Спосіб меліорації осолонцьованих і забруднених важкими металами ґрунтів

Реферат: Спосіб меліорації осолонцьованих і забруднених важкими металами ґрунтів, який включає внесення кальцієвмісного меліоранту, збагачення органічними добривами орного шару при підтриманні певної вологості ґрунту, причому як меліорант використовують відхід сталедротяного виробництва - кальцієво-залізовмісний шлам (КЗШ) у вигляді стабільної водної суспензії, яку вносять одноразово в запас з розрахунку на загальну зрошувальну норму культур ланки сівозміни під посів першої культури для усунення солонцюючої дії зрошувальної води на ґрунт, згідно з відомою формулою, що приводить до покращення фізичних, фізико-хімічних та екологічних показників ґрунту, підвищення врожайності сільськогосподарських культур та поліпшення якості продукції. UA 107817 U (54) СПОСІБ МЕЛІОРАЦІЇ ОСОЛОНЦЬОВАНИХ І ЗАБРУДНЕНИХ ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ ҐРУНТІВ UA 107817 U UA 107817 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі сільського господарства й меліорації і може бути використана для поліпшення властивостей та підвищення родючості зрошуваних мінералізованими водами осолонцьованих й забруднених важкими металами ґрунтів. У сучасних економічних умовах через відсутність необхідної фінансової підтримки обсяги меліорації осолонцьованих ґрунтів є незначними. Але застосування для зрошення обмежено придатних й непридатних за агрономічними й екологічними критеріями вод призводить до негативних змін властивостей ґрунтів, розвитку деградаційних процесів та зниження їх родючості. Тому актуальним є пошук нових ресурсозберігаючих адаптованих до ґрунтовокліматичних умов прийомів меліорації, які б одночасно вирішували проблему зниження солонцюватості й забруднення ґрунтів в регіонах зі зрошенням мінералізованими водами та високим техногенним навантаженням. Відомо спосіб меліорації іригаційно деградованих ґрунтів, при якому як меліорант іригаційно осолонцьованого чорнозему південного використовують вапняк у дозі 10 т/га восени під оранку на глибину 25 cм [UA № 38528 Спосіб відтворення родючості іригаційно деградованих ґрунтів]. Даний спосіб дозволяє підвищити родючість ґрунту та позитивно впливає на продуктивність вирощуваних культур, приріст врожаю при цьому становив 16,9-20,8 %. Недоліком даного способу є низька розчинність вапняку і в зв'язку з цим необхідність формування меліоративного фону за рахунок внесення підвищеної дози меліоранту. Також існує спосіб меліорації солонцевих ґрунтів, який передбачає глибокий обробіток ґрунту, внесення у верхній шар карбамідоформальдегідного добрива, насиченого розчином сульфату заліза та інкрустованого фосфогіпсом, а також полив підвищеною зрошувальною нормою [RU Пат. №2557715 Способ комплексной мелиорации орошаемых солонцовых земель]. Спосіб забезпечує ефективне розсолення зрошуваних солонцевих земель з поліпшенням структури ґрунту, підвищенням їх родючості та ерозійної стійкості. Недоліком даного способу слід відзначити застосування підвищеної зрошувальної норми поливу та глибокого обробітку ґрунту (до 0,8 м), що обумовлює додаткову затратність способу. Найбільш близьким до заявленого є спосіб меліорації темно-каштанових ґрунтів при зрошенні водами підвищеної мінералізації, який включає внесення фосфогіпсу (відходу промислового виробництва фосфорних добрив) у дозі 3 т/га весною по ріллі на фоні збагаченого органічною речовиною орного шару, який утворюється за рахунок органічних і зелених добрив, пожнивних решток при диференційованому основному обробітку ґрунту, внесення помірних доз мінеральних добрив та азотфіксуючих бактерій [UA № 38404 Спосіб меліорації темно-каштанових ґрунтів при зрошенні водами підвищеної мінералізації]. Застосування даного способу сприяє поліпшенню фізичних, хімічних, фізико-хімічних властивостей темно-каштанових ґрунтів, попереджує розвиток іригаційного осолонцювання за зрошення мінералізованими водами та підвищує продуктивність сівозміни. Але даний спосіб є ресурсозатратним, оскільки передбачає внесення великої норми органічних добрив та азотфіксуючих бактерій. До того ж він є екологонебезпечним за застосування фосфогіпсу, внаслідок вмісту у ньому токсичних сполук (водорозчинного фтору, стронцію, важких металів), що може призводити до забруднення ґрунту та вирощуваної сільськогосподарської продукції. Тому застосування даного способу не вирішує проблему детоксикації ґрунту і зниження транслокації важких металів. В останні роки внаслідок високої ресурсозатратності та відсутності необхідної державної фінансової підтримки обсяги робіт з хімічної меліорації ґрунтів різко скоротилися, що призвело до посилення розвитку деградаційних процесів в зрошуваних агроландшафтах (наприклад, засолення, осолонцювання, злитизація, переущільнення, забруднення токсичними речовинами), особливо в зонах зі зрошенням мінералізованими водами та високим техногенним забрудненням важкими металами. Альтернативою відомим меліорантам є використання місцевих сировинних ресурсів - кальцієвих, кальцієво-залізовмісних сірчанокислих промислових відходів за умов відповідності їх санітарно-екологічним вимогам, що одночасно вирішує проблему утилізації відходів виробництва, охорони навколишнього середовища, поліпшення екологічного стану ґрунту, покращення його фізичних, фізико-хімічних властивостей та якості сільськогосподарської продукції. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу меліорації осолонцьованих і забруднених важкими металами ґрунтів за рахунок використання відходів місцевого виробництва з меліоруючим та удобрювальним ефектом, що дозволяє знизити затрати на проведення хімічної меліорації, забезпечити покращення фізичних, фізико-хімічних властивостей ґрунтів, поліпшити їх агромеліоративний, екологічний стан та підвищити урожайність сільськогосподарських культур. 1 UA 107817 U 5 10 15 20 Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі меліорації осолонцьованих і забруднених важкими металами ґрунтів, який включає внесення кальцієвмісного меліоранту, збагачення органічними добривами орного шару при підтриманні певної вологості ґрунту за зрошення мінералізованими водами, згідно з винахідницьким задумом як меліорант використовують відхід сталедротяного виробництва - кальцієво-залізовмісний шлам (КЗШ) у вигляді стабільної водної суспензії, яку вносять одноразово в запас з розрахунку на загальну зрошувальну норму культур ланки сівозміни під посів першої культури для усунення солонцюючої дії зрошувальної води на ґрунт, згідно з відомою формулою, що приводить до покращення фізичних, фізико-хімічних та екологічних показників ґрунту, підвищення врожайності сільськогосподарських культур та поліпшення якості продукції. У дрібноділянковому польовому досліді (дослідне господарство ДП "ДГ "Донецьке" ННЦ "Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О. Н. Соколовського", с. Суха Балка, Ясинуватського району Донецької обл.) протягом 2009-2013 pp. досліджували ефективність КЗШ сталедротяного виробництва ВАТ "Силур" (м. Харцизьк, Донецька обл.) на фоні зрошення мінералізованою водою та забруднення ґрунту свинцем і кадмієм. Хімічний склад КЗШ наведено в Таблиці 1. Вміст меліоруючих сполук заліза й кальцію становить 62 %. У складі водорозчинних солей переважають сульфати кальцію і заліза, концентрація токсичних солей (хлоридів і сульфатів натрію, калію і магнію) становить 1,5 % від ваги шламу, що не перевищує допустимі норми, рН водний коливається в межах 7,8…8,3. Меліорант містить поживні елементи - калій, фосфор, цинк, марганець, мідь, що підвищує його удобрювальну дію. Таблиця 1 СаСО3 5 CaSO4 20 25 30 СаО 5 Хімічний склад КЗШ, % FeSO4 Fe2(SO4)3 Zn 10 22 0,2 Mn 0,1 Сu 0,028 К 1,5 Р 0,2 Вихідний ґрунт досліду - чорнозем звичайний середньогумусний легкоглинистий на лесовидному суглинку, який внаслідок зрошення набув ознак слабкого ступеня солонцюватості. Площа ділянки - 2,25 м, повторність - чотирьохкратна. Для поливів використовували мінералізовану воду зі ставка, хімічний склад якої наведено в Таблиці 2. Тип засолення - хлоридно-сульфатний кальцієво-натрієвий, рН-7,9. Згідно з чинними нормативними документами вода оцінюється як обмежено придатна для зрошення за агрономічними (небезпекою засолення й осолонцювання ґрунту) та екологічними (вмістом ВМ) критеріями. Варіанти досліду, що вивчалися: № 3. Зрошення мінералізованою водою (Контроль); № 4. Вар. № 3 + забруднення ґрунту свинцем (Рb-50 фонів або 25 мг/кг) і кадмієм (Cd-25 фонів або 2,5 мг/кг); № 6. Вар. №4 + КЗШ. 35 Таблиця 2 Сума солей, 3 г/дм 1,8 Zn 0,017 40 45 Вміст іонів, мекв/дм 3 Іригаційна оцінка за небезпекою осолонцюНСО3СІ Са Mg Na + K засолення підлуження вання 7,9 3,8 8,0 15,6 9,0 7,0 11,4 2 клас 2 клас 1 клас 3 Вміст важких металів, мг/дм Іригаційна оцінка за екологічними Мn Fe Сu Ni Co Pb Cd Cr Сума критеріями 0,006 0,022 0,007 0,004 0,003 0,007 0,009 0,001 0,068 2 клас за вмістом Cd рН 2SO4 2+ 2+ + + Протягом проведення досліду вирощували такі культури: озиму пшеницю + кукурудзу на зелений корм (пожнивно), картоплю, кукурудзу на зерно, гречку. Меліорант вносили у ґрунт у формі стабільної водної суспензії восени при вологозарядковому поливісільськогосподарської культури одноразово в запас при закладці досліду. Дозу КЗШ розраховували на основі хімічного складу зрошувальної води, для усунення солонцюючої дії її на ґрунт, за формулою [Комплекс протидеградаційних заходів на зрошуваних землях України/За ред. С. А. Балюка, М. І. Ромащенка, В. А. Сташука. - К.: Аграрна наука, 2013.С. 98-99]: + + 2+ N= (Na +K + НСО3-Ca )aк, (1) 2 UA 107817 U 3 5 10 15 20 25 де N - доза меліоранта, кг/м води; + + 2+ 3 Na , К , НСО3, Са - вміст іонів у зрошувальній воді, мекв/дм ; а - значення 1 мекв меліоранту (0,082), г; к - коефіцієнт, який враховує вміст вологи і домішок у меліоранті (1,82). На основі формули (1) з використанням даних Табл. 2, та простих обчислень, отримуємо 3 величину дози меліоранту, яка дорівнює N=0,93 кг/м . Загальна зрошувальна норма для культур сівозміни польового досліду, згідно з діючими рекомендаціями становить: 3 озима пшениця + кукурудза на зелений корм (пожнивно) - 2000 м /га, 3 картопля - 1700 м /га; 3 кукурудза на зерно - 1800 м /га; 3 гречка - 800 м /га. З розрахунку на загальну зрошувальну норму для вирощуваних культур ланки сівозміни визначається доза КЗШ: 3 3 3 3 3 3 3 N=0,93 кг/м  (2000 м /га + 1700 м /га + 1800 м /га + 800 м /га) = 0,93 кг/м  6300 м /га = 5,9 т/га Доза КЗШ (5,9 т/га) вноситься у ґрунт при вологозарядковому поливі під першу культуру 3 ланки сівозміни (для озимої пшениці норма води становить 444 м згідно з існуючими нормативними документами), після змішування меліоранту з водою. Згідно з агротехнічними вимогами вирощування сільськогосподарських культур для Степової зони, вологість ґрунту піддержували на рівні 70 % від найменшої вологоємності. При проведенні досліду під посів картоплі у ґрунт вносили карбамід гранульований із розрахунку 70 кг/га азоту та після збирання культури в основне внесення 40 т/га гною. Щорічно після проведення обліку врожаю вирощуваних культур відбирали проби продукції для визначення її якості та ґрунту на глибину активного кореневмісного шару (0,5 м) за шарами 0-25 см, 25-50 см. В результаті проведення лабораторно-аналітичних досліджень отримали дані впливу меліорації на сольовий склад водної витяжки, склад увібраних катіонів у ґрунтовому вбирному комплексі Таблиця 3 та структурно-агрегатний стан чорнозему звичайного Таблиця 4. Таблиця 3 Варіант № 3 Зрошення мінералізованою водою (контроль) № 4 Вар. 3 + забруднення Pb, Cd № 6 Вар. 4 + КЗШ Глибина, см 0-25 Вміст увібраних катіонів, мекв/100 г 2+ 2+ + + Са Mg Na К 39,0 13,0 0,50 1,19 Na+K, % від суми катіонів 3,1 25-50 42,1 15,0 0,43 0,45 1,5 0-25 25-50 0-25 25-50 38,2 43,7 41,5 45,0 12,3 14,0 8,5 11,5 0,53 0,46 0,40 0,58 1,10 0,50 1,05 0,40 3,1 1,6 2,8 1,5 30 35 40 Результати досліджень показали, що чорнозем звичайний внаслідок зрошення набув ознак слабкого ступеня солонцюватості. Застосування КЗШ сприяло покращенню якісного складу солей водної витяжки завдяки зниженню концентрації токсичних солей з 0,09 % до 0,06 %, зростанню співвідношення водорозчинних Са : Na з 1,3 до 1,9, збільшенню концентрації кальцію з 0,70 мекв/100 г до 0,85 мекв/100 г та зниження вмісту натрію з 0,52 мекв/100 г до 0,40 мекв/100 г. Підвищення концентрація карбонатів кальцію (до 1,7 %) обумовило посилення буферності ґрунту даного варіанту проти осолонцювання за зрошення мінералізованою водою. Меліорація ґрунту сприяла гальмуванню процесу осолонцювання чорнозему звичайного, ступінь осолонцювання знизився зі слабкого до рівня несолонцюватого ґрунту (з 3,1 % до 2,8 % Na + К від суми увібраних катіонів). 3 UA 107817 U Таблиця 4 Варіанти досліду № 3 Зрошення мінералізованою водою (контроль) № 6 Вар. 4 + КЗШ 5 10 15 Фактор дисперсності за Качинським Коефіцієнт структурності Повітряно сухі агрегати (10-0,25 мм), % Водостійкі агрегати (> 0,25 мм), % 7,8 5,1 82,3 60,4 7,1 8,3 88,9 67,9 Запропонований спосіб меліорації ґрунту дає можливість: підвищити вміст агрономічно цінних агрегатів (розміром 10-0,25 мм) на 6,6 % і водостійких агрегатів (розміром більше 0,25 мм) на 7,5 %; посилити стійкість мікроструктури (фактор дисперсності достовірно знижується на 0,7 одиниць); покращити оструктуреність ґрунту (коефіцієнт структурності підвищується на 3,2 одиниці). В результаті досліджень було встановлено, що внесення у забруднений ґрунт КЗШ сприяло адсорбції та зв'язуванню рухомих форм металів за рахунок утворення слаборозчинних комплексних сполук із залізом, і як наслідок, покращенню екологічного стану ґрунту і зниженню транслокації важких металів. На досліджуваному варіанті концентрація рухомих форм кадмію у ґрунті зменшилася з 1,12 мг/кг до 0,77 мг/кг, свинцю - 4,8 мг/кг до 3,8 мг/кг, а категорія забруднення при цьому знизилася до допустимої. Вплив КЗШ на продуктивність сільськогосподарських культур та якість продукції наведено в Таблиці 5. В результаті проведення досліджень з використанням меліоранту вирощувані культури дали прибавку на рівні 16-33 %. Таблиця 5 Культура Озима пшениця картопля, бульби кукурудза, зерно гречка, зерно 20 Прибавка врожаю відносно контролю, % 16 24 17 33 Зниження вмісту металів у рослинній продукції, відносно золю, % Свинець Кадмій 10 6 17 13 22 18 21 17 Таким чином, внесення кальцієво-залізовмісного меліоранту, що пропонується, сприяє покращенню агрофізичних, фізико-хімічних властивостей, екологічного стану та підвищенню урожайності сільськогосподарських культур. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Спосіб меліорації осолонцьованих і забруднених важкими металами ґрунтів, який включає внесення кальцієвмісного меліоранту, збагачення органічними добривами орного шару при підтриманні певної вологості ґрунту, який відрізняється тим, що як меліорант використовують відхід сталедротяного виробництва - кальцієво-залізовмісний шлам (КЗШ) у вигляді стабільної водної суспензії, яку вносять одноразово в запас з розрахунку на загальну зрошувальну норму культур ланки сівозміни під посів першої культури для усунення солонцюючої дії зрошувальної води на ґрунт, згідно з відомою формулою, що приводить до покращення фізичних, фізикохімічних та екологічних показників ґрунту, підвищення врожайності сільськогосподарських культур та поліпшення якості продукції. 35 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4