Субстрат для выращивания растений

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

" 2"-- ---....., Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4951842/13 (22) 28.0691 (46) 30.10.93 Бюп йа 39-40 (71) Институт медико-биологических проблем (72) Подольский И.Г„Машинский АЛ„Нечитайло

Г.С. (73) Институт медико — биологических проблем (54) СУБСТРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ (v) R (и) 200156З(:1 . (51) 1 00 у д (57) Область использования: сельское хозяйство, в частностц при культивировании растений в контролируемых условиях Сущность изобретения: субстрат выполнен из пористого материала, имеющего открьпые поры аэрации и водоудерживающие поры. При этом открытые поры аэрации имеют характерный диаметр 13 — 2,5 мм, а характерный диаметр водоудерживающих пор в 2 — 13 раз меньше диаметра пор аэрации. 2 ил, 1 табл. Э

М

О\ (фЭ

2001563

Изобретение относится к искусственным средам для выращивания растений, в частности. в условиях невесомости, Известен субстрат для выращивания растений, выполненный иэ основания и имеющий открытые поры.

Недостатком известного субстрата является того, что он не может обеспечить благоприятный водно-воздушный режим для корней растений во всем объеме субстрата, в том числе в условиях невесомости, а стабильная подача питательного раствора к корням растений осуществляется только в основании.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому субстрату является выбранный в качестве прототипа субстрат для выращивания растений, выполненный из пористого материала и имеющий открытые поры.

Недостатком известного субстрата является то, что он в широком диапазоне влажности из-за отсутствия дифференциальной порозности имеет неудовлетворительные свойства для корневого дыхания растений, а благоприятный водно-воздушный режим для корней обеспечивается только в ограниченном слое субстрата, что неблагоприятно сказывается на развитии растений и снижает урожайность, в том числв в условиях невесомости.

В большинстве естественных и искусственных пористых тел пустоты распределены беспорядочно. Поэтому структура таких тел может быть описана только статистиче. ски посредством характерных диаметров пор. Подобно элементарным почвенным частицам поры в почве представлены спектром размеров. Распределение обьемов пор по размерам — одна из основных структурных характеристик почвы. Для расчета распределения объемов пор по размерам использую зависимость между десорбцией воды и удерживающими ее силами (потенциалом воды) во всем диапазоне влажности.

Для экспериментального определения распределения пор по размерам применяют метод вдавливания в поры несжимэк щейся жидкости — ртути (метод ртутной порометрии). Эти величины дают представление о характерных диаметрах пор, В большинстве субстратов отношения между жидкой и газовой фазами непрерывно изменяются, поскольку почва периодически подвергается увлажнению и

Иссушению. Поскольку часть парового пространства субстрата, занятая воздухом, неустойчива и зависит от влажности субстрата, постольку ее пытаются определять при некоторой характерной величине влажности субстрата. Часть объема порового пространства, занятую при этой влажности воздухом, называют порозностью аэрации.

Пороэность аэрации зависит от многих факторов, не всегда поддающихся управлению с помощью хозяйственной деятельности человека. Прежде всего она зависит OT гранулометрического состава. Вместе с тем характеристику пороэности аэрации в качестве показателя аэрации почвы использовать нежелательно. Это связано с тем, что скорость обмена воздуха в субстрате, а не его содержание, является решающим фактором благоприятных условий культивировани растений. При высоких величинах влажности субстрат часто содержит изолированные объемы защемленного воздуха, которые по объему могут быть равны порозности аэрации, но они не обмениваются газами с атмосферой, Это особенно сильно проявляется в условиях невесомости, когда отсутствует гравитационный механизм передвижения влаги в субстрате, при этом в ненасыщенном водой состоянии (трехфазной системе) воздух занимает более крупные поры (поры аэрации). а вода — более мелкие (водоудерживающие поры).

В основу изобретения положена задача повышения урожайности путем улучшения водно-воздушного режима субстрата.

Задача решена тем, что субстрат для выращивания растений, выполненный из пористого материала и имеющий открытые поры, содержит поры аэрации с характерным диаметром 1.8 -2,6 мм и водоудерживающие поры, имеющие характерный диаметр в 2 — 13 раэ меньше диаметра пор аэрации.

Заявляемый субстрат позволяет увеличить общий выход биомассы и веса сухого вещества, выращенного на субстрате с порами аэрации, имеющими характерный диаметр в диапазоне 1,8-2,6 мм.

Как следует иэ описания к авт. св. Q

942268 (прототип), пористый поливинилфсрмаль (ППВФ) — пористый материал с открытыми порами, имеющий один характерный диаметр. Испытания ППВФ включали три опыта на субстратах иэ ППВФ ра зл ич ной структуры:

1 — из мелких, произвольно нарезанных кусочков (шихты);

2 — иэ блока ППВФ с размерами в двух перпендикулярных направлениях через 0,5 см;

3 — иэ монолитного блока ППВФ.

В опытах 1 и 2 эа счет произвольной нарезки кусочков вещества (шихты) ППВФ (опыт 1) либо за счет разрезов (опыт 2) создается еще один характерный диаметр по2001563

0.3

d" "= — "

2д Сова

Г2 рового пространства, обеспечивающий более благоприятные условия культивирования растений. В обоих случаях это приводит к увеличению процента цветения тюльпанов. Вместе с тем. закономерностей изме- 5 нения пофового пространства в описании

-прототипа не приводится.

Авторы ставили своей задачей решение вопроса о соотношении размеров пор и пришли к выводу о целесообразности нали- 10 чия двух характерных диаметров пор (т. е, пор аэрации и водоудерживающих пор) с размерами, указанными в формуле.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый субстрат 15 отличается наличием пор аэрации с характерным диаметром 1,8+2,6 мм и водоудерживающих пор, имеющих характерный диаметр в 2-13 раз меньше диаметра пор аэрации. 20

Таким образом, заявляемый субстрат соответствует критерию "новизна".

На фиг. 1 представлен один иэ вариантов субстрата для выращивания растений, поперечный разрез; на фиг. 2 показана зависимость скорости впитывания питательного раствора на начальной стадии процесса от радиуса капилляра.

Кэк видно из фиг. 1, субстрат 1 содержит поры аэрации 2 и водоудерживающие поры 30

3, равномерно расположенные в теле субстрата. При этом характерный диаметр пор аэрации составляет 1,8 2.6 мм, причем характерный диаметр водоудерживающих пор в 2 13 раз меньше диаметра пор аэра- 35 ции.

Субстрат работает следующим образом.

В начале капиллярной пропитки при подаче питательного раствора он сосредота- 40 чивается в основном в порах аэрации, это достигается за счет того, что характерный диаметр пор аэрации обеспечивает наибольшую скорость впитывания питательного раствора субстратом на стадии 45 увлажнения, при этом осуществляется более равномерное распределение питательного раствора по объему субстрата.

Как видно из фиг. 2, существует некоторый критический радиус rr p, при котором 50 скорость впитывания питательного раствора имеет максимальное значение, Существование укаэанного критического радиуса подтверждено экспериментально, С целью оценки диапазона характерно- 55 го диаметра пор аэрации вблизи критического радиуса 1 р (фиг. 2) были проведены эксперименты по выращиванию культуры редиса, В качестве примера был выбран пористый поливинилформаль (ППВФ). Характерный диаметр водоудврживающих flop был определен по формуле бюрена. где Г -- высота капиллярного поднятия. Для

H = 15 см, с12 = 0,2 см.

Характерный диаметр пор аэрации и экспериментальном варианте определялся как 90> < á + 2,4 мм. В качестве контрольного варианта использовался образец

ППВФ, выполненный в виде монолитного блока : В качестве вариантов по заявляемому субстрату использовался ППВФ, выполненный с порами аэрации, имеющими характерный диаметр в диапазоне 1,8-2,6 мм и вблизи этого диапазона.

Эксперименты выявили существенное различие величин общего выхода биомассы и веса сухого вещества, выращенного на субстрате с порами аэрации, имеющими характерный диаметр в диапазоне 1.8 2,6 мм, и контрольными вариантами.

Данные эксперименты приведены в таблице (1991 r.).

На заключительной стадии кэпиллярной пропитки происходит перераспределение питательного раствора из пор аэрации в водоудерживэющие поры и полное освобождение пор аэрации от питательного раствора. Во всех известных субстратах не происходит полного освобождения пор аэрации от питательного раствора, что приводит к ухудшению условий корневого дйхания и снижению урожайности, Для доказательства сказанного выше рассмотрим модель капиллярной пропитки субстрата на стадии перераспределения питательного раствора, Если обозначить угол натекэния, образующийся при медленном втекании жидкости в капилляр, через а „, то давление Р,, вызывающее самопроизвольное втекание жидкости в капилляр круглого сечения радиуса t2 со стенками, параллельными оси, будет где о — поверхностное натяжение.

При выталкивании жидкости из капилляра угол смачивэния изменится, так KBK жидкость будет проходить по ранее смоченной поверхности. Известно. что угол стекания а с всегда меньше, чем угол нэтекэния а н. Давление Prr, требующееся pns rrvranкивэния жидкости из капилляра круглого се2001563

Cos а, Р» 20 г1

r2 Cosа, r1 Сов ас чения радиуса f1 со стенками, параллельными оси, будет где о- поверхностное натяжение.

Так как а, > а,, то Р» > Р, I

Различие между a иа, или так называемый гистерезис угла смачивания может достигать 60 на гладких поверхностях и значительно больше на шероховатых. Углы натекания, измеренные при капиллярной пропиткв различных почв. составляет от

55до 84 (5).

Для того, чтобы вода из пор аэрации перераспределилась в водоудерживающие поры, необходимо Р» > Р» или

Учитывая приведенные углы натекания и гистереэис угла смачивания, получают то, что характерный диаметр водоудерживающих пор должен быть в 2 13 раз меньше характерного диаметра пор аэрации. Эти данные подтверждаются результатами экспериментов.

Формула и зоб рете н и я

СУБСТРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ, выполненный из пористого материала, имеющего открытые поры. отличающийся тем, что пористый материал

За счет выполнения указанных соотношений обеспечивается полное освобождение пор аэрации от питательного раствора, что особенно важно в условиях невесомо5 сти, когда отсутствует гравитационный механизм опорожнения пор аэрации, Благодаря этому во всем объеме субстрата сохраняется значительное количество воздуха, что обеспечивает благоприятные усло10 вия водно-воздушного режима корневых систем растений независимо от величины слоя субстрата, что приводит к наиболее полному использованию порового пространства субстрата и повышению урожай15 ности. (56) Авторское свидетельство СССР

М 973080, кл. А 01 G 31/00, 1982.

Авторское свидетельство СССР

20 М 942268. кл. А 01 G 31/00, 1983.

Сумм Б.Д„Рауд Э,Ф., Горюнов Ю.В.

Начальная стадия капиллярного впитывания. — Колл. журн., 1979, т. 41. с. 601-604.

Роде А.А. Основы учения о почвенной

25 влаге. Т. 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1965, с. 50.

Вершинин П.В. и др. Основы агрофизики. M.: ФИзматгиз, 1959.

Воро11ин А.Д. Основы физики почв, Учебное пособие. М.: Издательство Москов30 ского университета, 1986. с. 113-114. содержит открытые поры аэрации с характерным диаметром 1,3 - 2,6 мм и водоудерживающие открытые поры, имеющие

55 характерный диаметр в 2 - 13 раз меньше диаметра пор аэраци .

2001563 уР 80

Составитель И.Подольский

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор H Король

Редактор Л,Павлова

Тираж Подписное

ИП0 "Поиск" Роспатента

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Заказ 3137

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина.. 101