Статья: Первичное структурообразование буровых шламов с применением гуминового препарата Росток при создании плодородных грунтов для озеленения северных городов

Первичное структурообразование буровых шламов с применением гуминового препарата «Росток» при создании плодородных грунтов для озеленения северных городов

Максим Дмитриевич Ерёмин, Диана Васильевна Ерёмина

Аннотация

Целью исследований была оценка перспективности применения гуминового препарата «Росток» в качестве первичного структурообразователя для почвогрунтов, в состав которых входят буровые шламы. Изучали различные концентрации гуминового препарата (2, 4, 6 и 8%). В ходе исследований установлено, что доломитовая мука не оказывает необходимого влияния на оструктуривание бурового шлама - коэффициент структурности и водоустойчивости составил 0,47 ед. и 25% соответственно.

При введении в почвогрунт гуминового препарата «Росток» создаются условия первичного структурообразования, а коэффициент структурности возрастает до 0,75-3,0 ед. при коэффициенте водоустойчивости - 33-58%. Оптимальной концентрацией гуминового препарата «Росток» для структурообразования и развития овсяницы красной будет 6%, которая обеспечивает максимальное образование агрегатов размером 1,00-0,25 мм - 32%, что более чем в 6 раз выше значений контроля. Дальнейшее повышение концентрации гуминового препарата «Росток» приводит к формированию более крупных агрегатов, что снижает агрофизические свойства почвогрунта. Таким образом, установлено, что гуминовый препарат «Росток» возможно использовать при создании искусственных почв на основе бурового шлама в качестве первичного структурообразователя.

Ключевые слова: искусственные почвы, структурообразование, водоустойчивость, агрономически ценная структура, буровые шламы, рекультивация, плодородие

Abstract

Primary structure formation of drilling mud with the use of humic preparation "Rostock" in the creation of fertile soils for landscaping of northern cities

Maxim D. Eremin, Diana V. Eremina

The purpose of the research was to assess the prospects of using the humic preparation "Rostock" as a primary structure-forming agent for soils that include drilling mud. Various concentrations of humic preparation (2, 4, 6 and 8%) were studied. In the course of research, it was found that dolomite flour does not have the necessary effect on the structuring of drilling sludge - the coefficient of structurality and waterproofness was 0.47 units and 25%, respectively. When the humic preparation "Rostock" is introduced into the soil, conditions for primary structure formation are created, and the structural coefficient increases to 0, 75-3.0 units with a water resistance coefficient of33-58%. The optimal concentration of the humic preparation "Sprout" for the structure formation and development of red fescue will be 6%, which ensures the maximum formation of aggregates with a size of 1.00-0.25 mm - 32%, which is more than 6 times higher than the control values.

A further increase in the concentration of the humic preparation "Rostock" leads to the formation of larger aggregates, which reduces the agrophysical properties of the soil. Thus, it has been established that the humic preparation "Rostock" can be used in the creation of artificial soils based on drilling mud as a primary structure-forming agent.

Keywords: artificial soils, structure formation, waterproofness, agronomically valuable structure, drilling sludge, recultivation, fertility

Введение

Развитие нефтегазодобывающих северных регионов сопровождается необходимостью решения определенных проблем техногенного характера. Одной из которых является проблема утилизации и хранения буровых шламов [1,2]. Еще одной социально-экологической проблемой выделяется необходимость создания благоприятной для проживания населения инфраструктуры в виде обустройства зеленых зон (газоны, клумбы) и садово-парковой архитектуры [3, 4].

Озеленение северных городов относительно затруднено. Это обусловлено суровостью климата (продолжительный зимний период, критические для растений морозы), а также отсутствием полноценных растительных почвогрунтов, устойчивых к ветровой и водной эрозии. И если технологических решений по изменению климата у человечества до настоящего времени нет, то в плане создания искусственных почв технологии уже существуют.

Наиболее примитивным почвогрунтом, который был известен достаточно давно, но до сих пор используется, является торфо-песчаная смесь [5, 6]. Ее применяют как при создании газонов и клумб, так для отсыпки откосов автомагистралей или железных дорог. Двухкомпонентная почвосмесь обладает массой недостатков и лишь только одним достоинством - она самая дешевая. Г лавный ее недостаток - отсуствие оструктуренности, что является основополагающим свойством любой плодородной почвы [7]. Бесструктурность обусловлена тем, что в песке и торфе нет активных структурообразователей (растворимых форм гумуса, минеральных коллоидов и илистых частиц). Поэтому учеными активно ведутся поиски искусственных структурообразователей на основе нефтепродуктов, полимерных смол и акриловых полиэлектролитов. Перечисленные группы структурообразователей имеют существенные недостатки - они или очень дорогостоящие, или экологически опасные [8]. Существует еще один вид структурообразова- теля, который является природным и встречается в любой почве - гумус [9]. Экстрагированный гумус возможно использовать для создания искуственных почв, но необходимо понимание его природы, свойств и механизмов взаимодействия с компонентами почвогрунта.

Буровые шламы с физической точки зрения являются неблагоприятными. Изначально они бесструктурны, но при насыщении их диспергирующими агентами (стабилизаторы эмульсий) буровые шламы структурируются, но водоустойчивость таких агрегатов практически отсутствует [10]. Для этого необходимы определенные технологические решения. Прежде всего в составе почвенных смесей, созданных на основе буровых шламов, должны быть кальцийсодержащие мелиоранты (гипс, карбонат кальция, известь), которые нейтрализуют присутствующие в шламе стабилизаторы эмульсий [11]. После этого необходимо ввести в почвогрунт водорастворимые гуминовые вещества. Наиболее близким к природным веществам можно отнести гумат натрия. Именно эта форма гумуса обладает физикохимической активностью, способна проникать вглубь комков, обволакивая мелкие фракции [12]. Однако, для завершения процесса взаимодействия гумусового структурообразователя с минеральной матрицей почвогрунта необходима коагуляция гуминовой кислоты. Для этого подходит все тот же кальцийсодержащий мелиорант, который замещает натрий и формирует из раствора гумата натрия биополимер, максимально идентичный тому, который присутствует в черноземных почвах (гумат кальция) [13].

Целью исследования была оценка перспективы использования гуминового препарата «Росток» для первичного структурообразования буровых шламов, входящих в состав плодородных смесей.

Материалы и методы исследований

Для оценки воспроизводимости опыта, исследования проводили в летний период в 2019 и 2020 гг. В качестве структурообразователя использовали гуминовый препарат «Росток» с концентрацией действующего вещества 0,1%, который производится научно-производственным центром «Эврика» (г. Тюмень). «Росток» представляет собой экстракт гуминовых кислот из низинного торфа. По составу максимально идентичен гуминовым кислотам черноземных почв [14, 15]. Препарат представляет собой жидкость черно-коричневого цвета.

Почвосмеси готовили путем смешивания в определенных пропорциях неоструктуренного бурового шлама, доломитовой муки и гуминового препарата «Росток». Буровой шлам и доломитовую муку (3% от массы шлама) перемешивали механическим путем в течение 10 минут. Содержание гуминового препарата в смесях составляло 0 (контроль), 2, 4, 6 и 8% к исходной массе грунта.

Во время механического перемешивания гуминовый препарат в соответствующих дозах вносили путем мелкодисперсного опрыскивания. После перемешивания смесь выгружали и оставляли на 3 суток для взаимодействия гуминового препарата с доломитовой мукой. Дальнейшее исследование велось в условиях модельного опыта. Объем вегетационных сосудов составил 20 литров (пластиковый контейнер с размерами 400х300х220). почвогрунт озеленение гуминовый шлам росток

На дно сосудов помещали дренаж (2 см мелкой фракции керамзита), после чего их наполняли почвогрунтом с незначительным уплотнением. Сосуды были размещены в летней теплице с хорошим проветриванием. Через 3 суток провели посев семян овсяницы красной (Festuca rubra) с нормой высева 50 г/м². Глубина посева - 1 см. Полив вели через 10 суток на протяжении двух месяцев. По истечении срока была определена надземная и корневая массы по методике Н.З. Станкова [16].

Из каждого контейнера отобрали усредненную пробу почвогрунта массой 1 кг для проведения анализа. Структуру определяли методом сухого просеивания через колонку сит по методу Саввинова; водопрочность - на приборе Бакшеева [17]. Опыт вели в четырехкратном повторении. Статистический и дисперсионный анализ результатов сделан по Б.А. Доспехову с использованием Microsoft Excel. Достоверность отличия средних величин оценивали с помощью критерия Стьюдента.

Результаты исследований и их обсуждение

Увеличение доли гуминового препарата (ГП) «Росток» закономерно улучшает агрофизические свойства созданного на основе бурового шлама почвогрунта. Коэффициент структурности контрольного образца через два месяца был равен 0,47 ед. (рисунок 1), что соответствовало неудовлетворительному агрегатному состоянию (<0,67 ед.). Водоустойчивость агрегатов также была очень низкой - 25%, что соответствовало неудовлетворительному состоянию.

Анализ сухого рассева показал (таблица 1), что в сухом состоянии размеры агрегатов на 56% состоят из глыб, размеры которых более 10 мм. На долю агрономически ценных (10-0,25 мм) приходилось 32%. При мокром рассеве - глыбистые агрегаты, а также фракции 10-5 и 5,3 мм диспергировались до мелкозема (<0,25 мм), доля которого на контроле составила 75%.

Это является доказательством того, что использование карбоната кальция (мела) для нейтрализации эмульгаторов и структурообразования малоэффективно. Аналогичные результаты были получены группой ученых под руководством Л.Н. Скипина [5].

Рисунок 1. Влияние гуминового препарата «Росток» на коэффициент структурности искусственного почвогрунта, ед.

Введение в состав искусственного почвогрунта раствора гуминового препарата «Росток» с концентрацией 0,1% достоверно увеличило коэффициент структурности до 0,75-3,00 ед. (tP>tT при 95% уровне значимости).

Рисунок 2. Водоустойчивость агрегатов при различной концентрации ГП «Росток», %

При внесении в почвогрунт 8% ГП «Росток» коэффициент структурности уменьшился с 3,00 до 2,13 ед., что обусловлено увеличением доли глыбистой фракции до 27% на фоне общего ее снижения по вариантам.

В ходе исследований была выявлена эффективность гуминового препарата «Росток» в качестве первичного структурообразователя. Водоустойчивость агрегатов с размером 1,0-0,25 мм при концентрации 6 и 8% соответственно увеличилась до 20 и 30%, с одновременным снижением доли неагрегатированных почвенных частиц.

В целом за счет использования ГП «Росток» удалось добиться водоустойчивости агрегатов искусственного почвогрунта, создаваемого на основе бурового шлама. Коэффициент водопрочности увеличился с 25 до 58%. Наиболее эффективными оказались варианты с концентрацией «Ростка» 6 и 8%.

Детальный анализ ситового рассева показал, что при концентрациях 4 и 6% гуминового препарата «Росток» возрастает доля водоустойчивых фракций с размерами 3-1 и 1,0-0,25 мм, что указывает на первичное оструктуривание бурового шлама.

Доля фракции 10-5 мм также возрастает, особенно на варианте с максимально изучаемой концентрацией «Ростка», но водоустойчивость таких агрегатов не превышает 6%, тогда как у фракции 1,0-0,25 мм - она достигает 30%.

Таким образом, это дает нам основание считать, что применение гуминового препарата «Росток» с доломитовой мукой оказывает положительное влияние только на первичное структурообразование - агрегатов с размерами от 3 до 0,25 мм.

Для формирования более крупных фракций (от 10 до 3 мм) требуется изыскание структурообразователей другого типа, или использование элементов биологизации (таблица 1) [18].

Таблица 1

Влияние гуминового препарата «Росток» на структурно-агрегатный состав почвогрунта, создаваемого на основе бурового шлама, 2019-2020 гг.

Примечание: * - в числителе данные сухого просеивания; в знаменателе - мокрого.

При озеленении городских территорий на искусственных почвогрунтах важную роль играет возврат органических и питательных веществ в виде растительных остатков [19]. В северных регионах также важно формирование мощной корневой системы, обеспечивающей хорошую перезимовку и высокую биологическую активность корнеобитаемой зоны.

На контроле биомасса овсяницы красной через 2 месяца произрастания составила 105 г/м², что было минимальным значением среди изучаемых вариантов (рисунок 3).

Рисунок 3. Фитомасса овсяницы красной при использовании гуминового препарата «Росток» в качестве первичного структурообразователя, г/м²