СПОСОБ МЕЛИОРАЦИИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЁННЫХ ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
METHOD OF RECLAMATION OF SOILS CONTAMINATED WITH HEAVY METALS

Изобретение относится к мелиорации почв и может быть использовано при рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами (ТМ), как сельскохозяйственных угодий, так и промышленных ландшафтов.
Известно использование очищения агросистем за счет введения в почву сорбционного агента с последующим перемешиванием. При этом в качестве сорбционного агента используют монтмориллонит и/или палыгорскит /Патент РФ №2210438, B09C 1/00, 03.06.2002 / или цеолит / Цицишвили Г.В. Исследование природных цеолитов / Адсорбенты, их получение, свойства и применение. - Л.: Наука, 1995. - С.121-125/. Монтмориллонит и цеолит - ценное и дорогостоящее минеральное сырье, не всегда находящееся на территории с загрязненными землями, а значит малодоступное для повсеместного применения.
Известен способ инактивации тяжелых металлов в почве с помощью сорбента-мелиоранта, состоящего из нескольких минеральных компонентов (глауконитового песка, термонеизмененной отвальной породы угольных шахт и синих глин) /Патент РФ №2356931, C09K 17/00, 27.05.2009/, недостатком которого является труднодоступность предлагаемых компонентов сорбента-мелиоранта.
Ближайшим аналогом является способ рекультивации нарушенных и загрязненных тяжелыми металлами почв путем внесения в нее органоминерального компоста, который готовят путем смешивания фосфогипса, суперфосфата простого и перегноя КРС. Компост вносят в почву однократно на 4-5 лет в дозе 100-110 т/га с последующей заделкой компоста культиватором на глубину до 20-25 см /Патент РФ №2492944, A01B 79/02, 22.03.2012/. Недостатком этого способа является использование при изготовлении компоста навоза КРС, являющегося отходом производства, относящимся к III и IV классу опасности (приказ Росприроднадзора РФ №445 от 18.07.2014), и недостаточно длительный период действия.
Задачей изобретения является создание способа, позволяющего перевести тяжелые металлы в труднодоступные для растений формы, повысить плодородие загрязненных почв и их экологическую ценность.
Поставленная задача достигается следующей последовательностью агроприемов:
1. Внесение оптимальной дозы мелиоранта на поверхность загрязненного участка. Наиболее эффективное время внесения мелиорантов - август-сентябрь (чтобы использовать для их растворения в почве наиболее увлажненный осенне-весенний период). Для внесения мелиорантов необходимо использовать разбрасыватели удобрений сплошного поверхностного внесения.
2. Заделка мелиоранта тяжелой дисковой бороной на глубину 10-12 см.
3. Отвальная вспашка на глубину 25-30 см с целью перемешивания мелиоранта с мелиорируемым слоем.
Дальнейшие агротехнические мероприятия на загрязненных участках определяются характером их использования и почвенно-климатическими особенностями территории.
В качестве мелиорантов используются низинный торф, известняковая мука, фосфоритная мука, суперфосфат, сульфид натрия в оптимальной дозе.
Суть изобретения заключается в том, что перевод тяжелых металлов в загрязненных почвах в малоподвижные формы в предлагаемом способе осуществляется по двум механизмам:
1. Физико-химический. Он основан на повышении емкости поглощения загрязненных почв за счет внесения большого количества активных коллоидных частиц, которые способны поглощать ионы тяжелых металлов и частично переводить их в необменные формы. По этому механизму происходит закрепление ТМ в случае внесения в загрязненную почву в качестве мелиоранта высоких доз низинного торфа (оптимальная доза внесения - 100 т/га).
2. Химический. Он основан на переводе тяжелых металлов в трудно растворимые соединения путем внесения в загрязненную почву определенных мелиорантов. По этому механизму происходит закрепление ТМ в случае внесения в загрязненную почву следующих мелиорантов:
- известняковой муки в дозе 8-12 т/га;
- фосфоритной муки в дозе 1,0-1,5 т/га;
- суперфосфата в дозе 90-120 кг д.в./га;
- сульфида натрия в дозе 90-120 кг д.в./га.
Выбор конкретных мелиорантов должен определяться почвенно-климатическими особенностями загрязненных участков и их дальнейшим использованием.
Преимуществом данного способа является простота его использования, высокая эффективность по переводу ТМ в труднодоступные для растений формы, повышение плодородия почв и урожайности с.-х. культур.
Для изучения процесса химической мелиорации загрязненных почв были проведены исследования в лабораторных, полевых и производственных условиях. Эффективность действия мелиорантов на снижение степени подвижности ТМ определялась массовой долей кислоторастворимых, солерастворимых и растворимых в ацетатно-аммонийном буферном растворе форм Pb и Cd в пробах почвы и растений. Анализы проведены атомно-адсорбционным методом [Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства / Центр. ин-т агрохим. обслуж. сел. хоз-ва. - 2-е изд., перераб. и доп. М., ЦИНАО, 1992, - 61 с.] в лаборатории ГНУ НИИСХ Северо-Востока. Полученные данные подвергнуты статистической обработке методами дисперсионного анализа.
В ходе проведенных исследований были установлены особенности и параметры действия мелиорантов на свойства почвы, содержание в ней подвижных форм свинца и кадмия, урожайность сельскохозяйственных культур и на качество растениеводческой продукции.
В таблице 1 представлены результаты опыта по определению оптимальной дозы внесения мелиорантов. Для этого использовались две различные по вытеснительной способности вытяжки из почвы: аммонийно-ацетатный буферный раствор (ААБ) с pH KCl 4,8 (более сильная вытяжка) и раствор хлористого кальция (CaCl2). Было установлено, что низкие дозы мелиорантов еще не обеспечивали необходимую степень снижения подвижности тяжелых металлов в загрязненной почве, а излишне высокие - уже не обеспечивали статистически достоверное ее снижение, но резко повышали стоимость мелиорации загрязненных почв.
При уменьшении дозы известняковой муки ниже 8 т/га ее действие по снижению подвижности ТМ значительно ослабевает, а при увеличении более 12 т/га - статистически не увеличивается, а стоимость работ по мелиорации значительно возрастает. При уменьшении дозы фосфоритной муки ниже 1,0 т/га ее действие по снижению подвижности ТМ значительно ослабевает, а при увеличении более 1,5 т/га - статистически не увеличивается. При уменьшении дозы суперфосфата ниже 90 кг д.в./га его действие по снижению подвижности ТМ будет распространяться только на 1-2 года, а при увеличении более 120 кг д.в./га - статистически не увеличивается. При уменьшении дозы сульфида натрия ниже 90 кг д.в./га его действие по снижению подвижности ТМ будет распространяться только на 1-2 года, а при увеличении более 120 кг д.в./га - статистически не увеличивается. При уменьшении дозы низинного торфа ниже 50 т/га его действие по снижению подвижности ТМ значительно ослабевает, а при увеличении более 100 т/га - статистически не увеличивается, а стоимость работ по мелиорации значительно возрастает.
Влияние мелиорантов на степень снижения подвижности тяжелых металлов в загрязненной почве показано в таблицах 2 и 3. Приведены данные только по средним и оптимальным (рекомендуемым) дозам их внесения, так как только они обусловили наиболее стабильное действие на этот показатель в течение всех трех лет наблюдений. Действие мелиорантов на снижение подвижности тяжелых металлов, в большинстве случаев, колебалось от 20 до 60%, причем эффективность повышенных доз, во всех случаях, была выше, именно поэтому они являются наиболее оптимальными.
При выборе мелиорантов для мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами, необходимо учитывать их особенности.
KCl
Известняковая мука - один из лучших мелиорантов, предлагаемых для целей мелиорации. Позволяет не только достаточно эффективно перевести Pb и Cd в труднорастворимые в воде карбонаты, но и резко улучшить физико-химические свойства кислых дерново-подзолистых почв и повысить урожайность возделываемых на этих почвах сельскохозяйственных культур. Имеет длительный период действия - более 5-7 лет. Отрицательные стороны мелиоранта - ограниченность зоны применения (не пригоден почвах, имеющих показатель pH выше 6,0).
Фосфоритная мука - хороший мелиорант, позволяющий перевести многие ТМ в труднорастворимые в воде фосфаты. Кардинально улучшает фосфатный режим почв (один из самых проблемных для большинства почв), увеличивает сумму обменных оснований, несколько снижает почвенную кислотность, увеличивает урожайность с.-х. культур, имеет длительный период последействия - более 5 лет. Отрицательные стороны мелиоранта: может содержать повышенное количество Pb и Cd (необходимо контролировать исходное их содержание в мелиоранте), не пригоден на нейтральных и зафосфаченных почвах.
Суперфосфат - самое распространенное в агрономической практике фосфорное удобрение. За счет высокой растворимости в воде, быстро вступает во взаимодействие с ионами Pb и Cd и переводит их в труднодоступные формы. Как и фосфоритная мука, значительно улучшает фосфатный режим почв, а стоимость его внесения в почву на порядок ниже. Обеспечивает повышение урожайности сельскохозяйственных культур, его можно применять практически на любых загрязненных почвах (за исключением зафосфаченных). Отрицательные стороны: в высоких дозах может подкислять почву, период его действия не превышает 2-3 года.
Сульфид натрия - перспективный мелиорант для мелиорации почв, загрязненных ТМ. Хорошо растворим в воде, поэтому быстро вступает во взаимодействие с ионами Pb и Cd и переводит их в труднодоступные формы (сульфиды). Имеет относительно низкую стоимость. Содержит два макроэлемента минерального питания - серу и натрий, которые в дерново-подзолистых почвах находятся в дефиците и поэтому он обеспечивает повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Возможна замена сульфида натрия на более перспективный сульфид калия, который в настоящее время имеет значительно более высокую стоимость. Отрицательные стороны: имеет резкий специфический запах сероводорода и поэтому требует использования средств защиты дыхания при его внесении в почву, период действия не превышает 4-5 лет.
Низинный торф. Является хорошим мелиорантом и, одновременно, органическим удобрением, особенно он ценен для низкогумусированных почв легкого гранулометрического состава. В высоких дозах значительно повышает сорбционные свойства почв, улучшает их агрофизические, несколько меньше, агрохимические свойства, за счет улучшения этих свойств повышает урожайность сельскохозяйственных культур. Способен связывать ТМ как с использованием физико-химического механизма, так и за счет комплексообразования (характеризуется большим разнообразием функциональных групп, в нем много нерастворимых, но химически активных компонентов, которые образуют с тяжелыми металлами прочные комплексы). Отрицательные свойства: высокая стоимость этого мелиоранта, продолжительность действия не превышает 4-5 лет, необходимо контролировать его кислотность (может иметь кислую реакцию и требовать предварительного известкования). Для мелиорации необходимо использовать средне- и сильноразложившиеся разновидности низинного торфа (степень разложения более 15%). Он должен соответствовать ГОСТу 12101-77.
В таблице 4 представлены результаты опытов по снижению содержания тяжелых металлов в растениеводческой продукции. Наибольшее действие по снижению в ней свинца проявил суперфосфат в дозе 120 кг д.в./га, кадмия - суперфосфат и сульфид натрия в дозе 120 кг д.в./га.
Все мелиоранты повысили урожайность сельскохозяйственных культур. Наибольшее повышение урожайности, в первые два года после его внесения, обеспечил суперфосфат в дозах 90 и 120 кг д.в./га - на 21 и 26% соответственно, действие остальных мелиорантов на этот показатель колебалось в среднем от 10 до 20%.