способ защиты грунтов от эрозии и создания зеленого покрытия

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и охране окружающей среды, в частности, к технологии инженерно-биологической защиты земляных покровов от дефляции, переувлажнения, оплывания и других процессов ветровой и водной эрозии, а также к способам рекультивации нарушенных ландшафтов - озеленению выветриваемых песчаных почв.

Известно, что после замораживания водных растворов поливинилового спирта (ПВС) при отрицательной температуре (ниже 0°С) и последующего их оттаивания при положительной температуре образуются упругие полимерные тела, так называемые криогели [В.И. Лозинский, Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применений. Успехи химии. Т.71. №6, 2002 г]. Температура плавления получаемых образцов выше 70°С, и их механические свойства принципиально отличаются от свойств исходных вязкотекучих композиций, что позволяет использовать упругие криогели в качестве связующего материала.

Известен способ защиты грунтов от эрозии (пат. РФ №2267514 С1, опубл. 10.01.2006). Недостатком этого способа является ухудшение аэрации и увеличение гидрофобности почвы.

Наиболее близким к предлагаемому способу защиты грунта от эрозии является способ, описанный в патенте (РФ №2324784, опубл. 20.05.2008), в котором в качестве наполнителя используют природный грунт, а в качестве вяжущего - поливиниловый спирт в виде 3-5% водного раствора в количестве, равном объему наполнителя. Образованную после замешивания сырьевую смесь после ее уплотнения до состояния максимально плотной упаковки помещают в формы и нагревают до температуры не выше 150°С с последующим извлечением из форм образовавшегося материала. Недостатком этого способа является избыточные энергетические затраты для создания высокой температуры и большой расход полимерного раствора.

Задача настоящего изобретения - разработать способ защиты грунтов от эрозии и создания зеленого покрова из многолетних трав или хвойных деревьев путем стабилизации опустыненных, выветриваемых грунтов.

Технический результат заключается в структурировании и стабилизации грунта, улучшении качества укрепления дерна за счет развития более прочной и разветвленной корневой системы.

Способ защиты грунтов от эрозии и создания зеленого покрытия заключается в обработке грунта водным раствором поливинилового спирта, в который предварительно вводят минеральные или органические удобрения, добавляют семена многолетних трав или хвойных растений, смешивают с грунтом, замораживают при отрицательных температурах, затем размораживают при положительных температурах при следующих соотношениях компонентов, % мас.:

Поливиниловый спирт 0,625-1,25 Грунт 83-88 Минеральные или органические удобрения 0,03-0,05 Вода остальное

В зимний период корневая система растений, произрастающих на выветриваемых почвах, тяжело переносит период низких температур, чаще всего они погибают. Предложенный способ способствует снижению коэффициента теплопроводности обработанного грунта по сравнению с обычной почвой, следовательно, защищает растения от вымораживания. Поэтому важными характеристиками являются модуль упругости и коэффициент теплопроводности криоструктурированного грунта.

Стабилизируя выветриваемые грунты криоструктурированием, можно предотвратить их дегидратацию. Кроме того, посеянные растения, образуя густой травяной покров, надежно удерживают почву. Данная методика будет востребована для решения социально-экологических проблем. В предлагаемом способе эрозия почвы предотвращается сначала за счет прочности образованной армирующей конструкции, а после прорастания растений формируется комплексное предотвращение эрозии почвы за счет совокупного сдерживания частиц грунта сетью криогеля и корнями растительности.

Водный раствор поливинилового спирта применяют в концентрации 5-10 мас.%. Для образования зеленого покрова в верхний слой грунта, смешанный с полимерным раствором в соотношении 7:1 по массе (12,5% полимерного раствора и 87,5% грунта), засеивают семена многолетних трав или хвойных деревьев. Для лучшего роста растений предварительно в раствор вносят минеральные или органические удобрения.

Способ приготовления: в водный раствор поливинилового спирта добавляют минеральные или органические удобрения. Затем полимерный раствор, с добавленными удобрениями, смешивают с грунтом в соотношении 1:7-1 часть раствора (12,5%) и 7 частей грунта (87,5%) и выкладывают в ячейки или клумбы. В верхний слой почвы, смешанной с полимерным раствором, сеют семена многолетних трав или хвойных растений, затем присыпают семена небольшим слоем (2-3 см.) почвы. Ячейку с композицией замораживают в морозильной камере, затем размораживают при комнатной температуре. Для применения данной методики в полевых условиях, при которых в определенное время года (весной), когда ночью минусовая температура, а днем положительная, полученная композиция за сутки претерпевает цикл замораживания-размораживания, в результате чего образуется криогель, наполненный почвой и семенами растений. Увеличение числа циклов замораживания - оттаивания приводит к упрочнению криогеля, т.е. реализуются благоприятные условия для формирования криоструктур. Через несколько суток при положительных температурах окружающей среды семена прорастают, образуя зеленый покров и закрепляя подвижные грунты.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Контрольный опыт. Берут 8000 г грунта, в верхний слой вносят 10 г/м² семян многолетних трав сверху присыпают небольшим слоем грунта и немного поливают. Далее грунт с посаженными семенами замораживают при температуре -20°С в течение 20 часов, затем размораживают при температуре +20°С и определяют коэффициент теплопроводности. Полученные значения представлены в таблице 1 (строка 1).

Пример 2. Берут 1 часть 5%-ного водного раствора ПВС и 7 частей грунта. Тщательно перемешивают смесь и в результате получают композицию, содержащую 0,625% мас. ПВС, а также 87,5% мас. грунта и 11,875% мас. воды. Выкладывают большую часть полученной смеси в ячейку и на верхний слой наносят семяна многолетних трав из расчета 10 г/м², а сверху присыпают небольшим слоем грунта. Далее проводят цикл замораживания - размораживания при условиях, указанных в примере 1, затем определяют модуль упругости и коэффициент теплопроводности криоструктурированного грунта с семенами, полученные значения приведены в таблице 1 (строка 2).

Пример 3. Берут 1 часть 5%-ного водного раствора ПВС и 7 частей грунта. Тщательно перемешивают смесь и в результате получают композицию, содержащую 0,625% мас. ПВС, а также 87,5% мас. грунта и 11,875% мас. воды. Выкладывают большую часть полученной смеси в ячейку и на верхний слой наносят семяна хвойных деревьев из расчета 30 г/м², сверху присыпают небольшим слоем грунта. Далее проводят цикл замораживания - размораживания при условиях указанных в примере 1, затем определяют модуль упругости и коэффициент теплопроводности криоструктурированного грунта с семенами, полученные значения приведены в таблице 1 (строка 3).

Пример 4. Берут 1 часть 10%-ного водного раствора ПВС и 7 частей грунта. Тщательно перемешивают смесь и в результате получают композицию, содержащую 1,25% мас. ПВС, а также 87,5% мас. грунта и 11,25% мас. воды. Выкладывают большую часть полученной смеси в ячейку и на верхний слой наносят семяна многолетних трав из расчета 10 г/м², а сверху присыпают небольшим слоем грунта. Далее проводят цикл замораживания - размораживания при условиях, указанных в примере 1, затем определяют модуль упругости и коэффициент теплопроводности криоструктурированного грунта с семенами, полученные значения приведены в таблице 1 (строка 4).

Пример 5. Берут 1 часть 5%-ного водного раствора ПВС и 5 частей грунта. Тщательно перемешивают смесь и в результате получают композицию, содержащую 0,83% мас. ПВС, а также 83,5% мас. грунта и 15,67% мас. воды. Выкладывают большую часть полученной смеси в ячейку и на верхний слой наносят семяна многолетних трав из расчета 10 г/м², а сверху присыпают небольшим слоем грунта. Далее проводят цикл замораживания - размораживания при условиях, указанных в примере 1, затем определяют модуль упругости и коэффициент теплопроводности криоструктурированного грунта с семенами, полученные значения приведены в таблице 1 (строка 5).

Пример 6. Берут 1 часть 5%-ного водного раствора ПВС, вводят 0,25 г минеральных удобрений "Унифлор" и 7 частей грунта. Тщательно перемешивают смесь и в результате получают композицию, содержащую 0,625% мас. ПВС, 0,03% мас. минеральных удобрений "Унифлор", а также 87,25% мас. грунта и 12,095% мас. воды. Выкладывают большую часть полученной смеси в ячейку и на верхний слой наносят семяна многолетних трав из расчета 10 г/м², а сверху присыпают небольшим слоем грунта. Далее проводят цикл замораживания - размораживания при условиях, указанных в примере 1, затем определяют модуль упругости и коэффициент теплопроводности криоструктурированного грунта с семенами, полученные значения приведены в таблице 1 (строка 6).

Пример 7. Берут 1 часть 5%-ного водного раствора ПВС, вводят 0,25 г органических удобрений "БиоМастер" и 7 частей грунта. Тщательно перемешивают смесь и в результате получают композицию, содержащую 0,625% мас. ПВС, 0,03% мас. органических удобрений "БиоМастер", а также 87,25% мас. грунта и 12,095% мас. воды. Выкладывают большую часть полученной смеси в ячейку и на верхний слой наносят семяна многолетних трав из расчета 10 г/м², а сверху присыпают небольшим слоем грунта. Далее проводят цикл замораживания-размораживания при условиях указанных в примере 1, затем определяют модуль упругости и коэффициент теплопроводности криоструктурированного грунта с семенами, полученные значения приведены в таблице 1 (строка 7).

Увеличение концентрации ПВС, а также содержания грунта в криогелях повышает их модуль упругости. Присутствие в матрице криогеля введенных удобрений в солевой форме еще более упрочняет его структуру. Кроме того, прослойки полимерной матрицы между мелкодисперсными частицами грунта снижают теплопроводность криогеля.

Следовательно, в зимний период криоструктурированный грунт меньше вымораживается, поэтому повышается вероятность того, что корневая система растений лучше перенесет период низких температур.

Проводили наблюдения за прорастанием и ростом растений, а также за динамикой численности аборигенной почвенной микрофлоры, полученные результаты представлены в таблице 2.

Таким образом, предложенный способ и рекомендуемые составы позволяют стабилизировать выветриваемые грунты, повышая их плодородие. Растения, посаженные в криоструктурированном грунте, хорошо растут и создают зеленый покров, а их корневая система еще более укрепляет грунт. Преимуществом данного способа является также то, что при этом не угнетается естественная почвенная микрофлора и не нарушается экосистема данной местности. Поэтому эту методику можно использовать в сельском хозяйстве. Способ прост в исполнении, экологически безопасен и может применяться на любой местности. Не требует внесения дорогостоящих препаратов.

Таблица 2 Наблюдения за растениями № Состав образцов, % мас. Всхожесть Численность       аборигенной почвенной       микрофлоры, % 1 Грунт 100% Семена взошли     Семена многолетних трав 10 г/м² на 5 сутки 100   (контроль) Всхожесть 90%   2 Грунт 100% Семена взошли     Семена хвойных деревьев 30 г/м² на 7 сутки 100   (контроль) Всхожесть 30%   3 ПВС 0,625% Семена взошли     Грунт 87,5% на 8 сутки 107-110   Вода 11,875% Всхожесть 95%     Семена многолетних трав 10 г/м²     4 ПВС 0,625% Семена взошли     Грунт 87,5% на 6 сутки 105-107   Вода 11,875% Всхожесть 50%     Семена хвойных деревьев 30 г/м²     5 ПВС 0,625% Семена взошли     Минеральные удобрения 0, 05% на 7 сутки 280-300   Грунт 87,25% Всхожесть 94%     Вода 12,075%       Семена многолетних трав 10 г/м²     6 ПВС 0,625% Семена взошли     Органические удобрения 0,05% на 8 сутки 270-290   Грунт 87,25% Всхожесть 94%     Вода 12,075%       Семена многолетних трав 10 г/м²    

Способ защиты грунтов от эрозии и создания зеленого покрытия путем обработки грунта водным раствором поливинилового спирта, отличающийся тем, что в водный раствор поливинилового спирта вводят минеральные или органические удобрения, добавляют семена многолетних трав или хвойных растений, смешивают с грунтом, замораживают при отрицательных температурах, затем размораживают при положительных температурах при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Поливиниловый спирт 0,625-1,25 Грунт 83-88 Минеральные и/или органические удобрения 0,03-0,05 Вода Остальное