Результат интеллектуальной деятельности: Питательный раствор для гидропонного выращивания сельскохозяйственных культур

Изобретение относится к области сельского хозяйства, и может быть использовано при выращивании растений без грунта на водном растворе питательных веществ.

Высокие темпы роста городского населения и необходимость обеспечения его продуктами питания стимулируют совершенствование технологий сельскохозяйственного производства и внедрение устойчивых систем беспочвенного земледелия, в том числе гидропоники. Системы беспочвенного выращивания сельскохозяйственных культур позволяют производить продукты питания в течение всего года, избавляют от дорогостоящих процессов обработки почв.

Для производства сельскохозяйственной продукции в беспочвенных системах растениеводства, превосходящих по количеству и качеству показатели традиционного сектора земледелия, применяют замену почвенного субстрата на искусственно созданные среды для корневой системы растений. В этом случае основу технологии составляет управление питательным раствором, который должен удовлетворять требованиям растений к минеральному питанию, влаге и кислороду. Известны питательные растворы, которые обычно содержат необходимые для развития и плодоношения растений минеральные питательные элементы: макро-, мезо- и микроэлементы. [Jones J. B. Hydroponics: A practical guide for the soilless grower / J. J. Benton - 2nd ed. 2005 p.439; Patent CN111348966A Soilless culture nutrient solution for leaf vegetables 2020 https://patents.google.com/; Silber A. Chemical characteristics of soilless media / Theory and Practice Soilless Culture: (Second Edition) 2019; Patent WO2005112607A1 Composition for hydroponic plant growth 2005 https://patents.google.com/; Patent CN104211470A Water-culture plant nutrient solution 2014 https://patents.google.com/].

Однако на практике в композициях питательных растворов минеральные элементы, взаимодействуя между собой могут, необратимо осаждаться, находятся в формах не являющихся достаточно доступными для поглощения, находится в неоптимальных соотношениях для лучшего развития конкретных культур. В результате, отдельные питательные вещества теряют свою эффективность, а выращиваемые культуры страдают от питательного и водного стресса (депривации). Таким образом, снижается объем и качество урожая. В тяжелых случаях может повреждаться корневая система растений и происходить гибель саженцев.

Известно, что фосфонаты являются биостимуляторами, действующими на ферментативную и гормональную системы растений, проявляющими росторегулирующие свойства [Киреев В.М., Киреева А.Ю. Комплексоны - регуляторы вегетативного роста злаков. (1983) / II Всесоюзное совещание по химии и применению комплексонов и комплексонатов металлов. Тезисы докладов. Москва. стр. 204; Thao H. T.B., Yamakawa T. Phosphite (phosphorous acid): Fungicide, fertilizer or bio-stimulator? Soil Science and Plant Nutrition (2009) 55, 228-234; Bityutskii N.P. Effects of carboxylic and phosphonic Fe-chelates on root and foliar plant nutrition/ Russian Journal of Plant Physiology, 1995, T42, Is 4, p. 444-453]. Механизм их действия, по мнению авторов, характеризуется как непрямой, способствующий образованию у растений усиленной архитектуры корневой системы, увеличению устойчивости растений к стрессовым условиям. Имеются сведения о стимулирующем влиянии фосфонатов на рост и развитие пшеницы, рапса, картофеля [Rossall S., Qing C., Paneri M., M. Bennett M., Swarup R. A ‘growing’ role for phosphites in promoting plant growth and development. Acta Hortic. 1148. ISHS 2016. DOI 10.17660/ActaHortic.2016.1148.7 Proc. II World Congress on the Use of Biostimulants in Agriculture Eds.: P. Brown and S. Muhammad, p. 61-67; Verreet J.A. Biostimulantien - schlummerndes Potenzial? TopAgrar, 2019, 8, p.56-60].

Известным фактом также является то, что для развития растений наиболее энергетически предпочтительно усвоение иона железа не только в хелатной, но еще и в двухвалентной форме (Fe²⁺), которая позволяет напрямую осуществлять перенос этого элемента к эпидермису корней дивалентным металл-транспортером IRT1 (divalent metal transporter IRT1), минуя цикл высвобождения протона плазматической мембраной и восстановление Fe(III)→Fe(II) посредством Fe (III) хелатредуктазы. Ион железа (II) непосредственно доступен для метаболических реакций и включения в молекулярные структуры [Pierson E.E. and Clark R.B. 1984 Ferrous iron determination in plant tissue. J. Plant Nutr. 7, 107-116; Walker, E.L., Connolly, E.L., 2008. Time to pump iron: iron-deficiency-signaling 219 mechanisms of higher plants. Curr. Opin. Plant Biol. 11, 530-535].

Известным фактом также является то, что наряду с железом необходимые микроэлементы для биохимических функций и ферментативного катализа (цинк, медь, марганец) могут поглощаться растениями из питательного раствора в форме ионов или хелатов [Mengel K., Kitkby E.A. Principles of plant nutrition. Bern: Int. Potash Inst., 1987. 687 p.]. причем вторая форма поглощения указанных элементов - хелатная является для растений более предпочтительной. Микроэлементы цинк, медь и марганец в гидропонных растворах применяются как в форме минеральных солей, так и в виде хелатов [Hoagland, D.R. and Arnon, D.I., 1950, The Water Culture Method for Growing Plants Without Soil, Circular 347, California Agricultural Experiment Station, University of California, Berkeley, CA; Wallace G. A., Wallace A. Maintenance of iron and other micronutrients in hydroponic nutrient solutions (1984)/ Journal of plant nutrition, 7(1-5), p. 575-585; Neocleous D., Nikolaou G., Ntatsi, G., Savvas D. Impact of Chelated or Inorganic Manganese and Zinc Applications in Closed Hydroponic Bean Crops on Growth, Yield, Photosynthesis, and Nutrient Uptake (2020) / Аgronomy-Basel, Т10, Is.6, 881; Faulkner, S.P., 1998, The Growing Edge 9(4):43-49].

Известен питательный раствор для гидропонного выращивания растений [RU, патент 2013943, МПК A01G 31/00, 1991], состоящий из источников калия, азота, фосфора, кальция и магния, а также добавки микроэлементов при их содержании (в граммах на 1000 л воды): нитрат калия - 500, суперфосфат - 550, аммиачная селитра - 200, сульфат магния - 300, хлорное железо - 6, борная кислота - 0,72, сульфат марганца - 10-50, сульфат цинка - 15-75, сульфат меди 2-10, селенисто-кислый натрий - 0,1-3,0, хлорид кобальта - 0,3-6,0, иодид калия - 0,1-3,0, хлорид кальция - 100-2000, сульфат железа - 15-75.

Недостатком известного состава для гидропонного выращивания растений можно признать его невысокую эффективность, обусловленную неоптимальным составом питательных элементов и присутствием жизненно важных микроэлементов в форме минеральных солей, обеспечивающих низкую степень поглощения последних и, как следствие, недостаточное развитие растений.

Известна также среда для гидропонного выращивания растений [CN111348966A, МПК C05G 3/00, C05G 5/20, 2020], которая включает раствор с основными макроэлементами в концентрациях: 900-1060 г нитрата кальция, 760-880 г нитрата калия, 540-670 г сульфата магния и 124-175 г дигидрофосфата аммония на каждую тонну воды; и раствор с микроэлементами в концентрациях: 1420-1580 г хелатированного железа (EDTA - этилендиаминтетрауксусная кислота), 351-394 г сульфата железа, 64-87 г борной кислоты, 48-59 г сульфата марганца, 6-9 г сульфата цинка, 0,7-1,5 г сульфата меди и 0,4-0,6 г молибдата аммония на каждые сто тонн воды. Недостатком этой среды следует признать ее невысокую эффективность, обусловленную предназначением только для листовых овощей, а также использованием в составе неэффективных форм важных микроэлементов (Fe, Zn, Cu, Mn) и отсутствием биостимулирующих компонентов.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения можно признать композицию для гидропонного выращивания [US 9073798 B1, МПК C05D 9/02, C05G 1/00, 2015], в качестве основных источников макро- и мезоэлементов монофосфат калия, семиводный сульфат магния, нитрат калия, нитрат аммония, нитрат кальция, сульфат калия, хелат железа (DTPA), хелат железа (EDDHA), хелат марганца (EDTA), борную кислоту, хелат цинка (EDTA), хелат меди (EDTA) и молибдат аммония. Итоговый раствор для конечного использования включает набор макро-, мезо- и микроэлементов, обеспечивающий все фазы жизненного цикла развития растений: быстрый рост, цветение и плодоношение (на 100л воды): 12-37 г монофосфата калия, 19-58 г семиводного сульфата магния, 10-31 г нитрата калия, 3,5-7,2 г нитрата аммония, 34-103 г нитрата кальция, 2,2-6,6 г сульфата калия, 0,154-0,46 г хелата железа (DTPA), 0,77 - 2,3 г хелата железа (EDDHA), 0,6-0,11 г хелата марганца (EDTA), 0,31-0,396 г борной кислоты, 0,19-0,3 г хелата цинка (EDTA), 0,14-0,22 г хелата меди (EDTA), 0,02 г молибдата аммония.

Недостатком известной композиции питательного раствора для гидропонного выращивания является ограниченная эффективность при дефиците питания и водном стрессе. В силу указанных недостатков питательной композиции растения имеют менее развитую корневую систему, в связи с чем ограничивается объем поступления питательных элементов в ткани растений. Они могут терять тургор и подвергаться физиологическим расстройствам в периоды снижения концентрации питательных элементов в технологическом цикле выращивания, что снижает урожайность и качество готовой продукции.

Технической задачей является повышение урожайности, качества сельскохозяйственной продукции, устойчивости растений к стрессу.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в композиции питательного раствора для гидропонного выращивания сельскохозяйственных культур, содержащей в качестве основных источников макро- и мезоэлементов монофосфат калия, семиводный сульфат магния, нитрат калия, нитрат аммония, нитрат кальция, сульфат калия, хелат железа, хелат марганца, борную кислоту, хелат цинка, хелат меди и молибдат аммония, согласно изобретению, в качестве источника железа раствор использован хелат двухвалентного железа Fe²⁺ с фосфонсодержащим лигандом - оксиэтилидендифосфоновой кислотой (ОЭДФ), при следующем соотношении компонентов раствора, г/100л:

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлены результаты выращивания культур салата и пшеницы при использовании разновидности питательного раствора для гидропонного выращивания; на фиг. 2 - контрольный образец пшеницы; на фиг. 3 - опытный образец пшеницы.

Композиция питательного раствора для гидропоники рассмотрена на примерах.

В качестве контрольного варианта использовали известную композицию для гидропонного выращивания [US9073798, МПК C05D 9/02, C05G 1/00, 2015] с соответствующими концентрациями входящих компонентов и хелатных форм микроэлементов c карбоксилсодержащими лигандами: Fe (III) (DTPA/EDDHA), MnEDTA, ZnEDTA, CuEDTA.

В качестве опытной композиции использовали питательный раствор содержащий на 100л: 12-43 г нитрата калия, 3-13 г нитрата аммония, 10-50 г однозамещенного фосфата калия, 11-38 г шестиводного нитрата магния, 27-113 г четырехводного нитрата кальция, 2-9 г сульфата калия, 10-46 г семиводного сульфата магния, 0,05-0,44 г борной кислоты, 0,04-0,16 г молибдата аммония и хелатных форм микроэлементов с фосфонсодержащим лигандом: 0,2-2 г железа (II) (ОЭДФ), 0,1-0,9 г марганца (ОЭДФ), 0,2-0,22 г цинка (ОЭДФ), 0,2-0,17 г меди (ОЭДФ).

Аналитические исследования выполнены с использованием научного оборудования ЦКП НИЦ «Курчатовский институт» - ИРЕА.

Пример 1.

Композиция питательного раствора для гидропонного выращивания I содержит (г/100л): нитрат калия (KNO₃) 17.0, нитрат аммония (NH₄NO₃) 4.8, монофосфат калия (KH₂PO₄) 20.0, шестиводный нитрат магния (Mg(NO₃)₂⋅6H₂O) 14.2, четырехводный нитрат кальция (Ca(NO₃)₂⋅4H₂O) 35.5, сульфат калия (K₂SO₄) 3.0, семиводный сульфат магния (MgSO₄⋅7H₂O) 17.5, молибдат аммония ((NH₄)₆Mo₇O₂₄) 0.06, борную кислоту (H₃BO₃) 0.05; комплексы биометаллов с оксиэтилидендифосфоновой кислотой (ОЭДФ): железа (II) 0.4, марганца 0.17, цинка 0.04, меди 0.03.

При приготовлении питательного раствора I предварительно взвешенные необходимые количества требуемых веществ помещают в емкость и проводят растворение в необходимом количестве воды при необходимости с перемешиванием и подогревом.

Ростки салата выращивали в контейнерах с питательным раствором разработанной формулы, которые помещали в климатическую камеру с контролем влажности и температуры, оснащенную светодиодным освещением. Питательный раствор непрерывно аэрировали для поддержания концентрации кислорода выше 15 мг/л. Электропроводность (EC) составляла 3,1 ДС/м; Значения рН достигали 5,5-6,5. Температура воздуха в камере составляла 24-26°C, влажность поддерживалась на уровне 70%, уровень потока фотосинтетических фотонов (PPF) составлял 275 ммоль·м^-2·с^-1.

Салат опытной и контрольной группы случайным образом отбирали для по 10 растений в 3 повторностях после 14 дней культивирования, затем растения взвешивали и регистрировали после промывки.

При использовании разработанной композиции питательного раствора для гидропонного выращивания позволило получить хорошо развитые ростки салата, у которого при сравнении с контрольной группой доля сухой биомассы была выше на 22,7%, а сырая масса корневой системы больше на 65% (табл. 1).

Пример 2.

Композиция питательного раствора для гидропонного выращивания I содержит (г/100л): нитрат калия (KNO₃) 38.0, нитрат аммония (NH₄NO₃) 10.7, монофосфат калия (KH₂PO₄) 44.0, шестиводный нитрат магния (Mg(NO₃)₂⋅6H₂O) 31.5, четырехводный нитрат кальция (Ca(NO₃)₂⋅4H₂O) 78.6, сульфат калия (K₂SO₄) 6.7, семиводный сульфат магния (MgSO₄⋅7H₂O) 39.0, молибдат аммония ((NH₄)₆Mo₇O₂₄) 0.14, борную кислоту (H₃BO₃) 0.12; комплексы биометаллов с оксиэтилидендифосфоновой кислотой (ОЭДФ): железа (II) 1.1, марганца 0.45, цинка 0.12, меди 0.1.

Питательный раствор II получают аналогично примеру 1 внесением компонентов состава в указанных выше концентрациях. Ростки пшеницы выращивали в условиях аналогичных примеру 1 и использовали композицию питательного раствора II. Прирост доли сухой биомассы по сравнению с контрольной группой на 5,9% и сырой массы корней на 22,5%. При этом растения демонстрировали повышенную устойчивость к стрессовым условиям - питательному голоданию во время завершающегося периода культивирования при значительном снижении питательных элементов в растворе по сравнению с растениями, выращенными на контрольном питательном растворе. Проросшие сеянцы в контрольном варианте быстро потеряли тургор, что привело к их полеганию, в то время как сеянцы, выращенные с использованием фосфонатов микроэлементов, сохраняли упругость и здоровый вид без признаков хлороза до окончания вегетативного цикла.

Использование питательного раствора обеспечило хорошее развитие растений, образование у них сильной корневой системы и высокую устойчивость к депривации в течение всего вегетационного периода. Полученные результаты свидетельствуют о достижении высокой эффективности питательного раствора для гидропонного выращивания сельскохозяйственных культур.

Использование изобретения обеспечит устойчивость растений к стрессу, повышение урожайности и качества сельскохозяйственной продукции.