СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЭРОЗИИ ПОЧВ
METHOD FOR PREVENTING SOIL EROSION

Настоящее изобретение относится к способу предотвращения эрозии почв, в котором неионный гуар и/или катионный гуар наносится на почву или вносится в почву. Изобретение также касается способа предотвращения поверхностного стока воды с почв, в котором неионный гуар и/или катионный гуар наносят на почву или вносят в почву. Изобретение также относится к почве, прошедшей противоэрозионную обработку, полученной с помощью способа предотвращения эрозии почв, в котором неионный гуар и/или катионный гуар наносят на почву или вносят в почву.
Уровень техники
Вода и почва являются материальной основой человеческого существования. Эрозия почв является одной из основных экологических проблем, в настоящее время вызывающих общую обеспокоенность. В особенности в крупных развивающихся странах эрозия почв стала важным фактором, ограничивающим экономическое развитие на местах. Эрозия почвы вызывает серьезные катастрофические экологические последствия, включающие ухудшение качества почв, уничтожение земельных ресурсов, нехватку воды, загрязнение воды, деградацию окружающей среды и сброс наносов с образованием большого количества заиленных рек, повышенный риск наводнений в расположенных ниже по течению районах.
Химические методы борьбы с эрозией появляются как класс нетрадиционных мер по охране почв и вод. Химические методы контролируют эрозию почв, прежде всего, за счет применения полимеров для улучшения свойств почв, повышения прочности агрегатов почвы для предотвращения диспергирования глины, тем самым уменьшая почвенную корку, повышая инфильтрацию, снижая поверхностный сток и эрозию почв. Синтетический полимер начали применять в мелиорации почв с 1950-х гг. При проведении исследований было доказано, что полиакриламид (ПАМ) является перспективной добавкой для сохранения почвенной структуры и прочности почвенных агрегатов, а также для сохранения высокой инфильтрации, низкого поверхностного стока (US 2625529, WO 2007047481). Целлюлозы и водопоглотитель лигноцеллюлоза (US 20100285962, US 20070180763) также рассматривались для этой цели. До настоящего времени только полиакриламиды интенсивно исследовались на предмет предотвращения эрозии почв и их роли в сельском хозяйстве в большом числе стран. Результаты показали, что эффект сохранения вод и почв имеет свою область приложения, как, например, пологие склоны и некоторые типы почв. Однако на почвах с плохой текстурой или щелочных почвах и на крутых склонах ПАМ не может действовать эффективно. Таким образом, более эффективные вещества и методы для борьбы с эрозией должны быть дополнительно разработаны для удовлетворения разнообразных и постоянно меняющихся требований для разных типов почв и окружающей среды.
Таким образом, существует необходимость в улучшенной почвенной добавке для предотвращения эрозии почв и имеющей повышенную эффективность относительно общего количества используемых добавок.
Описание изобретения
В настоящий момент представляется, что неионные гуары и/или катионные гуары могут использоваться для предотвращения эрозии почв и имеют повышенную эффективность относительно общего количества применяемых добавок; особенно при повышении водопрочности почвенных агрегатов. Более того, гуары являются биоразлагаемыми продуктами на растительной основе, которые не загрязняют окружающую среду при разложении.
Настоящее изобретение относится поэтому к способу предотвращения эрозии почв, в котором неионный гуар и/или катионный гуар наносят на почву или вносят в почву.
Изобретение также касается способа предотвращения поверхностного стока воды с почвы, в котором неионный гуар и/или катионный гуар наносят на почву или вносят в почву.
Настоящее изобретение также относится к почве, прошедшей противоэрозионную обработку, полученной с помощью способа предотвращения эрозии почв, в котором неионный гуар и/или катионный гуар наносят на почву или вносят в почву.
Эрозия почв в соответствии с настоящим изобретением затрагивает три основных вида эрозии, которые происходят непосредственно в результате дождя, такие как плоскостная эрозия, бороздчатая эрозия и овражная эрозия; но также происходят в результате ветровых и погодных условий.
Поверхностный сток представляет собой поток воды, который возникает когда почва пропитана до полной влагоемкости, и избыток дождевой воды, талой воды или воды из других источников стекает по поверхности почвы. Он является основным компонентом водного баланса и основным фактором водной эрозии. Он вызывает потерю пахотного слоя, и почва не может обеспечить достаточную подходящую структуру и питательные вещества для нормального роста сельскохозяйственных культур и семян.
Один или несколько неионных и/или катионных гуаров могут применяться в соответствии с настоящим изобретением.
Неионные гуары по изобретению, как правило, не являются модифицированными гуарами, что означает полисахариды, состоящие из сахаров галактозы и маннозы. Основная цепь является линейной цепью из β-1,4-связанных остатков маннозы, в которой остатки галактозы являются 1,6-связанными с каждой второй маннозой, образуя короткие боковые ответвления.
Катионные гуары по изобретению могут включать катионные гуары, которые могут быть получены с помощью использования различных возможных катионных этерифицирующих агентов, таких как, например, семейство солей четвертичного аммония.
В случае катионных гуаров катионная группа поэтому может быть четвертичной аммониевой группой, несущей 3 радикала, которые могут быть одинаковыми или различными, предпочтительно выбранными из водорода, алкила, гидроксиалкила, эпоксиалкила, алкенила или арила, предпочтительно содержащей от 1 до 22 атомов углерода, в частности от 1 до 14, и предпочтительно от 1 до 3 атомов углерода. Противоион обычно представлен галогеном, одним из вариантов осуществления которого является хлор.
Четвертичными солями аммония могут, например, быть: хлорид 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония (CHPTMAC), хлорид 2,3-эпоксипропилтриметиламмония (EPTAC), хлорид диаллилдиметиламмония (DMDAAC), хлорид винилбензолтриметиламмония, хлорид триметиламмония этилметакрилата, хлорид метакриламидопропилтриметиламмония (MAPTAC) и хлорид тетраалкиламмония.
Типичной катионной функциональной группой в этих производных катионного гуара является триметиламино-(2-гидроксил)пропил, с противоионом. Могут использоваться различные противоионы, включая без ограничения галогениды, такие как хлорид, фторид, бромид и йодид, сульфат, метилсульфат и их смеси.
Катионные гуары настоящего изобретения могут быть выбраны из группы, состоящей из:
- катионных гидроксиалкилгуаров, таких как катионный гидроксиэтилгуар (ГЭгуар), катионный гидроксипропилгуар (ГПгуар), катионный гидроксибутилгуар (ГБгуар), и
- катионных карбоксиалкилгуаров, в том числе катионного карбоксиметилгуара (КМгуар), катионных алкилкарбоксигуаров, таких как катионный карбоксипропилгуар (КПгуар) и катионный карбоксибутилгуар (КБгуар), карбоксиметилгидроксипропилгуар (КМГПгуар).
Более предпочтительно катионные гуары изобретения представляют собой гуар гидроксипропилтримониум хлорид.
Степень гидроксиалкилирования (молярное замещение или MS) катионных гуаров, то есть число алкиленоксидных молекул, поглощенных числом свободных гидроксильных функций, присутствующих в гуаре, может составлять от 0 до 3, предпочтительно от 0 до 1,7. Например, МС, равная 1, может представлять одно этиленоксидное звено на одно моносахаридное звено.
Степень замещения (DS) катионных гуаров, то есть среднее число гидроксильных групп, которые были замещены катионной группой на одно моносахаридное звено, может быть в пределах от 0,005 до 3, предпочтительно от 0,01 до 2. DS может, в частности, представлять число карбоксиметильных групп на одно моносахаридное звено. DS, в частности, может быть определено титрованием.
Плотность заряда (CD) катионных гуаров может составлять от 0,1 до 2 мэкв/г, предпочтительно от 0,4 до 1 мэкв/г. Плотностью заряда называется отношение числа положительных зарядов на одно мономерное звено, из которого состоит полимер, к молекулярной массе указанного мономерного звена. Плотность заряда, умноженная на молекулярную массу полимера, определяет число положительно заряженных участков на данной полимерной цепи.
Катионный гуар может иметь среднюю молекулярную массу (Mw) в диапазоне от примерно 100000 дальтон до 3500000 Да, предпочтительно от примерно 500000 Да до 3500000 Да.
Доза неионного и/или катионного гуара настоящего изобретения может составлять от 0,1 до 100 кг/га почвы, более предпочтительно от 2,5 до 50 кг/га почвы.
Применение на поверхности или внутри почвы в соответствии с изобретением может, в частности, осуществляться с помощью распыления на почву или смешивания с почвой.
Почвенная добавка может, например, применяться на поверхности или возле верхней поверхности почвы, внутри почвы или в почвенном горизонте, в воде для орошения или другом носителе, который после этого применяется к почве, или тому подобное.
Опрыскивание почвы происходит, когда добавки готовят в растворах и распыляют на поверхность почвы. Растворы будут проникать через верхний горизонт почвы до некоторой глубины с образованием корки наподобие жесткого слоя на почве. Частицы почвы в этом слое связаны добавкой и благодаря этому обладают сильной способностью сопротивления к отделению. Также данный слой способен обеспечить более быструю кинетику инфильтрации воды, так что поверхностный сток может быть значительно снижен. Гуары изобретения могут быть растворены и/или могут находиться в суспензии в указанных растворах.
Смешивание происходит, когда добавки поступают на поверхность почвы и гомогенизируются с помощью перемешивания. Гуары изобретения могут использоваться в жидкой или твердой форме. Разбрасывание порошка является предпочтительным в соответствии с данным вариантом осуществления. Данная процедура также демонстрирует аналогичную эффективность, что и первая процедура.
Добавка на основе гуара также может содержать несколько классических добавок, используемых в сельскохозяйственной и садоводческой деятельности, таких как пигменты, адъюванты, поверхностно-активные вещества и/или удобрения.
Различные разновидности почв могут использоваться в соответствии со способом настоящего изобретения, такие как глины, донные осадки, песок, суглинок, ил, органические удобрения, торф и обыкновенные почвы, как правило, использующиеся для выращивания кукурузы, пшеницы, сорго, сои, томатов, цветной капусты, редиса, кочанной капусты, канолы, латука, райграса, злаковых трав, риса, хлопка, подсолнечника и тому подобного.
Почвы, используемые в настоящем изобретении, предпочтительно выбирают из группы, состоящей из: глинистых почв, песчаных почв, илистых почв, торфяных почв и суглинистых почв.
50
50
Глинистая почва или глина: во влажном состоянии глинистые почвы обычно липкие, комковатые и пластичные, однако в сухом состоянии они обычно образуют твердые глыбы. Глинистые почвы состоят из очень мелких частиц с небольшим числом пор, поэтому они с трудом поддаются обработке и часто плохо дренированы, они также склонны к весеннему подтоплению. Голубые или серые глины имеют плохую аэрацию и должны быть разрыхлены для поддержания нормального роста растений. Красный цвет в глинистой почве свидетельствует о хорошей аэрации и «рыхлой» почве, которая хорошо дренируется. Поскольку глины имеют высокие содержания питательных веществ, растения хорошо растут в условиях хорошего дренирования. Обычно глинистые почвы имеют средний диаметр частиц (D) менее 50 мкм. В основном глинистые почвы имеют средний диаметр частиц (D) примерно 25 мкм или менее. Более типично глинистые почвы имеют средний диаметр частиц примерно 5 мкм или менее.
Песчаные почвы: как правило, песчаные почвы имеют зернистую текстуру и формируются из выветренных пород, таких как известняк, кварц, гранит и сланец. Песчаные почвы могут содержать от достаточного до значительного количества органического вещества, что делает их сравнительно легкокультивируемыми. Песчаная почва обычно характеризуются круглыми зернами с размером частиц в диапазоне от 100 мкм до 2000 мкм.
Илистые почвы: обычно илистые почвы относятся к более плодородным почвам. Илистые почвы обычно состоят из минералов, преимущественно кварца, и тонких органических частиц, и они имеют больше питательных веществ, чем песчаные почвы, обеспечивающие хороший дренаж. В сухом состоянии они имеют довольно гладкую текстуру и выглядят как темный песок.
Торфяные почвы: торфяные почвы обычно содержат больше органического материала, чем другие почвы, поскольку их кислотность замедляет процесс разложения. Этот тип почв содержит меньше питательных веществ, чем многие другие почвы, и склонен к избыточному удержанию воды.
Суглинистые почвы: обычно суглинистые почвы представляют сочетание примерно 40% песка, 40% ила и 20% глины. Суглинистые почвы могут находиться в диапазоне от легкообрабатываемых плодородных почв, богатых органическими веществами, до дерна с плотным сложением.
В целях дальнейшего пояснения, инструктирования и описания приведенных выше сведений варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь проиллюстрированы и обсуждены в связи с нижеследующими примерами и экспериментальными результатами.
Экспериментальная часть
Использовались следующие соединения:
- Гуар А: Гидроксипропилгуар гидроксипропилтримониум хлорид, DS=0,10, Mw=1,5 МД а  и CD=0,5 мэкв/г;
- Гуар B: Немодифицированный гуар, DS=0, Mw=2 МДа и CD=0 мэкв/г.
Испытания на эрозионную устойчивость проводились в условиях искусственного дождя и на площадке, уклон которой можно легко изменять. На площадку размером 120 см × 40 см тщательно и равномерно помещали почву. Уклон площадки можно полностью регулировать. Тестируемая почва была глинистой почвой из провинции Шэньси, где сильная эрозия почв является проблемой. Дозы, тестируемые в испытаниях, изменялись в пределах от 10 кг/га до 50 кг/га.
Искусственный дождь падал с высоты 16 м, и интенсивность (мм/мин) можно было точно регулировать. Каждое испытание длилось 40 мин.
В таблице 1 ниже показано время от самого начала дождя до момента начала поверхностного водного стока. Потерей почвы является суммарная потеря в течение всего испытания. Интенсивность дождя: 1 мм/мин, уклон: 10 градусов.
Таблица 1
Обработка (добавка)
Время (мин)
Мощность слоя стока (мм)
Потеря почвы (кг/м<sup>2</sup>)
Снижение потери почвы (%)
Контроль
7,27
12,97
0,15
-
Гуар А (1 г/м<sup>2</sup>)
12,00
4,71
0,09
43,61
Гуар А (3 г/м<sup>2</sup>)
17,26
6,79
0,07
56,11
Гуар А (5 г/м<sup>2</sup>)
0,50
3,89
0,07
64,67
Гуар В (3 г/м<sup>2</sup>)
0,52
13,97
0,08
47,83
Как показано в таблице 1, две добавки имеют различные эффективности применительно к времени стока и мощности слоя сточных вод. Но обе они демонстрируют аналогичный эффект снижения потерь почвы. Гуар А может значительно увеличивать время до начала поверхностного стока, что указывает на то, что гуар А может сделать почву более проницаемой для воды. И наоборот, гуар В делает проникновение воды в почву медленнее, благодаря чему сток проявляется очень быстро, даже быстрее, чем в контрольной почве. Мощности стока также проявляют ту же самую тенденцию. Из-за лучшей инфильтрации почва, обработанная гуаром А, имеет более тонкий слой водного стока на своей поверхности. Контрольная почва дает более мощный слой стока, в то время как почва, обработанная гуаром B, имеет самый мощный слой стока на поверхности.
Интересно, что оба гуара А и B могут значительно уменьшать потери почвы, таким образом, проявляя эффективную эрозионную устойчивость. Более высокая скорость инфильтрации и прочность связи гуара А вносит вклад в эту противоэрозионную эффективность. Что касается гуара B, сильная адгезионная прочность, которую он привносит в почву, также может снижать эрозию, хотя он не может улучшить другие характеристики.
Эффективность гуара А при различных дозах ясно показывает, что при очень низкой дозе (10 кг/га) время стока может эффективно запаздывать. Мощность слоя стока плюс потери почвы также уменьшаются. При увеличении дозы до 30 кг/га эффективность становится лучше, чем эффективность при более низкой дозе. Когда доза повышается до 50 кг/га, сток начинается намного раньше, чем при низкой дозе и в контрольной почве. Слишком большое количество гуара А может противодействовать гидрофильности почвы, но дает более высокую прочность связи. В этом случае прочность связи, которая приводит к агрегированию почвенных частиц, является основной причиной снижения потери почвы.
В таблице 2 ниже показаны эффективности разных доз гуара А в жестких условиях. Интенсивность дождя: 2 мм/мин, уклон: 20 градусов.
Таблица 2
Обработка (добавка)
Время (мин)
Мощность слоя стока (мм)
Потеря почвы (кг/м<sup>2</sup>)
Снижение потери почвы (%)
Контроль
0,40
47,34
1,02
-
Гуар А (1 г/м<sup>2</sup>)
1,38
41,13
0,59
41,78
Гуар А (3 г/м<sup>2</sup>)
0,18
38,96
0,25
75,74
Гуар А (5 г/м<sup>2</sup>)
0,16
40,26
0,27
73,16
Представляется, что в жестких условиях с крутым уклоном и при интенсивном дожде поверхностный сток начинается быстро при всех обработках. Почва, обработанная гуаром А, демонстрирует эффект уменьшения слоя стока, но гораздо меньший, чем наблюдавшийся в мягких условиях. Тем не менее, противоэрозионная эффективность является такой же хорошей, как и в мягких условиях для почвы при низкой дозе, и даже еще лучше для почвы при высокой дозе. Из-за жестких условий скорость инфильтрации может практически не влиять на поверхностный сток, поскольку скорость стекающей воды намного больше, чем инфильтрация в почву. В данном случае значительное уменьшение потери почвы может в основном объясняться хорошей прочностью связи, которую добавка создает в почвенных частицах. Это также может подтверждаться более высокой дозой, приводящей к более низкой потере почвы.