АГРОХИМИЯ, 2013, № 11, с. 63-68
УДК 502.654:633.2:631.6
ПРИМЕНЕНИЕ КРИОГЕЛЯ В КОМПЛЕКСЕ С МНОГОЛЕТНИМИ ТРАВАМИ ДЛЯ СТРУКТУРИРОВАНИЯ почвы
© 2013 г. Л.К. Алтунина1, В.Н. Манжай1, М.С. Фуфаева1, Д.А. Филатов1, Л.И. Сваровская1, Е.А. Жук2, О.Г. Бендер2, Т. Ган-Эрдэн3
1Институт химии нефти СО РАН 634021 Томск, Академический просп., 4, Россия E-mail: filatov@ipc.tsc.ru 2Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН 634055 Томск, Академический просп, 10/3, Россия E-mail: eazhuk@yandex.ru 3Институт химии и химической технологии Монгольской академии наук 210646 Улан-Батор, Baga toiruu-49, Республика Монголия E-mail: t_ganerdene@yahoo.com
Поступила в редакцию 02.04.2013 г.
Предложен новый химико-биологический метод структурирования почвы с применением криоге-ля в комплексе с многолетними травами. Показано, что криогель не оказывал негативного влияния на аборигенную почвенную микрофлору. Полимерная матрица криогеля в почве была, с одной стороны, достаточно прочной, чтобы выдержать воздействие эрозионных процессов, с другой -достаточно эластичной, чтобы не препятствовать росту растений. Семена прорастали сквозь кри-огелевый слой и образовали устойчивый зеленый покров. Криогели безвредны для человека и экологически безопасны для окружающей среды.
Ключевые слова: криогель, многолетние травы, структурирование почвы.
ВВЕДЕНИЕ
Опустынивание - это процесс необратимого изменения почвы и растительности, снижения биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню. Причины и основные факторы опустынивания различны. Как правило, к опустыниванию приводит сочетание нескольких факторов, включая изменение климата и деятельность человека [1], совместное действие которых резко ухудшает экологическую ситуацию.
Подвергшиеся деградации районы можно обнаружить в большинстве стран, и яркими примерами в этом отношении являются страны Африки, Китай, Монголия, Россия, Пакистан, Непал и др. Каждый год опустынивание и засуха приводят к потерям сельскохозяйственной продукции ориентировочно на сумму в 42 млрд. долл. США [2].
Общая площадь почв России, подверженных процессам опустынивания или потенциально
опасных в этом отношении, составляет по различным оценкам от 50 до 100 млн. га. Это районы Поволжья, Сибири, Забайкалья, Калмыкии, Астраханской и Читинской областей [3]. В Монголии под угрозой опустынивания находится более 80% территории. Возрастающее опустынивание территорий представляет собой глобальную проблему, имеющую не только экологическую, но и ярко выраженную социально-экономическую направленность.
Закрепление подвижных грунтов проводят механическими, химическими и биологическими способами. Одним из механических способов борьбы с движением песчаных масс и стабилизации кочующих дюн является покрытие почвы "соломенными циновками в шахматном порядке" (Китай, Туркменистан). В некоторых районах широкое использование в целях борьбы с передвижением песчаных масс находят такие материалы, как глина, галька и пр. [4].
При химической защите используют полимеры и битумные смеси, т. е. вещества, которые обра-
зуют на поверхности пленку "склеенных" частичек грунта или песчинок [5].
Биологический способ закрепления песков заключается в посадке (посеве) древесных пород или трав на подвижных песках. Лучшим средством закрепления почвы являются многолетние травы. Густой травяной покров надежно удерживает почву, скрепляя ее корнями, как арматурой. Но применение только биологических приемов проблемы противоэрозионной защиты не решает, т. к. без каких-либо технических средств трудно создать противоэрозионный эффект и благоприятные по влажности и температуре стартовые условия для прорастания и укоренения на защищаемом субстрате дернообразующих трав. Посеянные семена уносятся ветром, смываются атмосферными осадками, а минеральные удобрения и стимуляторы роста вымываются из формируемого почвенного слоя. К тому же песчаные грунты, например, быстро высыхают и теряют влагу, необходимую для растений.
Наиболее перспективным направлением представляется комбинация химического и биологического способов. Для предотвращения деградации почвы может быть использована технология ее криоструктурирования при помощи водных растворов поливинилового спирта. Водные растворы поливинилового спирта (ПВС) после цикла замораживания-размораживания переходят из вязко-текучего состояния в упругие полимерные тела, способные к большим обратимым деформациям [6]. Криогели на основе ПВС образуются в условиях кристаллизации растворителя (для воды при температуре <0°С). Температура их плавления превышает 70°С. Механические и теплофизичес-кие свойства криогелей ПВС зависят от состава и концентрации компонентов исходного раствора, а также от режимов и способов криогенной обработки исходных растворов. Увеличение числа циклов замораживания - оттаивания приводит к упрочнению криогеля [7]. Вследствие экологической безвредности и нетоксичности криогели нашли широкое применение в биотехнологиях, пищевой промышленности и медицине [8].
В Институте химии нефти разработан метод получения полимерной матрицы криогеля на основе ПВС с высокой адгезией к песку, глине и т. д. [9, 10]. Ингредиенты грунта могут быть связаны в наполненные криоструктураты, практически не подверженные ветровой эрозии.
Преимуществом разрабатываемого метода является комплексный подход к решению проблемы опустынивания почв, основанный на применении криогелей в комплексе с многолетними травами.
Цель работы - разработка методики структурирования почвы с применением криогеля в комплексе с многолетними травами для повышения устойчивости к эрозии.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
В лабораторных исследованиях использовали образец поливинилового спирта (ПВС) со средней молекулярной массой (ММ) = 75 000 и характеристической вязкостью его водных растворов П = 0.56 дл/г.
Для получения водного раствора ПВС в концентрации 5 мас.% брали 50 г сухого порошка полимера и способом капиллярной фильтрации пропитывали его 950 мл воды. Затем при перемешивании нагревали на водяной бане при температуре 70-90°С до полного растворения полимера. Полученный раствор ПВС охлаждали, взвешивали и доливали испарившийся растворитель, затем хранили при комнатной температуре в закрытой емкости. Перед использованием полимерного раствора после длительного хранения для дезагрегации образовавшихся агломератов микрогелей его снова подогревали до температуры ~50°С и перемешивали.
Вязкость водных растворов ПВС измеряли на ротационном вискозиметре при температуре 30°С и интервале скоростей сдвига (у) от 3 до 1312 с-1.
Для формирования криогелей в металлические ячейки с внутренним диаметром 10 мм и высотой 28 мм заливали по 10 мл водного раствора ПВС концентрации 5 мас.% и замораживали при t = -20°С в течение 20 ч. Затем твердые ледяные образцы размораживали в течение 4 ч при комнатной температуре (20°С) со скоростью 0.15°С/мин. При многократном замораживании-оттаивании повторяли цикл 2, 3...n раз и после криогенного воздействия получали упругие криогели.
Для получения криоструктурированной почвы 5%-ный водный раствор ПВС смешивали с серой лесной почвой, просеянной через сито с размером ячеек 3 мм, в соотношении раствор ПВС : почва = 1 : 7. Почву отбирали в черте г. Томск, горизонты А1, А1А2, глубина отбора 15-20 см, гранулометрический состав - легкий суглинок, влажность 25-26%.
После перемешивания полученную массу переносили в предварительно подготовленные пластиковые емкости площадью 1 м2. Толщина полученного слоя почвы - 12 см. Сверху сеяли семена клевера ползучего (Trifolium repens) и семена газонной травы щучки дернистой (Deshampsia
caespitosa). Затем покрывали тонким слоем (4-5 мм) смеси почвы с раствором ПВС и замораживали в морозильной камере при температуре -10°С в течение 10 ч. После цикла замораживания-размораживания получали криоструктури-рованную почву. Приготовленную таким образом почву инкубировали в лабораторных условиях при температуре 18-20° С.
Численность естественной почвенной микрофлоры изучали на примере гетеротрофных бактерий, участвующих в создании почвенного плодородия. Их численность определяли методом посева на селективные среды [11]. Количество клеток пересчитывали на 1 г почвы с учетом влажности.
Каталазную активность почвы определяли газометрическим методом, основанным на измерении скорости разложения пероксида водорода при его взаимодействии с почвой. Активность ка-талазы выражали в мл О2/г почвы [12].
Через каждые 2-3 сут отбирали пробы почвы для определения численности гетеротрофных бактерий и каталазной активности почвы.
Измерения газообмена у сеянцев проводили
1 раз в месяц с помощью портативного инфракрасного газоанализатора "Li-Cor 6400" (Li-Cor, США). Эффективность использования воды рассчитывали, как отношение скорости фотосинтеза к транспирации, и выражали в мкмоль С02/ммоль Н2О [13].
В конце эксперимента определяли сухую массу надземной и подземной части исследованных растений гравиметрическим методом. Перед этим растения освобождали от частичек почвы и сушили в шкафу при температуре 60°С в течение
2 сут.
Эксперименты повторяли 3 раза. Повторность измерений в экспериментах пятикратная. Обработку результатов осуществляли с помощью статистического пакета Excel (MS ОШсе 2003).
Схема эксперимента:
контроль 1 - почва + семена газонной травы (П + ГТ);
опыт 1 - почва + криогель + семена газонной травы (П + Кр + ГТ);
контроль 2 - почва + клевер (П + Кл);
опыт 2 - почва + криогель + клевер (П + Кр + Кл).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование реологических свойств водных растворов ПВС. Для реализации оптимального способа получения криогелей требуется мак-
симально полная информация как о молекулярных характеристиках, так и о реологических особенностях поведения исходных растворов поливинилового спирта. При изучении вязких свойств растворов в интервале концентраций
1-10 мас.% взятого для исследования образца ПВС выявлено, что образовывать криогели способны растворы при концентрации полимера не мен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.