RU2281647C2 - Method for hydroponic growing of c3 plants - Google Patents

Abstract

FIELD: agriculture, in particular, growing of plants in protected ground, for example in greenhouses, on neutral substrate with feeding of plants with macro- and micro elements supplied to zone under roots and feeding with carbon dioxide.

SUBSTANCE: method involves growing C₃ plants in greenhouses on substrates by feeding nutritive solution under plant roots, feeding of plants with carbon dioxide and also by providing illumination with the use of lamps; hermetically covering plants with transparent film laid over constructions which may be adjusted in vertical plane as plants grow. Carbon dioxide is automatically supplied to zone under film by means of programmer. Nutritive solution is supplied into substrate in accordance with signal generated by moisture content sensor.

EFFECT: reduced consumption of carbon dioxide supplied for feeding of plants, decreased capital and operation costs, reduced consumption of power for heating greenhouses, and increased yield of plants.

2 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к способам выращивания растений в защищенном грунте, например в теплицах, на нейтральном субстрате с подкорневым питанием растений макро- и микроэлементами и подкормкой их углекислым газом.The invention relates to the field of agriculture, in particular to methods of growing plants in sheltered soil, for example in greenhouses, on a neutral substrate with root nutrition of plants macro- and microelements and feeding them carbon dioxide.

Известно, что подкормка растений в теплицах углекислым газом позволяет значительно повысить урожайность сельскохозяйственных культур. Для этого подкормку растений СО₂ производят путем подачи в окружающую растения атмосферу тумана, насыщенного углекислым газом [1], или в окружающей среде сжигают парафиновый нафталиновый углеводород [2], или в теплицу подают углекислый газ, образующийся в ферментативной установке [3].It is known that fertilizing plants in greenhouses with carbon dioxide can significantly increase crop yields. For this fertilizing plants produce CO ₂ by feeding the plants into the surrounding atmosphere fog, saturated with carbon dioxide [1] or in the environment burn paraffinic hydrocarbon is naphthalene [2], or in a greenhouse supplied carbon dioxide generated in the fermentation installation [3].

Такие способы требуют изготовления и монтажа специальных установок, в которых сжигается топливо или используется питательная среда для дрожжевой культуры. При этом для подачи углекислого газа в теплицы нужны трубопроводы. Для получения этими способами повышенной концентрации СО₂ в воздухе теплиц необходимо подавать большое количество газа. К тому же теплицы негерметичны, и имеет место утечка углекислого газа в атмосферу, что ухудшает экологию окружающей среды.Such methods require the manufacture and installation of special plants that burn fuel or use a nutrient medium for yeast culture. At the same time, pipelines are needed to supply carbon dioxide to the greenhouses. To obtain an increased concentration of CO ₂ in the air of greenhouses using these methods, a large amount of gas must be supplied. In addition, the greenhouses are leaky and there is a leak of carbon dioxide into the atmosphere, which affects the environment.

Известно также, что при промышленном выращивании растений углекислый газ подают в большом количестве в объем всей теплицы. В этом случае его получают путем сжигания топлива в специальных газогенераторных установках (прототип) [4].It is also known that in the industrial cultivation of plants, carbon dioxide is supplied in large quantities to the volume of the entire greenhouse. In this case, it is obtained by burning fuel in special gas generating units (prototype) [4].

Однако для подачи углекислого газа в теплицы необходима прокладка газопроводов. Монтаж и эксплуатация таких установок требует больших затрат. Кроме того, получаемый газ необходимо очищать от сопутствующих примесей.However, gas pipelines are required to supply carbon dioxide to the greenhouses. Installation and operation of such installations is expensive. In addition, the resulting gas must be cleaned of related impurities.

Целью изобретения является сокращение расхода общего количества углекислого газа, подаваемого в теплицу для подкормки растений, снижение затрат и повышение урожайности.The aim of the invention is to reduce the consumption of the total amount of carbon dioxide supplied to the greenhouse to feed plants, reduce costs and increase productivity.

Поставленная цель достигается тем, что в способе гидропонного выращивания С₃-растений, включающем подачу питательного раствора под корни растений, подкормку их углекислым газом и искусственную подсветку, растения герметично покрывают пленкой, состав питательного раствора корректируют в соответствии с расходом подаваемого под пленку СО₂, а искусственную подсветку создают источниками света, расположенными на минимально допустимой высоте над пленкой.The goal is achieved by a method of hydroponic cultivation -rasteny C ₃ comprising feeding the nutrient solution by the roots of plants, feeding of carbon dioxide and artificial illumination, plants hermetically coated film, the composition of the nutrient solution is adjusted in accordance with the feed rate of the film under CO _2, And artificial illumination is created by light sources located at the minimum permissible height above the film.

Этот способ делает рентабельным применение высококачественного баллонного газа, так как подача СО₂ под пленку из баллона приводит к уменьшению расхода общего количества углекислого газа, подаваемого в теплицу. При этом отпадает необходимость в строительстве газогенераторных станций и прокладке газопроводов. И тогда подкормка углекислым газом становится доступной даже в небольших теплицах, получается мобильной, гибкой и выборочной (т.е. может применяться по необходимости).This method makes it cost-effective to use high-quality bottled gas, since the supply of CO ₂ under the film from the balloon reduces the consumption of the total amount of carbon dioxide supplied to the greenhouse. At the same time, there is no need to build gas generating stations and lay gas pipelines. And then feeding with carbon dioxide becomes available even in small greenhouses, it turns out to be mobile, flexible and selective (that is, it can be applied as needed).

Количество подаваемого СО₂ по мере роста растений увеличивают автоматически с помощью временного программатора по программе, которую определяют опытным путем для каждого вида растений с помощью расходомера и газоанализатора CO₂ (по разработанной методике). А чтобы повысить интенсивность света от электрических ламп, их опускают над пленкой на минимально допустимое расстояние, т.е. так, чтобы пленка не плавилась от излучаемой радиации. Это позволяет создать более высокую освещенность, достаточную для выращивания большинства сельскохозяйственных культур, без дополнительных источников света. В то же время это позволяет поднять под пленкой температуру (за счет радиации и парникового эффекта) до уровня, необходимого для выращивания растений в условиях, когда в теплице температура для этого уже недостаточна. В этом случае особенно существенна оптимизация питания растений, поскольку только при оптимальном питании, соответствующем возможностям их фотосинтетического аппарата усваивать СО₂ на данном этапе роста, можно получить наибольшую прибавку урожайности. Под пленкой с повышением температуры увеличивается и влажность воздуха. Однако при этом влага на листьях не конденсируется, а конденсируется на пленке, и стекает обратно в поддон с субстратом, что приводит к экономии воды. В то же время повышение влажности воздуха способствует также раскрытию устьиц листьев, что, в свою очередь, усиливает усвоение углекислого газа в процессе фотосинтеза и увеличивает урожайность.Supply amount of CO ₂ as plant growth increased automatically using a temporary programming of the program that is determined empirically for each plant species using the flowmeter and the analyzer CO ₂ (according to the developed technique). And in order to increase the light intensity from electric lamps, they are lowered over the film to the minimum allowable distance, i.e. so that the film does not melt from the emitted radiation. This allows you to create a higher illumination, sufficient for growing most crops, without additional light sources. At the same time, this makes it possible to raise the temperature under the film (due to radiation and the greenhouse effect) to the level necessary for growing plants under conditions when the temperature in the greenhouse is already insufficient for this. In this case, the optimization of plant nutrition is especially significant, since only with optimal nutrition, corresponding to the ability of their photosynthetic apparatus to absorb CO ₂ at this stage of growth, the largest increase in yield can be obtained. Under the film, with increasing temperature, the air humidity also increases. However, in this case, the moisture on the leaves does not condense, but condenses on the film, and flows back into the tray with the substrate, which leads to water saving. At the same time, an increase in air humidity also contributes to the opening of leaf stomata, which, in turn, enhances the absorption of carbon dioxide during photosynthesis and increases yield.

Заявляемое изобретение характеризуется следующими существенными признаками, отличающими его от прототипа:The claimed invention is characterized by the following essential features that distinguish it from the prototype:

- покрывают растения герметично пленкой;- cover plants hermetically with a film;

- корректируют состав питательного раствора в соответствии с расходом подаваемого автоматически под пленку углекислого газа;- adjust the composition of the nutrient solution in accordance with the flow rate supplied automatically under the film of carbon dioxide;

- создают искусственную подсветку источниками света, расположенными на минимально допустимой высоте над пленкой.- create artificial illumination by light sources located at the minimum allowable height above the film.

Поскольку не выявлен ни один аналог, характеризующийся признаками, идентичными отмеченным выше существенным признакам заявляемого изобретения, то последнее можно признать соответствующим требованию новизны.Since no analogue has been identified, characterized by features identical to the essential features of the claimed invention noted above, the latter can be recognized as meeting the requirement of novelty.

Заявляемое изобретение соответствует изобретательскому уровню, так как разработанный способ не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.The claimed invention corresponds to the inventive step, since the developed method does not follow for a specialist explicitly from the prior art.

Выявленная совокупность существенных признаков заявляемого изобретения обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в сокращении непроизводительного расхода СО₂, необходимого для эффективной подкормки растений, снижении затрат на эксплуатацию и повышении урожайности.The identified set of essential features of the claimed invention ensures the achievement of a technical result, which consists in reducing the unproductive consumption of CO ₂ necessary for the effective feeding of plants, reducing operating costs and increasing productivity.

Предлагаемый способ предназначен для использования в сельском хозяйстве и позволяет сравнительно дешево получать высокие урожаи сельскохозяйственных культур в условиях слабо отапливаемых (и даже не отапливаемых) теплиц в осенне-зимний период.The proposed method is intended for use in agriculture and allows relatively cheap to obtain high crop yields in conditions of poorly heated (and not even heated) greenhouses in the autumn-winter period.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретенияInformation confirming the possibility of carrying out the invention

Предлагаемый способ (в экспериментальном исполнении) испытывался при выращивании растений салата в течение двух осенне-зимних сезонов (1999-2001 гг.) в теплице Пушкинских лабораторий ВИР, температура в которой поддерживалась в холодное время года лишь с целью сохранения ее системы отопления, остекления и стеллажного оборудования, и не превышала в это время года 10°С, т.е. температуры, при которой сельскохозяйственные растения почти не растут.The proposed method (in experimental design) was tested when growing lettuce plants for two autumn-winter seasons (1999-2001) in the greenhouse of the VIR Pushkin laboratories, the temperature of which was maintained in the cold season only to maintain its heating, glazing and racking equipment, and did not exceed 10 ° С at this time of the year, i.e. temperature at which agricultural plants hardly grow.

На стеллаже 1 теплицы был установлен строго горизонтально мелкий поддон 2, на который были положены полиэтиленовые мешки 3, заполненные инертным субстратом 4 (чертеж). Над поддоном 2 были установлены несущие конструкции 5 (для пленки 12), высоту которых над мешками можно регулировать. Из баллона 6 с углекислым газом высокого давления через понижающий редуктор 7 и электроклапан 8 к мешкам 3 по резиновым трубкам 9 подводился газ. В местах подводки газа были закреплены электровентиляторы 10 для перемешивания СО₂ с воздухом. После увлажнения субстрата 4 в прорези на мешках 3 была высажена двухнедельная рассада салата 11 сорта Балет. Салат был выбран для эксперимента как скороспелая культура, хотя способ применим для выращивания и других С₃-растений. После этого конструкции 5 были опущены над растениями 11 на минимальную высоту и покрыты прозрачной полиэтиленовой пленкой 12 (по возможности герметично).On the rack 1 of the greenhouse, a shallow tray 2 was installed strictly horizontally, on which plastic bags 3 were placed, filled with an inert substrate 4 (drawing). Over the pallet 2, supporting structures 5 were installed (for the film 12), the height of which above the bags can be adjusted. Gas was supplied from bags 6 with high pressure carbon dioxide through a reduction gear 7 and solenoid valve 8 to bags 3 through rubber tubes 9. In places of gas supply, electric fans 10 were fixed for mixing CO ₂ with air. After wetting the substrate 4 in the slot on the bags 3, a two-week-old salad seedlings of the 11th grade of the Ballet were planted. Lettuce was chosen for the experiment as a precocious crop, although the method is applicable for growing other C ₃ plants. After this, structures 5 were lowered over the plants 11 to a minimum height and covered with a transparent plastic film 12 (as tight as possible).

В дальнейшем субстрат 4 увлажнялся посредством автоматической подачи под корни растений питательного раствора 13 из бака 14 через фильтр 19 путем открытия электроклапана 20 по сигналам от измерительного и компенсационного элементов датчика влажности 21 субстрата, подключенных через разъемы 23, и датчика уровня питательного раствора 22 в поддоне 2. Перемешивание питательного раствора 13 в данном случае производили подачей в бак 14 воздуха от небольшого компрессора 15, что более технологично и позволило еще и аэрировать раствор 13 перед подачей его к корням растений 11. Также был применен более удобный и надежный указатель уровня 16 раствора 13 в баке 14.Subsequently, the substrate 4 was moistened by automatically feeding the plant roots of the nutrient solution 13 from the tank 14 through the filter 19 by opening the electrovalve 20 according to the signals from the measuring and compensation elements of the moisture sensor 21 of the substrate connected through the connectors 23 and the level sensor of the nutrient solution 22 in the pan 2 Mixing of the nutrient solution 13 in this case was carried out by feeding air to the tank 14 from a small compressor 15, which is more technologically advanced and also allowed aerating the solution 13 before feeding it to the roots of plants 11. A more convenient and reliable level gauge 16 of solution 13 in tank 14 was also used.

Для подсветки растений над пленкой были подвешены на минимально допустимой высоте электрические лампы 17 типа ДРЛ-400 Ф (из расчета - одна лампа на 1 м² освещаемой площади). Это позволило создать под пленкой 12 освещенность около 10 клк, достаточную для нормального роста большинства тепличных культур. Лампы 17 включались автоматически в дневное время на 12 часов (т.е. давался короткий 12-часовой фотопериод с целью исключения стеблевания салата).To illuminate the plants above the film, electric lamps of the 17th type DRL-400 F were suspended at the minimum permissible height (from the calculation, one lamp per 1 m ^{2 of} illuminated area). This made it possible to create under the film 12 an illumination of about 10 klx, sufficient for the normal growth of most greenhouse crops. Lamps 17 were switched on automatically in the daytime for 12 hours (i.e., a short 12-hour photoperiod was given in order to exclude salad stalking).

В это время программатор в блоке управления 18, программа которого была заранее определена для данного сорта салата (с помощью расходомера и оптико-акустического газоанализатора), поддерживал под пленкой оптимальную концентрацию углекислого газа путем периодического (по программе) открытия газового электроклапана 8. При этом с учетом количества газа, подаваемого под пленку 12, рассчитывался и подавался состав питательного раствора 13, обеспечивающий оптимальное питание растений 11, которое необходимо для эффективной работы их фотосинтетического аппарата. Подача газа 6 под пленку 12 привела к резкому уменьшению его расхода. Это позволило использовать для подкормки растений более дорогой, высококачественный баллонный газ 6, а также увеличить его концентрацию под пленкой 12 без повышения стоимости газа. При этом сильно упростилась система газификации. А при высокой концентрации СО₂ (уже при 700 ppm) проявился парниковый эффект, который еще дополнительно аккумулировал под пленкой 12 энергию радиации от ламп подсветки 17, что позволило использовать ее в качестве основного источника тепла для поддержания под ней температур, достаточных для нормального роста и развития растений в осенне-зимний период в слабо отапливаемой теплице.At this time, the programmer in the control unit 18, the program of which was predefined for this kind of salad (using a flow meter and an optical-acoustic gas analyzer), maintained the optimum concentration of carbon dioxide under the film by periodically (according to the program) opening of the gas solenoid valve 8. At the same time, taking into account the amount of gas supplied under the film 12, the composition of the nutrient solution 13 was calculated and supplied, which ensures optimal nutrition of the plants 11, which is necessary for the effective operation of their photosynthetics eskogo apparatus. The supply of gas 6 under the film 12 led to a sharp decrease in its consumption. This made it possible to use the more expensive, high-quality balloon gas 6 for feeding plants, as well as increase its concentration under the film 12 without increasing the cost of gas. At the same time, the gasification system was greatly simplified. And at a high concentration of CO ₂ (already at 700 ppm) the greenhouse effect manifested itself, which additionally accumulated radiation energy from the backlight 17 under the film 12, which made it possible to use it as the main heat source to maintain temperatures sufficient for normal growth and development of plants in the autumn-winter period in a poorly heated greenhouse.

Экспериментальные данные приведены в таблице, из которой видно, что во все даты отбора проб существенно большим числом листьев и большей биомассой (в 2-2,5 раза) обладали растения опытного варианта 1 по сравнению с контрольным вариантом 2. Прирост сырой биомассы отдельно взятого растения салата был интенсивнее в 2-2,5 раза в опытном варианте (9,42-10,63 г/сут) по сравнению с контрольным (3,95-5,52 г/сут). Продуктивность салата сорта Балет за один месяц достигала 6 кг/м², что намного превышает известные показатели, получаемые в промышленных теплицах [4].The experimental data are shown in the table, from which it can be seen that at all sampling dates, plants of experimental version 1 had a significantly larger number of leaves and a larger biomass (2–2.5 times) compared to control version 2. The growth of raw biomass of a single plant lettuce was 2-2.5 times more intense in the experimental version (9.42-10.63 g / day) compared with the control (3.95-5.52 g / day). The productivity of the Ballet salad in one month reached 6 kg / m ² , which far exceeds the known indicators obtained in industrial greenhouses [4].

ТаблицаTable Продуктивность салата сорта Балет, полученная на экспериментальной установке гидропонного способа выращивания С₃-растенийThe productivity of a variety of ballet lettuce obtained in an experimental setup of a hydroponic method of growing C ₃ plants   Вариант 1Option 1 Вариант 2Option 2 Дата отбора пробSampling Date Число листьев на растении, шт.The number of leaves per plant, pcs. Сырая биомасса растения, гRaw plant biomass, g Число листьев на растении, шт.The number of leaves per plant, pcs. Сырая биомасса растения, гRaw plant biomass, g 13.0213.02 13,3±0,5213.3 ± 0.52 66,39±5,2966.39 ± 5.29 8,7±0,338.7 ± 0.33 26,34±2,9826.34 ± 2.98 20.0202.20 18,5±0,6218.5 ± 0.62 140,83±14,10140.83 ± 14.10 11,7±0,5411.7 ± 0.54 61,10±7,6161.10 ± 7.61 27.0202.27 24,7±1,1524.7 ± 1.15 206,73±20,97206.73 ± 20.97 14,1±0,6614.1 ± 0.66 81,67±1,3481.67 ± 1.34 5,035.03 26,3±0,9426.3 ± 0.94 254,75±13,86254.75 ± 13.86 15,7±0,3015.7 ± 0.30 136,79±1,58136.79 ± 1.58           Примечание. Вариант 1 - повышенная концентрация СО₂ в воздухе (под пленкой); вариант 2 - естественная концентрация СО₂ (без покрытия растений пленкой).Note. Option 1 - increased concentration of CO ₂ in the air (under the film); option 2 - natural concentration of CO ₂ (without coating the plants with a film).

Таким образом, предлагаемая технология позволяет получать высокие урожаи высококачественной сельскохозяйственной продукции в зимнее время года без дополнительных расходов электроэнергии и минимальном расходе тепла.Thus, the proposed technology allows to obtain high yields of high-quality agricultural products in the winter season without additional energy costs and minimal heat consumption.

Приведенные данные убедительно показывают эффективность предлагаемого способа выращивания растений.These data convincingly show the effectiveness of the proposed method of growing plants.

Кроме того, посредством применения некоторых технических средств (установки более эффективных по кпд светильников, световых отражателей и электротепловентиляторов, включающихся при снижении температуры под пленкой до критического значения), в некоторых климатических зонах такое выращивание сельскохозяйственных растений может быть рентабельным в зимнее время и в неотапливаемых теплицах.In addition, through the use of certain technical means (installation of more efficient luminaires, light reflectors, and electric fan heaters, which turn on when the temperature under the film decreases to a critical value), in some climatic zones, such cultivation of agricultural plants can be cost-effective in winter and in unheated greenhouses .

Источники информацииInformation sources

1. Авт. св. 413914, кл. A 01 G 7/02, 1974, БИ5.1. Auth. St. 413914, class A 01 G 7/02, 1974, BI5.

2. Патент Японии кл. A 01 G 7/02, 9/24, 1995, ИСМ №8.2. Japan patent c. A 01 G 7/02, 9/24, 1995, ISM No. 8.

3. Патент США 4003160, A 01 G 31/02, 1977.3. US patent 4003160, A 01 G 31/02, 1977.

4. Э.А. Алиев, Н.А. Смирнов. Технология возделывания овощных культур и грибов в защищенном грунте. М.: Агропромиздат, 1987, с.64-66.4. E.A. Aliev, N.A. Smirnov. The technology of cultivation of vegetables and mushrooms in greenhouses. M .: Agropromizdat, 1987, p. 64-66.

Claims (1)

Способ гидропонного выращивания С₃-растений в теплицах на субстратах с подачей питательного раствора под корни растений, подкормкой их углекислым газом и подсветкой лампами, отличающийся тем, что растения герметично покрывают прозрачной пленкой по конструкциям, регулируемым по высоте по мере роста растений, и углекислый газ подают под пленку автоматически с помощью программатора, при этом питательный раствор подают в субстрат по сигналу датчика влажности.The method of hydroponic cultivation of C ₃ plants in greenhouses on substrates with the supply of a nutrient solution under the roots of the plants, feeding them with carbon dioxide and backlighting, characterized in that the plants are hermetically covered with a transparent film according to the designs, adjustable in height as the plants grow, and carbon dioxide fed under the film automatically using the programmer, while the nutrient solution is fed into the substrate by the signal of the humidity sensor.