АГРОТЕХНИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ
AGROTECHNICAL COMPOSITION

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.
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 слабо-кислой 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 его 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.
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 близкого 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.
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 (взаимным усилением эффекта компонентов), который обсуждается ниже.
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.
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 Μ обеспечивают влагоемкость и удержание влаги предлагаемой композицией.
Синергетический эффект определяется 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 Μ обеспечивает высокую скорость аммонизации белков и разложения других компонентов, добавляемых в композицию в описываемых ниже частных случаях, ускоряя в некоторых из этих случаев процессы, происходящие при получении композиции. При этом композиция в предлагаемом составе при указанных выше соотношениях компонентов позволяет абсорбировать выделяющиеся при аммонизации газы, в том числе, сероводород и аммиак, обеспечивая повышение накопления серы и азотных удобрений в искусственной почве, избавляя от запахов, сопутствующих процессам разложения пищевых отходов, и, наконец, избавляя от необходимости использования привозного аммиака как для бактерицидной обработки почв, так и для накопления питательных элементов.
Осуществление предлагаемого изобретения с получением описанной выше композиции сводится к простому смешиванию ее измельченных компонентов А, К, М. Приемлемая степень измельчения компонентов выше не акцентируется, поскольку является очевидной - частицы искусственной почвы или кондиционера для почвы должны быть одного порядка по размерам с частицами естественной почвы сельскохозяйственного назначения.
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 повышения эффективности предлагаемой композиции за счет повышения в ней концентрации питательных элементов она может дополнительно содержать костную муку животного происхождения или рыбную костную муку в количестве до 20% от общей массы композиции. Добавление большего количества костной муки нецелесообразно, так как кислотные свойства бурого угля частично расходуются на превращение фосфата кальция, содержащегося в костях, в усваиваемый растениями гидрофосфат. При большем добавлении костной муки, как показывают испытания, ее часть остается практически бесполезной в нейтрализованных почвах.
При осуществлении изобретения с получением предлагаемой композиции в данном случае, как и в предыдущем случае, к смеси прочих компонентов добавляют жидкий аммиак или его водный раствор в количестве, при котором отношение массы условно чистого аммиака к массе бурого угля заключено в названном выше интервале 0,001-0,005.
Для повышения содержания питательных веществ в искусственной почве или в кондиционере для почвы и повышения их агротехнической эффективности в предлагаемую композицию могут быть дополнительно введены пищевые отходы животного происхождения в количестве до 45% от общей массы композиции.
При большем, чем 45%, содержании пищевых отходов возможно появление запахов, в том числе аммиака (теряемого) и аминов.
В качестве пищевых отходов могут быть использованы отходы предприятий торговли, общественного питания, производственные отходы предприятий пищевой промышленности, отходы мясокомбинатов.
В данном случае при получении предлагаемой композиции компоненты А, К, Μ перемешивают совместно с пищевыми отходами и полученную массу подвергают помолу или истиранию (в частном случае - с последующим капсулированием при близком к типичному размере капсул: 10-15 мм), а при получении композиции, содержащей аммиак в названных выше пределах (0,001-0,005 от массы бурого угля), количество добавляемого жидкого аммиака или его водного раствора может быть уменьшено по сравнению с описанными выше случаями (вплоть до нуля) благодаря образованию его в указанной массе.
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 и (или) костной муки и (или) пищевых отходов животного происхождения, 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.
Использование предлагаемой компоциции в качестве искусственной почвы или кондиционера для почвы было исследовано экспериментально. Полученные результаты иллюстрируются фигурами 1-5.
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. 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).
На фигуре 4 приведена фотография рассады, выращенной на искусственном черноземе, представляющем собой смесь предлагаемой агротехнической композиции (60%), включающей пищевые отходы животного происхождения, и грунта из Московской области (40%), причем при получении указанной агрокомпозиции использованы трехкомпонентная композиция (АКМ) указанного выше состава и пищевые отходы животного происхождения при соотношении 3:1.
Для сравнения на фиг.5 представлена рассада, полученная при прочих равных условиях (по истечении 5 суток после засева) на черноземе Тамбовской области, взятом в р-не г. Мичуринска. Видно, что искусственный чернозем "работает" эффективнее, чем естественный.
Полученные результаты подтверждают ожидаемые свойства предлагаемой агротехнической композиции при использовании в качестве кондиционера для почвы или искусственной почвы.
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 K, 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 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.
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.