JP2010516615A - 土壌中での硝化を阻害する肥料‐高分子混合物 - Google Patents
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Abstract
Description
土壌にアンモニア性窒素を加えると、土壌は、ニトロソモナスを含む土壌細菌がアンモニウムを硝酸塩(NO3)に変換する硝化作用の対象となる。したがって、アンモニア性窒素は、すぐに植物に取り込まれなければ、じきに適切な土壌の中で硝酸塩に変換され、溶脱または揮発による減損の対象となる。硝化作用は、温度および湿度に左右され、また、土壌の特定の化学的性質に強く影響される。硝化の問題は、硝化阻害剤を使用して、アンモニウムから硝酸塩への変換を低速化または除去するための様々な提案を生み出した。
いま一つの技術は、肥料の取り込みを増量し、揮発による減損を削減することを企図した、含窒素肥料製品におけるウレアーゼ阻害剤の使用である。しかし、従来のウレアーゼ阻害剤は多種類の窒素肥料の幾つかに適用可能であるに過ぎず、また、高価な傾向がある。なお、この問題は生育期全体を通じて持続するにも関わらず、阻害剤が窒素の減損を有効に抑制するのは数日に過ぎない。したがって、多くの場合、複数回の適用が必要になる。阻害剤は、加水分解されることが多く、効果を保持するために貯蔵温度を制御する。最後に、適用される阻害剤は、有害性の、植物を害する副作用を軽減するために、厳密に管理しなくてはならない(非特許文献3。また、非特許文献4;非特許文献5;および非特許文献6)。
特許文献4は、植物の生育を促すために肥料に入れて有用な一連のアニオン性ポリマーを記載している。この特許は、このポリマーが窒素の揮発防止に有効だと開示しているが、いかなる硝化阻害特性または硝化阻害用途も記載していない。
土壌に直接施肥されるか、アンモニア性窒素を含む液体または固形肥料組成物の一部として施肥される特定種類のポリマーおよびその金属塩または錯体は窒素の減損を防ぎ、作物の植物体における窒素の活用を実質的に著しく改善し、結果としてその収穫量を改善する。一般的に、これらのポリマーは高い割合でアニオン性官能基(特にカルボキシ酸塩基)を有し、著しい水分散性を示し、より好ましくは水溶性である。有用なポリマーの好ましい分類は、アクリル酸、イタコン酸、マレイン酸、スルホン酸およびホスホン酸を含むポリマーおよび共重合体、ならびにそれらの金属塩または錯体を含む。
一般的に言って、本発明のポリマーは、約1500以上の分子量を有し、分子毎に少なくとも3個、好ましくはそれ以上の繰り返し単位を含むべきである(一般的に約10〜500)。なお、ポリマーとその金属塩または錯体は、水分散性、好ましくは水溶性であるべきである、すなわち、室温で緩やかに攪拌される中で少なくとも約5%w/wの割合で純水に分散されるか、溶解するべきである。これらのポリマー種は、適量のカチオン(好ましくは電荷+2以上、例えば、Ca、Mg、Zn、Cu、Fe、Mn、Co,Ni)との反応によって全繰り返し単位のうち少なくとも約10モル部分%がカチオン反応するよう、十分なアニオン官能基を担持するべきである。ポリマー種は、典型的な農業製剤および現場での使用で見られる正常な化学製品、pHおよび温度変化に関して、安定であるべきである。必須ではないが、本発明のポリマーが実質的に生分解性であることは好ましい。
大部分の、あるいは多くの水溶性アニオン性ポリマーは、これらの好ましい条件を満たさない。不適切なポリマーの例には、高分子量の塩、ポリアクリル酸ホモポリマー、スチレンの割合が約60モル%超のスチレン−マレイン酸無水共重合体、オレフィンの割合が約50モル%超のオレフィン−マレイン酸共重合体、セルロース誘導ポリマーのほとんど、ポリエーテル、アルコキシラート、ポリビニルアルコール、およびアミド骨格ポリマーが含まれる。
・水中で分散可能であり、より好ましくは、完全に可溶である
・多価金属カチオンと反応し得る著しい数のアニオン性官能基、すなわち、少なくともモル分率で10%(より好ましくは少なくとも25%)のアニオン性基を有する。
・ポリマーのアニオン性基は、水への分散性または可溶性を維持しながら、実際に土壌中の1価カチオンまたは多価カチオンと反応する。
・ポリマーは温度および化学的な面で安定し、使いやすい。
本発明の一つの好ましい態様において、アンモニア性窒素を含む肥料および必要に応じてホスファート肥料を含む液体肥料組成物において具体的な用途を見出す低pH高分子混合物が提供される。概して、本発明の高分子混合物は約2以下のpH(より好ましくは約1以下)を有し、約10〜85質量%の固体を含む。ポリマーは複数の繰り返しポリマーサブユニットを含むが、各ポリマーサブユニットは、A部分、B部分およびC部分から成る群からそれぞれ独立に得られる少なくとも2種の異なる部分、または繰り返しC部分、並びに、または異ならないC部分(例えばポリイタコン酸ポリマー)から構成され、部分Aは一般式:
この反応生成物は、一般式:
多くの場合、ポリマーを、アルカリ金属およびアルカリ土類金属から成る群から選択された金属と反応させて、塩またはその錯体を形成することが好ましく、最も好ましい金属はカルシウムである。
本発明の低pH高分子混合物と合わせて使用可能なアンモニア性含窒素肥料は多様にある。代表的な例として、モノアンモニウムホスファート(MAP)、ジアンモニウムホスファート(DAP)、周知のN−P−K肥料のいずれか1種、アンモニア(無水性または水性)、硝酸アンモニウム、硫酸アンモニウム、尿素、チオ硫酸アンモニウム、およびリン酸アンモニウムを含む。同様に、リン酸アンモニウム、リン酸カルシウム(通常のリン酸塩および超リン酸塩)、リン酸、超リン酸、塩基性スラグ、リン鉱石、コロイド状リン酸塩および骨質リン鉱が含まれる。
微量養素(Zn、Mn、Cu、Fe)およびそれら微量養素の酸化物、硫酸塩、塩化物およびキレートなど、他の典型的な肥料成分を本発明の肥料物質の中で用いることもできる。
以下の実施例は、土壌の硝化を阻害する面での本発明の利点を提示している。しかしながら、これらの実施例は実例を示すためのものであり、そこに含まれるいかなる内容も、発明全体の適用範囲を限定するものではない。
本実施例では、本発明の好ましいマレイン酸‐イタコン酸ポリマーを含む一連のUAN溶液を調製した。具体的には、各開始UAN溶液は、1/3質量比の尿素、1/3質量比の硝酸アンモニウム、および1/3質量比の水を含む。UAN溶液の各まとまりを、0.5体積%または1体積%のいずれかの割合となるポリマーで補充した。そのポリマー材料は、以下の表1に示したとおり、初期pHが1,2または3.5であった。それぞれのポリマー補充UAN溶液に加えて、ポリマーを含まないUAN溶液であるコントロール2種を、体積に基づき、1/2がUANポリマー溶液に、またはポリマーを含まないコントロールに、1/2が水になるように希釈した。
続いて希釈溶液を、事前にPioneer33P70のトウモロコシ種を27,500種/エーカで植え付けた(4月10日)ケンタッキー州プリンストンの、ペンブルク微砂ローム土の全く同じ大きさの複数の反復区画に3または4回噴霧した(4月18日)。この結果、3回噴霧した区画では、希釈されたUAN溶液に由来する窒素の割合が75ポンド/エーカとなり、4回噴霧した区画では、100ポンド/エーカとなった。この土壌の区画は、植え付け前に事前(4月12日)に0−90−90ポンド/エーカのNPK肥料で施肥した。この土壌は、Pを46ポンド/エーカ、Kを274ポンド/エーカとし、土壌のpHが6.5である土壌試験(Mehlich3)で特徴づけられている。溶液を施肥した次の日から連続した3日間(4月19〜21日)、0.08、0.54および1.62インチの降雨量を経験した。生育期の最後(9月26日)に、トウモロコシを手で収穫し、収穫量を測定した。
その結果を以下に示す。
この試験では、実質的な硝化を受けた土壌(ウールパ土壌)中の硝化程度を研究室環境で測定した。具体的には、研究室級の硫酸アンモニウムと、肥料およびポリマーの総質量を100質量%とした、本発明のマレイン酸‐イタコン酸ポリマーの好ましいカルシウム部分塩0.25質量%および0.5質量%(pH1)とを用いて、2種類の異なる肥料製品を調製した。これら2種類の肥料製品と硫酸アンモニウムのみから構成されるコントロールとを、添加量の割合を同じにして、同一量の試験土壌に混ぜ込んだ。その後、各土壌サンプル中の硝酸の量を、16日間計測した。
図面はこの試験の結果を示す。コントロール物質が高い割合の硝化作用を示す一方、2種類のポリマー補充肥料は統計上硝化が著しく減少しているのが見られる。予想外のことに、0.25%ポリマー補充肥料は、より高い割合の0.5%製品と比較して、同程度の、場合によっては、より優れた硝化阻害作用をもたらす。
本実施例は、実施例1の収穫量試験と似ており、カンサス州コートランドの、トウモロコシが植え付けられた同一の大きさの複数の区画へのUANポリマー補充溶液の施肥を含む。土壌はクレタ微砂ローム、pH7.1、Bray P−1 18ppm、交換可能K220ppmの有機内容物含有量2.5%である。具体的には、各区画はダイズ残渣中の30インチ幅の列にPioneer 33B51トウモロコシ種を植え(4月20日)、植え付け時に開始10−34−0 NPK肥料を施肥した(10ガロン/エーカ)。試験液ごとに、6つの反復区画を使用した。植え付けして間もなく、各区画に様々なpHで異なる量のポリマーを含む一連のUAN−ポリマー溶液を、土壌混和なしで散布噴霧(broadcast spray)して、溶液に由来する160ポンド/エーカのNを得た。各区画に、生育期に必要な畦間灌漑を行い、トウモロコシを収穫し(10月1日)、その収穫量を算出して平均を出した。下記の表2は、これらの試験をまとめたものである。
市販の10−34−0液体肥料を、pH1.5となるマレイン酸‐イタコン酸共重合体の部分カルシウム塩を含む水性混合物を用いて製剤した。この肥料混合物は、10−34−0を95%v/vと40%w/w固体の該共重合体の混合物を5%v/vと含み、この2種類の液体を単純に混合することで作製された。この肥料混合物は、混合の際に観察可能な析出を示さなかった。次に、肥料混合物を40℃に加熱し、数日間この温度を維持し、その後周囲温度に冷却することによって、該肥料混合物の模擬老化試験および耐熱試験を行った。ここでも、加熱中およびその後に観察可能な析出は見られなかった。
この試験は、通常の用法と比較してカルシウムイオンが著しく過量であることを表し、それによって、肥料物質の異常な安定性を示す。10−34−0などの液体含窒素ポリホスファート肥料に可溶なカルシウム化合物を添加することが、様々なリン酸カルシウムの急速な析出をもたらすことは、当該技術分野において周知である。したがって、肥料を著しく析出させずに分散させておく共重合体の能力は、当該技術分野における決定的な進歩である。
Claims (30)
- アンモニア性含窒素肥料と前記肥料と混和する前のpHが約2以下である水性高分子混合物とを有する水性液体肥料物質であって、前記高分子混合物は、各ポリマーサブユニットが、A部分、B部分およびC部分から成る群からそれぞれ独立に得られる少なくとも2種の異なる部分から構成される複数の繰り返しポリマーサブユニット;または複数の繰り返しC部分;または異ならない複数のC部分を含むポリマーを有し;
部分Aは一般式:
- 前記pHが約1以下である請求項1に記載の肥料物質。
- 肥料物質の総体積を100体積%とした場合、前記ポリマーが前記肥料に対して約0.01〜2体積%の割合で混合される請求項1に記載の肥料物質。
- 前記割合が約0.5体積%である請求項3に記載の肥料物質。
- 前記複数のポリマーサブユニットがA部分およびB部分から構成される場合はR1、R2、R3およびR4の少なくとも1つがOHであり、前記複数のポリマーサブユニットがA部分およびC部分から構成される場合はR3、R2およびR7の少なくとも1つがOHであり、前記複数のポリマーサブユニットがA部分、B部分およびC部分から構成される場合はR1、R2、R3、R4およびR7の少なくとも1つがOHである請求項1に記載の肥料物質。
- 前記ポリマーが一般式:
- 前記X置換基の少なくとも一部が金属カチオンであり、一部がHである請求項6に記載の肥料物質。
- 前記X置換基の少なくとも一部がアルカリ金属およびアルカリ土類金属から成る群から選択される請求項7に記載の肥料物質。
- 前記X置換基の少なくとも一部がカルシウムである請求項8に記載の肥料物質。
- 前記ポリマーが塩または錯体である請求項8に記載の肥料物質。
- 一定量のホスファート肥料をさらに含む請求項1に記載の肥料物質。
- pHが約2以下である水性高分子混合物であって、各ポリマーサブユニットが、A部分、B部分およびC部分から成る群からそれぞれ独立に得られる少なくとも2種の異なる部分から構成される複数の繰り返しポリマーサブユニット、または複数の繰り返しC部分、または異ならない複数のC部分を含むポリマーを有し、部分Aは一般式:
- 前記pHが約1以下である請求項12に記載の高分子混合物。
- 前記複数のポリマーサブユニットがA部分およびB部分から構成される場合は、R1、R2、R3およびR4の少なくとも1つがOHであり、前記複数のポリマーサブユニットがA部分およびC部分から構成される場合は、R3、R2およびR7の少なくとも1つがOHであり、前記複数のポリマーサブユニットがA部分、B部分およびC部分から構成される場合は、R1、R2、R3、R4およびR7の少なくとも1つがOHである請求項12に記載の高分子混合物。
- 前記ポリマーが一般式:
- 前記X置換基の少なくとも一部が金属カチオンであり、一部がHである請求項15に記載の肥料物質。
- 前記X置換基の少なくとも一部がアルカリ金属およびアルカリ土類金属から成る群から選択される請求項16に記載の肥料物質。
- 前記X置換基の少なくとも一部がカルシウムである請求項17に記載の肥料物質。
- 前記ポリマーが塩または錯体である請求項17に記載の肥料物質。
- 請求項1に記載された水性液体肥料物質を土壌に施肥する工程を含む土壌中の硝化の阻害方法。
- アンモニア性含窒素肥料と、液体肥料物質の総質量を100質量%とした場合に、前記混合物中に、約2体積%以下の割合で存在するポリマーとを含む水性液体肥料物質であって、前記ポリマーは、各ポリマーサブユニットが、A部分、B部分およびC部分から成る群からそれぞれ独立に得られる少なくとも2種の異なる部分から構成される複数の繰り返しポリマーサブユニット、または複数の繰り返しC部分、または異ならない複数のC部分を含み、部分Aは一般式:
- 前記割合が約0.5体積%である請求項21に記載の肥料物質。
- 前記ポリマーサブユニットがA部分およびB部分から構成される場合は、R1、R2、R3およびR4の少なくとも1つがOHであり、前記ポリマーサブユニットがA部分およびC部分から構成される場合は、R3、R2およびR7の少なくとも1つがOHであり、前記ポリマーサブユニットがA部分、B部分およびC部分から構成される場合は、R1、R2、R3、R4およびR7の少なくとも1つがOHである請求項21に記載の肥料物質。
- 前記ポリマーが一般式:
- 前記X置換基の少なくとも一部が金属カチオンであり、一部がHである請求項24に記載の肥料物質。
- 前記X置換基の少なくとも一部がアルカリ金属およびアルカリ土類金属から成る群から選択される請求項25に記載の肥料物質。
- 前記X置換基の少なくとも一部がカルシウムである請求項26に記載の肥料物質。
- 前記ポリマーが塩または錯体である請求項26に記載の肥料物質。
- 一定量のホスファート肥料をさらに含む請求項21に記載の肥料物質。
- 請求項21に記載された水性液体肥料物質を土壌に施肥する工程を含む土壌中の硝化の阻害方法。
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