Композиция из влагосорбентов для защиты почв от водной эрозии

Композиция из влагосорбентов для защиты почв от водной эрозии

Реферат

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, %
NO3	P2O5	K2O
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.

Композиция из влагосорбентов для защиты почв от водной эрозии, состоящая из влагосорбентов: гидрогель, глауконитовый песок, сапропель, ракушечник, отличающаяся тем, что имеет оптимальный состав влагосорбентов: гидрогель - 1%, глауконитовый песок - 27%, сапропель - 52%, ракушечник - 20%.