DE3720621C1 - Verfahren zur Wurzelduengung von Kulturpflanzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wurzeldüngung von Kulturpflanzen, insb. Hydrokulturen, bei dem Wasser oder eine wäßrige Düngelösung mit einer CO₂ und O₂ enthaltenden Gasmischung imprägniert und dem Wurzelbereich der Kulturpflanzen zugeführt wird.

Aus der DE-OS 35 03 710 ist ein Verfahren zur Blattdüngung von Kulturpflanzen mit CO₂-imprägniertem Wasser bekannt, bei dem CO₂ dem Wasser mit einem Gehalt bis etwa zur natürlichen Sättigung des Wassers zugesetzt wird. Um Wasser in großen Mengen zu Gieß- und Düngezwecken für Kulturen von Gärtnereien oder in der Land­ wirtschaft mit CO₂ in möglichst stabiler und kostengünstiger Weise imprägnieren zu können, ist aus der DE-OS 33 30 375 ein Verfahren und eine Anordnung zum Imprägnieren von Wasser mit CO₂ bekannt. Die zum Ausführen des bekannten Ver­ fahrens dienende Anordnung weist einen geraden, am Austrittsende offenen Strömungskanal auf, dessen anderes Ende an eine Druckwasser-Quelle, insb. an die Leitung eines üblichen Wasserversorgungsnetzes angeschlossen werden kann. Im Betrieb ist der Strömungskanal über seine ganze Länge und über seinen ganzen Querschnitt von einer ruhigen, d. h. im wesentlichen annähernd turbulenzfreien Wasserströmung vollständig ausgefüllt. An mehreren, in Strömungsrichtung in Abstän­ den liegenden Bereichen erweitert sich der Strömungsquerschnitt jeweils abrupt über eine Ringschulter von geringem Ausmaß, von z. B. 1 mm oder deutlich weniger. Die äußeren über diese Schulter fließenden Strömungsschichten der Wasserströmung werden somit in diesem begrenzten Schulterbereich gegenüber der Strömung im gleichen Strömungsquerschnitt wesentlich beschleunigt mit der Folge eines entsprechenden Druckabfalles in diesen eng begrenzten Bereichen unterhalb der Schultern. In diesem Bereich weist der Strömungskanal mehrere, in Umfangs­ richtung verteilte offene Bohrungen mit einer Bohrungsweite auf, die etwa der Breite der Ringschulter entspricht. Die Bohrungen münden außen in eine an eine Druckgasquelle für reines CO₂ angeschlossenen Gaskammer. Das Wasser wird bei Betrieb dem Strömungskanal mit der üblichen Temperatur und unter dem üblichen Druck der Wasserquelle, insb. des Wasserversorgungsnetzes, zugeführt. Der Gasdruck in der CO₂-Gaskammer wird auf einen Wert eingestellt, der etwas niedriger als der statische Druck in der Wasserströmung des Strömungskanals ist. Beträgt der letztere z. B. 3 bar, so wird der Gasdruck in der Kammer z. B. auf etwa 2,5 bar gehalten. Im Bereich der Schultern dringt das CO₂-Gas aus der Gaskammer aufgrund des örtlich begrenzten Druckabfalles in die äußeren Wasserströmungsschichten ein. Man erhält so eine auf die jeweils engen Bereiche begrenzte Unterdruckimprägnierung des Wassers mit CO₂-Gas und damit eine sehr stabile CO₂-Feinstimprägnierung des Wassers. Die Zahl der aufeinanderfolgenden Schulterbereiche bestimmt unter anderem den Gehalt an vom Wasser absorbiertem Kohlendioxydgas. Dabei wird der CO₂-Gehalt des Wassers bevorzugt auf Werte unter 3 g pro Liter Wasser, vorzugsweise im Bereich auf Werte zwischen 0,05 und 2,5 g pro Liter Wasser begrenzt.

Diese mit CO₂ feinstimprägnierte Wasser wird unmittelbar oder unter Zumi­ schung von Düngestoffen und/oder Pflanzenschutzstoffen entweder direkt bzw. durch Verregnen dem Kulturboden zugeführt oder mit üblichen Spritzgeräten zur Blattdüngung feinstäubig vernebelt oder versprüht.

Damit können dem Boden bzw. den Pflanzen auf einfache und ökonomische Weise die für ein gesundes Wachstum, einen natürlichen Widerstand gegen Krankheitsdruck und Schädlingsbefall und für eine Steigerung des Ertrages not­ wendigen Mengen an CO₂ und H₂CO₃ zugeführt werden. Wesentlich dabei ist, daß der Gehalt an Kohlendioxydgas im Wasser im Regelfall wesentlich höher als der des normalen Leitungswassers ist, aber das natürliche Absorptionsvermögen von normalem, reinem Wasser bei Umgebungstemperatur und Atmosphärendruck nicht oder nur geringfügig übersteigt. Diese Förderung trägt der Tatsache Rechnung, daß bereits geringe Mengen an Kohlendioxyd den gewünschten Erfolg erbringen und daß bei Begrenzung des CO₂-Gehaltes die Verluste an CO₂ beim Ausbringen des feinstimprägnierten Wassers in Beregnungs- oder Spritzsystemen äußerst gering bleibt.

Nun ist für einen kräftigen Wuchs der Pflanzen, ins. der Wurzeln, nicht allein ein ausreichender Anteil an Kohlendioxydgas und Kohlensäure im Boden not­ wendig. Der Boden muß auch ausreichend mit Sauerstoff versorgt sein. Da in den oberen Bodenschichten im wesentlichen Atmosphärendruck und etwa die gleiche Gaszusammensetzung wie in der Atmospähre vorherrschen, führt ein Mangel an Kohlendioxydgas auch zu einem Mangel an Sauerstoff. Die Bodenluft enthält bekanntlich 20,93 Vol.-% O₂; 0,03 Vol.-% CO₂ und 78,10 Vol.-% N. In einem guten Humusboden werden pro Hektar bis zu 5 kg Kohlendioxydgas erzeugt und nach dem Gesetz von Gay Lussac gegen anteilige Mengen an Sauerstoff aus­ getauscht. Durch den Einsatz von mit Kohlendioxydgas feinstimprägniertem Wasser wird so auch die Sauerstoffversorgung des Wurzelbereiches von im Erdreich gezogenen Kulturpflanzen sichergestellt.

Wesentlich problematischer liegen jedoch die Verhältnisse bei Anwendung von Hydroponik oder Hydrokultur, da hier die Wurzeln nicht von gashaltigem Erd­ reich, sondern nur von Wasser oder wäßriger Nährstofflösung umgeben sind. Es ist bekannt, daß auch auf diesem Anwendungsbereich die Feinstimprägnierung des für die Hydrokultur verwendeten Wassers mit Kohlendioxydgas und der dadurch einstellbare Gehalt des Wassers an chemisch gebundender Kohlensäure für die Gesundheit und das Wachstum der Kulturen verantwortlich sind. So ist aus der DE-OS 26 41 945 ein Verfahren zur erdefreien Pflanzenaufzucht bekannt, bei dem eine Pflanzennährlösung in einem geschlossenen Kreislauf­ system geführt wird, in dem die verbrauchten Pflanzennährstoffe durch Zufuhr der einen oder anderen von zwei konzentrierten Vorratslösungen in Abhängigkeit von dem gemessenen pH-Wert der Pflanzennährlösung ersetzt werden, und in dem mit Hilfe einer oder mehrerer perforierter Rohr- oder Schlauchleitungen Kohlendioxyd unter Druck in die Nährlösung eingeblasen wird, so daß die Pflanzen das Kohlendioxyd über die Wurzeln aufnehmen können.

Im Hinblick auf den Gasaustausch zwischen CO₂ und O₂ liegen jedoch im Wasser völlig andere Verhältnisse als in der Atmosphäre vor. So kann übliches reines Wasser bei Atmosphärendruck und Zimmertemperatur 0,88 l Kohlendioxydgas, aber nur 0,03 l Sauerstoff absorbieren. Bei Imprägnieren von Wasser oder Nähr­ lösung mit CO₂ besteht somit die Gefahr, daß das im Wasser absorbierte Kohlendioxydgas den Sauerstoff aus dem Wasser verdrängt und insgesamt den Wurzeln der notwendige Sauerstoff nicht mehr in ausreichenden Mengen zur Ver­ fügung steht.

Bei dem zuletzt genannten bekannten Verfahren aus der DE-OS 26 41 945 ist es daher auch bekannt anstelle von CO₂-Gas oder zusätzlich zu diesem Gas auch Luft durch die perforierten Rohr- oder Schlauchleitungen in die Nährlösung einzublasen, um die Nährlösung auch mit Sauerstoff zu versorgen. Dies bekannte Verfahren ist jedoch aufwendig und führt auch zu keinem sicheren und repro­ duzierbarem Ergebnis. Auch die Zufuhr von reinem Sauerstoff unter Messung des Gehaltes an Kohlendioxydgas und Sauerstoff sowie die Steuerung der Sauerstoff­ zufuhr durch entsprechende Steuerungsvorrichtungen sind umständlich und aufwendig und in der Praxis kaum anwendbar. Dies gilt auch für den bekannten Fall (vgl. EP-Veröffentlichung 00 62 966) bei dem die durch Umpumpen im geschlossenen Kreislauf geführte Düngeflüssigkeit in einem Druckbehälter zerstäubt wird, der Sauerstoff- und Kohlendioxydgas enthält. Durch das Zerstäuben der Flüssigkeit in dem Druckbehälter soll eine entsprechende Imprägnierung der Flüssigkeit mit diesen Gasen erreicht werden. Neben dem hohen Aufwand der für die Durchführung des Verfahrens erforderlichen Anordnung besteht ein Nachteil des bekannten Verfahrens darin, daß der Gas­ gehalt kaum ausreichend genau kontrolliert werden kann und in den Kulturbereichen erhebliche Gasverluste auftreten.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß auf einfache und kostengünstige Weise dem Wurzelbereich von Kulturpflanzen, insb. in Hydrokul­ turen, CO₂, H₂CO₃ und O₂ auf sichere und überschaubare Weise zur Verfügung gestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Anspruchs 1 gelöst.

Aufgrund dieses Verfahrens werden dem Wasser bzw. der Düngelösung CO₂ und O₂ in einem festen Mischungsverhältnis zugeführt. Da die beiden Gase von vorneherein ein festes Mischungsverhältnis aufweisen, bedarf es weder Meß­ sonden zur Messung des CO₂-Gahaltes oder O₂-Gehaltes im Wasser noch bedarf es eines geschlossenen Kreislaufes, durch den das Wasser oder die wäßrige Düngelösung geführt wird. Es bedarf auch keiner steuerbaren Dosiereinrichtung und keiner zwischen den Sonden und der Dosiereinrichtung wirksamen Steuerein­ richtung. Die zum Ausführen des Verfahrens notwendige Anordnung ist daher außerordentlich einfach und überschaubar und gewährleistet auf kostengünstige Weise genau reproduzierbare Ergebnisse.

Wesentlich ist ferner, daß ein festes Mischungsverhältnis zwischen den Gasen aufrechterhalten wird, das dem natürlichen Lösungsverhältnis dieser Gase in reinem Wasser bei Raumtemperatur entspricht. Auf diese Weise wird verhindert, daß das eine Gas das andere aus der Flüssigkeit verdrängt. Es werden daher sehr stabile Verhältnisse erzielt, die sich ebenfalls entscheidend auf die Reproduzier­ barkeit der Ergebnisse auswirken.

Besonders günstig wirkt sich für das Pflanzenwachstum aus, daß in derem Wurzelbereich praktisch natürliche Verhältnisse weitgehend angenähert aufrechterhalten werden. Da wegen fehlender Verdrängungswirkungen keine Gase aus der Flüssigkeit verlorengehen wird auch von dieser Seite an Kosten gespart.

Ein weiteres wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Lehre besteht darin, daß der CO₂-Gehalt auf Werte unter 3 g pro Liter Wasser begrenzt wird. Be­ sonders günstig ist ein Bereich zwischen 0,05 g pro Liter und 2,5 g pro Liter Wasser. Die Begrenzung des CO₂-Gehalt führt aufgrund des naturgegebenen Verhältnisses im Wasser automatisch auch zu einer entsprechenden Begrenzung des maximalen O₂-Gehaltes. Normales Leitungswasser enthält die Gase in Mengen weit unter dem natürlichen Lösungsvermögen. Mit dem neuen Verfahren kann daher das Wasser gezielt wesentlich mit diesen Gasen angereichert werden und dabei läßt sich jeder Wert bis hin zu dem angegebenen maximalen Wert sicher und reproduzierbar einstellen. Wegen der Vorgabe der oberen Grenzen der Gasgehalte werden Gasverluste weitgehend ausgeschlosssen, selbst wenn das Wasser oder die wäßrige Düngelösung heftig oder turbulent bewegt werden.

Wichtig für die Stabilität der Gasgehalte des Wassers ist auch die Art der Im­ prägnierung des Wassers mit dem Gasgemisch. Hierbei wird die bekannte Imprägnierungsmethode aus der eingangs schon genannten DE-OS 33 30 375 mit Vorteil eingesetzt. Diese Imprägnierungsmethode ist für die Erreichung des angestrebten Zweckes unverzichtbar, da nur die dadurch bedingte stabile Lösung der Gase in dem Wasser zu den angeführten Vorteilen führen und die erforder­ liche Reproduzierbarkeit der Ergebnisse sichergestellt ist.

Es sind bei Anlagen zur geregelten Bewässerung von erdloser Pflanzenkultur mittels Düngemittellösungen Dosierventile für jeweils unterschiedliche Durch­ flußmengen aus der DE-OS 33 31 818 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren geht es darum stabile Verhältnisse bei Verwendung unterschiedlicher Wasser­ sorten (Brunnenwasser, Regenwasser) zu erhalten. Dazu werden pH-Wert und elektrischer Leitwert der Düngelösung bestimmt. Aufgrund dieser Werte werden dann die Soll-Werte für die Herstellung der Düngemittellösung eingestellt. Die Anordnung weist dabei auch eine CO₂-Dosiereinrichtung auf. Um den unterschiedlichen Wasserqualitäten Rechnung zu tragen, sind die dafür vorge­ sehenen Dosierventile hinsichtlich ihrer Durchflußmengen unterschiedlich ausge­ legt, so daß man durch Öffnen eines oder mehrerer der einzelnen Ventile jeweils unterschiedliche Mischungsverhältnisse von Brunnenwasser und Regenwasser erhalten kann.

Demgegenüber geht es bei dem neuen Verfahren darum, der das Mischgas ent­ haltenden Gaszone CO₂ und O₂ in dem vorgegebenen festen Verhältnis zuzu­ führen, wobei das Mischungsverhältnis von CO₂ und O₂ in dem Gasgemisch vorteilhafterweise auf einen festen Wert von etwa 30 : 1 gehalten wird.

Zur Herstellung der Mischung kann der das Mischgas enthaltenden Kammer CO₂ und O₂ jeweils als reine Gase und einzeln sowie unter gleichem Druck aber in unterschiedlicher Menge pro Zeiteinheit zugeführt werden. Dazu können die beiden Gase vorteilhafterweise der Kammer über Strömungsquerschnitte zuge­ führt werden, die auf dem Mischungsverhältnis entsprechend unterschiedliche Größen eingestellt werden.

Vorteilhafte Ergebnisse konnten jedoch auch schon festgestellt werden, wenn statt des bevorzugten Mischungsverhältnisses die Mischung zwischen 20 (CO₂) : 1 (O₂) und 40 : 1 liegt.

Das auf diese Weise mit der Gasmischung feinstimprägnierte Wasser kann zu Gießzwecken verwendet werden. Bevorzugt wird es jedoch bei Hydrokulturen in der Hydroponik eingesetzt. Zu diesem Zweck können dem so imprägnierten Wasser auch die erforderlichen Nährstoffe und Spurenelemente zugesetzt werden.

Enthält das Nährwasser bei Einsatz bereits höhere CO₂- oder O₂-Gasanteile oder ist der Bedarf spezifischer Pflanzen für die einzelnen Gase vom Normalbedarf in bestimmter Weise abweichend, so wird die Zufuhr der einzelnen Gase, z. B. durch Änderung der Zuströmquerschnitte in die Gaskammer geregelt durchgeführt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Wurzeldüngung von Kulturpflanzen, insb. in Hydrokulturen, bei dem Wasser oder eine wäßrige Düngelösung mit einer CO₂ und O₂ enthaltenden Gasmischung imprägniert und dem Wurzelbereich der Kulturpflanzen zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß CO₂ und O₂ in einem festen Ver­ hältnis etwa gleich dem natürlichen Lösungsverhältnis der Gase in reinem Wasser bei Raumtemperatur gemischt werden und das Wasser bzw. die Düngelösung mit dem Gasgemisch bis zu einem Gehalt an CO₂ niedriger als 3 g/l Flüssigkeit feinstimprägniert wird, indem das Wasser unter den Verhältnissen in einer nor­ malen Wasserleitung entsprechenden Druck und Temperatur in im wesentlichen turbulenzfreier Strömung durch eine gerade Imprägnierungszone geführt wird und dabei die äußeren Strömungsschichten wenigstens zweimal über schmale schulter­ artige Querschnittserweiterungsstellen geleitet und dadurch einer momentanen Herabsetzung des Druckes ausgesetzt und in diesem Zustand kurzzeitig mit einer das Mischgas enthaltenden Gaszone in Verbindung gebracht werden, in der das Mischgas auf einem Druck gehalten wird, der etwas niedriger als der statische Druck der Strömung in der Imprägnierungszone ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischverhältnis von CO₂ und O₂ in dem Gasgemisch auf einen festen Wert von etwa 30 : 1 gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der das Mischgas enthaltenden Kammer CO₂ und O₂ als reine Gase einzeln und unter gleichem Druck aber unterschiedlicher Menge pro Zeiteinheit zu­ geführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gase der Kammer über Strömungsquerschnitte zugeführt werden, die auf dem Mischungsverhältnis entsprechend unterschiedliche Größen eingestellt werden.