КОМПОЗИЦИЯ ИЗ ВЛАГОСОРБЕНТОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОЧВ ОТ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ Российский патент 2011 года по МПК C09K17/14 

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.

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.

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%.