Исследование влияния абиотического фактора – электрического разряда на физико-химические свойства почвы

Актуальность рассматриваемой темы

С давних времен в сельском хозяйстве человек оценивал почву главным образом с точки зрения способности производить урожай, т.е. плодородия. На современном этапе главной задачей земледелия является получение как можно большей биологической продукции ценой меньших затрат.

Для решения этой задачи можно пойти интенсивным путем, т.е. стремиться получать постоянно возрастающий объем биологической продукции за счет повышения продуктивности земледелия на уже распахиваемых землях, без вовлечения новых площадей. Этот путь требует, естественно, все новых капиталовложений для расширенного производства почвенного плодородия и резкого повышения труда земледельцев.

Но интенсивный путь может очень быстро истощить почву, если не принять специальных почвоохранных мер, направленных на восстановление и расширенное воспроизводство почвенного плодородия. Поэтому задача земледелия должна состоять не только в получении биологической продукции, но и в постоянном поддержании ее плодородия. Для этого в почвы вносят удобрения. Но есть и другой метод.

Ведь даже самая тощая почва содержит все элементы, необходимые растениям для их роста, но эти элементы находятся в нерастворимом или труднорастворимом состоянии. Мы предположили, что сделать их доступными для растений можно с помощью гидроэлектрического эффекта. Его сущность состоит в том, что высоковольтный разряд, проходя через жидкость, находящуюся в почве, создает в ней огромное гидравлическое давление из-за ее несжимаемости. При этом жидкость приобретает свойства мощного механического инструмента, способного разрушать самые твердые породы.

В данной работе предложен способ изменения плодородия почвы нетрадиционным методом.

Гипотеза

Электрический разряд при воздействии на почву способен улучшить ее свойства и качество, а также усилить тем самым рост и развитие растений.

Цели и задачи исследования

Целью данного исследования является изучение влияния электрического разряда на физико-химические свойства почвы, необходимые растениям для нормальной жизнедеятельности.

Задачи:

1.  Анализ литературных источников.

2.  Планирование и проведение эксперимента по оценке физико-химических свойств почвы: влагоемкости, содержания воздуха, pH почвы, обработанной электрическим разрядом.

3.  Планирование и проведение эксперимента по оценке влияния почвы, обработанной электрическим разрядом, рост и развитие растений.

4.  Анализ и обобщение полученных в ходе эксперимента данных.

5.  Рекомендации по практическому применению.

Состав и свойства почвы

Почва – это сложная смесь минеральных и органических веществ. Часть органических веществ химически соединяются с минеральными, образуя особые органоминеральные вещества. В почве находится множество микроорганизмов, без которых она мертва и не может выполнять биосферных функции. Почвы различаются между собой как по составу, так и по строению. Состав почвы может быть фазовым, механическим, химическим, минералогическим и агрегатным [13].

Фазовый состав почв зависит от соотношения между твердыми частицами, их структурными агрегатами и порами между ними: чем структурнее почва, тем больше в ней пор, а следовательно, и содержание воды или воздуха. Вспаханная почва более рыхлая и пористая. Фазовый состав почвы изменяется в зависимости от ее состояния в тот или иной момент: разрыхлена она, например, вспашкой или культивацией, либо уплотнена, влажная, либо сухая. Меняется он и с глубиной: больше всего пор в верхнем, гумусовом горизонте, поры здесь наиболее крупные, воздухоносные.

Механический состав почвы – это соотношение в ней твердых частиц разного размера. Почва – это всегда смесь разных частиц, среди которых по величине различают камни (крупнее 3 мм), гравий (1–3 мм), песок (0,05–1 мм), пыль (0,001–0,05), ил (мельче 0,001 мм). Все частицы крупнее 1 мм составляют скелет почвы, а мельче 1 мм – мелкозем. По соотношению частиц разного размера почвы делятся на песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые. Песчаные и супесчаные почвы называются легкими, так как их легко обрабатывать, а суглинистые и глинистые – тяжелыми [12].

Химический состав почвы различается в разных природных условиях. Так, например, во влажных тропиках и субтропиках почвы обогащены оксидами Fe и А1, но содержат очень мало К, Na, Ca, Mg. В пустынях и полупустынях они обогащены карбонатами Са и Na, хлоридом Na. Песчаные почвы богаты кремнеземом, поскольку песок в значительной мере представлен зернами кварца. Элементы присутствуют в почве в форме большого числа разнообразных химических соединений, а также в виде свободных ионов в почвенном растворе или в виде адсорбированных ионов на поверхности твердых почвенных частиц. Главная масса элементов входит в состав различных почвенных минералов, как первичных (кварц, слюды), так и вторичных (соли, оксиды).

Минералогический состав зависит от той исходной горной породы, из которой почва образовалась. Но в почве есть и новообразованные минералы, характер и состав которых зависит от условий почвообразования. В песчаной почве 90–95% составляет кварц, а в глинистой 50–70% могут составлять вторичные почвенные минералы.

Агрегатный состав характеризует соотношение в почвенной массе связанных между собой в агрегаты твердых частиц почвы, комков, на которые она распадается в естественном состоянии. Это так называемая структура почвы, определяющая ее аэрацию и водный режим.

По строению агрегаты в почве могут быть упакованы рыхло или плотно прилегать друг к другу, но всегда между ними есть свободные промежутки, заполненные водой или воздухом. Внутри агрегатов много различных замкнутых или сообщающихся между собой каналов и трещин, которые составляют 30–50% общего объема почвы.

Вода – это важнейшая составная часть почвы, без нее минеральные вещества находящиеся в почве были бы бесполезны для растений. Она поступает в почву прежде всего в виде осадков. Эта вода уже содержит в себе какое-то количество растворенных веществ, захваченных из атмосферного воздуха, а просачиваясь сквозь почвенную толщу, она еще обогащается ими. Почвенная вода – это всегда водный раствор каких-то веществ, разбавленный или концентрированный в зависимости от влажности почвы. Обычно растворенные в почве вещества находятся в виде положительно (катионы) или отрицательно (анионы) заряженных ионов, причем имеются ионы как органических, так и минеральных солей.

Еще одной важнейшей составной частью почвы, от которой зависит ее плодородие, является гумус. Он образуется в почве при разложении бактериями и грибами мертвых органических остатков, прежде всего растительных. Гумус – это очень сложная смесь высокополимерных азотосодержащих органических соединений с молекулярной массой порядка десятков тысяч единиц, как у белков или других сложных органических веществ. Главную его массу составляют темноокрашенные гумусовые кислоты, обладающиe высокой реакционной способностью.

Сущность искрового разряда

Если на два электрода, помещенных в атмосферном воздухе, подать достаточно большое напряжение, то возникает электрическая искра. При этом искровой разряд с огромной быстротой пронизывает разрядный промежуток, гаснет и вновь возникает. Ярко светящийся изогнутый канал искры соединяет оба электрода и имеет сложные разветвления. Свечение в искре – результат интенсивных процессов ионизации. Звуковые же эффекты, сопровождающие искру, порождаются повышением давления (до сотен атмосфер) вследствие нагревания таза (100 000°С) в местах прохождения разряда [16].

Пробой при искровом разряде начинается при определенной напряженности однородного поля, которая тем больше, чем больше плотность газа и чем меньше его ионизация. Для воздуха при нормальных условиях пробой начинается в однородном поле с напряженностью 3000 в/мм.

Напряженность поля близ электродов зависит от кривизны их поверхности, поэтому разряд между остриями начинается при меньших напряжениях, нежели между шарами или плоскими электродами [10].

Влияние электрического разряда на почву

Растения могут поглощать минеральный азот из почвы в виде ионов аммония или нитратов N0^. Этот азот довольно быстро переходит в органическую форму, причем превращение начинается уже в корнях. Здесь, при участии ферментов, из аммиака и органических кислот получаются аминокислоты [8].

Аммиак – лучший источник азота для сельскохозяйственных культур, чем нитраты, т.к. путь от нитратов до белка длиннее, чем от аммиака до белка.

Повышение плодородия почвы под действием электрического разряда можно объяснить гидроэлектрическим эффектом, открытым ленинградским ученым Л. Юткиным в 1950г. Сущность его состоит в том, что электрическая искра высоковольтного разряда, проходя через жидкость со скоростью в несколько тысяч километров в секунду, создает гидравлические давления в десятки и сотни тысяч атмосфер. При этом вода, например, приобретает свойства мощного механического инструмента, способного разрушать самые твердые породы. Этот эффект широко применяется в технике. Электрогидравлическим ударом дробят валуны, уплотняют откосы каналов и плотин, разрушают мерзлый грунт, штампуют корпуса машин и т. д. Если смешать почву с водой и подвергнуть действию искусственной молнии, то в воде растворяются наиболее важные для роста растений вещества [11].

Измерения сопротивления почвы свидетельствуют о том, что в обработанной почве после полива содержание ионов приблизительно в 1,7 раза больше, чем в контрольных образцах.

Исследования ученых показали, что даже самая истощенная почва содержит все элементы, нужные растениям для их роста, но эти элементы находятся в нерастворимом и труднорастворимом состоянии [13].

Использование метода воздействия электрического разряда на почву в сельском хозяйстве можно осуществить следующим способом: верхний слой почвы непрерывно поднимают и загружают в дробилку, смешивают с водой и подвергают действию высоковольтного разряда. Одновременно смесь продувают воздухом из компрессора или азотом из баллона. Во время работы электрическую дробилку прицепляют к трактору. Когда он движется, специальное приспособление забирает почву на транспортер, откуда она подается в дробилку. Удобренная таким образом почва в виде пульпы поступает в разбрасыватели и равномерно распределяется по полю. Этот способ представляет особый интерес для обработки поливных земель и полей, залитых водой осенью или весной [20].

Объект и методика исследования

Для эксперимента использовалась истощенная почва. В экспериментальные емкости для выращивания растений была насыпана почва, обработанная искусственной молнией, т.е. электрическим разрядом. Для этого использовался высоковольтный выпрямитель на 25 кВ. Перед обработкой почва смешивалась с водой. В контрольных емкостях использовалась та же почва, но без всякой обработки.

Влагоемкость экспериментального и контрольного образцов почвы устанавливалась путем измерения электрического сопротивления от полива водой до полного высыхания земли.

Содержание воздуха в экспериментальном и контрольном образцах почвы определялось путем погружения равных по объему образцов почвы в стаканы с водой, отмечалось время выделения воздуха из почвы.

рН экспериментального и контрольного почвенных растворов определялось с помощью универсальной индикаторной бумаги.

Исследования по влиянию почвы, обработанной электрическим разрядом, на рост и развитие растений проводились на 20 образцах фасоли и 10 образцах комнатного растения - хлорофитума, которые перед высадкой в почву имели приблизительно одинаковые характеристики. Все образцы находились в одинаковых условиях. Еженедельно проводились измерения высоты растений фасоли и длины листьев хлорофитумов.

Результаты исследований

1.  Измерения показывают, что после полива растений электрическое сопротивление экспериментальных образцов почвы уменьшилось в 2,7 раза, а контрольных образцов – в 1,5 раза. По мере высыхания земли сопротивление увеличивалось. При полном высыхании сопротивление всех образцов выравнивалось.

Таблица 1.

Сравнение сопротивлений образцов почв, обработанных и не обработанных электрическим разрядом

Рисунок 1. Сравнение сопротивлений образцов почв, обработанных и не обработанных электрическим разрядом

2.  Было замечено, из образцов почвы, обработанной электрическим разрядом, воздух выделялся, в среднем в течение, 5 минут, а ее комки рассыпались на мелкие частицы в среднем через 3 минуты, в то время, как из контрольных образцов воздух выделялся в среднем в течение 4 минут, а ее комки рассыпались в среднем через 5 минут.

Рисунок 2. Сравнение времени выделения воздуха из равных по объему образцов почвы и скорости рассыпания крупных комков образцов почвы на мелкие частицы

3.  Результаты исследований показывают, что в испытуемых образцах вода поглощается почвой значительно лучше, чем в контрольных образцах.

4.  Значение рН образцов почвы, обработанной электрическим разрядом, и в сравнение с контрольными образцами почвы не изменилось.

5.  Прирост и развитие растений фасоли в почве, обработанной электрическим разрядом, ускорились на 50 мм, что видно по данным таблицы 2.

Таблица 2.

Сравнение роста и развития растений фасоли в почве, обработанной электрическим разрядом

Рисунок 3. Сравнение роста и развития растений фасоли в почве, обработанной электрическим разрядом

6.  Измерение длины листьев исследуемых и контрольных образцов растений хлорофитумов показало, что прирост длины листьев растений, растущих на почве, обработанной электрическим разрядом, в среднем на 3% выше, чем у контрольных образцов.

Таблица 3.

Сравнение длины листьев хлорофитумов, растущих в почвах обработанных и не обработанных электрическим разрядом образцов

Рисунок 4. Сравнение длины листьев хлорофитумов, растущих в почвах обработанных и не обработанных электрическим разрядом образцов

Выводы

1. Почва, обработанная электрическим разрядом, обладает меньшим электрическим сопротивлением, следовательно, меньшей плотностью, а значит, большей влагоемкостью и содержит больше воздуха.

2. Рост и развитие растений на почве, обработанной электрическим разрядом, улучшается.

Рекомендации

Установленный факт влияния электрического разряда на физико-химические свойства почвы можно использовать для улучшения свойств почвы в закрытом грунте: теплицах, оранжереях, жилищах человека при выращивании комнатных растений.

Причем при обработке почвы электрическим разрядом происходит улучшение свойств почвы, а также полное очищение от паразитов, что выгодно не только с точки зрения повышения продуктивности, но и экономически в сравнении, например, с наиболее часто используемым методом очищения почвы – прокаливанием.