Агрохимия, 2022, № 10, стр. 19-27

ВВЕДЕНИЕ

Проблема повышения урожайности сельскохозяйственных культур и получения экологически безопасной и качественной продукции была и остается главнейшей в обеспечении продовольственной безопасности страны. Одним из основных факторов, ограничивающих повышение их продуктивности, является наличие в регионах активного земледелия больших площадей кислых почв. В частности, на 01.01.2022 г. кислые почвы в Ульяновской обл. составили 728.6 тыс. га от обследованной площади сельскохозяйственных угодий в 1491.2 тыс. га, или 48.8% пашни. Более того, в связи с практическим прекращением объемов известкования в конце прошлого века и по настоящее время процесс подкисления почв пашни продолжается, площади с нейтральной и близко к нейтральной реакцией среды сокращаются, соответственно увеличиваются площади среднекислых почв.

Нет необходимости доказывать, что кислые почвы губительны для возделываемых культур и полезной микрофлоры. В них усложняется поступление кальция в растения, сосуды корневых волосков закупориваются, угнетается деятельность нитрификаторов, азотфиксаторов, увеличивается подвижность тяжелых металлов, повышается содержание в почве подвижных алюминия и марганца до токсичных количеств [1]. Известно также, что эффективным, радикальным средством устранения кислотности является известкование почв, т.е. внесение материалов, содержащих CaCO₃ и MgCO₃ [2–5].

Ульяновская область богата месторождениями известковых материалов. Например, мел Шиловского месторождения содержит до 98.5% CaCO₃ и MgCO_3. Однако добыча мела в целях известкования кислых почв приостановлена. В сложившейся обстановке и крайней необходимости устранения кислотности почв хорошей альтернативой извести могут стать отходы сахарного производства. Сахарная промышленность относится к материалоемким видам производства, в которых объем сырья и основных вспомогательных производственных материалов в несколько раз превышает выход готовой продукции. Соответственно велик объем побочных продуктов и отходов и следовательно появляется проблема их утилизации. Таким отходом является фильтрационный осадок (дефекат), содержащий в своем составе значительное количество углекислого кальция и углекислого магния. Наличие на территории области крупного сахарного завода с ежегодным объемом фильтрационного осадка >20 тыс. т предполагает возможность эффективного использования его в качестве известкового материала.

В связи с вышеизложенным цель работы – изучение эффективности известкования чернозема выщелоченного с рН_КСl 5.52 фильтрационным осадком Ульяновского сахарного завода, в том числе влияния его на агрохимические показатели и урожайность сельскохозяйственных культур.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на территории землепользования ООО “Хлебороб” Ульяновского р-на Ульяновской обл. Почва опытного поля – чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый с содержанием гумуса по Тюрину (в модификации ЦИНАО) – 6.9%, подвижного фосфора (Р₂О₅ по Чирикову) – 95 мг/кг, обменного калия (K₂О по Чирикову) – 128 мг/кг, серы – 5.6 мг/кг; рН_КСl – 5.22, Н_г – 6.65 ммоль/100 г, Са – 22.0 ммоль/100 г, Mg – 4.87 ммоль/100 г, Сu – 5.2 мг/кг, Мn – 20.8 мг/кг, Zn – 0.42 мг/кг почвы, сумма поглощенных оснований – 46.1 ммоль/100 г. Содержание солей тяжелых металлов в валовой и подвижной формах не превышало ПДК ни одного элемента.

Полевой опыт заложен в 3-х вариантах и в четырехкратной повторности осенью 2016 г. по следующей схеме, варианты: 1 – контроль – без удобрений и мелиоранта, 2 – внесение фильтрационного осадка (СаСО₃) в дозе, рассчитанной по гидролитической кислотности (Н_г) – 6.1 т/га, 3 – внесение фильтрационного осадка (СаСО₃) в дозе, рассчитанной по обменной кислотности (рН) – 4.5 т/га. Общая площадь делянки составляла 88 м² (11 × 8 м), учетная – 54 м² (9 × 6 м), соответственно, общая площадь одной повторности – 264 м², всего опытного участка – 1056 м². В качестве известкового материала использовали фильтрационный осадок АО “Ульяновский сахарный завод”, расстояние перевозки мелиоранта – 50 км.

Фильтрационный осадок образуется при очистке свекловичного сока путем добавления к нему известкового раствора. Его выход от веса переработанной массы составляет 10–12%. Фильтрационный осадок, полученный на заводе в качестве отхода свеклосахарного производства не раздельного способа приготовления, имел высокую влажность до 40–60%. Однако при хранении на специальных картах-отстойниках его влажность значительно уменьшалась (до 17–20%). По мере снижения в указанном материале влажности в нем возрастало относительное содержание органических и минеральных веществ. В пересчете на сухое вещество в нем могло содержаться до 70–80% углекислого кальция и углекислого магния, 0.2–0.4% – азота, 0.15–0.5% – Р₂О₅, 0.3–0.5% – K₂О, а также другие макро- и микроэлементы и до 10–20% органических веществ. В фильтрационном осадке АО “Ульяновский сахарный завод”, использованном при проведении опыта, содержание CaCO₃ + MgCО₃ составляло 43.8%, органического вещества – 12.6%, серы– 74 мг/кг, азота– 0.17%, фосфора (Р₂О₅) – 0.41%, калия (K₂О) – 0.43%, микроэлементов: Zn – 6.6, Cu – 1.1, Mn – 43.3 мг/кг. Фильтрационный осадок находился на хранении более 3-х лет. Фильтрационный осадок вносили осенью 2016 г. вручную, равномерно распределяя по поверхности почвы, заделку осуществляли дисковыми боронами (БДМ 4 × 4) на глубину 14–16 см.

Определение дозы мелиоранта проводили двумя способами: по величине гидролитической кислотности и по ожидаемому сдвигу рН_KCl от внесения 1 т СаСО₃ [6]. По величине гидролитической кислотности дозу СаСО₃ определяли по формуле: доза СаСО₃ = 0.05 × Н_г × d × h, где Н_г – гидролитическая кислотность, ммоль/100 г = 5.11, d – плотность почвы, г/см³ = 1.09, h – глубина пахотного слоя почвы, см = 22. Доза СаСО₃ = 0.05 × × 5.1 × 1.09 × 22 = 6.11 т/га. Доза фильтрационного осадка при этом составила 20.1 т/га. Доза СаСО₃, определенная по нормативам ожидаемого повышения рН_KCl от внесения 1 т СаСО₃, учитывающих содержание гумуса и гранулометрический состав (для данной почвы равна 0.09 ед. рН) составила: 4.5 т/га (0.4 : 0.09). При этом величину рН_KCl планировали довести до 5.6 ед., т.е. близкой к нейтральной, планируемая величина сдвига рН при этом составила: рН = 5.6–5.2 = 0.4 ед. Доза фильтрационного осадка при данном расчете равна 14.8 т/га. Таким образом, доза СаСО₃, определенная по величине Н_г, составила 6.1, по величине рН_КСl – 4.5 т/га.

За годы исследования на опытном участке возделывали следующие культуры: яровой ячмень сорта Камашевский (2017 г.), озимую пшеницу сорта Марафон (2018 г.), яровую пшеницу сорта Бурлак (2019 и 2020 г.), гибрид подсолнечника Саванна (2021 г.).

Метеорологические условия вегетационных периодов по годам исследования имели следующие особенности: весной 2017 г. сложились не характерные для области прохладные погодные условия и наблюдали превышение нормы выпавших осадков на 13.5 мм. Сумма эффективных температур >10°С за вегетационный период составила 1617°С (при норме 1773°С). В 2018 г. средняя температура мая составила 15.6°С (на 2.1°С больше нормы). Осадков выпало в 2 раза меньше среднегодовых показателей. В июне и июле температура воздуха была незначительно выше нормы, что отразилось на урожайности культур. 2019 г. отличался переменными погодными условиями: недостаток влаги в начале вегетации культур и избыток – во второй половине (превышение нормы в 2.6 раза). Среднесуточные температуры соответствовали норме. В 2020 г. в начале вегетации культур отмечали небольшое превышение среднемноголетних температур. В июне выпала двойная норма осадков. Вегетационный период 2021 г. характеризовался превышением температурных норм особенно в июле и неравномерным выпадением осадков. Тем не менее, в среднем условия вегетации соответствующих культур были относительно благоприятными.

Отбор образцов почвы для определения агрохимических показателей проводили во время уборки возделываемых культур. Организацию полевого опыта, проведение лабораторных анализов и наблюдений осуществляли по общепринятым методикам и ГОСТам. Все анализы почвенных и растительных образцов проводили в аккредитованной агрохимической лаборатории САС “Ульяновская”, имеющей аттестат аккредитации (№ RA.RU. 510251). Обменную кислотность определяли по ГОСТ 26483-85, гидролитическую кислотность – по ГОСТ 26212-91, содержание органического вещества (гумуса) – по (ГОСТ 26213-91), азота нитратного – по ГОСТ 26951-86, азота обменного аммония – по ГОСТ 26489-85, подвижных формы фосфора и калия – по методу Чирикова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26204-91). Обработку данных проводили в соответствии с методическими указаниями и инструкциями научных учреждений и организаций МСХ РФ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Динамика кислотности почвы. Поглотительная способность почвы является одним из главных ее свойств. Среди поглощенных катионов преобладает кальций. Последнее связано с его высокой способностью к внедрению и слабой способностью к вытеснению из почвенного поглощающего комплекса (ППК). Ион водорода, несмотря на малые концентрации его в почвенном растворе, также способен накапливаться в почвах в больших количествах. Присутствие его в ППК обусловливает кислую реакцию среды почвенного раствора. При внесении в кислую почву СаСО₃ происходит реакция обмена и нейтрализация ее кислотности [7, 8].

Результаты исследования показали, что за весь период наблюдений (2016–2021 гг.) прослежено устойчивое снижение избыточной кислотности почвы. Уже в первый год (2017 г.) в варианте с внесением СаСО₃ в дозе 6.1 т/га снижение обменной кислотности составило 1.1 ед. рН_KCl. В последующие годы оно составляло 1.1, 0.6, 0.5, 0.5 ед. рН соответственно (табл. 1). В варианте внесения СаСО₃ в дозе 4.5 т/га также наблюдали устойчивое раскисление почвы, которое составило в 2017 г. 1.1 ед. рН_KCl, в последующие годы – 0.4, 0.5, 0.4 ед. рН соответственно.

Гидролитическая кислотность определяется количеством ионов водорода, переходящими в раствор при взаимодействии с почвой гидролитически щелочных солей, и включает менее подвижные ионы водорода, не вытесняемые нейтральными солями [8–10]. Показано, что в варианте внесения СаСО₃ в дозе 6.1 т/га сдвиг Н_г составил в 2017 г. 2.94 ммоль/100 г, в последующие годы – 2.71, 2.88, 2.27 и 2.53 ммоль/100 г соответственно. В варианте, где вносили СаСО₃ в дозе 4.5 т/га, сдвиг гидролитической кислотности в 2017 г. произошел на 3.54 ммоль/100 г, в последующие годы – на 1.63, 2.25, 2.19 и 1.9 ммоль/100 г. Произошедшие изменения, по-видимому, были обусловлены тем, что карбонат кальция в чистом виде нерастворим, но при внесении в почву, где в почвенном растворе постоянно присутствует диоксид углерода (СО₂), постепенно растворяется вследствие образования растворимого гидрокарбоната кальция: СаСО₃ + Н₂О + СО₂ = Са(НСО₃)₂, т.е. происходит процесс раскисления. Кроме того, необходимо отметить, что в присутствии воды, содержащейся в фильтрационном осадке (подсушенном до 20%), происходило значительное растворение СаСО₃.

Питательный режим. Формирование питательного режима почвы зависит в основном от активности микроорганизмов. В результате их деятельности происходит трансформация питательных веществ и высвобождение элементов питания в почвенный раствор [11, 12].

Азот, фосфор и калий являются необходимыми элементами питания сельскохозяйственных культур, соответственно в товарной продукции они содержатся в определенном соотношении. Растения выше перечисленные макроэлементы извлекают из почвы, величина содержания их доступных форм определяет продуктивность агро- и биоценозов [13, 14].

Внесение фильтрационного осадка оказало положительное влияние на питательный режим почвы. Показано (рис. 1), что на протяжении всех лет исследования сохранялось преимущество варианта внесения СаСО₃ в дозе 6.1 т/га. Несмотря на потребление макроэлементов на формирование урожая, в варианте с внесением фильтрационного осадка агрохимические показатели были более оптимальными для культур по сравнению с контролем. Последнее было обусловлено тем, что при внесении дефеката активизировалась биологическая активность почвы и жизнедеятельность полезных микроорганизмов [15–19].

Рис. 1.

Влияние фильтрационного осадка на содержание доступного фосфора (а), минерального азота (N‑NH₄) + (N-NO₃) (б) и обменного калия (в) и серы (г) в пахотном слое чернозема выщелоченного, мг/кг.

Рис. 1.

Окончание

За 2016–2021 гг. количество подвижных форм азота, фосфора и калия в почве было различным и менялось в зависимости от года. При этом на следующий год после внесения мелиоранта отмечали снижение содержания доступных форм фосфора при внесении СаСО₃ в дозе 6.1 т/га на 14%, 4.5 т/га – на 6.3%. При поступлении кальция в почву происходило связывание подвижного фосфора с образованием фосфатов кальция, что приводило к временному снижению доступности данного элемента питания для растений. В последующие годы доступность подвижного фосфора возрастала соответственно в экспериментальных вариантах на 11.9–39.6 и 6.3–53.7% (рис. 1а).

Обращает на себя внимание значительное улучшение азотного питания озимой пшеницы при внесении в почву фильтрационного осадка в 2017 г., особенно дозы 6.1 т/га. Преимущество данного варианта сохранялось в течение всей вегетации культуры. Несмотря на усиленное питание растений элементом, содержание минерального азота в пахотном слое почвы к концу вегетации составляло 20.3 мг/кг, что было на 14% больше, чем в контроле (рис. 1б). В последующие годы исследования наблюдали изменения содержания минерального азота в почве, однако выявленная закономерность сохранялась.

Обращает на себя внимание содержание обменного калия (рис. 1в) на третий и последующие годы действия мелиоранта по сравнению с 2017 г. При этом отметили повышение его содержания в вариантах от 13.3 до 456%. Следовательно, можно утверждать наличие пролонгированного действия фильтрационного осадка на свойства почвы.

Среди наиболее необходимых элементов, играющих жизненно важную роль в питании сельскохозяйственных культур, сера (S) занимает особое место. Хотя количество потребления ее растениями не столь велико по сравнению с азотом, фосфором и калием, для полноценного роста и развития растений она имеет важное значение. Заменить ее другими элементами питания невозможно [20]. За годы исследования прослежена тенденция к увеличению содержания доступной серы при внесении в почву СаСО₃ по сравнению с контрольным вариантом (рис. 1г). Более высокое содержание серы отмечали в 2018 г., содержание ее в вариантах 2 и 3 было больше на 3.4 и 4.3 мг/кг относительно исходного (2016 г.). Последнее, по-видимому, было обусловлено улучшением микробиологической активности почвы. Известно, что органические и неорганические формы серы под влиянием деятельности микроорганизмов подвергаются в почве различным превращениям. Направление трансформаций соединений серы регулируется в основном факторами внешней среды. Органические соединения серы могут быть разрушены и минерализованы. В определенных условиях восстановленные неорганические соединения серы подвергаются окислению микроорганизмами, а окисленные (сульфаты, сульфиты и др.), наоборот, могут быть восстановлены в H₂S [15, 16].

Содержание гумуса. Содержание и запасы гумуса традиционно служат критерием оценки почвенного плодородия. Гумус является непосредственным продуктом почвообразования, что придает почве новое свойство – плодородие, которое играет основную роль в процессе жизнедеятельности растений и создания ими органического вещества из компонентов минеральных веществ [21, 22]. Поддержание бездефицитного баланса органического вещества в пахотных почвах – одна из приоритетных задач в земледелии. Динамика содержания гумуса по годам в зависимости от внесения фильтрационного осадка представлена в табл. 2. В первый год после внесения дефеката ожидаемо не произошло изменений в содержании гумуса. Однако в последующие годы наметилась устойчивая тенденция к стабилизации его содержания в пахотном слое при внесении фильтрационного осадка.

По мнению ряда авторов [23–25], внесение фильтрационного осадка оказывает положительное влияние на количество бактерий, использующих органический и минеральный азот, и уменьшает численность грибной микрофлоры в 2 раза. Показано, что коэффициент минерализации во всех вариантах проведенного опыта был равен ≈1, что свидетельствовало о сбалансированности процессов минерализации, синтеза и ресинтеза органического вещества при известковании кислых почв.

Урожайность культур. Несомненно, интегральным показателем реакции растений на условия возделывания служит продуктивность культуры [21]. За период наблюдений урожайность зерна возделываемых культур в вариантах с применением фильтрационного осадка была больше, чем в контрольном варианте, за исключением 2017 г. (табл. 3). Последнее вполне объяснимо слабым взаимодействием мелиоранта с почвой в первый год внесения, тем более ячмень – культура короткого вегетационного периода. В 2018 г. урожайность зерна озимой пшеницы в контроле составила 1.76 т/га, в вариантах с внесением фильтрационного осадка – по 2.10 т/га, прибавка урожайности зерна составила 0.34 т/га. В 2019 г. прибавка урожайности зерна яровой пшеницы в вариантах 2 и 3 от внесения фильтрационного осадка составила по 0.48 и 0.47 т/га соответственно относительно контрольного варианта (4.40 т/га). В 2020 г. на опытном участке была посеяна яровая пшеница сорта Бурлак. Наиболее высокую урожайность отметили в варианте внесения СаСО₃ в дозе 6.1 т/га (4.67 т/га), что было на 0.75 т/га больше контроля. В варианте внесения СаСО₃ в дозе 4.5 т/га прибавка урожайности зерна яровой пшеницы была на уровне 0.33 т/га. Урожайность гибрида подсолнечника Саванна в 2021 г. была более высокой в варианте внесения СаСО₃ в дозе 4.5 т/га и составила 4.45 т/га, что было на 0.28 т/га больше контроля. Повышение урожайности культур, возделываемых при внесении фильтрационного осадка, свидетельствовало о том, что данный мелиорант способствовал созданию благоприятных почвенных условий (снижению избыточной кислотности, повышению доступности элементов питания) для роста, развития и формирования урожая [17, 19].

Экономическая эффективность. Оценка экономической эффективности применения агротехнических приемов является важнейшим критерием, определяющим рентабельность применения новых форм мелиорантов. Расчет экономической эффективности использования фильтрационного осадка в качестве мелиоранта для зерновых культур представлен в табл. 4. При расчете экономической эффективности технологий возделывания сельскохозяйственных культур учитывали все производственные затраты и стоимость продукции. Исходя из этих данных рассчитывали остальные показатели. Из представленных данных следует, что применение фильтрационного осадка (дефеката) Ульяновского сахарного завода для известкования кислых почв было рентабельным: во все годы исследования условно чистый доход и уровень рентабельности возделывания сельскохозяйственных культур превышали контрольный вариант на 3.9–13.6 тыс. руб./га или на 6–49%.

ВЫВОДЫ

1. Использование фильтрационного осадка Ульяновского сахарного завода в качестве известкового материала сопровождалось устойчивым пролонгированным снижением избыточной кислотности почвы: за 2016–2021 гг. при внесении дозы СаСО₃ 6.1 т/га снижение обменной кислотности составило соответственно по годам 1.1, 1.1, 0.6, 0.5, 0.5 ед. рН_КСl, при применении дозы СаСО₃ 4.5 т/га – 1.1, 0.4, 0.5, 0.4, 0.4 ед. рН_КСl. Гидролитическая кислотность в варианте 2 (доза 6.1 т СаСО₃/га) уменьшилась на 2.94, 2.71, 2.88, 2.27, 2.53 ммоль/100 г. почвы, в варианте 3 (доза 4.5 т СаСО₃/га) – на 3.54, 1.63, 2.25, 2.19, 1.9 ммоль/100 г почвы соответственно годам взаимодействия мелиоранта с почвой.

2. Известкование фильтрационным осадком благоприятно влияло на питательный режим почвы: содержание минеральных соединений азота, доступных форм фосфора и обменного калия, а также серы в пахотном слое чернозема выщелоченного поддерживалось на более высоком уровне в течение всех 5-ти лет эксперимента, несмотря на усиленное питание ими возделываемых культур. В варианте 2 при внесении фильтрационного осадка в дозе 6.1 т СаСО₃/га содержание доступного фосфора находилось в пределах 87–141 мг/кг, обменного калия – 77–143 мг/кг, в варианте 3 (внесение фильтрационного осадка в дозе 4.5 т СаСО₃/га) количество доступного фосфора изменялось от 89 до 146, обменного калия – от 63 до 128 мг/кг, минерального азота – от 1.2 до 21.9, серы – от 0.2 до 4.9 мг/кг почвы.

3. Известкование почвы фильтрационным осадком позволило стабилизировать содержание гумуса в пахотном слое чернозема выщелоченного относительно исходных показателей.

4. Прибавка урожайности зерновых культур (ячменя, яровой и озимой пшеницы) за годы исследования составила от 0.34 до 0.75 т/га и семян подсолнечника (2021 г.) – от 0.16 до 0.28 т/га. Наиболее высокая прибавка урожайности зерна яровой пшеницы сформировалась в 2020 г. в варианте внесения СаСО₃ в дозе 6.1 т/га и составила 0.75 т/га.

5. Использование фильтрационного осадка в качестве мелиоранта в технологии возделывания сельскохозяйственных культур позволило получить продукцию с более высоким уровнем рентабельности. Уровень рентабельности производства зерновых культур с применением фильтрационного осадка был на 6–49% больше контроля.