Застосування природних цеолітів та біопрепаратів для підвищення родючості ґрунтів

Характерною особливістю XXI ст., що настало, став бурхливий ріст народонаселення, урбанізація, інтенсивна розробка корисних копалин, активна техногенна діяльність людини. Усе це свідчить про звуження життєвого простору, зокрема земельного фонду, що викликає потребу невідкладного вирішення продовольчої проблеми.

Необхідно зазначити, що спроби збільшити урожайність сільськогосподарських культур шляхом внесення підвищених норм мінеральних добрив виявилися невиправданими та призвели до таких негативних наслідків, як деградація ґрунту, погіршення якості продукції, забруднення навколишнього середовища.

У цій ситуації важливого значення набувають внесення в ґрунт цеолітів, застосування бактеріальних препаратів та регуляторів росту рослин.

Переваги та властивості природних цеолітів

Цеоліти покращують властивості ґрунту, виконуючи такі функції:

• сорбують іони амонію та калію;
• зберігають вологу;
• запобігають хворобам коренів рослин;
• слугують джерелом мікроелементів.

Цеоліти належать до групи лужних та лужноземельних алюмосилікатів, переважно кальцію та натрію, рідше калію та барію. Їх налічується близько 40 видів, серед яких виділяють:

• аміцит, баррерит, бікітаїт, брюстерит, гармотом, гарроніт, гейландит, гмелініт;
• гоннардит, дакіардит, жисмондин, каулсит, кліноптилоліт, левін, ломонтит, маццит;
• мезоліт, мерліноїт, морденіт, натроліт, оффретіт, паулінгіт, силікаліт, сколецит;
• стеллерит, стильбіт, томсоніт, фер'єрит, філліпсит, фожазит, шабазит, едінгтоніт;
• епістильбіт, еріоніт, югавараліт.

Геологічне походження та умови залягання

Цеоліти знайдені в осадових, вулканічних та метаморфічних породах у багатьох районах Земної кулі. Вони утворюються за помірних температур і тисків та мають обмежене поле стабільності, у зв'язку з чим рідко зустрічаються в породах, давніших за мезозойські.

Найширше поширені цеоліти в осадових породах (морденіт, кліноптилоліт, філліпсит, шабазит, еріоніт), де їхня протяжність і потужність може сягати кількох кілометрів. Цеоліти зустрічаються в багатьох літичних і польовошпатових пісковиках в асоціації з уламковими породами палеозойського та міоценового віку.

Цеоліти з добре розвиненими кристалічними агрегатами знайдені в порожнинах і пустотах вивержених вулканічних порід, переважно в базальтах. Судячи з усього, вони є результатом пізнього відкладення з флюїдів, які проникли в базальти після їхньої кристалізації.

Метаморфічні цеоліти утворюються переважно за рахунок високореакційних вулканічних стекол, феромагнітних мінералів і діагенетичних цеолітів, які можуть бути присутніми в первинних осадових породах. Виявляють цеоліти і в морських мулах, що свідчить про їхнє утворення у водному середовищі за наявності відповідних умов для синтезу з розчинів. Це не єдиний шлях виникнення цеолітів, а можливо, і не головний.

У мулах знаходять також гейландит (кліноптилоліт), але він має теригенне* походження і з поверхні суходолу змивається у водойми. При цьому в мулах він зосереджений у найдрібнішій фракції (<2 мкм). Виявлено цеоліти також у прісноводних та солоних озерах, лагунах. Можливе також утворення цеолітів у результаті взаємодії порових розчинів.

У теперішній час відомо близько 1000 родовищ тих чи інших різновидів цеолітів у більш ніж 40 країнах світу. Вулканогенно-осадові родовища цеолітів, що мають промислове значення, вперше стали розроблятися в США та Японії в середині 50-х рр. Багаті родовища цих мінералів виявлено в Африці, Франції, Болгарії, Угорщині та інших країнах. На території Російської Федерації та країн ближнього зарубіжжя потенційні ресурси цеолітів становлять кілька мільярдів тонн; розвіданих запасів – понад 1 млрд 804 млн т. Залягають вони переважно на Закарпатті (Сокирниці, Водичі, Липча), у Кемеровській області (р. Пегас),

Теригенне – (від лат. земля і грец. народжений) – уламкові складові частини осадових гірських порід

Приморському та Хабаровському краях (Чугуївське, Середочне та Вугільне родовища), на Сахаліні (Лютогське), Камчатці (Ягоднінське), Туві, Якутії та Бурятії. На Північному Кавказі також широко поширені цеолітвмісні породи, що є сировиною багатоцільового використання. Найбільш вивченими, перспективними та доступними є цеолітвмісні утворення палеогену, які простежуються із заходу на схід (понад 300 км) уздовж північних передгір'їв Кавказу. Великі поклади цеолітів зустрічаються поблизу м. Хадиженська та в Кримському районі Краснодарського краю.

Уявлення про хімічний склад природних цеолітів дають дані таблиці 156 (Яковлєв Є.М., Нагорокава Л.М., Завойська О.А. та ін., 1990).

Таблиця 156 – Вміст головних оксидів у цеолітах, % Тип SiO2 Al2О3 Fe2O3 2O K2O цеолітових руд

 Кліноптилоліт 68,8 12,0 2,80 2,10 0,95 1,59 3,4 Морденіт 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

Основним критерієм, покладеним в основу класифікації цеолітів, слугують структурні характеристики, пов'язані з морфологією кристалів. Згідно з цією класифікацією, цеоліти поділяються на три основні групи: 1) тривимірні каркасні структури типу філліпситу і шабазиту; 2) волокнисті структури, утворені ланцюгами тетраедрів, слабко пов'язаних між собою в поздовжньому напрямку, – наприклад, натроліт; 3) пластинчасті структури, утворені тетраедрами, сильно пов'язаними в одній площині і слабко – в перпендикулярному напрямку, – наприклад, гейландит, кліноптилоліт. Існує й інша класифікація цеолітів, заснована на топології каркаса. У даному випадку кожен каркас зображується у вигляді окремих структурних одиниць, наприклад, кілець тетраедрів. Далі ці конструкції групуються так, щоб утворити легко ідентифіковані поліедри або "блоки" структури. Ця класифікація становить інтерес з погляду промислового використання цеолітів.

Термін "цеоліти" відомий у науковій літературі з середини XIX ст. Так, Дж. Вей у 1850 р. писав, що поглинання катіонів ґрунтами здійснюється за рахунок перегною та цеолітів. Під останніми автор розумів компонент ґрунту, розчинний у соляній кислоті. Природу поглинання він пояснював хімічною реакцією між твердою фазою ґрунту та сольовим розчином. Дещо пізніше Ван Беммелен (1876) пояснював поглинання катіонів присутністю у ґрунті напіврозкладених решток організмів, гумусу, гідроксидів заліза, колоїдної кремнієвої кислоти та аморфних цеолітоподібних силікатів. У свою чергу, К.К. Гедройц (1935) вважав, що головними носіями поглинальної здатності ґрунтів є органічні, органомінеральні та мінеральні колоїди. Останні він називав цеолітною частиною ґрунтів. З вищесказаного не цілком ясно, що ж розумілося спочатку під терміном "цеоліти": окремі мінерали чи частина неорганічних компонентів ґрунтів. Вперше ясність у це питання вніс К.Д. Глінка (1906), який називав цеолітами індивідуальні мінерали певного хімічного складу. За своєю хімічною природою вони являють собою кристалічні алюмосилікати каркасної будови.

Цеоліти складаються з алюмооксидного каркаса, що містить порожнечі та канали, в яких розташовані катіони лужних і лужноземельних металів та молекули води. При обережному нагріванні "цеолітову воду" можна повністю видалити без порушення структури мінералів. У цьому полягає докорінна відмінність цеолітів від мінералів, що містять конституційну воду, виділення якої можливе лише при руйнуванні всієї структури. При нагріванні цеоліти спучуються. Легкість, з якою вода виходить із цеолітів навіть при незначному нагріванні, визначила назву цього мінералу: від грец. "киплячий камінь". Катіони та вода, пов'язані з каркасом, можуть бути частково або повністю заміщені чи видалені в процесі іонного обміну та дегідратації. Після видалення води мінерал стає як мікропориста "губка" з об'ємом пор до 50 %. Це і створює високу ємність катіонного обміну, що зумовлює особливу цінність цього мінералу для забезпечення тривалого живлення рослин. У різних цеолітів обмінна ємність катіонів сягає 1–5 ммоль-ек/г маси. Друга вельми важлива властивість цеолітів – їхня селективність стосовно катіонів. Обмін катіонів відбувається з вираженою вибірковістю до великих катіонів NH4+, К+, Ca2+, Ba2+, Mg2+. Відзначається також їхня постійна вибірковість до Na+. На цеолітах осідають рештки пестицидів, спирти, сірководень та іони важких металів. Останнє особливо важливо для сільськогосподарської рекультивації земель уздовж автомагістралей з інтенсивним рухом, де вміст міді, цинку, свинцю значно перевищує ГДК.

Загалом цеоліти після насичення NH4+ можна розглядати як комплексне добриво тривалої дії, що включає, крім азоту, К+, Са2+, Мg2+ і багато мікроелементів самого цеоліту. Осадження іона амонію в каналах запобігає його нітрифікації та знижує втрати азоту з добрив та ґрунту. Велика роль цеоліту і як пролонгатора мінеральних та органічних добрив. Поглинаючи внесені у ґрунт хімічні елементи, він захищає їх від вимивання і потім поступово повертає у ґрунтовий розчин.

Молекулярно-ситові та каталітичні властивості цеолітів визначають широкі можливості використання їх для підвищення родючості ґрунтів та продуктивності тепличних субстратів, а також для покращення екологічної обстановки навколишнього середовища. Особливо ефективним є використання цеолітвмісних субстратів у тепличному господарстві. З агрономічної та виробничої точок зору цеолітові субстрати відрізняються добрими фізичними властивостями, тривалістю експлуатації, відсутністю бур'янів, стерильністю та гарним естетичним виглядом. У тепличних рослин формується потужна коренева система, спостерігається швидший розвиток і плодоношення. Причому такі субстрати можна використовувати на територіях, не придатних для землеробства. Вельми ефективним є застосування цеолітів у зрошуваному землеробстві, зокрема у рисівництві. Використання цеолітів під рис дозволяє вносити азотні добрива за один прийом і зменшити їхню дозу на 25-30 % без зниження урожайності.

Ефективність цеолітів багато в чому визначається способом і дозою внесення. У захищеному ґрунті цеолітові субстрати готують із цеоліту та тепличного ґрунту у співвідношенні 1:1 за об'ємом. Під рис їх вносять у кількості, що дорівнює фізичній масі азотного добрива до сівби одночасно з мінеральними туками (табл. 157; Шеуджен А.Х., 2005).

Таблиця 157 – Ефективність застосування цеолітів під рис на лучно–чорноземних ґрунтах Кубані Висота Довжина Пустозер- Маса Урожай- Добриво росли- волоті, ність волоті, 1000 ність зерна, ни, см см % 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

Вищі норми цеолітів вносять під богарні культури. У цьому випадку вони коливаються від 0,5-5,0 до 20-30 т/га залежно від ґрунтово-кліматичних умов та біологічних особливостей культур.