提高植物产量的肥料和植物生长促进剂以及提高植物产量的方法
发明领域
本发明涉及一种包含碳水化合物、碳酸氢盐和氮肥的肥料，以及使用该肥料种植植物的方法。本发明还涉及一种包含碳水化合物和碳酸氢盐的植物生长促进剂，以及使用该植物生长促进剂种植植物的方法。
发明背景
由于世界各地人口不断增长以及种植粮食的可耕地面积有限，寻找提高粮食产量的方法受到密切关注。众所周知，植物生长需要氮、磷、钾、微量营养素、水和二氧化碳。在三种主要营养素中：氮、磷和钾；需要最高水平的氮来促进最佳生长。例如，根据苏拜亚等人的研究，推荐种植水稻的N:P20s:K20比例为4:2:1{苏拜亚,S.V.等人，“灌溉低地水稻通过营养比实现产量最大化的研究”。国际水稻委员会通讯(FAO)，50(2001)：59-65}。然而，植物(如水稻植株及其谷粒)所需碳远远高于其对氮、磷或钾的需求。所需氮通常高于磷、钾和其他营养。常见情况是，稻谷(带壳的全谷粒)的含碳量为46w/w％或以上，而氮含量仅为1.3w/w％。这些碳和氮值导致稻谷的碳氮比(C:N)为35:1。这一高C:N比表明，促进植物生长和产量所需的碳量远远超过所有其他营养。
人们通常认为，植物通过叶子上的气孔从周围空气中获取二氧化碳。然而，空气中的二氧化碳含量极低(目前约为355ppm)。碳是植物生长中的限制性营养，因此寻找其他方式向植物供应二氧化碳的研究已经进行多年。众所周知，向植物叶子供应气态CO2可增加产量，这是温室园艺的常见做法。
当植物种子第一次发芽时，唯一可用于生长的营养和能量储存在种子中。最初，根部形成，然后是叶子。小幼苗的叶子表面积极小，光合作用受限于叶子能接收的能量以及构建新植物细胞可用的碳。如果对植物进行刺激以在发育早期产生根部，这会使植物生长领先一步，使得植物更有效地吸收营养，包括根部中的碳。本发明使用碳酸氢盐，通过提供碳来刺激植物根部在其发育早期的生长。本发明还为植物根部提供额外可吸收碳和富含能量的碳水化合物，以促进快速生长，这有助于克服早期叶的低表面积，因此进一步促进植物生长。
众所周知，藻类和蓝细菌生长在水环境中，通常称为蓝绿藻，当以气态CO2或碳酸氢盐形式向藻类供应二氧化碳时，可以显著加速其生长。此外，藻类也生长在阴暗环境中，利用糖或淀粉作为能量和碳源。现在，通过本发明，可以开发一种新型肥料，用于向植物根部提供能量和营养，包括二氧化碳。特别是注意到，当在水饱和状态下生长的植物施用此肥料时，可实现迄今为止最高的效率。本发明肥料在种植亲水性植物方面非常有效，所述亲水性植物包括水稻、野生稻(属：茭白)、甘蔗、荸荠、荷花、芋头、蕹菜、豆瓣菜、水芹、竹芋、西米棕榈、尼巴棕榈、湿地型或沼泽型草(如甘蔗杂种)以及其他生物质作物(如落羽杉和桉树)。发明肥料对所有类型的植物种植都有效。这些植物可以用土培或水培。优选农作物，包括玉米、小麦和棉花。
不受任何理论的约束，发明人相信发明肥料可促进植物根部生长。
过去，关于向植物根部供应二氧化碳的研究结果不一。其中一些研究表明，这种做法可促进根部生长以及提高营养吸收。美国专利5044117(US‘117)公开了一种施肥方法，该方法向水培植物根部提供气态二氧化碳和氧气以促进生长。本发明通过碳酸氢盐向水环境中的植物根部提供二氧化碳和氧气，但与US‘117相反，本发明新型肥料包含富含能量的有机化合物以及氮、碳酸氢盐和其他碳化合物。
众所周知，在浸水状态下种植的水稻优选铵基肥料。由于浸水状态下的厌氧条件，缺氧土壤微生物倾向于从硝酸盐肥料中窃取氧气，从而导致植物可用氮(如N2)损失。因此，目前用来种植水稻的一些肥料包括尿素、碳酸氢铵和硫酸铵。
尿素因其成本低和含氮量高而作为一种适用于多种作物的优质肥料。在水和脲酶催化剂(天然存在于土壤中)存在的条件下，尿素进行水解，产生氨和氨基甲酸盐，其进一步分解成氨和二氧化碳，如下式所示：
(1)(NH2)2CO+H2O→NH3+H2NCOOH→2NH3+CO2
在水存在的条件下，氨反应形成铵盐，反应式如下所示：
(2)NH3+H2O->NH4++OH-
从反应式(1)和(2)可以看出，使用尿素作为肥料也会产生二氧化碳。图1示出了溶解二氧化碳形式和溶液pH之间的关系图。该图显示，当溶液pH介于6.5至10之间时，溶液中的大部分二氧化碳为碳酸氢盐。因此，用于在浸水或高水分条件下种植植物的尿素缓慢产生二氧化碳，该二氧化碳作为二氧化碳或碳酸氢盐被植物利用，这取决于土壤溶液或浸水pH。
碳酸氢铵(NH4HCO3)是中国种植水稻常用的肥料。通过研究碳酸氢铵的配方，可以很容易地看出，碳酸氢铵中每摩尔氮的可利用碳摩尔数是氮当量尿素中可利用碳摩尔数的两倍。这使得碳酸氢铵成为碳和氮(作为植物生长促进剂)的极好来源。
众所周知，肥料会经历氮损失，因此会降低植物对肥料的吸收效率和作物的潜在产量。为此，已经开发出各种专用肥料和特殊应用，以提高植物的氮吸收效率。其中包括开发硫磺包膜尿素、聚合物包膜尿素、尿素甲醛肥料、含有脲酶抑制剂的肥料和深施超级颗粒。多年来，国际肥料发展中心(IFDC)一直在研究肥料超级颗粒深施的益处，由于其缓释特性，从而可以减少水稻栽培中的氮损失(国际肥料发展中心等，《尿素深施技术研讨会论文集》，印度尼西亚茂物，1984年9月。IFDC，阿拉巴马州马斯尔肖尔斯，1985年。)。
中国专利CN1240777A、CN1400196和CN1408680A认识到供应由土壤中施用固体肥料产生的气态二氧化碳对植物产量的益处。这些固体肥料中的成分可相互反应，以向在覆盖或受保护环境中生长的植物叶子释放二氧化碳气体，例如在温室中，而不是像发明肥料那样作为溶液中的碳酸氢盐向植物根部供应碳。CN1240777A将碳酸氢铵与固体酸结合，固体酸由硫酸、硝酸、褐煤和粉状磷矿石反应而成；CN1400196使用碳酸钙(石灰石)作为二氧化碳源，并将其与硫和磷酸铵结合；CN1408680A使用碳酸氢铵作为二氧化碳源，并将其与硫酸氢盐或亚硫酸氢盐结合。通过肥料成分反应产生气态二氧化碳，这些中国专利肥料中的碳非常低效，除非用于封闭环境中(如温室)。本发明肥料将溶液中的碳以碳酸氢盐形式保留在植物根部，因此可用于使开阔田地中的植物获得碳。此外，本发明在肥料中包括尿素和碱性碳酸氢盐以及其他碳源，例如淀粉、硬脂酸镁、硬脂酸和石蜡，这些成分为植物提供额外的碳和能量。这些额外碳源尚未在任何中国专利中得到使用。最后，本发明肥料提供了肥料组分之间可衡量的协同作用，以增加作物产量，提高植物的氮吸收效率，提高植物产品中的氮(蛋白质)水平，并提高植物的二氧化碳吸收量，而不是附加效应。
因此，当用于种植作物时，降低肥料氮损失可以降低用氮肥种植这些作物时的NOx排放，从而降低对温室气体的贡献。发明肥料可以降低氮损失，从而减少不需要的温室气体。
发明概述
一个目的是提供一种用于提高植物产量的新型肥料。另一个目的是提供一种用于提高植物产量的新型植物生长促进剂。
本发明包括一种缓释碳水化合物/碳酸氢盐/氮肥，用于提高作物产量，增加植物的氮吸收效率，提高植物产品中的氮水平，以及作物的碳吸收量。本发明在植株生长早期以植物可利用的碳水化合物形式(例如淀粉和/或糖)向植物根部提供能量和碳，以碳酸氢盐形式向植物根部提供二氧化碳，并利用肥料为植物提供其他碳源的能力。根据具体应用和/或植物的需要，发明肥料可以采用固体、半固体或液体形式。植物可以用土培或水培。
发明肥料包括氮源、碳酸氢盐和有机能量来源。氮源可以是任何用于种植植物的常规肥料氮源。优选氮源包括尿素、碳酸氢铵、硫酸铵、硝酸铵、硝酸铵尿素(UAN)、磷酸一铵(MAP)和磷酸二铵(DAP)或其组合。碳酸氢盐优选碱性碳酸氢盐，例如碳酸氢钾或碳酸氢钠。有机能量源可以是碳水化合物，如淀粉或糖。发明肥料可选择包含额外的碳源，如蜡、硬脂酸镁和硬脂酸。包括氮、碳酸氢盐和有机能源在内的这些成分的组合提供了可衡量的协同作用，表现为作物产量的意外增加、植物的氮吸收效率提高、植物产品中氮水平提高以及植物的二氧化碳吸收量增加。
本发明还包含植物生长促进剂，其包含碳酸氢盐组分和有机能源。碳酸氢盐优选碱性碳酸氢盐，例如碳酸氢钾或碳酸氢钠。有机能量源可以是碳水化合物，如淀粉或糖。发明植物生长促进剂可选择包含额外的碳源，如蜡、硬脂酸镁和硬脂酸。包括碳酸氢盐和有机能源在内的这些成分的组合提供了可衡量的协同作用，表现为作物产量的意外增加、植物的氮吸收效率提高、植物产品中氮水平提高以及植物的二氧化碳吸收量增加。
本发明不含不适于种植植物的组分。因此，肥料和/或植物生长促进剂不含对人或动物有害的组分，如锂和重金属。对于本发明，不受约束意味着该水平满足政府为土地应用设定的限制，且该水平低于可对食用该作物的人类或动物造成伤害的可接受水平。
如果土壤试验显示土壤缺乏一种或多种营养素，则可以施用起始肥料，该肥料通常含有少量的氮以及土壤试验指示水平的其他主要营养素、次要营养素和微量营养素。此起始肥料可以在种植时、种植前或种植后以及施用发明肥料前施用。或者，起始肥料也可以与发明肥料一起施用或作为其一部分施用。根据土壤试验的结果，此起始肥料还包括作物所需的其他营养素或微量营养素。
本发明的碳水化合物/碳酸氢盐/氮肥和/或植物生长促进剂优选在植物发芽之前或之后以颗粒、片剂或超级颗粒(用旋转制粒机以与草原用块状饲料相同的方式制成的非常大的颗粒)的形式施用于土壤表面之下。该肥料理想地适用于作物，如水稻、野生稻(属：菰属)、甘蔗、马蹄、荷花、芋头、蕹菜、豆瓣菜、水芹、竹芋、西米棕榈、聂帕棕榈树、沼泽型或沼泽草如杂种甘蔗，以及其它生物质作物，如在浸水或高水分条件下生长的柏树和桉树；且在用水浇灌土壤之前、期间或之后施用发明肥料和/或植物生长促进剂。
当发明肥料和/或植物生长促进剂用于种植不在水环境中生长的作物如玉米、棉花、小麦、木薯、甜菜、棉花、诸如芒属植物、象草属植物、柳枝稷和其它草原草等能源草以及其它作物时，也促进了产量的增加。
因此，本发明包括施用发明肥料和/或植物生长促进剂的方法，其中包括肥料的双重施用，即施用起始肥料，然后施用发明肥料和/或植物生长促进剂，或同时施用起始肥料和发明肥料和/或植物生长促进剂。肥料和/或植物生长促进剂能够以任何期望的形式，例如液体、固体、半固体和分散体，以彼此混合及/或与传统上与肥料混合的其它常见组分混合的形式，施用于土壤表面上方或下方。
附图说明
图1-显示了在大气压力下溶液中发现的各种碳酸盐形式的二氧化碳的分数与pH的关系图，该图来自犹他州立大学，www.usu.edu。
图2-显示了空气/二氧化碳气泡进入浸水水稻根区的示例1试验的温室布局。
图3-显示了示例3温室试验容器的布局。
图4-显示了示例3田面水pH图。
发明详述
本发明包括一种缓释碳水化合物/碳酸氢盐/氮肥，可用于提高作物产量；提高植物的氮吸收效率；提高谷物等植物产品中的氮水平；增加作物的碳吸收量。本发明在植株生长早期以碳水化合物形式(例如淀粉和/或糖)向植物根部提供能量和碳，以碳酸氢盐形式向植物根部提供二氧化碳，并利用肥料为植物提供其他碳源的能力。
发明肥料包括氮源、碳酸氢盐和能量来源。氮源可以是任何用于种植植物的常规肥料氮源。优选的氮源包括尿素、碳酸氢铵、硫酸铵、硝酸铵、磷酸一铵(MAP)、磷酸二铵(DAP)和硝酸铵尿素(UAN)或其组合。碳酸氢盐包括碳酸氢铵、碳酸氢钾和碳酸氢钠，其中碳酸氢盐优选一种或多种碱性碳酸氢盐，例如碳酸氢钾和碳酸氢钠。能量源包括诸如淀粉或糖等碳水化合物作为碳和能量源。发明肥料可选择包含额外的碳源，例如蜡、硬脂酸镁或硬脂酸。该成分组合提供了可衡量的协同作用，表现为作物产量的意外增加、植物的氮吸收效率提高、植物产品中氮(蛋白质)水平提高以及植物的二氧化碳吸收量增加。
替代发明还包含植物生长促进剂，其包含碳酸氢盐组分和有机能源。碳酸氢盐优选碱性碳酸氢盐，例如碳酸氢钾或碳酸氢钠。有机能量源可以是碳水化合物，如淀粉或糖。发明植物生长促进剂可选择包含额外的碳源，如蜡、硬脂酸镁和硬脂酸。包括碳酸氢盐和有机能源在内的这些成分的组合提供了可衡量的协同作用，表现为作物产量的意外增加、植物的氮吸收效率提高、植物产品中氮水平提高以及植物的二氧化碳吸收量增加。
肥料和/或生长促进剂还可以包括添加至常规肥料中的任何需要的附加组分，例如填料、粘合剂、流动促进剂、微生物、抗真菌剂、缓释成分或其它。
发明肥料和/或植物生长促进剂的缓释特性源于紧凑的形状但相对较大的尺寸，其中包括片剂和超级颗粒(通过任何众所周知的造粒方法生产的巨大颗粒)、肥料保持在一起时的强度以及肥料和/或植物生长促进剂的深度放置。例如，在讨论超级颗粒的形式时，肥料超级颗粒的尺寸提供了巨大的体积与表面积之比，从而降低了溶解度。超级颗粒的强度防止肥料和/或植物生长促进剂快速分解，且将肥料和/或植物生长促进剂放置于土壤表面下的方式减缓了肥料和/或植物生长促进剂的分散速率。
肥料和/或植物生长促进剂的替代形式是包装颗粒形式。包装颗粒包含透水、水溶性或可生物降解的外层，该外层包裹发明肥料和/或植物生长促进剂的组分。所包含的组分可以是固体、液体或浆液的形式。当包装颗粒遇到水或土壤水分或包装生物降解时，组分开始溶解或分散，从而在包装颗粒周围形成一个区域，与土壤其它区域中的组分相比，该区域具有更高的组分浓度。包装颗粒周围组分的较高浓度减缓了包装颗粒内容物的溶解性或分散性。
可使用发明肥料或植物生长促进剂，或发明肥料和植物生长促进剂的组合种植植物。
在本说明书中，氮效率的提高意味着从肥料到大气中的氮损失有所减少；肥料供应的氮对植物而言可持续保持更长时间；且植物吸收的氮多于肥料和/或植物生长促进剂提供的氮。碳吸收效率的提高意味着植物能够比在相似条件下生长的植物更多地利用肥料、土壤和大气中的可用碳源，其中使用提供相同水平主要营养素(氮、磷和钾)、次要营养素(硫、钙和镁)以及相同水平微量营养素如锌、硼、铁、铜、锰、钼和硒的肥料。植物对碳的利用的测量标准为根质量增加、叶质量增加，以及谷物等植物产品的产量增加(存在时)。
在本说明书中，作物产量是指每单位种植面积的植物产品重量，其中植物产品是作为商业产品有价值的植物部分，例如谷物。作物产量通常表示为kg/公顷、吨/公顷、蒲式耳/英亩或磅/英亩，取决于种植的作物类型。
在本说明书中，作物产品中蛋白质的量是指在诸如谷物等作物产品中发现的蛋白质的重量百分比。植物产品中的蛋白质水平可通过测量作物产品中氮的重量％进行量化。
在本说明书中，可生物降解是指材料能够经历物理和生物分解，使得至少90％的材料最终在最长48个月的时间内分解成二氧化碳(CO2)、生物质和水。
选择碳酸氢铵作为氮气/二氧化碳的优选固体形式，因为它为氮气提供了相对较高的二氧化碳与氮气比。与尿素相比，碳酸氢铵释放的二氧化碳是每摩尔氮的两倍。碳酸氢钾和碳酸氢钠也用作二氧化碳的来源。选择碳酸氢盐形式而非碳酸盐形式允许对给定摩尔的碱金属应用最多的二氧化碳，同时有助于避免有害的高土壤pH。
在种植时，在施用本发明的碳水化合物/碳酸氢盐/氮肥或植物生长促进剂之前或之后，可以在种植前、种植时或种植后不久向土壤施用起始肥料。该起始肥料含有优选不超过50.4kg/公顷(45磅/英亩)、更优选不超过44.8kg/公顷(40磅/英亩)、更优选16.8-39.2kg/公顷(15-35磅/英亩)、最优选22.4-33.6kg/公顷(20-30磅/英亩)的氮肥形式的起始氮，例如尿素、硝酸铵、硫酸铵、硝酸钾、磷酸一铵(MAP)、磷酸二铵(DAP)、硝酸铵尿素(UAN)、碳酸氢铵和硝酸钠。此外，起始肥料可包括基于正在种植的作物和用于作物种植用土壤的土壤试验结果所推荐的其他营养素和微量营养素。基于土壤试验推荐的起始肥料中的其他营养素可以包括来自诸如MAP、DAP、三重过磷酸盐和过磷酸盐等肥料的磷；诸如氯化钾和硫酸钾等肥料中的钾；元素硫和各种硫酸盐肥料中的硫；以及微量营养素，如镁、钙、锌、硼、锰、铁等。
起始肥料可以包含一种或多种以下营养素：
1)选自尿素、氨、硝酸铵、硫酸铵、硝酸钙、磷酸二铵(DAP)、磷酸一铵(MAP)、硝酸钾、碳酸氢铵和硝酸钠的氮化合物；
2)选自三重过磷酸盐、过磷酸盐、磷酸二铵、磷酸一铵、磷酸二氢钾、磷酸二氢钾、焦磷酸四氢钾和偏磷酸钾的磷化合物。
3)选自氯化钾、硝酸钾、硫酸钾、磷酸二氢钾、磷酸二氢钾、焦磷酸四钾和偏磷酸钾的钾化合物。
4)选自元素硫、碳酸钙(石灰石)、白云石、石膏、贝壳、泥灰岩、硫酸铁、氧化铁、螯合铁、硝酸铁、硫酸锌、氧化锌、螯合锌、硫酸氧锌、碳酸锌、氧化铜、硫酸铜、硝酸铜、硝酸镁、硫酸镁、氧化镁、硼酸钠、硼酸、螯合锰EDTA、硫酸钙、硝酸钙、氧化钙、碳酸镁、硒酸盐和硒氧化物、十水四硼酸钠(硼砂)、五水四硼酸钠、四硼酸钠-五硼酸钠、硬硼钙石、硼酸、钼酸铵、钼酸钠、三氧化钼和硫酸锰的次要营养素和微量营养素来源。
5)选自尿素-硝酸铵(UAN)、氨、生物浆液和其它浆液及悬浮液的液体营养素来源。
6)选自肥料、动物粪便和其他物质的有机营养素来源。
除非本说明书中另有规定，否则所有百分比用量均为基于组合物总重量的重量百分比。碳水化合物/碳酸氢盐/氮肥中的氮源为优选不超过90％不超过尿素、更优选不超过75％的尿素、更优选不超过2％-55％的尿素、最优选不超过5％-45％的尿素以及优选不超过90％的碳酸氢铵、更优选不超过85％的碳酸氢铵、更优选不超过10％-65％的碳酸氢铵、最优选不超过15％-55％的碳酸氢铵的组合，但也可以包括其他氮源，例如硫酸铵、硝酸铵和硝酸钾、磷酸一铵、磷酸二铵等等。发明肥料中使用的尿素可以用选自脲甲醛、尿素甲醛、亚甲基尿素、亚甲基二脲和亚甲基脲的化合物代替或补充。
除了氮之外，发明肥料还包括碱性碳酸氢盐，例如碳酸氢钾，达到80％，优选达到10-80％；碳酸氢钠，达到80％，优选达到10-80％，两种碱性碳酸氢盐的组合总计达到80％，优选达到10-80％。
发明肥料中的大部分碳可以肥料中碳酸氢盐的二氧化碳形式存在。然而，碳也可以来自于有机化合物，因为有机化合物也能够在植株生长早期为植株提供能量。这些碳能量来源优选为碳水化合物，特别包括糖和淀粉等可溶性碳水化合物。其中一些糖包括葡萄糖、蔗糖、果糖、麦芽糖、半乳糖、玉米糖浆和乳糖。淀粉可以包括玉米淀粉、米淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、树薯淀粉、玉米面和马铃薯淀粉等。碳水化合物能够以任何所需用量存在于肥料中，优选达到0.1％至35％，更优选达到0.2％至25％，最优选达到0.5％至15％。
本发明植物生长促进剂包括碱性碳酸氢盐，例如碳酸氢钾，优选达到1％至99％，更优选达到10-80％，最优选达到20％至70％；或碳酸氢钠，优选达到1％至99％，更优选达到10-80％，最优选达到20％至70％；或者两种碱性碳酸氢盐的组合，优选达到1％至99％，更优选达到10-80％，最优选达到20％至70％。
植物生长促进剂中的大部分碳可以肥料中碳酸氢盐的二氧化碳形式存在。然而，碳也可以来自于有机化合物，因为有机化合物也能够在植株生长早期为植株提供能量。这些碳能量来源优选为碳水化合物，特别包括糖和淀粉等可溶性碳水化合物。其中一些糖包括葡萄糖、蔗糖、果糖、麦芽糖、半乳糖、玉米糖浆和乳糖。淀粉可以包括玉米淀粉、米淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、树薯淀粉、玉米面和马铃薯淀粉等。碳水化合物能够以任何所需用量存在于肥料中，优选达到0.1％至99％，更优选达到1％至50％，最优选达到1％至35％。
在本说明书中，植株生长早期是指植株叶片重量达到收获时植株叶片重量的10％之前。
通过使用能够为植物根部吸收利用提供额外碳的可生物降解粘合剂、润滑剂、助流剂和抗粘附剂，发明肥料和植物生长促进剂可分别形成颗粒、片剂或超级颗粒。此类粘合剂、润滑剂、助流剂和抗粘附剂包括蜡，例如达到20％石蜡、达到10％硬脂酸、达到10％硬脂酸镁和达到10％玉米淀粉。粘合剂、润滑剂、助流剂和抗粘附剂的优选量为达到15％石蜡、5％硬脂酸、5％硬脂酸镁和5％玉米淀粉；最优选量为达到1％-13％石蜡、0.2％-1.5％硬脂酸、0.2％-1.5％硬脂酸镁和0.2％-1.5％玉米淀粉。其他一些可使用的粘合剂包括各种糖，如玉米糖浆、麦芽糊精、蔗糖、乳糖和葡萄糖；淀粉，如木薯淀粉；树胶，如凝胶；合成聚合物，如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)；纤维素和纤维素衍生物，如甲基纤维素和乙基纤维素；蜡，包括石蜡、蜂蜡、棕榈蜡和大豆蜡。其他可使用的润滑剂、助流剂和抗粘附剂包括：滑石、玉米淀粉、硅溶胶、硼酸、硫酸月桂酸钠、月桂醇硫酸酯镁盐、硬脂酸棕榈酸甘油酯、山嵛酸甘油酯、苯甲酸钠、油酸钠和硬脂酰富马酸钠。
肥料和植物生长促进剂可在灌溉之前、期间或之后立即分别置于土壤之下1.3-25.4cm(0.5-10英寸)深，更优选达到5.1-12.7cm(2-5英寸)深，适用于水稻或其它生长于浸水或高水分条件下的作物，如野生稻(属：菰属)、甘蔗、马蹄、荷花、芋头、蕹菜、豆瓣菜、芹菜、竹芋、西谷椰、水椰、湿地或沼泽植物(如野生甘蔗和其他生长于浸水或高水分条件下的落羽杉和桉树)发明肥料和/或生长促进剂可在用水灌溉土壤之前、期间或之后立即施用。灌溉水深最大可达到30.5cm，最优选小于10.2cm。可根据能够向植物根部提供碳、氮和能量并最大限度减少这些营养素以气体形式散发到大气中的损失的深度条件来选择肥料和/或生长促进剂的施用深度。理想情况下，所选深度应能够使肥料在植株生长早期(优选在种植后不超过60天，最优选在种植后5-30天)对植物根部产生作用。种植幼苗时，可在种植时放置肥料和/或生长促进剂。
此发明通过利用碳水化合物/碳酸氢盐/氮肥向根部供应二氧化碳，从而显著提高生长于耕作土壤(包括农田和温室中的土壤)水分条件下植株的产量。通过使用颗粒、片剂或超级颗粒，肥料和/或植物生长促进剂可使得碳和氮缓慢释放，所述颗粒、片剂或超级颗粒的优选直径为0.15-5.10cm(0.125-2英寸)，更优选直径为0.64-2.50cm(0.25-1英寸)，最优选直径为1.3-1.9cm(0.5-0.75英寸)。也可使用颗粒和/或片剂的混合物。肥料和/或生长促进剂能够为幼苗提供起始能量来源，从而使得植株生长早期的pH缓慢上升，并可通过将碳以碳酸氢盐的形式保存在溶液中来提高植株对肥料和/或生长促进剂中二氧化碳的吸收效率。
如下列示例所示，使用发明肥料和/或植物生长促进剂种植的水稻在植株对总氮量的利用率和总碳吸收量方面显示出意外和显著的改善。由于水稻中的碳利用率有所增加，所以肥料是一种减少大气中二氧化碳的碳汇或“再循环器”。
据USDA公布的数据，2017年阿肯色州的水稻平均产量为8,403kg/公顷(7,490磅/英亩)(“水稻：种植面积、产量、产出、价格和价值。”美国农业部国家农业统计局三角洲地区办事处：阿肯色州，2017年6月30日(www.nass.usda.gov/ar/)。作为对比，我们的温室研究按照发明肥料的特别有效示例(示例2的KBC+ABC-mid-E)进行，此示例由58％碳酸氢铵、26％碳酸氢钾、13％石蜡、1％玉米淀粉、1％硬脂酸镁和1％硬脂酸组成，产量出乎意料地达到17,000kg/公顷(15,100磅/英亩)。在植株生长早期和施用起始肥料后将此肥料作为掩埋的超级颗粒施用。
为进行额外对比，发明肥料的另一个特别有效示例(见示例6的2.4)由10.5％尿素、27.3％碳酸氢铵、58.8％碳酸氢钠、1.73％蔗糖和1.73％玉米淀粉组成。在植株生长早期和施用起始肥料后将此肥料作为包装颗粒施用。最终产量意外地达到18,300kg/公顷(16,300磅/英亩)。
如下列示例所示，我们的发明肥料和生长促进剂结合施用方法产生了意外的高水稻产量。发明肥料和生长促进剂结合施用方法产生的水稻产量能够令人惊讶地达到8,000-20,000kg/公顷(7,140-17,800磅/英亩)，更优选达到10,000-20,000kg/公顷(8,920-17,800磅/英亩)，更优选达到13,000-20,000kg/公顷(11,600-17,800磅/英亩)，最优选达到15,000-20,000kg/公顷(13,400-17,800磅/英亩)。
将特别有效的发明肥料(示例3的R5.L)用于从种子开始种植水稻，该种子在施用68.6kg/公顷(61.2磅/英亩)尿素、685kg/公顷(611磅/英亩)过磷酸盐、301kg/公顷(269磅/英亩)氯化钾、48.9kg/公顷(43.6磅/英亩)ZnSO4·7H2O和2808kg/公顷(2505磅/英亩)MgSO4·7H2O的起始肥料后立即种植。发明肥料是一种直径为1.9cm(0.75英寸)的近球形压缩片剂，含有9.13％尿素；23.71％碳酸氢铵；51.15％碳酸氢钠；13％石蜡；和1％玉米淀粉、硬脂酸镁和硬脂酸。以1914kg/公顷(1707磅/英亩)的施用量施用肥料片剂来种植水稻。在种植种子14天后、植株已达到四叶期，并且在灌溉水稻之后立即，将肥料片剂置于土壤表面之下7.6-10.2cm(3-4英寸)处。使用此肥料达到的稻谷产量比使用1.9cm直径尿素片剂肥料种植的稻谷产量高出59.3％，两种肥料的起始肥料相同、含氮量相同、片剂放置时间及深度相同。与对照肥料相比，此类特别有效的肥料还显示出植株总氮吸收量增加57.9％，稻谷中的蛋白质水平增加10.4％，稻谷的总碳吸收量增加59.8％。
此发明特别有效的植物生长促进剂——SBC-low E(示例2)用于种植水稻种子，该种子在施用68.6kg/公顷(61.2磅/英亩)尿素、233kg/公顷(208磅/英亩)三重过磷酸盐、302kg/公顷(269磅/英亩)氯化钾、27.4kg/公顷(24.4磅/英亩)ZnSO4·7H2O和2811kg/公顷(2505磅/英亩)MgSO4·7H2O的起始肥料后立即种植。本发明植物生长促进剂的形状为圆柱形，是一种压缩片剂，含有94％碳酸氢钠；13％石蜡；1％玉米淀粉、硬脂酸镁和硬脂酸。植物生长促进剂片剂用于种植水稻，其中植物生长促进剂的施用量为1165kg/公顷(1039磅/英亩)。在播种14天后且在灌溉水稻后立即，将植物生长促进剂片剂置于土壤表面之下7.6-10.2cm(3-4英寸)处。此时，350kg/公顷(312磅/英亩)尿素也与本发明植物生长促进剂分开埋在土壤表面之下。使用植物生长促进剂种植的水稻植株达到的稻谷产量比作为示例2的基线试验种植的水稻植株的稻谷产量高出15.6％。
用于种植水稻时，与在未使用发明肥料和/或植物生长促进剂的相同土壤中种植的作物相比，碳水化合物/碳酸氢盐/氮肥和/或植物生长促进剂提供的作物产量意外增加达到10％-100％或更多、碳吸收量增加达到10％-100％或更多、氮吸收量增加10％-100％或更多、稻谷蛋白质水平增加达到2％-15％、更优选达到5％-20％或更多。
大气中二氧化碳水平的升高关系到人类健康、气候变化以及生态系统平衡。哈佛大学公共卫生学院的一项研究(迈尔斯,S.S.等人，“不断上升的CO2浓度危及人类营养。”《自然》第510期(2014年6月5日)：139-142。)表明，在升高的大气二氧化碳环境下种植的水稻植株产出低蛋白质水平的稻米。然而，本发明显示出了意外的益处，即与在未使用发明肥料和/或生长促进剂的相同土壤中种植的水稻相比，随着水稻植株对碳吸收量的增加，水稻中的蛋白质水平也相应增加10％或以上。
植株对碳吸收效率的增加使得氮吸收效率发生完全预料不到的增加，同时植物产品中的蛋白质水平也有所提高。在不受任何理论约束的情况下，本发明人假设尿素、碳酸氢铵和碱性碳酸氢盐之间令人惊讶的协同作用能够激活来自土壤和肥料等其他来源的碳。本发明人进一步提出，碳酸氢铵或碱性碳酸氢盐在根部中的二氧化碳早期释放会诱发增强早期根部生长。此外，当植株叶片的较小表面积限制大气二氧化碳的可用碳和太阳辐射能时，发明肥料中的可溶性碳水化合物能够在植株生长早期提供额外的植株可用碳和植株有效能量。之后，植物根区溶液的pH开始上升，而二氧化碳以碳酸氢盐的形式存在于溶液中。根部能够吸收碳酸氢盐，并将其用于生产更多植物质量。碳酸氢铵或硫酸铵的使用能够为植株提供作为铵(NH4+)的直接氮源。肥料对碱性碳酸氢盐的缓慢释放能够防止pH值损害植株，但可以保持足够高的pH，以免二氧化碳作为气体流失。厌氧环境也会减缓尿素水解，从而提高氮效率。来自碳酸氢盐的氢气和氧气可以利用尿素，并最终将尿素转化为二氧化碳和氨，从而使植株可获得额外的二氧化碳。由于肥料置于土壤深处，因此氨不易逸出。相反，氨会很快溶解在周围水域中形成铵(NH4+)，这使得溶液pH再次上升，并产生缓慢释放的二氧化碳，该二氧化碳以碳酸氢盐的形式存在于溶液中。随着时间的推移，植株和土壤的活性会导致pH缓慢下降，同时肥料中的其他碳源会向植物根部释放额外的碳。在最佳pH水平下，尿素、铵、初始能量化合物、碳和碳酸氢盐标准水平之间的平衡会在根区水域中产生协同效应，从而提供增加作物产量、碳吸收效率、氮吸收效率和植物产品蛋白质水平的理想环境。
本发明的有效方法包括下列内容：
1)进行土壤试验来确定主要营养素、次要营养素和微量营养素的不良情况；2)在建议种植作物的水平上，根据每英亩的预期产量和土壤试验结果，在作物生长早期向土壤施用起始营养素；3)通过掩埋、侧施、撒播、注射、喷施肥料和/或植物生长促进剂，或以在建议种植作物的水平上，根据每英亩的预期产量和土壤试验结果采用上述方法的任何组合，在施用起始营养素之前、之时、期间或之后，在作物生长早期将发明肥料和/或植物生长促进剂施加到土壤中；
5)当植株生长在水分条件下时，在对土壤灌溉水或降雨之前立即、期间或之后立即施用发明肥料和/或植物生长促进剂。
发明肥料和/或植物生长促进剂的示例显示出下列可衡量协同作用：
当用于种植水稻时，发明肥料和/或植物生长促进剂能够使得作物产量发生意外的显著增加(见示例1表4、示例2表7B和示例3表11)。如果仅向根部供应气态二氧化碳，同时以相同的水平施用所有其它植物营养素和微量营养素(示例1)，则作物产量的增加会比预期多，这再次表明肥料成分之间存在有效协同作用。
使用发明肥料种植的水稻显示出植株对总碳的吸收效率发生意外的显著提高，从而表明与发明肥料发生了有益的相互作用。与施用对照肥料种植的水稻植株相比，示例3中施用发明肥料种植的水稻植株产出的稻谷吸收了59.8％的碳(见表15)。由于水稻中的碳利用率有所增加，所以肥料是一种减少大气中二氧化碳的碳汇或“再循环器”。
使用发明肥料种植的水稻显示水稻植株对总氮的利用率发生意外的显著提高。与使用相同示例中对照肥料种植的水稻植株相比，示例3中使用发明肥料种植的水稻的总氮吸收量显示增加57.9％(表14)。此外，与示例3中使用对照肥料种植的稻谷相比，示例3中使用本发明肥料种植的稻谷的总氮吸收量显示增加76.5％(表12)。这表明本发明显著提高了氮的吸收效率。
令人惊讶的是，使用本发明肥料生产的水稻比利用对照肥料生产的水稻的蛋白质水平要高得多，这是完全出乎预料的。由于使用发明肥料种植的水稻在高浓度二氧化碳的环境下生长，因此预计蛋白质水平低于用对照肥料种植的水稻。示例3表明，与仅用尿素种植的水稻的蛋白质水平相比，谷粒中的蛋白质水平最高可增加10.4％(表12)，从表31所示的试验2.4中可以观察到增加了12.3％。
将高浓度二氧化碳引入植物根部可以改善植物根部的早期形成。在种植第24天，与仅接受空气或0.5％空气CO2的植株的根部相比，示例1中接受2.0％空气CO2通入根部的水稻植株的根部质量增加65％(见表2)。
二氧化碳在整个生长季节均有益于水稻植物根部。在示例1中，对于在根部接受高浓度二氧化碳的情况下种植的所有植株，收获时的平均根重高于在根部仅接受空气的情况下种植的植株(见表3)。
当二氧化碳被输送至根部时，对植株有益的二氧化碳量会有一个观察上限。对于示例1(见表4)，接受高浓度二氧化碳的水稻植株的稻谷产量高于仅接受空气的水稻，但接受最高水平二氧化碳(5.0％与空气混合的二氧化碳)的水稻除外。
示例1表明，以气体形式向根部供应二氧化碳并不能提供发明肥料所证明的协同作用。对于最有效发明肥料，根部接受二氧化碳的植株在第24天显示出总氮吸收量增加百分比达到8.33％(见表2)，小于收获时57.9％的总氮吸收量增加百分比(表14)。
示例2表明，向水稻根部提供额外的二氧化碳作为碳酸氢盐可提高产量(见表7A和表7B)。
除一个容器外，示例2中的所有容器均施用肥料和/或植物生长促进剂，其中接受来自碳酸氢盐中高浓度二氧化碳的稻谷产量高于接受仅含有来自尿素的二氧化碳的肥料的对照产量(见表7A和表7B)。
发明肥料含有与碳酸氢钾结合的碳酸氢铵，碳酸氢钾含有的二氧化碳是尿素的2.7倍，在示例2中的作物产量最高，比仅接受尿素作为氮源的植株的作物产量增加29.2％(见表7B)。
片剂中含有碳酸氢钠和片剂中不含氮源的肥料(SBC-low-E)向植物根部提供的二氧化碳水平是仅含尿素的肥料的3倍(见表7B)。这些示例2植株达到的产量比仅使用尿素产生的产量高出15.6％。与容器C-E中的对照植株相比，SBC-low-E植株接受相同量和时间的尿素，以及相同量和时间的其他肥料，包括氯化钾、三重过磷酸盐和硫酸锌
与不使用碱金属碳酸氢盐相比，在肥料中使用碱金属碳酸氢盐能够提供额外益处。如示例2的表7A和表7B所示，唯一没有显示出二氧化碳作为碳酸氢盐水平较高时使作物产量提高的肥料为不含碱金属碳酸氢盐的碳酸氢铵肥料。示例3中也显示出该点(见表11)，其中不含碱金属碳酸氢盐的碳酸氢铵(ABC-2)不能显著提高作物产量。
在示例3中，所有供应碱性碳酸氢盐肥料的植株的总氮吸收量均超过仅接受尿素的植株(见表14)。尿素、碳酸氢铵和碳酸氢钠的组合能够提供协同作用，从而增加作物产量，这在利用任何其他成分组合产生的产量中均未观察到。在示例3中，通过同时使用尿素、碳酸氢铵和碳酸氢钠(ABC+尿素+SBC-3.5)，观察到作物产量出现近60％的意外增加。在近乎相同的二氧化碳水平下(尿素+SBC-4)，这种组合的作物产量增加量几乎是尿素和碳酸氢钠增加量的两倍。这说明，对于示例3中进行的试验，产生较高作物产量的协同效应取决于尿素与碳酸氢铵和碱性碳酸氢盐的使用，因为在这两种肥料中，所有形式的碳基本上处于相同水平，并且所有作物营养素(氮、钾、磷)和次要营养素及微量营养素均以相同的水平供应。成分组合和成分水平之间会发生相互作用。
发明肥料的配方能够使得与供应给植株的额外碳相关的氮吸收量出现意外的增加，并显示出独特的协同作用，使得额外的氮可用于植株。在示例3中，每个容器仅直接供应1.40g氮，作为起始肥料和发明肥料的组合。然而，容器中使用最有效的发明肥料种植的植株吸收了2.59g氮(表14)。在不受任何理论约束的情况下，由于此类额外的氮并非由添加的肥料提供，因此认为，本肥料使得植株可以从土壤或大气中获得氮。
作为元素碳供应的碳与使用碳酸氢盐的效果不同。在示例3中，在根部施用石墨作为元素碳源时，产量几乎没有增加(见表11)。如示例3(表17B)所示，由于稻米对钠的吸收不受发明肥料中钠水平升高的影响，因此认为不影响食用稻米的人的健康。
在植株生长早期，以碳水化合物和来自碱性碳酸氢盐源的碳的形式提供能量，提供了当碳水化合物不存在时未观察到的令人惊讶的产量增加。示例6显示，与不含任何碳水化合物的尿素相比，含有玉米淀粉和糖的SBC-3.5配方产量增加38％(见表27)。就示例6中的所有试验而言，使用含有碳酸氢盐和碳水化合物的肥料进行的试验要比使用仅含有尿素的肥料(不含碳水化合物或碳酸氢盐)进行的试验得到更高的产量。相比之下，仅在尿素中添加碳水化合物实际上会降低产量(见表27)。
如果在肥料中使用碱金属碳酸氢盐，则必须掩埋肥料。在示例4中，含有碱金属的发明肥料未掩埋于土壤中，而是施加于注入水中，结果导致植株不是死亡就是发育不良。
本发明将参照以下示例进行说明，这些示例仅为说明性，并被解释为非限制性。
示例
在下文示例1-4中，以下缩略语用于指代示例肥料配方中的化合物：
ABC-碳酸氢铵
KBC-碳酸氢钾
SBC-碳酸氢钠
TSP-三重过磷酸盐
SP-过磷酸盐
对每个示例中所用土壤的pH、P、K、Ca、Mg、S、Na、Fe、Mn、Zn、Cu、B、N和C进行试验。示例1-4所用土壤的试验结果见表1。标记为A-2的样品来自示例1、示例2和示例4中使用的土壤。样品A-3和A-4是示例3所用土壤的土壤重复样品。
表1：土壤试验结果(由阿肯色州费耶特维尔阿肯色大学执行)
示例1：二氧化碳和通入根部的空气
示例1试验作为基线试验开展，以检测单独输送至水稻植物根部的二氧化碳是否提高了稻谷产量和根部生长。在本示例中，经
如示例1数据结果所示，得出以下结论：
1)在种植第24天，与仅接受空气或0.5％空气CO2的植株的根部相比，接受2.0％空气CO2通入根部的植株的根部质量增加65％(见表2)。因此，向根部引入高浓度二氧化碳改善了植物根部的早期形成；2)收获时，在植物根部接受高浓度二氧化碳的所有容器中，平均根重均高于仅在根部接受空气的植株容器(见表3)。因此，输送至水稻植物根部的二氧化碳气体效益持续整个生长季节；3)接受高浓度二氧化碳的水稻植株的谷粒产量高于仅接受空气的植株，但接受最高二氧化碳水平的容器除外，在该容器中，二氧化碳与空气的混合比例为5.0％。这表明向水稻植株的根部提供二氧化碳可提高谷粒产量，提供的二氧化碳可达到上限。
示例1表明，以气体形式向根部供应二氧化碳并不能提供发明肥料所证明的协同作用。根部接受二氧化碳的植株在第24天只显示8.33％的小幅总氮吸收量增加(见表2)，相比之下，示例3中施用最有效发明肥料后出现57.9％的大幅总氮吸收量增加(见表14)。
在示例1试验中，以选定量空气稀释的二氧化碳被通入水稻根区。水稻种植于直径为30.5cm(12英寸)的18.9L(5加仑)容器中，种植深度为35.6cm(14英寸)，且一组8个容器均接受相同的气体混合物。该试验在17周后结束，但是提前移除了一些容器以便目测检查根部的生长量。
在示例1试验中，使用了以下气体混合物：
空气
空气中二氧化碳的含量为0.2％
空气中二氧化碳的含量为0.5％
空气中二氧化碳的含量为1.0％
空气中二氧化碳的含量为2.0％
空气中二氧化碳的含量为5.0％
注：0.2％大约是目前空气中自然存在的二氧化碳量的5倍
18.9L(5加仑)容器制备方法是在每个容器的底部放置一个附着在管道上的水生气体扩散器，然后用过筛的表土填充容器，使表层土壤距离容器顶部10.2cm(4英寸)。以八个为一组的方式将容器放置在温室桌子上，使所有容器都能接受到大致相同的光线。将八个(一组)容器分别连接到气罐，使气体通过调节器输送至流量计，然后再供应到各组容器的阀门上，每个阀门控制一个容器的气体混合物。总共制备四十八个容器，每张桌子上放置二十四个容器。图2显示了每组容器在温室中的位置。通过灼烧减量(LOI)分析来检验示例1中所用土壤的pH、磷、钾、钙、镁、硫、钠、铁、锰、锌、铜、硼、总氮、总碳和有机物含量。土壤试验结果如表1所示，并标记为样品A-2。根据该土壤试验，在距土壤表层7.6cm(3英寸)的深度处将1.7g三重过磷酸盐混合到每个容器土壤中，以提高33.3mg/kg的土壤试验低磷值。对于土壤中氮(0.0978％)、钾(65mg/kg)和镁(45mg/kg)等其他低试验值，通过将150g尿素(用于氮)、132g氯化钾(用于钾)和1236g泻盐(用于镁的七水硫酸镁)溶解到12升的水中进行补充。然后，向每个容器提供200ml这种溶液。2016年5月25日，由于锌土壤试验值较低(3.9mg/kg)，使用硫酸锌添加了锌。使用收集的雨水将容器淹没到土壤表面以上1.3cm(0.5英寸)。2016年5月20日，将水稻种子预浸泡24小时，然后沥干24小时，将其撒入每个容器的土壤表面。稻苗稳固生长后，将植株间苗至每个容器10株。再过一段时间后，再将这些植株减薄为每个容器六株。2016年5月20日，对容器施加气体混合物，开始试验，并调整为42.5升/小时(1.5立方英尺/小时)的初始流量计设置，且每个容器中有稳定的气泡流。2016年6月14日，流速降至14.2升/小时(0.5立方英尺/小时)。每个工作日上午8:00至中午供应气流。在试验期间，温室内的风扇产生持续气流，以防止特定植株群周边的二氧化碳浓度上升。
2016年5月25日，将10.6g硫酸锌溶解在10L水中，并向每个容器提供200ml该溶液。随着植株的生长，注入水逐渐上涨，深度达到土壤表面以上三英寸。在试验的剩余部分，注入水深度保持在5.1至7.6cm(2至3英寸)。2016年6月13日，取出一组前置容器(每个容器种有10棵植株)分别进行二氧化碳水平的测量，轻轻移除植株并彻底清洁。然后，将植株和根部在80℃的烘箱内干燥过夜。第二天，修剪根部并称重。表2显示了每个植株容器的十棵植株的总根重和总叶重。接受高浓度二氧化碳的每个容器的叶重略大于接受单一空气容器的叶重。
如表2所示，与通入根区二氧化碳更少的植株相比，接受2.0％空气CO2的植物根部显示干物质的明显增加。这表明向根部通入二氧化碳确实可促进植物根部的早期形成。
此外，在第24天测量了植株的水稻叶片氮百分比，结果如表2所示。根部接受二氧化碳的示例1植株仅显示不超过8.33％的小幅总氮吸收量增加。但是，在示例3中，对于发明肥料结果，水稻植株的总氮吸收量不超过57.9％。示例3水稻植株中出人意料的较高总氮吸收量表明，向根部提供气体形式的二氧化碳(与示例1一样)，不会出现发明肥料所展现的协同作用。
表2：示例1水稻植株在24天时的根重和叶片氮吸收量
2016年6月20日，将示例1的水稻植株间苗至每个容器六株。2016年8月1日，以向所有容器添加0.57g TSP的比例，向每个容器添加额外的氮和三重过磷酸盐(TSP)，对输送了标准空气的每个容器添加0.87g尿素，并向剩余容器添加2.27g碳酸氢铵(相当于0.87g尿素的氮含量)。氮和磷酸盐的引入是为了确保植株不受氮和磷限制，从而保证将二氧化碳作为气体引入植物根部的试验有效。在后面示例中进一步实施了在种植时、种植前或种植后即时引入起始肥料，而在添加发明肥料后不引入额外营养素的方法。
2016年9月19日，收获了示例1试验的稻谷。分离稻谷，并在40℃下干燥七天。从各植株中收取水稻后，从每组中选择两个容器的水稻，全面清洗、干燥并称重其根部。所得的平均根重如表3所示，表明所有接受高浓度二氧化碳的植株容器有着较高的根重。
表3：示例1收获时的平均根重
示例1试验的稻谷产量干重如表4所示。除接受5.0％二氧化碳的容器外，接受高浓度二氧化碳的水稻植株全部产量均高于仅接受空气的植株。
表4：示例1稻谷产量
总体而言，示例1的试验表明，在植物根部供应二氧化碳增加了产量并促进了根部生长。
示例2：2016年肥料鉴别试验
示例2试验的目标是通过在水稻植物根部供应碳/二氧化碳/碳酸氢盐来鉴别有益于水稻产量的固体肥料。
在示例2中，土壤经筛分，将容器填充到离顶部10.2cm(4英寸)，制备18.9L(5加仑)表土容器。通过灼烧减量(LOI)分析来检验示例2中所用土壤的pH、磷、钾、钙、镁、硫、钠、铁、锰、锌、铜、硼、总氮、总碳和有机物含量。该土壤试验结果如表1所示，并标记为样品A-2。由于磷土壤试验值较低(33.3mg/kg)，通过在距离土壤表层7.6cm(3英寸)的深度处混合1.7g的TSP，向每个容器施用含磷起始肥料。由于锌土壤试验值较低(3.9mg/kg)，也将锌的起始肥料用作0.2g硫酸锌施用于每个容器。向每个容器提供0.5g尿素以补充植株的初始氮需求，因为土壤试验氮值低至0.0978％。在土壤试验中，钙与镁之比为27:1，这超过了5:1和15:1之间的推荐比例范围。对此，通过向每个容器添加20.5g泻盐(MgSO4·7H2O)来提高镁含量。将含有硫酸锌、尿素和泻盐的起始肥料以溶液形式加入容器中。
在植株生长的不同时期，还应往容器中加入含碳酸氢钠、碳酸氢钾和碳酸氢铵等特定组合的片剂。设计的所有配方均可以向每一个容器输送等量的氮，但是碳量因碳形式而异。由于并非所有的片剂配方均含钾，并且土壤中钾的试验值偏低(65mg/kg)，因此无碳酸氢钾的片剂所在的容器以每个容器2.2g KCl的速率给予溶液形式的氯化钾。每个容器中的片剂所含的碳酸氢钾含量与2.2g KCI中的钾含量相当。在每个容器中放入的片剂所含的碳酸氢铵，其氮含量与2.55g尿素中的氮含量相当。在2016年7月7日(指定为早期日期)，一些容器一次装载所有片剂，而其他容器则分别于2016年7月7日和在2016年8月31装载了两种片剂之间的等量总氮分配量。装载两种片剂的容器被指定为“早期”和“晚期”容器。表5总结了示例2中各种肥料的施用，表6列出了示例2中使用的片剂配方。
示例2中施用的肥料是大片剂肥料，这些大片剂掩埋在土壤表面下7.6-10.2cm(3-4英寸)处。使用大片剂并将其掩埋的目的之一是减缓碳酸氢盐的释放。片剂是通过将肥料粉末与片剂粘合剂、抗粘附剂和助流剂混合制成的，这些物质在肥料中也提供了额外的碳元素。这些片剂粘合剂、润滑剂、抗粘附剂和助流剂分别是石蜡(添加了91.9％碳作为粘合剂和润滑剂)、玉米淀粉(添加了46.8％碳作为粘合剂、抗粘附剂和助流剂)、硬脂酸镁(添加了73.1％碳作为润滑剂和抗粘附剂)和硬脂酸(添加了75.9％碳作为粘合剂)。称取混合物后，放入直径为1.91cm(0.75英寸)或2.54cm(1英寸)的金属管中，金属管顶部装有合适尺寸的棒，压制该棒的压力为63kg/cm2(900磅/平方英寸)。得到的片剂呈圆柱形，其选定直径使得片剂的表面积与体积之比最小化。
表5：示例2施肥
*代码含义：片剂配方/成分-CO2水平-施用时间，低、中或高(hg)＝二氧化碳的相对水平，E或L＝早期或晚期。
**在2016年6月23日种植时，除“延迟K”外，其他均施用：2.2g KCI、1.7g TSP、0.2gZnSO4、20.5g泻盐；“延迟K”在种植时接受1.7g TSP，0.2g ZnSO4，20.5g泻盐(MgSC TFteO)，在后来施用片剂或尿素时接受KCI或KBC。
***早期是指2016年7月7日；晚期是指2016年8月31日；延迟是指钾延迟到2016年7月7日才施用
所用缩略语：
ABC-碳酸氢铵
KBC-碳酸氢钾
SBC-碳酸氢钠
TSP-三重过磷酸盐
SP-过磷酸盐
表6：示例2种片剂的配方
如示例1所示，在本示例中，选择了经
表7A列出了示例2肥料促成的稻谷产量。除一个容器外，所有容器生产的稻谷产量均高于只接受尿素二氧化碳的对照组。含碳酸氢钾的碳酸氢铵片剂中的二氧化碳含量是尿素的2.7倍，因此促成的稻谷产量最高，比仅接受尿素作为氮源的容器的产量多了29.2％。对于放入含碳酸氢钠但不含氮源的片剂的容器(SBC-low-E)，其能向根部提供的二氧化碳水平是仅含尿素时的3倍。这种容器生产的稻谷产量比仅用尿素的容器高出15.8％。SBC-low-E容器，其按时间安排接受了相同量的尿素，以及包括KCI、三重过磷酸盐和硫酸锌在内的其他肥料，与容器C-E中的对照肥料相同。这表明，如果向根部提供额外的二氧化碳作为碳酸氢盐，便会提高植物产品的产量。
表7A：示例2稻谷产量
表7B：示例2稻谷产量(续)
*每个容器肥料供应的CO2与2.55g尿素供应的CO2之比
在二氧化碳水平偏高的情况下，没有提高稻谷产量的唯一肥料是不含碱金属碳酸氢盐的碳酸氢铵肥料，该肥料分次施用。这表明，与不施用相比，施用含碱金属碳酸氢盐的肥料会发挥额外的作用。
示例3：使用固体肥料的重复水稻试验
为检验含二氧化碳的固体氮基肥料对根部产生的作用，使用了15种肥料配方制作片剂，并进行了5次重复试验。使用碳氮元素分析仪LECO
表8：示例3所用起始料的氮含量
表9A：示例3的肥料配方
表9B：示例3的肥料配方(续)
“石墨用于测试肥料中是否只含有元素碳
准备18.9L(5加仑)的容器，以测试示例3的固体肥料。共对75个容器的表土进行筛选，并测试土壤的pH、磷、钾、钙、镁、硫、钠、铁、锰、锌、铜、硼、总氮和总碳。该土壤试验结果如表1所示，并标记为样品A-3和A-4。称量带有16.3kg(36磅)土壤的每个容器。2017年5月2日，在每个容器中距离土壤表层7.6-10.2cm(3-4英寸)的深度处掺入包括5.0g过磷酸钙(18％P2O5，用以提高偏低的平均土壤试验值13.8mg/kg)起始肥料。在16升雨水中溶解40g尿素(提高土壤中偏低的氮平均试验值0.0511％)、176g KCI(提高土壤中偏低的钾平均试验值62.5mg/kg)、28.5g ZnSO4·7H2O(提高土壤中偏低的锌平均试验值2.9mg/kg)和1640g泻盐(提高土壤中偏低的镁平均试验值50.5mg/kg)，制备起始营养液。往每个容器中放入200mL的起始营养液。第二天，即2017年5月3日，在容器中种植经Nipslt
按照计划，表9A和9B中的每种配方均施用于五个容器。为此，根据表9A和9B中的肥料重量要求称量片剂。如图3所示，每项试验的5个容器随机排列在温室的桌子上。2017年5月29日，将肥料片剂置于每个容器中心，深度达到7.6cm(3英寸)，然后用土壤覆盖。
在示例3中，测量每个容器注入水状态下在不同日期的pH读数。表10列出了这些pH测量值。图4显示了选定测量值的图表。
表10：示例3试验中五个容器注入水的平均pH读数
收获时，称量稻谷，用水分天平测量水分。计得的稻谷干重见表11。示例3试验的结果清楚表明，在根部以碳酸氢盐的形式提供碳元素有利于提高产量。几乎60％的增加均由尿素、碳酸氢铵和碳酸氢钠共同促成，这非常出乎预料。ABC+尿素+SBC-3.5的增产幅度几乎是尿素+SBC-4的两倍。这说明，产生更高谷粒产量的协同作用在很大程度上取决于尿素与碳酸氢铵和碱性碳酸氢盐的使用，因为每种肥料中所有形式的碳基本上含量相同。成分组合和成分数量之间会发生有效的相互作用。
在供应石墨作为根部元素碳源的情况下，稻谷产量的产量增幅微乎其微，这表明以碳作为元素碳供应的配方与使用碳酸氢盐的效果不同。此外，不含尿素和碱金属(ABC-2)的碳酸氢铵不能显著提高产量。
表11：示例3中的稻谷产量
*基于减去每5个容器组的最高和最低结果而计算得出平均产量。
**肥料中的碳与2.55g尿素中的碳之比(忽略粘合剂、润滑剂和流平剂)
表12：示例3中稻谷的氮含量
*基于减去每5个容器组的最高和最低结果而计算得出平均产量。
**三个中等产量容器中稻谷的平均氮含量。
使用碳、氢和氮元素分析仪LECO
表13：在示例3稻谷中测得的额外氮含量
测量了施用R5.L配方和R5.B配方的每个中等产量容器的稻谷的氮含量。这些测量的结果见表13。从表13的结果可以看出，在所有施用ABC+尿素+SBC-3.5的试验中，稻谷的蛋白质水平均高于施用尿素-1种植的稻谷的蛋白质水平。施用ABC+尿素+SBC-3.5种植的稻谷的平均氮含量为1.59％，而施用尿素-1种植的稻谷的平均氮含量则为1.44％，这表明施用ABC+尿素+SBC-3.5能显著增加10.4％的平均蛋白质水平。
在十月份，对施用了ABC+尿素+SBC-3.5配方肥料片剂的样品进行了氮含量测试。在ABC+尿素+SBC-3.5配方肥料中测得的氮含量为7.70％，预计氮含量为8.28％。因此，高氮效率并非肥料提供了过量氮所致。此外，还测量了选定容器中植株和稻谷(不包括根部)吸收的总氮量，结果如表14所示。所有供应碱性碳酸氢盐肥料的容器的总氮吸收量均大于仅接受尿素的容器。起始肥料和发明肥料仅直接供应1.40g氮，发明肥料的配方提供了意外的氮效率增加(与供应给植株相关)，并显示了将额外氮提供给植株的独特协同作用。
表14：示例3植株收获时的总氮吸收量
*对于没有根部的植株和稻谷
使用了硫和碳元素分析仪LECO SC-
表15：示例3中稻谷的碳含量
*基于排除每组5项试验的高低产量
**肥料中的碳与2.55g尿素中的碳之比(忽略粘合剂、润滑剂和流平剂)
农学家认为，水稻最适宜在微酸性土壤中生长。根据Smith和Dilday(Smith,C.W和Robert H.Dilday，水稻：起源、历史、技术和生产。John Wiley&Sons，2002年11月25日，第272页)的观点，种植水稻的理想土壤pH范围是5.5-6.6。示例3试验中令人惊讶的结果是，能使作物产量最大增加的肥料配方也显示出最高实测pH峰值，将近8.5(见图4)，作为对照比较的尿素-1试验样品的pH峰值最低。假设较高的pH有助于碳水化合物/碳酸氢盐/氮肥以碳酸氢盐的形式捕获碳(见图1)，并因此而提高了碳效率。此外，由于土壤表面下的厌氧环境，尿素不易水解。在尿素确实形成氨时，形成速度很慢，氨被截留在土壤表面之下，并转化成铵(NH4+)，而水稻植株可以将其用作营养素。这使得氮和碳均可以被植株缓慢吸收，而不会流失到大气中。
在水稻植株的“孕穗”期间，即水稻生殖阶段，此时由于稻穗发育，叶茎开始隆起，施用ABC+尿素+SBC-3.5(R5.L配方)的水稻植株颜色差异明显。所有施用了R5.L的五个容器中的植株看起来比其他容器中的任何植株都要绿得多。这种深绿色一直持续到收获。收获后4天，使用叶绿素分析仪SPAD 502
表16：示例3的R5.L和R5.B植株中
通过电感耦合等离子体光发射光谱法(ICP-OES)，测量了供试验植株用的收获的稻谷中的磷、镁、钙、钾和钠含量。表17A和表17B列出了每种元素的重量百分比，以及稻谷对元素的总吸收量。从结果中可以看出，施用尿素-1(对照)的稻谷对钾的总吸收量少于其他肥料配方。此外，稻谷对钠的吸收量非常低。在ICP-OES上测得的钠百分比接近仪器的检测下限，因此可视为无显著差异。这表明谷粒对钠的吸收不受肥料中钠含量升高的影响，因此认为不影响食用稻米的人的健康。
表17A：示例3中稻谷的ICP-OES测量值
表17B：示例3中稻谷的ICP-OES测量值(续)
示例4：在土壤上方和下方施用碳肥料
2016年8月31日，在18.9L(5加仑)的容器中准备试验用土壤，如示例2和3所示，将土壤过筛，然后将容器填充至距顶部10.2cm(4英寸)处。通过灼烧减量(LOI)分析来检验示例4中所用土壤的pH、磷、钾、钙、镁、硫、钠、铁、锰、锌、铜、硼、总氮、总碳和有机物含量。该土壤试验结果如表1所示，并标记为样品A-2。由于磷土壤试验值较低(33.3mg/kg)，通过在距离土壤表层7.6cm(3英寸)的深度处混合1.7g的TSP，向每个容器施用含磷起始肥料。由于锌土壤试验值较低(3.9mg/kg)，也将锌的起始肥料用作0.2g硫酸锌施用于每个容器。向每个容器提供0.5g尿素以补充植株的初始氮需求，因为土壤试验氮值低至0.0978％。在土壤试验中，钙与镁之比为27:1，这超过了5:1和15:1之间的推荐比例范围。对此，通过向每个容器添加20.5g泻盐(MgSO4·7H2O)来提高镁含量。将含有硫酸锌、尿素和泻盐的起始肥料以溶液形式加入容器中。如前文示例2和3所述，经
表18：用于示例4试验的配方
于2018年执行了以下试验，以支持之前于2016年和2017年执行的工作。该项工作载于2017年12月15日提交的临时专利中。以下示例中的所有水稻试验均在2016年和2017年使用的同一温室中进行。
示例5：比较额外起始营养素与铵替代源的使用。
除了试验12.1和12.2外，示例5试验中的水稻栽种于装有20kg土壤的容器中，各容器中土壤均经过混合和筛分。用于试验12.1和12.2的土壤是种植于2017年12月15日提交的临时专利中所述的示例3R5.L试验用水稻后的土壤。此类土壤是混合性的，仅足够为试验12.1和12.2的每个容器提供18.5kg土壤。阿肯色大学对所有试验的土壤样品进行了土壤分析，结果见表20A和表20B。为便于比较，表19显示了2017年3月执行的示例3试验的土壤分析。抽取了两个土壤样品，并发送至指定地点进行了测试，确保R5-A和R5-B同一土壤的重复样品。由阿肯色州大学于2018年4月执行下表20A和表20B中的土壤分析。对用于种植示例3用水稻后五个R5.L容器中的干燥混合土壤执行试验R5L。然后在R9.12.1和R9.12.2试验中，用此类土壤种植水稻。表20A和表20B中标记为R9.1、R9.2、R9.3的土壤样品是从准备用于示例5、示例6和示例7试验的非常大的一批约7.65m3(10码)表土中提取的三个样品。
表19：2017年示例水稻试验用土壤的土壤分析
表20A：2018年温室水稻试验用土壤的土壤分析
表20B：2018年温室水稻试验用土壤的土壤分析(续)
表21A：用于示例5试验的起始营养素
表21B：用于示例5试验的起始营养素
用于种植水稻的每个容器均添加了起始营养素。这些起始营养素如表21A和表21B所示。调整钾量以配合肥料配方中发现的钾量，使得按配方给予钾的容器在起始营养素中能够接收到量低得多的钾。
试验9.1a、9.1b和9.2c比其他试验多给予50％的起始营养素。在9.2c试验中，氯化钾的给予量甚至比其他多给予50％的起始营养素的量还要高。由于2018年的土壤试验(见表20A和表20B)显示，与2017年的土壤试验相比，若干种营养素的水平有所不同，因此对这些起始营养素进行了调整，以匹配磷酸盐、钾、锌、硼和铜的水平。试验12.1和12.2中未添加镁，因为镁含量已经十分高。在种植前，将这些起始营养素混入容器土壤中。
肥料的超级颗粒(SG)是通过混合表22中列出的每种配方的成分，然后将其压制成片剂而制成。肥料片的形状接近球形，直径约为1.91cm(0.75英寸)。在容器中的水稻植株达到4叶期后，向容器中加入水以淹没土壤，直至水保持在土壤表面以上0.64-1.3cm(0.25-0.5英寸)的水平。然后将经称重的肥料片置于每个容器的土壤表面下7.6-10.1cm(3-4英寸)处。
从表22可以看出，KBC-3.5和SBC-3.5是由碳酸氢铵的50％N和尿素的50％N制成的制剂。连字符后的数字是配方向每个容器提供的CO2水平与2.55g尿素提供的CO2水平的比值。记录为“U+AS+SBC”的试验是一个配方，它用作为硫酸铵提供的当量N取代了通常作为碳酸氢铵提供的50％N。
表22：示例5容器的肥料配方
在放置肥料片后，容器中的水位每隔一天在土壤上方增加1.3cm(0.5英寸)，直至水位达到土壤表面上方7.6cm(3英寸)。在达到该水位后，水深保持在5.1至7.6cm(2-3英寸)之间。温室里的所有试验用水均是雨水。在任何时候加水时，需小心使用相同的水。
这些试验中的每个试验均重复五次。表23和表24显示了示例5试验中收获的穗的每个容器的干穗重量。
表23：与额外起始营养素相比，示例5试验中每个容器的干穗重量
表24：与铵替代源相比，示例5试验中每个容器的干穗重量
从实验证据得出的结论：1)起始营养素是SBC-3.5和KBC-3.5配方的限制因素，但对尿素-1却不是。2)通过在发明肥料中多添加50％起始营养素，我们的试验证明，与添加相同额外起始营养素的尿素配方相比，产量增加了12％。3)结果显示，当额外起始营养素与尿素配方一起使用时，产量无增加，但使用具有额外起始营养素的发明肥料的产量意外增加了12％，这表明，与发明肥料的成分存在特殊协同作用，在仅使用尿素时无法看到该作用。该协同作用需要正确水平的起始营养素来充分发挥其潜力。
4)为KBC-3.5配方提供额外起始营养素，与无额外起始营养素的相同配方相比，产量显示出显著和意外的增加(50％)。SBC-3.5配方中使用的额外起始营养素仅比使用较低水平起始营养素的SBC-3.5配方种植的水稻增产5.1％。这表明KBC-3.5受到一种营养素的限制，但不如SBC-3.5般受到限制。由于KBC-3.5配方在种植时获得的钾比SBC-3.5配方少，因此试验表明KBC-3.5配方早期钾的有效性有限。5)仍可在第二年看到现在的肥料效益，那时水稻生长在以前曾施用SBC-3.5肥料并用于种植水稻的土壤中。当使用尿素为在该土壤中生长的水稻施肥时，显示出比在之前未施用发明肥料的未处理土壤中施用尿素施肥的水稻产量增加了26％。
示例6：比较新型肥料中碳水化合物的使用。
在执行与示例5相同的试验期间，也在温室中种植示例6试验的水稻。这些试验与示例5试验同时进行，并使用与示例5试验相同的经处理表土。示例6试验各重复执行五次。如示例5所述使用起始肥料。表25列出了示例6应用的起始肥料。
表25：示例6的起始肥料。
对于示例6，氮源和无机成分及名称如示例5所述。表26A和表26B给出了每个示例6试验的配方。对于示例6试验，使用包装颗粒(PG)代替超级颗粒。如示例5所述，当水稻植株达到四叶期时，在淹盖土壤后，通过称量出合适的配方并将其放置于透水袋中，然后将该袋埋于7.6-10.1cm(3-4英寸)深的土壤表面下，制成这些包装颗粒。除了无机成分，包装颗粒还含有碳水化合物，如玉米淀粉、大米淀粉、蔗糖和葡萄糖。这些碳水化合物以不同的能量水平应用，称为1级、2级和3级，其中1级能量最低，3级能量最高。
表26A：示例6的肥料配方
表26B：示例6的肥料配方(续)
施肥的时间安排遵循与示例5所述相同的方法以及容器的浇水程序。对于每组试验，测量每个容器的干穗重量，并在表27中报告。
表27：示例6中每个容器的干穗重量
从实验证据得出的结论：1)在发明肥料中提供糖和玉米淀粉的组合比单独使用尿素最高提高了38％的产量。2)对于一些示例，仅用尿素供应碳水化合物降低了产量。3)当碳水化合物仅与尿素一起使用时无法看到在使用发明肥料时产量意外增加的情况，这表明碳水化合物的能量是发明肥料成分之间协同作用的重要组分。4)以碳水化合物的形式向水稻植物根部提供额外的能量以及肥料中的二氧化碳可以增加水稻的产量。这些试验表明，与仅在包装颗粒中添加尿素的水稻种植相比，产量最高提高了38％。
示例7：使用无蜡成分与带片剂的包装颗粒的比较
对于示例7试验，如前所述，将水稻种植于温室的容器中并使用相同的经处理表土，给出表20A和表20B中的土壤分析9.1、9.2和9.3。使用表28中所示的起始营养素和每个容器的量，如示例6中所述施用起始营养素。
表28：示例7的起始肥料。
每个试验的肥料配方如表29所示。这些肥料作为示例5中所述的超级颗粒(SG)或示例6中所述的包装颗粒(PG)放置于土壤表面之下。以下参数用于示例7的试验：1)2.1a、2.1b、2.1c的包装颗粒仅含有其配方的无机成分(尿素、碳酸氢铵、碳酸氢钠、碳酸氢钾)，但不含蜡、碳水化合物或硬脂酸盐。2)2.5a-1、2.5a-2和2.5a-3的包装颗粒含有无机物成分和蜡，但无其他成分。3)2.5b-1、2.5b-2和2.5b-3分别含有与2.5a-1、2.5a-2和2.5a-3相同的成分，但压制成片剂。
表29：示例7的肥料配方
表30显示了示例7试验的每个容器的干穗重量。
表30：示例7中每个容器的平均干穗重量
可在试验结果中得出以下结论：1)石蜡不提供早期能量源或早期碳来增加产量。2)当以压缩片剂的形式供应碳酸氢钾时，钾的可用性受到限制。3)增加起始钾克服了钾的有限可用性，提高了产量。
示例8：稻谷中的氮水平
在实验室中，通过几项试验对稻谷中的氮水平进行了分析，以检查谷物中的蛋白质水平。所分析的水稻包括示例5中的试验8.2和示例6中的试验2.4。对于示例5-7，水稻同时种植，随机放置在温室中，在相同条件下种植，给予相同水平的起始营养素，并在相同时间收获。表31显示了在稻谷中测得的氮平均重量百分比以及稻谷的总氮吸收量。将测得的氮重量百分比乘以为该试验收获的稻谷重量，可得出稻谷的总氮吸收量。
表31：稻谷氮重量百分比
根据实验证据，可得出以下结论：1)如先前在示例3表30中所示，与使用推荐水平的尿素种植的水稻相比，发明肥料提高了稻谷中的蛋白质水平。在本试验中，与使用尿素相同水平的氮所种植的水稻相比，发明肥料将水稻中的蛋白质水平提高了13％。2)在通常推荐的水平上增加施氮量也可提高水稻的蛋白质水平。3)对于以50％以上的氮作为尿素种植的水稻，谷粒的总氮吸收量增加了49.5％。此类增加在意料之中。4)在发明肥料中，施用较低水平氮的谷粒中的总氮吸收量比预料的更高，高达76.3％。这表明发明肥料具有特殊协同作用，可显著提高肥料的氮肥利用率。
在完成所有试验后，我们对肥料及其相关增效作用有了新认识：在适当条件下，我们的发明肥料可提高许多非水田作物的产量，如玉米、小麦、棉花、大麦、木薯等。
虽然仅本发明的几个示例性实施例进行详述，但本领域技术人员认识到，在示例性实施例中可进行许多可能的变化和修改，同时仍保留本发明的许多新颖和有利特征。因此，以下权利要求旨在涵盖所有此类修改和变更。
