Значение углекислого газа и способы применения

  Рост растений основан на процессе фотосинтеза.

   Листья растений на свету с помощью хлорофилла поглощают углекислоту (углекислый газ, СО2) воздуха и вместе с водой перерабатывают ее в органические вещества.

   Процесс фотосинтеза можно схематически изобразить так: углекислота + вода + свет = органическое вещество + кислород + вода.

   В среднем, растение синтезирует из воды и углекислого газа 94% массы сухого вещества, остальные 6% растение получает из минеральных удобрений.

   С повышением освещенности растений, фотосинтез, а значит и рост растений ускоряются. Одновременно, с ускорением фотосинтеза, увеличивается потребление углекислоты.

   Для осуществления фотосинтеза растениям необходимы большие количества воздуха, так как атмосферный воздух содержит всего лишь 0,03% углекислого газа, что недостаточно для оптимального роста растений. При выращивании растений в теплицах низкое содержание углекислого газа является фактором, ограничивающим урожайность.

   Установлено, что овощные растения на 100 м2 открытой площади ежечасно потребляют из атмосферного воздуха до 350 г углекислого газа, для этого им требуется не менее 500 м3 свежего воздуха в час, что в холодное время года невыполнимо из-за больших потерь тепла при проветривании теплицы.

   При недостаточном воздухообмене, содержание СО2 в теплицах в результате его интенсивного поглощения растениями может упасть ниже 0,01% и фотосинтез практически прекращается.

   Но даже и при проветривании теплицы содержания углекислого газа в ее воздухе будет недостаточно, так как для оптимального роста растений концентрация СО2 в воздухе теплицы должна быть больше, чем существующая концентрация СО2 в атмосферном воздухе.

Недостаток СО2 становится основным из факторов ограничивающих рост и развитие растений.

   Дефицит СО2 является более серьёзной проблемой, чем дефицит элементов минерального питания.

   По нормам технологического проектирования теплиц НТП 10-95 рекомендуемая концентрация СО2 в воздухе для томатов 0,13-0,15%, для огурцов 0,15-0,18%. Из практики оптимальным считается содержание СО2 у редиса 0,1-0,2%, капусты и моркови — 0,2-0,3%, огурца — 0,3-0,6%.

   Подкормки СО2 играют очень важную роль в управлении вегетативным и генеративным балансом растения. Повышение активности фотосинтеза углекислотой стимулирует развитие растений. При этом до корневой системы доходит значительно больше питательных веществ, поэтому усиливается рост молодых корней, активизируется поглощение элементов минерального питания, повышается устойчивость растения к неблагоприятным факторам среды.

   При добавлении углекислоты в воздух и повышении в нем ее концентрации можно повысить интенсивность фотосинтеза в 1,5-3 раза. На этом основан прием агротехники в условиях закрытого грунта - воздушное удобрение растение подкормкой углекислотой. Дозируя углекислый газ, можно эффективно добиться сокращения продолжительности вегетативной фазы развития растения, что обеспечит получение раннего, самого дорогого урожая овощей. При достаточной обеспеченности элементами минерального питания, эти подкормки всегда повышают общую урожайность этих культур на 15-40%, увеличивая количество и массу плодов, и ускоряют их созревание на 5-8 дней.  

   Прирост биомассы зеленых культур при подкормках СО2 существенно увеличивается. К примеру, урожайность салата повышается на 40%, созревание ускоряется на 10-15 дней. Подкормка цветочных культур в теплицах также высокоэффективна, поскольку значительно повышает качество, выход продукции увеличивается до 30%.

   За счёт увеличения содержания углекислого газа в воздухе теплицы можно добиться снижения содержания нитратов в овощах, выращиваемых в зимнее время. Повышенная концентрация СО2 частично компенсирует недостаток освещённости зимой и при уменьшении светопропускания кровли теплицы, а также способствует более эффективному использованию света ранним утром.

   К примеру, недостаток солнечной радиации зимой, который часто приводит к потере первых соцветий у томата, возможно успешно компенсировать увеличением концентрации СО2 до 0,1%. Такой технологический приём увеличивает интенсивность фотосинтеза, способствует более высокой интенсивности выведения ассимилянтов из листьев, тем самым восстанавливая завязывание плодов.

В осеннем обороте подкормки углекислым газом являются основным резервом повышения урожайности овощных культур, в первую очередь томата. Ведение светокультуры вообще немыслимо без постоянных подкормок углекислым газом.

   Многочисленные опыты показывают, что при подкормке углекислотой вес зелени и плодов увеличивается: у огурцов на 74-103%, у бобов на 112%, у томатов до 124%.

В опытах с сахарной свеклой вес корня увеличился на 19-57%, вес ботвы уменьшился. В других опытах, урожай редиса увеличился на 33-77%, фасоли 17-82%.

   Овощи поразному реагируют на подкормку углекислотой. Огурцы требуют наибольшей подкормки, томатам и фасоли достаточно меньшей концентрации СО2. Продолжительность подкормки является фактором, улучшающим возможности прироста урожая. При повторении опытов с подкормкой огурцов в течение 3 месяцев урожай увеличился на 55%.

   Количество расходуемой углекислоты должно быть пропорционально площади теплицы. Чем меньше расход углекислоты на единицу площади теплицы, тем хуже результаты по приросту урожая и наоборот.

   Полностью покрыть дефицит СО2 в воздухе возможно только за счёт использования технических источников углекислого газа.

   В овощеводстве защищенного грунта существует четыре способа применения подкормки углекислотой: использование С02 из баллонов с жидкой углекислотой, выпускаемой в культивационные помещения через перфорированные трубу применение углекислого ангидрида в твердом виде (сухой лед), который укладывают в небольшие решетчатые ящики; сжигание природного газа, керосина в генераторах, что способствует образованию С02 с незначительной  примеси  сернистого ангидрида; подкормка растений отходящими газами из котельной (ОГК).

    В практике защищенного грунта наибольшее распространение получила подкормка путем сжигания в специальных генераторах природного газа или бессернистого керосина. Из 1 м3 метана образуется около 1,9 кг С02

   Прямая газация осуществляется путём использование пламенных горелок на природном газе (метан, очищенный от высших углеводородов (пропан, бутан и т.п.), сернистых и прочих примесей), установленных в помещении теплицы.

   Подкормка производится непосредственно продуктами сгорания. На практике, при этом способе, воздух теплицы, одновременно с попаданием в него СО2, загрязняется соединениями, образующимися при сгорании топлива (из-за присутствия в нем микропримесей минеральной пыли, соединений серы и проч.), вредными для растений и человека. Образующийся в продуктах сгорания этилен значительно ускоряет старение растений. Данная технология подкормки сильнейшим образом влияет на агрономический режим в теплице (особенно летом), поскольку горелки нагревают и насыщают водяными парами и фито токсичными газами воздух в теплице, что небезопасно для растений. Выжигание горелками кислорода из воздуха теплицы создает проблемы для здоровья работающему в ней персоналу. Подкормка прямой газацией огурца и томата применяться не может, из-за сильного влияния на температурно-влажностный режим и присутствия фототоксичных газов в продуктах сгорания. Для других культур затраты на этот способ не всегда оправдывают его применение.

    По сравнению с газогенераторами применение отходящих газов котельных имеет ряд преимуществ: на 2—3 месяца удлиняется период подкормки растений; более широко, в автоматическом режиме регулируется диапазон концентрации углекислоты; эффективнее используется углекислый газ при нижней раздаче вследствие постоянного движения восходящих потоков.

   Принцип работы этой системы подкормки заключается в том, что часть отработанных газов отбирается от борова котельной с помощью высоконапорных вентиляторов типа ВВД-8 и после очистки от угарного газа в каталитическом аппарате через магистральный трубопровод подается в распределительные трубопроводы, от которых в теплицы отходят полихлорвиниловые раздаточные рукава диаметром 50—70 мм. Система работает в ручном и автоматическом режимах. В теплицу площадью 1 га в солнечную погоду подается 90—135 м3/ч ОГК с концентрацией С02 4 % (3,6— 5,4 м3/ч С02). Перед тем, как подавать газ в теплицы, его необходимо очистить и остудить, только после этого он подается к грядкам по газопроводной системе. Оборудование для его отбора включает конденсор с встроенным вентилятором, дозатор и газопроводные распределительные сети. Распределительные сети – это полиэтиленовые рукава с перфорацией, протянутые вдоль грядок. Такая система должна иметь аппаратуру, контролирующую состав газа на предмет содержания примесей, которые могут угрожать здоровью людей, работающих в теплицах.

   При нагнетании отходящих газов котельной, отходящие от котельной газы (дым) очищают с помощью палладиевых катализаторов или водяных скрубберов, охлаждают с отделением водного конденсата и затем подают в теплицу по газопроводам, нередко многократно разбавляя атмосферным воздухом.

   По этому способу возможны значительные изменения состава продуктов сгорания, зависящие от режима работы котельной, содержание СО2 в дыме может изменяться. Недостатком данной технологии подкормки также является попадание в воздух теплицы сопутствующих продуктов сгорания топлива: окиси углерода, оксидов азота и серы, этилена и бензапирена. Концентрация в дыме этих токсичных соединений сильно зависит от режимов работы котельной. Степень очистки от тех же оксидов азота с помощью палладиевого катализатора составляет не более 40-75%. Даже при многократном разбавлении дымовых газов воздухом, ПДК токсичных компонентов в воздухе рабочей зоны может многократно превышать предельно допустимые концентрации для растений и человека. Главное требование к горелкам котельной – работать в постоянном режиме, сложно выполнить, из-за меняющейся температуры наружного воздуха..

   Общая стоимость такого оборудования достаточно высока, вопрос в том, окупятся ли расходы на нее. Палладиевые катализаторы для очистки отходящих газов весьма дороги.

    Подача к растениям в теплице чистого углекислого газа, распределяемого по системе пластиковых рукавов малого диаметра – более совершенная на сегодня группа технологий. 

   Такой комплекс оборудования использует привозную углекислоту в цистернах или в баллонах, из которых газ через устройства подогрева и регулирования подачи нагнетается под собственным давлением в теплицу к растениям по пластиковым рукавам.

   Несмотря на удобство и относительную техническую простоту систем, работающих на привозной углекислоте, их эффективное применение осложняется следующим обстоятельством. Подаваемая к растениям углекислота должна иметь высокую чистоту. Подобный высокоочищенный продукт, который подходит для подкормки тепличных растений, стоит достаточно дорого. На практике часты случаи покупки дешёвой жидкой углекислоты из спирт заводов и химпроизводств, которая плохо очищена и пригодна лишь для технического использования. В ней могут содержаться значительные примеси сивушных масел, сероводорода и аммиака, этаноламинов, которые отрицательно сказываются на продуктивности растений и здоровье людей. Такую углекислоту не следует использовать для подкормки растений

    Подкормка жидкой углекислотой из баллонов. Применение сжиженного углекислого газа в баллонах является одним из простых, но дорогостоящих способов подкормки растений углекислотой. Пищевая углекислота не содержит вредных для растений примесей, не оказывает влияния на температурный режим теплицы. На теплицу площадью 1000 м2для насыщения воздуха углекислотой за день расходуют 60—80 кг С02 в баллонах (один баллон содержит 25 кг С02).

   Для равномерной подкормки углекислоту из баллона к растениям подают через перфорированные резиновые шланги или полиэтиленовые трубы, в которых проделаны отверстия диаметром 4—5 мм на расстоянии 6—8 м друг от друга. Более простым решением будет использование твердой углекислоты – сухого льда, который можно разложить в теплицах.

   Подкормка твердой углекислотой (сухой лед). Преимущество этого способа заключается в том, что при подкормках в жаркое время снижается температура воздуха в теплицах. Твердую углекислоту завозят в изотермических автофургонах в кусках по 25—35 кг. Для насыщения воздуха углекислым газом на 1 м3 теплицы расходуют 15—20 г сухого льда.

   Сухой лед разбивают на мелкие куски массой около 1 кг и раскладывают равномерно по теплице в ящики, установленные на стеллажи или подвешенные на проволочные каркасы на высоте 1,7—2 м.

   Наши исследования показали, что в гидропонных теплицах площадью 1000 м2 сухой лсд в количестве 40 кг в течение 1—2 ч создавал концентрацию С02 около 0,08 %. В дальнейшем содержание его резко снижалось и через 3—4 ч в воздухе теплиц его было 0,035—0,040 %. При удвоении дозы льда через два часа после начала подкормки содержание С02 составляло 0,12—0,13 %, через пять часов его содержание колебалось в пределах 0,05—0,06 % Сухой лед полностью испаряется через восемь часов

   При подкормке сухим льдом, как показали наши исследования, происходит довольно равномерное распределение углекислоты по всей теплице. Чтобы уменьшить потери С02, ящики с сухим льдом целесообразно устанавливать на высоте 30—40 см от субстрата. При такой установке не наблюдается заметного охлаждения субстрата

   Весьма эффективна углекислая подкормка в зимний период нрп выращивании рассады с дополнительным освещением. При повышенном содержании углекислого газа в воздухе теплицы растения более экономно используют световую энергию.

   Многолетним опытом возделывания овощей в гидропонных теплицах подтверждается, что без дополнительной подкормки растений углекислым газом невозможно использовать потенциальные возможности гидропоники.