CN108777956A - 聚醚改性的短链硅氧烷在农业中增加收获产量的用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及聚醚改性的短链硅氧烷在农业中用以增加农艺产量的用途，涉及用于灌溉的方法，以及包含至少一种聚醚改性的短链硅氧烷和灌溉系统的成套设备。

Description

聚醚改性的短链硅氧烷在农业中增加收获产量的用途
背景技术
过去，例如，借助于增加的杀害虫剂(pesticide)使用或更高的每公顷肥料使用，或借助于更有效的灌溉系统一直在不断提高农业生产率。然而，这些的全球增长率在过去20年里变得小得多。相比之下，全球粮食需求显著增加，因此存在差异。全球农业增长率下降的原因首先归因于城市化可耕地的流失，其次是土壤肥力的下降。后者可归因于越来越多的极端天气条件，如大雨或极端干旱及人的影响，如过度施肥和集约式农业。这导致雨水溢流、土壤侵蚀、土壤养分流失和土壤盐化，并导致较低的每公顷总生产力。(Alexandratos和Bruinsma，“通向2030年/2050年的世界农业(World Agriculture Towards 2030/2050)”，ESA第12-03号工作文件(ESA Working Paper No.12-03)，www.fao.org)
在确定每公顷生产力方面至关重要的一个因素是水分的渗透，尤其是对根区的渗透。根区的均匀水分含量对于大多数植物的生长和产量是重要的。水分的这种渗透首先取决于降水或灌溉的频率、持续时间和均匀性。因此，例如，在一些情况下，即使与常规的灌溉系统相比，微滴灌溉也可使产量明显增加。然而，除灌溉方式外，水分的渗透还取决于土壤成分(soil profile)的化学、物理和生物性质。它们影响水和含水液体在所述土壤成分中的渗入和保留。
水的渗入和保留在疏水性土壤中特别减少。疏水性土壤已在中纬度地区广泛存在，并将在气候变化过程中进一步扩大。处于特别风险之下的是针叶林、落叶林和草地下面的砂质土壤。因此，过去已经研究了通过添加润湿剂来增加水的渗入和保留，特别是对于疏水性土壤。在疏水性土壤中，植物生长在一些情况下受到高度限制，因为土壤的表面化学性质抵抗水合。在数十年的过程中，已利用阴离子型润湿剂如皂类或温和洗涤剂来改善疏水性土壤中的水渗入。然而，这些物质中的许多具有植物毒性，且可能对土壤结构具有不利影响(US2015/045225)。在集中利用的区域以及还有在疏水性植物基质的领域，使用非离子型润湿剂，如烷氧基化多元醇、葡糖醚(glucoether)、乙氧基化和/或丙氧基化和/或芳族醇/C8-C22脂肪醇、烷基聚糖苷，例如烷基聚糖苷的阴离子型羧酸酯、烷基化聚糖苷醚羧酸酯、烷基化聚糖苷磷酸酯、甜菜碱、硫酸酯、烷基化磺基琥珀酸酯、磺酸酯、具有高萜烯浓度的油、萜烯烷氧基化物或非离子型氧化烯(嵌段)共聚物(WO 2013110552)。
三硅氧烷表面活性剂具有一般结构Me3SiO-SiMeR-OSiMe3，其中R基团是聚醚基团。三硅氧烷表面活性剂例如Evonik Industries AG的S-240的主要用途是其在作物保护中的应用。它们将水的静态表面张力降低至显著大于上述产品的程度。术语“表面张力”在现有技术中应理解为意指静态表面张力。例如，在三硅氧烷的情况下，水中0.05重量％剂量下的静态表面张力为约20-25mN/m。
除了在绿地灌溉领域使用润湿剂之外，润湿剂也被少得多用于农业应用中的灌溉领域。润湿剂在农业部门的应用尤其集中于作物保护领域(US2014/0242197)，但也集中于使水分更好地渗透至根区(CA2769988)，集中于植物健康的总体改善以及更好的植物和/或根生长(US 2010/0144534、AU2013201540)，集中于更好的植物存活以及集中于土壤中的增强的微生物活性。在这些应用中，描述了5-100l/ha的用量，优选10-20l/ha(AU2013201540)。
实际上，灌溉添加剂经常被添加至装有水或营养溶液的罐中，并在温和搅拌下分布在灌溉或肥料溶液中，以便能够借助于微灌系统将期望量的润湿剂分布在预期的田地区域上。这里的佐剂或者在罐混合操作之前被掺入营养配制物中，或者作为单独的罐混合添加剂被添加至营养溶液/液剂中。微灌系统是以水沫(spray)、薄雾(mist)、喷雾(sprinkling)或微滴形式供水的低压或中压系统。这是使用各种技术出水口如微型喷淋器、喷雾器、雾化器、微型和小型灌注器、滴灌器(dripper)、灌溉软管和其它来完成的。通过选择滴灌器，就可以以植物特有的方式调节排放速率，因为用于农业和园艺环境中的许多植物对供水有非常不同的要求。微灌系统由管、软管、水排放装置、流量调节系统、安装单元、连接件和其它附件构成。喷灌(sprinkler)系统是全球最常见的灌溉系统，而微滴灌溉则在缺水地区是特别有利的。
为了能够评估农业潜力和物质的活性，除了实验室和温室实验之外，还优选以例如田间试验的形式在农业中的实际应用。
现有技术的缺点是常规利用的润湿剂仅在疏水性土壤上测试至特定程度，并且其在农业中的用量要非常大，因此其利用对农民来说费力且昂贵。迄今为止，聚醚改性的短链硅氧烷、尤其是三硅氧烷尚未在农业灌溉中用于增加农艺产量。由于全球对食物的需求不断增长且用于农业的面积有限，因此越来越重视增长的(rising)基于公顷的产量增加。
本发明范围内的“易生物降解”描述了根据OECD方法301F CD的可降解性，优选如EP15172382A(2015年6月16日提交)中所描述的。
本发明范围内的“土壤”一词应理解为不仅意指天然存在的土壤，如表层土或壤土(loam)，而且还意指用于植物生长的任何基质。
本发明的目的是克服现有技术的至少一个缺点。
现已发现，令人惊讶地，将聚醚改性的短链硅氧烷添加至用于植物灌溉的水中可在各种农业利用土壤中以非常低的施加体积明显增加农艺产量。
下文以举例方式描述本发明的主题，而无意将本发明限于这些说明性实施方案。当下文指定范围、通式或化合物类别时，这些应当不仅包括明确提到的化合物的相应的范围或类群，而且还包括通过选取单个值(范围)或化合物可获得的化合物的所有子范围和子群。当在本说明书的上下文中引用文献时，其内容、特别是关于形成其中引用所述文献的上下文主题的内容应整体考虑，以形成本发明的公开内容的一部分。除非另有说明，否则百分比是以重量百分比计的数字。当下文报告平均值时，除非另有说明，否则所讨论的值是重量平均值。当下文报告已通过测量确定的参数时，除非另有说明，否则它们已在25℃的温度和101.325Pa的压力下确定。
发明内容
本发明提供式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的用途：
MaDbD'c 式(I)
其中M＝R1 3SiO1/2，D＝R1 2SiO2/2，D‘＝R1R2SiO2/2，
其中
a是2，
b是0到0.5，优选0到0.1，尤其优选0，
c是1至3，优选1至2，更优选1.0至1.15，甚至更优选1.0至1.10，尤其优选1.0至1.05，
R1独立地为具有1至8个碳原子的烃基，优选甲基、乙基、丙基或苯基，尤其优选甲基，
R2独立地为式(II)的聚醚基团
-R3O[CH2CH2O]m[CH2CH(CH3)O]n R5 式(II)
其中
m＝2至30，优选2至20，更优选3.4至11.0，甚至更优选3.6至9.9，特别优选4.5至8.5，
n＝0至10，优选2.5至8.0，更优选2.7至7.5，特别优选3.0至6.0，
但前提是：
R3独立地为具有2至8个碳原子的二价烃基，优选亚乙基、亚丙基、1-甲基亚丙基、1,1-二甲基亚丙基，尤其优选-CH2CH2CH2-，
R5各自独立地为具有1至16个碳原子的烃基或氢，优选氢或甲基，
并且，如果n大于0，
则m/n＝1至30，优选1.5至15，更优选1.8至5，尤其优选1.9至2.8，并且
对于要求保护的n的所有值，如果c大于或等于1.2，
则c*(m+n)＝12至50，优选13至40，更优选14至25，
用于增加农艺产量。
式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的用途限于施加于根部区域。
优选地，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷排他性地用于灌溉，更优选与灌溉水一起使用。尤其优选的是，不将式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷施加至叶或施加至叶上。
本发明上下文中的农艺产量直接与农艺目标相关联，并且优选意味着产量提高。产量的此类增加可基于植物或其部分的质量，也可基于植物的部分的数量。
式(II)的化合物可具有统计结构。统计分布形成于具有任意数量的嵌段和任意序列的嵌段中，或者服从无规化分布；它们还可具有交替结构，或者在链上形成梯度；更具体地说，它们还可形成所有混合形式，其中不同分布的基团可任选地彼此跟随。特定实施方式(execution)可具有统计分布经历因所述实施方式所导致的限制的结果。对于不受限制影响的所有区域，统计分布没有变化。
这里提到的式(I)和(II)中所示的下标数和指定下标的数值范围应视为实际存在的结构和/或其混合物的可能统计分布的平均值。这也适用于本身已完全按原样再现的结构式。
式(I)的聚醚的发明用途具有可能延长收获期的优点，因此可进一步增加所要求产量的增加。
进一步优选地，已根据所述用途而聚醚改性的式(I)的短链硅氧烷对于式(II)的下标来说，m优选5至15，更优选8至12，且n优选1至6，更优选2至5。
优选地，在没有R3O的情况下计算和没有R5的情况下计算的聚醚基团具有由44g/mol*m+58g/mol*n计算的摩尔质量M(PE)，其中下标m和n与式(II)相关。
M(PE)的优选值为：下限的M(PE)大于520g/mol，优选大于530g/mol，更优选大于535g/mol；上限的M(PE)小于660g/mol，优选小于630g/mol，更优选小于600g/mol。
优选地，M(PE)的值大于520g/mol且小于660g/mol，尤其大于535g/mol且小于600g/mol。
如果式(I)中c等于1至小于1.2，则m+n的总和优选大于9至最大19，更优选大于9.5至最大15，并且尤其优选大于10至最大12。
更优选地，R5为氢，并且M(PE)的值大于520g/mol且小于660g/mol；尤其优选地，R5为氢，并且M(PE)的值大于535g/mol且小于600g/mol。
更优选地，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷具有1至1.05的下标c，其中式(II)的聚醚基团的下标m为3.4至11.0，并且n为2.5至8.0。
更优选地，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷具有1至1.05的下标c，其中比率m/n为0.8至2.8，尤其是1.9至2.8。
尤其优选地，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷具有1至1.05的下标c，其中聚醚基团的摩尔质量M(PE)大于520g/mol且小于660g/mol。
尤其优选地，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷具有1至1.05的下标c，其中R5基团为氢。
尤其优选地，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷具有1至1.05的下标c，其中聚醚基团的摩尔质量M(PE)大于520g/mol且小于660g/mol，并且R5基团为氢。
优选地，根据本发明，不使用除式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷之外的其它聚醚改性的短链硅氧烷。
优选通过OECD 301 F方法确定生物可降解性。更优选地，在22℃下28天后根据OECD 301 F来确定生物可降解性。尤其优选地，如EP3106033A1中、尤其是其中的实施例中所描述的确定生物可降解性。
优选地，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷具有大于60％、更优选大于或等于63％且尤其优选大于或等于65％的生物可降解性，最大值为100％。
根据OECD 301 F，式(I)的特定的聚醚改性的短链硅氧烷满足易于生物可降解性的条件。当超过60％的产物在28天后被生物降解时，该准则得到满足。满足OECD 301 F条件的这些组合物描述如下。
优选地，本发明的组合物包含式(I)的聚醚改性硅氧烷，其中下标d为1.0至1.05，并且这些硅氧烷的生物可降解性大于60％。
更优选地，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷具有大于60％的生物可降解性，并且下标c另外为1至1.05，其中聚醚基团的摩尔质量M(PE)大于520g/mol且小于660g/mol，并且R5基团为氢。
更优选地，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷具有大于60％的生物可降解性，并且下标c另外为1至1.05，其中聚醚基团的摩尔质量M(PE)大于520g/mol且小于660g/mol，R5基团为氢。
根据现有技术，通过氢化硅烷化反应制备式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷。为了制备其中下标c为1.0至1.15的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷，在使用适合的聚醚情况下，利用根据EP3106033A1的发明工艺和其类似的可能的实施方式。
进一步优选式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷在农业灌溉中的发明用途。
进一步优选式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷以与不使用式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷情形下的相同灌溉相比更高的水平用于降低收获结果的变异性(variability)和用于稳定化的发明用途。
在本发明的范围内，收获结果的变异性应理解为意指在不使用发明用途、并在其它相当的条件下，农艺产量从植物生长期至植物生长期的变化。收获结果的稳定化意指在使用发明用途的情况下，在一个且相同区域的不同植物生长期中的平均产量的增加；优选地，所述农艺产量增加至少3％，更优选增加至少5％且尤其优选增加至少7％。
进一步优选根据权利要求1至3中任一项所述的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的发明用途，其中所述灌溉使用0.25至100l/ha、优选0.75至20l/ha、尤其优选1至12l/ha的量。
进一步优选式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的发明用途，其中所述农作物在任何土壤，优选在含腐殖质、砂质、含粘土或含壤土的土壤和植物基质上实施。
进一步优选式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的发明用途，其中培育一年生植物、半年生植物、多年(multiannual)植物或多年生(perennial)植物。
优选的农业应用领域是作物栽培、花园和观赏植物的生长以及葡萄栽培。特别优选水果和蔬菜的生长。优选的水果是仁果、核果、浆果和带壳水果。优选的蔬菜是根菜、芽菜、块茎菜、洋葱型蔬菜、叶柄菜、叶菜、散叶莴苣(leaf lettuce)、种子菜(seedvegetable)和果菜。
本发明进一步提供了通过以周期性方式将式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷添加至灌溉系统中来增加农艺产量的方法。
优选根据本发明的方法，其中式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的施加是非连续的。
优选根据本发明的方法，其中式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的施加以7至14日的间隔、更优选以9至12日的间隔重复实施。
优选根据本发明的方法，其中式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的施加通过灌溉以0.25-100l/ha、优选0.75-20l/ha、尤其优选1-12l/ha的总量来实施。
更优选地，通过将聚醚改性的短链硅氧烷添加至灌溉水中来周期性地实施施加，其中在6小时内，更优选在4小时内，特别优选在2小时内将聚醚改性的短链硅氧烷施加至植物上。
优选根据本发明的方法，其中式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的施加以7至14日的间隔且以1至12l/ha的总量重复实施。
聚醚改性的短链硅氧烷的施加优选与其它添加剂如营养素或土壤助剂一起进行。优选的营养素是NPK肥料或含NPK的肥料，尤其是除NPK外还含有其它痕量元素的肥料。优选的土壤助剂是阳离子交换剂、用于pH调节的添加剂或有用的细菌。
更优选地，聚醚改性的短链硅氧烷的施加不与除草剂、杀真菌剂、杀线虫剂和杀昆虫剂一起实施。
优选地，灌溉系统选自微灌系统，尤其是喷灌和滴灌系统。
本发明进一步提供一种成套设备(kit)，其包括灌溉系统、水和至少一种式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷。
优选根据本发明的成套设备，其中式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷是生物可降解的。
优选地，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷具有大于60％、更优选大于或等于63％且尤其优选大于或等于65％的生物可降解性，生物可降解性的最大值为100％。
更优选根据本发明的成套设备，其中灌溉系统是微灌系统，并且式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷具有大于60％的生物可降解性。更优选地，所述成套设备不含任何杀虫剂，如除草剂、杀真菌剂、杀线虫剂和杀昆虫剂。
结果显示，与没有式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的相当的非本发明灌溉相比，式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的本发明施加引起农艺产量的明显增加。
令人惊讶地，农艺产量的增加不仅仅表现在果实大小的增加，而且还表现在花和果实数量的增加。
该用途的优点在番茄和莴苣中检查到，并且还在辣椒、草莓、猕猴桃和柑橘类水果中观察到。
特别是农业上敏感且困难的作物例如番茄受益于采用已根据用途的聚醚改性的短链硅氧烷。
附图说明
图1显示根据表1的批次中田地A(正方形)、B(菱形)和P(圆形)中花的数量。
图2显示来自表2的值(果实(红色+绿色)的平均数量)的图。
图3显示来自表2的值(果实(红色+绿色)的平均质量，kg)的图。
具体实施方式
实施例
一般方法和材料：
确定农艺产量增加的田间试验
选择用于增加产量的测试系统是番茄的生长。番茄生长起来很复杂，因为它们在生长期间容易受到各种影响。因此，这一高价值区段的产量增加是特别期望的。
室外试验
在三个地点，在两种不同土壤类型的相当的气象条件下进行户外田间试验。一种土壤类型是容易水涝的主要由粘土组成的重质土壤类型(田地A和田地B)，另一种是主要由粘土组成的松散土壤类型(田地P)。以每公顷约31000株的植株密度、0.35m的单排(line)内株间距离、0.4m的双排内距离和1.8m的双行(row)间距离种植番茄。通过利用每40cm的一个出口，以1.6l/h进行微滴灌溉来实施灌溉、施肥和测试物质的施加。在种植幼苗之后10日/20日/37日/47日和57日实施施加。改变施加频率和体积，使得最终量为3-10l/ha。种植后4个月，收获番茄。确定以下数据，以确定产品的收获量和效果：每株的花数以及红番茄和绿番茄的数量和重量。
三次试验的每次均由5个批次组成，其中的一批是植株未接受施加的对照。每个批次由20株(10株×2)组成。
表1：批次的定义，测试物质PES 1
测定每次试验的五个试验批次中的每一个的农艺产量。计算并记录了每种情况下两次重复的平均值。
表2：表1的批次1至5的田地A、B和P的产量(质量，kg)
田地A和田地B在设定植株之前的土壤耕种强度方面不同。
田地A是仅在大约5cm的区域内浅表松散的土壤，而田地B是已密集向下耕种至约20cm的深度。
图1显示田地B中花的数量的剂量效应。在这种情况下，对于用2l/ha进行的三重处理，大多数的花被计数。所有三个田地中花的数量的平均增长为10％。花的数量的增加表明收获期可能延长，因此，可能甚至进一步增加下文所示的产量增长。
在通过果实的数量和重量来确定农艺产量时，不可能观察到任何剂量效应。因此，组合并呈现了所有施加的效果。在该实施例中使用总共3l/ha足以实现产率的显著增加。
图2显示来自表2的平均值(果实(红色+绿色)的数量)，虚线条形代表对照，且对角条纹条形代表根据用途的情况。平均地说，从用PES 1处理的植株收获的果实的数量比从未处理的对照植株收获的果实的数量高13％。
图3显示，从用PES 1处理的植株收获的果实(红色+绿色)的平均重量比从对照植株收获的果实的平均重量高24％。
温室试验
在温室中，使切罗基(Cherokee)品种的番茄在由78％的砂、16％的壤土和6％的粘土组成的土壤中生长。
植株密度为每公顷约25000株，以0.4m的单排内株间距离、0.8m的双排内距离和2m的双排间距离种植。
通过利用每15cm的一个出口，以1l/h进行微滴浇水来实施浇水、施肥和测试物质的施加。在种植幼苗之后第10日施加一次。所述量对应于1l/ha。种植后17周，收获番茄。确定番茄的数量和重量，以确定产品的收获量和效果。
三次试验均由4个批次组成，每个批次由14株(7株×2)组成。施加PES 1和PES 2，包括对照在内的所有批次均以相同方式处理，例如关于肥料的施加。
表3：施加PES 1和PES 2后的果实产量，4个图(plot)的平均值
实验显示根据用途的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的有利的用途。

Claims (14)

1.下式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的用途，其用于在根部区域中增加农艺产量：
MaDbD'c 式(I)
其中M＝R1 3SiO1/2，D＝R1 2SiO2/2，D‘＝R1R2SiO2/2，
其中
a是2，
b是0至0.5，
c是1至3，
R1独立地为具有1至8个碳原子的烃基，
R2独立地为下式(II)的聚醚基团
-R3O[CH2CH2O]m[CH2CH(CH3)O]nR5 式(II)
其中
m＝2至30，
n＝0至10，
但前提是：
R3独立地为具有2至8个碳原子的二价烃基，
R5独立地为具有1至16个碳原子的烃基或氢，
并且，如果n大于0，
则m/n＝1至30，并且
对于要求保护的n的所有值，如果c大于或等于1.2，
则c*(m+n)＝12至50。
2.根据权利要求1所述的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的用途，其用于农业灌溉中。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的用途，其用于以与不使用式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的相同灌溉相比更高的水平降低收获结果的变异性以及稳定化。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的用途，其中所述灌溉使用0.25-100l/ha、优选0.75-20l/ha、尤其优选1-12l/ha的量。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的用途，其中所述农业作物在任何土壤上实施，优选在含腐殖质、砂质、含粘土或含壤土的土壤或基质上实施。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的用途，其中培育一年生植物、半年生植物、多年的或多年生植物。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的用途，其中所述施加与其它佐剂一起进行。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的用途，其中所述施加没有除草剂、杀真菌剂、杀线虫剂和杀昆虫剂。
9.通过以周期性方式将根据权利要求1所述的式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷添加至灌溉系统中来增加农艺产量的方法。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的施加是非连续的。
11.根据权利要求9和10中任一项所述的方法，其中所述式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷的施加以7至14日的间隔、更优选以9至12日的间隔重复实施。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述灌溉系统选自微灌系统，尤其是喷灌和滴灌系统。
13.成套设备，其包括灌溉系统、水和至少一种式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷。
14.根据权利要求13所述的成套设备，其中所述式(I)的聚醚改性的短链硅氧烷是生物可降解的。
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