Способ получения органического удобрения-мелиоранта
Владельцы патента RU 2792681:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный горный университет" (RU)
Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ получения удобрения-мелиоранта включает предварительное вермикомпостирование навоза КРС с пищевыми отходами и соломой в соотношении 2:1:1 с последующим измельчением вермикомпоста, его смешивание с минеральными компонентами, причем в качестве минеральных компонентов используют диатомит и доломитовую муку для восстановления агрономических свойств почв и инактивации тяжелых металлов с соотношением компонентов вермикомпост : диатомит : доломитовая мука 3:1:2. Изобретение позволяет разработать простой и экологичный состав удобрения-мелиоранта, внесение которого улучшает агрономические свойства и снижает токсичность почв при пролонгированном действии и наличии в нем ряда элементов питания растений. 3 табл., 1 пр.
Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к мелиорации почв, также может быть использовано в экологии для рекультивации нарушенных земель.
Уровень техники.
Решение проблемы продовольственной безопасности страны связано с увеличением объемов производства продукции растениеводства. Кроме глобальных климатических рисков критическое значение имеет нарастающее антропогенное воздействие на агроэкосистемы, которое выражается в активной химизации: использовании больших доз удобрений, стимуляторов роста и пестицидов. А рост доли частных сельхозтоваропроизводителей, заинтересованных в увеличении рентабельности производства, а не в соответствии технологий возделывания культурных растений научным принципам сохранения плодородия почв только усугубляет существующую ситуацию.
Внесение удобрений является наиболее распространенным способом решения этой проблемы, но такой подход определяет восполнение почвы органическими и минеральными веществами, но не решает задачи снижения содержания контаминаторов различной природы в пахотном слое с последующей их транслокацией в надземные органы растений и ухудшением качества продукции.
Известен состав для получения сложного органического удобрения – мелиоранта, включающий помет птиц, опилки и верховой торф, причем помет и опилки используют не в виде отдельных компонентов, а в виде смеси, полученной предварительным насыщением опилок птичьим пометом (RU 2349565 C2) [1]. Недостатком такого решения являются особенности химического состава куриного помета, т.к. азот в виде мочевой кислоты на начальных этапах может подавлять рост и развитие растений. А естественная трансформация соединений азота в почве приводит к его избыточному накоплению к концу периода вегетации надземными органами растений в форме нитратов, опасных для здоровья животных и человека.
Известны сорбент-мелиорант для инактивации тяжелых металлов в почве (RU 2356931 C1) и сорбент-мелиорант (RU 2303623 C1) для очистки почв [2, 3]. Первый содержит в качестве минеральных компонентов глауконитовый песок, термонеизмененную отвальную породу угольных шахт и синие глины, при соотношении компонентов, мас.%, соответственно, 25,60 и 15. А сорбент-мелиорант (RU 2303623 C1) для очистки почв содержит золошлаковую смесь, бентонитовые и синие глины в сотношении, мас.%: 47:36:17 [3].
Недостатками этих изобретений являются: отсутствие в составе сорбентов-мелиорантов органического вещества, отвечающего за восстановление системы гумусовых веществ в почвах; преобладание в их составе грунтов тяжелого гранулометрического состава, замедляющих процессы восстановления плодородия за счет повышения вязкости, липкости, снижения аэрации, скорости водопроницаемости и биологической активности почв.
Известен способ получения гуминоминерального мелиоранта (RU 2215769 С2) который включает смешивание буровых растворов с гуминоминеральным концентром при соотношении (мас.%): отработанный буровой раствор 12-16, гуминоминеральный концентрат 6-7, жидкая фаза остальное [4].
Недостатком этого способа является использование бурового раствора, в состав которого могут входить токсичные для растений соли, балластные вещества, остаточное количество нефтепродуктов и тяжелых металлов, поступление которых в почву может привести к увеличению степени загрязнения, фитотоксическим и зоотоксическим действием на организм растений и животных.
Известно удобрение-мелиорант «НАРА-2» RU 2115641 C1, которое представляет собой смесь торфа и сапропеля, цеолитового туфа, известковой муки и хитина или хитозана либо их производных. Компоненты берутся в следующих соотношениях, мас.%: смесь торфа и сапропеля 55,0 - 84,5; цеолитовый туф 10 - 30; известковая мука 5,0 - 10,0; хитин или хитозан либо их производные 0,5 - 5,0. Высокая эффективность такого состава имеет и ряд недостатков связанных с ограниченным применением составов на основе гигроскопичного торфа в регионах с недостаточным атмосферным увлажнением с одной стороны, а также сложность и трудоемкостью добычи и транспортировки сапропеля с другой. А включение в его состав хитина или хитозана увеличит стоимость готового продукта [5].
В изобретении RU 2745780 С1 предложено органическое удобрение – мелиорант в составе которого содержится эффлюент, макроэлементы, микроэлементы и микроорганизмы, причем в качестве макроэлементов используют азот, фосфор, калий, кальций, в качестве микроэлементов используют бор, марганец, кремний, кобальт, молибден, в качестве микроорганизмов – азотфиксирующие и фосфатмобилизующие штаммы. Недостатком изобретения является низкое содержание в составе удобрения-мелиоранта элементов питания растений, а высокая степень разведения гуминовых кислот в эффлюенте снизит скорость восстановления агрономически ценных свойств почв [6].
Известно изобретение RU 2736648 C1, в котором для получения сложного органического удобрения – мелиоранта используют реагентную обработку избыточного активного ила сточными водами сульфидной целлюлозно-бумажной промышленности с содержанием лигнинового волокна в соотношении 3-4:1, дальнейшим компостированием, обезвоживанием, смешиванием с легким суглинистым почвогрунтом и измельчением.
Недостатком такого способа является использование осадка сточных вод, который может содержать тяжелые металлы, красители, частицы клея, эмульсии и латексы, что приведет к повышению степени загрязнения и токсичности почв [7].
Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в расширении перечня удобрений-мелиорантов, обладающих способностью к воспроизводству показателей почвенного плодородия и снижению доступности тяжелых металлов.
Техническим результатом от решения поставленной проблемы является разработка простого и экологичного состава удобрения-мелиоранта, внесение которого улучшает агрономические свойства и снижает токсичность почв при пролонгированном действии и наличии в нем ряда элементов питания растений.
Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении возможности применения органического удобрения-мелиоранта путем непосредственного внесения его в почву при сохранении свойств, обеспечиваемых наличием вермикомпоста, диатомита и доломитовой муки.
Комплексное удобрение по патенту RU №2041867 C1 является наиболее близким к органическому удобрению-мелиоранту по предлагаемому изобретению [8]. Способ предполагает получение удобрения на основе вермикомпоста путем ферментации его водного раствора при перемешивании при температуре 35-40°С в течение 108-120 ч, фильтрации и обезвоживания при температуре 55-60°С. Недостатком данного решения являются дополнительные затраты на обезвоживание и увеличение продолжительности процесса получения комплексного удобрения.
Осуществление изобретения.
Способ разрабатывался на базе Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий Российской Академии Наук (ФГБНУ ФНЦ БСТ РАН), г. Оренбург.
Для достижения заявленного технического результата в качестве поставщика органических и минеральных элементов питания растений был использован вермикомпост. Который получили путем вермикомпостирования смеси свежего органического материала: навоза КРС, пищевых отходов и соломы. Пищевые отходы и солома предварительно измельчались до размеров отдельных фрагментов не более 0,3 – 0,7 см. Для осуществления способа использовали ферментированный подстилочный навоз. Субстрат для получения вермикомпоста состоял из тщательно перемешанных навоза КРС, пищевых отходов и соломы в соотношении 2:1:1. Компостирование смеси осуществлялось в ящичной системе с использованием культуры дождевых червей Eisenia fetida. В ходе вермикомпостирования поддерживали постоянную температуру (25 - 22˚С) и влажность (65 - 75%) субстрата с плотностью популяции червей не менее 10000 – 18000 особей на 1 м3 субстрата. Через 3-5 месяцев от основной массы компоста отделяли дождевых червей с помощью сетчатого экрана в условиях прогревания источниками искусственного света. Далее вермикомпост измельчали в мельнице в течение 10 минут и смешивали с диатомитом и доломитовой мукой в соотношении 3:1:2.
Исследования по определению химического состава полученного вермикомпоста проводились на базе испытательного центра Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный центр биологических систем и агротехнологий Российской академии наук», аккредитованного Федеральной службой по аккредитации, (аттестат аккредитации RA.RU.21ПФ59 от 12.10.2015) и представлены в таблице 1.
Полученный таким способом вермикомпост характеризовался влажностью 47%, реакцией среды равной 6,3, а содержание доступной формы калия составило 623,4 мг/100 г субстрата, фосфора 213,5 мг/100 г субстрата, нитратной и аммонийной форм азота 113,4 и 65,9 мг/100 г субстрата соответственно с массовой долей органического вещества 57,4% на сухой продукт. Остальная масса представлена влагой и зольными веществами. Ценность органического вещества связана с улучшением степени аэрации и водопроницаемости почв тяжелого гранулометрического состава, а также их включением в естественные процессы гумусообразования. Основной компонент вермикомпоста, представлен сбалансированным сочетанием гуминовых кислот, элементов питания растений, веществ и микроэлементов, ферментов, витаминов, гормонов роста и развития растений.
Способ получения вермикомпоста обеспечивает подавление фитопатогенной микрофлоры, гибель гельминтов, цист патогенных простейших, личинок насекомых и семян сорных растений на фоне обогащения микроорганизмами, стимулирующими развитие растений и участвующих в восстановлении плодородия почв. Неоспоримым достоинством использования подсушенной массы вермикомпоста является его полидисперсный состав, обеспечивающий пролонгированное воздействие удобрения-мелиоранта на почвы и растения.
Использование диатомита – пористой породы с развитой системой специфических поверхностей и являющегося эффективным сорбентом, позволяет снизить подвижность тяжелых металлов, органических загрязнителей, фенолов и радионуклидов в почвенном растворе. Это будет способствовать снижению почвоутомления за счет поглощения метаболитов, обладающих аллопатической активностью. Высокая удельная поверхность диатомита описывается в ряде работ (RU 2 372 970 C1, RU 2 630 554 C1) и определяет его широкое использование в качестве сорбента токсичных контаминаторов, а также носителя элементов питания растений [9, 10].
Для осуществления способа выбраны измельченные частицы породы размером от 0,1 до 0,45 мм торговой марки «Гера» (ООО «ABO.garden», г. Лыткарино, Россия), имеющие влажность 15-18%, которые смешивают с влажным вермикомпостом. Содержание основных компонентов в %: SiO2 - 74,8 – 88,0, Al2O3 - 3,3- 9,7, CaO - 0,6, K2O - 0,96, Fe2O3 - 2,3-4,8, MgO - 0,6-1,7 и Na2O - 0,74.
В целях снижения подвижности тяжелых металлов в почве еще одним компонентом получаемого по данному способу удобрения-мелиоранта является доломитовая мука. Используемый минеральный компонент торговой марки «Гера» (ООО «ABO.garden», г. Лыткарино, Россия) соответствовал ГОСТ 23672-79. Функциональная роль доломитовой муки связана с нейтрализацией рН слабокислой среды вермикомпоста и почвенного раствора, обогащением почвы магнием и кальцием, которые являются важными элементами питания растений, будут способствовать оструктуриванию, аккумуляции молекул гумусовых кислот в верхней части профиля и оптимизации воздушного, водного и теплового режима почв.
Пример.
Для оценки эффективности получаемого удобрения-мелиоранта было проведено его экспериментальное исследование с использованием полевого микроделяночного опыта.
Участок исследования был расположен близ п. Нежинка Оренбургского района Оренбургской области (51°46'4''N; 55°22'7''E). Почвы для исследования были представлены черноземом южным и характеризовались среднесуглинистым гранулометрическим составом, рНKCl составил 7,2, содержание гумуса 4,3 %, а доступных форм калия и фосфора 321,5 и 23,4 мг/кг почвы соответственно.
Удобрение-мелиорант распределяли по поверхности почвы (6 м2) с последующей его заделкой при вспашке. Опыт реализовывали в трех закладках в звене «черный пар – озимая пшеница – яровая пшеница – овес», для максимальной унификации влияния предшественников и был проведен в 2022 году, по схеме:
1. Фон.
2. Фон + прототип.
3. Фон + удобрение-мелиорант.
Удобрение-мелиорант и комплексное удобрение (прототип) вносили весной перед посевом яровой пшеницы мягкой (сорта «Учитель») при норме высева 6,0 млн на га из расчета 3 тонны на га. Все агротехнические мероприятия по уходу за посевами культурных растений выполнялись вручную. Фитосанитарное состояние посевов было хорошим, поэтому внесения гербицидов и фунгицидов не требовалось.
В ходе эксперимента отмечали полевую всхожесть пшеницы и ее урожайность. Образцы почвы отбирали в конце периода вегетации и анализировали на основные агрономические свойства (таблица 2) [11, 12]. Проведена оценка показателя фитотоксичности и содержания подвижной формы тяжелых металлов [13, 14].
Результаты исследования показали, что внесение органического удобрения-мелиоранта повышает полевую всхожесть пшеницы более чем на 7,9 %, а урожайность на 22,7 %. Изменение агрохимических свойств почв выражалось в увеличении содержания элементов минерального питания растений: более чем на74,4 % фосфора и 17,7 % калия, на 33,8 % аммонийной и 38,7 % нитратной формы азота. Отмечен рост содержания органического вещества. Снижение фитотоксичности почв более чем на 53,8% и содержания доступных форм свинца, цинка и меди свидетельствует об оздоровлении почв агроценоза (таблица 3).
Сравнительный анализ результатов использования удобрения-мелиоранта и прототипа позволяет сделать вывод о большей эффективности заявляемого технического решения, которое удовлетворяет критерию изобретения «новизна». Результат выражается в восстановлении показателей агрономических свойств почв, увеличении урожайности основной культуры и снижении содержания подвижных форм тяжелых металлов.
Список литературы:
1. Патент RU №2349565 C2. Опубликовано: 20. 03.2009. Бюл.№8
2. Патент RU №2356931 C1. Опубликовано: 27.05.2009 Бюл. № 15
3. Патент RU №2303623 C1. Опубликовано: 27.07.2007. Бюл. № 21
4. Патент RU №2215769 C2. Опубликовано: 10.11.2003.
5. Патент RU №2115641 C1. Опубликовано: 20.07.1996
6. Патент RU №2745780 С1. Опубликовано: 31.03.2021 Бюл. № 10
7. Патент RU №2736648 C1. Опубликовано: 19.11.2020 Бюл. № 32
8. Патент RU №2041867 C1 Опубликовано: 20.08.1995
9. Патент RU №2372970 C1. Опубликовано: 20.11.2009 Бюл. № 32
10. Патент RU №2630554 C1. Опубликовано: 11.09.2017 Бюл. № 26
11. Дурынина Е.П., Егоров В.С. Агрохимический анализ почв, растений, удобрений. М.: Изд-во МГУ, 1998. – 113 с.
12. Агрофизические и агрохимические методы исследования почв. учебно-методическое пособие / сост. В.И. Терпелец, В.Н. Слюсарев – Краснодар: КубГАУ, 2016. – 65 стр.
13. Казеев К.Ш., Колесников С.И Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. – Ростов н/Д: Изд.-во Рост. ун-та, 2003. - 204 с.
14. ПНД Ф 16.1:2.2:2.3.78-2013 Количественный химический анализ почв. методика измерений массовой доли подвижных форм металлов: меди, цинка, свинца, кадмия, марганца, никеля, кобальта, хрома в пробах почв, грунтов, донных отложений, осадков сточных вод методом пламенной атомно-абсорбционной спектрометрии. – Москва: ФБУ ФЦАО, 2013. – 21 с.
Таблица 1
Характеристика вермикомпоста
| Показатель | Влажность, % | Вещество сухое органическое, % | Зольность, % | рН KCl | К2О, мг/100 г | P2O5, мг/100 г п | N-NH4, мг/100 г почвы | N-NO3, мг/100 г | Количество бактерий БГКП, КОЕ/г | Яйца гельминтов, кол-во/г |
| Значение | 47 | 57 | 43 | 6,3 | 623,4 | 213,5 | 113,4 | 65,9 | - | - |
Таблица 2
Показатели растений и агрономических свойств почв
| Показатель Вариант опыта |
Полевая всхожесть, % | Урожайность, ц/га | Гумус, % | рН KCl | К2О, мг/100 г почвы | P2O5, мг/100 г почвы | N-NH4, мг/100 г почвы | N-NO3, мг/100 г почвы |
| Фон | 83,1 | 20,3 | 4,3 | 7,2 | 321,5 | 23,4 | 18,3 | 31,7 |
| Фон + прототип | 85,4 | 21,1 | 4,5 | 6,9 | 324,6 | 31,7 | 25,6 | 34,5 |
| Фон + удобрение-мелиорант | 89,7 | 24,9 | 4,7 | 7,1 | 378,3 | 40,8 | 24,5 | 43,8 |
Таблица 3
Фитотоксичность почв и содержание подвижных форм тяжелых металлов
| Показатель Вариант опыта |
Фитотоксичность, % | Содержание подвижной формы элемента, массовая доля в мг/кг | ||
| Pb | Cu | Zn | ||
| Фон | 26 | 0,74 | 0,29 | 18,4 |
| Фон + прототип | 32 | 0,78 | 0,17 | 14,5 |
| Фон + удобрение-мелиорант | 12 | 0,25 | 0,11 | 12,8 |
Способ получения удобрения-мелиоранта, включающий предварительное вермикомпостирование навоза КРС с пищевыми отходами и соломой в соотношении 2:1:1 с последующим измельчением вермикомпоста, его смешивание с минеральными компонентами, отличающийся тем, что в качестве минеральных компонентов используют диатомит и доломитовую муку для восстановления агрономических свойств почв и инактивации тяжелых металлов с соотношением компонентов вермикомпост : диатомит : доломитовая мука 3:1:2.
