Способ получения жидкого удобрения
METHOD FOR OBTAINING LIQUID FERTILIZER

Изобретение относится к производству на основе гумусосодержащих субстратов экологически чистых жидких удобрений для сельского хозяйства, которые в свою очередь могут быть использованы для получения жидких препаратов, служащих подкормками сельскохозяйственных культур на протяжении периода вегетации, улучшающих рост и развитие растений, обеспечивающих их защиту от бактериальных заболеваний.
В настоящее время во всем мире наблюдается повышенный интерес к гуминовым веществам, совершенствуются технологии их производства, расширяется сырьевая база, в которую вовлекаются все новые виды биогумусов, углей, торфов, сланцев, пелоидов, компостов и др. Гуминовые вещества имеют ряд преимуществ перед синтетическими удобрениями и стимуляторами роста и развития растений. Гуминовые вещества оптимизируют дыхание и пропускную способность транспортной системы растений, ускоряют передвижение питательных веществ и энергообмен, интенсивность фотосинтеза и синтез хлорофилла (Смирнова, Ю.В. Механизм действия и функции гуминовых препаратов / Ю.В. Смирнова, B.C. Виноградова // Агрохимический вестник. 2004. 1. С. 22-23).
Специалисты, придерживающиеся принципов природного (органического) земледелия, применяют гуминовые удобрения, принцип действия которых основан на том, чтобы дать питание почве за счет ее собственных ресурсов ([Электронный ресурс] Жидкие удобрения: какие бывают и как использовать? URL: https://zen.yandex.ru/media/antonovsad/jidkie-udobreniia-kakie-byvaiut-i-kak-ispolzovat-5aa73d259d5cb3fcca244213 (дата обращения 15.08.2019 г.)).
4
Хорошо известно, что биостимуляторами роста и развития растений являются водорастворимые соли природных гуминовых соединений: гуматы и фульваты Na, К или NH даже в низких концентрациях (0,001-0,0001%). Научными исследованиями доказано, что чем ниже молекулярные массы гуминовых веществ, тем они эффективнее действуют на рост и развитие растений (Попов, А.И. О механизме влияния гуминовых веществ на продукционный процесс растений. "Гумус и почвообразование"/ А.И. Попов // Сб. науч. трудов С.-Петербург. Гос. Аграрного университета. 2000. №2. С. 13-14.).
Гуминовые вещества широко распространены в природе и образуются в результате естественной деструкции органических веществ. Гуминовые вещества обладают широким спектром физиологической активности на живые организмы. В настоящее время они широко используются в качестве органических удобрений и структуроулучшителей почвы, стимуляторов роста растений и животных, а также кормовых добавок.
Наиболее богаты ими бурые угли, сланцы, торф и сапропели. В последнее время в качестве возобновляемого сырья для получения гуминовых препаратов стали использовать такие натуральные высокогумусированные органические удобрения и почвоулучшители как вермикомпосты (биогумус), компосты и зоокомпосты (биоперегной), получаемые крупномасштабной биоконверсией органических отходов с помощью использования дождевых (компостных) червей, микроорганизмов и личинок синантропных мух, соответственно. Получаемые при этом высококачественные органические удобрения, кроме гуминовых веществ, содержат в себе ряд полезных для почвы и растений микроорганизмов, а также комплекс биологически активных веществ: фитогормоны, пептиды, аминокислоты, жирные кислоты, витамины, ферменты, макро- и микроэлементы, природные фунгицидные и бактерицидные соединения.
Получение гуминовых препаратов из гумусосодержащих субстратов путем щелочной обработки в растворе - наиболее широко используемая технология в последние 10-15 лет.
Известны способы получения жидких гуминовых препаратов из гумусосодержащих субстратов, включающих их предварительную обработку с целью получения суспензии и последующую щелочную обработку в сочетании с другими дополнительными приемами: например, воздействие электрическим током, обогащение азотом, использование крупнотоннажных отходов животноводства, в частности, куриного помета и др. (патент РФ №2007376, кл. C05F 11/00, 1993; патент РФ №2015949, кл. C05F 3/00, 1993; патент РФ №2477264, кл. C05F 11/02, 2012; патент РФ №2248339, кл. C05F 11/02, 2004; патент РФ №2253641, кл. C05F 3/00; патент РФ №2231513, кл. C05F 11 /02).
Общим недостатком известных способов получения жидких гуминовых препаратов из гумусосодержащих субстратов является длительное время процесса экстрагирования, применение щелочей и дополнительные расходы энергии и материалов на их нейтрализацию, а также и то, что гуминовые кислоты в субстратах находятся преимущественно в виде нерастворимых в щелочах солей двухвалентных катионов, прежде всего, - кальция, который не исключается из дальнейшего процесса обработки и, в итоге, влечет за собой уменьшение концентрации гуминовых веществ в конечном продукте.
Существуют способы получения жидких удобрений и препаратов из гумусосодержащих веществ: компоста, биогумуса, зоокомпоста путем замачивания их в воде и последующего отделения жидкой фракции.
Известен способ получения жидкого препарата из биогумуса путем замачивания последнего в воде с последующим отделением жидкой фракции (Городний, Н.М. Биоконверсия органических отходов и применение биогумуса в сельском хозяйстве / Н.М. Городний // Международный агропромышленный журнал. 1991. №5. С. 98-99). Данный способ позволяет получить препарат жидкого биогумуса, содержащий водорастворимые вещества: питательные микро- и макроэлементы и некоторые физиологически активные вещества, а также сообщество полезных почвенных микроорганизмов, которое при внесении в почву размножается и способствует обогащению почвы необходимыми для роста и развития растений веществами. Получаемый препарат является эффективным средством повышения продуктивности растений.
Недостатком данного способа получения препарата жидкого биогумуса является то, что в готовом продукте физиологически активные вещества находятся в невысоких концентрациях, вследствие чего эксплуатационные характеристики жидкого удобрения при крупномасштабном применении, транспортировке и хранении являются неудовлетворительными.
Известен способ получения комплексного удобрения (патент РФ №2107054, кл. C05F 11/00, 17/00, 1997), включающий смешивание вермикомпоста с водой, микробиологическую ферментацию полученной водной суспензии при перемешивании и последующее отделение жидкой фракции методом фильтрации при 25-30°С и при непрерывном обогащении водной суспензии кислородом в течение 150-170 часов. На стадии получения конечного целевого продукта отфильтрованную жидкую фракцию обезвоживают при пониженном давлении и температуре 30-35°С. Конечный продукт обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками и содержит в себе более высокие концентрации регуляторов роста растений физиологически активных метаболитов, продуцируемых аэробными почвенными микроорганизмами
Недостатком данного способа получения комплексного удобрения является то, что в твердой фракции вермикомпоста в водную фазу переходит незначительное количество водорастворимых соединений (не более 3-5%), а большая часть гуминовых веществ, содержащихся в самом вермикомпосте, остается в водонерастворимом осадке и удаляется при отстаивании и фильтрации водной суспензии.
2
Известен жидкий препарат из биогумуса (Кощаев, А.Г. Биотехнология вермикультивирования органических отходов / А.Г. Кощаев, О.В. Кощаева, М.А. Елисеев // Политематический сетевой электронный научный журнал КубГАУ. 2014. №95 (01). С. 633-647), который получают путем замачивания биогумуса (1 кг), содержащего, кроме азота, фосфора, калия, кальция, микроэлементов, 3,3% гуминовых кислот, в воде (10 л), с дальнейшим отстаиванием и перемешиванием в течение 1-2 суток и последующим процеживанием полученной жидкой фракции. Использование полученного жидкого препарата из биогумуса способствует повышению урожайности кукурузы и зерновых - на 30-40%, картофеля - на 30-70%, овощных культур - 35-70%. Причем, выращенная продукция соответствует санитарно-гигиеническим требованиям и рекомендуется для диетического и детского питания. Использовать такое жидкое удобрение из биогумуса можно для овощных и ягодных культур методом опрыскивания из расчета 6-8 л раствора на 100 м, а также путем замачивания семян перед посевом.
Известен способ получения жидких биологически активных веществ, заключающийся в том, что из просеянного биогумуса и воды готовят смесь, содержащую 25% сухого вещества; после растворения в течение 2-3 часов перемешанную и однородную смесь пропускают через центрифугу, смесь разделяется на темную мутную жидкость и твердую фазу. Полученная жидкость в результате отстаивания разделяется на три части. В нижнюю часть выпадает осадок прошедших через центрифугу частиц, над этой фракцией образуется желто-коричневая жидкость, а над ней - легкий коллоидный слой, похожий на мазь. Все полученные фракции используются (Городний, Н.М. Биоконверсия органических отходов в биодинамическом хозяйстве / Н.М. Городний, И.А. Мельник И.А., М.Ф. Повхан и др.// Киев. 1990. 164 с.).
Недостатком данного способа является большой расход биогумуса, ограниченное время отстаивания жидкости, недостаточное для естественной ферментации, т.е. насыщения ее регенеративными микроорганизмами и метаболитами их жизнедеятельности, которые являются основой стимулирующих свойств вещества.
Несмотря на недостатки, присущие известным способам получения жидких препаратов из компоста или биогумуса, все они отличаются простотой технологического процесса их получения, исключением необходимости применения агрессивных реагентов. Важным их недостатком зачастую является невозможность максимально полно использовать внутренний питательный потенциал исходного гумусосодержащего вещества.
Благодаря расширению сырьевой базы первоисточников биологически активных веществ, в которую вовлекаются все новые виды биогумусов, углей, торфов, сланцев, пелоидов, компостов и др., путем выбора исходного гумусосодержащего вещества можно оптимизировать технологический процесс получения жидкофазных биосредств для растениеводства и земледелия и снизить его себестоимость.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ получения жидкого биостимулятора роста и развития растений из гумусосодержащих веществ (патент РФ №2112763, кл. C05F 3/00, C05F 11/02, 1996, прототип), включающий биотехнологическую переработку навозных отходов методом твердофазной ферментации для получения компоста с выделением из него водной бактериальной суспензии, для получения которой компост замачивают в воде, экстрагируют из него бактериальную массу в водный раствор путем настаивания в течение 30 минут, полученную бактериальную суспензию отделяют от твердой фракции компоста центрифугированием, а твердую фракцию компоста подвергают щелочной экстракции с последующим смешиванием жидкого экстракта с бактериальной суспензией и отстаиванием для получения целевого продукта.
Недостатком известного способа получения жидкого биостимулятора роста и развития растений является невысокая эффективность полученного биостимулятора, которая зависит не только от концентрации в целевом экстракте питательных веществ, но и от исходного гумусосодержащего вещества и способа его биотехнологической переработки, которыми можно оптимизировать технологический процесс получения жидкофазных биосредств для растениеводства и земледелия и снизить его себестоимость.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке способа получения жидкого удобрения, отличающегося простотой и расширяющего ассортимент жидких удобрений для растениеводства и земледелия.
Технический результат, полученный от решения поставленной задачи, заключается в получении за достаточно короткий срок недорогого, но эффективного жидкого удобрения для растениеводства и земледелия простым способом. Поскольку исходным сырьем для получения жидкого удобрения является биоудобрение, полученное путем ферментации торфопометной смеси из куриного помета и торфа, решается и проблема складирования и утилизации отходов птицеводства.
8
8
8
8
2
5
2
Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе получения жидкого удобрения, включающем смешивание гумусосодержащего вещества с водой при температуре 30-35°С, настаивание и центрифугирование жидкой фракции, в качестве гумусосодержащего вещества используют биоудобрение, полученное путем проведения процесса ферментации в течение 5 суток торфопометной смеси при соотношении компонентов 50:50, которую ощелачивают 0,5%-ным водным раствором едкого калия в количестве 1,5 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°С в течение 24 часов, вводят в полученное первичное биоудобрение пшеничные отруби в количестве 3 мас. % смеси, лимонную кислоту в количестве 0,1 мас. % и магний уксуснокислый в количестве 0,1 мас. % смеси, действующим началом которого являются сообщество микроорганизмов, в том числе аммонифицирующие в количестве 2,0×10…2,8×10КОЕ/мл, амилолитические в количестве 1×10…2×10КОЕ/мл, а также элементы питания для растений, в том числе фосфор в виде РО, % на абс. сухое вещество - 2,40…2,70; калий в виде KO, % на абс. сухое вещество - 1,38…1,52; физиологически активные вещества, в частности, магний, смешивание гумусосодержащего вещества с водой осуществляют в соотношении компонентов 1:5, настаивание проводят в течение 2-х часов, после чего полученную суспензию подвергают декантации и фильтрации, а после центрифугирования жидкой фракции в жидкое удобрение вводят янтарную кислоту в количестве 0,05 мас. %. Процесс ферментации торфопометной смеси осуществляют в две стадии при повышенной температуре, при этом первую стадию ферментации проводят в температурном интервале 36-39°С в течение 96 часов, вторую - в температурном интервале 55-60°С в течение 24 часов, причем в процессе ферментации смесь периодически продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 мин через каждые 24 часа.
opг.
мин.
В ходе исследований, связанных с разработкой нового способа получения жидкого удобрения, был сделан выбор исходного гумусосодержащего вещества, позволяющего оптимизировать технологический процесс получения нового жидкого удобрения, соотношение исходного гумусосодержащего вещества и воды, времени настаивания полученной при их смешивании суспензии и способа отделения жидкой фракции от осадка. Для усиления протекторных свойств и обеспечения функций регулятора роста растений жидкого удобрения путем введения в его состав стимулятора, был сделан выбор между стимуляторами двух видов - органическим S, представленным янтарной кислотой, и минеральным (неорганическим) S, представленным калием фосфорнокислым.
2
5
2
8
8
8
8
Исходное гумусосодержащее вещество - биоудобрение, представляет собой сыпучую массу темно-коричневого цвета со слабым специфическим запахом, с благоприятной кислотностью - 8,5…8,9; массовая доля содержания фосфора в виде РО, % на абс. сухое вещество - 2,40…2,70; калия в виде KO, % на абс. сухое вещество - 1,38…1,52; повышенным содержанием физиологически активных веществ, в частности, магния; наличие достаточно высокой численности агрономически полезной микрофлоры -аммонифицирующие в количестве 2,0×10…2,8×10КОЕ/мл, амилолитические в количестве 1×10…2×10КОЕ/мл, следовые количества микроскопических грибов и отсутствие энтеробактерий (патент РФ №2646630).
В основе получения биоудобрения (патент РФ №2646630), являющегося исходным гумусосодержащим веществом для получения заявленного жидкого удобрения, лежит процесс ощелачивания 0,5%-ным раствором гидроксида калия исходной гумусосодержащей торфопометной смеси, в результате чего из торфа выделяются гуминовые вещества, улучшающие качество биоудобрения и обогащающие его важным компонентом минерального питания растений - калием. Прием ощелачивания обеспечивает эффективное разрушение высокомолекулярных соединений, способствуя измельчению субстрата и его наилучшей доступности для ферментирующей микрофлоры. Пройдя процесс ощелачивания исходной гумусосодержащей торфопометной смеси на начальной стадии получения биоудобрения с последующей его ферментацией, конечный продукт - биоудобрение, характеризующееся наличием достаточно высокой численности полезной микрофлоры и элементов питания, а также благоприятной кислотностью, не нуждается в дополнительной обработке раствором щелочи или соли при получении жидкого удобрения заявленным способом. Таким образом, путем выбора исходного гумусосодержащего вещества удается оптимизировать технологический процесс получения заявленного жидкого удобрения, значительно упрощая его, сокращая его продолжительность, тем самым снижая себестоимость полученного жидкого удобрения и расширяя ассортимент жидких удобрений для растениеводства и земледелия.
Среди всего ассортимента получаемых удобрений, препаратов и иных биосредств особое место занимают жидкие формы. Явным преимуществом жидких форм удобрений является то, что их можно применять как в виде корневых, так и внекорневых подкормок. К достоинствам жидких удобрений можно отнести удобство внесения; высокую проникающую способность в почву, а, следовательно, и к корням растения; достаточно быструю скорость доставки питательных веществ к растению при опрыскивании, когда необходимо быстро восполнить недостаток питательных веществ и помочь растению защититься от негативных факторов: погодных условий, болезней или вредителей; расходуются с меньшими потерями, а значит - более экономные; помогают восстанавливать плодородие почвы на небольших участках, где нет возможности организовать сидерацию или севооборот; ввиду больших разведений доз применения - относительно низкая стоимость.
Температурный режим смешивания биоудобрения и воды невысокий: 30-35°С, обеспечивающий активную жизнедеятельность мезофильной микрофлоры. При перемешивании биоудобрения с водой происходит извлечение из твердой фазы бактериальной массы, а также водорастворимых веществ, содержащих питательные макро- и микроэлементы, фитогормоны и другие биологически активные вещества, положительно влияющие на физиологические процессы, протекающие в растениях.
Изучая литературу по данному вопросу, пришли к выводу, что оптимальное соотношение исходного биоудобрения с водой должно быть не более 1:10, а время настаивания смеси - 2-6 часов (Патент РФ №2112763 Способ получения жидкого биостимулятора роста и развития растений из гумусосодержащих веществ / Титов И.Н., Шишова Т.И., Денисов А.А., Феоктистов И.И., 1996.; Патент РФ №2520144 Способ получения жидкого гуминового удобрения / Фомичева Н.В., Рабинович Г.Ю., 2014). В результате многочисленных экспериментов были выбраны оптимальное соотношение исходного биоудобрения и воды: 1:5, и время настаивания смеси 2 часа (табл. 1).
Отделение жидкой фракции произведено путем последовательного осуществления декантации, фильтрации, а для достижения наиболее «чистого» жидкого удобрения - центрифугирования. Оставшийся после отделения жидкой фракции осадок может быть использован любым приемлемым способом в качестве подкормки для различных сельскохозяйственных культур.
орг.
мин.
Для усиления протекторных свойств и обеспечения функций регулятора роста растений в жидкие удобрения были введены стимуляторы двух видов - органический S и минеральный (неорганический) S Органический стимулятор представлен янтарной кислотой, минеральный стимулятор - калием фосфорнокислым.
Присутствие регуляторов роста растений в удобрениях улучшает качество последних. Широко распространена в виде добавки в жидких формах удобрений янтарная кислота. Она применяется для защиты растений в качестве не только регулятора роста, но и стрессового адаптогена, а также принимает участие в клеточном дыхании аэробных организмов, способствует увеличению содержания хлорофилла. Использовать янтарную кислоту можно для улучшения прорастания семян, ускорения укоренения черенков, стимуляции корневой системы, снятия стресса растения, подталкивания для роста и цветения.
Янтарная кислота - доступный и безопасный препарат, стимулирующий рост растений. Это универсальный внутриклеточный метаболит. Научное название этого вещества - бутандиовая кислота или этан 1,2-дикарбоновая кислота. Янтарная кислота в чистом виде представляет собой белый порошок из прозрачных мелких кристалликов, на вкус имеет легкий кислый привкус, не ядовита, не токсична для окружающей среды, поэтому ее можно использовать дома и в огороде без защитных средств. Известно, что янтарная кислота для растений нужна в малых дозах, применять сильно концентрированные средства не следует, хотя большого вреда избыток янтарной кислоты растениям не принесет, так как это вещество быстро нейтрализуется. ([Электронный ресурс] Янтарная кислота - применение для комнатных, садовых и огородных растений. URL: https:// https://zen.yandex.ru/media/klumba/iantamaia-kislota-primenenie-dlia-komnatnyh-sadovyh-i-ogorodnyh-rastenii-5be52d171989d400a9b17ce9 (дата обращения 19.02.2020 г.)).
Янтарная кислота как активатор роста входит в состав многих жидких промышленных удобрений. Например, удобрение «Бона Форте», «Фертика», «Унифлор», «Красота», «Добрая сила» и другие. Известен способ производства жидкого азотного удобрения КАС, в котором янтарная кислота присутствует из расчета 3-5 г кислоты на 1 л. (патент РФ №2638956).
2
4
2
Калий фосфорнокислый 2-замещенный 3-водный, химическая формула KHPO×3НО - это кристаллы белого цвета, используется в производстве сегнето- и пъезоэлектриков, является качественным компонентом многих удобрений. Его применение влияет на морозоустойчивость некоторых продовольственных растений, увеличивает зимостойкость озимых культур.
Достоинством применения калия фосфорнокислого 2-замещенного 3-водного в качестве стимулятора при получении жидкого удобрения является то, что он содержит два важнейших физиологических элемента.
Катион калия стимулирует нормальное течение процесса фотосинтеза, усиливая отток углеводов из пластинки листа в другие органы растения. Не входя в состав ферментов, он активирует работу многих из них: рибофлавина, тиамина, киназы пировиноградной кислоты, энзимов, с участием которых синтезируются некоторые пептидные связи, что повышает биосинтез белков из аминокислот, и другие процессы. Во всех этих реакциях калий служит переносчиком электронов. Он увеличивает гидрофильность (оводненность) коллоидов протоплазмы, что поддерживает организм в молодом, деятельном состоянии. При достаточном обеспечении калием растения лучше удерживают воду, легче переносят кратковременные засухи. Более интенсивное накопление углеводов в растениях при хорошем калийном питании повышает качество урожая, а также увеличивает содержание сахара в плодах и овощах, крахмала в зерновых и овощных культурах. Улучшается прочность, длина и тонина волокна у прядильных растений. Одновременно с улучшением качества урожая усиливается стойкость культур к легким заморозкам. Это происходит вследствие повышения осмотического давления клеточного сока, что предопределяет понижение температуры его замерзания. (Петербургский, А.В. Агрохимия и физиология питания растений / А.В. Петербургский // М.: «Россельхозиздат», 1981. 98 с.).
Фосфор, входящий в состав калия фосфорнокислого 2-замещенного 3-водного, образует фосфорнокислые эфиры Сахаров и других соединений, играющих очень важную роль в процессах дыхания и фотосинтеза (окислительное и фотосинтетическое фосфорилирование, синтез белков и сложных углеводов и т.д.). Фосфор входит в состав нуклеопротеидов, аденозинфосфатов и других фосфатов, все они обладают пирофосфатными связями, имеющими большой запас свободной энергии гидролиза (Гродзинский. A.M. Краткий справочник по физиологии растений /A.M. Гродзинский, Д.М. Гродзинский // Киев: «Наукова Думка». 1973. 491 с.).
При выборе стимулятора янтарная кислота использовалась нами в 5-ти концентрациях с шагом в 0,05%. В отличие от нее калий фосфорнокислый имел постоянную концентрацию - 1%. Учитывая большое количество данных по оценке жидких удобрений (ЖУ), полученных при использовании стимуляторов с разными концентрациями, результаты биохимических и микробиологических показателей были усреднены в каждой серии видов жидкого удобрения (изложено далее в примерах). Связано это с тем, что по ключевым параметрам сравнения (по гуминовым кислотам и микрофлоре) различия между отдельными вариантами в серии были несущественными, кроме того, выбор из-за экономических соображений останавливали на вариантах с минимальной концентрацией, если он несущественно уступал остальным вариантам исследуемой серии.
В результате многочисленных экспериментов для усиления протекторных свойств и обеспечения функций регулятора роста растений в качестве стимулятора выбрана янтарная кислота в количестве 0,05 мас. % жидкого удобрения.
Таким образом, в результате исследований, связанных с разработкой нового способа, получено новое жидкое удобрение, расширяющее ассортимент жидких удобрений для растениеводства. Исходным сырьем для получения жидкого удобрения является биоудобрение, способ получения которого позволяет оптимизировать и значительно упростить способ получения нового жидкого удобрения.
Способ получения жидкого удобрения иллюстрируется чертежами и поясняется таблицами.
opг
opг
мин
opг
opг
мин
opг
opг
мин
opг
opг
мин.
opг
opг
мин
opг
opг
мин
opг
opг
мин
opг
opг
мин
opг
opг+
мин
opг
орг
мин
opг
opг
мин.
На фиг. 1 показано содержание гуминовых кислот в жидком удобрении: варианты жидкого удобрения (ЖУ) №№1-3 (2-х часовое настаивание, соотношение биоудобрение : вода 1:5):№1 - ЖУ; №2 - ЖУ+S; №3 - ЖУ+S+S; №№4-6 (2-х часовое настаивание, соотношение биоудобрение : вода 1:10): №4 - ЖУ; №5 - ЖУ+S; №6 - ЖУ+S+S;№№7-9 (4-x часовое настаивание, соотношение биоудобрение : вода 1:5):№7 - ЖУ; №8 - ЖУ+S; №9 - ЖУ+S+S; №№10-12 (4-х часовое настаивание, соотношение биоудобрение : вода 1:10):№10 - ЖУ; №11 - ЖУ+S; №12 - ЖУ+S+S; на фиг. 2 - микробиологическая характеристика вариантов ЖУ: варианты жидкого удобрения (ЖУ) №№1-3 (2-х часовое настаивание, соотношение биоудобрение : вода 1:5): №1 - ЖУ; №2 - ЖУ+S; №3 - ЖУ+S+S; №№4-6 (2-х часовое настаивание, соотношение биоудобрение : вода 1:10): №4 - ЖУ; №5 - ЖУ+S; №6 - ЖУ+S+S; №№7-9 (4-х часовое настаивание, соотношение биоудобрение : вода 1:5): №7 - ЖУ; №8 - ЖУ+S; №9 - ЖУ+S+S; №№10-12 (4-х часовое настаивание, соотношение биоудобрение : вода 1:10): №10 - ЖУ; №11 - ЖУ+S; №12 - ЖУ+S+S.; на фиг. 3 показана урожайность и качество картофеля сорта «Скарб». Варианты опыта: Без удобрений - контроль 1; NPK (фон) - контроль 2; NPK (фон) + ЖУ-1; NPK (фон) + ЖУ-1+S; NPK (фон) + ЖУ-1 + SS; NPK (фон) + ЖУ-2; NPK (фон) + ЖУ-2+S; NPK (фон) + ЖУ-2+S+S; NPK (фон) + ЖУ-3; NPK (фон) + ЖУ-3+S; NPK (фон) + ЖУ-3+S+S В таблице 1 приведен выбор времени настаивания и соотношения исходных компонентов при получении жидкого удобрения; в таблице 2 - агрохимическая характеристика лучших вариантов жидкого удобрения; в таблице 3 приведена схема микрополевого опыта; в таблице 4 - некоторые биометрические показатели растений картофеля и качество клубней; в таблице 5 показана урожайность картофеля сорта «Скарб»; в таблице 6 - характеристика лучших вариантов микрополевого опыта. Заявленный способ получения жидкого удобрения включает: - смешивание гумусосодержащего вещества, в качестве которого используют биоудобрение, полученное путем проведения процесса ферментации в течение 5 суток торфопометной смеси при соотношении компонентов 50:50, которую ощелачивают 0,5%-ным водным раствором едкого калия в количестве 1,5 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°С в течение 24 часов, вводят в полученное первичное биоудобрение пшеничные отруби в количестве 3 мас. % смеси, лимонную кислоту в количестве 0,1 мас. % и магний уксуснокислый в количестве 0,1 мас. % смеси, с водой при температуре 30-35°С в соотношении компонентов 1:5;
- настаивание суспензии в течение 2-х часов;
- декантацию суспензии [в химической лабораторной практике и химической технологии механическое отделение твердой фазы дисперсной системы (суспензии) от жидкой путем сливания раствора с осадка];
- фильтрование жидкой фазы через фильтровальную бумагу;
- центрифугирование жидкой фазы с получением жидкого удобрения;
- введение в полученное жидкое удобрение янтарной кислоты в количестве 0,05 мас. %.
Выбор лучшего варианта способа получения нового жидкого удобрения в ходе проведенных исследований, подтверждение его в микрополевом опыте на картофеле сорта «Скарб», и полученный технический результат приведены в конкретных примерах.
Для проведения исследований с целью выбора лучшего варианта способа получения жидкого удобрения были получены и исследованы 12 вариантов жидкого удобрения.
Пример 1. Производят смешивание биоудобрения, полученного путем проведения процесса ферментации в течение 5 суток торфопометной смеси при соотношении компонентов 50:50, которую ощелачивают 0,5%-ным водным раствором едкого калия в количестве 1,5 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°С в течение 24 часов, вводят в полученное первичное биоудобрение пшеничные отруби в количестве 3 мас. % смеси, лимонную кислоту в количестве 0,1 мас. % и магний уксуснокислый в количестве 0,1 мас. % смеси, с водой при температуре воды 30-35°С в соотношении компонентов 1:5, настаивание суспензии в течение 2-х часов, декантацию суспензии, фильтрование жидкой фазы через фильтровальную бумагу и центрифугирование жидкой фазы с получением жидкого удобрения.
Процесс ферментации торфопометной смеси осуществляют в две стадии при повышенной температуре, при этом первую стадию ферментации проводят в температурном интервале 36-39°С в течение 96 часов, вторую - в температурном интервале 55-60°С в течение 24 часов, причем в процессе ферментации смесь периодически продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 мин через каждые 24 часа.
орг.
Пример 2. В жидкое удобрение, полученное по способу, описанному в примере 1, вводят стимулятор органический S, в качестве которого используют янтарную кислоту в количестве 0,05 мас. %.
мин.
2
4
2
Пример 3. В жидкое удобрение, полученное по способу, описанному в примере 2, дополнительно вводят стимулятор минеральный S, в качестве которого используют калий фосфорнокислый 2-замещенный 3-водный, химическая формула KHPO×3НО, в количестве 1 мас. %.
Пример 4. Производят смешивание биоудобрения, полученного путем проведения процесса ферментации в течение 5 суток торфопометной смеси при соотношении компонентов 50:50, которую ощелачивают 0,5%-ным водным раствором едкого калия в количестве 1,5 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°С в течение 24 часов, вводят в полученное первичное биоудобрение пшеничные отруби в количестве 3 мас. % смеси, лимонную кислоту в количестве 0,1 мас. % и магний уксуснокислый в количестве 0,1 мас. % смеси, с водой при температуре воды 30-35°С в соотношении компонентов 1:10, настаивание суспензии в течение 2-х часов, декантацию суспензии, фильтрование жидкой фазы через фильтровальную бумагу и центрифугирование жидкой фазы с получением жидкого удобрения.
Процесс ферментации торфопометной смеси осуществляют в две стадии при повышенной температуре, при этом первую стадию ферментации проводят в температурном интервале 36-39°С в течение 96 часов, вторую - в температурном интервале 55-60°С в течение 24 часов, причем в процессе ферментации смесь периодически продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 мин через каждые 24 часа.
орг.
Пример 5. В жидкое удобрение, полученное по способу, описанному в примере 4, вводят стимулятор органический S, в качестве которого используют янтарную кислоту в количестве 0,05 мас. %.
MHH
2
4
2
Пример 6. В жидкое удобрение, полученное по способу, описанному в примере 5, дополнительно вводят стимулятор минеральный S., в качестве которого используют калий фосфорнокислый 2-замещенный 3-водный, химическая формула KHPO×3НО, в количестве 1 мас. %.
Пример 7. Производят смешивание биоудобрения, полученного путем проведения процесса ферментации в течение 5 суток торфопометной смеси при соотношении компонентов 50:50, которую ощелачивают 0,5%-ным водным раствором едкого калия в количестве 1,5 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°С в течение 24 часов, вводят в полученное первичное биоудобрение пшеничные отруби в количестве 3 мас. % смеси, лимонную кислоту в количестве 0,1 мас. % и магний уксуснокислый в количестве 0,1 мас. % смеси, с водой при температуре воды 30-35°С в соотношении компонентов 1:5, настаивание суспензии в течение 4-х часов, декантацию суспензии, фильтрование жидкой фазы через фильтровальную бумагу и центрифугирование жидкой фазы с получением жидкого удобрения.
Процесс ферментации торфопометной смеси осуществляют в две стадии при повышенной температуре, при этом первую стадию ферментации проводят в температурном интервале 36-39°С в течение 96 часов, вторую - в температурном интервале 55-60°С в течение 24 часов, причем в процессе ферментации смесь периодически продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 мин через каждые 24 часа.
opг.
Пример 8. В жидкое удобрение, полученное по способу, описанному в примере 7, вводят стимулятор органический S, в качестве которого используют янтарную кислоту в количестве 0,05 мас. %.
мин.
2
4
2
Пример 9. В жидкое удобрение, полученное по способу, описанному в примере 8, дополнительно вводят стимулятор минеральный S, в качестве которого используют калий фосфорнокислый 2-замещенный 3-водный, химическая формула KHPO×3НО, в количестве 1 мас. %.
Пример 10. Производят смешивание биоудобрения, полученного путем проведения процесса ферментации в течение 5 суток торфопометной смеси при соотношении компонентов 50:50, которую ощелачивают 0,5%-ным водным раствором едкого калия в количестве 1,5 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°С в течение 24 часов, вводят в полученное первичное биоудобрение пшеничные отруби в количестве 3 мас. % смеси, лимонную кислоту в количестве 0,1 мас. % и магний уксуснокислый в количестве 0,1 мас. % смеси, с водой при температуре воды 30-35°С в соотношении компонентов 1:10, настаивание суспензии в течение 4-х часов, декантацию суспензии, фильтрование жидкой фазы через фильтровальную бумагу и центрифугирование жидкой фазы с получением жидкого удобрения.
Процесс ферментации торфопометной смеси осуществляют в две стадии при повышенной температуре, при этом первую стадию ферментации проводят в температурном интервале 36-39°С в течение 96 часов, вторую - в температурном интервале 55-60°С в течение 24 часов, причем в процессе ферментации смесь периодически продувают воздухом в продольном и поперечном направлениях в течение 30 мин через каждые 24 часа.
opг.
Пример 11. В жидкое удобрение, полученное по способу, описанному в примере 10, вводят стимулятор органический S, в качестве которого используют янтарную кислоту в количестве 0,05 мас. %.
мин.
2
4
2
Пример 12. В жидкое удобрение, полученное по способу, описанному в примере 11, дополнительно вводят стимулятор минеральный S, в качестве которого используют калий фосфорнокислый 2-замещенный 3-водный, химическая формула KHPO×3НО, в количестве 1 мас. %.
Все варианты способа получения жидкого удобрения для удобства их анализа сгруппированы по сериям: №№1-3, №№4-6, №№7-9 и №№10-12.
Во всех вариантах жидкого удобрения было определено содержание гуминовых кислот (фиг. 1), количество полезной (N-трансформирующие микроорганизмы) и условно-патогенной микрофлоры (энтеробактерии) (фиг. 2), а также рН раствора, что отражено в таблице 1, анализ которых (фиг. 1, фиг. 2, табл. 1) показал следующее:
- в вариантах с 4-х часовым настаиванием смеси определено высокое содержание как гуминовых кислот, так и азоттрансформирующих микроорганизмов;
- в вариантах с 2-х часовым настаиванием отмечено самое низкое количество условно патогенной микрофлоры (энтеробактерий), что является немаловажным фактором при оценке микробиологической характеристики качества удобрения;
- варианты опыта с 6-ти часовым настаиванием характеризовались приемлемыми показателями, однако, учитывая, что удешевление процесса получения жидкого удобрения является важным фактором, данный фактор является причиной отказа от этих вариантов;
- максимальное количество гуминовых кислот среди всех вариантов жидких удобрений было определено в серии вариантов с 4-х - часовым настаиванием (фиг. 1, варианты №№7-12), особенно при соотношении 1:5;
- самое низкое содержание гуминовых кислот было отмечено при 2-х часовом настаивании при соотношении компонентов биоудобрение : вода 1:10; этого времени было недостаточно для полного перехода гуминовых кислот из исходного биоудобрения в полученную суспензию (фиг. 1, варианты №№4-6);
opг..
мин.
- водородный показатель всех вариантов жидкого удобрения со стимуляторами органическим S и минеральным S сдвигался в кислую сторону, особенно явно это было отмечено в серии вариантов жидкого удобрения с добавлением только органического стимулятора при 2-х часовом настаивании при соотношении компонентов биоудобрение : вода 1:5 (до 4,2) и 1:10 при (до 4,1), а также 4-х часовом настаивании при соотношении компонентов биоудобрение: вода 1:10 (до 4,3);
- серии вариантов с соотношением биоудобрение : вода 1:5 при 2-х -часовом настаивании, хотя и не обладали высокими микробиологическими показателями, но именно в них было выявлено наименьшее количество условно-патогенных микроорганизмов, что является немаловажной характеристикой для органического удобрения;
- предпочтение отдано вариантам с 4-х и 2-х часовым настаиванием с соотношением биоудобрения и воды 1:5 и с 4-х часовым настаиванием с соотношением биоудобрения и воды 1:10;
- ввиду самых низких величин всех рассмотренных выше показателей (фиг. 1 и фиг. 2, варианты №№4-6) серии вариантов с соотношением компонентов биоудобрение : вода 1:10 при 2-х часовом настаивании были исключены из дальнейших исследований.
В каждом оставшемся варианте жидкого удобрения была определена его агрохимическая характеристика, включающая содержание в сухом веществе азота, фосфора, калия, а также углерода, что отражено в таблице 2. Все эти варианты жидких удобрений с целью выявления лучшего были апробированы в микрополевом опыте на картофеле сорта «Скарб», схема которого представлена в таблице 3.
Для удобства изложения варианты жидких удобрений, полученных заявленным способом и используемых в микрополевом опыте, были сгруппированы и обозначены как ЖУ-1 (биоудобрение : вода 1:5, настаивание в течение 2-х часов), ЖУ-2 (биоудобрение : вода 1:5, настаивание в течение 4-х часов) и ЖУ-3 (биоудобрение : вода 1:10, настаивание в течение 4-х часов). Контрольными вариантами опыта были вариант без использования удобрений (вариант №1) и вариант с внесением в почву только минеральных удобрений (вариант №2).
По результатам прошлых лет исследований была определена оптимальная суммарная доза внесения под картофель органического биоудобрения с минеральными удобрениями (патент РФ №2710319). Придерживаясь выявленной дозировки удобрений, в почву были внесены минеральные удобрения (аммиачная селитра, хлорид калия и двойной суперфосфат), рассчитанные согласно содержанию NPK в 3 т биоудобрения, а органическая часть удобрений в опыте была представлена лучшими вариантами жидких удобрений (табл.3), полученными на основе биоудобрения (патент РФ №2646630).
Варианты опытов №№3-11 (табл. 3) в каждой серии представлены тремя вариантами ЖУ: без стимуляторов, с добавлением только органического стимулятора и с одновременным введением в ЖУ органического и минерального стимуляторов. Опрыскивание растений картофеля производили в дозе 300 л/га (разведение 1:100) в фазы всходов, бутонизации и цветения.
На развитие ботвы и клубней влияют, в первую очередь, условия выращивания, во-вторых, развитие и распространение вредителей и болезней (Анисимов Б.В. Защита картофеля от болезней, вредителей и сорняков / Б.В. Анисимов, Г.Л. Белов, Ю.А. Варицев и др. // М.: Изд-во Картофелевод, 2009. - 272 с.).
Поражение растений фитофторозом, вызываемое оомицетом Phytophthora infestans, является причиной снижения продуктивности картофеля. Подсчитано, что стоимость ежегодных потерь урожая этой сельскохозяйственной культуры от фитофтороза плюс затраты на борьбу с ним в мире составляют около 4 миллиардов евро (Schepers et al., 2009). Наша страна теряет от фитофтороза в среднем около 4 млн. т картофеля ежегодно. В годы эпифитотий при отсутствии защиты продуктивность восприимчивых к болезни сортов может снижаться в 1,5-2 раза (Филиппов А.В. Фитофтороз картофеля / А.В. Филиппов. - Приложение к журналу «Защита и карантин растений», №5, 2012. - 87 с.).
В сельскохозяйственной практике пока нет сортов картофеля, обладающих абсолютной устойчивостью к фитофторозу, но есть сорта, поражаемые этим заболеванием в меньшей степени. Используемый в опыте картофель сорта «Скарб» к таковым не относится.
Такая сельскохозяйственная культура как картофель положительно отзывается на применение гуминовых препаратов, которые повышают ее устойчивость к поражению различными болезнями. Во всех вариантах с опрыскиванием ЖУ выявлено наименьшее поражение посадок картофеля фитофторозом в течение дальнейшего вегетационного периода (табл. 4).
Нормальный рост и полноценное развитие сельскохозяйственных культур обеспечиваются питательными веществами, поступающими в растения не только через корневую систему, но и путем попадания на их надземную поверхность (листья, стебли, черешки, генеративные органы). В связи с необходимостью и возможностью количественного описания отдельных зависимостей как составляющих более сложной системы связей возрос интерес исследователей к математическим способам расчета величин различных показателей, в частности размера ассимилирующей системы растений (площади листовой поверхности).
Площадь отдельного листа и общая листовая поверхность растения позволяют оценить фотосинтетический потенциал и интенсивность его работы. Поражение фитофторой естественно отражается на фотосинтетической активности посевных площадей, в том числе, занятых картофелем. Однако применяемые в настоящее время методики определения площади листовой поверхности являются довольно громоздкими и связаны с длительностью проведения этого исследования, при котором требуется скорость и точность анализов.
В нашем исследовании мы использовали метод определения площади листьев, разработанный в Иркутском ГАУ, основанный на использовании программного средства APFillInkTonerCoverageMeter 5.8. (Дмитриев, Н.Н. Методика ускоренного определения площади листовой поверхности сельскохозяйственных культур с помощью компьютерной технологии / Н.Н. Дмитриев, Ш.К. Хуснидинов // Вестник Красноярского ГАУ. 2016. №7. С. 88-93).
Особенностью современной методики является то, что программа позволяет узнать заполнение страницы чернилами и средний цвет по листу до печати на принтере с точностью до 1%, что делает его более информативным по сравнению с другими методиками (высечек, промеров и др.).
Следует отметить позитивное влияние опрыскивания растений картофеля всеми использованными нами вариантами жидких удобрений, что отразилось на увеличении площади листьев, а, следовательно, и на фотосинтетической активности, тесно связанной с размерами листовой поверхности (табл. 4).
Урожайность картофеля зависит от множества факторов, в том числе и вносимые в почву удобрения. При подсчете общей урожайности во всех вариантах опыта выявлена прибавка относительно варианта без использования удобрения. Неплохие показатели урожайности были отмечены в варианте-контроле №2 (22,85 т/га), в котором общая урожайность была выше на 8% по сравнению с вариантами серии ЖУ - 2 и на 19% - серии ЖУ - 3.
Наилучшими по общей урожайности среди вариантов с опрыскиванием листьев разными вариантами ЖУ можно считать варианты опыта серии ЖУ-1, в которых была отмечена прибавка (в среднем 6%) по сравнению с вариантом-контролем №2, где использовались только минеральные удобрения. Среди серии ЖУ-1 особо выделяются два варианта - №№4 и 5, в которых отмечена максимальная как общая, так и товарная урожайности: 24,89 и 24,65; 20,88 и 20,44 т/га соответственно.
Следует отметить, что в вариантах с использованием трех вариантов ЖУ в каждой серии, наилучшим по общей урожайности везде оказывался вариант, где опрыскивание растений производилось ЖУ с добавлением только органического стимулятора: 24,89, 21,85 и 18,99 - соответственно в ЖУ - 1,2 или 3 серии.
Следует отметить, что в нашем опыте на формирование урожайности в большей степени повлияло заражение растений фитофторой, что подтверждается достоверным уравнением регрессии у = 32,7525-0,228064х с коэффициентом корреляции R=- 0,65, указывающих на умеренно сильную обратную связь между переменными. Мощность развития фотосинтетического аппарата растения (площадь листовой поверхности) имела прямо пропорциональную связь с урожаем картофеля, но коэффициент корреляции между ними не превышал R = 0,37.
Биологическая ценность картофеля зависит от содержания и соотношения в клубнях полезных и вредных веществ. Среди первых наиболее важные - углеводы (в основном крахмал), витамины, протеин, макро - микроэлементы и другие. К вредным веществам относятся гликоалколоиды (соланин), остатки пестицидов и некоторые минеральные вещества (нитраты, нитриты и т.д.).
Содержание крахмала в клубнях картофеля разнилось в вариантах опыта (табл. 4, фиг. 3). В контроле (без использования удобрений) этот показатель был даже выше некоторых вариантов с опрыскиванием ЖУ. В то же время контроль 2 (вариант №2) продемонстрировал снижение крахмалистости клубней, что подтверждается литературными данными (Филин, В.И. Влияние удобрений на качество клубней картофеля при программировании урожаев в условиях орошения / В.И. Филин, Ю.А. Гулянов // Известия Оренбургского ГАУ. 2004. №2(2). С. 95-96).
Среди вариантов опыта с использованием ЖУ наибольшие показатели по содержанию крахмала в клубнях (в среднем 12,08%) отмечены в серии вариантов ЖУ-1; немногим меньше были показатели в вариантах серии ЖУ-3 (11,56%), а самые низкие цифры по содержанию крахмала были получены в серии вариантов ЖУ-2 (10,07%), что почти на 5% ниже, чем в варианте-контроле №2 (10,56%). Следует отметить, что к лучшим вариантам по содержанию крахмала следует отнести все варианты опыта с введением в ЖУ только органического стимулятора.
Сорта картофеля с повышенным содержанием белка наиболее жизнеспособны, так как более устойчивы к воздействию патогенов. В нашем опыте между зараженными фитофторой растениями и содержанием протеина в клубнях этих вариантов прослеживалась зависимость с коэффициентом корреляции R = 0,39. Кроме этого, количество протеина в клубнях картофеля зависит от содержания в почве минерального азота, что подтверждается в нашем случае достоверным уравнением регрессии у = 10,5799+0,222655х с коэффициентом корреляции R = 0,54.
Таким образом, проведенное на картофеле сорта «Скарб» исследование позволило выявить положительное влияние по фону вносимых минеральных удобрений приема опрыскивания листьев новыми жидкими удобрениями как на урожайность, так и на качество получаемой продукции. В таблице 6 представлена характеристика наилучших вариантов опыта, прежде всего по урожайности и качеству картофеля, и сделан выбор в сторону наиболее оптимального варианта опыта.
Введение в биоудобрение дополнительного минерального стимулятора не обеспечило принципиального отличия между вариантами опыта №4 и №5 (табл. 6). Следовательно, можно остановиться на варианте №4 с органическим стимулятором, так как введение в ЖУ минерального стимулятора при прочих равных условиях удорожает процесс его получения.
На основе анализа содержания гуминовых кислот (фиг. 1), микробиологической характеристики (фиг. 2), агрохимической характеристики жидких удобрений (табл. 3), а также результатов полевых опытов (табл. 4-6, фиг. 3):
1) сделан выбор оптимального варианта жидкого удобрения (табл. 6), полученного путем смешивания биоудобрения с водой при температуре 30-35°С в соотношении компонентов биоудобрение : вода 1:5, настаивании полученной суспензии в течение 2-х часов с последующими декантацией, фильтрацией и центрифугированием жидкой фракции, а также введением янтарной кислоты в количестве 0,05 мас. %. При этом исходное биоудобрение получено путем проведения процесса ферментации в течение 5 суток торфопометной смеси при соотношении компонентов 50:50, которую ощелачивают 0,5%-ным водным раствором едкого калия в количестве 1,5 л на 1 кг смеси при температуре 20-22°С в течение 24 часов, вводят в полученное первичное биоудобрение пшеничные отруби в количестве 3 мас. % смеси, лимонную кислоту в количестве 0,1 мас. % и магний уксуснокислый в количестве 0,1 мас. % смеси;
2) благодаря расширению сырьевой базы первоисточников биологически активных компонентов, в которую вовлекаются все новые виды гумусосодержащих веществ, оптимизирован технологический процесс получения нового жидкого удобрения: заявленный способ отличается коротким сроком и простотой технологического процесса получения жидкого удобрения невысокой себестоимости, исключающего применение агрессивных реагентов;
3) полученное жидкое удобрение достаточно эффективно (табл. 4-6, фиг. 3); такая форма удобрений помогает растениям лучше усваивать питательные вещества, что позволяет применять их как способом корневой обработки, так и путем замачивания семян или опрыскивания вегетирующих культур, при этом расширяется ассортимент жидких удобрений для растениеводства и земледелия;
4) применение полученного заявленным способом жидкого удобрения оказывает положительное влияние на устойчивость растений картофеля к фитофторе (табл. 4);
5) в результате применения полученного заявленным способом жидкого удобрения в технологии выращивания картофеля отмечено повышение урожайности (табл. 5, фиг. 3) и качества клубней картофеля (табл. 4, фиг. 3);
6) производство жидкого удобрения с целью использования его в технологии выращивания сельскохозяйственных растений, в частности картофеля, способствует решению проблемы складирования и утилизации куриного помета и снижения загрязнения окружающей среды.
7) оставшийся после отделения жидкой фракции осадок может быть использован любым приемлемым способом в качестве подкормки для различных сельскохозяйственных культур.
Заявленный способ получения жидкого удобрения является технологичным, что позволяет провести масштабирование процесса и осуществить его в промышленных условиях.