СПОСОБ ПОДКОРМКИ ЗЕЛЕННЫХ КУЛЬТУР ЧИСТЫМ УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ
METHOD OF FEEDING GREEN CROPS WITH PURE CARBON DIOXIDE

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в овощеводстве защищенного грунта.
2
Известны способы подкормки растений углекислотой, использующие технические источники углекислого газа в защищенном грунте: прямая газация при помощи газогенераторов, нагнетание отходящих газов котельной (ОГК), подача дымовых газов теплосиловых установок (ТСУ), подача чистого углекислого газа (Богданов К.Б., Усков Е.И. "Использование диоксида углерода (СО) в агропромышленном комплексе". - М.: Энергия, 2004, с. 20; ж. Мир теплиц, №3, 2008, с 15).
Дозируя углекислый газ, можно снижать продолжительность вегетационного периода роста и развития растения, получать более ранний урожай высокого качества и экономить энергоресурсы.
Поддерживаемый в теплице микроклимат призван оптимизировать проходящие в растениях процессы, наиболее важным из которых является фотосинтез, дающий растению энергию и ассимилянты для роста и развития.
В процессе фотосинтеза идет поглощение углекислого газа на свету. С увеличением количества света усиливается и скорость поглощения растениями углекислого газа. Относительно небольшое увеличение концентрации углекислого газа в ценозе растений при высокой освещенности оказывает существенное влияние на фотосинтез и урожай.
При высоких уровнях освещенности, температуре и концентрации углекислого газа интенсивность фотосинтеза наибольшая. Для достижения высокой эффективности использования света важно поддерживать и высокую концентрацию углекислого газа. Низкое содержание углекислого газа является лимитирующим фактором для роста урожайности растений, особенно на малообъемной культуре (Л.Мортенсен, X.Гиглеред, "Максимальное увеличение скорости фотосинтеза в изменяющихся световых условиях в теплицах", ж. Мир теплиц, 2005, №7, с.51).
В воздухе теплицы площадью 1 га содержится около 20 кг углекислого газа. В весенние и летние месяцы при максимальных уровнях ФАР потребление углекислого газа растениями огурца в процессе фотосинтеза может приблизиться к 50 кг/га·ч. Дефицит углекислого газа для растений невозможно покрыть за счет атмосферного воздуха. Вентилирование культивационного сооружения в течение дня может повысить содержание углекислого газа, приблизив его к среднему атмосферному значению, но никогда не вернет до значения 0,034%.
2
2
2
2
Подкормка углекислым газом от пламенных горелок генераторов производится непосредственно продуктами сгорания природного газа с основным химическим составом: 72,1% N, 17,4% HO, 8,7% СО, 1,7 O.
2
2
2
2
2
2
Недостатком данного способа подкормки растений углекислым газом являются сопутствующие углекислому газу вредные газы: угарный газ (СО), оксиды азота (NO, NO, NO), диоксиды серы (SO), этилен (НС); невозможность регулирования высоты подачи углекислого газа, выделение тепла, отрицательно влияющего на температурный режим теплицы в летние месяцы ("Подкормка CO", ж. Мир теплиц, №10, 2004, с.11).
Способ нагнетания отходящих газов котельной (ОГК) в теплицу имеет ряд преимуществ по сравнению с газогенераторами: позволяет удлинить период подкормки в течение суток и вегетационного периода, регулировать подачу ОГК в автоматическом режиме, более эффективно использовать углекислый газ за счет применения приземной раздающей системы, экономить природный газ (С.Г.Хазанова, А.Д.Цыдендабаев "Технологические основы применения системы подкормки растений в теплицах отходящими газами котельных" Сб.науч.тр. НИПТИМЭСХ НЗ РСФСР. - Л.: 1981, с 134).
x
Недостатком способа подачи технической углекислоты ОГК является большая энергоемкость процесса, значительные потери тепловой энергии из-за отсутствия во многих хозяйствах тепловых аккумуляторов, отсутствие в хозяйствах анализаторов сопутствующих токсических газовых примесей в дымовых газах (NO, этилена, СО). Для подкормки нельзя использовать природный газ даже с небольшой примесью серы ("Инженерные вопросы", ж. Мир теплиц, №6, 2007, с.12-13).
Подкормку ОГК можно использовать на светокультуре только при условии полной очистки их от фитотоксичных примесей.
Возможны значительные изменения состава продуктов сгорания, зависящие от режима работы теплового котла и конструкции горелки, при этом содержание углекислого газа может на практике изменяться в диапазоне 6-11%.
Наиболее совершенная технология - подкормка растений чистым углекислым газом. Жидкая углекислота высшего сорта согласно ГОСТ 8050-85 должна иметь чистоту 99,8% и не содержать лабораторно определяемых примесей.
Известен способ подкормки растений чистой углекислотой, по которому жидкую углекислоту превращают в газификаторе (испарителе) в подогретый углекислый газ, который под давлением поступает в магистральный трубопровод. Далее газ из магистрального трубопровода через специальное устройство подается в теплицу по распределительным газопроводам и далее к растениям газ поступает через перфорированные полимерные рукава, высота подвески которых меняется в широком диапазоне: непосредственно в прикорневую зону, в зону активных листьев, к точкам роста (Богданов К.В., Усков Е.И. Подкормка растений углекислым газом в защищенном грунте. Ж. Гавриш, №5, 2004, с.15).
Недостатком данного способа подкормки является газация всего объема культивационного сооружения до заданной концентрации углекислого газа, что создает большие расходы чистого углекислого газа, потери углекислого газа с инфильтрацией сооружения и большую энергоемкость способа подкормки.
Известен способ поддержания заданной концентрации углекислого газа в воздухе теплицы путем непрерывной вентиляции воздуха (пат. РФ №2034440, A01G 9/18, 9/26, 1995 г.).
Способ регулирования концентрации углекислого газа в воздухе теплицы, заключающийся в том, что осуществляют непрерывную вентиляцию воздуха, поддерживая при этом оптимальную концентрацию углекислого газа в газовой смеси для заданных ее температуры и влажности, и регулируют концентрацию питательных веществ и влажность грунта, задают величину скорости обдува растений, регистрируют текущее значение скорости обдува, сравнивают заданное и текущее значения и по результатам сравнения изменяют скорость обдува и концентрацию газовой смеси, при этом их величину регулируют в зависимости от сравнения заданных и текущих значений температуры, влажности и интенсивности облучения растений.
Данный способ не учитывает величину подачи углекислого газа по фазам роста растений, а так как происходит обдув растений, то потребуется и больше углекислого газа, и при этом происходит понижение температуры в области ценоза, что также потребует дополнительного источника тепла, а значит, приведет к повышенному расходу электроэнергии.
3
Наиболее близким аналогом к заявленному способу является "Способ гидропонного выращивания С-растений (пат. РФ №2281647, A01G 31/00, 9/18).
3
Способ гидропонного выращивания С-растений в теплицах на субстратах с подачей питательного раствора под корни растений, подкормкой их углекислым газом и подсветкой лампами подразумевает, что растения герметично покрывают прозрачной пленкой по конструкциям, регулируемым по высоте по мере роста растений, и углекислый газ подают под пленку автоматически с помощью программатора, при этом питательный раствор подают в субстрат по сигналу датчика влажности.
3
2
Недостатком способа гидропонного выращивания С-растений является трудоемкость процесса выращивания, высокая энергоемкость (1 лампа ДРЛ-400Ф на 1 м). Растворимость углекислого газа при 20°С (в 1 части воды растворяется 0,88 частей углекислого газа), при образовании сильного конденсата возможны потери углекислого газа, и для поддержания заданной концентрации в зоне ценоза потребуется большее количество углекислого газа.
Задача изобретения - подача необходимого количества углекислого газа в зону ценоза при экономии электроэнергии, углекислого газа и повышение урожайности зеленных культур.
Поставленная задача решается тем, что способ подкормки растений зеленных культур чистым углекислым газом, содержащий подачу питательного раствора под корни растений, подкормку их углекислым газом и подсветку лампами, подразумевает, что растения герметично покрывают прозрачной пленкой по конструкциям и углекислый газ подают под пленку, углекислый газ подают в зону ценоза импульсно с периодичностью: подача 2÷3 мин; поглощение растениями 24-34 мин; при продолжительности подкормки 4-6 часов в сутки по фазам роста и развития растений в возрасте 5-11; 11-16; 16-21 листьев на растении.
Новые существенные признаки:
1. Углекислый газ подают в зону ценоза импульсно с периодичностью подачи 2÷3 мин, время поглощения растениями 24÷34 мин., продолжительность подкормки 4-6 часов в сутки;
2. Углекислотную подкормку проводят по фазам роста и развития растений в возрасте 5-11; 11-16; 16-21 листьев на растении.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными необходимы и достаточны для достижения технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат заключается в подаче необходимого для развития растения количества углекислого газа в зону ценоза для повышения уровня урожайности.
Растение потребляет определенное количество углекислого газа в единицу времени и при превышении концентрации углекислого газа больше необходимого остаток углекислого газа не используется, и происходят непроизводительные потери углекислого газа.
При импульсной подаче углекислого газа непосредственно в зону ценоза 2÷3 мин подается его необходимое количество. В течение 24÷34 мин растения поглощают углекислый газ до заданной концентрации.
При оптимальной подкормке растений происходит экономия чистого углекислого газа при повышении урожайности. Подкормку импульсным способом можно проводить как непрерывно в течение всего вегетационного периода, так и по фазам развития.
При использовании подкормки углекислым газом по фазам развития возможно получение дополнительной экономии углекислого газа, используя подкормку в одной или 2-х фазах развития с тем же результатом урожайности, как и при непрерывной подкормке.
Повышение урожая приводит к снижению удельных энергозатрат на единицу сухого вещества.
На фиг.1 схематично изображено устройство подкормки зеленных культур чистым углекислым газом.
На фиг.2 - график изменения концентрации углекислого газа в рабочей камере при импульсной подаче.
В камере 1 на поддоне 2 установлены контейнеры с растениями салата 3. Из баллона 4 с углекислым газом высокого давления через понижающий редуктор 5 и электроклапан 6 к камере 1 по трубкам 7 через электромагнитный клапан 8, расходомер 9 и игольчатый кран 10 подводится углекислый газ.
В местах подводки газа закреплены вентиляторы 11 для перемешивания углекислого газа с воздухом.
Блок управления подачи углекислого газа состоит из ЭВМ 12, на который поступает сигнал с контроллера 13. На вход контроллера 13 подается сигнал с аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 14, а с выхода контроллера 13 на вход блока реле режимов работы 15; с выхода последнего сигнал подается на вход магнитного пускателя 16, а с его выхода сигнал поступает на вход газового переключателя 17, на второй его вход подается сигнал из камеры 1, а с выхода газового переключателя 17 на вход газоанализатора 18, а выход последнего на вход АЦП 14. Второй выход магнитного пускателя 16 соединен с электромагнитным клапаном 8, расходомером 9, игольчатым клапаном 10 и вентилятором 11.
Показания датчиков температуры 19 и датчиков относительной влажности воздуха 20 записываются через АЦП 14 и подаются на ЭВМ 12. Лампы досвечивания 21 соединены через выход магнитного пускателя 16 с блоками реле режимов 15.
В качестве исследуемой культуры использовали салат сорта "Азарт" как наиболее подходящий для условий защищенного грунта. Сорт среднеспелый, техническая спелость наступает на 64 сутки после появления полных всходов.
3
Выращивали салат посевом семян в пластмассовые контейнеры объемом 300 см на чистом верховом торфе средней зольности, с рН 4,2. Нейтрализацию кислотности проводили доломитовой мукой из расчета 1,6-1,8 кг на 100 кг торфа влажностью 70% с доведением рН до 6,0…6,5.
Торф заправляли питательными веществами из расчета потребности растений салата в элементах питания. На 100 кг торфа вносили 30 г аммиачной селитры, 40 г калийной селитры, 50 г калия фосфорнокислого однозамещенного, 30 г сернокислого магния; молибденовокислого аммония, сульфата меди и сульфата магния по 0,1 г.
Подкормки салата проводили периодически, используя питательный раствор Э.Абеле, дифференцированный по фазам роста и развития растений (применительно к салату использовали раствор для рассады) с содержанием в 10 л раствора аммиачной селитры 1,8 г, магния сернокислого 2,5 г, калийной селитры 2,9 г, калия фосфорнокислого однозамещенного 1,6 г, микроэлементы Cu, Мо, В.
Полив растений проводили водой, подогретой до 23…25°С.
Температурный режим выращивания растений поддерживали в пределах 21-23°С, относительную влажность воздуха 52-62%, при подкормке относительная влажность повышалась до 100%, но это не влияло на фотосинтетическую деятельность растений.
Пластмассовые контейнеры с растениями 3 устанавливали на поддоны 2 в камеры 1 сразу же после полных всходов с последующей расстановкой соответственно фазе роста (5, 11, 16 листочков на растении).
2
Освещенность 10 кЛк (109 Вт/м) в камере 1 создавали лампами Дна3-400, подвешенными на высоте 1,8 м от поддона 2, в течение 14 часов в сутки.
Система досвечивания, температурно-влажностный режим и приточно-вытяжная система работали в автоматическом режиме.
Для измерения физических величин (концентрация углекислого газа, температура и относительная влажность воздуха), выработки управляющих сигналов и гибкого изменения функций разработана информационно-измерительная система с дистанционной передачей данных на ЭВМ (фиг.1).
После подготовки и проверки работы оборудования режим работы электромагнитных клапанов 8 переводится в автоматический режим, подается питание на приборы и элементы автоматической системы. Из контроллера 13 поступает сигнал на включение электромагнитного клапана газового переключателя 17. Блок реле 15 преобразует сигнал управления с контроллера 13 и подает через магнитный пускатель 16 напряжение на выводы выбранного электромагнитного клапана 8 камеры 1. Газоанализатор 18 принудительно забирает воздух из камеры 1, который по системе газоводов и газового переключателя 17 поступает в измерительную камеру газоанализатора 18. Измеренная концентрация углекислого газа преобразуется в нормализованный аналоговый сигнал, выдаваемый непрерывно газоанализатором 18. АЦП 14 измеряет сигнал на аналоговом выходе газоанализатора 18 и отцифровывает его и через контроллер 13, полученные данные поступают в ЭВМ 12. Контроллер 13 отслеживает показания газоанализатора 18 в камере 1 в течение определенного времени и в случае понижения заданной концентрации углекислого газа в камере 1 подает сигнал на электромагнитный клапан 8 подачи углекислого газа в камеру 1 в течение 15-20 сек с одновременным включением вентилятора 11 для перемешивания воздуха в камере 1.
При первом включении автономной системы управления подкормкой углекислого газа в работу, а также при переключении с одной камеры на другую газоанализатору 18 приходится измерять последовательно две различные концентрации углекислого газа. С учетом запаздывания измерительной системы газоанализатора 18 в систему автоматического регулирования 13 введен таймер задержки времени, который блокирует работу электромагнитного клапана 8, расходомера 9 игольчатого клапана 10 в переходный период из одной камеры в другую (примерно, 2 минуты).
Система рабочего освещения с помощью ламп Дна3 супер Reflux S 400 действует независимо от работы системы подкормки углекислым газом и управляется от блоков реле 15 через магнитный пускатель 16.
Датчики температуры 19 служат для непрерывной регистрации температуры в камерах.
Датчики влажности 20 служат для регистрации относительной влажности воздуха в камерах.
Показатели записываются с контроллера 13 на ЭВМ 12 в непрерывном режиме на жесткий диск. В последующем информация обрабатывается с помощью средств EXEL и STATISTICA.
После настройки оборудования, подачи требуемого количества углекислого газа в камеру, поглощения его в течение 24-34 мин и снижения концентрации углекислого газа ниже заданного импульсно подают через электромагнитный клапан 8, расходомер 9 и игольчатый клапан 10 в течение 2-3 мин углекислый газ в камеру до заданной концентрации, после чего наступает пауза, в течение которой растения поглощают углекислый газ (фиг.2).
Подкормку проводят в течение 4-6 часов в сутки с возможностью ее разбивки на время максимального фотосинтеза у растений. Возможна подкормка растений по фазам роста, максимальная прибавка урожая зеленой массы и сухого вещества была получена при концентрации 0,055 и 0,085% в фазах 7-12 и 16-20 листьев на растении при всех других равных условиях выращивания растений.
2
2
Экспериментальные данные приведены в таблице 1, из которой видно, что на формирование урожая салата оказывали влияние подкормки углекислым газом в концентрации 0,055 и 0,085%. Прирост сырой биомассы в фазах развития 7-11 и 16-20 листьев на растении составил 0,2-0,4 кг/м по сравнению с контрольным вариантом (концентрация СО 0,035%).
2
2
2
2
Скорость потребления углекислого газа растениями зависела от концентрации углекислого газа. Интенсивность фотосинтеза (ИФ) повышалась до 0,37 и 0,50 мг СО/м·с при подкормке концентрацией 0,055 и 0,085% соответственно (ИФ в контрольном варианте составила 0,27 мг СО/м·с).
Усиление процесса фотосинтеза у растений салата при подкормке углекислым газом концентрацией 0,055 и 0,085% характеризуют показатели сухого вещества.
Прибавка урожая сухого вещества составила от 19,9 до 142,3% по сравнению с контрольным вариантом (концентрация углекислого газа 0,035%).
Удельные затраты электроэнергии значительно снижались на получение единицы продукции (1 г сухого вещества) при подкормке салата углекислым газом концентрацией 0,055 и 0,085% и составили от 15,9 до 58,5% по отношению к контрольному варианту (2,45-3,33 МДж на 1 г сухого вещества).
Экспериментальные данные сведены в таблицу 1.
2
2
2
2
2
В теплицах потребление углекислого газа растениями меняется в течение светового дня в зависимости от интенсивности освещенности и изменения спектрального состава светового потока. Наибольшая необходимость углекислого газа для растений проявляется в утренние и послеобеденные часы, когда процесс фотосинтеза достигает своего максимума. Концентрация углекислого газа для зеленных культур (салата) не должна превышать 0,05-0,08%, так как интенсивность фотосинтеза у салата при подкормке концентрацией 0,08% достигает своего максимума 0,64 мг СО/м·с, что сравнимо с фотосинтетической активностью молодых листьев у растений с индексом листовой поверхности 3 м/м площади при освещенности 250-300 Вт/м.
Для получения урожая овощных культур хорошего качества растениям необходимо досвечивание в качестве дополнения к естественному свету, а иногда даже и полной его замены. Интенсивная светокультура зеленных, в частности салата, требует применения большого количества энергии и является большой статьей расходов на получение единицы продукции.
Дополнительная подкормка салата чистым углекислым газом заметно снизит энергоемкость процесса выращивания за счет повышения урожайности зеленой массы и выхода сухого вещества.
Таблица 1
Показатели
Концентрация CO<sub>2</sub>, %
0,035(контроль)
0,055
0,085
фазы развития растений, листья шт./раст.
7-11,5
11,5-16,6
16,6-19,6
7-12,1
12,1-16,6
16,6-20,2
8,0-13,9
Всего потребили растения CO<sub>2</sub>, г/м<sup>2</sup>
7,64
10,80
11,50
11,20
13,85
17,89
38,0
Скорость потребления СО<sub>2</sub>, мг CO<sub>2</sub>/м<sup>2</sup>с
0,15
0,23
0,27
0,25
0,32
0,37
0,50
Урожай салата, кг/м<sup>2</sup>
1,53
2,09
2,40
1,63
2,08
2,86
1,96
Содержание сухого вещества, %
3,12
3,86
4,04
3,72
4,65
5,25
5,90
Урожай сухого вещества, г/м<sup>2</sup>
47,7
80,6
96,9
61,6
96,7
150,0
115,6
Прибавка урожая сухого вещества, г/м<sup>2</sup>
-
-
-
13,9
16,1
53,1
67,9
Прибавка урожая сухого вещества, %
-
-
-
29,1
19,9
54,8
142,3
Прибавка урожая сухого вещества на 1 г усвоенного СО<sub>2</sub>
-
-
-
1,24
1,16
2,97
3,74
Удельные затраты электроэнергии, МДж/м<sup>2</sup>
159,2
197,6
241,5
159,2
197,6
241,5
159,2
Удельные затраты электроэнергии, МДж на 1 г сухого вещества
3,33
2,45
2,49
2,58
2,04
1,61
1,38
Экономия электроэнергии, %
-
-
-
22,5
15,9
35,3
58,5