Способ поддержания оптимальной температуры грунта в условиях пустынь и полупустынь для жизнеобеспечения растений и микроорганизмов
METHOD OF MAINTAINING OPTIMAL SOIL TEMPERATURE IN DESERT AND SEMI-DESERT CONDITIONS FOR LIFE SUPPORT OF PLANTS AND MICROORGANISMS

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к способам обработки почвы в сельском хозяйстве, а именно к способам поддержания оптимальной температуры почв для восстановления экосистемы в пустынях и полупустынях для жизнеобеспечения растений и микроорганизмов, для выращивания сельскохозяйственных культур и лесных насаждений.
Почва в пустыне плохо удерживает влагу, т.к. при высоких температурах увеличивается расход влаги на транспирацию растений и физическое испарение. Так под воздействием солнечной радиации в пустынях почва на глубине до 0,5 м, где размещается корневая система растений, прогревается до 70-80°С, корни растений слабо приживаются даже при интенсивном орошении, т.к. влага быстро испаряется. В ночное время воздух над поверхностью земли охлаждается до 1-10°С. Пояс постоянной температуры - уровень Земли, температура которого равна среднегодовой температуре данной местности. Глубина расположения пояса постоянных температур в различных районах колеблется от первых метров до 20-30 м (Короновский Н.В., Якушева А.Ф. "Основы Геологии", М., 1991). Среднегодовая температура у поверхности земли в пустынях варьируется в пределах 13-15°С.
На сегодняшний день для эффективного использования земельного фонда многие страны осваивают пустыни и полупустыни для ведения сельскохозяйственной деятельности с помощью мелиорации, заключающейся в орошении, обводнении, борьбе с сыпучими песками и засолением почв. Мелиорация - совокупность организационно-хозяйственных и технических мероприятий, направленных на создание благоприятных для полезной флоры и фауны водный, воздушный, тепловой и пищевой режимы почвы. Известны несколько типов и видов мелиорации: гидромелиорация (оросительная, противоэрозионная, противооползневая и др.), агролесомелиорация (создание защитных лесных насаждений), культуротехническая мелиорация (обработка солонцов, рыхление, пескование и др.), химическая мелиорация (известкование, фосфоритование, гипсование). Применяют вышеназванные способы мелиорации в комплексе в зависимости от природно-хозяйственных условий.
Известны способы мелиорации почв в пустынных и полупустынных зонах, заключающиеся в обогащении и мульчировании путем внесения в обрабатываемую почву органических и природных минеральных материалов (патенты РФ №2067804, МПК А01С 21/00, C09K 17/00, опубл. 20.10.1996, №2178964, МПК А01С 21/00, опубл. 10.02.2002, №2621025, МПК А01В 79/02, опубл. 30.05.2017, №2408181, МПК А01С 21/00, опубл. 10.01.2011, KR 100965734, МПК A01G 24/40, опубл. 06.03.2009 и т.д.).
Недостатком известных способов является большой расход органических или минеральных добавок для покрытия необходимой для мелиорации площади пустынной или полупустынной зоны, необходимость по несколько раз повторять процедуру из-за выветривания и вымывания добавок.
Известны способы гидромелиорации почв, заключающиеся в орошении почвы водой (патент РФ №2080434, МПК Е02В 11/00, Е02В 13/00, опубл. 27.05.1997, патент РФ №65280, МПК G09F 9/00, опубл. 27.07.2007, CN 107087534, МПК A01G 25/06, опубл. 25.08.2017, CN 107155813, МПК A01G 25/00, опубл. 15.09.2017, JP 2005328715, МПК A01G 25/02, A01G 25/16, A01G 27/00, опубл. 02.12.2005).
Недостатком известных способов является малая эффективность в пустынных и полупустынных зонах, так как почва в пустыне плохо удерживает влагу из-за высокого расхода влаги на транспирацию растений и физическое испарение.
Известен способ выращивания пастбищезащитных лесных насаждений в пустынях (агролесомелиорация), включающий безотвальную ленточную обработку почвы с одновременным рыхлением гипсоносного слоя и посадку или посев растений по центру ленты обработки почвы (патент СССР №1481912, МПК А01В 79/02, опубл. 30.09.1990). Для улучшения водо-физических свойств почвогрунтов, повышения запасов почвенной влаги в зоне размещения корней, улучшения приживаемости, сохранности, роста н развития культур, на обрабатываемой полосе под верхним песчаным слоем формируют ленту с поперечным трапециевидным сечением взламыванием, рыхлением и перемешиванием гипсоносного слоя с песком или супесью с прилегающих к нему горизонтов.
Недостатком известного способа является сложность применения в условиях пустыни, когда почва на глубине до 0,5 м прогревается до 30°С, корни растений слабо приживаются, большая трудоемкость, протяженность во времени для реализации способа.
Известен способ поддержания грунта в мерзлом состоянии с применением сезонно-действующих охлаждающих устройств для обеспечения устойчивости зданий, сооружений на сваях, а также сохранения замерзшего грунта вокруг опор ЛЭП и трубопроводов, вдоль насыпей железнодорожных путей и автомобильных магистралей (http://frost3d.ru/termostabilizatsiya-gruntov/). В основе технологии сезонно-действующих охлаждающих устройств лежит устройство передачи тепла (термосифон), которое в зимний период извлекает тепло из почвы и передает его в окружающую среду. Принцип работы всех видов сезонно-действующих охлаждающих устройств состоит из герметичной трубы, в которой находится теплоноситель-хладагент: углекислота, аммиак и др. Труба состоит из двух секций. Одна секция размещается в земле и называется испарителем. Вторая, радиаторная секция трубы, расположена на поверхности. Когда температура окружающей среды опускается ниже температуры земли, где залегает испаритель, пары хладагента начинают конденсироваться в радиаторной секции.
Известен также способ направления подогретого теплоносителя вниз, то есть в сторону противоположную к направлению естественной конвекции по обратному термосифону, работа которого основана на использовании повышенного давления насыщенного водяного пара в теплой ветви циркуляционного контура по сравнению с давлением насыщенного пара в холодной ветви, это давление может преодолеть силы естественной конвекции и вытеснить теплый теплоноситель по теплой ветви вниз к охладителю, через охладитель и далее уже холодный теплоноситель по холодной ветви к верхней части циркуляционного контура (патент UA 15361 А, МПК F28D 25/00, опубл. 30.06.1997).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ стабилизации теплового режима в теплице с помощью устройства, состоящего из двух радиаторов, сообщенных между собой и наполненных водой (патент РФ №2110171, МПК A01G 9/24, опубл. 10.05.1998). Верхний радиатор расположен в теплице под углом 10-30° над уровнем почвы, а нижний радиатор - в почве на глубине до 1 м. В дневное, более теплое время, вода нагревается в верхнем радиаторе и поступает самотеком в нижний радиатор. За счет теплообмена от последнего нагревается почва теплицы, аккумулируя подводимое тепло. В ночной, более холодный период, осуществляется обратный процесс. Нагретая почва за счет теплопередачи отдает запасенное тепло воде в нижнем радиаторе. Затем теплая вода поступает в верхний радиатор и нагревает воздушную среду в теплице.
Недостатком известного способа является то, что отсутствует возможность применить способ при обратном процессе охлаждения почвы.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение оптимальной температуры верхних горизонтов грунта для восстановления экосистемы в пустынях и полупустынях, создания комфортных условий для жизнедеятельности растений и микроорганизмов с применением температуры нижних горизонтов грунта.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность осуществлять охлаждение грунта до комфортной для жизнедеятельности растений и микроорганизмов температуры путем отвода тепла от поверхностного прогретого горизонта в нижний горизонт грунта по теплообменному устройству с испарительно-конденсационным контуром в пустынях и полупустынях.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе поддержания оптимальной температуры грунта в условиях пустынь и полупустынь для жизнеобеспечения растений и микроорганизмов, включающий стабилизацию теплового режима почвы с помощью теплообменного устройства, тепло верхнего, нагретого солнечной радиацией горизонта грунта пустыни или полупустыни, направляют в нижний горизонт грунта, используют теплоноситель с температурой кипения, совпадающей с температурой верхнего горизонта почвы, и температурой конденсации, равной температуре грунта на глубине ниже прогревания грунта, при этом в грунт погружают и вертикально устанавливают теплообменное устройство с обратной конвекцией, причем нижнюю часть теплообменного устройства с конденсатором зарывают в грунт на глубину ниже прогревания грунта с постоянной температурой равной среднегодовой температуре воздуха в зависимости от региона, а верхнюю часть теплообменного устройства с испарителем закапывают в верхний горизонт грунта, в зону распространения корневой системы растений на глубину до 0,5 м и охлаждают верхний прогретый горизонт грунта до оптимальной температуры 20-24°С для жизнеобеспечения растений и микроорганизмов за счет переноса тепла паром из зоны испарения вниз в зону конденсации, под воздействием перепада давления между зоной испарения и отдачей скрытой теплоты парообразования в зоне конденсации, где теплоноситель конденсируется за счет отдачи скрытой теплоты парообразования нижнему горизонту грунта, откуда в жидком виде по капиллярному телу теплоноситель поднимается наверх в испаритель, процесс регенерации теплоносителя повторяется циклически, а в ночное время суток, когда верхний горизонт грунта охлаждается до температуры ниже показателя температуры нижнего горизонта грунта, накопленное за день тепло в нижнем горизонте грунта направляют обратно вверх на прогрев грунта верхнего горизонта, поддерживая при этом оптимальную температуру грунта жизнеобеспечения растений и микроорганизмов в условиях пустынь и полупустынь.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая схема для осуществления предлагаемого способа.
На чертеже показаны автономное теплообменное устройство 1, испаритель 2, конденсатор 3, капиллярное тело 4, верхний горизонт грунта 5, нижний горизонт грунта 6, растения 7.
Способ поддержания оптимальной температуры грунта в условиях пустынь и полупустынь для жизнеобеспечения растений и микроорганизмов осуществляют следующим образом.
В пустыне или полупустыне в почву на глубину ниже прогревания грунта в зависимости от региона зарывают автономное теплообменное устройство 1 с движением теплоносителя в направлении обратном по отношению к естественной конвекции с курсирующим внутри теплоносителя с испарителем и конденсатором. Верхнюю часть теплообменного устройства 1 с испарителем 2 закапывают в верхний горизонт грунта 5 на глубине до 0,5 м, а нижнюю часть устройства с конденсатором 3 погружают в нижний горизонт грунта 6 на глубину ниже прогревания. Солнечные лучи нагревают верхний горизонт грунта 5 в пустыне или полупустыне до 70°С, что вызывает испарение теплоносителя в испарителе 2 теплообменного устройства 1. Под воздействием возникающей при этом разности давлений пар направляется от испарителя 2 вниз к конденсатору 3, где он конденсируется, отдавая скрытую теплоту парообразования нижнему горизонту грунта 6 с температурой, равной среднегодовой температуре воздуха в зависимости от региона. Теплоноситель в жидкой фазе по капиллярному телу 4 из зоны конденсации возвращается в зону испарения. Цикл повторяется. При этом теплоноситель подбирается таким образом, чтобы температура кипения совпадала с температурой верхнего горизонта почвы, а температура конденсации была равна температуре грунта на глубине ниже прогревания грунта, не зависящей от сезонных колебаний температуры и равной среднегодовой температуре воздуха на поверхности земли.
Предлагаемый способ обеспечивает и поддерживает оптимальную для ведения сельскохозяйственного производства температуру в верхнем слое почвы до 0,5 м 20-24°С.
Пример.
Для более эффективного использования земельного фонда в пустыне на территории, выбранной для выращивания сельскохозяйственных культур равномерно по всей площади посадки растений закапывают теплообменное устройство с обратной конвекцией. Нижнюю часть теплообменного устройства с конденсатором зарывают в грунт на глубину 16 м, а верхнюю часть с испарителем - на глубине 0,4 м. Солнечные лучи нагревают поверхностный горизонт грунта до 70°С. От поверхностного слоя грунта тепло направляют в испаритель теплового устройства, внутри которого происходит испарение теплоносителя, далее пар направляется от испарителя вниз к конденсатору, где охлаждается, отдавая скрытую теплоту парообразования нижнему горизонту грунта с температурой 14°С и конденсируется. Таким образом, происходит отвод тепла от верхнего в нижний горизонт грунта. Под воздействием капиллярных сил теплоноситель в жидкой фазе из зоны конденсации возвращается в зону испарения. Цикл повторяется. В ночное время, когда температура поверхностного горизонта грунта снижается до 10°С, происходит обратный процесс с естественной конвекцией теплоносителя. Тепло от нижнего горизонта грунта, в результате теплообмена прогревшегося в течение дня до 20-25°С, отводится по теплообменному устройству обратно наверх в верхний горизонт грунта, обеспечивая необходимую для жизнеобеспечения растений и микроорганизмов температуру почвы 20-24°С. Реверсивный процесс отдачи накопленного за день тепла в верхний горизонт грунта активизируется при снижении температуры грунта в верхнем горизонте до показателей ниже температуры нижнего горизонта грунта. В процессе реализации способа поверхностный горизонт грунта, где размещается корневая система растений, охлаждается до оптимальной для жизнеобеспечения растений и микроорганизмов температуры 20-24°С. Появляется возможность более эффективно проводить мелиорационные работы, в том числе орошение, посадку защитных лесных насаждений, а также увеличить приживаемость при высеве семян культурных растений. Испарение влаги из почвы снижается за счет обеспечения оптимальной температуры почвы, повышается эффективность орошения и других мелиорационных работ, увеличивается приживаемость при высеве семян культурных растений, посадке защитных лесных насаждений. Также появляется возможность экономии на воде при проведении оросительных мероприятий за счет уменьшения потерь на испарение и транспирацию растений.