Способ приготовления кремнийорганического удобрения

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к агрохимии, в частности к органоминеральным удобрениям, содержащим кремний. Способ приготовления кремнийорганического удобрения включает смешивание продукта твердофазной ферментации в течение 5 суток торфонавозной смеси при соотношении компонентов 50×50 и метасиликата натрия пятиводного Na₂SiO₃⋅5H₂O в соотношении компонентов, масс., 9,3:1,0. Перемешивание осуществляют в лопастном смесителе со скоростью 80 об/мин в течение 30 мин с последующими выдержкой смеси в течение 24 ч и перемешиванием в течение 15 мин со скоростью 40 об/мин. Техническим результатом является получение удобрения с протекторными свойствами, применение которого обеспечивает повышение урожайности сельскохозяйственных культур. 2 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к агрохимии, в частности к органоминеральным удобрениям, содержащим кремний, применение которого в технологиях выращивания сельскохозяйственных растений позволяет предотвратить негативные факторы для растений, повышая их устойчивость к стрессовым условиям, результатом чего являются высокие урожаи сельскохозяйственных культур.

В настоящее время можно выделить несколько типов кремниевых удобрений: синтетические, удобрения на основе растительных остатков, некоторые горные породы, отходы промышленности.

К синтетическим кремниевым удобрениям относятся получаемые при помощи химического синтеза силикаты натрия, калия, кальция, а также аморфный тонкодисперсный диоксид кремния (Матыченков, 2008).

При проведении научных экспериментов по выявлению механизмов влияния соединений кремния на систему почва-растение чаще всего используют именно данный тип кремниевых удобрений.

Силикат натрия впервые начали применять в качестве кремниевого удобрения в 1856 году на Ротамстедской станции (Rothamsted, 1991). В дальнейшем при проведении исследований с кремниевыми удобрениями часто использовали аморфный тонкодисперсный диоксид кремния («аэросил», «белая сажа») (Барсукова, Рочев, 1979; Бахнов, 1979; Матыченков, 1990).

Наиболее известными примерами кремниевых удобрений, добываемых как минеральное сырье, являются диатомиты и цеолиты (Куликова, 2012; Ермолаев, 1987; Малахидзе и др., 1985; Мустафаев, 1990; Цилу, 1992). Эти соединения имеют относительно хорошую растворимость и используются как в промышленности, так и в сельском хозяйстве (Владимиров и др., 1998; Просянникова, 1994). Кроме диатомитов и цеолитов, возможно использование и других видов природных минеральных соединений, которые по характеру воздействия на систему почва-растение можно отнести к кремниевым удобрениям: опоки, туфы, пепел, Парамонова глина, доломиты, дуниты. Также для оптимизации кремниевого питания растений можно использовать пыль каменоломен. С целью улучшения физических свойств почв эти соединения обычно вносят в очень высоких дозах, до 30% от массы верхнего почвенного горизонта (Куликова, 2012; Царев и др., 1995; Цилу, 1992). В качестве кремниевых удобрений используют шлаки черной, цветной и алюминиевой металлургии, а также шлаки фосфорной промышленности. Большая их часть не содержит поллютантов и канцерогенов (Черепанов и др., 1994). Обычно в их состав входят оксиды кремния, алюминия, кальция и другие экологически безопасные соединения (Сулейманов, 1988; Тавровская, 1992). Высокое содержание диоксида кремния и большая дисперсность некоторых отходов дают возможность использовать их в качестве кремниевых удобрений. Первый патент на применение отходов доменного производства в сельском хозяйстве был выдан в США еще в 1881 году (Zippicotte, Zippicotte, 1881).

Взаимодействие кремниевых удобрений с органическим веществом. Известно, что аморфный кремнезем повышает устойчивость гумусовых соединений (Гедройц, 1955; Фотиев, 1971). Рядом исследователей было доказано, что кремниевые соединения ускоряют гумификацию органических отходов промышленности, остатков растений, навоза, куриного помета. При этом уменьшается агрессивность органического вещества по отношению к растениям, что дало возможность разработать эффективные кремний-органические удобрения. По-видимому, кремниевая составляющая этих удобрений активизирует микробиологическое деструктурирование органической части. Кроме того, кремниевые соединения могут играть роль катализатора при формировании специфического органического вещества почв (Высоцкий и Поляков, 1959; Стрелко и др., 1963; Патрикеев и др., 1962).

Особенность кремниевых удобрений заключается в их многофункциональности. Различают два типа воздействия кремниевых удобрений на урожайность сельскохозяйственных растений: прямое влияние на растения и опосредованное - через почву или почвенное плодородие (Васильева, 1988; Рочев, 1988).

Наиболее изученным прямым действием кремниевых удобрений на сельскохозяйственные растения является повышение устойчивости растений к биогенным и абиогенным стрессам. Работы по изучению влияния кремниевых удобрений на защитные свойства растений были начаты в 1934 году B. Germar. Упрочнение кремне-целлюлозной мембраны при использовании кремниевых удобрений является одним из важнейших механизмов повышения сопротивляемости растений к внешним неблагоприятным факторам: болезням, насекомым-вредителям, засухе, ветрам и т.д. Предполагают, что основная защитная роль при этом принадлежит кремнезему, который аккумулируется в эпидермальных тканях (Алешин, Авакян, 1978, 1984, 1985; Алешин и др., 1985, 1987) и внешних волосках на листовых пластинах (Hodson, Sangster, 1988, 1989).

Показано, что внесение кремниевых удобрений обеспечивает повышение содержания сахара в сахарной свекле и сахарном тростнике. Кроме того, кремниевые удобрения способствуют повышению содержания витаминов в плодах растений (Воронков, Кузнецов, 1983; Кцоева, Ермолаев, 1990). Использование кремниевых удобрений на цитрусовых ускоряло рост деревьев на 30-80% и созревание плодов на 2-4 недели, а также увеличивало количество плодов. Причем скорость роста и число побегов увеличивались как у молодых, так и у взрослых растений после внесения кремниевых удобрений. Кремниевые удобрения повышают морозоустойчивость лимонов (Тарановская, 1940) и жизнеспособность молодых сосен (Emadian, Newton, 1989).

Существует мнение о том, что кремний способен стимулировать естественные защитные реакции растений на различные стрессы, тем самым принимая активное участие в метаболизме растений (Пашкевич, Кирюшин, 2008).

Таким образом, основной функцией кремния в растении можно считать повышение устойчивости к неблагоприятным условиям, выражающееся в утолщении эпидермальных тканей (механическая защита), ускорении роста и усилении корневой системы (физиологическая защита) и увеличении устойчивости к абиотическим стрессам (биохимическая защита).

Улучшение кремниевого питания повышало устойчивость растений к неблагоприятным условиям (Пашкевич, Кирюшин, 2008; Потатуева, 1968). Негативное влияние на растения высокой концентрации нитратов в почве можно уменьшить путем внесения кремниевых удобрений (Mitsui & Takaton, 1963).

Известно множество технических решений, посвященных способам получения органоминеральных удобрений с содержанием кремния.

Известно органоминеральное удобрение, содержащее низинный торф и природный цеолит, модифицированный селенит ионами (пат. РФ №2422413, кл. C05D 9/02, 2010).

Известно многокомпонентное органоминеральное удобрение (пат. РФ №2566684, кл. C05F 7/00, 2014), содержащее карбонатный сапропель, торф, минеральные удобрения и аморфный кремнезем в виде коллоидного диоксида кремния при следующем соотношении компонентов, мас. %: карбонатный сапропель - 60, торф - 30, минеральные удобрения (NPK) - 5, коллоидный диоксид кремния - 5.

Известно гранулированное комплексное удобрение, полученное путем смешивания и гранулирования суглинка, керамзита, каолинита, фосфогипса, аэросила с добавками торфа и природного цеолита в качестве сорбентов азота и фосфора в количестве 3,0-3,5 мас. % (А.с. СССР №1302646, кл. C05G 5/00, 1985).

Известен способ приготовления органоминеральной удобрительной смеси (пат. РФ №2227129, кл C05F 3/00, 2001), включающий смешивание песка цеолита с частично обезвоженным осадком навозных или пометных стоков в пропорции 1:2-1:3 и термообработку смеси для полного обезвоживания. Смешивание проводят посредством послойного напуска осадка на площадку, огороженную инвентарными съемными стенками и оборудованную дренами, и равномерного рассеивания песка цеолита по поверхности каждого слоя осадка и по мере его напуска, первый слой песка цеолита наносят на основание площадки с предварительно установленным первым ярусом дрен, термообработку проводят замораживанием при естественных температурах в холодный период года, торцы дрен выполняют открытыми, сообщающимися с атмосферой и устанавливают их в шахматном порядке в 2-3 яруса одновременно с рассеиванием цеолита на уровне каждого слоя.

Известно полное комплексное органоминеральное удобрение (пат. РФ №2223250, кл. C05D 9/02, 2002), состоящее из органического удобрения, минерального NPK удобрения и природного цеолитсодержащего компонента. В качестве цеолитсодержащего компонента удобрение содержит природный цеолитсодержащий трепел, включающий макро- и микроэлементы, кальций и магний - раскислители почв, цеолиты-адсорбенты в следующем соотношении: минеральный компонент NPK: органический компонент торф: природный цеолитсодержащий трепел 1,7-1,5:0,65-0,75:0,65-0,75 соответственно при следующем содержании действующих веществ в удобрении, мас. %: азот - 6,5-8; фосфор - 8-10,5; калий - 8,5-11; кальций - 4-5; магний - 0,4-0,5; органическое вещество торф с гуминовыми соединениями - 20-25; цеолиты-адсорбенты - 6-7; микроэлементы, мг/кг: марганец - 100-125; бор - 1,5-2; медь - 100-110; цинк - 4-5; кобальт - 0,1-0,2; молибден 0,5-0,6.

Известно кремнийсодержащее комплексное удобрение (пат. РФ №2525582, кл. C05G 1/00, 2011), включающее кремниевый компонент, в качестве которого используют золу рисовых растительных остатков - шелуху (лузгу), содержащую 88-99% оксида кремния SiO₂, азот, калий, фосфор и микроэлементы, содержащиеся соответственно при следующем соотношении компонентов в мас. %: 0,20-0,44; 0,90-2,80; 0,12-0,60 и 0,05-5,0 мас. % микроэлементов - солей цинка, марганца, железа, кальция, магния, титана, алюминия. Изобретение позволяет получить органоминеральное удобрение с высоким содержанием органического кремниевого компонента, обеспечивающего высокую степень усвояемости растениями фосфора, обеспечить значительное повышение урожайности подкармливаемых сельскохозяйственных культур, снизить экологическую нагрузку на почву и природные воды.

Известно кремниевое удобрение (пат. РФ №2658376, кл. C05G 1/00, C05D 9/02, 2017), выполненное в виде смеси сухого остатка, равномерно распределенного в полиэтиленгликоле с содержанием полиэтиленгликоля 20-50% по массе от массы сухого остатка, где сухой остаток содержит минеральные вещества в мелкодисперсном состоянии и в пересчете на элементы содержит в % по массе сухого остатка: железо - 5-10; цинк 1-5; азот 1-10; калий 1-10; медь 1-5 и кремний - остальное до 100%.

Известно комплексное водорастворимое микроудобрение (А.с. СССР №743641, кл. A01G 31/00, C05D 9/02, 1978); включает 15 микроэлементов, в числе которых (в весовых %) метасиликат калия или натрия (0,30-0,35). В качестве хелатообразователя - азотную или лимонную кислоту, которую берут в количестве, необходимом для установления реакции раствора до рН 5,5-6,0.

Известен способ приготовления органоминеральных удобрений на основе птичьего помета и цеолита (Дрыганов В.Н., Плескачевская Л.Ф. Технология приготовления органоминеральных удобрений на основе птичьего помета и цеолита / Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии мелиорации земель и сельскохозяйственного производства. Плодородие почв // Каталог паспортов. Научно-технические достижения в мелиорации и водном хозяйстве, Кн. 1. вып. 20, - М.: ЦНТИ "Мелиоводинформ". 1998, с. 3 и 4), включающий смешивание цеолита и птичьего помета в объемной пропорции 1:3 буртованием при предварительном снижении влажности помета до 55-60%, подсушиванием при активном вентилировании и последующем компостировании при естественных температурах воздуха. Полученное удобрение обладает пролонгирующим действием за счет связывания питательных веществ цеолитом, экологически чистое и содержит комплекс питательных элементов: органического вещества 65-70%, подвижных форм фосфора и калия 0,4 и 1,0% соответственно.

Известные удобрения обеспечивают высокую защиту сельскохозяйственных культур от возбудителей основных болезней и повышают засухоустойчивость, зимостойкость и урожайность растений. Однако недостатками многих из них являются существенная сложность технологического процесса их получения (RU, №2227129), сложный компонентный состав (SU, №1302646; RU, №2658376; RU, №2525582; RU, №2566684), малое содержание органики и элементов питания для растений (RU, 2658376; SU, №743641). Количество микроэлементов возможно сократить без ущерба для эффективности удобрения, при этом снижется его себестоимость.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения органоминерального удобрения на основе свиного навоза и цеолита (А.с. СССР №1240757, кл. C05F 3/00, 1985, прототип), включающий смешивание свиного навоза и калийзащищенного цеолита с последующим нагревом смеси и дополнительным перемешиванием при температуре нагрева.

Навоз и помет, получаемый на животноводческих и птицеводческих фермах, являются исходным сырьем для приготовления органических удобрений. Имея повышенную влажность, зараженность патогенной микрофлорой и гельминтами, засоренность всхожими семенами сорных растений, резкий неприятный запах, он нуждается в предварительной обработке. В настоящее время наиболее перспективным способом приготовления экологически чистых органических удобрений является твердофазная биоферментация отходов птицеводческих и животноводческих комплексов.

Кроме того, известно, что при проведении научных экспериментов по выявлению механизмов влияния соединений кремния на систему почва-растение чаще всего используют синтетические кремниевые удобрения, получаемые при помощи химического синтеза (Матыченков, 2008). Известно использование метасиликата натрия в составе комплексного водорастворимого микроудобрения (SU, №743641).

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке кремний-органического удобрения.

Технический результат от решения поставленной задачи заключается в расширении ассортимента удобрений с протекторными свойствами. Применение нового удобрения позволит предотвратить негативные факторы для растений, повысив их устойчивость к стрессовым условиям, результатом чего являются высокие урожаи сельскохозяйственных культур.

Поставленная в изобретении задача решена тем, что в способе приготовления кремний-органического удобрения, включающем смешивание органического и кремнийсодержащего компонентов, в качестве органического компонента используют продукт твердофазной ферментации в течение 5 суток торфонавозной смеси при соотношении компонентов 50×50, характеризующийся содержанием N_общ - 1,00…3,00% а.с.в.; P₂O₅ - 1,20…1,70% а.с.в., K₂O - 1,20…1,70% а.c.в., С - 28…40% а.с.в., pH_KCl - 6,3…7,0, в качестве кремнийсодержащего компонента - метасиликат натрия пяти водный Na₂SiO₃ * 5H₂O, в соотношении компонентов, масс.: 9,3:1,0, которые перемешивают в лопастном смесителе со скоростью 80 об./мин. в течение 30 мин. с последующими выдержкой смеси в течение 24 часов и перемешиванием ее в течение 15 мин. со скоростью 40 об./мин. для получения однородного состава.

В ходе разработки нового способа приготовления кремний-органического удобрения были проведены исследования по выбору компонентов данного удобрения, их количественного соотношения и режимов технологического процесса приготовления нового удобрения.

В качестве органического компонента используют продукт твердофазной ферментации в течение 5 суток торфонавозной смеси при соотношении компонентов 50×50, характеризующийся содержанием N_общ - 1,00…3,00% а.с.в.; P₂O₅ - 1,20…1,70% а.с.в., K₂O - 1,20…1,70% а.с.в., С - 28…40% а.с.в., pH_KCl - 6,3…7,0, в качестве кремнийсодержащего компонента - метасиликат натрия пяти водный Na₂SiO₃ * 5H₂O.

Ценность и преимущество продукта твердофазной ферментации как удобрения заключается в нескольких факторах: высокой питательности, физиологичности, экологичности и биогенности. При использовании продукта твердофазной ферментации в растениеводстве регулирование процесса ферментации при его получении направлено на создание наиболее качественного продукта с хорошей доступностью для растений элементов питания и обладающего повышенной активностью микрофлоры, способной целевым образом изменять эффективное почвенное плодородие и способствовать повышению продуктивности сельскохозяйственных культур, весьма требовательных не только к качеству, но и к дозировке удобрений как при использовании их в виде основного удобрения, так и в качестве подкормки.

Натрий метасиликат - неорганическое соединение, натриевая соль метакремниевой кислоты, белый порошок с бесцветными кристалликами, без запаха. Также его часто называют силикатом натрия или кремнекислым натрием. Формула - Na₂SiO₃. Являясь растворимым силикатом, относится к классу веществ с общим названием «жидкое стекло». Получают его кристаллизацией щелочных кремнеземистых растворов. Активно поглощает из воздуха влагу и углекислоту. Хорошо растворяется в воде при комнатной температуре, образует кристаллогидраты с пятью и девятью молекулами воды. Разлагается при нагревании и в горячей воде. Вещество не слеживается при хранении, кристаллики механически прочные (не образует пылеобразного порошка). Водный раствор является выражено щелочным. Реактив взаимодействует с кислотами и щелочами, углекислым газом. Взаимодействие водного раствора с кислотами приводит к выделению гелеобразной кремниевой кислоты. Концентрированные растворы образуют густую жидкость - коллоидный раствор, натриевое жидкое стекло (http://alternativa-sar.ru/unikons/31-uninstr/151-bobovye).

При создании нового кремний-органического удобрения авторы использовали водорастворимую соль кремния - метасиликат натрия пятиводный Na₂SiO₃ * 5Н₂0, который, вступая в реакцию с водой, растворяется по следующей схеме: Na₂SiO₃+H₂O→NaOH+SiO₂+H₂O.

Растения поглощают кремний из почвенного раствора в виде оксид-ионов, поэтому при разработке нового удобрения, авторы апеллировали концентрацией оксида кремния. По данным научной литературы нормы применения оксида кремния при возделывании сельскохозяйственных культур варьируются от 30 кг до 3 т на га, наиболее эффективными являются дозы в пределах 100-500 кг/га в зависимости от возделываемой культуры. Вынос кремния растениями различен, например, картофель выносит до 70 кг/га SiO₂, зерновые - до 300 кг/га.

Проанализировав изученные материалы, выбор остановлен на двух дозах SiO₂ - 3% и 5% (массовых), которые в виде метасиликата натрия пятиводного Na₂SiO₃ * 5H₂O (далее метасиликата натрия) смешивали с органическим удобрением, являющимся продуктом твердофазной ферментации (ПФ) в соотношении компонентов ПФ: (Na₂SiO₃ * 5H₂O), масс. 9,3:1,0 и 5,6:1,0 соответственно. В результате в обоих вариантах получали новое кремний-органическое удобрение, при внесении каждого из которых в норме 12 т/га, например под пшеницу, оксида кремния будет внесено соответственно 350 и 570 кг/га, при локальном внесении в норме 4 т/га под картофель - 110 и 200 кг/га, при внесении 1,5 т/га под салат - 40 и 70 кг/га.

Для оценки эффективности каждого из полученных удобрений проводился лабораторный эксперимент путем моделирования стрессовых условий для растений пшеницы, по результатам которого предпочтение отдано варианту приготовления кремний-органического удобрения путем смешивания продукта твердофазной ферментации (ПФ) с метасиликатом натрия пятиводного Na₂SiO₃ * 5H₂O в соотношении компонентов ПФ: (Na₂SiO₃ * 5H₂O), масс. 9,3:1,0, что соответствует содержанию SiO₂ 3%.

Введением в продукт твердофазной ферментации метасиликата натрия, благодаря усилению процессов аммонификации и нитрификации, ощелачиванию продукта ферментации, получено новое твердофазное кремний-органическое удобрение с повышенным содержанием нитратов, гуминовых кислот и соединений кремния (табл. 1), обеспечивающим новому кремний-органическому удобрению протекторные свойства.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 показана активность фермента дегидрогеназы в кремний-органических удобрениях с содержанием SiO₂ 3% и 5%; на фиг. 2 - влияние кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и 5% на биометрические показатели сырой массы проростков пшеницы при имитировании стрессового условия - засухи; на фиг. 3 - влияние кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и 5% на биометрические показатели сухой массы проростков пшеницы при имитировании стрессового условия - засухи; на фиг. 4 влияние кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и 5% на биометрические показатели сырой массы проростков пшеницы при имитировании стрессового условия - избыточной влажности; на фиг. 5 - влияние кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и 5% на биометрические показатели сухой массы проростков пшеницы при имитировании стрессового условия - избыточной влажности; в таблице 1 приведена агрохимическая характеристика кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и 5% через 24 часа после смешивания компонентов, входящих в их состав; в таблице 2 приведены биометрические показатели растений пшеницы в оптимальных условиях и при имитировании стрессовых условий, где введены следующие обозначения: Опт. - оптимальные условия, Т. пос. - понижение температуры после посева, Т. вех. - понижение температуры после всходов, Влаж. - избыточная влажность.

Заявленное изобретение включает следующие операции:

- смешивание органического и кремнийсодержащего компонентов в соотношении, масс. 9,3:1,0 путем перемешивания их в лопастном смесителе со скоростью 80 об./мин. в течение 30 мин.; в качестве органического компонента берут продукт твердофазной ферментации в течение 5 суток торфонавозной смеси при соотношении компонентов 50×50, характеризующийся содержанием N_общ - 1,00…3,00% а.с.в.; P₂O₅ - 1,20…1,70% а.с.в., K₂O - 1,20…1,70% а.с.в., С - 28…40% а.с.в., pH_KCl - 6,3…7,0; в качестве кремнийсодержащего компонента - метасиликат натрия пяти водный Na₂SiO₃ * 5H₂O;

- выдержку полученной смеси в течение 24 часов;

- перемешивание полученного кремний-органического удобрения в лопастном смесителе со скоростью 40 об./мин. в течение 15 мин.

Полученное кремний-органическое удобрение готово к использованию.

Пример конкретного выполнения.

Для оценки эффективности кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и 5% проводился лабораторный эксперимент путем моделирования стрессовых условий для растений пшеницы.

Новые кремний-органические удобрения с содержанием SiO₂ 3% и 5% получали смешиванием соответственно:

1. твердофазного продукта ферментации, характеризующегося влажностью 63%, N_общ - 1,13% а.с.в.; P₂O₅ - 1,21% а.с.в.; K₂O - 1,32% а.с.в.; С - 29,0%; pH_KCl - 6,53, а также содержанием макро- и микроэлементов: Са, Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, и метасиликата натрия пяти водного Na₂SiO₃ * 5H₂O, имеющего следующие характеристики: сухая масса - 57%; содержание диоксида кремния (SiO₂) - 28%; размер гранул - 0,20-1,25 мм; насыпная плотность - 0,89 г/см³, в соотношении, масс. 9,3:1,0 в течение 30 мин. в лопастном смесителе со скоростью 80 об./мин.

2. твердофазного продукта ферментации, характеризующегося влажностью 63%, N_общ - 1,13% а.с.в.; P₂O₅ - 1,21% а.с.в.; K₂O - 1,32% а.c.в.; С - 29,0%; pH_KCl - 6,53, а также содержанием макро- и микроэлементов: Са, Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, и метасиликата натрия пяти водного Na₂SiO₃ * 5H₂O, имеющего следующие характеристики: сухая масса - 57%; содержание диоксида кремния (SiO₂) - 28%; размер гранул - 0,20-1,25 мм; насыпная плотность - 0,89 г/см³, в соотношении, масс. 5,6:1,0 в течение 30 мин. в лопастном смесителе со скоростью 80 об./мин.

В обоих вариантах смесь выдерживали в течение 24 часов для полного растворения гранул метасиликата натрия и прохождения процесса аммонификации.

В первые часы после смешивания ПФ с метасиликатом натрия наблюдали растворение гранул метасиликата натрия, сопровождающееся резким запахом аммиака, что свидетельствует об активно идущих процессах аммонификации.

Проведенный через 24 часа после смешивания компонентов агрохимический анализ показал, что в полученных кремний-органических удобрениях с содержанием SiO₂ 3% и 5%, масс. снизилось содержание общего азота по сравнению с содержанием общего азота в исходном твердофазном продукте ферментации, но при этом возросло количество нитратов (табл. 1). Это свидетельствует о том, что часть аммонийного азота, образовавшегося в процессе аммонификации, участвовала в процессе нитрификации, а часть улетучивалась в виде потерь.

Снижение содержания общего азота прямо пропорционально зависело от количества добавленного метасиликата натрия - от 5%, масс. снижение было больше, чем от 3%, и наоборот, количество нитратов увеличилось с возрастанием дозы метасиликата натрия (табл. 1). Схожая тенденция наблюдалась при анализе кремний-органических удобрений через месяц после смешивания.

Нитраты являются важнейшим компонентом питания растений, поскольку входящий в них азот - главный строительный материал клетки. В связи с этим увеличение содержания нитратов в удобрениях является положительным фактором при возделывании сельскохозяйственных культур, особенно в стрессовых условиях.

Окисление аммиачных солей до азотистой кислоты, а затем и до азотной подтверждается высокими значениями активности фермента дегидрогеназы, который участвует в процессах отщепления водорода от окисляемых субстратов (фиг. 1).

Дегидрогеназная активность в кремний-органических удобрениях на основе ПФ возросла от введения 3%, масс. SiO₂ в 6 раз, от 5%, масс. SiO₂ - в 8 раз.

Щелочь, полученная при растворении метасиликата натрия в продукте ферментации, привела к повышению рН кремний-органических удобрений до 12 (табл. 1), через месяц после смешивания его значение упало до 10.

Ощелачивание продукта ферментации (ПФ) способствовало значительному увеличению содержания гуминовых кислот в кремний-органических удобрениях (табл. 1). С увеличением дозы введенного метасиликата натрия возрастало и количество гуминовых кислот, максимальное содержание отмечали в кремний-органическом удобрении с содержанием 5% SiO₂ - 13,38%.

Известно, что гуминовые кислоты способны устранять стресс у растений при неблагоприятных погодных условиях (засуха, заморозки) (Бурмистрова, Т.И. Оценка влияния гуминового препарата на урожайность и качество яровой пшеницы // Т.И. Бурмистрова, Т.П. Алексеева, Н.М. Трунова, Н.Н. Терещенко Н.Н. // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2016. - №10(144). - С. 20-24; Чистяков, А.В. Гуматы нового поколения / А.В. Чистяков // Защита и карантин растений. - 2012. - №3. - С. 5-6.). Гуминовые кислоты в данном случае выступают как транспортный насос, связываясь с необходимыми в данном случае элементами питания и облегчая их проникновение в растение (Куликова, Н.А. Защитное действие гуминовых веществ по отношению к растениям в водной и почвенной средах в условиях абиотических стрессов: автореф. дис… докт. биол. наук 03.00.16, 03.00.27 / Куликова Наталья Александровна. МГУ им. М.В. Ломоносова, 2008. - 48 с).

Таким образом, введение в ПФ метасиликата натрия усилило процессы аммонификации и нитрификации, способствовало его ощелачиванию, в результате были получены твердофазные кремний-органические удобрения с содержанием SiO₂, масс. 3% и 5% с повышенным содержанием нитратов, гуминовых кислот и, естественно, соединений кремния. При стрессе у растений запускается ряд биохимических реакций, направленных на скорейшую компенсацию негативных воздействий и требующих дополнительных затрат на питание и энергию, которые и призвано скомпенсировать новое кремний-органическое удобрение с протекторными свойствами.

После выдерживания смеси в течение 24 часов полученные кремний-органические удобрения подвергали перемешиванию в течение 15 мин. со скоростью 40 об./мин. для получения однородного состава. После этого полученные кремний-органические удобрения с содержанием SiO₂, масс. 3% и 5% соответственно, готовы к использованию.

Дерново-подзолистую почву, имеющую агрохимическую характеристику: рН - 4,36, P₂O₅ - 222,7; K₂O - 145,1; Nлг. - 58,1 мг/кг, С - 2,99%, высушивали до воздушно-сухого состояния, просеивали, раскладывали в пластиковые контейнеры по 150 г с площадью контейнера 0,0063 м², увлажняли до 70% от НВ.

В почву вносили кремний-органические удобрения в количестве 7,56 г на контейнер с содержанием SiO₂ 3% и SiO₂ 5% и исходный твердофазный продукт ферментации (ПФ), из расчета 12 т/га. Кроме этого, исследовано два варианта с внесением только метасиликата натрия в количестве, соответствующем их содержанию в кремний-органических удобрениях: 0,73 г (что соответствовало 3%-ному содержанию SiO₂ в новом удобрении) и 1,15 г (что соответствовало 5%-ному содержанию SiO₂ в новом удобрении). Контролем служил вариант без удобрения. Эксперимент проводили в течение 2-х недель, для поддержания заданной влажности осуществляли регулярный полив, повторность опыта трехкратная.

Моделировались следующие стрессовые факторы:

- постепенное понижение температуры после посева с 23°С до 7°С, обеспечивая естественное природное понижение температуры, стресс имитировали в течение двух суток;

- постепенное понижение температуры в фазу всходов растений пшеницы (на 5-е сутки после посева) с 23°С до 7°С, обеспечивая естественное природное понижение температуры, стресс имитировали в течение двух суток;

- избыточную влажность в фазу всходов (на 5-е сутки после посева) путем дополнительного полива, стресс имитировали в течение двух суток до наступления 140% от НВ;

- засуху, которую имитировали путем прекращения полива растений на 5-е сутки после посева, стресс продолжали до начала увядания растений пшеницы (влажность почвы 10% от НВ), затем почву увлажнили до 70% от НВ.

Произрастание без стресса (влажность 70% от НВ, температура 20-23°С).

Внесение продукта ферментации (ПФ) способствовало увеличению биометрии растений, средний прирост длины проростков по сравнению с контролем в вариантах с внесением ПФ составил 3%, сырой массы - 20%, сухой массы - 17% (табл. 2).

Эффективность воздействия на растения кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и SiO₂ 5%, полученных с использованием метасиликата натрия, целесообразно оценивать, сравнивая варианты их применения с применением твердофазного продукта ферментации (ПФ).

Применение кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и SiO₂ 5% способствовало улучшению биометрических показателей пшеницы, особенную разницу в значениях отмечали по сырой массе проростков - прибавка составила 9-10%, по сравнению с вариантом ПФ. Также отмечали и увеличение сухой массы проростков, но достоверной разницы между удобрением (ПФ) и кремний-органическими удобрениями с содержанием SiO₂ 3% и SiO₂ 5% не отмечали. Значительные приросты сырой массы, по сравнению с сухой, можно объяснить тем, что в растительной клетке кремний образует гидрофильные силикатно-галактозные комплексы, связывающие свободную воду и тем самым повышающие водоудерживающую способность клетки и растения в целом.

Внесение в почву только метасиликата натрия, также благоприятно отразилось на биометрии растений пшеницы: массы и длина проростков были выше контрольного варианта, но меньше, чем в вариантах с внесением кремний-органических удобрений.

Стресс - засуха.

При имитировании стрессовых условий - засуха, наблюдали снижение всех биометрических показателей пшеницы по сравнению с оптимальными условиями. При внесении кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и SiO₂ 5% данное снижение было менее значимым: если в варианте без удобрений (б/у) длина проростков уменьшилась на 9%, то в вариантах с кремний-органическими удобрениями - на 7-8%; снижение сухой массы в контроле составило 15%, в обоих вариантах с кремний-органическими удобрениями на основе ПФ-10% (табл. 2).

В условиях стресса (засуха) действие кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и SiO₂ 5% было более выраженным, но так же, как и при оптимальных условиях, наибольшую разницу в значениях отмечали по сырой массе проростков (табл. 2). Данное обстоятельство подтверждает способность кремния повышать водоудерживающую способность растения. В отличие от оптимальных условий, здесь наблюдали прирост и сухой массы проростков, увеличение которой свидетельствует о накоплении органических соединений и минеральных элементов растениями, в том числе и кремния, а также наращивании волокнистой части (остова) растений.

Применение кремний-органического удобрения с содержанием 3% SiO₂ способствовало увеличению сырой массы на 7,1%, с 5% SiO₂ - на 8,4% по сравнению с вариантом ПФ (фиг. 2). Прирост сухой массы проростков составил соответственно: 6,0% и 7,6% (фиг. 3).

Применение метасиликата натрия в чистом виде также оказало положительный результат на биометрические показатели пшеницы: увеличение сырой массы в среднем составило 15%, а сухой 16,5%, по сравнению с вариантом без удобрений, но эффект был ниже, чем от использования его в смеси с ПФ.

Стресс - избыточная влажность.

При создании условий избыточной влажности в вариантах с кремний-органическими удобрениями с содержанием SiO₂ 3% и SiO₂ 5% отмечали увеличение длины проростков при сравнении с теми же вариантами в оптимальных условиях. Увеличение длины проростков в вариантах с содержанием 3 масс. % SiO₂ составило 6,7%, а с 5% SiO₂ - 3,6% (табл. 2). При этом в вариантах с ПФ, с метасиликатом натрия в чистом виде и в контроле такой разницы не наблюдали (они находились на том же уровне). Также отмечали рост сырой и сухой массы по сравнению с оптимальными условиями.

Увеличение сырой массы проростков в вариантах с кремний-органическим удобрением с содержанием 3% SiO₂ составило 10%, а применение кремний-органического удобрения с 5%-ным содержанием - 7,4%, по сравнению с исходным ПФ (фиг. 4). Данное обстоятельство подтверждает способность кремния повышать водоудерживающую способность растения.

В условиях повышенной влажности увеличение сухой массы к исходному ПФ от кремний-органического удобрения с 3 масс. % SiO₂ составил 15,2%, от 5% SiO₂ - 6,2% (фиг. 5).

Применение метасиликата натрия в чистом виде также способствовало увеличению сырой и сухой массы проростков, но в меньшей степени, чем исследуемые кремний-органические удобрения с содержанием SiO₂ 3% и SiO₂ 5%.

Таким образом, в условиях водных стрессов (засуха и избыточная влажность) была отмечена положительная динамика в отношении биометрических показателей проростков пшеницы при внесении в почву кремний-органических удобрений.

Высокая отзывчивость растений на данный стресс связана со способностью кремния повышать водоудерживающую способность растения и подтверждается возрастающей сырой массой проростков. Определенную роль сыграли повышенное количество нитратов и гуминовых кислот в кремний-органических удобрениях, которые способствовали дополнительному усвоению питательных элементов, с нарастанием остова растений, что подтверждается увеличением сухой массы проростков в указанных вариантах.

Стресс - понижение температуры после посева.

При имитировании понижения температуры после посева семян пшеницы наблюдали самые наименьшие биометрические показатели пшеницы по сравнению с другими стрессовыми условиями. Данное обстоятельство свидетельствует о значительном негативном влиянии понижения температуры после посева на рост и развитие растений пшеницы (табл. 2).

Реакция растений в условиях «снижение температуры после посева» на внесение в почву кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂ 3% и SiO₂ 5% была менее отзывчивая. Кремний-органическое удобрение с 3%-ным содержанием SiO₂ способствовало увеличению сырой и сухой массы растений соответственно на 6,6 и 3,6%, с 5%-ным содержанием SiO₂ - на 5,3 и 5,4%, по сравнению с вариантом ПФ (табл. 2).

Применение метасиликата натрия как самостоятельного удобрения при имитировании снижения температуры после посева не способствовало значительному изменению биометрических показателей пшеницы - наблюдалась тенденция к увеличению сырой массы проростков; длина и сухая масса были на уровне контрольного варианта.

Стресс - понижение температуры после всходов.

В условиях стресса увеличение биометрических параметров растений отмечали от всех испытуемых удобрений по сравнению с вариантом без удобрения. Воздействие кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂, масс. 3% и 5% было менее заметным, отмечали только тенденции к увеличению сырой массы проростков, возможно, это было связано с недостаточной интенсивностью негативного влияния имитированного стресса, или фаза роста пшеницы имела не критический период воздействия стрессового фактора.

Следовательно, в условиях температурного стресса применение кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂, масс. 3% и 5% способствовали улучшению биометрических показателей проростков, что подтверждает их протекторные свойства в условиях температурного стресса.

Таким образом, были получены образцы новых кремний-органических удобрений с содержанием SiO₂, масс. 3% и 5% соответственно с усиленным протекторным действием для защиты растений от стрессовых факторов. При этом особо значимых, достоверных различий по биометрии растений при использовании кремний-органических удобрений с 3% или 5%, масс. SiO₂ отмечено не было. Поэтому, исходя из экономической составляющей, наиболее оптимальным является кремний-органическое удобрение с 3%, масс. SiO₂, которое может быть рекомендовано как эффективное кремний-органическое удобрение, расширяющее ассортимент удобрений с протекторными свойствами.

Применение нового кремний-органического удобрения позволит предотвратить негативные факторы для растений, повысив их устойчивость к стрессовым условиям, результатом чего является урожайность сельскохозяйственных культур на уровне их урожайности при отсутствии стрессовых условий.

Заявленный способ приготовления кремний - органического удобрения является технологичным, что позволяет провести масштабирование процесса и осуществить его в промышленных условиях.

Способ приготовления кремнийорганического удобрения, включающий смешивание органического и кремнийсодержащего компонентов, отличающийся тем, что в качестве органического компонента используют продукт твердофазной ферментации в течение 5 суток торфонавозной смеси при соотношении компонентов 50×50, характеризующийся содержанием N_общ - 1,00…3,00% а.с.в., P₂O₅ - 1,20…1,70% а.с.в., K₂O - 1,20…1,70% а.с.в., С - 28…40% а.с.в., pH_KCl - 6,3…7,0, в качестве кремнийсодержащего компонента - метасиликат натрия пятиводный Na₂SiO₃⋅5H₂O, в соотношении компонентов, масс., 9,3:1,0, которые перемешивают в течение 30 мин со скоростью 80 об/мин с последующими выдержкой в течение 24 ч и повторным перемешиванием со скоростью 40 об/мин в течение 15 мин.