Физиологические принципы технологии гуминовых препаратов на примере гумата калия

На основании большого количества работ в Мире, (в том числе Л. А. Христевой) можно прийти выводу, что применение гуминовых препаратов, которые изучались до последнего времени, имеет двоякое значение.

С одной стороны, они оказывают влияние на физические и химические свойства почвы, с другой — непосредственно воздействуют на жизнедеятельность высший растений и микроорганизмов.

Характер действия гуминовых удобрений зависит от их физико-химического состояния. Если гуминовые удобрения вносятся в больших дозах, гуминовая кислота в них находится в виде геля или переходят под влиянием реакций взаимодействия с почвой, то они улучшают химические и физико-химические свойства почвы. Если же они вносятся в малых дозах в ионно-дисперсном состоянии и остаются в почве в таком состоянии, то гуминовая кислота усваивается высшими растениями, включается в обмен веществ растительного организма, улучшает кислородное питание и повышает жизнедеятельность этого организма.

В обоих случаях в конечном итоге получается повышение урожая сельскохозяйственных культур.

При локальном внесении в почву удобрений, содержащих гуминовую кислоту в таком физико-химическом состоянии, когда она проявляет сорбентные свойства, возможен и третий путь повышения урожайности. Этот принцип состоит в том, что гуминовые вещества, адсорбируя из почвы веществ, улучшают питательный режим растения и микрофлоры.

В зависимости от свойств почвы и биохимических особенностей растений будет преобладать то одна, то другая сторона действия гуминовых удобрений. На почвах с плохими физическими и физико-химическими свойствами — первая и третья, причем удобрения на такие почвы, должны вноситься в состоянии геля в больших дозах под вспашку или в малых— локально.

На почвах с лучшими физическими свойствами, содержится много кальция и поэтому бедными подвижной формой гуминовых кислот, имеет преимущество применение растворимых гуминовых удобрений в малых дозах.

На песчаных почвах рационально применение всех видов гуминовых удобрений. Эти почвы, как известно, чрезвычайно бедны гумусом, имеют плохие физические свойства и малую емкость поглощения, в них почве совсем отсутствуют физиологически активные вещества, представителем которых и является растворимая гуминовая и фульвовая кислота.

Настоящая работа посвящена разработке вопросов технологии гуминовых удобрений, основным фактором действия которых является растворимая гуминовая, фульвовая и ульминовая кислота.

Физиологически активные свойства гумата калия. Задачи технологии гуминовых удобрений

Гумат Калия + Фосфор «Agro.Bio» в ионно-дисперсном состоянии и в концентрациях тысячных и десятитысячных долей процента стимулируют рост растений в особенности корневой системы, в концентрациях выше сотых — тормозят.

В основе стимулирующего действия Гумат Калия + Фосфор «Agro.Bio» лежит то, что он, будучи в ионно-дисперсном состоянии, усваивается высшими растениями и используется ими на определенных этапах развития для усиления фенолазной окислительной системы. Степень проявления стимулирующего действия гуминовой и фульвовой кислоты на жизнедеятельность высших растений связана с уровнем минерального питания. Недостаток азота в составе минеральной пищи лимитирует ее физиологическое действие, и некоторое снижение уровня фосфатного питания — даже повышает.

Физиологическое действие малых доз Гумат Калия + Фосфор«Agro.Bio» особенно заметен на начальных этапах развития.

Из этих физиологических положений вытекают главнейшие технологические задачи:

• регулирование растворимости гуминовых и фульвовых кислот в сырье и подбор для этой цели соответствующих компонентов;
• сочетание в едином комплексе источников минеральной и органической пищи, способных удовлетворить потребность в ней растений на ранних этапах развития.
  

Опыт показал, что решение этой задачи может быть двояким, а именно:

получение растворимых гуматов и внесение их в виде раствора совместно с другими удобрениями, или же получение органо-минеральных удобрений, в которых наряду с минеральными элементами содержались бы такие формы гуматов, которые переходят в раствор постепенно в нужной для растения концентрации.

Производство растворимых гуматов для удобрения

Учитывая качество и полезность, оказалось наиболее целесообразным избрать для удобрения Гумат Калия + Фосфор «Agro.Bio». Мы поставили перед собой цель найти такой способ производства, при котором полученный продукт мог транспортироваться в концентрате и уже на месте переводиться в раствор.

Выход на биологическую активность гуматов калия при такой обработке иллюстрирует табл. 1.

Таблица 1

Биологическая активность водных вытяжек гумата калия, обработанного 5% раствором KaOH

Для определения биологической активности 5—7-дневные проростки ячменя высаживаются в водные культуры по схеме: 1) дистиллированная вода, 2) 0,001% раствор гумата калия. Проба считается положительной, когда разность между средней длиной корней растений, высаженных на гумат калия и высаженных на воду, превышает среднюю квадратическую ошибку варианта не менее чем в 3 раза. Средняя выводится из 6 измерений. Измерения на 14-й день опыта.

Приведенные данные показывают, что практически гумат калия можно экстрагировать водой до 10 раз, подвергая его двукратному кипячению, при этом выход гуминовой кислоты из 1кг сырья в пересчете на 1 °с раствор составит 10 л.

Поэтому укажем только, что двух-трехкратное внесение с поливными водами гумата калия в концентрации 0,001—0,002% повышает урожай овощей в среднем на 20% и способствует улучшению роста культур лесоразведения.

Все это говорит о перспективности применения Гумат Калия + Фосфор «Agro.Bio» в качестве удобрения во многих областях Украины. В то же время, нужно учитывать, что применение его имеет ряд ограничивающих факторов, а именно: применяться исследуемое удобрение может только в поливных условиях, действие его кратковременное, так как оно в почве не накапливается, в почвах, богатых растворимыми солями двух- и трехвалентных металлов, оно будет переходить в не усвояемую форму и инактивироваться.

Все это заставляет поставить вопрос о создании такой формы гуминового удобрения, в которой гуминовая кислота, растворяясь в нужной концентрации, переходила бы в раствор постепенно на протяжении всего вегетационного периода, сочетаясь при этом с минеральной пищей.

Производство органо-минеральных гуминовых удобрений

Ставя перед собой задачу разработать такие виды гуминовых удобрений, главным фактором эффективности которых является присутствие в них малых количеств растворимой гуминовой кислоты, мы пришли к выводу, что основным принципом технологии гуминовых препаратов должно быть регулирование растворимости гуминовых кислот в сырье. Наши работы показали, что оптимальная для жизнедеятельности растений концентрация гуминовой кислоты в растворе наступает при pH 7,2—7,3. Поэтому главным критерием при разработке новых форм гуминового удобрения стало регулирование реакции его до указанного pH.

Учитывая, что действие гуминовой кислоты наиболее эффективно в начальный период развития растения, а также и то, что участие гуминовой кислоты в питании высших растений не исключает минеральной пищи, а лишь дополняет ее, мы стремились обогатить наш тук небольшим количеством азота и фосфора, которое могло бы быть использовано растением совместно с гуминовой кислотой лишь в начальный период его развития. Оказалось, что наиболее удобно применить в этих целях азот (N) и водный суперфосфат. Являясь регуляторами растворимости, они в то же время могут служить и источником пищи растения.

Характеристика удобрений, с которыми были заложены вегетационные опыты, представлена в табл. 2.

Вегетационный опыт с этими удобрениями был заложен 23. 04. 2018 г.

Он преследовал в основном такие цели: подтвердить экспериментально значение растворимости гуминовых кислот в органо-минеральном удобрении и найти оптимальное сочетание компонентов для их приготовления.

Опыт был заложен в 2 вариантах: в первом варианте все удобрения, содержащие фосфор, были внесены из расчета 0,25 г Р₂О₅ на сосуд емко- 6 кг воздушно-сухой почвы, а не содержащие — в таком же весовом количестве. Удобрения смешивались перед набивкой со всем объемом почвы.

Во втором варианте удобрения вносились в количестве в десять раз меньшем, и давались только под семена. Опытная культура—ячмень, Повторность трехкратная. Полив до 60% от полной влагоемкости. Точность опыта 2,1 %.

Из таблицы 3, в которой приведены данные урожая этого опыта, видно, что при внесении удобрений по содержанию в них Р₂О₅ из расчета 9.25 г на сосуд лучшие результаты дали гранулированные органо-минеральные удобрения. Гранулы, нейтрализованные до слабощелочной реакции во всех случаях, за исключением препарата 5/3, где они оказались более эффективными, чем не нейтрализованные. Из нейтрализованных гранул лучшие результаты дал препарат 2/3, худшие — 5/3.

Эти выводы в общем совпадают с выводами из той части опыта, в котором Гумат Калия + Фосфор «Agro.Bio»вносился под семена в количестве, в 10 раз меньшем. Более высокую эффективность в этом случае дали препараты 1/3 и 5/3.

Таблица 2

Примечание: 1) вариант с удалением гипса достигался получением водной вытяжки из суперфосфата.

Таблица 3

Эффективность гуминовых удобрений в зависимости от способа производства

( По вегетационному опыту 2018 г. с ячменем)

* В скобках показан вес в граммах на сосуд.

Полученные результаты можно объяснить ролью растворимых гуминовых и фульвовых кислот в питании растений. В том случае, когда испытуемые препараты вносились по содержанию в них фосфора, а содержание его в навеске было незначительным, их пришлось давать в больших количествах. Следовательно, в сосуд попадало и большее количество растворимых гуминовых и фульвовых кислот. Так как с увеличением концентрации растворимых гуминовых и фульвовых кислот выше определенного предела их эффективность падает, то вполне естественно, что в первом варианте лучшие результаты дали те препараты, в которых растворимость гуминовых кислот была ниже. Таким удобрением был препарат 2/3. В нем гипс не удалялся, и поэтому часть кислот образовала гуматы кальция и перешла в нерастворимое состояние, количество же растворимых гуматов уменьшилось, приблизившись к оптимальному.

Во втором варианте, где удобрения вносились в количествах, в 10 раз меньших, картина получалась обратная. Более высокий эффект дали те препараты, из которых гипс был удален. Очевидно, эти препараты, при условии внесения их в меньших дозах, содержали то количество растворимых гуминовых и фульвовых кислот, которое более соответствует потребностям растения. В общем результаты этого опыта подтвердили значение регулирования растворимости гуминовой и фульвовой кислоты в эффективности органо-минеральных удобрений и позволили найти оптимальный вариант такого удобрения.

Необходимо подчеркнуть, что приведенные расчеты ни в коем случае нельзя механически переносить на другие виды сырья. Их необходимо восстанавливать экспериментальным путем.

Вегетационные опыты, поставленные в 2019 г., показали, что эффективность Гумат Калия + Фосфор «Agro.Bio» не зависит от того, что расходовалось для его изготовления—ортофосфорная кислота или водная вытяжка из суперфосфата. Больше того, когда в производственных опытах 2020 г. при изготовлении Гумат Калия + Фосфор «Agro.Bio» вместо водной вытяжки из суперфосфата применили присыпку пылевидную суперфосфатом из того же примерно расчета, то оказалось, что этот препарат, лишь на немного менее эффективен, чем полученный с помощью водной вытяжки. Очевидно, такое количество кальция которое вводится в гумат калия с 6—8 кг суперфосфата на центнер тука. вызывает значительной коагулянт и гуминовых кислоты не сказывается существенно на их усвояемости. (В вегетационном опыте, который описан выше, на 1 ц тука давали 24 кг суперфосфата): Все же нужно отметить что вариант, когда гумат калия готовят путем смачивания кислотным раствором, имеет преимущество. Оно, прежде всего, сказывается на равномерности химического состава тука.

Химический состав гумата калия и факторы его эффективности

Для производственных испытаний гуминовых удобрений, которые производились в Херсонской области в 2019 и 2020 гг., были изготовлены пробные партии Гумат Калия + Фосфор «Agro.Bio». Данные анализа этих удобрений приведены в табл.4. Они показывают, что содержание усвояемых форм фосфора и азота были во всех партиях примерно одинаковыми.

Следует указать, что фосфор в гумате калия распределяется несколько неравномерно, что зависит от размера частиц удобрения. Его было больше в более мелких фракциях. Средний химический состав минеральной части гумата калия иллюстрирует табл. 5.

Таблица 4

Содержание усвояемых форм азота и фосфора в гумофосе различных способов изготовления

(В % на навеску при влажности в момент изготовления)

Примечание: В 2019 г., для приготовления гумофоса использовалась ортофосфорная кислота, а в 2020 г.—суперфосфат.

Таблица 5

Средний химический состав гумата калия

(в % на абсолютно сухую навеску)

Примечание: N определялся по Кьельдолю P₂O₅весовым способом по Лоренцу.

Из этой таблицы видно, что общее содержание азота в нем довольно незначительно превосходит содержание фосфора. Однако, если сравнить количества этих компонентов в усвояемой форме, то картина получается обратная. Полученные данные можно объяснить так: торф, служащий жженым сырьем для производства Гумата Калия + Фосфор «Agro.Bio», содержит всего около трех процентов азота и пол процента фосфора, причем почти весь этот азот находится в недоступной форме, фосфор же растворяется лучше, при производстве Гумат Калия + Фосфор «Agro.Bio», как уже говорилось выше, сырье, обрабатывается малым количеством азота(N).Есть основание полагать, что этот азот связывается прежде всего с карбоксильными группами гуминовых кислот и затем легко гидролизуется 0,5 n H₂SO₄.

При обработке тука ортофосфорной кислотой реакции, вероятно, проходят так: фосфорная кислота реагирует прежде всего с каким-то количеством азота или гумата аммония, а затем с самим сырьем. В результате этих реакций гумат калия обогащается Р₂О₅,часть которой остается в усвояемой форме. Было замечено, что если одинаковым количеством суперфосфата обработать сырье без нейтрализации азота и после таковой, то количество воднорастворимости Р₂О₅ во втором случае всегда снижается. Возникает вопрос, почему в сырье, предварительно обработанном азотом, фосфор суперфосфата связывается более прочно? Ответ можно получить, если предположить, что при изготовлении гумата калия имеет место такая реакция:

Са(Н₂РО₄)₂ + N = СаНРО₄ + NH₂PO₄

Из этой реакции видим, что часть воднорастворимого монофосфата кальция переходит в дифосфат, который, как известно, относится к кислотно-растворимым соединениям.

В связи с тем, что в природе эффективности органо-минеральных удобрений мы придаем большое значение растворимости гуминовых и фульвовых кислот, было проведено изучение форм гуминовой и фульвовый кислоты в гумате калия. Испытывались различные растворители и разные условия извлечения. Результаты этого анализа представлены в табл. 6.

Таблица 6

Растворимость гуминовых и фульвовых кислот в гумате калия

Примечание: навески гумата калия после обработки растворителями в соотношении 1: 10 оставляли на сутки, после чего растворы сливали и в них калориметрически определяли содержание гуминовой кислоты. В качестве стандарт» брали раствор, извлекаемый при кипячении 2% раствором KOH, в котором определяли титр по углероду.

Данные этой таблицы показывают, что гуминовая и фульвовая кислота в гумате калия находится в полидисперсном состоянии. С агрономической точки зрения чрезвычайно важно то, что даже на холоде в такие растворители, как вода, переходит такое количество гуминовой и фульвовой кислоты, которое может служить источником питания физиологически активными органическими соединениями.

В связи с тем, что в такой полидисперсной системе, как гуминовая и фульвовая кислота, всегда возможны взаимные переходы из одной степени дисперсности в другую, есть основания полагать, что по мере использования наиболее растворимых форм гуминовой кислоты они будут пополняться за счет других фракций.

Что же касается другой возможности, то есть обратного перехода гуминовой и фульвовой кислоты из наиболее растворимых форм в менее растворимые, то эта опасность нам предоставляется не очень значительно во всяком случае для каштановых почв юга Украины. Дело в том, что высокодисперсные формы гуминовой и фульвовой кислоты при малых концентрациях оказались весьма устойчивыми к коагуляции. Однако концентрация усвояемых форм гуминовой и фульвовой кислоты, которая будет создаваться в почвенном растворе при внесении в почву гумата калия, прежде всего зависит от состава почвенных катионов. Это обстоятельство нужно учитывать, как при анализе эффективности гуминовых препаратов на разных почвах, так и при уточнении технологии для разных почв. Наши нормативы были разработаны для всех областей Украины.

В связи с тем, что азот и фосфор, входящие в состав гуминовых препаратов, призваны служить источником минеральной пищи в начальном периоде развития растений, возникла необходимость установить, как же эти элементы будут усваиваться растениями.

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, в 2020 г. был заложен вегетационный опыт в песчаных и почвенных культурах.

Опыт в песчаных культурах закладывался на смеси, в которой фосфор давался в виде буферной смеси Соренсена. В смеси азот и фосфор последовательно замещались на азот и фосфор гумата калия. Последний вносился, исходя из содержания в нем растворимых в 0,5n H₂SO₄форм этих элементов. В почвенных культурах удобрение давали из расчета 0,15 г усвояемого азота и фосфора на 1 кг почвы. Минеральные удобрения вносили в виде сульфат-аммония и суперфосфата. Все удобрения в этих вариантах смешивались со всем объемом почвы.

Для того, чтобы изучить действие уже готового препарата Гумат Калия + Фосфор «Agro.Bio» как стимулятора роста или, то же самое, как источника питания растений физиологически активными органическими веществами, в опыт был введен еще один вариант. В нем гумат калия в количестве 20 г на сосуд вносился локально (под корень) на фоне полной питательной смеси или по «NP» в почвенной культуре. Так как эта доза гумата калия содержала некоторое количество фосфора и азота, то к этому варианту был дан дополнительный контроль, в котором минеральные вещества, эквивалентно содержанию их в гумате калия, вносились также локально.

Опытная культура — помидоры, повторность 4-кратная, емкость сосудов: песка — 12 кг, почвы — 9 кг. Полив производился до 70% полной влагоемкости водопроводной водой. Набивка сосудов была сделана 13.04. 2020 г., посадка рассады — 10 мая. Результаты опыта в песчаных культурах представлены в табл. 7.

Таблица 7

Эффективность гумата калия в качестве источника питания и стимулятора роста

(По вегетационному опыту с помидорами в песчаных культурах 2020 г,)

Примечание: Опыт не был доведен до полного плодоношения и убран после покраснения плодов первой кисти.

Из табл. 7 видно, что гумат калия, внесенный как источник азота и фосфора, усваивается растениями не хуже, чем из минеральных удобрений. То, что урожай по этому варианту несколько выше соответствующих минеральных контролей, не дает еще права говорить о повышенной усвояемости растениями этих удобрений, так как это явление может объясняться и тем, что гумат калия вносился из расчета не общего содержания питательных веществ в нем, а растворимых в 0,5 n H₂SO₄.

Особенно резко сказалось влияние Гумата Калия +Фосфор «Agro.Bio» на урожай помидоров при внесении его на фоне полной питательной смеси. Однако нужно отметить, что полученный эффект в этом варианте также нельзя отнести только за счет собственно стимулирующего влияния этого удобрения. Здесь сыграла свою роль, и другая сторона действия гуминовых удобрений, а именно — их значение как буферной системы при повышении осмотического давления в почвенном растворе.

В этом опыте мы наблюдали, что растения варианта, в котором гумат калия был внесен локально, с первых же дней после пересадки рассады в сосуд чувствовали себя прекрасно, тогда как внесение даже небольших количеств минеральных удобрений под корень довольно долго угнетало рассаду. Результаты опыта в почвенной культуре представлены в табл. 8.

Как видим, в общем данные опытов в почвенных культурах согласуются с данными опыта в песчаных культурах, и выводы последних могут быть распространены и на этот опыт.

Нами неоднократно замечалось, что гуминовая и фульвовая кислота способствует использованию фосфора растением. Для того, чтобы проверить, оказывает ли такое же влияние гумат калия, был проведен еще один опыт в песчаных культурах, в котором в качестве индикатора заменили изотоп фосфора—Р³².

Таблица 8

Эффективность гумата калия как источника минерального питания и стимулятора роста растений

(Вегетационный опыт с помидорами в почвенных культурах 2020 г.)

Этот опыт был заложен параллельно выше описанному, по той же методике, только в вариантах —гумат калия как источник фосфатного питания и минеральный контроль к нему, в момент набивки сосудов внесли Р₃₂ в виде раствора соли К₂НРО₄из расчета 100 ʮ Cu на сосуд.

Так как опыт рассчитывали довести до плодоношения для того, чтобы поднять активность препаратов в конце опыта, 28 июля растения были дополнительно политы раствором К₂НРО₄ из расчета 50. Cuна сосуд. Отсчет импульсов в препаратах произвели 26 июля и 28 августа. Препараты готовили путем высушивания ткани разных органов растений при температуре 110° С. Пробы для отсчетов брали после тщательного измельчения материала.

Таблица 12

Влияние гумата калия на поступления Р³² в растение

(По опыту с помидорами в песчаных культурах 2020г.)

Импульсов на 100 мг сухого вещества в минуту

Видно, что гумат калия не только способствует успешному поступлению фосфора в растение, а также сказывается на распределении Р³² его органах. Если в более ранний период развития помидоров под влиянием гумата калия усиливается отток Р³² в листья, то на более поздней стадии развития, когда растение плодоносит, он повышает приток фосфора в плоды.