МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ МЕЛИОРАЦИИ ПОЧВЫ
MATERIAL FOR THERMAL SOIL RECLAMATION

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к тепловой мелиорации, более конкретно - к составу материала для тепловой мелиорации почвы.
Тепловая мелиорация осуществляется для улучшения теплового режима почв, водного и приземного слоя воздуха (Е.П. Денисов, К.Е. Денисов, Н.П. Молчанова. Мелиорация, рекультивация и охрана земель, с. 7. Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, Саратов, 2014 [1])
Хорошо известно, что основным источником теплоты, получаемой почвой, является солнечное излучение. Другие возможные источники - внутренняя теплота земного шара и физико-химические процессы, происходящие в почве, не оказывают на ее температуру сравнимого по величине влияния (Энциклопедический словарь, т. XX, с. 489. Изд. Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. С.-Петербург, 1897 [2]).
Поэтому многие технические решения, относящиеся к тепловой мелиорации почв, так или иначе связаны с оказанием влияния на характер взаимодействия солнечного излучения с поверхностным слоем почвы. Так, еще в [2] был описан прием покрытия полей черной землей для более быстрого развития растительности. Аналогичную роль может выполнять мульчирующее покрытие специально разработанного для этой цели состава, который одновременно может служить удобрением или мелиорантом другого (не теплового) назначения, в частности, для воздействия на структуру почвы или ее химические свойства. Например, при применении мульчирующего состава по авторскому свидетельству СССР №1017707 (опубл. 15.05.1983 [3]) было зафиксировано повышение температуры почвы на 2-3°С, а также уменьшение коркообразования на почве, ускорение появления всходов хлопчатника на 3-4 дня, ускорение созревания на 8-10 дней и повышение урожайности на 5-6 ц/га.
Позднее получили распространение способы тепловой мелиорации, предусматривающие обработку почвы материалами, образующими на ее поверхности пленку (например, авторское свидетельство СССР №169932, опубл. 17.03.1965 [4]), или использование готовых полимерных пленок для накрывания почвы (например, патент РФ №2265315, опубл. 10.12.2005 [5]), в том числе - биоразлагаемых (европейский патент №2957168, опубл. 10.01.2018 [6], патент РФ №2646523, опубл. 06.03.2018 [7]). Другим путем осуществления тепловой мелиорации является придание специальной формы поверхности почвы с обеспечением определенной ориентации ее участков по отношению к преимущественному направлению падения солнечного излучения (авторское свидетельство СССР №1358810, опубл. 15.12.1987 [8]; патент РФ №2343661, опубл. 20.01.2009 [9]). Еще один путь предусматривает размещение в почве системы трубопроводов для воды и воздуха, имеющих надземные части для солнечного обогрева (патенты РФ №2706489, опубл. 19.11.2019 [10]; №2716572, опубл. 12.93.2020 [11]).
Использование пленочных покрытий, за исключением биоразлагаемых, создает проблему их удаления. Что же касается биоразлагаемых покрытий, то они дороги. Кроме того, использование пленочных покрытий усложняет технологию возделывания сельскохозяйственных культур (например, в патенте [5] предусмотрено выполнение в пленке прорезей для прохождения надземных частей растений). Реализация последних двух из названных выше путей осуществления тепловой мелиорации сопряжена с еще большей трудоемкостью.
Следует заметить, что действие средств для тепловой мелиорации, в том числе мульчирующих покрытий, может быть направлено не только на "привлечение" солнечного излучения, но и на уменьшение его воздействия. Так, в патенте РФ №2617742 (опубл. 26.04.2017 [12]) указывается, что в жаркое лето мульча защищает почву от перегрева. Мульча, поглощая солнечное излучение, приводит к гибели сорняков. Кроме того, слой мульчи толщиной в 5-7 см создает в междурядьях тень, которая мешает развитию сорняков и сокращает их рост в несколько раз.
К предлагаемому изобретению в наибольшей степени близок материал по патенту [12], содержащий в своем составе лигносульфонат, карбамид, двойной суперфосфат, карбоксиметилцеллюлозу а также золу котельных на твердом топливе и мякину. Данный материал сочетает способность влиять на восприятие почвой солнечного излучения (и поэтому относится к тепловым мелиорантам) с целым рядом других факторов воздействия на условия развития возделываемых растений. Особо следует отметить в качестве одного из достоинств материала по патенту [12] также то, что использование в его составе золы котельных и мякины способствует решению задачи их утилизации.
Однако с этой особенностью связан и фактор, негативно влияющий на тепломелиоративные свойства данного материала ввиду того, что наличие упомянутой золы в качестве преобладающего по массе компонента придает ему относительно светлый цвет и в итоге снижает эффективность с точки зрения тепломелиоративных свойств, а наличие в его составе полимерного вещества - лигносульфоната тоже препятствует поступлению тепла в объем почвы из-за увеличения теплоемкости материала. Присутствие данного компонента, используемого в промышленности в качестве ингредиента гелеобразующих систем, может ухудшить дренажные свойства материала в целом, а входящая в его состав Na-карбоксиметилцеллюлоза обладает свойством тиксотропности, что может негативно сказаться на агрегатном состоянии материала и привести к затвердеванию и растрескиванию верхнего слоя почвы. При этом все компоненты материала по патенту [12], кроме упомянутых золы и мякины, являются продуктами специального производства, что удорожает материал.
Предлагаемое техническое решение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении тепломелиоративных свойств материала по предлагаемому изобретению за счет изменения его взаимодействия с солнечным излучением и в обеспечении приближенных к естественной черноземной почве агрегатных свойств при одновременном решении задачи использования только природных компонентов. Как следствие особенностей, направленных на достижение этого технического результата, предлагаемый материал приобретает и свойства, обусловливающие другие виды технического результата, которые будут описаны в дальнейшем.
Предлагаемый материал для тепловой мелиорации почвы, как и наиболее близкий к нему известный, содержит минеральный компонент (таковым в материале по патенту [12] являются содержащиеся в золе остатки минеральных примесей твердого топлива после его сгорания).
Для достижения названного выше технического результата предлагаемый материал, в отличие от наиболее близкого к нему известного, в качестве минерального компонента содержит размолотый серпентинит и дополнительно - размолотый бурый уголь при соотношении по массе бурый уголь-серпентинит от 1,7 до 3,3.
Названная пропорция серпентинита и бурого угля обеспечивает получение рыхлой, водопроницаемой и водоудерживающей среды. Эти компоненты, взаимодействуя друг с другом, могут обеспечивают темную окраску и разрыхленную структуру материала, характерную для большинства черноземов.
Черноземовидные почвы поглощают в 2-3 раза больше энергии, чем каштановые и темно-серые почвы, и в первую очередь поглощение происходит в инфракрасном диапазоне спектра солнечной радиации (Е.И. Караванова. Оптические свойства почв и их природа, с. 59. М., Изд-во МГУ, 2003 [13]). Поскольку темную окраску предлагаемого материала, а следовательно и степень поглощения инфракрасного излучения, обеспечивает бурый уголь, то появляется возможность регулирования температурного баланса почвы подбором состава материала в указанной выше пропорции.
На микроуровне поверхность нанесенного на почву материала состоит из частичек серпентинита и бурого угля, и совокупное восприятие окраски определяется соотношением площадей, которые занимает на поверхности каждый из окрашенных компонентов. Частички более светлой компоненты материала - серпентинита эффективно отражает длинноволновую (видимую) часть солнечного спектра в направлении зеленой надземной части растений, интенсифицируя процесс фотосинтеза.
Как отмечалось выше, предлагаемый материал для тепловой мелиорации почв, как и наиболее близкий к нему материал по патенту [12], обладает и другими возможностями воздействия на условия развития возделываемых растений. Приведенный интервал значений (1,7-3,3) соотношения по массе бурый уголь-серпентинит важен и для реализации этих возможностей. Последние обусловлены следующими факторами.
Компонент предлагаемого материала серпентинит наряду со свойствами основания обладает анионообменными свойствами (см., например, патент РФ №2316479, опубл. 10.02.2008 [14]). Присущая ему анионообменная емкость 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.
Компонент бурый уголь содержит в связанном состоянии гуминовые вещества и является источником органических веществ. Кроме того, именно бурый уголь, обладая малым удельным весом, обеспечивает разрыхленную структуру материала, придавая ему свойства почвенного мелиоранта.
Серпентинит и бурый уголь содержат комплексы полезных микроорганизмов, минерализуют органические вещества, связывают азот воздуха, обеспечивая тем самым более глубокие слои почвы питанием на протяжении всей вегетации растений.
Сочетание этих компонентов обеспечивает высокую скорость аммонизации белков и разложения других компонентов, находящихся в подстилающей поверхности. При этом материал, имеющий предлагаемый состав, может абсорбировать выделяющиеся при аммонизации газы, в том числе, сероводород и аммиак, обеспечивая повышение накопления серы и азотных удобрений в объеме почвы, и способствует накоплению питательных элементов.
Кроме того, наличие серпентинита, как показывают проведенные эксперименты, позволяет без использования активных щелочей и кислот в присутствии корневой системы растений извлекать из бурого угля гуминовые вещества, а также углеродсодержащие компоненты, потребляемые растениями.
Однако при соотношении бурый уголь-серпентинит, превышающем верхний предел (3,3) приведенного выше интервала, масса серпентинита, обладающего свойствами основания, уменьшается настолько, что материал в целом может оказаться кислым. Это сужает область его применения, т.к. в таком случае он не может быть использован для кислых почв. При соотношении же менее нижнего предела (1,7) материал приобретает более светлую окраску и имеет место такое уменьшение общего содержание гуминовых веществ в материале по сравнению с исходным содержанием их в буром угле, которое весьма нежелательно с точки зрения агротехнической эффективности.
Для обеспечения наибольшей агротехнической эффективности в составе предлагаемого материала целесообразно использование размолотых компонентов с размерами частиц не более 4 мм. При большем размере частиц вследствие уменьшения их суммарной поверхности снижается интенсивность описанных выше эффектов взаимодействия веществ, содержащихся в компонентах материала, друг с другом и веществами почвы.
Использование предлагаемого материала было испытано в климатических условиях Московской области на двух участках площадью по 0,004 га каждый, один из которых был покрыт слоем материала толщиной в среднем 4 см. Были использованы серпентинит Беденского месторождения и бурый уголь Подмосковного бассейна. Компоненты материала при массовом соотношении бурый уголь-серпентинит, равном 2,3, были измельчены до размера частиц не более 4 мм и смешаны.
На обоих участках был произведен посев семян огурцов. При примерно одинаковой по количеству растений всхожести на обработанном материалом участке начало цветения было зафиксировано на 6 дней раньше, чем на другом участке, а появление первых завязей - на 8 дней раньше. Было отмечено также более слабое развитие сорной растительности. Во время имевшего место через 5 дней после посева похолодания температура почвы на уровне заделки семян на обработанном материалом участке оказалась в среднем на 2,1°С выше, чем на необработанном. Сбор плодов (по массе) с обработанного участка в пересчете на одно растение оказался на 19% больше, чем с необработанного участка.
Результаты проведенного испытания подтверждают теоретические соображения об эффективности применения предлагаемого материала.
Источники информации
1. Е.П. Денисов, К.Е. Денисов, Н.П. Молчанова. Мелиорация, рекультивация и охрана земель, с. 7. Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, Саратов, 2014.
2. Энциклопедический словарь, т. XX, с. 489. Изд. Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. С.-Петербург, 1897.
3. Авторское свидетельство СССР №1017707, опубл. 15.05.1983.
4. Авторское свидетельство СССР №169932, опубл. 17.03.1965.
5. Патент РФ №2265315, опубл. 10.12.2005.
6. Европейский патент №2957168, опубл. 10.01.2018.
7. Патент РФ №2646523, опубл. 06.03.2018.
8. Авторское свидетельство СССР №1358810, опубл. 15.12.1987.
9. Патент РФ №2343661, опубл. 20.01.2009.
10. Патент РФ №2706489, опубл. 19.11.2019.
11. Патент РФ №2716572, опубл. 12.93.2020.
12. Патент РФ №2617742, опубл. 26.04.2017.
13. Е.И. Караванова. Оптические свойства почв и их природа. М., Изд-во МГУ, 2003.
14. Патент РФ №2316479, опубл. 10.02.2008.