Полимерные гидрогели и их применение в мелиорации почв

Новое поколение таких материалов, как сильнонабухающие полимерные гидрогели (СПГ), способные аккумулировать при набухании до нескольких литров воды на 1 г полимера имеют большой интерес в науке. Основная идея применения СПГ в мелиорации почв состоит в том, что размещённый в почвенном слое гидрофильный сетчатый полимер обеспечивает удержание дополнительного запаса влаги, главным образом, за счёт снижения потерь на гравитационный сток и физическое испарение. Эту влагу эффективно используют растения, поскольку её основная часть лежит в области биологически доступных потенциалов (4,2>pF>2,0). В результате наблюдаются значительное пролонгирование влажности почвы, снижение поливных норм и расхода химикатов, рост биомассы, а в ряде случаев – принципиальная возможность выращивания растений в неблагоприятных условиях водного дефицита [2, с. 11].

Полимерный гель – это гетерогенная система, дисперсной фазой которой служит пространственная сетка, образованная макромолекулами полимера, а распределенная в ней низкомолекулярная жидкость или газ являются дисперсной средой. Пространственная полимерная сетка, образованная поперечными химическими связями, придает структуре геля некоторые механические свойства твердых тел: пластичность, прочность и упругость. Процесс набухания полимера как сорбента складывается из двух составляющих:

1. Межструктурного набухания в результате поглощения молекул воды только поверхностью полимера (адсорбция) как внешней, так и внутренней в порах и полостях между элементами структуры.
2. Внутриструктурного набухания в результате поглощения воды, проникая внутрь структуры, попадают в силовое поле полимера, существующее между его атомами, ионами или молекулами во всем объеме, и растворяются в нем, раздвигая молекулы.

В мировом сообществе понятие «мелиорация» трактуется однозначно, и в переводе с латинского означает «улучшение земли». Речь идет об улучшении тех свойств почвы, которые в данных конкретных условиях препятствуют росту плодородия, получению желаемой урожайности возделываемых культур (С. Г. Скоропанов,1989) [3, с. 17].

По современным представлениям объектом воздействия сельскохозяйственных мелиораций являются уже не растения, почва или грунтовые воды, а агроэкосистема в целом, куда они входят как составные части. В нормальных условиях цель управления агроэкосистемой означает обеспечение водно-воздушного режима почвы, определяющего благоприятное мелиоративное состояние региона или замедляющего процессы его ухудшения.

 В полуэкстремальных условиях цель управления агроэкосистемой состоит в предотвращении развития внутренних негативных последствий в результате мелиоративных воздействий, направленных на стабилизацию агроэкосистемы, сведение ущерба к минимуму [4, с. 8].

Впервые в условиях лесостепи Среднего Поволжья на черноземах, выщелоченных в зернотравяном севообороте и в условиях закрытого грунта изучено влияние водоудерживающего полиакриламидного полимера В-415К на агрохимические и агрофизические свойства чернозема выщелоченного, тепличного почвогрунта и урожайность сельскохозяйственных культур [1, с. 23].

Для изучения влияния полиакриламидного были заложены опыты по следующим схемам:

Опыт 1:

1. без полимера (контроль);
2. Полиакриламидный полимер в дозе 0,1% от массы почвы;
3. Полиакриламидный полимер в дозе 0,05% от массы почвы;
4. Семена, обработанные полиакриламидным полимером;
5. Полиакриламидный полимер в дозе 0,1% от массы почвы + семена, обработанные полиакриламидным полимером;
6. Полиакриламидный полимер в дозе 0,05% от массы почвы + семена, обработанные полиакриламидным полимером.

Опыт 1 проводился в зернотравяном севообороте со следующим чередованием культур: многолетние травы (люцерна 3 года), озимая пшеница, яровая пшеница, ячмень.

Повторность в опыте четырехкратная. Площадь делянки 10м². В качестве объекта исследования был взят характерный для почвенного покрова лесостепной зоны чернозем выщелоченный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый.

Семена перед посевом на 4, 5 и 6 вариантах обрабатывались полимерной пудрой из расчета: люцерна 100 г, зерновые 600 г на норму высева.

Опыт 2:

1. Без полимера и удобрений (контроль);
2. Полиакриламидный полимер, насыщенный водой;
3. Полиакриламидный полимер, насыщенный водой + NPK в почвогрунт;
4. Полиакриламидный полимер, насыщенный N+РК в почвогрунт;
5. NPK на запланированный урожай.

Повторность опыта четырехкратная, размещение делянок рендомезированное, площадь делянки 2м². В опыте изучалось звено овощного культурооборота: салат (Одесский кучерявец), редис (18 дней), базилик (Базилик фиолетовый).

Предполивной порог влажности почвы составлял 80% от НВ.

В среднем за три года оросительная норма при выращивании салата на контрольном варианте и на варианте с полным минеральным удобрением составили 3850 м³/га, по полимерному фону 2450 м³/га, при выращивании редиса – 3500 и 2000м³/га, при выращивании базилика – 3500 и 1750 м³/га соответственно.

В качестве минеральных удобрений в опыте использовали: мочевину – 11,6 г/м²; двойной суперфосфат – 11,0 г/м²; хлорид калия – 16,0 г/м².

В исследованиях использовался полиакриламидный полимер нового поколения В-415К (ТУ-6-02-00209912-59-96), синтезированный Саратовским НИИ «Биокатализ», 1 грамм которого может поглощать и удерживать в доступной для растений форме, до 300 гр. воды. Полиакриламидный полимер В-415К, в отличие от ранее синтезированных органических полимеров является экологически чистым и невзрывоопасным.

Суммарное количество поглощенной воды в результате обоих видов набухания в значительной степени определяется рядом факторов: термодинамическое родство воды к полимеру (наличие и доступность гидрофильных фракционных групп), пористость структуры и плотность упаковки макромолекул. Пространственная сетка, формируемая во время синтеза полимера, является основным элементом структуры гидрогеля, регулирующим процессы поглощения и распределения запасаемой гидрогелем воды. Метод сканирующей электронной микроскопии, используемый для определения структуры набухающего гидрогеля на основе полиакриламида (S. Mihael, 1985), показал, что гидрогель имеет ячеистую структуру, состоящую на 99% из внутренних вакуолей и на 1% из полимерных мостиков, полностью окружающих эти вакуоли. Накопление воды в такой структуре происходит следующим образом: 80–85% запасается в вакуолях как в бесчисленных резервуарах в виде «свободной», наиболее доступной, а 15–20% воды запасается в микропорах структуры полимера и является прочно связанной с ней. Полимерные мостики, создающие пространственную сетку в гидрогеле, вносят свой вклад не только в запасание гидрогелем воды, но и в обеспечение сопротивления выпусканию ее из геля, т. е. являются структурными барьерами, способствующими медленной диффузии и испарению влаги в режиме высушивания, что дает возможность использовать гидрогель, например, для выращивания сельскохозяйственных культур в зонах с засушливым климатом.

Таким образом, установлена водопоглощающая способность полимера в зависимости от концентрации и состава азотосодержащих солей. Определена скорость и период водопоглощения в зависимости от размера гранул полиакриламидного полимера В-415К.