ИСКУССТВЕННАЯ ПОЧВА Российский патент 2007 года по МПК C09K17/14 A01G31/00 

Изобретение относится к составам искусственных почв и может найти применение в сельском хозяйстве при выращивании сельскохозяйственных культур в условиях закрытого или открытого грунта, а также при рекультивации или обогащении бедных грунтов.

Известен способ получения искусственной почвы путем сбора бесподстилочного навоза на месте содержания животных на слой влагоемкого материала до его полной пропитки, выгрузки полученной смеси в навозохранилище, смешивания с добавками, биотермического обеззараживания и обогащения. В качестве влагоемкого материала используют минеральный высокогигроскопичный материал, который засыпают в закрытые решетками каналы для накопления и удаления навоза, а после биотермического обеззараживания полученную массу дополнительно обогащают азотофиксирующими бактериями. В качестве высокогигроскопичного материала используют керамзит, вспученные волокнистые вермикулит или цеолит, вспененные гранулированные или пучковолокнистые металлургический шлак или золу теплоэлектростанций, а в качестве добавок используют сапропель, торф, фермерский мусор, песок и макро- и микроудобрения (СССР, №1599356, С05F 3/00, 1990).

Известный способ получения компоста на основе сжиженной навозной массы с минеральными субстратами и высокой влагоемкости в каналах животноводческого помещения с последующим смешиванием и добавлением обеззараживаемых смесей и азотофиксирующих бактерий и червей, требует больших затрат и времени на приготовление готового продукта. Кроме этого применение данного способа ограничено наличием животноводческого комплекса в хозяйстве. Причем наличие жидкой субстракции требует биологического обеззараживания и анаэробного компостирования, что затрудняет технологию приготовления искусственной почвы и требует увеличение энергозатрат. Известная искусственная почва применима не ко всяким земельным угодьям и может не соответствовать физиологическим потребностям возделываемых культур в питательных элементах и реакции среды, т.е. данное соотношение элементов может не подойти к возделываемой культуре и при этом данное соотношение элементов не поддается корректировке в процессе вегетации.

Также известен способ получения искусственной почвы, содержащей влагоемкий материал, азотофиксирующий компонент и сапропель. В качестве влагоемкого материала она содержит нетоксичный водорастворимый гельобразующий полимер, в качестве азотофиксирующего компонента - сине-зеленую водоросль Nostoc Linckia, а также дополнительно растительный конденсированный экстракт люцерны (РФ, №2031101, С09К 17/00, 1995).

Недостатком известной искусственной почвы является наличие в качестве влагоемкого материала нетоксичный водорастворимый гельобразующий полимер, который является искусственным продуктом химической промышленности. Кроме этого технология приготовления искусственной почвы весьма сложна и требует соблюдения последовательности выполнения технологического процесса.

Добавление азотофиксирующего компонента синезеленую водоросль Nostoc Linckia требует наличия специальной микробиологической лаборатории или производства, что недоступно для массового потребителя этой почвы, где она и готовится.

Также известен способ получения искусственной почвы, содержащей влагоемкий материал, в качестве биологически активного вещества - растительный экстракт, а также сапропель. В качестве влагоемкого материала содержит гельобразующий нетоксичный, растворимый в воде полимер в количестве 0,005-0,150% от массы сапропеля, а в качестве растительного экстракта - конденсированный экстракт люцерны в количестве 1,5-15,0% от массы сапропеля (РФ, №2032704, С09К 17/00, 1995).

Недостатками известной искусственной почвы является наличие в качестве влагоемкого материала полимера, так как он является искусственным химическим продуктом, а не естественным природным соединением. Кроме этого технология приготовления искусственной почвы на основе полимера довольно сложна, трудоемка и требует тщательного соблюдения условий ее приготовления.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является технология выращивания овощных культур на малообъемных субстратах или малообъемной гидропонике. Для этой цели используют, например, органические субстраты на основе верхового торфа и синтетические минералы (полимеры) [Технология выращивания овощных культур на торфяных и минераловатных субстратах. - Москва: ВО «Агропромиздат», 1988 г., с.3-14 (прототип)].

Выращивание овощных культур на малообъемных субстратах получило широкое распространение в мире. Основная причина широкого распространения этой технологии - высокая экономическая эффективность, получаемая как за счет повышения урожайности, так и вследствие значительной экономии энергии.

Энергосберегающая технология выращивания тепличных овощей на торфяных субстратах имеет ряд важных преимуществ как по сравнению с почвенной культурой, так и со «старой» бассейновой гидропоникой, а именно:

- возможность более точного и быстрого регулирования параметров корнеобитаемой среды (концентрации, кислотности питательного раствора, содержания элементов питания, влажности, температуры и т.д.) за счет малого ее объема и применения микропроцессорной техники, что обеспечивает существенное повышение урожайности (этот фактор сыграл основную роль в распространении данной технологии);

- улучшение качества продукции;

- более рациональное использование тепловой энергии за счет применения подсубстратного обогрева и сокращения затрат энергии на пропаривание;

- исключение необходимости в подготовке и завозе почвенных грунтов, внесении органических удобрений и рыхлящих материалов, а также обработка грунтов в теплицах (вспашка, фрезерование);

- уменьшение в 15-30 раз количества торфяного субстрата в зависимости от культуры;

- существенная экономия воды за счет применения капельного полива и экономия энергии на испарение благодаря покрытию поверхности грунта и субстрата пленкой;

- экономия количества минеральных удобрений (до 40%);

- сокращение расхода пестицидов на основную дезинфекцию теплиц, улучшение фитосанитарных условий;

- увеличение возможности стандартизации субстрата;

- повышение производительности труда, организационно-технологического уровня производства.

При создании необходимых условий данная технология может быть высокоэффективной, позволяющей получать с 1 м² до 32 кг томатов и 45 кг огурцов.

Задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности искусственной почвы, использование питательной среды растительного происхождения, применение торфа любого типа и различной степени разложения, а в качестве биологически активного вещества - экологически чистый энергосберегающий продукт.

Поставленная задача достигается тем, что искусственная почва, содержащая влагоемкий материал и биологически активное вещество, в качестве влагоемкого материала она содержит торф любого типа и степени разложения, а в качестве биологически активного вещества - нетоксичный экологически чистый технический углерод древесного происхождения, причем соотношение торфа и технического углерода по объему составляет 40 - 60%.

Предлагаемая искусственная почва сохраняет все положительные свойства малообъемной гидропоники, при этом устраняет отмеченные недостатки и расширяет возможности использования исходных компонентов растительного происхождения при приготовлении грунтов и рассадной смеси. В предлагаемой искусственной почве в качестве влагоемкого материала используется торф любого типа и степени разложения, что существенно расширяет возможности хозяйств в приготовлении тепличных грунтов и рассадных смесей.

В зависимости от назначения и области применения торф подразделяется на четыре основных вида, таких как:

1. Торф для приготовления компостов и добываемый на торфяной залежи любого типа со степенью разложения торфа не менее 15%.

2. Торф для использования в животноводстве в качестве подстилки, в зависимости от типа торфяной залежи и степени его разложения подразделяют на две категории:

I - торф, добываемый из торфяной залежи верхового и переходного типов со степенью разложения не более 15%;

II - торф, добываемый из торфяной залежи любого типа, со степенью разложения не более 25%.

3. Торф для улучшения почвы, добываемый на торфяной залежи переходного или низинного типов со степенью разложения торфа не менее 25%.

4. Нейтрализованный торф для улучшения почвы или в качестве основы для приготовления питательных торфяных смесей, грунтов и добываемый на торфяной залежи верхового или переходного типов со степенью разложения торфа не более 35%.

По каждому виду торфа согласно ГОСТ Р 51661. 1. 2. 3. 4. 5. - 2000 «Торф и торфяные удобрения для сельского хозяйства» установлены технические требования, которые сведены в таблицу.

№ п/пНаименование показателяНормаВид 1Вид 2, для категорииВид 3Вид 4III1.Массовая доля влаги W, %, не более60-6550-5750-5760-6560-652.Зольность Ad, %, не более25-351015-2325-3530-353.Кислотность pH солевой суспензии (pH_кс1), не менее2,5--4,65,24.Влагоемкость (на сухое вещество) Be, %, не менее-600400--5.Засоренность (куски торфа, очеса, пней, щепы размером свыше 60 мм) З, %, не более81088-

В предлагаемом субстрате искусственной почвы торф обеспечивает необходимую влагоемкость грунта и физическую среду для корневой системы выращиваемых культур.

Другим компонентом субстрата искусственной почвы является технический углерод древесного происхождения, который улучшает водно-физические условия субстрата и своими высокими сорбирующими свойствами устраняет избыток солей и остатков агрохимикатов (пестицидов), предохраняя растения от их токсического воздействия. Кроме того, технический углерод благодаря черному цвету и пористости существенно увеличивает теплоемкость искусственных почв, что снижает энергозатраты на обеспечение теплового режима, снижает непродуктивный расход влаги на испарение и улучшает естественные условия выращиваемых культурных растений.

Технический углерод, являясь продуктом вторичного использования естественных ресурсов растительного происхождения, получают в результате переработки углеродосодержащего сырья по новой отечественной экологически безопасной и чистой технологии, путем термохимического крекинга отходов растительного и древесного происхождения. Исходным сырьем для получения технического углерода являются отходы лесопереработки, отходы целлюлозно-бумажного производства, опилки, щепа, обрезки досок и т.д. При этом выход технического углерода от веса исходного сырья составляет более 30%.

Качественные показатели универсального технического углерода древесного происхождения марки СУ-Н представлены в таблице.

Наименование показателяНорма для марки СУ-НФактическое значениеМетод испытанийВнешний видЗерна черного цвета без механических примесейВизуальноМаксимальная поглотительная способность по нефтепродуктам 15-20 сСт при 20°С,%400-600420-Суммарный объем пор по воде, см³/г, не менее1,02,0ГОСТ 17219-71Насыпная плотность, г/см³, не более160160ГОСТ 15190-70Фракционный состав. Макс. доля остатка на сите:  ГОСТ 16187-70№50, %, не более20,2 №30, %, не более82,2 №10, %, не более5060,2 на поддоне, %, не более4037,4 Зольность, %, не более7,01,1ГОСТ 12596-67Массовая доля влаги, %, не более3,51,7ГОСТ 12597-67

Представленные в таблице технические характеристики углерода позволяют использовать его как сорбент древесного происхождения с высокой поглотительной способностью, предохраняющий от загрязнения искусственную почву остатками агрохимикатов и другими продуктами техногенного происхождения.

Кроме этого в своем составе универсальный технический углерод содержит следующие химические элементы, большинство из которых являются элементами питания растений, используемые при выращивании возделываемых культур, за исключением свинца и кадмия, содержание которых существенно ниже норм ПДК.

ЭлементКонцентрация, макс%Фосфор0,0033Калий0,054Кальций0,164Магний0,036Марганец0,015Железо0,048Свинец0,00028Кадмий0,00004Цинк0,0021

Технология получения универсального технического углерода из отходов деревопереработки позволяет изменять количественный состав химических элементов, как от видов сырья, так и путем добавления химических добавок, содержащие необходимые элементы питания растений.

Опыт 1. Установить влияние технического углерода в составе питательной смеси на качественные характеристики рассады и его последействие на урожайность томата.

Подготовка грунтовых смесей для выращивания рассады проводится вручную. Предварительно просушенный и обогащенный торф (внесение извести и минеральных удобрений до требуемых агрохимических показателей) пропускается через сито с отверстиями 3 см. Смешивание торфа с техническим углеродом проводится по объему, например: в варианте 2 берется одно ведро технического углерода и девять ведер торфа и тщательно перемешивается. Затем идет набивка приготовленной смесью рассадных емкостей (от 0,3 до 0,75 л в зависимости от выращиваемой культуры) в количестве, потребном для высадки растений + 25% резервный фону. Емкости поливают до требуемой влажности (75-80% НВ) и затем в них проводят пикировку растений.

При изучении различного соотношения технического углерода и субстрата в рассадной смеси было установлено, что рассада по высоте растений в опыте была на уровне либо ниже контроля. Наши наблюдения показали, что при увеличении процента технического углерода в составе питательной смеси высота растений уменьшается. Так наименьшей высотой растений обладали растения в 6 варианте - 23,5 см, что на 7,9 см ниже контроля. На уровне с контролем по высоте растений был вариант №3 (технический углерод 20%, субстрат 80%) - 32 см, однако площадь листьев была больше контроля на 2,9 дм².

Тепличные грунты через 2 недели после высадки рассады в грунт характеризовались высокой обеспеченностью водорастворимыми формами питательных веществ: азота, фосфора и калия.

Различное соотношение технического углерода в составе рассадной смеси влияло и на вступление растений в фазы развития после высадки рассады в грунт теплицы. Так в фазу начала цветения раньше контроля на 2-4 дня вступили растения в вариантах №5 (тех. углерод 40%, торф 60%) и №6 (тех. углерод 50%, торф 50%) (см. таблицу). Растения с этих же вариантов раньше контроля вступали в фазы начала единичных завязей (на 2 дня) и плодоношения (на 5 дней) и период плодоношения был на 5 дней дольше контроля.

Влияние различного соотношения технического углерода в составе рассадной смеси на развитие растений представлено в таблице.

№ п/пВариантыЧисло дней от массовых всходов до начала:цветенияобразования завязейсозревания плодов1.Контроль - торф 100%50621112.Тех. углерод 10% + торф 90%49601093.Тех. углерод 20% + торф 80%49591094.Тех. углерод 30% + торф 70%50611105.Тех. углерод 40% + торф 60%47601066.Тех. углерод 50% + торф 50%4961108

Как показала листовая диагностика, в этих вариантах шло более активное поглощение и перемещение нитратов в растениях с дальнейшим синтезом белков в продуктивной части и ускорением созревания плодов.

Технический углерод не оказал существенного влияния на высоту растений и число листьев. Однако было выявлено его действие на образование числа кистей и плодов на них. Так, по этим показателям выделился вариант №5, у которого число кистей составляло 6,5 шт., а у контроля 6,0 шт., а среднее число плодов на кистях было больше контрольного варианта на 15,2%.

Наибольшая прибавка раннего урожая (5 сборов) была получена в варианте опыта №5 (технический углерод 40%: субстрат 60%) - 10,6 кг/м², что на 17,0% выше контроля (см. таблицу).

Урожайность томата при внесении в рассадную смесь технического углерода в различных соотношениях представлена в таблице.

№ п/пВариантыкг/м²% к контролюТоварность, %1.Контроль - торф 100%9,2100,097,82.Тех. углерод 10% + торф 90%8,085,495,83.Тех. углерод 20% + торф 80%9,5103,895,04.Тех. углерод 30% + торф 70%7,275,696,55.Тех. углерод 40% + торф 60%10,6117,098,66.Тех. углерод 50% + торф 50%9,7106,197,2 НСР₀₅, кг/м²1,2  

В отличие от известных искусственных почв предлагаемый субстрат искусственной почвы в виде торфа и технического углерода позволяет:

- сократить затраты на приготовление субстратов, снизить опасность передозировки применяемых агрохимикатов, посредством сорбирующих свойств технического углерода;

- использовать экологически чистые природные материалы в отличие от полимеров на основе органики;

- сэкономить агрохимикаты на приготовление питательных растворов, поливную воду и тепло для поддержания благоприятного микроклимата.

Кроме этого существующая технология требует строгого контроля по использованию питательной среды, тогда как предлагаемая технология обладает повышенной буферной способностью по использованию питательной среды и других агрохимикатов при обработке от вредителей, болезней и т.д., что особенно характерно для открытых грунтов. Субстрат на основе торфа и углерода способствует применению с требуемым соотношением питательных элементов в процессе вегетации различных видов культур.

Предлагаемая искусственная почва особенно эффективна для выращивания растений и овощей методом малообъемной гидропоники.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может найти применение при выращивании сельскохозяйственных культур в условиях закрытого или открытого грунта, а также при рекультивации или обогащении бедных грунтов. Искусственная почва содержит влагоемкий материал и биологически активное вещество. В качестве влагоемкого материала почва содержит торф любого типа и степени разложения, а в качестве биологически активного вещества - нетоксичный технический углерод древесного происхождения, причем соотношение торфа и технического углерода по объему составляет 40-60%. Изобретение позволяет повысить эффективность искусственной почвы за счет использования природных, экологически чистых продуктов естественного происхождения. 3 табл.

Искусственная почва, содержащая влагоемкий материал и биологически активное вещество, отличающаяся тем, что в качестве влагоемкого материала она содержит торф любого типа и степени разложения, а в качестве биологически активного вещества - нетоксичный экологически чистый технический углерод древесного происхождения, причем соотношение торфа и технического углерода по объему составляет 40-60%.