碳元素占作物干物质的45%,大气CO2 是作物碳素的惟一来源,光合作用是其碳素摄取的惟一方式<1>。环境CO2 浓度对作物光合作用有很大影响,决定其碳同化能力和生长状况。适宜作物生长的CO2 浓度为 600~1500mL/m3,正常情况下大气中CO2 浓度仅为300 mL/m3,远不能满足作物生长需求。在封闭的温室中,CO2 浓度甚至降至 100 mL/m3 以下,严重影响作物生产能力。大量研究和实践表明,适当提高棚内 CO2 浓度,尤其是光照充足时段的CO2 浓度,可以大大促进作物生长,改善作物果实品质,增加作物产量<2>。1 CO2 施肥依据和现状根据作物光合特性,CO2 施肥应分两个阶段进行。第一阶段,在光合作用旺盛时段到来时以很高速率开始供气,使CO2 浓度迅速升至作物生长适宜浓度,供气量取决于温室容积;第二阶段,光合旺盛时段根据作物光合消耗稳定供气,维持棚内 CO2 浓度为作物生长的适宜浓度,供气量由棚内作物光合消耗决定。在此阶段,作物将大量的 CO2 转化成营养物质,CO2 施肥时关键是保证此阶段的合理供给<3>。然而,目前的气肥施用很少考虑作物需求,往往采用一次性喂饱的方式,只考虑第一阶段的供气要求<4>;或连续不加控制的供给 CO2,造成 CO2 浓度过高或CO2 最佳浓度时间偏离作物需求时间,供气效果不理想<5>。为此,本文立足我国农业耕作现状,以作物生长 CO2 需求规律为依据,以施用方便为原则,采用合肥工业大学化工学院研制的控释剂HB,将其与碳铵、水混合反应,达到控制释放 CO2的目的。2 试验材料与方法采用碳铵作基料,与控释剂HB在水中反应,控制释放CO2, 本文对加水量和物料配比对反应的影响进行了研究。为了消除温度的影响,根据温室生产状况,试验在恒温25℃进行<6>。先将碳铵与控释剂HB 按比例混合均匀后装入反应器中,连接好试验装置,通过分液漏斗快速加入一定量 25℃的水(在 2min 内完成),同时开始计时。用KOH溶液吸收释放出来的CO2,每隔一定时间切换吸收瓶,并用双指示剂法分析吸收液中 CO2 含量。为保证 2min 内加水完全,在分液漏斗口用一小型气泵进行加压,加水完毕立即关闭分液漏斗旋塞,断开气泵。起始阶段气体释放很快,采用二级吸收装置确保吸收完全,试验装置见图1。图1 CO2 发生与吸收装置示意图1.分液漏斗 2.铁架台 3.反应器 4.低温恒温槽 5.小型气泵 6.气液分离器 7.拷克 8.单级吸收 9.二级吸收装置 10.磁力搅拌器3 试验结果与分析3.1 加水量的影响取物料配比为nNH4HCO3∶nHB=1∶1.5,在25℃下改变反应加水量进行试验,研究加水量对反应的影响情况,试验结果如图2。图2 不同加水量时CO2 释放速率曲线加水量减少时,起始阶段的反应速率提高,起始阶段的碳铵消耗量相应增加,从而导致后续反应的碳铵量太少,CO2 释放速率低,控释效果较差,因此要根据具体情况选择合适的加水量。3.2 物料配比的影响取加 水量为50mL,反应温度为25℃,改变物料配比进行试验,研究物料配比对反应的影响,试验结果如图3。图3 不同物料配比时CO2释放速率曲线当改变物料配比时,起始阶段释放速率改变很大,但反应20min后,CO2 释放速率基本保持恒定,且没有太大差别。这主要是由于控释剂在水中按HB H++B-发生电离,根据酸碱质子理论,随着反应进行,HB和它的共轭碱 B- 组成缓冲溶液,溶液 H+ 浓度基本保持稳定,而在起始阶段,溶液H+浓度改变较大,故反应进行很快。从供气速率方面考虑 ,物料配比选择1∶1.5较为适宜。3.3 控释剂性能的优化综观以上试验结果,到反应稳定阶段,CO2 的释放速率与施肥效果还不能满足作物光合作用的需求。因此,本文采用表面活性剂和表面包膜两种方法对控释剂进行表面处理,以期提高稳定阶段 CO2的释放速率。取物料配比为 nNH4HCO3∶nHB=1∶1.5,加水量50mL,反应温度25℃时进行试验,试验结果如图4。图4 不同处理方法稳定阶段CO2 释放速率曲线对控释剂进行处理后,稳定供气阶段 CO2 释放速率有所提高,稳定供气时间得到延长。其主要原因:在物料表面形成一层憎水膜,反应起始阶 段,由于膜的阻隔作用,控释剂和水的接触减弱,导致控释剂电离出H+的能力减弱,起始阶段溶 液H+浓度降低,反应速率降低,起始阶段的反应进度减小。由于起始阶段物料消耗减少,后续反应阶段,体系H+和HCO3-浓度仍维持较高值,所以,稳定阶段 CO2 释放速率得到提高。4 小结a.控释剂 HB 可以和碳铵控制性反应释放CO2,反应的加水量和物料配比对反应进程有较大的影响。施肥时应根 据作物需求状况调节加水量和物料配比,控制供气速率,使之与作物需求状况相吻合。b.用表面活性剂和表面包膜对控释剂进行表面处理,提高了稳定阶段的CO2 释放速率,延缓了反应进程,反应可控性得到提高。c.施肥时只需将控释剂与碳铵按比例混合,置于一塑料盆内,然后按比例对水即可,操作安全、方便,易于推广。气源之间的距离根据 CO2 扩散速率和作物生长的适宜CO2 浓度确定。碳铵基CO_2气肥控释技术研究@韩效钊$合肥工业大学化工学院!合肥230009
@梁玉龙$合肥工业大学化工学院!合肥230009
@张雪琴$合肥工业大学化工学院!合肥230009
@高新勤$合肥工业大学化工学院!合肥230009温室;;CO2气肥;;控释剂;;碳酸氢铵 研究了在控释剂作用下碳铵释放CO2 的影响因素,考察了物料配比、加水量对碳铵释放CO2 规律的影响;采用表面包膜和表面活性剂处理两种方法对控释剂进行表面处理,使碳铵释放CO2 的控制效果得到很大改善,基本满足了实际生产施肥的需要;反应液富含大量N、P、K等营养元素 ,运用液肥复配技术,可将其配制成叶面肥料,从而提高养分利用率和施肥经济效益。<1> 高 井康雄著.植物营养与技术
.敖光明,梁振兴译.北京:农业出版社,1988.911,5169,395416.
<2> 汪永钦,刘荣花,王良启.日光温室蔬菜栽培中人工增施CO2技术.应用气象学报,1997,8(4):460468.
<3> 梁玉龙,韩效钊,钱 佳,等.CO2施肥技术现状与发展.化肥工业,2004,31(2):912.
<4> 王良启,晋学彦.温棚蔬菜栽培中不同CO2增释方式试验结果分析.河南气象,1997(1):2930.
<5> 刘益同,王志芬,吴德芳,等.温室塑料大棚专用新型二氧化碳颗粒气肥研制成功.化肥工业,1995,22(5):2024.
<6> 李汉浸,张相梅.塑料大棚内小气候分析及增产措施.河南气象,1994(2):23.安徽省教育厅重点科研项目(2003kj007zc);;
合肥工业大学学生创新基金项目(XS04015)气肥;;控释剂;;碳酸氢铵 研究了在控释剂作用下碳铵释放CO2 的影响因素,考察了物料配比、加水量对碳铵释放CO2 规律的影响;采用表面包膜和表面活性剂处理两种方法对控释剂进行表面处理,使碳铵释放CO2 的控制效果得到很大改善,基本满足了实际生产施肥的需要;反应液富含大量N、P、K等营养元素 ,运用液肥复配技术,可将其配制成叶面肥料,从而提高养分利用率和施肥经济效益。<1> 高 井康雄著.植物营养与技术.敖光明,梁振兴译.北京:农业出版社,1988.911,5169,395416.
<2> 汪永钦,刘荣花,王良启.日光温室蔬菜栽培中人工增施CO2技术.应用气象学报,1997,8(4):460468.
<3> 梁玉龙,韩效钊,钱 佳,等.CO2施肥技术现状与发展.化肥工业,2004,31(2):912.
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合肥工业大学学生创新基金项目(XS04015)
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