Повышение эффективности местных сырьевых ресурсов за счет отходов сельскохозяйственного производства и их влияние на фосфорный режим черноземных почв

Введение. Экстенсивное использование черноземов Украины в прошлом обусловило уменьшение содержания валовых и подвижных форм питательных веществ. Средний показатель содержания подвижных фосфатов в пахотном слое черноземов не превышает 8-9 мг Р2О5 на 100 грамм почвы, то есть в 2 раза меньше оптимального, который для большинства полевых культур составляет 15-18 мг [1].

В исследованиях ряда ученых [2-4] изучено перераспределение подвижного фосфора по слоям почвы при проведении ежегодных поверхностных, плоскорезных и минимальных обработок. С точки зрения Л.И. Никифоренко [2], такое размещение фосфора резко ухудшает фосфатное состояние нижнего слоя почвы, где более стойкое увлажнение.

Особое внимание в вопросе улучшения фосфорного режима почв и повышения урожайности сельскохозяйственных культур в научных работах посвящено использованию удобрений, изготовленных на основе фосфоритов с местных месторождений [5, 6]. Как известно, 80-85% фосфора из удобрений связываются почвой в год внесения. В целом за несколько лет коэффициент использования фосфора из них не превышает 0,6. Поэтому особенное место в вопросе улучшения азотного и фосфорного режимов почв занимает поиск технологий производства и мероприятий эффективного использования дешевых минеральных удобрений [7].

Одним из рациональных путей повышения эффективности органических и минеральных удобрений и уменьшения их негативного экологического влияния на почву, воду и окружающую среду является применение новых видов органоминеральных удобрений пролонгированного действия, которые постепенно высвобождают питательные вещества при взаимодействии с почвой в течении вегетационного периода растений и имеют экологические, агрономические и экономические преимущества в сравнении со стандартными формами удобрений [8-11].

Лишь комплексное применение органических и минеральных удобрений повышает эффективность последних в 1,5-2 раза [12]. С другой стороны, минеральные удобрения увеличивают эффективность органических на 42-43 % [13]. Однако современные объемы производства и применения традиционных органических удобрений, особенно перегноя, не удовлетворяют растущие потребности земледелия как относительно количества, так и его качества. Именно поэтому значительную заинтересованность вызывают альтернативные пути получения новых органических удобрений на основе использования местных сырьевых ресурсов, в частности торфа, отходов птицеводства, соломы и др. [14].

Главной целью данной работы является разработка технологий создания сложных органоминеральных удобрений (ОМУ) с учетом свойств, технологий применения и практического использования местных сырьевых ресурсов Карповского месторождения и отходов сельскохозяйственного производства.

Материалы и методы исследования. Сложные органоминеральные удобрения, в состав которых входят фосфориты Карповского месторождения, исследовались в условиях полевых опытов (табл. 1) со следующей исходной характеристикой почвы: гидролитическая кислотность - 0,50 + 0,21 мг-экв/100 г почвы, рН водной суспензии -7,40 + 0,32, емкость ППК - 40,25 мг-экв/100 г почвы.

Схема размещения вариантов опыта (табл. 1) - латинский квадрат (7 повторений) [15]. Учетная площадь участка 60 м (6 м х 10 м). Программа исследований предусматривала изучение использования новейших фосфорных органоминеральных удобрений на основе фосфоритов местных сырьевых ресурсов Карповского месторождения, а также исследования изменений подвижного фосфора [16, 17].

Опыт заложен на поле ГП «ОХ „Донецкое" ННЦ «ИПА имени А. Н. Соколовского», где изучалось действие и последействие сложных фосфорно-органических удобрений, в состав которых входят:

• I удобрение - фосфоритовый концентрат 89,86% + сера 5,14% + вермикомпост 5%;
• II удобрение - фосфоритовый концентрат 80,00% + уголь 19,0% + вермикомпост 1%;
• III удобрение - фосфоритовый концентрат 89,86% + сера 5,14% + вермикомпост 1% + птичий помет 4 %.

Результаты исследований. За основу технологии создания сложных органо-минеральных удобрений был взят микробиологический путь трансформации фосфоритов в более доступные по фосфору соединения. Количество серы, необходимой для введения в удобрение при грануляции, должно быть эквивалентным стехиометриче-ским условиям реакции 1:

Ca3(PO4)2+2S+2H2O+3O2>Ca(H2PO4)2+2CaSO4. (1)

То есть, для перевода фосфоритового концентрата в монокальция фосфат при содержании валового фосфора (Р₂О₅) в глауконитовом концентрате (Р₂О₅) 12,7% нужно взять 5,14% порошка серы.

В аэробных условиях серные бактерии Beggiatoa, Thiobacillus tiooxidans и другие будут осуществлять трансформацию серы в серную кислоту по реакции:

2S+2H2O+3O2>2SO4^2-+4H+>(2H2SO4), (2) а в анаэробных условиях при наличии богатого азотом легкодоступного органического вещества - вермикомпоста (птичьего помета), угля в гранулах - анаэробные бактерии 3:

NO3 ^-+2S+H2O>HSO4 ^-+ SO4^2- +N2. (3) Уголь, как органическое вещество, которое входит в состав органоминераль-ных удобрений, и угольная кислота (образуется в процессе дыхания и обмена веществ), азотная и серная кислоты (образуют нитрифицирующие микроорганизмы и серобактерии) способствуют переводу тяжелорастворимых минеральных соединений фосфора в раствор подвижных гуминовых соединений фосфора.

Количество необходимого вермикомпоста определяли по двум показателям: а -«клеющим» свойствами вермикомпоста; б - потенциальной нитрификационной способности.

Удобрения, в состав которых входит сера в порошке, вермикомпост, птичий помет и уголь обязательно должны быть загранулированы. Грануляция фосфоритов приводит к уменьшению активной поверхности продукта, потому общими требованиями, которые предъявляются к вяжущим веществам, являются не только обеспечение достаточной прочности гранулы, но и быстрое их разрушение, при взаимодействии с влагой в почве.

Технология создания гранулированных удобрений заключается в тонком размоле фосфоритов с использованием органического вещества в качестве связывающего. Фосфорит карбонатного типа, который вмещает 12,7% Р₂О₅ и составляет 89,9% от общего количества компонентов, вместе с 5,14% серы, 1 или 4% вермикомпоста, 19,0% угля добавляют в смеситель. Компостирование смеси осуществляется в течении 1 месяца при влажности, равной наименьшей полевой. Влажная смесь с зародышами гранул попадает в барабан-гранулятор, куда подается водяной пар, в результате чего образуются прочные гранулы удобрений.

Таким образом, разработанная технология грануляции тонкого помола фосфорита, серы, бурого угля, вермикомпоста и птичьего помета позволила получить непы-лящее удобрение, удобное для применения, гранулы которого быстро распадаются при внесении в почву. Органомингранулы в зависимости от размера и состава способны удовлетворять потребности растений весь вегетационный период и характеризуются лучшими физическими, химическими и другими качествами. Основная их роль в земледелии не только в прямом повышении урожайности сельскохозяйственных культур, сколько в продолжении действия после внесения.

Изучение особенностей фосфорного питания растений в процессе онтогенеза, его зависимость от состояния растений имеет большое теоретическое и практическое значение. С одной стороны, знание потребности растений в фосфоре в каждую фазу их развития, позволяет более полно мобилизировать свойства самих растений для создания урожая, с другой - разработать рациональные приемы и технологии применения фосфорных удобрений.

Распределение подвижного фосфора по Мачигину в первый год действия удобрений сложилось неоднозначно: на контрольном варианте в слое 0-20 см почвы его содержание было наименьшим - 1,77 мг/100 г почвы (рис. 1).

Внесение азотно-калийного удобрения (вар. 2) по сравнению с контролем увеличило количество подвижных форм фосфора в 1,1 раза, с глубиной этот показатель уменьшается, что указывает на активную химическую трансформацию остаточных фосфатов в большей степени в слое почвы0-20 см.

Характерно, что распределение подвижного фосфора при внесении суперфосфата и фосфорита Карповского месторождения было почти одинаковым и составляло соответственно от 0,27 до 0,23 мг/ 100 г почвы (отклонение от контрольного варианта). Это и является динамическим распределением, обусловленным, с одной стороны, скоростью переноса растворенных форм фосфора суперфосфата в почве, а с другой -динамикой образования подвижных форм фосфора гранулированным фосфоритом.

Установлено наличие существенной разницы (НСР₀₅=0,40 мг/100 г почвы) при технологии внесения сложных органоминеральных удобрений, где лучшим был вариант, включающий использование эффектов трансформации серы, гуминовых кислот бурого угля и биологические аспекты вермикомпоста. Увеличение содержания подвижного фосфора на этом варианте в сравнении с контролем составило 45 %, относительно варианта 4;, показатели на вариантах со сложными органоминеральными фосфоритовыми удобрениями также увеличились от 0,14 до 0,56 мг/100 г почвы. Но фосфорные удобрения, внесенные в почву, растения используют лишь на 10-25%. Неиспользованный фосфор вступает в реакцию с Al, Fe, Ca, Md, образуя соединения разной степени растворимости.

Позитивные изменения в фосфатном уровне почвы обусловили высокое последействие подвижного фосфора (рис. 2). Из рисунка видно, что при внесении суперфосфата, распределение которого было предопределено его растворимостью в 0-20 см слое почвы, наблюдается увеличение количества подвижных фосфатов (по Мачигину) в сравнении с контрольным вариантом в 1,26 раза.

При внесении сложных фосфоритовых органоминеральных удобрений, увеличение подвижных форм фосфора составило в 1,13-1,18 раза относительно контрольного варианта, а при сравнении с фосфоритовым концентратом это увеличение составляет от 0,88 до 1,01 мг/100 г почвы, или в 1,42-1,48 раза.

Распределение подвижного фосфора (последействие удобрений) в 0-20 см слое почвы сложилось неоднозначно. Лучший его показатель (3,42 мг/100 г почвы) - в варианте с внесением смеси фосфоритового концентрата 89,86% + серы 5,14% + вермикомпоста 1% + птичьего помета 4%, что на 0,96 мг/100 г почвы больше, чем на контрольном варианте и на 0,31 мг/100 г почвы больше в сравнении с суперфосфатом, а в процентном содержании это отображено на рис. 3.

Такое распределение обусловлено динамикой образования подвижных форм фосфора гранулированным фосфоритом с примесью 5% органического вещества. Этому способствуют микробиологические процессы в особенных физико-химических условиях, что созданы в зоне взрыхления гранулы удобрения, и за счет того, что сложные фосфоритовые органоминеральные удобрения вмещают активные органические вещества, такие как сера, вермикомпост и птичий помет.

Выводы. При выборе технологии создания органоминеральных удобрений доказана научно обоснованная целесообразность использования удобрений I и III.

Сложные органоминеральные удобрения технологически целесообразно применять при внесении в запас на 3-4года.

Органоминеральные удобрения, создают возможность уменьшения потребности в минеральных удобрениях по сравнению с традиционной системой в среднем на 22 кг д. в. на 1 га площади севооборота.