ИСКУССТВЕННАЯ ПОЧВА Российский патент 2018 года по МПК A01G31/00 C05F3/00 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для получения искусственных почв, предназначенных для выращивания травянистых растений и древесных форм растений в условиях закрытого или открытого грунтов.

Известны субстраты почва и песок в соответствии 1:1, из перлита и земли, торфа и почвы, которые бедны питательными элементами и не обеспечивают высокой приживаемости прививок, являются сыпучими и не позволяют посадку вегетирующих саженцев на плантацию проводить без повреждения корневой системы. Такие субстраты при поливах сильно уплотняются, ухудшают водообмен и водопроницаемость, что снижает укоренения черенков и развитие корневой системы укоренившихся растений (Л.М. Малтабар «Технология выращивания вегетирующих привитых саженцев и закладка ими виноградников», Садоводство, виноградарство и виноделие Молдавии, 1980. - №11. - С. 30-33). При этом после появления корешков необходимо делать подкормки гидропонным раствором, дорогостоящими удобрениями и при незначительном повышении концентрации раствора листовой аппарат повреждается и снижается выход саженцев.

Общеизвестно выращивание корнесобственных вегетирующих саженцев, на пропаренных опилках. Набивают в полиэтиленовые чехлики опилки и сажают черенки. Сначала появления корней на черенках почву поливают раствором минеральных удобрений в соотношении NPK 1:1:1,5. Общая концентрация раствора 0,2%. Саженцы, достигшие прироста 12-15 см. высаживали в открытый грунт. Недостаток опилочного субстрата его постоянное подкисление, которое устраняют внесением кальциевой селитры, золы и извести. Такой субстрат беден питательными элементам и не стерилен. Для выращивания в защищенном грунте саженцев используют торф верховой, низинный и переходного типа с зольностью и степенью разложения не более 25%, с содержанием окиси железа не более 1% (0,2 н HCl) и хлора 0,1% в пересчете на сухое вещество торфа. Различная кислотность торфа ограничивает его применение в производстве саженцев, кроме того, он не стерилен и выращивание связано с большими материальными затратами.

Как у нас, так и за рубежом из субстратов довольно широко используют почвосмеси сыпучие, которые не позволяли делать пересадку растений без повреждения корневой системы, особенно при транспортировке саженцев на большие расстояния, что снижало их приживаемость на постоянном месте и не обеспечивало интенсивного развития саженцев на плантации.

Известен состав субстрата (RU 2506740, опубл. 20.02.2014) для выращивания вегетирующих саженцев и сеянцев винограда, включающий опилки, отличающийся тем, что дополнительно содержит склеивающий связующий материал, в качестве которого используют бентонитовую глину, содержащую воду, Zn, Аl₂O₃, ТiO₂, СаО, MgO, MnO, К₂O, Na₂O, SO₃, ZnO, pH воды - 7,80, глауконит, имеющий состав: К₂O 220 мг/кг, Р₂O₅ 15 мг/кг, никель 80 мг/кг, марганец 1500 мг/кг, хром 123 мг/кг, цинк 120 мг/кг, железо 0,30 мг/кг, при следующем соотношении компонентов: опилки:бентонитовая глина:глауконит 1:1:1.

Технической проблемой известного субстрата является то, что увеличение содержания глауконита (более 35%) ведет к постоянному недостатку питательной влаги для корней растений, слеживаемости субстрата и, как следствие, снижение аэрированности корней и увеличение внутрипорового давления.

Снижение содержания глауконита приводит к достоверной утрате реализации свойства адсорбирования влаги на поверхности частиц в почвогрунте, а также растения теряют возможность использовать катионы.

Увеличение объема орошения ведет к разбуханию грунта и снижению количества пор, ухудшению аэрированности корней и вымыванию питательных элементов из грунта. Таким образом, субстрат грунта известного субстрата требует строго соблюдения баланса пропорций, что технически осуществить сложно.

Кроме того, поскольку субстрат данного грунта состоит из агрегатов, неустойчивых к воздействию воды, потоков воздуха и активной жизнедеятельности микроорганизмов и высших растений, то после многочисленных поливов микроэлементы вымываются вместе с водой и через некоторое время наступает потребность внесения удобрений из-за нехватки микроэлементов. Вносимые удобрения своими химическими свойствами воздействуют на глауконит, меняя его поверхностные свойства и делая их недоступными для корней растений.

Субстрат известного решения имеет высокое содержание карбоната кальция более 40%, который вытесняет водород из почвенно-поглощающего комплекса. Далее происходит незначительный гидролиз гидроокиси кальция с водой, после чего кальций поглощается почвенно-поглощающим комплексом. Техническая проблема состоит в том, что происходит постепенное повышение содержания кальция в почве, в том числе и в почвенном растворе, так как не весь кальций поглощается почвенно-поглощающим комплексом. При этом происходит химическое поглощение доступного для растений фосфора. Таким образом, кальций осаждается в почве в виде трикальцийфосфата и становится недоступным для растений.

В последние годы в растениеводстве широко используются искусственные почвы, содержащие в своем составе различные минералы природного происхождения в сочетании с синтетическими веществами.

Известна искусственная почва на основе органического ила из отложений водоемов - сапропеля и различных добавок для улучшения качества искусственной почвы: биологически активных веществ и влагоемкого гельобразующего водорастворимого синтетического полимера из класса полиакриламидов [1]. Известна искусственная почва, в которой в качестве основы используют сапропель с природным цеолитом, измельченным до порошкообразного состояния, и водорастворимым влагоемким синтетическим полимером из класса полиакриламидов [2], а также способ изготовления искусственной почвы на основе указанных компонентов [3].

Недостатком известных составов искусственных почв является неустойчивость сапропеля к биологическому разрушению почвенными микроорганизмами в аэробных условиях. Кроме того, использование в составах известных искусственных почв в качестве влагоемкого материала растворимого в воде полимера акриламида приводит к разрушению структуры искусственной почвы и ухудшению ее водно-физических свойств из-за вымывания полимера.

Известна композиция для получения стерильного и экологически чистого искусственного субстрата для защищенного грунта, состоящая из керамзита и клиноптилолита. В качестве водосорбирующего и водоудерживающего компонента композиция содержит искусственный целлюлозосодержащий материал в виде отходов целлофана и мерсиризованной целлюлозы [4]. Несмотря на устойчивость целлюлозы к биоразрушению по сравнению с органическим илом - сапропелем, водосорбирующая и водоудерживающая способность ее недостаточна.

Среди многокомпонентных искусственных почв наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности является смесь носителя и добавок, используемая для проращивания семян и выращивания растений, в которой носителем является природный пористый минерал, выбранный из группы: перлит, и/или вермикулит, и/или цеолит, а добавками являются биологические инсектициды и/или фунгициды, водосорбирующий пространственный полимер [5].

Как известно [6], для успешного ведения растениеводства почвы в агрономическом отношении должны обладать оптимальными водными и одновременно оптимальными общими физическими свойствами: плотностью сложения и пористостью. Для создания устойчивого запаса влаги в почве при одновременном хорошем воздухообмене необходимо, чтобы почвы имели наибольшую капиллярную пористость, заполненную водой, и одновременно некапиллярную пористость, или пористость аэрации, занятую воздухом, не менее 15% объема в тяжелых минеральных и 30-40% в легких почвах, или пористость аэрации почвы должна быть не менее 20-25% ее общей пористости.

Непосредственное влияние на изменение в почве соотношения между порами различного назначения оказывают водосорбирующие пространственные полимеры, обладающие свойством при контакте с водой быстро поглощать и длительно удерживать ее в своем объеме в количествах, в десятки и сотни раз превышающих собственную массу. Как и вода, находящаяся в тонких капиллярных порах почвы, поглощеннная полимером вода практически полностью доступна для растений [7]. Повышение содержания доступной растениям воды при внесении в почву водосорбирующих полимеров сопровождается одновременно созданием в почве дополнительных пор аэрации, ввиду того что частицы полимера в процессе поглощения воды набухают и увеличиваются в объеме в десятки раз, способствуя разрыхлению почвы под действием давления набухания. При этом поддерживание в почве оптимальных условий увлажнения и аэрации определяется количеством в ней водосорбирующего пространственного полимера и его фракционным составом.

В формуле изобретения известной смеси-прототипа значения фракции и количества полимера не определены, но согласно приведенному в заявке примеру 1 известная смесь носителя и добавок включает в свой состав пространственный водосорбирующий полимер фракции 0,2-0,6 мм в количестве 3-4 мас. % от массы сухой смеси.

Недостатком известной смеси-прототипа является фракция используемого в прототипе водосорбирующего полимера, ввиду того что частицы его из-за малого размера могут занимать некапиллярные поры аэрации и в процессе набухания при поливах резко уменьшить воздухообмен в почве.

Недостатком прототипа является также большое количество в его составе водосорбирующего полимера, которое приводит не только к удорожанию известной смеси, но и к ее избыточной влажности после поливов и вытеснению воздуха из аэрационных пор, а с учетом использования мелкой фракции полимера этот процесс еще более усугубляется.

Недостатком известной смеси-прототипа является также отсутствие в ней консервантов и антиоксидантов, без которых невозможно стабильно поддерживать высокую эффективность действия включенных в состав смеси биологических препаратов против болезней растений.

Известна искусственная почва (RU 2345518, опубл. 10.02.2009), включающая природный пористый минерал, выбранный из группы: перлит, и/или вермикулит, и/или цеолит, водосорбирующий пространственный полимер, биологические инсектициды и/или фунгициды, отличающаяся тем, что используют водосорбирующий пространственный полимер в количестве 0,5-1,0 мас. % и фракционного состава 0,7-2,5 мм, причем искусственная почва дополнительно содержит бензоат натрия в качестве консерванта и аскорбиновую кислоту в качестве антиоксиданта при следующем соотношении компонентов, мас. %: водосорбирующий пространственный полимер 0,5-1,0 биологические инсектициды и/или фунгициды 0,001-0,01 аскорбиновая кислота 0,5-1,0 бензоат натрия 0,1-1,0 природный пористый минерал остальное

Технической проблемой известного решения является то, что субстрат имеет неустойчивую структуру и тем самым малый срок эксплуатации. Кроме того, субстрат предназначен для выращивания органических продуктов питания в тепличных хозяйствах и открытом грунте. Для выращивания древесных растений он не пригоден. Технической проблемой известного решения также является потребность в использовании инсектицидов и/или фунгицидов, а также консервантов, поскольку без них почвенная смесь гниет или поражается патогенной флорой, грибками. Наиболее близким аналогом является газонная дернина, описанная в RU 2477947, опубл. 27.03.2013. Состав дернины включает слой органического субстрата, полученного путем аэробной ферментации смеси отходов животноводства и подстилочных опилок, поверх которого наносят слой питательного субстрата, в качестве которого используют вспученный вермикулит с гранулами до 2 мм. Технической проблемой прототипа является то, что субстрат имеет неустойчивую структуру и тем самым малый срок эксплуатации. Кроме того, субстрат предназначен для выращивания дернины. Для выращивания культурных и древесных растений он не пригоден.

Технической проблемой прототипа также является быстрое гниение субстрата дернины, если ее хранить в упаковке, поражение ее патогенной флорой, грибками.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является:

- устойчивость структуры и тем самым повышение срока эксплуатации (по сравнению с торфяно-песчаными смесями, торфяными смесями и конструктоземами),

универсальность субстрата - возможность выращивать растения как древесных форм (благодаря устойчивой структуре субстрата), так и использовать субстрат в тепличном сельском хозяйстве для выращивания органических продуктов питания, отсутствие потребности в использовании инсектицидов и/или фунгицидов, а также консервантов при длительном сроке хранения (экологичность).

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлена искусственная почва, включающая органический субстрат, полученный путем ферментации смеси отходов животноводства, включающая гранулированный вермикулит, отличающаяся тем, что в качестве органического субстрата используется биогумус, полученный при переработке навоза крупного рогатого скота с помощью вермикомпостирования, при этом используют гранулы вермикулита размером 2-5 мм, а дополнительно используют слоистые неразбухающие алюмосиликаты фракциями 2-4 мм, вулканические породы фракциями 5-20 мм при следующем соотношении компонентов, мас. %:

вермикулит 2-35 алюмосиликаты 2-45 вулканические породы 2-40 органический субстрат 20-80

Осуществление изобретения

Органический субстрат используется при общем соотношении компонентов почвенной смеси, мас. %: 20 - 80. В качестве органического субстрата используется биогумус - органическое удобрение, получаемое при переработке навоза крупного рогатого скота с помощью вермикомпостирования. Для данного процесса, протекающего при температуре +22°С, используются поверхностно-обитающие в компостах черви Eisenia foetida. Органический субстрат выполняет функцию структурообразователя - в матрицу зерен органического субстрата упаковываются компоненты с высокой емкостью обмена (вермикулит, вулканическая порода). Это предотвращает быструю деградацию почвенных отдельностей, быстрому вымыванию макро и микроэлементов и увеличивает срок службы субстрата. Органический субстрат является основным источником питания для растений в части органических веществ. Компонент естественного происхождения, обладающий сродством к естественным почвам. Содержит в себе необходимый набор микробиологического сообщества, что позволяет корням растений наиболее эффективно использовать запасы питательных веществ. Субстрат содержит как гуминовые, так и фульвокислоты.

Опытным путем установлено, что снижение содержания органического субстрата менее 20% ведет к недостатку органического компонента в грунте, достоверно угнетает рост растений, ухудшает структуру грунта и устойчивость структуры, поскольку органический компонент является "цементом", соединяющим твердые почвенные отдельности различного размера, которые создаются из остальных компонентов почвогрунта. Это снижает срок службы субстрата до 1 года. Увеличение содержания органического субстрата более 80% ведет к ухудшению структуры ввиду ее неустойчивости, снижению плотности ниже оптимальных значений, достоверному снижению содержания минеральных компонентов, доступных катионов и микроэлементов, снижает количество аэрироруемых пор и сорбционной активности почвогрунта. Это увеличивает дозу полива, вызывает необходимость добавления большого количества минеральных удобрений и ведет к слеживаемости субстрата и ухудшению его структуры.

Вулканические породы используются при общем соотношении компонентов почвенной смеси, мас. %: 2 - 40. Вулканические породы - долгосрочный источник органического и минерального питания, естественного происхождения. Обладает высокой пористостью для хорошего влаго- и воздухообмена. Используется в верхней части почвенного конструктозема для предотвращения заражения грунта при размере фракции 10 - 20 мм, и как запас элементов питания для растений при размере фракции 5-10 мм. Опытным путем установлено, что снижение содержания вулканических пород менее 2% ведет к недостатку и достоверному снижению запасов минеральных компонентов грунта, снижению сорбционной активности и увеличивает вероятность заражения и развития патогенных микроорганизмов. Увеличение доли вулканических пород более 40% ведет к снижению содержания микроэлементов в субстрате, снижению плотности грунта ниже оптимального уровня (1,1-1,3 г/см³), чрезмерному повышению сорбционной активности почвогрунта, что ведет к увеличению необходимого потребления воды.

Слоистые неразбухающие алюмосиликаты используются при общем соотношении компонентов почвенной смеси, мас. %: 2-45. Алюмосиликаты используются как структурообразователь - сорбент. Использовать можно только слоистые неразбухающие глинистого типа. Они являются макропористым компонентом (более 200 нм). Благодаря высокой сорбционной емкости позволяют снижать объемы полива при выращивании на разработанном почвенном грунте на 10-15%. Применяются в качестве запаса катионов в грунте (K, Na, Са, Mg, Al, Fe), а также микроэлементов (Mn, Сu, Со, Ni, В). Используются фракции размером 2-4 мм.

Опытным путем установлено, что снижение содержания алюмосиликатов менее 2% ведет к уменьшению содержания микроэлементов в почвогрунте (K, Na, Са, Mg, Al, Fe), а также (Mn, Сu, Со, Ni, В). Увеличение содержания алюмосиликатов более 45% ведет к снижению содержания агрономически ценных агрегатов, достоверному увеличению сорбционной способности грунта, а значит к увеличению необходимых доз полива для питания растений. Увеличение объема орошения ведет к разбуханию грунта и снижению количества пор, ухудшению аэрированности корней и вымыванию питательных элементов из грунта.

Вермикулит используется при общем соотношении компонентов почвенной смеси, мас. %: 2-35. Вермикулит используется как кондиционер. Служит для обменного поглощения питательных веществ, вымываемых в процессе эксплуатации и для необменного поглощения токсикантов. Благодаря высокой сорбционной емкости в межслойном пространстве позволяет снижать объемы полива при выращивании на разработанном почвенном грунте на 10-15%. Применяются в качестве запаса катионов в грунте (K, Na, Са, Mg, Al, Fe), а также микроэлементов (Mn, Cu, Co, Ni, В). Вермикулит устойчив к воздействиям влаги, что позволяет сохранить воздухопроницаемость и давление внутри пор. Фракции вермикулита используются размером 2-5 мм.

Опытным путем установлено, что снижение содержания веримкулита менее 2% приводит к достоверной утрате реализации свойства адсорбирования влаги на поверхности частиц в почвогрунте, а также растения теряют возможность использовать катионы. Недостаточное (менее 2%) количество вермикулита приводит к вымыванию питательных элементов, поскольку недостаточно агрегатов для адсорбции, достоверно снижается скорость необменного поглощения токсикантов почвогрунтом. Увеличение содержания более 35% ведет к постоянному недостатку питательной влаги для корней растений, слеживаемости субстрата и, как следствие, снижение аэрированности корней и увеличение внутрипорового давления.

Размер фракций всех компонентов почвенной смеси подобран опытным путем. Полученная вышеописанным составом смесь компонентов, используется как почвенный грунт, качественно отличается от аналогов, привычно используемых для создания искусственных почвенных или надпочвенных слоев (горизонтов).

В данной конфигурации смеси при ее формировании опытным путем, основное внимание было уделено гидрофизическим характеристикам грунта. Практически полностью (более 85% по массе) грунт состоит из агрономически ценных агрегатов, устойчивых к воздействию воды, потоков воздуха и активной жизнедеятельности микроорганизмов и высших растений. Преимущественно, грунт состоит из агрегатов малого размера: 2 - 4 мм в диаметре, таким образом, гранулометрический состав смеси напоминает состав наиболее плодородных почв на нашей планете.

Все используемые для конструирования компоненты обладают высокой емкостью и способностью к обменному поглощению питательных веществ и элементов, в том числе: азота, фосфора, калия, цинка, меди, кобальта, марганца, никеля, хрома и др. Таким образом, грунт становится очень восприимчивы к вносу дополнительных элементов питания и противостоит быстрому вымыванию питательных элементов во время полива, позволяя культурам, выращиваемым на таком субстрате, в полной мере использовать дополнительные источники питания.

Основной источник органического вещества, используемый при конструировании, отличается разнообразием фракций и доступности органического вещества и сопутствующих элементов питания. Обогащая смесь элементами питания, субстрат не приводит к увеличению показателей актуальной и потенциальной кислотности и насыщению грунта веществами и элементами, опасными для жизни и здоровья высших растений и потребителей продукции, произрастающей на таком грунте.

Зерна органического субстрата тщательно «упаковываются» в компоненты с наиболее высокой емкостью обмена, для наиболее эффективного предотвращения ускоренной деградации органического вещества, нарушения структуры и обеднения субстрата элементами питания и микроэлементами. Такой прием позволяет значительно увеличить сроки эксплуатации коструктоземов, созданных на основе такого грунта.

Поскольку используемый органический субстрат имеет природное происхождение, грунт наследует все разнообразие микробиологического сообщества, населяющего исходный органический субстрат. Это позволяет в кратчайшие сроки, в начале эксплуатации, сформировать устойчивое микробиологическое сообщество, которое позволит культурам, выращиваемым на грунте, наиболее активно использовать запасы питательных веществ. Заявленная почвенная смесь хранится в сухом виде, без добавления воды.

Вода добавляется при начале эксплуатации смеси. Это позволяет обеспечить отсутствие потребности в использовании инсектицидов и/или фунгицидов, а также консервантов при длительном сроке хранения (экологичность).

Смесь имеет устойчивую структуру и тем самым повышенный срок эксплуатации (по сравнению с торфяно-песчаными смесями, торфяными смесями и конструктоземами). Благодаря тому, что на основе заявленной смеси обеспечивается возможность выращивать растения как древесных форм (благодаря устойчивой структуре субстрата), так и использовать субстрат в тепличном сельском хозяйстве для выращивания органических продуктов питания, достигается универсальность субстрата.

Примеры возможного приготовления смеси показаны ниже.

Пример 1.

вермикулит 35% алюмосиликаты 35% вулканические породы 10% органический субстрат 20%

Пример 2.

вермикулит 20% алюмосиликаты 45% вулканические породы 5% органический субстрат 30%

Пример 3.

вермикулит 10% алюмосиликаты 5% вулканические породы 40% органический субстрат 45%

Пример 4.

вермикулит 5% алюмосиликаты 15% вулканические породы 20% органический субстрат 60%

Пример 5.

вермикулит 10% алюмосиликаты 10% вулканические породы 10% органический субстрат 70%

Пример 6.

вермикулит 16% алюмосиликаты 2% вулканические породы 2% органический субстрат 80%

Пример 7.

вермикулит 2% алюмосиликаты 2% вулканические породы 16% органический субстрат 80%

Пример 8.

вермикулит 9% алюмосиликаты 9% вулканические породы 2% органический субстрат 80%

Пример 9.

вермикулит 35% гравий 20% акамада 5% алюмосиликаты 10% вулканические породы 10% органический субстрат 20%

Изобретение может быть использовано для получения искусственных почв, предназначенных для выращивания травянистых растений и древесных форм растений в условиях закрытого или открытого грунтов. Искусственная почва содержит органический субстрат, полученный путем ферментации смеси отходов животноводства. В качестве органического субстрата используется биогумус, полученный при переработке навоза крупного рогатого скота с помощью вермикомпостирования. Дополнительно с составе почвы используют слоистые неразбухающие алюмосиликаты фракциями 2-4 мм, вулканические породы фракциями 5-20 мм и гранулы вермикулита, имеющие размер 2-5 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

вермикулит 2-35 алюмосиликаты 2-45 вулканические породы 2-40 органический субстрат 20-80

Обеспечивается повышение срока эксплуатации почвы по сравнению с торфяно-песчаными смесями, торфяными смесями и конструктоземами за счет устойчивости ее структуры, обеспечивается универсальность субстрата, т.е. возможность выращивать растения как древесных форм (благодаря устойчивой структуре субстрата), так и использовать субстрат в тепличном сельском хозяйстве для выращивания органических продуктов питания, исключается потребность в использовании инсектицидов и/или фунгицидов, а также консервантов при длительном сроке хранения.

Искусственная почва, включающая органический субстрат, полученный путем ферментации смеси отходов животноводства, включающая гранулированный вермикулит, отличающаяся тем, что в качестве органического субстрата используется биогумус, полученный при переработке навоза крупного рогатого скота с помощью вермикомпостирования, при этом используют гранулы вермикулита размером 2-5 мм, а дополнительно используют слоистые неразбухающие алюмосиликаты фракциями 2-4 мм, вулканические породы фракциями 5-20 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

вермикулит 2-35 алюмосиликаты 2-45 вулканические породы 2-40 органический субстрат 20-80