Отраслевая сеть инноваций в АПК

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ​

Повышение урожайности рапса и других культур при использовании органоминерального удобрения на основе модифицированного цеолита, обогащённого аминокислотами

Титульный лист и исполнители

РЕФЕРАТ

Отчёт: 97 с.,1 кн., 29 табл., 2 рис., 61 источн., 4 прил.

ЦЕОЛИТ, АМИНОКИСЛОТЫ, ЧЕРНОЗЕМ ВЫЩЕЛОЧЕННЫЙ И ТИПИЧНЫЙ, СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ КУЛЬТУРЫ, УРОЖАЙНОСТЬ И КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ, ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Объектами исследования являлись: цеолит природный и биомодифицированные удобрения на его основе; сельскохозяйственные культуры: рапс, кукуруза, просо; почвы: чернозем выщелоченный и чернозем типичный.

Цель работы — изучить возможность повышения урожайности рапса и других культур (кукуруза, просо) при использовании в технологиях их возделывания органоминерального удобрения на основе модифицированного цеолита.

Методы работы: полевой опыт, лабораторные исследования почвенных и растительных образцов. Полевые опыты с возделыванием рапса, кукурузы, проса проведены по 14-и и 8-и вариантной схемам; химический анализ почв и растений — по соответствующим ГОСТам.

В результате исследования впервые разработан состав и технология производства новых органоминеральных удобрений на основе цеолита; установлено положительное влияние их на агро- и водно-физические, биологические и агрохимические свойства почвы; урожайность культур и качество продукции.

Область применения результатов: сельскохозяйственные предприятия всех форм собственности.

Необходимо продолжить изучение возможности создания удобрений на основе цеолита, в оптимальной степени отвечающим требованиям отдельных или групп культур (зерновых, пропашных, овощных и т. д.), обеспечивающих «адресное» питание растений.

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящем отчете о НИР применяют следующие термины с соответствующими определениями:

Биологическая активность почвы — суммарная деятельность почвенных микроорганизмов. Определяется с помощью биохимических и микробиологических методов. К биохимическим методам относят определение ферментативной активности и дыхания почвы, к микробиологическим — определение численности микроорганизмов и аппликационные методы
Гумус – один из основных показателей плодородия почвы – сложный динамический комплекс высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений, образующийся при разложении органических остатков и гумификации
Диатомит – рыхлая, тонкопористая порода, сложенная мельчайшими раковинками диатомей (диатомовых водорослей), либо наряду с ними, содержащая значительное количество их обломков. Общая пористость достигает 80 %, а размер пор — от 1 до сотен нм; содержание SiO2 до 80 % и более, в том числе аморфного — более 40 %
Цеолиты природный комплекс минералов (более сорока минеральных видов и разновидностей) вулканического осадочного происхождения, пронизанный тончайшими полостями и каналами, соединенных между собой и окружающей средой. Представляют из себя водные алюмосиликаты кальция, натрия, калия, бария и некоторых других элементов
Тяжелые металлы — к тяжелым металлам относятся элементы либо с плотностью, превышающей 5 г/см3, либо с атомным номером больше 20-и
Аминокислоты — органические кислоты со смешанными функциями, в которых содержатся амино- (NH2) и карбоксильная (СООН) группы
Карбамид (мочевина) — азотное удобрение, содержащий азот (46 %) в амидной форме СО (NH2)2

 

 

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

В настоящем отчете о НИР применяют следующие сокращения и обозначения:

N — азот
N-NO3 — азот нитратный
N-NH4 — азот аммиачный
(NO3+NH4) — минеральные формы азота в почве
Р — фосфор
P2O5 — фосфорный ангидрид
К — калий
К2О — оксид калия
S — сера
Са — кальций
Мg — магний
Si — кремний
рНKCl — обменная кислотность почвенного раствора
Нг — гидролитическая кислотность почвы
ТМ — тяжелые металлы
Cd — кадмий
Сu — медь
Ni — никель
Pb — свинец
Zn — цинк
кг/га — содержание элементов в пахотном слое одного гектара или количество удобрений, вносимых на 1 га
т/га — урожайность культур на одном гектаре в тоннах
мг/кг — содержание элемента в 1 килограмме почвы или продукции
д.в. — действующее вещество в удобрении

ВВЕДЕНИЕ

Современные тенденции развития сельского хозяйства (повышение цен на минеральные удобрения, необходимость восстановления почвенного плодородия, поиск альтернативы ядохимикатам) обусловливают необходимость создания новых видов удобрений, действующим веществом которых является активный кремний. В ряде научных конференций, проведённых в своё время в США (1999), Японии (2002), России (2004), Бразилии (2008), ЮАР (2011), Китае (2011), Швеции (2014), Индии (2017) и всевозможных публикациях доказано, что кремний является неотъемлемым фактором продуктивности агробиогеоценозов (Epstein E., 1994; Datnoff L., Snyder G., Korndorfer G., 2001; Ed. Matoh, T. Tsuruska, 2002; Матыченков В. В., Бочарникова Е. А., Аммосова Е. М., 2002; Ma I. F., Takahashi E., 2002; Самсонова Н. Е., 2005; Heather, Cussie A., 2007).

В настоящее время установлено, что основная его роль заключается в формировании защитных функций организма (механическая, физиологическая и биохимическая), которые наиболее ярко проявляются в неблагоприятных, и, особенно, стрессовых условиях выращивания сельскохозяйственных культур (Воронков М.Г. и др., 1978; Epstein E., 1994; Бочарникова Е.А. и др., 2001; Самсонова Н.Е., 2001, 2019; Ма F.J., 2006; Куликова А.Х., 2013).

Кремний является одним из основных компонентов почвы, в которых содержание его колеблется от 20-35 % (глинистые почвы) до 45-49 % (песчаные почвы). Однако часть растений испытывает недостаток в подвижных соединениях Si , что связано с постоянным отчуждением доступных его форм урожаем культур и медленным растворением его кристаллических форм до ортокремниевой кислоты, чтобы удовлетворить потребность растений в данном элементе. Недостаток кремния может быть компенсирован кремнийсодержащими (силикатными) удобрениями, которые в настоящее время применяются только за рубежом (США, Япония, Бразилия, Мексика, Китай, Индия и др.). В нашей стране ещё в 70-е годы была доказана необходимость применения силикатных удобрений, которые до настоящего времени практически в стране не производятся. Вместе с тем, есть возможность применения в этих целях природных высококремнистых пород, в том числе цеолитов и диатомитов, которые оказывают выраженное положительное действие на урожайность и качество продукции, сопоставимое в ряде случаев с эффективностью минеральных удобрений (Пашкевич Е.Б., Кирюшин Е.П., 2008; Капранов В.Н., 2009; Козлов А.В., 2010; Куликова А.Х., 2013; Самсонова Н.Е., Капустина М.В., Зайцева З.Ф., 2013).

Тем не менее, большинство исследователей приходит к выводу, что биогенность и агрономическую ценность кремнийсодержащего минерального сырья можно и необходимо значительно повысить путём предварительного смешивания его с органическими и минеральными удобрениями, так как состав данных пород по элементам питания не всегда соответствует потребностям возделываемых культур и эффективность их достигается за счёт устранения дефицита доступного кремния и благоприятного воздействия на физико-химический состав почвы. Последнее, прежде всего, касается азота, которого кремнистые породы не содержат. Проблему можно решить модификацией кремнистых пород внедрением в них азота в той или иной форме, или соединений, которые активизировали бы процессы перехода элемента из органической формы в минеральную. В этом отношении для создания новых удобрений на кремнистой основе в наибольшей степени соответствуют цеолиты.

Цеолит – природный минерал вулканогенного осадочного происхождения, пронизанный тончайшими полостями и каналами, придающими ему свойства молекулярного сита. Эти пустоты заполнены катионами щелочных и щелочноземельных металлов и молекулами воды, имеющими значительную свободу движения, что наделяет цеолит высокой ионообменной способностью, свойствами адсорбента и донора, возможностью впитывать и отдавать влагу, продлевать действие веществ, с которыми он смешан, отдавать почве и живым организмам необходимые им элементы.

Цеолиты – это водные алюмосиликаты кальция, натрия, калия, бария и некоторых других элементов. Кремнекислородные и алюмокислородные тетраэдры цеолитов, обладающие общими ионами кислорода, слагают трехмерную решетку, образующую каркасную структуру — систему микрополостей, соединенных между собой достаточно широкими каналами. В каналах находится цеолитная вода, молекулы которой координируются с катионами и которую минерал способен отдавать, не изменяя структуры. Благодаря системе каналов и полостей, пронизывающих кристаллы, цеолиты обладают хорошо развитой внутренней поверхностью, доступной для адсорбируемых молекул.

Цеолиты способны оказывать положительное влияние на физико-химические и агрохимические свойства почвы, оптимизируя их структурное состояние и кислотно-основной режим, а также фосфорное и кремниевое питание культурных растений, что в итоге продуктивно сказывается на их урожайности и качестве получаемой продукции. Кроме того, ряд таких материалов способен проявлять сорбционные свойства в отношении многих токсикантов (тяжелые металлы, остаточные количества пестицидов и др.), тем самым способствуя получению экологически безопасной продукции растениеводства. Что касается цеолитов, они в полной мере обладают соответствующими свойствами. Более того, проблема использования цеолитсодержащего минерального сырья имеет общемировое значение, поскольку они относятся к одной из групп биологически активного и экологически безопасного сырья, широко распространенного в природе.

Вышеизложенное определило цель наших исследований.

1. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. СХЕМЫ ПОЛЕВЫХ ОПЫТОВ И УСЛОВИЯ ИХ ПРОВЕДЕНИЯ

1.1 Цели, задачи и объекты

Цель исследований — изучить возможность повышения урожайности рапса и других культур (кукуруза, просо) при использовании в технологиях их возделывания органоминерального удобрения на основе модифицированного цеолита, обогащенного аминокислотами.

Задачи при этом следующие:

– провести полевые опыты с использованием в системе удобрения рапса, кукурузы и проса обогащенного аминокислотами цеолита на опытном поле Ульяновского ГАУ и в других хозяйствах Ульяновской области (КФХ Мельников Сурского района, ООО «Агрофирма Абушаев»);

– изучить влияние органоминерального удобрения на основе обогащенного аминокислотами цеолита на свойства почвы (агрофизические, водно-физические, биологические, агрохимические), урожайность и качество продукции;

– дать агрономическую, экологическую и экономическую оценку технологиям возделывания культур с применением обогащенного аминокислотами цеолита в системе удобрения.

Объекты исследования:

1. Цеолит природный Юшанского месторождения Ульяновской области.

Минералогический состав: клиноптилолит 39 %, монтмориллонит 30,4 %, опал-кристобалит 28,0 %, кальцит 10,6 %, кварц 7,9 %.

Химический состав: SiO2 58,11-69,39 %; AlO3 5,80-6,44 %; CaO 12,6-14,95 %; K2O 1,16-1,90 %; Fe2O3 1,21-2,10 %; MgO 1,77-2,00 %; Na2O 0,03-0,27 %; TiO2 0,26-0,34 %; MnO 0,00-0,01 %; P2O5 0,08-0,49 %; SiO2 аморф. 31,64 %. Соотношение Si/Al 10,01-10,74.

Ионообменные свойства: суммарная ионообменная (катионообменная) способность природного цеолита составляет 93,0 мг – экв /100 г. Основная роль в обмене принадлежит кальцию 86-88 %, доля калия составляет 5-8 %, натрия 3-4 %, магния 3 %. Водоудерживающая способность достигает 96,13 %.

Для обогащения цеолита использован аминокислотный состав, содержащий (%):

Аспарагиновая кислота 3,31±0,50;

– Глутаминовая кислота 2,88±0,43;

– Серин 0,70±0,11;

– Гистидин 0,52±0,08;

– Глицин 0,95±0,14;

– Треонин 0,60±0,09;

– Аргинин 0,89±0,13;

– Аланин 1,30±0,19;

– Тирозин 1,15±0,17;

– Цистин 0,32±0,05;

– Валин 1,82±0,27;

– Метионин 0,42±0,06;

– Фенилаланин 1,76±0,26;

– Изолейцин 3,18±0,48;

– Лейцин 4,46±0,67;

– Лизин 7,41±1,11;

– Пролин 3,10±0,46.

2. Сельскохозяйственные культуры:

– рапс яровой (Brassica napus), сорт Ратник

– кукуруза (Zea mays), гибрид П-8521 Пионер;

– просо (Panicium miliaceum), сорт Саратовская 12.

3. Почвы опытных полей:

– чернозем выщелоченный среднемощный среднесуглинистый с содержанием гумуса 6,1 %, подвижных Р2О5 и К2О (по Чирикову) 168 и 148 мг/кг соответственно, pHKCl – 5,40 единиц (ООО «Агрофирма Абушаев»);

– чернозем выщелоченный среднемощный среднесуглинистый с агрохимическими показателями: содержание гумуса 5,5 %, доступных фосфора и калия по Чирикову 75 и 100 мг/кг, pHKCl – 5,10 единиц (КФХ «Мельников»);

– чернозем типичный среднемощный среднесуглинистый: содержание гумуса 4,6 %, подвижных Р2О5 и К2О (по Чирикову) 155 и 85 мг/кг соответственно, pHKCl – 6,10 единиц.

1.2 Схемы полевых опытов и место их проведения

Изучение эффективности использования цеолита и удобрений на его основе проведены:

– при возделывании рапса в КФХ Мельников Сурского района по схеме:

1. Контроль

2. Цеолит, 250 кг/га

3. Цеолит, 500 кг/га

4. Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га

5. Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га

6. Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га

7. Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га

8. NPK (N40P40K40)

9. Цеолит, 250 кг/га + NPK

10. Цеолит, 500 кг/га + NPK

11. Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га + NPK

12. Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га + NPK

13. Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га + NPK

14. Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га + NPK

Учетная площадь делянки 40 м2, размещение их рендомизированное, повторность 3-х кратная.

Почва опытного поля — чернозем выщелоченный среднемощный среднесуглинистый. Удобрение — нитрофоска (16:16:16) и аммонийная селитра (34,5 %).

– при возделывании кукурузы в ООО «Агрофирма «Абушаев» Ульяновского района. Схема опыта аналогична.

Почва — чернозем выщелоченный среднемощный среднесуглинистый. Площадь учетной делянки 60 м2, повторность 3-х кратная, размещение их рендомизированное. Удобрение — нитрофоска (16:16:16), доза его под культуру по 60 кг. д. в./га

– возделывание проса проводилось на базе опытного поля Ульяновского ГАУ по схеме:

1. Контроль

2. Цеолит, 250 кг/га

3. Цеолит, 500 кг/га

4. Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га

5. Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га

6. Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га

7. Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га

8. NPK (N40P40K40) (нитрофоска)

Почва опытного поля — чернозем типичный среднемощный среднесуглинистый. Учетная площадь делянок 40 м2, размещение их рендомизированное, повторность 4-х кратная.

Схемы опытов предусматривали выявление оптимальных доз удобрений при возделывании той или иной культуры, в том числе при применении цеолита и его модификаций с аминокислотами и карбамидом как в чистом виде, так и на фоне минеральных удобрений. Уборку урожая проводили прямым комбайнированием с площади всей учетной делянки. Результаты исследований обработаны статистическими методами (Доспехов Б.А, 2011). Все опыты приняты методической комиссией университета, нарушений при их проведении не выявлено. Опыты продемонстрированы на двух научно-практических семинарах специалистов и руководителей сельскохозяйственных предприятий Ульяновской области с присутствием губернатора С.И. Морозова (приложение).

1.3 Методы и методики учетов, наблюдений, анализов

Методы определения показателей почвы:

– содержание гумуса по ГОСТ 26213-91

– азот общий ( N) ГОСТ 26107-84

– азот аммонийный (N-NH4) ГОСТ 26489-85

– азот нитратный (N-NO3) ГОСТ 26957-86

– оксид фосфора (Р2О5) ГОСТ 26204-91

– оксид калия (K2O) ГОСТ 26204-21

– медь (Cu) ГОСТ Р 50684-94, ГОСТ Р 50683-94

– цинк (Zn) ГОСТ Р 50686-94

– марганец (Mn) ГОСТ Р 50685-94

– кальций (Ca) ГОСТ 26487-85

– магний (Mg) ГОСТ 26487-85

– сера (S) ГОСТ26490-85

– кадмий (подвижная форма) РД 52.18.289-90

– свинец (подвижная форма) РД 52.18.289-90

– цинк (подвижная форма) РД 52.18.289-90, ГОСТ 50686-94

– никель (подвижная форма) РД 52.18.289-90

– медь (подвижная форма) РД 52.18.289-90, ГОСТ Р 50684-94

– марганец (подвижная форма) РД 52.18.289-90, ГОСТ Р 50682-94

– обменная кислотность (pHKCl) ГОСТ 26483-85

– гидролитическая кислотность (Нг) ГОСТ 26212-91

Методы определения качества продукции

– общий азот ГОСТ 13496.Н-93

– общий фосфор ГОСТ 26657-97

– общий калий ГОСТ 30504-97

– тяжелые металлы ГОСТ 30692-2000

Урожайность продукции определяли прямым комбайнированием с площади всей учетной делянки с пересчетом на 100 % – ую чистоту и стандартную влажность (ГОСТ 27548-97).

Химические анализы почвенных и растительных образцов выполнены в аккредитованной лаборатории «САС «Ульяновская» (№ КА.RU.510251). Учеты и наблюдения осуществляли на базе испытательной лаборатории «Ульяновская ГСХА» по общепринятым методикам.

Полевые опыты проводили в строгом соответствии с методическими требованиями и приняты методической комиссией Ульяновского ГАУ.

Результаты исследований статистически обрабатывали методами дисперсионного и корреляционно-регрессионного анализов с использованием программы MS Excel 2007 и Statistik C-I.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И РАЗРАБОТКА УДОБРЕНИЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ НА КРЕМНИСТОЙ ОСНОВЕ

2.1 Роль кремния в системе «почва-растение»

Проблема обеспечения устойчивого функционирования системы «почва-растение» на современном этапе развития и в условиях экономических санкций является решающей в сельскохозяйственном производстве. Сохранение почвенного покрова, его плодородия не только как основы сельскохозяйственного производства, но и основы биосферного благополучия окружающей среды, в настоящее время приобретает глобальное значение. Она обостряется в связи с резким падением вложений в аграрное производство и природоохранную деятельность, чему подтверждением является острая проблема качества получаемой продукции. Проведенный анализ научной литературы как отечественных, так и зарубежных исследователей позволяет сделать выводы о возможности решения настоящих проблем путем активизации кремния почвенно-поглащающего комплекса почв за счет создания устойчивых почвенно-биотических систем через применение кремнийсодержащих удобрений в агроэкосистемах.

В настоящее время отечественная, а в особенности зарубежная аграрная наука, имеет огромный интерес к роли кремния, как к элементу питания сельскохозяйственных культур. Доказано, что оптимизация кремниевого питания способствует повышению стабильности ДНК и РНК (Алешин Н.Е., 1982). Установлено наличие Si в рибосомах, митохондриях, хлоропластах, микросомах (Воронков М.Г., Барышок В.П., 2005). Одной из важнейших функций кремния является стимуляция развития корневой системы (Кудинова Л.И., 1975). При этом увеличивается количество вторичных и третичных корешков, общая и адсорбирующая поверхность (Матыченков В.В. и другие, 2002). Доказано, что кремний формирует защитную (иммунную) систему растений. По мнению В.В. Матыченкова (2008) такая универсальность заключается в способности активных кремниевых соединений способствовать быстрому и направленному синтезу специфических органических молекул внутри растительной клетки, которые помогают растению преодолевать или адаптироваться к стрессовым ситуациям. Следовательно, кремниевые удобрения позволяют повысить сопротивляемость растений к неблагоприятным факторам и, таким образом, снизить пестицидную нагрузку на агроэкосистемы.

Уникальная роль кремния в этом направлении в системе «почва-растение» обосновывает необходимость применения кремнийсодержащих веществ, в том числе природного (диатомиты, цеолиты, опоки, трепелы и т. д.) и искусственного (силатрановые стимуляторы роста) происхождения в качестве удобрения культурных растений, стимуляторов их развития и защиты, а также в качестве мелиорантов почвы и инактиваторов имеющихся в ней загрязняющих веществ. Что касается природных высококремнистых пород и возможностей применения в качестве удобрения сельскохозяйственных культур, необходимо иметь в виду не только содержание в них аморфного (доступного растениям) кремния, но и их уникальные физико-химические свойства и кристаллоструктурное строение. Последнее позволяет на их основе создать новые высокоэффективные, экологически безопасные удобрения сельскохозяйственных культур с внедрением в них тех или иных компонентов с тем, чтобы они наиболее полно соответствовали требованиям культур к питанию растений. Последнее, прежде всего, касается азота, которого породы не содержат. Проблему можно решить модификацией кремнистых пород внесением в них азота в той или иной форме, или соединений, которые активизировали бы процессы перехода элемента в почве из органической формы в минеральную (доступную растениям). Данным требованиям в полной мере соответствуют цеолиты.

Цеолиты представляют из себя водные алюмосиликаты кальция, натрия, бария и некоторых других элементов. Кремнекислородные и алюмокислородные тетраэдры цеолитов, обладающие общими ионами кислорода, слагают трехмерную решетку, образующие каркасную структуру — систему микрополостей, соединенных между собой достаточно широкими каналами. Молекулы воды в каналах координируются с катионами. Благодаря системе каналов и полостей, которые пронизывают кристаллы, цеолиты обладают хорошо развитой внутренней поверхностью, доступной для адсорбируемых молекул. Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут быть частично или полностью замещены другими путем ионного обмена и дегидратации, причем, что очень важно, обратимо и без разрушения каркаса цеолита.

Молекулярно-ситовые свойства цеолитов определяются эффективным диаметром «окон», которые в свою очередь, зависят от геометрических размеров последних и наличия в них обменных катионов. Для оценки возможности внедрения в цеолит тех или иных ионов или соединений, необходимо сравнивать диаметр входных «окон» цеолита с диаметром адсорбируемой молекулы или различных катионов. Цеолит способен адсорбировать только те молекулы, размер которых меньше его входных пор (или «окон»). Но чтобы заставить цеолит работать в нужном направлении, необходимо его подготовить, то есть провести предварительную его модификацию.

2.2 Технология изготовления удобрений на основе цеолита

Исследования, проведенные нами в предыдущие годы (2016, 2017, 2018 гг.) по изучению эффективности цеолита Юшанского месторождения Ульяновской области в качестве удобрения кукурузы, показали очень значительную прибавку зерна культуры: на 0,93 т/га от дозы 500 кг/га цеолита и 1,36 т/га — от дозы 2000 кг/га. Результаты опытов также подтвердили необходимость применения цеолита совместно с азотным удобрением: урожайность зерна кукурузы на варианте с внесением цеолита совместно с карбамидом (цеолит 500 кг/га + N60) не уступала, а превосходила вариант с применением полной дозы минеральных удобрений (N60P60K60). Следовательно, при возделывании сельскохозяйственных культур на черноземах лесостепи Поволжья с высоким содержанием доступных фосфора и калия при внесении в почву цеолита совместно с азотом нет необходимости применять фосфорные и калийные удобрения. Полученные в течение 3-х лет результаты, таким образом, показали, что при создании более эффективных удобрений на основе кремнистых пород необходимо внедрить в цеолит азотсодержащие соединения. В качестве последних наиболее перспективны аминокислоты с низким молекулярным весом (менее 10-и ангстрем), высокой биологической активностью за счет карбоксильных и аммонийных групп (СОО-, NH3+). Они легко проникают в микроскопические поры цеолита и активно участвуют в электронно-ионных процессах внутри цеолитов.

Начиная с 2016 года, инициативная группа, включающая ученых, технологов, производственников Ульяновской области, последовательно работала над созданием технологии управляемой модификации цеолитов для решения прикладных задач, в том числе в сельскохозяйственном производстве. Большую работу в этой области провели Ульяновский государственный университет им. П.А. Столыпина под руководством профессора Куликовой А.Х. и научно-производственный комплекс «ИнБиоТех» во главе генеральным директором А.И. Ухановым и главным технологом Е.В. Панкратовой. В результате этих изысканий разработана технология создания уникального продукта на основе модифицированного цеолита, обогащенного аминокислотами низкого молекулярного веса. Новое органоминеральное удобрение получило название «ВитаБент Агро», производство его состоит из четырех основных этапов:

1-й этап: Механическая + Термическая активация

1.1 Механическая активация. Цеолит, предназначенный для производства и прошедший входной контроль, поступает на участок механической активации, где за счет избирательного дробления и последующего рассева происходит обогащение цеолита на 10-20 %. Эффект избирательного дробления происходит за счет того, что клиноптилолит и биокальцит имеют значительно меньшую твердость, чем кварц и вулканическое стекло (примеси, содержащиеся в породе), а также различаются по плотности. Каскадная механическая активация природного цеолита позволяет изменять минералогический состав исходного сырья, а именно: очистить природный цеолит от примесей и получить продукт с максимальным содержанием активных компонентов — клиноптилолита и бентонита. Механическая активация дает возможность удалить пылевидную фракцию, которая включает в себя посторонние примеси (потери при прокаливании) и тонкую фракцию кварцевого песка, которые присутствуют в природном цеолите. После механической активации подготовленное сырье поступает на дальнейшую термическую активацию.

1.2 Термическая активация. После механической активации продукт поступает на специализированную установку термической активации, где при индивидуальных расчетных диапазонах температуры происходит дегидратация цеолита — удаление цеолитной воды, газообразных и органических примесей, которые порода сорбирует в естественных условиях. Стадия термической активации проходит без нарушения структуры кристалла, что позволяет сохранить в нем в неизменном количестве жизненно-важные элементы.

Термическая активация природного цеолита позволяет значительно увеличить его адсорбционную емкость – систему полостей и каналов. Она становится более доступной для адсорбируемых молекул, а также при этом погибает патогенная микрофлора, которая может присутствовать в естественной породе. Специфическая поверхность цеолита, прошедшая активацию, увеличивается более, чем в три раза, по сравнению с неактивированным цеолитом.

2-й этап: Подготовка аминокислот к процессу обогащения цеолита

В кубические емкости поступает вода (дистиллированная, подогретая до 35-40 градусов Цельсия). Далее в емкости отмеряются и выливаются аминокислоты в определенном количестве и осуществляется перемешивание компонентов до однородного состояния. Перемешивается медленно, чтобы избежать образования пены. Затем подготовленная смесь подается по трубопроводам в расходный бак смесительной установки.

3-й этап: Обогащение цеолита аминокислотами (или другими компонентами).

Процесс обогащения начинается со взвешивания и подачи модифицированного в результате механической и термической активации цеолита в смеситель. Далее в смеситель подается через разбрызгиватель водная смесь аминокислот.

Весь процесс автоматизирован, управляется из операторской через компьютер по заданной программе. Расчетное время подачи водного раствора аминокислот составляет 8 минут (установлено опытным путем). На одну тонну модифицированного цеолита подается 80-100 литров водного раствора аминокислот. Перемешивание проводится интенсивно. Для улучшения адсорбционной способности цеолита необходимо проводить его подогрев до температуры 35-45 градусов.

Данная технологическая линия позволяет изготовить удобрение на основе модифицированного цеолита с внедрением в него других компонентов (например, карбамида) по требованию того или иного потребителя.

4-й этап: Фасовка полученного удобрения в биг-беги (полипропиленовые мешки с плотным полиэтиленовым вкладышем по 650 кг или в бумажные многослойные мешки по 25 кг). Может использоваться другая тара по согласованию с потребителем на данную продукцию.

По данной технологии нами совместно с научно-производственным комплексом «ИнБиоТех» впервые в России разработан состав и изготовлены экспериментальные образцы новых удобрений на основе цеолита Юшанского месторождения Ульяновской области внедрением в него аминокислот животного месторождения и карбамида; проведены полевые испытание их при возделывании рапса, кукурузы и проса.

3. ВЛИЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ НА СВОЙСТВА ПОЧВЫ

3.1 Агрофизические и водно-физические показатели

Регулирование физических свойств почв, к которым относятся гранулометрический состав, структурное состояние, плотность и пористость (общая, капиллярная и некапиллярная), имеет исключительно важное значение. Именно физическое состояние почв определяет водный и тепловой режимы почв, направленность микробиологических, биохимических, физико–химических процессов, происходящих в них и определяющих эффективное плодородие почвы (Кузнецова И.В., Бондарев А.Г., Данилова В.И., 2000; Тимонов В.Ю., Чернышева Н.М. и др., 2009).

В таблице 1 представлены агрофизические показатели чернозема выщелоченного при возделывании кукурузы с использованием в качестве удобрения цеолита, а также цеолита, обогащенного аминокислотами и карбамидом по 8-ми вариантам.

Данные таблицы свидетельствуют, что физическое состояние почвы опытного поля (чернозем выщелоченный) мало соответствует требованиям возделываемой культуры: плотность пахотного слоя на контроле составляла 1,25 г/см3, содержание агрономически ценных агрегатов размерами 0–0,25 мм 56,3 %., коэффициент структурности ниже оптимальных значений (2 и более, Буров Д.И., 1970). Следует отметить, что кукуруза является требовательной к физическому состоянию почвы. Это связано с ее корневой системой, которая в первые недели жизни формирует первый ярус первичных корней. По мере развития образуется второй ярус, который распространяется как в сторону, так и глубину до 30–35 см, затем проникает в почву до 60 см и более.

Следовательно, основная часть чувствительных (питающих) корней находится в слое 20–40 см и, соответственно, необходимо создавать оптимальное физическое состояние почвы до глубины не менее 30 см. По результатам наших исследований (Куликова А.Х., 1997) оптимальными для пропашных культур , в том числе кукурузы, являются:

– глубина пахотного слоя – 28–30 см;

– плотность почвы – 1,07–1,16 г/см3;

– общая пористость – 56–59 %;

– капиллярная пористость – 36–37 %;

– пористость аэрации – 20–22 %;

– содержание водопрочных агрегатов – более 58 %;

– коэффициент структурности – не менее 2,3.

Таблица 1 – Показатели физического состояния чернозема выщелоченного под посевами кукурузы при внесении в почву цеолита и экспериментальных удобрений

Вариант Содержание агрегатов, % (сухое просеивание) Кс* Содержание водопрочных агрегатов, % Плотность почвы, г/см3
>10 мм 10–0,25мм <0,25мм 3–0,25 мм <0,25 мм
Контроль (без удобрений) 38,5 56,3 5,2 1,29 69,8 30,2 1,25
Цеолит, 250 кг/га 33,7 61,9 4,4 1,62 71,5 28,5 1,20
Цеолит, 500 кг/га 25,2 70,9 4,5 2,36 73,5 26,5 1,14
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

250 кг/га

24,8 71,2 4,0 2,00 73,2 26,8 1,18
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

500 кг/га

21,4 74,8 3,8 2,52 75,7 24,2 1,12
Цеолит, обогащен-ный карбамидом, 250 кг/га 27,5 68,2 4,3 1,86 70,9 23,1 1,20
Цеолит, обогащен-ный карбамидом, 500 кг/га 25,1 70,8 4,1 2,15 74,8 25,2 1,14
N60P60K60 35,2 58,8 6,1 1,42 69,0 31,0 1,26
НСР 05 1,5 3,4 0,2 3,0 1,3 0,02

*Кс – коэффициент структурности

При внесении в почву цеолита физическое состояние почвы значительно улучшилось, особенно при применении более высокой его дозы (500 кг/га) и обогащении аминокислотами, при использовании которых данные показатели приобрели оптимальные для кукурузы значения: плотность пахотного слоя составила 1,14 и 1,12 г/см3, коэффициент структурности 2,36 и 2,52, содержание водопрочных агрегатов 73,5 и 75,7 %. При внесении в почву цеолита в дозе 500 кг/га значительно увеличилась общая пористость, в том числе капиллярная и некапиллярная на 9; 4,2 и 4,8 % соответственно (абсолютные значения, на контроле 48,0; 32,6 и 15,4 %). Таким образом, улучшилось состояние строения пахотного слоя почвы и стало соответствовать требованиям данной культуры. Ряд авторов считает, что поликремниевые кислоты (так же, как гуминовые кислоты) способны при присутствии катионов кальция склеивать почвенные частицы в агрегаты (Аммосова Я.Ш. и др., 1990; Norton l.D., 1993). Следует отметить, что при этом повысилось содержание водопрочных агрегатов в почве от 69,8 % на контроле до 73,2–75,7 % на вариантах с внесением цеолита, обогащенного аминокислотами, соответственно дозам 250 и 500 кг/га. Эффективность цеолита, обогащенного карбамидом, в этом отношении была ниже. Минеральные удобрения достоверного влияния на структурно–агрегатный состав и плотность почвы пахотного слоя чернозема выщелоченного не оказали.

Таким образом, цеолит Юшанского месторождения при применении как в чистом виде, так и, особенно, обогащении его аминокислотами, оказал достоверное положительное влияние на физические показатели пахотного слоя чернозема выщелоченного, которые приобрели оптимальные для возделывания культуры значения. При этом количество агрономически ценных агрегатов (0,25–10 мм) увеличилось на 5,6–18,5 % (абсолютные значения), водопрочных на 2,0–5,9 % (абсолютные значения), коэффициент структурности повысился с 1,25 на контроле до 1,62–2,52 единиц. Плотность почвы приобрела оптимальное для кукурузы значение.

Аналогичные результаты установлены при возделывании проса (таблица 2). Внесение цеолита и удобрений на его основе в дозах 250 и 500 кг/га привело к значительному повышению коэффициента структурности, что в свою очередь сопровождалось повышением содержания агрономически ценных агрегатов на 3,7 и 11,4 %, соответственно строение пахотного слоя стало более оптимальным с плотностью 1,081,18 г/см3.

Таблица 2 — Влияние цеолита и удобрений на его основе на структурное состояние и плотность почвы чернозема типичного под посевами проса, слой почвы 0 — 30 см

Вариант Содержание агрегатов, % (сухое просеивание) Кс (коэффициент структурности) Плотность почвы, г/см3
>10 мм 10–0,25мм <0,25мм
Контроль (без удобрений) 26,4 64,2 9,4 1,77 1,26
Цеолит, 250 кг/га 23,8 67,9 8,3 2,11 1,18
Цеолит, 500 кг/га 19,3 75,6 5,1 3,10 1,10
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 29,1 69,9 1,0 2,33 1,14
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 18,7 75,7 5,5 3,13 1,08
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 27,1 68,4 4,5 2,17 1,14
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 22,7 72,1 5,2 2,58 1,12
N40P40K40 27,3 66,1 6,1 1,98 1,20

Водно–физические свойства

Проблема регулирования водного режима почвы, то есть накопления, сохранения и рационального использования почвенной влаги является одной из главнейших в земледелии, особенно в засушливых регионах, в том числе лесостепи Поволжья, где она находится в первом минимуме и является фактором, часто резко ограничивающим продукционный процесс растений. В этих условиях очень важно наряду с агротехническими приемами, направленными на сбережение и экономное расходование почвенной влаги, использование природных сорбентов, которые способны поглощать, удерживать в почвах и медленно расходовать воду, необходимые растениям питательные компоненты. В этой связи открываются большие перспективы не только использования их в этом качестве, но и создания на их основе принципиально новых видов удобрительных смесей, удобрений, обладающих наиболее рациональным режимом взаимодействия с растениями (Дистанов У.Г., 1989). В этом отношении большое значение имеют высококремнистые породы, в том числе и цеолиты. Например, модифицированный по технологии ООО «ИнБиоТех» цеолит (дегидратированный), лишенный воды, представляет собой микропористую кристаллическую «губку», объем которой составляет до 50 % каркаса цеолита. При этом положительное действие высококремнистых пород может быть обусловлено не только кристалло–структурными свойствами самих пород (характер пористости, адсорбционная способность и т.д.), но и свойствами аморфного кремнезема (Айлер Р.К., 1982; Matichenkov V.V., Bocharnikova E.A., 2001, 2004; Матыченков В.В., 2008). Например, Матыченков В.В. (2008) приводит данные, показывающие, что один атом кремния может удерживать до 119 молекул воды. Свежекремниевый гель кремниевой кислоты может содержать до 330 молей H2O на один моль SiO2 (Айлер Р.К., 1982).

В таблице 3 представлены запасы продуктивной влаги в почве под посевами кукурузы.

Таблица 3 – Запасы продуктивной влаги в почве под посевами кукурузы (почва – чернозем выщелоченный), мм

Вариант Посев Уборка
слой почвы, см
0–30 0–100 0–30 0–100
Контроль (без удобрений) 37 149 30 111
Цеолит, 250 кг/га 41 159 34 118
Цеолит, 500 кг/га 49 162 38 123
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 43 157 38 121
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 45 165 38 126
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 40 154 35 119
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 39 153 36 120
N60P60K60 36 150 29 104
НСР05 3 7 4 6

Данные таблицы показывают, что зимне–весенние запасы влаги в условиях лесостепи Поволжья как в пахотном, так и в метровом слое вполне достаточны для получения нормальных всходов (табл. 4).

Таблица 4 – Оценка влагообеспеченности почвы для растений (Бондарев А.Г., 1996)

Запасы продуктивной влаги, мм Обеспеченность
в слое 0–20 см в слое 0–100 см
<20 <50 недостаточная
20–30 50–150 достаточная
30–40 150–200 оптимальная
>40 >200 избыточная

При внесении в почву цеолита как в чистом виде, так и обогащенного аминокислотами и карбамидом, наблюдали повышение водоудерживающей способности чернозема выщелоченного: уже в начале вегетации культуры запасы доступной влаги в пахотном слое достоверно увеличились на 2–12 мм, метровом – на 4–16 мм. Преимущество данных вариантов сохранялось в течение всей вегетации, несмотря на усиленное потребление культурой влаги на формирование урожая.

Возвращаясь к механизму удерживания влаги высококремнистыми породами, следует отметить, что положительное действие их на водный режим обусловлено не только физико–химическими свойствами самих пород (характер пористости, адсорбционная способность и т.д.), но и свойствами (как отмечалось выше) аморфного кремнезема.

Рядом авторов показано, что внесение в почву активных форм кремния сопровождается повышением водоудерживающей способности почвы, засухоустойчивости растений и эффективности использования ими почвенной влаги (Aston M.T., Jones M.M., 1976; Matichenkov V.V., Bocharnikova E.A., 2004). В. В. Матыченков утверждает, что наряду с увеличением корневой системы растений при внесении в почву жидких или твердых веществ, содержащих доступный для растений кремний, снижение уровня транспирации и повышение водоудерживающей способности почвы приводит к тому, что 20–30 % поглощенного кремния может быть израсходовано на создание и поддержку внутреннего резерва воды в растении.

Как уже неоднократно отмечалось, природные сорбенты отличаются высокими адсорбционными свойствами. Особенно это выражено у кремнезема. Поверхность его при гидратации покрывается монослоем гидроксильных групп ОН. Атомы Si имеют тетраэдрическую координацию с кислородом и при реакции с H2O образуют группу SiOH (Айлер Р.К., 1959; Рочев В.Н., Швейкина Р.В., Барсукова Г.А., 1980). Имея большую удельную поверхность, высококремнистые породы способны удерживать в себе значительное количество влаги, сохраняя ее в пахотном слое и постепенно расходуя в течение вегетации, так как она остается доступной. Выше цитированные авторы считают, что это имеет большое значение для удерживания, сохранения и пролонгированного действия элементов питания, особенно при внесении удобрений. Последнее связано с тем, что адсорбция OH на кремнеземе первична, а других катионов – вторична, которые затем легко переходят в почвенный раствор, улучшая питательный режим почвы. Кроме того, гидратированный аморфный кремнезем является наиболее биологически активным (обусловлено наличием ОН). Малые размеры и высокая поляризуемость позволяет силикат – ионам легко проникать через клеточную мембрану, питая растение кремнием.

Аналогичные результаты наблюдали в 2020 году при возделывании проса (табл. 5) и рапса (табл. 6).

Таблица 5 – Влияние цеолита и удобрений на его основе на запасы продуктивной влаги в почве под посевами проса (почва – чернозем типичный), средние за вегетационный период 2020 г., мм

Вариант Слой почвы
0–20 см 0–100 см
Контроль 33 153
Цеолит, 250 кг/га 38 160
Цеолит, 500 кг/га 44 167
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 40 159
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 39 168
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 35 159
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 37 169
N40P40K40 36 155
НСР05 3 7

Вегетационный период 2020 года характеризовался количеством осадков выше нормы в первой его половине, тем не менее, запасы продуктивной влаги при внесении в почву цеолита в дозе 500 кг/гапод посевами проса в пахотном слое увеличились на 10, метровом – на 14 мм. Водоудерживающая способность почвы также повысилась при применении цеолита, обогащенного аминокислотами и карбамидом (на 4–6 и 15–16 мм). Последнее обеспечило растения достаточным количеством влаги в период более засушливого периода второй половины вегетации культуры.

Таблица 6 – Влияние удобрений на запасы продуктивной влаги в почве под посевами рапса (почва – чернозем выщелоченный), средние за вегетационный период 2020 г., мм

Вариант Слой почвы
0–30 см 0–100 см
Контроль 34 112
Цеолит, 500 кг/га 37 113
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 37 114
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 37 114
НСР05 2 5

Под посевами рапса при применении экспериментальных удобрений влагообеспеченность культуры, также была на более высоком уровне.

Таким образом, высококремнистые породы, в данном случае, цеолит Юшанского месторождения Ульяновской области, в значительной степени способствуют усилению водоудерживающей способности черноземов, экономному и рациональному расходованию продуктивной влаги в течение вегетации сельскохозяйственных культур. При этом запасы продуктивной влаги в пахотном слое в начале вегетации кукурузы при внесении цеолита в чистом виде в зависимости от дозы породы были выше на 4–10 мм, метровом – на 10–13 мм; при внесении цеолита, обогащенного аминокислотами на 6–8 и 8–16 мм соответственно. Такую же закономерность наблюдали при использовании в качестве удобрения цеолита, обогащенного карбамидом. Результаты изучения водного режима чернозема типичного при возделывании проса были аналогичны. Несмотря на то, что погодные условия вегетации проса отличались достаточной обеспеченностью влагой, преимущество в запасах продуктивной влаги в пахотном и метровом слоях при внесении цеолита и удобрений на его основе составило 4–11 и 14–16 мм соответственно. Аналогичную закономерность наблюдали при применении цеолита и его модификаций аминокислотами и карбамидом при возделывании рапса.

3.2 Биологические свойства

Многочисленными исследованиями почв (Аристовская Т.В., 1980; Rica W.A., Clayton G.W., 1999; Терехова В.А., 2001; Матаруева И.А., 2005; Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Т.М., 2005; Добровольская Т.Г. и др. 2009; Емцев В.Т., Мишустин Е.Н., 2016) установлена первоочередная значимость почвенной биоты в протекании самых разнообразных биохимических и биологических процессов в почве, которые и формируют ее естественное плодородие. При этом функции их чрезвычайно разнообразны. Однако одна из главных функций – обеспечение корневого питания растений за счет ферментативной или иной химической способности постепенно переводит труднорастворимые и труднодоступные элементы питания в соединения, способные усваиваться растениями. Ими (почвенной биотой) осуществляется процессы аммонификации растительных и животных остатков, нитрификация промежуточных азотсодержащих продуктов, трансформация промежуточных азотсодержащих продуктов, трансформация минеральной части почвы, органических и минеральных удобрений, иных соединений почвенной системы и т.д. В связи с этим важно оценить биологическое состояние почвы при применении любых агротехнических приемов, так как почвенные организмы являются одним из самых чувствительных индикаторов любых изменений, происходящих в почве под влиянием (действием) тех или иных факторов.

Почвенная биота представляет из себя чрезвычайно сложный комплекс разнообразных организмов. Она включает в себя микро–, мезо– и микрофауну, а также живые корни растений. Однако основная доля при этом приходится на микрофлору (бактерии, актиномицеты, микроскопические грибы и водоросли), которые составляют самую большую часть живой биомассы и отличаются самой высокой интенсивностью метаболизма (Звягинцев Д.Г. и др., 2005; Матаруева И.А., 2005). В связи с этим достаточно сложно, особенно для использования в практических условиях реального производства, подобрать интегральный показатель оценки состояния деятельности микроорганизмов. Исследования почвенной микробиоты предполагают изучение численности и разнообразия почвообитающих микроорганизмов, численности представителей различных эколого–трофических групп, биохимической и ферментативной активности выделяемых ими метаболитов, почвенного «дыхания» (т.е. выделения СО2), интенсивности биогенной минерализации различных компонентов органического вещества и окислительно–восстановительных преобразований минеральной части почвы. Именно они являются информативными показателями для оценки состояния микроценозов почвы и в целом биогеоценозов. Тем не менее, наиболее адекватными показателями деятельности микроорганизмов считаются скорость разложения целлюлозы, общая протеазная активность, биомасса микроорганизмов (Сорокин И.Д., 1996). Интенсивность разрушения клетчатки в почве характеризует энергию круговорота азота, а общая протеазная активность – азота почвенными организмами. Емцев В.Т. и Мишустин Е.М., (2016) считают, что метод аппликации достаточно полно характеризует общую направленность микробиологичпеских процессов в почве. Разложение целлюлозы (клетчатки), которая является одним из основных компонентов органического вещества почвы, осуществляется самыми разными группами микроорганизмов (истинными бактериями, миксобактериями, актиномицетами, грибной микрофлорой) и часто служит показателем общей биологической активности почвы. В таблице 7 приведены показатели деятельности целлюлозоразрушающих микроорганизмов под посевами проса методом аппликации (по степени разрушения льняного полотна).

Таблица 7 – Влияние цеолита и удобрений на его основе на биологическую активность пахотного слоя почвы под посевами проса

Вариант Биологическая активность, % Отклонение от контроля
%, абсолютное значение %, относительное значение
Контроль 12,5
Цеолит, 250 кг/га 13,3 +0,8 +6
Цеолит, 500 кг/га 14,1 +1,6 +13
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 18,7 +6,2 +50
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 20,5 +8,0 +64
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 16,3 +3,8 +30
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 19,7 +7,2 +58
N40P40K40 18,8 +6,3 +50
НСР05 3,6

При анализе данных таблицы 7 обращает на себя внимание достаточно невысокая степень разложения льняного полотна, которая практически не превышает 20 %, а на контрольном варианте всего 12,5 %. Последнее обусловлено засушливыми условиями второй половины вегетации культуры. Тем не менее, внесение в почву цеолита сопровождалось заметным усилением деятельности почвенных микроорганизмов — на 6 и 13 % (относительные значения) соответственно дозам породы, что несомненно обусловлено улучшением при этом структурного состояния и пахотного слоя почвы. Очень значительно повышалась биологическая активность почвы при применении в качестве удобрения цеолита, обогащенного аминокислотами, – на 50 и 64 относительных процента. По-видимому, внесение активного кремнезема в почву с биологически активными аминокислотами непосредственно влияет на деятельность почвенной микрофлоры, механизм которой мало изучен.

Создание оптимальных условий для жизнедеятельности микроорганизмов через улучшение физических и водно–физических свойств почвы обеспечивает улучшение питательного режима почвы и формирование (как будет показано ниже) более высокой урожайности сельскохозяйственных культур.

3.3 Агрохимические показатели

Нет сомнения в том, что усиление деятельности почвенных микроорганизмов способствует улучшению питательного режима почвы, поскольку они являются главными агентами, способствующими переводу труднодоступных форм элементов в доступные для растений соединения. При этом влияние кремниевых соединений (удобрений) на эффективное плодородие почвы, прежде всего, связывают с положительным действием на содержание доступного растениям фосфора.

Изучение взаимодействия кремниевых и фосфорных соединений имеет достаточно длительную историю, начиная с конца 19–го века и до настоящего времени. Было установлено (доказано), что кремниевые соединения способствуют переводу недоступных фосфатов в доступные, а также препятствуют фиксации фосфора (например, вносимых с минеральными удобрениями почвой). Более того, по расчетам В.В. Матыченкова (2008) кремниевые соединения могут снизить расход фосфорных удобрений на 30–50 %.

Механизм взаимовлияния силикат– и фосфат–ионов до конца не выяснен. Было высказано несколько гипотез влияния кремниевых соединений на фосфаты. Наиболее распространенное мнение, высказанное в 1949 году К.Л. Аскинази и многократно подтвержденное в последующем, что анион кремниевой кислоты вытесняет фосфат–ион из труднодоступных фосфатов с образованием соответствующих силикатов (Аскинази К.Л., 1949; Рочев В.А., Швейкина Р.В., Барсукова Г.А., Попова Н.Н., 1980); Гладкова К.Ф., 1982; Матыченков В.В., Бочарникова Е.А., 2003; Самсонова Н.Е., 2005, 2019; Матыченков В.В., 2008; Куликова А.Х., 2013; Матыченков И.В., 2014):

СаНРО4 +Si(OH)4=CaSiO3+H2O+H3PO4

2Al(H2PO4)3+2Si(OH)4+5H+=Al2Si2O5+5H3PO4+5H2O

2FePO4+Si(OH)4+2H+=Fe2SiO4+2H3PO4

Модельные и полевые эксперименты подтвердили наличие данных процессов в почве. В частности, в полевых опытах с применением диатомита в качестве удобрения нами установлена прямая линейная зависимость между повышением количества монокремниевой кислоты при внесении в почву кремнийсодержащей породы и увеличением содержания в ней подвижного фосфора. Уравнение регрессии имеет вид:

у=49,46+3,33х (R=0,6)

где у – содержание Р2О5, мг/кг почвы;

х – содержание водорастворимого кремния, мг/кг почвы.

В силу большого разнообразия в природных условиях факторов, влияющих на взаимодействие кремниевых и фосфорных соединений, справедливо предположить, что существует ряд других механизмов. Например, возможен анионный обмен SiO2 на анионы фосфорной кислоты (Read W.L., 1973); анионы кремниевой кислоты способны блокировать активные карбонаты почвенного раствора, предохраняя тем самым внесенные с удобрением фосфаты от ретроградации (Акентьева М.В., 1952); при внесении кремнийсодержащих соединений возможно снижение фиксирующей способности коллоидной фракции почв менее 0,1 мк в отношении фосфатов (Иванов А.Л., 1992) и т.д.

При использовании кремнийсодержащих пород в качестве удобрения сельскохозяйственных культур (как было сказано выше) проблемной остается азотное питание растений, особенно на почвах, бедных органическим веществом. Тем не менее, ряд исследователей отмечают заметное улучшение азотного питания культур при внесении кремнистых пород в почву (Рочев В.А., Швейкина Р.В. и др., 1980; Кинтаналья М.Г.Ф, 1987; Матыченков В.В., 2008; Куликова А.Х., 2013: Guo et. al., 2010). При этом авторы объясняют это непосредственным влиянием активных форм кремния на деятельность почвенных микроорганизмов, благодаря чему усиливаются процессы аммонификации, нитрификации, связывания атмосферного азота (Воронков М.Г., Зелчан Г.И., 1990; Самсонова И.Е., 2001). Установлен так же синергизм действия азотных и кремниевых удобрений при их совместном применении на свойства почвы и возделываемые культуры (Ma J.F., Takahashi E., 2002; Yang et. al., 2008).

Кремниевые соединения способствуют улучшению питания растений не только азотом и фосфором, но и другими элементами, в частности, калием (Khalid R.A, Silva L.A., 1978; Бочарникова Е.А., Матыченков В.В., Матыченков И.В., 2011). Микроорганизмы, способные воздействовать на минеральную часть почвы (например, бактерии Bacillus mucilaginosus), активно разлагают труднорастворимые минералы в почвах (силикаты, глинистые минералы, апатиты, фосфориты), что сопровождается высвобождением и поступлением в почвенный раствор ионов калия, водорастворимых форм кремния, подвижных соединений фосфора, которые таким образом становятся доступными растениям.

Проведенные нами исследования показали значительное улучшение питательного режима почвы при внесении в почву цеолита как в чистом виде, так и обогащенного аминокислотами и карбамидом (табл. 8,9,10).

Данные таблиц убедительно доказывают, что внесение в почву цеолита, обогащенного аминокислотами и карбамидом по сравнению с применением породы в чистом виде, способствует очень значительному повышению содержания в почвенном растворе минерального азота (N–NO3+N–NH4+): на 0,8–1,8 мг/кг (10–22 %) под посевами кукурузы, на 5,1–6,5 мг/кг под посевами проса (27–35 %) и на 16–25,5 мг/кг почвы под посевами рапса (65-104 %). Аминокислоты (как отмечалось выше), имея маленький размер молекул (менее 10–и ангстрем) и высокую биологическую активность, легко проникают в поры цеолита при его внедрении и так же легко высвобождаются при поступлении в почву, обогащая ее доступным азотом.

Таблица 8 – Влияние экспериментальных удобрений на содержание основных элементов питания в пахотном слое почвы (мг/кг) и ее обменную кислотность (единиц рНKCl) под посевами кукурузы (среднее за вегетацию)

Вариант рНKCl N–NO3+N–NH4 P2O5 K2O
содержание отклонение от контроля содержание отклонение от контроля содержание отклонение от контроля
Контроль (без удобрений) 5,40 8,1 168 148
Цеолит, 250 кг/га 5,75 8,5 +0,4 173 +5 154 +6
Цеолит, 500 кг/га 5,86 8,7 +0,6 178 +10 158 +10
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 5,74 9,1 +1,0 174 +6 155 +7
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 5,78 9,9 +1,8 176 +8 153 +8
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 5,63 8,9 +0,8 171 +3 154 +5
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 5,55 9,3 +1,2 172 +4 175 +6
N60P60K60 5,36 11,1 +3,0 188 +20 169 +21
HCP05 0,11 0,4 5 6

Таблица 9 – Влияние цеолита, в том числе обогащенного аминокислотами и карбамидом на агрохимические показатели чернозема выщелоченного под посевами рапса

Вариант (NH4+ NO3), мг/кг P2O5, мг/кг K2O, мг/кг pHKCl Hg, моль /100 г Гумус, %
Контроль 24,4 75 100 5,10 6,81 5,5
Цеолит, 250 кг/га + NPK 29,1 75 110 5,21 6,69 5,5
Цеолит , 500 кг/га + NPK 44,3 90 140 5,31 6,38 5,6
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га+ NPK 42,2 80 130 5,22 6,38 5,5
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га + NPK 49,9 100 185 5,35 6,47 5,6
Цеолит, обогащенный карбамидом , 250 кг/га + NPK 40,4 105 180 5,28 6,48 5,5
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га + NPK 41,4 95 180 5,28 6,38 5,6
НСР05 1,0 6 9 0,10 0,21 0,2

Таблица 10 – Влияние цеолита и удобрений на содержание доступных элементов питания в пахотном слое почвы под посевами проса

Вариант pHKCl Нг, ммоль/100 г (N-NH4+N-NO3), мг/кг P2O5, мг/кг K2O, мг/кг SiO2, мг/кг
Контроль 5,8 2,4 7,9 156 85 27,2
Цеолит, 250 кг/га 5,9 2,2 8,3 169 90 33,0
Цеолит, 500 кг/га 6,3 1,9 9,2 180 110 37,9
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

250 кг/га

5,9 2,3 9,2 173 100 35,1
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

500 кг/га

6,4 1,4 8,6 179 98 38,1
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 5,8 2,4 9,0 170 95 32,8
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 6,3 1,7 9,2 171 105 35,8
NPK (N40P40K40) 5,9 2,2 12,2 213 138 38,9
НСР05 0,1 0,2 0,2 4 3 1,0

Кроме того, справедливо допустить несомненную активизацию при этом деятельности почвенных микроорганизмов, прежде всего, аммонификаторов и нитрификаторов, что ускоряет минерализацию органических соединений и переход азота в минеральные формы (NH4+,NO3), доступные растениям. Обогащенный техническим азотом (карбамидом) цеолит в этом отношении несколько уступает.

При внесении в почву цеолита в пахотном слое увеличилось количество доступных растениям фосфора и калия до 10 мг/кг посевами кукурузы, на 13 – 25 мг/кг – проса и 20-40 мг/кг почвы – рапса, что подтверждает роль кремниевых соединений в повышении доступности данных элементов. Следует отметить при этом, что если под посевами кукурузы при внесении обогащенного аминокислотами не произошло увеличения содержания фосфора и калия по отношению к варианту с применением цеолита в чистом виде, то под посевами проса и рапса произошло значительное увеличение данных элементов. Последнее напрямую связано активизацией деятельности микроорганизмов в большей степени под посевами проса. Уравнение прямой корреляции имеет вид:

у = 0,53 х + 128,93,

где у – содержание доступного фосфора, мг/кг;

х – биологическая активность, %.

Рисунок 1 – Зависимость содержания Р2О5 от биологической активности почвы (под посевами проса)

 

Особо следует остановиться на изменении реакции почвенного раствора (рНKCl) пахотного слоя при внесении цеолита в почву. При этом в почве 2–го и 3–го вариантов под посевами кукурузы сдвиг кислотности в зависимости от дозы породы составил 0,35 и 0,46 единиц рНKCl, проса — 0,12-0,50 единиц. Под посевами рапса даже на фоне NPK кислотность пахотного слоя чернозема выщелоченного снизилась на 0,1-0,21 единицы. Учитывая, что доза цеолита невысокая (250 и 500 кг/га), следует признать несомненную нейтрализующую кислотность почвы способность цеолита. В наших предыдущих исследованиях установлено, что при более высоких дозах цеолита (6–12 т/га) снижение обменной кислотности на дерново–подзолистых почвах может достигать 1,11 ед. рНKCl и более (Козлов А.В., Куликова А.Х., Румянцев Р.И., 2020). Последнее, обусловлено достаточно высоким содержанием в цеолите Юшанского месторождения Ульяновской области кальция и магния (17 %). Однако в вариантах, где вносили цеолит, обогащенный карбамидом, нейтрализующая эффективность удобрения несколько снижалась. По–видимому, карбамид поступая в почву в составе цеолита, быстро аммонифицируется (под действием фермента уреазы, выделяемой уробактериями), затем постепенно подвергается нитрификации с образованием азотной кислоты. На стадии нитрификации временное подщелачивание почвы сменяется сдвигом реакции в сторону подкисления. Динамика этих процессов и определяет кислотно–основное состояние почвы при этом.

Заслуживает внимания изменение содержания доступного кремния в почве при внесении цеолита, в том числе обогащенного аминокислотами и карбамидом (табл. 10).

Мы неоднократно утверждали, что установлено благоприятное влияние кремния и кремнийсодержащих соединений на питательный режим почвы. Однако сам кремний так же является необходимым и незаменимым элементом питания растений. Растения обычно потребляют 50–200 кг/га Si/га и вынос его с 1 гектара в зависимости от культуры и ее урожайности может составить 300–700 кг/га (Самсонова Н.Е., 2019). Поскольку практически кремниевые удобрения в стране не применяются, на любых почвах, как правило, создается отрицательный баланс доступного для растения кремния. Последний может стать ограничивающим урожайность культур элементом. Поэтому очень важно определить обеспеченность почв доступными формами кремния. Однако, как справедливо отмечает Н.Е. Самсонова (2019), до настоящего времени отсутствует надежная информация о степени обеспеченности почв данным элементом, о потребности сельскохозяйственных культур в кремнии и как они соотносятся между собой. Исследователи нашей страны чаще всего используют градацию почв по дефициту доступного кремния, предложенную В.В. Матыченковым в 2007 году (табл. 11).

Таблица 11 – Градация почв по дефициту доступного для растений кремния, Si мг/кг почвы

Уровень дефицита Si в почве Актуальный Si Потенциальный Si Активный Si
Нет дефицита >40 >600 >1000
Низкий уровень 20–40 300–600 500–1000
Дефицит 10–20 100–300 200–500
Высокий уровень 0–10 0–100 0–200

Актуальный кремний определяется в водной вытяжке и отражает содержание монокремниевой кислоты. Образование актуального Si (или монокремниевой кислоты) обязано аморфному тонкодисперсному кремнезему, который растворяется в кислой вытяжке (0,1 н HCl) и является ближайшим резервом доступного кремния.

В связи с этим автор (В.В. Матыченков) предложил следующую формулу определения активного кремния в почве: активный Si=10 (актуальная форма Si) + потенциальная форма Si, так как ряд исследователей считает, что в водный раствор переходит примерно 1/10 часть аморфного кремнезема (Matichenkov V.V., Bocharnikova E.A., 2004; Айлер Р., 1992; Furmer V.C., Ressel T.D., Smith B.F., 1983; Matichenkov V.V., Culvert D, Shyder G.H. et. al., 2001).

Нет дефицита – как правило, не испытывают дефицита кремния почвы с высоким уровнем плодородия. Тем не менее, целесообразно применять на данных почвах кремниевые удобрения для оптимизации фосфорного и азотного питания растений.

Низкий уровень дефицита часто наблюдается на почвах с достаточно высоким уровнем плодородия (черноземы, серо–лесные и др.), но интенсивно используемых в сельском хозяйстве.

Дефицит Si характерен для сельскохозяйственных угодий с низким уровнем плодородия (дерново–подзолистые почвы).

Высокий уровень дефицита Si наблюдается на сильно деградированных и песчаных почвах, где из–за недостатка доступного кремния сильно снижается урожайность сельскохозяйственных культур и эффективность применяемых удобрений.

Как показали наши исследования, на черноземах Среднего Поволжья с низким уровнем дефицита доступного кремния отзывчивость сельскохозяйственных культур, особенно требовательных к данному элементу, достаточно высокая и наблюдается прямая связь между содержанием монокремниевой кислоты и урожайностью. Так, при возделывании проса она описывается уравнением:

у= 0,07х+0,55,

где у – урожайность проса, т/га;

х – содержание водорастворимого кремния, мг/кг;

Рисунок 2 – Зависимость урожайности проса от содержания водорастворимого кремния в почве

Аналогичная зависимость наблюдалась при возделывании рапса и кукурузы.

3.4 Содержание тяжелых металлов

К настоящему времени накоплено огромное количество сведений, свидетельствующих о нарастании антропогенного загрязнения окружающей среды, в том числе тяжелыми металлами. Термин «тяжелые металлы» применяется к элементам либо с плотностью, превышающей 5 г/см3, либо с атомным номером больше 20–и. Существует и другая точка зрения, согласно которой к тяжелым металлам относятся свыше 40 химических элементов с атомными массами свыше 50 атомных единиц. Тяжелые металлы, к которым относятся Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Te, Rb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Bi и др. по своей токсичности уступают только пестицидам, а отдельные из них превосходят последние (Дьяконова О.В., 2005; Кравченко А.Л., 2016).

В почвах тяжелые металлы присутствуют в твердой фазе и почвенном растворе. В почвенном растворе ТМ могут находиться в виде свободных ионов, комплексов, хелатов и доступны растениям. Поэтому крайне важно определить степень доступности тех или иных элементов и разработать приемы, способствующие снижению их подвижности. Для этого необходимо знать формы нахождения ТМ в почвах и их химизм.

Как правило, мониторинг содержания тяжелых металлов в почвах чаще всего проводят по наиболее токсичным элементам: Cd, Pb, Cu, Zn, Ni. В таблице 12 приведены средние валовые и подвижные формы в черноземе выщелоченном опытного поля Ульяновского ГАУ.

Анализ данных таблицы показывает, что валовое количество ТМ в черноземе выщелоченном ни по одному элементу не превышает предельно допустимые концентрации металлов в почве. Однако, судя по показателю ПДЭН, наиболее напряженная обстановка в Ульяновской области складывается с содержанием кадмия. Известно, что кадмий обладает мутагенными и канцерогенными свойствами и представляет генетическую опасность. Содержание его в почве на уровне 5 мг/кг наполовину снижает продуктивность сельскохозяйственных культур, а период полувыведения из почвы один из самых больших – около 1100 лет (Соколов О.А., Черников В.А., 1999). Кроме того, следует отметить высокую подвижность кадмия в почве, которая, как правило, превышает 50 % (в нашем случае 40 %). Следовательно, кадмий представляет наибольшую опасность с точки зрения получения экологически безопасной продукции и обусловливает необходимость безусловного контроля растениеводческой продукции по содержанию в ней данного элемента. Высокая усвояемость кадмия определяет общую закономерность, чем больше его в почве, тем больше поступает он в растение.

Таблица 12 – Содержание тяжелых металлов в черноземе выщелоченном опытного поля Ульяновского ГАУ, мг/кг

Элемент Валовое содержание Подвижные формы ПДЭН**
Пределы колебаний (среднее) ПДК* пределы колебаний (среднее) ПДК
Цинк (Zn) 21,5–30,0

25,8

100 5,8–6,5

6,2

23 очень низкая (15–30)
Медь (Cu) 11,8–13,2

12,5

55 1,9–3,0

2,5

3 низкая (5–15)
Свинец (Pb) 1,8–13,6

12,7

30 1,4–2,1

1,8

6 низкая (5–10)
Кадмий (Cd) 1,0–1,5

1,2

3 0,5–1,0

0,5

0,5*** высокая (0,5–1,0)
Никель (Ni) 12,1–12,4

12,3

85 1,3–2,1

1,7

4 низкая (10–20)
Хром (Cr3+) 9,1–10,3

9,7

4 0,5–3,2

1,9

6

*ПДК – предельно допустимая концентрация

**ПДЭН – предельно допустимая экологическая нагрузка

***ОДК – ориентировочно допустимая концентрация

Что касается остальных контролируемых элементов, подвижность их практически не превышает 20 %: меди – 20 %, свинца –14 %, никеля – 14 %, хрома (трехвалентного, наиболее токсичный шестивалентный хром в почвах Ульяновской области отсутствует) – 20 % и только цинка достигает 24 %. Химизм любых элементов в почве определяется противоположно направленными процессами: сорбция – дессорбция, растворение – переход в твердое состояние. Поступающие из техногенных выбросов элементы связываются с органическими и неорганическими лигандами и со временем становятся недоступными растениям (Борисов Д.Е., Лукаткин А.С., 2000; Башмаков Д.И., 2009).

Как уже отмечалось выше, внесение в почву природных сорбентов с высоким содержанием кремния способствует значительному снижению подвижности тяжелых металлов. В наших предыдущих исследованиях убедительно доказана роль диатомита в этом качестве (табл. 14).

Как следует из приведенных данных, при внесении диатомита в почву происходит заметное снижение подвижности тяжелых металлов (на 8–18 %). Известно, что монокремниевая кислота может образовать с тяжелыми металлами труднорастворимые силикаты (Lindsay, 1979: цит. по Матыченкову В.В., 2008):

2Zn2++SiO4=Zn2SO4

2Mn2++SiO4=MnSiO4

2Pb2++H4SiO4=PbSiO4+4H+

Таблица 13 – Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве в зависимости от внесения диатомита, мг/кг

Вариант Zn Cu Pb Cd Ni Cr3+
Контроль 6,10 3,23 2,47 0,57 2,77 1,97
Диатомит, 5 т/га 5,37 2,73 2,27 0,47 2,43 1,63
НСР05 0,42 0,5 0,20 0,03 0,20 0,13
ПДК 23 3 6 0,5 4 6

В.В. Матыченков (2008) установил, что подвижность ТМ в системе зависит от начальной и конечной концентраций монокремниевой кислоты: при внесении малых количеств активного кремния идет образование подвижных комплексов с металлами и повышение общего содержания растворимых их форм; при значительном повышении монокремниевой кислоты в почве или растворе происходит образование труднорастворимых силикатов элементов. При этом существует критическая концентрация монокремниевой кислоты, при которой происходит изменение характера их взаимодействия. Последняя определяется свойствами почвы (рН, окислительно–восстановительный потенциал и т.д.). В наших опытах, как было установлено ранее при применении диатомита в качестве удобрения и показано в экспериментах с цеолитом, при содержании в пахотном слое черноземов кремния в пределах 20–40 мг/кг (низкий уровень дефицита) проявлялась четкая тенденция снижения содержания подвижных соединений тяжелых металлов (табл. 14). Так, в черноземе выщелоченном под посевами рапса содержание подвижных соединений кадмия, наиболее токсичного из ТМ, при внесении цеолита в дозе 250 кг/га снизилась на 0,04 и 500 кг/га — на 0,08 мг/кг почвы, или на 14 и 28 %. Следовательно, имеется прямая зависимость подвижности данного элемента от дозы цеолита.

Влияние цеолита на подвижность тяжелых металлов в почве сохранялось при обогащении его аминокислотами и карбамидом, а также совмещением минеральными удобрениями.

Аналогичную закономерность наблюдали под посевами проса и кукурузы (табл. 15, 16).

Таблица 14 – Содержание подвижных форм ТМ в пахотном слое чернозема выщелоченного под посевами рапса, мг/кг

Вариант C u Zn Pb Cd Ni Cr3+
Контроль (без удобрений) 4,0 9,2 2,2 0,29 4,6 3,4
Цеолит, 250 кг/га 3,7 8,8 1,8 0,25 4,4 3,1
Цеолит, 500 кг/га 3,2 8,2 1,8 0,21 3,6 2,8
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

250 кг/га

3,9 8,7 2,0 0,27 4,3 3,2
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

500 кг/га

3,3 8,5 1,9 0,24 4,3 3,2
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 3,9 8,8 1,9 0,24 4,3 3,2
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 3,5 8,4 1,8 0,22 4,1 3,0
N44,5P20K14 (NPK) 4,0 8,9 2,2 0,26 4,5 3,8
Цеолит, 250 кг/га+NPK 3,6 8,6 2,2 0,23 4,5 3,7
Цеолит, 500 кг/га+NPK 3,2 7,6 2,1 0,21 3,9 3,2
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

250 кг/га+NPK

3,6 6,6 2,0 0,14 4,5 3,7
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

500 кг/га+NPK

3,2 6,5 1,9 0,13 4,0 3,5
Цеолит, обогащенный карбамидом,

250 кг/га+NPK

3,6 6,6 2,4 0,21 4,4 3,6
Цеолит, обогащенный карбамидом ,

500 кг/га+NPK

3,6 6,5 2,0 0,18 4,1 3,5
ПДК 3 23 6 0,5 4 6
НСР05 0,2 0,3 0,1 0,03 0,2 0,1

Таблица 15 – Содержание подвижных форм ТМ в пахотном слое чернозема выщелоченного под посевами кукурузы, мг/кг

Вариант C u Zn Pb Cd Ni Cr3+
Контроль (без удобрений) 7,5 9,2 2,2 0,25 4,6 6,0
Цеолит, 250 кг/га 7,5 8,8 1,8 0,22 4,4 5,8
Цеолит, 500 кг/га 6,5 8,2 1,6 0,20 3,6 5,5
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 7,5 8,7 2,0 0,18 4,1 6,4
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 7,5 8,5 2,0 0,15 4,1 6,0
N60P60K60 (NPK) 8,2 7,5 2,1 0,23 4,2 6,9
Цеолит, 250 кг/га+NPK 7,5 8,8 2,1 0,24 4,1 7,0
Цеолит, 500 кг/га+NPK 7,4 8,4 2,2 0,23 4,1 6,0
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га+NPK 7,7 8,4 2,2 0,23 4,5 7,1
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га+NPK 7,5 8,5 2,3 0,21 4,5 7,0
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га+NPK 7,2 6,6 2,1 0,21 4,5 7,2
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га+NPK 7,2 6,5 2,1 0,18 4,2 7,1
ПДК 3,0 23 6,0 0,5 4,0 6,0
НСР05 0,3 0,2 0,1 0,04 0,2 0,4

Таблица 16 – Содержание подвижных форм ТМ в пахотном слое чернозема типичного под посевами проса, мг/кг

Вариант C u Zn Pb Cd Ni Cr3+
Контроль (без удобрений) 2,6 10,9 1,3 0,13 3,8 2,7
Цеолит, 250 кг/га 2,4 10,4 1,2 0,13 3,7 2,7
Цеолит, 500 кг/га 2,2 10,3 1,1 0,10 3,6 2,3
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 2,6 10,7 1,3 0,12 3,8 2,7
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 2,3 10,5 1,1 0,11 3,5 2,1
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 2,5 10,1 1,3 0,13 3,8 2,4
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 2,4 9,8 1,2 0,12 3,5 2,2
N44,5P20K14 (NPK) 3,0 14,0 1,5 0,13 4,2 2,4
ПДК 3,0 23 6,0 0,5 4,0 6,0
НСР05 0,3 0,4 0,2 0,02 0,2 0,3

Таким образом, кремнистые породы, благодаря высокому содержанию в них аморфного кремнозема, в значительной степени переводят подвижные соединения тяжелых металлов в труднодоступные растениям формы, тем самым способствуя получению экологически более безопасной продукции сельскохозяйственных культур.

ГЛАВА 4. УРОЖАЙНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР И КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ, ЕЁ ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

Урожайность культур является результирующим показателем любых агротехнических приемов, направленных на повышение их продуктивности. Что касается удобрений, которые являются одним из основных факторов воздействия на почвенную среду развития растений, оптимизацией их можно добиться не только повышения урожайности, но и качества продукции. Кремнистые породы в этом отношении, в том числе цеолит (как показано выше), позволяют значительно улучшить базовые физические, химические свойства почвы, тем самым общую направленность биологических процессов и ее питательный режим.

Имеется огромное количество экспериментальных данных, свидетельствующих о положительном влиянии кремниевых соединений на урожайность сельскохозяйственных культур, которые приведены в обобщающих обзорах. Особенно это касается кремниелюбивых культур таких, как, например, рис. И, не случайно, в Японии, где основной культурой является рис, еще в конце 60–х годов прошлого века под рис на площади 900 ты. га вносили 1 млн. тонн силикатных отходов промышленности как кремнеземистые металлургические шлаки, зола тепловых станций и т.д. (цит. по Водяницкому Ю.И., 1984). Сама рисовая солома, содержащая от 4 до 20 % SiO2 используется в Японии в качестве кремниевого удобрения (Yoshida S., 1978).

Тем не менее, большинство исследователей приходит к выводу, что биогенность и агрономическую ценность кремнийсодержащего и минерального сырья можно и необходимо повысить путем предварительного смешивания их с органическими и минеральными удобрениями, так как состав данных пород по элементам питания не всегда соответствует потребностям возделываемых культур и эффективность их достигается за счет устранения дефицита доступного кремния и благоприятного воздействия данных пород на физико–химический состав почвы. Проблему можно решить модификацией кремнистых пород предварительной подготовкой и внедрением в них тех или иных соединений или ионов с тем, чтобы обеспечить растения всеми необходимыми элементами в оптимальном соотношении. В этом отношении экспериментальные удобрения на основе цеолита Юшанского месторождения Ульяновской области в значительной степени соответствуют этим требованиям. Ниже приводятся результаты испытаний их при возделывании рапса, кукурузы и проса.

4.1 Рапс

Рапс (Brassica napus) в настоящее время одна из самых перспективных и востребованных культур. Более того, он превращается в культуру стратегическую, позволяющую получать продукты питания для человека и корм для животных, так и возобновляемое техническое сырье, широко используемое в промышленности и транспорте. Этому рапс обязан своему составу: в семенах содержится 35–50% жира, 19–31 % белка (хорошо сбалансированного по аминокислотному составу), 5–7 % клетчатки. Не случайно в мировом земледелии рапс выращивают на площади более 23,5 млн га. Распространены посевы рапса и в Поволжье и составляют более 16 % от общей их площади.

Рапс обладает высоким потенциалом продуктивности , которая может достигать 3,5–4,0 т/га семян и 50,0–60,0 т/га зеленой массы. Однако средняя урожайность рапса ярового составляет 1,6–2,0 т/га, а максимальная – 2,7–2,8 т/га и в этом отношении значительно уступает уровню европейских стран. Последнее обусловливает необходимость разработки научно–обоснованной технологии его возделывания с учетом почвенно–климатических условий. Прежде всего, необходимо обратить внимание на систему удобрения культуры.

Рапс, из семейства капустных, является самым чувствительным к условиям выращивания и питания. Культура формирует достаточно большую вегетативную массу, следовательно, начиная с ранних стадий развития и роста, растения имеют высокую потребность в азоте. Фосфор необходим для формирования хорошо разветвленной корневой системы. Калий способствует обильному цветению растений рапса и улучшает нектаровыделение, вследствие чего формируется большее количество семян. В среднем примерная оптимальная потребность в доступном азоте растений рапса составляет 47–65 кг, фосфора 22–40 кг, калия 50–82 кг на 1 т продукции. Потребность в кремнии у рапса также значительная.

В 2020 году опыты с внесением в почву обогащенного аминокислотами, а также карбамидом цеолита при возделывании рапса были проведены 14–и вариантной схеме (табл. 17).

Приведенные в таблице данные убедительно подтверждают высокую эффективность цеолита в качестве удобрения рапса: даже при сравнительно невысокой дозе в 250 кг/га урожайность семян повысилась на 30 % и незначительно уступает варианту с минеральными удобрениями. Обогащение цеолита карбамидом, то есть усиление азотного питания растений, способствовало повышению урожайности семян на 0,04 – 0,1 т/га (доза 500 кг/га) больше. Прибавка по отношению к варианту с внесением цеолита в чистом виде невысокая. Последнее свидетельствует о том, что в формировании более высокой урожайности семян рапса по отношению к контролю имела оптимизация кремниевого питания растений. Следует отметить, что рапс является одной из самых кремниеволюбивых культур. При обогащении цеолита азотосодержащими соединениями (аминокислотами и карбамидом) урожайность культуры не уступает варианту с минеральными удобрениями. В данных опытах наиболее высокую урожайность семян рапса наблюдали на варианте совместного внесения минеральных удобрений и цеолита: прибавка в дозе 500 кг/га составила 0,57 и 0,58 т/га, или она повысилась на 59 и 60 %. Однако экономически данные варианты, как будет показано ниже, менее эффективны.

Таблица 17 – Урожайность рапса в зависимости от применения цеолита и экспериментальных удобрений на его основе (2020 г., – КФК Мельников Сурского района)

Варианты Урожайность, т/га Отклонение от контроля
т/га %
Контроль(без удобрений) 0,97
Цеолит, 250 кг/га 1,26 +0,29 30
Цеолит, 500 кг/га 1,31 +0,34 35
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

250 кг/га

1,32 +0,35 36
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

500 кг/га

1,35 +0,38 39
Цеолит, обогащенный карбамидом,

250 кг/га

1,38 +0,41 42
Цеолит, обогащенный карбамидом,

500 кг/га

1,41 +0,44 45
N40P40K40 (NPK) 1,41 +0,44 45
Цеолит, 250 кг/га+NPK 1,44 +0,47 52
Цеолит, 500 кг/га+NPK 1,52 +0,55 57
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

250 кг/га+NPK

1,48 +0,51 53
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

500 кг/га+NPK

1,54 +0,57 9
Цеолит, обогащенный карбамидом,

250 кг/га+NPK

1,47 +0,50 52
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

500 кг/га+NPK

1,55 +0,58 60
НСР05 0,18

Благоприятное влияние цеолита, особенно, обогащенного аминокислотами и карбамидом, на почвенные условия произрастания способствовало формированию более качественной и экологически безопасной продукции.

4.2 Кукуруза

Урожайность культур в любых почвенно–климатических условиях определяется уровнем их питания. На черноземах выщелоченных Среднего Поволжья с высокой обеспеченностью доступными фосфором и калием кукуруза (Zea mays) способна формировать урожайность зерна в 5–6 т/га (табл. 18).

Таблица 18 – Влияние цеолита и минеральных удобрений на урожайность зерна кукурузы (средняя за 2016–2018 гг.)

Вариант Урожайность,

т/га

Отклонения от контроля
т/га %
Контроль 5,89
Цеолит, 500 кг/га 6,82 +0,93 16
Цеолит, 2000 кг/га 7,25 +1,36 23
NPK (N60P60K60) 7,74 +1,85 31
Цеолит, 500кг/га + NPK 8,32 +2,43 41
Цеолит, 2000кг/га + NPK 8,65 +2,76 49
Цеолит, 500кг/га + N60 8,01 +2,12 36
Цеолит, 2000 кг/га + N60 8,35 +2,46 42
НСР05 0,33

В среднем за 2016–2018 гг. внесение в почву цеолита способствовало существенному повышению урожайности зерна на 0,93 (доза 500 кг/га) и 1,36 т/га (доза 2000 кг/га), или на 16 и 23 % соответственно. Последнее свидетельствует о необходимости при возделывании кукурузы на данных почвах улучшения питания азотом и кремнием. Подтверждение тому добавление к цеолиту в тех же дозах азота 60 кг/га позволило повысить урожайность культуры на 2,12 и 2,46 т/га. При этом особо следует отметить, она превосходит вариант с применением полного минерального удобрения. Однако средние дозы азота (не менее 60 кг д.в./га) при этом необходимы. Последнее подтвердилось в исследованиях 2020 года с использованием в качестве удобрения цеолита, обогащенного аминокислотами.

Урожайность зерна кукурузы в зависимости от применения в технологиях ее возделывания новых экспериментальных удобрений на основе цеолита обогащением аминокислотами и карбамидом представлена в таблице 19.

Таблица 19 – Урожайность зерна кукурузы в зависимости от применения экспериментальных удобрений (2020 г.)

Вариант Урожайность, т/га Отклонения от контроля
т/га %
Контроль 5,42
Цеолит, 250 кг/га 5,57 +0,15 3
Цеолит, 500 кг/га 6,22 +0,80 15
Цеолит, модифицированный аминокислотами, 250 кг/га 6,29 +0,87 16
Цеолит, модифицированный аминокислотами, 500 кг/га 6,48 +1,06 20
Цеолит, модифицированный карбамидом, 250 кг/га 6,31 +0,89 16
Цеолит, модифицированный карбамидом, 500 кг/га 6,51 +1,09 20
N60P60K60 (NPK) 7,63 +2,21 41
Цеолит, 250 кг/га +NPK 7,79 +2,37 44
Цеолит,500 кг/га+NPK 8,14 +2,72 50
Цеолит, модифицированный аминокислотами , 250 кг/га+NPK 7,94 +2,52 47
Цеолит, модифицированный аминокислотами, 500 кг/га+NPK 8,95 +3,53 65
Цеолит, модифицированный карбамидом, 250 кг/га +NPK 7,82 +2,40 44
Цеолит, модифицированный карбамидом, 500 кг/га +NPK 8,76 +3,34 62
НСР05 0,35

Внесение в почву цеолита оказало значительное положительное влияние на ее физическое состояние, что, несомненно, обязано поликремневым кислотам, находящимся в цеолите в аморфном состоянии. Последние, так же, как гуминовые кислоты, при достаточном присутствии ионов кальция, склеивают почвенные частицы в агрегаты. При внесении в почву цеолит способствовал оструктуриванию и, соответственно, разуплотнению почвы: содержание агрегатов размерами 10–0,25 мм в пахотном слое увеличивалось на 16,5 и 21,1 % (абсолютные значения) в зависимости от дозы цеолита: плотность приобрела оптимальные для культуры значения.

Результаты определения урожайности зерна кукурузы подтвердили литературные сведения о возможности повышения эффективности кремнистых пород в качестве удобрения сельскохозяйственных культур. Как свидетельствуют полученные данные (табл. 20), обогащение цеолита аминокислотами и карбамидом позволило значительно повысить урожайность зерна кукурузы: при применении с дозой 500 кг/га прибавка ее составила 1,06 т/га, или 20 %.

Кукуруза высокоурожайная и требовательная к плодородию почвы культура и для ее формирования необходимо достаточное количество элементов питания. Возделывание ее с внесением в почву азотно–фосфорно–калийного удобрения обеспечило прибавку урожайности в 2,21 т/га. Однако применение на этом фоне экспериментальных удобрений на основе цеолита повысило продуктивность кукурузы по отношению к контролю на 2,52–3,53 т/га, или на 47–65 %. Последнее убедительно доказывает высокую эффективность удобрений на основе цеолита обогащением его аминокислотами и карбамидом.

Показатели качества зерна кукурузы и его экологической безопасности представлены в таблицах 20, 21.

Таблица 20. Качественные показатели зерна кукурузы в зависимости от применения цеолита и его модификаций в качестве удобрения, %

Вариант Белок Крахмал N P K
Контроль (без удобрений) 11,8 53,3 1,89 0,26 0,37
Цеолит, 250 кг/га 12,5 48,1 1,90 0,23 0,37
Цеолит, 500 кг/га 12,9 43,3 1,89 0,28 0,36
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 13,0 42,0 1,93 0,23 0,40
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 13,3 39,4 2,12 0,28 0,38
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 11,6 45,6 1,86 0,28 0,34
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 12,4 41,7 1,99 0,28 0,38
N60P60K60 11,9 50,8 1,86 0,29 0,39
НСР05 0,3 1,9 0,05 0,05 0,03

Приведенные данные убедительно свидетельствуют об улучшении всех качественных показателей зерна кукурузы при использовании в качестве удобрения обогащенного аминокислотами цеолита. Так, содержание белка в зерне увеличивалось на 10–13 %. Повысилось содержание фосфора и калия.

В таблице 21 представлена экологическая оценка зерна кукурузы по содержанию тяжелых металлов.

Производство продукции растительного происхождения – основа продовольственной безопасности страны, особенно в условиях экономических санкций. Однако важен не только объем производимой продукции, но не менее – качество ее, которое определяет здоровье нации. Поэтому при высокой техногенной нагрузке на окружающую среду важно не допустить поступление токсикантов в растение.

Таблица 21. Содержание тяжелых металлов в зерне кукурузы, мг/кг

Вариант Cu Zn Ni Pb Cd
Контроль (без удобрений) 3,2 13,6 0,41 0,26 0,04
Цеолит, 250 кг/га 2,9 12,4 0,35 0,25 0,03
Цеолит, 500 кг/га 2,5 11,5 0,30 0,20 0,02
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 2,8 11,9 0,35 0,22 0,03
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 2,4 11,3 0,34 0,19 0,02
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 3,0 12,4 0,35 0,24 0,03
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 2,7 12,2 0,35 0,24 0,03
N60P60K60 3,3 15,0 0,42 0,29 0,04
НСР05 0,1 0,4 0,02 0,04 0,01
ПДК в зерне 30,0 50,0 5,00 0,50 0,10

С точки зрения экологически безопасного ведения сельскохозяйственного производства особую опасность представляют пестициды и тяжелые металлы, наиболее опасными из которых являются кадмий, свинец, никель.

Кадмий относится к числу наиболее фитотоксичных элементов, как уже отмечалось выше – это наиболее подвижный, следовательно, наиболее доступный из всех ТМ элемент. Накапливаясь в клетках и тканях живых организмов, кадмий способен вызывать серьезные нарушения их метаболизма. Соответственно вызывает торможение роста растений, ингибирует процессы нарастания надземной массы, снижая объем питающих корней и, как следствие, урожайность культур (Лукин С.В., Кононенко Л.А., Мирошникова Ю.В., 2004).

По токсичности свинец относится к высокоопасному классу. Повышенная концентрация свинца в растениях (более 3–5 мг/кг сухой массы) подавляет фотосинтез, дыхание, митоз, ростовые процессы и в целом их продуктивность. При повышении содержания его в почве он в большей степени накапливается в корнях растений, в меньшей степени – основной продукции (Ковальский А.Л., 1991).

Никель относится к умеренно–опасным элементам, оказывает неспецифическое влияние на ряд металлоферментных комплексов. Способствует формированию спиральной структуры незаменимых кислот, входит в состав гормона инсулина. Принадлежит к числу элементов, вызывающих эндемические заболевания – хлороз и некроз.

К тяжелым металлам также относятся элементы, абсолютно необходимые растениям, в то же время в избыточном поступлении в растения оказывающее высокотоксичное действие. Это, прежде всего, цинк и медь. Оба элемента входят в состав ряда ферментов, обусловливающих и регулирующих жизненно важные процессы. С другой стороны – они высокотоксичны. Так, летальная доза накопления цинка для человека составляет 200 мг/кг веса.

Как видно из приведенных в таблице 20 данных, применение, в том числе обогащенного аминокислотами цеолита в качестве удобрения кукурузы, позволяет значительно снизить поступление металлов в продукцию: меди от дозы 500 кг/га на 22–25 %, цинка – на 15–17 %, никеля на 27–17 %, свинца на 23–27 % и на 50 % – кадмия. Последнее, несомненно, обусловлено способностью монокремниевой кислоты образовывать с тяжелыми металлами труднорастворимые силикаты (Матыченков В.В., 2008). При этом удвоение дозы цеолита сопровождается практически пропорциональным уменьшением накоплениям элементов в зерне кукурузы.

Что касается варианта с применением минеральных удобрений – поступление ТМ в продукцию заметно увеличивается, что связано как с присутствием в удобрениях данных элементов в виде примесей, так и относительным подкислением почвенной среды при применении физиологически кислых удобрений.

4.3 Просо

Просо (Panicum miliacum), относится к числу важнейших крупяных культур, которая по вкусовым и пищевым качествам занимает одно из первых мест, является одним из самых засухоустойчивых и жаростойких культур, менее других страдает от вредителей и болезней. И, не случайно, площади посевов его продолжают расширяться и в России в 2019 году составили 392,7 тыс. га. Однако урожайность культуры в области остается низкой, тогда как потенциальные возможности ее составляют не менее 4,5 т/га. При этом большую роль играет научно–обоснованная система удобрения. Удобрение проса имеет свои особенности: до фазы кущения культура потребляет минимальное их количество (около 7 %) необходимых для него питательных веществ. Тем не менее, в этот период оно больше всего нуждается в азоте. В фазе стеблевания и выметывания метелок растения проса потребляют максимальное их количество (около 65 %), кроме фосфора, который необходим в большом количестве в период налива зерна. Максимум усвоения азота, калия и кальция приходится на фазу цветения, фосфора – налив зерна. Азот является решающим фактором, основой формирования урожайности сельскохозяйственных культур, в том числе и проса. Поэтому на черноземах выщелоченных наиболее эффективны азотные, затем фосфорные удобрения. Как показали результаты исследований, цеолит, в т.ч. обогащенный аминокислотами и карбамидом, способствует оптимизации питательного режима в течение всей вегетации культуры (табл. 11).

Первые экспериментальные образцы удобрений на основе цеолита при возделывании проса нами были испытаны в 2019 году и показали очень высокую отзывчивость культуры на применение цеолита как в чистом виде в дозе 500 кг/га, так и обогащении его аминокислотами и карбамидом (табл. 22).

Таблица 22. Влияние цеолита и удобрений на его основе на урожайность проса, 2019 г.

Вариант Урожайность, т/га Отклонение от контроля
т/га %
Контроль 2,54
Цеолит, 500 кг/га 2,87 +0,3 13
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 3,71 +1,17 46
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 3,32 +0,78 31
НСР05 0,17

Прибавка урожайности зерна при обогащении цеолита аминокислотами составила более одной тонны на гектаре (!), или урожайность почти удвоилась. Опыты были продемонстрированы на научно–практическом семинаре и вызвали широкую дискуссию.

В 2020 году в схему опыта были введены варианты с дозой удобрений по 250 кг/га и вариант с применением минеральных удобрений (табл. 23). Все закономерности, обозначенные в предыдущем году, подтвердились: цеолит, обогащенный как аминокислотами, так и карбамидом обусловил повышение урожайности культуры от 0,56 до 0,84 т/га. Более того, по результатам исследований 2020 года для формирования такой же урожайности достаточны дозы обогащенного аминокислотами цеолита в 250 кг/га, что экономически значительно более оправдано.

Судя по НСР05, при применении обогащенного аминокислотами цеолита в дозе 500 кг/га, урожайность зерна проса не уступает варианту с внесением минеральных удобрений (N40P40K40). Отсюда вытекают два очень важных вывода: во–первых – просо одна из самых кремниелюбивых культур, во–вторых – при возделывании его на черноземах с нейтральной реакцией почвенной среды и высокой обеспеченностью фосфором и калием необходимо вносить дополнительный азот (в данном случае в виде внедрения в цеолит аминокислот и карбамида).

Таблица 23 – Влияние цеолита и удобрений на его основе на урожайность проса, 2020 г.

Вариант Урожайность, т/га Отклонение от контроля
т/га %
Контроль 2,33
Цеолит, 250 кг/га 2,55 +0,22 9
Цеолит, 500 кг/га 2,72 +0,39 17
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 3,08 +0,75 32
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 3,17 +0,84 36
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 2,89 +0,56 24
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 3,04 +0,71 31
NPK (N40P40K40) 3,24 +0,91 39
Цеолит, обогащенный аминокислотами и карбамидом, 250 кг/га 3,16 +0,83 36
НСР05 0,18

Формированию значительно более высокой урожайности проса при внесении в почву цеолита и удобрений на основе внедрением в него аминокислот и карбамида способствовало неоднократно подтвержденное нами улучшение физических, биологических и, как следствие, питательного режима почвы в течение всей вегетации (табл. 11). В среднем за вегетацию культуры при внесении в почву цеолита и удобрений на его основе содержание всех элементов питания, несмотря на усиленное питание ими растений, поддерживалось на более высоком уровне.

В таблицах 24 и 25 приведены показатели качества зерна проса и его экологической безопасности.

Таблица 24 – Показатели качества зерна проса в зависимости от применения удобрений, %

Вариант N P2O5 K2O Белок Крахмал
Контроль 1,51 0,59 0,41 8,61 44,4
Цеолит, 250 кг/га 1,51 0,58 0,41 8,61 44,3
Цеолит, 500 кг/га 1,54 0,60 0,44 8,78 42,2
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 1,58 0,60 0,43 9,00 41,3
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 1,62 0,62 0,45 9,23 40,1
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 1,54 0,62 0,42 8,78 42,1
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 1,57 0,61 0,44 8,95 41,3
N40P40K40 1,80 0,70 0,51 10,26 43,5
НСР05 0,05 0,05 0,03 1,9

Данные таблицы свидетельствуют, несмотря на незначительные изменения, тем не менее, проявилась явная тенденция улучшения качества зерна: содержание белка при применении цеолита, обогащенного аминокислотами в качестве удобрения увеличилось на 0,17-0,62 %.

Таблица 25 – Содержание тяжелых металлов в зерне проса, мг/кг

Вариант Zn Cu Pb Cd Ni
Контроль 12,1 5,1 0,22 0,012 1,19
Цеолит, 250 кг/га 11,9 4,5 0,18 0,008 1,17
Цеолит, 500 кг/га 11,4 4,3 0,12 0,005 1,11
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

250 кг/га

11,9 4,4 0,15 0,006 1,10
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

500 кг/га

11,1 4,4 0,11 0,005 1,12
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 11,2 4,4 0,13 0,005 1,10
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 11,3 4,6 0,12 0,009 1,09
N40P40K40 14,1 4,9 0,23 0,013 1,20
ПДК 50 30 0,5 0,10 5,0
НСР05 0,4 0,2 0,04 0,002 0,02

При внесении цеолита очень значительно снизилось накопление в зерне наиболее опасных тяжелых металлов: свинца и кадмия в два и более раз.

Таким образом применение цеолита и удобрений на его основе обеспечило значительное повышение урожайности культур. Наиболее высокая урожайность зерна сформировалась на варианте с внесением в почву обогащенного аминокислотами цеолита в дозе 500 кг/га на фоне минеральных удобрений, прибавка их составила: рапса — 0,58 т/га, кукуруза — 3,53 т/га, проса — 0,84 т/га.

ГЛАВА 5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЙ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ КУЛЬТУР С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦЕОЛИТА И УДОБРЕНИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ

Оценка экономической эффективности технологий возделывания сельскохозяйственных культур является неотъемлемой частью прогнозирования устойчивости функционирования предприятий, производящих сельскохозяйственную продукцию. Чтобы выдерживать конкуренцию, и просто выжить в условиях экономических санкций, необходимо производить продукцию с высокими показателями качества и минимальными затратами на её производство. Последнее особенно актуально для технологий с использованием минеральных удобрений в связи с постоянным удорожанием их стоимости, что приводит к увеличению затрат на их внесение. И, несмотря на значительное повышение урожайности культур, производство продукции их становится убыточным. То же самое касается органических удобрений и нетрадиционных минеральных ресурсов, как высококремнистые породы или осадки сточных вод, которые значительно дешевле, но затратны их транспортировка и внесение. Ниже приводится экономическая оценка технологии возделывания рапса, проса и кукурузы с использованием цеолита и удобрений на его основе обогащением его аминокислотами при применении как в чистом виде, так и на фоне минеральных удобрений.

При экономическом анализе технологий возделывания экспериментальных культур использовались нормативы и расценки, принятые для производственных условий опытного поля ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ (просо), в ООО «Агрофирма Абушаев» и КФХ Мельников. Стоимость продукции определялась в соответствии с ценой реализации, которые сложились в 2020 году. Все расчеты выполнены на основе технологических карт.

5.1 Рапс

Основные экономические показатели возделывания рапса в зависимости от применения новых удобрений пролонгированного действия на основе цеолита представлены в таблице 26.

Анализ экономической эффективности возделывания семян рапса с использованием цеолита и удобрений на его основе показал, что наиболее высокую прибыль обеспечивает внесение их в почву в дозе 250 кг/га, которая составила от 15,916 (цеолит в чистом виде) до 17,867 тыс. рублей (цеолит, обогащенный карбамидом), тогда как на контроле она ниже на 4,525-6,47 тыс. рублей. Уровень рентабельности производства семян рапса на данных вариантах выше 100 % (102, и 107 % соответственно). Следует отметить, что применение цеолита и его модификаций обогащением его аминокислотами и карбамидом по экономической эффективности не уступает варианту с использованием минеральных удобрений как по доходности, так и рентабельности производства.

Совместное применение минеральных и экспериментальных удобрений на основе цеолита сопровождалось повышением урожайности на аналогичных вариантах на 0,10—0,21 т/га, однако очень значительно возросли затраты (на 3,90—4,07 тыс. рублей/га) на их приобретение и внесение. При этом, хотя прибыль от производства семян рапса практически на уровне вариантов с применением цеолита и удобрений на его основе, рентабельность производства ниже контроля на 4-29 %.

Следует учитывать положительное действие кремниевых пород на последующие культуры севооборота, что, несомненно, положительно скажется на рентабельности их производства.

Таблица 26 – Экономическая эффективность возделывания рапса

Варианты Урожайность, т/га Стоимость продукции, с 1 га, руб. Производственные затраты на 1 га, руб. Себестоимость 1 т, руб. Условный чистый доход, руб. Уровень рентабельности, %
Контроль 0,97 24250 12859 13360 11391 89
Цеолит, 250 кг/га 1,26 31500 15584 12369 15916 102
Цеолит, 500 кг/га 1,31 32750 18111 13826 14639 81
Цеолит, модифици-рованный амино-кислотами, 250 кг/га 1,32 33000 16483 12488 16517 100
Цеолит, модифици-рованный амино-кислотами, 500 кг/га 1,35 33750 19878 14725 13872 70
Цеолит, модифи-цированный карба-мидом, 250 кг/га 1,38 34500 16633 12053 17867 107
Цеолит, модифи-цированный карба-мидом, 500 кг/га 1,41 35250 20123 14293 15127 75
NPK 1,41 35250 17124 12145 18126 106
Цеолит, 250 кг/га+NPK 1,44 36000 194904 13535 16510 85
Цеолит, 500 кг/га+NPK 1,52 38000 221834 14594 15817 71
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

250 кг/га+NPK

1,48 37000 20382 13771 16618 82
Цеолит, обогащенный аминокислотами,

500 кг/га+NPK

1,54 38500 239412 15546 14559 61
Цеолит, обогащен-ный карбамидом , 250 кг/га+NPK 1,47 36750 206552 14051 16095 78
Цеолит, обогащенный карбамидом ,

500 кг/га+NPK

1,55 38750 241952 15610 14555 60

Таким образом, проведенные расчеты экономической эффективности технологий возделывания рапса показали, что уровень рентабельности производства семян находился в пределах 60 – 107 %. Наиболее высокий показатель был на варианте с внесением цеолита, обогащенного карбамидом, в дозе 250 кг/га и составил 107 %.

Использование цеолита обогащенного как карбамидом, так и аминокислотами в дозе 250 кг/га при возделывании проса является экономически более целесообразным.

5.2 Кукуруза

Проведенные экономические расчеты дали возможность выбрать наиболее целесообразную технологию с использованием цеолита, модифицированного аминокислотами и карбамидом, при возделывании кукурузы (табл. 27).

Рассчитанные показатели дали возможность достаточно полно оценить экономическую эффективность цеолита и удобрений на его основе в технологии возделывания кукурузы.

Применение экспериментальных удобрений на основе цеолита способствовало увеличению сбора зерна с одного гектара и, следовательно, получить больше выручки от продажи произведенной продукции. Например, при внесении цеолита в дозе 500 кг/га урожайность кукурузы повысилась на 0,8 т/га.

Внесение цеолита, обогащенного аминокислотами и карбамидом способствовало увеличению урожайности зерна до 1,09 т/га. Естественно, прибыль от продажи продукции находилась в прямой зависимости от урожайности и составляла от 48,78 тыс. руб./га на контроле до 80,55 тыс. руб./га на варианте с внесением цеолита, модифицированного аминокислотами, в дозе 500 кг/га на фоне NPK.

Таблица 27 – Экономическая эффективность возделывания кукурузы

Варианты Урожайность, т/га Стоимость продукции, с 1 га, руб. Производственные затраты на 1 га, руб. Себестоимость 1 т, руб Условный чистый доход, руб Уровень рентабельности, %
Контроль 5,42 48780 19521 3602 29259 150
Цеолит, 250 кг/га 5,57 50130 21094 3805 29036 138
Цеолит, 500 кг/га 6,22 55980 24070 3870 31910 133
Цеолит, модифици-рованный аминокис- лотами, 250 кг/га 6,29 56610 22362 3555 34248 153
Цеолит, модифици-рованный аминокис-лотами, 500 кг/га 6,48 58320 27966 4318 303548 109
Цеолит, модифици-рованный карба-мидом, 250 кг/га 6,31 56790 22498 3568 34292 152
Цеолит, модифици-рованный карба-мидом, 500 кг/га 6,51 58590 26188 4023 32402 124
NPK 7,63 68670 28745 3767 39925 139
Цеолит, 250 кг/га + NPK 7,79 70110 31942 4099 38168 120
Цеолит, 500 кг/га + NPK 8,14 73260 34274 4211 38986 114
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га + NPK 7,94 71460 32397 4081 39063 121
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га + NPK 8,95 80550 36295 4055 44255 122
Цеолит, обогащен-ный карбамидом, 250 кг/га +NPK 7,82 70380 32767 4153 37613 115
Цеолит, обогащен-ный карбамидом, 500 кг/га +NPK 8,76 78840 36468 4163 42372 116

Более высокие производственные затраты на получение продукции установлены на вариантах с внесением цеолита, модифицированного аминокислотами и цеолита, модифицированного карбамидом, в дозах 500 кг/га на фоне NPK, которые составили 36295 — 36468 тыс. руб./га соответственно, наименьшие – на контрольном варианте (19521 руб./га). Данная разница в первую очередь обусловлена достаточно высокой стоимостью удобрений.

Однако высокая стоимость произведенной продукции перекрывает денежные дополнительные затраты по приобретению и внесению данных удобрений, что позволяет получить условный чистый доход с 1 га в опытном варианте выше контроля. Внесение цеолита, модифицированного аминокислотами, в дозе 500 кг/га позволило получить наиболее высокий чистый доход – до 44,26 тыс. рублей с одного гектара. Однако себестоимость 1 тонны зерна при внесении данного удобрения была выше, чем на контрольном варианте.

Лучшие показатели рентабельности производства зерна кукурузы установлены при внесении цеолита, модифицированного аминокислотами и карбамидом, в дозах 250 кг/га со значениями 153 и 152 % соответственно.

Оценка технологии возделывания кукурузы с использованием в качестве удобрения цеолита и его модификаций аминокислотами и карбамидом показала:

– на черноземах лесостепи Поволжья средняя урожайность зерна кукурузы составляет не менее 5—6 т/га. Использование в качестве удобрения цеолита, обогащенного аминокислотами и карбамидом, обеспечило прибавку ее на более 1 тонны на одном гектаре, применение их на фоне минеральных удобрений (N60P60K60) – до 3,5 т/га. Соответственно условный чистый доход (прибыль) повышается от 5 тыс. до 15 тыс. рублей/га;

– экономически более эффективно применение в технологии возделывания кукурузы цеолита, обогащенного аминокислотами и карбамидом в дозе 250 кг/га.

5.3 Просо

При экономическом анализе технологии возделывания проса с использованием новых удобрений пролонгированного действия на основе цеолита прямые затраты устанавливались по ценам, принятым для производственных условий опытного поля ФГБОУ ВО Ульяновский ГАУ (2020 г.). Амортизация и затраты на текущий ремонт тракторов и сельскохозяйственных машин рассчитывали по принятым нормативам. Стоимость основной продукции определялась в соответствии с ценой реализации, которая сложилась в 2020 г. При этом использованы типовые технологические карты по возделыванию проса, которые привязывались к конкретным технологическим приемам полевых опытов.

Основные экономические показатели возделывания проса в зависимости от применения новых удобрений пролонгированного действия на основе цеолита представлены в таблице 28.

Анализ экономической эффективности возделывания проса с использованием экспериментальных удобрений подтвердил установленные закономерности по другим культурам: наиболее высокую рентабельность производства зерна проса показали варианты с применением в качестве удобрения цеолита, обогащенного аминокислотами и карбамидом в дозах 250 кг/га с уровнем рентабельности 97 и 84 % (на контроле 78 %). В этом отношении технология возделывания проса с применением только минеральных удобрений несколько уступает (80 %).

Применение обогащенного аминокислотами и карбамидом цеолита обеспечило наиболее низкую себестоимость производства 1 тонны зерна данной культуры — 5584 и 5967 рублей, тогда как на контроле она составляла 6164 рублей/т. Повышение доз удобрений закономерно приводило к удорожанию производства, что обусловлено с относительно высокими затратами на их покупку и внесение.

Таблица 28 — Экономическая эффективность возделывания проса

Варианты Урожайность, т/га Стоимость продукции, с 1 га, руб. Производственные затраты на 1 га, руб. Себестоимость 1 т, руб. Условный чистый доход, Уровень рентабельности, %
Контроль 2,33 25630 14362 6164 11268,37 78
Цеолит, 250 кг/га 2,55 28050 16108 6317 11941,66 74
Цеолит, 500 кг/га 2,72 29920 18685 6869 11235,25 60
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 250 кг/га 3,08 33880 17199 5584 16681,34 97
Цеолит, обогащенный аминокислотами, 500 кг/га 3,17 34870 20618 6504 14252,43 69
Цеолит, обогащенный карбамидом, 250 кг/га 2,89 31790 17246 5967 14543,53 84
Цеолит, обогащенный карбамидом, 500 кг/га 3,04 33440 20815 6847 12625,25 61
NPK (N40P40K40) 3,24 35640 19764 6100 15876,34 80

Наиболее высокую прибыль при производстве зерна проса наблюдали на варианте с внесением в почву цеолита, обогащенного аминокислотами, в дозе 250 кг/га, которая составила 16681 рублей с 1 гектара, что больше варианта с применением минеральных удобрений на 805 рублей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные тенденции развития сельского хозяйства (повышение цен на минеральные удобрения, необходимость восстановления почвенного плодородия, поиск альтернативы ядохимикатам), обусловливает необходимость создания новых видов удобрений, действующим веществом которых является активный кремний. В ряде научных конференций, проведённых в своё время в США (1999), Японии (2002), России (2004), Бразилии (2005), ЮАР (2008), Китае (2011), Швеции (2014), Индии (2017) и всевозможных публикациях доказано, что кремний является неотъемлемым фактором продуктивности агробиогеоценозов. Последнее предполагает применение кремниевых (силикатных) удобрений в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур в условиях дефицита доступного кремния в почвах, что достаточно часто наблюдается в связи с постоянным отчуждением его урожаем. При этом в качестве источника кремния в последнее время активно предлагаются природные кремнийсодержащие породы такие, как диатомиты, цеолиты, трепелы, бентониты и др.

Тем не менее, большинство исследователей приходит к выводу, что биогенность и агрономическую ценность кремнийсодержащего минерального сырья можно и необходимо значительно повысить путём предварительного смешивания его с органическими и минеральными удобрениями, так как состав данных пород по элементам питания не всегда соответствует потребностям возделываемых культур и эффективность их достигается за счёт устранения дефицита доступного кремния и благоприятного воздействия на физико-химический состав почвы. Последнее, прежде всего, касается азота, которого кремнистые породы не содержат. Проблему можно решить модификацией кремнистых пород внесением в них азота в той или иной форме, или соединений, которые активизировали бы процессы перехода элемента из органической формы в минеральную.

Высококремнистые породы обладают уникальными каталитическими, ионообменными и сорбционными свойствами. В частности цеолиты, представляют из себя водные алюмосиликаты кальция, натрия, калия, бария и некоторых других элементов. Кремнекислородные и алюмокислородные тетраэдры цеолитов, обладающие общими ионами кислорода, слагают трехмерную решетку, образующую каркасную структуру — систему микрополостей, соединенных между собой достаточно широкими каналами. Молекулы воды в каналах координируются с катионами. В каналах находится и цеолитная вода, которую минерал способен отдавать, не изменяя структуры. Благодаря системе каналов и полостей, которые пронизывают кристаллы, цеолит обладает хорошо развитой внутренней поверхностью, доступной для адсорбируемых молекул.

Каркасы цеолитов похожи на пчелиные соты и образованы из цепочек анионитов кремния и алюминия. Из-за своего строения каркас имеет отрицательный заряд и этот заряд компенсируется катионами щелочных или щелочноземельных металлов, находящихся в полостях-сотах. Тип цеолита определяется соотношением кремния и алюминия и видом катионов.

Цеолиты способны оказывать положительное влияние на физико-химические и агрохимические свойства почвы, оптимизируя их структурное состояние и кислотно-основной режим, а также фосфорное и кремниевое питание культурных растений, что в итоге продуктивно сказывается на их урожайности и качестве получаемой продукции. Кроме того, ряд таких материалов способен проявлять сорбционные свойства в отношении многих токсикантов (тяжелые металлы, остаточные количества пестицидов и др.), тем самым способствуя получению экологически безопасной продукции растениеводства. Что касается цеолитов, они в полной мере обладают соответствующими свойствами. Более того, проблема использования цеолитсодержащего минерального сырья имеет общемировое значение, поскольку они относятся к одной из групп биологически активного и экологически безопасного сырья, широко распространенного в природе.

Почти 20-летние исследования, проведенные в Ульяновском ГАУ имени П.А. Столыпина, показали, что кремнистые породы (диатомиты, цеолиты), являясь сорбентами с высокими сорбционными, каталитическими и ионообменными свойствами, оказывают длительное положительное действие на систему «почва-растение» и способствуют получению экологически более безопасной продукции высокого качества всех экспериментальных культур как зерновых, овощных, так и пропашных. Совместное их применение с органическими (птичьим пометом, соломой), минеральными (мочевиной, суперфосфатом, хлористым калием) и органоминеральными (осадками сточных вод) удобрениями значительно повышало эффективность высококремнистых пород. Последнее является теоретической основой для создания новых видов биомодифицированных удобрений, более эффективных и – что очень важно – более экономичных. Исследования, проведенные нами в 2016 – 2018 гг., показали перспективность производства удобрений на основе кремнистых пород. Так, урожайность зерна кукурузы при применении цеолита дозой 500 кг/га составила 6,94 т/га, совмещении его с азотом в дозе 60 кг д.в./га 8,03 т/га, тогда как на фоне полного минерального удобрения (N60P60K60) – 7,82 т/га.

Изучение и анализ имеющейся научной литературы и собственные длительные исследования по изучению возможности использования кремнистых пород в качестве удобрения сельскохозяйственных культур позволило нам совместно с научно-производственным комплексом «ИнБиоТех» (генеральный директор А.И. Уханов, главный технолог Е.В. Панкратова) разработать состав и технологию производства уникального продукта на основе цеолита Юшанского месторождения Ульяновской области обогащением его аминокислотами низкого молекулярного веса. Технология производства позволяет внедрить в цеолит любые элементы и соединения, имеющие размеры менее размеров пор цеолита и создавать удобрения в максимальной степени отвечающие требованиям отдельных или групп культур, обеспечивающих адресное питание растений. По этой же технологии было создано удобрение внедрением в цеолит карбамида.

Проведенные в 2020 году испытания экспериментальных удобрений показали их высокую эффективность при возделывании рапса, кукурузы, проса.

Установлено положительное влияние цеолита и обогащенных аминокислотами и карбамидом экспериментальных удобрений на агрофизические, биологические и агрохимические свойства черноземов (типичного и выщелоченного). Так, агрофизические показатели чернозема выщелоченного при возделывании кукурузы приобрели оптимальные для данной культуры значения: количество агрономически ценных агрегатов (0,25 – 10 мм) увеличилось на 5,6 – 18,5 % (абсолютные значения), водопрочных – на 2,0 – 5,9 %, коэффициент структурности повысился от 1,25 на контроле до 1,62 и 2,52 единиц. Плотность почвы составила 1,12 – 1,14 г/см3.

Высококремнистые породы (в данном случае цеолит) в значительной степени способствуют повышению водоудерживающей способности почвы, экономному и рациональному расходованию продуктивной влаги в течение вегетации сельскохозяйственных культур. Уже в начале вегетации кукурузы при внесении цеолита в чистом виде запасы доступной влаги в пахотном слое увеличились на 4–10 мм, в метровом – на 10–13 мм; при внесении цеолита, обогащенного аминокислотами соответственно на 6–8 и 8–16 мм. Результаты изучения водного режима чернозема выщелоченного при возделывании проса, рапса были аналогичны: преимущество при применении экспериментальных удобрений составляло 4 – 11 в пахотном и 14 – 16 мм – метровом слое.

Улучшение физических и водно–физических свойств почвы сопровождалось усилением деятельности почвенных микроорганизмов и, в целом, биологической активности почвы. Очень значительное усиление деятельности почвенных микроорганизмов при внесении цеолита в почву происходило под посевами проса. На 19,3 и 17,8 % повысилась биологическая активность почвы при использовании в качестве удобрения обогащенного аминокислотами и карбамидом цеолита. Усиление активности почвенных микроорганизмов сопровождалось оптимизацией питательного режима почв.

Положительное влияние цеолита, в том числе (больше всего) обогащенного аминокислотами и карбамидом на питательный режим почвы наблюдали при возделывании всех культур. Под посевами кукурузы содержание минеральных форм азота (N–NO3+N–NH4) в пахотном слое чернозема выщелоченного повысилось на 0,4 – 1,8 мг/кг, доступных соединений фосфора на 3 – 10 мг/кг, обменного калия на 5– 10 мг/кг (доза цеолита 250 и 500 кг/га); под посевами рапса доступных фосфора и калия на 20– 40 мг/кг (доза цеолита 500 кг/га); под посевами проса (доза 500 кг/га, чернозём типичный) минерального азота на 0,6 – 6,5 мг/кг, подвижных фосфора и калия на 5–16 мг/кг и 6,6–10,3 мг/кг соответственно. Следует отметить, что цеолит Юшанского месторождения Ульяновской области с содержанием кальция и магния 17 % обладает несомненной способностью нейтрализовать кислотность почвы: в почве под посевами кукурузы (чернозем выщелоченный с pHKCl 5,4) она снизилась на 0,35–0,46 единиц, рапса (чернозём выщелоченный с pHKCl 5,10) на 0,11 – 0,25 единиц.

Улучшение физических, химических и биологических свойств почв непосредственно повлияло на продуктивность культур. Наиболее высокая урожайность зерна сформировалась на варианте с внесением в почву обогащенного аминокислотами цеолита в дозе 500 кг/га на фоне минеральных удобрений. Превышение контроля составило: кукурузы на 3,53 т/га (65 %), проса – 0,84 т/га (36%), рапса на 0,57 т/га (59 %). При этом улучшалось качество продукции. В том числе повысилась её экологическая безопасность. Так, накопление в продукции всех культур при применении цеолита и его модификаций в дозе 500 кг/га количество наиболее опасных элементов кадмия и свинца снизилось: – в 2 и более раз.

Применение цеолита, обогащенного аминокислотами и карбамидом, в дозе 250 кг/га в качестве удобрений сельскохозяйственных культур наиболее экономически целесообразно. При возделывании рапса уровень рентабельности производства семян с использованием в системе удобрения цеолита, обогащенного аминокислотами в дозе 250 кг/га, составил 100 %, обогащенного карбамидом — 107 %, тогда как на контроле 89 %; проса соответственно — 97 и 84 % (на контроле 78 %), кукурузы 153 и 152 %.

В связи с вышеизложенным следует признать, что удобрения на основе цеолита, полученные обогащением его аминокислотами и карбамидом, являются уникальным средством для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и получения экологически безопасной качественной продукции, которое позволяет поднять современное земледелие на качественно новый уровень.

Список использованной литературы

Приложения

Автор НИР 

Оглавление

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *