Субстрат для выращивания растений

(54) СУБСТРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ(57) Область использования. сельское хозяйство, в частности, 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 1,3 - 2,5 мм, а характерный диаметр водоудерживающих пор в 2 - 13 раз меньше диаметра пор аэрации. 2 ил, 1 табл.Изобретение относится к искусственным средам для выращивания растений, вчастности, в условиях невесомости,Известен субстрат для выращиваниярастений, выполненный иэ основания иимеющий открытые поры.Недостатком известного субстрата является того, что он не может обеспечитьблагоприятный водно-воздушный режимдля корней растений во всем обьеме субстрата, в том числе в условиях невесомости,а стабильная подача питательного растворак корням растений осуществляется только восновании.Наиболее близким по технической сущности к заявляемому субстрату является выбранный в качестве прототипа субстрат длявыращивания растений, выполненный изпористого материала и имеющий открытыепоры.Недостатком известного субстрата является то, что он в широком диапазоневлажности из-за отсутствия дифференциальной порозности имеет неудовлетворительные свойства для корневого дыханиярастений, а благоприятный водно-воздушный режим для корней обеспечивается только в ограниченном слое субстрата, чтонеблагоприятно сказывается на развитиирастений и снижает урожайность, в том числв в условиях невесомости.В большинстве естественных и искусственных пористых тел пустоты распределены беспорядочно, Поэтому структура такихтел может быть описана только статистиче. ски посредством характерных диаметровпор. Подобно элементарным почвенным частицам поры в почве представлены спектром размеров, Распределение обьемов порпо размерам - одна из основных структурных характеристик почвы. Для расчета распределения объемов пор по размерамиспользую зависимость между десорбциейводы и удерживающими ее силами (потенциалом воды) во всем диапазоне влажности.Для экспериментального определения распределения пор по размерам применяютметод вдавливания в поры несжимаащейсяжидкости - ртути (метод ртутной порометрии). Эти величины дают представление охарактерных диаметрах пор,В большинстве субстратов отношениямежду жидкой и газовой фазами непрерывно изменяются, поскольку почва периодически подвергается увлажнению ииссушению. Поскольку часть парового пространства субстрата, занятая воздухом, неустойчива и зависит от влажностисубстрата, постольку ее пытаются определять при некоторой характерной величине5 10 15 20 25 30 35 40 45 влажности субстрата. Часть обьема 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 от 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 культивированиа растений. При высоких величинах влажности субстрат часто содержит изолированные объемы защемленного воздуха, которые по обьему 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. Ь 942268 (прототип), пористый поливинилфсрмаль (ППВФ) - пористый материал с от 50 55(опыт 1) либо за счет разрезов (опыт 2) создается еще один характерный диаметр покрытыми порами, имеющий один характерный диаметр. Испытания ППВФ включали три опыта на субстратах из 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) ППВФ0.3Н 2 гг Соваяг 2 рового пространства, обеспечивающий более благоприятные условия культивирования растений, В обоих случаях это приводитк увеличению процента цветения тюльпанов. Вместе с тем, закономерностей изменения порового пространства в описаниипрототипа не приводится.Авторы ставили своей задачей решениевопроса о соотношении размеров пор ипришли к выводу о целесообразности наличия двух характерных диаметров пор (т. е,пор аэрации и водоудерживающих пор) сразмерами, указанными в формуле.Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый субстрат 15отличается наличием пор аэрации с характерным диаметром 1,8+2,6 мм и водоудерживающих пор, имеющих характерныйдиаметр в 2-13 раз меньше диаметра пораэрации, 20Таким образом, заявляемый субстратсоответствует 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 стадиипроцесса от радиуса капилляра.Кэк видно из фиг. 1, субстрат 1 содержитпоры аэрации 2 и водоудерживающие поры 303, равномерно расположенные в теле субстрата, При этом характерный диаметр пораэрации составляет 1,82.6 мм, причем характерный диаметр водоудерживающихпор в 213 раз меньше диаметра пор аэрации.Субстрат работает следующим образом.В начале капиллярной пропитки при подаче питательного раствора он сосредотачивается в основном в порах аэрации, этодостигается за счет того, что характерныйдиаметр пор аэрации обеспечивает наибольшую скорость впитывания питательного раствора субстратом на стадии 45увлажнения, при этом осуществляется более равномерное распределение питательного раствора по обьему субстрата,Как видно из фиг. 2, существует некоторый критический радиус гр, при котором 50скорость впитывания питательного раствора имеет максимальное значение, Существование укаэанного критического радиусаподтверждено экспериментально,С целью оценки диапазона характерного диаметра пор аэрации вблизи критического радиуса 1 р (фиг, 2) были проведеныэксперименты по выращиванию культурыредиса, В качестве примера был выбран пористый поливинилформаль (ППВФ). Характерный диаметр водоудврживающих порбыл определен по формуле бюрена,где Р . высота капиллярного поднятия. Для Н = 15 см, О 2= 02 см.Характерный диаметр пор аэрации и экспериментальном варианте определялся как 902012,4 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 г,).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 кэпиллярной пропитки субстрата на стадии перераспределения питательного раствора, Если обозначить угол натекания, образующийся при медленном втекании жидкости в капилляр, через а , то давление Р вызывающее самопроизвольное втекание жидкости в капилляр круглого сечения радиуса г 2 со стенками, параллельными оси, будет где о - поверхностное натяжение. При выталкивании жидкости из капилляра угол смачивэния изменится, так кэк жидкость будет проходить по ранее смоченной поверхности, Известно. что угол стекания и с всегда меньше, чем угол нэтекэния ан, Давление Рк, требующееся для выталкивания жидкости из капилляра круглого се2001563 Соз д2 ог 1 г 2 Соз а, г 1 Созас чения радиуса г 1 со стенками, параллельными оси, будет где о- поверхностное натяжение.Так как а, а то Р) Р,Различие между иа, или так называемый гистерезис угла смачивания может достигать 60 на гладких поверхностях и значительно больше на шероховатых, Углы натекания, измеренные при капиллярной пропитке различных почв, составляет от 55 до 84 Я.Для того, чтобы вода из пор аэрации перераспределилась в водоудерживающие поры, необходимо РкРк 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 изобретен и я СУБСТРАТ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ, выполненный из пористого материала, имеющего открытые поры, отличаю щийся тем, что пористый материал За счет выполнения указанных соотношений обеспечивается полное освобождение пор аэрации от питательного раствора, что особенно важно в условиях невесомо сти, когдаотсутствует гравитационный механизм опорожнения пор аэрации, Благодаря этому во всем объеме субстрата сохраняется значительное количество воздуха, что обеспечИвает благоприятные усло вия водно-воздушного режима корневыхсистем растений независимо от величины слоя субстрата, что приводит к наиболее полному использованию порового пространства субстрата и повышению урожай ности.(56) Авторское свидетельство СССР М 973080, кл. А 01 6 31/00, 1982.Авторское свидетельство СССР 20 М 942268, кл. А 01 6 31/00, 1983.Сумм Б.ДРауд 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. М.: ФИзматгиз, 1959.Воронин А.Д. Основы физики почв,Учебное пособие. М.: Издательство Москов 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 меньшедиаметра пор аэраци