Роль кремниевых удобрений в продовольственной и экологической безопасности России

 

Традиционная система применения агрохимикатов не обеспечивает должного уровня защиты растений от неблагоприятных условий и окружающей среды от химического и биологического загрязнения. Исследования роли и функции кремния в растениях и системе почва-растение, показали, что этот элемент обеспечивает природную защиту культурных растений от биогенных и абиогенных стрессов. Применение кремниевых удобрений и почвенных мелиорантов существенно повышает уровень плодородия почв, защищает растение от грибных заболеваний и насекомых –вредителей,  повышает устойчивость к засухе, солевой, алюминиевой токсикации. Это позволяет обеспечить максимальных урожай при минимальных затратах и защитить окружающую среду от деградации и загрязнения. В настоящее время в России разработан ряд технологий в области сельского хозяйства и охраны окружающей среды с использованием активных форм кремния, которые успешно используют за рубежем. Эти технологии могли бы сыграть важную роль в обеспечении продовольственной и экологической безопасности России.

 

 

Не является секретом, что для политической и экономической независимости России, и любой другой страны является продовольственная безопасность.  К примеру, в США принятый закон о продовольственной безопасности предусматривает 100% обеспечение населения собственным продовольствием. Во Франции по закону около 90% продовольствия должно производиться в стране. В России обеспеченность собственным продовольствием составляет 40% при одном из самых высоких площадях пашни на душу населения в мире.

 

Уникальные почвенно-климатические условия России позволяют не только полностью удовлетворить нужды России, но и стать крупнейшим поставщиком продуктов питания на международном рыноке. Уникальность ситуации в том, что в России в силу неблагополучной экономической обстановки удалось сохранить основной фонд сельскохозяйственных угодий относительно экологически чистым, тогда как в большинстве развитых и развивающихся странах уровень загрязнения сельскохозяйственных почв очень высок. Например, в Китае в течение последних 10-12 лет использование западной технологии интенсификации сельского хозяйства привело к загрязнению по различным источникам от 85 до 90% пахотных земель. Европейское сообщество, понимая угрозу бесконтрольного использования ядохимикатов с 2004 года начало компанию по снижению внесения фунгицидов и инсектицидов. Особый интерес в мире вырос к экологически чистому земледелию, которое использует кремниевые удобрения и кремнийорганические регуляторы роста растений, обладающие легкой биодеградабельностью.

 

 

Кремниевые удобрения известны в мире с середины 18 века. Современные тенденции развития сельского хозяйства, повышение требований к качеству сельскохозяйственной продукции, необходимость восстановления плодородия деградированных почв, поиск альтернативы химическим средствам защиты растений привели к повышению интереса к этому типу удобрений и почвенных мелиорантов. Начиная с 2000 года, производство кремниевых удобрений ежегодно повышается на 20-30% в США, Китае, Индии, Бразилии и других странах. Многие страны, до того не применяющие кремниевые удобрения, сегодня успешно внедряют их. Так сегодня кремниевые удобрения используются в Японии, Южной Корее, Китае, Индии, Колумбии, Мексике, США, Австралии, Бразилии. Международные конференции, посвященные использованию активных форм кремния,  проводились в США, Японии, Бразилии и России [1, 2, 3]. Научная литература, посвященная кремниевым удобрениям или кремниевым почвенным мелиорантам, насчитывает несколько тысяч единиц. Однако, несмотря на все это кремниевые удобрения остаются весьма экзотическими агохимикатами и знания о роли активных форм кремния в системе почва-растение остаются известны только весьма узкому кругу специалистов. Для решение таких задач, как экологически чистое земледелие, устойчивое сельское хозяйство и обеспечение продовольственной независимости необходимо широкое  применение кремниевых удобрений и почвенных мелиорантов.

 

Кремний второй после кислорода по распространенности элемент на нашей планете. В почве содержание кремния колеблется от 20 до 45%, однако большая его часть представлена биогеохимически инертными соединениями типа кварца, полевого шпата или алюмосиликатных  минералов. Активных форм кремния в почве содержится от 1 до 5 %, большая часть из которых представлена аморфными формами диоксида кремния. Это потенциально активный кремний, который может быть вовлечен в биологический круговорот. Сельскохозяйственные растения поглощают кремний в количестве от 30 до 700 кг/га в год. [4, 5].Основная часть растительного кремния безвозвратно выносится вместе с урожаем. В результате этого происходит дисбаланс активных форм кремния в почве, который ежегодно усиливается. Последствиями этого безвозвратного выноса кремния является как деградация почвенного плодородия, так и дефицит кремниевого питания растений. Деградация почвенного плодородия происходит вследствие того, что основные физико-химические свойства почв (водоудерживающая способность, адсорбционная способность, агрегированность, структура почв) контролируется вторичными или глинистыми минералами и наличием органо-минерального комплекса. Но содержание глинистых минералов и их состав в свою очередь связан с  содержанием активных форм кремния в почве. Поэтому вынос монокремниевых кислот провоцирует десиликацию глинистых минералов и их деградацию.

 

Кроме воздействия на устойчивость глинистых минералов, активные формы кремния непосредственно влияют на подвижность фосфатов, алюминия, кальция, железа и других элементов в почве. Устойчивость гуминовых соединений и формирование органо-минерального комплекса  зависит от содержания активных форм кремния. Поэтому создание устойчивого земледелия при котором не происходило бы деградации сельскохозяйственных угодий в принципе НЕВОЗМОЖНО без восполнения дефицита активных форм кремния в почве.

 

Одним из факторов, тормозящих широкое применение кремниевых удобрений, было устоявшееся мнение, что кремний не играет важной роли в физиологии растений и является только балластным элементом. Однако исследования, проведенные в последнее время, кардинально изменили научные представления об этом элементе[5, 6, 7]. Во-первых, было доказано, что растения поглощают кремний активно и имеют механизм для быстрого его перераспределения по телу растения. Во-вторых, были определены активные формы кремния в растении и выявлена возможность их контролировать многие биохимические реакции. Но самое главное, было определено, что кремний формирует иммунную систему растений. Причем кремний играет защитную роль при любом стрессовом факторе, будь то атака насекомых вредителей, грибковых заболеваний, или воздействие низких температур, засухи, высоких температур, химическое загрязнение. Такая универсальность заключается в способности активных кремниевых соединений способствовать быстрому и направленному синтезу специфических органических молекул внутри растительной клетки (растение отвечает на любой стресс синтезом специфических органических молекул, которые помогают ему преодолеть его или адаптироваться к стрессу). Понимание роли кремния в физиологии растений позволило разработать уникальные препараты, позволяющие повышать сопротивляемость растений к любым неблагоприятным условиям [7, 8].

 

Невозможно не отменить, что применение кремниевых удобрений повышает качество сельскохозяйственной продукции (содержание сахара, витаминов, сохранности продуктов и т.д.). Существенно повышается качество, а вместе с ним и ценность сельскохозяйственной продукции, выращенной с применением кремниевых удобрений, как для здоровья человека, так и для здоровья домашних животных.

 

Для определения эффективности различных кремниевых удобрений были проведены полевые испытания раствора монокремниевой кислоты, жидкого кремний-гуминового удобения, диатомитов и силиката кальция на культурах риса (Oryza sativaL), пшеницы (Triticum aestivum L.), кукурузы (Zea mays L.), ячменя (Hordeum vulgareL.) и огурцов (Cucumis sativus L.).

 

Полевой демонстрационный эксперимент на культуре риса с использованием раствора монокремниевой кислоты был проведен на Эверглейдской сельскохозяйственной станции Университета Флориды (Everglades Research and Education Center, University of Florida, США), расположенной на юго-восточном берегу озера Окечоби (центральная Флорида). Эксперимент был заложен на поле, разделенном на участки шириной 50 м, длиной 100 м с шириной разделительных полос 5 м. Почва была определена как торфяная болотная низинная. Растворы монокремниевой кислоты с концентрацией Si 150 мг/л вносили одновременно с посевом из расчета 700 литров раствора на гектар и этим же раствором проводили опрыскивание растений через 1, 2 и 2,5 месяца после посева из расчета 500 литров раствора на 1 гектар. Поученные результаты показаны в таблице 1.

 

Второй полевой эксперимент с использованием смеси монокремниевой кислоты с гуматами был проведен в Канаде, провинции Саскачевань. Почва на экспериментальном поле была представлена выщелоченным черноземом с содержанием органического углерода С_орг=4,6%, рН_вод=6,5, содержанием глины 65% и мощностью гумусового горизонта 46 см. На поле общей площадью 250 га выращивали яровую пшеницу. Сто гектаров было использовано под контроль (без внесения кремния) и на 150 га применили препарат, состоявший из смеси монокремниевой кислоты и нейтрализованного щелочного экстракта гуминовых соединений, полученных из низинного торфа. В использованном растворе концентрация монокремниевой кислоты составляла 200 мг/л (Si) и концентрация гуматов – 2% (по С). Раствор вносили в почву во время посева в объеме 500 л/га. Урожайность пшеницы фиксировалась автоматически во время уборки урожая. Полученные результаты так же представлены в таблице 1.

 

Испытания природного кремниевого удобрения на снове диатомитов (Ульяновская область) проводили в теплице на культуре огурцов и в микро-полевых полевых условиях на кукурузе. Диатомит вносили перед посадкой семян в дозе 1 т/га в Серую лесную почву (юш Московской области). Огурцы собирали постепенно, по мере их созревания и достижения размера 10-15 см. В таблице 1 представлены данные об урожайности диатомитов на огурцы и кукурузу.

 

Заключительный полквой эксперимент проводили в США (Штат Флорида) на песчаной кислотй почве (рН=5.3), содержание органического вещества 0,5% С. На поле общей площадью 50 га выращивали ячмень. Двадцать гектаров было использовано под контроль (без внесения кремния). В качетсве кремниевого удобрения использовали силикат кальция в дозе 2 т/га, который вносили перед посевом ячменя. Урожайность ячменя фиксировалась автоматически во время уборки урожая. Полученные результаты так же представлены в таблице 1.

 

Как видно из таблицы 1 внесение кремниевых удобрений существенно повысило урожайность всех изучаемых культур.

 

Таблица 1. Влияние кремниевых удобрений на урожайность некоторых сельскохозяйственных культур.

 

 

 

Очевидно, что важнейшим фактором обеспечения продовольственной независимости государства являются урожайные и неурожайные годы. В среднем на один урожайный год приходится два неурожайных. Огромные просторы России делают возможным частичное компенсирование неурожайности в одних регионах, урожайными сезонами в других. Урожайные годы определяются совокупностью климатических (оптимальный температурный режим и оптимальные осадки) и хозяйственных факторов (правильный выбор культур и технологии их возделывания). До сих пор эти факторы трудно прогнозировать. Использование же кремниевых удобрений, которые являются универсальными адаптерами растений к любым неблагоприятным условиям повышает вероятность получения высоких урожаев на 30-40 % [7]. Таким образом, фермерские хозяйства будут иметь больше гарантий получения высоких урожаев и возможность выращивать именно те культуры, которые необходимы рынку России и фермерскому хозяйству.

 

 

Одной из острейших проблем будущего сельского хозяйства и России и мира в целом является нарастающий дефицит фосфорных удобрений. Запасы фосфоритов и апатитов резко снижаются, новые месторождения фактически не открываются. Между тем огромные запасы фосфора скопились на сельскохозяйственных полях при длительном их внесении. Однако фосфор находится в недоступной для растений форме. Внесение активированного кремния позволяет перевести этот фосфор в доступную для растений форму. Разработана технология по повышению фосфорной активности низкосортных фосфатов (нефелинов, фосфорной муки), которая повышает их эффективность в несколько раз [9, 10]. Создана технология производства фосфорных удобрений из сточных вод, которая так же основана на применении активных форм кремния. Таким образом, проблема фосфора может быть полностью решена. Вопрос состоит в том, кто будет хозяином этих технологий, Россия, где эти технологии были разработаны, или Запад, который уже начинает скупать эти технологии за бесценок? !

 

Для демонстрации эффективности кремниевых удобрений на содержание доступного для растений фосфора провели ряд инкубационных экспериментов.  В образцы верхних горизонтов Дерново-подзолистой целинной (север Московской области), Дерноыо-подзолистой окультуренной (север Московской области), чернозема обыкновенного (Волгоградская область), каштановой почвы (Волгоградская область), карбонатной аллювиальной тяжелосуглинистой целинной почвы (Иордания), карбонатной аллювиальной тяжелосуглинистой с.-х. почвы (Иордания) и серая карбонатной почвы (Таджикистан) добавляли аморфный кремнезема (А-30) в количестве 1 г на 1 кг почвы или концентрированную монокремниевую кислоту (200 мг/л Si) 200 мл на 1 кг почвы, а затем инкубировали при нормальных условиях и влажности 15-20%. Через месяц в образцах определяли содержание доступного для растений фосфора (по Кирсанову или в водной вытяжке). Повторность эксперимента была 4-кратной. Полученные результаты показаны в таблице 2.

 

Полученные данные показывают, что внесение кремниевых удобрений повышает количество дступного для растений фосфора. Известно, что основная доля фосфатов в дерново-подзолистых почвах (73%) связана с минералами [14]. В основном это соединения кальция – Ca₄H(PO₄)₃ 3H₂O; Ca₅(OH)(PO₄)₃, железа - Fe(OH)₄H₂PO₄, алюминия - Al(OH)₂H₂PO₄. Как доказывают результаты наших исследований, включавших расчеты, модельные и лабораторные опыты, а также полевые эксперименты, внесение активных соединений кремния в жидкой или твердой форме приводит к реакции замещения фосфат-аниона силикат-анионом из фосфатов кальция, алюминия и железа [14]. При этом происходит переход не доступного для растений фосфора в доступное состояние. Кроме того, активные соединения кремния препятствуют прочной фиксации вносимых фосфорных удобрений. Расчеты показали, что применение активных форм кремния может увеличить эффективность использования традиционных фосфорных удобрений на 30-50%. Этот механизм также целесообразно использовать при расфосфачивании загрязненных почв.

 

Таблица 2. Сводные данные о влиянии кремниевых удобрений на содержание доступных для растений фосфатов.

 

 

Многие политики и ученые утверждают, что оккупация Ирака Соединенными Штатами Америки и их союзниками– последняя война за нефть. Планета вступает в период войн за пресную воду. Конфликт между Израилем и арабскими странами во многом определяется конфликтом из-за пресной воды. Сирия и Ливан перехватывают пресную воду, которая раньше поступала на территорию Израиля. Иордания фактически полностью перекрыла поступление с ее территории пресной воды в некогда полноводную реку Иордан. Страны Ближнего Востока считают самой насущной проблемой – проблему пресной воды. Переброска северных рек в центральную Азию уже осуществляется. Между тем в среднем около 80% пресной воды расходуется на полив сельскохозяйственных угодий. Многие страны имеют огромные территории, пригодные к сельскому хозяйству, развитую инфраструктуру, высококвалифицированных специалистов, но из-за катастрофической нехватки пресной воды не могут развивать те или иные регионы. К таким странам относятся США, Испания, Италия, Франция, Саудовская Аравия и другие. Между тем наши исследования показали, что правильное применение активных форм кремния позволяет снизить расход пресной воды на 30-40% без снижения качества и количества урожая. Новейшие технологии с использованием активных форм кремния обеспечивают возможность снижения норм полива в 2 раза, и получить при этом более высокие урожаи[11]. Однако разработанные технологии медленно внедряются по причине отсутствия специалистов и необходимой государственной помощи. Причем помощь часто необходима отнюдь не материальная, так как технологии высокорентабельные. Просто вопросы, связанные с использованием воды являются прерогативой политиков, а не экономистов.

 

Для определения эффективности кремниевого удобрения на засухоустойивость растений было проведено два эксперимента в климатических камерах на кварцевом песке. В предварительном эксперименте был определен оптимальный уровень полива растений для используемого грунта. Эксперимент проводили с аморфным диоксидом кремния (А-30), силикатом кальция и раствором монокремниевой кислоты в концентрации 150 мг/л Si. В пластиковые сосуды емкостью 1 литр помещали промытый кварцевый песок и вносили аморфный диоксид кремния или силикат кальция в количестве 2 г на 1 кг субстрата. Полив проводили из расчета 50 мл на сосуд в день для 100%, и 20 мл на сосуд в день для 40% полива. В теплице поддерживали температуру 22-24^оС днем и 20-22^оС ночью. После 3-х недель вегетации определяли накопление биомассы и общее содержание Si в растениях. Полученные результаты представлены в таблице 2.

 

В условиях оптимального увлажнения внесение в почву соединений кремния обусловило повышение накопления биомассы растениями ячменя на 10 - 53%. Уменьшение нормы полива на 60% вызвало снижение накопления биомассы растениями в контрольных вариантах. Внесение кремнийсодержащих соединений способствовало уменьшению отрицательного действия дефицита воды в почве на растения ячменя.

 

Таблица 3. Сводные данные о влиянии кремниевых удобрений на засухоустойчивость растений.

 

 

Современная цивилизация характеризуется огромным количеством отходов, которые создают как экологические, так и экономические и социальные проблемы. Например, утилизация муниципальных отходов. Каждый населенный пункт на нашей планете сейчас стоит перед проблемой утилизации этих отходов. Однако современная технология их обработки делает фактически невозможным использование этих отходов для внесения в почву. Это связано с высоким содержанием активного алюминия, тяжелых металлов и патогенных микроорганизмов, а также с неприятным запахом. Наши исследования взаимовлияния кремния с алюминием и тяжелыми металлами позволили разработать уникальную технологию по детоксикации и обеззараживании муниципальных отходов, используя активный кремний и другие типы отходов промышленности [12, 13, 14].  В результате незначительной модернизации любой очистительной станции можно получать высококачественный, совершенно безопасный для окружающей среды и человека почвенный мелиорант. Этот мелиорант имеет большое количество доступного для растений фосфора, азота, микроэлементов, кремния и органического вещества. Патогенные микроорганизмы полностью уничтожаются  и устраняется неприятный запах.

 

Кремниевые удобрения  незаменимы для очистки и локализации очагов загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами, а также территорий загрязненных тяжелыми металлами и радионуклидами. К сожалению, основной проблемой  их широкого применения является целый ряд экономических и политических факторов,  отсутствие специалистов.  Примером взаимовыгодного применения разработанной технологии может быть использование многотоннажных отходов Норильск-Никеля для локализации и очистки загрязненных территорий, расположенных вблизи Мурманска.

Несомненно, кремниевые удобрения не являются панацеей или магической волшебной палочкой. Невозможно обеспечить продовольственную безопасность России только применением кремниевых удобрений. Но кремниевые удобрения, во-первых, являются ключевым звеном для устойчивого земледелия. Во-вторых, у России появилась возможность впервые за много лет снова стать лидером в сельскохозяйственных технологиях и не покупать устаревшие, а зачастую вредные (пример Китая) методики ведения сельского хозяйства. Новые технологии с успехом будут продаваться как в Европе, так и в США и других развитых странах принося прибыль Российским компаниям  и создавая имидж России как высоко-технологического государства.

 

Исследования, проводившиеся в различных странах показали, что применение активных кремниевых соединений (кремниевые удобрения, кремнийорганические регуляторы роста, биодобавки и почвенные мелиоранты) позволяют:

1. Увеличить качество и количество получаемой сельскохозяйственной продукции. В среднем кремниевые удобрения, кремнийорганические регуляторы и мелиоранты повышают урожайность на 20-25%, хотя для низко-плодородных почв, эта цифра может достигать и величин 30-50%. Доказано, что кремний существенно повышает содержание сахара в растениях и их плодах, в частности в сахарном тростнике, сахарной свекле, фруктах, ягодах.

2. Восстановить плодородие деградированных почв и поддерживать или повышать уровень плодородия сельскохозяйственных угодий. Активные формы кремния влияют на состав вторичных минералов в почве и контролируют такие свойства как водоудерживающие способности почв, адсорбционные способности.

4. Нейтрализовать алюминиевую токсичность кислых почв. Монокремниевые кислоты прочно связывают подвижный алюминий, образуя алюмосиликаты. По своей эффективности кремниевые мелиоранты превосходят известковые материалы.

5. Снизить вынос питательных веществ (N, P, K) от 20 до 90%, сохраняя их доступность для растений. Изучено несколько механизмов этого процесса. Так реакции замещения фосфат-анионов, силикат-аноном в соответствующих соединениях кальция, железа и алюминия позволяет реактивировать фиксированный фосфор. С другой стороны, поверхностные свойства кремниевых удобрений снижают вынос вносимых минеральных удобрений, которые физически адсорбируются, но остаются доступными для растений.

6. Защитить растения от насекомых-вредителей, грибковых и инфекционных заболеваний без негативного влияния на окружающую среду, как пестициды и фунгициды. Несколько тысяч исследований в этом направлении, проведенные в различных странах и на различных культурах доказали, универсальность этой функции кремния. Аккумулируясь в эпидермальных тканях кремний создает механическую защиту растений от внешних атак. Только дефицит активных форм кремния в пахотном горизонте не дает растению использовать этот потенциал самозащиты.

7. Повысить засухоустойчивость растений и снизить расход поливной воды на 30-40%. Полевые исследования, проведенные в США, Австралии и арабских странах, доказали наличие специфических функций кремния по способности помогать растениям запасать влагу. Предлагается несколько механизмов повышения эффективности использования поливной воды при внесении кремниевых удобрений - от усиления развития корневой системы, снижения испарения влаги растениями до специфических биохимических способов сохранения влаги внутри растения.

 

Расчеты показали, что для нужд сельского хозяйства России необходимо около 153 млн. тонн кремниевых удобрений, в которых нуждается как минимум 76,7 млн гектар сельскохозяйственных угодий.Учитывая необходимость использования кремниевых удобрений для очистки загрязненных территорий и восстановления деградированных экосистем современная потребность России в кремниевых удобрениях составляет 175 млн. тонн. При постоянном использовании кремниевых удобрений их ежегодная потребность будет составлять не менее 65 млн. тонн в год.

 

Кроме необходимости кремниевых удобрений этот сектор бизнеса является сейчас одним из наиболее динамично развивающимся в мире. Даже примитивные технологии, заключающиеся в простом внесении кремнийсодержащих соединений без их обработки дает от 40 до 100% ежегодной прибыли. Применение же новейших технологий по использованию активных форм кремния приносит прибыль от 200 до 400 % годовых.