Удобрение почвы выхлопными газами: как это работает?

В настоящее время отрасль сельского хозяйства располагает множеством возможностей по сохранению или увеличению производительной способности почвы путем внесения специальных природных или синтетических питательных веществ. 

Процесс удобрения почвы и растений можно оптимизировать за счет оперативного и своевременного внесения различных дефицитных химических компонентов, необходимых для обеспечения нормального роста и развития культур.

В современных реалиях существует целый ряд специализированных технологий, позволяющих достигать высокой эффективности за счет использования различных комбинаций видов удобрений, а также техники (опрыскивателей, разбрасывателей, цистерн, комплексных агрегатов).

Но помимо обычных традиционных методов, широко используемых аграриями нашей зоны, существуют и альтернативные, в частности углеродное земледелие, которое объединяет множество методов ведения сельского хозяйства, направленных на использование атмосферного углерода почвой, корнями культур, древесиной и листьями. 

В углеродном земледелии в качестве удобрения используют выхлопные газы сельскохозяйственной техники и машин.

Что это за метод? Какие преимущества имеет? И как работает на практике?

«ГлавПахарь» предлагает Вам ознакомиться с исследованиями и ключевыми особенностями технологии удобрения почвы выхлопными газами тракторов.

Сельское хозяйство является единственной отраслью, в которой можно применять выхлопные газы сельскохозяйственных машин в качестве удобрения растений. 

Углеродное сельское хозяйство занимается внедрением методов, которые направляют выбрасываемые в атмосферу двигателями выхлопные газы в среду питания растений, где они превращаются в биомассу растений или органическое вещество почвы. 

Углерод может храниться в течение длительного времени (от десятилетий до столетий и более) благодаря процессу, называемому секвестрация углерода в почве (трансформация из атмосферы в биомассу растений). При этом углерод накапливается, когда разлагающееся органическое вещество физически смешивается с почвой. Почвы могут содержать до 5% углерода от массы, включая разлагающиеся органические остатки растений, остатки животного происхождения и биоуголь.

Согласно известным данным, метод существует уже более века. Задумка использования выхлопа тракторов, в составе которого есть азот и углерод, для удобрения почв появилась около сотни лет назад, практически сразу же после изобретения первого трактора. Уже в XXI веке стали появляться опыты фермеров, которые, по их заверениям, гарантируют желаемый результат. 

В выхлопе машин, оснащённых двигателем внутреннего сгорания, особенно тракторов, содержится углекислый газ и оксид азота. Это основная причина токсичности выхлопных газов для создания государственной политики, ограничивающей выбросы во время работы моторов транспортных средств. 

Наукой доказана ценность азота и углерода для почвы. Использование выхлопа трактора позволяет увеличить плодородие почвы и за счёт этого существенно снизить объемы применяемых удобрений. Вместе с этим, применение технологии позволяет снизить выбросы выхлопных газов в окружающую среду, в том числе токсичных оксидов азота.

В 1923 году немцем Фридрихом Риделем была предложена схема, позволяющая осуществлять утилизацию углекислого газа от выхлопа трактора для использования в сельском хозяйстве. 

Первая машина для удобрения почвы была создана в 1929 году. Основной проблемой оказалось достижение высоких показателей эффективности удобрения почвы выхлопным газом, температура которого составляла 250 градусов. Эта идея была забыта после Второй мировой войны, когда стали активно производиться и применяться минеральные и органические удобрения.

В 1960-х годах технология вернулась в видоизмененной форме: выхлоп двигателя, активизирующего работу водяных насосов, был включён в воду для полива. Спустя несколько десятков лет появился метод включения углекислого газа в воду для полива, воздух теплиц и грунт. В данном случае воплощению идеи поспособствовало применение пневматических сеялок. Они помогли решить множество трудностей, существовавших в 20-х годах, что позволило широкомасштабно использовать углекислый газ для удобрения почвы.

Удобрение почвы выхлопными газами трактора открывает фермерам возможности повышения урожайности и снижения затрат на минеральные удобрения до 50%. На данный момент аграрии предлагают различные разработки, позволяющие включать угарный газ в минеральные удобрения (калийные и фосфорные). Такая смесь вносится сеялкой, у которой к механизму приема воздуха присоединяется выхлопная труба трактора.

На сегодняшний день подобные комбинации тракторов и сеялки признаны инновационной технологией. Принято считать, что впрыскивание в почву выхлопа активизирует деятельность обитающих в почве бактерий, что способствует минерализации питательных веществ почвы и образованию свободноживущими азотфиксирующими микроорганизмами азота.

На данный момент технология широко используется в нескольких странах: США, Канада, Австралия, Англия, Австрия. Некоторые государства осуществляют адресную политику, нацеленную на снижение выбросов в окружающую среду, что дает шанс на широкое внедрение представленной технологии в сферу АПК.

В составе горючего для двигателя, помимо водорода и углерода, в меньших количествах также входят хром, кальций, сера, железо и кремний. В составе моторного масла имеется кальций, фосфор и цинк. Теплоэффективность мотора обуславливает химический состав выхлопа, который зависит от марки горючего, быстроты работы мотора, размера нагрузки, рабочей температуры и характеристик впрыска. На состав выхлопа также влияют топливные добавки. 

Токсичные для людей тяжелые металлы превращаются в дополнительные питательные элементы, которые могут усваиваться культурами. Иными словами, за счет специальных присадок выхлопные газы могут стать источником обеспечения растений микроэлементами.

Доступность оксида азота из выхлопной системы повышается при помощи нескольких методов. Первоначально, рост концентрации диоксида углерода в почве активизирует жизнедеятельность свободноживущих микроорганизмов, занимающихся производством аминокислот. Если культура поглощает азот в форме нитратов, то это в 2 раза эффективнее связывает углекислый газ по сравнению с применением аммиака. Выхлопной газ активизирует работу почвенных бактерий, чем формирует положительное взаимодействие.

Во время работы дизельного двигателя образуются частицы углерода уникальной цилиндрической формы — углеродные нанотрубки. Как показали исследования Университета штата Арканзас, добавление подобных углеродных нанотрубок к семенам томата позволяет культуре поддерживать водопоглощение, что стимулирует прорастание. При такой обработке семена прорастали в 2 раза быстрее, чем не обработанные.

Азот, поступивший в почву из выхлопа, используется быстрее, по сравнению с его внесением с аммиачными формами удобрения или мочевиной. Свойство почвенных микроорганизмов связывать азот зачастую ограничивается дефицитом органического вещества.

Основными преимуществами нитратного питания от выхлопов являются:

• ускорение обменных процессов и сохранение водорода в корнях;
• больший объем углекислого газа в почве;
• рост концентрации меди в тканях культуры;
• активизация роста культур, положительно отзывающихся на натрий, особенно при недостаточном обеспечении калием, у таких культур натрий улучшает водный баланс;
• снижение усвоения хлорида культурами, не переносящими натрий;
• в тканях растений повышается уровень рН, что позволяет уберечь их от патогенов и улучшить усвоение нитратов.

Более того, находящаяся в выхлопе влага, во время охлаждения способна конденсироваться в семенах, активизируя их прорастание. 

В настоящее время научно доказано, что число живых бактерий, паразитов или грибов на семенах, прошедших обработку угарным газом, значительно ниже, нежели на семенах без обработки.

Система утилизации выхлопов трактора в почву на практике реализуется следующим способом: 

• к отверстию от выхлопной трубы присоединяется трубопровод (А), ведущий в теплообменник (В). Здесь выхлоп охлаждается до температурного режима, который требуется для оптимального роста культур и безопасного перемешивания с семенами, не обжигая растения. Теплообменник обеспечивает тепловой обмен между выхлопом и атмосферой. Оборудование должно снижать температуру газа с 250 градусов до не выше 80 градусов. Температура контролируется особым устройством;
• в промежуточный узел (С) можно поместить насос для всасывания, к примеру, для внесения в почву вместе с газом дополнительно минеральных удобрений. Далее происходит смешивание и засасывание в технику для высева. Система оснащена пневматическим инжектором, отвечающим за всасывание семян совместно с выхлопом;
• газы можно впрыскивать при культивации или во время посева и это также может происходить в несколько этапов. Когда газы вводятся во время культивации, то наличие промежуточного узла не требуется;
• особенности поля могут потребовать установки дополнительного оснащения (D). За счет инжектора (Е) выхлоп вводится совместно с семенами или без, при движении сеялки или культиватора. На рабочую технику ставятся подающие сигнал газоанализаторы на случай, если газы испаряются с почвы. Как правило, это случается при повышенной температуре выхлопа. Поскольку охлажденный газ более тяжелый, задерживается в почве и поглощается.

На практике комбинация техники для комплексного внесения выхлопных газов в почву может выглядеть следующим образом. 

Пример, комбинация Technik-plus: 

• трактор CLAAS с трубопроводом для выхлопной трубы; 
• пневматическая сеялка TP TURBO JET SUPER, которая имеет дозирующий аппарат на 11 выходов, регулирующий клапан, 40 метров шланга, бункер с гравированной шкалой в литрах;
• турбина с электро- или гидроприводом, перерабатывающая выхлопные газы (турбина имеет 1 выход DM 100 мм, 3 выходящих трубы DM 60 мм, 1 выход DM 395 мм, гидромотор и гидрошланги);
• специализированный блок управления с бесступенчатой установкой нормы высева, датчиком контроля над работой высевающего аппарата; 
• дисковая борона с рабочей шириной захвата 6,3 метра на 23 или 46 дисков с возможностью регулировки глубины обработки почвы (агрегат имеет диски с высевающими сошниками, 23 выхода для внесения выхлопных газов в землю).

В штате Монтана были проведены независимые опыты на разных культурах (горох, пшеница и овес). 

В одно время было проведено 4 исследования по разным технологиям:

• с внесением только угарного выхлопного газа;
• с внесением минеральных удобрений;
• с внесением комбинации выхлопных газов и минеральных удобрений;
• базовый контрольный вариант без внесения.

Все опыты проведены в 3-кратной повторности.

Из проведенных тестов были получены следующие результаты: 

• горох не показал существенного отличия между методами внесения, но было зафиксировано существенное различие между повторениями в зависимости от местности;
• итоги исследования с овсом при использовании только выхлопа были значительно лучше в сравнении с другими вариантами;
• тесты с пшеницей показали лучшие результаты при применении сразу двух технологий: с внесением только выхлопных газов и использованием газов в комбинации с минеральными удобрениями.

Кроме того, испытания показали, что внесение выхлопных газов в почву повлияло на агрохимическое состояние почвы (увеличилось количество качественно высеянных семян, стабилизировалась концентрация нитратного азота в почве, улучшилась микробиологическая активность).

При этом, несмотря на все преимущества данной технологии и широкое применения в ряде стран, данный вопрос изучен в недостаточной степени. 

Специалистам отрасли стоит продолжать исследования по влиянию впрыскивания выхлопных газов в почву, в том числе их влияние на микробиоту в разных климатических зонах и на разных типах почв.

Проведенные на полях многих стран и в различных почвенно-климатических условиях опыты с применением данной технологии по-прежнему демонстрируют разнонаправленные результаты.

Подготовлено по материалам carbonfarming.ru и technik-plus.eu