Композиция из влагосорбентов для защиты почв от водной эрозии
Владельцы патента RU 2430952:
Федеральное государственное научное учреждение "Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации" (RU)
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к мелиорации почв, в частности к составам и способам для борьбы с водной эрозией почв. Композиция из влагосорбентов включает: гидрогель - 1%, глауконитовый песок - 27%, сапропель - 52%, ракушечник - 20%. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение урожайности сельскохозяйственных культур, увеличение плодородия почвы и защита ее от водной эрозии. 5 табл.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к мелиорации почв, в частности к составам и способам для борьбы с водной эрозией почв.
Известен способ (SU, а.с. СССР №1790593, C09K 17/00, Б.И. №3 от 23.01.93) создания профилактического покрытия против ветровой и водной эрозии грунтов, включающий приготовление водного раствора поливинилового спирта и его внесение в поверхностный слой грунта с последующим замораживанием всего объема полимерсодержащего грунта в течение 2-10 суток.
Недостатком является то, что такой полимерсодержащий грунт имеет ограниченный период применения, т.е. нестабилен и разрушается, переходя в водный раствор в период положительных температур, что недостаточно эффективно против закрепления грунта.
Известен состав и способ (SU, а.с. СССР №865888, C09K 17/00 // A01B 13/16, Б.И. №35 от 25.09.81) для создания профилактического покрытия против водной эрозии, состоящий во внесении в почву отходов от переработки нефтепродуктов.
Недостатком является токсичность отходов нефтеперерабатывающей промышленности, что приводит к загрязнению почвы.
Известна композиция (SU, а.с.№2267514, C09K 17/40, Б.И. №01 от 10.01.2006) в способе приготовления водного раствора поливинилового спирта и внесение влагосорбента, в качестве которого используют порошок бентонитовой глины в смеси с семенами многолетних трав, удобрений и гуматов.
Недостатком является то, что поливиниловый спирт, при некоторой передозировке, образует водонепроницаемую плотную пленку на поверхности почвы, которая препятствует росту растений и нарушает водно-воздушный режим почвы.
Известна композиция (SU, а.с. №192405, C08f, Б.И. №5 от 06.11.1967) для получения комплексного удобрения со свойствами структурообразователя почвы, включающая химическую обработку полиакриламида.
Недостатком является то, что при введении в композицию различных солей она хорошо растворяется в воде, что приводит к неспособности поглотить большое количество воды в почве и быстрому вымыванию питательных элементов из почвы. При этом технология приготовления композиции трудоемка и энергозатратна.
Известен состав для мелиорации (SU, а.с. №2071496, C09K 17/00, от 01.10.97), включающий органическую основу и минеральные компоненты, при этом в качестве органической основы он содержит сапропель - 40-90 мас.%, а в качестве минерального компонента - цеолит или бентонитовую глину, или доломит - 10-60 мас.%.
Недостатком является то, что состав для мелиорации направлен на оструктуривание почв, но недостаточно эффективен во влагопоглотительной и влагоудерживающей способности почвы.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является композиция (SU, а.с. №2267513, C09K 17/14, БИ №01 от 10.01.2006) для защиты грунтов от эрозии, которая содержит раствор поливинилового спирта и инициатор гелеобразования, в качестве которого используется карбоксиметилцеллюлоза.
Недостатком изобретения является то, что при гелеобразовании на поверхности песчаного субстрата скапливается большая доля внесенного в почву полимера с образованием плотной пленки на поверхности. Это обстоятельство негативно влияет на водно-физические свойства почвы, т.е. препятствует свободному прохождению влаги к корням растений, тем самым образуя сбегание водного потока вниз по склону и развитие процессов водной эрозии.
Сущность изобретения в создании композиции из влагосорбентов для защиты почв от водной эрозии, состоящей из четырех компонентов, способствующей улучшению водно-физических свойств почвы.
Технический результат заявленного изобретения - повышение урожайности сельскохозяйственных культур, увеличение плодородия почвы и защита ее от водной эрозии.
Технический результат достигается тем, что в качестве влагосорбентов предлагается использовать: гидрогель на основе полиакриламида, сапропель, глауконитовый песок и ракушечник, что способствует увеличению водопроницаемости и влагоемкости почвы.
С учетом стоимости на полимер гидрогель «Штокосорб®» немецкого производства закупали в компании ООО «Ашленд Евразия» (г.Москва). С учетом цели и области применения был выбран гидрогель марки Medium с размером гранул 0,8÷2 мм. Гидрогель «Штокосорб®» имеет показатель остаточного акриламида 0,05% и очень высокую набухаемость. Гидрогель представляет собой коллоидный гель, средой которого является вода, а дисперсная фаза частично соединяется с водой с образованием желеобразного материала. По своей сути гидрогели гидрофильны (т.е. любят воду) благодаря многочисленным полярным группам. Гидрогель выдерживает широкий диапазон температур: от - 21°C до +100°C. Он не токсичен для растений, почвенных организмов и грунтовых вод. По истечении срока годности полностью распадается на аммоний, углекислый газ и воду. Основным его недостатком является высокая стоимость.
Глауконитовый песок Аютинского месторождения Ростовской области является природным сорбентом, представителем слоистых и сложно-ленточных силикатов. Глаукониты снижают заболеваемость растений, активизируют деятельность полезных микроорганизмов в почвах. Положительный эффект достигается в результате пролонгирующего действия в качестве удобрения в течение ряда лет, а также долговременного улучшения структуры и геохимического типа почв.
Для разработки композиции в нашем варианте выбран сапропель Семикаракорского месторождения Ростовской области. Сапропель представляет собой желеобразную массу почти черного цвета. Материалом для образования сапропелей являлись остатки организмов, населяющие толщу донных отложений воды (фито- и зоопланктон) и ее поверхность, высшие водные растения (макрофиты) и продукты их распада, а также поступающие с водосбора растворенные вещества и минеральные частицы.
Ракушечник Мишкинского месторождения (Аксайский район) Ростовской области является разновидностью известняка, который состоит преимущественно из обломков раковин морских животных. Имеет широко развитую капиллярную систему в своей микроструктуре, которая заполнена воздухом, благодаря этому улучшает водно-физические свойства почвы.
Совместное использование компонентов позволит эффективно противостоять процессам эрозионного смыва.
Для изучения процесса водопроницаемости, а также по выявлению оптимального состава всей композиции были проведены лабораторные эксперименты.
Лабораторные исследования проводились в эколого-аналитической лаборатории ФГНУ «РосНИИПМ». Лаборатория аккредитована в системе Саал, аттестат аккредитации №РОСС RU 0001.512.581, действует до 08.08.2010 г.
Результаты анализа до внесения композиции из влагосорбентов представлены в таблицах 1 и 2. В таблице 3 представлены варианты по определению оптимального состава композиции из влагосорбентов. Результаты, показывающие положительный эффект от внесения композиции из влагосорбентов, представлены в таблицах 4 и 5.
Результаты механического и микроагрегатного анализа влагосорбентов и почвы представлены в таблице 1. Анализ таблицы показывает, что в механическом составе глауконитового песка и ракушечника преобладают фракции 0,25÷0,05 мм (66,78% и 37,48%), следовательно, частицы данной фракции обеспечивают хорошую водопроницаемость и водоподъемную способность почвы. В сапропеле преобладают фракции размером более 0,25 мм (45,06%), в почве - 0,05÷0,01(39,92%). По микроагрегатному составу содержание физической глины в почве 30,05%, т.е. почва тяжелосуглинистая.
В таблице 2 представлены результаты анализа по содержанию тяжелых металлов в каждом из влагосорбентов, которые показывают, что в почву вносилась экологически чистая композиция, т.е. превышений ПДК (Методика по организации и ведению мониторинга орошаемых земель под ред. Скуратова Н.С. Новочеркасск, НГМА, 2000. - 51 с, стр.34-37) не обнаружено.
В таблице 3 приведены результаты опытов по определению оптимального состава влагосорбентов композиции, для этого проводились лабораторные опыты с экспериментально заданной долей каждого из влагосорбентов (в процентах по отношению к общему объему всех четырех компонентов влагосорбента).
По 1 варианту таблицы 3 видно, что при большом процентном соотношении гидрогеля (10%), маленьком сапропеля (5%) и глауконитового песка (5%) происходит быстрое впитывание воды почвой (0,5 мм/мин), но нет удобрительного действия на почву. По 2 варианту при небольшом количестве глауконитового песка (10%) нет значительного разрыхляющего и оструктуривающего действия на почву.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Механический и микроагрегатный анализ влагосорбентов и почвы | ||||||||||
| № | Влагосорбент | Гигроскоп, вода, % | % содержание фракций, размер фракций в миллиметрах | Физический песок | Физическая глина | |||||
| >0,25 | 0,25-0,05 | 0,05-0,01 | 0,01-0,005 | 0,005-0,001 | <0,001 | |||||
| Механический состав | ||||||||||
| 1 | Гидрогель | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 2 | Глауконитовый песок | 2,67 | 25,28 | 66,75 | 0,99 | 0,33 | 1,27 | 5,38 | 93,02 | 6,98 |
| 3 | Сапропель | 3,84 | 45,06 | 18,87 | 16,55 | 4,32 | 9,24 | 5,96 | 80,48 | 19,52 |
| 4 | Ракушечник | - | 35,70 | 37,48 | 14,8 | 4,46 | 2,80 | 4,76 | 87,98 | 12,02 |
| 5 | Почва (контроль) | 2,04 | 2,64 | 27,39 | 39,92 | 3,90 | 6,23 | 19,92 | 69,95 | 30,05 |
| Микроагрегатный состав | ||||||||||
| 1 | Гидрогель | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| 2 | Глауконитовый песок | 2,67 | - | 96,61 | 2,03 | 0,12 | 0,64 | 0,60 | 98,64 | 1,36 |
| 3 | Сапропель | 3,84 | - | 70,70 | 22,99 | 1,33 | 1,68 | 3,30 | 93,69 | 6,31 |
| 4 | Ракушечник | - | - | 76,48 | 17,98 | 2,58 | 2,08 | 0,88 | 94,46 | 5,54 |
| 5 | Почва (контроль) суглинок тяжелый | - | - | 45,91 | 49,56 | 1,84 | 1,47 | 1,22 | 95,47 | 30,05 |
| Таблица 2 | |||||
| Содержание подвижных форм тяжелых металлов в влагосорбентах | |||||
| Влагосорбент | Содержание тяжелых металлов, мг/кг влагосорбента | ||||
| Cd | Zn | Ni | Co | Mn | |
| Гидрогель | - | - | - | - | - |
| Глауконитовый песок | 0,08 | 5,3 | 0,52 | 0,03 | 23,0 |
| Сапропель | 1,58 | 12,9 | 9,0 | 1,4 | 495,0 |
| Ракушечник | 0,06 | 2,34 | 0,9 | 0,06 | 18,8 |
Композиция из влагосорбентов по 3 варианту с небольшим количеством ракушечника (20%), сапропеля (20%) и уменьшением количества гидрогеля (3%) не оказывает значительного влияния на накопление питательных элементов в почве и происходит уменьшение влагопоглотительной способности почвы (0,1 мм/мин). В 4 варианте происходит быстрое впитывание воды почвой (1,2 мм/мин), улучшение водопрочности структуры, удобрительный эффект. По 5 варианту композиция из влагосорбентов с небольшим количеством сапропеля (7%) оказывает незначительное влияние на среднюю скорость впитывания в первый час наблюдений (0,08 мм/мин). По 6 варианту при наименьшем количестве гидрогеля (1%) и наибольшем глауконитового песка (50%) происходит нарушение водно-воздушного режима почвы, вследствие чего самая маленькая скорость впитывания в первый час наблюдений (0,01 мм/мин).
На основании проведенного анализа таблицы 3 выбран оптимальный состав композиции из влагосорбентов, включающий гидрогель, глауконитовый песок, сапропель, ракушечник: соответственно 1:27:52:20%.
| Таблица 3 | |||||||
| Варианты по определению оптимального состава композиции из влагосорбентов | |||||||
| № варианта, % в композиции | |||||||
| № | Влагосорбент композиции | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 1 | Гидрогель | 10 | 2 | 3 | 1 | 8 | 1 |
| 2 | Глауконитовый песок | 5 | 10 | 57 | 27 | 30 | 50 |
| 3 | Сапропель | 5 | 40 | 20 | 52 | 7 | 25 |
| 4 | Ракушечник | 80 | 48 | 20 | 20 | 55 | 24 |
| Средняя скорость впитывания в первый час наблюдений, мм/мин | 0,5 | 0,2 | 0,1 | 1,2 | 0,08 | 0,01 |
Композицию готовят в следующей последовательности: сапропель сушат до влажности 10-15%, ракушечник дробят до получения частиц размером 4-7 мм, затем сапропель с размером частиц 0,2-0,7 мм и ракушечник смешивают с глауконитовым песком (размер частиц 0,25-0,05). Все указанные влагосорбенты смешивают с гидрогелем (размер гранул 0,8-2 мм) в оптимальном составе и вносят в верхний 10-ти сантиметровый слой почвы в период посева.
Распределение композиции из влагосорбентов осуществляется с учетом предварительной почвенно-картографической оценки орошаемого поля, т.е. учитываются почвенно-климатические, гидрогеологические условия, геоморфологические особенности поля для наиболее рационального внесения и длительного действия.
При интенсивном поливе сначала происходит набухание гидрогеля в 3-4 раза больше своего веса, который превращается в мягкие прозрачные гранулы, способные поглощать большую часть воды. В то же время ракушечник и глауконитовый песок оказывают оструктуривающее и водоудерживающее действие на почву. Улучшение механической структуры, влагопоглотительной и влагоудерживающей способности почвы, увеличение в почве гумуса и основных питательных элементов достигается в результате органического обмена между сапропелем и почвой.
В таблице 4 рассчитаны коэффициенты дисперсности и структурности почвы (Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М., Агропромиздат, 1986. - 416 с, стр.69-70). Анализ таблицы показывает, что фактор дисперсности при внесенной композиции в почву в 2 раза меньше - 3% (т.к. происходит уменьшение степени разрушения микроагрегатов в воде), чем в почве до внесения композиции из влагосорбентов - 6%. Повышение степени агрегатности и гранулометрического показателя структурности означает улучшение водопрочности структуры почвы и увеличение потенциальной способности ее к оструктуриванию.
| Таблица 4 | |||
| Коэффициенты дисперсности и структурности почвы | |||
| Фактор дисперсности по Н.А. Качинскому, % | Фактор структурности по Фагелеру, % | Степень агрегатности по Бэйверу и Роадесу, % | Гранулометрический показатель структурности по А.Ф.Вадюниной, % |
| Почва (контроль) | |||
| 6 | 94 | 45 | 0,4 |
| Почва + композиция (оптимальный состав) | |||
| 3 | 97 | 82 | 1,3 |
В таблице 5 приведены данные по содержанию основных питательных элементов в почве, что подтверждает положение о том, что почва с внесенной в нее композицией содержит 3,0% гумуса, по сравнению с гумусом почвы на контроле (2,4%), а также происходит увеличение содержания азота, фосфора и калия.
| Таблица 5 | |||||
| Содержание основных питательных элементов в влагосорбентах и почве | |||||
| № | Влагосорбент | Содержание питательных элементов в влагосорбентах и почве, мг/кг | Гумус, % | ||
| NO3 | P2O5 | K2O | |||
| 1 | Гидрогель | - | - | - | - |
| 2 | Глауконитовый песок | 7,6 | 14,0 | 214,0 | - |
| 3 | Сапропель | 155,0 | 183,0 | 234,0 | - |
| 4 | Ракушечник | 1,1 | 17,1 | 54,0 | - |
| Почва (контроль) | 9,1 | 35,0 | 306,0 | 2,4 | |
| Почва + композиция (оптимальный состав) | 10,7 | 35,5 | 364,0 | 3,0 |
Композиция из влагосорбентов при внесении в почву обеспечивает формирование в ней коллоидной структуры, происходит активизация почвенной микрофлоры, стимулирование процессов гумосообразования, улучшение микроагрегатного состава и водно-физических свойств почвы: увеличение водопроницаемости и влагоемкости почвы.
Закрепляющее действие композиции сохраняется в течение всего вегетационного периода, если поверхность почвы не обрабатывается после внесения данной композиции.
Композиция из влагосорбентов для защиты почв от водной эрозии, состоящая из влагосорбентов: гидрогель, глауконитовый песок, сапропель, ракушечник, отличающаяся тем, что имеет оптимальный состав влагосорбентов: гидрогель - 1%, глауконитовый песок - 27%, сапропель - 52%, ракушечник - 20%.
