Теоретические основы управления вещественным составом дисперсной системы внутренних слоев почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические основы управления вещественным составом дисперсной системы внутренних слоев почвы

Е.В. Громыко (Администрация Краснодарского края),

Н.А. Мищенко (ОАО "Агрохимик"),

В.В. Черненко (ФГБОУ ВПО "ДонГАУ"),

А.П. Ендовицкий (Институт плодородия почв юга России),

В.Б. Ильин, С.Ю. Бакоев (ФГБОУ ВПО "ДонГАУ"),

В.П. Калиниченко (Институт плодородия почв юга России, ФГБОУ ВПО "ДонГАУ"),

Е.В. Стацко, В.В. Серенко, А.В. Зинченко (ФГБОУ ВПО "ДонГАУ")

Аннотация

УДК 631.1:631.459(470.61):633.11

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВЕННЫМ СОСТАВОМ ДИСПЕРСНОЙ СИСТЕМЫ ВНУТРЕННИХ СЛОЕВ ПОЧВЫ

Громыко Евгений Васильевич - Администрация Краснодарского края, заместитель губернатора. Контактный телефон: +79183400005. E-mail: kalinitch@mail.ru;

Мищенко Николай Анатольевич - ОАО "Агрохимик", Краснодарский край, директор. Контактный телефон: +79184626538. E-mail: kalinitch@mail.ru;

Черненко Владимир Владимирович - кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный аграрный университет", доцент кафедры земледелия и мелиорации. Контактный телефон: +79064259586. E-mail: instit03@mail.ru;

Ендовицкий Анатолий Петрович - Институт плодородия почв юга России, эксперт. Контактный телефон: +791853333041, E-mail: kalinitch@mail.ru;

Ильин Владимир Борисович - кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный аграрный университет", заведующий кафедрой химии. Контактный телефон: +79185519584. E-mail: ilyin07@gmail.com;

Бакоев Сирожидин Юсуфович - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный аграрный университет", старший преподаватель кафедры высшей математики и физики. Контактный телефон: +79185518116. E-mail: siroj1@yandex.ru;

Калиниченко Валерий Петрович - доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный аграрный университет", заведующий кафедрой земледелия и мелиорации; Институт плодородия почв юга России, директор. Контактный телефон: +791853333041. E-mail: kalinitch@mail.ru;

Стацко Елена Валерьевна - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный аграрный университет", магистрант кафедры земледелия и мелиорации. Контактный телефон: +791853333041. E-mail: kalinitch@mail.ru;

Серенко Владимир Викторович - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный аграрный университет", аспирант кафедры земледелия и мелиорации. Контактный телефон: +79185518116. E-mail: instit03@mail.ru;

Зинченко Александр Владимирович - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный аграрный университет", аспирант кафедры земледелия и мелиорации. Контактный телефон: +79281075528. E-mail: instit03@mail.ru.

Цель исследований - апробация концепции рекреационной биогеосистемотехники на примере рециклинга фосфогипса в почве с внесением его одновременно с ротационной агромелиоративной обработкой почвы в слое 30-60 см. Методы исследований: стационарный полевой, лабораторный, расчетный, а также термодинамический, позволяющий оценить степень устойчивости новой биогеосистемы рециклинга фосфогипса в черноземе. В результате применения предложенной концепции установлено улучшение морфологической структура почвы; более глубокое и равномерное проникновение в почву корневой системы подсолнечника, так, при дозе фосфогипса 20 т/га к уборке культуры в плоскости почвенного разреза площадку 25 см ² пересекали в слое 0-5 см 27 шт., в слое 25-30 см 12 шт., в слое 35-40 см - 15 шт., а также повышение биологической урожайности кукурузы на зерно до 12,44 т/га при НСР ₀₅ 0,98 т/га, подсолнечника до 5,73 т/га при НСР ₀₅ 0,47 т/га, озимой пшеницы до 5,44 т/га при НСР ₀₅ 0,35 т/га. Для замены массового выражения соотношения Ca/Sr предложен переводной коэффициент к молярному отношению . При внесении фосфогипса в почвы Краснодарского края установлено снижение молярного отношения в почвенном растворе с 382 до 125 (при дозе фосфогипса 40 т/га). В результате исследований получена экспоненциальная зависимость отношения и количества внесенного фосфогипса при R² = 0,8288. Предельной дозой мелиоранта следует считать 20 т/га фосфогипса. Для осуществления предложенной концепции разработано устройство, позволяющее вносить жидкие вещества в почву в процессе ротационного рыхления и перемешивания и снизить потери органического вещества.

Ключевые слова: дисперсная система, чернозем, математическое моделирование, рециклинг фосфогипса, ротационная агромелиоративная обработка.

Annotation

THEORETICAL BASES FOR MATERIAL CONSTITUTION MANAGEMENT OF DISPERSED SYSTEM OF INTERNAL SOIL LAYERS

Mishchenko Nikolay Anatolyevich - Open Joint Stock Company "Agrokhimik", Krasnodar Territory, Director. Contact telephone number: +79184626538. E-mail: kalinitch@mail.ru;

Gromyko Yevgeniy Vasilyevich - Administration of Krasnodar Territory, Deputy Head of Administration. Contact telephone number: +79183400005. E-mail: kalinitch@mail.ru;

Chernenko Vladimir Vladimirovich - Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education "Don State Agrarian University", Associate Professor of Chair of Agriculture and Land Reclamation. Contact telephone number: +79064259586. E-mail: instit03@mail.ru;

Yendovitskiy Anatoliy Petrovich - Institute of soil fertility in the Southern regions of Russia, expert. Contact telephone number: +791853333041. E-mail: kalinitch@mail.ru;

Ilin Vladimir Borisovich - Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education "Don State Agrarian University", Head of Chair of Chemistry. Contact telephone number: +79185519584. E-mail: ilyin07@gmail.com;

Bakoev Sirozhidin Yusufovich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education "Don State Agrarian University", Senior Lecturer of Chair of Higher Mathematics and Physics. Contact telephone number: +79185518116. E-mail: siroj1@yandex.ru;

Kalinichenko Valeriy Petrovich - Doctor of Biological Sciences, Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education "Don State Agrarian University", Head of Chair of Agriculture and Land Reclamation; Institute of soil fertility in the Southern regions of Russia, Director. Contact telephone number: +791853333041. E-mail: kalinitch@mail.ru;

Statsko Yelena Valeryevna - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education "Don State Agrarian University", Undergraduate Student of Chair of Agriculture and Land Reclamation. Contact telephone number: +791853333041. Е-mail: kalinitch@mail.ru;

Serenko Vladimir Viktorovich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education "Don State Agrarian University", Postgraduate Student of Chair of Agriculture and Land Reclamation. Contact telephone number: +79185518116. E-mail: instit03@mail.ru;

Zinchenko Aleksandr Vladimirovich - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education "Don State Agrarian University", Postgraduate Student of Chair of Agriculture and Land Reclamation. Contact telephone number: +79281075528. E-mail: instit03@mail.ru.

The objective of researches was approbation of concept of the recreational biogeosystem engineering by example of phosphogypsum recycling in soil upon simultaneously rotary ameliorative tillage in the soil layer from 30 to 60 cm. The research methods were stationary, field, laboratory, computed and thermodynamic which allows evaluating the extent of sustainability of the new phosphogypsum recycling biogeosystem in chernozem. The applying of proposed concept resulted in the improvement of morphologic soil structure, the increasing of depth and uniformity of sunflower root distribution. Thus, during the crop harvest at applied dose of phosphogypsum equal to 20 t per ha a section in the soil profile of 25 cm² was crossed by 27 roots in the soil layer of 0-5 cm; 12 roots in the layer of 25-30 cm and 15 roots in 35-40 cm layer. The biological yields of studied agricultural crops increased as follows: corn for grain up to 12.44 t per ha with LSD₀₅ = 0.98 t per ha; sunflower - up to 5.73 t per ha with LSD₀₅ = 0.47 t per ha; winter wheat - up to 5.44 t per ha with LSD₀₅ = 0.35 t per ha. For replacement of mass ratio it was offered the conversion factor for mol ratio which is equal to 2.1845. The decreasing of mol ratio Ca/Sr in soil solution from 382 to 125 (phosphogypsum dose 40 t per ha) was established at applying phosphogypsum in the soils of Krasnodar Territory. In the issue of researches the exponential relationship between the mol ratio and the quantity of applied phosphogypsum was obtained: with R² = 0.8288. The maximum dose of phosphogypsum should consider 20 t per ha. For implement of the proposed concept the device for applying into soil liquid materials during rotary tillage and mixing and decreasing of organic matter losses from soil is designed.

Keywords: dispersed system, chernozem, mathematical modeling, recycling of phosphogypsum, rotary meliorative tillage operation.

Введение

Актуальность. Предметная область дисперсных систем охватывает широкий диапазон в разной степени преобразованных в рамках природных и антропогенных процессов в пористых многокомпонентных телах. Дисперсный материал геологического происхождения используется или как промышленное сырье для производства посредством предварительной подготовки, или непосредственно как результат современного биологического процесса в биосфере, почве [1-3].

Имитационный путь управления механической композицией почвы приводит к тому, что ее фундаментальные свойства в результате механической обработки не меняются.

Актуально решение следующей из фундаментального аппарата генетического почвоведения задачи управляемого синтеза дисперсных систем с новыми свойствами, в том числе с введением в создаваемые дисперсные системы новых ингредиентов, в развитие фундаментальных отечественных представлений об элементарных почвенных процессах в дисперсных системах.

Современная деградация почвенного покрова закономерно следует из действующей системы земледелия. Необходимы технические и технологические решения, обеспечивающие образование агропочвы мощностью 50 см и более.

Задача управляемого создания дисперсных систем с новыми свойствами следует, в частности, из проблемы фосфатов в почве. Фосфаты в почве совершенно не передвигаются по профилю даже в песчаной почве.

Имеющиеся технические решения позволяют вносить содержащие фосфор вещества в почву только на глубину основной обработки, т.е., как правило, не более 25 см. Решение проблемы фосфора в почве в целом и питание растений из глубоких слоев в настоящее время отсутствует.

Шламонакопители фосфогипса являют собою источник опасных геохимических потоков с вероятным лавинообразным эффектом отложенного биогеосистемного действия и в постиндустриальную мировую эпоху воспринимаются архаичным ландшафтным визуальным деструктором, резко снижая качество облика земель прилегающих местностей, их привлекательность с точки зрения проживания [4].

Необходимо создание технического средства, позволяющего решить комплексную задачу утилизации загрязнения, улучшения фосфатного режима почвы и ее агрофизических свойств, пассивирования загрязнений методом рассредоточения.

Объект исследования. Объекты исследования в настоящем сообщении следующие:

- чернозем обыкновенный карбонатный южно-европейской фации северной зоны Краснодарского края;

- утилизация фосфогипса;

- технология рассредоточения фосфогипса в черноземах на глубине современного антропогенного иллювиирования почвы с ротационным перемешиванием фосфогипса и почвы в слое 30-60 см;

- техническое средство рассредоточения фосфогипса в слое почвы 30-60 см;

- пассивирование стронция, кадмия, свинца в почве.

Схема опыта. Опыты закладывались для исследования и обоснования преимуществ, которые могут быть достигнуты при использовании новой технологии рассредоточения фосфогипса в черноземах на глубине современного антропогенного иллювиирования почвы, разработки соответствующего технического средства, обеспечивающего ротационное перемешивание фосфогипса и почвы в слое 30-60 см.

Схема длительного стационарного эксперимента:

1. Отвальная обработка почвы на глубину 22-25 см (стандарт зональной агротехники - рекомендации о ведении агропромышленного производства) - контроль.

Варианты 2-5 - ротационная обработка почвы на глубину 30-60 см, одновременное внесение фосфогипса в дозе 10-40 т/га и его ротационное перемешивание с почвой в слое 30-60 см.

2. Фосфогипс в дозе 10 т/га.

3. Фосфогипс в дозе 20 т/га.

4. Фосфогипс в дозе 30 т/га.

5. Фосфогипс в дозе 40 т/га.

Закладка эксперимента однократная. После закладки эксперимента в последующие годы во всех вариантах ротационной обработки почвы и внесения фосфогипса применялась стандартная зональная агротехника.

Эксперимент выполнен в 4-кратной повторности. Размещение вариантов - последовательное, повторений - регулярное, контроль - параллельно полосе вариантов. Площадь под экспериментом - 0,4 га, размер участка в плане 400 м Ч 10 м. Культуры в эксперименте: кукуруза на зерно (2005, 2006, 2008 гг.), подсолнечник (2007, 2009 гг.).

Почвенно-агротехнический стационар для изучения эколого-рекреационной утилизации фосфогипса в черноземе при глубокой ротационной обработке почвы заложен в ОАО "Агрохимик" Каневского района Краснодарского края в 2004 г.

Цель исследований - апробация концепции рекреационной биогеосистемотехники на примере рециклинга фосфогипса в почве с внесением его одновременно с ротационной агромелиоративной обработкой почвы в слое 30-60 см.

Задачи исследований - изучить морфологические, агрофизические свойства, влажность почвы; морфологические параметры корневой системы кукурузы, подсолнечника и урожайность культур; обосновать рекреационный и сельскохозяйственный производственный эффект утилизации фосфогипса в черноземе.

Метод проведения исследований. Методы исследований: стационарный полевой, лабораторный, расчетный, методический подход к оценке поведения ведущих загрязнителей, содержащихся в фосфогипсе - термодинамический, который позволяет оценить степень устойчивости новой биогеосистемы рециклинга фосфогипса в черноземе [5-8].

Методика полевых исследований. Отбор проб почвы осуществлялся по ГОСТ 28168-89; влажность почвы - по ГОСТ 134964-84: агрегатный состав почвы исследовался методом сухого просеивания; плотность почвы - методом режущего кольца; биологическая урожайность - методом пробных площадок; развитие корневой системы - по методике Станкова, модернизированной и упрощенной авторами для случая заметных различий в развитии корневой системы по вариантам опыта с подсчетом количества корешков, пересекающих площадку 25 см ² в профиле почвы послойно с шагом 5 см (достигается цель сокращения трудозатрат на отмывку корневой системы всего растения, что имеет значение только при мылах различиях условий развития корневой системы растений по вариантам эксперимента, требуя исследования габитуса всей корневой системы в целях составления образа объекта и последующего выполнения статистических процедур сравнения мало различающихся выборок натурных данных [9]).

Методика лабораторных исследований. Лабораторная часть исследований основана на общих требованиях к проведению анализов (ГОСТ 29269-91) и общепринятых аналитических методах изучения свойств почвы; запас доступной влаги рассчитан с учетом влажности устойчивого завядания; математическая обработка результатов исследований осуществлялась в программной среде Excel.

Ввиду отсутствия в настоящее время в РФ и в мире надлежащих устройств для роторной обработки почвы в условиях почвенно-агротехнического стационара ОАО "Агрохимик" была применена имитация ротационной обработки [10]. Для этого при закладке эксперимента верхний слой почвы 25-30 см укладывали в бурт проходом грейдера. На обнажившийся после прохода грейдера иллювиальный горизонт (фактически - плужная подошва) вносили фосфогипс в дозах согласно вариантам эксперимента. После этого слой почвы 30-60 см несколько раз обрабатывали отвальным плугом, перемешивая фосфогипс с почвой, одновременно имитируя характерное для ротационной обработки почвы мелкое крошение ее структурных отдельностей. После завершения обработки слоя 30-60 см почву слоя 0-30 см из бурта возвращали на место.

Еще один метод настоящей работы - метод теоретического обобщения с базой ретроспекции фундаментальных научных обобщений и прикладных результатов управления агробиогеосистемами 50-100 лет с учетом действующих экологических ограничений природопользования.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том, что в качестве ее методической основы впервые выбрано рассредоточение фосфогипса в черноземах на глубине современного антропогенного иллювиирования почвы с ротационным перемешиванием фосфогипса и почвы в слое 30-60 см, в результате чего:

- минимизируется эоловое воздействие фосфогипса на окружающую среду;

- ослабляется проявление элювиально-иллювиального устройства почвенного профиля черноземов в агрокультуре;

- ротационный способ перемешивания фосфогипса и почвы обеспечивает их наилучший контакт и хорошие агрофизические свойства почвы после обработки;

- рекреационный эффект достигается за счет сокращения размеров шламонакопителей, а в перспективе - их ликвидации.

Результаты исследований

Альтернативой сосредоточенному складированию отходов химического производства является их рассредоточение в почвах, императив упреждающего корректного управления биогеосистемами на основе методов рекреационной биогеосистемотехники.

Морфологические свойства почвы. Стандартная отвальная обработка не изменяет свойства, обусловленные природой формирования почвы и осложненные некорректной агрокультурой. Усиливается вертикальная дифференциация горизонтов почвы. В контрольном варианте верхний элювиальный горизонт почвы (фактически - пахотный слой) имеет грубую структуру. Переход в иллювиальный горизонт почвы (фактически - плужную подошву) резкий. Иллювиальный горизонт имеет плотную структуру, малопроницаемую для корней культурных растений.

Морфологические свойства почвы после внесения фосфогипса с перемешиванием в слое 30-60 см отличаются отсутствием морфологических отличий слоев в профиле почвы. В первые годы исследований в профиле почвы наблюдались структурные отдельности фосфогипса, наиболее заметные при дозе 40 т/га. В последние годы структурные отдельности фосфогипса практически не визуализируются. Непосредственно после внесения фосфогипса структура почвы в слое 30-60 см была менее грубой, чем в слое 0-30 см в контрольном варианте. В последующие годы структура почвы в слое 0-60 см за счет внесения фосфогипса становилась мельче, приобретала большую зернистость. В слое 0-30 см, куда фосфогипс не вносили, эффект имеет место за счет лучших условий проникновения воды внутрь почвы без застаивания в пахотном слое, что приводит к разрушению его структуры при обычной технологии за счет переувлажнения и флотации структурных отдельностей почвы.

Агрофизические свойства почвы. В вариантах эксперимента, где был внесен фосфогипс, весь слой почвы 0-60 см отличается присутствием агрегатов почвы меньшего размера, чем в контрольном варианте, почва рыхлая, легко поддается механической обработке, свойства стабильны в течения периода наблюдений.

При дозе 40 т/га фосфогипса почва в наибольшей степени рыхлая, агрегаты самые мелкие и однородные по размеру. Сказывается эффект трансформации взаимодействия верхних слоев почвы с фактически новым иллювиальным горизонтом, переходным горизонтом, почвообразующей породой (таблица 1). рециклинг фосфогипс ротационная агромелиоративная

Плотность почвы в контрольном варианте отвальной обработки на глубину 22-25 см была высокой, особенно в иллювиальном горизонте. Наилучшие показатели плотности за весь период наблюдений получены в вариантах имитации ротационной обработки и внесения фосфогипса. Показатель варьировал в пределах 1,05-1,25 г/см ³ с некоторой тенденцией стабилизации в сторону большего значения в течение наблюдений (таблица 2).

Таблица 1 - Агрегатный состав почвы в зависимости от обработки по некоторым вариантам эксперимента, %

Вариант эксперимента	Слой почвы, см	> 30 мм	30-10 мм	10-3 мм	3-1 мм	1-0,25 мм	< 0,25 мм
2005 г.
Отвальная обработка почвы на глубину 22-25 см, контроль	0-30 30-60	15 13	19 19	32 29	19 21	12 14	3 4
Ротационная обработка почвы на глубину 30-60 см, одновременное внесение фосфогипса в дозе 10 т/га	0-30 30-60	3 3	15 17	36 34	24 26	17 14	5 6
Ротационная обработка почвы на глубину 30-60 см, одновременное внесение фосфогипса в дозе 40 т/га	0-30 30-60	2 4	12 18	31 37	29 26	18 10	8 5
2008 г.
Отвальная обработка почвы на глубину 22-25 см, контроль	0-30	18	20	30	16	13	3
	30-60	9	24	32	18	11	6
Ротационная обработка почвы на глубину 30-60 см, одновременное внесение фосфогипса в дозе 10 т/га	0-30 30-60	1 3	11 12	37 38	34 36	17 10	0 1
Ротационная обработка почвы на глубину 30-60 см, одновременное внесение фосфогипса в дозе 40 т/га	0-30 30-60	2 0	5 8	29 26	42 47	18 13	4 6
НСР 05, %		3,3

Таблица 2 - Плотность почвы в зависимости от обработки по некоторым вариантам эксперимента, т/м ³

Вариант эксперимента	Слой почвы, см	2005 г.	2008 г.
Отвальная обработка почвы на глубину 22-25 см, контроль	0-30	1,26	1,29
	30-60	1,44	1,41
Ротационная обработка почвы на глубину 30-60 см, одновременное внесение фосфогипса в дозе 10 т/га	0-30 30-60	1,05 1,15	1,19 1,21
Ротационная обработка почвы на глубину 30-60 см, одновременное внесение фосфогипса в дозе 40 т/га	0-30 30-60	1,11 1,12	1,14 1,25
НСР 05, т/м 3		0,11

Влажность почвы. В контрольном варианте обработки почвы ее влажность следует известным закономерностям автоморфного водного режима природно-территориального комплекса севера Краснодарского края: затрудненное проникновение влаги, испарительная составляющая эвапотранспирации. После ротационной обработки и внесения фосфогипса испарительная составляющая эвапотранспирации по отношению к контрольному варианту сокращается. Создается возможность развития корневой системы с меньшими затратами энергии и, следовательно, воды, синтез большей биомассы при том же атмосферном питании осадками.

Морфологические параметры корневой системы даны на примере подсолнечника. В контрольном варианте зональной агротехники основная масса корневой системы находится в поверхностном слое почвы. В 2007 г. к уборке культуры в плоскости почвенного разреза площадку 25 см ² пересекали в слое 0-5 см 35 шт., в слое 25-30 см 1-2 шт., в слое 35-40 см - 0 шт. корней подсолнечника (НСР ₀₅ = 3,5 шт.).

Строение почвы при роторной обработке слоя почвы 30-60 см с внесением фосфогипса способствует более глубокому и равномерному проникновению в почву корневой системы подсолнечника. При дозе фосфогипса 20 т/га к уборке культуры в плоскости почвенного разреза площадку 25 см ² пересекали в слое 0-5 см 27 шт., в слое 25-30 см 12 шт., в слое 35-40 см - 15 шт. корней подсолнечника.

Экологический аспект. Многие партии фосфогипса отличаются радиоактивностью, что является следствием случаев использования радиоактивного апатита, в частности, марокканского происхождения. Весь фосфогипс содержит тяжелые металлы.

Выполнено математическое моделирование комплексообразования тяжелых металлов в почве, которое показывает, что доля подвижных форм тяжелых металлов в черноземе выщелоченном слитом после внесения в него фосфогипса мала и не представляет большой угрозы для растений [6].

Соотношение Ca и Sr в почве. Являясь химическим аналогом кальция, стронций может заменить последний в костях животных и человека, вызывая их искривление и ломкость (уровская болезнь). Верхний безвредный предел валового содержания Sr в почвах 600 мг/кг почвы.

Содержание легкорастворимых форм Sr в мелиорируемом слое в зависимости от вносимой дозы мелиоранта и, особенно, происхождения сырья в худших случаях составляет 2-5 % от суммарного содержания Sr в почве и внесенном в нее фосфогипсе [4].

Массовое выражение соотношения Ca/Sr заменено нами на молярное отношение Ca/Sr. Предложен переводной коэффициент к молярному отношению .

Как показали наши исследования, внесение фосфогипса в почвы Краснодарского края снижает молярное отношение Ca/Sr в почвенном растворе с 382 (исходный почвенный раствор) до 125 (40 т/га). Учитывая данные других исследователей по этому показателю [4], предельной дозой мелиоранта следует полагать 20 т/га фосфогипса. Получена экспоненциальная зависимость отношения Ca/Sr и количества внесенного фосфогипса (рисунок 1):

, (1)

коэффициент детерминации R² = 0,8288.

На рисунке 1 пунктирной линией обозначен порог, ниже которого вероятно неблагоприятное влияние стронция на растения, произрастающие на почве, в которую снесен фосфогипс (уровский порог).

Рассчитаны мольные доли форм нахождения Sr в почвенных растворах при различных дозах мелиоранта. Расчет проводили по уравнению материального баланса:

(2)

Рисунок 1 - Влияние фосфогипса на отношение Ca/Sr в почве

Термодинамические константы нестойкости ассоциатов рассчитаны А.П. Ендовицким [6, 7]:

Как показали расчеты по уравнению (2), мольная доля концентрации свободного стронция уменьшается от 98,6 % до 73,5 % в зависимости от дозы вносимого мелиоранта. Пассивирование стронция, свинца и кадмия, при внесении фосфогипса в карбонатную почву нарастает во времени [6].

Технический аспект. Предложено устройство для внесения вещества при ротационном внутрипочвенном рыхлении.

Существующие подобные устройства имеют недостатки:

- отсутствие перемешивания вносимого вещества с почвой, как это имеет место в способе внесения жидких, пастообразных, сыпучих веществ в почву, например жидкого навоза, фосфогипса в форме пульпы и т.п., реализуемого с помощью устройства для внесения жидкого органического удобрения (навоза) в почву АВВ-Ф-2,8, снабженного сзади плужным корпусом, приподнимающим верхний слой почвы, под который заливается навоз [11];

- отсутствует возможность внесения вещества в почву в процессе ротационного рыхления и перемешивания (фрезерования) ее внутренних слоев с равномерным рассредоточением вещества в зоне внесения с полным контактом с почвой [10].

Предлагаемое устройство поясняется прилагаемыми схемами (рисунок 2).

Устройство содержит два ротационных щелереза, расположенных вертикально симметрично вдоль хода движения устройства, внутрипочвенный фрезерователь с почвенными фрезами, снабжено диском щелереза, в котором выполнен канал для подачи жидких, пастообразных веществ, рампой (выделена пунктиром). Рампа снабжена каналом для транспортирования вещества, который сообщается с каналом в диске щелереза. К рампе присоединены ориентированные вперед по ходу движения рыхлящие пальцы, снабженные распределительными каналами для подачи вещества в почву. На раме устройства позади ротационных щелерезов установлен зубовой рыхлитель - заравниватель - планировщик, который имеет центральную и консольную части с отгибами, которые ориентированы в сторону щелерезов и назад по ходу движения устройства.

Использование новых элементов: диска щелереза с каналом для подачи жидких, пастообразных веществ, рампы с каналом для транспортирования вещества, который сообщается с каналом в диске щелереза, рыхлящих пальцев, снабженных распределительными каналами для подачи вещества из рампы в почву, зубового рыхлителя - заравнивателя - планировщика позволяет при движении устройства в почве фрезеровать ее внутренние слои и перемешивать их с вносимым в почву веществом с высокой надежностью, т.к. создается возможность:

- вносить жидкие, пастообразные вещества, например, жидкий навоз, фосфогипс в форме пульпы и т.п., в почву в процессе ротационного рыхления и перемешивания;

- снизить потери органического вещества из почвы.

а - вид сбоку

б - сечение вида спереди правой по ходу части устройства

Рисунок 2 - Устройство для внесения вещества при ротационном внутрипочвенном рыхлении: 1 - ротационный щелерез; 2 - внутрипочвенный фрезерователь с почвенными фрезами; 3 - диск щелереза; 4 - канал для подачи жидких, пастообразных веществ; 5 - рампа; 6 - канал для транспортирования вещества; 7 - рыхлящие пальцы; 8 - распределительные каналы для подачи вещества в почву; 9 - зубовой рыхлитель - заравниватель - планировщик

Сельскохозяйственный производственный эффект. При внесении фосфогипса в дозе 40 т/га по сравнению с контрольным вариантом (без внесения фосфогипса) повысилась биологическая урожайность: кукурузы на зерно с 10,72 до 12,44 т/га, НСР ₀₅ 0,98 т/га, подсолнечника с 4,6 до 5,73 т/га, НСР ₀₅ 0,47 т/га, озимой пшеницы с 4,62 до 5,44 т/га, НСР ₀₅ 0,35 т/га.

Рекреационный эффект предложенного варианта рециклинга фосфогипса состоит в том, что достигается ускоренная утилизация шламонакопителей фосфогипса с последующей рекультивацией отчужденных земель. Может быть обеспечено безотходное производство фосфорных удобрений с ликвидацией опасности экологического бедствия в ландшафтных, в том числе водных, системах Краснодарского края. Важнейшая проблема углеродного баланса Земли обусловлена интенсивной минерализацией органического вещества почвы в современной агрокультуре. Фундаментальными экспериментами, выполненными С.С. Сдобниковым, показано, что одним из путей управления углеродным циклом Земли является размещение вносимых в почву органических веществ на глубине 30-60 см. Это позволяет увеличить эффективность действия органических удобрений в 3 раза [12].

Выводы

1. Подтверждены положения концепции рекреационной биогеосистемотехники на примере чернозема обыкновенного карбонатного южно-европейской фации северной зоны Краснодарского края в эксперименте рециклинга фосфогипса в дозах 10, 20, 40 т/га с одновременной ротационной агромелиоративной обработкой почвы в слое 30-60 см.

2. Установлено, что биологические закономерности рециклинга фосфогипса заключаются в том, что после внесения фосфогипса структура почвы в слое 30-60 см была менее грубой, чем в слое 0-30 см в контрольном варианте, в последующие годы структура почвы в слое 0-60 см за счет внесения фосфогипса становилась мельче, приобретала большую зернистость; получен эффект трансформации взаимодействия верхних слоев почвы с фактически новым иллювиальным горизонтом, переходным горизонтом, почвообразующей породой; наилучшие показатели плотности получены в вариантах имитации ротационной обработки и внесения фосфогипса 1,05-1,25 г/см ³ с некоторой тенденцией стабилизации в сторону большего значения в течение наблюдений; после ротационной обработки и внесения фосфогипса испарительная составляющая эвапотранспирации по отношению к контрольному варианту сокращается, что способствует развитию корневой системы растений с меньшими затратами энергии и воды, при том же атмосферном питании осадками имеет место синтез большей биомассы.

3. На основе термодинамических закономерностей показана высокая степень пассивирования ведущих загрязнителей, особенно стронция, содержащихся в фосфогипсе, в новой биогеосистеме, полученной в результате рециклинга фосфогипса в иллювиальном горизонте чернозема обыкновенного карбонатного южно-европейской фации.

4. Предложено техническое решение способа внесения фосфогипса, органических и других веществ в форме пульпы в слой почвы 30-60 см, позволяющее решить задачу управляемого синтеза дисперсных систем с новыми благоприятными свойствами для синтеза высокопродуктивной устойчивой агропочвы и одновременно обеспечить экологический рекреационный эффект.

5. Установлен рекреационный и сельскохозяйственный производственный эффект от внесения фосфогипса в дозе 40 т/га по сравнению с контрольным вариантом (без внесения фосфогипса), биологическая урожайность повысилась: кукурузы на зерно с 10,72 до 12,44 т/га, подсолнечника с 4,6 до 5,73 т/га, озимой пшеницы с 4,62 до 5,44 т/га.

Список использованных источников

1. Glazovskaya, M. A. Problems and methods of assessment of the ecogeochemical resilience of soils and the soil cover towards technogenic impacts // Eurasian Soil Science. - 1999. - Т. 32. - № 1. - С. 99-108.

2. Котляков, В.М. Стратегия устойчивого развития России в начале XXI века: инновационные векторы и место географического прогноза / В.М. Котляков, А.А. Тишков // Инновации. - 2009. - № 9. - С. 74-81.

3. Розанов, А.Ю. Ископаемые бактерии, седиментогенез и ранние стадии эволюции биосферы / А.Ю. Розанов // Палеонтологический журнал. - 2003. - № 6. - С. 41.

4. Любимова, И.Н. Влияние потенциально-опасных химических элементов, содержащихся в фосфогипсе, на окружающую среду / И.Н. Любимова, Т.И. Борисочкина. - М.: Почвенный ин-т им. В.В. Докучаева, РАСХН, 2007.

5. Минкин, М.Б. Карбонатно-кальциевое равновесие в почвенных растворах / М.Б. Минкин, А.П. Ендовицкий, В.П. Калиниченко. - М.: Изд. МСХА,1995. - 210 с.

6. Коэффициенты ассоциации и активность ионов кадмия и свинца в почвенных растворах / А.П. Ендовицкий [и др.]// Почвоведение. - 2009. - № 2. - С. 218-225.

7. Термодинамическое обоснование рециклинга фосфогипса в черноземе / Бакоев С. Ю. [и др.]// Плодородие. - 2010. - № 1. - С. 11-13.

8. Влияние различных мелиорантов на подвижность цинка и свинца в загрязненном черноземе / Т.М. Минкина [и др.]// Агрохимия. - 2007. - № 10. - С. 67-75.

9. Доспехов, Б.А. Практикум по земледелию. - М.: Агропромиздат, 1987. - 383 с.

10. Устройство для внесения вещества при ротационном внутрипочвенном рыхлении: пат. 2387115 Рос. Федерация: МПК А 01 В 13/16, А 01 С 23/00 / Калиниченко В.П.; заявитель и патентообладатель ИППЮР. - № 2008124500/12(029710); заявл. 16.06.08; опубл. 27.04.10, Бюл. № 12. - 6 с.

11. Халанский, В.М. Сельскохозяйственные машины / В.М. Халанский, И.В. Горбачев. - М.: Колос, 2003. - 624 с.

12. Сдобников, С. С. "Пахать или не пахать?" / С.С. Сдобников. - М.: РАСХН, 1994. - 288 с.

Размещено на Allbest.ru

...