СИСТЕМА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ
SYSTEM FOR GROWING PLANTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к выращиванию растений в искусственных субстратах. В частности, но не исключительно, настоящее изобретение относится к выращиванию растений в субстратах из минеральной ваты.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, растения можно выращивать в содержащих минеральную вату субстратах для выращивания растений. Такие субстраты для выращивания растений, как правило, присутствуют как отдельная вставка, блок, плита или подложка/покрытие и, как правило, включают связующее вещество, обычно органическое связующее вещество, которое обеспечивает структурную целостность изделия.
Как правило, процесс выращивания растений определяют две стадии: на первой стадии используется "установка для рассады", в которой растения выращивают из семян, и на второй стадии используется "установка для выращивания", в которой выращиваются растения, и собирается урожай. Например, в случае выращивания томатов в установке для рассады можно выращивать растения из отдельных семян томатов в цилиндрических вставках, у которых толщина составляет приблизительно от 25 до 30 мм, и радиус составляет приблизительно от 20 до 30 мм. После проращивания семян установка для рассады помещает вставку внутрь кубического блока, чтобы обеспечивать дальнейший рост корневой системы и растения в целом. Отдельное растение внутри блока затем выращивается до такой стадии, на которой оно может быть перемещено из установки для рассады в установку для выращивания.
Хотя часто в каждом блоке находится только одно растение, оказывается возможным помещение нескольких растений в один блок. Согласно некоторым примерам, одно растение в блоке разделяется на два посредством расщепления стебля в течение ранней стадии выращивания, и в результате этого получаются два растения, имеющие единую общую корневую систему. В качестве следующей альтернативы, несколько растений можно прививать друг к другу и выращивать в одном и том же блоке.
Использование отдельной вставки и блока в установке для рассады не является обязательным для всех растений, но было раскрыто, например, в европейской патентной заявке EP 2111746 как обеспечивающее ряд преимуществ. В частности, небольшой размер вставки обеспечивает более равномерное орошение растения на начальной стадии без насыщения его субстрата.
После перемещения из установки для рассады установка для выращивания помещает ряд блоков на единую плиту из минеральной ваты, и образуется система для выращивания растений. Плиту из минеральной ваты, как правило, окружает фольга или другой непроницаемый для жидкостей слой, за исключением отверстий на верхней поверхности для размещения блоков с растениями и сточного отверстия, изготовленного на нижней поверхности.
В течение последующего выращивания растений вода и питательные вещества поступают с использованием капельниц, которые подают в систему жидкость, содержащую воду и питательные вещества, в том числе непосредственно в блоки или в плиты. Вода и питательные вещества в блоках и плитах поглощаются корнями растений, и растения растут соответствующим образом. Вода и питательные вещества, которые не поглощаются растениями, остаются в субстратной системе или сливаются через сливное отверстие.
Оказывается желательным использование воды и питательных веществ с максимально возможной эффективностью течение процесса выращивания растений. Это обусловлено как экономическими, так и экологическими причинами. В частности, приобретаемые питательные вещества являются дорогостоящими, в то время как утилизация сточной воды, содержащей такие питательные вещества, оказывается затруднительной вследствие законодательства об охране окружающей среды. Эти факторы становятся все более значительными по мере того, как исходные материалы (в частности, удобрения, такие как фосфаты) становятся все более дефицитными. Желательное предотвращение таких потерь сочетается с желательным улучшением условий выращивания растений и соответствующего повышения урожайности и качества плодов, получаемых от растений в результате этого.
Использование минеральной ваты само по себе обеспечивает значительные выгоды в данном отношении по сравнению с традиционными способами выращивания на почвенной основе, но существует постоянное требование дальнейшего улучшения данных характеристик. В частности, существуют противоречащие желания повышения производительности и снижения расходов в процессе выращивания растений. Таким образом, оказывается желательным повышение урожайности растений и в то же самое время уменьшение используемого количества воды и/или питательных веществ. На практике существующие способы и/или субстраты для выращивания растений определяют ограничения в отношении обоих данных аспектов.
В данном контексте важные качества систем для выращивания растений включают их удерживание воды, дополнительное насыщение и распределение воды/питательных веществ. Удерживание воды означает количество воды, которое может удерживать система, в то время как распределение воды означает место присутствия воды и питательных веществ в объеме плиты. Дополнительное насыщение означает склонность присоединения вновь добавляемого жидкого раствора к содержащейся в субстрате воде и питательным веществам вместо вытеснения существующего раствора или вытекания.
Конкретные факторы, которые влияют на удерживание воды, распределение воды и дополнительное насыщение, включают действие силы тяжести, которая заставляет воду течь вниз и, таким образом, по направлению к сливному отверстию, и капиллярные эффекты, которые могут заставлять воду втягиваться вверх. На практике плиты, как правило, установлены с небольшим уклоном, причем сливное отверстие располагается в наиболее нижней точке нижней поверхности, способствуя силе тяжести, которая заставляет воду перемещаться по направлению к сливному отверстию. Помимо силы тяжести и капиллярных эффектов, следует принимать во внимание сопротивление потоку среды, которое своим действием препятствует прохождению воды через плиту из капельниц к сливному отверстию. В целом, если требуется оптимизация развития корневой системы и всего растения, то необходимо обеспечение оптимальных условий, которые должны существовать в области субстрата, в котором происходит рост корней.
Как следует ожидать, удерживание воды в субстрате на неоптимальном уровне может приводить к недостатку или избытку воды. В случае недостатка это приводит к потере воды, которая, таким образом, вытекает через сливное отверстие. Распределение воды также имеет большое значение, поскольку является необходимым поступление к корням растений воды, которая находится в объеме плиты. Например, если растение было недавно помещено на плиту, корни медленно прорастают в верхние области плиты. Если вода не попадает в корни, в результате этого снижается скорость роста растений, и, таким образом, снижается урожайность. В частности, в целях обеспечения достаточного орошения корней растений в верхней области плиты может оказаться необходимым, чтобы установка для выращивания подавала избыток воды на плиту для сохранения достаточного количества воды вокруг корней, что приводит к увеличению потери воды через сливное отверстие и дополнительным расходам. Избыточное содержание воды может также повышать риск роста грибов, с одной стороны, или снижать содержание кислорода, с другой стороны, что может наносить ущерб растениям.
Важный фактор выращивания растений представляет собой удерживание и распределение питательных веществ. Хотя питательные вещества, как правило, поступают с водой, они необязательно распределяются и удерживаются плитой таким же образом. Питательные вещества, как правило, включают растворенные соли, в которых содержатся азот, фосфор, калий, кальций, магний и аналогичные элементы. Питательные вещества растворяются в воде, и на их перемещение через плиту влияют различные процессы, такие как адвекция, дисперсия и диффузия. Адвекция представляет собой перемещение питательных веществ с потоком воды через плиту, дисперсия представляет собой смешивание питательных веществ, которое происходит в процессе их перемещения через сложные пористые структуры в плитке, и диффузия представляет собой случайное движение частиц в объеме плиты и статистическую тенденцию, которая приводит к уменьшению концентрационных градиентов.
Как и в случае самой воды, важно, чтобы питательные вещества попадали в корни растений. Если питательные вещества распределяются неудовлетворительным образом или теряются из плиты, то может потребоваться избыток питательных веществ в плите в целом, чтобы растение получало необходимые ему питательные вещества. Разумеется, это представляет собой неэффективное расходование питательных веществ.
Следующий фактор, который играет роль в выращивании растений на искусственных субстратах, представляет собой эффективность освежения питательных веществ (т. е. эффективность орошения, которое освежает питательные вещества). Это означает возможность того, что введение свежего раствора питательных веществ будет вымывать существующие питательные вещества из плиты. В некоторых обстоятельствах может оказаться желательным изменение концентрации питательных веществ в объеме плиты в течение процесса выращивания растений. Способность осуществлять это будет зависеть от возможности того, что существующие питательные вещества будут эффективно вытесняться во всей плите или, по меньшей мере, в области плиты, в которой происходит рост корней. Кроме того, в некоторых примерах накопление питательных веществ, если они не вытесняются, может достигать уровня, который может вызывать обезвоживание или является, по меньшей мере, неидеальным для выращивания растений.
Принимая это во внимание, авторы считают, что количество воды и питательных веществ, которыми снабжаются растения, играет решающую роль в выращивании растений. Данный выбор осуществляется, как правило, посредством анализа внешних факторов, таких как продолжительность солнечного освещения или температура и предполагаемое вероятное поведение системы (в отношении испарения и т. д.). Хотя в оранжерейных условиях оказывается возможным, например, регулирование таких факторов, как освещение, посредством использования экрана, а также регулирование температуры посредством использования нагревательных систем, такие системы являются дорогостоящими в эксплуатации, и желательно регулировать количество воды и питательных веществ таким образом, чтобы обеспечивать максимальное энергосбережение.
Известно измерение содержания вода и/или питательных веществ в составе субстрата для выращивания растений. Например, международная патентная заявка WO 2010/031773 описывает измеряющее содержание воды устройство, которое определяет содержание воды в субстрате из минеральной ваты посредством измерения влагоемкости. Аналогичным образом, международная патентная заявка WO 03/005807 описывает способ измерения содержания кислорода в воде, которую содержит субстрат для выращивания растений. Однако, несмотря на то, что такие способы могут предоставлять полезную информацию растениеводу, они сами по себе не способны обеспечивать улучшенное содержание и распределение воды, питательных веществ и кислорода в объеме плиты.
Существует постоянная потребность улучшения орошения растений в течение их выращивания. Существующие технологии часто приводят к потере и/или чрезмерному расходованию воды и/или питательных веществ, поскольку оказывается невозможным обеспечение надлежащего регулирования данных свойств.
Например, патентная заявка США US 2005/0240313 и европейская патентная заявка EP 0300536 описывают оросительные системы, включающие оросительное устройство, приспособленное для снижения или повышения содержания воды, таким образом, что содержание воды можно устанавливать на фиксированном уровне. Один недостаток таких систем заключается в том, что уровень EC и, следовательно, содержание питательных веществ, не регулируется надлежащим и своевременным образом. Снижение или повышение содержания воды в известных устройствах не измеряет уровень EC. Уровень EC может изменяться, но только в том случае, если в воду добавляется раствор питательных веществ.
Международная патентная заявка WO 2004/109238 описывает оросительную систему, которая осуществляет измерения содержания воды и питательных веществ, поступающих в систему, причем данные измерения не осуществляются непосредственно на плите. Регулирующий блок этой системы показывает количество воды в системе. Уровень EC представляет собой предполагаемое основание для допущения, сделанного с учетом измеренного количества воды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предлагается система для выращивания растений, включающая:
один или несколько субстратов для выращивания растений;
один или несколько детекторов, предназначенных для измерения содержания питательных веществ, по меньшей мере, в одном из субстратов для выращивания растений;
по меньшей мере, одно оросительное устройство, предназначенное для подачи воды в субстраты для выращивания растений; и
регулирующее устройство, присоединенное к вышеупомянутым детекторам и, по меньшей мере, к одному вышеупомянутому оросительному устройству,
причем подача воды, по меньшей мере, одним оросительным устройством регулируется регулирующим устройством в зависимости от измеренного содержания питательных веществ.
Согласно настоящему изобретению, содержание питательных веществ используется, чтобы регулировать количество воды, которая поступает в субстраты. Это отражает признание того, что, по меньшей мере, иногда, уровень содержания воды не следует поддерживать у определенной точки, если это производит неблагоприятное воздействие на содержание питательных веществ. Например, когда осуществляется преднамеренное действие в целях снижения уровня содержания воды в составе субстрата, существует риск того, что в результате получится повышенное содержание питательных веществ. Таким образом, было признано, что оказывается нецелесообразным игнорирование содержания питательных веществ, когда осуществляется регулирование уровня содержания воды.
В отличие от существующих устройств, которые описаны выше (например, со ссылкой на европейскую патентную заявку EP 0300536), при использовании системы согласно настоящему изобретению оказывается возможным измерение уровня EC и принятие решения о том, что требуется его снижение или повышение. На основании принятого решения прекращается или применяется орошение, чтобы изменить уровень EC и в результате этого точно регулировать содержание питательных веществ. Известные устройства, такие как сельскохозяйственная дренажная система (ADS), которую описывает европейская патентная заявка EP 0300536, предназначаются, чтобы регулировать содержание воды (а не содержание питательных веществ). Вследствие регулирования содержания воды оказывается возможным изменение уровня EC, однако это не может быть точно определено, и, следовательно, содержание питательных веществ не определяется надлежащим образом. С другой стороны, настоящее изобретение предлагает регулирование уровня EC, вследствие которого содержание воды может быть изменено надлежащим образом.
Таким образом, настоящее изобретение может предложить систему обратной связи, которую можно использовать, чтобы точно и надежно измерять уровень содержания питательных веществ в плите и регулировать использование воды в зависимости от данного уровня. Содержание питательных веществ в одном или нескольких субстратах измеряется непосредственно. Например, осуществляются измерения в объеме субстрата, а не косвенные измерения воды, вытекающей из субстрата, или используется некоторый другой способ. Так получается система, в которой окружающую среду каждого растения можно регулировать, чтобы обеспечивать максимальный результат при заданной подаче воды и/или питательных веществ.
Вместо того чтобы полагаться на уровни падающего излучения, как в традиционных системах, в настоящем изобретении используется содержание питательных веществ в субстрате (а также можно использовать содержание воды в субстрате) в качестве основной заданной величины для принятия решения в целях орошения. В традиционных случаях увеличение количества падающего света автоматически приводит к увеличению орошения. С другой стороны, настоящее изобретение допускает принятие решение о том, осуществлять орошение или нет, не на основании уровня света или, по меньшей мере, не только на основании уровня света, но в зависимости от результатов непосредственного измерения субстрата.
Субстраты предпочтительно представляют собой субстраты MMVF, хотя можно использовать и другие субстраты. Согласно предпочтительным вариантам осуществления, каждый субстрат включает плиту и единственный блок (предпочтительно плиту MMVF и единственный блок MMVF). Таким образом, на каждой плите установлен один и только один содержащий растение блок, и это означает, что регулирование содержание воды и/или питательных веществ в составе каждой плиты можно регулировать со значительно более высокой точностью, чем системах, где растения располагаются во множестве блоков, которые могут конкурировать за ресурсы от плиты. Авторы считают, что при использовании единственного блока получается система обратной связи, которая может с большей точностью измерять содержание соответствующих питательных веществ и, таким образом, обеспечивать более точное регулирование используемой воды и питательных веществ в зависимости от данных характеристик.
Предпочтительно, один или несколько детекторов дополнительно предназначаются для измерения уровня содержания воды, по меньшей мере, в одном из субстратов для выращивания растений, и подача воды, по меньшей мере, одним оросительным устройством регулируется регулирующим устройством в зависимости от измеренных уровней содержания воды. Таким образом, вода подача точно регулируется на основании уровней содержания питательных веществ и содержания воды, которые фактически наблюдаются в субстратах.
Помимо регулирования подачи воды, по меньшей мере, одним оросительным устройством, регулирующее устройство может также регулировать подачу питательных веществ, по меньшей мере, одним оросительным устройством. Такое регулирование может осуществляться в зависимости от измеренного содержания воды и/или содержания питательных веществ.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления, один или несколько детекторов дополнительно предназначаются для измерения распределения, по меньшей мере, одного из веществ, представляющих собой воду и/или питательные вещества, в объеме, по меньшей мере, одного из субстратов для выращивания растений. Предпочтительно подача воды и/или питательных веществ регулируется таким образом, чтобы увеличивать однородность распределения измеренного содержания воды, питательных веществ и/или кислорода. Таким образом, становится известным не только количество таких материалов, но также информация в отношении их распределения в объеме и/или между блоком и/или плитой данной системы. Это обеспечивает дополнительный объем информации, которую можно использовать для гарантии того, чтобы были обеспечены в соответствующем количестве вода и питательные вещества.
Преимущества улучшенного распределения воды и/или питательных веществ являются особенно значительными в течение ранней стадии, когда содержащий растения блок вновь устанавливается на плиту. На данной стадии важно, чтобы первый слой содержал достаточное количество воды и питательных веществ для обеспечения хорошего укоренения в объеме плиты. Это обеспечивает благоприятное развитие корневой системы, что гарантирует оптимальный и здоровый рост растений. Преимущественно плита согласно настоящему изобретению не только допускает обеспечение достаточного количества воды и питательных веществ, но также позволяет точно регулировать уровень воды и питательных веществ вблизи корней. Это может способствовать предотвращению чрезмерного питания растений, которое может уменьшать рост фруктов и/или овощей.
Искусственные стекловидные волокна (MMVF) согласно настоящему изобретению могут представлять собой стекловолокно, минеральную вату или тугоплавкие керамические волокна. Согласно предпочтительным вариантам осуществления, MMVF представляет собой минеральную вату.
Один или несколько детекторов может быть фиксированным по отношению к субстратам. Другими словами, один или несколько детекторов могут занимать постоянные положения, и, таким образом, не требуется их повторная установка каждый раз, когда измеряются уровни содержания воды или питательных веществ. В ситуации единственного блока на каждой плите можно понять, что может быть обеспечено постоянное положение регулирующей системы. В частности, можно использовать автоматическое регулирование растений и/или питательных веществ, чтобы обеспечивать их идеальное содержание для каждого растения в пределах системы.
Содержание питательных веществ может представлять собой суммарное содержание всех питательных веществ в субстрате, содержание некоторых конкретных питательных веществ или содержание одного питательного вещества. Настоящее изобретение не ограничивается каким-либо одним вариантом осуществления в данном отношении.
Один или несколько детекторов могут предназначаться, чтобы на регулярной основе измерять уровни содержания воды и/или питательных веществ, по меньшей мере, в одном из субстратов для выращивания растений. Например, эти уровни можно измерять с регулярными интервалами. В качестве альтернативы, один или несколько детекторов могут предназначаться для непрерывного измерения содержание воды и/или питательных веществ.
Предпочтительно один или несколько детекторов предназначаются для одновременного измерения содержание воды и питательных веществ, по меньшей мере, в одном из субстратов для выращивания растений.
Согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления, один или несколько детекторов дополнительно предназначаются для измерения температуры, по меньшей мере, в одном из субстратов для выращивания растений, и подача воды и/или питательные вещества, по меньшей мере, одним оросительным устройством дополнительно регулируется регулирующим устройством в зависимости от измеренной температуры.
Предпочтительно один или несколько детекторов предназначаются для измерения содержания питательных веществ по удельной электропроводности (EC) текучей среды, которая втекает или вытекает, по меньшей мере, из одного субстрата для выращивания растений. Удельная электропроводность представляет собой точный показатель количества солей и, таким образом, ионов в текучей среде. Это представляет собой хороший показатель содержания питательных веществ. В частности, один или несколько детекторов предназначаются для поддержания удельной электропроводности в заданном интервале. Преимущественно с помощью настоящего изобретения пользователь получает возможность устанавливать предпочтительное ("целевое") значение уровня EC и подавать воду и питательные вещества на основании данного значения. Другими словами, с помощью настоящего изобретения становится возможным установление уровня EC таким образом, чтобы регулировать содержание питательных веществ на своевременной основе.
Предпочтительно два или более детекторов предназначаются для прохождения через боковую стенку плиты таким образом, что в процессе использования содержание питательных веществ измеряется на различных уровнях плиты. Таким образом, становится возможным осуществление вертикальных измерений EC и учет изменений EC на протяжении высоты плиты в целях получения более точных значений уровня EC и, таким образом, содержания питательных веществ.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления, плита имеет объем, составляющий от 3 до 20 л. Предпочтительно, плита имеет объем, составляющий от 5 до 15 л, предпочтительнее от 5 до 11 л, и, согласно особенно предпочтительному варианту осуществления, плита имеет объем, составляющий от 6 до 8 л. Такой относительно небольшой объем обеспечивает точное регулирование содержания воды и питательных веществ, но, в то же время, данный объем не является настолько малым, чтобы препятствовать желательному росту корневой системы.
Размер плиты также обеспечивает более эффективное регулирование содержания воды и питательных веществ по сравнению с традиционными более крупными плитами. В отличие от предшествующих плит, которые, как правило, предназначаются для размещения множество содержащих растения блоков на верхней поверхности, плита согласно предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения предназначается для использование с единственным содержащим растения блоком. Таким образом, можно точно регулировать количества воды и питательных веществ, которые поступают к отдельному растению или растениям в отдельном блоке. Это позволяет оптимизировать количества воды и питательных веществ, которые поступают к растению, в частности, для генеративных стратегий выращивания растений, которые обеспечивают повышение урожайности и снижение отходов по сравнению с вегетативными стратегиями.
Согласно некоторым предпочтительным вариантам осуществления, каждый субстрат для выращивания растений дополнительно включает единственную вставку MMVF, расположенную внутри блока MMVF. Данная вставка может использоваться для выращивания растений из семян перед введением в блок.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Предпочтительная плита MMVF включает первый слой MMVF в пограничном контакте со вторым слоем MMVF, причем первый слой имеет более высокую плотность, чем второй слой. Было обнаружено, что создание различных плотностей улучшает регулирование распределения воды и питательных веществ в субстрате. Согласно предпочтительным вариантам осуществления, первый слой MMVF имеет плотность, составляющую от 40 кг/м до 90 кг/м, второй слой MMVF имеет плотность, составляющую от 35 кг/м до 85 кг/м. Предпочтительнее плотность первого слоя составляет от 50 кг/м до 80 кг/м, и/или плотность второго слоя составляет от 45 кг/м до 75 кг/м. Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления, плотность первого слоя составляет 70 кг/м, и плотность второго слоя составляет 50 кг/м. Было обнаружено, что эти значения плотности обеспечивают хорошие свойства для выращивания растений, включая удерживание воды и питательных веществ.
3
3
3
Плотность второго слоя составляет менее чем плотность первого слоя. Плотность второго слоя составляет менее чем плотность первого слоя, и их разность составляет предпочтительно, по меньшей мере, 5 кг/м, предпочтительнее, по меньшей мере, 10 кг/м и наиболее предпочтительно приблизительно 20 кг/м. Эта разность между значениями плотности слоев способствует обеспечению того, что вода и питательные вещества надлежащим образом распределяются в объеме плиты, и, в частности, она может способствовать предотвращению избыточных пропорций воды и/или питательных веществ, которые содержатся во втором слое.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления, в субстрате содержится гидрофильная связующая система и/или связующая композиция, включающая органическое связующее вещество, выбранное из бесформальдегидных связующих веществ. Связующая система может включать связующее вещество и смачивающее вещество, или она может включать только связующее вещество. Посредством обеспечения того, чтобы связующая система была гидрофильной, свойства удерживания воды могут улучшаться по сравнению со связующими композициями, которые не являются гидрофильными или являются гидрофобными.
Предпочтительно связующее вещество включает продукт реакции компонента поликарбоновой кислоты и компонента многоатомного спирта и/или амина, предпочтительно в смеси с компонентом сахара и/или фенола. Предпочтительнее связующее вещество представляет собой продукт реакции, в которую вступают поликарбоновая кислота или соответствующий ангидрид, амин, предпочтительно алканоламин, и сахар, предпочтительно восстанавливающий сахар. Было обнаружено, что эти связующие вещества обеспечивают особенно предпочтительные свойства плит MMVF.
Смачивающее вещество может представлять собой неионное поверхностно-активное вещество, но предпочтительно оно включает ионное поверхностно-активное вещество, распределенное в одном или обоих из вышеупомянутых слоев. Предпочтительно поверхностно-активное вещество представляет собой анионное поверхностно-активное вещество, предпочтительно сульфонатное поверхностно-активное вещество, предпочтительно линейный алкилбензолсульфонат (LABS). Было обнаружено, что эти предпочтительные смачивающие вещества создают благоприятные эффекты, в частности, улучшают гидрофильность связующей композиции.
Блок MMVF предпочтительно вступает в контакт с первым слоем. Кроме того, первый слой предпочтительно находится выше второго слоя в процессе использования. Кроме того, вода и питательные вещества предпочтительно поступают в блок или в первый слой. Таким образом, вода и питательные вещества могут поступать в первый, более плотный слой. Было обнаружено, что это обеспечивает хорошие свойства удерживания воды и распределения.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления, толщина первого слоя составляет менее чем толщина второго слоя. Согласно предпочтительным вариантам осуществления, соотношение толщины первого слоя и толщина второго слоя составляет 1:(1-3), предпочтительно 1:(1,2-2,5) и предпочтительнее 1:(1,2-1,8). Например, толщина первого слоя может составлять половину толщины второго слоя или более. Было обнаружено, что предпочтительное соотношение значений толщины первого и второго слоев обеспечивает точное регулирование удерживания воды и питательных веществ в объеме субстрата.
3
3
Согласно предпочтительным вариантам осуществления блок имеет объем, составляющий от 50 мл до 5000 мл, и/или каждый блок имеет плотность, составляющую от 30 кг/м до 150 кг/м. Было обнаружено, что эти размеры и значения плотности являются эффективными при использовании в системах для выращивания растений.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления, толщина первого слоя составляет менее чем толщина второго слоя. Предпочтительно толщина первого слоя составляет, по меньшей мере, половину толщина второго слоя. Было обнаружено, что эти пропорции способствуют сохранению предпочтительного распределения воды и питательных веществ в плите.
Согласно предпочтительным вариантам осуществления, преобладающая ориентация волокон первого и второго слоев является горизонтальной. В данном контексте, горизонтальная ориентация означает параллельность по отношению к пограничному контакту между первым и вторым слоями. Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, преобладающая ориентация волокон одного или обоих из первого и второго слоев является вертикальной (т. е. перпендикулярной по отношению к пограничному контакту). Например, согласно особенно предпочтительному варианту осуществления, преобладающая ориентация волокон первого слоя является вертикальной, в то время как преобладающая ориентация волокон второго слоя является горизонтальной. Согласно альтернативному варианту осуществления, преобладающая ориентация волокон первого слоя может быть горизонтальной, в то время как преобладающая ориентация волокон второго слоя является вертикальной. Ориентация волокон может влиять на скорость потока жидкости через плиту. Например, горизонтальная ориентация волокон может уменьшать скорость потока жидкости через плиту и производить соответствующий благоприятный эффект, уменьшая теряемое количество жидкости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее будут описаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, в числе которых:
фиг. 1 иллюстрирует плиту, используемую для выращивания растений согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 иллюстрирует систему для выращивания растений, включающую блок вместе с плитой, представленной на фиг. 1;
фиг. 3 иллюстрирует блок, представленный на фиг. 2, вместе с вставкой и растением;
фиг. 4 иллюстрирует оросительное устройство, расположенное рядом с системой для выращивания растений, представленной на фиг. 2;
фиг. 5 иллюстрирует расположение детекторов воды и питательных веществ в системе для выращивания растений, представленной на фиг. 2;
фиг. 6 схематически представляет регулирование систем для выращивания растений, включая множество систем для выращивания растений, представленных на фиг. 2;
фиг. 7A иллюстрирует систему для выращивания растений согласно первый пример;
фиг. 7B иллюстрирует систему для выращивания растений согласно второму примеру настоящего изобретения;
фиг. 8 иллюстрирует измеренный уровень содержания воды в субстрате для выращивания растений согласно первому и второму примерам в течение долгосрочного исследования;
фиг. 9 иллюстрирует изменение уровня EC в плите в течение долгосрочного исследования; и
фиг. 10 иллюстрирует длину листьев растений в течение долгосрочного исследования.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Рассмотрим фиг. 1, где представлена содержащая минеральную вату плита 1, которая включает первый слой, имеющий первую плотность и расположенный выше второго слоя, имеющего вторую плотность. Плита 1 имеет объем, составляющий 6,8 л, хотя, согласно предпочтительным вариантам осуществления, более характерный объем может находиться в интервале от 3 л до 20 л, предпочтительнее в интервале от 5 л до 15 л и наиболее предпочтительно в интервале от 5 до 11 л. Согласно некоторым вариантам осуществления, плита имеет объем, составляющий от 6 л до 8 л. Согласно другим вариантам осуществления, объем может составлять, например, от 3 л до 15 л или от 3 л до 10 л. Согласно альтернативному предпочтительному варианту осуществления, плита имеет объем, составляющий 9 л.
Высота h плиты 1 на фиг. 1 составляет 100 мм, хотя ее более типичное значение может составлять от 75 мм до 150 мм и предпочтительнее от 85 мм и 125 мм. Ширина w плиты 1 составляет 150 мм, хотя ее более типичное значение может составлять, например, от 100 мм до 300 мм. Длина l плиты 1 составляет 450 мм, хотя ее значение может также изменяться и может составлять, например, от 200 мм до 800 мм или предпочтительно от 250 мм до 600 мм. Согласно конкретному предпочтительному варианту осуществления, у плиты 1 высота h составляет 100 мм, ширина w составляет 150 мм, и длина l составляет 600 мм.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Согласно предпочтительному варианту осуществления, который представлен на фиг. 1, первый слой имеет высоту a, составляющую 40 мм, и плотность, составляющую 70 кг/м, в то время как второй слой имеет высоту b, составляющую 60 мм и плотность, составляющую 50 кг/м. И здесь, согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, могут быть выбраны другие значения эти параметров. Например, высота первого слоя может составлять от 25 мм до 50 мм, в то время как высота нижнего слоя может составлять от 50 мм до 100 мм. Аналогичным образом, плотность верхнего слоя составляет предпочтительно от 40 кг/м до 90 кг/ми предпочтительнее от 50 кг/м до 80 кг/м, в то время как плотность нижнего слоя составляет предпочтительно от 35 кг/м до 85 кг/м и предпочтительнее от 45 кг/м до 75 кг/м.
Как в случае варианта осуществления, который представлен на фиг. 1, оказывается предпочтительным, что высота нижнего слоя составляет более чем высота верхнего слоя. Например, соотношение высот верхнего и нижнего слоев может составлять 1:(1-3) или предпочтительно 1:(1,2-2,5). Предпочтительнее данное соотношение составляет 1:(1,2-1,8).
Было обнаружено, что, согласно предпочтительному варианту осуществления, использование плиты, имеющей два различных значения плотности в сочетании с относительно небольшим размером, способствует удерживанию воды и питательных веществ, а также обеспечивает их практически равномерное распределение во всем объеме плиты.
Далее рассмотрим фиг. 2, где представлена плита 1, имеющая блок 2, расположенный на ее верхней поверхности. Плита 1 дополнительно включает непроницаемое для жидкостей покрытие вокруг минеральной ваты, причем данное покрытие имеет два отверстия. Первое отверстие находится на верхней поверхности и обеспечивает контакт между содержащей минеральную вату плитой 1 и блоком 2. Второе отверстие находится на нижней поверхности и служит в качестве сливного отверстия 3.
Как можно видеть на фиг. 2, с плитой 1 соединен только один блок 2 (т. е. один единственный блок) для содержания растений. Таким образом, окружающая среда растения или растений в единственном блоке 2 может непосредственно регулироваться более эффективно. В этом состоит отличие от предшествующих систем, в которых на каждой плите 1 находится множество блоков 2. В частности, это предотвращает взаимодействие между растениями из различных блоков 2 и последующую несогласованность в подаче воды или питательных веществ для таких растений.
В то время как блок 2 находится на верхней поверхности плиты 1, сливное отверстие 3 находится точно или приблизительно на крае нижней поверхности плиты 1. Положение блока 2 при измерении от его центральной точки предпочтительно сдвинуто по отношению к положению сливного отверстия 3 на расстояние x в направлении длины плиты 1. Расстояние x составляет предпочтительно более чем 50% длины l плиты 1 и предпочтительнее более чем 60% этой длины, причем оно может составлять более чем 70% этой длины, хотя наиболее предпочтительно оно составляет от 65% и 70%. Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления, который представлен на фиг. 2, блок 2 сдвинут относительно положения сливного отверстия 3 приблизительно на 66,7% длины плиты. В частности, длина l плиты 1 составляет 450 мм, в то время как блок 2 занимает положение на расстоянии 300 мм от края плиты 1, на которой находится сливное отверстие 3. При увеличении расстояния между блоком 2 и сливным отверстием 3 увеличивается длина пути раствора, который содержит воду и питательные вещества и поступает в блок или в окрестность блока. Было обнаружено, что это оказывается благоприятным в отношении эффективности освежения питательных веществ в плите 1.
Блок 2 и плита 1 предпочтительно изготавливаются из одинакового или аналогичного материала. Таким образом, приведенное ниже описание в отношении материала плиты 1 может применяться в равной степени к блоку 2. В частности, в блоке 2 могут содержаться каменная вата и связующие вещества и/или смачивающие вещества, которые описаны ниже. Согласно предпочтительному варианту осуществления, блок 2 имеет объем, составляющий 1200 мл. Более типичный блок может иметь объем, составляющий от 50 мл до 5000 мл, предпочтительнее от 100 мл до 3500 мл, предпочтительнее от 250 мл до 2500 мл и наиболее предпочтительно от 100 мл до 2000 мл. Суммарный объем сочетания плиты 1 и блока 2 предпочтительно составляет от 6 до 11 л.
Размеры блока можно выбирать в зависимости от выращиваемого растения. Например, предпочтительные значения длины и ширины блока для выращивания перцев или огурцов составляет 10 см. Для выращивания томатов длина увеличивается до 15 см. Высота блоков предпочтительно составляет от 7 до 12 см и предпочтительнее составляет от 8 до 10 см.
Таким образом, предпочтительные размеры для выращивания перцев и огурцов составляют от 10 см×10 см×7 см до 10 см×10 см×12 см и предпочтительнее от 10 см×10 см×8 см до 10 см×10 см×10 см. Таким образом, что касается объема, данный интервал составляет предпочтительно от 0,7 л до 1,2 л и предпочтительнее от 0,8 л до 1 л для выращивания огурцов и перцев. Для выращивания томатов размеры предпочтительно составляют от 10 см×15 см×7 см до 10 см×15 см×12 см и предпочтительнее от 10 см×15 см×8 см до 10 см×15 см×10 см. Таким образом, что касается объема, данный интервал составляет предпочтительно от 1,05 л до 1,8 л и предпочтительнее от 1,2 л до 1,5 л для выращивания томатов. Таким образом, суммарный объем для выращивания этих овощей составляет предпочтительно от 0,7 л до 1,8 л и предпочтительнее от 0,8 л до 1,5 л.
3
3
3
3
3
3
Плотность блока 2 предпочтительно составляет от 30 кг/м до 150 кг/м, предпочтительнее составляет от 40 кг/м до 120 кг/м и наиболее предпочтительно составляет от 50 кг/м до 100 кг/м. Высота блока 2 предпочтительно составляет от 50 мм до 160 мм, предпочтительнее составляет от 60 мм до 125 мм и наиболее предпочтительно составляет от 80 мм до 100 мм. Длина и ширина блока 2 могут независимо изменяться, составляя от 50 мм до 250 мм, предпочтительно составляя от 60 мм до 200 мм и наиболее предпочтительно составляя от 70 мм до 150 мм. Было обнаружено, что эти размеры и значения плотности являются эффективными при использовании в системах для выращивания растений.
Фиг. 3 иллюстрирует растение 5, которое находится во вставке 4, расположенной внутри блока 2, таким образом, как представлено на фиг. 2. Аналогично блоку 2, вставка 4, как правило, изготовлена из минеральной ваты, содержащей связующее вещество и/или смачивающее вещество, как описано ниже в контексте плиты 1. Вставка 4 имеет цилиндрическую форму, в которой диаметр составляет предпочтительно от 20 мм до 50 мм и предпочтительно 20 мм до 40 мм, а высота составляет от 20 мм до 50 мм и предпочтительно от 25 мм до 35 мм.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, каждый блок 2 может содержать единственное растение 5. Однако оказывается возможным, что множество растений 5 можно размещать в каждом блоке 2, в том числе за счет установки множества вставок 4, в каждой из которых содержится единственное растение 5, или за счет размещения множества растений в единственной вставке 4. Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, одно растение разделяется на два посредством расщепления стебля растения на ранней стадии его роста.
Согласно некоторым вариантам осуществления, вставка 4 отсутствует, и семя помещается непосредственно в отверстие в блоке, из которого впоследствии вырастает растение 5. Примерное растение, для которого применяется данный подход, представляет собой огурец.
Предпочтительное растение 5 представляет собой фруктовое или овощное растение, такое как томат и т. д. Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, выращиваемое растение представляет собой огурец, баклажан или сладкий перец растение. Согласно предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения, можно увеличивать урожайность фруктовых или овощных растений, а также можно улучшать качество соответствующих фруктов или овощей.
Как упоминается выше, плита 1 представляет собой плита из минеральной ваты. Используемые минеральные волокна могут представлять собой любые искусственные стекловидные волокна (MMVF), такие как стеклянные волокна, керамические волокна, базальтовые волокна, шлаковата, каменная вата и другие материалы, но обычно присутствуют волокна каменной ваты. Каменная вата обычно имеет содержание оксида железа, составляющее, по меньшей мере, 3% и содержание оксидов щелочноземельных металлов (оксид кальция и оксид магния), составляющее от 10 до 40%, наряду с другими обычными оксидными составляющими компонентами минеральной ваты. Эти компоненты представляют собой диоксид кремния; оксид алюминия; оксиды щелочных металлов (оксид натрия и оксид калия), которые обычно присутствуют в низких количествах; а также могут присутствовать диоксид титана и оксиды других второстепенных элементов. Как правило, изделие можно изготавливать, используя искусственные стекловидные волокна любых типов, которые являются традиционно известными в производстве субстратов для выращивания растений.
Как правило, минеральную вату соединяет связующая система, которая включает связующую композиция и дополнительное смачивающее вещество. Согласно предпочтительному варианту осуществления, плита включает минеральную вату, которую соединяет связующая композиция, которая перед отверждением включает: (a) сахарный компонент, и (b) продукт реакции компонента поликарбоновой кислоты и алканоламинного компонента, причем данная связующая композиция перед отверждением содержит, по меньшей мере, 42 мас.% сахарного компонента по отношению к суммарной массе (в пересчете на сухое вещество) компонентов связующего вещества.
Данная композиция содержится в минеральной вате, которая предназначается для использования в плите 1, а затем отверждается, таким образом, что в плите, которая представлена на фиг. 1, композиция является отвержденной, и, следовательно, ее компоненты прореагировали. Таким образом, плита содержит отвержденное связующее вещество, которое образуется посредством отверждения определенной связующей композиции, содержащей компоненты (a) и (b), причем компоненты связующей композиции, которые обсуждаются ниже, относятся к композиции перед отверждением.
В качестве сахарного компонента (a), который используется согласно настоящему изобретению, предпочтительно выбираются сахароза и восстанавливающие сахара или их смеси.
Восстанавливающий сахар представляет собой любой сахар, который в растворе содержит альдегидную или кетонную группу, которая позволяет сахару действовать в качестве восстановителя. Согласно настоящему изобретению, восстанавливающие сахара могут присутствовать в неотвержденной связующей композиции в чистом виде или в форме углеводного соединения, которое производит один или несколько восстанавливающих сахаров на месте применения в условиях термического отверждения. Сахар или углеводное соединение могут представлять собой моносахарид в своей альдозной или кетозной форме, дисахарид, триоза, тетроза, пентоза, гексоза или гептоза; олигосахарид или полисахарид; или их сочетания. Конкретные примеры представляют собой глюкоза (т. е. декстроза), продукты гидролиза крахмала, такие как кукурузный сироп, арабиноза, ксилоза, рибоза, галактоза, манноза, фруктоза, мальтоза, лактоза и инвертный сахар.
Компонент (b), в основном включает продукт реакции компонента поликарбоновой кислоты и алканоламинного компонента.
Предпочтительно в качестве алканоламинного компонента выбираются диэтаноламин, триэтаноламин, диизопропаноламин, триизопропаноламин, метилдиэтаноламин, этилдиэтаноламин, н-бутилдиэтаноламин, метилдиизопропаноламин, этилизопропаноламин, этилдиизопропаноламин, 3-амино-1,2-пропандиол, 2-амино-1,3-пропандиол и трис(гидроксиметил)аминометан. Наиболее предпочтительный алканоламинный компонент представляет собой диэтаноламин.
В связующей композиции, которая используется в изделиях согласно настоящему изобретению, оказывается предпочтительным присутствие продукта реакции (b). Однако на практике в неотвержденной связующей композиции обычно также присутствует в некотором количестве непрореагировавший алканоламинный компонент.
В качестве компонента поликарбоновой кислоты обычно выбираются дикарбоновые, трикарбоновые, тетракарбоновые, пентакарбоновые и другие поликарбоновые кислоты, а также соответствующие ангидриды, соли и их сочетания.
Предпочтительные компоненты поликарбоновых кислот, которые используются в качестве исходных материалов для введения в реакции с другими компонентами связующего вещества, представляют собой ангидриды карбоновых кислот.
В связующей композиции, которая используется в изделиях согласно настоящему изобретению, оказывается предпочтительным присутствие продукта реакции (b). Однако на практике в неотвержденной связующей композиции обычно также присутствует в некотором количестве непрореагировавший компонент поликарбоновой кислоты.
3
Чтобы повышать растворимость и разбавляемость связующего вещества по отношению к воде, можно добавлять основание, получая значение pH, составляющее вплоть до приблизительно 8, предпочтительно приблизительно от 5 до 8 и предпочтительнее приблизительно 6. Кроме того, при добавлении основания происходит, по меньшей мере, частичная нейтрализация непрореагировавших кислот и сопутствующее уменьшение коррозионной способности. Как правило, основание добавляется в количестве, достаточном для достижения желательной растворимости или разбавляемости по отношению к воде. В качестве основания предпочтительно выбираются летучие основания, которые испаряются при температуре, не превышающей температуры отверждения, и, следовательно, не влияют на отверждение. Конкретные примеры подходящих оснований представляют собой аммиак (NH) и органические амины, такие как диэтаноламин (DEA) и триэтаноламин (TEA). Основание предпочтительно добавляется в реакционную смесь после того, как реакция между алканоламином и ангидридом карбоновой кислоты принудительно прекращается посредством добавления воды.
В качестве альтернативы, связующая композиция может содержать в качестве основы фурановую смолу. Такая фурановая связующая композиция описывается в европейском патенте EP 0849987. Фурановая связующая композиция является одновременно бесформальдегидной и гидрофильной, в результате этого она представляет собой определенные преимущества в контексте настоящего изобретения.
Хотя согласно предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения используется бесформальдегидное связующее вещество, если это целесообразно, могут быть использованы связующие системы, содержащие фенолформальдегид (PF) или, в частности, фенолмочевинаформальдегид (PUF), где присутствует или отсутствует декстроза. Эти продукты могут включать связующие вещества, имеющие сверхнизкое содержание формальдегида (ULF).
Как упоминается выше, связующая система предпочтительно включает смачивающее вещество. Оно может представлять собой неионное поверхностно-активное вещество, но предпочтительное смачивающее вещество представляет собой ионное поверхностно-активное вещество. Когда используется связующее вещество, которое описано выше, смачивающее вещество не является необходимым, чтобы получилась гидрофильная связующая система. Соответственно, достаточные свойства удерживания воды и дополнительного насыщения могут быть достигнуты без смачивающего вещества. Однако использование смачивающего вещества является предпочтительным, поскольку было обнаружено, что оно увеличивает скорость возможного насыщения плиты.
Предпочтительное смачивающее вещество представляет собой анионное поверхностно-активное вещество. Подходящие анионные поверхностно-активные вещества включают соли (в том числе, например, соли натрия, калия, аммония и замещенного аммония, такие как соли моно-, ди- и триэтаноламина), содержащие в качестве анионов сульфат, сульфонат, карбоксилат и саркозинат, которые представляют собой поверхностно-активные вещества.
Другие анионные поверхностно-активные вещества включают изетионаты, такие как ацилизетионаты, N-ацилтаураты, амины жирных кислот и метилтаурида, алкилсукцинаты и сульфосукцинаты, сложные моноэфиры сульфосукцинатов, сложные диэфиры сульфосукцинатов и N-ацилсаркозинаты. Предпочтительными являются анионные сульфатные поверхностно-активные вещества и анионные сульфонатные поверхностно-активные вещества, анионные карбоксилатные поверхностно-активные вещества и анионные мыльные поверхностно-активные вещества.
Особенно предпочтительными являются анионные сульфонатные поверхностно-активные вещества, такие как линейные или разветвленные алкилбензолсульфонаты, сложноэфирные алкилсульфонаты, первичные или вторичные алкиленсульфонаты, олефинсульфонаты, сульфонированые поликарбоновые кислоты, алкилглицеринсульфонаты, жирные ацилглицеринсульфонаты, жирные олеилглицеринсульфонаты и их смеси.
Наиболее предпочтительное анионное поверхностно-активное вещество представляет собой линейный алкилбензолсульфонат, в котором алкильная цепь содержит от 5 до 20 атомов углерода. Предпочтительными являются соли натрия и калия. Поверхностно-активные вещества этого типа обеспечивают особенно благоприятные свойства распределения воды в субстратах для выращивания растений, имеющих относительно большую высоту, а также обеспечивают превосходные свойства дополнительного насыщения и не создают проблемы пенообразования при орошении водой. Традиционные неионные поверхностно-активные вещества позволяют субстрату для выращивания растений поглощать воду, но их свойства удерживания воды, распределения воды по высоте и повторного смачивания являются не насколько хорошими по сравнению поверхностно-активными веществами данного типа, которые являются предпочтительными согласно настоящему изобретению.
Длина алкильной цепи составляет предпочтительно от 8 до 16 атомов углерода; по меньшей мере, 90 мас.% вещества предпочтительно имеет цепи, содержащие от 10 до 13 атомов углерода, и, по меньшей мере, 90 мас.% вещества предпочтительнее имеет цепи, содержащие от 10 до 12 атомов углерода.
Предпочтительное смачивающее вещество включает линейный алкилбензолсульфонат, и в данном случае продукт предпочтительно изготавливают способом, согласно которому многоатомный спирт (такой как моноэтиленгликоль) включается со смачивающим веществом в получаемое изделие из минеральных волокон. Массовое соотношение, в котором присутствуют линейный алкилбензолсульфонат и моноэтиленгликоль (или другой многоатомный спирт, например, пропиленгликоль или триметилолпропан) составляет предпочтительно от 0,3:1 до 3,75:1 и предпочтительнее от 1:1 до 2:1. Многоатомный спирт, как правило, испаряется в течение последующей обработки и отверждения и, таким образом, обычно присутствует в конечном продукте только в следовых количествах, если вообще присутствует.
В качестве альтернативы, ионное поверхностно-активное вещество может быть катионным или цвиттерионным. Примерные катионные поверхностно-активные вещества представляют собой поверхностно-активные вещества на основе четвертичных аммониевых солей. В качестве таких поверхностно-активных веществ могут выбираться, например, соли C6-C16, предпочтительно C6-C10-моно-N-алкил- или алкениламмония, в которых остальные положения при атоме N замещают такие группы, как метильная, гидроксиэтильная и гидроксипропильная.
Подходящие цвиттерионные поверхностно-активные вещества представляют собой производные вторичных и третичных аминов, производные гетероциклических вторичных и третичных аминов или производные соединений четвертичного аммония, четвертичного фосфония или третичного сульфония. Бетаиновые и сультаиновые поверхностно-активные вещества представляют собой примерные цвиттерионные поверхностно-активные вещества.
Предпочтительное массовое содержание ионного поверхностно-активного вещества по отношению к массе связующего вещества (в пересчете на сухое вещество) составляет от 0,01 до 5% и предпочтительно 0,1 до 4%.
Ионное поверхностно-активное вещество присутствует в изделии на основе минеральных волокон при массовом содержании по отношению к массе изделия на основе минеральных волокон, составляющем предпочтительно от 0,01 до 3% и предпочтительнее от 0,05 до 1%, в частности, от 0,1 до 0,8%.
Связующие композиции, используемые согласно настоящему изобретению, могут дополнительно включать один или несколько традиционных связующих веществ в качестве добавок. Эти вещества представляют собой, например, ускорители отверждения, такие как, например, β-гидроксиалкиламиды; свободные кислоты и соответствующие соли кислот, таких как фосфорная кислота, фосфорноватистая кислота и фосфоновая кислота. Другие сильные кислоты, такие как борная кислота, серная кислота, азотная кислота и п-толуолсульфоновая кислота, можно также использовать, в том числе индивидуально или в сочетании с вышеупомянутыми кислотами, такими как, в частности, фосфорная кислота, фосфорноватистая кислота или фосфоновая кислота. Другие подходящие связующее вещества в качестве добавок представляют собой аммиак; силановые сшивающие вещества, такие как ϒ-аминопропилтриэтоксисилан; термостабилизаторы; поглощающие ультрафиолетовое излучение стабилизаторы; пластификаторы; препятствующие миграции добавки; коалесценты; наполнители и разбавители, такие как глина, силикаты и гидроксид магния; пигменты, такие как диоксид титана; огнезащитные вещества; ингибиторы коррозии, такие как тиомочевина, мочевина; препятствующие пенообразованию вещества; антиоксиданты; и другие вещества.
Эти связующие вещества в качестве добавок и вспомогательных веществ можно использовать в традиционных количествах, которые обычно не превышают 20% по отношению к твердой массе связующего вещества. Количество ускорителя отверждения в связующей композиции, как правило, составляет от 0,05 до 5% по отношению к массе твердых веществ.
После нанесения на минеральные волокна водная связующая композиция, как правило, имеет содержание твердых веществ, составляющее от 1 до 20 мас.%, и значение pH, составляющее 5 или более.
Используемые минеральные волокна могут представлять собой любые искусственные стекловидные волокна (MMVF), такие как стеклянные волокна, керамические волокна, базальтовые волокна, шлаковата, каменная вата и другие материалы, но обычно они представляют собой волокна каменной ваты. Как правило, каменная вата имеет содержание оксида железа, составляющее, по меньшей мере, 3% и содержание оксидов щелочноземельных металлов (оксид кальция и оксид магния), составляющее от 10 до 40%, наряду с другими обычными оксидными составляющими компонентами минеральной ваты. Эти компоненты представляют собой диоксид кремния; оксид алюминия; оксиды щелочных металлов (оксид натрия и оксид калия), которые обычно присутствуют в низких количествах; а также могут присутствовать диоксид титана и оксиды других второстепенных элементов. Как правило, изделие можно изготавливать, используя искусственные стекловидные волокна любых типов, которые являются традиционно известными в производстве субстратов для выращивания растений.
Потеря массы при прокаливании (LOI) плиты представляет собой меру количества присутствующего органического материала, такого как связующее вещество и смачивающее вещество. Значение LOI сухого образца можно измерять, используя раздел 16 британского стандарта BS 2972 от 1989 г. (метод 1). Значение LOI составляет предпочтительно, по меньшей мере, 2,5%, предпочтительно вплоть до 5,3% и особенно предпочтительно от 3 до 4%. В частности, наиболее предпочтительное значение LOI составляет 3,5%. Предпочтительное значение LOI для плиты обеспечивает высокую прочность, но при использовании связующего вещества, которое описано выше, оно не влияет неблагоприятно на выращивание растений, несмотря на повышенный уровень связующего вещества.
Чем выше значение LOI, тем более прочным является изделие. Это означает, что уменьшается вероятность его повреждения в течение использования, в частности, в течение автоматической обработки, например, на установке для рассады. Следующее преимущество повышенного содержание связующего вещества заключается в том, что в субстратах для выращивания растений можно изготавливать более гладкие грядки/лунки для семян, такие как вставки и блоки, которые обычно содержат лунки для семян. Более гладкие лунки для семян означают, что семена с большей вероятностью будут прорастать из идеального положения в грядках/лунках для семян. Кроме того, семена будут менее склонными к выпадению из желательной области и/или к захвату в другой части изделия на основе минеральных волокон. Точное расположение семян обеспечивает в результате более равномерное получение продукта, что является предпочтительным в установке для рассады.
Диаметр волокон в составе плита 1 предпочтительно составляет от 2 до 10 мкм, предпочтительнее составляет от 3 до 8 мкм и особенно предпочтительно составляет от 4 до 7 мкм. Эти значения могут применяться к диаметру волокон в блок 2 и/или вставке 4.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, преобладающая ориентация волокон первого и второго слоев плиты 1 является горизонтальной. Было обнаружено, что при этом уменьшается вертикальная неоднородность распределения воды. В данном контексте горизонтальная ориентация означает параллельность по отношению к пограничному контакту между первым и вторым слоями. Согласно другим вариантам осуществления, в первом и/или втором слоях можно использовать альтернативную ориентацию волокон.
Фиг. 4 представляет систему для выращивания растений, включающую плиту 1, блок 2 и вставку 4, которые представлены на фиг. 1-3, и оросительное устройство. Оросительное устройство 6 предназначается, чтобы подавать раствор, содержащий воду и питательные вещества, в систему, в том числе непосредственно в блок или в плиту. Согласно предпочтительному варианту осуществления, оросительное устройство предназначается, чтобы подавать воду и/или раствор питательных веществ непосредственно в блок 2. Поскольку блок располагается на расстоянии от сливного отверстия 3 (как описано выше со ссылкой на фиг. 2), раствор из оросительного устройства должен проходить более чем 50% расстояния вдоль плиты 1 перед достижением сливного отверстия 3. Согласно другим предпочтительным вариантам осуществления, оросительное устройство может подавать воду и раствор питательных веществ непосредственно в плиту 1, но оно предпочтительно предназначается, чтобы осуществлять подачу в окрестность блока или на удаленную сторону блока 2 по отношению к сливному отверстию 3.
Было обнаружено, что увеличение расстояния между оросительным устройством 6 (т. е. точкой, в которой вода и раствор питательных веществ поступают в систему) и сливным отверстием 3 повышает эффективность системы в отношении освежения питательных веществ. Это означает, что когда раствор подается с использованием оросительного устройства 6, он не теряется через сливное отверстие 3, но вместо этого заменяет существующую жидкость в системе. Соответственно, освежается весь объем плиты 1, а не только его ограниченная часть.
Оросительное устройство 6 может присоединяться отдельным резервуарам, содержащим питательные вещества и воду, и его можно регулировать, чтобы выбирать соответствующие пропорции питательных веществ и воды. В качестве альтернативы, единый комбинированный резервуар, содержащий питательные вещества и воду, можно устанавливать таким образом, что оросительное устройство будет подавать в систему жидкость, содержащую воду и питательные вещества в таких же пропорциях, в которых они присутствуют в резервуаре.
Регулирование оросительного устройства предпочтительно осуществляется с использованием регулирующей системы. Регулирующая система может регулировать оросительные устройства, которые подают питательные вещества и воду во множество систем для выращивания растений, каждая из которых включает плиту 1, на которой помещается содержащий растения блок 2. Регулирующая система регулируется на основании измеренного содержания воды и питательных веществ в одной или нескольких плитах. Дополнительной регулирование можно осуществлять на основании измеренных уровней содержания воды и/или температуры в одной или нескольких плитах. Положения детекторов 7, используемых для измерения эти уровней согласно одному варианту осуществления проиллюстрированы на фиг. 5. Детекторы 7 могут относиться к известному типу, и, как правило, они включают часть корпуса вместе с одним или несколькими, обычно тремя зондами, которые выходят из корпуса в плиту. Эти зонды, как правило, изготовлены из нержавеющей стали или другого электропроводного материала, и они используются для измерения уровней содержание воды и/или удельной электропроводности (EC) субстрата посредством анализа температуры, сопротивления и/или влагоемкости субстрата. Уровни EC можно использовать для определения содержания питательных веществ в составе раствора в плите 1, поскольку они отражают содержание ионов в данном растворе.
Поддерживается уровень EC, предпочтительно составляющий от 1,2 мСм/см до 8,5 мСм/см и предпочтительнее составляющий от 2 мСм/см до 7 мСм/см. Предпочтительные уровни EC можно выбирать согласно типу растений. Если уровень EC является чрезмерно низким (составляя, например, менее чем 1,2 мСм/см), растения будут страдать от недостатка питательных веществ. Если уровень EC составляет от 2 мСм/см до 3,5 мСм/см, этот уровень будет обеспечивать максимальную урожайность. Если уровень EC незначительно превышает эти значения, в результате этого будут получены фрукты более высокого качества (например, на уровне EC, составляющем от 3,5 мСм/см до 5 мСм/см). Если уровень EC является чрезмерно высоким (например, превышает 5 мСм/см для перцев и огурцов или превышает 8,5 мСм/см для томатов), это приведет к проблемам качества фруктов, таким как лепестковая гниль. Высокий уровень EC означает высокие уровни содержания ионов натрия и хлора в субстрате, что может приводить к потере урожайности и необходимости утилизации воды из оранжереи.
В системах предшествующего уровня техники детекторы 7 помещаются на верхней поверхности плиты 1, причем зонды проходят вертикально через плиту. Данный подход предназначается, чтобы осуществлять измерения, в которых определяется суммарное содержание вода или содержание питательных веществ вдоль вертикального направления плиты 1. Однако на практике такие зонды, как правило, определяют результаты, на которые непропорционально воздействуют условия в одной или нескольких областях плиты 1, например, в верхней части плиты. Одну причину возникновения этого несоответствия может представлять собой изменение уровня EC на протяжении плиты 1, что значительно воздействует на измеряемые электрические свойства, такие как удельное сопротивление и/или влагоемкость, на основании которых вычисляется, например, содержание воды.
Дополнительные затруднения, возникающие в подходах предшествующего уровня техники, обусловлены тем, что на плите 1 обычно помещается ряд блоков 2. Часто оказывается затруднительным определение положений на плите 1, которые являются функционально эквивалентными для каждого блока 2, в частности, учитывая характерную асимметрию системы, вызванную положением сливного отверстия 3 у одного края плиты 1.
Согласно настоящему изобретению, эти затруднения преодолеваются. В частности, фиг. 5 представляет, что детекторы 7 располагаются на стороне плиты 1 (т. е. часть корпуса детектора 7 располагается напротив вертикальной поверхности плиты, и зонды проходят в горизонтальном направлении). Этот подход является допустимым вследствие улучшения распределения содержания воды и значения EC в объеме плиты 1. Поскольку эти параметры являются практически однородными в плите 1 согласно предпочтительному варианту осуществления, горизонтальное расположение зондов обеспечивает точные показания.
Действительно, хотя плита 1, проиллюстрированная на фиг. 5, содержит множество детекторов 7, это условие выполняется не во всех предпочтительных вариантах осуществления. Множество детекторов 7, которые представлены на фиг. 5, обеспечивает измерение распределения содержания воды и распределения значения EC и используется, чтобы анализировать характеристики плиты 1, производя результаты, такие как результаты, подробно описанные ниже. Однако на практике было обнаружено, что может потребоваться только один детектор 7. Данный детектор 7 предпочтительно включает проходящие в горизонтальном направлении зонды, занимающие положение, которое сдвинуто от блока по направлению к сливному отверстию 3. В частности, согласно предпочтительному варианту осуществления, детектор 7 располагается на расстоянии 200 мм от сливного отверстия 3 и на расстоянии 100 мм от блока 2. Положения блока 2 и детектора 7 в данном контексте измеряются по отношению к их центральным точкам.
Детекторы 7 используются для регулирования количества воды, которая поступает в плита 1, с помощью регулирующей системы, такой как система, проиллюстрированная на фиг. 6. Регулирующая система может также изменять концентрацию питательных веществ в составе раствора, который подается оросительными устройствами 6 к плитам 1. Как можно видеть на фиг. 6, детекторы 7 получают данные для плит 1 и передают эти данные посредством сети 8 в регулирующий блок 9. Регулирующий блок затем приводит в действие оросительные устройства (капельницы) 6 посредством сети 8, чтобы подавать воду и питательные вещества в плиты 1. Регулирующий блок 9 можно запрограммировать согласно желательной стратегии орошения (которая далее обсуждается более подробно), и можно автоматически обеспечивать, чтобы орошение осуществлялось в целях регулирования содержания питательных веществ в плите 1, и таким способом можно также регулировать уровень содержания воды. Таким образом, осуществляется автоматическое регулирование процесса орошения для обеспечения желательных результатов.
Как правило, каждая регулирующая система включает большое число плит 1. Детекторы 7 могут располагаться на каждой плите 1, или детекторы могут располагаться на выбранных плитах 1, чтобы обеспечивать представительные результаты. Детекторы 1 занимают фиксированные положения на плитах 1, чтобы иметь возможность передавать результаты в регулирующий блок 9 с регулярными интервалами. Например, детекторы могут передавать результаты с интервалами, составляющими одну минуту, пять минут или другой подходящий период времени. Это обеспечивает постоянное измерение плит 1 в составе системы таким образом, чтобы они могли получать соответствующее орошение.
Оросительные устройства 6 системы можно регулировать, чтобы применять конкретную стратегию орошения. Например, такая стратегия может включать ряд отдельных фаз, предназначенных для осуществления генеративного и вегетативного роста растений. Как известно в технике, генеративный рост означает тип роста, который способствует производству цветков/плодов, в то время как в течение вегетативного роста растения производятся в более высокой пропорции листья и другие зеленые элементы. Генеративный рост ускоряется, когда растение получает относительно недостаточное количество воды и/или питательных веществ, в то время как вегетативный рост ускоряется посредством обильной подачи воды и/или питательных веществ. Вегетативный рост производит большее увеличение суммарной биомассы растения, в то время как генеративный рост увеличивает пропорцию роста, которому соответствует производство плодов или цветков.
Как известно, можно преимущественно осуществлять эти различные типы роста посредством применения стратегий орошения, в процессе которого изменяется предпочтительный уровень содержания воды. Согласно такой стратегии орошения, субстрат для выращивания растений орошается ежедневно в целях достижения желательного уровня содержания воды. Содержание воды в субстрате измеряется как процентная доля по отношению к содержанию воды в субстрате, когда субстрат является полностью насыщенным. Таким образом, значение 0% представляет собой сухой субстрат, в то время как значение 100% представляет собой полностью насыщенный субстрат.
Как правило, стратегия орошения данного типа включает ряд отдельных стадий. Сначала, перед тем, как блок 2 помещается на плиту 1, как правило, плита 1 полностью или почти полностью насыщается водой. Это способствует обеспечению того, что когда блок 2 впервые помещается на плиту 1, ускоряется рост корневой системы в объеме плиты 1. Однако при этом растениевод стремится к обеспечению того, чтобы растение 5 производило плоды в минимально возможный срок. Для достижения этого растениевод стремится придать "генеративный импульс" (т. е. импульс, который инициирует генеративный рост). Это осуществляется в течение первого периода стратегии орошения посредством снижения желательного содержания воды до минимального уровня перед его повторным увеличением. Принцип заключается в том, что уменьшение содержания воды ускоряет генеративный рост растения и, таким образом, цветение растения, в результате которого плоды появляются в минимально возможные сроки.
После применения генеративного импульса растениевод стремится к возвращению растения в устойчивую фазу преимущественно вегетативного роста, чтобы производить листья и другие структуры растения, которые теперь будут способствовать развитию плодов. Таким образом, при приближении к концу первого периода стратегии орошения увеличивается желательное содержание воды. Желательный уровень содержания воды повышается до тех пор, пока он не достигает устойчивого значения, на котором он сохраняется практически постоянным в течение второго периода стратегии орошения.
В течение второго периода в большей степени ускоряется вегетативный рост вследствие повышенного содержания воды в субстрате. Второй период соответствует, в основном, летнему сезону, в течение которого относительно повышенное количество солнечного света заставляет растения испарять воду с более высокой интенсивностью. Соответственно, растения должны получать воду в относительно повышенной пропорции. Следует понимать, что хотя рост растений может быть в большей степени направлен в сторону вегетативного роста в течение данного периода, чем в течение других периодов, плоды продолжают расти, хотя скорость их роста изменяется посредством такого регулирования. Когда наступает осень, а затем зима, интенсивность испарения воды снижается. В результате этого исчезает необходимость поддержания одинакового содержания воды в субстрате. Кроме того, именно на этой стадии становится желательным ускорение роста плодов, прежде чем растение достигает окончания цикла. По обеим этим причинам стратегия орошения можно включают третий период, в течение которого снижается уровень содержания воды. Скорость этого снижения является относительно постепенной.
Снижение содержания воды в течение третьего периода способствует генеративному росту растений, и в результате этого увеличивается продолжительность сезона, в течение которого растения могут производить пригодные для использования плоды.
Таким образом, можно использовать стратегии орошения в качестве средства регулирования состояний генеративного и вегетативного роста растений в целях повышения урожайности, т. е. количества плодов, которые производит растение. Традиционно данный процесс осуществлялся посредством установления содержания воды в субстрате на желательных уровнях.
Однако в настоящее время признано, что такое регулирование не является достаточным в целях обеспечения оптимальных условий выращивания растений. В частности, авторы настоящего изобретения обнаружили связь между изменением уровней содержания воды и содержания питательных веществ в составе плит, которые могут приводить к недостаточно оптимальным результатам. В частности, снижение уровня содержания воды может приводить к повышению уровня содержания питательных веществ, что, как было обнаружено, может задерживать рост растений. Соответственно, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, уровень подачи воды в плиту регулируется в зависимости от содержания питательных веществ в целях предотвращения нежелательных эффектов.
Соотношение между содержанием воды и содержанием питательных веществ становится понятным при рассмотрении фиг. 7A, 7B, 8, 9 и 10, которые демонстрируют результаты долгосрочного исследования эффектов стратегий орошения. Фиг. 7A и 7B иллюстрируют два субстрата для выращивания растений, используемые для сравнения. Данные субстраты для выращивания растений использовали для выращивания томатов. Как можно видеть на данных чертежах, каждая система включала единственное сливное отверстие у одного края плиты. Первая примерная система на фиг. 7A включает три отдельных блока, которые находятся на верхней поверхности плиты, в то время как вторая примерная система на фиг. 7B 5 включает единственный блок.
Первая примерная плита на фиг. 7A имеет размеры, составляющие 1330 мм×195 мм×75 мм (длина×ширина×высота), в то время как блоки имеют размеры, составляющие 100 мм×100 мм×65 мм (длина×ширина×высота). Блоки занимают положения на расстояниях, составляющих от 150 мм до 200 мм, от 650 мм до 700 мм и от 1100 до 1150 мм вдоль плиты от сливного отверстия (при измерении от центра блока), и для каждого блока установлены оросительные устройства, чтобы подавать в блок воду и раствор питательных веществ на стороне блока, удаленной от сливного отверстия.
Вторая примерная плита на фиг. 7B имеет размеры, составляющие 450 мм×150 мм×100 мм (длина×ширина×высота), в то время как блок имеет размеры, составляющие 100 мм×100 мм×65 мм (длина×ширина×высота). Блок расположен на расстоянии 300 мм вдоль плиты от сливного отверстия (при измерении от центра блока), и для данного блока установлено оросительное устройство, чтобы подавать в блок воду и раствор питательных веществ на стороне блока, удаленной от сливного отверстия.
Фиг. 8 иллюстрирует измеренное содержание воды в первой примерной плите (штриховая линия) и второй примерной плите (сплошная линия) в течение исследования. Можно видеть, что в течение первого периода содержание воды снижалось от исходного относительно высокого уровня перед последующим увеличением в соответствии с концепцией генеративного импульса, как описано выше.
Фиг. 9 представляет измеренный уровень EC в течение исследования для первого примерного субстрата (штриховая линия) и второго примерного субстрата (сплошная линия). Следует напомнить, что уровень EC соответствует уровню содержания питательных веществ в плите. Как видно, уровень EC быстро повышается в течение начальной фазы, когда растениям придается генеративный импульс. Это способствует достижению максимального значения EC, которое превышает уровень, обычно ожидаемый в течение поздних фаз стратегии орошения.
Связь между уровнем EC и эффективным ростом растений представлена на фиг. 10, который иллюстрирует длину листьев, измеряемую в течение исследования для первого примера (штриховая линия) и второго примера (сплошная линия). Четкое уменьшение длины листьев наблюдается приблизительно через 5 недель исследования. Это снижение связано с повышением уровня EC, которое наблюдается в течение данного периода. Таким образом, становится понятным, что уровень EC влияет на рост растения. Поскольку было также показано, что уровень EC изменяется посредством изменения уровня содержания воды, оказывается желательным регулирование воды, подаваемой к растению, таким образом, чтобы поддерживать уровень EC в пределах желательного интервала. В этом заключается отличие от подходов предшествующего уровня техники, согласно которым может изменяться концентрация питательных веществ для достижения желательного уровня EC, но не признается, что суммарное количество подаваемой воды должно ограничиваться желательным содержанием питательных веществ в субстрате.
Для специалиста в данной области техники являются очевидными видоизменения и модификации вариантов осуществления, которые описаны выше. Такие видоизменения и модификации могут включать эквивалентные и другие отличительные признаки, которые уже являются известными, и которые могут быть использованы в качестве альтернативы или в качестве дополнения отличительных признаков, описанных в настоящем документе. Отличительные признаки, которые описаны в контексте отдельных вариантов осуществления, могут присутствовать в комбинации в одном и том же варианте осуществления. С другой стороны, отличительные признаки, которые описаны в контексте одного варианта осуществления, могут также присутствовать раздельно или в любой подходящей субкомбинации.
Следует отметить, что термин "включающий" не исключает другие элементы или стадии, неопределенный артикль "a" или "an" не исключает множественного числа, один и тот же отличительный признак может выполнять функции нескольких отличительных признаков, которые представлены в формуле изобретения, и условные обозначения, которые приведены в формуле изобретения, не следует истолковывать как ограничивающие объем данной формулы изобретения. Кроме того, следует отметить, что чертежи не должны обязательно соответствовать действительному масштабу; напротив, на них, как правило, выделены элементы, которые иллюстрируют принципы настоящего изобретения.