Питательный субстрат для выращивания растений Российский патент 2021 года по МПК C05D9/00 A01G31/00 C05F11/08 C05G1/00 

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.

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/дм³. 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⁺-NH₄⁺-H⁺полиионная форма клиноптилолита - 1÷98;

примеры малорастворимых солей кальция и/или магния

- СаНРO₄ - 0÷1; - MgHPO₄ - 0÷7; - Са₃(РO₄)₂ - 0÷10; - Mg₃(PO₄)₂ - 0÷2; - CaSO₄ - 0÷3; - NH₄MgPO₄ - 0÷10; - Доломит - 0÷2; - Фосфорит - 0÷2;

примеры микроэлементов в виде солей и/или гидроксидов

- Железо (Fe(OH)₃ или FePO₄) - 0÷0,1; - Бор (СаВO₄ или MgBO₄) - 0÷0,1; - Марганец (Мn(ОН)₂ или Мn₃(РO₄)₂ - 0÷0,1; - Медь (Сu(ОН)₂ или Сu₃(РO₄)₂) - 0÷0,1; - Цинк (Zn(OH)₂ или Zn₃(PO₄)₂) - 0÷0,1; - Кобальт (Со(ОН)₂ или Со₃(РO₄)₂) - 0÷0,1; - Никель (Ni(OH)₂ или Ni₃(PO₄)₂) - 0÷0,1; - Молибден (Мо(ОН)₃ или Мо₃(РO₄)₂) - 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.

- Вегетационные сосуды: черные пластиковые вазоны высотой 8 см и почвенной площадью 49 см². Объем питательной среды 290 см³, 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.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Питательный субстрат для выращивания растений включает в своем составе следующие компоненты: калиево-аммониево-водородная полиионная форма природного клиноптилолита, малорастворимые соли кальция и/или магния и фосфорной и/или серной кислоты, набор микроэлементов, в качестве которых присутствуют, по меньшей мере, железо, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, молибден, в виде гидроксидов и/или малорастворимых солей указанных соединений, предпочтительно ортофосфатов, и бор в виде малорастворимой соли, при этом субстрат также необязательно содержит мицелий микоризного гриба, причем субстрат характеризуется размером частиц 0,1-10 мм и растворимостью компонентов, обеспечивающих суммарную концентрацию ионов в контактирующем с субстратом водном растворе 0,1-50,0 м-экв/дм³. Все компоненты взяты при определенном соотношении. Изобретение позволяет увеличить биологическую продуктивность субстрата, что приводит к улучшению усвоения растением питательных веществ, а также улучшить внешний вид растений. 5 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. Питательный субстрат для выращивания растений, который включает в своем составе следующие компоненты, мас. %:

- калиево-аммониево-водородная полиионная форма природного клиноптилолита 1-98,

- малорастворимые соли кальция и/или магния и фосфорной и/или серной кислоты 0-10 каждой соли,

- набор микроэлементов, в качестве которых присутствуют, по меньшей мере, железо, марганец, медь, цинк, кобальт, никель, молибден, в виде гидроксидов и/или малорастворимых солей указанных соединений, предпочтительно ортофосфатов, и бор в виде малорастворимой соли в количестве до 0,1 каждого,

при этом субстрат также необязательно содержит мицелий микоризного гриба в количестве до 1 мас. % и субстрат характеризуется размером частиц 0,1-10 мм и растворимостью компонентов, обеспечивающих суммарную концентрацию ионов в контактирующем с субстратом водном растворе 0,1-50,0 м-экв/дм³.

2. Питательный субстрат по п. 1, отличающийся тем, что он содержит полный комплекс макро- и микроэлементов, находящийся одновременно в одной элементарной частице субстрата.

3. Питательный субстрат по п. 1 или 2, отличающийся тем, что малорастворимые соли представлены в следующем составе (мас. %):

CaHPO₄ 0÷1 MgHPO₄ 0÷7 Са₃(PO₄)₂ 0÷10 Mg₃(PO₄)₂ 0÷2 CaSO₄ 0÷3 NH₄MgPO₄ 0÷10 Доломит 0÷2 Фосфорит 0÷2

4. Питательный субстрат по п. 1 или 2, отличающийся тем, что микроэлементы представлены в следующем составе (мас. %):

Железо (Fe(OH)₃ или FePO₄) 0÷0,1 Бор (CaBO₄ или MgBO₄) 0÷0,1 Марганец (Mn(ОН)₂ или Mn₃(PO₄)₂) 0÷0,1 Медь (Cu(ОН)₂ или Cu₃(PO₄)₂) 0÷0,1 Цинк (Zn(OH)₂ или Zn₃(PO₄)₂) 0÷0,1 Кобальт (Со(ОН)₂ или Со₃(PO₄)₂) 0÷0,1

Никель (Ni(OH)₂ или Ni₃(PO₄)₂) 0÷0,1

Молибден (Мо(ОН)₃ или Мо₃(PO₄)₂) 0÷0,1

5. Питательный субстрат по п. 3, отличающийся тем, что содержит полный набор макро- и микроэлементов, содержащий дополнительно мицелий микоризного гриба до 1 мас. % в расчете на массу субстрата.

6. Питательный субстрат по п. 4, отличающийся тем, что содержит полный набор макро- и микроэлементов, содержащий дополнительно мицелий микоризного гриба до 1 мас. % в расчете на массу субстрата.