Способ получения субстрата для выращивания сельскохозяйственных культур на основе модифицированной коры хвойных древесных пород
METHOD FOR OBTAINING A SUBSTRATE FOR GROWING CROPS BASED ON MODIFIED BARK OF CONIFEROUS TREE SPECIES

Изобретение относится к переработке отходов лесопромышленного комплекса и к сельскому хозяйству, а именно к производству субстратов для тепличных и парниковых хозяйств и может быть использовано при выращивании овощных культур. Субстрат включает модифицированную кору лиственницы, сосны, пихты, насыщенную микроудобрениями.
Известен способ получения субстрата, включающего измельчение коры до частиц размером 8 - 10 мм, смешивание с азотными и фосфорными минеральными удобрениями, и цеолитом гейландитклиноптилолитовой формы фракции 0,5 - 3,0 мм при соотношении компонентов, мас. %: кора с минеральными добавками 90; цеолит 10. Смесь увлажняют до 60 – 70 %, компостируют при периодическом перемешивании для аэрации в течение 2 - 3 месяцев и используют в качестве тепличного грунта [RU Пат. 2115300 C1 МПК A01G31/00, опубл. 20.07.1998 бюл. № ]. Субстрат повышает укореняемость черенков древесных растений на 7 – 40 % по сравнению с известными, приживаемость укорененных черенков на 10 – 28 %, ускоряет рост и развитие растений.
Недостатком способа является недостаточно высокая эффективность получаемого субстрата, связанная с крупностью частиц коры (8-10 мм). Кора с мелкой фракцией (0,5 – 3 мм) имеет более развитую поверхность, и большую сорбционную емкость по отношению к азотным и фосфорным минеральным удобрениям при увлажнении смеси, что увеличит эффективность применения субстрата. Кроме того, недостатками данного способа являются длительный срок компостирования при периодическом перемешивании для аэрации (от 2 до 3 месяцев) и соответственно высокая энергоемкость, связанная с энергозатратами на стадии использования стационарных смесительных установок.
2
2
2
2
Известен способ получения удобрения из коры, хранившейся в отвалах более 5 лет [RU Пат 2053986C1, МПК C05А11/00, опубл. 10.02.1996 бюл.№], который включает аэрацию коры, фракционирование и выделение фракции частиц не более 3 мм. Смесь подготовленной таким способом коры, птичьего помета, опилок вносили в почву методом мульчирования в дозах 1 кг/м, 3 кг/м, 4 кг/м перед посадкой рассады огурцов. Наиболее эффективная доза внесения смеси - 1 кг/м, прибавка урожая в этом случае составляла 63,27 кг (или 51 %).
Недостатком способа является то, что использование необработанной коры как компонента субстрата может привести к токсичности почв и гибели растений, поскольку при их поливе происходит вымывание из коры экстрактивных водорастворимых соединений и снижение кислотности почв.
Известен способ получения органоминерального удобрения пролонгированного действия, включающий измельчение коры ели и дуба, их перемешивание, добавление адсорбента и источника микроэлементов - алюмосиликатного минерала (мусковита, флогопита, вермикулита, а также оливина) предварительно подвергнутого химической обработке и очистке, осуществляемой в два этапа: на первом – выдержка минерала в муравьиной кислоте в течение 4 – 5 суток при температуре 0 – 35 °С, промывание водой, высушивание, на втором этапе – выдержка в растворе окислителя (раствора гипохлорита натрия) в течение 5 – 10 минут, выпаривание окислителя при температуре 35 °С. Смесь органического и минерального компонентов увлажняют отваром трав (крапива, полынь в равных пропорциях). Увлажненное отваром удобрение компостируют в течение 2-3 суток в аэробных условиях. Применяют удобрение в смеси с водой в соотношении 1:3 [RU Пат 2 496 752С1, МПК C05G1/00, опубл. 27.10.2013 бюл. № 30].
Однако данный способ также имеет недостатки: химическая обработка и двух стадийная очистка алюмосиликатного минерала в процессе изготовления удобрения увеличивает энергетические, материальные затраты и продолжительность производства. Кроме того, недостатком является возникновение различных жидких отходов, которые требуют утилизации (отработанные муравьиная кислота и раствор гипохлорита натрия, промывные воды).
3
Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является способ получения фосфорно-калийных удобрений на основе измельченной коры лиственницы, сосны, осины (фракция частиц 0,25-1,0 мм) [RU Пат 2 673 751С1, МПК C05D 1/02, C05B 17/00, C05G 1/00, опубл. 29.11.2018, бюл. № 34]. Предварительно кора подвергается обработке 1% водным раствором щелочи при температуре 90°С, гидромодуле 10 в течение 60 мин при перемешивании; фильтрации; трехкратной промывке водой в течение 45 минут каждая, при комнатной температуре (гидромодуль 5) и перемешивании; фильтрации от промывных вод; нейтрализации 0,1 N раствором HNO при гидромодуле 5 в течение 30 мин; отделению кислоты фильтрацией; двукратной промывки водой при гидромодуле 4 в течение 30 мин; фильтрации от промывных вод и сушки до воздушно-сухого состояния при 50°С. Затем обработанную таким образом кору пропитывают при комнатной температуре водным раствором KH2PO4 или K2HPO4×3H2O с рассчитанными концентрациями растворов солей таким образом, чтобы удобрения содержали от 2,0 до 7,0 мас. % фосфора; выдерживают перед сушкой в течение 1 часа; сушат до воздушно-сухого состояния при температуре 100°С; пропитывают раствором хлорида или нитрата кальция при мольном соотношении Р:Са, равном 1:2; выдерживают в течение 24 часов до воздушно сухого состояния
Недостаток указанного способа получения удобрения заключается в том, что процесс требует больших затрат времени, характеризуется высокой энергоемкостью, связанной с энергозатратами из-за многостадийности процесса получения удобрения.
Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка более экспрессного, менее энергозатратного способа получения субстрата на основе коры хвойных древесных пород и позволяет снизить стоимость целевого продукта.
Технический результат достигается тем, что способ получения субстрата для выращивания сельскохозяйственных культур на основе модифицированной коры хвойных древесных пород, включает измельчение коры хвойных древесных пород до размеров частиц 0,5 – 1,0 мм, ее модификацию путем обработки коры смесью, состоящей из водного раствора серной или азотной кислоты концентрацией 0,3 % или гидроокиси натрия с концентрацией 0,3 % и водного раствора формальдегида, при нагревании до 50 °С в течение 15 минут, затем кору фильтруют, промывают дистиллированной водой до рН равного 5-6, высушивают в сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 1 часа и пропитывают комплексным водорастворимым минеральным удобрением “Люкс” в течение суток, сушат на воздухе до воздушно-сухого состояния и смешивают с почвой в количестве 25-75 мас. %.
Предлагаемый способ отличается от прототипа компонентами модифицирования и пропитки коры, меньшей концентрацией водного раствора щелочи, низким температурным режимом, меньшей продолжительностью химической обработки.
Перечисленные выше признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены, что обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Необходимость создания настоящего изобретения обусловлена тем, что разработка новых технологий изготовления субстратов на основе отходов лесопромышленного комплекса позволяет утилизировать многотоннажные отходы и повысить урожайность сельскохозяйственных культур, необходимых населению.
Изобретение поясняется чертежами:
На фиг. 1 представлено СЭМ-изображение модифицированной коры сосны, насыщенной макро- и микроэлементами (а); энерогодисперсионный спектр минеральных включений (б). Светлые области с белыми точками на фото (а) – агрегаты, содержащие минеральные включения: S – 6.1, K – 13.7, Ca – 80,3 вес. %.
а
б
Phaséolus vulgáris
в
г
д
е
На фиг.2 представлены измеренные величины длины () и массы () побегов фасоли обыкновенной(), содержание в них влаги (), длины () и массы () корневой системы, общей массы, включающей массы наземных частей побегов растений и их корневых систем в пересчете на одно растение (), произрастающих в субстратах с различным соотношением «почва/насыщенная микроудобрением модифицированная кора сосны» - 90/10; 75/25; 50/50; 25/75; 0/100 мас. %.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
Larix sibirica
Pinus sylvestris
Abies sibirica
3
3
В качестве сырья используют кору хвойных древесных пород – лиственницы, сосны, пихты. Влажную кору высушивают при комнатной температуре до постоянной влажности, измельчают до фракции частиц 0,5 – 1 мм, модифицируют [Семенович А.В. Сорбционные свойства модифицированной коры  L.,  L.,  L.: Автореф. дис... канд. хим. наук: 05.21.03. Красноярск: Сиб. гос. технол. ун-т, 2013. 21 с.7] в аппарате, снабженном рубашкой для обогрева, автоматическим устройством для регулирования температуры, мешалкой и обратным холодильником. Расчет количества реагентов для модифицирования основывается на том, что количество вещества полифенольных соединений коры и количество вещества формальдегида было равным, а отношение «формальдегид/катализатор (кислота, или щелочь)» составляет 1/441. Таким образом в аппарат помещают смесь, состоящую из 300 см водного раствора кислоты (серной или азотной), или гидроокиси натрия с концентрацией 0,3 % в воде и 0,6 см37 % водного раствора формальдегида и нагревают до температуры 50°С, затем добавляют 20 г коры измельченной коры и выдерживают в течение 15 мин при 50°С. После окончания модифицирования, смесь отфильтровывают и промывают дистиллированной водой до рН равного 5-6, выдерживают в сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 1 часа и досушивают на воздухе до воздушно-сухого состояния. Модифицированную кору пропитывают комплексным водорастворимым минеральным удобрением «Люкс» в течение суток, сушат на воздухе до воздушно-сухого состояния и используют в качестве компонента субстрата для выращивания растений, смешивая с почвой в количестве              25-75 мас. %.
Пример 1.
3
3
Влажную кору сосны (или лиственницы, пихты, кору смешанных хвойных древесных пород) высушивают при комнатной температуре до постоянной влажности, измельчают до фракции частиц 0,5 – 1 мм. Модифицирование коры осуществляют в аппарате, снабженном рубашкой для обогрева, автоматическим устройством для регулирования температуры, мешалкой и обратным холодильником. В аппарат помещают смесь, состоящую из 300 см 0,3 % раствора серной кислоты и 0,6 см37 % водного раствора формальдегида и нагревают до температуры 50°С, затем добавляют 20 г коры измельченной коры (фракция частиц 1 ÷ 0,5 мм) и выдерживают в течение 15 мин при 50 °С. После окончания модифицирования, смесь отфильтровывают и промывают дистиллированной водой до рН равного 5-6, выдерживают в сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 1 часа и досушивают на воздухе до воздушно-сухого состояния. Модифицированную кору пропитывают комплексным водорастворимым минеральным удобрением «Люкс» в течение суток, сушат на воздухе до воздушно-сухого состояния. Для получения субстрата смешивают 25 мас. % модифицированной коры сосны, насыщенной микроудобрениями с 75 мас. % почвы.
Пример 2.
3
3
Влажную кору сосны (или лиственницы, пихты, кору смешанных хвойных древесных пород) высушивают при комнатной температуре до постоянной влажности, измельчают до фракции частиц 0,5 – 1 мм. Модифицирование коры осуществляют в аппарате, снабженном рубашкой для обогрева, автоматическим устройством для регулирования температуры, мешалкой и обратным холодильником. В аппарат помещают смесь, состоящую из 300 см 0,3 % раствора азотной кислоты и 0,6 см37 % водного раствора формальдегида и нагревают до температуры 50°С, затем добавляют 20 г коры измельченной коры (фракция частиц 1 ÷ 0,5 мм) и выдерживают в течение 15 мин при 50 °С. После окончания модифицирования, смесь отфильтровывают и промывают дистиллированной водой до рН равного 5-6, выдерживают в сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 1 часа и досушивают на воздухе до воздушно-сухого состояния. Модифицированную кору пропитывают комплексным водорастворимым минеральным удобрением «Люкс» в течение суток, сушат на воздухе до воздушно-сухого состояния. Для получения субстрата смешивают 50 мас.% модифицированной коры сосны, насыщенной микроудобрениями с 50 мас. % почвы.
Пример 3.
3
3
Влажную кору сосны (или лиственницы, пихты, кору смешанных хвойных древесных пород) высушивают при комнатной температуре до постоянной влажности, измельчают до фракции частиц 0,5 – 1 мм. Модифицирование коры осуществляют в аппарате, снабженном рубашкой для обогрева, автоматическим устройством для регулирования температуры, мешалкой и обратным холодильником. В аппарат помещают смесь, состоящую из 300 см 0,3 % раствора гидроокиси натрия и 0,6 см37 % водного раствора формальдегида и нагревают до температуры 50°С, затем добавляют 20 г коры измельченной коры (фракция частиц 1 ÷ 0,5 мм) и выдерживают в течение 15 мин при 50 °С. После окончания модифицирования, смесь отфильтровывают и промывают дистиллированной водой до рН равного 5-6, выдерживают в сушильном шкафу при температуре 50°С в течение 1 часа и досушивают на воздухе до воздушно-сухого состояния. Модифицированную кору пропитывают комплексным водорастворимым минеральным удобрением «Люкс» в течение суток, сушат на воздухе до воздушно-сухого состояния. Для получения субстрата смешивают 75 мас. % модифицированной коры сосны, насыщенной микроудобрениями с 25 мас. % почвы.
Изображение модифицированной коры сосны, насыщенной макро- и микроэлементами, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа до смешивания с почвой приведены на фиг. 1.
Avena sativa
Phaséolus vulgáris
Vicia faba
Предлагаемый субстрат был испытан для выращивания растений овса обыкновенного (), фасоли обыкновенной () и бобов обыкновенных (L.). Испытания проводили в соответствии с ГОСТ Р ИСО 22030-2009. Некоторые результаты испытаний приведены на фиг.2.
Оценку ростостимулирующей активности почвосмесей проводили сравнением измеренных величин побегов и корневой системы фасоли, овса и бобов. В качестве контроля использовали песок и почву.
Максимальные величины длины и массы побегов овса, содержание в них влаги, длины корня и массы корневой системы, а также массы, включающей массы наземных частей побегов растений и их корневых систем в пересчете на одно растение достигались при использовании почвенной смеси соотношением «почва/насыщенная микроудобрением модифицированная кора» равным 75/25 мас. %.
Наибольшей массой, включающей массы наземных частей побегов растений и их корневых систем в пересчете на одно растение обладали фасоль, выращенная в насыщенной микроудобрением модифицированной коре сосны без добавления почвы (0,317 г) и в почвосмесях составом 25/75 мас. % (0,313 г) и 50/50 мас. % (0,303 г). Тест-растения, произрастающие в насыщенной микроудобрением модифицированной коре сосны без добавления почвы, отличаются наибольшей массой корневой системы при относительно небольшой длине корня, а побеги растений содержат большое количество влаги.
2
4
Максимальные величины длины побегов бобов (33,25 см), наибольшее содержание влаги (93,44 %), максимальные величины массы побегов бобов в пересчете на одно растение (5,70 г), максимальные величины средней длины корня в пересчете на одно растение (6,93 г), количество ответвлений корня (37 шт.), наибольшей сырой массой, включающей массы наземных частей побегов растений и их корневых систем в пересчете на одно растение (11,40 г) достигались при использовании почвенной смеси соотношением «почва/насыщенная микроудобрением модифицированная кора сосны, катализатор HSO» равным 75/25.
3
Хорошие показатели получены для побегов бобов, выращенных при использовании почвенной смеси соотношением «почва/насыщенная микроудобрением модифицированная кора сосны, катализатор HNO» равным 25/75 (величины длины побегов - 28,75 см, содержание влаги - 92,08 %, величины массы побегов бобов в пересчете на одно растение - 2 г, величины средней длины корня в пересчете на одно растение - 5,52 г, количество ответвлений корня в среднем 29 шт., сырой массой, включающей массы наземных частей побегов растений и их корневых систем в пересчете на одно растение - 5,44 г) и при использовании почвенной смеси соотношением «почва/насыщенная микроудобрением модифицированная кора сосны, катализатор NaOH» равным 25/75 (величины длины побегов - 26,37 см, содержание влаги - 92,77 %, величины массы побегов бобов в пересчете на одно растение - 4,95 г, величины средней длины корня в пересчете на одно растение бобов - 4,56 г, количество ответвлений корня - 38,88 шт., сырая масса, включающая массу наземных частей побегов растений и их корневых систем в пересчете на одно растение - 9,44 г.
Таким образом, использование модифицированной коры сосны, насыщенной микро- и макроэлементами как субстрата и добавление её в почву способствует лучшему росту и развитию растений по сравнению с использованием в качестве субстрата почвы. Общая масса растений овса, произрастающих в субстратах с добавлением насыщенной микроудобрением модифицированной коры сосны выше до 67,74 %, фасоли до 90,96 % по сравнению с растениями, произрастающими в почве. Наиболее благоприятные условия для роста растений получены при использовании субстрата, состоящего из почвы с добавлением насыщенной микроудобрением модифицированной коры в количестве от 25 до 75 мас. %. Используемый при модифицировании коры катализатор оказывает влияние на рост растений (на примере бобов). Наилучшим образом бобы развивались в почвосмесях, содержащих модифицированную кору в присутствии серной кислоты как катализатора и соотношении «почва/модифицированная кора» - 75/25; в присутствии азотной кислоты как катализатора, соотношении 25/75 и в присутствии гидроокиси натрия как катализатора соотношение 25/75.
На основании выше изложенного можно сделать следующие выводы:
1. Способ модифицирования коры для получения компонента субстрата отличается от предложенных ранее простотой и экспрессностью, не требует употребления дорогостоящих модификаторов и реагентов, высококачественного сырья и разделения его по породам.
2. Модифицированная кора хвойных древесных пород обладает высокой сорбционной способностью по отношению к элементам питания, хорошей набухаемостью, пористостью, не содержит токсичных элементов и ее использование в качестве компонента субстрата эффективно.