Мелиорант для повышения качественных показателей структурного состояния почв Российский патент 2025 года по МПК C05F11/08 C09K17/00 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к мелиорации почв.

Проблема повышения продуктивности агроландшафтов тесно связана с решением задачи восстановления почвенного плодородия. Интенсификация производства сельскохозяйственных культур, имеющих первостепенное продовольственное значение, сопровождается активной химизацией растениеводства через внесение больших доз удобрений, стимуляторов роста, гербицидов, фунгицидов и др. Использование которых в ряде случаев имеет серьезные недостатки (обсемененность патогенными и фитопатогенными микроорганизмами, семена сорных растений, инициирование процессов минерализации органического вещества почв, повышенная гигроскопичность и др.) значительно ограничивающие возможность их использования. Одним из эффективных и безопасных, на сегодняшний момент, агротехнических приёмов является использование мелиорантов, восстанавливающих агрономические свойства почв.

К подобным веществам относится сорбент-мелиорант, который содержит минеральные компоненты: бентонитовые и синие глины, золошлаковую смесь при соотношении, мас.%: бентонитовые глины 36; золошлаковая смесь 47; синие глины 17. Авторы заявляют, что за счет использования сорбента-мелиоранта можно производить очистку сильно загрязненных почв, одновременно оструктурить ее, улучшая водопроницаемость, и повысить содержание соединений азота, кальция и других элементов [Патент RU 2303623 С1. Опубликовано: 2007.07.27. Бюл. №21.]. Недостатком изобретения является тяжелый гранулометрический состав, который может снижать скорость водопроницаемости и ухудшать процессы роста и развития растений.

Известно применение пероксида кальция в качестве мелиоранта, обладающего комплексом свойств, улучшающих физические, биологические и агротехнические показатели почвы [Патент RU 97 110 543 А. Опубликовано: 1999.06.20.]. Недостатком изобретения является преобладание компонента минеральной природы при полном отсутствии органических соединений, что может ускорить процессы минерализации гуминовых веществ в почве.

Известны изобретения торфяной гранулированный мелиорант для очистки земель от тяжелых металлов [Патент RU 2774431 C1. Опубликовано: 21.06.2022 Бюл. №18.] и состав для мелиорации почв, загрязненных тяжелыми металлами [Патент RU 2792062 А. Опубликовано: 16.03.2023 Бюл. №8]. Первый характеризуется содержанием верхового нейтрализованного торфа, диатомита и вермикулита (при соотношении исходных компонентов в смеси, мас.%: торф 60, диатомит 30, вермикулит 10), а второй создан на основе низинного торфа, цеолита, известняковой муки и суперфосфата. Изобретения позволяют рекультивировать техногенные грунты и почвы урбанизированных, промышленных и сельскохозяйственных территорий, загрязненных тяжелыми металлами, и улучшить их агрофизические и агрохимические свойства. Общим недостатком изобретений является содержание торфа, обладающего высокой гигроскопичностью и ухудшающего развитие растений в условиях недостаточного атмосферного увлажнения, что ограничивает их использование.

Известно комплексное органоминеральное мелиорант-удобрение, состоящего из вермикомпоста, сероперлитсодержащего фильтрационного отхода сернокислотного производства и бентонитовой глины при соотношении компонентов, мас.%: вермикомпост 35-45; сероперлитсодержащий отход сернокислотного производства 30-45; бентонитовая глина 20-25 [Патент EA 31 039 B1. Опубликовано: 30.11.2018].

К недостаткам данного изобретения является высокая концентрация серы в отходах сернокислотного производства, которая при поступлении в почву может инициировать процесс подкисления и вызвать ухудшение питательного режима за счет снижения доступности ряда микроэлементов при снижении рН.

Наиболее близким по технической сути является способ получения удобрения-мелиоранта «НАРА-2», состоящий из смеси торфа и сапропеля, цеолитового туфа с размером частиц 1,0 - 5,0 мм, известковой муки и хитина либо его производных или хитозана либо его производных при соотношении компонентов, мас.%: 55,0-84,5 : 10-30 : 5,0-10,0 : 0,5-5,0. Предлагаемое средство способствует улучшению агрохимических и агрофизических свойств почв, снижению содержания солей тяжелых металлов, радионуклидов, пестицидов и других загрязнителей, а также может быть использовано в растениеводстве и лесном хозяйстве для оздоровления и повышения плодородия почвогрунтов [Патент № 2115641 C1. Опубликовано: 20.07.1998].

Недостатками ближайшего аналога (прототипа) являются наличие торфа с сапропелем, которые обладают способностью подкислять рН и снижать доступность элементов питания растений при увеличении подвижности ионов тяжелых металлов, а также высокая влагоемкость торфа, ограничивающая использование изобретения в регионах с недостаточным атмосферным увлажнением.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка мелиоранта для повышения качественных показателей структурного состояния почв, обладающего оструктуривающим, удобрительным и оздоровляющим действиями.

Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение структурного состояния и питательного режима, снижение подвижности тяжелых металлов и токсичности почв, увеличение урожайности культурных растений при использовании предлагаемого мелиоранта для повышения качественных показателей структурного состояния почв, а также расширение ассортимента экологически безопасных составов, созданных путем сокращения объемов отходов сельского хозяйства.

Указанный технический результат достигается тем, что мелиорант для повышения качественных показателей структурного состояния почв содержит вермикомпост, лузгу гречихи, а также яичную скорлупу и хвойную муку с размером фракции 0,5 – 1,5 мм при массовом соотношении компонентов (%) 25:50:12,5:12,5.

Мелиорант изготавливается на основе вермикомпоста, содержащего органическое вещество 43,3 %, калий 0,58 %, фосфор 0,41 %, азот 1,21 %, с рН 6,8 и зольностью 40,1 %. В предложенном составе мелиоранта вермикомпост выполняет роль источника гуминовых кислот и микроэлементов, необходимых для полноценного роста культурных растений [Сенкевич, О. В. Оценка влияния новых видов вермикомпоста на плодородие агросерой почвы / О. В. Сенкевич, О. А. Ульянова, С. В. Хижняк // Агрохимия. – 2019. – № 8. – С. 24-33. – DOI 10.1134/S000218811908009X].

Лузга гречихи в составе мелиоранта, обогащена лигнином, целлюлозой, фосфором, калием и микроэлементами, что затрудняет ее быстрое разложение в почве и обуславливает пролонгированное влияние мелиоранта. Лузга способствует повышению буферной способности, водопроницаемости почв, способствует повышению супрессивности за счет стимулирования почвенных микроорганизмов. Форма лузги будет способствовать повышению пористости почв и грунтов тяжелого гранулометрического состава [Клинцевич Вера Николаевна, Флюрик Елена Андреевна Способы использования лузги гречихи посевной // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2020. №1 (229). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sposoby-ispolzovaniya-luzgi-grechihi-posevnoy (дата обращения: 12.12.2024].

Яичная скорлупа в составе мелиоранта выполняет роль источника биодоступного карбоната кальция, оказывающего оструктуривающее воздействие на почву, способствующая нейтрализации рН, снижению лабильности ионов тяжелых металлов и их доступности для растений [Применение яичной скорлупы в качестве удобрения и агромелиоранта / Л. Д. Варламова, В. И. Титова, Е. Ю. Гейгер [и др.] // Агрохимия. – 2017. – № 5. – С. 40-47].

Хвойная мука получается путем измельчения предварительно высушенной хвои сосны и ели, в состав компонента входят дубильные вещества, эфирные масла, пектины, моно- и дисахариды, более 15 аминокислот, витамины, микроэлементы (кобальт, медь, марганец, цинк, железо и другие).

Для оценки влияния мелиоранта на свойства почв и урожайность растений в лабораторных условиях предварительно высушивали яичную скорлупу и хвою при температуре 60-70 °С с последующим измельчением до фракции размером 0,5-1,5 мм, далее смешали с вермикомпостом и лузгой гречихи. Использование мелкодисперсных фракций яичной скорлупы и хвои способствовало равномерному распределению компонентов в массе мелиоранта и почвы при внесении.

Почва опытного участка представлена черноземом типичным, находящимся в зоне действия крупной федеральной трассы (Р-239) и испытывающим активное поступление тяжелых металлов. Черноземы характеризовались тяжелосуглинистым гранулометрическим составом с рН = 7,0, содержание массовой доли N-NO₃ составило 19,8 мг/кг, подвижных форм фосфора – 154,2 мг/кг и калия – 848 мг/кг.

На первом этапе исследования в условиях модельного опыта были установлены оптимальные соотношения компонентов в составе мелиоранта. Для этого почву участка исследования использовали для определения влияния различных соотношений компонентов на фитотоксичность по отношению к тест-культурам (таблица 1).

Таблица 1 - Витальные и морфометрические показатели тест-культур при различном соотношении компонентов мелиоранта

Варианты опыта Triticum aestivum L. Sinapis alba L. Фитотоксичность, % ИT, % ИМ, % Фитотоксичность, % ИT, % ИМ, % Фон 42,5 100 100 49,3 100 100 Прототип 37,9 115,3 108,6 38,7 108,7 112,4 Состав мелиоранта при соотношении компонентов (%): вермикомпост, лузга гречихи, яичная скорлупа, хвойная мука 25:25:25:25 36,5 116,8 111,5 35,8 113,2 117,6 50:25:12,5:12,5 35,6 126,8 131,5 33,4 116,8 120,4 25:50:12,5:12,5 23,2 136,8 142,1 28,9 129,3 132,6 25:12,5:50:12,5 35,8 114,5 110,8 34,8 123,8 109,3 25:12,5:12,5:50 37,9 103,5 118,8 39,5 107,5 110,5 12,5:12,5:50:25 28,9 128,2 117,2 31,6 123,6 108,6 12,5:12,5:25:50 38,9 106,8 113,2 29,6 101,2 136,5

Для проведения эксперимента брали почву, отобранную из слоя 0-20 см, смешивали с составами мелиоранта при различном соотношении компонентов. Проведение эксперимента осуществляли при температуре 21-25°С в течение 48 дней, в ходе исследования влажность почв поддерживалась на уровне 40-60 % ПВ. В вегетационные сосуды высаживали семена яровой пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.) сорта «Оренбургская юбилейная» и горчицы белой (Sinapis alba L.) сорта «Луговская» в соответствии с нормами высева.

Состояние растений оценивали по всхожести согласно ГОСТ 12038-84 и морфометрическим показателям вегетативной части с расчетом индекса толерантности (ИТ) и массы (ИМ) [ГОСТ Р ИСО 22030-2009. Национальный стандарт Российской Федерации. Качество почвы. Биологические методы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений: Дата введения 2011-01-01. Москва: Стандартинформ, 2019 – 11 с.]. Оптимальное соотношение компонентов в составе мелиоранта определялось согласно специфики почвенных свойств и требований культурных растений. Полученные в ходе модельного эксперимента результаты позволили определить соотношение компонентов, обеспечивающее: снижение более чем на 40 % фитотоксичности почв для обоих тест-культур; повышение индекса толерантности на 36,8 % для культуры пшеницы и 29,3 % горчицы; рост индекса массы на 42,1 и 32,6 % соответственно. Увеличение показателей массы и длины растений в варианте использования мелиоранта свидетельствует о снижении токсичности почвенных контаминаторов и улучшении условий развития растений. Поэтому проведение полевого опыта осуществлялось уже с подобранным оптимальным соотношением вермикомпоста, лузги гречихи, яичной скорлупы и хвойной муки в составе мелиоранта (%): 25:50:12,5:12,5.

Второй этап исследований позволил провести оценку эффективности предложенного решения по отношению к комплексу почвенных свойств и урожайности растений.

Мелиорант для повышения качественных показателей структурного состояния почв и прототип в почву участка исследования вносили осенью под основную вспашку на глубину 19 - 23 см путем разбрасывания с помощью МТО-3 в дозе 10 т/га. Весенние полевые работы проводились трактором Т-150 с прицепным комбинированным посевным агрегатом CS 6003 R. Норма высева яровой пшеницы сорта «Оренбургская юбилейная» составила 4,7 млн. семян на 1 га с междурядьем 16 см, глубиной заделки семян 4-5 см. Семена были предоставлены отделом селекции и семеноводства зерновых культур / отделом технологий зерновых и кормовых культур ФНЦ БСТ РАН (http://fncbst.ru/). Полевой опыт осуществлялся по методике Доспехова Б.А., опытные площадки размером 2,0×5,0 м были заложены в 3-х кратной повторности и расположены в рандомизированном порядке.

Варианты опыта включали в себя: 1 – фон (без внесения мелиоранта), 2 – внесение прототипа, 3- внесение мелиоранта. В течение вегетационного периода оценивали полевую всхожесть растений, урожайность. После уборки урожая отбирали почвенные образцы из слоя 0-20 см, в которых определяли структурное состояние по методу Н.И. Савинова [Вадюнина, А. Ф. Методы исследования физических свойств почв: 3-е изд., перераб. и доп. / А. Ф. Вадюнина, З. А. Корчагина. – Москва: Агропромиздат, 1986. – 416 с.], содержание органического вещества [ГОСТ 26213-2021. Межгосударственный стандарт. Почвы. Методы определения органического вещества: дата введения 2022-08-01. – Москва: Российский институт стандартизации, 2021. – 11 с.], нитратной формы азота [ГОСТ 26951-86 Почвы. Определение нитратов ионометрическим методом.], подвижных соединений фосфора и калия по методу Мачигина [ГОСТ 26205-91 Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Мачигина в модификации ЦИНАО.]. Содержание тяжелых металлов в почве определяли методом атомно-абсорбционной спектрофотомерии [ПНД Ф 16.1:2:2.2:2,3.47-06. Измерение массовой доли элементов As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, V, Zn в пробах почв, грунтов, донных отложений и осадков сточных вод методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.], а в зерне согласно ГОСТ 30692-2000 [ГОСТ 30692-2000. Группа С19. Межгосударственный стандарт. КОРМА, КОМБИКОРМА, комбикормовое сырье. Атомно-абсорбционный метод определения содержания меди, свинца, цинка и кадмия. МКС 65.120 ОКСТУ 9809].

В условиях полевого опыта отмечено повышение всхожести яровой пшеницы мягкой на фоне внесения предложенного состава мелиоранта на 16 %, а урожайности на 5,3 ц/га (таблица 2).

Таблица 2 - Показатели яровой мягкой пшеницы

Вариант опыта Полевая всхожесть, % Урожайность ц/га Содержание химических элементов в зерне, мг/кг Cu Zn Pb Фон 66,7 18,3 0,7 1,6 0,24 Прототип 73,5 21,3 0,6 1,1 0,17 Мелиорант 77,4 23,6 0,4 0,6 0,13

Главным преимуществом использования мелиоранта стало достоверное со значениями фонового участка и прототипа снижение концентрации тяжелых металлов в зерне пшеницы с минимальной (более чем на 40 %) аккумуляцией цинка и свинца. Полученные значения показателей содержания этих элементов соответствовали требованиям СанПиН 2.3.2.1078-01.

Внесение в почву мелиоранта для повышения качественных показателей структурного состояния почв на основе вермикомпоста, лузги гречихи, яичной скорлупы и хвойной муки позволило повысить качественные показатели структурного состояния почв. Так коэффициент структурности повышается в 1,8 раз на участке с использованием мелиоранта, а в варианте снесения прототипа увеличение в 1,4 раз связано с наличием большого количества минеральных компонентов, оструктуривающее влияние которых на почвенную массу проявляется не так сильно. Устойчивость почвенных агрегатов к размывающему воздействию воды иллюстрируется значением показателя АФИ, который определяется соотношением фракций 1-0,25 мм, полученных при мокром и сухом просеивании. Результаты исследования показали увеличение значений АФИ в почвах обоих опытных вариантов на 16,7 % при внесении прототипа и на 26,6 % – мелиоранта.

Питательный режим почв на фоне внесения мелиорантов изменялся в части повышения содержания органического вещества, нитратной формы азота и подвижной формы фосфора (таблица 3).

Таблица 3 - Свойства чернозема типичного участка исследования

Образцы Коэффициент структурности АФИ, % NO_3, мг/100 г почвы K₂О_5, мг/100 г почвы P₂О₅, мг/100 г почвы Гумус, % Содержание подвижной формы металлов, мг/кг Cu Zn Pb Фон 0,63 162,4 19,8 848 154,2 4,67 2,4 19,4 3,2 Прототип 0,89* 189,6* 21,3 853 161,26* 4,58 1,7* 14,3* 2,8* Мелиорант 1,11* 205,6* 20,6 851 168,7* 4,76 1,5* 10,5* 2,7*

Примечание: * достоверно при р ≤ 0,05 (различие с прототипом).

В целом содержание органического вещества характеризовалось как среднее и составляло более 4 %. Содержание органического вещества недостоверно повышалось на фоне внесения мелиоранта, при его снижении в варианте использования прототипа. Общая тенденция к увеличению содержания нитратной формы азота связана с увеличением количества урожая и объема пожнивных остатков, а подвижной фосфора с улучшением условий роста растений и развитием корневых систем, выделяющих экссудаты, которые мобилизируют фосфор почвенных минералов.

Отмечено снижение содержания доступной формы тяжелых металлов на фоне внесения прототипа и мелиоранта. Так содержание цинка снизилось в 1,8 раз, меди в 1,6 раз и свинца в 1,2 раза. Различие в снижении концентрации доступных форм свинца недостоверно различались с вариантом внесения прототипа.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что внесение мелиоранта для повышения качественных показателей структурного состояния почв на основе вермикомпоста, лузги гречихи, яичной скорлупы и хвойной муки способствует снижению токсичности почв, улучшению структурного состояния и водопрочности агрегатов, повышению содержания гумуса, нитратной формы азота и подвижной формы фосфора. Отмеченный прирост урожайности и снижение аккумуляции тяжелых металлов в зерне яровой пшеницы мягкой позволил получить экологически чистую продукцию. Таким образом, предлагаемый мелиорант характеризуется расширенным спектром действия и обеспечивает улучшение структурного состояния, питательного режима, химического состава, качества и количества урожая культурных растений.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к мелиорации почв. Мелиорант включает в качестве органической основы вермикомпост и лузгу гречихи. Дополнительно в состав включена фракция яичной скорлупы и хвойной муки размером 0,5-1,5 мм при соотношении компонентов, мас. %: вермикомпост 25; лузга гречихи 50; яичная скорлупа 12,5; хвойная мука 12,5. Изобретение позволяет улучшить структурное состояние и питательный режим, снизить подвижность тяжелых металлов и токсичность почв, увеличить урожайность культурных растений, а также расширить ассортимент экологически безопасных составов. 3 табл.

Мелиорант для повышения качественных показателей структурного состояния почв, включающий в качестве органической основы вермикомпост и лузгу гречихи, отличающийся тем, что дополнительно в состав включена фракция яичной скорлупы и хвойной муки размером 0,5-1,5 мм при соотношении компонентов, мас. %: вермикомпост 25; лузга гречихи 50; яичная скорлупа 12,5; хвойная мука 12,5.