Питательный субстрат для выращивания растений
NUTRIENT SUBSTRATE FOR GROWING PLANTS

Область техники
Изобретение относится к области сельскохозяйственного и декоративного растениеводства, в частности, к питательным субстратам для выращивания растений в закрытом и открытом грунте, которые содержат полный набор питательных элементов (макро- и микро-) для роста растений в высокой концентрации и предназначены для длительного использования без дополнительного внесения удобрений при поливе слабоминерализованной водой. Может быть использовано в бытовом, сельскохозяйственном, высокотехнологичном и специализированном растениеводстве, в том числе: в качестве субстрата для замкнутых экологических систем (автономные оранжереи, фито- и ландшафтный дизайн, комнатное и декоративное растениеводство, клонирование и адаптация растений и т.д.), для улучшения плодородия и корректировки ионного состава обедненных почв, восстановления почвенного комплекса деградированных и истощенных грунтов, придания питательных свойств пескам и песчаным почвам.
Уровень техники
Субстраты в общем виде - это природные компоненты или их заменители, заменяющие растению почву и имеющие пористую структуру, обеспечивая растению больший приток кислорода. Увеличение пористого пространства, стимулирует бурный рост растения, корням не приходится пробивать себе путь, как в грунте, а сэкономленную энергию, растение использует для развития и укрепления иммунитета.
На данный момент изготовление субстратов является весьма актуальной темой и постоянно развивается.
Известен способ получения ионообменных субстратов для выращивания растений [SU 211935, дата публикации 19.11.1968], в котором полученная питательная среда состоит из смеси синтетических катионообменных и анионообменных смол, насыщенных катионами и анионами биогенных элементов из питательных растворов различного состава до состояния равновесия. Способ получения ионитных субстратов по этому методу универсален и позволяет использовать для этих целей синтетические иониты любых типов. Недостатком этого способа являются: использование больших объемов пропускаемого питательного раствора (как минимум 1 000 л раствора на 1 кг субстрата) и длительностью процесса; невозможность использования данной среды для корректировки ионного состава почв в природных условиях, что обусловлено санитарно-гигиеническими ограничениями и запретами на внесение в почву синтетических полимеров; затруднительностью утилизации использованного субстрата; дороговизной, обусловленной в том числе высокой стоимостью исходных ионитов.
Известен более технологичный способ получения ионитных субстратов такого типа, реализованный путем последовательного насыщения смеси катионита и анионита в статических условиях солями биогенных элементов [«Ионитные почвы» - B.C. Солдатов, Н.Г. Перышкина, Р.П. Хорошко - Изд. «Наука и Техника», Минск, 1978, 271 стр. - Стр. 157-172]. Это позволяет сократить объем насыщающих растворов и время процесса получения субстратов, однако большинство перечисленных выше недостатков остаются.
Известна питательная среда для выращивания растений [SU 1395217, дата публикации 15.05.1988], получаемая путем смешения синтетических катионита и анионита, насыщенных катионами и анионами биогенных элементов, и природного минерала из группы цеолитов - клиноптилолита, в калиевой или калиево-аммонийной ионной форме. В этом случае снижается стоимость получаемого субстрата за счет введения в его состав недорогого компонента - клиноптилолита. Однако недостатки, связанные с экологичностью и утилизируемостью, по-прежнему остаются.
Известен способ получения искусственной почвы на основе клиноптилолита [RU 2115301, дата публикации 20.07.1998]. Искусственная почва, получаемая по этому способу, состоит только из химически модифицированного клиноптилолита. Она представляет собой смесь катионных форм клиноптилолита с композиционным материалом на основе клиноптилолита, содержащем в своем составе фосфаты магния, и выполняющем роль анионообменного компонента. Недостатком рассматриваемого способа является высокая трудоемкость, обязательное термостатирование (обусловлено необходимостью введения ионов магния в клиноптилолит при повышенных температурах (не менее 50°С), с последующей обработкой раствором гидрофосфата металла при температуре не более 35°С), а также длительной финальной обработкой полученной смеси слабо концентрированными питательными гидропонными растворами.
Известна искусственная почва и способ ее получения [US 2015128671 А1, дата публикации 14.05.2015], в которой предлагается использовать синтетические и природные иониты в качестве компонетов-наполнителей, представляющих собой композиты, в которых частицы ионитов, насыщенные биогенными ионами, распределяются в объеме гидрогеля - альгината натрия. Основными недостатками данных сред является низкая обменная емкость описанных искусственных почв (не более 0,2 м-экв/г в сумме по катионам и анионам), сложность процесса получения и опасность бактериального роста патогенной микрофлоры на органическом гидрогеле.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является питательный субстрат для выращивания растений (прототип) [RU 2662772, дата публикации 30.07.2018], представляющий собой механическую смесь моноионных калиевой (10-89 масс. %), аммониевой (20-79 масс. %) и водородной (0-30 масс. %) форм природного клиноптилолита и малорастворимых солей кальция, магния и фосфорной и/или серной кислоты (0÷10 масс. %). Основными недостатками данного субстрата являются присутствие основных элементов питания растений (ионы калия и аммония) в разных частицах клиноптилолита (механическая смесь моноионных форм), отсутствие в составе субстрата полного набора микроэлементов, необходимых для эффективного роста растения.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание высокопродуктивного и экологичного питательного субстрата для ионитопоники на основе полиионных форм природных ионитов (цеолитов), насыщенных полным комплексом биологических макро- и микроэлементов, при равновесии с водой образующих питательный раствор.
Технический результат заключается в увеличении биологической продуктивности субстрата, что приводит к улучшению усвоения растением питательных веществ, в частности фосфора.
3
Поставленная задача решается тем, что предложен питательный субстрат для выращивания растений, состоящий из а) калиевой, аммониевой, водородной полиионных форм природного клиноптилолита (1-98 мас. %), б) малорастворимых солей кальция и/или магния и фосфорной и/или серной кислоты (каждого 0-10 мас. %); в) набора микроэлементов (железо, бор, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, молибден) в виде малорастворимых солей и/или гидроксидов в количестве до 0,1 масс. % каждого. При этом субстрат характеризуется размером частиц 0,1-10 мм и растворимостью компонентов, обеспечивающих суммарную концентрацию ионов в контактирующем с субстратом водном растворе 0,1-50 м-экв/дм. Также может быть добавлен в) мицелий микоризного гриба в количестве до 1 мас. % от массы субстрата. Субстрат содержит полный комплекс макро- и микроэлементов, а все элементы питания содержатся одновременно в одной элементарной частице субстрата. Субстрат улучшает усвоение растением питательных веществ, в частности фосфора.
При этом заявляемый питательный субстрат содержит следующие компоненты в следующем соотношении (масс. %):
- K<sup>+</sup>-NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-H<sup>+</sup>полиионная форма клиноптилолита
- 1÷98;
примеры малорастворимых солей кальция и/или магния
- СаНРO<sub>4</sub>
- 0÷1;
- MgHPO<sub>4</sub>
- 0÷7;
- Са<sub>3</sub>(РO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>
- 0÷10;
- Mg<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>
- 0÷2;
- CaSO<sub>4</sub>
- 0÷3;
- NH<sub>4</sub>MgPO<sub>4</sub>
- 0÷10;
- Доломит
- 0÷2;
- Фосфорит
- 0÷2;
примеры микроэлементов в виде солей и/или гидроксидов
- Железо (Fe(OH)<sub>3</sub> или FePO<sub>4</sub>)
- 0÷0,1;
- Бор (СаВO<sub>4</sub> или MgBO<sub>4</sub>)
- 0÷0,1;
- Марганец (Мn(ОН)<sub>2</sub> или Мn<sub>3</sub>(РO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>
- 0÷0,1;
- Медь (Сu(ОН)<sub>2</sub> или Сu<sub>3</sub>(РO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>)
- 0÷0,1;
- Цинк (Zn(OH)<sub>2</sub> или Zn<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>)
- 0÷0,1;
- Кобальт (Со(ОН)<sub>2</sub> или Со<sub>3</sub>(РO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>)
- 0÷0,1;
- Никель (Ni(OH)<sub>2</sub> или Ni<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>)
- 0÷0,1;
- Молибден (Мо(ОН)<sub>3</sub> или Мо<sub>3</sub>(РO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>)
- 0÷0,1;
дополнительный компонент
- Мицелий микоризного гриба
-0÷1.
Содержание калия, аммония и водорода в полиионных формах клиноптилолита обусловлено соотношением K/N и рН равновесного с субстратом раствора, соответствующей: физиологическим потребностям растений; оптимальной массе полезной части или декоративным свойствам растений; химическому составу, обусловливающему пищевую ценность с/х растений и принятой в практике растениеводства [«Агрохимия» - В.В. Кидин, С.П. Торшин - М.: Проспект, 2016. - 608 с.].
В заявляемом питательном субстрате источником калия и азота для растений и регулятором кислотности ризосферы является клиноптилолит, содержащий в ионообменном осмотически неактивном состоянии ионы калия, аммония, водорода. Необходимые пропорции данных элементов в полиионной форме получают путем управления химическим составом модифицирующего раствора при его производстве.
Количество клиноптилолита в субстрате составляет от 1 до 98 масс. % в расчете на массу субстрата. Данный интервал подразумевает и промежуточные значения, а также дробные значения, например, количество клиноптилолита может составлять 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 или 90 масс. %, либо дробные числа, например, 15,5, 27,5, 33,3, 78,5, 95,7 масс. %.
В настоящей заявке анионы (фосфор и сера), а также микроэлементы, вводят в субстрат в виде малорастворимых солей, гидроксидов или природных минералов, растворимость которых не превышает таких значений, при которых суммарная концентрация электролитов в субстратном растворе не превысит значений, неприемлемых для роста растений. Доза введения минералов в питательный субстрат достаточно велика, чтобы субстратный раствор был насыщен по отношению к каждой из этих солей, что обеспечивает постоянство концентраций введенных ионов независимо от количества введенных добавок. Этим гарантируется невозможность передозировки данных ионов в растворе при превышении их необходимого количества в субстрате.
Количество малорастворимых солей указано в расчете на массу субстрата и данная форма записи «каждого 0-10 мас. %) означает, что в составе субстрата может присутствовать несколько солей в количестве до 10 мас. %, либо все присутствующие соли могут составлять 10 мас. %. Вид малорастворимой соли не ограничен приведенными выше примерами и включает любые другие подходящие растворимые соли и минералы, обеспечивающие высвобождение ионов.
Добавление в состав микроэлементов, а именно, по меньшей мере, железа, бора, марганца, меди, цинка, кобальта, никеля, молибдена, в виде солей и/или гидроксидов позволяет увеличить продуктивность предлагаемых субстратов (количество выращенной биомассы растений (как сырой, так и сухой) увеличивается минимум на 10-20% по сравнению с прототипом (таблицы 1-5)), а также улучшить внешний вид растений (надземной и корневой частей), в частности, содержание хлорофилла в листовых пластинах увеличивается на 20-30% по сравнению с прототипом (таблицы 2-3). Также допускается добавление других микроэлементов, полезных для растений, в том же количестве. Такие элементы известны специалистам.
Для увеличения роста корневой системы растения и улучшения усвоения растением питательных веществ, в частности фосфора, в качестве добавки к субстрату может быть использован мицелий микоризного гриба. Вид гриба микоризы определяется областью применения субстрата.
Достижение технического результата характеризуется получением урожая тест-растений (выражаемой в количестве выращенной на субстрате биомассы), сопоставленной с прототипом.
Ниже приведены примеры экспериментальных исследований эффективности предложенного субстрата.
Осуществление изобретения
Результаты биологических экспериментов представлены примерами. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают заявляемое изобретение.
Условия испытаний:
- Экспериментальная культура указана в каждом конкретном примере.
- Питательная среда для растений: смесь испытуемого субстрата 2 масс. % и кварцевого песка 98 масс. % (отмыт 2М НСl от кислоторастворимых примесей). Сверху питательная среда мульчировалась черной полиэтиленовой крошкой для подавления роста одноклеточных водорослей.
2
3
- Вегетационные сосуды: черные пластиковые вазоны высотой 8 см и почвенной площадью 49 см. Объем питательной среды 290 см, масса питательной среды 330 г.
- Освещенность в вегетостате: 10 000 Люкс, лампы - светильник светодиодный ДСП08-6x24-001 УХЛ4.2. Фотопериод: 18 часов свет.
- Температура воздуха: днем 21÷23°С, ночью 16÷18°С.
- Полив: водопроводная вода подачей воды снизу в поддон, состав:
Количественными критериями оценки продуктивности субстратов являлась сырая и сухая (сушка при 60°С до постоянного веса) биомассы выращенных на них растений, для цветов - количество бутонов цветов. В качестве контроля использовали наиболее близкий по технической сущности прототип [RU 2662772] в смеси с таким же песком и с таким же процентным содержанием.
Субстрат согласно изобретению в отличие от прототипа дополнительно содержал набор микроэлементов (железо, бор, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, молибден) в виде малорастворимых солей и/или гидроксидов в количестве до 0,1 мас. % каждого в расчете на массу субстрата.
Данные питательные среды могут иметь различный состав в широком интервале соотношения элементов питания и добавок мицелия микоризного гриба, что позволяет получать большой перечень специализированных питательных сред для нужд конкретных растений. Полученный питательный субстрат с высокой эффективностью может быть использован в качестве субстратов для ионитопоники, корректирующих добавок к почвам, грунтам и пескам различного происхождения.
Существенными преимуществами заявляемого изобретения являются:
- одновременное наличие всех элементов питания растений в элементарной частице субстрата;
- наличие в субстрате полного перечня микро- и макроэлементов;
- введение в питательную среду мицелия микоризного гриба для эффективного стимулирования развития корневой системы и листового аппарата растения;
- экологичность получения и применения;
- отсутствие высокотемпературных стадий обработки;
- возможность получения питательной среды, практически не содержащей в своем составе нитратов.