本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種以提升植物光合作用效率為目的的利用農(nóng)業(yè)用水增施二氧化碳的方法及所用裝置。
背景技術(shù)：
二氧化碳是植物光合作用合成有機(jī)物的基本原料，大氣中所含有的二氧化碳（350-450ppm）供給著自然環(huán)境中植物生長(zhǎng)。研究表明：在光溫水肥等條件適宜的條件下，對(duì)于大多數(shù)植物而言，該濃度低于二氧化碳飽和點(diǎn)，光合效率達(dá)不到最大值。溫室大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施為環(huán)境二氧化碳的自然補(bǔ)給制造了障礙，在相對(duì)密閉的植物生長(zhǎng)環(huán)境中，二氧化碳的不足通常成為制約植物生長(zhǎng)的主要限制因子。向植物生長(zhǎng)區(qū)補(bǔ)充并適當(dāng)提高二氧化碳的含量，可以提高自然光能利用率，獲得農(nóng)作物的增產(chǎn)。
在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，農(nóng)業(yè)技術(shù)人員探索出了多種對(duì)溫室大棚等封閉空間增補(bǔ)二氧化碳方法，除常用的自然通風(fēng)換氣外，以下幾種為已采用或正在逐步推廣的人工增施技術(shù)：對(duì)土壤增施有機(jī)肥，通過發(fā)酵釋放二氧化碳；燃燒甲烷或液化氣，釋放二氧化碳；碳酸鹽酸化釋放二氧化碳；干冰埋撒釋放；用工業(yè)液體二氧化碳，通過氣體閥控制定量補(bǔ)充。上述各種發(fā)生方式增施二氧化碳均存在著二氧化碳供給不持續(xù)和濃度難以控制的問題。以二氧化碳純品為氣源，采用氣體控制閥調(diào)控補(bǔ)氣，雖可保證二氧化碳濃度的可控及穩(wěn)定，但其高昂的成本制約了這一成熟的工業(yè)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的推廣。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用農(nóng)業(yè)用水增施二氧化碳的方法及所用裝置。本發(fā)明利用二氧化碳在不同氣相分壓下在水中溶解度的變化，通過二氧化碳的氣相分壓提升及下降，獲得二氧化碳在水溶液溶解和釋放，同時(shí)借助于農(nóng)用水的使用，將二氧化碳輸送到植物光合作用區(qū)并釋放到大氣環(huán)境中，達(dá)到增施二氧化碳的目的。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種利用農(nóng)業(yè)用水增施二氧化碳的方法，其特征是，包括以下步驟：
1）首先將二氧化碳通入農(nóng)用水中，提升該水溶液體系的氣相分壓至飽和大氣壓下，制備出高濃度二氧化碳水溶液；
2）使用耐壓0.45mpa以上的水管輸運(yùn)步驟1）中所制備的高濃度二氧化碳水溶液至待增施二氧化碳的植物光合作用區(qū)；
3）通過農(nóng)用水的常規(guī)使用，將高濃度二氧化碳水溶液中的二氧化碳?xì)庀喾謮航档椭?00pa；高濃度二氧化碳水溶液中溶解的二氧化碳溢出并以氣態(tài)形式釋放到植物光合作用區(qū)；
4）通過控制農(nóng)用水的供給量和二氧化碳的氣相分壓，調(diào)控植物光合作用區(qū)二氧化碳的釋放量。
進(jìn)一步地，所述農(nóng)用水包括灌溉用水、含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的水肥或增濕及水簾冷卻用水。
進(jìn)一步地，所述二氧化碳包括純品二氧化碳或是工業(yè)二氧化碳排放氣；所述純品二氧化碳為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)；所述工業(yè)二氧化碳排放氣為發(fā)酵氣、化工廢氣或煙道氣。
進(jìn)一步地，所述植物光合作用區(qū)指日光溫室、植物工廠或其他需要提升環(huán)境二氧化碳濃度的種植區(qū)域。
進(jìn)一步地，步驟3）中，農(nóng)用水的常規(guī)使用包括：滴灌、噴淋、噴霧、水簾冷卻。
進(jìn)一步地，在常溫常壓下，二氧化碳補(bǔ)充量y、氣源二氧化碳濃度cco2與植物光合作用區(qū)的供水量v水符合以下關(guān)系式：
y=k(cco2×v水)；
式中：y為植物區(qū)要求的二氧化碳增施量，單位g/m2.hr；
cco2為用于增施氣體中的二氧化碳的含量，單位為v/v；
v水為植物區(qū)供水量，單位l/m2.hr；
k:為水體溫度下二氧化碳的飽和溶解度與水密度之積，單位為g/l。
上述一種利用農(nóng)業(yè)用水增施二氧化碳的方法所用裝置，其特征是，該裝置包括二氧化碳?xì)庠丛O(shè)備、二氧化碳溶解設(shè)備、氣體控制系統(tǒng)、農(nóng)用水輸送設(shè)備以及位于植物光合作用區(qū)的二氧化碳釋放設(shè)備；還設(shè)有二氧化碳濃度檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀用于檢測(cè)二氧化碳?xì)庠丛O(shè)備、二氧化碳溶解設(shè)備中的二氧化碳濃度；
通過氣體控制系統(tǒng)將二氧化碳?xì)庠丛O(shè)備與二氧化碳溶解設(shè)備貫通，二氧化碳?xì)庠丛O(shè)備內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w被引入二氧化碳溶解設(shè)備，通過氣體控制系統(tǒng)提升并保持二氧化碳溶解設(shè)備中氣相部分的二氧化碳的分壓至飽和大氣壓下；將二氧化碳溶解設(shè)備的出水口與農(nóng)用水輸送設(shè)備相連，從而將水溶液輸送到植物光合作用區(qū)；農(nóng)用水輸送設(shè)備連接二氧化碳釋放設(shè)備，水溶液流出二氧化碳釋放設(shè)備后，二氧化碳?xì)庀喾謮簻p至500pa，水溶液內(nèi)過量的二氧化碳溢出并以氣態(tài)形式釋放到植物光合作用區(qū)的大氣空間內(nèi)。
進(jìn)一步地，所述二氧化碳采用純品二氧化碳或工業(yè)二氧化碳排放氣；所述純品二氧化碳的純度大于99.9%，為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)二氧化碳產(chǎn)品；所述工業(yè)二氧化碳排放氣為發(fā)酵氣、化工廢氣或煙道氣；
當(dāng)二氧化碳?xì)庠礊橐簯B(tài)二氧化碳時(shí)，可采用帶減壓器及輸送管的鋼瓶或含汽化器、輸送管、控制及安全裝置的貯罐；當(dāng)二氧化碳?xì)庠礊闅鈶B(tài)二氧化碳時(shí)，采用含控制及安全裝置的輸送管道。
進(jìn)一步地，所述二氧化碳溶解設(shè)備為帶有出入水口、二氧化碳進(jìn)氣口并與大氣隔絕的封閉式農(nóng)業(yè)用水的中轉(zhuǎn)槽；采用封閉的方法是浮筒或密閉容器或?qū)Ｓ媚蛪喝萜鳎粚?duì)于密閉容器，其頂部需安裝有泄壓裝置。
進(jìn)一步地，所述農(nóng)用水輸送設(shè)備包括具有0.45mpa以上耐壓能力的耐壓水管、泵以及水流量控制閥；所述氣體控制系統(tǒng)包括氣體減壓閥、流量調(diào)節(jié)閥以及壓力、溫度顯示儀表；所述二氧化碳釋放設(shè)備為滴灌管、噴淋管、霧培管或水簾冷卻系統(tǒng)。
相比于目前已有的二氧化碳?xì)怏w直接釋放增施，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：
1）不需要鋪設(shè)單獨(dú)的輸氣管道，直接利用現(xiàn)有的農(nóng)用水設(shè)施完成二氧化碳輸送；
2）通過對(duì)氣源二氧化碳含量和灌溉用水肥量的調(diào)配，控制二氧化碳的增施量；
3）二氧化碳?xì)怏w的增施與水肥灌溉同步進(jìn)行，符合植物光合作用的原料供給規(guī)律。
本發(fā)明公開了一種利用二氧化碳在不同氣相分壓下溶解度的變化（亨利定律），增施二氧化碳的方法和裝置。首先將二氧化碳溶解于農(nóng)用水中，然后通過農(nóng)用水的使用，使二氧化碳以氣態(tài)形式自水溶液中溢出并釋放到大氣環(huán)境中，達(dá)到提升植物光合作用區(qū)二氧化碳濃度的目的，實(shí)現(xiàn)了水氣肥同步一體化的輸送和補(bǔ)充。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；
圖中：a、co2氣源及控制系統(tǒng)（即二氧化碳?xì)庠丛O(shè)備）；b、co2溶解設(shè)備；c、氣體控制系統(tǒng)；d、供水管及控制系統(tǒng)（即農(nóng)用水輸送設(shè)備）；e、co2釋放設(shè)備；f、智能化二氧化碳增施控制系統(tǒng)（即本發(fā)明中利用農(nóng)業(yè)用水增施二氧化碳的裝置）；g、co2濃度檢測(cè)儀。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明需經(jīng)過二氧化碳?xì)庠醇霸O(shè)備選擇、二氧化碳溶解、水溶液輸送、二氧化碳?xì)怏w釋放四個(gè)基本步驟完成。各步驟闡述如下：
1.二氧化碳?xì)庠催x擇
1）增施用二氧化碳?xì)庠吹拇_定
可以采用氣態(tài)、液態(tài)二氧化碳產(chǎn)品（純度大于99.9%）,滿足食品級(jí)需要，也可以直接利用高濃度工業(yè)二氧化碳排放氣，如發(fā)酵氣、化工廢氣、煙道氣等,經(jīng)專有設(shè)備處理。
2）二氧化碳?xì)庠丛O(shè)備a
根據(jù)增施用二氧化碳?xì)庠吹牟煌x擇不同的氣源設(shè)備。液體二氧化碳可以采用專用的鋼瓶或儲(chǔ)槽，氣態(tài)二氧化碳宜使用管道輸送。
2.二氧化碳在水中的溶解
1）二氧化碳溶解設(shè)備b
溶解設(shè)備b應(yīng)為帶有出入水口和二氧化碳進(jìn)氣口且與大氣隔絕的封閉式農(nóng)業(yè)用水的中轉(zhuǎn)槽。封閉的方法可以是浮筒或密閉容器或?qū)Ｓ媚蛪喝萜鳌?duì)于密閉容器，頂部需安裝有泄壓裝置。
2)二氧化碳溶解
通過帶有伺服自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體控制系統(tǒng)c將設(shè)備a與設(shè)備b貫通，設(shè)備a內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w被引入設(shè)備b，通過氣體控制系統(tǒng)c提升并保持設(shè)備b中氣相部分的二氧化碳的分壓至飽和壓。
3.二氧化碳的輸運(yùn)
將設(shè)備b的出水口與安裝有控制系統(tǒng)的農(nóng)用水輸運(yùn)管道d（即農(nóng)用水輸送設(shè)備）相連，輸運(yùn)管道d要求具有0.45mpa（本實(shí)施例以1.0mpa為例）以上的耐壓能力。
通過水泵或液位差及水量控制系統(tǒng)，定量地輸送設(shè)備b內(nèi)的二氧化碳水溶液至日光溫室、植物工廠或其他需要提升環(huán)境二氧化碳濃度的植物光合作用區(qū)。
4.二氧化碳的釋放
1）灌溉釋放
輸送到植物光合作用區(qū)的二氧化碳水溶液被分配到各灌溉支管，并以滴灌或噴淋、噴霧等的方式流出。流水溶液出管道后二氧化碳?xì)庀喾謮簻p至500pa，溶液內(nèi)過量的二氧化碳溢出并以氣態(tài)形式釋放到植物光合作用區(qū)的大氣空間內(nèi)。
2）水簾降溫釋放
對(duì)于采用水簾風(fēng)機(jī)降溫的溫室，二氧化碳水溶液可作為冷卻用水。水溶液流經(jīng)水簾釋放出的二氧化碳被風(fēng)機(jī)抽入植物光合作用區(qū)，提升該區(qū)域的大氣中二氧化碳的濃度。
5.二氧化碳增施量的調(diào)控
在常溫常壓下，二氧化碳補(bǔ)充量y、氣源二氧化碳濃度cco2與植物光合作用區(qū)的供水量v水符合以下關(guān)系式：
y=k(cco2×v水)；
式中：
y為植物區(qū)要求的二氧化碳增施量，單位g/m2.hr；
cco2為用于增施氣體中的二氧化碳的含量，單位為v/v；
v水為植物區(qū)供水量，單位l/m2.hr；
k:a為水體溫度下二氧化碳的飽和溶解度與水密度之積，單位為g/l；
通過調(diào)控氣源二氧化碳濃度cco2和植物光合作用區(qū)的供水量v水，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳增施的量控制。
例1：在25℃下，采用純二氧化碳?xì)怏w補(bǔ)碳,增施量要求為5g/m2.hr，進(jìn)入光合作用區(qū)的水量為v水=(5/1.5)/0.965=3.45l/m2.hr。
例2：在25℃下，增施量要求為5g/m2.hr，采用電廠煙道氣（含二氧化碳約13%）氣源，所需的攜帶水量為v水=〔5/（0.13×1.5)〕/0.965=26.6l/m2.hr。
6.本發(fā)明實(shí)施涉及的主要裝置
1）二氧化碳?xì)庠丛O(shè)備a
根據(jù)氣源種類，包括：
--液體二氧化碳?xì)馄?，含減壓器及輸送管：
--液體二氧化碳貯罐，含汽化器及輸送管，控制及安全裝置：
--氣態(tài)二氧化碳輸送，含輸送管道、控制及安全裝置。
2）二氧化碳溶解設(shè)備b
應(yīng)具有以下功能設(shè)施：
--密封，可采用浮筒或封閉容器；
--具有水流進(jìn)出口；
--具有二氧化碳?xì)怏w輸入口；
--具有超壓保護(hù)設(shè)施；
--具有均勻混合器。
3）貫通設(shè)備a、b的設(shè)備氣體控制系統(tǒng)c
包括：
--有伺服自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的氣體減壓閥；
--有伺服自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的流量調(diào)節(jié)閥；
--壓力、溫度顯示儀表；
--液體二氧化碳汽化器（使用液體二氧化碳?xì)庠磿r(shí)）。
4）農(nóng)用水輸送設(shè)備d
包括：
--耐壓水管；
--及泵或其他動(dòng)力裝置；
--水流量控制閥。
5）二氧化碳釋放設(shè)備e
位于植物光合作用區(qū)的滴灌管、噴淋管、霧培管、水簾冷卻系統(tǒng)等。
6）二氧化碳?xì)怏w壓力及含量、水流量的檢測(cè)和控制系統(tǒng)f
--氣源二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)g；
--農(nóng)用水流量監(jiān)測(cè)及控制；
--植物光合作用區(qū)內(nèi)的二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)儀；
以上數(shù)據(jù)的組合后的智能化控制系統(tǒng)。