способ подкормки растений, выращиваемых в защищенном грунте

Формула изобретения

Способ подкормки растений с ускоренным формированием растительных тканей, выращиваемых в защищенном грунте путем полива водой, насыщенной углекислым газом до концентрации 50 мл газообразного CO₂ на 1 л воды, при температуре воды в пределах 12-20°C, при этом полив растений осуществляют три раза в сутки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к растениеводству, способам подкормки растений в закрытом грунте и может быть использовано для выращивания овощей, рассады, цветочных, декоративных и других растений в защищенном грунте.

Известны способы подкормки растений углекислым газом и растворами минеральных удобрений (Н.А.Смирнов, Пособие для овощеводов. - М.: Россельхозиздат, 1977, - с.62, 99-102). В качестве источников углекислого газа (СО₂) используется сжиженная углекислота (в баллонах), твердая углекислота (сухой лед), продукты сжигания (дымовые газы) непосредственно в теплицах жидкого (керосин) или газообразного (пропан, метан) топлива и газовоздушные выбросы животноводческих комплексов.

Известен способ, при котором отходящие дымовые газы котельных пропускают через катализатор и подают по системе трубопроводов в теплицу. При этом катализатор располагают в высокотемпературной зоне между конвективными пучками котла.

Применение этого способа требует наличие котельной. Он технически сложен в эксплуатации, а также не в состоянии устранять вредные составляющие дымовых газов (оксиды азота и т.д.), что отрицательно влияет на растения и получаемые из них продукты питания.

Известен способ, заключающийся в использовании для подкормки тепличных культур отходящих газов горелочных устройств (Анисимов О.А. и др. Промышленные установки для культивирования микроводорослей. Обзор. М., 1973, с.32).Способ включает пропускание отходящих газов через водяной абсорбер с последующим разбрызгиванием продукта абсорбции в теплице.

Недостатком этого технического решения являются большие потери двуокиси углерода и наличие в отходящих газах высокой концентрации вредных примесей, что отрицательно сказывается на росте растений и качестве получаемых из них продуктов питания.

Также известен способ, когда растения в теплицах подкармливают углекислым газом, выделяемым животными и поступающим с воздухом из животноводческих помещений (Хазанов Е.Е. Молочная ферма-теплица. /Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1, 1999, с.15-17).

Недостатками такого способа является низкая концентрация СO₂ и то, что вместе с углекислым газом из животноводческих помещений в теплицы поступает сероводород и аммиак. В связи с этим непосредственная подача вентиляционных выбросов животноводческих помещений в объем теплиц требует установки дополнительного оборудования по очистке от вышеуказанных загрязнителей, что экономически затратно и усложняет техническое обслуживание таких установок.

Также известен способ подкормки растений углекислым газом посредством подачи воздуха со смесью газов из животноводческих помещений в теплицу (патент № 2192120 A01G 7/01, А01G 9/18,опубл.10.11.2002). При этом воздух со смесью газов подают в теплицу с помощью трубопроводов и системы аэрационного дренажа, которая представляет собой почвенный слой теплиц.

Недостатками такого способа являются дорогостоящий монтаж и сложная эксплуатация системы трубного дренажа, а также он не решает проблему вредных составляющих газовоздушной смеси - аммиака и сероводорода. В результате высокой растворимости аммиака и сероводорода в воде трубы дренажа подвергаются сильной коррозии и быстро выходят из строя, а в почвенном слое теплицы происходит образование вредных химических соединений, которые отрицательно влияют на рост растений и получаемых из них пищевых продуктов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ подкормки тепличных культур углекислым газом, описанный в авторском свидетельстве № 967397 А01G 9/18, опубл. 23.10.1982, в котором осуществляют физическую абсорбцию СО₂ из отходящих газов горелочных устройств, путем пропускания через водяной абсорбер с рабочим давлением 20-25 бар. В этих условиях водой поглощается большая часть углекислого газа. Далее, воду с растворенным в ней СО ₂ разбрызгивают под желобами при атмосферном давлении. В процессе первичной десорбции из воды в атмосферу теплицы выделяется до 80% поглощенной углекислоты, которая и служит подкормкой для растений. Окончательную десорбцию СO₂ и вредных примесей из воды проводят в градирне с помощью атмосферного воздуха, куда вода поступает по желобам. После этого воду возвращают в абсорбер.

Недостатками данного способа является его дороговизна и техническая сложность, загрязнение атмосферы теплиц вредными для здоровья людей и растений оксидами азота и бензпиренами, а также образование при первичной десорбции углекислого газа опасных для жизни рабочих теплиц концентраций СO₂, что делает применение такого способа нецелесообразным.

Новая техническая задача - повышение урожайности и сокращение сроков выращивания, повышение эффективности за счет использования экологически безопасного продукта для подкормки растений.

Для решения поставленной задачи в способе подкормки растений в закрытом грунте путем полива растений водой насыщенной углекислым газом насыщение проводят до концентрации углекислого газа 3-5 кг/см² при температуре воды в пределах 12-20°С. Полив производят три раза в день.

Способ осуществляют следующим образом.

Растения поливают водой, насыщенной углекислым газом до концентрации углекислого газа 3-5 кг/см ², при температуре воды в пределах 12-20°С. Полив производят три раза в день.

Для получения насыщенного раствора углекислого газа используют, например, устройство, состоящее из напорного насоса с выходным напором не менее 50 м водяного столба, через трубопровод, соединенный с герметичной емкостью, засыпанной щебнем пиролюзита (МnО₂), проходя через который водный раствор Н₂СО₃ стабилизируется, после чего и поступает в систему полива теплиц. На вход напорного насоса по трубопроводу подается обычная водопроводная вода с температурой 12-20°С. Перед входом в напорный насос в трубопровод подачи воды врезан эжектор, через который из батареи баллонов с СО₂ в поступающую исходную воду подается углекислый газ. Расход углекислого газа регулируется газовым редуктором, который монтируется на выходе батареи с СО₂. В напорном насосе давление исходной воды, насыщенной углекислым газом, повышается до заданного значения, в результате чего образуется водный раствор жидких углеводородов под обобщенным названием - угольная кислота Н₂СО₃, который перекачивается напорным насосом в блок стабилизации синтеза, где происходит стабилизация раствора. Из герметичной емкости стабилизатора синтеза раствор по трубопроводу направляется в систему полива теплиц. На трубопроводе за герметичной емкостью стабилизатора синтеза смонтирован манометр, который контролирует давление в системе насос-стабилизатор, и вентиль для регуляции рабочего давления в системе насос-стабилизатор синтеза в заданных технологией пределах.

Получаемый в таких условиях (концентрации углекислого газа 3-5 кг/см ² и температуре воды в пределах 12-20°С) водный раствор углекислого газа активно поглощается корневой системой растений и в структуре растительных тканей разлагается на СO₂ , Н₂O и O₂, что позволяет растению не испытывать дефицит углекислого газа, необходимого для ускоренного формирования растительных тканей. Также важно то, что водный раствор, полученный при прохождении углекислого газа и воды через напорный насос и блок стабилизатора синтеза, является устойчивым при обычном давлении и углекислый газ не диффундирует из раствора в атмосферу теплицы в диапазоне температур 10-30°С, что, соответственно, не создает угрозы для жизни обслуживающего персонала при работе с предлагаемым углекислотным удобрением. Следует также отметить, что использование технического углекислого газа позволит выращивать продукты растениеводства, не загрязненные вредными составляющими, содержащимися в отходных газах, например в топочных газах.

Основой создания способа явились знания уровня техники и проведенные экспериментальные исследования.

Известно, что в ходе природных фотосинтетических реакций энергия фотонов света возбуждает в молекулах хлорофилла растений атомы магния (Mg) и в клетках растений происходит взаимодействие углекислого газа с водой, в результате чего синтезируются простейшие моносахариды СН₂О, которые используются для энергетического обмена в растениях, а также для формирования растительной клетчатки растений (Журавлева Н.А. Механизм устьичных движений, продукционный процесс и эволюция. ВО «Наука». Новосибирск. 1992). Этот процесс в общем виде описывается реакцией:

фотон света

6СO₂+12Н₂O С₆Н₁₂O₆+6Н₂ O+6O₂ (дельта G=+686 ккал/моль),

из которой видно, что при резонансном взаимодействии, а резонанс в молекуле хлорофилла задает выведенный из равновесного состояния фотоном света атом магния (Mg), 6 молекул углекислого газа начинают взаимодействовать с 12 молекулами воды и в результате образуется молекула гексозы С₆Н₁₂О₆, которая структурно представлена шестью простейшими сахарами СН₂ O. Побочными продуктами этой реакции оказываются 6 молекул воды Н₂O и 6 молекул кислорода O₂. В дальнейшем молекулы гексозы C₆H₁₂O₆ частично принимают участие в энергетическом обмене и используются растениями в качестве строительного материала для формирования растительной клетчатки, тогда как молекулы воды и кислорода как побочные продукты реакции фотосинтеза выбрасываются в атмосферу теплицы. Откуда следует, что энергия светового фотона нужна растительной клетке только для возбуждения молекулы хлорофилла. После чего в возбужденной молекуле хлорофилла проходит реакция окисления воды углекислым газом (В.В.Климов. Пущинский университет. Углекислота как субстрат и кофактор фотосинтеза), которая заканчивается образованием молекулы гексозы C₆H₁₂O₆, которая состоит из шести первичных сахаров СН₂О.

В данном изобретении предлагается окислять воду углекислым газом и получать раствор первичных сахаров СН₂O вне растения, используя для этого энергию кратковременного повышения давления и возникающих при прохождении раствора углекислого газа в воде через напорный насос кавитационных эффектов как эквивалента энергетического воздействия светового фотона на реакции фотосинтеза, происходящие в молекулах хлорофилла в растениях.

Новое понимание реакций фотосинтеза показывает, что окисление воды в ферментативном центре растения происходит не в виде Н₂О или ОН ^-, а в виде молекул, полученных в результате диссоциации Н₂СО₃, которая окисляется энзиматическим центром водоокисляющего комплекса растений (В.М.Степанов. Молекулярная биология. Москва. ВШ 1996). Это приводит к выделению молекулы О₂ (продукта окисления воды) и освобождению молекулы СО₂, которая вовлекает новые молекулы воды в процесс окисления. Таким образом, происходит процесс формирования растительной ткани, интенсивность которого напрямую зависит от концентрации в физиологическом цикле растений продуктов взаимодействия воды и углекислого газа под названием - угольная кислота Н₂ СО₃ (ООЖ). В настоящее время твердо установлена множественность производных угольной кислоты Н₂СО₃ в водном растворе СО₂, одним из которых являются первичные сахара, обозначаемые формулой СН₂О и описывающиеся реакцией:

СO₂+4е+4Н=СН₂O+Н ₂O.

В реальности процесс фотосинтеза растительных тканей обеспечивается сложным циклом энзиматических реакций, который имеет научное название - пентознофосфатный цикл или цикл Кальвина (по имени его открывателя - лауреата Нобелевской премии за 1961 год Мелвила Кальвина). Фиксацию СО₂ и его восстановление в цикле Кальвина представляет процесс, включающий четыре основные стадии:

1. Стадия карбоксилирования, - в результате которой образуются трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Эта реакция катализируется водорастворимым ферментом под названием рибулозобисфосфат-карбоксилаза-оксигеназа (RUBISCO). Чрезвычайная важность этого этапа фотосинтеза для биосферы подтверждается тем, что RUBISCO - самый распространенный фермент на планете. С участием этого фермента за счет энергии солнечного света фотосинтезирующие организмы Земли ежегодно ассимилируют около 200 млн тонн СО ₂, превращая его в органические соединения, используемые всеми живыми организмами планеты.

2. Стадия восстановления - на этом этапе полученная в ходе первой стадии фосфоглицериновая кислота (ФПС) ассимилирует в трехуглеродный сахар - триозофосфат (фосфоглицеральдегид). Восстановление ФГК до триозофосфатных сахаров - главная стадия цикла Кальвина, во время которой и происходит преобразование энергии света, воды и углекислого газа в исходные молекулы первичных сахаров, из которых синтезируются растительные ткани.

Третья и четвертая стадии цикла Кальвина необходимы для того, чтобы регенерировать, привести в исходное состояние акцептор СО₂ - рибулозобисфосфат, который мог бы вновь участвовать в фиксации СО₂, а получаемые при этом трехуглеродные сахара могли бы превращаться в более сложные сахара (стадия синтеза продуктов).

Исходя из вышеизложенного, предлагаемый в изобретении способ получения водного раствора жидких углеводородов, основным составляющим которых является основанный на барической реакции взаимодействия углекислого газа с водой (Глинка Н.Л. Общая химия. - М. 1965):

давление

Н₂O+СO₂ Н₂СO₃,

находится в полном соответствии с процессами, происходящими в клетках растений во время второй стадии цикла Кальвина. В результате кратковременного барического воздействия на насыщенный в воде углекислый газ образуется комплекс жидких углеводородных соединений с обобщенным названием - угольная кислота Н₂СO₃ (ООЖ), значительная часть которого представлена первичными сахарами СН₂ О. Откуда следует однозначный вывод, что энергия фотона света в сложном процессе фотосинтеза растительных тканей эквивалентна энергии, получаемой при барическом воздействии на раствор углекислого газа в воде. И в том, и в другом случаях на выходе процессов образуются необходимые для развития и жизнедеятельности растений первичные сахара СН₂O.

В ходе экспериментов при получении водного раствора, основным компонентом которого является угольная кислота Н₂СO₃, были определены оптимальные значения для рабочего давления, температуры исходной воды и концентрации углекислого газа в исходной воде перед входом в насос. Оптимальными значениями рабочего давления, при котором происходит растворение введенного в реакцию углекислого газа в воде, является 3-5 кг/см². Температура исходной воды соответствует температуре водопроводной воды и находится в пределах 12-20°С.

Требуемая концентрация углекислого газа, который при заданном давлении должен полностью растворяться в воде, - 50 мл газообразного СО₂ на 1 литр воды, что, также, позволяет использовать стандартный 40-литровый баллон СО₂ с емкостью углекислого газа 6000 литров при нормальном давлении для обогащения 120 м исходной воды.

Экспериментальные исследования с семенами и растениями проводились в лаборатории дендрологии СО РАН (Томск, пр. Академический, 5). Были получены следующие результаты:

В серую лесную почву теплицы были высажены по десять опытных и десять контрольных семян злаковых культур - пшеницы, овса и подсолнечника. Во время эксперимента были заданы следующие параметры - температура 23°С и освещенность 60 Вт на квадратный метр (Технические условия для выращивания тепличных растений. Москва. Сельхозиздат. 1957). Срок проведения эксперимента - 20 дней. Опытные семена поливались 3 раза в день получаемым в соответствии с предлагаемым способом водным раствором, насыщенным углекислым газом до концентрации углекислого газа 3-5 кг/см² при температуре воды в пределах 12-20°С. Контрольные семена в том же режиме поливались обычной водопроводной водой. В результате эксперимента скорость набора растительной массы опытных растений превышала тот же показатель для контрольных растений в 2-5 раз. Корневая система опытных растений была значительно развитее, чем у контрольных. Эта методика была применена и для тепличных культур (огурцы, помидоры, цветы петуньи). Результаты были сопоставимы с опытом по злаковым культурам. Растительная масса опытных растений в два раза превышала массу контрольных образцов. В эксперименте с ветками ивы, которые погружались: контрольные в обычную воду, а опытные - в получаемый в соответствии с заявляемым способом раствор, было установлено, что опытные ветки ивы за время эксперимента успели выпустить листочки, тогда как контрольные еще находились в состоянии сна. Также был проведен эксперимент по выращиванию вышеперечисленных растений при отсутствии света. При поливе опытных растений получаемым раствором они, по сравнению с контрольными, в два раза быстрее росли и набирали массу при полном отсутствии света.

Проведенные эксперименты однозначно говорят об эквивалентности водного раствора, получаемого в результате барического воздействия на раствор углекислого газа в воде, процессам фотосинтеза, происходящим в растениях во время второй стадии пентознофосфатного цикла Кальвина.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить урожайность растений, выращиваемых в защищенном грунте, а также выращивать экологически чистые растения.