Investigation of the Potential of Potassium-Containing Additives Based on Mineral Raw Materials and Industrial Waste on the Quality and Yield of Potatoes

Texto integral

ВВЕДЕНИЕ

Используемые в сельском хозяйстве калийные удобрения – это дополнительный минеральный источник калия как одного из 3-х необходимых макроэлементов в питании растений. К питательным элементам, необходимым для нормального развития картофеля, относят азот, фосфор, калий, магний, железо, сера, бор, марганец и некоторые другие. Каждый элемент выполняет в жизни растения определенную роль и, в случае нехватки одного из них, нарушается нормальное развитие растений.

Среди большого количества элементов, которые принимают участие в почвенно-геохимических процессах, калию отводят особую и важную роль. Поведение элемента в почвах отражает как динамические, так и статические изменения в почвообразовании. Также калий является непосредственным участником почвенных и биологических процессов, поэтому его поведение в большей степени определяет качество и уровень состояния экосистем [1]. Калий относят к элементам, способным накапливаться в живых организмах в большем количестве, чем в окружающей среде (биофильные элементы), и их участие в круговороте веществ определяется степенью захвата их живыми организмами [2, 3].

На сегодняшний день достаточно активно исследуют природные и экологически чистые источники калия, используемые в качестве удобрений для повышения урожайности и продуктивности сельскохозяйственных культур и снижения рисков при их удобрении [4–6].

Минеральные добавки, содержащие в своем составе калий, имеют ряд преимуществ по сравнению с применяемыми калийными солями [4]. Применение калийсодержащих минеральных добавок не загрязняет грунтовые воды различными анионами, не вызывает засоления почв. Например, глауконитовые породы, также рассматриваемые в качестве источника калия, содержат много микроэлементов, включая медь, цинк, железо, марганец, бор, селен, кобальт, молибден и др., которые являются незаменимыми для роста и развития растений [4, 7].

Благодаря однородной гранулированной текстуре глауконитовые породы улучшают физические свойства почв, их пористость и проницаемость. Они характеризуются высокой сорбционной способностью и повышают влагоудерживающую способность почв. Многие исследователи описывают положительный эффект при использовании глауконита на рост сельскохозяйственных культур [4, 5, 8–10].

Кроме этого калийсодержащие минеральные добавки рассматривают как удобрения с пролонгированным высвобождением калия, что позволяет обеспечить растения необходимыми питательными микро- и макроэлементами в процессе вегетации и поддерживать низкий уровень содержания химических веществ в почвах сельскохозяйственного назначения [11]. Изучение химического и минерального составов калийсодержащих минеральных добавок в большей степени будет определять возможность их использования в качестве минеральных удобрений и дополнительного источника калия [12–14].

Одним из наиболее важных элементов питания при возделывании картофеля является калий. Калий, в отличие от азота, фосфора и серы, которые входят в состав разнообразных органических соединений, находится в ионной форме. Обеспеченность калием растений связана с интенсивностью фотосинтеза. Калий оказывает большое влияние на углеводный обмен, положительно влияет на урожайность и качество картофеля. Он необходим для образования и формирования клубней, лучшего передвижения крахмала из листьев в растущие клубни. В ботве картофеля калия содержится больше, чем в клубнях, и этот калий придает растению устойчивость к заморозкам.

Цель работы – изучение влияния добавок минерального сырья и промышленных отходов Республики Коми с различным содержанием K₂O на урожайность и качество клубней картофеля.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования служили анальцимсодержащие алевролиты, калиевые щелочные сиениты, кородревесная зола (далее по тексту – минеральные добавки). Анальцимсодержащие алевролиты были отобраны с проявления “Весляна” на Западном Притиманье, калиевые щелочные сиениты – из дайки в верховьях р. Верхняя Ворыква на Среднем Тимане (Республика Коми). Кородревесная зола, образующаяся при сжигании коры деревьев и древесины на ТЭЦ, предоставлена АО “Монди СЛПК” (г. Сыктывкар) и является техногенным отходом. По данным [15], в 2010 г. объем золы составил >5000 т.

Химический состав минеральных добавок определяли с помощью волнодисперсионного рентгенофлюоресцентного спектрометра Lab Center XRF-1800, Shimadzu с учетом потерь при прокаливании.

Минеральный состав добавок исследовали методом рентгеновской дифракции на дифрактометре Shimadzu XRD6000 (излучение CuKα, Ni фильтр, 30 кВ, 30 мА). Порошковую пробу снимали в диапазоне 2–65° 2θ со скоростью 1°/мин и шагом сканирования 2θ 0.05°. Фазовый состав глинистой фракции определяли методом рентгеновской дифракции ориентированных образцов, подвергнутых стандартным диагностическим обработкам. Диагностику и количественное определение минерального состава проводили методом Ритвельда с помощью программы Profex 5.1.0 [6].

Удельную площадь поверхности, объем микро- и мезопор, общий объем пор определяли методом низкотемпературной физической сорбции азота с помощью анализатора площади поверхности и размера пор NOVA 1200e, Quantachrome при температуре –196°C с предварительной дегаза- цией при 350°C в вакууме в течение 2 ч. Удельную площадь поверхности рассчитывали методом BET, объем мезопор – методом BJH, объем микропор – методом Дубинина–Астахова.

Испытания минеральных добавок проводили на опытных полях Института агробиотехнологий им. А. В. Журавского ФИЦ Коми НЦ УрО РАН в соответствие с методическими указаниями [16]. Схема посадки – 0.7 × 0.3 м. Площадь учетной делянки – 5.25 м², повторность опыта – четырехкратная. Минеральные добавки крупностью 1.0 мм вносили вручную, непосредственно при посадке картофеля, в каждую лунку один раз за все время вегетации. В качестве сельскохозяйственной культуры был выбран картофель сорта Невский. Масса добавок составляла 5 г/растение. Урожайность картофеля определяли на 65- и 85-е сут.

Агрохимические показатели почвы определяли в соответствие с ГОСТами и методиками, используемыми в химии почв: рН водной и солевых вытяжек – ионометрическим методом по ГОСТ 26483- 85, содержание гумуса – по методу Тюрина в модификации Симакова [17], гидролитическую кислотность – по ГОСТ 26212-91, содержание подвижных форм фосфора и калия – по ГОСТ 54650-2011, обменных катионов кальция и магния – по ГОСТ 26487-85.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Характеристика минеральных добавок. По данным рентгенофлуоресцентного анализа (табл. 1), содержание K₂O в анальцимсодержащем алевролите составляло ≈2 масс. %.

 

Таблица 1. Химический состав минеральных добавок, масс. %

Соединение	Анальцимсодержащий алевролит	Калиевый щелочной сиенит	Кородревесная зола
SiO2	56.36	55.59	8.24
TiO2	0.78	2.26	0.12
Al2O3	19.47	19.89	7.26
Fe2O3 общ	5.5	2.07	3.30
MnO	0.05	0.02	2.17
MgO	1.78	0.21	3.42
CaO	0.9	0.7	35.17
Na2O	3.0	0.21	1.73
K2O	1.96	17.14	5.70
P2O5	0.08	0.26	4.91
SO3	н.д.	0.12	5.61
Cl	н.д.	н.д.	1.07
CO2	0.26	0.1	10.23
п. п. п.	9.21	1.3	20.50
Сумма	99.09	99.84	99.99

Примечание. п. п.п. – потери при прокаливании, н. д. – не диагностировано.

 

Методом рентгендифрактометрического анализа диагностированы кварц, анальцим, глинистые минералы, минералы полевых шпатов, гетит (рис. 1).

 

Рис. 1. Дифрактограммы анальцимсодержащего алевролита, калиевого сиенита и кородревесной золы. К – кварц, А – анальцим, Г – гетит, Пш – минералы полевых шпатов, См – смешанослойные глинистые минералы, М – морденит, С – санидин, Ап – апатит, Кл – кальцит, П – портландит, Аг – ангидрит.

 

Глинистые минералы представлены слабоупорядоченным иллит/смектитом с различным содержанием разбухающих слоев и гидратированным иллитом [18]. Содержание анальцима в породе составляло 21, глинистых минералов – 29%. Калий находился в структуре глинистых минералов вместе с катионами Na⁺ и Ca²⁺, располагающимися в межслоевом промежутке, и был способен к эквивалентному обратимому обмену с другими катионами.

Удельная площадь поверхности анальцимсодержащего алевролита составила 45.6 м²/г (табл. 2).

 

Таблица 2. Текстурные характеристики минеральных добавок

Образец	Удельная поверхность, м2/г	Общий объем пор	Объем мезопор	Объем микропор	Средний радиус пор, нм
		см3/г
Анальцимсодержащий алевролит	45.6	7.718 × ١٠–2	6.156 × 10–2	0.024	3.147
Калиевый сиенит	4.4	4.772 × 10–3	3.636 × 10–3	0.002	2.162
Кородревесная зола	9.3	1.43 × 10–2	1.177 × 10–2	0.006	3.088

 

Изотерма адсорбции–десорбции азота, представленная на рис. 2а, относится к IV(а) типу согласно классификации IUPAC [19].

 

Рис. 2. Изотермы адсорбции–десорбции азота анальцимсодержащим алевролитом (а), калиевым сиенитом и кородревесной золой (б).

 

Она характеризуется наличием петли гистерезиса и является типичной для мезопористых сорбентов. В области низких давлений на адсорбционной кривой наблюдают резкий подъем, свидетельствующий о наличии в образце микропор (<2 нм). Подъем кривой адсорбции при относительном давлении, близком к 1, указывает на присутствие макропор. Петлю гистерезиса можно отнести к типам H3 и H4, поскольку в образце присутствуют и глинистые минералы, и цеолиты.

Сиениты, согласно [19, 20], сложены калиевым полевым шпатом, содержание которого составляло до 90%. По данным рентгеновской дифракции, калиевый полевой шпат был моноклинным, слабо упорядоченным санидином. Вторичные минералы представлены цеолитами (в основном морденитом) и смешанослойными глинистыми минералами. В акцессорных количествах присутствовали фосфаты (фторапатит) и титановые минералы (титаномагнетит, ильменит, анатаз). Содержание калия в сиенитах достигало 17.14%. Калий главным образом находился в калиевом полевом шпате, в небольшом количестве присутствовал в мордените и глинистых минералах. В структуре полевого шпата катионы калия располагаются в узких каналах, вследствие чего миграция из них калия в почву происходит медленно. В мордените катионы калия, а также натрия и кальция расположены в каналах и способны к катионному обмену. В структуре глинистых минералов катионы Na⁺, K⁺, Ca²⁺ располагаются в межслоевом промежутке и также способны к эквивалентному обратимому обмену с другими катионами.

Калиевый сиенит характеризуется низкой удельной площадью поверхности, которая составила 4.4 м²/г (табл. 2). Изотерма адсорбции–десорбции азота имела петлю гистерезиса и относится к IV(а) типу (рис. 2б). На кривой адсорбции в области низких давлений отсутствует подъем, свидетельствующий об отсутствии микропор в образце. При относительном давлении, близком к 1, наблюдали небольшой подъем, который указывал на незначительное присутствие макропор. Петля гистерезиса относится к типу H4.

Кородревесная зола представляет собой дисперсное вещество, получаемое в ходе сжигания растительного сырья, а именно древесины и коры. Содержание K₂O в кородревесной золе составляло 5.70%. Кроме этого, в ней присутствовало довольно значительное количество CaO (35.17%), а также 4.91% P₂O₅. В минеральном составе золы найдены карбонаты (кальцит), фосфаты (апатит), сульфаты (ангидрит). Также выявлены кварц, портландит и минералы полевых шпатов. По данным рентгеноспектрального микроанализа, калий находится в сульфатах и минералах полевых шпатов, его высвобождение из данных фаз в почву происходит медленно.

Удельная площадь поверхности кородревесной золы составила 9.3 м²/г (табл. 2). Изотерма адсорбции–десорбции азота характеризовалась наличием петли гистерезиса и относится к IV(а) типу (рис. 2б). На кривой адсорбции в области низких давлений отсутствовал подъем, свидетельствующий об отсутствии микропор в образце. При относительном давлении, близком к 1, наблюдали подъем, который указывал на присутствие макропор. Петля гистерезиса относится к типу H3.

На основании полученных данных минерального и химического составов калийсодержащих минеральных добавок, можно оценить влияние препаратов на урожайность и продуктивность сельскохозяйственных растений. Полевой эксперимент проводили на опытных полях в четырехкратной повторности. Почва делянок – дерново-подзолистая, легкосуглинистая. На момент закладки опыта ее агрохимическая характеристика была следующей: содержание гумуса – 7.81%, pH_KCl 6.23 ед., содержание подвижного фосфора по Кирсанову – 671, подвижного калия – 250, обменного кальция – 13.8, обменного магния – 3.50 мг/кг, гидролитическая кислотность – 1.46 ммоль/100 г почвы.

В период вегетации растений картофеля проводили фенологические наблюдения. При применении калиевого сиенита на момент появления всходов картофель взошел не равномерно, чего не наблюдали при добавлении анальцимсодержащих алевролитов и кородревесной золы. Возможно, на данном этапе повлияли засушливые погодные условия. Сумма выпавших осадков за первую декаду июня составила всего 2.9 мм. При этом в первой декаде июня преобладала сухая и солнечная погода со средней температурой 16°C. В целом в опыте в процессе вегетации все фазы развития картофеля соответствовали средним показателям для региона.

Известно, что нарастание массы клубней картофеля определяется развитием и активностью работы фотосинтетического аппарата растений, на который существенно влияют способы применения, дозы препаратов и погодные условия. Поэтому был проведен учет урожайности клубней картофеля на 65-е и 85-е сут после посадки (табл. 3).

 

Таблица 3. Урожайность картофеля при внесении калийсодержащих минеральных добавок, т/га

Вариант	Урожайность клубней картофеля
	время после посадки клубней
	65 сут	85 сут
Контроль без добавок	9.5 ± 0.10	21.6 ± 0.60
Анальцимсодержащие алевролиты	12.7 ± 0.70	25.5 ± 0.40
Калиевый щелочной сиенит	8.9 ± 0.26	21.5 ± 0.70
Кородревесная зола	11.5 ± 0.54	23.2 ± 0.27
НСР05	1.3 ± 0.31	1.5 ± 0.38

 

В результате полевого эксперимента установлено, что добавка сиенитов в почву привела к снижению урожайности на 6.3% на 65-е сут и на 0.5% – на 85-е сут. Вероятно, миграция калия из санидина в почву была затруднена из-за низкой способности полевых шпатов к катионному обмену в нормальных условиях [1]. Несмотря на низкое содержание калия в анальцимсодержащих алевролитах и кородревесной золе их внесение повысило урожайность на 65-е и 85-е сут на 33.7 и 18.1 и на 21.1 и 7.4% соответственно. Положительное влияние на урожайность кородревесной золы и анальцимсодержащих алевролитов было вызвано факторами, для выяснения которых необходимы дополнительные исследования. В целом исследованные минеральные добавки на основе анальцимсодержащих алевролитов и кородревесной золы положительно повлияли на вегетирующие растения картофеля и обеспечили достоверную прибавку накопления массы клубней по сравнению с контрольным вариантом.

Главным показателем качества картофеля является его химический состав, т. е. содержание в нем основных питательных веществ. Калийные минеральные добавки в различной степени оказывали влияние на химический состав картофеля (табл. 4).

 

Таблица 4. Влияние минеральных добавок на химический состав клубней картофеля

Вариант	Сухое вещество, %	Крахмал, %	Витамин С, мг %	Нитраты, мг/кг сырой массы
Контроль	18.7	11.9	30.8	108
Анальцимсодержащие алевролиты	19.3	12.9	32.6	96
Калиевый щелочной сиенит	17.9	11.8	29.7	115
Кородревесная зола	18.3	12.5	30.7	110

 

При внесении калиевого сиенита показатели химического состава клубней были несколько меньше, чем при применении анальцимсодержащих алевролитов и кородревесной золы. В целом при внесении минеральных добавок с различным содержанием обменного калия содержание сухого вещества в клубнях оставалось практически на уровне контрольного варианта.

Потребительские качества картофеля определяются прежде всего содержанием крахмала, величина которого тесно взаимосвязана с количеством сухого вещества. На содержание крахмала и сухого вещества влияют как агротехнические условия возделывания картофеля, так и уровень и сбалансированность минерального питания растений. В варианте без применения минеральных добавок содержание крахмала в клубнях картофеля составляло 11.8%. Содержание крахмала в картофеле зависело от содержания обменного калия в минеральных добавках, наибольшая крахмалистость клубней отмечена в варианте применения анальцимсодержащих алевролитов и составляла 12.9%.

Картофель – хороший источник витаминов, одним из которых является витамин С. Его содержание зависит от многих факторов и варьирует от 5 до 50 мг% в сыром веществе [21, 22]. Использование при выращивании картофеля минеральных добавок анальцимсодержащих алевролитов и кородревесной золы значительно повысило содержание витамина С в клубнях по сравнению с минеральной добавкой калиевого щелочного сиенита. Содержание нитратов в клубнях картофеля составило 96–115 мг/кг сырой массы, что не превышало ПДК (250 мг/кг).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким оразом, исследовано влияние добавок на основе минерального сырья (анальцимсодержащих алевролитов, калиевых щелочных сиенитов) и техногенных отходов (кородревесной золы) с различным содержанием K₂O на урожайность клубней картофеля. Наибольшее содержание K₂O (17.14%) выявлено в щелочных сиенитах, наименьшее – в анальцимсодержащих алевролитах (1.96%), содержание K₂O в кородревесной золе составляло 5.70%.

Несмотря на низкое содержание калия в анальцимсодержащих алевролитах и кородревесной золе, данные добавки положительно повлияли на вегетирующие растения картофеля и повысили урожайность на 65-е и 85-е сут на 33.7 и 18.1, на 21.1 и 7.4% соответственно. Добавка калиевых сиенитов в почву привела к снижению урожайности на 6.3% на 65-е сут и на 0.5% на 85-е сут. Вероятно, это было связано с низкой миграционной способностью калия из структуры полевых шпатов.

Минеральные добавки на основе анальцимсодержащих алевролитов и кородревесной золы способствовали увеличению содержания в картофеле крахмала и витамина С.

Sobre autores

O. Brovarova

A. V. Zhuravsky Institute of Agrobiotechnology of Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the RAS

Autor responsável pela correspondência
Email: olbrov@mail.ru
Rússia, ul. Rucheynaya 27, Syktyvkar 167023

D. Shushkov

Institute of Geology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the RAS

Email: olbrov@mail.ru
Rússia, ul. Pervomayskaya 54, Syktyvkar 167982

Bibliografia

Arquivos suplementares