Удобрення грунту вихлопними газами трактора

Ідея використовувати для удобрення грунту азот і вуглець, що містяться у вихлопних газах трактора, виникла близько 100 років тому — невдовзі після перших тракторів. Але тільки у 21 столітті з’явилися розробки фермерів-самоуків, які, за їхніми словами, забезпечували очікуваний ефект. На сьогодні подібні установки працюють відразу в низці країн: Канаді, США, Великобританії, Австралії, Австрії. Політика деяких країн, спрямована на зменшення викидів вуглекислого газу в атмосферу, дає надію на впровадження цієї, на думку багатьох, курйозної ідеї у масове виробництво.

Ідеї вже майже 100 років

Всім відомо, що вихлопні гази транспортних засобів, обладнаних двигунами внутрішнього згоряння, зокрема, тракторів, містять оксиди азоту та вуглекислий газ. Це одна з головних причин шкідливості вихлопних газів і започаткування державної політики, спрямованої на обмеження викидів під час роботи двигунів машин і обладнання. Водночас для грунту і азот, і вуглець однозначно корисні. Що як спрямувати вихлопні гази трактора, який виконує роботи з обробітку грунту або сівби, в грунт задля підвищення його родючості? Тоді можна було б знизити обсяги використання добрив. Та ще й заодно зменшити обсяги викидів шкідливих газів в атмосферу. Адже вихлопні гази містять оксиди азоту, переважно оксид азоту (NO) і діоксид азоту (NO₂), який вважається дуже шкідливим. А оксид азоту (І) (N₂O) в 200 разів сильніше сприяє глобальному потеплінню, ніж вуглекислий газ.

Схему утилізації вуглекислого газу з вихлопних газів трактора для потреб сільського господарства запропонував ще німець Фрідріх Рідель у 1923 р. Через 6 років було розроблено машину для внесення вихлопних газів у грунт. Головною проблемою було досягнення економічної ефективності внесення в грунт газів з температурою 250°С. А після поширення міндобрив після 2 світової війни про ідею забули.

Уже в 60-х роках вона повернулася з небуття у видозміненому вигляді — внесення вихлопних газів двигунів, що приводили в дію водні насоси, в поливну воду. У 80–90-х роках поширилися ідеї внесення вуглекислого газу в повітря в теплицях, а також у поливну воду і в грунт. На цей раз реалізації ідеї допомогло поширення пневматичних сівалок. За їх допомогою було вирішено більшість проблем, що існували в 20-х роках, що відкрило шлях для збагачення грунту вуглекислим газом у масштабах полів.

На сьогодні фермери Канади, Австралії і США запропонували низку винаходів, які дають змогу підмішувати вихлопні гази до добрив, що вносяться, наприклад, фосфорних, калійних, тощо. Ця суміш вноситься за допомогою сівалки, де до системи забору повітря під’єднана вихлопна труба трактора.

Зараз такі сівалки вважаються найбільш передовою технологією. Стверджується, що вприскування в грунт вихлопних газів стимулює активність грунтових мікроорганізмів, що має наслідком мінералізацію поживних елементів з грунту і виділення азоту вільноживучими азотофіксуючими бактеріями. Вважається, що це сприяє росту культур, зокрема, їх кореневої системи, покращує схожість, підвищує врожайність та посухостійкість. Також повідомляється, що внесення вихлопних газів у грунт покращує:

стан і структуру грунту, підвищуючи його вологоутримуючу  здатність;

стійкість культур до ураження шкідниками;

засвоєння культурою кальцію й фосфору, що підвищує стійкість рослин до засолення грунту.

Теоретичні основи

Моторне пальне окрім вуглецю й водню містить сірку, кальцій, залізо, кремній і хром, а моторні оливи — цинк, фосфор і кальцій. Хімічний склад вихлопних газів зумовлений тепловою ефективністю двигуна, яка, в свою чергу, залежить від марки пального, швидкості роботи двигуна, навантаження на двигун, налаштувань вприскування і робочої температури двигуна. Також на склад вихлопних газів впливають добавки до пального. Важкі метали, шкідливі для людини, стають не більш, ніж додатковими елементами, доступними для рослин, які засвоюються в разі необхідності. Тобто, використовуючи спеціальні присадки, можна забезпечувати рослини ще й мікроелементами, які доставлятимуться разом з вихлопними газами.

Система вихлопу покращує доступність оксидів азоту кількома способами. Насамперед підвищення вмісту вуглекислого газу в грунті стимулює вільноживучі азотофіксуючі бактерії, які виробляють амінокислоти. Також якщо рослина використовує тільки нітрати (NO₃), то це вдвічі ефективніше зв’язує вуглекислий газ, ніж за використання аміаку. Додатковий вуглекислий газ продовжує стимулювати азотофіксуючі бактерії, створюючи позитивний зворотний зв’язок, що запускає круговий процес.

У дизельному двигуні під час роботи утворюються мікроскопічні часточки вуглецю специфічної циліндричної форми, прозвані вуглецевими нанотрубками. Дослідження, проведене Університетом шт. Арканзас показало, що «протруювання» такими вуглецевими нанотрубками насіння томата допомагає йому підтримувати водовбирні властивості, що сприяє процесу проростання. Таке оброблене насіння проростало вдвічі швидше, ніж необроблене.

Канадська дослідниця Джилл Клаппертон, нагороджена відзнакою компанії «Сингента» і національною відзнакою за дослідження у сфері «ноу-тілл», пише, що обробка вихлопними газами насіння і внесення їх у грунт впливають на грунтову мікробіоту. Вона висловила думку, що вихлопні гази стимулюють грунтову мікробіоту, позаяк монооксид азоту навіть у малих кількостях може стимулювати метаболізм бактерій, які оксилюють аміак, і діяти як антибіотик на багато фітопатогенів.

По мірі того, як триоксид азоту (NO₃) надходить до пагонів, калій використовується для його метаболізму, і бікарбонат (HCO₃) вільно переміщується в грунті. Завдяки зростанню концентрації нітратів може різко знизитися вміст у рослинах, особливо в корінні.

Коли рослина споживає аміак — основу міндобрив — замість триоксиду азоту, то коріння потребує вдвічі більше водню на синтез карбаміду перед тим, як транспортувати його до пагонів. Цей набагато менш ефективний процес, під час якого значна частина цукрі не доходить до коріння, щоб утворити ексудати, які виступають поживою для корисних мікроорганізмів. Через це аміачні добрива мають вноситися в грунт у великих кількостях, часто призводячи по причині вимивання до забруднення вод і виділення оксиду азоту, що спричиняє парниковий ефект.

Відтак азот, що вноситься в грунт з вихлопними газами, використовується ефективніше, ніж з карбаміду або аміаку, які вносяться в грунт. Здатність вільноживучих азотофіксуючих грунтових бактерій зв’язувати азот часто обмежена через недостатню кількість органічних решток. Перевагами нітратного живлення виступають:

активніший обмін через кореневу систему;

менше водню втрачається через коріння;

в грунт надходить більше вуглекислого газу;

рослинні тканини мають вищий показник рН, що захищає від шкідників і хвороб;

вищий рівень рН грунту стимулює рослини засвоювати в першу чергу нітрати;

у тканинах рослин підвищується вміст міді;

натрієфобні рослини засвоюють менше хлоридів;

нітрат натрію стимулює ріст натрієфільних рослин.

Крім того, волога, яка міститься у вихлопних газах, при їх охолодженні може конденсуватися на насінні, запускаючи процес його проростання. Джилл Клаппертон у своїй науковій роботі відзначає, що кількість живих бактерій і грибів на насінні, обробленому вихлопними газами, суттєво менша, ніж на необробленому, крім того, оброблене насіння краще проростає. Знищення патогенів відбувається за рахунок діоксину сірки і мурашиної кислоти, що міститься в вихлопних газах.

Як це працює?

Система утилізації вихлопних газів трактора реалізована наступним чином. Отвір вихлопної труби з’єднаний з трубопроводом (А), який входить у теплообмінник (В). У ньому вихлопні гази охолоджуються до температури, потрібної для продуктивного росту рослин і безпечного змішування з насінням, яке унеможливлює опіки насіння. Теплообмінник забезпечує обмін тепла між вихлопними газами і атмосферним повітрям. Теплообмінник має охолодити вихлопні гази з 250°С до температури не вище 80°С, а в ідеалі — то температури навколишнього повітря. Температуру вихлопних газів має контролювати спеціальний датчик. Вихлопні гази, охолоджені і згущені, засмоктуються пристроєм, який знижує можливість зворотної циркуляції газу.

Проміжний вузол (С) може містити тільки всмоктувальний насос або ж також містити добавки у порошкоподібній формі, наприклад, мікродобрива, призначені для внесення в грунт разом з вихлопними газами. Все це змішується і засмоктується у висівний апарат. Останній обладнаний окремим пневматичним інжектором, який засмоктує насіння разом з вихлопними газами.

Останні можуть вноситися як під час культивації, так і під час сівби, або в 2 етапи. Якщо вони вносяться під час культивації, то проміжного вузла не потрібно. Залежно від особливостей поля може бути встановлене додаткове обладнання (D). Інжектор (Е) вводить вихлопні гази разом з насінням або без нього під час руху культиватора або сівалки. На робочі органи встановлюють газоаналізатори, які дають сигнал у випадку, якщо гази випаровуються з грунту. Зазвичай таке буває тоді, коли температура газів надто висока. Бо при охолодженні газ важчає і залишається в грунті і поглинається там.

Така утилізація вихлопних газів знижує надходження вуглекислого газу в атмосферу. Витрати господарства знижуються за рахунок зменшення внесення карбаміду.

Деякі фермери, удобрюючи грунт вихлопними газами, припиняють використовувати фунгіцидні протруйники. Вони вважають, що останні шкодитимуть корисним грибам у грунті, стимулювати які покликане внесення вихлопних газів, до того ж обдування насіння вихлопними газами вони розглядають як своєрідне протруювання.

Досліди

Незалежні дослідження проводились в американському штаті Монтана на пшениці, вівсі і горосі. Одночасно проводилося 4 досліди: з внесенням тільки вихлопних газів, тільки міндобрив, міндобрив і вихлопних газів і контроль. Кожен дослід повторювався тричі.

На горосі не відзначено суттєвої різниці між варіантами удобрення, натомість зафіксовану значну відмінність між повторами залежно від місця проведення досліду. На вівсі результати на ділянці з внесенням тільки вихлопних газів буди суттєво кращими, ніж на контролі та на ділянці з внесенням і вихлопних газів, і міндобрив, але не відрізнялися від ділянки з внесенням самих лише міндобрив. На пшениці самі по собі і міндобрива, і вихлопні гази забезпечили суттєвий приріст урожайності порівняно з контролем.

Також був проведений агрохімічний аналіз грунту перед сівбою і після збирання врожаю. Він показав на ділянці, де вносилися тільки вихлопні гази, зростання концентрації доступного грунтового фосфору з 17 до 32 ppm (частинок на мільйон), тобто на 15 одиниць, тоді як на контролі вона зросла тільки на 10 одиниць. Вміст нітратного азоту відповідно збільшився на 7,8 ppm (з 5 до 12,8 ppm) і на 3,7 ppm.

Проводилися досліди мікробіологічної активності до внесення вихлопних газів, після внесення і після збирання врожаю. Вони показали зростання концентрації вільноживучих азотних бактерій а також зменшення концентрації патогенів. Вплив на мікробіологічну активність виявився різним за різних видів пального. За використання звичайного дизпального концентрація азотофіксуючих бактерій була вищою, ніж за використання біодизелю.

Але це лише один дослід у конкретній місцевості з конкретним типом грунту. І фахівці хотіли б побачити результати задекларованого впливу на грунтові бактерії в подальшому, а також у різних грунтово-кліматичних зонах. Бо, наприклад, аналогічні досліди, проведені на пшениці в Австралії, показали, що внесення вихлопних газів не вплинуло на врожайність пшениці порівняно з контролем.

Переклав Богдан Малиновський, b.malinovskiy@univest-media.com