СПОСОБ МЕЛИОРАЦИИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЁННЫХ ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Изобретение относится к мелиорации почв и может быть использовано при рекультивации земель, загрязненных тяжелыми металлами (ТМ), как сельскохозяйственных угодий, так и промышленных ландшафтов.

Известно использование очищения агросистем за счет введения в почву сорбционного агента с последующим перемешиванием. При этом в качестве сорбционного агента используют монтмориллонит и/или палыгорскит /Патент РФ №2210438, B09C 1/00, 03.06.2002 / или цеолит / Цицишвили Г.В. Исследование природных цеолитов / Адсорбенты, их получение, свойства и применение. - Л.: Наука, 1995. - С.121-125/. Монтмориллонит и цеолит - ценное и дорогостоящее минеральное сырье, не всегда находящееся на территории с загрязненными землями, а значит малодоступное для повсеместного применения.

Известен способ инактивации тяжелых металлов в почве с помощью сорбента-мелиоранта, состоящего из нескольких минеральных компонентов (глауконитового песка, термонеизмененной отвальной породы угольных шахт и синих глин) /Патент РФ №2356931, C09K 17/00, 27.05.2009/, недостатком которого является труднодоступность предлагаемых компонентов сорбента-мелиоранта.

Ближайшим аналогом является способ рекультивации нарушенных и загрязненных тяжелыми металлами почв путем внесения в нее органоминерального компоста, который готовят путем смешивания фосфогипса, суперфосфата простого и перегноя КРС. Компост вносят в почву однократно на 4-5 лет в дозе 100-110 т/га с последующей заделкой компоста культиватором на глубину до 20-25 см /Патент РФ №2492944, A01B 79/02, 22.03.2012/. Недостатком этого способа является использование при изготовлении компоста навоза КРС, являющегося отходом производства, относящимся к III и IV классу опасности (приказ Росприроднадзора РФ №445 от 18.07.2014), и недостаточно длительный период действия.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего перевести тяжелые металлы в труднодоступные для растений формы, повысить плодородие загрязненных почв и их экологическую ценность.

Поставленная задача достигается следующей последовательностью агроприемов:

1. Внесение оптимальной дозы мелиоранта на поверхность загрязненного участка. Наиболее эффективное время внесения мелиорантов - август-сентябрь (чтобы использовать для их растворения в почве наиболее увлажненный осенне-весенний период). Для внесения мелиорантов необходимо использовать разбрасыватели удобрений сплошного поверхностного внесения.

2. Заделка мелиоранта тяжелой дисковой бороной на глубину 10-12 см.

3. Отвальная вспашка на глубину 25-30 см с целью перемешивания мелиоранта с мелиорируемым слоем.

Дальнейшие агротехнические мероприятия на загрязненных участках определяются характером их использования и почвенно-климатическими особенностями территории.

В качестве мелиорантов используются низинный торф, известняковая мука, фосфоритная мука, суперфосфат, сульфид натрия в оптимальной дозе.

Суть изобретения заключается в том, что перевод тяжелых металлов в загрязненных почвах в малоподвижные формы в предлагаемом способе осуществляется по двум механизмам:

1. Физико-химический. Он основан на повышении емкости поглощения загрязненных почв за счет внесения большого количества активных коллоидных частиц, которые способны поглощать ионы тяжелых металлов и частично переводить их в необменные формы. По этому механизму происходит закрепление ТМ в случае внесения в загрязненную почву в качестве мелиоранта высоких доз низинного торфа (оптимальная доза внесения - 100 т/га).

2. Химический. Он основан на переводе тяжелых металлов в трудно растворимые соединения путем внесения в загрязненную почву определенных мелиорантов. По этому механизму происходит закрепление ТМ в случае внесения в загрязненную почву следующих мелиорантов:

- известняковой муки в дозе 8-12 т/га;

- фосфоритной муки в дозе 1,0-1,5 т/га;

- суперфосфата в дозе 90-120 кг д.в./га;

- сульфида натрия в дозе 90-120 кг д.в./га.

Выбор конкретных мелиорантов должен определяться почвенно-климатическими особенностями загрязненных участков и их дальнейшим использованием.

Преимуществом данного способа является простота его использования, высокая эффективность по переводу ТМ в труднодоступные для растений формы, повышение плодородия почв и урожайности с.-х. культур.

Для изучения процесса химической мелиорации загрязненных почв были проведены исследования в лабораторных, полевых и производственных условиях. Эффективность действия мелиорантов на снижение степени подвижности ТМ определялась массовой долей кислоторастворимых, солерастворимых и растворимых в ацетатно-аммонийном буферном растворе форм Pb и Cd в пробах почвы и растений. Анализы проведены атомно-адсорбционным методом [Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства / Центр. ин-т агрохим. обслуж. сел. хоз-ва. - 2-е изд., перераб. и доп. М., ЦИНАО, 1992, - 61 с.] в лаборатории ГНУ НИИСХ Северо-Востока. Полученные данные подвергнуты статистической обработке методами дисперсионного анализа.

В ходе проведенных исследований были установлены особенности и параметры действия мелиорантов на свойства почвы, содержание в ней подвижных форм свинца и кадмия, урожайность сельскохозяйственных культур и на качество растениеводческой продукции.

В таблице 1 представлены результаты опыта по определению оптимальной дозы внесения мелиорантов. Для этого использовались две различные по вытеснительной способности вытяжки из почвы: аммонийно-ацетатный буферный раствор (ААБ) с pH KCl 4,8 (более сильная вытяжка) и раствор хлористого кальция (CaCl2). Было установлено, что низкие дозы мелиорантов еще не обеспечивали необходимую степень снижения подвижности тяжелых металлов в загрязненной почве, а излишне высокие - уже не обеспечивали статистически достоверное ее снижение, но резко повышали стоимость мелиорации загрязненных почв.

При уменьшении дозы известняковой муки ниже 8 т/га ее действие по снижению подвижности ТМ значительно ослабевает, а при увеличении более 12 т/га - статистически не увеличивается, а стоимость работ по мелиорации значительно возрастает. При уменьшении дозы фосфоритной муки ниже 1,0 т/га ее действие по снижению подвижности ТМ значительно ослабевает, а при увеличении более 1,5 т/га - статистически не увеличивается. При уменьшении дозы суперфосфата ниже 90 кг д.в./га его действие по снижению подвижности ТМ будет распространяться только на 1-2 года, а при увеличении более 120 кг д.в./га - статистически не увеличивается. При уменьшении дозы сульфида натрия ниже 90 кг д.в./га его действие по снижению подвижности ТМ будет распространяться только на 1-2 года, а при увеличении более 120 кг д.в./га - статистически не увеличивается. При уменьшении дозы низинного торфа ниже 50 т/га его действие по снижению подвижности ТМ значительно ослабевает, а при увеличении более 100 т/га - статистически не увеличивается, а стоимость работ по мелиорации значительно возрастает.

Влияние мелиорантов на степень снижения подвижности тяжелых металлов в загрязненной почве показано в таблицах 2 и 3. Приведены данные только по средним и оптимальным (рекомендуемым) дозам их внесения, так как только они обусловили наиболее стабильное действие на этот показатель в течение всех трех лет наблюдений. Действие мелиорантов на снижение подвижности тяжелых металлов, в большинстве случаев, колебалось от 20 до 60%, причем эффективность повышенных доз, во всех случаях, была выше, именно поэтому они являются наиболее оптимальными.

При выборе мелиорантов для мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами, необходимо учитывать их особенности.

Известняковая мука - один из лучших мелиорантов, предлагаемых для целей мелиорации. Позволяет не только достаточно эффективно перевести Pb и Cd в труднорастворимые в воде карбонаты, но и резко улучшить физико-химические свойства кислых дерново-подзолистых почв и повысить урожайность возделываемых на этих почвах сельскохозяйственных культур. Имеет длительный период действия - более 5-7 лет. Отрицательные стороны мелиоранта - ограниченность зоны применения (не пригоден почвах, имеющих показатель pH_KCl выше 6,0).

Фосфоритная мука - хороший мелиорант, позволяющий перевести многие ТМ в труднорастворимые в воде фосфаты. Кардинально улучшает фосфатный режим почв (один из самых проблемных для большинства почв), увеличивает сумму обменных оснований, несколько снижает почвенную кислотность, увеличивает урожайность с.-х. культур, имеет длительный период последействия - более 5 лет. Отрицательные стороны мелиоранта: может содержать повышенное количество Pb и Cd (необходимо контролировать исходное их содержание в мелиоранте), не пригоден на нейтральных и зафосфаченных почвах.

Суперфосфат - самое распространенное в агрономической практике фосфорное удобрение. За счет высокой растворимости в воде, быстро вступает во взаимодействие с ионами Pb и Cd и переводит их в труднодоступные формы. Как и фосфоритная мука, значительно улучшает фосфатный режим почв, а стоимость его внесения в почву на порядок ниже. Обеспечивает повышение урожайности сельскохозяйственных культур, его можно применять практически на любых загрязненных почвах (за исключением зафосфаченных). Отрицательные стороны: в высоких дозах может подкислять почву, период его действия не превышает 2-3 года.

Сульфид натрия - перспективный мелиорант для мелиорации почв, загрязненных ТМ. Хорошо растворим в воде, поэтому быстро вступает во взаимодействие с ионами Pb и Cd и переводит их в труднодоступные формы (сульфиды). Имеет относительно низкую стоимость. Содержит два макроэлемента минерального питания - серу и натрий, которые в дерново-подзолистых почвах находятся в дефиците и поэтому он обеспечивает повышение урожайности сельскохозяйственных культур. Возможна замена сульфида натрия на более перспективный сульфид калия, который в настоящее время имеет значительно более высокую стоимость. Отрицательные стороны: имеет резкий специфический запах сероводорода и поэтому требует использования средств защиты дыхания при его внесении в почву, период действия не превышает 4-5 лет.

Низинный торф. Является хорошим мелиорантом и, одновременно, органическим удобрением, особенно он ценен для низкогумусированных почв легкого гранулометрического состава. В высоких дозах значительно повышает сорбционные свойства почв, улучшает их агрофизические, несколько меньше, агрохимические свойства, за счет улучшения этих свойств повышает урожайность сельскохозяйственных культур. Способен связывать ТМ как с использованием физико-химического механизма, так и за счет комплексообразования (характеризуется большим разнообразием функциональных групп, в нем много нерастворимых, но химически активных компонентов, которые образуют с тяжелыми металлами прочные комплексы). Отрицательные свойства: высокая стоимость этого мелиоранта, продолжительность действия не превышает 4-5 лет, необходимо контролировать его кислотность (может иметь кислую реакцию и требовать предварительного известкования). Для мелиорации необходимо использовать средне- и сильноразложившиеся разновидности низинного торфа (степень разложения более 15%). Он должен соответствовать ГОСТу 12101-77.

В таблице 4 представлены результаты опытов по снижению содержания тяжелых металлов в растениеводческой продукции. Наибольшее действие по снижению в ней свинца проявил суперфосфат в дозе 120 кг д.в./га, кадмия - суперфосфат и сульфид натрия в дозе 120 кг д.в./га.

Все мелиоранты повысили урожайность сельскохозяйственных культур. Наибольшее повышение урожайности, в первые два года после его внесения, обеспечил суперфосфат в дозах 90 и 120 кг д.в./га - на 21 и 26% соответственно, действие остальных мелиорантов на этот показатель колебалось в среднем от 10 до 20%.