книги / Фосфогипс и его использование

уровней соотношений различных его соединений на плодородие почв и устойчивость этого элемента к вымыванию из почв.

В нашей стране разработан метод расчета продолжительно­ сти действия извести на основе определения баланса кальция в почвах хозяйства между смежными циклами их агрохимиче­ ского обследования [102, 112, 113]. Освоение и широкое внедре­ ние этого метода в производство позволяет повысить уровень управления процессами оптимизации реакции почв и развития материально-технической базы их известкования.

Вопросы возврата кальция в пахотный слой солонцовых почв имеют свою специфику. В большинстве случаев эта задача мо­ жет быть решена вовлечением в мелиорируемый слой запасов солей кальция самой почвы (карбонатный и гипсовый горизон­ ты). Однако скорость и направление процессов превращения и оборачиваемости соединений кальция в этих почвах требуют тщательного и глубокого изучения [86, 88, 89].

Внесение солей кальция в виде гипса или фосфогипса на глубококарбонатных солонцах не везде дает заметный эффект. Поэтому технологию гипсования солонцов нельзя считать до­ статочно совершенной. Чтобы добиться высокой эффективно­ сти от гипсования глубококарбонатных солонцов, требуется изучить основные закономерности влияния на мелиорирующее действие гипса, фосфогипса и других химических мелиорантов температуры, влажности, реакции почвенной среды, физических свойств почв и других факторов почвообразования, и на этой основе создать совершенную систему использования гипсосо­ держащих материалов.

2.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФОСФОГИПСА ДЛЯ ГИПСОВАНИЯ СОЛОНЦОВ И СОЛОНЦЕВАТЫХ ПОЧВ

2.2.1. Условия формирования солонцов и их мелиорации

Солонцы и почвенные комплексы с пятнами солонцов пред* ставляют собой существенный резерв увеличения земель для производства зерна и укрепления кормовой базы животновод­ ства [85, 86, 89]. В нашей стране широко используются два ос­ новных приема повышения плодородия солонцовых почв: хими­ ческий и агробиологический [89]. Указанные приемы применя­ ются с учетом мелиоративной диагностики солонцов.

Основной задачей мелиорации солонцовых почв является оптимизация кар­ бонатно-кальциевого равновесия почвенного раствора, приводящая к насыще­ нию поглощающего комплекса почв кальцием — до 70% от емкости обмена, а также к снижению дисперсности твердой фазы почвы в результате накопле­ ния в составе гумусовых веществ гуматов кальция [89, 1141. В соответствии с почвенно-мелиоративным районированием, проведенным Почвенным инсти­ тутом имени В. В. Докучаева по материалам научных учреждений, прием■>! мелиорации солонцов и солонцеватых почв, а также их сельскохозяйственного использования определяются почвенными и агроклиматическими условиями природно-климатических зон [89].

Л е с о с т е п н а я з о н а характеризуется распространением многонат­ риевых солонцов содового засоления. Основные причины их формирования — воздействие минерализованных грунтовых вод, засоленных почвообразующих

лонцовых черноземов и солонцов смешанного и нейтрального типов засоления. Причины их образования те же, что и в лесостепной зоне.

В с у х о с т е п н о й з о н е широко распространены солонцеватые каш­ тановые почвы и солонцы нейтрального типа засоления. Основные причины их формирования — нарастающая сухость климата и наличие засоленных почво­

и гипса, мощности надсолонцового горизонта, содержания поглощенных нат­ рия и магния, глубины, степени и типа засоления, а также долевого участия пятен солонцов в почвенном покрове территории. Не подлежат коренной ме­ лиорации современными приемами (без устройства искусственного дренажа) солонцы и их комплексы с засоленными почвами при уровне залегания грун* товых вод ближе 1,5—2 м, а также сильнозасоленные солонцовые почвы в слое 0—40 см, корковые солонцы и их комплексы, развитые на выходах коренных горных пород.

Рис. 2-1.

Агромелиоративное районирование солонцовых почв [89]:

Обозначения почвенно-мелиоративных секторов (А — Украинский, Б — Предкавказский,

Гипсованию без орошения подлежат солонцовые почвы с глубоким залеганием карбонатов и гипса (глубже 40—45 см) при условиях увлажнения не ниже 400 мм атмосферных осад­ ков в год.

Высококарбонатные и высокогипсовые солонцовые почвы подлежат самомелиорации, что достигается вовлечением солей кальция самой почвы в солонцовый мелиорируемый слой глубо­ кой мелиоративной обработкой (трехъярусная или плантажная вспашка, а также другие виды глубокой обработки, обеспечи­ вающие вовлечение в мелиорируемый слой солей кальция самой почвы и их равномерное перемешивание с солонцовым горизон­ том). Процесс самомелиорации успешно протекает при допол­ нительном увлажнении почв, которое обеспечивается проведе­ нием специальных влагонакопительных мероприятий.

Внесение или вовлечение кальцийсодержащих соединений в солонцовую почву преследует цель: вытеснение из поглощаю­ щего комплекса почв ионов натрия и замену их ионами каль­ ция. Такая замена приводит к улучшению агропроизводственных свойств почв, повышению их плодородия.

При внесении в солонцовый слой гипса или фосфогипса ре­ акция может идти по следующей схеме:

CaS04-2H20+2Na-no4Ba — ►- Ca-no4Ba+Na2S04+ 2 H20 .

При внесении известняка (мел, дефекат) реакция идет по другой схеме:

С аС 0з+С 02+ Н 20 — Са(НСОз)2, 2Ыа-почва+Са(НСОз)2 — Са-почва+2ЫаНС03.

Для удаления продуктов обмена в обоих случаях необходи­ мо хорошее увлажнение почвенного профиля.

В целях усиления мелиорирующего воздействия карбонатов самой почвы можно применять в качестве мелиорантов серу или сульфат железа (железный купорос). Образующаяся при этом серная кислота взаимодействует с карбонатами кальция. Конечным продуктом этого взаимодействия является свежеосажденный гипс. В результате ионы Са вытесняют ионы Na согласно приведенной выше схеме с гипсом (фосфогипсом).

Многолетними исследованиями по зонам страны и практи­ кой сельского хозяйства установлено, что мелиорирующее дей­ ствие гипса и фосфогипса равноценно [86, 115—121]. Экономи­ ческая эффективность указанных мелиорантов определяется содержанием в них действующего вещества (Са504*2Н20 ) , стоимостью мелиоранта, его технологическими свойствами, т. е. себестоимостью применения.

2.2.2. Технические требования к фосфогипсу

В зависимости от технологии производства экстракционной фосфорной кислоты существуют две резко различающиеся по физико-механическим свойствам формы сульфата кальция: ди-

Сыромолотый гипс — традиционный химический мелиорант, используемый для гипсования солонцов. Объем его поставок сельскому хозяйству не превы­ шает 350 тыс. т/год. Дальнейшее наращивание мощностей по добыче и размолу природного гипса экономически нецелесообразно в связи с возможностью ши­ роко использовать для гипсования солонцов фосфогипса.

Фосфогипс влажностью до 20% (II сорт) применяют в сельском хозяйстве с 1975 г. для гипсования солонцов вместо природного сыромолотого гипса. Ввиду смерзаемости его ис­ пользуют сезонно: только в теплое время года. Объем приме­ нения в 1986 г. достиг 2 млн. т. В перспективе использование фосфогипса влажностью до 20% (II сорт) может достигать 10 млн. т/ год.

Увеличение поставки сельскому хозяйству фосфогипса в со­ ответствии с техническими требованиями на II сорт в настоя­ щее время сдерживается тремя основными факторами: сезон­ ностью работ, отсутствием на ряде предприятий хорошо обору­ дованных отгрузочных узлов с подъездными путями к отвалам фосфогипса и его загрязнением посторонними примесями, в том числе слежавшимися глыбами фосфополугидрата.

Фосфогипс I сорта (с принудительной сушкой) влажностью 4—6% начал поставляться в небольших объемах сельскому хозяйству Украины в 1986 г. Сумским ПО «Химпром». Произ­ водственный опыт показал, что существующие технологии при­ менения сыромолотого гипса и пылевидных известковых мате­ риалов не вполне пригодны для применения подсушенного фосфогипса. В связи с этим предстоит тщательно изучить физи­ ко-механические свойства подсушенного фосфогипса и в соот­ ветствии с ними разработать технологию и систему машин для его хранения и применения. Объемы поставок подсушенного фосфогипса (I сорт) будут зависеть от экономической эффек­ тивности технологии его применения (описание технологии фосфогипса I сорта приведено в разд. 2.4).

2.2.3. Технология и машины для внесения фосфогипса в почву

Твердые химические мелиоранты солонцов (гипс, фосфогипс, сульфат железа) вносят машинами, равномерно распределяю­ щими его по поверхности поля. Это основной способ их при­ менения. Химические мелиоранты солонцов относятся к группе слабопылящих, так как они содержат более 2% свобод­ ной влаги. В последние 2—3 года в орошаемых районах прак­ тикуется внесение фосфогипса с поливной водой для предотвра­ щения осолонцевания почв при использовании минерализован­

ТАБЛИЦА 2,4. Техническая характеристика машин для внесения извести, гипса, фосфогипса, смеси фосфогипса с известковыми материалами [127]

поле взаимно исключаются). Равномерность распределения хи­

Для -применения гипсосодержащих химических мелиорантов используют следующие технические средства: погрузчики — ПЭ-0,8Б, ПФП-1,2, ПЭА-1,0; кузовые машины для распределе­ ния мелиорантов по поверхности поля и др. (табл. 2,4).

В зависимости от наличия технических средств и расстоя­ ния доставки мелиорантов применяют прямоточную или пере­ валочную технологию гипсования. Работы по прямоточной схе­ ме выполняют при расстояниях от склада до места внесения мелиорантов машинами РУМ-5 до 3 км; РУМ-8 — до 8 км; КСА-3 и МВУ-16 — до 12 км; МХА-7 — до 20 км. В остальных случаях химические мелиоранты предварительно складывают в бурты на краю мелиорируемого поля или при наличии соот­ ветствующей техники пользуются перегрузочной технологичес­ кой схемой. При этом химические мелиоранты доставляют к полю большегрузным автотранспортом и тут же перегружают

вмашины для внесения.

Втех случаях, когда на общем фоне поля хорошо видны пятна солонцов, рекомендуется не сплошное гипсование одной дозой мелиоранта, а выборочное. При выборочном гипсовании мелиоранты вносят дважды. Сначала вносят их только на пятна солонцов за вычетом дозы, рекомендуемой для зональ­

ных почв мелиорируемого поля; затем вносят дозу, рекоменду­ емую для зональных почв.

При внесении химических мелиорантов на пятна солонцов, т. е. при выбо­ рочном гипсовании, применяют машины, имеющие привод транспортера от вала отбора мощности трактора (РУМ-8 и МВУ-16), что позволяет регулировать дозу внесения гипса [89].

Химические мелиоранты рекомендуется заделывать в почву культиватора­ ми или боронами в день внесения мелиоранта и приемки мелиорируемого участка представителем комиссии от хозяйства-заказчика. Затем приступают к вспашке поля в соответствии с требованиями к основной обработке почв, если проектом не предусмотрена специальная обработка солонцов при их хи­ мической мелиорации.

2.2.4. Эффективность использования фосфогипса вместо природного сыромолотого гипса

Фосфогипс на солонцах не уступает по эффективности сыро­ молотому гипсу при условии внесения их в эквивалентных ко­ личествах по содержанию CaS04-2H20. Поэтому вместо сыро­ молотого гипса для гипсования солонцовых почв может успеш­ но применяться фосфогипс [86, 129—131J. Показатели эффек­ тивности приведены в табл. 2,5 и 2,6.

Средние прибавки урожая зерновых культур при внесении

ТАБЛИЦА 2,5. Среднегодовой прирост продукции от гипсования солонцов

солонцовых почв вместо природного гипса в сухих районах под пшеницу, хлопок, свеклу, морковь. Вносят фосфогипс в дозе 2,5—5 т/га на почвы без орошения и 10 т/га в условиях орошения в период вспашки (через 3—5 лет). При этом при­ рост урожая пшеницы от 420 до 1460 кг/га в первый год воз­ мещает 70—79% затрат на применение фосфогипса. Свекла и морковь обеспечивают возмещение всех дополнительных затрат на мелиорацию в первый же год. Предлагается также исполь­ зовать фосфогипс в качестве источника серы в тех случаях, когда несколько лет подряд применяются минеральные удобре­ ния без серы [136].

В Австралии в период с 1977 по 1980 гг. применение фосфо­ гипса выросло с 8 до 73 тыс. т/год. На установках Австралии и США влажность фосфогипса для использования в сельском хозяйстве доводят до 10—14%. Установлено, что содержащиеся

2.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СМЕСЕЙ ФОСФОГИПСА С ИЗВЕСТКОВЫМИ МАТЕРИАЛАМИ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОЙ

МЕЛИОРАЦИИ КИСЛЫХ ПОЧВ

2.3.1.Основные источники поступления кислоты

впочву и пути ее нейтрализации

Можно указать на три основные источника поступления кис­ лоты в почву: выделение С02 выпадение кислотных дождей, применение удобрений.

1. Диоксид углерода, выделяющийся живыми организмами и корнями рас­ тений, насыщает почвенный раствор. Растворимость СОг понижается с увели­ чением температуры [137]. В почвенном растворе образуется угольная кисло­

та: С 02+ Н 20 = Н 2С 03, которая слабо диссоциирует (H2C 03:*=fcH++ H C 0 3~). В присутствии угольной кислоты растворимость карбонатов кальция и магния, имеющихся в почвах, повышается в 70 раз (от 14 до 1000 мг/л) по сравнению с их растворимостью в воде. Так идут вековые природные процессы выщела­ чивания оснований и подкисления почв. Этому способствует промывной тип водного режима почв, господствующий в лесной и лесо-луговой природноклиматических зонах, где количество атмосферных осадков превышает сум­

(100 мгХЮООО л) или соответственно 100 кг/га при слое стока 100 мм. Тол­ щина слоя стока за год может колебаться в широких пределах: от нескольких миллиметров до 150 мм и более. Таким образом, можно себе представить пре­ дельные объемы вымываемого кальция из почв под влиянием С 02 почвенного воздуха и обычных атмосферных осадков с pH выше 5,0.

2. Выпадение минеральных кислот с атмосферными осадками, туманами и в виде аэрозолей связано с жизнью и деятельностью человека. Ощутимое влияние индустрии человека на химический состав атмосферных осадков нача­ лось уже 100 лет назад [138] и постоянно возрастает. Средние значения

(усреднено нами) концентрации ионов в атмосферных осадках европейской

Приведенные данные показывают, что сумма анионов существенно выше суммы катионов. Кислотность атмосферных осадков в основном связано с по­ ступлением в атмосферу диоксидов серы, азота и углерода. При содержании С 02 в атмосфере 330 млн-1 концентрация ионов водорода при 20 °С составит 2,5Х10~6 моль/л, что соответствует рН=5,6. Именно такое значение pH име­ ют незагрязненные атмосферные осадки. Кроме СОг в незагрязненной атмо­ сфере могут присутствовать кислотообразующие вещества естественного про­ исхождения: H2S, S 0 2, НС1, N 0 3, H N 03, органические кислоты. Диоксид серы выводится из атмосферы путем окисления до S 0 3 и H2S 0 4. Моно- и триоксид азота окисляются в атмосфере соответственно до диоксида и пентаоксида ди­ азота с образованием азотной и азотистой кислот.

Природные уровни концентраций S 0 2 могут приводить к повышению кис­ лотности дождевых осадков до pH=4,5 [138].

Количество антропогенного диоксида серы, поступающего в атмосферу, зависит от количества сжигаемого топлива. Этот источник особо интенсивен в холодное время года. Доля антропогенных источников загрязнения атмосфе­ ры окислами азота (выхлопные газы, промышленные выбросы) незначительна по сравнению с природными источниками (микробиологические процессы, гро­ зовые разряды).

Для нейтрализации кислотности почвы в связи с выпадением 600 мм осад­ ков с pH = 4,0 потребуется до 270 кг/га СаС03.

3.Дополнительным и очень существенным источником подкисления почв

могут быть минеральные удобрения, в первую очередь азотные. Установле­ но [90], что на каждый килограмм азота, внесенного в почву с минеральными удобрениями, требуется в среднем 3 кг СаС03 для нейтрализации образующей­ ся кислоты. В зависимости от вида азотсодержащих удобрений потребность в извести для нейтрализации кислоты может достигать 5—6 кг на 1 кг азота, например, в сульфате или хлориде аммония.

На современном этапе почвообразования выделяются пять основных бу­ ферных зон (БЗ), в пределах которых происходит нейтрализация свободных ионов водорода [138]:

угольно-кислотная (карбонатная) БЗ: 6,2<рН <8,6. Ионы водорода погло­ щаются при растворении СаС03. Буферная емкость определяется количеством свободных СаС03 в почве;

угольно-кислотная (силикатная) БЗ: 5,0срН < 6,2. Буферная емкость опре­ деляется количеством кальцийсодержащих силикатов в почве;

катионообменная БЗ: 4,2<рН <5,0. Буферная емкость зависит от наличия выщелачивающихся алюмосиликатов;

алюминиевая БЗ: 3,0<рН <4,2. Буферная емкость зависит от наличия алюминия в почве. Обычно она очень высока за исключением песчаных почв

в 1985 г. было следующее распределение площадей почв, отно­ сящихся к разным буферным зонам (табл. 2,7).

Из табл. 2,7 видно, что более 50% площадей кислых почв, нуждающихся в известковании, относятся к угольно-кислотной (силикатной) буферной зоне. Большая доля пахотных почв, нуждающихся в известковании, относится к катионообменной буферной зоне почв (22,6 млн. га), характеризующихся отсут-