日光溫室內(nèi)空氣源肥源性能研究

日光溫室內(nèi)空氣源肥源性能研究

國內(nèi)外科學家通過肯定二維施肥效果，共同認為解決co2來源問題非常重要。發(fā)達國家設施栽培發(fā)展較早,CO2施肥技術相對成熟和完善,經(jīng)過多年探索均確定了各自條件下的肥源類型,如荷蘭98%加溫溫室以天然氣為燃料,采用中央鍋爐燃氣作肥源;日本則主要利用以煤油為燃料的CO2發(fā)生機。我國目前生產(chǎn)中CO2施肥方法有多種,但對其性能缺乏綜合評價。本試驗對常見肥源進行比較研究,以期為合理選擇肥源和進行有目的改進提供依據(jù)。1材料和方法1.1燃料燃燒法co-調(diào)濕法化學反應法采用鑄友牌平衡式BZ7-Ⅱ型CO2氣肥發(fā)生器(山東淄博高新技術開發(fā)區(qū)鑄友新技術發(fā)展公司生產(chǎn)),硫酸和碳銨反應產(chǎn)生CO2,經(jīng)水吸收過濾輸出純凈氣體;燃料燃燒法采用長纓牌福氣號氣肥機(北京長纓機電設備廠制造),將蜂窩煤爐的燃氣由煙囪吸入壓縮機內(nèi),在高速旋轉葉輪作用下與藥液反應,去除其中有害成分后輸出純凈CO2;CO2顆粒氣肥從山東商河省農(nóng)科院原子能所高新技術實驗廠購進,該產(chǎn)品以碳酸鈣為原料,與無機酸為載體、工藝調(diào)理劑按科學配比組合加工而成,施入土壤后在適宜條件下緩慢釋放CO2;鋼瓶液體CO2為化工副產(chǎn)品,純度99.9%,購自泰安市氧氣廠。1.2測試方法1.2.1空室內(nèi)測量1實驗設備及測點安裝2000年4月12～14日在山東農(nóng)業(yè)大學教學基地拱圓大棚內(nèi)測定。大棚高3m,跨度8m,長度50m,其中施肥區(qū)長30m,對照區(qū)長20m,中間用塑料薄膜隔離。導氣管長30m,安裝在距地面2.2m、與棚兩側等距處。施肥器安裝在棚體一端,由其向另一端沿導氣管每隔5m作一標記,每處標記設3個測試點(距地面1.2m,距棚中軸面0、1.5、3m),共21個測試點。化學反應法導氣管孔距1.5m,煤球燃燒法導氣管孔距2.0m。開始施肥后化學反應法每5min測定一次,煤球燃燒法每15min測定一次,每次測定21個點的CO2濃度,重復2次。對照區(qū)同時測定。每種肥源重復試驗3次。2顆粒氣肥釋放量測定2000年4～6月在山東農(nóng)業(yè)大學校本部進行。同時扣置兩個小拱棚,高度0.6m,寬度0.9m,長度1.5m。一棚于4月11日按產(chǎn)品說明施入0.5kg顆粒氣肥,覆土厚度1cm;另一棚作對照。此后每隔3～4d測定一次,每次測定8:00～9:00、10:00～11:00、13:00～14:00、15:00～16:00、17:00～18:00和18:00～翌日8:00CO2釋放量。試驗期間保持土壤濕潤疏松。1.2.2黃瓜組法1施肥器及導氣流2000年1～2月在肥城農(nóng)業(yè)高新技術示范區(qū)日光溫室內(nèi)配合CO2施肥生產(chǎn)試驗測定。日光溫室長95m,跨度8.5m,脊高3.6m,用塑料薄膜分隔為3部分:對照區(qū)長18m;化學反應法施肥區(qū)長45m,施肥器安裝在小區(qū)中央向兩端延伸;煤球燃燒法施肥區(qū)長32m,施肥器安裝在小區(qū)一端。導氣管安裝在距地面2m、距后墻4m處,東西延伸,孔距同化學反應法。從施肥器開始,每5m作一標記,每處標記設3個測試點(高度同黃瓜冠層高度1.3m,距導氣管垂直面0、1.5、3m)。黃瓜品種山農(nóng)5號,結果盛期測定。2黃瓜黃瓜處理1998年12月～1999年3月在泰安市省莊日光溫室測定。日光溫室長50m、跨度8.0m、脊高2.8m,施肥區(qū)和對照區(qū)用塑料薄膜隔離。12月13日黃瓜開始結果后按40kg/667m2用量將顆粒氣肥撒施于地膜下,12月20日和30日分別測定施肥區(qū)和對照區(qū)CO2濃度日變化。定測溫室前、中、后不同位置和近地面、1.5m高處CO2濃度。黃瓜品種津春3號,冠層高1.1m。采用GXH-305型紅外線CO2分析儀(北京分析儀器廠)測定,PPsystems紅外線CO2分析儀(英國)輔助測定。2結果與分析2.1產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣量2.1.1燃燒煤球216min根據(jù)空棚測定結果并計算得出:1×10-3m3硫酸(62%)與碳銨反應持續(xù)12～16min,產(chǎn)生CO20.355m3;一塊煤球(重量燃前0.563kg,燃后0.238kg)燃燒持續(xù)70～90min,產(chǎn)生CO20.146m3;1kg顆粒氣肥施入土壤后50d累計釋放CO20.257m3。2.1.2產(chǎn)氣速度1co釋放速率的變化經(jīng)測試,0.85×10-3m3硫酸(62%)持續(xù)反應10～15min,1.6×10-3m3硫酸反應20～25min。圖1是0.85×10-3m3硫酸與碳銨反應時CO2釋放速率的變化。0～5min反應最劇烈,CO2釋放量最多,平均釋放速率0.036～0.042m3/min;5～10min反應減弱,平均釋放速率為前者1/2,約0.017～0.025m3/min;10～15min反應近完成,只有少量氣泡冒出,平均產(chǎn)氣速率0～0.003m3/min。2d釋放速率隨時間的變化煤球燃燒時間長短與煤球質(zhì)量、煤爐種類及燃燒條件有關,50～90min不等。煤球燃燒過程中CO2釋放速率呈單峰曲線,最大產(chǎn)氣速率出現(xiàn)于燃燒近一半時?？张餃y定表明,一塊煤球持續(xù)燃燒70～90min,30～45min時CO2釋放速率最大,平均7.02×10-3m3/min。在此之前煤球尚未完全引燃,在此之后燃燒殆盡,釋放速率均明顯降低(圖2)。3co釋放速率日變化顆粒氣肥施入土壤后緩慢釋放CO2。施肥后51d內(nèi)CO2日釋放總量的變化見圖3a。施肥后7d左右釋放量最大,約9.81×10-3m3/(d·kg),此后逐漸減少。第28d的釋放量只為最高值的57.14%;第51d釋放量僅為最高值的12.94%。將每天相同時段CO2釋放速率計算平均值,得到CO2釋放速率日變化曲線(圖3b)。一日中CO2釋放速率最大值出現(xiàn)在下午13:00～14:00,且下午釋放速率高于上午。與CO2日釋放總量的變化和天氣條件綜合分析,說明顆粒氣肥的CO2釋放速率與土壤溫度、濕度密切相關。2.2時空分布特征2.2.1對肥源距離的影響空棚測定0.85×10-3m3硫酸(62%)與碳銨反應時的CO2時空分布,結果如圖4a。0～10min,距肥源不同距離點CO2濃度均迅速上升,近肥源點增加更明顯,因而第10min時,與肥源距離越遠的點,CO2濃度越低。15min后近肥源點CO2濃度開始下降,遠肥源點CO2濃度繼續(xù)上升,這主要由于CO2濃度梯度所產(chǎn)生的擴散作用。作物群體測定結果表明,0～5min各點CO2濃度均上升,以0m和5m處上升幅度最大。第5～10min,雖然反應繼續(xù)進行,但各位點濃度都開始減小,且近肥源點的減小速度大于遠肥源點(圖4b)。原因可能是:5～10min時CO2釋放速率減小,此時黃瓜旺盛的群體光合消耗加上因濃度梯度產(chǎn)生的擴散作用,導致各點CO2得不償失,濃度下降。近肥源點CO2濃度梯度大,擴散速度快,濃度降低也快。2.2.2d釋放特點煤球燃燒過程中源源不斷產(chǎn)生CO2,空棚內(nèi)各點CO2濃度持續(xù)上升,距肥源越近,上升速度越快,CO2濃度越高(圖5a)。延長施肥時間,不同位點濃度梯度加大,但低于化學反應法。作物群體CO2分布特點表現(xiàn)為:相同時間測定,遠距離點CO2濃度較低;0～5m處CO2濃度30min以前增加,然后下降,10～20m處CO2濃度持續(xù)下降(圖5b)。近肥源點CO2濃度上升說明CO2釋放量大于群體光合消耗和擴散損失,遠肥源點CO2濃度下降則由于CO2釋放量不足補償光合消耗和擴散損失所致。后期不同位點CO2濃度均降低可能與煤球燃燒將盡CO2釋放量減少有關。2.2.3驗證試驗及施肥量由圖6看出,增施顆粒氣肥對日光溫室CO2濃度日變化曲線無顯著影響。早晨揭苫之前,施肥區(qū)與對照區(qū)CO2濃度相差最大,約高出70～100μL/L,揭苫后由于群體光合作用,彼此差異減小。13:30前后施肥區(qū)CO2濃度僅比對照區(qū)高20～30μL/L,中午通風時相差更小。這說明顆粒氣肥的CO2釋放量和釋放速度均較低,40kg/667m2用量不能改善日光溫室CO2環(huán)境。2.3肥源使用和成本CO2肥源成本至少包括原料成本和設備折舊成本兩部分。根據(jù)產(chǎn)氣量和原料消耗量計算產(chǎn)生1m3CO2的原料成本,化學反應法為7.09元,煤球燃燒法為0.89元,CO2顆粒氣肥為11.67元,鋼瓶液體CO2為3.93元。若以1年施肥100d、采用煤球燃燒法每天施肥3h、消耗煤球3塊為標準計算年CO2消耗量:0.146×3×100=43.8m3。同時假定各種肥源的設備投資和使用年限如下:化學反應法:鑄友牌CO2發(fā)生器和導氣管,價格218元,使用年限5年。煤球燃燒法:長纓牌福氣號氣肥機和導氣管,價格480元,使用年限5年。蜂窩煤爐具和煙囪,價格60元,使用年限5年。鋼瓶液化CO2:鋼瓶,價格600元,使用年限10年。減壓閥和導氣管,價格200元,使用年限5年。由此計算產(chǎn)生43.8m3CO2各種肥源的成本如表1。由表1看出,煤球燃燒法原料成本最低,只占化學反應法的12.56%,CO2顆粒氣肥最高,為化學反應法的1.65倍。煤球燃燒法折舊成本最高,比化學反應法增加147.71%,其次是液化CO2,CO2顆粒氣肥最低。由于煤球燃燒法的燃氣凈化需要特殊試劑(10元/袋,使用期約10d),同時需要消耗電力,因此大大增加了運轉成本。從年度總支出比較,煤球燃燒法最低,依次為液化CO2、化學反應法、CO2顆粒氣肥。煤球燃燒法比化學反應法每年節(jié)省支出28.98%。3結論和討論3.1施肥成本分析化學反應法(H2SO4+NH4HCO3)操作簡便,反應迅速,產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速度大,1×10-3m3硫酸(62%)與碳銨反應可在12～16min內(nèi)完成,生成的CO2可使600m3(面積300m2,平均高度2m)設施空間濃度升高500～600μL/L。經(jīng)測定,上午10:00前后,日光溫室結果期黃瓜、番茄群體CO2濃度降低速度約每小時200～300μL/L。因此,一次施肥可滿足2～3h的群體CO2消耗。由于距肥源15～20m范圍內(nèi)CO2分布較均勻,所以施肥器最好安裝在棚室中部,向兩端延伸。表1對化學反應法原料成本的計算未考慮反應產(chǎn)物(NH4)2SO4的再利用。若將其作為肥料折算,則該肥源的原料成本約220.31元/年,總成本約263.91元/年,與煤球燃燒法和瓶裝液體CO2接近。大面積CO2施肥時工業(yè)硫酸的供求矛盾能否解決是該肥源應用中遇到的突出問題。3.2燃燒時間對區(qū)域co煤球燃燒法取材方便,成本低廉,并可在一定程度上實現(xiàn)溫室供暖與CO2施肥的統(tǒng)一。CO2發(fā)生速度受煤球質(zhì)量和燃燒條件限制,一塊煤球通常可持續(xù)燃燒45～90min,產(chǎn)生0.146m3CO2。若以燃燒60min計算,產(chǎn)生的CO2可使600m3設施空間濃度上升240μL/L,與群體CO2降低速度相近。距肥源20m以內(nèi)CO2分布較均勻。由表1明顯看出,煤球燃燒法原料成本最低,但設備折舊成本最高,一次性投入較大,燃氣處理所需化學試劑價格偏高,限制了在生產(chǎn)中的應用,因此如何降低設備和試劑成本是進一步研究重點。3.3kfp的釋放顆粒氣肥的最大特點是使用方便,省時省力。缺點是可控性差。于國華等、吳德芳等研究表明,顆粒氣肥施入土壤后可緩慢釋放CO2,并顯著提高上午棚室內(nèi)CO2濃度,