Спосіб зменшення ризику азотної емісії з ґрунту

Реферат: UA 98448 U UA 98448 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до сільського господарства, зокрема до меліорації ґрунтів, а саме до застосування в агротехнічній практиці для оптимального дозування меліорантів з метою зменшення ризику азотної емісії з кислих ґрунтів. На теперішній час нестабільність кліматичних умов істотно підвищує актуальність контролювання емісії парникових газів. Як відомо, велику частку їх складають азотвмісні гази, а саме - аміак, молекулярний азот та група оксидів азоту різних ступенів окислення. Глобальний 9 8 обсяг аміаку, що емітує з ґрунту, оцінений у 1,16·10 т/рік, закису азоту - в 5,9·10 т/рік [Расул С. Химия нижней атмосферы. – Москва: Мир, 1976. - 156 с.]. Загальну інтенсивність емісії оксидів азоту ґрунтом та рослинністю за експериментальними даними оцінено в межах від 6 нг до 9 нг N з квадратного метра за секунду [Johanson С., Blacklin L., Granat L. Exchange of NO and nitrates between atmosphere and arable land. - In: Ecology of arable land, the role of organisms in nitrogen emissions. Progress report 1981. Stockholm: Noswall edition, 1981, p. 114-125.], тобто приблизно від 2 кг до 3 кг N з гектара за рік. При цьому, механізми стікання оксидів азоту NO та NO2 з атмосфери не забезпечують їх видаляння більш швидкого, ніж за 16-20 год. Щодо закису азоту N2O - тривалість його перебування в атмосфері сягає 20 років [Заварзин Г.А. Бактерии и состав атмосферы. - Москва: Наука, 1984. - 192 с.]. Все це означає помітні темпи накопичення азотвмісних парникових газів в атмосфері. Великий обсяг емісії разом з її істотністю в екологічному аспекті потребує підвищення необхідності цілеспрямованого і точного контролювання. Оскільки азотна емісія є невіддільним результатом мікробіологічних процесів, що являють собою елемент функціонування ґрунту як частини агроекосистеми, припинити азотну емісію неможливо. Але обсяги її можна до деякої міри контролювати через регулювання умов рухомості ґрунтового азоту, причому на перший план виходить необхідність у цілеспрямованих, кількісно розрахованих діях. Відомий спосіб зменшення азотної емісії шляхом інтенсивного внесення азотних добрив, за якого коефіцієнт емісії зменшується внаслідок пригнічення мікробіологічної діяльності [(Романовская А.А. Антропогенная эмиссия закиси азота сельскохозяйственными землями России //Диссертационная работа на соискание звания кандидата биологических наук, место защиты - Москва, специальность - екологія, код ВАК 03.00.16., 2000. - 176 с.]. Головним недоліком цього способу є те, що він передбачає значні перевитрати азотних добрив від 40-75 кг/га азоту до 160-264 кг/га (що у 2-3 рази перевищує звичайно застосовуваний рівень) при незначному зменшенні коефіцієнту емісії від 0,45 % до 0,225 %. Існує спосіб зменшення емісії через внесення капсульованих амідних форм азоту, за якого оболонка капсул містить інгібітор перетворення внесеної азотної сполуки [Способ получения медленнодействующих капсулированных удобрений Патент RU № 2224732]. Недоліком цього способу, поряд з витратністю і технічною складністю, є те, що застосування способу обмежується амідною формою внесеного азоту, яка зазвичай складає щонайбільше половину застосовуваних на сільськогосподарських полях азотних добрив. Найбільш близьким за технічною суттю є спосіб зменшення емісійних втрат азоту шляхом локального внесення торфово-мінеральної суміші, що містить вапняний меліорант [Трускавецький Р.С., Цапко Ю.Л., Чешко Н.Ф., Агроекологічна оцінка технології локального окультурення дерново-підзолистих ґрунтів Львів, Вісник Львівського державного аграрного університету, Агрономія № 6, 2002. - 11-17 с.]. Згідно з цим способом окультурюється лише частина об'єму орного шару, за допомогою спеціально заготовленого органо-мінерального добрива комплексної дії (ОМДК). Основними компонентами цього добрива є органічні матеріали та мінеральні добавки до них (вапно, суперфосфат, аміачні форми азотних добрив тощо). Органомінеральна стрічка знаходиться в підорному шарі, що є найбільш ефективним з точки зору зменшення непродуктивних втрат елементів живлення, зокрема - емісійних втрат азоту. Композиція ОМДК, зокрема внесення вапна, коригується залежно від агрохімічних особливостей конкретного ґрунту. Недоліком способу є неточність визначення результату щодо емісії азоту. Втрати азоту за цього способу можуть бути безпосередньо оцінені лише через визначення обсягів його вимивання, отже, обсяг зменшення емісії невідомий. Тому завдяки цьому способу, неможливо цільове зменшення обсягу емісії. Водночас на теперішній час розроблено спосіб чисельної оцінки умов емісії азоту з ґрунту через пряме потенціометричне вимірювання в ньому показника ре+рН (потенціалу електроннопротонної рівноваги), який являє собою суму показника кислотності рН з показником окисновідновного потенціалу ре (від'ємний логарифм активності вільного електрона). Оскільки здійснювані ґрунтовою мікрофлорою процеси утворення летких форм азоту (азотвмісних газів) з ґрунтового мінерального азоту (в переважній більшості нітратного та амонійного) є за своєю фізико-хімічною природою окисно-відновними процесами, сумарний вплив окисно-відновних та кислотно-основних умов визначає термодинамічну вигідність або невигідність таких процесів, а 1 UA 98448 U 5 отже, рівень ризику емісії. Для окремих типів ґрунтів складено за ре+рН шкали термодинамічної вигідності азотних перетворень та небезпеки емісії на дерново-підзолистих ґрунтах, що наведені в таблиці 1. [Термодинамічні методи оцінювання азот-буферного статусу кислих і гідроморфних ґрунтів та емісійних втрат азоту (методичні рекомендації) //- Харків, 2009. - 12 с.)]. Так, наприклад, з таблиці 1 видно, що підвищення показника ре+рН вище від 15,2 (перший стовпчик) зменшить кількість імовірних продуктів азотної емісії з чотирьох до трьох (п'ятий стовпчик) за рахунок створення термодинамічно невигідних умов для продукування двоокису азоту NO2. Значення ре+рН вищі від 17 (дальші рядки таблиці) малоймовірні, особливо на кислих ґрунтах, але можуть скластися за умов деяких кризових ситуацій. 10 Таблиця Інтервал ре+рН 1 Стабільні сполуки 2 Нестабільні сполуки 3 Імовірні перетворення сполук азоту 4 5 6 Перетворення нітрату на NO амоній. Денітрифікація до двоокису, окису, закису азоту, N2O молекулярного азоту NO2 + 19,0 15 20 25 30 NO 3 NO 3; NO2; + NH 4; NO; N2O + NO2; NH 4; NO; N2O, N2 Перетворення амонію на нітрат. Денітрифікація до NH 4 окису, закису азоту, N2 молекулярного азоту N2O Перетворення амонію на нітрат. Денітрифікація до + NH 4 → NO 3; NO3 N2 закису азоту, молекулярного азоту Перетворення амонію на + NH 4 → NO 3; NO 3 → N2 нітрат. Денітрифікація до молекулярного азоту Перетворення амонію на + NH 4 → NO 3 нітрат NO + → NO 3; NO3 N2O Наші багаторічні дослідження у натурному ґрунті показали, що значення ре не коливається у ґрунті залежно від рН, що робить правомірним контроль рівня показника ре+рН через вапнування, тобто підвищення рівня рН. В основу поставлено задачу удосконалення способу зменшення ризику емісії азоту з ґрунту за рахунок створення умов для обмеження рухомості окремого азотвмісного газу, що дозволить знизити небезпеку емісії азоту з ґрунту в атмосферу та послабити парниковий ефект. Задача вирішується тим, що у відомому способі зменшення ризику азотної емісії з ґрунту, який включає внесення у ґрунт вапняного меліоранту, згідно з винахідницьким задумом додатково вимірюють притаманні ґрунту значення ре та рН, за якими визначають значення ре+рН, та за шкалою небезпеки азотної емісії вибирають рівень бажаного зменшення обсягу емісії і через відповідне до нього значення ре+рН обчислюють необхідне підвищення значення рН від вихідного значення до необхідного рівня, та за допомогою наперед отриманого графіку залежності рНводн. від дози внесеного Са(ОН)2 визначають необхідну і достатню дозу вапняного меліоранту. Використання даних, що наведено у таблиці 1, дає можливість отримати значення рН, за якого у даному ґрунті будуть встановлені умови термодинамічної невигідності утворення окремого азотвмісного газу, що зменшить загальну небезпеку азотної емісії. Приклад здійснення способу. У досліджуваний ґрунт вносимо різні дози Са(ОН)2 та визначаємо величину рНводн. [Спосіб визначення доз вапняних меліорантів. Патент № 10093]. За отриманими даними будуємо криву 2 UA 98448 U 5 10 15 20 25 30 рН-буферності, представлену на кресленні. У натурних умовах на тому самому ґрунті визначаємо потенціометрично: ре = 9,73, рН = 4,67; Звідси: ре+рН = 14,4. Згідно з шкалою, наведеної у таблиці 1, ре+рН = 14,4 потрапляє до інтервалу 13,7-15,2, де вірогідні усі види емісії (як видно з двох останніх стовпчиків таблиці, термодинамічно вигідна емісія азоту в формі чотирьох азотовмісних газів). Щоб зменшити небезпеку емісії на чверть за рахунок двоокису азоту NO2, за шкалою порогових значень треба підняти ре+рН до рівня, вищого від 15,2, Таким чином ре+рН за рахунок рН необхідно підвищити на 15,2-14,4=0,8 одиниць або більше. Приймаючи до уваги похибку потенціометричного визначення рН (зазвичай біля 0,2), обираємо цільове значення рН підвищеним на 1,1 одиниць, тобто таким, що становить рН = 4,67+1,10=5,77. За графіком на кресленні знаходимо на осі абсцис значення дози гідроокису кальцію, відповідне до значення рН = 5,77, яке відкладаємо на осі ординат. Це значення дози становить 0,28 мг-екв/100 г. Звідси обчислюємо дозу вапняного матеріалу (для вапна СаСО 3) згідно з формулою з патенту [Спосіб визначення доз вапняних меліорантів. Патент № 10093]: (1) x  a  0,5 , де x - доза вапна для внесення у ґрунт, кг/т; a - доза гідроокису кальцію, визначена за кривою буферності, мг-екв/100 г; 0,5 - зведений коефіцієнт переведення гідроокису кальцію у вапно, вапна з мг-екв у кілограми та ґрунту з грамів у тонни. За формулою (1) доза вапна, необхідна для зменшення на чверть небезпеки азотної емісії з даного ґрунту, складає х = 0,28·0,5=0,14 кг на тонну ґрунту. Технології хімічної меліорації кислих ґрунтів, які використовують у сільськогосподарському виробництві передбачають, що внесене вапно перемішується приблизно з 3000 т ґрунту на кожному гектарі. Отже доза вапна на один гектар складе 0,14·3000=420 кг/га. Таким чином в даному прикладі доза вапна, необхідна для зменшення небезпеки азотної емісії з ґрунту орієнтовно на чверть (за рахунок двоокису азоту NO2) становить 420 кг/га. (Проти звичайно застосованої дози - 4-5 т/га). Таким чином спосіб, що пропонується, дає можливість досягти істотного зменшення небезпеки азотної емісії з ґрунту за допомогою невеликих доз вапняного меліоранту, сприяє зменшенню парникового ефекту та охороні довкілля. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Спосіб зменшення ризику азотної емісії з ґрунту, який включає внесення у ґрунт вапняного меліоранту, який відрізняється тим, що додатково вимірюють притаманні ґрунту значення ре та рН, за якими визначають значення ре+рН, та за шкалою небезпеки азотної емісії вибирають рівень бажаного зменшення обсягу емісії і через відповідне до нього значення ре+рН обчислюють необхідне підвищення значення рН від вихідного значення до необхідного рівня, та за допомогою наперед отриманого графіку залежності рНводн. від дози внесеного Са(ОН)2 визначають необхідну і достатню дозу вапняного меліоранту. 3 UA 98448 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4