СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ
METHOD OF IMPROVING WATER-PHYSICAL PROPERTIES OF SOIL

Область техники
Изобретение относится к области сельского хозяйства (с/х) и почвоведения, а именно к способам улучшения водно-физических свойств почв путем внесения в них сильнонабухающих полимерных гидрогелей (ПГГ).
Уровень техники
В последние годы в связи с прогнозируемым глобальным изменением климата с интенсивным развитием новых химических технологий сформировалось самостоятельное крупное направление - разработка специализированных полимеров для агропромышленного комплекса. Внимание исследователей привлекает возможность использования нового класса синтетических полимерных гидрогелей (ПГГ) для решения проблем регулирования водно-физических свойств почв и для контролируемого выделения-поглощения воды и микроудобрений. Они способны многократно увеличивать свой объем в результате набухания, обладают высокой водосорбирующей способностью, но сами стабильны и не растворяются в воде. Полимерные материалы в большой степени могут становиться структурным элементом технологий сельскохозяйственного производства в недалеком будущем. Наряду с традиционными направлениями они все шире используются в сельскохозяйственных отраслях.
Наиболее перспективным в области использования полимерных синтетических гидрогелей для нужд сельского хозяйства является макромолекулярная система на основе высокосшитого акриламида для контролируемого выделения-поглощения воды и микроудобрений.
Известен способ улучшения водно-физических свойств почв за счет повышения водопрочности почвенной структуры путем внесения крилиумов - продуктов, полученных на основе метакриловой и акриловой кислот (Вершинин П.В. Почвенная структура и условия ее формирования. - М.: Издательство академии наук СССР, 1958, с.148 и 151).
Основными недостатками данного способа являются высокий расход реагента - более 500 кг/га, а почвенная структура характеризуется низкой водоудерживающей способностью (не более 50%).
6
Известен способ создания противофильтрационной завесы, в котором с целью повышения водонепроницаемости завесы обработку грунта проводят полиакриламидом, который используют в виде порошка (размер частиц 0,1-0,25 мм) с молекулярной массой (6-8)×10 (ТУ-6-105-39-01-252-78) с последующим орошением обработанного грунта (SU 1153001 A1, E022B 3/16, С09К 17/22, 30.04.1985). Полиакриламид по известному изобретению используют для повышения водонепроницаемости (уменьшения фильтрации) воды в гидротехнических сооружениях.
2
Известен способ создания водонепроницаемого экрана в дисперсных пористых средах, SU 1426067 A1, C09K 17/00, Е02В 3/16 20.07.1995, путем внесения в грунт на глубину 12-30 см в дозе 100-250 г/м порошкообразного полимерного материала - водонерастворимого гидрогеля полиакриламида. После внесения порошка гидрогеля осуществляют увлажнение поверхности грунта из расчета 100 мм осадков или образование экрана происходит в естественных условиях за счет талых вод или атмосферных осадков.
Данные по водоудерживающей способности полимеров и водоустойчивости почвенной структуры в SU 1153001 A1 и в SU 1426067 A1 отсутствуют.
Известен влагонабухающий почвенный кондиционер для улучшения водного режима почвы, который содержит полимерный гидрогель на основе акрилового полимера и глинистый минерал в качестве наполнителя, в качестве глинистого минерала используют бентонитовую или палыгорскитовую глину в массовом соотношении гидрогель:глинистый минерал от 1:0,25 до 1:1,5, а гидрогель получают путем полимеризации акрилового мономера в водной среде в присутствии сшивающего агента -N,N′-метилен-бис-акриламида - в количестве 0,025-0,15% от массы мономера в процессе перемешивания с глинистым минералом (RU 2189382 С2, С09К 17/40, 20.09.2002. Равновесная степень набухания известного кондиционера в воде составляет 640-720 г на 1 г кондиционера, а влагоемкость почвы при внесении кондиционера увеличивается на 60-90%.
Недостатком кондиционера является его достаточно низкая механическая прочность, кроме того, при набухании частицы кондиционера в присутствии глины слипаются и снижают водоудерживающую способность полимера, что ограничивает возможность его многократного использования в процессах сорбции-десорбции воды при выращивании с/х культур.
Описание изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа улучшения водно-физических свойств различных видов почв за счет внесения в почву полимерного гидрогеля ПГГ на основе модифицированного полиакриламида.
Техническим результатом изобретения является повышение водно-физических свойств почв: повышение влагоемкости, повышение водоудерживающих свойств, улучшение воздухообмена, повышение водопрочности почвенных агрегатов при снижении количества ПГГ на гектар земли, а также повышение урожайности растений.
-4
-1
Технический результат достигается тем, что в способе улучшения водно-физических свойств почв, включающем внесение в почву порошка полимерного гидрогеля (ПГГ) на основе акрилового полимера, согласно изобретению в качестве порошка полимерного гидрогеля используют полиакриламид, модифицированный ионизирующим гамма-излучением до поглощенной дозы 3,0-7,0 кГр с последующей стабилизацией водой и сушкой при температуре 60-70°С, при этом дисперсные частицы полученного полимерного гидрогеля, имеющие показатели вязкоупругих свойств: модуль упругости 20,0-23,07 Па, динамическую вязкость 3000-3754 Па при скорости сдвига 2,0-2,6·10с, при водопоглощении частиц до 1000 мл на 1 г полимера, вносят в почву в количестве 50-300 кг на 1 гектар.
Дополнительно в состав порошка ПГГ могут быть введены микроэлементы либо при стабилизации путем обработки полимера водным раствором микроудобрений, либо напылением порошка микроудобрений на стабилизированные частицы полимера.
Выбранная доза облучения порошкообразного полиакриламила 3,0-7,0 кГр (0,3-0,7 Мрад) является оптимальной для получения ПГГ с высокой внутренней пористостью, что повышает водопоглощение и сорбцию микроэлементов на поверхности ПГГ при сохранении высокой механической прочности частиц порошка ПГГ, размер которых составляет от 0,25 до 1 мм.
Облучение полиакриламида, его стабилизацию водой, сушку, обработку облученного и стабилизированного полиакриламида водным раствором микроудобрений, напыление порошка микроудобрений на частицы ПГГ проводят при атмосферных условиях.
Полученный полимерный гидрогель после облучения, последующей стабилизации водой и сушки представляет собой радиационносшитый гидрофильный полимерный материал в виде порошка, содержащий до 30 мас.% воды, не содержащий вредных сшивающих агентов, таких как соли хрома. Молекулярная структура сетки и наличие в ней ионогенных групп обеспечивают существенное равновесное набухание ПГГ, лежащее в интервале 300-3000 мл/г. Это ключевое качество ПГГ открывает возможность их использования как эффективных безопасных влагоабсорберов в различных задачах, требующих аккумуляции, связывания и отдачи воды или водных растворов, содержащих микроэлементы.
-4
-1
Кроме того, вода способствует тому, что свободные радикалы, накопившиеся при облучении в твердом полиакриламиде, приобретают подвижность и рекомбинируют, образуя ″сшивки″, что позволяет сохранить в течение длительного времени эксплуатационные характеристики: повышенное влагопоглощение ПГГ до 1000 мл на 1 г полимера, модуль упругости 20,0-23,07 Па, динамическую вязкость 3000-3754 Па при скорости сдвига 2,0-2,6·10 с.
Показатели вязкоупругих свойств дисперсных частиц ПГГ были измерены с помощью высокочувствительного динамического реометра РеоСтресс (RheoStress).
При обработке ПГГ водным раствором микроудобрений, содержащим микроэлементы, полимер впитывает воду и остается порошкообразным, на поверхности частицах которого осаждаются микроэлементы в виде покрытий.
В качестве микроудобрений могут быть использованы все известные растворимые в воде удобрения, содержащие в незначительном количестве микроэлементы: бор, медь, молибден, азот, цинк, марганец, хром, кобальт, железо, магний, калий, фосфор, йод, натрий, кремний, литий.
Наносят микроудобрения преимущественно путем распыления водного раствора по поверхности полимера при перемешивании массы с последующей сушкой, чтобы избежать комкования частиц ПГГ.
Микроудобрения в виде порошка наносят на ПГГ методом напыления, опудривания, распыления, или методом ″кипящего″ слоя, или любым другим известным методом.
Указанная в формуле совокупность признаков способствует улучшению водно-физических свойств почв: влагоемкость почв повышается на 80-95%, повышаются водоудерживающие свойства, улучшается воздухообмен, повышается водопрочность почвенных агрегатов до 80-98% за счет усиления микрофазного расслоения при внесения полимера в количестве 50-300 кг на 1 гектар земли. Порошки (гранулы) гидрогеля улучшают качество земли: глинистые - становятся более сыпучими, а сыпучие - комковатыми.
Улучшение водно-физических свойств и структуры почв, в свою очередь, приводит к повышению потенциального плодородия почв и повышению урожайности растений.
-1
Концентрация микроэлементов на поверхности ПГГ зависит от области использования ПГ в с/х, точнее от вида культур (овощи, зерновые, бобовые и пр.) и от почвы (кислые, подзолистые, глинистые и пр.), но, как правило, составляет не более 10 мас.%. Такая низкая концентрация микроэлементов на поверхности ПГГ позволяет на несколько порядков снизить количество удобрений вносимых в почву обычным способом, при этом повышается усвояемость микроэлементов всеми видами культур и, как следствие, повышается их урожайность.
Гидрогель выдерживает широкий диапазон температур: от -40°С до +90°С. Он не токсичен для растений, почвенных организмов и грунтовых вод. По истечении срока годности полностью распадается на азот, углекислый газ и воду.
Общие принципы действия ПГГ на водный режим почвы и влагообеспеченность растений в том, что при внесении в почвенный корнеобитаемый слой, например, путем равномерного распределения, частицы ПГГ располагаются в порах, и при поступлении влаги набухают, обеспечивая тем самым повышение влагоудерживания по сравнению с необработанной почвой и благоприятные условия для развития растений.
В лабораторных экспериментах изучались:
- набухание ПГГ в дистиллированной воде и в минерализованном почвенном растворе;
- водоудерживающая способность почв (зависимость между давлением почвенной влаги и влажностью) до внесения ПГГ и смеси почвы с разным содержанием сухого гидрогеля (г/100 г почвы);
- устойчивость полимера к многократным циклам ″набухание-высушивание″ и ″промерзание-оттаивание″;
- возможность прорастания семян в набухшем гидрогеле и в почве с внесенным гидрогелем.
В результате проведенного исследования установлено, что 0,1 г ПГГ удерживает приблизительно около 30 мл дистиллированной воды, т.е. объем увеличивается в 300 раз, что является нижним пределом для полимеров такого типа.
В исследовании геля на ″набухание-высушивание″ установлено, что в зависимости от влажности и температуры воздуха в помещении, т.е. дефиците влажности воздуха, гель ″усыхает″ за 3-7 суток. Однако после добавления воды в количестве испарившейся гель полностью восстанавливает свои свойства по набуханию даже после нескольких циклов ″высушивания-набухания″. В исследовании геля на ″промораживание-оттаивание″ установлено, что ПГГ не теряет свои свойства также в течение нескольких циклов. Ни в том, ни в другом случае максимально возможное количество циклов не установлено, т.к. деструкция молекулы не обнаружена.
Количественно оценить изменения водоудерживающей способности почв с внесенным гидрогелем и доступность аккумулированной влаги для корневых систем растений можно оценить по основной гидрофизической характеристике почв (ОГХ), что позволяет рассчитывать и принимать ряд агротехнологических решений по управлению продуктивностью посевов.
Определение водоустойчивости ПГГ проводят согласно методу Андрианова при воздействии на систему ультразвуком, рассчитывая водопрочность (водоустойчивость) по Качинскому (Качинский Н.А. Физика почвы. Ч 1. - М.: Высшая школа, 1965, с.309-312).
Определение водоудерживающей способности дерново-подзолистой супесчаной почвы проведено на прессе Ричардса. Зависимости между капиллярно-сорбционным давлением и влажностью почвенных образцов показаны графически. На фиг. представлена зависимость давления почвенной влаги от влажности почвы, где: 1 дерново-подзолистая почва (контроль); 2 - дерново-подзолистая почва с добавлением гидрогеля 0,1 г/100 г; 3 - дерново-подзолистая почва с добавлением гидрогеля 0,2 г/100 г.
Из анализа кривых водоудерживания, приведенных на фиг. видно, что в диапазоне изменений влажности почвы в пределах от 48 до 70% влага в почве с ПГГ находится в состоянии, доступном для растений. Увеличение его содержания проявляется в изменении зависимости между давлением почвенной влаги и влажностью
Нижеследующие примеры раскрывает сущность предлагаемого изобретения.
Пример 1.
6
60
-4
-1
Берут белый порошок полимерного гидрогеля ПГГ - полиакриламида марки CS-131 (производство фирмы Sanyo Chemical Industries, Япония) с молекулярной массой 5·10, и проводят обработку полимера на источнике Со ионизирующим гамма-излучением до поглощенной дозы 3,0 кГр в течение 2-х часов при комнатной температуре в воздушной среде (атмосферные условия). Модифицированный облучением ПГГ стабилизируют водой распылением воды по поверхности полимера при перемешивании массы, при этом полимер впитывает воду и остается порошкообразным, затем проводят высушивание ПГГ при температуре 60°С в течение 2-х часов (время сушки зависит от количества ПГГ, но не превышает 2 часов). Полученный продукт, содержащий 20 мас.% воды, представляет собой белый порошок ПГГ с размерами частиц от 0,25 до 2 мм и имеет следующие показатели вязкоупругих свойств: модуль упругости 20,0 Па, динамическую вязкость 3000 Па при скорости сдвига 2,0·10 с. Водоудерживание ПГГ при его использовании составляет 300 г воды на 1 г полимера. Дополнительный запас влаги, получаемый при внесении ПГГ в почву, может составить до 10 мм и значительно пролангировать влажность на весь вегетационный период.
Расчетный прирост влажности почв при добавках ПГГ при набухании 300 мл на 1 г составляет 1 мм влаги, т.е. 10 т влаги на гектар при дозе внесения полимера порядка 100 кг/га. Максимальная эффективность полимера как мелиоранта обеспечивается уже при дозах 0,0002%.
Внесение ПГГ в почву при посеве семян озимой пшеницы в количестве 100-125 г/т наблюдалось повышение полевой всхожести с 14 до 30-40%. Внесение ПГГ в почву при посеве семян люцерны при дозе 50-100 г/т полевая всхожесть повышается с 20 до 47%.
Пример 2.
-2
Все, как в примере 1, только при стабилизации ПГГ водой в нее вводят микроэлементы магния путем обработки полимера водным раствором микроудобрений с концентрацией магния 5×10 мас.%, распылением раствора по поверхности полимера при перемешивании массы с последующим высушиванием ПГГ при 60°С в течение 1 часа. Содержание воды в ПГГ составляет 30 мас.%.
Полученный ПГГ с указанной концентрацией микроэлемента магния вводят в почву в дозе полимера 50 кг/га при посеве семян рапса, что повысило урожай рапса на 1,5 ц/га при дозе внесения полимера порядка 70 кг/га на 23 ц/га, т.е. соответственно на 38 и 50% выше контроля.
Пример 3
6
60
-4
-1
Берут белый порошок с размером частиц 0,1-0,25 мм полимерного гидрогеля полиакриламида CS-131 (производство фирмы Sanyo Chemical Industries, Япония) с молекулярной массой 8·10 и проводят обработку полимера на источнике Со ионизирующим гамма-излучением до поглощенной дозы 5,0 кГр в течение 1,5 часа при комнатной температуре в воздушной среде (атмосферные условия). Модифицированный облучением ПГГ стабилизируют водой распылением воды по поверхности полимера при перемешивании массы с последующим высушивание ПГГ при температуре 70°С в течение 30 минут. Полученный продукт, представляющий собой белый порошок ПГГ с содержанием воды в количестве 15 мас.%, имеет следующие показатели вязкоупругих свойств: модуль упругости 22,0 Па, динамическую вязкость 3500 Па при скорости сдвига 2,4·10 с. Водоудерживание ПГГ в почве при его использовании составляет 500 г воды на 1 г полимера. Дополнительный запас влаги, получаемый при внесении ПГГ в почву, может составить до 15 мм и значительно пролонгировать влажность на весь вегетационный период.
Расчетный прирост влажности почв при добавках ПГГ при набухании 500 мл на 1 г составляет 1,5 мм влаги, т.е. 15 т влаги на гектар при дозе внесения полимера порядка 100 кг/га.
При внесении полученного ПГГ в грунт при посеве моркови повышается полевая всхожесть семян и снижается расход семян.
Пример 4
-3
Все, как в примере 3, только на поверхность частиц модифицированного облучением и стабилизированного ПГГ вводят микроэлементы меди, азота напылением порошка микроудобрений на частицы полимера до концентрации 3×10 мас.%. При внесении полученного ПГГ в грунт с дозой порядка 80 кг/га урожайность моркови повышается на 10-12 т/га по сравнению с контролем.
Пример 5
6
60
-4
-1
Берут белый порошок полимерного гидрогеля полиакриламида марки AN-132 (компания SNF s.a. Floerger, Франция) с размером частиц 1,5-2,0 мм с молекулярной массой 7·10, проводят обработку полимера на источнике Соионизирующим гамма-излучением до поглощенной дозы 7,0 кГр в течение 3,0 часов при комнатной температуре в воздушной среде (атмосферные условия). Модифицированный облучением ПГГ стабилизируют водой распылением воды по поверхности полимера при перемешивании массы с последующим высушивание ПГГ при температуре 60°С в течение 1,5 часа. Полученный продукт при содержании воды 25 мас.% представляет собой белый порошок ПГГ, имеющий следующие показатели вязкоупругих свойств: модуль упругости 23,07 Па, динамическую вязкость 3754 Па при скорости сдвига 2,6·10 с. Водоудерживание ПГГ при его использовании составляет 1000 г воды на 1 г полимера. Дополнительный запас влаги, получаемый при внесении ПГГ в почву, может составить до 25 мм и значительно пролонгировать влажность на весь вегетационный период.
Расчетный прирост влажности почв при добавках ПГГ при набухании 1000 мл на 1 г составляет 2,5 мм влаги, т.е. 25 т влаги на гектар при дозе внесения полимера порядка 200 кг/га.
Полученный по примеру ПГГ был эффективно использован при выращивании зерновых культур из расчета обеспечения полного водопотребления в период прорастания семян, появления всходов и формирования корневой системы. Например, для ячменя в период формирования корневой системы требуется 12-15 мм, для пшеницы от всходов до кущения требуется 36 мм влаги. Урожайность зерновых культур повышалась не менее чем в два раза.
Исследования ПГГ показали, что повышение эффективности азотных удобрений обеспечивается снижением гравитационного стока воды, удерживаемой гелем. На орошаемых землях необходимо поддерживать влажность на уровне не менее 70-80%. Если влаги будет удержано внесением гидрогеля в количестве 20-30% полевой влагоемкости, то эффективность орошаемых земель будет значительно повышена.
3
По предварительным оценкам внесение ПГГ даже при набухании 200 в дозе 100 кг/га можно обеспечить как минимум 10 циклов набухания в вегетационный период и удержать дополнительно 210 м влаги.
Потребность всех овощных растений в воде наибольшая при прорастании семян. Поэтому внесение ПГГ в почву может обеспечить максимальную всхожесть семян на следующие культуры: огурец - при норме высева 6-8 кг/га необходимо 0,02 г ПГГ; салат кочанный - при норме высева 1,5-2 кг/га необходимо 0,005 г ПГГ; капуста белокочанная - при норме высева 1,2 кг/га необходимо 0,004 г ПГГ; морковь - при норме высева 2-2,5 кг/га необходимо 0,006 г ПГГ.
На полях прибрежных и предгорных районов, а также в аридных зонах со значительными колебаниями температуры и влажности ПГГ является дополнительным источником влаги в корнеобитаемом слое, что дает возможность выращивать растения в неблагоприятных условиях водного дефицита.
3
3
Размещенный в почвенном слое ПГГ обеспечивает удержание дополнительного запаса влаги за счет снижения потерь на гравитационный сток и физическое испарение, т.к. эта влага легко доступна растениям, поскольку ее основная часть лежит в области биологически доступных потенциалов. При определенных дозах ПГГ, внесенных в почву, значительно снижается плотность корнеобитаемого слоя, например для песка с 1,6 г/смдо 1,06 г/см, что создает дополнительную пористость, повышает влагоемкость, тем самым улучшаются водно-физические свойства почвы.
Представленные примеры не ограничивают возможности изобретения и могут быть расширены специалистами в области при выращивании любых с/х культур.
Таким образом, заявленная совокупность признаков формулы и представленные примеры обеспечивают достижение технического результата.
В настоящее время способ отрабатывается на разных видах зерновых, бобовых и других культур.