Применение сапонит-содержащих материалов в качестве минерального удобрения при выращивании картофеля в Архангельской области

Встает вопрос о возможности их практического применения, что позволило бы решить экологические проблемы при складировании и хранении больших объемов побочной продукции, которая будет накапливаться при разработке следующих алмазоносных трубок.

В настоящее время сапонит считают сырьем XXI века. Он широко применяется в различных отраслях промышленности [1, 3, 4]. Используют сапонит для производства силикатных строительных материалов [2, 5], гидроизоляции при обустройстве полигонов хранения ТБО [6] и радиоактивных могильников [7, 8], фильтрации сточных вод [9], а также в медицине и курортном деле [10].

Проводятся исследования и по использованию сапонитовых глин в сельском хозяйстве. По мнению ряда авторов [11, 3, 4], они могут быть использованы как минеральные добавки к кормам и удобрениям, для детоксикации грунтов, как наполнители и гранулянты и др. Исследования показывают возможность применения подобных глинистых минера- лов для сорбции гербицидов и пестицидов, вносимых в почву, а также тяжелых металлов [12–14].

Сапонит по своим свойствам отличается от других глинистых минералов, его относят к высокодисперсным сильно набухающим глинам. Особые свойства сапонит-содержащих побочных продуктов обогащения связаны с размером частиц менее 1 мкм, свойствами и строением минерала. Особыми свойствами сапонит обладает по отношению к воде, которая содержится в минерале в различных формах (свободная, легкоотделяемая и связанная) и накапливается в межпакетных пространствах [15]. В результате это обеспечивает не только высокую влагопоглотительную и водоудерживающую способности сапонит-содержащих материалов, но и вызывает набухание минеральных частиц более чем в 3 раза [16]. Сапонит обладает также высокой сорбционной способностью и катионообменной емкостью [15]. Именно эти свойства и вызывают подщелачивание почв при внесении сапонит-содержащих материалов, что было отмечено нами при изучении субстратов на основе торфа с добавлением сапонит-содержащих хвостов обогащения [17].

Испытание сапонит-содержащих побочных продуктов алмазного месторождения им. М.В. Ломоносова показало возможность их применения для подготовки субстратов на основе торфа и обезвоженного активного ила, которые могут использоваться при проведении рекультивационных работ [18, 17].

Цель исследования: изучение влияния сапонит-содержащих побочных продуктов хвостов обогащения, полученных в результате переработки кимберлитовых пород на алмазном месторождении им. М.В. Ломоносова, на свойства почв и урожай картофеля на аллювиальных почвах в Архангельской области.

Условия, методика проведения и объект исследования . Отбор проб сапонит-содержащих материалов на определение минерального состава проводился на обогатительной фабрике непосредственно из пульпы, направляемой в хвостохранили-ще (из сливов классификаторов).

Сапонит – мыльный камень, минерал из подкласса слоистых силикатов, группы монтмориллонита; химический состав NaMg3[AISi3O10](OH)2×4H2O. В виде изоморфной примеси содержит Fe, иногда Cr, а также Ni, Zn, Cu, Li и др. Образуется при выветривании темноцветных (магниевых) минералов ультра-основных пород (серпентинитов). Обладает свойствами бентонитов [19]. Согласно протоколу испытаний, проведенных в испытательной лаборатории САС «Архангельская», сапонит, полученный при переработке алмазоносных пород в Архангельской области, имеет водородный показатель рН 7,8; содержит 2 900 мг/кг подвижного фосфора, 350 мг/кг подвижного калия и 5,6 мг/кг кальция. Присутствуют также химические элементы из группы тяжелых металлов в подвижной форме: медь – 0,18 мг/кг; цинк – 0,24; никель – 4,4; свинец – 5,0 мг/кг и др., не превышающие по содержанию ПДК. Массовая доля влаги в хвостах обогащения составила 76 %.

Опыт по изучению влияния сапонита в качестве минерального удобрения заложен в 2017 г. совместно ПАО «Севералмаз» и ФГБУ Станция агрохимической службы «Архангельская» на производственном участке СПК «Племзавод Холмогорский» Холмогорского района Архангельской области. Для закладки полевого опыта был выбран участок с пойменной дерново-глееватой почвой, супесчаной по гранулометрическому составу, сформировавшейся на современных аллювиальных песчаных отложениях.

Климат Холмогорского района умеренно континентальный, с частой сменой воздушных масс. Со стороны Атлантического океана нередко вторгаются циклоны, которые приносят с собой пасмурную погоду с осадками – прохладную летом и теплую зимой. В начале лета нередко бывают заморозки в воздухе и на земной поверхности. Изотермы самого теплого летнего месяца июля колеблются от +15 до +16 ºС. Среднее годовое количество осадков составляет от 650 мм. Больше осадков выпадает в теплый период года, летом преимущественно ливневого характера, осенью преобладают обложные дожди. Воздух влажный во все сезоны года.

Весенне-летний период года постановки эксперимента отличался от средней многолетней климатической нормы. По данным ФГБУ Северное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды [20], в 2017 г. на всей территории области был характерен недостаток тепла и избыток влаги, что сдерживало рост и развитие сельскохозяйственных культур и препятствовало проведению полевых работ. Средние месячные температуры в июне и августе были ниже нормы на 1,6–2,8 ºС, и только в самый теплый месяц (июль) превышали среднюю многолетнюю норму на 0,1–3,4 ºС. Сумма активных температур воздуха выше +10 ºС все летние месяцы была ниже многолетней нормы на 31– 254 ºС. В течение летних месяцев выпадало много дождей, в том числе ливневых. В результате количество осадков превышало среднюю многолетнюю норму на 59–294 %. Неблагоприятные климатические условия – низкие температуры воздуха и частые дожди обусловили необычно позднюю посадку картофеля (21 июня).

В качестве посевного материала использовался картофель сорта Невский, который относится к среднепоздним сортам, отличается хорошими клуб-необразованием (10–15 клубней на кусте) и урожайностью (35–50 т/га).

Опыт закладывали на делянках 3×6 м в 4 повторностях в следующих вариантах: контроль; доза сапонита – 12 т/га; доза сапонита – 9,7 т/га; доза сапонита – 7,3 т/га; доза сапонита – 3,6 т/га.

Доза для внесения необходимого объема сапонита рассчитывалась на сухое вещество, согласно содержанию массовой доли влаги в сапоните. Таким образом, норма внесения сапонита на делянку составила по вариантам: 99; 80; 60; 30 л, или в пересчете на сухой сапонит: 21,6; 17,5; 13,1 и 6,5 кг соответственно. Необходимый для внесения на каждую делянку объем сапонита измерялся при помощи мерных сосудов. Внесение сапонита производилось вручную, при равномерном распределении всего объема по площади делянки, согласно схеме опыта.

После внесения удобрений проведено боронование почвы. Посадка производилась механизировано при помощи картофелесажалки навесной, ширина междурядья – 0,75 м, расстояние между лунками – 70 см. Таким образом, на каждой делянке было расположено 4 рядка картофеля с 8 клубнями. На каждой делянке (повторности) высаживали по 64 клубня.

Отбор образцов почвы для проведения агрохимических анализов проводился перед внесением сапонита и после уборки урожая с каждой делян-ки/повторности опытного участка. Химические испытания почвенных образцов были проведены на базе лаборатории ФГБУ САС «Архангельская». Для анализа использованы усредненные данные четырех повторностей каждого варианта опыта. Для оценки содержания тяжелых металлов была отобрана общая проба со всего опытного участка до внесения в почву сапонита и после уборки урожая.

Поздняя посадка и неблагоприятные условия в 2017 г. задержали развитие растений. Единичные всходы картофеля появились 3 июля, к 15 июля всходы наблюдались на всех опытных участках. Интенсивное нарастание ботвы продолжалось до 22 июля. Сильные продолжительные осадки в третьей декаде июля и первой декаде августа затормозили нарастание ботвы и дальнейшее нормальное развитие картофеля, что повлекло за собой отставание сроков цветения и снижение его интенсивности. Переизбыток влаги от сильных дождей в третьей декаде августа привел к гибели ботвы практически на всех опытных вариантах. При выращивании картофеля проводилось двукратное боронование до всходов согласно агротехническим требованиям и окучивание.

Уборка урожая проведена 21 сентября вручную, при этом в центральной части каждой из делянок, отступив по 1 метру от каждой стороны делянки, отбирали 6 учетных кустов, у которых определяли массу и размеры клубней, а также общий урожай с куста. Общую урожайность картофеля по вариантам определяли путем взвешивания всех клубней с делянки.

В камеральных условиях определяли рН почвенной среды (ГОСТ 26483-85), содержание подвижных соединений фосфора и калия в почве (ГОСТ Р 54650-2011) и органического вещества (ГОСТ 2621391), а также нитратов в клубнях картофеля (МУ 5048-89).

Результаты исследования и их обсуждение . Влияние сапонит-содержащих материалов, вносимых в различных дозах в почву, прежде всего, должно было сказаться на ее свойствах, что и было проконтролировано в конце вегетационного периода.

Окультуренные аллювиальные почвы, на которых производилась постановка опытов, перед проведением эксперимента (весна 2017 г.) имели нейтральную кислотность (рН 6,1–6,2), что характерно для этого типа почв [21]. При таких высоких значениях рН существенного подщелачивания почв от внесения глинных материалов не наблюдалось, в осенний период величина обменной кислотности составила по вариантам опыта от рН 6,0 до 6,1.

В то же время высокая дисперсность и силы поверхностного притяжения сапонитов оказали влияние на содержание питательных элементов, в частности подвижных форм фосфора и калия, в почве к концу периода вегетации (рис. 1, 2). Сравнили динамику накопления подвижных форм фосфора и калия относительно контрольного варианта, где сапонит-содержащие материалы не вносили.

Содержание подвижных форм фосфора до внесения сапонит-содержащих материалов составляло по вариантам опыта 240–303 мг/кг, в конце вегетационного периода произошло относительное выравнивание его количества (363–379 мг/кг). По отношению к исходным данным содержания Р 2 О 5 в почве контрольного варианта величина прироста подвижных форм фосфора при внесении сапонит-содержащих материалов в пределах 3,6–9,7 т/га составила всего 1,6–1,7 %. Только внесение 12 т/га глинных материалов увеличило содержание в почве подвижных фосфатов на 4,3 %.

В динамике содержания подвижного калия наблюдается другая закономерность: до внесения са-понит-содержащих материалов количество подвижного калия в почве по вариантам опыта составляло 104,8–129 мг/кг, а после уборки урожая увеличилось до 120,8–135,5 мг/кг. Прирост подвижного калия в почвах связан с количеством вносимого глинного материала. Наибольшее увеличение К2О (12,2 % по сравнению с контрольным вариантом) наблюдалось при наименьшей в опыте дозе внесения сапонит-содержащих материалов – 3,6 т/га, по мере увеличения количества вносимых глинных материалов прирост содержания подвижного калия снижался (см. рис. 2).

Различия в накоплении подвижных форм фосфора и калия при внесении в почву сапонит-содержащих материалов связаны со свойствами и строением сапонитов. Результаты исследований показали высокую сорбционность фосфатов сапонитами и удержание их на поверхности глинных мате- риалов, то есть вывод из почвенного раствора [22]. Накопление калия в подвижной форме в почве обусловлено строением сапонитов, в составе которых присутствуют свободные к обмену его катионы (также как и Na+ и Ca2+), не закрепленные в кристаллической решетке [4]. На кумуляцию калия в почве указывали также [23].

Доза внесения сапонита

Рис. 1. Изменение содержания подвижного фосфора почвы в вариантах опыта по отношению к содержанию подвижного фосфора в контрольном варианте (без внесения сапонита) после уборки урожая

Доза внесения сапонита

Рис. 2. Изменение содержания подвижного калия почвы в вариантах опыта по отношению к содержанию подвижного калия в контрольном варианте (без внесения сапонита) после уборки урожая

Согласно литературным данным, свойства сапо-нит-содержащих материалов, вносимых в почву, могут влиять на ее структурообразование (Карпенко, 2009) и закрепление в почве органического вещества

• [24]. За вегетационный период на опытном участке наблюдалась тенденция увеличения органического вещества почвы от 2,7–3,2 до 2,9–3,3 %. По вариантам опытов прирост органического вещества в почве

составил 17,4–0,9 % (рис. 3), причем с увеличением дозы внесения сапонит-содержащих материалов накопление органического вещества снижалось. Относительно органической части почвы могло негативно сказаться такое свойство сапонитов, как высокая водоудерживающая способность, которая в холодный и сырой год могла привести к перенасыщению почвы влагой и замедлить процесс гумусообразования.

Доза внесения сапонита

Рис. 3. Изменение содержания органического вещества почвы в вариантах опыта по отношению к содержанию органического вещества в контрольном варианте (без внесения сапонита) после уборки урожая

Изменения в свойствах почв, вызванные внесением сапонит-содержащих материалов, сказались и на урожае картофеля. В нетрадиционный по погодным условиям год с недостатком тепла и избытком влаги в течение вегетационного периода значительных различий по влиянию сапонит-содержащих материалов на формирование продукции не наблюдалось (рис. 4). В первую очередь, на развитии расте- ний картофеля, образовании и формировании клубней могла сказаться высокая водоудерживающая способность сапонитов, которая привела к переизбытку влаги в почве и снижению продуктивности. В целом прибавка урожая составила 9–18 ц/га. Наиболее заметная прибавка урожая наблюдалась при минимальной дозе внесения сапонит-содержащих материалов (3,6 т/га).

Доза внесения сапонита

Рис. 4. Урожай картофеля при различных дозах внесения в почву сапонит-содержащих материалов

Провели проверку продукции (клубней картофе- некоторое повышение нитратов при минимальной ля) на содержание нитратов (рис. 5). Наблюдается дозе внесения сапонит-содержащих материалов, при

увеличении дозы внесения происходит снижение кумуляции нитратов в клубнях на 18–33 %. Тенденция соизмерима с содержанием органического вещества в почве (см. рис. 3), что закономерно и связано с кумуляцией, минерализацией органического вещества почвы и соотношением органического углерода и азота.

Доза внесения сапонита

Рис. 5. Содержание нитратов в картофеле при внесении в почву сапонит-содержащих материалов

Выводы . Сапонит-содержащие материалы, получаемые в процессе переработки алмазосодержащих кимберлитовых пород на обогатительной фабрике на Ломоносовском месторождении алмазов (Архангельская область) обладают уникальными свойствами и при внесении в почву при выращивании сельскохозяйственной продукции могут оказать влияние на ее свойства и урожайность культур.

На характер проявления почвоулучшающих свойств сапонит-содержащих материалов влияют погодные условия, исходные свойства почвы, доза внесения глинных материалов. На нейтральных почвах дополнительного подщелачивания не происходит. Наиболее заметные проявления в изменении плодородия почв сказываются на уровне содержания подвижного калия и органического вещества. Большие дозы сапонит-содержащих материалов могут привести к снижению содержания гумуса, что наблюдалось в опыте в год с избыточным увлажнением.

Необходимы эксперименты по подбору оптимальных доз внесения сапонит-содержащих материалов, имея в виду их использование как раскислителя на почвах низкого плодородия.