Geum.ru

Экологические аспекты известкования дерново-подзолистых почв северо-запада россии

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Таблица 7.Влияние некоторых анионов на концентрацию кальция в лизиметрических водах (по результатам лизиметрических опытов)
Основные направления в создании удобрений нового поколения
Подобный материал:
1   2   3   4

Таблица 7.Влияние некоторых анионов на концентрацию кальция в лизиметрических водах (по результатам лизиметрических опытов)


Коррелирующие факторы

Значения

коэффициента

корреляции (r)

концентрация анионов (x)
концентрация

катионов (y)

хлориды
кальций
0,798…0,959

сульфаты
кальций
0,803…0,995

нитраты
кальций
0,606…0,971

водорастворимые

органические вещесва
кальций
0,349…0,960


Коэффициенты корреляции между содержанием различных анионов и кальцием в лизиметрических водах при уровне вероятности 0,99 достаточно высоки и достоверны. Наибольшее влияние на подвижность кальция оказывают хлориды > нитраты > сульфаты.

Чтобы выявить влияние отдельных видов удобрений на миграцию веществ в почве мы провели лабораторные опыты без растений в лизиметрических колонках. В результате проведенных исследований установлено, что химический состав азотных удобрений влияет на миграцию калия в почве следующим образом:

(NH4)2SO4 > NH4Cl > NH4NO3 = (NH4)2CO3 > (NH4)2HPO4,

На миграцию кальция эти вещества действовали несколько иначе:

а) на неизвесткованной почве:

NH4Cl > (NH4)2SO4 > NH4NO3 >> (NH4)2CO3 = (NH4)2HPO4;

б) на известкованной почве:

NH4Cl > (NH4)2SO4 = NH4NO3 > (NH4)2CO3 > (NH4)2HPO4.

При внесении в почву калийных удобрений величина миграции калия возрастает в 5 – 10 раз. Доказанное снижение вымывания наблюдается при внесении силикатов и гидрофосфатов на неизвесткованной почве. Вымывание кальция и магния при внесении в почву калийных удобрений на основе фосфатов существенно снижается и на известкованной и на неизвесткованной почве (рис.8)

На основании лизиметрических исследований, данных многолетних полевых опытов, анализа литературы, была разработана агрохимическая концепция создания удобрений, применение которых создает минимальную опасность потерь элементов питания и загрязнения окружающей среды удобрениями и продуктами их трансформации, то есть концепция создания экологически безопасных удобрений.


Под экологически безопасными удобрениями мы понимаем вещества, которые могут доставлять растениям элементы питания и создавать продукцию достаточно высокого качества. При этом они должны быть безопасны для почвы, то есть не разрушать ее структуру, биологическое равновесие в почве, не загрязнять атмосферу, грунтовые воды и водоемы. То есть, удобрения, все составные части которых необходимы для растений и хорошо ими используются, а также наносят минимальный ущерб окружающей среде, можно назвать экологически безопасными.





Рис.8. Влияние химического состава калийных удобрений на вымывание кальция в первый месяц после внесения извести.


Основные направления в создании удобрений нового поколения

При создании принципиально новых, экологически безопасных минеральных удобрений следует положить в основу следующие основные идеи.
  1. О п т и м а л ь н ы е с о о т н о ш е н и я э л е м е н т о в

в у д о б р е н и я х

Содержание основных элементов питания в удобрениях, их соотношение должно соответствовать потребностям сельскохозяйственной культуры, чтобы по окончании вегетационного периода оставались в минимальном количестве вещества, способные к вымыванию. В идеале, под каждую культуру нужно вносить свое удобрение, наиболее полно отвечающее потребностям растения.

С учетом различий в потребностях растений и коэффициентов использования, на дерново-подзолистых почвах применительно к условиям Северо-Запада России соотношения N:P205:K20 в минеральных удобрениях приведены в таблице 8. Эти соотношения рассчитаны для наиболее распространенных в регионе почв с низким и средним содержанием фосфора и калия.


Таблица 8. Соотношения N : P205 : K20 на дерново-подзолистых

почвах под различные культуры

Культуры
Соотношение N:P205:K20

Зерновые (60% пощади)
1:1:1

Картофель (60% площади)
1:1:1,5

Зерновые на средне окультуренных почвах
1,5:1:1

Силосные
2:1:1

Озимые на почвах, богатых калием
1:1,5:0,5

Однолетние травы, картофель
1:1,5:1

Лен, корнеплоды, озимые
1:1,5:1,5

Зерновые на тяжелых почвах
1:1:0

Зерновые на тяжелых почвах, бедных фосфором
1:4:0

Средние соотношения под овощные культуры

Капуста (все виды)
1:0,7:1,2

Столовые корнеплоды
1:0,8:1,5

Луки
1:1:1,3

Томаты в открытом грунте
1:2:1,3

Огурцы
1:1,1:1,3

При закладке культурных пастбищ на торфяных почвах
0:1:1


  1. Конструирование х и м и ч е с к о г о с о с т а в а удобрений с целью минимализации потерь. Катионно-анионный состав экологически безопасных удобрений

Выше было показано, что концентрация катионов в почвенном растворе, а, следовательно, и возможная величина потерь от вымывания, самым тесным образом связана с концентрацией в нем анионов. Поэтому, применяя удобрения, анионная часть которых образует с наиболее значимыми катионами почвенного поглощающего комплекса мало подвижные соединения, можно существенно уменьшить потери их от вымывания. Речь идет об удобрениях, все компоненты которых хорошо закрепляются в почве, оставаясь доступными для растений.

Исследования в наших опытах показывают, что по влиянию на вымывание оснований анионы могут быть расположены следующим образом:

С1- > NО3- > SО42- > НСО3- > СО32- > Н2РО4- ; НРО42-; РО43- > SiО32-.

В результате проведенных экспериментов установлено, что
  1. Фосфаты сильнее других ионов поглощаются и удерживаются почвой.
  2. Концентрация катионов в почвенном растворе определяется концентрацией в нем подвижных анионов, то есть, если внести в почву удобрения, имеющие в анионной части слабо подвижные ионы, то возможно снижение вымывания и катионов.
  3. В принципе экологически безопасные удобрения могут быть созданы на базе катионов аммония, кальция, магния, калия, анионов орто-, мета- и пирофосфорных кислот или включения (в необходимых случаях) анионов сульфата (в количествах, соответствующих потреблению серы культурой).
  4. Ингибиторы нитрификации, покрытие удобрений различными оболочками задерживает высвобождение питательных веществ из удобрений и приводит к постепенному поступлению их к корням растений. Отсюда - создание удобрений пролонгированного действия, регулируемой растворимости.
  5. Одним из условий способности почвы сохранять состояние гомеостаза является ее высокая катионообменная и анионообменная емкость. Изменение емкости катионного и анионного обмена почвы, изменение ее буферности, приводит к изменению режима миграции элементов питания по профилю почвы. Поэтому необходимо создание удобрений, в которых элементы питания находятся в сорбированном на ионообменниках виде. Работа по реализации этой идеи может идти по двум направлениям: а) создание удобрений; б) целенаправленное создание поглотительного комплекса почв.

Идеи, заложенные в приведенных выше предложениях, мы попытались проверить опытным путем. Для этого были проведены многолетние исследования в лизиметрических, вегетационных и лабораторных опытах.


5.4. Экспериментальная проверка агрохимической концепции

создания экологически безопасных удобрений.

5.4.1. Изменение ионного состава удобрений.

Мы использовали смеси, составленные на базе солей фосфатов аммония и калия разной основности с добавкой карбоната калия. Был проведен ряд лизиметрических опытов продолжительностью от 3 до 8 лет с использованием как насыпных лизиметров собственной конструкции, так и «ионитных ловушек» - кассет с катионитом и анионитом. Экологически безопасные удобрения снижали вымывание азота и калия в 2-3 раза по сравнению с обычными удобрениями. Вымывание оснований (кальция и магния) по сравнению с эквивалентными дозами обычных удобрений снижалось в 2,5-5раз. (из неизвесткованной почвы на 193 кг/га, известкованной до рНKCI 5 – на 205 кг/га; до рНKCI 7,0 - 286 кг/га) (рис.9)


5.4.2. Создание удобрений пролонгированного действия,

Мы испытывали образцы удобрений с регулируемой растворимостью, изготовленные в лаборатории удобрений Ленинградского технологического института им. Ленсовета.

В целом, капсулированные удобрения по влиянию на урожайность сельскохозяйственных растений не имели каких – либо преимуществ перед обычными удобрениями, однако капсулированные удобрения достоверно снижали вымывание из почвы различных веществ (табл.9). Высвобождение питательных веществ из этих удобрений очень сильно зависело от климатических факторов и не поддавалось регулированию, в результате чего не было согласования критических периодов развития растений и периодов наибольшего высвобождения питательных веществ из удобрений. Выше уже было отмечено, что одним из условий способности почвы сохранять состояние гомеостаза является ее высокая катионообменная и анионообменная емкость. Изменение емкости катионного и анионного обмена почвы, изменение ее буферности, приводит к изменению миграции элементов питания в профиле почвы.




Рис 9. Влияние извести и минеральных удобрений на вымывание кальция


В условиях кризиса земледелия, когда уровень применения даже простых удобрений упал в 5-10 раз, эта идея может кому-то показаться несвоевременной и даже абсурдной. Тем не менее, это наше неизбежное, хотя и отдаленное будущее.

5.4.3. Изменение ё м к о с т и катионного и анионного о б м е н а почвы и создание удобрений, в которых элементы питания сорбированы на ионообменниках.

Работа по реализации этой идеи может идти по двум направлениям: а) создание удобрений; б) целенаправленное создание поглотительного комплекса почв. Мы предположили, что внесение элементов питания растений в почву не в форме простых солей, а в адсорбированном на ионообменниках состоянии, должно снижать потери от вымывания, главным образом, кальция.

Если иметь в виду катионы, то с этой целью могут использоваться природные ионообменники – цеолиты. Плодотворность этой идеи подтверждается результатами проведенных нами опытов. Мы использовали в опытах иониты, насыщенные элементами питания растений в эквивалентных простым удобрениям количествах и чистые иониты для увеличения емкости поглощения почвы.

Таблица 9. Влияние капсулирования нитроаммофоски на вымывание

азота, калия и кальция

Норма извести, т/га
Удобрения
Вымыто, кг/га в год

азота
калия
кальция



0
без удобрений
2
5
27

УРР-1
5
23
79

УРР-2
5
26
96

нитроаммофоска
10
30
107



5,8
без удобрений
2
5
50

УРР-1
10
11
106

УРР-2
6
21
134

нитроаммофоска
11
19
178



13,9
без удобрений
6
9
63

УРР-1
5
12
197

УРР-2
9
14
259

нитроаммофоска
13
18
353

* УРР-1; УРР-2 – капсулированные удобрения регулируемой растворимости.

Определение емкости поглощения почвы лизиметрического опыта по Айдиняну (1975) показало, что внесение ионитов повышало емкость поглощения почвы также, как и известкование. В этих комплексах, находясь в доступном для растений состоянии, питательные вещества имеют некоторую защиту от вымывания. Это относится к кальцию, нитратам. Использование ионитов снижало вымывание органических веществ. Аммиачные формы удобрений на ионитах слабо защищены от непроизводительных потерь, особенно на произвесткованных почвах. А миграция нитратов ионитных удобрений относительно смеси простых удобрений снижалась в 2,5-3 раза (табл.10). Внесение в почву ионитов в смеси с простыми удобрениями позволило снизить вымывание нитратов относительно вариантов применения смеси простых удобрений от 1,6 раза на кислой почве до 3 раз при известковании почвы по полной гидролитической кислотности.

Использование экологически безопасных удобрений позволяет снизить вымывание кальция, наиважнейшего элемента для почвенного поглощающего комплекса, в 1,5…5 раз по сравнению с традиционными удобрениями (табл.11). То есть, предлагаемые пути снижения вымывания элементов питания растений из пахотных почв за счет применения экологически безопасных удобрений, являются весьма эффективными и, по нашему мнению, имеют будущее. Создание таких удобрений вполне реально.

Таблица 10. Влияние обычных и «ионитных удобрений» на вымывание

веществ в почве

Варианты

опыта
Вымыто веществ, кг/га в год

Ca
Mg

K
S-SO4
N-NO3
HCO3
Cl
C
P

Без извести

Без удобрений
23
16
19
103
12
56
33
29
0,0

Иониты

26
19
40
299
15
52
42
36
0,0

Иониты + NaaPgcKx
28
19
66
133
30
37
81
34
0,0

NaaPgcKx
49
18
54
136
48
38
71
37
0,0

NPK на ионитах
14
10
69
123
16
33
49
24
0,4

Известь 9,6 т/га

Без удобрений
189
20
11
169
10
591
27
73
0,0

Иониты

136
16
14
144
7
399
37
59
0,6

Иониты + NaaPgcKx
151
13
32
112
10
347
64
58
0,9

NaaPgcKx
209
22
32
145
33
433
75
76
0,4

NPK на ионитах
121
23
47
144
13
405
23
62
0,2


Разработка дешевых искусственных ионообменников позволит сделать применение этих удобрений экономически выгодным, особенно при создании нормативной базы для экономической оценки экологических последствий неразумной деятельности человека.


Таблица 11. Вымывание кальция в дерново-подзолистых супесчаных почвах при применении различных удобрений, (кг/га в год)


Известь, т/га
рН KCl
Без удобрений
NaaPдcKx

(N120

P120

K120)
Нитрофоска

(N120P120

K120)
Экологически

безопасные (N120P120K120)

на основе

фосфатов
ионитов
УРР

0
4,3-4,6
27
131
107
18
14
87

3,1
4,8-4,9
65
267
150
81
-
120

10-16
6,3-6,6
189
457
300
198
121
228

*N120Р120К120

Таким образом, экологически безопасные удобрения могут быть созданы на базе катионов аммония, кальция, магния, калия, анионов орто- , мета- и пирофосфорных кислот или включения в необходимых случаях анионов карбоната, сульфата (в количествах, соответствующих потреблению серы культурой) и на основе природных и искусственных ионообменников.

Все изложенное выше подтверждает перспективность идеи и возможность создания новых экологически безопасных удобрений. Конечно, это удобрения нового поколения, и, в настоящее время окупить затраты на их изготовление только урожаями сельскохозяйственных культур, скорее всего, не удастся, пока не существует надежных методов экономической оценки отрицательных экологических последствий. Но мы уверены - это неизбежное будущее человечества и исследования в этом направлении должны развиваться, несмотря на все экономические трудности.

ВЫВОДЫ
  1. Применение минеральных удобрений на дерново-подзолистых кислых почвах приводит через 4…5лет к достоверному снижению реакции почвы ниже исходного уровня в результате вымывания оснований атмосферными осадками вместе с подвижными анионами удобрений (хлоридами, сульфатами), а также в составе органо-минеральных комплексов. Это положение сохраняется в течение длительного периода времени и связано с буферной способностью почв, которая, в свою очередь, зависит от гранулометрического состава почвы и содержания в ней органических веществ. Темпы подкисления произвесткованной почвы зависят от дозы внесенных удобрений, уровня реакции, достигнутого при известковании, и буферности почвы. Действие малых доз извести на реакцию почвы в условиях промывного водного режима было непродолжительным. Известкование по половине гидролитической кислотности поддерживало реакцию почвы на достигнутом уровне в течение 5…6 лет, а по полной гидролитической кислотности – до 10…12 лет.
  2. При известковании почва и в конце вегетационного периода остается более рыхлой, чем на контрольных делянках, как в пахотном горизонте, так и в слое 20…30 см, за счет лучшего развития корневых систем растений и увеличения поступления в почву корневых и пожнивных остатков.
  3. При известковании почв различного гранулометрического состава емкость поглощения почв увеличивается на 3…31% при внесении извести до рН 5 и на 28…59% - при внесении извести для доведения реакции почвы до рН 7. Это обусловлено освобождением после известкования мест обмена в ППК, блокированных ранее алюминием, в результате его осаждения в виде нерастворимых гидроксидов. Взаимосвязь между уровнем реакции почвы, достигнутом при известковании, и увеличением емкости катионного обмена подчиняется прямо пропорциональной зависимости и описывается уравнениями прямолинейной регрессии. На емкость поглощения почв, обусловленную сильнокислотными ацидоидами, известкование не оказывает влияния. Емкость поглощения в известкованных почвах увеличивается за счет слабокислотных обменных позиций.
  4. На известкованных почвах происходят изменения в составе гумусовых веществ. Под влиянием известкования уменьшается содержание фракции 1 гуминовых кислот (свободные ГК и связанные с подвижными полуторными оксидами) и увеличивается содержание фракции 2 (ГК, связанные с кальцием); уменьшается содержание фракции 1а и 1 фульвокислот (свободные ФК и связанные с подвижными полуторными оксидами и связанные в почве с фракцией 1ГК) и увеличивается содержание фракции 2 (ФК, связанные с фракцией 2 ГК) за счет химического связывания гуминовых кислот кальцием фракции 1 и частичным переводом по мере подщелачивания реакции растворимых форм гуминовых кислот, связанных с малоустойчивыми соединениями железа и алюминия в более устойчивые, растворимые в 0,1н NaOH лишь после обработки H2SO4.
  5. Известкование оказывает существенное влияние на структуру и численность почвенной микрофлоры. При известковании снижается на 15…42% содержание грибов. Количество бактерий, потребляющих минеральные формы азота, увеличивается в 2,3…4,7 раза, количество бактерий, использующих органические формы азота – в 2,5…5,2 раза, количество олиготрофных бактерий – в 1,5…3,5 раза; споровых бактерий – в 1,1…2,1 раза, актиномицетов – в 2,0…10,0 раза. Внесение умеренных доз минеральных удобрений в произвесткованную почву повышает содержание в ней бактериальной микрофлоры, а на неизвесткованной – значительно снижает численность бактерий. Длительное применение высоких доз минеральных удобрений (по 120 кг д.в. и выше) ингибирует развитие бактериальной микрофлоры даже при известковании почвы.
  6. Оптимальный уровень реакции для развития растений не является неизменной величиной. Он зависит от многих факторов внешней среды, в том числе и от уровня питания растений. В зависимости от уровня удобренности почвы изменяется и отношение растений к известкованию: