Результат интеллектуальной деятельности: Способ внесения в почву зольных минеральных добавок

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к полеводству, а именно к обработке почвы под сельскохозяйственные культуры.

Зола древесного, каменного и бурого угля давно используется для улучшения структуры и минерального состава почвы сельскохозяйственных полей как самостоятельно, так и в качестве минеральной добавки к удобрениям.

Химический состав золы зольных отвалов ТЭЦ изучен, например в работе «Зола углей как субстрат для выращивания растений» М.В. Пасынкова (Растения и промышленная среда, сб. 3-1974 г, стр. 29-44)

«По валовому химическому составу зола углей в общих чертах соответствует алюмосиликатным образованиям. Содержание SiO2 в золе различных углей изменяется от 40,5 до 50,3%, что равно содержанию ее в обыкновенном черноземе; А1203 - от 12,9 до 32,4 и Fe20 3 - от 5,5 до 17,7%, что в 1,4-2,1 раза превышает содержание этих элементов в черноземе. Величина потери от прокаливания колеблется от 0,3 до 10,9% в зависимости от количества в золе несожженной угольной пыли и карбонатов. Содержание подвижного фосфора (P2Os) в золе как бурых, так и каменных углей колеблется от слабого до хорошего, а в отдельных случаях до высокого обеспечения растений. Подвижного калия (К20) содержится от 1,6 до 25,0 мг/100 г золы.

Суммарное содержание обменных катионов кальция и магния колеблется от 5,5 до 42 м г-экв/100 г субстрата, причем зола бурых углей содержит обменных катионов больше, чем зола каменных.

Реакция среды (рН) золы углей колеблется от 5,9 до 8,5, т.е. от слабокислой до щелочной.

Для золоотвала Новосибирской ТЭЦ спектральный анализ показал присутствие в золе углей до 30 различных макро- и микроэлементов, многие из которых жизненно необходимы для растений (Са, Ва, Mn, Fe). С этой точки зрения, золу углей можно использовать в качестве микроудобрений (Коверков, Давыдова, 1959; Мамаева, Луганский и др., 1966; Решетникова, Юдин, 1967).»

Такая подкормка обогащает бедные земли микроэлементами. В отличие от каменноугольной, буроугольная зола снижает уровень кислотности грунта, усиливает его структуру и насыщает его бором, марганцем, медью, молибденом, другими компонентами и цинком, что содействует увеличению урожайности. Кроме того, внесение в почву золы является профилактикой болезней растений от растительных вредителей и грибков.

Эффективность воздействия на почву золы зависит не только от химического состава золы, но также от размеров частиц золы и от времени и способа ее внесения.

Известен «Способ внесения удобрений под снежный покров», патент №2203525 от 20.03.2001. Способ включает образование снежных валков и межвалковых пространств в зимний период с одновременным внесением в межвалковые пространства полос удобрений. Весной в период начала таяния снежного покрова осуществляют повторное образование снежных валков и межвалковых пространств с пересечением, образованных в зимний период. Способ позволяет уменьшить потери вносимых питательных веществ при таянии снежного покрова.

Недостаток способа состоит в том, что снежные валки можно формировать только при наличии значительного слоя снега и под внесенным удобрением также будет значительный слой снега. При этом, снег, падающий зимой, может сравнять первичные валки и при формировании весной вторичных валков удобрения будут перемешаны со слоем снега как по горизонтали так и по вертикали, что при таянии снега нарушит равномерность внесения удобрения в почву которая еще будет промерзшая, а, значит, растворимая и коллоидная часть удобрений в талой воде будет стекать под уклон или (и) при этом концентрироваться в локальных ложбинках поля.

Известен способ полосного внесения удобрений под снежный покров (Агрохимия. М.: Колос, 1982, с. 422). Недостатком данного способа является то, что при его осуществлении происходит вынос удобрений совместно со снежным покровом ветром в результате метелевого переноса.

Максимальная эффективность внесенной золы требует нахождения ее в почве в минимальных фракциях частиц по размерам (меньше или порядка микронов), и доступность для почвенной воды окиси кальция для его растворения в целях уменьшения кислотности обрабатываемого поля. Доступность воды должна быть в период весны, в другие периоды окись кальция вымывается из золы раньше времени и уносится с поля.

Сибирская Генерирующая Компания сжигает угли, которые имеют очень большой процент свободного СаО (до 40-50%). Частицы в отгружаемой золе имеют двухмодовое распределение по размерам (фракции, 5-40 микрон и менее одного микрона) и фракция слипшихся из этих же частиц агломератов в сотни микрон).

Задачей настоящего изобретения является создание способа внесения в почву зольных добавок, обеспечивающих максимальную эффективность внесенной золы, путем увеличения в золе свободного СаО и приведения его в растворимую форму (гидратация СаО), разрушения агломератов золы и создания условий оптимального взаимодействия зольных добавок с почвенной и внешней влагой.

Технический результат состоит в повышении эффективности внесения зольных добавок в почву, предотвращении их сноса и вымывания, обогащении почвы микроэлементами и повышении рН почвы на 1-2 единицы.

Для уменьшения ветрового выноса частиц золы со снегом в метели, согласно предлагаемому способу, внос золы следует осуществлять по первому снегу, когда его толщина составляет несколько сантиметров, а слоя промерзшей почвы составляет 1-2 см. Положительный эффект достигается тем, что структура ветров над подстилающей поверхностью имеет всегда минимальную скорость, а неровности почвы сцепляют первые сантиметры снега с почвой. Также прогретая почва в начале зимы отдает достаточно много тепла, чтобы структура первого снега стала более плотной и связанной. Эти факторы и приводят к полному закреплению зольных минеральных добавок в нижних слоях снежного покрова.

Нами в зимы 2018-2020 годов неоднократно проводились такие эксперименты, и весной места осеннего озоления по первым снегам вскрывалось без изменения своей геометрической структуры.

Частица золы в полете — это комплекс порядка 100 мкм, в котором сотни тысяч первичных частиц меньше микрона. Окись кальция во многом является тем, что склеивает этот комплекс с дисперсностью до 100 мкм.

Именно наличие двух фракций по размерам в первичной отгружаемой золе и приводит к тому, что большие сто микронные агломераты падают почти равномерно вниз со скоростью около 1 метра в секунду, 10 микронные частицы падают со скоростью около 1-2 см\сек и могут быть перенесены даже ветром 1-2 м\с с высоты 50 см разбрасывателя на расстояние около 20 -30 метров. При этом однородность их осаждения осенью на снег и эффективность внедрения в почву из снега весной намного выше агломератов (в пересчете на единицу веса кальцитов в первичной золе ТЭЦ).

Мы фактически осенью и зимой создаем слой снега с золой, со средней толщиной не более 0.1-2 мм. Весной, при таянии снега, получается талая вода, локально, около поверхности частицы очень высокой щелочности (рН > 10-11). При этом этот слой тает в последнюю очередь, проходя через жидкую фазу воды, уже накопленной внизу под ним. Тогда как верхние слои снега весной частично сублимируют, через паровую фазу (сухое испарение), что не оптимально для перехода максимально быстро СаО в высокорастворимое состояние Са(ОН)₂. Именно гидроксид кальция является оптимальным соединением для быстрого и равномерного проникновения в почву, с закреплением в почвенных комплексах, с понижением кислотности почвы.

Используемая в качестве минеральных добавок зола ТЭЦ, прошедшая температурную закалку до 1600°С, является высококальциевой, что и обусловливает некоторые новые аспекты взаимодействия золы, снега, отрицательных и переходных температур в почве.

Если произвести первичную обработку низкотемпературным паром золы при погрузке на ТЭЦ в емкости для перевозки золы, то будет существенно изменена структура агломератов и изменятся в реакциях с водой некоторые химические компоненты в таких агломератах, что даст на почве очень быстрое растекание воды в первичной матрице зольных частиц, до 50 см в секунду. То есть почвенная влага будет хорошо всасываться в матрицу таких модифицированных частиц золы, переводя СаО в Са(ОН)₂ с последующим созданием сильного щелочного раствора для понижения кислотности при корневой системе почвенного раствора.

На Фото 1 видна структура кальцита на снегу и после ее оттаивания, очевидно, что сухой лед и снег не растворяют окись кальция в зольных частицах. При появлении воды (весеннее таяние) возникает корочка кальцитов, толщиной менее 2-3 мкм. Процесс идет по мере растворения кальцитов Фото 2 до насыщений в воде или в водном почвенном растворе с последующим снятием пересыщения и выпадения кальцитов в осадок или выпадением параллельно в СаСО₃ до следующего прихода внешней влаги (снег или дождь). Потом цикл повторяется. Как показали наши эксперименты на стендах НГУ и на полях, один слой корочки золы в снегу может повторять цикл насыщения внешней воды около частиц золы несколько десятков раз. Кислые почвы на пахотных угодьях Российской Федерации составляют 32,8%. https://agbz.ru/articles/kislotnost-pochvyi_-tendentsii-i-borba/

Результаты мониторинга, который ведет Государственная агрохимслужба МСХ РФ свидетельствуют, что тенденция подкисления почвенного покрова характерна для большинства регионов страны. На кислых почвах ухудшается качество продукции: снижается на 0,5-1 процента содержание сырого протеина в зерне, на 0,5-2,2 - крахмала в клубнях картофеля, на 0,7-1 - сахара в сахарной свекле, на 10-15 процентов уменьшается выход перевариваемого протеина в кормовых культурах.

Подкисляются атмосферные осадки, а затем земли, водоемы: рН снижается до 4-5 единиц, в результате чего деградируют биоценозы. Под влиянием таких дождей ухудшаются свойства почв. Если в доиндустриальную эпоху рН дождевых вод составлял примерно 5,6, то сейчас во многих регионах нередко опускается ниже 4,5.

Не все растения одинаково реагируют на тот или иной уровень кислотности. Особенно чувствительны к повышенным значениям пшеница, ячмень, кукуруза, горох и сахарная свекла. Оптимальный для них показатель рН - 6-7 единиц. Более устойчивы овес, рожь, картофель. Многие овощные культуры предпочитают нейтральные почвы с рН в 7 единиц.

Цель мероприятий по раскислению - добиться уровня рН=6-6.5 с начального уровня закисленных земель рН=4-4.5.

Основной материал, который вносят в кислые почвы - известь (мука известняковая) марки А и известь-пушонка марки Б. Производитель муки рекомендует вносить от 5 до 8.5 тонн известняковой муки на 1 га закисленных почв. При этом время действия раскисления может составлять до 5 лет.

Зола уноса от сжигания бурых углей Бородинского месторождения на ТЭЦ-5 г. Новосибирска является высококальциевой в среднем около 30% СаО. Как показали проведенные работы по распылению золы на полях Томской области средний расход золы уноса ТЭЦ-5 1 т на 1 га обеспечивает повышение рН почвы на 1.5-2 единицы, т.е. до рН=6-6.5 - сохранения уровня рН от 3 лет и более в зависимости от рельефа поля.

Примеры по распылу золы на томских полях в ноябре 2020 года.

В ноябре 2020 года нами были проведены работы по распылу золы уноса бурых углей Бородинского месторождения с ТЭЦ-5 г. Новосибирска на полях Томской области на площади 50 га.

Внос золы производился по первому снегу, толщина снежного покрова составляла примерно 5 см, а слой промерзшей почвы – глубиной 1-2 см. Температура почвы под снегом 0 минус 1С, температура поверхности снега и воздуха минус 3-4С.

Отработаны режимы нанесения необходимого количества золы толщиной 1-10 мм с учетом особенностей движения разбрасывателя и скорости подачи массы золы (кг/мин) на роторные диски.

При видеосъемке на больших полях были отработаны режимы движения трактора:

- по ветру и против ветра,

- поперек ветра,

- вблизи границы поля,

- вблизи лесного массива внутри поля (лесной околок),

- при разных режимах сброса золы на дисковые разбрасыватели (от 200 кг на га и до 2300 кг на га - регулировка скоростью трактора и шириной главной заслонки на оба диска) и исследованы летучие свойства золы при работе разных механизмов.

Межкадровый анализ видео позволил определять скорость и направление движения трактора с разрешением 1/10 сек и режим пульсаций и направления ветра, что позволяло в режиме реального времени, используя сотовый процессор, выдавать рекомендации агроному и трактористу на оптимальные режимы движения.

Было внесено 50 тонн золы на площади около 50 га. Золу наносили на снежный покров толщиной 3-8 см. Маршрут движения выбирался с учетом следового аэрозольного потемнения снега при предыдущем проходе поля. (Фото 3). Оценка распределения золового слоя по поверхности почвы проводилась видеосъемкой, (как панорамной с 10-50 м, так и вблизи с расстояния 20-30 см, дополнительно делались шурфы в снегу и снималось распределение осадка по вертикали с 10 см).

Зафиксирована хорошая однородность нанесения золы на поле (однородность цвета 10-15%).

Были проведены измерения нанесенного разбрасывателем на площади около 50 га слоя золы и снега (толщина слоя золы около 1 мм средняя, толщина отбора снега с золой около 1 см, толщина слоя снега около 5 см) дали следующие результаты (средние по 31 отбору). Ионность относительная от Са+ 220 (+-25), рН=10-11. Разные режимы работы разбрасывателя (для оптимизации методики) дали толщины эквивалентного слоя золы от 0.2 до 1 мм, с учетом пересчета в пробоотборниках-емкостях плотности снега на поле на плотность воды. Именно эта толщина наиболее легко регулируется режимом работы трактора с разбрасывателем (скорость, направление по ветру, открытие заслонки - регулировка массы золы в единицу времени на диски разбрасывателей).

Как показали неоднократно проведенные предшествующие эксперименты 2018-2020 годов, весной места осеннего озоления по первым снегам вскрывались без изменения своей геометрической структуры.

Ниже приведена таблица 2, показывающая, что использование для раскисления почв высококальциевой золы уноса почти в 5 раз экономичнее использования для этой цели известняковой муки.