Идее уже почти 100 лет
Всем известно, что выхлопные газы транспортных средств, оборудованных двигателями внутреннего сгорания, в частности, тракторов, содержат оксиды азота и углекислый газ. Это одна из главных причин вредности выхлопных газов и разработки государственной политики, направленной на ограничение выбросов при работе двигателей машин и оборудования. В то же время для почвы и азот, и углерод однозначно полезны. Что если направить выхлопные газы трактора, который выполняет работы по обработке почвы или посеву, в почву для повышения ее плодородия? Тогда можно было бы снизить объемы использования удобрений. Да еще и при этом уменьшить объемы выбросов вредных газов в атмосферу. Ведь выхлопные газы содержат оксиды азота, преимущественно оксид азота (NO) и диоксид азота (NO2), который считается очень вредным. А оксид азота (I) (N2O) в 200 раз сильнее способствует глобальному потеплению, чем углекислый газ.
Схему утилизации углекислого газа из выхлопных газов трактора для нужд сельского хозяйства предложил еще немец Фридрих Ридель в 1923 г., а через 6 лет была разработана машина для внесения выхлопных газов в почву. Главной проблемой было достижение экономической эффективности внесения в почву газов с температурой 250°С. А после распространения минудобрений после 2 мировой войны об идее забыли.
Уже в 60-х годах она вернулась из небытия в видоизмененном виде - внесение выхлопных газов двигателей, приводивших в действие водные насосы, в поливную воду. В 80-90-х годах распространились идеи внесения углекислого газа в воздух в теплицах, а также в поливную воду и в почву. На этот раз реализации идеи помогло распространение пневматических сеялок. С их помощью было решено большинство проблем, которые существовали в 20-х годах, что открыло путь для обогащения почвы углекислым газом в масштабах полей.
На сегодня фермеры Канады, Австралии и США предложили ряд изобретений, которые позволяют подмешивать выхлопные газы к вносимым удобрениям, например, фосфорным, калийным и т. п. Эта смесь вносится с помощью сеялки, где к системе забора воздуха подключена выхлопная труба трактора.
Сейчас такие сеялки считаются наиболее передовой технологии. Утверждается, что впрыск в почву выхлопных газов стимулирует активность почвенных микроорганизмов, что влечет за собой минерализацию питательных элементов из почвы и выделение азота свободноживущими азотофиксирующих бактериями. Считается, что это способствует росту культур, в частности, их корневой системы, улучшает всхожесть, повышает урожайность и засухоустойчивость. Также сообщается, что внесение выхлопных газов в почву улучшает:
- состояние и структуру почвы, повышая ее влагоудерживающую способность;
- устойчивость культур к поражению вредителями;
- усвоение культурой кальция и фосфора, что повышает устойчивость растений к засолению почвы.
Теоретические основы
Моторное топливо кроме углерода и водорода содержит серу, кальций, железо, кремний и хром, а моторные масла - цинк, фосфор и кальций. Химический состав выхлопных газов обусловлен тепловой эффективностью двигателя, которая, в свою очередь, зависит от марки топлива, скорости работы двигателя, нагрузки на двигатель, настроек впрыска и рабочей температуры двигателя. Также на состав выхлопных газов влияют добавки к топливу. Тяжелые металлы, вредные для человека, становятся не более, чем дополнительными элементами, доступными для растений, которые усваиваются в случае необходимости. То есть, используя специальные присадки, можно обеспечивать растения еще и микроэлементами, которые будут доставляться вместе с выхлопными газами.
Система выхлопа улучшает доступность оксидов азота несколькими способами. Прежде всего повышение содержания углекислого газа в почве стимулирует свободноживущие азотфиксирующие бактерии, которые производят аминокислоты. Также если растение использует только нитраты (NO3), то это вдвое эффективнее связывает углекислый газ, чем при использовании аммиака. Дополнительный углекислый газ продолжает стимулировать азотфиксирующие бактерии, создавая положительную обратную связь, что запускает круговой процесс.
В дизельном двигателе при работе образуются микроскопические частички углерода специфической цилиндрической формы, прозванные углеродными нанотрубками. Исследование, проведенное Университетом шт. Арканзас, показало, что «протравливание» такими углеродными нанотрубками семян томата помогает ему поддерживать водопоглощающие свойства, что способствует процессу прорастания. Такое обработанные семена прорастали вдвое быстрее, чем необработанные.
Канадская исследовательница Джилл Клаппертон, награжденная премией компании «Сингента» и национальной премией за исследования в области «ноу-тилл», пишет, что обработка выхлопными газами семян и внесение их в почву влияют на почвенную микробиоту. Она выразила мнение, что выхлопные газы стимулируют почвенную микробиоту, поскольку монооксид азота даже в малых количествах может стимулировать метаболизм бактерий, которые оксиляют аммиак, и действовать как антибиотик на многие фитопатогены.
По мере того, как триоксид азота (NO3) поступает в побеги, калий используется для его метаболизма, и бикарбонат (HCO3) свободно перемещается в почве. Благодаря росту концентрации нитратов может резко снизиться содержание хлоридов в растениях, особенно в корнях.
Когда растение потребляет аммиак - основу минудобрений - вместо триоксида азота, то корни требует вдвое больше водорода на синтез карбамида перед тем, как транспортировать его к побегам. Этот гораздо менее эффективный процесс, во время которого значительная часть сахаров не доходит до корней, чтобы создать экссудаты, которые выступают пищей для полезных микроорганизмов. Поэтому аммиачные удобрения должны вноситься в почву в больших количествах, часто приводя по причине вымывания к загрязнению вод и выделению оксида азота, что вызывает парниковый эффект.
Поэтому азот, вносящийся в почву с выхлопными газами, используется эффективнее, чем из карбамида или аммиака, которые вносятся в почву. Способность свободноживущих азотофиксирующих почвенных бактерий связывать азот часто ограничена из-за недостатка органических остатков. Преимуществами нитратного питания выступают:
- более активный обмен через корневую систему;
- меньше водорода теряется через корни;
- в почву поступает больше углекислого газа;
- растительные ткани имеют более высокий показатель рН, что защищает от вредителей и болезней;
- высокий уровень рН почвы стимулирует растения усваивать в первую очередь нитраты;
- в тканях растений повышается содержание меди;
- натриефобные растения усваивают меньше хлоридов;
- нитрат натрия стимулирует рост натриефильных растений.
Кроме того, влага, содержащаяся в выхлопных газах, при их охлаждении может конденсироваться на семенах, запуская процесс их прорастания. Джилл Клаппертон в своей научной работе отмечает, что количество живых бактерий и грибов на семенах, обработанных выхлопными газами, существенно меньше, чем на необработанных, кроме того, обработанные семена лучше прорастают. Уничтожение патогенов происходит за счет диоксина серы и муравьиной кислоты, содержащихся в выхлопных газах.
Как это работает?
Система утилизации выхлопных газов трактора реализована следующим образом. Отверстие выхлопной трубы соединено с трубопроводом (А), который входит в теплообменник (В). В нем выхлопные газы охлаждаются до температуры, необходимой для продуктивного роста растений и безопасного смешивания с семенами без ожогов семян. Теплообменник обеспечивает обмен тепла между выхлопными газами и атмосферным воздухом. Теплообменник должен охладить выхлопные газы с 250°С до температуры не выше 80°С, а в идеале - то температуры окружающего воздуха. Температуру выхлопных газов должен контролировать специальный датчик. Выхлопные газы, охлажденные и сгущенные, засасываются устройством, который снижает возможность обратной циркуляции газа.
Промежуточный узел (С) может содержать только всасывающий насос или также содержать добавки в порошкообразной форме, например, микроудобрения, предназначенные для внесения в почву вместе с выхлопными газами. Все это смешивается и засасывается в высевающий аппарат. Последний оборудован отдельным пневматическим инжектором, который засасывает семена вместе с выхлопными газами.
Последние могут вноситься как во время культивации, так и во время посева, или в 2 этапа. Если они вносятся при культивации, то промежуточный узел не нужен. В зависимости от особенностей поля может быть установлено дополнительное оборудование (D). Инжектор (Е) вводит выхлопные газы вместе с семенами или без них во время движения культиватора или сеялки. На рабочие органы устанавливают газоанализаторы, которые дают сигнал в случае, если газы улетучиваются из почвы. Обычно такое бывает, когда температура газов слишком высока. Потому что при охлаждении газ тяжелеет и остается в почве и поглощается там.
Такая утилизация выхлопных газов снижает поступление углекислого газа в атмосферу. Расходы хозяйства снижаются за счет уменьшения внесения карбамида.
Некоторые фермеры, удобряя почву выхлопными газами, прекращают использовать фунгицидные протравители. Они считают, что последние вредят полезным грибам в почве, стимулировать которые призвано внесение выхлопных газов, причем обдув семян выхлопными газами они рассматривают как своеобразное протравливание.
Опыты
Независимые исследования проводились в американском штате Монтана на пшенице, овсе и горохе. Одновременно проводилось 4 опыта: с внесением только выхлопных газов, только минудобрений, минудобрений и выхлопных газов и контроль. Каждый опыт повторялся трижды.
На горохе не отмечено существенной разницы между вариантами удобрения, зато зафиксированно значительное различие между повторами в зависимости от места проведения опыта. На овсе результаты на участке с внесением только выхлопных газов были существенно лучше, чем на контроле и на участке с внесением и выхлопных газов, и минудобрений, но не отличались от участка с внесением одних минеральных удобрений. На пшенице сами по себе и минудобрения, и выхлопные газы обеспечили существенный прирост урожайности по сравнению с контролем.
Также был проведен агрохимический анализ почвы перед посевом и после уборки урожая. Он показал на участке, где вносились только выхлопные газы, рост концентрации доступного почвенного фосфора с 17 до 32 ppm (частиц на миллион), то есть на 15 единиц, тогда как на контроле она выросла только на 10 единиц. Содержание нитратного азота соответственно увеличилось на 7,8 ppm (с 5 до 12,8 ppm) и на 3,7 ppm.
Проводились опыты микробиологической активности до внесения выхлопных газов, после внесения и после уборки урожая. Они показали рост концентрации свободноживущих азотных бактерий а также уменьшение концентрации патогенов. Влияние на микробиологическую активность оказалось разным при разных видах горючего. При использовании обычного дизтоплива концентрация азотофиксирующих бактерий была выше, чем при использовании биодизеля.
Но это лишь один опыт в конкретной местности с конкретным типом почвы. И специалисты хотели бы увидеть результаты задекларированного влияния на почвенные бактерии в дальнейшем, а также в разных почвенно-климатических зонах. Потому что, например, аналогичные опыты, проведенные на пшенице в Австралии, показали, что внесение выхлопных газов не повлияло на урожайность пшеницы по сравнению с контролем.
