CN101379977B - 一种植物养分吸收促进剂及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型植物养分吸收促进剂产品，该产品是以聚琥珀酰亚胺、有机酸和氢氧化钾的反应产物作为活性组分的水溶液，其中的活性组分含量为25-60％，且该水溶液的pH值为7-8，所述有机酸为可与金属离子络合形成可溶性金属络合物的二元羧酸或三元羧酸。本发明还提供了该植物养分吸收促进剂的制备方法及其在农业生产中的应用。本发明产品可螯合植物生长所需的氮磷钾及中微量营养元素，并将之输送到植物根系周围，从而促进植物对养分的吸收，提高肥料利用率、提高作物产量、改善作物品质。本发明还从农业生产实践出发提出了本发明产品在农业生产中的多种应用方式，有着灵活而广泛的适用范围。

Description

一种植物养分吸收促进剂及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及农业技术领域，尤其提供了一种新型的植物养分吸收促进剂及其生产方法，本发明同时提出了该植物养分吸收促进剂在农业生产上的应用。

背景技术

在传统农业生产中，为了促进作物生长、提高作物产量，普遍采用的方式就是施用各种肥料，特别是人工合成的化学肥料，如尿素、磷酸二铵、复合肥等。根据植物营养学理论，植物对各种营养成分(主要为氮、磷、钾等大量元素)的需求是呈一定比例的，该比例受作物品种、土壤肥力、气候条件、种植方式等各种复杂因素的决定，很难被农业生产者，尤其是农民准确掌握。同时，农民的集中施肥与作物需肥的周期性也形成一对难以解决的矛盾，这使得农业生产中的施肥往往出现在某种营养元素方面施肥过量，而在另一种营养元素方面又施用不足，或者某个时期营养元素过量供应，而其他时期供应不足，不仅造成了农业生产资源的大量浪费，也难以满足作物对营养元素的全面需要；另一方面，对化肥的过量使用或不适当使用形成的肥料淋失，也直接导致地表水和地下水污染，成为农业面源污染治理的难点和重点。

解决上述问题的一个重要途径就在于强化植物对土壤中营养成分的富集、吸收和利用，通过适当手段尽可能的将各种营养元素吸附在植物根系周围，在减少流失的同时，实现土壤中营养成分的长效供给。实验证明，有机酸及其高分子聚合物在这方面可以发挥积极作用。

美国专利USP5,861,356中提供了一种利用肥料与聚合氨基酸提高植物产量的方法，是利用聚天门冬氨酸及其盐对养分的螯合作用，达到收集、吸附和固定土壤中植物所需的营养成分，使其为植物生长所利用的效果。但是，可以注意到，该发明应用在农业上存在以下缺陷和不足：(1)单一的聚天门冬氨酸及其盐仅仅能够发挥富集和传送营养的作用，并不能强化植物根系自身对土壤中所需养分的溶解和吸收的能力；(2)该发明所涉及产品为聚天门冬氨酸钠盐，pH值在8.0～9.5，其弱碱性的特点不仅仅限制了在土壤中的施用，长期使用将加剧土壤的盐碱化，并且其仅限于根施，若叶面喷施会灼伤叶子，在应用方式上也有很大局限性；(3)聚天门冬氨酸对养分的传输需要一个过程和时间，根据该专利中应用实例证明，其产品至少在施用一周后才能发挥效果，这也限制了它应用在农业生产中的速效效果。

氮、磷、钾，是植物生长中不可缺少的三大营养元素，在研究中，我们还认识到作为植物营养大量元素之一的钾，与其他两个大量元素氮和磷不同，主要在蛋白质合成过程中起着辅酶和活化剂的作用。植物缺钾时，蛋白质合成受阻，植物体内淀粉和多糖易水解成单糖，使淀粉合成和多糖聚合作用受阻，从而严重影响植物生长及其果实的产量和品质。施用无机钾肥或有机钾肥是保证植物生长对钾需求的两个主要途径，其中有机钾肥的合成与应用成为肥料发展方向之一。中国专利96118644.5和00101170.7分别提供了一种有机钾肥和一种无氯有机高钾液体复合肥，它们的主要组分都为有机酸钾，并配以表面活性剂，提供用于农业生产中进行叶面喷施，二个专利公开的区别只是采取了不同的生产方法。

这两项专利公开的仅仅是一种液态有机肥料，目的是给作物提供钾肥，但这两种肥料的组成并不能实现对土壤中养分的溶解、吸附和运输作用。而且，所添加的表面活性剂、渗透剂均为有机化合物，不是作物生长所需要，长期施用易造成土壤的二次污染。再者，两项专利中提供的钾肥产品均主要作为叶面喷施使用，使用方式和范围有一定局限性。

发明内容

本发明欲解决的主要技术问题是针对目前在促进农作物生长技术研究和应用领域存在的问题，提出一种新型的植物养分吸收促进剂，将聚天门冬氨酸、生态有机酸和钾离子的功效有机结合为一体，在实际应用中可有效促进植物对各种养分的快速吸收，实现作物的增产增效。

本发明同时提供了制备上述植物养分吸收促进剂产品的方法，以确保该产品具有所预期的功效。

本发明还提供了上述植物养分吸收促进剂在农业生产中的应用。

本发明首先提供了一种植物养分吸收促进剂，是以聚琥珀酰亚胺、有机酸和氢氧化钾的反应产物作为活性组分的水溶液，其中的活性组分含量为25-60％，且该水溶液的pH值为7-8，所述有机酸为可与金属离子络合形成可溶性金属络合物的二元羧酸或三元羧酸。

申请人的研究探索发现，植物是通过其根系吸收根际土壤中的各种营养成分的，土壤中无机态养分通过截获、质流和扩散作用到达根表面，然后以质流、扩散等的被动方式和主动吸收过程通过生物膜被吸收进入根表皮细胞内。这一过程中，根系分泌物是根系影响根际土壤的主要物质基础，它主要包括低分子有机化合物(游离分泌物)、高分子凝胶物质(粘液)和细胞组织脱落物及溶解产物三大部分。其中，糖和有机酸是其中的主要有机化合物，而重要的有机酸分泌物包括苹果酸、柠檬酸、酒石酸、各种氨基酸等，这些有机酸是可与金属离子，尤其是多价金属离子和碱土金属离子络合后形成可溶性络合物的生态螯合剂。这些有机酸分泌物可通过多种螯合作用实现根系对土壤中枸溶性养分的溶解和吸收，而土壤中的高分子聚合物螯合土壤中的养分离子后，改变了根系周围溶液的浓度差，促进周边各种螯合态养分离子向根系附近进行扩散。申请人的结论是，在土壤中施入低分子有机酸，特别是柠檬酸、苹果酸、酒石酸或氨基酸等，可以强化作物根系对所需养分的溶解和吸收能力；而施入高分子聚合物，则可以促进营养成分围绕根系的富集和扩散。

本发明成功研制出一种新型植物养分吸收促进剂，其实质上是一种通过化学反应获得的聚天门冬氨酸及生态有机酸与钾盐螯合而成的活性组分水溶液产品，本发明称为聚肽螯合钾。该产品中，聚天门冬氨酸(钾)，是一种仿生生物高分子聚合物，它的分子结构独特，是含有钾离子的聚肽蛋白质；生态有机酸(钾)是可以络合多种金属离子形成可溶性金属络合物的螯合剂，同时也是植物根系在吸收养份及各种微量元素所分泌的低分子有机酸，例如可以是柠檬酸、苹果酸、酒石酸、氨基酸等。所以，本发明提供的该植物养分吸收促进剂产品自身具备了聚肽蛋白质特性和螯合特性，借助它们之间的协同作用，单独使用或与肥料配合使用，均可有效促进植物通过根系或叶面对营养元素的均衡和有效吸收。图3示意了施用本发明的产品(本发明称聚肽螯合钾)对促进植物根系溶解和吸收各种难溶养分的几种不同的作用机理。

由于聚琥珀酰亚胺在氢氧化钾作用下将水解成为聚天门冬氨酸，根据本发明的具体实施方案，以钾盐计，该水溶液产品的活性组分中聚天门冬氨酸钾与有机酸钾的重量比例在1∶1至5∶1。

对于本发明提供的植物养分吸收促进剂，所述活性组分中包含的聚天门冬氨酸的分子量应大于5000，例如所述聚天门冬氨酸的分子量可控制在5000-20000，采用公知的检测方法可以实现测定。

所述有机酸优选包括柠檬酸、酒石酸和苹果酸中的一种或多种的组合。

本发明提供的植物养分吸收促进剂，所述活性组分更优选为聚琥珀酰亚胺、有机酸和氢氧化钾在75℃～90℃下的反应产物。

本发明提供的植物养分吸收促进剂是通过聚琥珀酰亚胺、氢氧化钾和所述有机酸之间反应而获得，其反应过程是聚琥珀酰亚胺在过量氢氧化钾作用下水解生成聚天门冬氨酸阴离子，同时，过量的钾离子使有机酸离子化，二种阴离子和一种阳离子组成为本发明的植物养分吸收促进剂的活性组分，最终产品是一种活性组分质量含量达到25％-60％的水溶液。本发明还提供一种制备所述植物养分吸收促进剂的具体方法，其包括：

(1)使聚琥珀酰亚胺与过量的氢氧化钾在75℃～90℃下反应，直至聚琥珀酰亚胺全部溶解，得到具有过量钾离子的中间产物A；

(2)维持上述反应温度，向中间产物A中加入所述有机酸，调整反应体系的pH值至7～8，得到中间产物B；

(3)将中间产物B进行过滤，收取滤液，即为所述植物养分吸收促进剂。

根据本发明的方案，聚琥珀酰亚胺首先在碱作用下充分转化为聚天门冬氨酸，从反应现象可以观察到聚琥珀酰亚胺已经完全溶解，该过程应控制适当的体系温度，过量的氢氧化钾被所述有机酸螯合，同时调节体系的pH为7-8，得到具有一定活性组分含量的中性至弱碱性水溶液产物。为使产物中的聚天门冬氨酸具有期望的分子量，最好采用分子量大于5000的聚琥珀酰亚胺为原料。

按照本发明方法制备所述植物养分吸收促进剂产品所用的原料均可商购得到，反应产物无毒并可生物降解。

本发明还提供了该植物养分吸收促进剂在促进作物生长中的应用，包括：利用该植物养分吸收促进剂的稀释液进行浸种、灌根或叶面喷施。具体地，用于浸种时的稀释液的稀释倍数为1000-2000倍；用于灌根或叶面喷施时的稀释倍数为1500-3000倍。

本发明的植物养分吸收促进剂还可加入肥料中制成增效肥料，以干物质计，该植物养分吸收促进剂在肥料中的加入比例为0.5‰至1％(以所用肥料的重量为基准)，所述肥料包括无机肥料、有机肥料或有机-无机复混肥。

本发明方案的实施具有以下特点：

1、本发明产品在促进植物对养分吸收方面的功效是其活性组分协同作用的结果：

聚天门冬氨酸为高分子有机聚合物，能把植物所需的养分元素富集在植物根须周围供植物吸收，并能强化植物对土壤中N、P、K及中微量营养元素的吸收，从而提高肥料的利用率，减少环境污染；

有机酸是可以络合多种金属离子，形成可溶性金属络合物的螯合剂，施用中通过其螯合作用可以强化根系对土壤中含有可溶性和枸溶性的营养成分的溶解和吸收；

钾离子与有机酸以离子形式存在，有机酸离子可促进钾离子通过根系或叶面的吸收利用，被植物吸收的钾离子可促进淀粉的合成和多糖的聚合(促进植物蛋白质合成)，具有辅酶和活化剂的作用，有利于提高产量，改善产品品质，而聚天门冬氨酸钾具有良好的生物降解性，降解后的小分子氨基酸同样易被作物吸收利用。

2、本发明产品(肽螯合钾溶液)中聚天门冬氨酸的负离子还具有表面活剂功能，能与肥料、农药复配使用，起到分散剂的作用，提高肥效、药效，增强它们的竞争力。

3、本发明产品原料易得，生产方式简单易控制，成本较低。

4、本发明的制剂热稳定性好，耐高温，但可全部生物降解；经国家权威部门检测为无毒、无害、无残留、全降解、不含任何重金属和激素，对土壤、植物、动物无任何不良影响，是符合国家产业政策的高效环保型产品。

总之，无论以上何种使用方式，本发明产品均可以达到在植物生长过程中强化养分吸收和利用的作用，能提高肥料综合利用率，提高产量，改善品质。

附图说明

图1是应用例3采用本发明的植物养分吸收促进剂及常规产品在大棚黄瓜上应用试验的产量对照曲线。

图2是应用例4采用本发明的植物养分吸收促进剂及常规产品在大棚黄瓜上应用试验的产量对照曲线。

图3是施用本发明的植物养分吸收促进剂在强化根系对土壤中含有营养成分的各种无机化合物，特别是难溶性无机化合物的溶解和吸收过程几种不同机理的示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和应用例对本发明的方案和实施效果做进一步的说明，但不对本发明的实施范围形成任何限制。

以下实施例中使用的聚琥珀酰亚胺为商购产品，而所用的氢氧化钾和各种有机酸均为商购化工原料。

实施例1

将20.3千克分子量大于5000的聚琥珀酰亚胺常温下加入到54.1千克水中，边搅拌边加入18.0千克纯度大于90％的固体氢氧化钾，过程中控制反应温度约80℃左右，直到聚琥珀酰亚胺全部溶解(约3-4小时)，再维持该反应温度加入一水柠檬酸7.6千克，将pH值调节至7-8，经过滤可得到100千克棕红色透明的溶液，本发明称为“聚肽螯合钾”，(以下实施例相同)其中的活性组分含量为43％，以钾盐计，聚天门冬氨酸钾∶柠檬酸钾重量比为2.9∶1。

实施例2

将19千克分子量大于5000的聚琥珀酰亚胺常温下加入到47千克水中，边搅拌边加入24.7千克纯度大于90％的固体氢氧化钾，过程中控制反应温度在75℃-80℃左右，直到聚琥珀酰亚胺全部溶解后，再维持该反应温度加入14.4千克的一水柠檬酸，将pH值调节至7-8，经过滤可得到100千克的棕红色透明的聚肽螯合钾溶液，其中的活性组分含量为53％，以钾盐计，聚天门冬氨酸钾∶柠檬酸钾重量比为1.5∶1。

实施例3

将14千克分子量大于5000的聚琥珀酰亚胺常温下加入到50千克水中，边搅拌边加入11.6千克纯度大于90％的固体氢氧化钾，过程中控制反应温度在85℃左右，直到聚琥珀酰亚胺全部溶解后(约3-4小时)，再维持该反应温度加入4千克的酒石酸和20.4千克的水，待酒石酸全部溶解后，pH值为7-8，经过滤可得到棕红色透明的聚肽螯合钾溶液，其中活性组分含量为28％，以钾盐计，聚天门冬氨酸钾∶酒石酸钾重量比为3.6∶1。

实施例4

将14千克分子量大于5000的聚琥珀酰亚胺常温下加入到50千克水中，边搅拌边加入11.8千克纯度大于90％的固体氢氧化钾，过程中控制反应温度在85℃左右，直到聚琥珀酰亚胺全部溶解后，再维持该反应温度加入3.8千克的苹果酸和20.3千克的水，使其全部溶解，pH值为7-8，经过滤可得到棕红色透明的聚肽螯合钾溶液，其中活性组分含量为28％，以钾盐计，聚天门冬氨酸钾∶酒石酸钾重量比为3.6∶1。

实施例5

将14千克分子量大于5000的聚琥珀酰亚胺室温下加入到50千克水中，边搅拌边加入11.9千克纯度大于90％的固体氢氧化钾，过程中控制反应温度在85℃左右，直到聚琥珀酰亚胺全部溶解后，再加入2.5千克柠檬酸、0.83千克酒石酸、0.32千克的苹果酸和20.5千克的水，使其全部溶解，经过滤可得到棕红色透明的聚肽螯合钾溶液，其中活性组分含量为28％，以钾盐计，聚天门冬氨酸钾∶生态酸螯和钾重量比为3.6∶1，其中生态酸螯合钾包含柠檬酸螯合钾、酒石酸螯合钾和苹果酸螯合钾。

利用以上产物作为试验产品应用在小麦、菠菜、黄瓜、茄子等多种作物，进行了以下应用和对照试验。试验中所用的对照品均为商购产品。

应用例1

2006年8月份在大田小麦上进行了对照试验。试验区及对照区面积均为1市亩，种植品种为小麦9411。试验区使用实施例1中活性组分含量为43％的聚肽螯合钾液体0.2公斤稀释15倍，在20公斤NPK配比为15-15-15的复合肥中掺混均匀后做试验区底肥使用。对照区仅施用20公斤NPK配比为15-15-15的复合肥。

生长期表现：(1)试验区出苗早于对照区4天，且苗齐较旺；(2)试验区麦苗较对照区，分蘖平均多出1-2个，且作物根系发育较好；(3)统计最后产量，试验区产量为490公斤，对照区产量380公斤，增产28.9％；(4)试验区小麦籽粒普遍饱满有光亮，对照区小麦籽粒明显较为瘦瘪。

应用例2

2007年4月在大田菠菜上进行了对照试验。试验区及对照区面积均为1市亩，种植品种为全能菠菜。将实施例1的聚肽螯合钾液体0.2公斤稀释15倍，在20公斤NPK配比为15-15-15的复合肥中掺混均匀后做试验区底肥使用。对照区仅施用20公斤NPK配比为15-15-15的复合肥。

35天后菠菜收获称重，对照区产量1876公斤(作为增产100％基准)，试验区产量为2334公斤，增产458公斤，增产率24.4％。显示施用聚肽螯合钾增产效果明显。

表1、实施例1在菠菜上的应用试验

处理	区域	施用量及方法	产量(公斤)	对比增产情况
					施用聚肽螯合钾	试验区	0.2Kg与20公斤复合肥掺混作底肥	2334	124.4％
空白对照	对照区	20公斤复合肥作底肥	1876	100％

应用例3

2007年5月在三个蔬菜大棚中进行对照小区试验。三个大棚面积均为1市亩，种植品种为绿油黄瓜，试验时黄瓜株高1米左右。大棚A喷施实施例3中的新型植物养分吸收促进剂(聚肽螯合钾)30毫升，其中活性组分含量28％，稀释3000倍，叶面喷施；大棚B喷施液态有机钾肥(商购品)60毫升，浓度16％，稀释1500倍液，叶面喷施；大棚C为空白对照区，没有叶面喷施，其余用肥及棚内管理相同。

两周内三个大棚每日黄瓜产量情况对比如图1所示。施用本发明产品的大棚A中合计产量为355公斤，施用有机钾肥产品的大棚B中合计产量为287公斤，二者相比，施用本发明产品后产量增加23.7％；空白对照区产量273公斤，二者相比，施用本发明产品后产量相比增加30％。

表2、实施例2在大棚黄瓜上的应用试验(对比增产的统计基于空白对照)

处理	试验区	施用量及方法	产量(公斤)	对比增产情况
					施用聚肽螯合钾	大棚A	30毫升，稀释3000倍	355	130％
施用有机钾	大棚B	60毫升，稀释1500倍	287	105.1％
					空白对照	大棚C	不添加使用叶面喷施	273	100.0％

应用例4

2007年5月在三个蔬菜大棚中进行对照小区试验。三个大棚面积均为1市亩，种植品种为冬冠四号黄瓜，试验时黄瓜株高1米左右。大棚A随水根灌实施例3中的新型植物养分吸收促进剂(聚肽螯合钾)300g，其中活性组分含量28％，稀释2000倍；大棚B随水根灌美国产(商品名为“金回报”30％浓度)聚天门冬氨酸钠盐300g，浓度30％，稀释2000倍液；大棚C不做任何处理，为空白对照。其余用肥及棚内管理相同。

一个月内三个大棚每日黄瓜产量情况对比如图2所示。大棚A中合计产量为1875根，大棚B中合计产量1467根，空白区合计产量1180根。施用聚肽螯合钾的大棚A相对大棚B增产27.8％，相对空白区增产58.9％。不仅增产效果显著，而且可以从图中看出，施用聚肽螯合钾后，作物产量迅速提高，短期内达到较高水平；相比较而言，大棚B要在1周后才能达到较高产量。产品提前上市，意味着可以获得较高的市场价格，投资回报率更高。

表3、实施例3在大棚黄瓜上的应用试验(对比增产的统计基于空白对照)

处理	试验区	施用量及方法	产量(根)	对比增产情况
					施用聚肽螯合钾	大棚A	300g，稀释2000倍	1875	158.9％
施用美国聚天门冬氨酸钠	大棚B	300g，稀释2000倍	1467	127.8％
					空白对照	大棚C	不添加使用叶面喷施	1180	100％

Claims (9)

1.一种植物养分吸收促进剂，所述植物养分促进剂是以聚琥珀酰亚胺、有机酸和氢氧化钾的反应产物作为活性组分的水溶液，其中的活性组分含量为25-60％，反应过程是聚琥珀酰亚胺在过量氢氧化钾作用下水解生成聚天门冬氨酸阴离子，同时，过量的钾离子使有机酸离子化，二种阴离子和一种阳离子成为所述活性组分，所述聚琥珀酰亚胺的分子量大于5000，以钾盐计，该水溶液的活性组分中聚天门冬氨酸钾与有机酸钾的重量比例在1∶1至5∶1，且该水溶液的pH值为7-8，所述有机酸为可与金属离子络合形成可溶性金属离子络合物的二元羧酸或三元羧酸。

2.根据权利要求1所述的植物养分吸收促进剂，其中，所述活性组分中包含的聚天门冬氨酸的分子量应大于5000。

3.根据权利要求1所述的植物养分吸收促进剂，其中，所述有机酸包括柠檬酸、酒石酸和苹果酸中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的植物养分吸收促进剂，其中，所述活性组分为聚琥珀酰亚胺、有机酸和氢氧化钾在75℃～90℃的反应产物。

5.制备权利要求1-4任一项所述的植物养分吸收促进剂的方法，所述方法包括：

(1)使聚琥珀酰亚胺与过量的氢氧化钾在75℃～90℃温度范围内反应，直至聚琥珀酰亚胺全部溶解，得到含有过量钾离子的中间产物A；

(2)维持上述反应温度，向中间产物A中加入所述有机酸，调整反应体系的pH值至7～8，得到中间产物B；

(3)将中间产物B进行过滤，收取滤液，即为所述植物养分吸收促进剂。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，聚琥珀酰亚胺的分子量应大于5000。

7.权利要求1-4任一项所述植物养分吸收促进剂在促进作物生长中的应用，包括：利用该植物养分吸收促进剂的稀释液进行浸种、灌根或叶面喷施。

8.根据权利要求7所述的应用，其中，用于浸种时的稀释液的稀释倍数为1000-2000倍；用于灌根或叶面喷施时的稀释倍数为1500-3000倍。

9.权利要求1-4任一项所述植物养分吸收促进剂在促进作物生长中的应用，包括：将该植物养分吸收促进剂作为肥料增效剂加入肥料中制成增效肥料，以干物质计，该植物养分吸收促进剂在肥料中的加入比例为0.5‰至1％，所述肥料包括无机肥料、有机肥料或有机-无机复混肥。

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