способ корневого питания растений в искусственных условиях и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ корневого питания растений в искусственных условиях, включающий дозированную подачу и откачку увлажняющей жидкости в корнеобитаемую капиллярно-пористую среду через пористые перегородки при соблюдении условия неразрывности потока жидкости через эти перегородки, примыкающие к данной среде одной стороной и у которых величина критического давления пробоя в воде воздухом больше, чем у используемой среды, и регулирование величины водного потенциала упомянутой среды посредством изменения давления увлажняющей жидкости по другую сторону пористой перегородки, отличающийся тем, что в качестве корнеобитаемой капиллярно-пористой среды используют почву и/или ионообменный иононасыщенный почвозаменитель, при этом откачку жидкости из корнеобитаемой капиллярно-пористой среды производят при отрицательном стабилизированном перепаде давления по абсолютной величине, не превосходящем критических давлений пробоя для всех пористых перегородок, но превосходящем критическое давление пробоя для упомянутой среды, причем откачку жидкости осуществляют в течение времени, превышающего время переходного процесса перераспределения жидкости по объему корнеобитаемой капиллярно-пористой среды, а подачу воды в каждом цикле производят дозами меньшими, чем разность между полным влагосодержанием в объеме данной среды и влагосодержанием при водном потенциале, равном стабилизированному отрицательному перепаду давлений при откачке жидкости из этой среды, но большими, чем объем жидкости, испаряемой и транспортируемой растениями за период между двумя последовательными подачами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в течение каждого периода откачивания жидкости из почвозаменителя измеряют величину расхода откачиваемой жидкости, на основании которой корректируют длительность последующего периода откачивания.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в течение каждого периода откачивания жидкости из почвозаменителя измеряют величину расхода откачиваемой жидкости, на основании которой корректируют дозу жидкости, подаваемой в последующий период в капиллярно-пористую среду.

4. Устройство корневого питания растений в искусственных условиях, включающее герметичный резервуар, который снабжен стабилизатором давления, отводящим и подводящим трубопроводами, причем на последнем установлен насос, корнеобитаемый модуль, включающий корнеобитаемую капиллярно-пористую среду и погруженный в нее и/или примыкающий к ней извне пористый водораспределитель по крайней мере из одной секции с дренажными полостями и/или каналами, которые посредством упомянутых трубопроводов соединены с герметичным резервуаром, блок управления, связанный с исполнительными механизмами стабилизатора давления и насоса, отличающееся тем, что отводящий трубопровод снабжен краном, корнеобитаемая капиллярно-пористая среда выполнена в виде почвы и/или ионообменного иононасыщенного почвозаменителя, а насос выполнен в виде объемного дозатора, при этом соответствующий выход блока управления связан с исполнительным механизмом крана.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено расходомером, установленным на отводящем трубопроводе, информационный выход которого связан с входом блока управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области растениеводства и предназначено для культивирования растений в условиях, отличающихся от естественных природных, в частности для использования в вегетационных установках круглогодичного обеспечения свежими растительными продуктами экипажей подводных и надводных судов автономного плавания, арктических станций, метеопостов, орбитальных космических станций и т.д. Кроме того, изобретение может найти применение в интерьерных оранжереях для психофизиологической профилактики лиц, находящихся в условиях длительной изоляции от естественной среды обитания, а также для оформления интерьера магазинов, офисов, гостиниц и т.п. помещений.

Из предшествующего уровня техники известен способ корневого питания растений в искусственных условиях непосредственно на поверхности пористых гидрофильных мембран в форме пластин [1] или трубок [2]. В процессе реализации этого способа семена или проростки растений высаживают или укладывают на поверхность пористой мембраны и покрывают непрозрачной пленкой, например из полиэтилена, с отверстиями для стеблей прорастающих растений. К обратной стороне мембраны (под пластину или внутрь трубки) подводят питательный раствор. При этом питательный раствор находится под давлением более низким, чем давление в газовой среде обитания растений (над мембраной) , на величину 0,25-0,4 кПа, а мембраны выбирают с размером пор 0,2-20 мкм.

Устройство для реализации этого способа содержит мембрану, например, в форме горизонтальной пористой трубки с кожухом из непрозрачной пленки с отверстиями для посадки семян. Одним концом трубка соединена с напорным патрубком насоса, а другим концом - с емкостью для питательного раствора, снабженной стабилизатором давления, pH-метром и системой для контроля и коррекции солевого состава растений. Входной патрубок насоса подсоединен к емкости с питательным раствором.

Одним из недостатков указанных способа и устройства является сложность фиксации семян подземных растущих органов растений на поверхности мембраны. Перемещение этих органов по мембране недопустимо, т. к. оно, как правило, влечет за собой повреждение корневой системы растений. Кроме того, выращивание некоторых видов растений, например корнеплодных, непосредственно на поверхности пористой мембраны не обеспечивает нормального развития стержневых корней или корнеплодов. Другим недостатком является низкая живучесть при отказах вегетационной системы с корневым питанием по данному способу. Даже кратковременное нарушение в работе узлов, подводящих питательный раствор, например в случае образования воздушной пробки под мембраной, может привести к быстрому высыханию корней и гибели растений за 10-15 мину. Кроме того, увеличение разряжения под мембраной сверх указанного диапазона, как показали исследования, вызывает резкое снижение продуктивности [2]. Это предъявляет повышенные требования к точности и надежности аппаратуры для контроля и регулирования давления в контуре с питательным раствором и снижает живучесть вегетационной системы при отказах.

Другим недостатком способа и устройства является сложность технологии применения питательного раствора в искусственных условиях, что требует текущего контроля коррекцию состава раствора, как минимум, по 4-5 параметрам на протяжении всего вегетационного процесса.

Следующим недостатком известного технического решения является то, что оно не обеспечивает постоянства первоначально установленных режимом увлажнения и аэрации в корнеобитаемой зоне, т.к. в данной зоне в ходе вегетации неизбежно происходят изменения гидрофизических характеристик мембран. Изменения характеристик мембран происходят обычно вследствие фильтрации механических частиц, в частности осадков солей, образующихся в питательном растворе при отклонениях температуры, а также pH и концентраций нутриентов в ходе потребления питательного раствора корнями растений. Кроме того, открытая поверхность мембран в таких системах может интенсивно зарастать колониями микроорганизмов, размножающихся на летучих метаболитах, антропогенной и техногенной природы [3]. Неконтролируемые изменения режима увлажнения и аэрации в корнеобитаемой зоне из-за нестабильности характеристик открытой поверхности мембран могут приводить к снижению продуктивности растений за счет самоотравления растений в корневой зоне вследствие увеличения концентрации выделяемых корнями различных метаболитов, в том числе углекислого газа, и/или гипоксии корней.

Известны также способ для корневого питания растений в искусственных условиях и устройство для его осуществления, имеющие капиллярно-пористый заполнитель, размещенный на плоской пористой гидрофильной мембране [4]. По этому способу семена или проростки растений высаживают в капиллярно-пористый заполнитель, например песчаную смесь, с размерами частиц в диапазоне от 0,05 до 0,9 мм. К обратной стороне мембраны подводят питательный раствор, который находится под давлением более низким, чем давление в газовой среде растений (над слоем заполнителя), на величину порядка 0,2 кПа. Мембрану выбирают с поверхностью пор в диапазоне 0,5-30 мкм.

Устройство для реализации этого способа содержит плоский горизонтально установленный вегетационный сосуд с дном из пористого гидрофильного материала, например пористой нержавеющей стали, на котором размещен слой песка. Дно сосуда является верхней стенкой полости, снабженной двумя штуцерами. Один из штуцеров соединен с напорным патрубком насоса, а другой - с емкостью для питательного раствора, снабженной стабилизатором давления, pH-метром и системой для контроля и коррекции солевого состава питательного раствора.

Описанные способ и устройство имеют существенные недостатки. Один из них связан с тем, что в корневой зоне растений корни распределяются существенно неравномерно, между поверхностью мембраны и заполнителем образуется плотный корневой мат, включающий от 40 до 65% всей корневой массы. При этом отмечено, что по толщине слоя заполнителя устанавливается градиент влажности с максимумом у поверхности мембраны. Внутри корневого мата, как известно, идет интенсивное выделение корневых метаболитов [5]. Отток же метаболитов в слой заполнителя происходит замедленно вследствие диффузионных ограничений, которые тем сильнее, чем больше расстояние от корневого мата и чем меньше влажность заполнителя. Учитывая, что влажность заполнителя, примыкающего к корневому мату, должна быть не более 80-90% порозности (из условия обеспечения аэрации корней), при реализации данного способа корневого питания не может не повышаться концентрация корневых выделений в корневом мате. Это приводит к ингибированию корневого питания и снижению продуктивности растений.

Недостатком метода является также то, что он не обеспечивает постоянства первоначально установленных режимов увлажнения и аэрации в корнеобитаемой зоне, так как в ходе вегетации в корнеобитаемой зоне неизбежно происходят изменения гидрофизических характеристик капиллярно-пористых элементов как мембраны, так и заполнителя. Изменения характеристик мембран происходят обычно вследствие фильтрации механических частиц, в частности осадков солей, образующихся в питательном растворе при отклонении температуры, а также pH и концентраций нутриентов в ходе потребления питательного раствора корнями растений. Кроме того, поверхность мембран в таких системах может зарастать колониями микроорганизмов ризосферной микрофлоры. Основной причиной изменения гидрофизических характеристик заполнителя является развитие в нем корневой системы растений, которая в вегетационных сосудах ограниченных размеров может достигать очень высокой плотности и иметь нетипичную архитектонику по сравнению с полевыми условиями [6]. Неконтролируемые изменения режимов увлажнения и аэрации в корнеобитаемой зоне могут приводить к снижению продуктивности растений.

Данному способу корневого питания присущ также недостаток, обусловленный использованием в нем питательного раствора, а именно сложность его реализации вследствие необходимости строгого поддержания исходных параметров раствора.

Наиболее близким к заявленному является способ корневого питания растений в искусственных условиях, при котором семена или проростки растений высаживают в капиллярно-пористый заполнитель, в качестве которого можно использовать такую среду, как, например, арцелит (гранулированную обожженую глину), с размером частиц от 0,85 до 1,4 мм. В данную среду осуществляют дозированную подачу и откачку увлажняющей жидкости посредством подачи ее, т.е. питательной среды, в пористые гидрофильные трубки, погруженные в данную среду. В питательном растворе поддерживают давление более низкое, чем давление в газовой среде растений над слоем заполнителя, причем в одной из трубок - на величину 0,5-1,0 кПа, а в другой - на величину 1,0-2,0 кПа. Через заданный период, например 120 мин, в трубках попарно меняют давление до указанных выше значений. Трубки выбирают с размерами пор в диапазоне от 13 до 30 мкм. В данном случае выполняется требование неразрывности потока жидкости через пористые трубчатые перегородки, примыкающие к среде с одной стороны, у которых величина критического давления пробоя в воде воздухом больше, чем у используемой среды. Регулирование водного потенциала среды осуществляют с помощью контроля давления увлажняющей жидкости, которая располагается с другой /тыльной/ стороны пористых перегородок [7].

Наиболее близким к заявленному в части устройства является устройство для корневого питания растений в искусственных условиях, включающее корнеобитаемый модуль в виде вегетационного сосуда с корнеобитаемой капиллярной средой, например в виде арцелита, в который погружены или примыкают к нему секции пористого водораспределителя с дренажными полостями и/или каналами, выполненными, в частности, из пористой нержавеющей стали. Каждая трубка включена в свой изолированный гидравлический контур, выполненный в виде последовательно включенных соединительных трубопроводов, циркуляционного насоса и емкости для питательного раствора - герметичного резервуара, снабженного стабилизатором давления, pH-метром и системой для контроля и коррекции солевого состава с программатором управления исполнительными механизмами [8].

Недостатком данного способа является сложность его реализации, так как необходимо использовать два изолированных контура циркуляции питательного раствора с синхронизированными системами переключения и стабилизации давлений на двух уровнях. При этом в условиях длительной работы с вегетирующими растениями в каждом из контуров необходима система для текущего контроля и коррекции питательного раствора, что сильно усложняет конструкцию устройства.

Другим недостатком прототипа является нестационарность первоначально установленных режимов увлажнения и аэрации корнеобитаемой зоны вследствие неконтролируемых изменений гидрофизических характеристик капиллярно-пористых элементов, что приводит к снижению продуктивности растений.

Технической задачей данного изобретения является повышение эффективности способа и устройства, упрощение их реализации и увеличение технологичности.

Указанная задача относительно способа решается тем, что в качестве корнеобитаемой капиллярно-пористой среды используют почву и/или ионообменный иононасыщенный почвозаменитель, при этом откачку жидкости из корнеобитаемой капиллярно-пористой среды производят при отрицательном стабилизированном перепаде давления по абсолютной величине, не превосходящем критических давлений пробоя для всех пористых перегородок, но превосходящем критическое давление пробоя для упомянутой среды, причем откачку жидкости осуществляют в течение времени, превышающего время переходного процесса перераспределения жидкости по объему корнеобитаемой капиллярно-пористой среды, а подачу воды в каждом цикле производят дозами меньшими, чем разность между полным влагосодержанием в объеме данной среды и влагосодержанием при водном потенциале, равном стабилизированному отрицательному перепаду давлений при откачке жидкости из этой среды, но большими, чем объем жидкости, испаряемой и транспирируемой растениями за период между двумя последовательными подачами.

А также тем, что в течение каждого периода откачивания жидкости из почвозаменителя измеряют величину расхода откачиваемой жидкости, на основании которой корректируют длительность последующего периода откачивания.

И кроме того, тем, что в течение каждого периода откачивания жидкости из почвозаменителя измеряют величину расхода откачиваемой жидкости, на основании которой корректируют дозу жидкости, подаваемой в последующий период в капиллярно-пористую среду.

Указанная задача относительно устройства решается тем, что отводящий трубопровод снабжен краном, корнеобитаемая капиллярно-пористая среда выполнена в виде почвы и/или ионообменного иононасыщенного почвозаменителя, а насос выполнен в виде объемного дозатора, при этом соответствующий выход блока управления связан с исполнительным механизмом крана.

А также тем, что оно снабжено расходомером, установленном на отводящем трубопроводе, информационный выход которого связан со входом блока управления.

Поиск, проведенный по патентной и научной литературе, показал, что заявленная совокупность неизвестна, т.е. она соответствует условию изобретения "новизна". Поскольку имеется потребность в такого рода разработках и они реализуются за счет известных приемов и за счет сочетания известных узлов, то заявленное соответствует условию "промышленная применимость". А так как изобретение осуществляется неочевидным для специалиста образом и при этом имеет место более высокий эффект, то заявленное соответствует условию изобретения "изобретательский уровень". Способ осуществляется следующим образом. Осуществляют дозированную подачу и откачку увлажняющей жидкости в корнеобитаемую капиллярно-пористую среду, в качестве которой используют почву и/или ионообменный иононасыщенный почвозаменитель. Подачу и откачку жидкости производят через пористые перегородки при соблюдении условия неразрывности потока жидкости через эти перегородки, примыкающие к данной среде одной стороной и у которых величина критического давления пробоя в воде воздухом больше, чем у используемой среды. При этом осуществляют регулирование величины водного потенциала упомянутой среды посредством изменения давления увлажняющей жидкости по другую сторону пористой перегородки, т.е. откачку жидкости из корнеобитаемой капиллярно-пористой среды производят при отрицательном стабилизированном перепаде давления по абсолютной величине, не превосходящем критических давлений пробоя для всех пористых перегородок, но превосходящем критическое давление пробоя для упомянутой среды, причем откачку жидкости осуществляют в течение времени, превышающего время переходного процесса перераспределения жидкости по объему корнеобитаемой капиллярно-пористой среды, а подачу воды в каждом цикле производят дозами меньшими, чем разность между полным влагосодержанием в объеме данной среды и влагосодержанием при водном потенциале, равном стабилизированному отрицательному перепаду давлений при откачке жидкости из этой среды, но большими, чем объем жидкости, испаряемой и транспирируемой растениями за период между двумя последовательными подачами. Наряду с этим для повышения точности подачи жидкости могут в течение каждого периода откачивания жидкости из почвозаменителя измерять величину расхода откачиваемой жидкости, на основании чего осуществлять коррекцию либо длительности последующего периода откачивания, либо дозы жидкости, подаваемой в последующий период в капиллярно-пористую среду.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство корневого питания растений в искусственных условиях включает герметичный резервуар 1, снабженный стабилизатором давления (пониженного) 2 в виде воздушного компрессора, который соединен всасывающим входом с объемом резервуара 1, а выходом обращен в открытую атмосферу. Резервуар 1 соединен двумя параллельными ветвями трубопроводов - подводящим 3 и отводящим 4 с корнеобитаемым модулем, включающим, по крайней мере, пористый водораспределитель 5, состоящий, по крайней мере, из одной секции с дренажными полостями и/или каналами, которые посредством трубопроводов 3 и 4 соединены с резервуаром 1. В качестве пористого водораспределителя можно использовать пористую трубу 5, выполненную из нержавеющей стали с размером пор не более 20 мкм. Модуль также включает корнеобитаемую капиллярно-пористую среду 6, в которую погружен и/или к которой примыкает пористый водораспределитель 5 (примыкать водораспределитель 5 может в случае выполнения его в виде лотка с верхней крышкой в виде пористой поверхности). При этом среда 6 выполнена в виде почвы и/или ионообменного иононасыщенного почвозаменителя. В частном случае поверх трубы 5 намотан слой ионообменного тканевого почвозаменителя 6 марки "Биона-В" [8] объемом 300 мл, покрытый непрозрачной полиэтиленовой пленкой 7 с отверстиями 8 для посадки семян. В трубопровод 3 включен насос 9, выполненный в виде объемного дозатора, обращенный всасывающим входом к резервуару 1, а напорным выходом - к трубе 5. Трубопровод 4 снабжен краном 10, сорбционным угольным фильтром 11 для очистки от органических примесей и жидкостным расходомером 13. Блок управления 13 своими выходами связан с соответствующими входами исполнительных механизмов стабилизатора давления 2, крана 10 и насоса 9, а информационный выход расходомера 12 подключен к соответствующему входу блока управления 13, который может быть выполнен в виде программатора на микропроцессоре.

Устройство при реализации способа работает следующим образом. Перед началом работы резервуар 1 заполняют водой до контрольного уровня. При закрытом кране 10 включают насос 2 (стабилизатор давления) и настраивают его на режим, обеспечивающий в резервуаре 1 пониженное по сравнению с атмосферным давление. Указанный перепад давлений устанавливают меньшим по абсолютной величине, чем критическое давление пробоя пористой трубы 5, равное в нашем случае примерно 6 кПа. Таким образом, перепад давлений можно выбрать равным 5 кПа. При водном потенциале в почвозаменителе 6 "Биона-В", соответствующем выбранной величине перепада в 5 кПа, согласно его гидрофизической характеристике 50% объема всех пор заполнено воздухом, а остальные - водой, что соответствует удовлетворительным условиям увлажнения и аэрации [4, 8]. Насос 9, развивающий напор больше величины в 5кПа, подает дозу заданного объема в гидравлический контур устройства. Эта доза воды не превышает разности между полным влагосодержанием почвозаменителя 6 и его влагосодержанием при выбранном водном потенциале 5 кПа. Эта доза для выбранного объема /300 мл/ "Биона-В" согласно гидрографической характеристике [8] составляет 225мл-120мл= 105мл. Выберем промежуточную дозу в 80 мл, что может обеспечить, к примеру, защиту от стока или разбрызгивания влаги в случае ускорений, вызванных вибрацией или резкими движениями устройства. Вода, поступающая через пористую трубу 5 в среду 6, в этом случае заполняет около 90% пор почвозаменителя 6, вытесняя при этом из них воздух. При этом водный потенциал в почвозаменителе установится на уровне 1 кПа.

После завершения цикла подачи дозы воды насос 9 выключают , а кран 10 открывают. Из-за установившейся при работе насоса 2 разности давлений между затопленным в предыдущем цикле гидравлическим контуром устройства и резервуаром 1 вода откачивается в него по трубопроводу 4, освобождая часть пор в почвозаменителе 6, в которые поступает воздух из атмосферы. При этом вода, проходя через установленный на трубопроводе 4 фильтр 11, очищается от растворенных органических примесей, поступающих в нее из почвозаменителя 6 вследствие выделения корневых метаболитов растений. Время периода откачки должно превышать время переходного процесса перераспределения влаги в среде 6 (почвозаменителе), после чего давление во всех элементах устройства выравнивается и вода прекращает течение. При этом капиллярные силы в почвозаменителе удерживают воду на уровне заданного минимального водного потенциала, равного перепаду давлений между атмосферой и водой внутри пористой трубы 5 (в нашем случае 5 кПа) при 50% заполнении пор водой. Далее описываемые циклы подачи и откачки воды из почвозаменителя повторяются. Следует отметить, что по данным расходомера 12 о величине откачанной воды в цикле могут корректировать либо длительность последующего периода откачивания, либо дозу жидкости, подаваемую в этот последующий период в почвозаменитель 6. Благодаря циркуляции жидкости и прохождению ее каждый раз через фильтр 11 она очищается от органических загрязнений и принудительно вентилируется вследствие пульсаций влагонасыщенности почвозаменителя 6. Это предупреждает самоотравление метаболитами и гипоксию корней и способствует повышению продуктивности. Время периода откачки может существенно изменяться в процессе вегетации растений за счет изменения гидрофизических свойств пористой трубы 5 и почвозаменителя 6 вследствие развития корневой системы растений, образования микрофлоры и т.д. Коррекция на программаторе 13 уставки длительности периода откачки воды из почвозаменителя 6 в процессе вегетации производят с помощью измерения расхода откачиваемой воды расходомером 12, причем такая коррекция может осуществляться как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Применение предложенного способа и устройства позволяет осуществлять высокоэффективное выращивание растений в искусственных условиях.

Источники информации:

1. Н. V. Koontz,R.Р.Prince,W.L.Berry A Porous Stainless Membrane Sustem For Exttraterrestrial Crop Production. HortScience 25(6): 707.1990.

2. Dreschel T.W. and Sager J.C. Control of Water and Nutrients Using a Porous Tube: A Metod for Growing Plants in Spase. HortScience 24(6):994-947.1989.

3. Викторов A.H., Новикова H.Д., Дешевая E.А. Микрофлора кабин пилотируемых космических объектов и проблема биоповреждений используемых в них конструкционных материалов. - Авиакосмическая и экологическая медицина, N 3, с. 43-48.

4. Jones S.B. and D. Or A capillary-driven root module for plant growth in microgravity, Report on 31-st Scientific Assembly of COSPAR,14-21 July, 1966, Birmingem, London.

5. Иванов B.П. Растительные выделения и их значение в жизни фитоцинозов, М., Наука, 1973,с. 296.

6. Biran I. & Iliassaf A. The effect of container size and aeration conditions on growth of roots and canopy of woody plants. Scientia Horticulturae, 12,385-394.

7. Bula R.J.,Tibbits T.W.,Morrow R.C. and Dinauer W.R. Commercial involvement in the development of space-based plant growing technology. Adv. Space Res. Vol. 12, N 5, pp.(5)5-(5)10, 1992.

8. Беркович Ю.А., Кривобок C.M., Кривобок H.M. и др. О характеристиках некоторых искусственных заменителей почвы для космических оранжерей. - Авиакосмическая и экологическая медицина, 1977, N 6.