CC BY
30
УДК 631.821.1:631.415.1 DOI: 10.24411/1029-2551-2020-10022
ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО ИЗВЕСТКОВОГО УДОБРЕНИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ КИСЛОТНОСТИ ПОЧВЫ
Л.М.-Х. Биккинина, к.с.-х.н., И.М. Суханова, к.б.н., Ш.А. Алиев, д.с.-х.н., М.М. Ильясов, к.с.-х.н., К.Р. Гарафутдинова
Татарский НИИАХП — обособленное структурное подразделение ФИЦ КазНЦ РАН,
e-mail: liliyaagro@mail. ru
Представлены результаты исследований в течение 2014-2016 гг. по улучшению кислотного режима почвы с применением модифицированного известкового удобрения. Диспергирование известкового удобрения (мелиоранта) на УЗУ-0,25 мощностью 80 Вт при частоте 18,5 кГц с амплитудой колебаний ультразвукового волновода 5 мкм при комнатной температуре позволило получить ультрадисперсное известковое удобрение с размерами частиц 40,0-120,0 нм, средний размер составил 50,0 нм. Полученная взвесь представляла частицы различной величины и формы, равномерно распределенных в деионизированной воде. В опыте сравнивали эффективность модифицированного известкового удобрения с макроаналогом, измельченного до порошкообразного состояния. Размер конгломератов порошкообразного известкового удобрения колебался в пределах от 0,25 до 1,0 мкм. Высокодисперсное дробление способствовало увеличение контактной площади соприкосновения модифицированного известкового удобрения, что ускорило взаимодействие его частиц с почвой. Выявлено, при использовании модифицированного известкового удобрения в дозах, рассчитанных по 0,1 и 0,05 г.к., кислотность почвы снизилась на 0,3 ед. pHkci, дополнительные прибавки урожая зерна яровой пшеницы составили 2,0%. Установлена сопоставимость действия модифицированного известкового удобрения в дозе по 0,1 г.к. с порошкообразным аналогом — по 1,0 г. к.
Ключевые слова: известкование, кислотность, почва, высокодисперсное, модифицированное, удобрение, яровая пшеница.
USE OF MODIFIED LIME FERTILIZER TO REDUCE SOIL ACIDITY
PhD. L.M.-Kh. Bikkinina, PhD. I.M. Sukhanova, Dr.Sci. Sh.A. Aliev, PhD. M.M. Ilyasov, K.R. Garafutdinova
Tatar Scientific Research Institute of Agrochemistry and Soil Science, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences, e-mail: [email protected]
The presents the results of research during 2014-2016 on improving the acidic regime of the soil with the use of modified lime fertilizer. Dispersion of the meliorant on an 80-W ultrasound-0,25 with a frequency of 18,5 kHz and an oscillation amplitude of the ultrasonic waveguide of 5 microns at room temperature made it possible to obtain an ultrafine lime fertilizer with particle sizes of40,0-120,0 nm, the average size was 50,0 nm. The resulting suspension represented particles of various sizes and shapes, evenly distributed in deionized water. In the experiment, the effectiveness of a modified lime fertilizer was compared with an analog ground to a powdery state. The size of conglomerates ofpowdered lime fertilizer ranged from 0,25 to 1,0 microns. Highly dispersed crushing contributed to an increase in the contact area of the modified lime fertilizer, which accelerated the interaction of its particles with the soil. Installed a decrease in soil acidity pHkci by 0,3 units and obtaining additional increases in the yield of spring wheat grain 2,0% when using a modified lime fertilizer in doses calculated at 0,1 and 0,05 Hr. The comparability of the action of the modified lime fertilizer by 0,1 Hr with the powdered analog by 1,0 Hr was established.
Keywords: liming, acidity, soil, fertilizer, highly dispersed, modified, spring wheat.
Из 87,4 млн. га обследованных пахотных угодий Российской Федерации 30,5 млн. га почв являются кислыми, из них 2,6% - сильнокислыми. Вследствие вымывания кальция из почвы с инфильтра-ционными водами, выносом с урожаями, расходом на нейтрализацию физиологически кислых минеральных удобрений и т.д., площади кислых почв
постоянно растут. В связи с этим ежегодный недобор урожая составляет порядка 10-12 млн. т зерна [1]. Почвы с повышенной кислотностью имеют плохие агрохимические и агрофизические свойства, характеризуются недостаточным содержанием подвижных форм макро- и микроэлементов, низкой биологической активностью. Коллоидная часть та-
ких почв бедна кальцием, магнием, но богата водородом и подвижными катионами алюминия, марганца, железа. Высокая концентрация последних нарушает углеводный и белковый обмены, затрудняет питание растений [2, 3].
Химическая мелиорация кислых почв предусматривает использование для их нейтрализации известковых удобрений с заданным содержанием карбонатов кальция и магния [4, 5]. Известкование, нейтрализуя органические кислоты в почве, способствует вытеснению из поглощающего комплекса ионов водорода и алюминия. Вследствие замены последних на катионы кальция и магния улучшается катионный состав почвенного поглощающего комплекса, повышается насыщенность почвы основаниями, увеличивается емкость поглощения, устраняется обменная кислотность [6].
В условиях развития наукоемкого сельскохозяйственного производства большой интерес вызывает высокая реакционная способность инновационных материалов [7]. Как показывает практика, удобрения, изготовленные из минерального сырья природного происхождения, являются экологически безопасными [8, 9].
Цель исследований - изучение влияния модифицированного известкового удобрения на улучшение реакции почвенной среды в сравнении с порошкообразным аналогом.
Объекты и методы. Опыты проводили в 20142016 гг. в вегетационном домике Татарского НИИ агрохимии и почвоведения. Изучали эффективность различных форм известкового удобрения Мокро-Савалеевского карьера Буинского района Республики Татарстан. Массовая доля суммы карбонатов кальция и магния по месторождению составила 91,6%. Гранулометрический состав породы характеризовался размерами фракций: < 0,25 мм - 19,0%, 0,25-1,0 мм - 33,0%, 1,0-3,0 мм - 26,0%, 3,0-5,0 мм -10,0%, 5,0 мм < - 12,0 процентов. Долевое содержание и размер фракций известкового удобрения составило: < 0,25 мм - 21,0%, 0,25-1,0 мм - 79,0%.
Агрохимическая характеристика исследуемой серой лесной среднесуглинистой почвы: органическое вещество 3,6%, pHкa 5,4, гидролитическая кислотность (№) 1,6 смоль(экв)/кг, сумма поглощенных оснований 17,8 смоль(экв)/кг, щелочно-гидролизуемый азот 105,0 мг/кг, Р2О5 95,0 мг/кг. Культура - яровая пшеница сорта Эстер.
Известкование проводили с применением модифицированного известкового удобрения и порошкообразного аналога в дозах, рассчитанных по 1,0 гидролитической кислотности почвы. В качестве минеральных удобрений использовали сложное удобрение - азофоску (N6oP6oK6o).
Решающим фактором, определяющим агрономическую ценность известкования, служит качество известкового материала - гранулометрический
состав или тонина помола. Карбонатные породы имеют слабую растворимость. Благодаря повышению тонины помола возрастает поверхность соприкосновения частиц природных мелиорантов с почвой, что способствует усилению реакции их взаимодействия [10].
Модифицированное высокодисперсное известковое удобрение получали методом ультразвукового воздействия. Для этого мелиорант, измельченный до порошкообразного состояния, смешивали с деионизированной водой и диспергировали на установке УЗУ-0,25 мощностью 80 Вт при частоте 18,5 кГц при комнатной температуре. Топографию поверхностных структур модифицированного известкового удобрения и его порошкообразного аналога изучали методом прерывисто-контактной атомно-силовой микроскопии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе «MultiModeV» фирмы Veeco (США). Измерение размеров частиц модифицированного известкового удобрения проводили на приборе Brookhaven 90Plus/MAS (США) с использованием одноразовых пластиковых кювет с размерами стенок 10 мм и объемом 4 мл.
Для оценки токсичности и биоактивности модифицированного известкового удобрения и его порошкообразного аналога в лабораторных условиях проводили фитотестирование (МУ 1.2.2968-11 «Порядок биологической оценки наноматериалов на растения по морфологическим признакам»). Тест-объектами были семена сельскохозяйственных культур: яровая пшеница сорта Эстер, рожь -Радонь, ячмень - Раушан, гречиха - Черемшанка, кукуруза - Молдавская 215. Согласно международному стандарту ISO 11269-1, семена предварительно замачивали в водных суспензиях исследуемых веществ в дозах - 0,25; 0,50; 0,75; 1,25; 5,0 и 10,0 кг/т для дальнейшего проращивания в чашках Петри. Для сравнения семена замачивали в дистиллированной воде (контроль).
Оценку эффективности изучаемых форм известкового удобрения производили путем исследования динамики кислотности почвенных образцов каждые 30 дней, которые совпадали с фазами развития яровой пшеницы сорт Эстер - выход в трубку, молочной и восковой спелости.
Опыт был заложен в сосудах Вагнера в трехкратной повторности.
В почве определяли pHm (ГОСТ 26483-85), гидролитическую кислотность (ГОСТ 26212-91), сумму поглощенных оснований (ГОСТ 27821-88), а также содержание подвижного фосфора по Кирсанову (ГОСТ Р 54650-2011).
Экспериментальные данные обработали методами дисперсионного и корреляционно-регрессионого анализов по Б.А. Доспехову (1985) с использованием компьютерной программы Excel.
Рис. 1. АСМ. Изображение поверхности порошкообразного известкового удобрения, размер частиц 0,25-1,0 мкм
Результаты и обсуждение. При изучении сканированного изображения поверхности известкового удобрения было обнаружено, что она представлена конгломератами слипшихся частиц микрометрового диапазона (рис. 1).
Ультразвуковое воздействие обусловило дробление конгломератов порошкообразного известкового удобрения и образование частиц с максимальным количеством химически активных связей, что способствовало увеличению контактной площади соприкосновения и поверхностной энергии. По своей структуре частицы имели полигональную округлую и вытянутую формы (рис. 2).
АСМ изображения поверхности модифицированного известкового удобрения показало, что в отличие от порошкообразного аналога, частицы были распределены равномерно и диапазон их размеров колебался в пределах 40,0-120,0 нм. Отмечали единичные конгломераты с размерами более 2,0 мкм.
Рис. 2. АСМ. Изображение поверхности модифицированного известкового удобрения, размер частиц 40,0-120,0 нм
При анализе гистограммы мультимодального распределения частиц модифицированного известкового удобрения установлено, что средний их размер составил 50,0 нм (рис. 3).
Биотестирование семян сельскохозяйственных культур на фитотоксичность показало, что негативного влияния модифицированного известкового удобрения и его порошкообразного аналога на ростовые и морфологические характеристики проростков не выявлено. Отмечали, что всхожесть семян на всех вариантах опыта составила 88,0-94,0%. Ростки имели здоровый вид, хорошо развитые корешки, без видимых отклонений в развитии. Значимых различий по показателям всхожести, энергии прорастания и длине корней не отмечали.
По результатам агрохимического анализа почвы выявлено, что под влиянием одних минеральных удобрений кислотность почвы в фазы молочной и восковой спелости яровой пшеницы была выше на 0,1 ед. рНка по сравнению с контролем (табл. 1).
100
50
25
5.0
г-ГП
500001?
Diameter fnin)
I Rel. Vol = 1 00.00 Cum. Vol = 30 06 Diarn (rim) = 50.04_
Рис. 3. Гистограмма распределения частиц модифицированного известкового удобрения по размерам
1. Влияние модифицированного известкового удобрения и порошкообразного аналога _на кислотность серой лесной почвы по фазам роста яровой пшеницы_
Вариант рИкс! Нг, смоль(экв)/кг
выход в молочная восковая выход в молочная восковая
трубку спелость спелость трубку спелость спелость
Контроль 5,6 5,6 5,6 1,4 1,5 1,7
60 кг/га - Фон 5,6 5,5 5,5 1,7 1,7 1,8
Фон + 1,0 г.к.* 5,6 5,6 5,8 1,7 1,7 1,5
Фон + 0,0125 г.к.** 5,6 5,6 5,5 1,7 1,7 1,8
Фон + 0,025 г.к.** 5,7 5,7 5,6 1,4 1,5 1,7
Фон + 0,05 г.к.** 5,7 5,7 5,6 1,3 1,5 1,7
Фон + 0,1 г.к.** 5,8 5,8 5,7 1,2 1,3 1,5
НСР0,5 0,07 0,02 0,03 0,06 0,04 0,09
* 1,0 г.к. - доза порошкообразного известкового удобрения;
** 0,0125-0,1 г.к. - дозы модифицированного известкового удобрения.
Внесение порошкообразного известкового удобрения 1,0 г.к. способствовало снижению кислотности почвы до близкой к нейтральной реакции среды, сдвиг pHкa в фазы молочной и восковой спелости культуры составил 0,1 и 0,3 ед. соответственно относительно фона.
Улучшение реакции почвенной среды отмечали при использовании модифицированного известкового удобрения в дозах 0,0125-0,1 г.к., кислотность почвы в фазе молочной спелости яровой пшеницы снизилась на 0,1-0,3 ед. pHкa соответственно к фону. В фазе восковой спелости культуры эффективность модифицированного мелиоранта отмечали в дозах 0,025-0,1 г.к., кислотность почвы снизилась на 0,1-0,2 ед. pHкa соответственно к фону.
Минеральные удобрения способствовали повышению гидролитической кислотности, показатель Нг в фазе выхода яровой пшеницы в трубку превышал значение контроля на 0,30 смоль(экв)/кг, молочной спелости - на 0,2 смоль(экв)/кг, восковой спелости - на 0,1 смоль(экв)/кг почвы.
Положительное влияние порошкообразного известкового удобрения 1,0 г.к. на снижение исследуемой кислотности отмечали в фазе восковой спелости культуры - на 0,3 смоль(экв)/кг к фону. Нейтрализующую способность показывало модифицированное известковое удобрение в дозах 0,025; 0,05 и 0,1 г.к., показатели Нг в фазе выхода яровой пшеницы в трубку были низкими на 0,3; 0,4
и 0,5 смоль(экв)/кг почвы, молочной спелости культуры - на 0,2; 0,2 и 0,4 смоль(экв)/кг почвы, восковой спелости - на 0,1; 0,1 и 0,3 смоль(экв)/кг почвы соответственно относительно фона.
На следующем этапе изучали влияние известкования на урожайность яровой пшеницы (табл. 2).
Улучшение реакции почвенной среды под влиянием порошкообразного известкового удобрения способствовало получению дополнительного урожая зерна яровой пшеницы, увеличение составило на 0,4 ц/га, или 2,7% к фону.
Известкование модифицированным известковым удобрением в дозах 0,025; 0,05 и 0,1 г.к. обеспечило получение достоверных прибавок урожая культуры, которые по сравнению с фоном составили соответственно 0,1; 0,3 и 0,9 ц/га или 0,7; 2,0 и 7,4%. Таким образом, при расходе модифицированного известкового удобрения в 10 раз меньше (0,1 г.к.) по сравнению с порошкообразным аналогом (1,0 г.к.), прибавка урожая зерна яровой пшеницы была выше на 4,6%.
Высокая скорость взаимодействия низких доз модифицированного известкового удобрения связано с повышением функциональной активности катионов кальция и магния в результате изменения физико-химических свойств в процессе диспергирования мелиоранта.
Подобные исследования проведены Carneiro Laisa R.S. и др. [11], которые установили, что реакци-
2. Влияние модифицированного известкового удобрения и порошкообразного аналога
на урожайность яровой пшеницы
Вариант Урожайность, ц/га Прибавка, ц/га
к контролю к фону
Контроль 14,0 - -
60 кг/га - Фон 14,8 +0,8 -
Фон + 1,0 г.к.* 15,2 +1,2 +0,4
Фон + 0,0125 г.к.** 14,8 +0,8 0,0
Фон + 0,025 г.к.** 14,9 +0,9 +0,1
Фон + 0,05 г.к.** 15,1 +1,1 +0,3
Фон + 0,1 г.к.** 15,9 +1,9 +0,9
НСР0,5 0,03
онная способность пуццоланового диспергированного кремнезема, имеющего большую удельную площадь поверхности, была высокой в сравнении с диоксидом кремния.
В условиях интенсивного земледелия традиционный способ известкования ведет к снижению рентабельности сельскохозяйственного производства, так как расходы на известкование окупаются через год-два. В условиях перехода на ресурсосберегающие технологии основной обработки почвы (замена отвальной вспашки на безотвальное рыхление) ежегодное внесение модифицированного известкового удобрения широкозахватным опрыскивателем может внести весомый вклад в повышение эффективности сельскохозяйственного производства, так как является малозатратным и эффективным технологическим приемом.
Нейтрализующее действие модифицированного мелиоранта отмечали в течение вегетации яровой пшеницы. Механизм аддитивного действия низких доз модифицированного известкового удобрения по отношению к реакции почвенной среды объяс-
няется высокой активностью его высокодисперных частиц по сравнению с конгломератами порошкообразного аналога [12]. В перспективе применение ультрадисперсных удобрений. Высокая доступность высокодисперсных частиц позволит контролировать концентрацию удобрений в идеальном диапазоне [13-15].
Таким образом, фитотестирование модифицированного известкового удобрения с размерами частиц 40,0-120,0 нм и его порошкообразного аналога - 0,25-1,0 мкм на семенах тест-растений показало, что по морфологическим признакам видимых отклонений в развитии и различий по показателям всхожести (88,0-94,0%) не установлено. СдвигрИка на 0,1 и 0,2 ед., в первые 30 дней исследования отмечали под влиянием модифицированного известкового удобрения в дозах 0,05 и 0,1 г.к. Мелиоративный эффект модифицированного мелиоранта 0,1 г.к характеризовался наибольшей прибавкой урожая зерна - на 7,4% к фону.
Литература
1. Шильников И.А., Сычев В.Г., Аканова Н.И. Состояние и эффективность химической мелиорации почв в земледелии Российской Федерации // Плодородие, 2013, № 1(70). - С. 9-13.
2. Небольсин А.Н., Небольсина З.П. Теоретические основы известкования почв. - СПб.: ГНУ ЛНИИСХ Россель-хозакадемии, 2005. - 236 с.
3. Иванов А.И., Конашенков А.А., Воробьев В.А., Иванова Ж.А., Вязовский А.А., Петров И.И. Актуальные вопросы известкования кислых почв Нечерноземья // Агрохимический вестник, 2019, № 6. - С. 3-8.
4. Guangdi D Li, Conyers Mark K., Helyar Keith R., Lisle Chris J., Poile Graeme J., Cullis Brian R. Long-term surface application of lime ameliorates subsurface soil acidity in the mixed farming zone of south-eastern Australia // Geoderma, 2019, № 338. - P. 236-246.
5. Биккинина Л.М.-Х., Алиев Ш.А., Сидоров В.В. Улучшение структуры чернозема выщелоченного под влиянием известкования // Агрохимический вестник, 2016, № 3. - С. 11-14.
6. Минеев В.Г., Сычев В.Г., Гамзиков Г.П. и др. Агрохимия. - М.: ВНИИА им. Прянишникова, 2017. - С. 509-515.
7. Яппаров А.Х., Алиев Ш.А., Биккинина Л.М.-Х., Яппаров Д.А. Исследования в области нанобиотехнологий в сельском хозяйстве и международное сотрудничество Социалистической республикой Вьетнам. - Казань: Центр инновационных технологий, 2017. - С. 247-277.
8. Алиев Ш.А. Агромелиоранты как средство экологизации земледелия // Агрохимический вестник, 2001, № 6. -С. 26-28.
9. Ezhkova A.M., Yapparov A.Kh., Ezhkov V.O., Bikkinina L.M.-H., Yapparov I.A., Gerasimov A.P. Development of Nanostructured Phosphorite: Study of the Safety of Application // Doklady Biological Sciences, 2016, № 467. - P.65-67.
10. Ломако Е.И., Алиев Ш.А. Известкование почв Республики Татарстан. - Казань: Центр инновационных технологий, 2004. - 272 с.
11. Carneiro Laisa R.S., Garcia Dayana C.S., Costa Michelle C.F., Houmard Manuel, Figueiredo Roberto B. Evaluation of the pozzolanicity of nanostructured sol-gel silica and silica fume by electrical conductivity measurement // Construction and building materials, 2018, № 160. - P. 252-257.
12. Yapparov A.Kh., Bikkinina L.M.-H., Yapparov I.A., Aliev Sh.A., Ezhkova A.M., Ezhkov V.O., Gazizov R.R. Changes in the Properties and Productivity of Leached Chernozem and Gray Forest Soil under the Impact of Ameliorants // Eurasian Soil Science, 2015, № 48. - P. 1149-1158.
13. Borges R., Brunatto S.F., Leitao A.A., De Carvalho G.S.G., Wypych F. Solid-state mechano-chemical activation of clay minerals and soluble phosphate mixtures to obtain slow release fertilizers // Clay minerals, 2015, № 50. - P. 153-162.
14. Pereira F.F., Paris E.C., Bresolin J.D., Foschinin M.M., Ferreira M.D., Correa D.S. Investigation of nanotoxicological effects of nanostructured hydroxyapatite to microalgae Pseudokirchneriella subcapitata // Ecotoxicology and environmental safety, 2017, № 144. - P. 138-147.
15. Khan M.R., Rizvil T.F. Application of nanofertilizer and nanopesticides for improvements in crop production and protestion // Nanoscience and plant-soil systems, 2017, № 48. - P. 405-427.
