Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ РОСТА РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ НЕДОСТАТКА ВЛАГИ

Область техники

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для поддержания роста растений в условиях недостатка влаги.

Уровень техники

В настоящее время, в связи с изменением климата и быстрым ростом населения наиболее остро встают вопросы получения урожая выращиваемых культур в условиях недостатка влаги. Известно два направления для повышения засухоустойчивости растений - изменение свойств почвы и улучшение засухоустойчивости непосредственно растений. Примером первого направления являются это технологии позволяющие повысить водоудерживающую способность почв или снизить уровень испарения влаги из почвы. Для повышения водоудерживающей способности почв используют специальные сорбенты (Данилова и др., 2018), полимерные гели (Данилова 2019; Neethu et al., 2018), специальные мелиоранты (Мисников и др. 2020; Gondim, et al. 2018).

Известен патент RU2029003C1 «Способ уменьшения расхода воды на полив», заявка от 1992-01-23, где предлагается добавлять в почву щелочной раствор производного карбоксилметил-целлюлозы. В результате использования этого отхода целлюлозно-бумажной промышленности на поле образуется пленка снижающая испарение влаги, что позволяет экономить воду на полив. Известна заявка на патент JPS 6279286А «Молотый инъекционный агент, обладающий повышенной прочностью», где предлагается использовать смесь коллоидного кремния и солей (NaCl или KCl) для повышения прочности почвы, однако эта заявка не относится к области выращивания растений в условиях дефицита влаги, а посвящена укреплению и защиты растений в условиях солевого стресса.

Предлагается так же использовать защитную пленку для снижения уровня испарении влаги из почвы (заявка ФРГ N 3204537, кл. С05К 17/00). Однако такой способ защиты почвы не пригоден для условий массового полеводства, т.к. расстелить подобную пленку по всей поверхности поля затруднительно, а прикрепление такой большой пленки к почве по всей площади поля само по себе представляет технически сложную задачу. Для снижения уровня испаряемости влаги из почвы используют различные покрытия, включая пластик (Wang et al., 2020) или мульчу (Li et al., 2018), внесение специальных микроорганизмов (Zheng 2018), а также использование капельного орошения (Adams & Zeleke, 2017). Однако эти приемы так же часто не достигают необходимого уровня повышения засухоустойчивости растений. Поскольку проблема повышения засухоустойчивости растений является актуальной не только для современного мира, но и в прошлом, то различные технологии предлагались и раньше. Так в первой половине прошлого века предлагали использовать специальное закаливание растений против засухи (П.А. Генкель и С.С. Колотова, 1934). В последнее время уделяется большое внимание на возможность изменения растений на генном уровне для повышения их засухоустойчивости (Wang, Qin, 2017).

В современном сельском хозяйстве предлагается использование как неорганических соединений (Верниченко и др., 2015; Taran et al., 2017), так и органических веществ (Ошкин, 2017), которые могут напрямую повысить засухоустойчивость растений. Одним из наиболее упоминаемых способов повышения засухоустойчивости сельскохозяйственных растения является использование кремний-содержащих соединений (Матыченков и др. 2007, Rastogi et al., 2019; Li et al., 2007; Verma et al., 2019; Tayyab et al., 2018). Однако использование таких препаратов так же сопряжено как с низкой эффективность, так и дороговизной.

Целью данного изобретения является улучшение роста растений в условиях недостатка влаги.

Поставленная задача решается за счет того, что разработан способ предусматривающий внесение в почву средства представляющего собой смесь кремнийсодержащего материала, в который дополнительно включают соль натрия, входящую в группу, состоящую из хлорида натрия, сульфата натрия.

В качестве кремнийсодержащего материала используется аморфный тонкодисперсный диоксид кремния с площадью поверхности от 30 м² на грамм и выше. Состав средства для внесения в почву содержит следующее массовое соотношение компонентов кремнийсодержащего материала и соли натрия: от 30/1 до 1/1.

Технический результат состоит в том, что заявленный способ повышения засухоустойчивости растений и снижения риска снижения урожая от недостатка влаги в вегетационном периоде.

Сущность изобретения

Предметом настоящего изобретения является способ поддержания роста растений в условиях недостатка влаги, предусматривающий предпосевное внесение в почву смеси кремнийсодержащего материала, в которую дополнительно включают соль натрия входящую в группу, состоящую из хлорида натрия, сульфата натрия. Кремнийсодержащий материал представляет собой аморфный диоксид кремния с площадью поверхности не менее 30 м²/г. Аморфный диоксид кремния выбирают из группы, включающей синтетические компоненты, отходы промышленности. При этом массовое соотношение аморфного диоксида кремния и соли натрия, составляет от от 30/1 до 1/1. Значение массы соли натрия, в составе средства, выбирают с учетом типа выращиваемого растения. При этом выбирают значение массы соли натрия, величина которой не превышает значение массы соли натрия, поглощаемой из почвы растениями в процессе их выращивания. Согласно способу предпосевную обработку почвы проводят средством, выполненным в виде сухой смеси соединений кремния и соли натрия при расходе средства расходе средства в пределах от 10 до 500 кг/га.

Описание изобретения

При изучении способов снижения потерь массы растений в условиях недостатка влаги было обнаружено, что внесение в почву смеси кремниевых препаратов и соли натрия позволяло получить синергетический эффект способствующий лучшему развитию корневой системы растений при оптимизации их кремниевого питания и снижения испаряемости влаги из почвы, происходящей при внесении соли натрия.

Известно, что натрий считается важным микроэлементом для питания растений (Битюцкий, 2021). Общее содержание натрия в растениях варьирует от 0.001 7500 мг/кг и со среднего содержания Na 241.1±60.74 на сухую массу (Kumar et al., 2018). Содержание натрия в основных сельскохозяйственных культурах и вынос его с гектара представлен в таблице 1.

Применение в средстве двух компонентов кремний-натриевой смеси с разными свойствами способствует лучшему развитию корневой системы растений за счет повышения водоудерживающей способности почвы

Для получения доказательства возможности получения синергетического эффекта способствующему лучшему развитию корневой системы растений при оптимизации их кремниевого питания и снижения испаряемости влаги из почвы, происходящей при внесении соли натрия, был проведен ряд вегетационных экспериментов с использованием следующих кремнийсодержащих соединений: аморфный диоксид кремния марки А-300 (ООО Силика, Россия), микросилику металлургического комбината (Металлургический комбинат «Кузнецкие ферросплавы», г. Новокузнецк, Россия) и химически чистого соли была использована химически чистый хлорид натрия или сульфат натрия. Были изготовлены следующие смеси:

1. Микросилика : NaCl 10:1,

2. Микросилика : Na₂SO₄ 10:1,

3. Микросилика : NaCl 30:1,

4. Диоксид кремния (300 м²/г) : NaCl 10:1,

5. Диоксид кремния (300 м²/г) : Na₂SO₄ 10:1,

6. Диоксид кремния (300 м²/г) : NaCl 30:1.

Все первоначальные препараты и смеси были размолоты до размера частиц 0,1 мм.

Ниже приведены примеры, которые включают, но не ограничивают выбранных параметров средства и его применения в условиях недостатка влаги.

Пример 1

Вегетационный эксперимент проводили с использованием торфа в качестве почвенной матрицы и культурой ячменя (Hordeum vulgare сорт Московская 9) в пластиковых сосудах объемом 1 литр. Перед экспериментом провели предварительные испытания для установления оптимального уровня полива. Для этого один раз в день проводили полив растений водой в количестве 30, 40, 50, 60 и 70 мл на один сосуд. После трех недель вегетации определяли накопление наземной сухой биомассы в расчете на 10 растений, которое составило 0,56±0,07, 0,69±0,05, 0,74±0,04, 0,73±0,04, и 0,72±0,04 г соответственно для различных норм орошения. Наибольшее накопление биомассы растениями наблюдали в варианте, когда в сосуд добавляли 50 мл воды. Это количество воды в день на сосуд, было принято, как 100% норма полива в нашем эксперименте.

Следующие дозы приготовленных смесей были использованы:

1) Смесь №1 - 100 кг/га (что соответствует 0,1 г на сосуд и дозе микросилики - 90 кг/га и хлорида натрия - 10 кг/га),

2) Смесь №1 - 200 кг/га (что соответствует 0,2 г на сосуд и дозе микросилики - 90 кг/га и хлорида натрия - 10 кг/га),

3) Смесь №2 - 100 кг/га (что соответствует 0,1 г на сосуд и дозе микросилики - 90 кг/га и сульфата натрия - 10 кг/га),

4) Смесь №2 - 200 кг/га (что соответствует 0,2 г на сосуд и дозе микросилики - 90 кг/га и сульфата натрия - 10 кг/га),

5) Смесь №4 - 100 кг/га (что соответствует 0,1 г на сосуд и дозе аморфного кремнезема- 90 кг/га и хлорида натрия - 10 кг/га),

6) Смесь №4 - 200 кг/га (что соответствует 0,2 г на сосуд и дозе аморфного кремнезема - 180 кг/га и хлорида натрия - 20 кг/га),

7) Смесь №6 - 100 кг/га (что соответствует 0,1 г на сосуд и дозе аморфного кремнезема - 96,8 кг/га и хлорида натрия - 3,2 кг/га),

8) Смесь №6 - 200 кг/га (что соответствует 0,2 г на сосуд и дозе аморфного кремнезема - 193,6 кг/га и хлорида натрия - 6,4 кг/га),

9) Микросилика - 90 кг/га (что соответствует 0,09 г на сосуд),

10) Микросилика - 193,6 кг/га (что соответствует 0,193 г на сосуд),

11) Аморфный диоксид кремния - 90 кг/га (что соответствует 0,09 г на сосуд),

12) Аморфный диоксид кремния - 193,6 кг/га (что соответствует 0,193 г на сосуд),

13) Хлорид натрия - 5 кг/га (что соответствует 0,005 г на сосуд),

14) Сульфат натрия - 5 кг/га (что соответствует 0,005 г на сосуд),

15) Хлорид натрия - 20 кг/га (что соответствует 0,02 г на сосуд).

Все эксперименты проводили в 3-х кратной повторности.

Соединения кремния и хлорид натрия вносили в почву перед посадкой семян. Семена ячменя после обеззараживания в 0,3% растворе перекиси водорода помещали в сосуды в количестве 10 семян на сосуд. Полив проводили из расчета 50 мл на сосуд в день для 100%, 40 мл на сосуд в день для 80% полива, 30 мл на сосуд в день для 60% полива и 20 мл на сосуд в день для 40% полива соответственно. Температуру в теплицах поддерживали равной 22-24°С днем и 20-22°С ночью.

Каждые 10 дней определяли влажность грунта с использованием влагометра GMP-4A. Через 4 недели после начала эксперимента растения извлекали из почвы и определяли сухую биомассу корней и надземной части ячменя после их высушивания при температуре +65°С в течение 7 часов. Все измерения проводили в 3-х кратной повторности.

Данные об изменении влажности почва представлены в таблицах 2А и 2Б. Влажность торфа при 100% поливе была одинакова для всех вариантов. Однако при снижении уровня полива происходило увеличение влажности грунта при внесении хлорида натрия по сравнению с контрольным вариантом. При этом влажность грунта увеличивается при увеличении дозы NaCl. Предполагается, что это связано с тем, что соль снижает испаряемость влаги.

В таблицах 3А и 3Б показаны данные о величине сухой биомассы надземной и подземной части ячменя при различных уровнях полива, которые моделируют засуху, резко понижало биомассу растений (с 0,68 до 0,42 г на 10 растений для корней и с 0,75 по 0,41 г на 10 растений для надземной части растений).

Использование кремний-содержащих препаратов существенно повысило биомассу растений при снижении уровня полива, так при снижении уровня полива на 40%, биомасса растений при использовании Аэросила А-300 в дозе 193,6 кг/га привело к увеличению корневой массы с 0,42 г на 10 растений (для контроля) до 0,79 г на 10 растений и для надземной части растений с 0,41 до 0,72 г на 10 растений.

Использование только хлорида натрия не приводило в существенному увеличению биомассы растений. Однако максимальное увеличение биомассы растений было отмечено при совместном внесении кремний-содержащих препаратов и хлорида натрия. Предполагается, что обусловлено как 1) снижению уровня испарения влаги, которая связывалась солями натрия и 2) повышению уровня засухоустойчивости растений связанное с повышением уровня кремниевого питания растений.

Пример 2

Второй вегетационный эксперимент проводили с использованием серой лесной почвы (рН=6.5, Сорг=1,4, содержание песка - 15%) в качестве почвенной матрицы и культурой сахарной свеклы (Beta vulgaris L. Сорт Богема) в пластиковых сосудах объемом 1 литр. Перед экспериментом провели предварительные испытания для установления оптимального уровня полива. Для этого один раз в день проводили полив растений водой в количестве 30, 40, 50, 60 и 70 мл на один сосуд. После трех недель вегетации определяли накопление наземной биомассы (сухой вес) в расчете на одно растение, которое составило 0,36±0,03, 0,35±0,05, 0,41±0,04, 0,40±0,04, и 0,37±0,04 г на 10 растений соответственно для различных норм орошения. Наибольшее накопление биомассы растениями наблюдали в варианте, когда в сосуд добавляли 50 мл воды. Это количество воды в день на сосуд, было принято, как 100% норма полива в нашем эксперименте.

Следующие дозы приготовленных смесей были использованы:

1) Смесь №1 - 100 кг/га (что соответствует 0,1 г на сосуд и дозе микросилики - 90 кг/га и хлорида натрия - 10 кг/га),

2) Смесь №1 - 200 кг/га (что соответствует 0,2 г на сосуд и дозе микросилики - 180 кг/га и хлорида натрия - 20 кг/га),

3) Смесь №2 - 100 кг/га (что соответствует 0,1 г на сосуд и дозе микросилики - 90 кг/га и сульфата натрия - 3,2 кг/га),

4) Смесь №2 - 200 кг/га (что соответствует 0,2 г на сосуд и дозе микросилики - 180 кг/га и сульфата натрия - 6,4 кг/га),

5) Смесь №3 - 100 кг/га (что соответствует 0,1 г на сосуд и дозе аморфного кремнезема- 90 кг/га и хлорида натрия - 10 кг/га),

6) Смесь №3 - 200 кг/га (что соответствует 0,2 г на сосуд и дозе аморфного кремнезема - 180 кг/га и хлорида натрия - 20 кг/га),

7) Смесь №5 - 100 кг/га (что соответствует 0,1 г на сосуд и дозе аморфного кремнезема - 90 кг/га и сульфата натрия - 10 кг/га),

8) Смесь №5 - 200 кг/га (что соответствует 0,2 г на сосуд и дозе аморфного кремнезема - 180 кг/га и хлорида натрия - 20 кг/га),

9) Микросилика - 90 кг/га (что соответствует 0,09 г на сосуд),

10) Микросилика - 193,6 кг/га (что соответствует 0,193 г на сосуд),

11) Аморфный диоксид кремния - 90 кг/га (что соответствует 0,09 г на сосуд),

12) Аморфный диоксид кремния - 193,6 кг/га (что соответствует 0,193 г на сосуд),

13) Хлорид натрия - 5 кг/га (что соответствует 0,005 г на сосуд),

14) Сульфат натрия - 5 кг/га (что соответствует 0,01 г на сосуд),

15) Хлорид натрия - 20 кг/га (что соответствует 0,02 г на сосуд).

Все эксперименты проводили в 3-х кратной повторности.

Соединения кремния и хлорид натрия вносили в почву перед посадкой семян. Семена сахарной свеклы после обеззараживания в 0,3% растворе перекиси водорода помещали в сосуды в количестве 5 семян на сосуд. Полив проводили из расчета 50 мл на сосуд в день для 100%, 40 мл на сосуд в день для 80% полива, 30 мл на сосуд в день для 60% полива и 20 мл на сосуд в день для 40% полива соответственно. Температуру в теплицах поддерживали равной 24-26°С днем и 21-23°С ночью.

Каждые 10 дней определяли влажность грунта с использованием влагометра GMP-4A. Через 4 недели после начала эксперимента растения извлекали из почвы и определяли сухую биомассу корней и надземной части ячменя после их высушивания при температуре +65°С в течение 7 часов. Все измерения проводили в 3-х кратной повторности.

Данные об изменении влажности почва представлены в таблице 4А и 4БА. Влажность почвы при 100% поливе была повышена при внесении хлорида натрия. Однако максимальный эффект был получен при норме полива 40% от оптимума. Это происходит в связи с тем, что вода с содержанием соли испаряется значительно медленнее, чем дистиллированная вода.

Биомасса сахарной свекла (корни и надземная часть) представлены в таблице 5А и 5Б. Снижение норм полива существенно в контрольном варианте снижает биомассу корней и надземной части сахарной свеклы. Использование хлорида натрия существенно повышает биомассу сахарной свеклы, что связано со снижением испарения поливной влаги. Внесение только кремниевых препаратов имело положительный эффект на биомассу корней и надземной части растений. Причем этот эффект был больше, чем использование только хлорида натрия.

Максимальный эффект на биомассу сахарной свеклы был достигнут при внесении смеси кремниевых препаратов и хлорида натрия. Эффект от внесенного средства связан с синергетическим воздействием на рост растений в условиях недостатка влаги за счет оптимизации кремниевого питания и снижения испаряемости влаги из почвы, происходящей при внесении хлорида натрия.

Промышленная применимость

Применение в средстве двух компонентов кремний-натриевой смеси с разными свойствами способствует лучшему развитию корневой системы растений за счет повышения водоудерживающей способности почвы. Использование предлагаемого способа позволяет:

1. увеличить поддержание роста растений в условиях недостатка влаги и снизить риски гибели урожая.

2. дополнительно позволяет утилизировать кремний-содержащие отходы промышленности.

Типы выращиваемых растений выбирают из группы, включающей пшеницу, кукурузу, ячмень, картофель, сахарную свеклу, сою, люцерну, подсолнечник, хлопок. Промышленная применимость дополнительно подтверждается примерами 1-5.

Источники информации:

1. Битюцкий Н. (2021). Микроэлементы высших растений. 2-е изд. Изд-во СПб ун-та, 2020 - 368 с.

2. Верниченко И.В., Осипова Л.В., Быковская И.А., & Яковлев П.А. (2015). Влияние селена и цинка на засухоустойчивость растений сортов ячменя и их способность нормализовать азотное питание после перенесенной засухи (опыты с 15 N). Агрохимия, (3), 43-55.

3. Генкель П.А., & Колотова С.С. (1934). О предпосевной закалке растений к засухе в условиях вегетационного опыта. Изв. Пермского биол. научно-исслед. ин-та, 9, 1-3.

4. Данилова Т.Н. (2019). Полимерные гели для увеличения водоудерживающей способности почв. In Фундаментальные концепции физики почв: развитие, современные приложения и перспективы (pp. 276-279).

5. Данилова Т.Н., Табынбаева Л.К., Кененбаев С.Б., & Бойко В.С.(2018). Роль абсорбента AQUASORB в улучшении водоудерживающей способности почв. Агрофизика, 2, 1-8.

6. Матыченков В.В., Кособрюхов А.А., Шабнова Н.И., & Бочарникова Е.А. (2007). Кремниевые удобрения как фактор повышения засухоустойчивости растений. Агрохимия, (5), 63-67.

7. Мисников О.С, Гамаюнов С.Н., & Тимофеев А.Е. (2020). Увеличение гидрофильности торфяных гранулированных материалов для обеспечения повышенной влагоудерживающей способности почв. Труды Инсторфа, (22 (75)).

8. Ошкин В.А. (2017). Повышение водоудерживающей способности растений сахарной свеклы, обработанных мелафеном. В: Фундаментальные и прикладные основы сохранения плодородия почвы и получения экологически безопасной продукции растениеводства: материалы Всероссийской научно-практической конференции с Международным участием, посвященной 75-летию проф. А.Х. Куликовой. - Ульяновск: УлГАУ, 2017. УлГАУ.

9. Adams W.R., & Zeleke K.Т. (2017). Diurnal effects on the efficiency of drip irrigation. Irrigation science, 35(2), 141-157.

10. Gondim R.S., Muniz C.R., Lima С.E.P., & SANTOS, C.L.A.D. (2018). Explaining the water-holding capacity of biochar by scanning electron microscope images. Revista Caatinga, 31(4), 972-979.

11. Kumar V., Sharma A., Bakshi P., Bhardwaj R., & Thukral A.K. (2018). Multivariate analysis on the distribution of elements in plants. Acta Physiologiae Plantarum, 40(11), 1-29.

12. Li, Q.F., Ma, С.C, & Shang, Q.L. (2007). Effects of silicon on photosynthesis and antioxidative enzymes of maize under drought stress. Ying yong sheng tai xue bao = The journal of applied ecology, 18(3), 531-536.

13. Li, S., Li, Y., Lin, H., Feng, H., & Dyck M. (2018). Effects of different mulching technologies on evapotranspiration and summer maize growth. Agricultural Water Management, 201, 309-318.

14. Neethu Т.M., Dubey P.K., & Kaswala A.R. (2018). Prospects and applications of hydrogel technology in agriculture. Int. J. Curr. Microbiol. App. Sci, 7(5), 3155-3162.

15. Rastogi A., Tripathi D.K., Yadav S., Chauhan D.K., Zivcak M., Ghorbanpour M.,... & Brestic M. (2019). Application of silicon nanoparticles in agriculture. 3 Biotech, 9(3), 1-11.

16. Taran N., Storozhenko V., Svietlova N., Batsmanova L., Shvartau V., & Kovalenko M. (2017). Effect of zinc and copper nanoparticles on drought resistance of wheat seedlings. Nanoscale Research Letters, 12(1), 1-6.

17. Tayyab M., Islam W., & Zhang H. (2018). Promising role of silicon to enhance drought resistance in wheat. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 49(22), 2932-2941.

18. Verma K.K., Singh R.K., Song Q.Q., Singh P., Zhang B.Q., Song X.P.,... & Li, Y.R. (2019). Silicon alleviates drought stress of sugarcane plants by improving antioxidant responses. Biomed. J. Sci. Tech. Res, 17, 002957.

19. Wang H., & Qin F. (2017). Genome-wide association study reveals natural variations contributing to drought resistance in crops. Frontiers in plant science, 8, 1110.

20. Wang W., Gong Y., & Xing X. (2020). Groundwater evaporation for salt-affected soil under plastic film-covered cultivation condition: a review. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 1-9.

21. Zheng W., Zeng S., Bais H., LaManna J. M., Hussey D.S., Jacobson D.L., & Jin, Y. (2018). Plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) reduce evaporation and increase soil water retention. Water Resources Research, 54(5), 3673-3687.