Применение природных цеолитов и биопрепаратов для повышения плодородия почв

Характерной особенностью наступившего XXI в. стал бурный рост народонаселения, урбанизация, интенсивная разработка полезных ископаемых, активная техногенная деятельность человека. Все это свидетельствует о сужении жизненного пространства, в том числе земельного фонда, что вызывает потребность неотложного решения продовольственной проблемы.

Необходимо отметить, что предпринятые попытки увеличить урожайность сельскохозяйственных культур за счет внесения повышенных норм минеральных удобрений оказались неоправданными и привели к таким негативным последствиям, как деградация почв, ухудшение качества продукции, загрязнение окружающей среды.

В этой ситуации важное значение приобретают внесение в почву цеолитов, применение бактериальных препаратов и регуляторов роста растений.

Преимущества и свойства природных цеолитов

Цеолиты улучшают свойства почвы, выполняя следующие функции:

• сорбируют ионы аммония и калия;
• сохраняют влагу;
• предотвращают заболевания корней растений;
• служат источником микроэлементов.

Цеолиты относятся к группе щелочных и щелочноземельных алюмосиликатов, преимущественно кальция и натрия, реже калия и бария. Их насчитывается около 40 видов, среди которых выделяют:

• амицит, баррерит, бикитаит, брюстерит, гармотом, гарронит, гейландит, гмелинит;
• гоннардит, дакиардит, жисмондин, каулсит, клиноптилолит, левин, ломонтит, маццит;
• мезолит, мерлиноит, морденит, натролит, оффретит, паулингит, силикалит, сколецит;
• стеллерит, стильбит, томсонит, феррьерит, филлипсит, фожазит, шабазит, эдингтонит;
• эпистильбит, эрионит, югаваралит.

Геологическое происхождение и условия залегания

Цеолиты найдены в осадочных, вулканических и метаморфических породах во многих районах Земного шара. Они образуются при умеренных температурах и давлениях и имеют ограниченное поле стабильности, в связи с чем редко встречаются в породах древнее мезозойских.

Наиболее широко распространенны цеолиты в осадочных породах (морденит, клиноптилолит, филлипсит, шабазит, эрионит), где их протяженность и мощность может достигать несколько километров. Цеолиты встречаются во многих литических и полевошпатовых песчаниках в ассоциации с обломочными породами палеозойского и миоценового возраста.

Цеолиты с хорошо развитыми кристаллическими агрегатами найдены в полостях и пустотах изверженных вулканических пород, в основном в базальтах. Судя по всему, они являются результатом позднего отложения из флюидов, которые проникли в базальты после их кристаллизации.

Метаморфические цеолиты образуются в основном за счет высокореакционных вулканических стекол, ферромагнитных минералов и диагенетических цеолитов, которые могут присутствовать в первичных осадочных породах. Обнаруживают циолиты и в морских илах, что свидетельствует об их образовании в водной среде при наличии соответствующих условий для синтеза из растворов. Это не единственный путь возникновения цеолитов, а может быть, и не главный.

В илах находят также гейландит (клиноптилолит), но он имеет терригенное* происхождение и с поверхности суши смывается в водоемы. При этом в илах он сосредоточен в наиболее мелкой фракции (<2 мкм). Обнаружены цеолиты также в пресноводных и соленых озерах, лагунах. Возможно также образование цеолитов в результате взаимодействия поровых растворов.

В настоящее время известно около 1000 месторождений тех или иных разновидностей цеолитов более чем в 40 странах мира. Вулканогенно-осадочные месторождения цеолитов, имеющие промышленное значение, впервые стали разрабатываться в США и Японии в середине 50-х гг. Богатые месторождения этих минералов обнаружены в Африке, Франции, Болгарии, Венгрии и других странах. На территории Российской Федерации и стран ближнего зарубежья потенциальные ресурсы цеолитов составляют несколько миллиардов тонн; разведанных запасов – более 1 млрд. 804 млн. т. Залегают они в основном в Закарпатье (Сокирницы, Водичи, Липча), Кемеровской области (р. Пегас),

Терригенное – (от лат земля и греч рожденный) – обломочные составные части осадочных горных пород

Приморском и Хабаровском краях (Чугуевское, Середочное и Угольное месторождения), на Сахалине (Лютогское), Камчатке (Ягоднинское), Туве, Якутии и Бурятии. На Северном Кавказе также широко распространены цеолитсодержащие породы, являющиеся сырьем многоцелевого использования. Наиболее изученными, перспективными и доступными являются цеолитсодержащие образования палеогена, которые прослеживаются с запада на восток (более 300 км) вдоль северных предгорий Кавказа. Большие залежи цеолитов встречаются вблизи г. Хадыженска и в Крымском районе Краснодарского края.

Представление о химическом составе природных цеолитов дают данные таблицы 156 (Яковлев Е.Н., Нагорокава Л.М., Завойская О.А. и др., 1990).

Таблица 156 – Содержание главнейших оксидов в цеолитах, % Тип SiO2 Al2О3 Fe2O3 2O K2O цеолитовых руд

 Клиноптилолит 68,8 12,0 2,80 2,10 0,95 1,59 3,4 Морденит 71,8 12,7 1,47 1,43 0,34 1,88 5,8 Гейландит 70,1 10,6 1,70 3,30 0.80 4,40 6,0

Основным критерием, положенным в основу классификации цеолитов, служат структурные характеристики, связанные с морфологией кристаллов. Согласно этой классификации, цеолиты делятся на три основные группы: 1) трехмерные каркасные структуры типа филлипсита и шабазита; 2) волокнистые структуры, образованные цепями тетраэдров, слабо связанных между собой в продольном направлении, – например, натролит; 3) пластинчатые структуры, образованные тетраэдрами, сильно связанными в одной плоскости и слабо – в перпендикулярном направлении, – например, гейландит, клиноптилолит. Существует и другая классификация цеолитов, основанная на топологии каркаса. В данном случае каждый каркас изображается в виде отдельных структурных единиц, например, колец тетраэдров. Далее эти конструкции группируются так, чтобы образовать легко идентифицируемые полиэдры или "блоки" структуры. Эта классификация представляет интерес с точки зрения промышленного использования цеолитов.

Термин "цеолиты" известен в научной литературе с середины XIX в. Так, Дж. Уэй в 1850 г. писал, что поглощение катионов почвами осуществляется за счет перегноя и цеолитов. Под последними автор понимал компонент почвы, растворимый в соляной кислоте. Природу поглощения он объяснял химической реакцией между твердой фазой почвы и солевым раствором. Несколько позднее Ван Беммелен (1876) объяснял поглощение катионов присутствием в почве полуразложившихся останков организмов, гумуса, гидроксидов железа, коллоидной кремнекислоты и аморфных цеолитоподобных силикатов. В свою очередь, К.К. Гедройц (1935) считал, что главными носителями поглотительной способности почв являются органические, органоминеральные и минеральные коллоиды. Последние он называл цеолитной частью почв. Из вышесказанного не вполне ясно, что же понималось первоначально под термином "цеолиты": отдельные минералы или часть неорганических компонентов почв. Впервые ясность в этот вопрос внес К.Д. Глинка (1906), который называл цеолитами индивидуальные минералы определенного химического состава. По своей химической природе они представляют собой кристаллические алюмосиликаты каркасного строения.

Цеолиты состоят из алюмокислородного каркаса, содержащего пустоты и каналы, в которых расположены катионы щелочных и щелочноземельных металлов и молекулы воды. При осторожном нагревании "циолитовую воду" можно полностью удалить без нарушения структуры минералов. В этом состоит коренное отличие цеолитов от минералов, содержащих конституционную воду, выделение которой возможно лишь при разрушении всей структуры. При нагревании цеолиты вспучиваются. Легкость, с которой вода выходит из цеолитов даже при незначительном нагревании, определила название этого минерала: от греч кипеть камень". Катионы и вода, связанные с каркасом, могут быть частично или полностью замещены или удалены в процессе ионного обмена и дегидратации. После удаления воды минерал становится как микропористая "губка" с объемом пор до 50 %. Это и создает высокую емкость катионного обмена, что предопределяет особую ценность этого минерала для обеспечения длительного питания растений. У различных цеолитов обменная емкость катионов достигает 1–5 ммоль-эк/г массы. Второе весьма важное свойство цеолитов – их селективность в отношении к катионам. Обмен катионов происходит с выраженной избирательностью к крупным катионам NH4+, К+, Ca2+, Ba2+, Mg2+. Отмечается также их постоянная избирательность к Na+. На цеолитах осаждаются остатки пестицидов, спирты, сероводород и ионы тяжелых металлов. Последнее особенно важно для сельскохозяйственной рекультивации земель вдоль автомагистралей с интенсивным движением, где содержание меди, цинка, свинца значительно превышает ПДК.

В целом цеолиты после насыщения NH4+ можно рассматривать, как комплексное удобрение длительного действия, включающие помимо азота К+, Са2+, Мg2+ и многие микроэлементы самого цеолита. Осаждение иона аммония в каналах предотвращает его нитрификацию и снижает потери азота из удобрений и почвы. Велика роль цеолита и как пролонгатора минеральных и органических удобрений. Поглощая внесенные в почву химические элементы, он предохраняет их от вымывания и затем постепенно возвращает в почвенный раствор.

Молекулярно-ситовые и каталитические свойства цеолитов определяют широкие возможности использования их для повышения плодородия почв и продуктивности тепличных субстратов, а также для улучшения экологической обстановки окружающей среды. Особенно эффективно использование цеолитсодержащих субстратов в тепличном хозяйстве. С агрономической и производственной точек зрения цеолитовые субстраты отличаются хорошими физическими свойствами, длительностью эксплуатации, отсутствием сорняков, стерильностью и хорошим эстетическим видом. У тепличных растений формируется мощная корневая система, наблюдается более быстрое развитие и плодоношение. Причем, такие субстраты можно использовать на территориях, не пригодных для земледелия. Весьма эффективным является применение цеолитов в орошаемом земледелии, в частности, в рисоводстве. Использование цеолитов под рис позволяет вносить азотные удобрения за один прием и уменьшить их дозу на 25-30 % без снижения урожайности.

Эффективность цеолитов во многом определяется способом и дозой внесения. В защищенном грунте цеолитовые субстраты готовят из цеолита и тепличного грунта в соотношении 1:1 по объему. Под рис их вносят в количестве, равной физической массе азотного удобрения до посева одновременно с минеральными туками (табл. 157; Шеуджен А.Х., 2005).

Таблица 157 – Эффективность применения цеолитов под рис на лугово– черноземных почвах Кубани Высота Длина Пустозер- Масса Урожай- Удобрение расте- метелки, ность ме- 1000 ность зерна, ний, см см телки, % зерен, г ц/га

 N120P80K60 75,7 13,5 16,0 30,0 48,2 N120P80K60+Ц50 % 76,9 14,0 15,9 30,2 49,9 N120P80K60+Ц100 % 80,4 14,6 14,8 31,0 53,9 N120P80K60+Ц150 % 74,8 13,3 16,6 29,9 50,1 N90P80K60+Ц100 % 79,9 14,3 15,5 31,1 53,2

Более высокие нормы цеолитов вносят под богарные культуры. В этом случае они колеблются от 0,5-5,0 до 20-30 т/га в зависимости от почвенноклиматических условий и биологических особенностей культур.