Многокомпонентное органическое удобрение на основе наноструктурного цеолита с функциями почвоулучшителя и биостимулятора
Владельцы патента RU 2781283:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный аграрный университет" (RU)
Изобретение относится к сельскому хозяйству. Многокомпонентное органическое удобрение на основе наноструктурного цеолита с функциями почвоулучшителя и биостимулятора включает цеолитовую крошку с размером частиц 1,0-5,0 мм, эффлюент и гумат калия. Все компоненты взяты при определенном соотношении. Изобретение позволяет повысить содержание азота, фосфора, калия, кремния, гуминовых веществ и органического вещества в единице массы удобрения, а также обеспечить заявленное удобрение функциями почвоулучшителя и биостимулятора. 7 табл.
Изобретение относится к области растениеводства, а именно к производству многокомпонентного органического удобрения на основе наноструктурного цеолита с функциями почвоулучшителя и биостимулятора.
В настоявшее время земледелие и растениеводство ориентированы на ускорение роста и развития растений полевых культур и увеличение их продуктивности за счет применения органических удобрений и биопрепаратов, получаемых на основе утилизации органических отходов и сырья, что способствует декарбонизации российского АПК.
Для получения «органической» растениеводческой продукции, ускорения роста и развития растений, восстановления плодородия почвы, особенно важным является использование инновационных экологически безопасных органических многокомпонентных удобрений, которые по агрономической и экономической эффективности не уступают основным минеральным удобрениям, и при этом обеспечивают поступление в почву макро - и микроэлементов, полезных микроорганизмов, гуминовых веществ, аминокислот, фитогормонов и других биохимически активных веществ.
Известно органическое удобрение - мелиорант [Патент № 2745780 МПК C05F 3/00, C05F 11/02, C05F 11/08, Опубликовано 31.03.2021 Бюл. №10], содержащий эффлюент, макроэлементы, микроэлементы и микроорганизмы, в следующем соотношении компонентов, мас.%:
| эффлюент | 90,00-95,00 |
| макроэлементы | 4,50-9,50 |
| микроэлементы | 0,05-0,25 |
| микроорганизмы | 0,05-0,25 |
Однако, недостатком данного удобрения являются его низкие показатели эффективности, что обусловлено отсутствием в его составе баланса минеральных макро- и микроэлементов, а также пролонгированного действия удобрения, в виду отсутствия в составе минерального компонента - абсорбента, который выступал бы как «контейнер - носитель» для других ингредиентов удобрения и микроорганизмов.
Известно удобрение-мелиорант «Нара-2» (Патент РФ №2115641, МПК C05F 7/00, опубл. 20.07.1998 г.), содержащее смесь торфа и сапропеля, цеолитовый туф с размером частиц 1,0 - 5,0 мм, известковую муку и хитин, либо его производные, или хитозан, либо его производные. Данное удобрение - мелиорант обладает повышенной избирательной сорбционной активностью к тяжелым металлам и радионуклидам, повышает численность агрономически ценных групп микроорганизмов, а в целом проявляет высокий мелиорирующий эффект и содействует повышению плодородия почв.
Недостатками данного удобрения являются малое содержание азота, фосфора и калия, что не обеспечивает повышения урожайности на обедненных почвах. Кроме того, прочный органоминеральный комплекс сапропеля препятствует высвобождению гуминовых веществ, что также снижает эффективность удобрения. Кроме того, хитин и хитозан (как и их производные) являются достаточно дорогими по стоимости компонентами, что приводит к дополнительному удорожанию данного удобрения с большим количеством других составных ингредиентов.
Известно органо-минеральное удобрение (Патент №2382753 МПК C05F 3/00, Опубл. 27.02.2010 Бюл. № 6), содержащее птичий помет, воду и цеолитсодержащий туф, содержащий более 50 % по массе клиноптилолита, при следующем соотношении ингредиентов (%, по массе): птичий помет - 70-80; цеолитсодержащий туф - 10-20; вода - остальное. Удобрение получают путем смешения птичьего помета влажности 35-40% и цеолитсодержащего туфа, предварительно измельченного до размера частиц менее 1 мм, которые интенсивно перемешивают в течение 20-40 с, гранулируют, а затем подвергают дегидратации до влажности 10-14 мас.%. Предлагаемое удобрение отличается достаточной прочностью гранул, стабильно при хранении и эффективно при применении.
Однако, цеолитсодержащий туф имеет крайне низкое содержание агрономически полезных макро - и микроэлементов.
Известно органоминеральное удобрение [Патент РФ № 2598632, МПК C05F 11/02, Опубл. 27.09.2016 Бюл. № 27], включающее органическую составляющую бурый уголь, или торф, или гумат калия/натрия, минеральную составляющую, дополнительно содержит хелатирующий агент, при этом в качестве минеральной составляющей содержит соли щелочных и щелочноземельных элементов, а добавка содержит металлургический шлак следующего состава, масс. %: МехОу - 96,0-99,0, где: Me - металл, О - кислород, х и у - коэффициенты, определяющие их соотношение;
- микроэлементы - 1,0-4,0,
при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| - органическая составляющая | 35,0-50,0 |
| - хелатирующий агент | 0,1-10,0 |
| - металлургический шлак | 15,0-40,0 |
| - соли щелочных и | |
| щелочноземельных элементов | 15,0-40,0 |
Недостатком данного удобрения является его органо-минеральный состав, в частности использование металлургических шлаков, в качестве адсорбентов, что неприемлемо для органического земледелия с целью получения органической продукции.
Известно органоминеральное удобрение (Патент №2724698 МПК C05F 3/00, C05F 11/02, C05F 11/08, Опубл. 25.06.2020 Бюл. № 18), содержащее органический компонент - помет птиц и минеральный компонент - природную минеральную составляющую, в качестве птичьего помета удобрение содержит биологически переработанный птичий помет с влагопоглощающим материалом с использованием консорциума штаммов Bacillus subtilis В-168, Bacillus mycoides В-691, Bacillus mycoides B-46, Streptococcus thermophilus B-907, Candida tropicalis Y-1520, Candida utilis Y-2441 в количестве 1⋅108-1⋅109 клеток в 1 мл на 1 т птичьего помета, удобрение дополнительно содержит фульвовую кислоту, а в качестве природной минеральной составляющей удобрение содержит термоактивированную природную кремнистую цеолитсодержащую породу (КЦП, при этом суммарное содержание опал-кристобалита, клиноптилолита и монтмориллонита в породе составляет 74-85 мас. %, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| биологически переработанный птичий помет | 70-90 |
| фульвовая кислота | не более 1 |
| термоактивированная природная кремнистая цеолитсодержащая порода | остальное |
Недостатком известного органоминерального удобрения является сложность получения удобрения, заключающаяся в следующем:
1. Многостадийность процесса подготовки исходных компонентов.
2. Введение в состав органоминерального удобрения кислотно-щелочных компонентов.
Технический результат предлагаемого многокомпонентного органического удобрения заключается в повышенном содержании азота, фосфора, калия, кремния, гуминовых веществ и органического вещества в единице его массы, что делает данное удобрение более концентрированным, а следовательно, требуется внесение его в меньших дозах, что обеспечивает повышение эффективности использования предлагаемого многокомпонентного органического удобрения. Дополнительный технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении заявленного удобрения функциями почвоулучшителя и биостимулятора.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что многокомпонентное органическое удобрение на основе наноструктурного цеолита включает цеолитовую крошку с размером частиц 1,0-5,0 мм, эффлюент, получаемый по ГОСТ РФ 33380 - 2015, и гумат калия, при следующем соотношении компонентов по массе, %:
- цеолит - 46,0;
- эффлюент - 33,0;
- гумат калия - 21,0.
Цеолит является высококремнистым природным материалом вулканического происхождения с нанопористой структурой и высокой ионнообменной активностью. Цеолит выступает как «контейнер - носитель» для других ингредиентов удобрения, таких как полезные микроорганизмы, гуминовые вещества и биостимуляторы (биохимические активные вещества, содержащиеся в ээфлюенте).
В таблицах 1 и 2 представлены физико - химические и химические показатели цеолита.
|
Таблица 1
Физико - химические показатели цеолита |
||||
| Породообразующие минералы |
Ионообменная способность, г-экв./кг |
Удельная поверхность, м2/кг⋅103 | Пористость, % | Эффективный диаметр пор, нм |
| клиноптилолит, морденит, филлипсит, шабазит | 0,5-1,5 | 47-95 | 20-53 | 0,3-0,6 |
|
Таблица 2
Химический состав цеолита |
|||||
| Цеолит | Элемент в оксидной форме (на абс. - сух. вещество) | ||||
| SiO2 | P2O5 | K2O | CaO | MgO | |
| валовая форма, % | 56,6 | 0,23 | 1,82 | 13,3 | 1,90 |
| подвижная форма, мг/кг | 7950 | 260 | 250 | 4800 | 1600 |
Эффлюент - продукт микробиологической анаэробной ферментации органических отходов и / или сырья в биореакторах (ГОСТ РФ 33380 - 2015) с одновременным получением биогаза, который может направляться на генерацию тепла и электричества для производственных нужд. Использовался эффлюент, вырабатываемый из смеси навоза КРС и птичьего помета.
В таблице 3 представлены химические показатели эффлюента.
|
Таблица 3
Химический состав эффлюента |
||||
| № п./п. | Наименование показателя | Ед. изм. |
Результат испытаний |
НД на метод испытаний |
| 1. | Массовая доля общего азота | % | 0,1 | ГОСТ 26715-85 |
| 2. | Маасовая доля калия общего в пересчете на К2О |
% | 0,03 | ГОСТ 26718-85 |
| 3. | Массовая доля фосфора общего в пересчете на Р2О5 |
% | 0,02 | ГОСТ 26717-85 |
| 4. | Массовая доля органического вещества | % | 67,5 | ГОСТ 27980-88 |
| 5. | Массовая доля сухого вещества | % | 1,9 | ГОСТ 26713-85 |
| 6. | Показатель активности водородных ионов (реакция водной среды), pH | рН | 7,2 | ГОСТ 27979-88 |
Гумат калия - источник гуминовых соединений, составляющих основную долю гумуса почвы, играющего решающую роль в плодородии. Гумат калия увеличивает всхожесть семян и ускоряет их развитие; повышает устойчивость растений к стрессам, вызванным засухой, засолением, применением пестицидов и минеральных удобрений, а также активизирует процессы восстановления и сохранения плодородия почвы.
Химический состав гумата калия представлен в таблице 4.
|
Таблица 4
Химический состав гумата калия |
||||
| № п./п. | Наименование показателя | Ед. изм. |
Результат испытаний |
НД на метод испытаний |
| 1 | pH солевой вытяжки | pH | 13,0 | ГОСТ 11623-89 |
| 2 | Сухой остаток | % | 13,3 | ГОСТ 26713-85 |
| 3 | М.д. общего азота | % на абс. сухое в-во | 4,0 | ГОСТ 26715-85 |
| 4 | М.д. общего фосфора | % на абс. cvxoe в-во | 7,8 | ГОСТ 26717-85 |
| 5 | М.д. общего калия | % на абс. сухое в-во | 4,20 | ГОСТ26718-85 |
Соотношение компонентов в заявленном многокомпонентном удобрении определено следующим: пропорции содержания органических ингредиентов обусловлены технологическими свойствами цеолита как «контейнера - носителя» других компонентов. 46% цеолита - оптимальное содержание в данном виде удобрения, чтобы заполнить поры цеолита необходимым количеством эффлюента и гумата калия для внесения из расчета на 1 га.
Отличие заявленного многокомпонентного органического удобрения от других органических удобрений:
- удобрение - многофункциональное - с функциями почвоулучшителя и биостимулятора;
- удобрение - пролонгированного действия, за счет пористой структуры цеолита (на 70 - 85% по объему цеолит состоит из пор с размером от 1 до 100 нанометров);
- удобрение содержит макро-, мезо- и микроэлементы, а также органический кремний (до 65% состава цеолита);
- удобрение с повышенным содержанием микроэлементов в органической, а не хелатной форме;
- удобрение с повышенным содержанием калия, фосфора, кальция, кремния, гуминовых веществ и органического вещества;
- цеолит выступает как почворазрыхлитель за счет своих особых технологических свойств (например, объемная масса - 500 - 650 кг/м3; сорбция воды - до 120% собственного веса);
- удобрение обладает обеззараживающим воздействием на почву из-за слабощелочной реакции рН и высокого содержания калия и кальция;
-- за счет высокой ионообменной активности цеолита ускоряется усвоение растениями труднодоступных питательных элементов из почвы.
Положительный эффект при использовании заявленного многокомпонентного органического удобрения:
- обладает пролонгированным действием, то есть постепенно отдает влагу, гуминовые и биохимические активные вещества, питательные элементы в почву, что является перспективным показателем в условиях повышения аридности вегетационного периода;
- обогащает почву микроэлементами, в том числе органическим кремнием;
- обогащает почву полезными микроорганизмами, активизируя микробиологическую активность обрабатываемого слоя почвы;
- повышает иммунитет, тургор и антистрессовые свойства растений культур;
- действует как почворазрыхлитель;
- действует как биостимулятор за счет биохимических активных веществ эффлюента - фитогормоны, аминокислоты растительного происхождения, витамины; комплекс целлюлозолитических ферментов; почвенные антибиотики;
- стимулирует рост корневой системы;
- повышает урожайность полевых культур на 20 - 35% (при внесении в рядок на семенное ложе при посеве из сеялки).
Заявленное органическое многокомпонентное удобрение производится следующим образом. В промышленное устройство - смеситель барабанного типа, в процессе вращения барабана, засыпается цеолит и добавляется жидкий эффлюент, до полного впитывания цеолитом, в следующих пропорциях, % по весу: цеолит - 31 и эффлюент - 31. Затем засыпается следующая партия цеолита и добавляется жидкий гумат калия, до полного впитывания цеолитом, в следующих пропорциях, % по весу: цеолит - 15 и гумат калия - 21. Вращение барабана при засыпке каждой партии длится 5 - 7 минут, до полного впитывания жидкого компонента, и превращения удобрения в единообразную сыпучую массу. Затем две партии полученных миксов загружаются в барабан в определенной пропорции и смешиваются до единообразной сыпучей массы.
Указанное соотношение ингредиентов в многокомпонентном удобрении по данным вегетационных и полевых опытов оказалось наиболее эффективным по сравнению с другими соотношениями.
Были приготовлены 4 состава многокомпонентного удобрения, соотношения ингредиентов которых представлены в таблице 5. Состав №3 был определен, в том числе, на основе максимального впитывания цеолитом жидких компонентов удобрения.
|
Таблица 5
Соотношения ингредиентов многокомпонентного удобрения, % по массе |
|||
| Состав | Цеолит | Эффлюент | Гумат калия |
| Контроль | Чернозем типичный тяжелосуглинистый, гумус - 5,9% (центральная зона Самарской области) |
||
| 1 | 60 | 15 | 25 |
| 2 | 60 | 30 | 10 |
| 3 | 46 | 33 | 21 |
| 4 | 70 | 15 | 15 |
Составы комплексного удобрения в четырехкратной повторности помещали в сосуды для исследований, в которые высевали тест - объект (растение - биоиндикатор) - культуру кресс - салат, сорт «Дукат» (норма высева - 1 г/м2). Растения кресс-салата убирали через 10 дней после полных всходов, и определяли урожайность (таблица 6).
|
Таблица 6
Урожайность составов многокомпонентного удобрения |
||
| Состав | Урожайность, кг/сосуд | Прибавка урожая, % |
| Контроль | 0,29 | - |
| 1 | 0,37 | +27,6 |
| 2 | 0,32 | +10,3 |
| 3 | 0,42 | + 44,8 |
| 4 | 0,28 | -3,4 |
Исследования показали, что наибольшая прибавка урожайности обеспечивается составом №3 при соотношении компонентов удобрения, %: цеолит - 46, эффлюент - 33 и гумат калия - 21.
Созданное многокомпонентное удобрение позволяет утилизировать путем переработки различные органические отходы и сырье, что снижает экологическую нагрузку на окружающую среду, способствует восстановлению природного углеродного цикла, позволяет предприятиям решать вопросы утилизации отходов в соответствии с экологическим законодательством, а также позволяет получать органическую продукцию.
Заявленное органическое многокомпонентное удобрение имеет повышенное содержание следующих микроэлементов в органической легкодоступной для растений форме и природных веществ: Калий - элемент молодости клеток; сохраняет и удерживает воду, повышая вязкость протоплазмы; усиливает образование сахаров и их передвижение по тканям; повышает толщину клеточных стенок, устойчивость к полеганию, болезням, засухе и низкой температуре; Кальций - стимулирует рост растений и развитие корневой системы; усиливает обмен веществ и активирует ферменты; повышает вязкость протоплазмы; активизирует фотосинтез; Кремний - омолаживает клетки; повышает иммунитет, стрессоустойчивость к неблагоприятным условиям и тургор растений; Гуминовые вещества - способствуют активизации процессов восстановления плодородия почвы, повышают продуктивность культур, усиливают иммунитет растений.
Заявленное органическое многокомпонентное удобрение имеет за счет своих компонентов следующие преимущества: цеолит - обеспечивает высокую ионообменную активность удобрения, обеспечивающую повышенное усвоение труднодоступных питательных элементов их почвы; эффлюент - высокое содержание органического вещества, отсутствие патогенной микрофдоры, семян сорняков и гельминтов, биохимически активные вещества (аминокислоты, фитогормоны, почвенные антибиотики и другие); гумат калия - гуминовые вещества, калий и фосфор, микроэлементы, слабощелочная рН.
Исследования эффективности нового органического многокомпонентного удобрения проводились в 2017 - 2021 гг. на опытном поле Самарского ГАУ: центральная зона Самарской области (южная лесостепь Заволжья), почва - чернозем типичный среднемощный тяжелосуглинистый, гумус - 5,9%.
Исследования проводили в полевом двухфакторном стационарном опыте, заложенном в 2017 году в рамках научной темы «Цифровое органическое земледелие», на полях зернопаропропашного севооборота: 1) чистый пар; 2) озимая пшеница; 3) яровая пшеница твердая; 4) горох; 5) ячмень яровой; 6) подсолнечник.
Сорт озимой пшеницы - «Бирюза» (оригинатор: Самарский НИИСХ - филиал СамНЦ РАН, п.г.т. Безенчук).
Количество и площади делянок, площадь поля: вариантов на поле - 9; повторности - 3; количество делянок - 27; площадь делянки - 31,5 м2; опытная площадь поля - 0,0851 га. Размещение делянок - последовательное.
Норма высева - 4,5 млн. всхожих семян, посев одновременно с внесением удобрений из бункера сеялки в рядок на семенное ложе.
Факторы: А - удобрения; В - препараты.
Фактор А: А1 - контроль, А2 - минеральные удобрения, А3 - многокомпонентное органическое удобрение на основе цеолита.
Фактор В: В1 - контроль, В2 - пестициды, В3 - биопрепараты.
Под озимую пшеницу при посеве вносили:
А2 - 100 кг/га нитроаммофоски (16:16:16), норма внесения определялась из расчета объема бункера, стоимости минерального удобрения и безопасного количества минерального азота для проростков озимой пшеницы.
А3 - 200 кг/га многокомпонентного органического удобрения на основе цеолита, с функциями почвоулучшителя и биостимулятора, включающего цеолитовую крошку с размером частиц 1,0-5,0 мм, эффлюент и гуматы калия, при следующем соотношении компонентов, по массе, %:
- цеолит - 46;
- эффлюент - 33;
- гумат калия - 21.
Результаты по опытному полю Самарского ГАУ:
|
Таблица 7
Урожайность озимой пшеницы, т/га (2017 - 2021 гг.) |
|||||||
| Система удобрений (А) | Годы исследований | Сред -нее | % к контролю |
||||
| 2017 | 2018 | 2019 | 2020 | 2021 | |||
| Система защиты (В) В1 - контроль |
|||||||
| А1 - контроль | 4,71 | 2,93 | 2,51 | 2,75 | 2,63 | 3,11 | 100 |
| А2 - нитроаммофоска | 4,88 | 3,33 | 2,43 | 2,98 | 2,83 | 3,29 | 105,8 |
| А3 - «Цеолит + Эффлюент + Гумат калия (46:33:21)» | 4,56 | 3,55 | 2,42 | 3,12 | 3,67 | 3,46 | 111,3 |
| В2 - пестициды | |||||||
| А1 - контроль | 4,90 | 3,12 | 2,67 | 3,02 | 2,77 | 3,30 | 106,1 |
| А2 - нитроаммофоска | 4,98 | 3,56 | 2,78 | 3,22 | 2,90 | 3,49 | 112,2 |
| А3 - «Цеолит + Эффлюент + Гумат калия (46:33:21)» | 5,10 | 3,00 | 2,97 | 3,66 | 3,23 | 3,59 | 115,4 |
| В3 - биопрепараты | |||||||
| А1 - контроль | 4,91 | 3,10 | 2,90 | 3,10 | 2,65 | 3,33 | 107,1 |
| А2 - нитроаммофоска | 5,15 | 4,10 | 3,33 | 3,43 | 2,79 | 3,76 | 120,9 |
| А3 - «Цеолит + Эффлюент + Гумат калия (46:33:21)» | 4,85 | 4,43 | 3,21 | 3,68 | 2,89 | 3,81 | 122,5 |
Урожайность озимой пшеницы в среднем за пять лет исследований на варианте с многокомпонентным органическим удобрением «Цеолит + Эффлюент + Гумат калия» превышала урожайность при внесении нитроаммофоски на 1,6-5,5 % и контроль (А1В1) на 11,3 - 22,5%.
Увеличение урожайности по другим культурам, в среднем за 2017 - 2021 гг., % к варианту с нитроаммофоской: яровая пшеница твердая - на 2,5 - 7,5, горох - 3,8 - 8,2.
Увеличение урожайности по другим культурам, в среднем за 2017 - 2021 гг., % к контролю (А1В1): яровая пшеница твердая - на 14,1 - 19,1, горох - 17,8 - 24,7.
В лабораторных вегетационных опытах (четырехкратный посев в трехкратной повторности) прибавка надземной биомассы по отношению к контролю (без удобрений) на томатах составила 12,4 - 26,5%, столовой свеклы - 23,4 - 30,0%, газонной травы - до 33,2%.
Таким образом, многокомпонентное органическое удобрение на основе наноструктурного цеолита с функциями почвоулучшителя и биостимулятора не уступает нитроаммофоске по воздействию на урожайность озимой пшеницы. Также на других зерновых колосовых и зернобобовых культурах предлагаемое органическое удобрение по воздействию на урожайность превосходит минеральное удобрение нитроаммофоску.
Для развития и распространения технологий органического земледелия, и декарбонизации АПК в целом, данные результаты являются крайне перспективным фактором, учитывая положительное воздействие органических удобрений на плодородие почвы, экологическое состояние агроэкосистемы, возможность получения «органической» продукции, более низкую себестоимость и стоимость внесенных многокомпонентных органических удобрений из расчета на 1 га.
Многокомпонентное органическое удобрение на основе наноструктурного цеолита с функциями почвоулучшителя и биостимулятора, включающее цеолитовую крошку с размером частиц 1,0-5,0 мм, эффлюент и гумат калия при следующем соотношении компонентов, по массе, %:
цеолит - 46;
эффлюент - 33;
гумат калия - 21.
