Питательный субстрат для выращивания растений
NUTRITIVE SUBSTRATE FOR GROWING PLANTS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к питательным субстратам для растениеводства закрытого и открытого грунта, которые содержат полный набор питательных элементов для роста растений в высокой концентрации и предназначены для длительного использования без дополнительного внесения удобрений при поливе слабоминерализованной водой на уровне питьевых норм. 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 растениеводство и т.д.), для улучшения плодородия и корректировки ионного состава обедненных почв, восстановления почвенного комплекса деградированных и истощенных грунтов, придания питательных свойств пескам, адаптации клонируемых растений после выращивания в условиях in vitro.
Известен способ получения ионообменных субстратов для выращивания растений [SU 211935], 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 1000 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; затруднительность утилизации использованного субстрата; дороговизна, обусловленная 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 остальные, перечисленные выше, недостатки остаются.
Известна питательная среда для выращивания растений [SU 1395217], 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]. 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 анионообменника. 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 слабоконцентрированными питательными гидропонными растворами.
Известна искусственная почва и способ ее получения [US 2015/0128671 А1], в которой предлагается использовать синтетические и природные иониты в качестве компонентов-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 ионитный субстрат «Биона-311» (прототип) [ТУ РБ 100185198.063-2002 «Субстраты ионитные «Биона»»], производящийся на опытном производственном участке Института физико-органической химии Национальной академии наук Беларуси и ООО «ИМТ-Фильтр». Данный субстрат является смесью сильнокислотного катионита КУ-2 и среднеосновного анионита ЭДЭ-10П, содержащих в своем составе весь перечень катионных и анионных макро- и микроэлементов, а также калиевой ионной формы клиноптилолита. Количественный состав конечного продукта: равноэквивалентная смесь синтетических ионитов, насыщенных биоионами - 80 масс. %; калиевая моноформа клиноптилолита - 20 масс. %. Недостатками являются низкая технологичность процесса при получении (обусловлена большим количеством технологических стадий, выполнение которых требует высокой точности и повышенной требовательности к квалификации персонала), а так же, как и в большинстве предыдущих случаев, высокая стоимость, низкая экологичность готового продукта и утилизируемость после использования.
Задача изобретения - создание недорогого, относительно простого в производстве, высокопродуктивного и экологичного питательного субстрата для ионитопоники на основе природных ионитов, насыщенных комплексом биологических ионов, при равновесии с водой образующих питательный раствор.
3
Поставленная задача решается тем, что предложен питательный субстрат для выращивания растений, состоящий из смеси калиевой, аммониевой и водородной форм природного клиноптилолита и малорастворимых солей кальция, магния и фосфорной и/или серной кислоты с размером частиц 0.1÷10 мм и растворимостью, обеспечивающей суммарную концентрацию ионов в контактирующем с субстратом водном растворе 0.1÷50 м-экв/дм, и отличающийся тем, что в нем отсутствуют полимерные ионообменные смолы и азот в форме нитратов.
При этом заявляемый питательный субстрат содержит следующие компоненты (в пересчете на безводные, масс. %):
- K<sup>+ </sup>ионная форма клиноптилолита
- 10÷89;
- NH<sub>4</sub><sup>+ </sup>ионная форма клиноптилолита
- 20÷79;
- Н<sup>+ </sup>ионная форма клиноптилолита
- 0÷30;
- CaHPO<sub>4</sub>
- 0÷1;
- MgHPO<sub>4</sub>
- 0÷7;
- Са<sub>3</sub>(PO<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.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
4
4
4
4
Максимальный и минимальный проценты калиевой, аммонийной и водородной ионных форм клиноптилолита в виде моноионных (смесь отдельных K, NH и Н ионных форм) или полиионных форм (смесь смешанных K-Н, NH-H, K-NH, K-NH-H ионных форм) обусловлены соотношением K/N и рН субстратного раствора в питательной среде, 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 ионообменно-сорбированном состоянии ионы калия, аммония и водорода. Необходимые пропорции получают путем механического смешивания моноионных форм клиноптилолита (содержащих только ионы калия, аммония и водорода) или путем введения всех этих ионов в клиноптилолит при его обработке раствором, содержащим все указанные катионы, в пропорциях, соответствующих потребностям растений.
Клиноптилолит в чистом виде не поглощает анионов, поэтому в него не может быть введен азот в виде нитрата, сера в виде сульфата и фосфор в виде фосфатов. В настоящей заявке эти ионы вводят в субстрат в виде малорастворимых солей или природных минералов, растворимость которых не превышает таких значений, при которых суммарная концентрация электролитов в субстратном растворе не превысит значений неприемлемых для роста растений, т.е. используемых в гидропонных растворах и существенно более низких, чем та, которая вызывает повреждение клеточных мембран корней 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 солей. Этим гарантируется невозможность передозировки данных ионов в растворе при превышении их необходимого количества в субстрате. В этих условиях максимальный и минимальный проценты солей и минералов в питательной среде определяют отношениями их (мольных) эквивалентных концентраций, необходимых (предельных) для каждого конкретного вида растений, но лежащих в следующих пределах: K/Са=1/(0.16÷3.0); K/Mg=1/(0.11÷1.47); K/N=1/(0.59÷3.03); K/Р=1/(0.04÷2.01); K/S=1/(0.08÷2.50) [«Ионитные почвы» - B.C. Солдатов, Н.Г. Перышкина, Р.П. Хорошко - Изд. «Наука и Техника», Минск 1978, 271 стр. , Стр. 96.].
Микроэлементы вводят в субстрат в виде смеси сухих солей в количествах и пропорциях, принятых в агрохимии [«Агрохимия» - Б.А. Ягодин, Ю.П. Жуков, В.И. Кобзаренко (под ред. Б.А. Ягодина) - М.: Колос, 2002-584 с.].
Достижение технического результата характеризуется получением урожая тест-растений (выражаемой в количестве выращенной на субстрате биомассы), сопоставленной с прототипом.
Составы питательных субстратов (масс. %), испытанных в биологических экспериментах:
Результаты биологических экспериментов представлены примерами. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают заявляемое изобретение.
Условия испытаний:
- Экспериментальная культура: В основном в качестве тест-растения использовался Райграс пастбищный (Lolium perenne L.), семейства Злаки. В некоторых случаях использованы кабачок-цуккини Находка F1 (Cucurbita реро var. giromontina) и салат Фриллис (Frillis) (субстраты №№21÷23).
- Питательная среда для растений: смесь испытуемого субстрата 2 масс. % и кварцевого песка 98 масс. % (отмыт 2М HCI от кислоторастворимых примесей). Сверху питательная среда мульчировалась черной полиэтиленовой крошкой для подавления роста одноклеточных водорослей. В случае отличия - состав питательной среды указан непосредственно в примере.
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: 10000 Люкс, лампы - светильник светодиодный ДСП08-6×24-001 УХЛ4.2. Фотопериод: 18 часов свет.
- Температура воздуха: днем 21÷23°С, ночью 16÷18°С.
- Полив: водопроводная вода подачей воды в поддон, состав:
В процессе роста измеряли высоту растений, в конце вегетационного периода (через 30 суток), растения срезали на высоте 4 см от уровня субстрата. Определяли сырую и сухую биомассы растений (сушка при 60°С до постоянного веса). После первого среза растения оставляли расти еще на 30 суток, затем снова срезали и определяли их сырую и сухую биомассы.
В качестве контроля использовали прототип ионитный субстрат «Биона-311» в смеси с таким же песком или торфогрунтом и с таким же процентом, как в эксперименте.
4
4
+
+
Пример 1. Субстраты с постоянным содержанием клиноптилолита в NH и K формах - 97 масс. % и MgHPO - 3.3 масс. % (тест-растение - Райграс).
+
+
4
4
Пример 2. Субстраты с постоянным суммарным массовым соотношением клиноптилолита в Kи NH формах (0.3:0.7) и различным содержанием добавленного MgHPO (тест-растение - Райграс).
+
+
4
3
4
2
3
4
2
Пример 3. Субстраты с постоянным суммарным массовым соотношением клиноптилолита в Kи NH формах (0.3:0.7) и различным содержанием добавленного Mg(PO) и Са(PO) (тест-растение - Райграс).
+
+
4
4
4
4
Пример 4. Субстраты с постоянным суммарным массовым соотношением клиноптилолита в K и NH формах (0.3:0.7) и различным содержанием добавленного CaSO и MgNHPO (тест-растение - Райграс).
+
+
4
Пример 5. Субстраты с постоянным суммарным массовым соотношением клиноптилолита в K и NH формах (0.3:0.7) и природными минералами кальция, магния и фосфора (растения: Lolium Perenne L. (Райграс луговой), кабачок-цуккини «Находка» и салат «Фрилис») с результатами анализа накопленных нитратов в листьях салата.
Данные питательные среды могут иметь различный состав, при этом 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:
- возможность регулирования ионного состава и кислотности питательной среды путем изменения соотношения ионных форм клиноптилолита в субстрате;
- за счет того, что предлагаемый субстрат состоит только из природных минералов и/или их синтетических аналогов, автоматически снимается проблема санитарно-гигиенических ограничений при его использовании и утилизации после применения, так как допускается его внесение в открытый грунт (за счет отсутствия ионообменных смол в составе). При этом технологические стадии производства не требуют применения высоких температур, токсичных химикатов, что обусловливает отсутствие токсичных стоков и больших затрат времени;
- возможность получения питательной среды, практически не содержащей в своем составе нитратов.