СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ПОЧВЕННЫХ ГЕЛЕЙ ВОЗДУШНО-СУХИХ ОБРАЗЦОВ ЧЕРНОЗЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ ПОЧВЕННЫХ ПАСТ Российский патент 2024 года по МПК G01N33/24 A01B79/02 

Область техники

Изобретение относится к сельскому хозяйству и почвоведению, а именно к средствам и способам восстановления почвенной структуры путем использования различных воздействий на почвы. Заявляемый способ может быть использован при проведении оценки физических свойств почв, например, вязкости почвенных паст, фильтрационной способности, полевой влагоемкости и водоустойчивости почв.

Уровень техники

В общем случае, при транспортировке к месту исследования образцов почв, обладающих определенными свойствами, происходит их естественное высушивание, в результате чего свойства таких почв отличаются от свойств только что отобранных почв. В литературе имеются данные об изменении таких свойств при высушивании как основная гидрофизическая характеристика [1], фильтрационная способность (водопроницаемость) [1], водоустойчивость почвенных агрегатов [1], а также вязкость почвенных паст [2].

Следовательно, происходит искажение результатов исследования вследствие изменения свойств исходных образцов. Примерами таких исследований могут быть оценка водоустойчивости почв и их эрозионная устойчивость на основе результатов лабораторных испытаний [3].

Изменения свойств почв при высушивании связывают с перестройкой наноструктуры почвенных гелей, которые покрывают и связывают между собой почвенные частицы, формируя почву [1]. С целью восстановления свойств почв необходимо проведение мероприятий по восстановлению структуры почвенных гелей.

Из уровня техники известен способ восстановления почвенной структуры в результате выращивания на почве, структура которой нуждается в восстановлении, многолетних трав [4].

Поскольку высевать многолетние травы на каждом отобранном образце почвы затруднительно, данный способ трудно воспроизвести в лабораторных условиях.

Известен также способ восстановления почвенной структуры путем ее механической обработки в состоянии физической спелости: влажности почвы 60-80% от величины её наименьшей влагоемкости [5]. Примерами такой обработки могут быть лущение, культивация или боронование [5]. Обрабатываемая в этом диапазоне влажности почва не пылит и не превращается в грязь при контакте с механическими частями сельскохозяйственных агрегатов. При такой обработке восстанавливается рыхлая почвенная структура, которая благоприятна для посева в неё семян.

Данный способ применим в полевых условиях восстановления структуры почвенных агрегатов путем разделения глыб почвы на структурные отдельности, однако этот подход не позволяет восстановить исходную наноструктуру почвенных гелей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ, заключающийся в исключении при отборе почвенных образцов стадии их высушивания и перевозки почв в замороженном состоянии [6].

При реализации данного способа действительно предотвращается изменение почвенных свойств, однако способ характеризуется низкой производительностью и технической сложностью реализации ввиду необходимости наличия в полевых условиях холодильного оборудования для замораживания и транспортировки.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих вышеприведенным аналогам и прототипу за счет создания эффективного способа восстановления исходного состояния почвенных гелей до состояния образцов естественной влажности.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в обеспечении естественного восстановления состояния почвенных гелей и свойств воздушно-сухих образцов почв. Заявляемый способ позволяет восстановить наноструктурную организацию почвенных гелей до состояния, которое у них было до высушивания, что позволит при отборе в полевых экспедициях образцов почв сушить их на воздухе, а в лаборатории возвращать их исходное состояние с восстановлением их свойств. Таким образом, дальнейшие исследования почв могут быть реализованы с минимальной погрешностью результатов, что связано с достижением лабораторными образцами свойств, присущих только что изъятым в поле образцам.

Заявленный технический результат достигается тем, что при реализации способа восстановления структуры почвенных гелей воздушно-сухих образцов чернозема воздушно-сухие образцы почвы увлажняют до достижения влажности 40-42 %, выдерживают при указанной влажности в течение 10-14 суток, после чего замораживают в течение 1-2 суток и оттаивают в естественных условиях до нормальных температур. Замораживание производят при температуре минус 18-20°С. Цикл, включающий замораживание и оттаивание, может быть повторен 2-3 раза.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение поясняется на фиг. 1, где схематично представлен процесс восстановления наноструктуры почвенных образцов.

Осуществление изобретения

Для реализации способа в полевых условиях проводят отбор влажных образцов чернозема. Для упрощения транспортировки и хранения образцы высушивают до воздушно-сухого состояния и в таком состоянии доставляют для исследования в лабораторию. Однако свойства отобранных в полевых условиях влажных образцов почв очень сильно отличаются от свойств, поступающих в лабораторию воздушно-сухих образцов.

Для этого воздушно-сухие почвенные образцы увлажняют и выдерживают в закрытых емкостях 10-14 дней без внесения дополнительных количеств воды, далее замораживают при минус 18-20°С в течение 1-2 суток и оттаивают в течение суток в естественных условиях, при температуре 22-25°С.

Реализация заявляемого способа стала возможной в результате использовании теории о надмолекулярных образованиях (НМО) гуминовых веществ (https://istina.msu.ru/publications/article/564517553/?ysclid=lmywh214o8133878345), которые взаимопроникают друг в друга, что приводит к увеличению размера отдельных надмолекулярных образований (НМО) и уплотнению органического вещества почв. Поэтому для возврата структуры почвенных гелей в состояние, предшествующее высушиванию, следует отделить НМО друг от друга, что в нашем случае достигается посредством замораживания предварительно увлажненных почв. Известно, что гуминовые вещества почв фрактально организованы, и в воде они существуют в виде фрактальных кластеров размером несколько сот нанометров (Ф-кластеров), образованных частицами-молекулами гуминовых веществ размером около 10 нм. Это позволило предположить, что выделяемые из содержащих гумус образцов надмолекулярные образования представляют собой Ф-кластеры. Исходя из высокой устойчивости надмолекулярных образований гуминовых веществ к распаду на частицы-молекулы следует, что гуминовые вещества в почвах должны обладать фрактально-кластерной организацией.

При высушивании почв, которое происходит в процессе транспортировки и хранения образцов, происходит взаимопроникновение фрактальных кластеров почвенных гелей (Ф-кластеров), состоящих из гуминовых веществ (ГВ) друг в друга и их прочное связывание между собой. Результатом высушивания является уменьшение количества и увеличение размера частиц, которое происходит при их слипании между собой.

При увлажнении почв вода поступает в почвенные гели и заполняет Ф-кластеры и участки между ними водой. Замораживание почвенных образцов приводит к кристаллизации воды в Ф-кластерах и между ними. Из-за расширения объемы воды при кристаллизации возникают силы, отделяющие Ф-кластеры почвенных гелей друг от друга. В результате количество частиц возрастает, а их размер уменьшается вследствие распада более крупных частиц, которые образовались при высушивании. Это приводит к восстановлению структурной организации гелей в почвах (фиг. 1).

Для подтверждения восстановления наноструктуры почвенных образцов изучали вязкость приготовленных из них паст. Изучение вязкости паст является одним из способов получения информации о строении частиц: их размере и количестве [7, 8]. Чем выше вязкость почвенной пасты, тем меньше размер частиц и больше их количество в исследуемом образце.

Для исследования почвенных частиц, которые состоят из более мелких частиц, покрытых и связанных между собой почвенными гелями [9], данный подход (измерение вязкости для подтверждения наноразмерности структуры) также используется [10].

Изменение (восстановление) наноструктурной организации почвенных образцов фиксировали, приготавливая из почвенных образцов пасты и регистрируя их вязкость. При получении значений вязкости для модифицированных вышеописанным образом (высушивание, увлажнение, замораживание и оттаивание) почвенных образцов близкой к значению вязкости для исходного образца, полагают, что почвенная структура восстановлена.

Примеры конкретного выполнения

Для подтверждения заявленного технического результата проведены опытные реализации способа на черноземе. Для определения вязкости паст использовали вибрационный вискозиметр SV-10 фирмы AND (Япония). Принцип работы прибора основан на поддержании амплитуды вынужденных колебаний чувствительного элемента (камертона), помещенного в вязкую среду, за счет изменения силы тока. Время измерения – 15 сек. Амплитуда колебаний камертона 2 мм.

Пример 1

Образцы чернозема отбирали в поле. Часть образцов высушивали на воздухе до воздушно-сухого состояния, часть хранили, поддерживая их влажность, зафиксированную при изъятии в поле.

Для восстановления наноструктуры почвенных гелей чернозема к высушенным образцам почвы при помощи пульверизатора при одновременном перемешивании добавляли разное количество воды, обеспечивая достижение определенной влажности (таблица 1, столбец 3) и выдерживали в закрытых сосудах заданное время во влажном состоянии. Потом образцы почв помещали на сутки в морозильник с температурой (до (-20°С)), после чего проводили их оттаивание естественным путем на воздухе.

Изменение (восстановление) наноструктурной организации почвенных образцов фиксировали, приготавливая из почвенных образцов пасты с содержанием воды 57% и регистрируя вязкость почвенной пасты. Такое содержание воды в пасте позволяет работать в наиболее чувствительном диапазоне работы применяемого вискозиметра.

Известно, что вода в почвенных пастах либо входит в состав почвенных гелей, либо является свободной. Значения вязкости определяются количеством свободной воды в образце [2]. Поэтому увеличение вязкости почвенных паст свидетельствует о её вхождении в состав почвенных гелей, что характеризует процесс восстановления почвенных гелей и, следовательно, возможность достижения технического результата.

Вязкость почвенных паст исходного образца, определяемая количеством и размером частиц, является эталоном для дальнейших исследований и измерений. В результате предусмотренных заявляемым способом манипуляций достигают восстановление гелей в почвенном образце, что определяют по значению вязкости, соответствующее исходному образцу (эталонному значению для данного конкретного образца).

Почвенные пасты готовили, перемешивая образцы почвы с необходимым количеством воды стеклянной палочкой 3-5 минут.

Результаты измерений вязкости для образцов данного примера приведены в таблице 1.

Таблица 1. Влияние параметров процесса обработки образцов чернозема на вязкость почвенных паст. Содержание воды в пасте 57%

№ Длительность выдерживания образца после добавления в воздушно-сухую почву воды, сут Влажность почвы после добавления в воздушно-сухую почву воды, % Количество циклов
«замораживание-оттаивание» Вязкость пасты после завершения оттаивания,
мПа сек Образец, не подвергавшийся высушиванию 0
без добавления воды Не измерялась 0 4000 Воздушно-сухой образец 0
без добавления воды Не измерялась 0 240 1 14 40 0 418 2 2 40 1 310 3 5 40 1 2150 4 10 40 1 4000 5 14 42 1 4000 6 14 28 1 120 7 14 30 1 195 8 14 35 1 230 9 14 37 1 860 10 14 40 1 1620 11 14 40 2 4000 12 14 40 3 4000 13 14 40 5 2820

Полученные данные свидетельствуют о том, что полного восстановления почвенных гелей воздушно-сухих образцов чернозема (по значению вязкости) удается добиться, увлажняя их до значений 40-42%, выдерживая в этом состоянии в течение 10-14 дней, с последующим замораживанием образца при температуре (-20°С) и оттаиванием 2-3 раза (таблица 1).

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает восстановление наноструктурной организации почвенных гелей чернозема до исходного состояния. Это позволяет при отборе в полевых экспедициях образцов чернозема сушить их на воздухе, а в лаборатории возвращать их в исходное состояние с восстановлением структуры почвенных гелей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Потапов Д.И., Шваров А.П., Горепекин И.В., Салимгареева О.А., Федотов Г.Н. Влияния пробоподготовки почвенных образцов на их теплогидрофизические свойства и аллелотоксичность // Почвоведение. - 2022. - № 3. - С. 315-325.

2. Шоба С.А., Потапов Д.И., Горепекин И.В., Ушкова Д.А., Грачева Т.А., Федотов Г.Н. Состояние почвенных гелей при разной пробоподготовке к вискозиметрии образцов дерново-подзолистой почвы // Доклады Российской академии наук. Науки о жизни. - 2022. - Т. 504. - С. 240–244.

3. Бабаев М. П., Гурбанов Э. А. Противоэрозионная стойкость орошаемых почв Азербайджанской Республики //Почвоведение. – 2010. – №. 12. – С. 1501-1507.

4. Почвоведение. Под ред. И.С. Кауричева. М.: Колос, 1975. с. 122.

5. Баздырев Г.И., Лошаков В.Г., Пупонин А.И., Рассадин А.Я., Сафонов А.Ф., Туликов А.М. Земледелие. М.: Колос. 275 с.

6. ГОСТ 17.4.4.02-2017 «Межгосударственный стандарт. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа» : дата введения 01.01.2019. – Москва, 2017. 9 с.

7. Бибик Е.Е. Реология дисперсных систем. Л.: ЛГУ, 1981. 172 с.

8. Фролов Ю.Г. Структурообразование в дисперсных системах. Реологические свойства структур. М.: МХТИ, 1980. 63 с.

9. Тюлин А.Ф. Органно-минеральные коллоиды в почве, их генезис и значение для корневого питания высших растений. М.: АН СССР, 1958. 52с.

10. Горбунов Н.И., Абрукова Л.П. Реологические свойства и минералогический состав слитых почв // Почвоведение. 1974. №8. С. 74-85.

Изобретение относится к области сельского хозяйства и почвоведения. В способе воздушно-сухие образцы чернозема увлажняют до достижения влажности 40-42%, выдерживают при указанной влажности в течение 10-14 суток, после чего замораживают в течение 1-2 суток и оттаивают в течение суток в естественных условиях при температуре 22-25°С. Способ обеспечивает естественное восстановление состояния почвенных гелей и свойств воздушно-сухих образцов почв. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 1 пр.

1. Способ восстановления структуры почвенных гелей воздушно-сухих образцов чернозема, отличающийся тем, что воздушно-сухие образцы чернозема увлажняют до достижения влажности 40-42%, выдерживают при указанной влажности в течение 10-14 суток, после чего замораживают в течение 1-2 суток и оттаивают в течение суток в естественных условиях при температуре 22-25°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что замораживание производят при температуре минус 18-20°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что цикл, включающий замораживание и оттаивание, повторяют 2-3 раза.