УДОБРИТЕЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИЯ, КОТОРАЯ ВКЛЮЧАЕТ В СЕБЯ ПОТЕНЦИРУЮЩЕЕ СРЕДСТВО УСВАИВАЕМОГО РАСТЕНИЕМ ФОСФОРА И КАЛЬЦИЯ, И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
FERTILIZER COMPOSITION WHICH INCLUDES A POTENTIATOR OF PLANT-CONSUMED PHOSPHORUS AND CALCIUM AND ITS APPLICATION

Настоящее изобретение относится к удобрительной композиции, которая включает в себя потенцирующее средство усваиваемого растением фосфора и кальция, а также к применению указанной удобрительной композиции.
Более конкретно, согласно первому аспекту настоящее изобретение относится к удобрительной композиции, которая включает в себя глицериновую кислоту в качестве потенцирующего средства усваиваемого растением фосфора и кальция, при этом глицериновая кислота улучшает содержание общего фосфора в растении, при этом ее применение представляет собой альтернативу традиционным фосфатным удобрениям.
Согласно второму аспекту настоящее изобретение относится к комбинации раскрываемой удобрительной композиции вместе с другим дополнительным удобрением и/или биостимулятором.
4
2
4
2-
-
3+
3+
2+
Фосфор является важным макроэлементом для роста растений и определяющим фактором их урожайности. Он усваивается растениями в растворимых формах, в основном в виде НРO и НРO. Однако, несмотря на широкое применение фосфатных минеральных удобрений, дефицит фосфора является распространенной проблемой в сельскохозяйственных почвах из-за низкой растворимости (<1%) общего органического и неорганического фосфора в таких почвах (Bunemann et al., "Assessment of gross and net mineralization rates of soil organic phosphorus - A review", Soil Biology and Biochemistry. 89: 92-98, 2015). Это связано с тем, что большая часть фосфора, вносимого с удобрениями, иммобилизуется в результате процессов сорбции, путем осаждения ионами Fe и Al в кислых почвах и ионами Са в известковых почвах или путем его преобразования в органические формы (Liao et al., "Phosphorus and aluminum interactions in soybean in relation to aluminum tolerance. Exudation of specific organic acids from different regions of the intact system", Plant Physiol. 141, 674-684, 2006). Следовательно, основная проблема питания растений, связанная с фосфором, заключается не в общей концентрации фосфора в почве, а в его биодоступности для растений.
Кроме того, злоупотребление или ненадлежащее применение фосфатных минеральных удобрений и низкая эффективность их использования сельскохозяйственными культурами (около 45%) приводят к снижению плодородия почвы, значительному загрязнению окружающей среды, в основном рек, озер и водоносных горизонтов, и к увеличению производственных затрат для фермеров (Tilman et al., "Agricultural sustainability and intensive production practices", Nature. 418: 671-7, 2002). Кроме того, фосфатные породы, которые являются основным сырьевым материалом, используемым в промышленности для производства фосфатных удобрений, являются невозобновляемым источником фосфора, поэтому их запасы ограничены и постепенно уменьшаются (Saeid et al., "Phosphorus Solubilization by Bacillus Species", Nature. 418: 677-7, 2002). Molecules. 23, 2897, 2018).
В этом смысле основные решения, разработанные для устранения вышеупомянутых проблем, заключаются в применении ионов металлов в комплексе с аминокислотами для улучшения солюбилизации фосфора микроорганизмами, присутствующими в почве (ЕР 3181538 А1), или во внесении инокулюма солюбилизирующих фосфор микроорганизмов (Hu et al., "Development of a biologically based fertilizer, incorporating Bacillus megaterium A6, for improved phosphorus nutrition of oilseed rape", Can J Microbiol. 59:231-6, 2013; US 5256544 A; WO 2014082167 A1).
По вышеуказанным причинам в настоящее время в области питания растений существует потребность в поиске альтернатив традиционному фосфатному удобрению для повышения использования как фосфатных удобрений, так и накопленных запасов общего фосфора в почвах (Zhu et al., "Phosphorus activators contribute to legacy phosphorus availability in agricultural soils: A review", Science of the Total Environment 612 (2018) 522-537, 2018), а также для устойчивого повышения урожайности культурных растений. Действительно, некоторые авторы предполагают, что накопленного фосфора в сельскохозяйственных почвах могло бы быть достаточно для поддержания урожайности сельскохозяйственных культур в мире в течение 100 лет, если бы он был в доступных формах (Khan et al., "Role of phosphate-solubilizing microorganisms in sustainable agriculture - a review", Agron. Sustain. Dev. 27, 29-43, 2007).
Кроме того, растения выделяют через корни значительную часть органических соединений, образующихся в процессе фотосинтеза (от 11 до 40%), чтобы регулировать химический состав ризосферы и обеспечивать рост микроорганизмов, которые могут принести пользу растениям в данной экосистеме (Badri and Vivanco, "Regulation and function of root exudates", Plant, Cell and Environment 32, 666-681, 2009; Zhalnina et al, "Phosphorus activators contribute to legacy phosphorus availability in agricultural soils: A review", Science of the Total Environment 612 (2018) 522-537, 2018). Соединения, присутствующие в корневых экссудатах, включают в себя сахара, аминокислоты, органические кислоты, жирные кислоты и вторичные метаболиты (Bais et al., "The role of root exudates in rhizosphere interactions with plants and other organisms", Annu Rev Plant Biol. 57: 233-66, 2006).
Помимо культивируемых видов и их фенологической стадии на состав и количество этих экссудатов в основном влияют сигналы окружающей среды, например, доступность питательных веществ в почве. Фактически, у растений имеются механизмы адаптации к почвам с низким количеством усваиваемого фосфора, включая выделение на корневом уровне метаболитов, которые увеличивают солюбилизацию и поглощение фосфора и/или модулируют состав почвенных микробных сообществ, благоприятствуя микроорганизмам со способностью растворять неорганический фосфор или минерализовать органический фосфор. Эти экссудаты включают в себя карбоновые кислоты, сахара, фенольные соединения, аминокислоты и даже некоторые ферменты (Carvalhais et al., "Root exudation of sugars, amino acids, and organic acids by maize as affected by nitrogen, phosphorus, potassium, and iron deficiency", J. Plant Nutr. Plant Nutr. Soil Sci. 174, 3-11, 2011; Vengavasi and Pandey, "Root exudation index as a physiological marker for efficient phosphorus acquisition in soybean: an effective tool for plant breeding", Crop Pasture Sci. 67, 1096-1109, 2016). Высокая корневая экссудация дополнительно усиливает потребность растения в углероде, что отвлекает на эти цели больше ресурсов, вырабатываемых его фотосинтетическими механизмами (Vengavasi and Pandey, см. выше). В конкретном случае дефицита фосфора растения выделяют около 30% углерода, зафиксированного фотосинтезом, в виде корневых экссудатов во время дефицита фосфора (Khorassani et al., "Citramalic acid and salicylic acid in sugar beet root exudates solubilize soil phosphorus", BMC Plant Biol. 11, 121, 2011).
Ввиду вышеизложенного настоящее изобретение основывается на вышеупомянутых подходах, основанных на том, что, с одной стороны, регулируя процессы трансформации фосфора в почвах, корневые экссудаты могут повышать доступность этого питательного вещества для растений и эффективность его использования в сельскохозяйственных почвах, а, с другой стороны, представляют собой альтернативу применению традиционных фосфорных удобрений.
Поэтому желательны удобрения, имитирующие корневые экссудаты и обладающие аналогичным эффектом, что позволяет отказаться от внесения минеральных удобрений или сократить их внесение и уменьшить загрязнение окружающей среды с одновременным обеспечением альтернативы традиционным фосфатным удобрениям для снижения загрязнения окружающей среды от его применения и повышения эффективности использования фосфора и урожайности культурных растений.
Настоящее изобретение отвечает обеим вышеупомянутым целям, обеспечивая удобрительную композицию, которая включает в себя глицериновую кислоту в качестве потенцирующего средства усваиваемого растением фосфора, при этом глицериновая кислота улучшает общее содержание фосфора в растении.
Аналогичным образом, в основных почвах (с рН 8 или выше) и с высоким содержанием известняка из-за присутствия кальция фосфор выпадает в осадок, что приводит к образованию фосфатов кальция. В таких почвах солюбилизация нерастворимого фосфора приводит не только к высвобождению усваиваемого растениями фосфора, но также и усваиваемого кальция (Rietra RPJJ, et al., "Interaction between Calcium and Phosphate Adsorption on Goethite", Environ. Sci. Technol., 2001, 35 (16), pp. 3369-3374; Lei Y. et al., 2018, "Interaction of calcium, phosphorus and natural organic matter in electrochemical recovery of phosphate", Water Research Volume 142., pp. 10-17; Tunesi S., et al., 1999, "Phosphate adsorption and precipitation in calcareous soils: the role of calcium ions in solution and carbonate minerals", Volume 53, (3), pp. 219-227).
Глицериновая кислота или 2,3-дигидроксипропановая кислота представляет собой трехосновную кислоту, полученную в результате окисления глицерина, которое происходит в естественных условиях в растениях, таких как растения рода Brassica (Kim et al., "Metabolic Differentiation of Diarnondback Moth (Plutella xylostella (L.)) Resistance in Cabbage (Brassica oleracea L. ssp.capitata)", J. Agric. Food Chem., 2013, 61 (46), pp. 11222-11230, 2013).
Как упомянуто выше, согласно первому аспекту настоящее изобретение относится к удобрительной композиции, которая включает в себя глицериновую кислоту в качестве потенцирующего средства усваиваемого растением фосфора и кальция.
Согласно одному варианту осуществления удобрительная композиция в соответствии с настоящим изобретением состоит из 100% по массе глицериновой кислоты в форме растворимого в воде порошка.
Согласно другому варианту осуществления удобрительная композиция в соответствии с настоящим изобретением содержит от 30 до 80% по массе глицериновой кислоты и от 5 до 30% по массе других компонентов, выбранных из группы, состоящей из сахаров, аминокислот, органических кислот, отличных от глицериновой кислоты, полиаминов, глицерина, миоинозитола, аденина, урацила, цитозина, гуанина и их комбинаций, при этом удобрительная композиция находится в форме растворимого в воде порошка.
Если присутствуют в заявляемой удобрительной композиции, сахара предпочтительно выбраны из моно- и дисахаридов, таких как сахароза, фруктоза, трегалоза, глюкоза, арабиноза, мальтоза, а также их смесей.
Если присутствуют в заявляемой удобрительной композиции, аминокислоты предпочтительно выбраны из треонина, лизина, фенилаланина, глутаминовой кислоты, метионина, GABA, орнитина, глицина, глутамина, аспарагиновой кислоты, серина, аспарагина, тирозина, триптофана, валина, лейцина, изолейцина, пролина, 4-гидроксипролина, аргинина, гистидина, аланина, цистеина и их смесей.
Если присутствуют в заявляемой удобрительной композиции, органические кислоты, отличные от глицериновой кислоты предпочтительно выбраны из молочной кислоты, янтарной кислоты, щавелевой кислоты, глюконовой кислоты, треоновой кислоты, фумаровой кислоты и их смесей.
Полиамины, если присутствуют в заявляемой композиции, предпочтительно выбраны из путресцина, спермидина, спермина и их смесей.
Присутствие этих компонентов, отличных от глицериновой кислоты в композиции в соответствии с настоящим изобретением основано на том факте, что такие компоненты составляют часть описанных ниже корневых экссудатов культурных растений, тестируемых в отсутствие фосфора, или описаны в литературе как компоненты указанных экссудатов в нормальных условиях для развития растений (Zhalnina et al, "Dynamic root exudate chemistry and microbial substrate preferences drive patterns in rhizosphere microbial community assembly", Nat Microbiol, 3 (4): 470-480, 2018), которые, следовательно, желательны для вышеупомянутой цели, заключающейся в обеспечении удобрительной композиции, имитирующей корневые экссудаты, с аналогичным эффектом, что позволяет отказаться от внесения минеральных удобрений или уменьшить их внесение.
Удобрительную композицию в соответствии с настоящим изобретением составляют в виде растворимого в воде порошка, как указывается выше, но также ее можно составлять в виде жидкой композиции путем растворения в воде или в форме гранулятов путем добавления гранулирующих средств, известных специалисту в данной области.
Согласно второму аспекту настоящее изобретение относится к удобрительной композиции, описываемой выше, в комбинации с другим дополнительным удобрением, выбранным из азотных удобрений, фосфатных удобрений, калийных удобрений, кальциевых удобрений и улучшающих добавок, микроэлементов, борной кислоты и леонардита и их комбинаций, и/или в комбинации с одним или несколькими биостимуляторами, выбранными из группы, состоящей из аминокислотных гидролизатов, гумусовых экстрактов, экстрактов водорослей, живых микроорганизмов, экстрактов микроорганизмов и их комбинаций. Живые микроорганизмы или экстракты микроорганизмов предпочтительно должны относиться к видам Pichia guilliermondii, Azotobacter, chroococcum, Bacillus megaterium, Bacillus aryabhattai, Oceanobacillus picturae, или к бактериям, принадлежащим родам, известным своей способностью солюбилизировать фосфор: Pseudomonas, Bacillus, Rhizobium, Burkholderia, Achromobacter, Agrobacterium, Micrococcus, Aerobacter, Fiavobacterium, Mesorhizobium, Azotobacter, Azospirillum, Erwinia, Paenibaciiius и Oceanobacillus (Rodriguez and Fraga, "Phosphate solubilizing bacteria and their role in plant growth promotion", Biotechnology Advances 17 (1999) 319-339, 1999; El-Tarabily and Youssef, "Enhancement of morphological, anatomical and physiological characteristics of seedlings of the mangrove Avicennia marina inoculated with a native phosphate-solubilizing isolate of Oceanobacillus picturae under greenhouse conditions", Plant Soil (2010) 332: 147-162, 2010; Zhu et al., 2018, supra).
В этом случае композиция в соответствии с настоящим изобретением присутствует в комбинации в пропорции от 0,5 до 10% по массе.
Согласно одному варианту осуществления дополнительное азотное удобрение присутствует в комбинации в пропорции от 5 до 90% по массе и выбрано из мочевины, нитросульфата аммония, нитрата калия, сульфата аммония, нитрата аммония, нитрата кальция.
Согласно другому варианту осуществления дополнительное фосфатное удобрение присутствует в комбинации в пропорции от 5 до 90% по массе и выбрано из фосфатной породы, тройного суперфосфата, простого суперфосфата, концентрированного суперфосфата, фосфорной кислоты.
Согласно другому варианту осуществления дополнительное калийное удобрение присутствует в комбинации в пропорции от 5 до 90% по массе и выбрано из хлорида калия, сульфата калия, двойного сульфата калия и магния, гидроксида калия.
Согласно другому варианту осуществления дополнительное кальциевое удобрение присутствует в комбинации в пропорции от 5 до 90% по массе и выбрано из хлорида кальция, цианамида кальция, сульфата кальция, доломита, известняка, оксида кальция, гидроксида кальция.
Согласно другому варианту осуществления дополнительное микроэлементное удобрение присутствует в комбинации в пропорции от 1 до 30% по массе и выбрано из сульфата железа, сульфата магния, сульфата цинка, сульфата марганца, сульфата меди, молибдата аммония, хлорида кобальта.
Согласно следующему варианту осуществления борная кислота в качестве дополнительного удобрения присутствует в комбинации в пропорции от 1 до 30% по массе.
Согласно другому варианту осуществления леонардит в качестве дополнительного удобрения присутствует в комбинации в пропорции от 5 до 90% по массе.
В случае комбинации удобрительной композиции в соответствии с настоящим изобретением с биостимуляторами, описываемыми выше, предпочтительно биостимуляторы присутствуют в комбинации в пропорции от 5 до 90% по массе.
Также целью настоящего изобретения является применение удобрительных композиций, описываемых в настоящем документе, в форме растворимого в воде порошка, в форме гранулята или в форме жидкости с предварительным растворением в воде для внесения их путем фертигации или внекорневого внесения.
Если композицию в соответствии с настоящим изобретением используют в форме растворимого в воде порошка путем фертигации или путем внекорневого внесения с предварительным растворением в воде, то ее предпочтительно вносить в количестве от 0,5 до 20 кг/га и от 0,06 до 1 кг/га, соответственно.
Если композицию в соответствии с настоящим изобретением используют в комбинации с другим дополнительным удобрением в форме гранулята, то предпочтительно указанную комбинацию вносят непосредственно в количестве от 75 до 1500 кг/га.
Если композицию в соответствии с настоящим изобретением используют в комбинации с биостимуляторами в форме жидкости для внесения ее путем фертигации или внекорневого внесения, то ее предпочтительно вносить в количестве от 0,5 до 20 кг/га и от 0,06 до 1 кг/га, соответственно.
Примеры
1. Испытание для получения и идентификации корневых экссудатов в отсутствие фосфора
Чтобы подробно охарактеризовать реакцию культурных растений на дефицит фосфора и идентифицировать выделяемые корнями метаболиты, которые оказывают наибольшее влияние на динамику фосфора в почве, Заявитель проанализировал дифференциальный профиль экссудата двух видов представляющих агрономический интерес культурных растений - кукурузы и томата в отсутствие фосфора. Ниже приводится краткое описание испытания по определению корневых экссудатов, выделяемых в отсутствие фосфора.
Способ, аналогичный тому, который использовали другие авторы (Naveed et al., 2017, "Plant exudates may stabilize or weaken soil depending on species, origin and time", European Journal of Soil Science), был одинаковым как для семян кукурузы (сорт LG 34.90), так и семян томата (сорт Agora гибрид F1). Поверхность семян стерилизовали, промывая в течение 5 минут 96% этанолом, а затем 10 минут 5% отбеливателем. Затем семена тщательно промывали и обеспечивали гидратирование в стерильной воде MilliQ в течение 4 часов. Для прорастания семена помещали на слой фильтровальной бумаги, смоченной стерильной водой MilliQ. Семена оставляли прорастать в темноте на протяжении 4 суток, после чего проростки помещали в лотки для гидропонной культуры с корнями, погруженными в стандартный питательный раствор Хогланда. Двенадцать растений помещали в каждый лоток, при этом три лотка (каждый соответствует биологической повторности) использовали для контрольной обработки и три лотка - для обработки без фосфора. Растения выращивали при температуре и световом периоде 16 часов света при 25°С/8 часов темноты при 22°С и интенсивности света 4000 люкс на поверхности.
Питательный раствор заменяли свежим каждые трое суток и постоянно аэрировали с помощью зондов-барботеров. После 10 суток роста растения подвергали обработке с истощением фосфора. Для этого три лотка инкубировали в течение трех суток с модифицированным раствором Хогланда без фосфора, а остальные три лотка инкубировали с полным раствором. После инкубации получали корневые экссудаты.
Растения осторожно вынимали из лотков для культивирования и промывали большим количеством воды с последующей окончательной промывкой дистиллированной водой. Растения, соответствующие каждому лотку, помещали в колбы с широким горлышком, содержащие 200 мл воды MilliQ, при этом корни погружали в воду. Растения инкубировали в колбах в течение 6 часов. Затем растения удаляли, а нерастворимый материал удаляли из раствора путем фильтрования через фильтры 0,20 мкм. Отфильтрованный материал быстро замораживали в жидком азоте и сушили вымораживанием. Полученный высушенный материал взвешивали и анализировали с помощью газовой хроматографии-масс-спектрометрии после дериватизации метоксиамином и N-метил-(триметилсилилтрифторацетамидом).
В таблице 1 показаны метаболиты, выделяемые растениями, и их отношения в условиях отсутствия фосфора по сравнению с контрольными условиями
2
5
2
5
2
5
3
На основании этих результатов отбирали 11 подходящих метаболитов в экссудатах обеих культур. Этими метаболитами были глюконовая кислота, глицериновая кислота, молочная кислота, глюкоза, треоновая кислота, фруктоза, аспарагиновая кислота, серии, глицерин, арабиноза и глутамин. Каждый из метаболитов вносили отдельно в дозе 1 кг/га в горшок с 3 кг почвы, высаживали растения кукурузы (4 горшка на обработку, по одному растению на горшок), и эффект в отношении их сухой массы наблюдали через 6 недель. Эффект метаболитов сравнивали с отрицательным контролем (без обработки) и положительным контролем с традиционным фосфатным удобрением (тройной суперфосфат в дозе 100 единиц фосфорного удобрения -PO- на гектар). Почву получали из сельскохозяйственной почвы со структурой песчаного суглинка и содержанием усваиваемого фосфора 0,5 части на миллион, что считается очень низким содержанием этого элемента для сельскохозяйственной практики ( de la  racional de los cultivos en  [Handbook of rational fertilisation of crops in Spain], MAPAMA 2009). Это содержание усваиваемого фосфора соответствует 4,5 кг PO на гектар (с учетом 30 сантиметров пахотной почвы и средней плотности 1300 кг/м масса на гектар будет составлять приблизительно 3900 тонн). Содержание общего фосфора в этой почве, включая недоступный для растений, составляло 252 части на миллион (2251 кг РO/га).
Выбранные метаболиты усиливают рост кукурузы в различной степени, как показано в приведенной ниже таблице 2.
Приведенные выше результаты показывают, что глицериновая кислота является наиболее усиливающим рост метаболитом кукурузы, достигая того же результата, что и обработка традиционным фосфатным удобрением тройным суперфосфатом.
2. Внесение удобрительной композиции и комбинации в соответствии с настоящим изобретением
Получали три удобрительных композиции в форме растворимого в воде порошка в соответствии с настоящим изобретением со следующей композицией:
А: 100% по массе глицериновой кислоты;
В: комбинация 30-80% по массе глицериновой кислоты и 5-30% глюконовой кислоты, 5-30% молочной кислоты и 5-30% глутамина;
С: комбинация 30-80% по массе глицериновой кислоты и 5-30% глюкозы, 5-30% фруктозы и 5-30% глицерина.
Эти продукты (А, В, С) тестировали в полевых испытаниях на растениях кукурузы и томата и сравнивали с отрицательным контролем (без обработки) и положительным контролем в виде традиционного фосфатного удобрения, состоящего из тройного суперфосфата (D). Нормы и способ внесения были следующими:
- для кукурузы
• А: 10,0 кг/га путем фертигации;
• В: 10,0 кг/га путем фертигации;
• С: 10,0 кг/га путем фертигации;
2
5
• D: тройной суперфосфат: 100 единиц фосфорного (РО) удобрения на гектар;
- для томата
• А: 8,0 кг/га путем фертигации;
• В: 8,0 кг/га путем фертигации;
• С: 8,0 кг/га путем фертигации;
2
5
• D: тройной суперфосфат: 80 единиц фосфорного (РО) удобрения на гектар.
Обработки значительно улучшали урожайность и содержание фосфора кукурузы (таблицы 3 и 4), а также томата (таблицы 5 и 6).
Чтобы определить, связано ли повышение содержания фосфора в исследуемых обработках с увеличением доступности усваиваемого фосфора для растений, в испытаниях с растениями кукурузы и томата изучали баланс фосфора.
2
5
2
5
В испытании 2 использовали ту же сельскохозяйственную почву, что и в испытании 1, с содержанием усваиваемого фосфора 0,5 части на миллион (что соответствует 1,95 кг/га фосфора и 4,5 кг/га единиц удобрений РО) и содержанием общего фосфора 252 части на миллион (что соответствует 983 кг/га фосфора и 2,251 кг/га единиц удобрения РO).
В обработках А, В и С не добавляли единицы фосфорного удобрения, поскольку ни одна из молекул, используемых в этих обработках, не содержала этот элемент.
Принимая во внимание сухую массу биомассы растений кукурузы и томата (см. таблицы 7 и 8) и процентное содержание общего фосфора в растениях (таблицы 4 и 6), можно рассчитать количество фосфора в кг в полученной биомассе на гектар. Как можно видеть, количество фосфора в сухой биомассе во всех случаях намного выше, чем количество фосфора, доступного в почве. Следовательно, повышение содержания фосфора в растениях безусловно связано с увеличением доступности усваиваемого растениями фосфора благодаря удобрительной композиции с потенцирующим средством усваиваемого фосфора.
Во всех проведенных тестах используемая почва характеризовалась рН 8,4 и 14% активного известняка. Эти условия типичны для известковых почв, в которых осаждения фосфора с кальцием приводят к образованию фосфатов кальция. Таким образом, в этом типе почвы при солюбилизации нерастворимого фосфора высвобождается не только усваиваемый растениями фосфор, но и усваиваемый кальций.