АГРОТЕХНИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ С МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ
AGRO-TECHNICAL COMPOSITION WITH MAGNETIC PROPERTIES

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно, к агротехнической композиции для использования в качестве искусственной почвы, обладающей свойствами чернозема, или кондиционера для естественной почвы, наделяющего ее свойствами чернозема и повышающего ее плодородие, а также для использования совместно с посевным материалом. Придание предлагаемой композиции магнитных свойств без изменения ее состава направлено на проявление эффектов, характерных для агротехнических средств, обладающих такими свойствами.
Главными особенностями чернозема, отличающими его от других почв, обладающих меньшим плодородием, являются:
1) высокое содержание гумуса, способствующее развитию полезной для растений бактериальной системы;
2) способность к долговременному удержанию влаги (даже при низкой относительной влажности окружающего воздуха);
3) крупнозернистая структура и относительно высокая порозность (доля объема межзеренного пространства), обеспечивающие хорошие дренажные свойства для воды и возможность насыщения воздухом;
4) высокое и сбалансированное содержание питательных веществ, макро- и микроэлементов;
5) сбалансированные кислотно-основные свойства.
Первое свойство присутствует у торфа, но торф не обладает в полной мере остальными свойствами и вообще является кислой или слабокислой субстанцией.
Второе свойство в большей степени характерно для некоторых сортов глины, которые хорошо удерживают влагу, однако глины не обеспечивают остальных свойств.
Природа создала уникальное сочетание всех перечисленных выше свойств лишь в некоторых регионах Земли, в частности, в южной части средней полосы России, в Украине. Большое количество более северных и более южных почв (это почти сто миллионов гектаров сельскохозяйственных земель в нашей стране и многократно больше во всех странах) обладают меньшим плодородием, требуют постоянной мелиорации, включая их раскисление, а также требуют внесения минеральных удобрений в относительно больших количествах, а в ряде географических районов - интенсивной ирригации.
Начиная со второй половины прошлого века стало развиваться интенсивное растениеводство на специальных, чаще закрытых, тепличных грунтах с капельным орошением или с использованием фертигации с компьютерным управлением (капельного орошения с одновременным внесением дорогостоящих быстрорастворимых удобрений). Однако и в географических широтах, не характерных для образования плодородных естественных почв, встречаются природные аномалии, т.е. отдельные участки с более темным цветом и с повышенным плодородием, к числу которых относятся так называемый германский чернозем, участки высококачественных агроземель на скудных сельскохозяйственных почвах в Латинской Америке, Африке и Индонезии (А.С.Дурова. Биоуголь для плодородия, Ж. "Агробизнес", 04.12.2019 [1]).
Отличительной особенностью всех этих участков является то, что на них в составе почв обнаружен уголь. Известно, что некоторые виды угля, например, бурый уголь, содержат большое количество гуминовых веществ, в еще большей концентрации, чем торфы. Однако для их извлечения бурый уголь надо обрабатывать химическими веществами, например, щелочами. Кроме того, бурые угли отличаются относительно высокой кислотностью. Следует полагать, что упомянутые аномальные черноземы содержат некоторые дополнительные компоненты, которые позволяют:
- в течение длительного времени способствовать высвобождению и поддержанию в почве необходимой концентрации гумуса и других органических веществ для обеспечения оптимальных условий питания растений, а также жизнедеятельности почвообитающих микроорганизмов;
- обеспечивать кислотно-основный и элементный баланс в почвах, необходимую структуру и другие свойства, перечисленные выше для черноземов.
Тем не менее, обнаруженные в начале 2000-х годов учеными из Германии и США характеристики аномально плодородных участков привели, особенно в последнее десятилетие, к очередной аграрной революции в развитых европейских странах, Америке, Китае и других регионах, а именно: к производству и широкому использованию так называемых биоуглей (Biochar) для повышения плодородия почв как на закрытых, так и на открытых грунтах. Известен ряд публикаций, в том числе патентных, по данной тематике, среди которых отметим: патент США № 8361186, опубл. 29.01.2013 [2], европейский патент № 2658948, опубл. 03.10.2018 [3], патент РФ № 2549876, опубл. 10.05.2015 [4], патент США № 9809502, опубл. 01.11.2017 [5], патент РФ № 2688620, опубл. 21.05.2019 [6].
Особенность технологий получения продуктов по названным патентам заключается в окислительном пиролизе древесины или сельскохозяйственных отходов для получения пористых углеродсодержащих материалов, содержащих большое количество органических веществ и обладающих хорошими сорбционными свойствами и влагоемкостью, а также имеющих нейтральную или слабощелочную водную вытяжку.
Общим недостатком технических решений по указанным патентам, при всех достоинствах биоуглей, является то, что получение последних, являющихся продуктами искусственного происхождения, требует больших энергетических и других материальных затрат. Кроме того, процессы пиролиза являются экологически небезопасными и сопряжены с получением, наряду с биоуглями, жидких и газообразных продуктов.
Известны составы искусственной почвы (патенты РФ № 2301249, опубл. 20.06.2007 [7], и № 2301825, опубл. 27.06.2007 [8]), содержащие влагоемкий материал и биологически активное вещество. По первому из этих патентов искусственная почва содержит торф, а по второму - сапропель как материал с высокой влагоемкостью. В соответствии с обоими изобретениями в состав искусственной почвы входит нетоксичный экологически чистый технический углерод древесного происхождения в качестве биологически активного вещества с объемным содержанием технического углерода, составляющим 20-40%.
Известны почвенные мелиоранты на основе бурого угля, обработанного кислотами, получаемые по способам, описанным в патентах РФ № 2005763, опубл. 15.01.1994 [9], и № 2008302, опубл. 28.02.1994 [10].
Недостатком данных технических решений является необходимость использования крепких кислот для выделения гуминовых веществ из бурого угля. Другим принципиальным недостатком является то, что указанные мелиоранты обладают еще более выраженными кислотными свойствами, чем сам бурый уголь, и не могут быть использованы для обработки кислых почв.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение по патенту РФ № 2078068 (опубл. 27.04.1997 [11]) и международной заявке PCT/RU95/00090 (опубл. 10.10.1996 [12]). Это техническое решение относится к агротехнической композиции, предназначенной для использования в качестве кондиционера для почвы. Как следует из описания свойств и применения указанной композиции в [11] и [12], не исключено использование ее также в качестве искусственной почвы и, кроме того, в составе посадочного материала, когда она играет роль удобрения для припосевного внесения.
Данная композиция включает минеральный и органический компоненты при использовании в качестве органического компонента размолотого третичного бурого угля-сырца. В качестве минерального компонента использован доменный шлак, обладающий ультраосновными (слабощелочными) свойствами и содержащий оксиды кальция, кремния, алюминия, магния, марганца и железа.
Достоинством указанной композиции является то, что она не требует для своего получения использования остродефицитных компонентов. Однако ей присущ недостаток, заключающийся в высоком содержании марганца во входящем в ее состав доменном шлаке (более 8% по массе), что может явиться причиной серьезного отравления почв. Еще одним недостатком является то, что эта композиция практически не обладает емкостью по отношению к питательным элементам (например, катионообменной емкостью) и не может удержать питательные элементы в почве. По этим причинам возможности использования ее как искусственной почвы существенно ограничены, а ее свойства как кондиционера для естественных закрытых и открытых грунтов не могут обеспечить агротехнической эффективности и урожайности, характерной для черноземов.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении при использовании агротехнической композиции по данному изобретению возможности сохранения в почве питательных элементов при одновременном исключении использования отравляющих почву компонентов с получением показателей агротехнической эффективности, близких к характерным для черноземов.
Одновременно, с учетом одной из особеностей выбранного пути достижения указанных видов технического результата, заключающейся во включении в состав композиции серпентинита, преследуется также цель получения технического результата в виде создания предлагаемой композицией при ее использовании магнитного поля, способного воздействовать как на питательные компоненты почвы, так и на семена растения и на само растение в период вегетации.
Ниже при рассмотрении частных случаев будут названы также некоторые дополнительные виды достигаемого технического результата.
Предлагаемая агротехническая композиция, как и указанная наиболее близкая к ней известная, содержит смешанные размолотый бурый уголь и размолотый ультраосновный (щелочной) материал.
Для достижения названного выше технического результата, в отличие от наиболее близкой известной, предлагаемая композиция в качестве ультраосновного материала содержит размолотый природный серпентинит при массовом соотношении с размолотым бурым углем от 0,6 до 1,5 и, кроме того, она дополнительно содержит природную глину при массовом соотношении с размолотым бурым углем от 0,1 до 1,0, а входящий в состав указанного размолотого природного серпентинита магнетит имеет намагниченность не менее 80% от уровня насыщения.
Свойства описанной предлагаемой агротехнической композиции при использовании ее в качестве искусственной почвы или кондиционера для почвы, а также для припосевного внесения в почву определяются оптимальным выбором компонентов и возникающим при этом синергетическим агротехническим эффектом.
Заметим, что известно применение серпентинита в составе почвенных субстратов и органоминеральных удобрений (патенты РФ № 2505512, опубл. 27.01.2014 [14], № 2511296, опубл. 10.04.2014 [15]). По первому из них в качестве субстрата используется серпентинит, обработанный гумуссодержащими дренажными водами торфяных болот. По второму - в такой субстрат дополнительно добавляют цеолит и другие компоненты. Однако возможность производства таких субстратов весьма ограничена и привязана, с одной стороны, к удобным природным объектам, с другой стороны - к цеолитам, месторождения которых отсутствуют в средней полосе России. Кроме того, соответствующие технологии получения таких субстратов весьма трудоемки. Наконец, механизм действия серпентинита в предлагаемом изобретении и изобретениях по патентам [14], [15] принципиально различен: в предлагаемом техническом решении слабощелочные свойства серпентинита используются для пролонгированного твердофазного выделения из бурого угля гуминовых кислот с последующей их нейтрализацией.
Серпентинит обладает ультраосновными (щелочными) свойствами, являясь анионитом с небольшой анионообменной емкостью (патент РФ № 2316479, опубл. 10.02.2008 [13]). Входя в состав предлагаемой композиции, он нейтрализует кислотные свойства бурого угля. Поэтому, регулируя соотношение с углем в названных выше пределах (0,6-1,5), можно обеспечить оптимальное значение рН для тех или иных грунтов, в том числе, одновременно с остальными факторами агротехнического воздействия, обеспечивать нейтрализацию (раскисление) кислых почв средней полосы России. За пределами указанного интервала, при соотношении серпентинит/уголь менее 0,6, как показывают испытания, смесь становится полностью кислой и непригодной для кислых почв. При соотношении более 1,5 уменьшается общее содержание гуминовых веществ (до 40% по сравнению с исходным содержанием в буром угле), что резко снижает агротехническую эффективность. Анионообменная емкость серпентинита способствует удерживанию полезных анионов: фосфатов, нитратов и сульфатов, препятствуя их вымыванию почвенными водами. Кроме того, серпентинит сам является апробированным и используемым удобрением, содержащим магний, кальций, железо и полезные микрокомпоненты.
Учитывая анионообменные свойства серпентинита, ниже для него как компонента предлагаемого продукта используется обозначение А.
Благодаря наличию в составе серпентинита магнетита, находящегося в состоянии намагниченности, близкой к насыщению, предлагаемая композиция при ее использовании становится источником дополнительного воздействия на почву и растения физическим фактором - магнитным полем. Последнее позволит повысить энергию прорастания семян и корректировать глубину их заделки, обеспечивая более раннее формирование узла кущення. Как показывают оценки, при фактическом содержании магнетита, соответствующем названному выше содержанию в композиции серпентинита, достигаемые значения индукции магнитного поля в искусственной почве или кондиционере при использовании композиции соответствуют величинам, являющимся значимыми для растений (Н.И. Богатина, Н.В. Шейкина. Влияние магнитных полей на растения. Ученые записки Таврического Национального университета им. В.И. Вернадского. Серия "Биология, химия". Том 23(62). 2010, № 4. С. 45-66 [16]).
Следует отметить, продолжая обсуждение синергетического характера агротехнического эффекта, что обеспечение данной составляющей достигаемого технического результата не потребовало ни введения в композицию специально предназначенного для этого ингредиента, ни какого-либо специального ее выполнения (в отличие, например, от технического решения по европейскому патенту № 3222603, опубл. 17.06.2020 [17], в котором предусмотрено обязательное гранулирование с нанесением на гранулы оболочек, выполненных из обладающего магитными свойствам глауконита).
Компонент глина является катионитом и, обладая умеренной катионообменной емкостью, позволяет удерживать полезные питательные элементы катионного характера, в частности, аммоний и калий. Выбор в качестве компонента глины (а не природного цеолита, несмотря на меньшую по сравнению с ним катионообменную емкость) дает большие преимущества, так как глина часто встречается в месторождениях вместе с третьим компонентом - бурым углем, что дает возможность использовать их, не разделяя, и обеспечивать экономические преимущества.
Использование соотношения природная глина/размолотый бурый уголь, превосходящего верхний предел 1,0 приведенного выше интервала (0,1-1,0), нецелесообразно, так как при большем содержании глины, как показывают испытания, даже при равномерном перемешивании возможно ее слеживание с потерей дренирующих свойств. При соотношении же, меньшем нижнего предела 0,1 указанного интервала, селективная катионнообменная емкость композиции к калию и аммонию становится ничтожной, а присутствие глины - бесполезным.
Для глины как компонента предлагаемой композиции благодаря ее катионообменным свойствам ниже используется обозначение К.
Компонент бурый уголь содержит в связанном состоянии гуминовые вещества и является источником органических веществ. Кроме того, бурый уголь, обладая малым удельным весом, обеспечивает разрыхленную структуру и небольшую плотность искусственной почвы. Как следует из патентов [9], [10], бурый уголь апробирован как почвенный мелиорант.
Для него как компонента предлагаемой композиции ниже используется обозначение М.
Все три компонента А, К и М обеспечивают влагоемкость и удержание влаги предлагаемой композицией.
Упомянутый синергетический эффект определяется также следующими факторами. Полученные при экспериментальном использовании данные по агротехнической эффективности предлагаемой композиции позволяют сделать вывод о том, что наличие ультраосновного материала серпентинита без использования активных щелочей и кислот позволяет в присутствии корневой системы растений извлекать из бурого угля гуминовые вещества, а также углеродсодержащие компоненты, потребляемые растениями.
Компоненты композиции, взаимодействуя друг с другом, обеспечивают разрыхленную структуру искусственной почвы, характерную для черноземов. Сочетание компонентов А, К и М обеспечивает высокую скорость аммонизации белков.
Осуществление предлагаемого изобретения с получением описанной выше композиции сводится к простому смешиванию ее измельченных компонентов А, К, М.
При этом реализация признака, предусматривающего наличие намагниченности магнетита, входящего в состав размолотого природного серпентинита, возможна различными путями, каждый из которых связан с использованием воздействия магнитным полем.
Первый из этих путей заключается в осуществлении воздействия магнитным полем на размолотый природный серпентинит (компонент А) перед смешиванием последнего с другими ингредиентами (К и М) композиции. Другой путь заключается в осуществлении воздействия магнитным полем на композицию, содержащую уже смешанные ингредиенты А, К и М. По сравнению с предыдущим он требует более производительного оборудования, используемого для создания магнитного поля. С этой точки зрения наиболее простым является третий путь, при котором воздействию магнитным полем подвергают не композицию в целом и даже не ее отдельный компонент - серпентинит, а непосредственно магнетит, содержащийся в серпентините. Очевидно, однако, что такое упрощение достигается ценой усложнения, вызванного необходимостью предварительной сепарации магнетита из серпентинита.
При использовании любого их этих путей реализации обсуждаемого признака выбор режима осуществления воздействия магнитным полем производится на этапе отработки технологии путем подбора времени воздействия в зависимости от конкретного имеющегося в наличии оборудования для создания магнитного поля при одновременном проведении контроля достигаемой намагниченности магнетита. Очевидно, что такой контроль легче всего выполнить при выборе последнего, третьего пути осуществления воздействия магнитным полем. При выборе первого или второго путей для контроля намагниченности магнетита необходимо производть отбор проб из серпентинита или композиции в целом.
При осуществлении воздействия магнитным полем и подборе его режимов могут быть использованы, например, технология, описанная в патенте РФ № 2026991 (опубл. 20.01.1995 [18]), и магнитометр МТМ-02 (см.: Магнитометр трехкомпонентный малогабаритный МТМ-02. Руководство по эксплуатации. ООО "НТМ-Защита". Москва, 2017, [19]).
Для обеспечения наибольшей агротехнической эффективности в составе предлагаемой композиции для предполагаемого ее использования в качестве кондиционера почвы или искусственной почвы используют размолотые компоненты с размерами зерен не более 3 мм. В случае же, когда предполагается припосевное использование композиции совместно с посевным материалом, ее выполняют в гранулированном виде. В этом случае при получении композиции гранулированию подвергают указанный выше продукт, содержащий размолотые компоненты. Выполнение композиции в гранулированном виде возможно и в описываемых ниже частных случаях. В случае припосевного использования проявляются обсужденные выше свойства композиции АКМ, причем воздействие оказывается непосредственно в прикорневой зоне растений в начальной фазе их роста. Дополнительно к упомянутым свойствам при данном способе использования следует указать выделение тепла, способствующее ускорению развития растений. Предпочтительными являются размеры гранул 2-5 мм, что соответствует размерам семян, при посеве которых может использоваться предлагаемая композиция в гранулированном виде. Кроме того, при размере гранул менее 2 мм возрастают потери через сетку посевного агрегата, а при размере выше 5 мм может оказаться недостаточной скорость его действия.
Для снижения затрат на получение искусственной почвы в составе предлагаемой композиции может быть использован не очищенный от глины бурый уголь с естественным содержанием в нем природной глины, поскольку в этом случае массовое соотношение глина/бурый уголь заведомо находится в указанных выше пределах от 0,1 до 1,0.
Для повышения агротехнической эффективности предлагаемой композиции она может дополнительно содержать аммиак при отношении массы последнего к массе бурого угля от 0,001 до 0,005. При соотношении менее 0,001 теряются бактерицидные свойства композиции по отношению к болезнетворным микроорганизмам грунтов. При соотношении более 0,005 катионообменная емкость глины существенно заполняется аммиаком и становится неселективной к калию.
Получение предлагаемой композиции в этом частном случае осуществляют добавлением к смеси измельченных основных компонентов (композиции АКМ) жидкого аммиака или его водного раствора при отношении массы условно чистого аммиака к массе бурого угля, заключенном в указанных выше пределах. При этом, помимо взаимодействия аммиака с катионообменным алюмосиликатом глины с образованием частично аммонийной формы алюмосиликата, часть аммиака взаимодействует с кислотными функциональными формами, содержащимися в угле, в частности с карбоксильными группами, с образованием также аммонийной формы. Наконец, часть аммиака взаимодействует с микрофлорой почв, приводя к гибели микроорганизмов.
Для удобства транспортирования и хранения предлагаемая агротехническая композиция как при наличии в ее составе только компонентов А, К, М, так и этих компонентов с добавлением аммиака, на завершающей стадии ее изготовления может быть подвергнута брикетированию. В этом случае получение композиции, имеющей гранулометрический состав, необходимый для использования в качестве искусственной почвы или кондиционера для почвы или для припосевного использования, осуществляется непосредственно перед использованием. Конкретные размеры брикетов могут быть различными в пределах, соответствующих стандартам технологии брикетирования веществ в промышленности, и определяются технологическими и прочими предпочтениями производителя, например 100-160 мм.
Использование предлагаемой компоциции в качестве искусственной почвы или кондиционера для почвы было исследовано экспериментально. Полученные результаты иллюстрируются фигурами 1-4.
На фигурах 1-3 представлены фотографии рассады травяной культуры, выращенной в одинаковых условиях (5 дней после засева) на искусственных почвах: на фиг. 1 - серпентинит; на фиг. 2 - глина в смеси с бурым углем (по 50%); на фиг. 3 - трехкомпонентная композиция (АКМ): бурый уголь, серпентинит и глина в соотношении: 40%, 30%, 30%, соответственно, при намагниченности магнетита, сотставляющей 85% от намагниченности насыщения. Фотография для чистого угля не приводится, т.к. в чистом угле рассаду получить трудно, потому что в таком столь легком грунте корни не удерживаются. Из представленных данных видно, что наибольшая эффективность роста травы обеспечивается именно трехкомпонентной композицией АКМ (фиг. 3).
Для сравнения на фиг. 4 представлена рассада, полученная при прочих равных условиях (по истечении 5 суток после засева) на черноземе Тамбовской области, взятом в окрестности г. Мичуринска. Видно, что искусственный чернозем (фиг. 3) "работает" эффективнее, чем естественный.
Полученные результаты подтверждают ожидаемые свойства предлагаемой агротехнической композиции при использовании в качестве кондиционера для почвы или искусственной почвы.
В отношении количественных данных о влиянии магнитных свойств предлагаемой агротехнической композиции на ее агротехнические показатели как искусственной почвы или кондиционера имеются все основания для распространения на них сведений, относящихся к обладающим аналогичными свойствами известным средствам (например, по патенту [17], патенту РФ № 2113781, опубл. 27.06.1998 [20], патенту РФ № 2172100, опубл. 20.08.2001 [21] и др.).
2
4
4
-
2-
+
2+
2+
2+
Благодаря растворяющей способности корневых выделений, включающих угольную кислоту, органические кислоты и аминокислоты, происходит воздействие на твердую фазу почвы, переводящее необходимые питательные вещества и микроэлементы в доступную форму. Так, фосфор и сера усваиваются в виде анионов фосфорной и серной кислот - НРО и SO калий, кальций, магний, натрий, железо -в виде катионов К, Са, Mg, Fe, а микроэлементы - в виде соответствующих анионов или катионов. Это создает предпосылки для создания линейки растительных продуктов питания и кормов для животных с регулируемыми свойствами, способных обеспечить сбалансированный набор полезных добавок для оптимального усвоения. Получаемые по предлагаемому изобретению агрокомпозиции (искусственные черноземы и кондиционеры) создают возможность напрямую регулировать содержание тех или иных полезных веществ и микроэлементов в растительной пище, замыкая тем самым круговой цикл перемещения этих элементов в природе.
Приобретенные магнитные свойства композиции АКМ будут воздействовать на удерживаемую композицией влагу, обеспечивая дополнительные полезные возможности. Магнитное поле оказывает благоприятное воздействие и на саму воду, благодаря чему также отмечается ускорение роста сельскохозяйственных: культур.
Источники информации
1. А.С. Дурова. Биоуголь для плодородия, Ж. "Агробизнес", 04.12.2019.
2. Патент США № 8361186, опубл. 29.01.2013.
3. Европейский патент № 2658948, опубл. 03.10.2018.
4. Патент РФ № 2549876, опубл. 10.05.2015.
5. Патент США № 9809502, опубл. 01.11.2017.
6. Патент РФ № 2688620, опубл. 21.05.2019.
7. Патент РФ № 2301249, опубл. 20.06.2007.
8. Патент РФ № 2301825, опубл. 27.06.2007.
9. Патент РФ № 2005763, опубл. 15.01.1994.
10. Патент РФ № 2008302, опубл. 28.02.1994.
11. Патент РФ № 2078068, опубл. 27.04.1997.
12. Международная заявка PCT/RU95/00090, опубл. 10.10.1996.
13. Патент РФ № 2316479, опубл. 10.02.2008.
14. Патент РФ № 2505512, опубл. 27.01.2014.
15. Патент РФ № 2511296, опубл. 10.04.2014.
16. Н.И. Богатина, Н.В. Шейкина. Влияние магнитных полей на растения Ученые записки Таврического Национального университета им. В.И. Вернадского. Серия "Биология, химия". Том 23(62). 2010, № 4. С. 45-66.
17. Европейский патент № 3222603, опубл. 17.06.2020.
18. Патент РФ № 2026991, опубл. 20.01.1995.
19. Магнитометр трехкомпонентный малогабаритный МТМ-02. Руководство по эксплуатации. ООО "НТМ-Защита". Москва, 2017.
20. Патент РФ № 2113781, опубл. 27.06.1998.
21. Патент РФ № 2172100, опубл. 20.08.2001.