Результат интеллектуальной деятельности: КОМПЛЕКСНОЕ УДОБРЕНИЕ

Изобретение относится к сельскому хозяйству, более конкретно – к производству удобрений для сельского хозяйства, а именно к комплексному удобрению.

В настоящее время значительное внимание уделяется подкормке культурных растений углекислым газом, в том числе внутрипочвенной подкормке.

Известны, в частности, технологии, предусматривающие полив растений водой, насыщенной углекислым газом (патент РФ № 2527065, опубл. 27.08.2014 [1]), непосредственную подачу жидкой угольной кислоты или газообразного диоксида углерода в почву (см., например, патенты РФ № 2318306, опубл. 10.03.2008 [2]; № 2338363, опубл. 20.11.2008 [3]).

Для таких технологий характерна необходимость оснащения мест выращивания растений специальным оборудованием для осуществления указанной подачи.

Наряду с такими технологиями разрабатываются технические решения, относящиеся к предназначенным для внесения в почву удобрений.

Так, в патентном документе КНР № 111333435, опубл. 26.06.2020 [4], предлагается комплексное удобрение на основе гидрата диоксида углерода с добавлением различных микроэлементов. Данное удобрение может использоваться традиционными способами, однако оно требует хранения при температуре около -5°С.

В патенте РФ № 2321573, опубл. 10.04.2008 [5], предложено комплексное удобрение, содержащее жидкий и сыпучий компоненты. В качестве последнего используется обеззараженный, обезвреженный и просушенный иловый осадок при биологической очистке бытовых сточных вод, а в качестве жидкого компонента – угольная кислота Н₂СО₃. Удобрение содержит целый ряд питательных элементов и благодаря наличию угольной кислоты, как отмечается в патенте [5], способствует повышению гумусообразования и плодородия почвы. Данное удобрение применяется путем внесения его одновременно со вспашкой почвы.

Хотя в патенте [5] и подчеркивается, что указанный выше результат обусловлен совместным влиянием названных компонентов, это удобрение фактически является двухкомпонентным, поскольку упомянутые сыпучий и жидкий компоненты должны храниться и вноситься отдельно один от другого. При этом внесение удобрения требует выполнения специфических приемов, составляющих содержание способа, являющегося предметом другого изобретения этого же патента и предусматривающего особенности осуществления вспашки с внесением компонентов на разную глубину.

Комплексное удобрение по патенту [5] является наиболее близким к удобрению по предлагаемому изобретению.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении возможности применения удобрения как единого материала путем непосредственного внесения его в грунт при вспашке или предпосевной подготовке при сохранении свойств, обеспечиваемых наличием углекислоты. Наряду с этим, могут быть достигнуты и другие виды технического результата, которые будут названы и пояснены в дальнейшем при раскрытии сущности изобретения и описании особенностей пути получения предлагаемого удобрения.

Предлагаемое комплексное удобрение, как и наиболее близкое к нему известное, содержит угольную кислоту и компонент на основе сыпучего материала.

Для достижения, названного выше технического результата удобрение по предлагаемому изобретению, в отличие от наиболее близкого к нему известного, в качестве указанного компонента содержит раздробленный и подвергнутый мокрому помолу в среде угольной кислоты Н₂СО₃ природный минерал – серпентинит и представляет собой пастообразную массу.

Удобрения с использованием серпентинита широко известны, причем в большинстве случаев серпентинит выступает в качестве магнийсодержащего компонента изготавливаемого удобрения, в которое добавляют другие полезные компоненты (такие, как калий, фосфор, микроэлементы, в частности, содержащиеся в буровой воде, и др.), см., например: авторское свидетельство СССР № 245144 (опубл. 04.06.1969) [6]; патент РФ № 2046785 (опубл. 27.10.1995) [7]; патент РФ № 2151132 (опубл. 07.05.1999) [8]. При этом во всех названных изобретениях серпентинит подвергают обжигу при температуре порядка 600-800°С, что, как объясняется в документах [7], [8], имеет целью активировать его поверхность.

Приготовление предлагаемого удобрения как единого материала, без высокотемпературного обжига, требующего выполнения лишь упомянутого помола позволяет существенно сократить энергозатраты при его получении.

Как показали проведенные эксперименты, мокрый помол серпентинита в среде угольной кислоты выгодно отличается от аналогичного помола в воде при равном массовом соотношении твердой и жидкой компонент тем, что размеры твердых частичек серпентинита оказываются в среднем в 7-10 раз меньше. Благодаря этому имеет место существенное увеличение поверхности контакта фаз – почти на два порядка. Такое увеличение в сочетании с пористостью серпентинита обеспечивает поглощение жидкой фазы, что и обусловливает пастообразный характер продукта, которым является предлагаемое удобрение.

Следствием отмеченного увеличения степени измельчения и роста поверхности контакта фаз является также большая доступность заблокированных пустой породой включений измельчаемого минерала. Благодаря этому в результате реакции с угольной кислотой происходит карбонизация силиката магния, содержащегося в исходном серпентинитном сырье, до карбоната магния – ценного вещества для питания растений.

При использовании предлагаемого удобрения реализуются также свойства серпентинита, проявляемые им в составе других содержащих его удобрений.

Так, серпентинит наряду с основными свойствами, благодаря которым он способствует нормализации кислотности почвы, обладает анионообменными свойствами (см., например, патент РФ № 2316479, опубл. 10.02.2008 [9]). Присущая ему анионообменная емкость способствует удерживанию полезных анионов: фосфатов, нитратов и сульфатов, препятствуя их вымыванию почвенными водами. Кроме того, серпентинит как таковой сам является апробированным и используемым удобрением, содержащим магний, кальций, железо и полезные микрокомпоненты.

Входящий в состав предлагаемого удобрения серпентинит обладает также бактерицидными свойствами. Удобрение одновременно является хорошим мелиорантом благодаря свойствам составляющего его основу измельченного серпентинита, способствующего улучшению структуры почвы и ее дренажных свойств, повышению влагоудерживания (за счет высокого содержания микро- и нанопор в серпентините) и созданию благоприятного водновоздушного режима для растений.

Угольная кислота Н₂СО₃ в составе предлагаемого удобрения, в свою очередь, активно поглощается корневой системой растений и в структуре растительных тканей разлагается с выделением СО₂ и Н₂О, что позволяет растению не испытывать дефицит углекислого газа, необходимого для ускоренного формирования растительных тканей.

Углекислый газ, как известно, относится к природным биологическим ингредиентам, которые являются составной частью биомассы почвы и, в частности, гумуса. С другой стороны, СО₂ является отличной питательной средой для полезной микрофлоры почвы, которая сосредоточена в основном в слое 0-15 см и частично в слое 15-25 см. Микроорганизмы перерабатывают часть СО₂ и не только отщепляют природный углерод – основу жизнедеятельности микрофлоры, но и перерабатывают его. Наряду с этим отсоединившийся кислород O₂ является окислителем биологического материала, что способствует ускорению его разложения. В результате этого в почве возрастает содержание питательных веществ, в том числе соединений фосфора Р₂О₃, калия K₂O и азота, содержащих анион NO₃^- и катион NH₄⁺, причем эти вещества находятся в почве в форме, легкоусвояемой корневой системой растений, как отмечается в патенте [2].

Дефицит СО₂ является более серьезной проблемой, чем дефицит элементов минерального питания растений. В среднем растение синтезирует из воды и углекислого газа 94% массы сухого вещества. Углекислый газ, образующийся в результате распада Н₂СО₃ и выходящий на поверхность, поглощается зеленой массой растений в процессе фотосинтеза. Новое понимание реакций фотосинтеза показывает, что окисление воды в ферментативном центре растения происходит не в виде Н₂О или ОН^-, а в виде молекул, полученных в результате диссоциации Н₂СО₃, которая окисляется энзиматическим центром водоокисляющего комплекса растений (В.М. Степанов. Молекулярная биология. Москва. ВШ, 1996, с. 105-106, 561 С. [10]). Это приводит к выделению молекулы О₂ и освобождению молекулы СО₂, которая вовлекает новые молекулы воды в процесс окисления. Таким образом, происходит процесс формирования растительной ткани, интенсивность которого напрямую зависит от концентрации в физиологическом цикле растений угольной кислоты, как подчеркивается в патенте [1].

Предлагаемое удобрение удобно для хранения, расфасовки и транспортирования, а также для практического применения в сельском хозяйстве с добавлением, в случае необходимости, других компонентов.

В частном случае таким компонентом может быть бурый уголь. В этом случае удобрение дополнительно содержит в составе упомянутой пастообразной массы раздробленный бурый уголь, подвергнутый указанному помолу совместно с серпентинитом, в количестве от 20 до 40% от массы последнего.

Компонент бурый уголь содержит в связанном состоянии гуминовые вещества и является источником органических веществ, а, следовательно, такое комплексное удобрение будет являться органоминеральным.

Известно, что бурые угли представляют собой слоистую структуру, в которой органические и водные слои чередуются и формируют пространственный «полисэндвич». Доля воды в бурых углях составляет 45-65%, водные слои можно замещать иными веществами, которые широко используются в сельском хозяйстве. Содержание гуминовых кислот в буром угле достигает более 60%, сложность строения гуминовых веществ определяет широкий спектр их применения как стимуляторов роста, микроудобрений, для борьбы с химическим загрязнением, улучшения структуры почвы и т.д. (С.И. Жеребцов, Н.В. Малышенко, С.Ю. Лырщиков и др. Состав и биологическая активность гуматов бурого угля как стимуляторов роста сельскохозяйственных культур / Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2014. – № 5 (105). – с. 102-106 [11]).

В ряде работ отмечается действие гуминовых веществ бурых углей на накопление органического вещества, водно-физические свойства почвы, увеличение урожайности зерновых, кормовых и овощных культур, повышение сопротивляемости растений болезням, заморозкам и засухе. Приводится информация о том, что бурые угли связывают тяжелые металлы и очищают почву от вредных химических и биологических составляющих (С.И. Жеребцов, Н.В. Малышенко, С.Ю. Лырщиков и др. Функциональный состав гуматов бурого угля и их стимулирующая активность / Между нар. научно-практ. конф. Комплексный подход к использованию и переработке угля. – Душанбе, 2013. – С. 96-97 [12]).

При содержании бурого угля в количестве менее 20% от массы серпентинита в предлагаемом удобрении обеспечиваемая бурым углем гуминизация оказывается слишком слабой, а при содержании более 40% возрастает кислотность удобрения.

Предлагаемое удобрение, в том числе в описанном выше случае, когда оно дополнительно содержит бурый уголь, может быть использовано как в виде пастообразной массы, которой оно является непосредственно после мокрого помола, так и в виде такой массы, подвергнутой гранулированию, или в виде рыхлого рассыпчатого материала, получаемого путем ворошения подсохшей естественным путем пастообразной массы.

Предлагаемое комплексное удобрение можно вносить локально под зерновые в количестве 250-300 кг/га, в защищенном грунте – под огурцы, томаты 0,3-0,4 кг/м², в качестве мульчи – под корнеплоды, лук, чеснок, салат, укроп, редис – 1,0-0,5 кг/м².

Производство удобрения целесообразно организовывать вблизи месторождения используемого минерала.

Серпентинит, прошедший стадию предварительного измельчения на помольно-обогатительном участке месторождения, поступает на производственный участок для осуществления тонкого измельчения в шаровых мельницах мокрого помола в среде угольной кислоты.

Используют шаровые мельницы с барабаном, внутренняя поверхность которого футерована силексом, чтобы избежать загрязнения получаемой массы металлом. Мелющими телами являются кремневые шары (галька) диаметром 10-70 мм, высокоглиноземистые (уралитовые), циркониевые и другие тела в виде цилиндриков диаметром 25 мм и длиной 25 мм.

Дробленый серпентинит (в частном случае – совместно с дробленым бурым углем) через люк загружают в барабан мельницы. Туда же заливают угольную кислоту в пропорции 0,9-1,5 по отношению к массе измельчаемого материала, после чего люк герметично закрывают и приводят барабан во вращение.

При тонком помоле в шаровой мельнице разрушение материала начинается в его наиболее ослабленных местах – стыках между частицами материала, порах, трещинах и др. Помол материала в среде Н₂СО₃ ускоряет этот процесс. Высокая гидрофильность серпентинита и бурого угля в случае использования последнего (в конечном счете, исходная Н₂СО₃ в количестве до 25% от массы измельчаемого материала оказывается в его микро- и нанопорах) способствует тому, что молекулы кислоты быстро смачивают вновь образующиеся при разрушении поверхности частицы, способствуя помолу. В микротрещинах создается двухмерное давление, направленное вглубь частицы, которое, действуя одновременно с понижением свободной поверхностной энергии частиц, ускоряет их разрушение.

Продолжительность цикла обработки во вращающемся барабане составляет 7-8 часов. Готовность получаемой пастообразной массы проверяется по тонкости помола в контрольной пробе.

Характерные размеры твердых частиц после помола – не более 0,05 мм, а самые мелкие достигают 0,0001 мм. При этом соотношение масс твердого и жидкого компонентов находится в пределах от 1 до 2, а показатель рН – не более 4,5.

Процесс помола завершается выгрузкой обрабатываемого материала из барабана. Выгруженную пастообразную массу размещают на лотках и хранят в условиях производственного помещения, передавая ее затем для дальнейшего использования как готового удобрения или для гранулирования либо для преобразования в рыхлый рассыпчатый материал, получаемый посредством ворошения подсушенной пастообразной массы.

Внешний вид комплексного удобрения в виде пастообразной массы иллюстрируется фото фиг.1 (без добавления бурого угля) и фиг.2 (с добавлением бурого угля).

Эффективность предлагаемого комплексного удобрения подтверждается приводимыми ниже результатами экспериментальной проверки его использования.

Пример 1.

Экспериментальные исследования с семенами и растениями проводились в опытном хозяйстве АО «НПП «Радий» (село Княжьи Горы, Зубцовский район, Тверская область).

В серую обедненную почву теплицы были высажены по тридцать опытных и контрольных семян злаковой культуры – овса. Во время эксперимента были заданы следующие параметры – температура до 25°С и освещенность 50 Вт/м². Срок проведения эксперимента – 15 дней.

Опытные семена были посажены в лунки с предлагаемым удобрением (без добавления бурого угля) в виде пастообразной массы при соотношении Т:Ж около 1,5 в количестве 7 граммов. Контрольные семена были посажены в пустые лунки. И те, и другие лунки поливались в одинаковом, по три раза в день, режиме обычной водопроводной водой.

В результате эксперимента скорость набора растительной массы опытных растений превышала тот же показатель для контрольных растений в 2-3 раза. Корневая система опытных растений была значительно развитее, чем у контрольных.

Аналогичная описанной выше методика проведения эксперимента была применена и для тепличных культур (огурцы и помидоры). Полученные результаты сопоставимы с таковыми для злаковых культур. Растительная масса опытных растений в два раза превышала массу контрольных образцов.

Эти эксперименты однозначно указывают на то, что предпосевное использование предлагаемого удобрения позволяет существенно повысить качество и эффективность роста растительной массы и способствует сокращению общего объема агротехнических работ.

Пример 2.

Заделку в почву семян подсолнечника проводили весной в южном регионе, в бедную гумусом светло-каштановую почву. В 10 лунок семена вносились вместе с гранулами предлагаемого удобрения (без добавления бурого угля) длиной 10 мм и диаметром 7 мм. В другие 10 лунок вносились контрольные семена без удобрения. Первые всходы в исследуемой группе растений появились на 7 сутки, а в контрольной группе только на 13 сутки.

При этом количество и качество зеленой массы (листья и стебель) в подкормленной удобрением группе выгодно отличались от контрольной группы: по окончании эксперимента (на 16-й день после его начала) – высота растений 11 и 2 см, соответственно.

Приведенные данные позволяют судить о повышении плодородия бедных гумусом почв за счет их обогащения предлагаемым комплексным удобрением в случае его припосевного использования.

Пример 3.

Изучалось изменение качества зерна пшеницы и ячменя при применении предлагаемого комплексного удобрения. Место проведения эксперимента – Опытное хозяйство АО «НПП «Радий» (село Княжьи Горы, Зубцовский район, Тверская область).

Было подготовлено четыре участка по 0,15 га. Предлагаемое комплексное удобрение (без добавления бурого угля) в виде рыхлого рассыпчатого материала вносилось в почву (равномерно разбрасывалось) в процессе вспахивания в количестве порядка 1% от массы пахотного слоя на двух опытных участках.

Почва на двух опытных и двух контрольных участках после вспахивания культивировалась с последующим посевом пшеницы и ячменя на опытных и контрольных участках.

По истечении вегетационного периода были собраны образцы растений со всех участков. Количество зеленой массы с 1 м² опытного участка с пшеницей составило 4,5 кг, с ячменем – 3,8 кг, соответственно с 1 м² контрольного участка с пшеницей – 3,6 кг, с ячменем – 3,2 кг.

Сравнение собранного урожая пшеницы и ячменя после созревания культур показало существенное (на 23-31%) увеличение урожая зерновых на опытных участках по сравнению с контрольными, достигнутое благодаря предпосевному использованию предлагаемого удобрения.

Ниже приводятся полученные в результате лабораторных исследований данные, иллюстрирующие качество зерна. Так, при внесении предлагаемого удобрения выявлено повышение показателей качества зерна пшеницы по отношению к контролю без удобрения:

- массовой доли белка на 33%;

- клейковины на 29%;

- натуры на 2,3%;

- массы тысячи зерен на 11,3%;

- числа падения на 3,5%.

Для зерна ячменя выявлено:

- повышение содержания сырого протеина на 16,4%,

- снижение содержания сырой клетчатки на 19,8%;

- снижение содержания сырой золы на 21,7%.

Из изложенного выше можно сделать вывод, что предлагаемое комплексное удобрение повышает качество зерна пшеницы и ячменя по основным показателям.

Пример 4.

Исследования проводились на опытном поле фермерского хозяйства «Старокувинский», расположенном в пойме реки Большой Зеленчук, вблизи Беденского месторождения природного серпентинита в Карачаево-Черкесской Республике. Объектом исследования являлась кормовая кукуруза.

Целью работы являлась экспериментальная проверка эффективности применения предлагаемого комплексного удобрения в случае, когда оно дополнительно содержит бурый уголь, т.е. фактически является органоминеральным. Почва опытного участка – чернозем обыкновенный, карбонатный, среднемощный, малогумусный. Площадь опытной делянки 0,4 га, контрольной – 0,55 га.

Внесение в почву предлагаемого удобрения, содержащего бурый уголь в количестве 30% от массы серпентинита, выполнялось на обеих делянках одновременно со вспашкой почвы. Комплексное удобрение в виде гранул такого же размера, как в Примере 2 (т.е. длиной 10 мм и диаметром 7 мм), предварительно разбрасывали по полю, на котором оставалась стерня культуры-предшественницы и сорная растительность. Расход удобрения составил 0,4-0,7 кг/м².

В полевых опытах проводились фенологические наблюдения, изучались динамика накопления сухого вещества, развитие листовой площади и фотосинтетическая деятельность растений, элементы структуры урожая, проведен учет количества растительных остатков на поверхности почвы и рассчитывался коэффициент водопотребления кукурузой.

Содержание сырой клейковины определяли по ГОСТ 13586.1-68, качество – на приборе ИДК-1, анатомические исследования проводили по общепринятой методике. Учет урожая был проведен методом сплошной уборки делянок, данные урожайности приведены к базисным кондициям.

Определено положительное влияние гуминовых веществ, содержащихся в буром угле, на рост и развитие и на особенности анатомического строения стебля, листьев и плодов кукурузы. На опытном поле увеличивается фотосинтетический потенциал растений, возрастает накопление и среднесуточный прирост сухого вещества. Удобрение способствуют снижению коэффициента водопотребления растением. В отличие от контрольной делянки, на опытном участке увеличивается высота растений и количество растительных остатков на поверхности почвы, что улучшает условия уборки урожая и усиливает устойчивость поверхности почвы против ветровой эрозии. Под влиянием бурого угля в составе удобрения в анатомическом строении стебля и листа увеличиваются количество и размеры проводящих пучков, толщина механической ткани, размеры паренхимных клеток и число их слоев. При увеличении толщины механической ткани повышается устойчивость растении к полеганию.

Определено существенное влияние комплексного удобрения на урожайность зерна. С опытной делянки было собрано урожая на 0,2 тонны больше, чем с контрольного участка, несмотря на большую площадь последнего.

Таким образом, предлагаемое комплексное удобрение может быть использовано в сельском хозяйстве для интенсивного растениеводства, в том числе, в производстве удобрений для выращивания овощных культур, а также рассад этих культур в теплицах и парниках. Важная особенность предлагаемого удобрения заключается в возможности традиционных способов его применения как единого материала путем непосредственного внесения его в грунт при вспашке или одновременно с севом.

Источники информации

1. Патент РФ № 2527065, опубл. 27.08.2014.

2. Патент РФ № 2318306, опубл. 10.03.2008.

3. Патент РФ № 2338363, опубл. 20.11.2008.

4. Патентный документ КНР № 111333435, опубл. 26.06.2020.

5. Патент РФ № 2321573, опубл. 10.04.2008.

6. Авторское свидетельство СССР № 245144, опубл. 04.06.1969.

7. Патент РФ № 2046785, опубл. 27.10.1995.

8. Патент РФ № 2151132, опубл. 07.05.1999.

9. Патент РФ № 2316479, опубл. 10.02.2008.

10. В.М. Степанов. Молекулярная биология, с. 105-106, Москва, ВШ, 1996, 561 С.

11. С.И. Жеребцов, Н.В. Малышенко, С.Ю. Лырщиков и др. Состав и биологическая активность гуматов бурого угля как стимуляторов роста сельскохозяйственных культур / Вестник Кузбасского государственного технического университета. – 2014. – № 5 (105). – С. 102-106.

12. С.И. Жеребцов, Н.В. Малышенко, С.Ю. Лырщиков и др. Функциональный состав гуматов бурого угля и их стимулирующая активность / Между нар. научно-практ. конф. Комплексный подход к использованию и переработке угля. – Душанбе, 2013. – С. 96-97.