Результаты исследования были опубликованы в журнале Soil & Tillage Research.
В засушливых областях одним из ключевых факторов опустынивания выступает ветровая эрозия. Возникающие пыльные бури уничтожают плодородный слой почвы, вредят здоровью населения и разрушают объекты инфраструктуры, включая дороги. Традиционно для сдерживания песчаных массивов применяют сетчатые заграждения из соломы, пучки которой частично вминают в почву. Несмотря на свою доступность и простоту, такие конструкции недолговечны: солома быстро гниет и разрушается под воздействием солнечных лучей, ветра и бактерий, что требует постоянного ремонта.
В качестве надежной замены международная группа исследователей разработала барьеры из песка, обработанного методом ферментативного осаждения карбоната кальция (EICP). Суть технологии заключается в использовании уреазы — фермента, выделяемого из сои. Его соединяют с раствором хлорида кальция и мочевины. В процессе химической реакции фермент расщепляет мочевину, а высвободившийся карбонат связывается с кальцием. Полученное вещество прочно цементирует песчинки между собой, образуя жесткую защитную корку.
Главное преимущество технологии EICP перед аналогичными микробиологическими подходами — отсутствие необходимости в живых культурах бактерий, благодаря чему метод стабильно работает вне зависимости от факторов окружающей среды, критических для микроорганизмов.
Площадкой для практических испытаний стала китайская пустыня Миньцинь, признанная одной из самых засушливых и заброшенных зон в КНР. Климатические условия здесь экстремальные: за год выпадает всего около 134 мм осадков, при этом уровень испарения превышает эту цифру почти в 20 раз. Сильные ветры со скоростью более 10 м/с бушуют тут суммарно свыше месяца в году, а ландшафт покрыт подвижными эоловыми песками.
Ученые возводили защитные конструкции непосредственно на полигоне. Из местного песка формировались насыпи треугольного сечения высотой 10 см и шириной у основания 30 см, после чего их опрыскивали раствором по технологии EICP. Пропорции ингредиентов подбирались опытным путем. При наилучшем соотношении компонентов на поверхности гребней создавался сплошной высокопрочный слой: его стартовое сопротивление продавливанию составило 547 кПа, а спустя 50 дней удерживалось на отметке выше 310 кПа.
Эксперимент показал, что за 50 дней нахождения под открытым небом внутри созданных ячеек начал задерживаться песок. Объемы оседавших наносов напрямую зависели от жесткости защитных барьеров. Дополнительная фиксация грунта внутри огороженных секторов усиливала улавливание песчинок, а также корректировала температурный режим и влажность воздуха у самой земли. Кроме того, сокращение дистанции между песчаными гребнями позволяло значительно расширить зону затишья, что существенно повысило общий уровень ветрозащиты.
«Мы впервые испытали треугольные барьеры из EICP-цементированного песка в полевых условиях и оценили, как их эффективность зависит от параметров обработки и расстояния между барьерами, – прокомментировала старший научный сотрудник НИЛ системной патологии и перспективных лекарственных средств ЮУрГУ Мария Комелькова. – При оптимальном составе раствора образуется прочная корка, которая помогает удерживать песок. При этом поверхность не закрепляется полностью: внутри ячеек сохраняются участки, потенциально подходящие для восстановления растительности. Это отличает наш подход от сплошного укрепления песчаной поверхности».
С помощью электронной микроскопии удалось выяснить, что жесткость конструкций напрямую определяется равномерностью и непрерывностью кристаллизации карбоната кальция в межпесчаном пространстве. Именно минеральные мостики создают прочную связующую сеть, скрепляющую грунт. Рост концентрации реагентов и увеличение расхода жидкого состава приводили к росту доли кальцита и утолщению защитного слоя. Тем не менее при достижении критически высоких показателей плотности раствора прирост прочности начинал замедляться. Также исследователи отметили, что включение в смесь хлорида магния оптимизирует архитектуру цементирующей сетки, но этот эффект проявляется исключительно при умеренном насыщении раствора.
Исследование выполнено при поддержке Национального фонда естественных наук Китая.
Екатерина Больных, ЮУрГУ.
Источник: Минсельхоз Челябинской области.
