Изобретение относится к композициям для удерживания почвенной влаги и улучшения роста растений на засушливых почвах, которые наряду с одним или несколькими удерживающими влагу материалами и смачивающими средствами в качестве усиливающего средства содержат оксиды железа(Ш) и необязательно метабисульфит калия (borken (HU), Е224). Оксиды железа(Ш) присутствуют предпочтительно в форме микрочастиц. Композиция надлежащим образом содержит оксиды железа (III) и метабисульфит калия в качестве усиливающего средства. Другие аспекты изобретения относятся к связыванию почвенной влаги, а также к композициям, предназначенным для повышения эффективности удерживающих почвенную влагу композиций.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к композициям для удерживания почвенной влаги и улучшения роста растений на засушливых почвах, которые наряду с одним или несколькими удерживающими влагу материалами и смачивающими средствами в качестве усиливающего средства содержат оксиды железа (III) и необязательно метабисульфит калия (borken (HU), Е224). Кроме того, изобретение относится к связыванию почвенной влаги, а также к композиции, предназначенной для повышения эффективности удерживающих почвенную влагу композиций.
Уровень техники
Поглощение питательных веществ имеет большое значение для метаболизма растений и в свою очередь зависит главным образом от влажности почвы. Перенос питательных веществ растениями происходит преимущественно через корни и основывается на наличии воды. В то же время вода играет важную роль в механизме охлаждения посредством испарения, главным образом через листья.
В силу вышеизложенного основным условием существования растений является доступ к воде. Влажность почвы сильно изменяется как пространственно, в зависимости от географического положения, так и во времени, в зависимости от времени года. Поскольку для роста растения необходим постоянный подвод воды и питательных веществ, всегда были нужны способы, позволяющие насколько это возможно предотвращать высыхание почв, а в случае незначительного выпадения осадков во время засухи максимально связывать влагу, избегать стекания, не препятствуя течению в нижние слои.
Для поддержания непрерывного роста растения необходимо не только надлежащее содержание питательных веществ, но и достаточная активность почвенных микроорганизмов, при этом жизненный цикл микроорганизмов также зависит в основном от влажности почвы.
Уже предложен ряд способов замедления высыхания почвы, одним из видов которых является введение в почву самых разнообразных увлажняющих веществ. Общей отличительной особенностью этих материалов является то, что они легко связывают влагу, при этом уменьшая быстрый отток влаги из данной области и обработанной области соответственно. Эти материалы характеризуются специфической равновесной точкой. Это главным образом органические соединения, такие как гликоли, многоатомные спирты, такие как глицерин и сорбитол.
В патенте США 5865869 описаны композиции в форме жидкого концентрированного раствора, предназначенные для улучшения подвода воды к корням растений, которые состоят, по существу, из органических увлажняющих веществ, связывающего средства, смачивающего средства и воды. В качестве увлажняющих веществ могут быть использованы, например, сорбитол, меласса, лактат калия, лактат натрия, глицерин, ацетат калия, ацетат натрия. Композиция может предпочтительно содержать загуститель, такой как производное простого эфира целлюлозы, гидроксиэтилцеллюлоза, карбоксиметилпропилцеллюлоза и т.п.
В WO 90/13598 описана разбрызгиваемая композиция, предназначенная для нанесения, помимо прочего, на почву, отходы на открытых свалках, другие опасные материалы и содержащая водорастворимый полимер целлюлозы, который после нанесения образует влагонепроницаемый слой, глину и носитель, при этом композиция образует прочный водоотталкивающий и гибкий слой, не проникающий в почву. При описании состава глины упоминается присутствие оксида железа.
В патенте США 6309440 описаны композиции, предназначенные для стимулирования роста растений, которые пригодны для привнесения энергии. Эти композиции содержат источник углерода, водорастворимый макроэлемент, обеспечивающий подвод азота и фосфора, компонент, содержащий витамин/кофермент, необязательно вместе с компонентом, содержащим микроэлемент, при этом последний может содержать источник цинка, железа и марганца. Что касается источника железа, упоминается оксид железа (II).
В публикации US 2005/0111924 описаны почвозакрепляющие композиции и композиции для восстановления растительного покрова, предназначенные для замедления эрозии почвы и содержащие воду, карбогидрат, белок, соединение железа и сильное основание, а также волокнистый материал, включающий волокна по меньшей мере двух различных типов; рН этих композиций сильно основный, обычно от 9 до 13, предпочтительно от 10 до 12,8. В качестве соединений железа упоминаются оксиды железа (II) и железа (III) и другие соли железа.
Указанные выше композиции содержат связывающие материалы, такие как лигнозит, который представляет собой гигроскопичный адгезив и содержит кукурузный или картофельный декстрин, или в качестве альтернативы также может быть использована соль кальция, натрия или аммония и лигносульфоновой кислоты. В качестве смачивающего средства упоминаются известные соединения, такие как продукты Triton (Triton 101, Triton X100, Ninol II-CN, Igepal 606300, нонилфенол-(9-15)этоксилат и т.п.).
Впрочем, результатом применения известных способов, уже широко используемых на практике, было внесение в почву большого количества материалов, чуждых для почвы и растений, что вело (могло приводить) не только к изменению метаболизма растений, но и к трансформации популяции микроорганизмов, таким образом, постепенно изменяя способы культивирования. Следовательно, имеется потребность в способах, в соответствии с которыми введение чуждых материалов может быть уменьшено, и в то же время используются материалы, присутствующие в почве в естественной форме и при этом дейст
- 1 031474 вующие совместно с уже известными композициями, удерживающими почвенную влагу, благодаря чему может быть уменьшено их необходимое количество.
Сущность изобретения
В ходе экспериментов неожиданно было обнаружено, что эффективность и в то же время подлежащее внесению количество ранее известных композиций могут быть существенно уменьшены, если до, во время или после внесения добавить в почву оксид железа в форме оксида Fe3+.
Вообще, железо содержится в почве в количестве от 1 до 5% и является четвертым по распространенности элементом в земной коре. Большая часть железа присутствует в силикатных породах либо как оксид, либо как гидроксид железа, т.е. в формах, труднодоступных для растений. В почвах железо присутствует в форме Fe2+ и Fe3+, при этом последнее особенно трудно усваивается растениями, хотя и является для них необходимым. Впрочем, железо может быть введено традиционными способами путем внесения простых неорганических солей железа или комплексных соединений железа, однако такой вариант требует частой обработки, поскольку большая часть используемых материалов теряется, частично из-за вымывания и осаждения в глубинных слоях почвы, частично в результате быстрого потребления растениями, чаще всего в количестве больше необходимого.
Дефицит железа в растениях трудно поддается корректировке, так как железо, присутствующее в различных питательных средствах (удобрениях), в почве быстро переходит в форму, недоступную для растений. В определенных случаях оказались эффективными некоторые хелаты железа, однако очень немногие хелаты сохраняют стабильность в относительно широком диапазоне рН. В то же время в первую очередь для сухих почв небольшое изменение влажности приводит к существенному изменению величины рН. Таким образом, такие способы трудно применять.
Неожиданно было обнаружено, что при добавлении в сухие почвы микрочастиц оксида железа растения даже в сухой почве начинают быстро расти. А именно, когда в области корней присутствует достаточное количество связанного железа, растения могут регулировать потребление железа. Один из возможных механизмов заключается в селективной деятельности корневых волосков, такой как выработка мугеновой кислоты или лимонной кислоты, благодаря чему железо извлекается из нерастворимых соединений, присутствующих в почве. Другим возможным механизмом является выделение корнями протонов.
Еще одним преимуществом нового решения, соответствующего изобретению, является косвенное влияние на выделение растениями и микроорганизмами, присутствующими в почве, сидерофоров и, таким образом, обеспечение более стабильного потребления железа растениями.
Добавление микрочастиц оксида железа(Ш) также благоприятно влияет на бактериальную активность почвы, так как не только растения, но также и микроорганизмы используют его из того же источника (запаса). Положительным следствием интенсификации деятельности микроорганизмов является то, что при этом повышается доступность других питательных элементов (таких как фосфор, азот).
Следовательно, целью настоящего изобретения является способ улучшения роста и развития растений, растущих или культивируемых на засушливых почвах, в соответствии с которым на места произрастания растений и/или к корням растений наносят и вносят соответственно микрочастицы оксида железа. Другой целью изобретения является композиция для регулирования роста растений, которая в качестве существенного компонента содержит микрочастицы оксида железа(Ш). В соответствии с особенно предпочтительным вариантом осуществления изобретения им обеспечивается композиция для связывания и сохранения влажности сухих почв, которая помимо известных удерживающих влагу и сохраняющих влажность композиций дополнительно содержит оксид железа(Ш).
Другой целью изобретения является усовершенствование композиций, содержащих оксид железа(Ш), и способов их применения, как указано выше, в которых в качестве усиливающего эффект средства используется метабисульфит калия.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан вид растений, полученных в испытаниях на увядание рассады томатов.
На фиг. 2 показан вид растений, полученных в испытаниях на увядание рассады кукурузы.
На фиг. 3 показано влияние обработки, направленной на сохранение почвенной влаги, на побеги и корни кукурузы.
На фиг. 4 приведена диаграмма водоудерживающей способности почвы в испытаниях на сохранение почвенной влаги.
На фиг. 5 приведена диаграмма веса влажных побегов и влажных корней в сравнительных испытаниях на сохранение почвенной влаги.
На фиг. 6 показан вес воды, задержанной в почве, в сравнительных испытаниях на сохранение почвенной влаги.
На фиг. 7 показаны результаты испытаний на ингибирование прорастания, проведенных с кукурузой на фильтровальной бумаге.
На фиг. 8 показано прорастание семян кукурузы в ходе испытаний на ингибирование прорастания.
На фиг. 9 показаны результаты испытаний на ингибирование прорастания, проведенных с пшеницей на фильтровальной бумаге.
- 2 031474
На фиг. 10 показано прорастание семян пшеницы в ходе испытаний на ингибирование прорастания.
На фиг. 11 приведен протокол испытаний редиса на засухоустойчивость.
На фиг. 12 приведено общее орошение в ходе испытаний редиса на засухоустойчивость.
На фиг. 13 представлено итоговое значение среднего веса гнезда редиса в испытаниях редиса на засухоустойчивость.
На фиг. 14 представлено итоговое значение веса индивидуального гнезда редиса в испытаниях редиса на засухоустойчивость.
На фиг. 15 представлено итоговое значение веса индивидуального растения редиса в испытаниях редиса на засухоустойчивость.
На фиг. 16 представлено итоговое значение среднего веса растения редиса в испытаниях редиса на засухоустойчивость.
На фиг. 17 показано влияние оксида железа (III), оксида железа (III) и метабисульфита калия и добавок FeSO4 на бобовые растения.
Наилучший способ осуществления изобретения
В соответствии со способом, соответствующем изобретению, оксид железа(Ш) может быть внесен как таковой или в виде смеси в надлежащей форме. Принимая во внимание, что внесение железа в первую очередь требуется на засушливых почвах и не только для снабжения растений железом, но также и для сохранения влаги, такие смеси надлежащим образом могут включать известные компоненты композиций, используемых для связывания и сохранения почвенной влаги.
Композиция настоящего изобретения включает известное связывающее влагу средство, известное смачивающее средство, оксид железа(Ш), необязательно метабисульфит калия и воду.
Известен ряд средств, пригодных для использования в качестве средства, удерживающего почвенную влагу. Отличительным свойством таких материалов является то, что они поддерживают постоянное влагосодержание в воздухе, находящемся в контакте с их насыщенным раствором. При определенной температуре раствор выделяет влагу в воздух, при этом относительная влажность становится ниже специфической равновесной точки для указанного материала. Таким образом, удерживающими влагу материалами называют такие материалы, которые при определенной влажности легко поглощают влагу, таким образом снижая степень выделения влаги обработанного материала.
Такие удерживающие влагу материалы или их смеси характеризуются определенным показателем влажности. Некоторые органические материалы, например некоторые гликоли и многоатомные спирты, такие как глицерин и сорбитол, обладают подобным свойством удерживания влаги и равновесным показателем влажности. Следовательно, их растворы препятствуют испарению в воздух и поглощают влагу из воздуха при относительной влажности, превышающей равновесную точку.
Предпочтительными удерживающими влагу материалами являются, например, сорбитол, меласса, лактат калия, лактат натрия, глицерин, ацетат калия, ацетат натрия, растительные масла, олигофруктоза, сироп кармеллозы, карбонат магния, волокно какао и т.п. Предпочтительным подходящим материалом является сорбитол.
Композиция, соответствующая изобретению, включает от 10 до 80 вес.% связывающего влагу средства, от 0,5 до 5 вес.% смачивающего средства, от 0,1 до 0,5 вес.% оксида железа(Ш), от 0 до 0,5 вес.% метабисульфита калия и примерно от 20 до 85 вес.% воды. Особенно предпочтителен вариант, когда композиция кроме оксида железа(Ш) также содержит метабисульфит калия.
Проведенные авторами эксперименты показали, что композиция, соответствующая изобретению, обладает непревзойденным свойством удерживания влаги даже в рыхлых почвах.
Предпочтительная композиция, соответствующая изобретению, включает от 10 до 50 вес.% мелассы, примерно 0,5 вес.%. лактата кальция, от 5 до 30 вес.% сорбитола, от 0,5 до 5 вес.% Tween 20, от 0,1 до 0,5 вес.% оксида железа(Ш) и от 0,005 до 0,5 вес.% метабисульфита калия.
В данной композиции оксид железа(Ш) присутствует в форме Fe2O3 и Fe3O4 или их смеси. Оксид железа присутствует в виде частиц, при этом размер частиц надлежащим образом составляет самое большее 50 мкм, предпочтительно от 20 до 40 мкм.
Композиция настоящего изобретения в соответствии с указанными выше соотношениями пригодна к использованию в форме концентратов. Очевидно, что во время внесения необходимо разбавление, которое не может вызвать каких-либо проблем у специалистов, знакомых с технологиями внесения. Для использования на малой площади разбавление надлежащим образом составляет от 10 до 1000 раз, уместно от 50 до 150 раз.
В соответствии со способом настоящего изобретения композицию наносят на участок в форме концентрата или разбавленного раствора/суспензии до или после высадки растений в ходе довсходовой или послевсходовой обработки. При послевсходовой обработке композицию предпочтительно наносят на землю таким образом, чтобы она не вступала в контакт с находящимися над землей частями растений. Нанесение также может быть выполнено путем внесения материала для размножения, при этом на материал для размножения наносят покрытие из концентрата способами, которые сами по себе известны, после чего сушат. Способы внесения хорошо известны в данной области.
Композиции настоящего изобретения существенно повышают водоудерживающую способность
- 3 031474 почвы и при этом повышают засухоустойчивость растений, а также размер урожая на сухих почвах. Эти эффекты были продемонстрированы в ходе экспериментов, проводимых как в теплице, так и в открытом грунте. Кроме того, было зафиксировано, что в отличие от большинства защищающих и предохраняющих растения композиций, композиции, соответствующие изобретению, не влияют на всхожесть семян.
Наилучший способ осуществления изобретения.
Результаты, полученные для композиций и способов обработки, соответствующих изобретению, поясняются следующими примерами. Для сравнения была использована композиция, составленная в соответствии с патентом США 5865869, тогда как композиции, соответствующие изобретению, были приготовлены в нескольких вариантах, отличавшихся разным количеством оксида железа(Ш) и необязательно добавлением метабисульфита калия.
Пример 1. Композиции, использованные в сравнительных испытаниях.
Композиции перечислены в таблице. Количества материалов выражены в весовых процентах относительно общего веса композиций.
Материал |
НТС7* |
НТС22 |
НТСЗО |
Меласса |
25 |
25 |
25 |
Лактат Са |
2 |
2 |
2 |
Сорбитол |
18 |
18 |
18 |
Tween |
2 |
2 |
2 |
Оксид железа (III) |
0 |
0,5 |
0,5 |
Метабисульфит калия |
0 |
0 |
0, 05 |
Вода |
53 |
52,5 |
52,45 |
*7 - сравнительная композиция, составленная в соответствии с патентом США 5865869
Пример 2. Испытания на увядание рассады томатов и кукурузы. В контейнер объемом 200 мл обычным образом были высажены проросшие семена томатов, рассаду орошали с 60-кратным разбавлением (59 мл воды+1 мл концентрата) композициями, используя для орошения 15 мл воды. Контрольные контейнеры орошали 15 мл воды.
Рассаду томатов орошали в течение одного месяца сокращенным количеством воды, достаточным только для того, чтобы избежать окончательного увядания, всего 70 мл воды на контейнер, тогда как нормальная потребность растений в воде за этот период составила бы 370 мл. Через 2 недели с начала обработки растения начали вянуть, контрольное растение погибло через 15 дней, тогда как образец, обработанный НТС7 и НТС22, начал проявлять признаки увядания только через 21 день, и они были обратимы при минимальном поливе (5 мл). В случае контрольных растений этот процесс был необратим. Растения, участвовавшие в испытаниях, показаны на фиг. 1. Очевидно, что и НТС7 (на фиг. помечена Ricsi), и НТС22 позволили получить намного лучше развитые растения; в случае НТС22 корни длиннее и имеют больше волосков, чем в случае НТС7.
В контейнер объемом 200 мл высадили рассаду кукурузы, и при высаживании рассаду орошали с 60-кратным разбавлением (59 мл воды+1 мл концентрата) композициями, используя для орошения 15 мл воды. Контрольные контейнеры орошали 15 мл воды.
Растения орошали один месяц и 10 дней сокращенным количеством воды, достаточным только для того, чтобы избежать полного увядания, всего 40 мл воды на контейнер, тогда как нормальная потребность растений в воде за этот период составила бы 290 мл. Через 3 недели с начала обработки растения, в том числе и контрольные, начали вянуть. Орошаемые НТС7 начали проявлять признаки увядания через месяц, НТС22 - только через месяц и 10 дней. Растения, участвовавшие в испытаниях, показаны на фиг. 2. Очевидно, что по сравнению с контрольными растениями и НТС7 (на фиг. помечена Ricsi), и НТС22 позволили получить намного лучше развитые растения; в случае НТС22 корни длиннее и имеют больше волосков, чем в случае НТС7.
Пример 3. Исследование водоудерживающей способности почвы.
Почву обработали при высадке рассады кукурузы (смесью 59 мл воды+1 мл раствора, 15 мл на контейнер 200 мл; контрольный контейнер орошали 15 мл воды). Растения кукурузы выращивали в теплице в течение 6 недель, орошая в соответствии с потребностью, всего 290 мл воды в течение 6 недель, и контрольные, и обработанные растения. На фиг. 3 представлены результаты, полученные в пяти параллельных испытаниях.
Через шесть недель растения извлекли из среды произрастания, и среду произрастания в объеме 200 мл для каждого опыта высушили до достижения постоянного веса. Наблюдая разность между влажным и сухим весом можно заметить, что водоудерживающая способность обработанной почвы больше даже тогда, когда больший вес растения вызывает большее испарение. В то же время естественное испарение и потери за счет стока в результате обработки были уменьшены. Результаты, полученные
- 4 031474 в ходе этого испытания, представлены на фиг. 4.
На фиг. 4 видно, что почва, обработанная композицией, была способна удерживать значительно больше воды, чем контрольный образец, и в то же время подвод воды был намного более сбалансированным, на что указывают меньшие величины стандартного отклонения.
Описанное выше испытание также провели путем исследования композиций НТС7 и НТС 22 по сравнению с контрольной. Результаты испытания представлены на фиг. 5 и 6. Было установлено, что и вес влажных побегов, и вес влажных корней растений был существенно больше, чем в случае контрольного опыта (см. фиг. 5, где USA означает композицию НТС7); для НТС22 результаты в отношении веса влажных побегов лучше, чем для НТС7. Как видно на фиг. 7, водоудерживающая способность при обработке композицией НТС22 существенно увеличивается как по сравнению с контрольным опытом, так и с композицией НТС.
Пример 4. Влияние обработки на всхожесть.
Побочный эффект ингибирования прорастания испытывали на 5 растениях в двух средах в 5 параллельных опытах. Почвой наполняли чашки Петри либо использовали вместо почвы фильтровальную бумагу; на ее поверхность поместили 20-22 семян. В чашки Петри с фильтровальной бумагой налили 10 мл раствора в 60-кратном разбавлении, в контрольную - 10 мл воды. Почву орошали смесью 20 мл раствора и 20 мл воды; контрольную чашку - 40 мл воды.
В ходе этих испытаний было установлено, что композиции, соответствующие изобретению, не ингибируют прорастание зеленого перца, томатов, кукурузы, подсолнечника и пшеницы; более того, прорастание кукурузы и зеленого перца было стимулировано. Похожие результаты были получены на влажной фильтровальной бумаге и в почве.
Результаты испытаний для кукурузы представлены на фиг. 7 и 8, для пшеницы - на фиг. 9 и 10.
Пример 5. Испытание влияния композиций на засухоустойчивость растений редиса.
Высадили семена редиса, после чего, но до появления всходов, на поверхность почвы разбрызгали композицию НТС30 в 100-кратном разбавлении, что соответствовало дозировке 10 л/га. После этого орошение проводили на контрольном участке таким количеством воды, которое соответствовало потребности растений, тогда как обработанный участок орошали только 46% этого количества. На фиг. 11 приведен протокол испытаний, на фиг. 12 показано общее орошение.
По окончании испытания исследовали вес и размер гнезд редиса. Средний вес гнезд редиса и вес индивидуальных гнезд редиса (всего 59 гнезд) представлены на фиг. 13 и 14 соответственно. На основании фигур видно, что вес обработанного редиса составил 98,5% относительно контрольных растений.
После сбора урожая измерили диаметр и средний диаметр редиса, результаты приведены на фиг. 15 и 16. Было установлено, что диаметр редиса, собранного с обработанного участка, на 0,5% больше, чем в случае контрольных растений.
Было установлено, что с обработанного участка был собран, по существу, аналогичный урожай при внесении на 54% меньше воды.
Пример 5.
Испытание влияния изменяющих почвенные условия композиций на систему почва-растение провели для бобовых растений. Для этих испытаний использовали стерилизованный субстрат, чтобы исключить присутствие клубеньковых бактерий, вызывающих развитие корневых клубеньков.
Бобы со стерилизованной поверхностью (Phaseolus vulgaris, сорт Rocco) проращивали при температуре 20±3°С 3 дня. Затем 60 проростков, по 10 для каждого испытания, высадили в песчаную почву, по 250 см3 для каждого растения, довели до 50% стерильной водопроводной водой без добавок (контрольный опыт) и с разбавленной 1:60 изменяющей почвенные условия композицией, приготовленной с использованием стерильной водопроводной воды соответственно.
Подготовленные таким образом растения выращивали в климатической камере с периодичностью освещения 12/12 часов при температуре 22/15°С. Во время обработки подавали 50% воды, необходимой для оптимального развития растений. Для защиты от вредителей возле растений поместили мухоловку, содержащую половые феромоны. В ходе этих испытаний борьба с сорняками не потребовалась.
После инкубационного периода измерили параметры роста (длину побегов, длину корней) и сухой вес побегов и корней. На основании этих данных получены усредненные результаты для веса побегов, соответствующего каждому опыту, представленные на фиг. 17. Компоненты испытуемых материалов приведены в таблице.
Оценка результатов испытания показала, что по сравнению с контрольным опытом влияние композиции №7 выразилось в значительном увеличении веса, которое, однако, было меньше, чем увеличение веса при обработке композицией №22, содержащей оксид железа (III). Результат, полученный при испытании композиции №30, был еще выше, чем полученный в испытаниях с бобовыми растениями, обработанными композициями №7 и 22. Увеличение веса, полученное при обработке композицией №7 с добавкой сульфата железа (II), было меньше, чем результат, полученный при обработке композициями №22 и 30, содержащими идентичное количество железа.
- 5 031474