Устройство для учёта СО в системе почва-растение-атмосфера Российский патент 2023 года по МПК A01G7/00 G01N33/24 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к средствам газоаналитических измерений для исследования закономерностей потоков СО₂ между основными компонентами агроэкосистемы в замкнутом цикле, путем регулирования контролируемых абиотических параметров комплекс позволяет учитывать и моделировать потоки СО₂ между почвой, растением и атмосферой.

Существующие газоаналитические способы и оборудования, используемые для определения эмиссии СО₂ позволяют определять потоки диоксида углерода из почвы на ограниченном отрезке времени с последующей экстраполяцией на расчетный период. Как правило, это дает значительные погрешности и не позволяют дифференцировать происхождение потоков. Потоки СО₂ могут быть связаны с преобладанием деструктирующих процессов в почве или с активностью почвенной микробиоты в результате которой происходит обратный распаду процесс - синтез гумусовых соединений. Установление механизма происхождения диоксида углерода - важное условие при проведении оценочных наблюдений за трансформацией СО₂.

Недостатки существующих способов и устройств заключается в том, что оценка трансформации диоксида углерода в агроэкосистеме в ограниченном пространстве существенно усложняет задачу мониторинга и требует возможности регулирования параметров с одновременным учетом изменения СО₂ в цифровом выражении. В частности, сложность беспрерывного учета дыхания почвы на протяжении длительного времени до 45 дней с момента высева семян в замкнутой системе «почва-растение-атмосфера» связана с выделением избыточной концентрации СО₂, которая с одной стороны превышает регистрируемые значения сенсоров, с другой стороны является токсичными для вегетирующих внутри устройства растений.

Существует два основных способа определения дыхания почвы - лабораторный и камерный.

Известен лабораторный способ определения дыхания почвы методом титрования, уловленной в закрытой колбе углекислого газа слабым раствором щелочи на протяжение 24 часов. Способ распространен в силу своей доступности, которым пользуются в лабораторных условиях.

Скорость дыхания рассчитывалась по формуле:

А = [(V хол. - V опыт) х 1,1 х 1000 / [m х t] = (V хол. - V опыт.) х 4,58, где:

V хол. - объем 0,05NHCl, пошедшей на титрование холостого образца, мл.

V опыт - объем 0,05NHCl, пошедшей на титрование опытного образца, мл.

m - масса навески, 10 г.; t - время инкубации, 24 ч. [Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Гавриленко Е.Г. 2011. Особенности определения углерода микробной биомассы почвы методом субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. № 11. С. 1327-1333. Аринушкина Е.В. 1970.].

Классические лабораторные способы измерения дыхания почвы, выполняя важную роль оценки ее производственного и биологического потенциала, имеют недостаток, связанный с выражением интенсивности эмиссии СО₂ в режиме реального времени с учетом биодинамических процессов, протекающих в почве.

Проблема связана с тем, что установленное способом время инкубации в 24 часа с последующим пересчетом на мкг СО₂/ч/1г почвы может не соответствовать реальным показателям, так как интенсивность дыхания почвы во многом зависит от углеродной емкости почвенного образца и выделение СО₂ может быть прекращено вне установленной временной границы, равной 24 часа. В процессе одновременного сравнения протекания эмиссии углекислого газа при лабораторном и экспресс методах было выявлено, что один и тот же объем почвы - 10 гр., подготовленный в соответствии с первым методом, прекратил выделение СО₂ и относительное равновесие установилось через 5 часов после старта измерений. В такой ситуации деление объема СО₂, связанного щелочью, на 24 часа дает значительную погрешность. Следовательно, лабораторный метод измерения дыхания почвы посредством титрования избытка СО₂ слабым раствором соляной кислоты больше подходит в качестве метода определения объема, депонированного почвой углекислого газа при условии, что объем будет выражаться в абсолютных единицах с пересчетом на единицу массы почвы без привязки ко времени.

Известен так же способ измерения потока СО₂ из почвы с помощью экспозиционных камер. Его суть заключается в оценке динамики концентрации углекислого газа в почве, накрытой камерой [Welles, J. &Demetriades-Shah, T. &Mcdermitt, Dayle. (2001). Considerations for measuring ground CO2 eflux with chambers. Chemical Geology - CHEM GEOL. 177. 3-13. 10.1016/S0009-2541(00)00388-0/]. Способ предусматривает установку измерительных камер на поверхность почвы и извлечение воздушных образцов шприцами с интервалом 0,5 и 15 минут с начала экспозиции с последующим проведением анализа отобранных образцов на газоанализаторе в лабораторных условиях. Данный способ используется для сравнительной характеристики различных участков [А.С. Епихина, М.М. Визирская, В.И. Васенев, И.М. Мазиров, И.И. Васенев, Валентини Рекардо. Инновационные методы мониторинга парниковых газов представительных ландшафтов мегаполиса. // Вестник РУДН, серия Агрономия и животноводство, 2012, №5. Стр. 43-54].

Недостаток данного способа заключается в том, что объем выделенного углекислого газа сложнее привязать к массе почвы, так как она может зависеть от множества факторов, основными из которых являются ее структура и пористость. При одном и том же объеме камеры вклад в эмиссию СО₂ более пористой почвой может быть совершен из более глубокого слоя почвы, следовательно, большей ее массой. И, напротив, при равной поверхности почвы вклад в эмиссию СО₂ почвой с более тяжелым гранулометрическим составом или почвой с нарушенной структурой могут демонстрировать более низкие показатели. Более того, без дополнительных манипуляций с подготовкой почвенных образцов не представляется возможным дифференциация вклада СО₂ по источнику происхождения. Считается, что на долю собственно почвенного дыхания приходится от 2/3 до 1/2 общего потока СО₂ [Кобак К.И. Биотические компоненты углеродного цикла. Л.: Гидрометеоиздат, 1988., Кудеяров В.Н. Биогенная эмиссия углекислоты и методология ее оценки. - Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии. - Пущино, 2003 - С. 61-63.]. Остальная доля углекислоты может приходится на корневое дыхание.

Известен аналогичный способ, но с применением устройств с более точными газоанализаторами серии Li-6400 и Li-820 [Usingthe LI-8100A SoilGasFluxSystem&the LI-8150 Multiplexer. LI-8100A Manual. LI-COR, Inc. 2015 [http://envsupport.licor.com/docs/LI-8100A_Manual.pdf]. Способ используется для определения гетеротрофного и автотрофного дыхания. Для определения гетеротрофного дыхания из почвы удаляют корни, просеивают через сито с диаметром 2 мм и засыпают послойно в мешок из материала, препятствующего прорастанию корней.

Для автотрофного дыхания используется тот же способ подготовки почвы, но из сетки диаметром 1 см в конце сезона определяют прирост корней за вегетационный период.

В обоих случаях результат определяется по разнице между контролем и опытными образцами [А.С. Епихина, М.М. Визирская, В.И. Васенев, И.М. Мазиров, И.И. Васенев, ВалентиниРекардо. Инновационные методы мониторинга парниковых газов представительных ландшафтов мегаполиса. // Вестник РУДН, серия Агрономия и животноводство, 2012, №5. Стр. 43-54].

Основным недостатком данного способа, без учета высокой стоимости оборудования, является проведение расчетов объема СО₂ в виде разницы между показателями почвенного СО₂ в естественном ненарушенном состоянии и показателями предварительно подготовленной почвы, в результате чего аэрация почвы и нарушение плотности влияет на интенсивность выделения углекислоты за счет окисления органического вещества почвы кислородом, содержащимся в воздухе и нарушения сложившегося микробиоценоза в естественном состоянии.

Недостатки, обнаруженные в способе с экспозиционными камерами, так же распространяются на данный способ.

Существует способ определения дыхания почвы с использованием портативного почвенного респирометра для мониторинга эмиссии СО₂ в атмосферу [Патент № RU 2660380 C1]. Изобретение так же относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля экологического обустройства окружающей среды. Способ предусматривает осуществление оперативного контроля дыхательной эмиссии СО₂ непосредственно по месту проведения почвенного мониторинга различных природно-хозяйственных объектов. Конструкция прибора позволяет использовать для измерений камерным методом, так и для определения дыхания отобранных почвенных образцов, кернов в герметично изолированной камере. Способ предусматривает измерение эмиссии автоматическим ИК-газоанализатором СО₂.

Недостатком способа определения дыхания образцов почвы в изолированной камере является то, что в камере образуется динамическое равновесие - объем выделенного почвой и связанного ею же диоксида углерода уравновешивается. В таком случае данные газоанализатора не отражает полностью потенциал биологического параметра плодородия почвы.

Проведенный сравнительный анализ дыхания почвы равных почвенных образцов продемонстрировал разницу концентрации между уловленным объемом СО₂ щелочью в лаборатории (7,9 мг СО₂/10 г почвы) и выделенным объемом СО₂ в камере (0,77 мг/10 г. почвы) более, чем в 10 раз [Улимбашев А.М., Занилов А.Х. Сравнительная оценка методов определения дыхания почвы. Возможности их использования в климатических проектах // Известия санкт-Петербургского государственного аграрного университета. №2 (67). 2022. С.83-90].

Для подтверждения того, что при определении дыхания почвы камерным способом выделяется не весь объем СО₂, были проведены дополнительные эксперименты. После фиксации газоанализатором пика выделения СО₂ в камере углекислый газ утилизировался пропусканием воздуха камеры через раствор 0,1Н HCl. После этого измерения эмиссия углекислого газа возобновлялась и показатели достигали очередного пика. Операция по утилизации СО₂ повторялась выше описанным способом.

Наиболее близкой к заявленной системе по технической сущности предлагается производителями селекционного фитотрона компании ООО «НССиС» [https://www.nsss-russia.ru/2021/11/12/selektsionnyj-fitotoron/]. Авторы предлагают использовать адаптированные селекционные фитотроны для оценки поглощения СО₂ элементами разных экосистем (леса, болота, луга, поля и др.), моделируя в камерах проявление лимитирующих факторов. На способ использования фитотрона распространяются те же недостатки, обозначенные для существующих камерных способов учета СО₂.

Задача изобретения разработка способа и устройства учета динамики эмиссии углекислого газа в режиме реального времени.

Определение массы СО₂, накопленной в атмосфере установки до выхода показателей на плато проводилось при выращивании ярового ячменя. Предлагаемый способ и устройство может найти применение при исследованиях эмиссии СО₂ для широкого спектра агрокультур, а также оценки влияния различных агрохимикатов на углеродсеквестрирующую способность растений и почвы. После выхода показателей СО₂ пересчитывался в абсолютные значения (граммы). В дальнейшем проводился подсчет изменившегося СО₂-эквивалента в почве и накопленного СО₂-эквивалента в растениях. Так же в баланс был включен содержащееся в семенах количество СО₂-эквивалента. Баланс рассчитывался сопоставлением суммы СО₂-эквивалента в семенах + разница СО₂-эквивалента почвы (до и после начала наблюдения) с суммой СО₂-эквивалента в сухой массе растений и атмосфере установки.

Пример №1.

В опыте использовалось 800 гр. воздушно-сухой почвы, доведенной до влажности 60 об.% наименьшей влагоемкости. До начала эксперимента, содержание углерода в почве, определенное на элементарном анализаторе Multi- EA200CS составляло 2 об.%, что соответствует 16 гр. почвенного углерода и равно 58,6 гр. СО₂-эквивалента.

Длительность наблюдения продолжается по достижению показателей СО₂ максимальной концентрации и сохраняющейся без дальнейшего роста на протяжений 12 часов. Опытным путем установлено, что в зависимости от типа почвы и растений данный эффект достигается через 18-21 день.

После эксперимента содержание углерода в почве составляло 1,88 об. %, равное 15,04 гр. углерода, соответствующее 55,04 гр. СО₂-эквивалента. Разница до и после эксперимента 0,12 об.%, что составляет 3,56 гр. СО₂-эквивалента.

СО₂-эквивалент в растениях определялся тем же способом, описанным для почвы. При посеве 50 семян была получена биомасса растений (корни + надземная часть) с содержанием углерода 76 об.%, что равно 1,9 гр. абсолютной сухой массы, равная 5,2 гр. СО₂-эквивалента.

Также проводился учет СО₂-эквивалента, поступавшего с семенами. При массе 1000 семян ячменя равная 39 гр. и содержанием в них углерода 40 об.% в почву поступило 2,85 гр. СО₂-эквивалента.

В результате сопоставления данных вышло, что сумма разницы СО₂-эквивалента почвы (3,56 гр. СО₂-эквивалента) и семян (2,85 гр. СО₂-эквивалента семян), равная 6,41 гр. СО₂-эквивалента сопоставима с суммой СО₂-эквивалента в растениях (5,2 гр. СО₂-эквивалента) и содержанию СО₂-эквивалента в атмосфере устройства (1,12 гр. СО₂-эквивалента), равной 6,32 гр. СО₂-эквивалента. Разница составила 0,09 гр. или 1,4 %, что можно рассматривать как статистическую погрешность.

Пример №2.

Способ осуществлялся по примеру № 1, были получены следующие результаты:

- разница в содержании углерода в почве до и после эксперимента составила 0,13об.%. При массе почвы 800г. данное значение соответствует 1,04 гр. углерода и составляет 3,81 гр. СО₂-эквивалента;

- содержание СО₂-эквивалента в семенах остается первоначально рассчитанным и равен 2,85 гр. СО₂-эквивалента;

- биомасса растений ячменя с корнями составила 1,96 гр. Содержание углерода 74об.%. Абсолютное содержание углерода составило 1,45 гр., что равно 5,31 гр. СО₂-эквивалента;

- содержание углерода в атмосфере устройства составило 1,07 гр. СО₂-эквивалента.

Сопоставление данных свидетельствует о сохранении баланса между источниками СО₂-эквивалента (почва + семена) и накопленным в растениях и атмосфере устройства. Так разница между источником 6,66 гр. СО₂-эквивалента и накоплением в растениях и атмосфере (6,38 гр. СО₂-эквивалента) составляет 4,4 %.

Пример №3.

Способ осуществлялся по примеру № 1, были получены следующие результаты:

- изменение содержание углерода в почве до и после эксперимента составило 0,12 об.%, что равно 3,51 гр. СО₂-эквивалента.

- содержание углерода в семенах составляет - 2,85 гр. СО₂-эквивалента.

- биомасса растений ячменя с корнями составила 2,1 гр. и 73об.% углерода в них, показатель СО₂-эквивалента составил 5,61 гр;

- содержание углерода в атмосфере устройства составили 1,06 гр. СО₂-эквивалента.

Разница в балансе между источниками СО₂-эквивалента (почва + семена) и накопленным СО₂-эквивалентом в растениях и атмосфере устройства составила 4,9 %.

Способ позволяет путем контроля и регулирования основных абиотических параметров в биоцикле «почва-растение-атмосфера» учитывать направленность трансформационных процессов и моделировать круговорот диоксида углерода.

Для этого создано устройство с подсистемами контроля и регулирования концентрации СО₂ (ppm) и О₂ (об. %) в воздухе, температуры воздуха (С°), влажности воздуха (об.%), влажности почвы (об.%), освещенности (Лк) с целью определения направленности трансформации СО₂ в агроэкосистеме при различных климатических условиях. Устройство герметически изолировано, что препятствует влиянию внешних факторов на исследуемые параметры.

Опытным путем было установлено, что устройство демонстрирует статистически достоверные показатели при расчете баланса СО₂-эквивалента в системе «почва-растение-атмосфера» и может быть использовано для продолжительных наблюдений с различными агрокультурами, в том числе для учета потенциальной и фактической углерод поглотительной способности компонентов агроэкосистем.

Устройство включает:

- Оптимизацию влажности воздуха и почвы - управление поливом и удаление избыточной влаги;

- Регулирование освещенности;

- Оптимизацию газового состава воздуха (СО₂, О₂);

- Имитацию воздушного потока.

На фиг. 1. представлено «Устройство учёта СО₂ в биоцикле «почва-растение-атмосфера»», которое состоит из двух частей, верхняя 1 представляющая собой бокс c боковыми гранями 2 из прозрачного органического стекла и верхней части из просветленного стекла 3 с максимальным коэффициентом светопропускания (не менее 90 %), а нижняя часть модуля 4 из нейтрального полимерного материала, которая предназначена для размещения лотков с почвой 5 (грунта) для выращивания растений 6.

Контроль концентрации СО₂, влажности и температуры воздуха осуществляется через единый блок (7) с соответствующими сенсорами, передающий фиксируемые показатели на узел сбора данных (8) для хранения, первичной обработки и визуализации. Измерение СО₂ производится на основе недиспергирующего инфракрасного анализатора с диапазоном измерения 0-5000 ppm с точностью определения ± 30 ppm (± 3% от измеряемой величины). Сенсор СО₂ оснащен функцией Automatic Baseline Correction, которая выполняет автоматическую калибровку без использования технических газов. Контроль температуры осуществляется в пределах +2…+50 °С, а влажности воздуха - 20…80 %RH, без конденсата.

На фиг. 1. Представлен объемный вид имитационного модуля.

А - объемный вид с левой стороны, Б - - объемный вид справой стороны

При имитации различных климатических условий внутри установки может происходить рост концентрация СО₂ и влажности воздуха, превышающих критические значения для развития растений (не более 2800 ppm) и регистрационные возможности сенсора влажности. В этом случае используется подсистема оптимизации - извлечение избыточного углекислого газа и влаги посредством принудительной продувки в замкнутом цикле микрокомпрессором 9, размещенном в отдельном боксе 10. В случае вынужденной утилизации диоксида углерода из атмосферы модуля проводится его суммарное определение для дальнейшего расчета баланса. Затворные клапаны 11-16 регулируют направление воздушной массы. При положении клапанов 11, 14 и 15 в режиме «открыто» и положении клапанов 12, 13 и 16 в режиме «закрыто», воздух циркулирует через атмосферу модуля и емкость 17 с улавливающим избыточную влажность реактивом.

При положении клапанов 11, 14 и 15 в режиме «закрыто» и положении клапанов 12, 13 и 16 в режиме «открыто» микрокомпрессор направляет воздух для улавливания СО₂ в колбу с абсорбирующим раствором 18.

После очистки воздуха от избытка СО₂ и влаги до значений окружающего среды, в установку через клапан 19 подается воздух извне с естественным содержанием кислорода, учитываемое датчиком кислорода О₂ 20. Для этого клапаны 11 и 16 переводятся в режим «открыто», а клапаны 12, 13, 14 и 15 в режим «закрыто».

В процессе роста растений световой режим поддерживается специализированной фитолампой 21 с длиной волн красного спектра 630-670 нм и синего спектра - 420-460 нм и с продолжительностью освещения 16 часов в сутки. Мощность фитолампы 8 Вт с фотосинтетическим фотонным потоком 10 мкмоль/с. Уровень освещенности в системе контролируется люксметром с фотометрическим преобразователем 22. Диапазоном измерения 1-200000 лк.

Влажность почвы контролируется датчиком 23, установленным в лотке с почвой в нижней части модуля 4. Диапазон измерения находится в пределах 0-80 % с точностью измерения - 0,5 %.

Влажность почвы регулируется системой полива, состоящей из следующих элементов: насос 24 для подачи воды; емкость с поливной жидкостью 25; магистральная трубка 26 с регулируемыми распылительными форсунками 27. Объем жидкости, необходимой для достижения запланированной влажности, определяется с помощью коэффициентов, установленных эмпирическим путем.

Система полива используется также для фертигации и распыления средств защиты растений и удобрений из отдельных емкостей 28.

Перемешивание и имитирование воздушного потока осуществляется модулятором ветра 29.

Сбор данных с программируемой периодичностью и их передачей на узел сбора данных - 8 осуществляется: с единого блока - 7 с соответствующими сенсорами, с датчика кислорода О₂ - 20, с люксметра - 22 с фотометрическим преобразователем и с датчика - 23

Технический результат разработка способа и устройства учета динамики эмиссии углекислого газа в режиме реального времени. Предлагаемый способ и устройство может найти применение при исследованиях эмиссии СО₂ для широкого спектра агрокультур, а также оценки влияния различных агрохимикатов на углеродсеквестрирующую способность растений и почвы.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к средствам газоаналитических измерений для исследования закономерностей потоков СО₂ между основными компонентами агроэкосистемы в замкнутом цикле. Устройство состоит из двух частей: верхней, представляющей собой бокс с боковыми гранями из прозрачного органического стекла и верхней части из просветленного стекла с максимальным коэффициентом светопропускания, и нижней из нейтрального полимерного материала, которая предназначена для размещения лотков с почвой для выращивания растений. Извлечение избыточного СО₂ и влаги осуществляется посредством принудительной продувки в замкнутом цикле микрокомпрессором, где соответствующие затворные клапаны регулируют направление воздушной массы, позволяющее улавливать избыточную влагу реактивом и концентрацию СО₂ в колбу с абсорбирующим раствором. После очистки воздуха от избытка СО₂ и влаги до значений окружающей среды в установку через клапан подается воздух извне. Световой режим поддерживается фитолампой. Уровень освещенности в системе контролируется люксметром, а влажность почвы контролируется датчиком, установленным в лотке с почвой в нижней части устройства. К устройству прикреплена система полива, состоящая из насоса для подачи воды, емкости с поливной жидкостью, магистральной трубки с регулируемыми распылительными форсунками, которые также применяются при фертигации и распылении средств защиты растений и удобрений из отдельных емкостей. Перемешивание и имитирование воздушного потока осуществляется модулятором ветра, а сбор данных с датчиков осуществляется с программируемой периодичностью с их передачей на цифровой носитель. Техническим результатом является обеспечение возможности учета динамики эмиссии СО₂ в режиме реального времени, а также оценки влияния различных агрохимикатов на углеродсеквестрирующую способность растений и почвы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для учета СО₂ в системе почва-растение-атмосфера, состоящее из двух частей: верхней, представляющей собой бокс с боковыми гранями из прозрачного органического стекла и верхней части из просветленного стекла с максимальным коэффициентом светопропускания, и нижней из нейтрального полимерного материала, которая предназначена для размещения лотков с почвой для выращивания растений, отличающееся тем, что извлечение избыточного СО₂ и влаги осуществляется посредством принудительной продувки в замкнутом цикле микрокомпрессором, размещенным в отдельном боксе, где соответствующие затворные клапаны регулируют направление воздушной массы, позволяющее улавливать избыточную влагу реактивом и концентрацию СО₂ в колбу с абсорбирующим раствором, после очистки воздуха от избытка СО₂ и влаги до значений окружающей среды в установку через клапан подается воздух извне с естественным содержанием кислорода, учитываемым датчиком кислорода, для этого соответствующие клапаны переводятся в определенные режимы, а световой режим поддерживается специализированной фитолампой с длиной волн красного спектра 630-670 нм и синего спектра 420-460 нм и с продолжительностью освещения 16 ч в сутки, мощность фитолампы 8 Вт с фотосинтетическим фотонным потоком 10 мкмоль/с, уровень освещенности в системе контролируется люксметром с фотометрическим преобразователем с диапазоном измерения 1-200000 лк, а влажность почвы контролируется датчиком, установленным в лотке с почвой в нижней части модуля, к которому прикреплена система полива, состоящая из насоса для подачи воды, емкости с поливной жидкостью, магистральной трубки с регулируемыми распылительными форсунками, которые также применяются при фертигации и распылении средств защиты растений и удобрений из отдельных емкостей, перемешивание и имитирование воздушного потока осуществляется модулятором ветра, а сбор данных с датчиков осуществляется с программируемой периодичностью с их передачей на цифровой носитель.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что контроль концентрации СО₂, влажности и температуры воздуха осуществляется через единый блок с соответствующими сенсорами, передающий фиксируемые показатели на узел сбора данных для хранения, первичной обработки и визуализации, измерение СО₂ производится на основе недиспергирующего инфракрасного анализатора с диапазоном измерения 0-5000 ppm с точностью определения ± 30 ppm, сенсор СО₂ оснащен функцией Automatic Baseline Correction, которая выполняет автоматическую калибровку без использования технических газов, контроль температуры осуществляется в пределах +2…+50°С, а влажности воздуха - 20...80 % RH, без конденсата.