Способ подкормки растений в теплицах углекислым газом и азотными удобрениями

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к подкормке растений в теплицах. Подкормка растений углекислым газом и азотными удобрениями включает подачу воздуха со смесью газов из животноводческого помещения в теплицу. Воздух со смесью газов подают в теплицу с помощью трубопроводов и системы аэрационного дренажа. Объем аэрационного дренажа по подкормке углекислым газом определяют по формуле V=(T_c•G_1K•N•h)/(l,25•П•T_П)=(G•h)/(l, 25•П•T_п), м³, где Т_с=24 ч число часов в сутки; G_1K - выделение углекислого газа животными в течение суток, кг; N - количество животных на ферме; G - выделение СО₂ одним животным, кг/ч; П - норма дополнительной подкормки растений в теплицах углекислым газом, кг/м²•ч; Т_П - время дополнительной подкормки растений углекислым газом в течение светлого периода суток - 4 - 6 ч. Объем по поглощению азотных удобрений определяют по формуле: V=[(0,5... 0,75)•G•T_в•h] /(0,3•П•n), м³, где V - объем почвенного слоя в теплице, м³; G - содержание аммиака в вентиляционных выбросах животноводческого помещения, образующегося в течение суток, кг; Т_в - вегетационный период выращивания растений в теплице, дней; h - толщина почвенного слоя в теплице, м; П - потребление азота одним растением за период вегетации (Т_в дней), кг/шт; n - количество растений, произрастающих на 1 ² телицы, шт/м². Окончательный объем почвенного слоя устанавливают по максимальному значению полученных объемов. Изобретение позволяет использовать вентиляционные выбросы животноводческих помещений для подкормки растений в теплицах.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к животноводству и растениеводству защищенного грунта.

Известно, что в условиях защищенного грунта для повышения продуктивности растений производят дополнительную подкормку 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) используются сжиженная углекислота (в баллонах), твердая углекислота (сухой лед), продукты сжигания непосредственно в теплицах жидкого (керосин) или газообразного (пропан, метан) топлива, что требует значительных затрат. Одним из дешевых источников СО₂ являются отходящие газы котельных, однако широкое внедрение этого метода подкормки растений СО₂ сдерживается наличием в отходящих газах котельных вредных для человека и растений окислов азота. Кроме того, применение этого метода ограничено котельными, работающими только на природном газе, не содержащем сернистых соединений.

Известный способ подкормки тепличных культур двуокисью углерода с использованием отходящих газов горелочных устройств, включающий пропускание отходящих газов через водяной абсорбер с последующим разбрызгиванием продукта абсорбции в теплице, в водяном абсорбере создают давление 20-25 бар, насыщенную двуокисью углерода воду разбрызгивают в теплице в открытые желобки при атмосферном давлении, а сточную воду очищают от оставшихся газов десорбцией атмосферным воздухом и возвращают в абсорбер (авт.св. N 967397, А 01 G 9/18).

Недостатком предложенного способа является то, что для его реализации требуется установка в теплицах абсорбера, работающего при повышенном давлении, разветвленной по всей теплице системы желобков и разбрызгивателей, очистка сточных вод десорбцией. При этом не устраняется опасность загрязнения воздуха теплиц вредными для человека и животных окислами азота, так как некоторые из них могут поглощаться водой в абсорбере и выделяться в теплице путем испарения в открытых желобках.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ подкормки растений в теплицах 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).

Недостатком такого использования углекислого газа является то, что вместе с углекислым газом из помещений выбрасываются сероводород и аммиак. В связи с этим непосредственная подача вентиляционных выбросов животноводческих помещений в воздушное пространство теплиц для подкормки растений углекислым газом требует установки дополнительных устройств для очистки этих выбросов от примесей аммиака и сероводорода.

Задача изобретения - обеспечение возможности использования вентиляционных выбросов животноводческих помещений для подкормки растений в теплицах и охрана окружающей среды.

Поставленная задача решается в предлагаемом изобретении тем, что способ подкормки растений в теплице углекислым газом и азотными удобрениями включает подачу воздуха со смесью газов из животноводческого помещения в теплицу, при этом воздух со смесью газов подают в теплицу с помощью трубопроводов и системы аэрационного дренажа, которая представляет собой почвенный слой теплиц, объем которого по подкормке растений углекислым газом определяют по формуле где Т_с= 24 ч; G_1K - выделение СО₂ одним животным, кг/ч; N - количество животных на ферме; П - норма дополнительной подкормки растений в теплицах углекислым газом, кг/м²•ч; Т_п - время дополнительной подкормки растений углекислым газом в течение светлого периода суток - 4...6 ч; G - выделение углекислого газа животными в течение суток, кг; а его объем по поглощению азотных удобрений в аммонийной форме определяют по формуле где V - объем почвенного слоя в теплице, м³; G' - содержание аммиака в вентиляционных выбросах животноводческого помещения, образующегося в течение суток, кг; Т_в - вегетационный период выращивания растений в теплице, дней; h - толщина почвенного слоя в теплице, м; П' - потребление азота одним растением за период вегетации (Т_в дней), кг/шт.; n - количество растении, произрастающих на 1 м² теплицы, шт./м²; при этом окончательный объем почвенного слоя теплицы устанавливают по максимальному значению полученных объемов.

Новые существенные признаки.

1. Смесь газов подают в систему аэрационного дренажа в теплице.

2. Воздух из животноводческого помещения со смесью газов пропускают через почвенный слой теплицы.

3. Определяют объем почвенного слоя теплицы по подкормке растений углекислым газом по формуле где Т_с= 24 ч - число часов в сутки; G - выделение углекислого газа животными в течение суток, кг, N - количество животных на ферме; G_1K - выделение СО₂ одним животным, кг/ч; h - толщина почвенного слоя в теплице, м; П - норма дополнительной подкормки растений в теплицах углекислым газом, кг/м²•ч; Т_п - время дополнительной подкормки растений углекислым газом в течение светлого периода суток - 4...6 ч; 4. Определяют объем почвенного своя теплицы по поглощению растениями азота в аммонийной форме по формуле

где V - объем почвенного слоя в теплице, м³; G' - содержание аммиака в вентиляционных выбросах животноводческого помещения, образующегося в течение суток, кг; Т_в - вегетационный период выращивания растений в теплице, дней; h - толщина почвенного слоя в теплице, м; П' - потребление азотных удобрений одним растением за весь период вегетации (Т_в дней), кг/шт, n - количество растений, произрастающих на 1 ² теплицы, шт/м²; при этом окончательный объем почвенного слоя теплицы устанавливается по максимальному значению полученных объемов.

5. Устанавливают объем почвенного слоя теплицы по максимальному значению полученных объемов.

Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Технический результат достигается тем, что воздух из животноводческого помещения, выбрасываемый при его вентиляции, содержащий примеси углекислого газа, аммиака и сероводорода, подают в теплицу с помощью трубопроводов в почвенный слой теплиц. Почва с проложенными в ней трубопроводами представляет собой систему аэрационного дренажа и является по своей сути водяным скруббером с органическим наполнителем. Воздух, подаваемый по трубопроводам, аэрируя через почву, соприкасается с почвенной влагой. Обладая высокой растворимостью, содержащиеся в воздухе примеси углекислого газа, аммиака и сероводорода растворяются в почвенной влаге, вступают в химические соединения с почвенными компонентами, частично поглощаются почвой. При этом углекислый газ в почве проявляет свойства кислотного оксида, взаимодействуя с водой и растворами щелочей. Образующаяся при этом слабая угольная кислота нейтрализуется поглощенными основаниями Cа, Mg, Na, а также карбонатами Cа и Mg. Часть CО₂ выделяется почвой, дифундируя с воздухом через почвенный слой поступает в воздушное пространство теплиц, обеспечивая тем самым подкормку растений. Растения усваивают углекислоту не только из воздуха, но и из почвы при помощи корневой системы в газообразном, растворенном состоянии или в виде углекислой соли. Корни усваивают 25% CO₂ от того количества, которое усваивают листья. Норма подкормки растений СО₂ выбирается таким образом, чтобы обеспечить концентрацию СО₂ в теплицах на период подкормки (Т_п=4...6 ч в сутки) не больше 0,3%. В зависимости от удельного объема теплиц γ (отношение объема теплицы к ее площади) норма подкормки П (с учетом потерь через неплотности) принимается равной: для теплиц с γ=2,5 - П=0,02 кг/м², для теплиц с γ=3,5 - П=0,028 кг/м², для теплиц с γ=4,5 - П=0,036 кг/м².

Тогда выделяемое в течение суток животными количество углекислого газа (G=Tc•G_1K•N) должно быть поглощено растениями в период дополнительной подкормки - Т_п. Отсюда объем почвенного слоя теплицы V определяется по выражению

где Т_c= 24 ч; G_1K - выделение CO₂ одним животным, кг/ч; N - количество животных на ферме; П - норма дополнительной подкормки растений в теплицах углекислым газом, кг/м²•ч; Т_п - время дополнительной подкормки растений углекислым газом в течение светлого периода суток - 4...6 ч; G - выделение углекислого газа животными в течение суток, кг, h=0,20-0,25 м - толщина почвенного слоя в теплице.

Аммиак и сероводород обладают большей растворимостью, чем углекислый газ, и поэтому полностью растворяются в почвенной влаге. Аммиак в контакте с водой и в присутствии слабого раствора угольной кислоты Н₂СО₃ превращается в гидроокись аммония NH₄OH, которая легко распадается в воде на усвояемые растениями компоненты NH₄ и NО₃. Таким образом, частично или полностью может быть покрыта потребность в азотных удобрениях, необходимых для выращивания растений.

Аммонийный азот - NH₄ - растения поглощают интенсивнее, чем нитратный - NO₃, однако его содержание не должно быть больше 30% от общего количества азота в почве. В зависимости от условий растения используют от 50 до 75% внесенного в почву азота, 10...35% азота теряется на денитрификацию и 10... 15% поглощается микроорганизмами почвы, которые превращают азот в органическое вещество. Исходя из этого формула для расчета объема почвенного слоя теплицы по утилизации аммиака имеет вид

где G' - содержание аммиака в вентиляционных выбросах животноводческого помещения, образующегося в течение суток, кг; Т_в - вегетационный период выращивания растений в теплице, дней; h - толщина почвенного слоя теплицы, м; П' - потребление азотных удобрений одним растением за весь период вегетации (Т_в дней), кг/шт. ; n - количество растений, произрастающих на 1 м² теплиц, шт/м².

В приведенных формулах значение П зависит от типа выращиваемых растений и удельного объема теплицы (отношение объема теплицы к ее площади), а значение П' - только от типа выращиваемых растений. В конечном итоге выбирается больший из полученных по приведенным выражениям объем почвенного слоя теплицы.

Сероводород, растворяясь в почвенном растворе, в присутствии воздуха и под воздействием бактерий преобразуется в сульфаты, которые извлекаются из почвы растениями, образуя белковые вещества, содержащие серу. Таким образом, подача примесей сероводорода в подпочвенный слой способствует обогащению почвы усвояемыми для растений компонентами серы.

Применение данного способа способствует усилению аэрации почвенного слоя, насыщению почвы кислородом, а следовательно, усилению микробиологических процессов в почве.

Пример 1. Одна корова массой 550 кг при продуктивности 15 л молока в сутки выделяет 120 л/ч (0,228 кг/ч) углекислоты. Количество CO₂, которое может поступить из коровника в теплицу в течение суток, равно G=0,228•24= 5,47 кг или 0,12•24=2,28 м³.

Количество СО₂, которое может быть поглощено растениями на 1 м² в течение 75% светлого периода суток (6 ч) в зависимости от конструкции теплицы (γ), равно
П=(0,02...0,036)•1,25•6=0,15...0,27 кг/м².

Для поглощения суточного выхода СО₂ от одной коровы объем почвенного слоя теплицы, в зависимости от ее удельного объема γ (при условии 100% усвоения растениями), при h=0,25 м должен быть V=(G•h)/П=9,12...5,07 м³.

В коровнике может образоваться до 10 мг/м³ сероводорода, что составляет в объеме коровника (25 м³) 250 мг. При подаче его с воздухом в подпочвенный слой теплицы объемом 9,12...5,07 м³ на каждый м³ почвы может поступить от 27,4 до 49,3 мг H₂S, что не представляет никакой опасности для растений.

Одно растение, например, огурца за период вегетации (239 суток) усваивает 46 г азота. В теплицах на 1 м² произрастает 2,5 растения огурца, которые потребляют 46•2,5=115 г/м² азота за сезон или в среднем по 115/239=0,48 г/м² в сутки, из них азота в аммонийной форме NH₄ - 30% или 0,144 г/м². В теплицах, в зависимости от типа грунта, вносят под основную заправку грунтов от 0,25 до 1 кг/м² азотных удобрений (аммиачной селитры NH₄NO₃), а затем проводят раз в 10 дней подкормки азотными удобрениями до 10 г/м². Таким образом расход азотных удобрений за сезон составляет: (250...1000)+10•239/10=459... 1239 г/м², из них доля удобрений в аммонийной форме не должна превышать 30% от общего количества, т.е. должна быть в пределах 137,7...371,1 г/м².

В коровнике может образоваться до 11 мг/м³ аммиака, а в объеме, занимаемом одной коровой (25 м³), G'=0,275 г/ч аммиака. В течение суток из коровника в подпочвенный спой теплицы может поступить G=0,275•24=6,6 г или 8,4 дм³ аммиака. Подставив численные значения в формулу, получаем:

Ежедневная подача с воздухом 6,6 г аммиака в подпочвенный слой теплицы площадью S=V/h=26,0...34,3 м² соответствует ежедневному внесению по 6,6/(26. . . 34,3)=0,25...0,19 г/м² аммиачных удобрений или внесению аммонийных удобрений (при 75% их усвоении растениями) по 0,19•10•75=1; 4 г/м² в течение 10 суток или по 0,19•239•75=334,6 г/м² за период вегетации, что находится в диапазоне принятых норм по аммонийным удобрениям для грунтов, требующих повышенных норм внесения азотных удобрений. Следовательно, ежесуточное внесение в подпочвенный слой теплиц аммиака полностью покрывает потребность растений в азотных удобрениях. Для поглощения общего количества аммиака потребуется объем почвенного слоя в теплице, равный 8,6 м³, что находится в диапазоне объемов по поглощению углекислого газа.

Таким образом для теплицы с удельным объемом γ=2,5 выбирается объем почвенного слоя, исходя из поглощения углекислого газа 9,12 м³, а для теплицы с γ=4,5 - из условий поглощения аммиака - 8,6 м³.

Пример 2. Типовая молочная ферма на 400 голов крупного рогатого скота сблокирована с теплицей. Для утилизации углекислоты и аммиака, выделяемых этим поголовьем при живой массе каждой коровы 550 кг и удоем 15 кг молока в сутки, объем почвенного слоя теплицы должен быть
А) по поглощению углекислого газа -

для теплиц с удельным объемом γ=2,5...4,5.

В) Для поглощения аммиака, который может образоваться на данной ферме, объем почвенного слоя теплицы должен быть:

Количество сероводорода, которое может образоваться на данной ферме и поступать в почвенный слой теплицы, равно G_H2S=0,25•400•Т_с=2400 г в сутки, что составит всего 0,65...0,70 г/м³ почвенного слоя теплицы или 0,0058 г/кг сухой почвы.

Для полного поглощения выделяемых примесей следует при удельном объеме γ=2,5 использовать теплицу с объемом почвенного слоя 3646,6 м³, а при объеме γ=4,5 - теплицу с объемом почвенного слоя 3429,1 м³.

Формула изобретения

Способ подкормки растений в теплицах углекислым газом и азотными удобрениями, включающий подачу воздуха со смесью газов из животноводческого помещения в теплицу, отличающийся тем, что воздух со смесью газов подают в теплицу с помощью трубопроводов и системы аэрационного дренажа, которая представляет собой почвенный слой теплицы, объем которого по подкормке растений углекислым газом определяют по формуле

где Т_c= 24 ч;
G_1K - выделение СО₂ одним животным, кг/ч;
N - количество животных на ферме;
П - норма дополнительной подкормки растений в теплицах углекислым газом, кг/м²•ч;
Т_п - время дополнительной подкормки растений углекислым газом в течение светлого периода суток - 4-6 ч;
G - выделение углекислого газа животными в течение суток, кг;
а его объем по поглощению азотных удобрений в аммонийной форме определяют по формуле

где V - объем почвенного слоя в теплице, м³;
G - содержание аммиака в вентиляционных выбросах животноводческого помещения, образующегося в течение суток, кг;
Тв - вегетационный период выращивания растений в теплице, дней;
h - толщина почвенного слоя в теплице, м;
П - потребление азота одним растением за период вегетации (Тв дней), кг/шт. ;
n - количество растений, произрастающих на 1 м² теплицы, шт. /м²;
при этом окончательный объем почвенного слоя теплицы устанавливают по максимальному значению полученных объемов.