Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗВЕСТКОВАНИЯ ДРЕНИРУЕМЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ПОЧВ

Изобретение относится к области сельского хозяйства Нечерноземной зоны для реализации точного земледелия, а также к технологиям комплексной мелиорации агроландшафтов и использования минеральных почв, осушаемых как закрытыми дренами, так и закрытыми собирателями.

Известь обладает длительным действием. Известкование подразделяют на основное, являющееся составной частью первичного окультуривания почв, проводимого при комплексной их мелиорации, и на повторное или поддерживающее при сельскохозяйственном использовании мелиорированных угодий.

Основное известкование проводят с целью обеспечения оптимальных условий реакции почвенной среды и улучшения структурного состояния как пахотного, так и подпахотных горизонтов почвенного профиля (составная часть дренирования почвогрунтов).

Повторное или поддерживающее известкование проводят с целью устранения избыточной кислотности почвы.

Следует подчеркнуть, что в Нечерноземной зоне, характеризующейся промывным режимом, происходит постоянное обеднение почв основаниями, что, пока не найден другой способ поддержания физико-химических свойств почвы на оптимальном для сельскохозяйственных культур уровне, приводит к необходимости через определенные промежутки времени периодически известковать почвы. Значение основного известкования как средства химической мелиорации почвы состоит в создании оптимальных физико-химических ее свойств, которые необходимо периодически поддерживать известкованием. Это дает основание сделать вывод, что цель обоих способов едина.

Внесение известковых удобрений способствует обогащению почвы кальцием, и во многих случаях (например, при использовании известковой доломитовой муки) также и магнием.

Общее содержание кальция во всех почвах значительно выше, чем магния. Так, в дерново-подзолистых почвах кальция содержится 0,73, а магния - 0,5%. При этом обменного магния обычно содержится в 4…6 раз меньше, чем кальция. Меньше всего их в кислых почвах легкого гранулометрического состава. На этих почвах внесение извести как источника кальция и магния может иметь важное значение главным образом для культур, потребляющих большое количество этих элементов.

Известкование, кроме снижения кислотности почвы, устраняет вредное действие алюминия и марганца, повышает эффективность вносимых удобрений, способствует оструктуриванию почвы (Шильников И.А., Лебедева Л.А. Известкование почв / ВАСХНИЛ. - М.: Агропромиздат, 1987. - 171 с.). Известкование проводят тремя способами: прямоточным, с перегрузкой и перевалочным.

Известны и способы установления дозы внесения известковых удобрений (мелиорация и водное хозяйство. Осушение: Справочник / Коллектив авторов; Сост. Е.И. Кормыш; Под ред. акад. РАСХН Б.С. Маслова. - М.: Ассоциация «Экост», 2001. - С. 486; прототип).

По прототипу расчетную дозу D внесения известковых удобрений (чистый сухой CaCO₃, т/га) для нейтрализации полной гидролитической кислотности определяют по формуле

D=5ГКНА,

где ГК - гидролитическая кислотность, мг-экв на 100 г почвы;

Н - мощность известкуемого слоя, м;

А - средняя плотность почвы, г/см³.

Известковые материалы получают размолом или обжигом твердых известковых пород (известняка, доломита, мела) или используют мягкие известковые породы, не требующие размола, и отходы промышленности, богатые известью (Агрохимия / Коллектив авторов: Б.А. Ягодин, П.М. Смирнов, А.В. Петербургский и др.; Под ред. Б.А. Ягодина. - М.: Агропромиздат, 1989. - С. 165).

Твердые известковые породы содержат в основном CaCO₃ и М_gCO₃, а также нерастворимый остаток (глина и песок). По содержанию CaO и MgO эти породы делят на следующие группы: известняки (содержат 55-56% CaO и до 0,9% MgO), извястняки доломитизированные (42…55% CaO и 0,9…9% MgO) и доломиты (30…32% СаО и 18…20% MgO).

Месторождения мягких известковых пород (известковые туфы - ключевая известь, гажа - озерная известь, мергель, торфотуф, природная доломитовая мука) имеются почти во всех областях и республиках Нечерноземной зоны (там же, с. 168).

Известковые отходы промышленности: сланцевая зола, дефекат (отходы свеклосахарного производства, содержат в основном CaCO₃ - в сухом дефекате 60…75%, 10…15% органического вещества и 0,2…0,7% N, 0,2…0,9% Р₂О₅ и 0,3…1,0% К₂O), доменные и мартеновские шлаки, белый известковый шлак, доломитовая пыль, белитовая мука (Там же, с.170). В сланцевой золе содержится кальция в форме CaO 30,5…43,9%, а магния в форме MgO - 3…6% (Филиппова Т.Е. Агрохимические аспекты комплексной мелиорации агроландшафтов Нечерноземной зоны России. - Тверь: ТвГУ, 2006. - С. 190).

По прототипу для пересчета дозы D чистого сухого CaCO₃ в физическую величину вносимого известкового материала D_ф (т/га) используют формулу

D_ф=D 10⁶/К[(100-В)(100-Б)],

где К - содержание CaCO₃ в материале, %;

В - содержание влаги в известковом материале, % на сухую навеску;

Б - содержание частиц крупнее одного мм в известковом материале, %.

По прототипу вновь осваиваемые земли известкуют после строительной планировки в теплое время года, на пойменных землях - после прохождения паводка, а повторное известкование осуществляют через 5…6 лет на основании данных агрохимического обследования осушаемых земель, когда реакция почвы понижается на 0,3 pH сол. от оптимального уровня.

При определении дозы извести на мелиорируемых землях учитывают величину pH и обязательно гидролитическую кислотность, так как на этих землях кислотность обуславливается не только ионами водорода, но и подвижным алюминием.

По Б.А. Ягодину с соавторами полная доза D может оказывать положительное влияние на урожай сельскохозяйственных культур в течение двух ротаций 7…8-польного севооборота, половинная норма - не более одной ротации (6…7 лет). Другие авторы (Научные основы и рекомендации по применению удобрений в Нечерноземной зоне европейской части РСФСР / Коллектив авторов Д.А. Кореньков, В.Г. Минеев и др. - М.: Россельхозиздат, 1976. - С. 42) считают, что продолжительность действия полной дозы извести на разных почвах 5…15 лет. Повторное агрохимическое обследование почв Нечерноземной зоны проводят не реже чем через 5…6 лет. Необходимость повторного известкования устанавливают по анализам почв.

П.Ф. Тиво (Тиво П.Ф. Известкование почв. - В. сб.: Мелиорация: Энцикл. справочник / Под общ. ред. А.И. Мурашко. - Мн.: Белорус. Сов. Энцикл., 1974. - С. 206…207) указывает, что периодичность известкования почв зависит от свойств почвы и доз удобрений и колеблется в пределах 5…8 лет. Необходимость в известковании почв возрастает в связи с использованием физиологически кислых минеральных удобрений и освоением новых земель, требующих окультуривания пахотного слоя.

Д.А. Кореньков с соавторами (Удобрения, их свойства и способы использования / Коллектив авторов: Д.А. Кореньков, И.И. Синягин и др.; Под ред. Д.А. Коренькова. - М.: Колос, 1982. - С. 118…122) обращают внимание на необходимость применения магнийсодержащих известковых материалов: формы магниевых удобрений разнообразны, в большинстве случаев внесение магния можно совместить с известкованием кислых почв магнийсодержащими известковыми материалами. Для непосредственного применения и для переработки на удобрения могут быть использованы различные виды сырья, силикаты магния (дунит и др.), карбонатные породы (доломит, магнезит, доломитизированные известняки и некоторые разновидности мергеля), сырые природные соли (карналлит, лангбейнит, каинит, полигалит и кизерит). При этом чем кислее почва, тем больше должна быть доза магниевых удобрений.

Недостаток известных предложений по известкованию почв Нечерноземной зоны, в том числе и прототипа, заключается в том, что они не учитывают особенностей известкования дренируемых минеральных почв: не учитывают вынос кальция и магния с дренажным стоком. Известно, что в Нечерноземной зоне основные площади заняты кислыми оглеенными почвами, дренаж которых усиливает вынос щелочноземельных металлов и их кислотность. Такое действие дренажа усугубляется и выносом кальция и магния с урожаем. Отрицательное действие дренажа может быть компенсировано только известкованием.

Задача, поставленная в данном изобретении, заключается в повышении эффективности известкования дренируемых минеральных почв путем учета выноса кальция и магния с дренажным стоком.

Технический результат заключается в том, что известкование, кроме снижения кислотности почвы, устраняет вредное действие алюминия и марганца на дренируемых землях, повышает эффективность вносимых удобрений, способствует оструктуриванию почвы и улучшению действия закрытого дренажа, а в конечном итоге и повышению урожайности сельскохозяйственных культур на дренируемых минеральных землях.

В основу решения поставленной задачи положены результаты 33-летних натурных комплексных наблюдений за действием дренажных систем на минеральных почвах.

Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе известкования дренируемых минеральных почв, включающем внесение в почву известкового материала, обеспечивающего нейтрализацию полной гидролитической кислотности дозой D чистого сухого CaCO₃, т/га, устанавливаемой по формуле

где ГК - гидролитическая кислотность (мг-экв/100 г почвы),

h - мощность известкуемого слоя (м),

d - плотность почвы (г/см³),

при этом пересчет дозы D чистого сухого CaCO₃, т/га, в физическую величину D_ф вносимого в почву известкового материала производят по формуле

где К - содержание CaCO₃ в материале, %;

В - содержание влаги в известковом материале, % на сухую навеску;

Б - содержание частиц крупнее одного мм в известковом материале, %,

дозу D чистого сухого CaCO₃, т/га, увеличивают на величину ΔD, учитывающую среднемноголетний вынос карбонатов кальция с дренажным стоком за период Т (лет) между предыдущим и последующим известкованиями почвы и устанавливаемую по формуле

где µ - коэффициент перехода от выноса с дренажным стоком Ca²⁺ к выносу CaCO₃, µ=2,5;

а и b - коэффициенты, учитывающие тип почвы и севооборот (для дренируемой дерново-подзолистой среднеокультуренной суглинистой глееватой на покровном суглинке почвы, используемой в системе зернольняно-травяного севооборота, для расчета выноса Ca²⁺ в кг/га a=17,2, b=0,31);

V - среднемноголетний слой (норма) дренажного стока (мм), устанавливаемый по формуле

где Е - средневзвешенное по известкуемой площади расстояние между закрытой регулирующей сетью (10≤Е≤30, м),

J - уклон поверхности почвы (0,0001≤J≤0,02),

О - норма осадков за год (мм, по осадкомеру),

а при расчете дозы D чистого сухого CaCO₃, т/га, для нейтрализации полной гидролитической кислотности берут средневзвешенные по известкуемой площади величины ГК, h и d, причем известкование дренируемых минеральных почв проводят известковыми материалами, содержащими магний, восполняя при этом и потери магниевых удобрений с дренажным стоком, определяемые по формуле (3), но для дренируемой дерново-подзолистой среднеокультуренной суглинистой глееватой на покровном суглинке почвы, используемой в системе зернольняно-травяного севооборота, для расчет выноса MgCO₃, т/га, коэффициент перехода от выноса с дренажным стоком Mg²⁺ к выносу MgCO₃ µ=3,5, а для расчета выноса Mg²⁺ в кг/га а=1,62, b=0,58, при этом в физической величине D_ф1 вносимого в почву известкового материала, полученной также по формуле (2) для дозы (D+ΔD) чистого сухогo CaCO₃, т/га, определяют содержание MgCO₃, и, сравнивая потери магниевых удобрений с дренажным стоком с содержанием MgCO₃ в физической величине D_ф1 вносимого в почву известкового материала, судят о необходимости дополнительного внесения в почву магниевых удобрений в процессе использования дренируемых минеральных почв. В качестве известковых материалов, содержащих магний, используют местные материалы (известняки доломитизированные и доломиты, а также отходы местной промышленности). Внесение в почву известковых материалов осуществляют прямоточным, с перегрузкой или перевалочным способами. В зависимости от набора культур в севообороте и их отношения к известковым материалам повторное поддерживающее известкование почвы проводят и по 3/4 ГК или даже по 0,5 ГК.

Практическая реализация определения потерь кальция и магния с дренажным стоком и установления доз извескования почвы приведена для зернольняно-травяного севооборота, в котором зерновые занимают 45% площади, лен - 15, однолетние - 10 и многолетние травы - 30%, при внесении N₆₀Р₆₀К₉₀ кг действующего вещества в среднем за среднемноголетний год на севооборотный гектар с учетом питательных веществ и в органических удобрениях.

Заявленный способ известкования дренируемых минеральных почв включает следующие операции:

- установление типа почвы и севооборота на известкуемой площади;

- составление многолетнего плана известкования почв на дренируемом участке, в том числе установление срока текущего и последующего (через Т лет) известкования;

- определение по известкуемой площади средневзвешенных мощности (h), плотности (d) и гидролитической кислотности (ГК) известкуемого слоя, расстояния между регулирующей осушительной сетью (Е) и уклона поверхности почвы (J);

- установление дозы D чистого сухого CaCO₃, т/га, обеспечивающего нейтрализацию полной гидролитической кислотности известкуемой почвы по формуле (1);

- вычисление среднемноголетнего слоя дренажного стока для известкуемой дренируемой минеральной почвы по формуле (4);

- установление поправки ΔD, учитывающей среднемноголетний вынос кальция с дренажным стоком за период Т (лет), к дозе D чистого сухого CaCO₃, т/га, по формуле (3);

- установление дозы известкования дренируемой минеральной почвы (D+AD) по чистому сухому CaCO₃;

- установление дозы внесения MgCO₃ по формуле (3);

- подбор магнийсодержащего известкового материала (с учетом возможности его поставки) и расчет необходимого его количества по формуле (2);

- учитывая, что для известкования может быть поставлен известковый материал с низким содержанием магния, проводят проверку необходимости применения магниевых удобрений в процессе использования дренируемых минеральных почв;

- проведение известкования почвы одним из известных способов;

- через Т лет проводят последующее повторное поддерживающее известкование почвы.

Реализация изобретения осуществлена на примере мелиоративного объекта «Вяхирево» в Тверской области.

Дренируемая на объекте почва - дерново-подзолистая среднеокультуренная суглинистая глееватая на покровном суглинке. В соответствии с многолетним планом известкования почв на объекте Т=5 лет. В результате натурных определений установлено, что средневзвешенные по известкуемой площади h=0,3 м, d=1,3 г/см³, ГК=2,0 мг-экв/100 г почвы. По данным проекта комплексной мелиорации почв на объекте Е=16 м, J=0,004 и О=581 мм.

По формуле (1) доза извести D=5×2×0,3×1,3=3,9 т/га. По формуле (4) для известкуемой дренируемой минеральной почвы среднемноголетний слой дренажного стока

V=253,5[ехр(-0,026×16)](0,947-32,87×0,004)[0,145(581+1,0)^0,5-2,57]=126,7 мм.

По формуле (3) поправка ΔD к дозе извести D (µ=2,5 и Т=5, для рассматриваемой почвы а=17,2 и b=0,31)

ΔD=(2,5×17,2×126,7⁰³¹)×5×10^-3=0,96 т/га.

Доза известкования дренируемой минеральной почвы (D+ΔD) по чистому сухому CaCO₃

D_дп=3,9+0,96=4,86≈4,9 т/га.

Доза выноса MgCO₃ с дренажным стоком по формуле (3) (µ=3,5 и Т=5, для рассматриваемой почвы и севооборота а=1,62 и b=0,58)

ΔD_м=(3,5×1,62×126,7^0,58)×5×10^-3=0,47 т/га.

В качестве магнийсодержащего известкового материала используем муку известковую доломитовую, содержащую массовую долю карбонатов кальция и магния 93,7%, в том числе чистого сухого CaCO₃ - К=71,6% и MgCO₃ - К=22,1%, содержание влаги в известковом материале (% на сухую навеску) В≤6%, содержание в известковом материале частиц крупнее одного мм Б=3%. Известковая доломитовая мука удовлетворяет требованиям ГОСТ 14050-93.

Для известкования необходимая физическая величина вносимого известкового материала

D_ф1=D_дп 10⁶/К [(100-В)(100-Б)]=

=4,9×10⁶/71,6×[(100-6)(100-3)]=7,5 т/га,

а для восполнения потерь магния с дренажным стоком

D_фм=0,47×10⁶/22,1×[(100-6)(100-3)]=2,3 т/га.

При известковании известковой доломитовой мукой дозой 7,5 т/га потери магния с дренажным стоком будут перекрыты в 3,3 раза (7,5:2,3). Необходимости применения магниевых удобрений в процессе использования дренируемой минеральной почвы нет.

Известкование почвы на объекте - прямоточным способом, на дренируемую площадь 25 га требуется 187,5 т известковой доломитовой муки.

Рассмотрена и возможность применения сланцевой золы на объекте. В сланцевой золе содержится кальция в форме CaO К=40% (в форме CaCO₃ К=71,4%), а магния в форме MgO - К=3,5% (в форме MgCO₃ К=7,35%). По ГОСТ 14050-93 В≤6%, а Б=3%. При применении сланцевой золы необходимая физическая величина вносимого известкового материала

D_ф1=D_дп 10⁶/К[(100-В)(100-Б)]=

=4,9×10⁶/71,4×[(100-6)(100-3)]=7,5 т/га,

а для восполнения потерь магния с дренажным стоком

D_фм=0,47×10⁶/7,35×[(100-6)(100-3)]=7,0 т/га.

При известковании сланцевой золой дозой 7,5 т/га потери магния с дренажным стоком будут перекрыты в 1,07 раза (7,5:7,0). И в случае применения сланцевой золы в дозе 7,5 т/га необходимости в магниевых удобрениях в процессе использования дренируемой минеральной почвы также нет.

Заявленный способ известкования дренируемых минеральных почв обеспечивает достижение ожидаемого технического результата, а именно: известкование, кроме снижения кислотности почвы, устраняет вредное действие алюминия и марганца на дренируемых землях, повышает эффективность вносимых удобрений, способствует оструктуриванию почвы и улучшению действия закрытого дренажа, а в конечном итоге и повышению урожайности сельскохозяйственных культур на дренируемых землях.