Растениеводство 8 декабря 2022

Сапропель как удобрение и ресурс для восстановления сельхозземель

Сапропель как удобрение и ресурс для восстановления сельхозземель

Текст: Г. Н. Косьяненко, естествоиспытатель, академик Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы; С. М. Штин, канд. техн. наук, горный инженер, доц., Московский горный институт, заслуженный работник Минтопэнерго России

Общая площадь пустующих сельскохозяйственных земель в России, по разным оценкам, составляет до 40 млн га. Для восстановления этих территорий необходимо пополнение гумуса в почве с целью обеспечения требуемой концентрации гуминовых веществ. Такое возможно реализовать в том числе при помощи донных осадков пресноводных озер — сапропелей.

Данные Всероссийской сельскохозяйственной переписи, проведенной в 2016 году, свидетельствуют о почти 17,7 млн га угодий, принадлежащих аграрным предприятиям, но не востребованных ими. По информации Министерства сельского хозяйства РФ, озвученной в 2021 году, в 2019 году площадь таких территорий составляла около 15,3 млн га.

ВОЗВРАЩЕНИЕ К ЖИЗНИ

В основном эти поля представляют собой участки, заброшенные 15 лет назад и более. Они закустарены, нуждаются в серьезной рекультивации, местами — в раскорчевке. Требуются мероприятия по борьбе с сорняками, а также существует необходимость в выравнивании почвы. Целесообразно проводить рыхление земли без оборота пласта на глубину 25–30 см и подрывать корневую систему многолетних сорных видов. В некоторых случаях следует применять гербициды для их уничтожения. Кроме того, отсутствие систематического внесения органических удобрений отражается на потере гумуса в почвах неиспользуемых угодий. По этой причине развиваются деградационные процессы, в частности значительно снижаются запасы питательного слоя. Таким образом, существует проблема возвращения к жизни миллионов гектаров пустующих участков. Кроме того, возникает острый вопрос о том, можно ли этот процесс сделать рентабельным.

К концу 2030 года в оборот должно быть вовлечено 12 млн га земель сельхозназначения. В документе соответствующей Госпрограммы отмечается, что возвращение таких площадей позволит добиться прироста объема гарантированного производства продукции растениеводства на мелиорируемых землях к концу 2030 года почти в 2,5 раза, то есть до 145%, по отношению к уровню 2018 года. Все это должно обеспечить страну продуктами, которых пока выпускается недостаточно, а также позволить нарастить экспорт. Вкупе с другими мерами подобные мероприятия помогут выполнить задачу увеличения производства и экспорта АПК почти в два раза — до 45 млрд долларов. Однако эксперты рекомендуют вводить в оборот участки точечно — только там, где этого требует развитие сельских территорий и может принести наибольшую отдачу жителям и бизнесу. В частности, залежные земли пригодны для производства органической продукции. Под ее выращивание потенциально можно отдать до 2 млн га.

РЕШИТЬ ВОПРОСЫ

Площадей, пригодных для земледелия, в стране немного: отдельные территории долго не использовались и вводить их в оборот дорого. Кроме того, хорошие участки на юге России давно задействованы, а можно ли что-либо эффективно выращивать, например, в Псковской области — большой вопрос. К пригодным следует отнести Нечерноземье, где вполне возможны проекты по возделыванию культур умеренного климата и кормовых ресурсов — льна, ржи, бобовых на сено. Также целесообразно делать упор на развитие сельских угодий к северу от Черноземья, где произошло аграрное опустынивание. Необходимо отталкиваться от потребностей каждого региона и просчитывать, обеспечит ли ввод земель под те или иные культуры устойчивую эффективность. Долгосрочно развивать сельское хозяйство в средней полосе и на Северо-Западе России возможно только в рамках коренного повышения плодородия.

Для полноценного использования восстанавливаемых угодий необходимо пополнение гумуса в почве для поддержания достаточной концентрации гуминовых веществ и ее структурирования. До настоящего времени такой процесс выполнялся в основном путем внесения компостов, навоза и торфа. Количество собственно гуминовых веществ в них относительно низкое, поэтому нормы использования велики. Кроме того, в них содержатся семена сорняков и болезнетворные бактерии. Для получения высоких и устойчивых урожаев также недостаточно надеяться на биологические возможности сельскохозяйственных культур, которые используются лишь на 10–20%. Следует формировать восстанавливаемые земли для получения стабильно качественной экологически чистой продукции. При этом необходимо применять высокоурожайные сорта, эффективные приемы агро- и фитотехники, а также регуляторы роста растений, которые играют не менее важную роль, чем пестициды и минеральные добавки. Кроме того, решение важнейшей задачи сельскохозяйственного производства — получение высоких и устойчивых урожаев — при обеспечении повышения почвенного плодородия невозможно без систематического применения удобрений. Перечисленные задачи, стоящие при восстановлении пахотных угодий, можно выполнять за счет использования осадков пресноводных озер.

НАКОПЛЕННЫЕ ЗАПАСЫ

Сапропели представляют собой типичные органоминеральные донные отложения. Процессы их накопления протекают постоянно, причем для многих водоемов они приобретают прогрессирующий характер. Разведанные сапропелевые ресурсы огромны, и большая их часть сосредоточена в зоне неустойчивого земледелия. Непосредственным источником органического вещества (ОВ) в подобных осадках озер служат нерастворимые остатки планктона и других организмов. Некоторая доля отложившегося ОВ подвергается минерализации, а остальная часть консервируется и в дальнейшем претерпевает геохимические превращения в анаэробных условиях.

Осадки с большим количеством органики приобретают ряд характерных для сапропелей особенностей: желеобразную однородную массу, консистенция которой в верхних слоях приближается к сметанообразной, а в нижних становится более плотной, коллоидную структуру. Они не имеют запаха, за исключением отдельных разновидностей с сероводородом. Цвет сапропеля зависит от ОВ и минеральных примесей. Коричневая, бурая, буро-охристая окраска обусловлена гуминовыми веществами или оксидным железом, зеленая, темно-оливковая — присутствием хлорофилла и кремнекислоты, розовая — каротина, серая, темно-серая — карбонатов, голубая — примеси закисного фосфорнокислого железа или марганца. Содержание ОВ в отложениях разных типов варьирует в широких пределах и может составлять 15–95% массы сухого вещества. Многообразие природы отложений обусловило появление осадков с различным составом ОВ. Он определяется условиями их формирования, а также разнообразием растительного и животного мира озер. По сравнению с торфами и углями данная органическая масса менее богата углеродом и отличается более высоким содержанием легкогидролизуемых веществ, включающих гемицеллюлозу и азотсодержащие соединения. Средний элементный состав сухого сапропеля: С — 62% от массы, Н — 8,6%, N — 2,7%.

сапропель состав.png

ЖИДКАЯ ФАЗА

Сапропель состоит из илового раствора, куда входит вода с минеральными солями, низкомолекулярными органическими соединениями, витаминами и ферментами. Также он включает скелет, который представляет собой неразложившиеся остатки растительного и животного происхождения, и коллоидный комплекс — сложные ОВ, придающие желеобразную консистенцию. Свойства сапропелей определяются тремя главными составляющими: водой, зольной частью — карбонатами, фосфатами, кремнеземом, соединениями железа и другими, а также органическими веществами сложного и неоднородного состава. Естественная влажность отложений достигает 84–96%, в среднем 88,4%. Различия объясняются неодинаковым химическим комплексом и разным соотношением зольной и органической частей: чем больше ОВ, тем выше влажность.

сапропель свойства.png

Основную часть удерживаемой жидкости — до 80% — составляет слабосвязанная вода макропор, которая сохраняется в материале механически. Практически 12–15% приходятся на воду, иммобилизованную внутри рыхлых коллоидов, 8–15% — на физически связанную жидкость, в том числе 3–5% на прочносвязанную. Свободная вода является средой для развития микробиологических и связанных с ними физико-химических процессов в сапропелях, что обусловливает накопление в них ряда веществ. Удельная поверхность отложений способствует развитию химического взаимодействия жидкости с твердой фазой, что приводит к ее насыщению многими растворимыми органическими и минеральными компонентами. По этой причине химический состав водной фазы озерных сапропелей отличается более высокой общей минерализацией, чем в озерной воде, повышенным содержанием отдельных макро- и микроэлементов.

АКТИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Органическую массу сапропелей можно разделить на несколько групп. К первой относятся битумы — вещества, извлекаемые органическими растворителями, то есть воски, парафины, смолы. Вторую составляют компоненты, выделяемые холодной и горячей водой и растворяющиеся в ней после гидролиза в присутствии минеральных кислот, в том числе сахара. В третью группу входят гуминовые вещества, извлекаемые раствором щелочи: гуминовые кислоты и фульвокислоты. Четвертая представлена трудногидролизуемыми элементами, выделяемыми при гидролизе серной кислотой, в том числе целлюлозой. Пятая группа — негидролизуемый остаток, или вещества, оставшиеся после выделения из органической массы сапропеля перечисленных компонентов и не подвергающиеся гидролизу при действии кислот и щелочей.

Гуминовые кислоты являются основной группой биологически активных веществ в отложениях: их концентрация изменяется в больших пределах — от 4–9 до 50–60% ОВ. Они представляют собой группу компонентов, извлекаемых щелочами, в виде темноокрашенного раствора гуматов натрия, калия или аммония, и частей, осаждаемых кислотами в виде аморфного осадка — геля. Кроме того, в составе органического вещества найдены каротины, хлорофилл, ксантофиллы, стерины, органические кислоты, спирты, гормоноподобные элементы, ферменты, витамины группы В — В1, В2, В6, В12, а также С, Е, Р и другие соединения. Фракции гуминовых веществ являются активными комплексообразователями. Они формируют с микроэлементами растворимые и нерастворимые соединения.

Количество азота в сапропелях различных типов равняется 2,7–6% от содержания органического вещества. Порядка 25–50% этого элемента входит в состав аминокислот. Всего их выделяется 17 разновидностей — лизин, аргинин, метионин, лейцин и другие. Концентрация гемицеллюлоз составляет 5–8% ОВ. Содержание золы в сухом веществе колеблется в широких пределах — от 7 до 56% — и зависит от типа сапропеля. В ней находятся различные макроэлементы, в частности кальций, фосфор, сера, калий, кремний и прочие, а также микроэлементы — йод, бром, титан, марганец, медь, кобальт, цинк, бор, молибден, никель, фтор и другие. Последние компоненты входят в органоминеральные соединения, сорбируются гелями кремнезема, гидроксидами железа.

сапропель микроэлементы.png

ПОЛУЧИТЬ УДОБРЕНИЯ

Основные экологические требования к технологии извлечения сапропелей — контроль за качеством и уровнем воды в водоеме добычи, а для сырья — содержание тяжелых металлов и радиоактивных веществ. Сам процесс можно рассматривать как техническую мелиорацию озер, в которых заполнение котловин донными осадками составляет от 70 до 90%. Добыча способом гидромеханизации содействует восстановлению гидрологического режима водоемов и предотвращает их полное заболачивание. Так, в России на озере Рукавское внедрен и апробирован на промышленной основе гидромеханизированный способ добычи обводненных отложений и производства торфосапропелевой смеси. Она представляет собой удобрение пролонгированного действия на основе сапропеля, обеспечивающее восполнение в почве утраченного органического углерода, повышение урожайности и качества производимой продукции.

В целом донные отложения, используемые на удобрения, можно разделить на три группы. Первую составляют истинные сапропели с содержанием органического вещества свыше 50%, вторую — обедненные осадки с концентрацией ОВ от 10 до 50%, а третью — минеральные илы с ОВ до 10%. Сапропели первой группы применяются в качестве органоминеральных удобрений и при компостировании не нуждаются в дополнительном обогащении органическим материалом. Вещества второго типа используются как сложная минеральная добавка, богатая главным образом известью, отчасти фосфорной кислотой, общим азотом и ОВ. При содержании значительного количества СаО эти илы оказывают влияние на изменение кислотности почвы в положительную сторону. Малозольные сапропели пригодны как органические подкормки, а известковые и низкозольные — в качестве мелиорантов.

УЛУЧШЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

Исследования показывают, что донные отложения и получаемые на их основе удобрения оказывают существенное влияние на свойства почв и урожайность растений. В зависимости от доз внесения, уровня минеральных элементов, гуминовых кислот и других биологически активных веществ использование сапропелевых подкормок вызывает различные изменения. Так, за счет их применения модифицируется морфологическое строение почвы — мощность гумусового горизонта и окраска, улучшается структура и плотность. Во многих случаях отмечается увеличение содержания активного ила, что способствует созданию агрономически ценной комковой структуры и, следовательно, более благоприятного водно-воздушного режима. Изменение физических свойств почвы обусловлено как механическим привнесением материала, включающего частицы разного размера, так и физико-химическими процессами, происходящими при взаимодействии с сапропелем.

Для изменения гранулометрического состава пахотного горизонта от рыхлого песка к связному, закрепления илистой фракции, увеличения доли физической глины, порозности на 6–13% и содержания влаги в 1,2–1,5 раза требуется внесение высоких доз отложений — 100–400 т/га. Исследованиями также установлено, что под действием донных удобрений разного качества концентрация фракции физической глины в песчаных и суглинистых почвах возрастает на 5–10%. Улучшение структуры происходит за счет поливалентных катионов, которые образуют эластичные сорбированные пленки на поверхности агрегатов и усиливают их активное взаимодействие.

ВОДНЫЙ РЕЖИМ

Также о положительных изменениях структуры почв под действием сапропелевых удобрений свидетельствует повышение порозности. В ходе опытов под влиянием высокозольных добавок, заделываемых на глубину 6–12 см в дозах 50–120 т/га, уменьшалась плотность легкой лессированной и поверхностно-глеевой суглинистой почвы в среднем на 0,08 г/см, увеличивалась порозность и водоудерживающая способность на 3 и 15% соответственно, а также улучшались фильтрационные свойства. При вспашке контрольного участка плотность пахотного горизонта изменялась на 0,65 г/см, а удобренной сапропелем территории — на 0,96 г/см. При этом влажность на опытном поле была выше, чем на контроле, и равнялась 25 и 11,6% соответственно.

Высокая водоудерживающая и низкая фильтрационная способности сапропеля обуславливают изменение водно-физических свойств легких почв. Обладая клеящей способностью, материал улучшает их структуру, придает комковатость, рыхлость, увеличивает воздухопроницаемость. В итоге наблюдается повышение показателей водного режима почв: впитывания, фильтрации и тому подобного. Влагоемкость пахотного горизонта при внесении иловых отложений возрастает с 35 до 55%. После обработки песчаного участка сапропелевыми удобрениями увеличивается содержание влаги. Они задерживают быстрое просачивание жидкости в нижележащие слои и способствуют более длительному удерживанию в почвенном профиле.

БЛАГОПРИЯТНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Внесение донных отложений активно сказывается на агрохимических свойствах почв. При использовании высоких доз некарбонатных сапропелевых удобрений с 40–50% органического вещества, 2,4% азота, 2,5% кальция, 0,5% фосфора, 0,5% калия, 15% гидролитической кислотности (ГК) на участках легкого механического состава может увеличиться кислотность, содержание подвижного алюминия, фосфора и калия, степень насыщенности основаниями из-за реакций высвобождения элементов и возрастания их подвижности. Степень воздействия иловых удобрений на показатели физических свойств почв находятся в прямой зависимости от вносимых доз. Например, высокозольный сапропель в дозе 160 т/га повышал влагоемкость дерново-подзолистого грунта на 4%, а в количестве 300–2200 т/га — на 14–18%. Из 17 параметров доза 100 т/га максимально оптимизировала четыре, 200 т/га — пять, 300 т/га — 13 свойств, 400 т/га — восемь, 800 т/га — 11 показателей.

Карбонатные осадки влияют на фосфатный режим почв. Адсорбируя Р2С5, внесенные в дозе 60 т/га удобрения не изменяют показателей интенсивности фосфатов. С удвоением количества их активность и концентрация снижается на 26–28%, при этом повышается фосфатный потенциал с 5,66 до 5,75% и фосфат-буферная способность — с 0,042 до 0,053. Содержание подвижных форм фосфора на фоне использования сапропеля возрастает с 15 до 16,8–18 мг/г. Карбонатные донные отложения также оказывают благоприятное воздействие, значительно снижая кислотность, увеличивая емкость поглощения и степень насыщенности пахотных горизонтов основаниями. Например, сапропели озера Неро, содержащие 20% извести, даже в небольших дозах в 26–39 т/га способствовали снижению обменной и гидролитической кислотности дерново-подзолистой почвы. При повышении нормы до 200–600 т/га реакция повышалась на 2,5–3 единицы рН, ГК уменьшалась почти в три раза. Отмечались существенное снижение кислотности с 5,6 до 0,53 мг-экв/100 г почвы и увеличение суммы поглощенных оснований с 15 до 45 мг-экв/100 г от использования высоких доз известковых сапропелевых удобрений.

ПРИМЕНЕНИЕ НА ПРАКТИКЕ

Из-за высокой концентрации минерального компонента и коллоидной структуры в донных отложениях формируется органоминеральное вещество, которое отличается большей термодинамической устойчивостью и инертностью. В сапропелях содержится до 3,5% Nобщ., а под их действием в почве активизируются азотофиксирующие бактерии. Кроме того, коллоидная структура позволяет вновь отметить высокую водоудерживающую и сорбционную способность этих органоминеральных удобрений. Следует отметить, что внесение в почву донных отложений оказывает благоприятное воздействие на повышение продуктивности деградированных, заброшенных почв непосредственно в год внесения. Последействие наблюдается в последующие 2–3 года.

Сегодня практически во всех регионах РФ проведено большое количество опытов и многолетних исследований, подтверждающих действенность использования иловых отложений. Например, итоги возделывания многолетних трав, ячменя, рапса, овса обозначили не только агрономический эффект применения органоминеральных удобрений на основе сапропеля, но и мелиорирующий, что выражалось в увеличении урожайности многолетних трав на 50–100%, ячменя — 59%, рапса — 53%, овса — на 27% при повышении качества продукции. При этом обеспечивалось улучшение агрохимических свойств почвы, восполнение ее энергетического ресурса за счет поступления органического углерода, что способствовало возрастанию устойчивости и процессу гумусообразования.

Исследования по использованию сапропеля в теплицах ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева при выращивании овощей показали, что в огурцах накапливалось меньше нитратов, чем при обычной технологии, а перец быстрее созревал и равномерно окрашивался. Урожай отличался высоким качеством, был безопасным и имел лучший товарный вид. В целом продукция, выращенная на почве, улучшенной сапропелевыми удобрениями, является экологически чистой и не содержит тяжелых металлов, гербицидов и инсектицидов. Органоминеральные добавки на основе иловых отложений показывают высокую эффективность за счет сопряженного учета агрохимических свойств почв и особенностей сапропелей.

ИСПОЛЬЗОВАТЬ ДЛЯ ЖИВОТНЫХ

Кроме того, изучались компонентный и химический состав донных отложений и возможность их применения в качестве минерально-витаминной добавки к рациону молодняка крупного рогатого скота. Исследования проводились в ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева и совхозе «Рузский» Рузского района Московской области на основе образцов сапропелей, взятых из разных областей Нечерноземной зоны РФ. В полученных пробах определялось несколько показателей: содержание сухого и органического вещества, протеин, жир, клетчатка, безазотистые экстрактивные вещества и зольность. Также устанавливались объем белковой и небелковой фракций азота в сыром протеине, аминокислотный состав, концентрация витаминов В1, В2, В12, аскорбиновой кислоты, каротина, микро- и макроэлементов, реакция среды рН.

В исследуемых сапропелях озер центральных районов Нечерноземной зоны количество гуминовых веществ колебалось от 26 до 57,6%. Наибольшую ценность при практическом использовании иловых отложений представляют легкогидролизуемые элементы, которые непосредственно могут усваиваться растениями и животными. Количество водорастворимых и подобных составляющих в осадках варьировало от 5,5 до 17,8%. По завершении анализа компонентного состава в сапропеле остаются вещества, выдерживающие обработку щелочью и концентрированной кислотой. На органических верхних уровнях содержится более 1% подвижных форм гумусовых соединений. В органоминеральных слоях их гораздо меньше — 0,2–0,66%, а в минеральных нижних пластах совсем мало — 0,1–0,13%.

Витаминный состав сапропелей разных месторождений сильно варьировал. Содержание каротина колебалось от 110 до 193 мг/кг воздушно-сухого вещества, фолиевой кислоты — от 3 до 9 мг/кг, тиамина — от 0,8 до 11 мкг/кг, рибофлавина В2 — от 40 до 231 мкг/кг сухого вещества, цианкобаламина — от следов до 851 мкг/кг. Аскорбиновая кислота в донных отложениях не обнаруживалась. В пробах, взятых из разных слоев, были найдены В1, В2 и каротин. Витамины в основном концентрировались в верхних пластах залегания — до 4,5 м. При этом наибольший практический интерес как дополнительный источник B1 и В2 представляет верхний слой в 1,5 м. Как уже отмечалось, сапропель является богатым источником минеральных веществ, необходимых для животных. Так, содержание меди в исследуемых осадках составило 0,5–18 мг%, цинка — 2,7–11 мг%, никеля — 1–3,6 мг%, йода — 0,07–0,3 мг%, марганца — 10,4–87 мг%, что оказалось выше средней нормы этих элементов в кормах. По этой причине данные отложения могут быть использованы в качестве добавки к основному рациону сельскохозяйственного поголовья.

УВЕЛИЧИТЬ ПРИРОСТ

Концентрация веществ в сапропелях зависит от глубины залегания. Наибольшее количество меди, цинка, кобальта, железа и других микроэлементов содержится в слое 1,5 м, то есть там, где протекают наиболее активные процессы превращения органических соединений. Более низкие пласты гораздо беднее микроэлементами, и чем больше оказывается степень их минерализации, тем меньше полезных компонентов находится в них. Опасность для животных могут представлять тяжелые металлы, содержание которых в кормах иногда превышает допустимые величины. В органических и карбонатных сапропелях ртуть и мышьяк не были обнаружены. Концентрация свинца в них составляла 2–3 мг%, фтора — 0,7–0,8 мг%, что стало значительно ниже предельно допустимых норм. В иловых отложениях присутствовал йод — 0,1–0,2 мг%. Следовательно, их можно использовать для профилактики заболеваний, вызванных недостатком этого элемента.

Как показали результаты экспертизы, в исследованных сапропелях не было обнаружено патогенных анаэробов, энтеропатогенной палочки, возбудителя сальмонеллеза, ботулинуса, а также тяжелых металлов, вредных для здоровья животных. Данные экспериментов свидетельствовали о благотворном влиянии добавок, что также подтверждалось увеличенными приростами живой массы — на 19% выше, чем на контроле. В итоге было установлено, что все исследованные виды сапропелей были богаты макро- и микроэлементами и могли применяться в качестве минеральной добавки к питательным смесям для сельскохозяйственных животных. Кроме того, использование сапропеля экономически выгодно, поскольку затраты кормовых единиц на центнер прироста снижались в среднем на 16%. Целесообразно в рационы вводить донные осадки в зимне-весенний период, когда основные корма наиболее бедны минеральными веществами и витаминами. Таким образом, сапропели являются ценным ресурсом не только для восстановления заброшенных сельхозземель и повышения плодородия полей, но и для увеличения продуктивности животных.

Популярные статьи