ИСКУССТВЕННАЯ ПОЧВА Российский патент 2007 года по МПК C09K17/00 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 увеличения 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 нетоксичного водорастворимого гельобразующего полимера, который является искусственным продуктом химической промышленности. Кроме этого технология приготовления искусственной почвы весьма сложна и требует соблюдения последовательности выполнения технологического процесса.

Добавление азотофиксирующего компонента - сине-зеленой водоросли 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 (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 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 возделываемых культур (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 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.

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.

Задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности искусственной почвы, использование питательной среды растительного происхождения, 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 сапропель, а в качестве биологически активного вещества - нетоксичный экологически чистый технический углерод древесного происхождения, причем содержание технического углерода по объему составляет 20-40%.

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 сапропель, а в качестве биологически активного вещества технический углерод древесного происхождения, что существенно расширяет возможности хозяйств в приготовлении тепличных грунтов и рассадных смесей.

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

Сапропель - коллоидальный тонкоструктурный продукт накопления осадков в пресноводных водоемах, главным образом озерах. В образовании сапропеля принимают участие растительные и животные, низшие и высшие организмы, живущие в водоемах, а также органические и неорганические компоненты, приносимые поверхностными и подземными стоками.

В народном хозяйстве сапропели используются главным образом в качестве сырья для производства удобрений. Основную удобрительную ценность сапропелям придает количество и качество его органической части, которая составляет от 15 до 95% сухой массы. От 20 до 65% органических веществ сапропелей составляют водорастворимые и легкогидролизуемые вещества. Они не только напрямую могут усваиваться растениями, но и служат благоприятным субстратом для развития микроорганизмов. Внесение сапропеля в почву способствует повышению микробиологической деятельности, направленной на активизацию биохимических процессов превращения веществ в мобилизацию азотного запаса в почве.

Среднее содержание наиболее важных химических элементов и их колебания, входящих в состав сапропелей, приведены в таблице 1.

Таблица 1

МакроэлементПределы колебаний макроэлементов, %МикроэлементСодержание микроэлементов, мг/кг сухого сапропелясреднеепределы колебанийАзот (N)до 4-6Сера (S)1,5-2,5Марганец299,220,0-1200,0Фосфор (Р₂O₅)0,05-1,68Цинк128,723,3-394,1Кальций (СаО)1-55Медь12,81,66-53,3Железо (Fe)2-6 (редко до 16-18)Молибден3,31.0-18,7Алюминий (Не)0,5-1,0 (в глинистых до 4-5)Кобальт1,94Следы - 14,6

Кроме перечисленных химических компонентов, сапропель содержит также биологически активные вещества: витамины, стимуляторы роста, гормоны, антибиотики и т.д. Причем, из витаминов количество каротина (провитамина «А») колеблется от 1,32 до 25,47 мг на 100 г сухого сапропеля, а содержание такого важнейшего витамина, как B₁₂ может колебаться от 10,0 до 2082,0 мг/кг сухого сапропеля.

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 2.

Таблица 2

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 2 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, в большинстве своем являющиеся элементами питания растений и используемые при выращивании возделываемых культур, за исключением свинца и кадмия, содержание которых существенно ниже норм ПДК.

ЭлементКонцентрация, % максФосфор0,0033Калий0,054Кальций0,164Магний0,036Марганец0,015Железо0,048Свинец0,00028Кадмий0,00004Цинк0,0021

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

Пример. Опыт в весенней теплице: сравнительное действие сапропеля и технического углерода на урожайность и качество перца сладкого (сорт Зухра).

Опыт проводился в пленочной теплице с культурой перца сорта Зухра на тепличном грунте (торф+технический углерод=1:1) с содержанием органического вещества 31%, рН_сол.=6,6, водорастворимых форм азота (N-NO₃+N-NH₄) 12 мг/100 г, фосфора 7,7 и калия 5,1 мг/100 г. Нарезались грядки шириной 1,2 м и длиной 4 м (S=5 м²), на которые в две борозды по схеме опыта (см. таблицу 3) внесены мелиоранты. 60-дневную рассаду высаживали в лунки по 2 рядка на грядку. Проведено 20 сборов плодов. Результаты учета урожая и биохимический состав плодов приведены в таблице 3.

Таблица 3

ВариантУрожайностьСухое вещество, %Сахара, %Витамин С, мг %кг/м²%моно-суммаТепличный грунт (контроль)12,491003,272,493,0792,6Сапропель - 2 л/м²14,811194,292,553,07101,8Углерод (С) - 2 л/м²13,151053,372,492,99106,1Сапропель+С - 1+1 л/м²18,221463,702,522,8394,4NPK - 50 г/м²20,041613,852,432,9597,5Точность опыта, % 4,79    

Наибольшую прибавку урожайности получили при внесении легкорастворимых минеральных удобрений (Кемира):+61% к контролю. Сапропель по действию на урожайность перца уступал действию полного минерального удобрения, что можно объяснить меньшей усвояемостью питательных элементов сапропеля и неполным их высвобождением в ходе минерализации органического вещества.

Технический углерод, внесенный в чистом виде, не оказал существенного влияния на рост и развитие растений, что вполне ожидаемо, так как его положительное действие связано в первую очередь с улучшением водно-физических свойств грунта. Данные грунты обладали хорошими водно-физическими свойствами и не нуждались в дальнейшем улучшении.

Положительное действие углерода проявилось при приготовлении искусственной почвы (сапропель+углерод) в соотношении 1:1 по объему. Углерод явился стимулятором минерализации органического вещества сапропеля и извлечения из него подвижных элементов питания. Даже при внесении половинной дозы сапропеля в составе искусственной почвы, совместное его действие с углеродом способствовало существенной прибавке урожая (+46% к контролю), уступающей лишь действию полного минерального удобрения, при снижении себестоимости продукции в 1,5 раза.

Положительное действие искусственной почвы проявилось и в накоплении в плодах перца моносахаров и аскорбиновой кислоты (витамина С), что свидетельствует о стимулировании физиологических процессов в растениях.

Приготовление искусственной почвы в производственных условиях не требует специального оборудования и больших затрат. Если готовится искусственная почва в рассадниках и прочих культивационных сооружениях, то завозятся компоненты искусственной почвы по объему в нужном соотношении так, чтобы создать 20-ти см слой искусственной почвы в теплице площадью 1000 м² (одна секция типового рассадного комплекса), необходимо завести 80 м³ сапропеля и равномерно его разровнять. Это создает слой грунта примерно в 10 см. Затем вносятся 16 м³ технического углерода (˜20% к объему сапропеля) и также равномерно распределяется по площади. Наиболее приемлемым агрегатом для этих целей является шасси на базе трактора Т-16. Для разравнивания поверхности грунта используются бульдозерные навески на этот трактор. Затем производится последовательно культиваторная, а далее фрезерная обработка поверхности почвы на глубину 12-15 см, что обеспечит равномерное перемешивание компонентов искусственной почвы. Культиваторные и фрезерные подвески также монтируются на базе шасси Т-16 после снятия кузова. Можно также использовать современные импортные фрезерные агрегаты в комплекте с мини-трактором.

При приготовлении искусственной почвы на открытой площадке можно использовать более мощные бульдозерные навески на базе ДТ-75 или Т-150. Для перемешивания компонентов почвы можно использовать фрезерный культиватор КФ-4,2 на базе трактора МТЗ-80 (82), проводя обработку в двух направлениях.

В отличие от известных искусственных почв предлагаемая искусственная почва в виде сапропеля и технического углерода представляет собой экологически чистый активный биологический субстрат растительного происхождения, использование которого будет способствовать развитию биологического земледелия и позволит:

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

- использовать экологически чистые природные материалы растительного происхождения 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 сапропеля 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 сапропель, а в качестве биологически активного вещества - нетоксичный экологически чистый технический углерод древесного происхождения, причем содержание технического углерода по объему составляет 20-40%. Изобретение позволяет упростить технологию приготовления искусственной почвы за счет использования природных продуктов естественного происхождения. 3 табл.

Искусственная почва, содержащая влагоемкий материал и биологически активное вещество, отличающаяся тем, что в качестве влагоемкого материала она содержит сапропель, а в качестве биологически активного вещества - нетоксичный экологически чистый технический углерод древесного происхождения, причем содержание технического углерода по объему составляет 20-40%.