КОМПОЗИЦИЯ ИЗ ВЛАГОСОРБЕНТОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОЧВ ОТ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ
COMPOSITION FROM MOISTURE SORBENTS FOR SOIL PROTECTION AGAINST WATER EROSION

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к мелиорации почв, в частности к составам и способам для борьбы с водной эрозией почв.
Известен способ (SU, а.с. СССР №1790593, C09K 17/00, Б.И. №3 от 23.01.93) создания профилактического покрытия против ветровой и водной эрозии грунтов, включающий приготовление водного раствора поливинилового спирта и его внесение в поверхностный слой грунта с последующим замораживанием всего объема полимерсодержащего грунта в течение 2-10 суток.
Недостатком является то, что такой полимерсодержащий грунт имеет ограниченный период применения, т.е. нестабилен и разрушается, переходя в водный раствор в период положительных температур, что недостаточно эффективно против закрепления грунта.
Известен состав и способ (SU, а.с. СССР №865888, C09K 17/00 // A01B 13/16, Б.И. №35 от 25.09.81) для создания профилактического покрытия против водной эрозии, состоящий во внесении в почву отходов от переработки нефтепродуктов.
Недостатком является токсичность отходов нефтеперерабатывающей промышленности, что приводит к загрязнению почвы.
Известна композиция (SU, а.с.№2267514, C09K 17/40, Б.И. №01 от 10.01.2006) в способе приготовления водного раствора поливинилового спирта и внесение влагосорбента, в качестве которого используют порошок бентонитовой глины в смеси с семенами многолетних трав, удобрений и гуматов.
Недостатком является то, что поливиниловый спирт, при некоторой передозировке, образует водонепроницаемую плотную пленку на поверхности почвы, которая препятствует росту растений и нарушает водно-воздушный режим почвы.
Известна композиция (SU, а.с. №192405, C08f, Б.И. №5 от 06.11.1967) для получения комплексного удобрения со свойствами структурообразователя почвы, включающая химическую обработку полиакриламида.
Недостатком является то, что при введении в композицию различных солей она хорошо растворяется в воде, что приводит к неспособности поглотить большое количество воды в почве и быстрому вымыванию питательных элементов из почвы. При этом технология приготовления композиции трудоемка и энергозатратна.
Известен состав для мелиорации (SU, а.с. №2071496, C09K 17/00, от 01.10.97), включающий органическую основу и минеральные компоненты, при этом в качестве органической основы он содержит сапропель - 40-90 мас.%, а в качестве минерального компонента - цеолит или бентонитовую глину, или доломит - 10-60 мас.%.
Недостатком является то, что состав для мелиорации направлен на оструктуривание почв, но недостаточно эффективен во влагопоглотительной и влагоудерживающей способности почвы.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является композиция (SU, а.с. №2267513, C09K 17/14, БИ №01 от 10.01.2006) для защиты грунтов от эрозии, которая содержит раствор поливинилового спирта и инициатор гелеобразования, в качестве которого используется карбоксиметилцеллюлоза.
Недостатком изобретения является то, что при гелеобразовании на поверхности песчаного субстрата скапливается большая доля внесенного в почву полимера с образованием плотной пленки на поверхности. Это обстоятельство негативно влияет на водно-физические свойства почвы, т.е. препятствует свободному прохождению влаги к корням растений, тем самым образуя сбегание водного потока вниз по склону и развитие процессов водной эрозии.
Сущность изобретения в создании композиции из влагосорбентов для защиты почв от водной эрозии, состоящей из четырех компонентов, способствующей улучшению водно-физических свойств почвы.
Технический результат заявленного изобретения - повышение урожайности сельскохозяйственных культур, увеличение плодородия почвы и защита ее от водной эрозии.
Технический результат достигается тем, что в качестве влагосорбентов предлагается использовать: гидрогель на основе полиакриламида, сапропель, глауконитовый песок и ракушечник, что способствует увеличению водопроницаемости и влагоемкости почвы.
С учетом стоимости на полимер гидрогель «Штокосорб» немецкого производства закупали в компании ООО «Ашленд Евразия» (г.Москва). С учетом цели и области применения был выбран гидрогель марки Medium с размером гранул 0,8÷2 мм. Гидрогель «Штокосорб» имеет показатель остаточного акриламида 0,05% и очень высокую набухаемость. Гидрогель представляет собой коллоидный гель, средой которого является вода, а дисперсная фаза частично соединяется с водой с образованием желеобразного материала. По своей сути гидрогели гидрофильны (т.е. любят воду) благодаря многочисленным полярным группам. Гидрогель выдерживает широкий диапазон температур: от - 21°C до +100°C. Он не токсичен для растений, почвенных организмов и грунтовых вод. По истечении срока годности полностью распадается на аммоний, углекислый газ и воду. Основным его недостатком является высокая стоимость.
Глауконитовый песок Аютинского месторождения Ростовской области является природным сорбентом, представителем слоистых и сложно-ленточных силикатов. Глаукониты снижают заболеваемость растений, активизируют деятельность полезных микроорганизмов в почвах. Положительный эффект достигается в результате пролонгирующего действия в качестве удобрения в течение ряда лет, а также долговременного улучшения структуры и геохимического типа почв.
Для разработки композиции в нашем варианте выбран сапропель Семикаракорского месторождения Ростовской области. Сапропель представляет собой желеобразную массу почти черного цвета. Материалом для образования сапропелей являлись остатки организмов, населяющие толщу донных отложений воды (фито- и зоопланктон) и ее поверхность, высшие водные растения (макрофиты) и продукты их распада, а также поступающие с водосбора растворенные вещества и минеральные частицы.
Ракушечник Мишкинского месторождения (Аксайский район) Ростовской области является разновидностью известняка, который состоит преимущественно из обломков раковин морских животных. Имеет широко развитую капиллярную систему в своей микроструктуре, которая заполнена воздухом, благодаря этому улучшает водно-физические свойства почвы.
Совместное использование компонентов позволит эффективно противостоять процессам эрозионного смыва.
Для изучения процесса водопроницаемости, а также по выявлению оптимального состава всей композиции были проведены лабораторные эксперименты.
Лабораторные исследования проводились в эколого-аналитической лаборатории ФГНУ «РосНИИПМ». Лаборатория аккредитована в системе Саал, аттестат аккредитации №РОСС RU 0001.512.581, действует до 08.08.2010 г.
Результаты анализа до внесения композиции из влагосорбентов представлены в таблицах 1 и 2. В таблице 3 представлены варианты по определению оптимального состава композиции из влагосорбентов. Результаты, показывающие положительный эффект от внесения композиции из влагосорбентов, представлены в таблицах 4 и 5.
Результаты механического и микроагрегатного анализа влагосорбентов и почвы представлены в таблице 1. Анализ таблицы показывает, что в механическом составе глауконитового песка и ракушечника преобладают фракции 0,25÷0,05 мм (66,78% и 37,48%), следовательно, частицы данной фракции обеспечивают хорошую водопроницаемость и водоподъемную способность почвы. В сапропеле преобладают фракции размером более 0,25 мм (45,06%), в почве - 0,05÷0,01(39,92%). По микроагрегатному составу содержание физической глины в почве 30,05%, т.е. почва тяжелосуглинистая.
В таблице 2 представлены результаты анализа по содержанию тяжелых металлов в каждом из влагосорбентов, которые показывают, что в почву вносилась экологически чистая композиция, т.е. превышений ПДК (Методика по организации и ведению мониторинга орошаемых земель под ред. Скуратова Н.С. Новочеркасск, НГМА, 2000. - 51 с, стр.34-37) не обнаружено.
В таблице 3 приведены результаты опытов по определению оптимального состава влагосорбентов композиции, для этого проводились лабораторные опыты с экспериментально заданной долей каждого из влагосорбентов (в процентах по отношению к общему объему всех четырех компонентов влагосорбента).
По 1 варианту таблицы 3 видно, что при большом процентном соотношении гидрогеля (10%), маленьком сапропеля (5%) и глауконитового песка (5%) происходит быстрое впитывание воды почвой (0,5 мм/мин), но нет удобрительного действия на почву. По 2 варианту при небольшом количестве глауконитового песка (10%) нет значительного разрыхляющего и оструктуривающего действия на почву.
Таблица 1
Механический и микроагрегатный анализ влагосорбентов и почвы
№
Влагосорбент
Гигроскоп, вода, %
% содержание фракций, размер фракций в миллиметрах
Физический песок
Физическая глина
>0,25
0,25-0,05
0,05-0,01
0,01-0,005
0,005-0,001
<0,001
Механический состав
1
Гидрогель
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2
Глауконитовый песок
2,67
25,28
66,75
0,99
0,33
1,27
5,38
93,02
6,98
3
Сапропель
3,84
45,06
18,87
16,55
4,32
9,24
5,96
80,48
19,52
4
Ракушечник
-
35,70
37,48
14,8
4,46
2,80
4,76
87,98
12,02
5
Почва (контроль)
2,04
2,64
27,39
39,92
3,90
6,23
19,92
69,95
30,05
Микроагрегатный состав
1
Гидрогель
-
-
-
-
-
-
-
-
-
2
Глауконитовый песок
2,67
-
96,61
2,03
0,12
0,64
0,60
98,64
1,36
3
Сапропель
3,84
-
70,70
22,99
1,33
1,68
3,30
93,69
6,31
4
Ракушечник
-
-
76,48
17,98
2,58
2,08
0,88
94,46
5,54
5
Почва (контроль) суглинок тяжелый
-
-
45,91
49,56
1,84
1,47
1,22
95,47
30,05
Таблица 2
Содержание подвижных форм тяжелых металлов в влагосорбентах
Влагосорбент
Содержание тяжелых металлов, мг/кг влагосорбента
Cd
Zn
Ni
Co
Mn
Гидрогель
-
-
-
-
-
Глауконитовый песок
0,08
5,3
0,52
0,03
23,0
Сапропель
1,58
12,9
9,0
1,4
495,0
Ракушечник
0,06
2,34
0,9
0,06
18,8
Композиция из влагосорбентов по 3 варианту с небольшим количеством ракушечника (20%), сапропеля (20%) и уменьшением количества гидрогеля (3%) не оказывает значительного влияния на накопление питательных элементов в почве и происходит уменьшение влагопоглотительной способности почвы (0,1 мм/мин). В 4 варианте происходит быстрое впитывание воды почвой (1,2 мм/мин), улучшение водопрочности структуры, удобрительный эффект. По 5 варианту композиция из влагосорбентов с небольшим количеством сапропеля (7%) оказывает незначительное влияние на среднюю скорость впитывания в первый час наблюдений (0,08 мм/мин). По 6 варианту при наименьшем количестве гидрогеля (1%) и наибольшем глауконитового песка (50%) происходит нарушение водно-воздушного режима почвы, вследствие чего самая маленькая скорость впитывания в первый час наблюдений (0,01 мм/мин).
На основании проведенного анализа таблицы 3 выбран оптимальный состав композиции из влагосорбентов, включающий гидрогель, глауконитовый песок, сапропель, ракушечник: соответственно 1:27:52:20%.
Таблица 3
Варианты по определению оптимального состава композиции из влагосорбентов
№ варианта, % в композиции
№
Влагосорбент композиции
1
2
3
4
5
6
1
Гидрогель
10
2
3
1
8
1
2
Глауконитовый песок
5
10
57
27
30
50
3
Сапропель
5
40
20
52
7
25
4
Ракушечник
80
48
20
20
55
24
Средняя скорость впитывания в первый час наблюдений, мм/мин
0,5
0,2
0,1
1,2
0,08
0,01
Композицию готовят в следующей последовательности: сапропель сушат до влажности 10-15%, ракушечник дробят до получения частиц размером 4-7 мм, затем сапропель с размером частиц 0,2-0,7 мм и ракушечник смешивают с глауконитовым песком (размер частиц 0,25-0,05). Все указанные влагосорбенты смешивают с гидрогелем (размер гранул 0,8-2 мм) в оптимальном составе и вносят в верхний 10-ти сантиметровый слой почвы в период посева.
Распределение композиции из влагосорбентов осуществляется с учетом предварительной почвенно-картографической оценки орошаемого поля, т.е. учитываются почвенно-климатические, гидрогеологические условия, геоморфологические особенности поля для наиболее рационального внесения и длительного действия.
При интенсивном поливе сначала происходит набухание гидрогеля в 3-4 раза больше своего веса, который превращается в мягкие прозрачные гранулы, способные поглощать большую часть воды. В то же время ракушечник и глауконитовый песок оказывают оструктуривающее и водоудерживающее действие на почву. Улучшение механической структуры, влагопоглотительной и влагоудерживающей способности почвы, увеличение в почве гумуса и основных питательных элементов достигается в результате органического обмена между сапропелем и почвой.
В таблице 4 рассчитаны коэффициенты дисперсности и структурности почвы (Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М., Агропромиздат, 1986. - 416 с, стр.69-70). Анализ таблицы показывает, что фактор дисперсности при внесенной композиции в почву в 2 раза меньше - 3% (т.к. происходит уменьшение степени разрушения микроагрегатов в воде), чем в почве до внесения композиции из влагосорбентов - 6%. Повышение степени агрегатности и гранулометрического показателя структурности означает улучшение водопрочности структуры почвы и увеличение потенциальной способности ее к оструктуриванию.
Таблица 4
Коэффициенты дисперсности и структурности почвы
Фактор дисперсности по Н.А. Качинскому, %
Фактор структурности по Фагелеру, %
Степень агрегатности по Бэйверу и Роадесу, %
Гранулометрический показатель структурности по А.Ф.Вадюниной, %
Почва (контроль)
6
94
45
0,4
Почва + композиция (оптимальный состав)
3
97
82
1,3
В таблице 5 приведены данные по содержанию основных питательных элементов в почве, что подтверждает положение о том, что почва с внесенной в нее композицией содержит 3,0% гумуса, по сравнению с гумусом почвы на контроле (2,4%), а также происходит увеличение содержания азота, фосфора и калия.
Таблица 5
Содержание основных питательных элементов в влагосорбентах и почве
№
Влагосорбент
Содержание питательных элементов в влагосорбентах и почве, мг/кг
Гумус, %
NO<sub>3</sub>
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
K<sub>2</sub>O
1
Гидрогель
-
-
-
-
2
Глауконитовый песок
7,6
14,0
214,0
-
3
Сапропель
155,0
183,0
234,0
-
4
Ракушечник
1,1
17,1
54,0
-
Почва (контроль)
9,1
35,0
306,0
2,4
Почва + композиция (оптимальный состав)
10,7
35,5
364,0
3,0
Композиция из влагосорбентов при внесении в почву обеспечивает формирование в ней коллоидной структуры, происходит активизация почвенной микрофлоры, стимулирование процессов гумосообразования, улучшение микроагрегатного состава и водно-физических свойств почвы: увеличение водопроницаемости и влагоемкости почвы.
Закрепляющее действие композиции сохраняется в течение всего вегетационного периода, если поверхность почвы не обрабатывается после внесения данной композиции.