mulch layer - after primary tillage, once in 2 years. The main treatment is

recommended to perform by chisel-dumping tool (depth of chiseling is 35-45 cm), depth of layer turn is 15-20 cm). Unconventional fertilizers-meliorants are effective in the acute drought conditions at cultivation of mainly technical and forage crops.

Keywords: fertilizer-meliorant, sewage sludge, glauconite, soil chiseling.

Введение. Некоторые иностранные ученые указывают на глобальные последствия землепользования и катастрофические изменения в экосистемах [10, 11]. В этих условиях необходимы новые решения по агротехнической мелиорации земель, что особенно важно в острозасушливых условиях и бедных почв юго-востока России. Одним из направлений в решении этих проблем является создание и внедрение нетрадиционных и высокоэффективных удобрений-мелиорантов.

Основу предлагаемых удобрений-мелиорантов составляют: техногенный продукт - иловые осадки после биологической очистки городских (канализационных) сточных вод - это отходы производства, которые накапливаются в крупных городах и на отдельных объектах. Известны многочисленные попытки, например [5], по использованию осадков (после их сушки) в качестве удобрений преимущественно для технических и кормовых культур.

Физико-химические свойства и эффективность осадков сточных вод (как удобрений) зависят от исходного «сырья», технологии и продолжительности их обра-

ботки в технологическом цикле биологических стоков. В частности, на главных очистных сооружениях г. Волгограда осадки по существу не обрабатываются из-за огромного объема поступающих сточных вод. Более качественные осадки фиксируются на станции очистки г. Волжский Волгоградской области.

Свойства осадков зависят от сроков их хранения на иловых картах - после выгрузки. В таблице 1 показаны некоторые показатели свежевыгруженного осадка и осадка после 5 лет хранения. «Свежий» осадок - это гелеобразная, экологически неблагоприятная консистенция влажностью до 98,5%. После 5 лет хранения все показатели «старого» осадка снижаются -это следствие уменьшения влагоемкости до 76,7%.

В таком осадке фиксируется до 46,3% органического вещества, но это неперара-ботанная органика, которая разлагается уже в почве под действием в основном почвенной биоты. В осадке присутствуют и ионы тяжелых металлов - в Волжском превалирует цинк, но его количество не превышает ПДК.

Таблица 1 - Некоторые показатели осадков сточных вод на станции очистки г. Волжского

Наименование показателей Свежий осадок Осадок через 5 лет

Влажность, % 98,5 76,7

Массовая доля органических веществ, % 63,8 46,3

рН, единиц 8,0 7,1

Массовая доля общего азота, % 3,4 2,5

Массовая доля общего фосфора, % 2,8 1,8

Массовая доля общего калия, % 0,3 0,27

Сера подвижная, мг/кг 223 123

Методика исследования. В Волгограде разработан новый ферментно-кавитационный метод биологической очистки городских и иных сточных вод и обработки образующегося при этом илового осадка [4]. После обработки на протяжении 8-10 часов осадок переходит в наноструктурированное состояние, в нем

органическое вещество составляет всего 12-15%. Но это подлинная органика, легко доступная корням растений и почвенной биоте. В таком осадке количество общего фосфора достигает 4,2%, калия - до 1,3%, серы 1800-2000 мг/кг.

Однако станции очистки, работающие по новому методу, исчисляются еди-

ницами. Поэтому наши полевые исследования базируются на серийные осадки г. Волжского, главной особенностью которых являются повышенные адсорбционные свойства. Это означает, что после внесения в качестве удобрения-мелиоранта осадок способен (даже в условиях острой засухи) аккумулировать из атмосферы и удерживать воздух и влагу.

К числу природных сыпучих мелиорантов-сорбентов относятся цеолитсодер-жащие породы, бентонитовые глины, глау-конитовые пески и другие местные сырьевые ресурсы и нетрадионные агроруды [3, 6]. Наряду с этим с нашим участием проводится изучение хвалынских глин Прика-спия на предмет их использования в качестве мелиорантов [8]. Экономическая целесообразность применения природных мелиорантов зависит от наличия соответствующих месторождений в данном регионе.

Комплексное нетрадиционное удобрение-мелиорант в составе осадка сточных вод и глауконитового песка (в соотношении 20:1-10:1) предусматривается при возделывании технической масличной культуры на бедной гумусом светло-каштановой почве в засушливых условиях Волгоградской области. Использовали названный осадок г. Волжского и глауко-нитовый песок (глауконит) из месторождения Саратовской области. В Волгоградской области имеются месторождения глауконита, но его добыча пока не организована.

Основу глауконитов (как и цеолитов и бентонитов) составляют кремнеземы SiO2 и глиноземы Al2O3 [3, 6]. Состав и физико-химические свойства природных мелиорантов существенно зависят от месторождения; даже в пределах одного месторождения возможны варианты. В таблице 2 представлен химический состав глауконитов трех месторождений - в Татарстане, Челябинской и Саратовской областях.

Таблица 2 - Химический состав глауконитов

Наименование компонентов Показатели по месторождениям

1 2 3

Кремнезем SiO2 29,0 52,9 68,2

Глинозем А1203 6,7 11,8 14,8

Окислы железа Бе203 общ. 6,9 16,7 3.5

Окись марганца МпО 0,1 0,03 следы

Окись кальция СаО 16,5 0,8 1,8

Магниевое удобрение MgO 2,4 4,3 нет данных

Калийное удобрение К20 2,3 8,6 11,1

Окись натрия №20 0,2 0,14 следы

Фосфорное удобрение Р205 4,9 до 1,0 0,02

Сера S до 1,0 до 1,0 -

1 - Сюндюковское месторождение Татарстана;

2 - Каринское месторождение Челябинской области;

3 - Саратовское месторождение (ООО «ЭкоСорбент»).

Природные мелиоранты (и глауконит в их числе) по составу и свойствам примыкают к кремниевым удобрениям [1]. Некоторые авторы [2], например, трактуют глауконит как средство для повышения эффективности традиционных минеральных удобрений, а в [3] относят глауконит к комплексным удобрениям. Весьма важно, что в некоторых месторождениях (таблица 2) суммарное количество магниевого

MgO и калийного K2O удобрений превышает 12%. Современное земледелие нуждается и в кремнии, и в магнии. При возделывании картофеля оптимальным считается сочетание [2]: глауконит в дозе 10 т/га и азотно-фосфорные удобрения в дозе ^0Р60.

В наших полевых исследованиях осадок сточных вод вносили в дозе 5-10 т/га; глауконит предназначался в основном для восполнения дефицита калия в осадке и в

почве. Саратовское месторождение глауконита, который используется при исследованиях (таблица 2), отличается высоким содержанием кремнеземов SiO2 ( > 68%) и глиноземов Al2O3. В глауконите присутствует свыше 11% калия в форме K2O - это по существу разновидность калийного удобрения.

Кремнеземы и глиноземы способствуют улучшению структуры и влагоем-кости почвы; адсорбционные свойства глауконита зависят от дисперсности SiO2 и Al2O3. Глауконит обладает свойством ка-тионного обмена, уменьшает жесткость воды (почвенной влаги), длительно действует. Адсорбционные свойства осадка и глауконита предопределяют целесообразность их внесения на поверхность почвы -в виде мульчирующего слоя - после основной (зяблевой) обработки.

Периодичность внесения такого удобрения-мелиоранта - один раз в 2-3 года.

По современным представлениям об агротехнической мелиорации земель [4] -по крайней мере в острозасушливых условиях - должна выполняться основная глубокая безотвальная обработка почвы. Созданы и освоены в производстве различные модификации чизельных и чизельно-отвальных рабочих органов и почвообрабатывающих орудий. В наших исследованиях используется орудие с чизельными рабочими органами (см. рисунок) в виде наклонной («изогнутой») стойки, на которой монтируется съемный и переустанавливаемый по высоте отвал (отнюдь не лемех) для оборота верхнего, уже взрыхленного слоя почвы.

Чизельный отвально-безотвальный рабочий орган с наклонной стойкой

Зарубежные ученые установили [9], что после глубокой безотвальной обработки в почве накапливается углерод - основа жизнедеятельности растений и микроорганизмов. Это достигается за счет существенного снижения выхода в атмосферу (из почвы) углекислого газа CO2, что происходит при традиционной отвально-лемешной пахоте.

Полевые опыты проводили на светло-каштановой почве в пригороде г. Волго-

града. Для сравнения предусматривали два вида основной (зяблевой) обработки:

1) мелкая с помощью тяжелой дисковой бороны (БДТ), глубина обработки 10 см;

2) глубокая чизельно-отвальная обработка, глубина чизелевания - 35-40 см, глубина оборота верхнего (взрыхленного) слоя -15-20 см.

Весной (перед посевом) на поверхность поля вносили - в виде мульчирующего слоя - нетрадиционное удобрение-

мелиорант - осадок сточных вод пятилетней «выдержки» из очистных сооружений г. Волжского (таблица 1). Доза внесения осадка - 5 и 10 т/га, контроль - без осадка. Реализован также локальный опыт по использованию смеси осадка (вариант 10 т/га) и глауконита в соотношении 20:1. Лишь после этого проводили посев технической (масличной) культуры - сафлора.

Целесообразность возделывания технических культур на юго-востоке России -при использовании нетрадиционных удобрений-мелиорантов - обусловлена следующими факторами:

1) засушливые и острозасушливые климатические условия;

2) наличие бедных гумусом светло-каштановых и иных малопродуктивных почв;

3) высокие адсорбционные свойства удобрений-мелиорантов на основе осадка, которые способны аккумулировать и удерживать влагу;

4) возможное наличие в осадках ионов тяжелых металлов (в пределах ПДК), что не столь существенно для технических культур;

5) возможность расширения периодичности (до 2-3 лет) основной глубокой обработки почвы и внесение осадка;

6) решение проблем отходов производства за счет использования «залежей» осадков.

Выявлен неизвестный ранее эффект микромелиорации и гумификации почвы при использовании (в острозасушливых условиях) переработанного осадка в дозе 10-20 т/га в сочетании с глубокой обработкой почвы [7].

Заключение. Нетрадиционные удобрения-мелиоранты на основе техногенных (осадки сточных вод) и природных (например, глаукониты) компонентов - в сочетании с глубокой чизельно-отвальной основной обработкой почвы - это одно из перспективных направлений в агротехнической мелиорации земель преимущественно в острозасушливых условиях при возделывании в основном технических, а также кормовых культур.

Литература

1. Бочарникова, Е.А. Кремниевые удобрения: история изучения, теория и

практика применения / Е.А. Бочарникова, В.В. Матыченков, И.В. Матыченков // Агрохимия. - 2011. - № 7 - С. 84-96.

2. Васильев, А.А. Глауконит - эффективное природное минеральное удобрение картофеля / А.А. Васильев // Аграрный вестник Урала. - 2009. - № 6. - С. 35-37.

3. Ишкаев, Т.Х. Агроэкологические аспекты комплексного использования сырьевых ресурсов и нетрадиционных агро-руд в сельском хозяйстве / Т.Х. Ишкаев, Ш.А. Алиев, И.А. Яппаров. - Казань: Центр инновационных технологий, 2007. -231 с.

4. Овчинников, А.С. Развитие учения об агротехнической мелиорации земель / А.С. Овчинников, В.И. Пындак // Известия Нижневолжского агроуниверситет-ского комплекса. - 2014. - № 3. - С. 158168.

5. Пахненко, Е.П. Осадки сточных вод и другие нетрадиционные органические удобрения / Е.П. Пахненко. - Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. -311 с.

6. Пындак, В.И. Природные мелиоранты на основе кремнеземов и глиноземов / В.И. Пындак, А.Е. Новиков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. - 2015. - № 2. - С. 73-76.

7. Пындак, В.И. Эффект микромелиорации и гумификации при использовании в качестве удобрения илового осадка / В.И. Пындак, Ю.А. Степкина // Международный сельскохозяйственный журнал. -2008. - № 3. - С. 56-57.

8. Хвалынские глины Прикаспия и их возможности / В.И. Пындак, Е.А. Литвинов, А.Е. Новиков, А.С. Межевова // Известия Нижневолжского агроуниверситет-ского комплекса. - 2015. - № 4. - С. 64-68.

9. Baker, J. M., Ochsner I. E. et al. Tillage and Soil carbon sequestration - what do really know? // Agricalture, Ecosystems & Environment. - 2007. - V. 118 (1-4). -P. 1-5.

10. Foley J.A., De Fries R., Asner G.P. et al. Global consequences of land use // Science. - 2005. - V. 309 (5734). - P. 570574.

11. Schefter M., Carpenter S., Foley J.A. et al. Catastrophic Shifts in ecosystems // Nature. - 2001. - V. 413 (6856). - P. 591596.

References

1. Bocharnikova E.A., Matychen-kov V.V., Matychenkov I.V. Kremnievye udobrenija: istorija izuchenija, teorija i praktika primenenija [The silicon fertilizer: history of research, theory and practice of application], Agrohimija, 2011, No.7, pp. 84-96.

2. Vasil'ev A.A. Glaukonit, jeffektivnoe prirodnoe mineral'noe udobrenie kartofelja [Glauconite is effective natural mineral fertilizer for potatoes], Agrarnyj vestnik Urala, 2009, No. 6, pp. 35-37.

3. Ishkaev T.H., Aliev Sh.A., Jappa-rov I.A. Agrojekologicheskie aspekty kom-pleksnogo ispol'zovanija syr'evyh resursov i netradicionnyh agrorud v sel'skom hozjajstve [Agro-environmental aspects of the comprehensive utilization of raw materials and non-traditional agricultural ores in agriculture], Kazan', Centr innovacionnyh tehnologij, 2007, 231 p.

4. Ovchinnikov A.S., Pyndak V.I. Razvitie uchenija ob agrotehnicheskoj melio-racii zemel'[The development of the doctrine of agro-technical land reclamation], Izvestija Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kom-pleksa, 2014, No. 3, pp. 158-168.

5. Pahnenko E.P. Osadki stochnyh vod i drugie netradicionnye organicheskie udobre-nija [Sewage sludge and other non-traditional

organic fertilizers], Moscow, BINOM. Labo-ratorija znanij, 2010, 311 p.

6. Pyndak V.I., Novikov A.E. Prirodnye melioranty na osnove kremnezemov i glino-zemov [Natural meliorants on the basis of silica and alumina], Izvestija Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa, 2015, No. 2, pp. 73-76.

7. Pyndak V.I., Stepkina Ju.A. Jeffekt mikromelioracii i gumifikacii pri ispol'zovanii v kachestve udobrenija ilovogo osadka [The effect of microreclamation and humification using silt sediment as fertilizer], Mezhdu-narodnyj sel'skohozjajstvennyj zhurnal, 2008, No. 3, pp. 56-57.

8. Pyndak V.I., Litvinov E.A., Novikov A.E., Mezhevova A.S. Hvalynskie gliny Prikaspija i ih vozmozhnosti [Khvalynsk clay of Caspian region and their opportunities], Izvestija Nizhnevolzhskogo agrouniversi-tetskogo kompleksa, 2015, No. 4, pp. 64-68.

9. Baker J.M., Ochsner I.E. et al. Tillage and Soil carbon sequestration - what do really know? Agriculture, Ecosystems & Environment, 2007, 118 (1-4), pp. 1-5.

10. Foley J.A., De Fries R., Asner G.P. et al. Global consequences of land use, Science, 2005, 309 (5734), pp. 570-574.

11. Schefter M., Carpenter S., Foley J.A. et al. Catastrophic Shifts in ecosystems, Nature, 2001, 413 (6856), pp. 591-596.

Сведения об авторе

Межевова Алина Сергеевна - аспирант кафедры «Земледелие и агрохимия», ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный аграрный университет» (Россия). Тел.: +7-961-068-11-07. E-mail: asmezhevova@rambler.ru.

Information about the author

Mezhevova Alina Sergeevna - postgraduate student of the Arable farming and agricultural chemistry department, FSBEI HE «Volgograd State Agricultural University» (Russia). Phone: +7-961-068-11-07. E-mail: asmezhevova@rambler.ru.