Научные основы использования природных цеолитов

20.06.2015

Почва — это самоорганизующаяся система, в которой в ходе эволюционного развития вырабатываются механизмы адаптации к изменяющимся условиям внешней среды. Л.В. Мукина сформулировала 4 основных условия функционирования подобных систем:
- наличие «критической массы» активно делящегося вещества, применительно к почвам - биологической составляющей, которую принято характеризовать количеством гумуса;
- наличие материала, улавливающего промежуточные и конечные продукты метаболизма трансформации почвенной биоты и исключающего выход (потерю) их за пределы системы, т. е. почвенного поглощающего комплекса;
- снижение необменного захвата активных компонентов системы, что определяется уровнем эффективного плодородия;
- наличие средств управления, т. е. регулирования хода и скорости прохождения реакций внутри системы. В естественных ценозах -это факторы внешней среды, подающие и направляющие поток энергии и вещества в систему, а в агроценозах они дополняются антропогенным воздействием.
Удобрения и мелиоранты, воспринимаемые как фактор регулирования продукционного процесса культурных растений и оцениваемые именно по этому показателю, не должны выводить почвенную систему за пределы ее адаптивных возможностей, обладать не только высокой доступностью для растений, но и слабым возмущающим воздействием на почвы и пролонгирующим эффектом.
В настоящее время этим требованиям соответствуют цеолитсодержащие породы и удобрительные композиции и мелиоранты на их основе. Доказательством является их химический и минералогический состав, ионоселективные свойства, значительная емкость катионного обмена и высокая скорость обменных реакций, влияние на биологическую активность, т. е. они имеют генетическое сродство с почвами (табл. 2.1).

При определенных условиях внешней среды природные цеолиты (совместно с сопутствующими минералами), внесенные в почву, считаются более слабыми конкурентами для растений и микроорганизмов в процессе поглощения ими макро- и микроэлементов, обладают длительностью действия и способностью изменять соотношение катионов в почвенном поглощающем комплексе.
По своей сути цеолитсодержащие породы (далее цеолиты) являются кремнийсодержащими полиминеральными удобрениями, т. к. основная доля в химическом составе различных цеолитов разных месторождений принадлежит, как и в почвах, именно кремнию.
Содержание кремния в почвах определяется присутствием в них кварца и в меньшей степени — первичных и вторичных силикатов и алюмосиликатов. Иногда в почвах отмечается наличие, и даже в больших количествах, аморфного кремнезема в виде опала или халцедона, происхождение и накопление которых связаны с биогенными (опаловые фитолитарии, спикулы губок, скелеты диатомей и др.) или гидрогенными (окремнение почв) процессами. Валовое содержание SiO2 в глинистых почвах составляет 40-70 %, в песчаных - до 90-98 %.
Растворимость кварца крайне мала, и этот минерал относится к очень устойчивым, его обнаруживают в пылеватых и более крупных фракциях даже самых древних почв. В предколлоидной и коллоидной фракциях кварц встречается относительно часто, но в небольших количествах, 2-3 %. От количества и размеров зерен кварца зависит гранулометрический состав почв и многие их свойства: водопроницаемость, связность, влагоемкость. В поглощении катионов кварц участия не принимает.
Как известно, в почвенном растворе постоянно находится как минимум две формы растворимого кремния - моно- и поликремниевая кислоты. Самые распространенные формы монокремниевой кислоты в природе - ортокремниевая кислота H4SiO4 и ее анион H3SiO4. Среди подвижных кремниевых соединений их отличает высокая физико-химическая активность и наибольшее влияние на биогеохимические процессы, происходящие в почвах.
Поликремниевые кислоты существенно отличаются по физикохимическим свойствам от монокремниевых кислот. Они практически не взаимодействуют с другими веществами, но могут влиять на водно-физические и адсорбционные параметры почв. Обычная концентрация в почвах монокремниевой кислоты составляет 15-20 мг SiO2/100 г, поликремниевой - 150-300 мг SiO2/100 г.
Кремний поглощается растениями в форме монокремниевой кислоты, в последующем она накапливается и полимеризуется в листьях и корнях или превращается в фитолиты. Наибольший вынос Si растениями характерен для злаковых (до 250 кг Si/га). Например, по нашим данным (Меркушева и др., 2003), овес, выращиваемый на зеленую массу на аллювиальной луговой почве, выносит с урожаем в среднем
60,7 кг Si/га, а при внесении минеральных удобрений (N90P60K90) вынос этого элемента возрастает в 1,7 раза. С фитомассой трав пойменных лугов выносится большое количество кремния. Так, с разнотравно-осокового и злакового ценозов болотистых лугов вынос кремния составил 85 кг Si/га, при их удобрении — соответственно 130 и 145; с разнотравно-полевохвощового сообщества настоящего луга - соответственно 140 и 218 кг Si/га. В зависимости от ботанического состава природных лугов и почвенно-экологических условий произрастания многолетних трав накопление надземной и подземной фитомассой кремния характеризуется следующими размерами: болотистые луга - 955-1200 кг Si/га, настоящие - 304-604, остепненные - 105-310 кг Si/га. Из всех видов, произрастающих на аллювиальных почвах, злаки содержат 1,65 % Si, хвощи - 3,76 и осоки - 1,44 %. Однако возмещения кремния в почвах не происходит, т. к. кремнийсодержащие удобрения на лугах не применяются и их вырождение со временем, помимо других причин, возможно, связано со снижением количества монокремниевой кислоты в почвах и ослаблением интенсивности ее поступления в растения.
В.В. Матыченковым разработана градация почв по дефициту доступного растениям кремния (табл. 2.2) и методы его определения, предложена формула вычисления содержания активного кремния в почве:
Активный Si=10 [Актуальный Si (водная вытяжка) + Потенциальный (0,1 н HCl)].
Автор приводит следующую расшифровку градации по содержанию разных форм доступного кремния для различных по генезису и плодородию почв.

Нет дефицита Si - этот уровень содержания доступных форм кремния в почве характерен для почв с высоким плодородием (пойменные, вулканические, целинные черноземы). Кремниевые удобрения или мелиоранты для этих почв могут быть использованы для оптимизации фосфорного и азотного питания растений.
Низкий уровень дефицита Si характерен для целинных почв с высоким и средним плодородием (серая лесная, бурая лесная, серая почвы), а также пахотных черноземов и других плодородных почв. Кремниевые удобрения и мелиоранты на этих почвах позволят увеличить обеспеченность растений Si и эффективность применяемых минеральных и органических удобрений, а также средств защиты растений.
Дефицит Si свойствен деградированным почвам сельскохозяйственных угодий и почвам с низким уровнем плодородия (дерново-подзолистые и др.). Si-удобрения и мелиоранты обеспечат снижение скорости или прекращение процессов деградации и эродированности, необходимый уровень кремниевого питания растений.
Высокий уровень дефицита Si характерен для сильно деградированных, а также песчаных почв. Недостаток активных форм Si существенно снижает урожайность сельскохозяйственных культур и эффективность вносимых агрохимикатов.
Оценка влияния кремниевых удобрений на растения, плодородие почв и устойчивость системы почва — растение к стрессовым ситуациям приведена по результатам многолетних исследований В.В. Maтыченкова с соавторами, которые, на наш взгляд, убедительно свидетельствуют о необходимости и эффективности применения кремнийсодержащих удобрений, например таких, как природные цеолиты. Ho поскольку кремниевые удобрения не являются специфическими, их рекомендуется вносить совместно с азотными, фосфорными, калийными или органическими.
Основная функция кремния в растениях — это обеспечение устойчивости организма к неблагоприятным условиям внешней среды и антропогенного воздействия, что проявляется в утолщении эпидермальных тканей (механическая защита), ускорении роста и развития корневой системы (физиологическая защита), связывании токсичных соединений (химическая защита) и в синтезе необходимых ферментов антиоксидантной защиты и стресс-белков (биохимическая защита). Положительная реакция на внесение кремния характерна не только для кремнефильных растений (злаков), но и других семейств.
Известно, что повышение засухоустойчивости растений регулируется оптимизацией их минерального питания. Однако внесение азотных, фосфорных и калийных туков приводит к снижению устойчивости культурных растений к недостатку влаги в почве, т. к. нарастание фитомассы на удобренном фоне требует большого количества воды. Применение кремнийсодержащих удобрений при дефиците воды в почве способствует увеличению содержания подвижного фосфора и монокремниевой кислоты, значительному повышению концентраций Si в надземной и корневой частях растений, накоплению фитомассы ячменя. Сделано предположение, что устойчивость растений к неблагоприятному фактору связана с полимеризацией монокремниевых кислот во внутриклеточном и межклеточном пространстве тканей растений. Образующиеся поликремниевые кислоты, вероятно, способны связывать воду и отдавать ее в критической ситуации, работая как гель кремниевой кислоты. Внесение кремнийсодержащих удобрений усиливает водоудерживающую способность почв. Этот эффект связан с возрастанием количества активных адсорбционных центров почвенной матрицы и изменением направленности формирования вторичных глинистых минералов.
Применение кремнийсодержащих удобрений на засоленных почвах улучшает рост и развитие растений, увеличивает активность фотосинтеза, изменяет соотношение K:Na в ксилеме, повышает деятельность ферментов, регулирующих метаболические процессы в растениях, что обусловлено возрастанием концентрации монокремниевой кислоты в почвенном растворе, препятствующей поглощению растениями натрия из почвы.
В зависимости от типа почвы, вида и количества вносимых кремнийсодержащих удобрений и мелиорантов последние могут улучшать физические свойства: структуру, агрегированность, влагоемкость, а также буферность и емкость катионного обмена, особенно на легких по гранулометрическому составу почвах; в зависимости от размера зерен или гранул кремниевые мелиоранты могут оптимизировать гранулометрические параметры тяжелых почв; снижать интенсивность развития водной эрозии за счет увеличения инфильтрации путем коагуляции коллоидов; на дефлированных и песчаных почвах использование кремнийсодержащих мелиорантов, имеющих в своем составе CaO, отмечено скрепление песчинок, что может найти широкое их применение на почвах, неустойчивых к ветровой эрозии.
Таким образом, оценка роли кремния в системе почва - растение и его влияние на продукционный процесс является научным обоснованием использования природных цеолитов наряду с их вещественными, физико-химическими и физико-механическими свойствами как эффективных кремнийсодержащих удобрений и мелиорантов.