СПОСОБ УСКОРЕНИЯ РОСТА РАСТЕНИЙ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ Российский патент 1997 года по МПК A01G7/02 

Изобретение относится к области сельского хозяйства и лесной промышленности, а именно к системам ускорения роста растений в полевых условиях. Наряду с тем, что данное изобретение может быть использовано для ускорения роста растений в разнообразных условиях, оно в наибольшей степени приспособлено для возобновления лесов.

Известно, что растения используют атмосферный диоксид углерода в качестве источника углерода, необходимого для образования сложных органических молекул, из которых растение состоит. Растения поглощают диоксид углерода устьицами своих листьев и выделяют свободный кислород после того, как в процессе фотосинтеза диоксид углерода разделится на составляющие его элементы. Скорость роста растений пропорциональна концентрации диоксида углерода в окружающей атмосфере низкое содержание его способно задержать рост растения, а высокое заметно повысить скорость роста.

При нормальных атмосферных условиях воздух в общем содержит около 78% азота, 21% кислорода и всего лишь около 0,03% диоксида углерода, а остальное
следы других газов. Значительно превышая ту минимальную концентрацию диоксида углерода вблизи растений, можно наблюдать существенное повышение скорости их развития.

Известен способ ускорения роста растений в закрытом грунте (в теплице) путем повышения концентрации диоксида углерода в окружающей растения атмосфере (см. например, описание патента США N 4073089, кл. А 01 G 15/00, опубл. 1986 г.)
Однако этот способ непригоден при выращивании растений в открытом грунте, на открытом воздухе на земельных участках большой площади, т.к. диоксид углерода разбавляется окружающей атмосферой и выдувается ветром.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ ускорения роста растений в открытом грунте в полевых условиях, включающий посадку растений и подачу диоксида углерода непосредственно к растениям (см. например, описание патента США N 4689067, кл. А 01 G 15/00, опубл. 1989 г.)
По описанному способу используют высококонцентрированные водные растворы, которые распыляют непосредственно на растения. По мере испарения, или поглощения воды растениями газообразный диоксид углерода выделяется вблизи устьиц листьев. Благодаря выделению диоксида углерода непосредственно вблизи от устьиц, эффект разбавления его окружающей атмосферой и тенденция выноса диоксида углерода ветром существенно ослабляются.

Однако при использовании описанного выше способа при выращивании низкорослых растений происходит достаточно интенсивная циркуляция воздуха вблизи растений, что существенно влияет на количественную характеристику поглощаемого растениями диоксида углерода. Такая ситуация приводит к необходимости распылять растворы в повышенных количествах для обеспечения нормального поглощения диоксида углерода растениями.

Ограничить циркуляцию воздуха можно путем высадки растений близко одно к другому. Такая высадка растений позволяет образовать сплошной шатер из листьев и веток, что затрудняет прохождение воздуха между ними. Однако листья растений, расположенные выше шатра, имеют доступ к окружающему воздуху и к непрерывно пополняемому запасу диоксида углерода, а листья, расположенные ниже шатра, должны извлекать диоксид углерода из воздуха, находящегося под шатром.

Поскольку сам по себе шатер ограничивает циркуляцию воздуха, то концентрация диоксида углерода под шатром резко снижается. Это приводит к отмиранию нижних листьев и ветвей, что сказывается на развитии растения в целом. В таком случаем можно было бы распылять раствор диоксида углерода на растения непрерывно, однако затраты на непрерывное распыление превысят ожидаемый доход.

Данное изобретение направлено на снижение трудоемкости процесса выращивания растений, повышение его эффективности и удешевление.

Указанный технический эффект достигается тем, что в способе ускорения роста растений в полевых условиях, включающем посадку растений и подачу диоксида углерода непосредственно к растениям, подачу диоксида углерода производят по проведенной предварительно траншее, в которой размещают источник обогащенного диоксидом углерода газа и перфорированный отверстиями трубопровод для распределения газа вдоль траншеи, имеющей дно и боковые стенки и ориентированной перпендикулярно преимущественному направлению ветра в данной местности.

А также тем, что подачу газа производят вблизи одного из концов траншеи, и еще тем что дно траншеи выполняют с уклоном вниз в направлении указанного трубопровода, и тем, что отверстия для выпуска газа выполняют вблизи дна траншеи; указанный технический эффект достигается и тем, что растения высаживают выше дна траншеи, и еще тем, что выпускные отверстия, выполненные в трубопроводе размещают по вертикали между шатром, образованным листьями растений и дном траншеи.

Для достижения технического эффекта имеет значение и то, что боковые стенки траншеи формируют расходящимися в направлении снизу вверх, и то, что дополнительно проходят множество траншей, параллельно первой траншее, причем боковая стенка каждой траншеи расположена в непосредственной близости от боковой стенки другой траншеи для обеспечения возможности образования смежными стенками удлиненных гребней, а также то, что растения размещают вблизи верхней части гребня для уменьшения турбулентности ветра внутри траншеи. Технический эффект достигается и тем, что растения высаживают в каждой последующей траншее после высадки их в предыдущей, и тем, что перед посадкой растений формируют обогащенный азотом слой почвы на дне траншеи и тем, что растения высаживают дополнительно вблизи части каждой поднятой боковой стенки в стороне от дна траншеи для образования защитной полосы насаждений, а так же тем, что растения высаживают на гребне между первой и второй траншеями при этом боковую стенку одной из траншей формируют вблизи боковой стенки последующей, для образования указанного гребня.

На фиг. 1 представлен вид на систему выращивания растений сверху; на фиг. 2 пространственное изобретение посадки по изобретению, вид сбоку; на фиг.3 одиночная траншея с растениями, вид сбоку; на фиг.4 испытательная установка для проведения эксперимента по данному изобретению; на фиг.5 - разрез по линии Б-Б на фиг.4.

Сущность изобретения состоит в следующем. На земельном участке, на котором предполагается производить посадку деревьев либо других растений, формируют траншею 1 (по крайней мере одну). Траншею формируют так, чтобы она имела дно 2 и боковые стенки 3. Боковые стенки 3 отсыпают расходящимися снизу вверх.

Для обеспечения лучшего роста растений на поверхности траншеи 1 формируют почвенный слой 4, обогащенный азотом. Почвенный слой 4 может так же содержать иные химические вещества, способствующие росту растений или повышению их устойчивости к болезням или паразитам. Параллельно первой траншее 1 проводят траншеи в количестве, необходимом для высадки растений в планируемом объеме на планируемом участке. В боковых стенках 3 траншей 1 формируют продольные выемки 5, которые можно использовать для ирригационных целей. Траншею оснащают трубопроводом 6, который укладывают на дне 2 каждой траншеи 1 и при необходимости в продольных выемках 5. По указанному трубопроводу подают обогащенный диоксид углерода к растениям 7, которые высаживают по определенной схеме в траншеях 1. Боковые стенки 3 траншей 1 находятся в непосредственной близости одна от другой с возможностью образования смежными стенками гребней 8. Гребни 8 формируют с горизонтальными площадками 9. Такое выполнение гребней способствует снижению эрозии и появляются дополнительные площадки для высадки растений, которые служат защитной полосой, ослабляя действие ветров. Защитные полосы желательно формировать из растений различных видов и возрастов, что способствует более эффективной защите траншеи от турбулентности ветра.

Дно 2 траншей 1 целесообразней выполнять наклонным. В зависимости от природных условий местности формировать траншею необходимо с уклоном от 0 до 10% Траншеи 1 предпочтительно ориентировать перпендикулярно "преимущественному направлению ветра". Растения 7 высаживают более плотно, чем в обычных условиях. Это способствует образованию сплошного шатра из переплетающихся веток и листьев. Посадку растений 7 можно осуществлять по различным схемам, однако наиболее предпочтительной является схема, когда высадку растений в каждой последующей траншее производят после того, как их высадили в предыдущей.

Диоксид углерода можно подавать в траншеи различными способами. Одним из более целесообразных является подача газа по трубопроводу 6, от источника газообразного диоксида углерода 10. В случае, если на местности сформировано несколько траншей 1, то необходимо использовать коллектор, для регулирования распределения газа по траншеям 1. Трубопровод 6 выполняют с выпускным отверстием 11, расположенным у дна 2 траншеи 1, или перфорированным множеством отверстий, расположенных по вертикали между дном 2 и шатром, или с одним или несколькими ответвлениями 12, расположенными горизонтально на расстоянии друг от друга поперек дна 2 траншеи 1.

Диоксид углерода, подаваемый в траншеи, является побочным продуктом анаэробной переработки отходов микроорганизмов. Его так же можно извлекать при переработке растений в производстве этанола. Поскольку производство этанола из растений обычно приводит к избытку диоксида, то этот диоксид углерода, образующийся в процессе ферментации, можно направлять непосредственно в траншеи, используемые для выращивания тех же растений, из которых вырабатывают этанол.

Описанный выше способ конкретно был осуществлен на экспериментальной установке. Из деревянных планок был сформирован остов траншеи 1 длиной 6 м, шириной 1,2 м, и высотой 0,9 м. Боковые стенки 3 выполнены из листов пластмассы, с возможностью установки их на любой высоте от дна 2 траншеи 1. Высота, на которую устанавливались листы, варьировалась от 0 до 0,9 м. На дне 2 макета траншеи был сформирован слой вспененной пластмассы, имитирующий слой почвы. В этой слой устанавливались искусственные растения по 3-4 в ряд. Целью описываемого эксперимента было определение работоспособности системы подачи диоксида углерода 10 в условиях открытого грунта.

Макет траншеи одним концом был оперт на гидравлический подъемник 13, используемый для изменения угла наклона дна 2 траншеи 1. Угол наклона макета траншеи в процессе эксперимента изменяли в пределах от 0% до 15%
Источник диоксида углерода 10 состоял из стандартной емкости, содержащей газообразный диоксид углерода под давлением и имеющую регулятор для контроля расхода газа. К емкости был подключен трубопровод, в качестве которого использован резиновый шланг. Свободный конец трубопровода 6 соединен с коробкой, содержащей множество отражательных перегородок, предназначенных для равномерного распределения газа горизонтально по ширине дна 2 траншеи 1. Емкость, имитирующая источник диоксида, была помещена в сосуд со льдом для охлаждения содержимого емкости. Вдоль одной из сторон макета траншеи 1 были установлены электрические вентиляторы, ориентированные таким образом, чтобы подача воздуха от них осуществлялась перпендикулярно длине траншеи 1, моделируя воздействие ветра в "преимущественном направлении". Концентрацию диоксида углерода в газе под шатром, образованным растениями, измеряли анализатором эффективности горения марки "Файрит-П", выпускаемого фирмой "Бакарах инк". Концентрацию кислорода и диоксида углерода измеряли на расстояниях 1,5 м, 3 м, 4,5 м, от конца траншеи, в котором был установлен источник диоксида углерода. Измерялась и скорость ветра, создаваемого электрическими вентиляторами, и ее изменения при наличии шатра, формируемого листьями и ветками искусственных растений, датчик скорости ветра.

Результаты проведенных испытаний наиболее ярко видно из конкретных примеров, описанных ниже.

Пример 1.

Траншею 1 установили с уклоном 10% а боковые стенки 3 на высоте 0,9 м. Скорость ветра, создаваемого электрическими вентиляторами, у вершин искусственных растений изменяли по длине траншеи от 6,4 км/ч до примерно 16 км/ч, при средней скорости 9,2 км/ч. Концентрация диоксида углерода в выделяемом газе, измеренная в месте расположения отражательных пластин источника газа, составила около 11,8% а концентрация диоксида углерода на расстояниях 1,5 м; 3 м; 4,5 м; и 6 м от отражательных пластин составляла 4,7% 4% 9% 4,2% и 4,4% соответственно. Таким образом, концентрация диоксида углерода под шатром была относительно постоянной по длине траншеи 1. Соответственно, можно прийти к выводу о том, что боковая стенка 3 высотой 0,9 м и уклон траншеи 10% достаточны для того, чтобы противостоять ветрам значительной скорости, по меньшей мере в случае, когда ветер направлен перпендикулярно продольной оси траншеи.

Пример 2.

Траншея 1 была установлена с уклоном примерно 10% а скорость ветра изменялась в пределах от 6,4 до 10,8 км/ч при средней скорости около 7,8 км/ч, при направлении перпендикулярном продольной оси траншеи. Высота боковых стенок равнялась 0,6 м. Концентрация диоксида углерода в выделяемом газе составляла примерно 14,8% на расстоянии 1,5м 4% на расстоянии 3 м 3,7% 4,5 м и 6 м 3,6% Таким образом, этот эксперимент показал, что несколько больше количество диоксида углерода было утеряно в воздухе над шатром, чем в предыдущем эксперименте. Даже при этом распределение диоксида углерода по длине траншеи было равномерным, что указывает на достаточность уклона, равного 10% для стекания обогащенного диоксида углерода газа вниз вдоль траншеи.

Пример 3.

Траншея 1 установлена горизонтально, а боковые стенки 3 опущены на уровень дна 2 траншеи 1, эти параметры эксперимента характерны для имитации условий открытого грунта на участках земли, где нет траншей. Даже при том, что не было ветровых потоков, создаваемых вентиляторами, диоксид углерода рассеивался очень быстро: поступающий газ содержал примерно 11,6% диоксида углерода, но на расстоянии 1,5 м отражательных пластинок измеренный уровень концентрации составлял всего 3,4% Концентрация диоксида углерода на расстоянии 3 м, не поддавалась точной количественной оценке из-за технических ограничений используемого оборудования.

Таким образом, есть все основания сделать вывод, что подача диоксида углерода на обычное сельскохозяйственное поле не имеет практического значения, так как даже при отсутствии ветровых потоков диоксид углерода рассеивается, не поступая к растениям.

Анализируя приведенные выше описание изобретения и результаты экспериментов, можно констатировать, что данное изобретение является экономичным и удобным средством подачи газообразного диоксида углерода к растениям в условиях открытого грунта и наиболее применимо при наличии сплошного лиственного шатра, образуемого растениями. Изобретение может обеспечить значительный коммерческий успех при возобновлении лесов, повышение продуктивности и сокращение оборота рубки на участках, выделенных для коммерческого лесоведения.

При реализации описанного изобретения необходимо учитывать, что эрозию почвы траншеи можно контролировать известными средствами, например, с помощью поверхностного слоя невысокой растительности с развитой корневой системой, наклон боковых стенок необходимо оптимизировать, уравновешивая влияние этих двух взаимнопротиворечащих условий. При этом необходимо учитывать и иные факторы, например, характер почвы, среднее количество осадков в данной местности.

Направление ветров вблизи траншеи будет изменяться во времени. Однако многолетние метеорологические наблюдения указывают на то, что метеосистемы, и следовательно, ветер чаще движутся в определенном направлении. При определении направления ориентирования траншей этот фактор нужно изучать прежде всего. Кроме того, наличие боковых стенок, сформированных под определенным углом, и гребней с горизонтальными площадками снижают степень разбавления подаваемого в траншею обогащенного диоксида углерода и степень выноса его окружающим воздухом.

Действующие в промышленности стандарты требуют перераспределить траншеи так, чтобы в большей или меньшей степени восстановить первоначальные очертания участка земли, а за тем высадить на нем растения.

Предложенный способ можно использовать при восстановлении земельных площадей после производства добычи полезных ископаемых открытым способом. Насыпи из пустых пород, образовавшиеся после отработки полезных ископаемых, можно формировать в виде гребней, боковые стенки которых будут образовывать траншеи. В первоначальном периоде выгода состоит в том, что не требуется перемещать огромные количества породы. Бывшую территорию открытой разработки полезного ископаемого из коммерчески неиспользуемой обезображенной площади путем реализации данного изобретения можно превратить в продуктивные земельные угодья. В частности, участок можно засадить деревьями, из которых получают лесоматериалы или сырье для изготовления древесной массы, целлюлозы или горючих материалов, а не оставлять его неиспользованным.

Одним из важных отличительных признаков данного изобретения является то, что в траншеи подают обогащенный диоксидом углерода газ для ускорения роста растений в траншее. Ранее указывалось, что средняя концентрация диоксида углерода в окружающей атмосфере составляет около 0,03% или 300 миллионов долей. Оптимальной для реализации данного изобретения является концентрация не менее чем 0,15-0,20% Концентрацию диоксида углерода можно повысить до 10% Однако в таком случае она может стать токсичной для животных или рабочих, находящихся в траншее или поблизости от нее. Кроме того, эффективность воздействия повышенной концентрации диоксида углерода на рост растений снижается при концентрации около 5% и выше. Следовательно, концентрацию диоксида углерода предпочтительно поддерживать на уровне от 0,20% до 2% Известно, что при нормальной температуре и давлении газообразный диоксид углерода плотнее, чем атмосферный воздух. В частности, плотность газообразного диоксида углерода примерно в 1,5 раза в среднем выше, чем плотность окружающего воздуха. Следовательно, если необходимо выделять газ с высокой концентрацией диоксида углерода в траншею вблизи дна траншеи, то из-за своей плотности этот газ будет стремиться оставаться внутри, если на него не будут влиять возмущения окружающей среды. Стенки, отсыпанные расходящимися под углом снизу вверх, и растительность на гребне препятствуют в некоторой степени рассеиванию диоксида углерода. Однако эти меры могут быть признаны недостаточными (при высоких скоростях ветра) для удержания диоксида углерода в траншее в необходимой концентрации. В таких случаях целесообразно всаживать растения более плотно, чем это принято в обычных условиях для образования естественно шатра из сплетающихся ветвей и листьев.

Несмотря на то, что в траншее согласно изобретению можно выращивать разные виды растений, предпочтение необходимо отдавать деревьям, которые хорошо растут при посадке с повышенной плотностью. Этими породами могут быть, например, salixaceae populas tremuloides (осина дрожащая). Вместо нее можно использовать сорго, как вид, показавший способность хорошо расти при сверхплотной посадке.

Дно траншеи необходимо выполнять наклонным. Поскольку, как указывалось ранее, диоксид углерода более плотный и тяжелый, чем обычный воздух, и при выполнении дна траншеи наклонным он будет распространяться более равномерно.

Использование: изобретение относится к области сельского хозяйства и лесной промышленности, а именно к системам ускорения роста растений в полевых условиях. Сущность: способ ускорения роста растений в открытом грунте, включает посадку растений и подачу диоксида углерода непосредственно к растениям, предварительно перед посадкой растений в грунт производят формирование траншеи с дном, выполненным с уклоном в направлении от источника подачи газа вдоль проложенного трубопровода и боковыми стенками, которые отсыпают под углом к вертикали, расходящимися снизу вверх, и размещают в ней источник обогащенного диоксидом углерода газа и трубопровод для распределения газа вдоль траншеи, который выполняют с перфорированными выпускными отверстиями, а траншею ориентируют перпендикулярно преимущественному направлению ветра, при этом подачу газа осуществляют вблизи одного конца траншеи, в стенках траншеи формируют выемки и производят посадку в них растений для образования шатра из листьев и веток, а выпускные отверстия трубопровода размещают по вертикали между шатром и дном траншеи, причем в боковых стенках траншеи может быть сформирован обогащенный азотом слой почвы. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ ускорения роста растений в открытом грунте, включающий посадку растений и подачу диоксида углерода непосредственно к растениям, отличающийся тем, что предварительно перед посадкой растений в грунт производят формирование траншеи, имеющей дно и боковые стенки, при этом в траншее размещают источник обогащенного диоксидом углерода газа и трубопровод для распределения газа вдоль траншеи. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что траншею ориентируют перпендикулярно преимущественному направлению ветра. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу газа производят вблизи одного из концов траншеи. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что дно траншеи выполняют с уклоном в направлении от источника обогащенного диоксидом углерода вдоль проложенного трубопровода. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что трубопровод выполняют с выпускным отверстием для выделения обогащенного диоксидом углерода газа вблизи дна траншеи. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубопровод выполняют с перфорированными отверстиями. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что посадку растений производят в дополнительно сформированных в стенках траншеи выемках для образования шатра над траншеей из листьев и веток. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что выпускные отверстия трубопровода размещают по вертикали между шатром и дном траншеи. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что боковые стенки траншеи отсыпают под углом к вертикали, расходящимися снизу вверх. 10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно проходят множество траншей, ориентированных параллельно первой траншее, причем боковую стенку одной траншеи располагают в непосредственной близости от боковой стенки другой траншеи для образования гребней. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что на дне и в боковых стенках траншеи формируют обогащенный азотом слой почвы. 12. Способ по п.9, отличающийся тем, что растения высаживают вблизи верхней части гребня для уменьшения турбулентности ветра внутри траншеи. 13. Способ по п.9, отличающийся тем, что растения высаживают в каждой последующей траншее после высадки их в предыдущей. 14. Способ по п.9, отличающийся тем, что на боковых стенках траншей формируют защитные полосы насаждений. 15. Способ по п.9, отличающийся тем, что растения высаживают на гребнях.