Спосіб покращення структури грунту

Винахід належить до області обробки ґрунту та може бути використаний для підвищення родючості шляхом створення у верхньому родючому шарі водостійких агрегатів, що сприяють утримуванню в ґрунті поживних субстратів (макро- та мікроелементів, органічних іонів, гумусових речовин і т. ін.) та перешкоджають розвитку ерозійних процесів [Воронин А.Д. Основы физики почв. - Μ.: Изд-во МГУ, 1986. - 244с.]. Згідно з сучасними уявленнями, агрономічно цінними є макроагрегати ґрунту розміром >0.25мм, причому крупні агрегати більш схильні до руйнування (при зволоженні ґрунту, механічній обробці та ін.). Структурний стан ґрунту суттєво залежить від балансу органічної речовини в агроекосистемі, способу механічної обробки та характеру вирощуваних культур та ін. Кількість водостійких агрегатів (ВСА) є важливою якісною характеристикою структури ґрунту. Важливу роль в об'єднанні ґрунтових колоїдів в макроагрегати відіграють органічні полімерні молекули (продукти гуміфікації рослинних та тваринних решток, мікробного синтезу та ін.). Загальноприйнятими методами впливу на структуру ґрунту в сільському господарстві є прийоми по забезпеченню бездефіцитного балансу гумусу (внесення органічних добрив, пожнивних решток і сидеральних культур і т. ін.) та обмеження інтенсивності обробки ґрунту. Відомо спосіб покращення структури ґрунту шляхом внесення 4% джерела вуглецю у вигляді клітковини та інкубації при вологості 60% протягом 8 місяців. Кількість ВСА в ґрунті підвищувалась на 47-58% [Хан Д.В. Органо-минеральные соединения и структура почв. - М: Изд-во «Наука», 1969. - 142с.]. Недоліком цього способу є тривалий час інкубації грунту. Відомо використання в якості структуроутворювачів (ґрунтових кондиціонерів) синтетичних органополімерів з комерційною назвою «криліуми» [Воронин А.Д. Основы физики почв. - Μ.: Изд-во МГУ, 1986. -С.59-62.], які містять гідролізований поліакрилонітрил або полівініловий спирт, або відходи харчової чи целюлозно-паперової промисловості (наприклад, лігносульфонат). Доза полімеру, що вноситься, - 0.05-0.1% від маси ґрунту, оптимальна молекулярна маса полімеру - 106. Однак вартість цього прийому дуже висока. Підвищення агрегування ґрунту спостерігалось при внесенні в нього міцелярних грибів з джерелом вуглецю (люцерною) в кількості 4% та компостуванні протягом 36 тижнів [Тейт Р. Органическое вещество почвы. - Μ.: Мир, 1991. - С.293.]. Однак ціленаправлена обробка ґрунту спорами грибів, що мають антибіотичну активність, може елімінувати нормальну мікрофлору ґрунту і змінити мікробіологічний склад ґрунту. Відомо спосіб обробки ґрунту сумішшю зволоженого активного мулу (вологість 80%) та торфу при їх співвідношенні (1.5-2):1 відповідно. Суміш вносять у ґрунт з розрахунку 40-80т/га, що відповідає приблизно 24г/100г ґрунту, тобто 4% [Евилевич А.З., Евилевич М.А. Утилизация осадков \ сточных вод. - Ленинград: Стройиздат, 1988. - С.66-67.]. Час інкубації становив 4 місяці. При такій обробці ґрунту урожайність сільськогосподарських культур підвищувалась в 1.4 рази в порівнянні з необробленим. Недоліком відомого способу, найбільш близького за технічною сутністю до запропонованого, є значна тривалість та недостатня ефективність утворення водостійких агрегатів (ВСА), що обумовлено низькою швидкістю мікробіологічного процесу в ґрунті. Задачею винаходу є підвищення ефективності та прискорення процесу структуроутворення у ґрунті. Поставлена задача вирішена запропонованим способом покращення структури ґрунту, що включає внесення в ґрунт суміші з активного мулу і торфу та інкубацію при зволоженні, де суміш, яка вноситься в ґрунт, додатково містить зброджений осад біологічної очистки стічних вод та біосубстрати на основі поліпептидів і полісахаридів при наступному співвідношенні компонентів, % мас: активний мул 2,5-3,5 зброджений осад 2,5-3,5 біосубстрати на основі поліпептидів та полісахаридів 50-65 торф до 100 Найкращий ефект оструктурювання ґрунту забезпечується при використанні біосубстратів, в яких джерела поліпептидів та полісахаридів використовуються в рівних кількостях. Для забезпечення високої швидкості мікробіологічного процесу в ґрунті процес інкубації проводять в початковий період протягом 7 діб при вологості не нижче 90%, а в наступний - при вологості не нижче 60%. У складі суміші, яка використовується в запропонованому способі, застосовують доступні компоненти: - активний мул, що є побічним продуктом біологічної очистки побутових стічних вод, який видаляється з аеротенків і містить аеробний мікробоценоз; - зброджений осад - анаеробний мікробоценоз, який видаляється з метантенків очисних споруд біологічної очистки стічних вод; - в якості поживних біосубстратів поліпептидів, що легко розкладаються можна використовувати біомасу бобових культур (люцерну, конюшину, горох та ін.), органічні добрива (гній, пташиний послід); - в якості більш стійких до біодеградації біосубстратів пропонуються полісахариди, наприклад целюлоза (подрібнена солома злакових, тирса та інші відходи целюлозно-паперової промисловості); - торф - найбільш стійкий до біодеградації продукт неповної мінералізації рослинних залишків в мікроаерофільних умовах. Надлишкова біомаса активного мулу та збродженого осаду накопичується на мулових майданчиках та займає великі території поблизу муніципальних станцій біоочистки стічних вод. У таблиці 1 представлені фізико-хімічні та агрохімічні показники біомаси, що отримана змішуванням в рівних кількостях активного мулу та збродженого осаду після біологічної очистки стічних вод, а в таблиці 2 - мікробіологічна характеристика даних мікробоценозів. З наведених даних випливає, що біомаса мікробоценозів активного мулу та збродженого осаду з одного боку - добриво, яке містить вуглець, азот, фосфор, калій та мікроелементи, а з іншого - джерело мікроорганізмів, здатних метаболізувати різноманітні субстрати. Запропоновані мікробоценози, будучи відходами біологічної очистки стічних вод, є найбільш розповсюдженими та дешевими з відомих джерел біомаси, утилізація яких є важливою еколого-господарською проблемою. У той же час за показниками вмісту важких металів ці відходи не перевищують встановлених норм та не несуть загрози при регламентованому внесенні у ґрунт. У результаті обробки ґрунту запропонованим способом відбуваються процеси його оструктурювання. Наявність біосубстратів в умовах високого (90% і більше) зволоження ґрунту на 1-й стадії інкубації сприяє активізації як анаеробних, так і аеробних мікробоценозів, здатних легко метеболізувати поліпептиди. При цьому в ґрунті значно підвищується кількість мікроорганізмів, які, при зміні вектора метаболізму в напрямку мало біодоступної целюлози при підсиханні ґрунту на ІІ-й стадії процесу можуть продукувати екзополімери, що скріпляють ґрунтові колоїди у водотривкі агрегати. Взаємодії ґрунтових колоїдів сприяє також наявність в даній системі гідрофобних та гідрофільних частинок. Визначені за відомим методом [Rosenberg M.D., Rosenberg E. Adherence of bacteria to hydrocarbons: a simple method for measuring cell-surface hydrophobicity // FEMS Microbiological Letters. - 1980. - V.9. - P.29-33], основаним на аналізі ступеня адгезії частинок до краплинок н-гексадекану в 0.1Μ розчині хлориду натрію, показники гідрофобності колоїдів змішаного мікробоценозу, торфу та ґрунту складали 80, 92 та 10% відповідно. Таким чином, запропонований склад суміші, яка вводиться в ґрунт, у поєднанні з підібраними умовами інкубації дозволяє створити новий спосіб покращення структури ґрунту, який, як підтверджують дані таблиці 3, забезпечує інтенсифікацію процесу оструктурювання ґрунту та підвищення його ефективності, тобто поставлена задача вирішена з досягненням необхідного результату. Запропонований спосіб ілюструється наведеними нижче прикладами його здійснення. Приклад 1. У даному прикладі проводять процес агрегування в лучно-чорноземному грунті з наступними показниками: рН водний - 6.9, органічний вуглець - 3.4%, сума поглинутих катіонів - 26.1мг-екв/100г, карбонати - 3.6%. Як правило, загальна кількість добавок, що вноситься в грунт, не перевищує 4%, а тому, з врахуванням необхідності максимальної утилізації відходів (особливо надлишкової мікробної біомаси після біологічної очистки стічних вод) в запропонованому прикладі встановлюють саме цю кількість. 200г ґрунту вміщують в колонку діаметром 7см та висотою 15см, що відповідає товщині верхнього родючого шару ґрунту 0-15см. Ґрунт в колонці змішують з 4%, тобто 8г, повітряно-сухої суміші, що включає 2.7г торфу, по 0.25г активного мулу та збродженого осаду, по 2.4г трави бобових (конюшини) та тирси. Потім ґрунт в колонці зволожують та підтримують вологість на рівні 90% протягом першого тижня інкубації при температурі 20-22°С для активізації внесених та аборигенних ґрунтових мікробоценозів. Потім ґрунт підсушують на повітрі до вологості не нижче 60% і при такому рівні вологості ґрунт інкубують протягом 4 місяців. Приклад 2. У даному прикладі використано сірий лісовий ґрунт, який має наступні показники: рН водний - 6.2, органічний вуглець - 2.3%, сума поглинутих катіонів - 18мг-екв/100г. Процес інкубації ґрунту в даному прикладі проводять так, як описано в прикладі 1, за виключенням того, що повітряно-суха суміш, яка вноситься в ґрунт, містить 3.1г торфу, по 0.25г активного мулу та збродженого осаду, по 2.2г трави бобових (конюшини) та тирси. Після 0.5,2 та 4 місяців інкубації ґрунту визначають вміст водостійких агрегатів діаметром >1 та 1-0.25мм, як описано нижче. Аналіз кількості водостійких агрегатів здійснюють методом мокрого просіювання на ситах з відповідним діаметром отворів (1 та 0.25мм) [Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. - Μ.: Высшая школа, 1973. - 399с.]. Наважку грунту для мокрого просіювання готують з фракцій сухих агрегатів з розрахунку 1/4 від встановленого процентного вмісту кожної фракції (за виключенням фракції 1мм та 10.25мм після просіювання в шарі рідини; 25 - маса наважки, г. Результати визначення вмісту водостійких агрегатів в ґрунті після його обробки запропонованим способом за прикладами 1 та 2 наведені в таблиці 3. Для порівняння також наведено дані по вмісту водостійких агрегатів в лугово-чорноземному та сірому лісовому ґрунтах, характеристика яких представлена в прикладах 1 і 2, після їх обробки відомим способом: внесенням 4% суміші з активного мулу та торфу в співвідношенні 2:1, а також у вихідних (необроблених) зразках ґрунту. Наведені в таблиці дані показують переваги заявленого способу в порівнянні з відомим, що підтверджується підвищенням у ґрунті кількості водостійких агрегатів на 30-40% та прискоренням процесу оструктурювання ґрунту. Таблиця 1 Показник якості біомаси суміші Значення активного мулу та сбродженого осаду Вміст важких металів, мг/кг сухої маси Стронцій Свинець 61 Хром 535 Кадмій 4 Цинк 702 Марганець 561 Мідь 375 Норма не більше 300 не більше750 не більше 750 не більше 20 не більше 2500 не більше 2000 не більше 1500 Нікель Загальний азот, % Загальний фосфор, % Загальний калій, % Органічна речовина (суха маса), % РН 95 Агрохімічні показники 3,27 4,45 0,12 59,7 6,4 не більше 300 не менше 1,5 не менше 0,7 не менше 0,1 не менше 80 6,5-8,0 Таблиця 2 Фізіологічна група мікроорганізмів в мікробоценозі Гетеротрофи-аероби Гетеротрофи-анаероби Амоніфікуючі аероби Амоніфікуючі анаероби Сульфатвідновлюючі Целюлозодеструктори аеробні Целюлозодеструктори анаеробні Численність мікроорганізмів в мікробоценозі, на 1г сухої біомаси Активний мул Зброджений осад 1×108 2×104 5 2×10 1×108 3 3×10 2×104 7 1×10 1×108 5 6×10 4×107 6 3×10 3×102 2 3×10 4×103 Таблиця 3 № Спосіб покращення структури ґрунту 1 Приклад 1 Приклад 2 2 Лугово-чорноземний ґрунт Сірий лісовий ґрунт 3 Лугово-чорноземний ґрунт Сірий лісовий ґрунт Тривалість Вміст водостійких агрегатів, % інкубації, місяці Фракція d>1мм Фракція d=1-0.25мм Запропонований спосіб 0.5 25 45 2 28 48 4 29 50 0.5 20 39 2 22 41 4 23 43 Відомий спосіб 0.5 20 36 2 21 36 4 21 38 0.5 15 30 2 17 31 4 17 32 Без обробки 0.5 15 31 2 12 30 4 10 28 0.5 9 27 2 8 25 4 8 23