本实用新型属于农业科学技术领域，涉及一种以提升植物光合作用效率为目的的利用农业用水增施二氧化碳的装置。
背景技术：
二氧化碳是植物光合作用合成有机物的基本原料，大气中所含有的二氧化碳（350-450ppm）供给着自然环境中植物生长。研究表明：在光温水肥等条件适宜的条件下，对于大多数植物而言，该浓度低于二氧化碳饱和点，光合效率达不到最大值。温室大棚等农业设施为环境二氧化碳的自然补给制造了障碍，在相对密闭的植物生长环境中，二氧化碳的不足通常成为制约植物生长的主要限制因子。向植物生长区补充并适当提高二氧化碳的含量，可以提高自然光能利用率，获得农作物的增产。
在长期的生产实践中，农业技术人员探索出了多种对温室大棚等封闭空间增补二氧化碳方法，除常用的自然通风换气外，以下几种为已采用或正在逐步推广的人工增施技术：对土壤增施有机肥，通过发酵释放二氧化碳；燃烧甲烷或液化气，释放二氧化碳；碳酸盐酸化释放二氧化碳；干冰埋撒释放；用工业液体二氧化碳，通过气体阀控制定量补充。上述各种发生方式增施二氧化碳均存在着二氧化碳供给不持续和浓度难以控制的问题。以二氧化碳纯品为气源，采用气体控制阀调控补气，虽可保证二氧化碳浓度的可控及稳定，但其高昂的成本制约了这一成熟的工业技术在农业领域中的推广。
技术实现要素：
本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种利用农业用水增施二氧化碳的装置。本实用新型利用二氧化碳在不同气相分压下在水中溶解度的变化，通过二氧化碳的气相分压提升及下降，获得二氧化碳在水溶液溶解和释放，同时借助于农用水的使用，将二氧化碳输送到植物光合作用区并释放到大气环境中，达到增施二氧化碳的目的。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：一种利用农业用水增施二氧化碳的装置，其特征是，该装置包括二氧化碳气源设备、二氧化碳溶解设备、气体控制系统、农用水输送设备以及位于植物光合作用区的二氧化碳释放设备；还设有二氧化碳浓度检测仪，该检测仪用于检测二氧化碳气源设备、二氧化碳溶解设备中的二氧化碳浓度；
通过气体控制系统将二氧化碳气源设备与二氧化碳溶解设备贯通，二氧化碳气源设备内的二氧化碳气体被引入二氧化碳溶解设备，通过气体控制系统提升并保持二氧化碳溶解设备中气相部分的二氧化碳的分压至饱和大气压下；将二氧化碳溶解设备的出水口与农用水输送设备相连，从而将水溶液输送到植物光合作用区；农用水输送设备连接二氧化碳释放设备，水溶液流出二氧化碳释放设备后，二氧化碳气相分压减至500pa，水溶液内过量的二氧化碳溢出并以气态形式释放到植物光合作用区的大气空间内。
进一步地，所述二氧化碳采用纯品二氧化碳或工业二氧化碳排放气；所述纯品二氧化碳的纯度大于99.9%，为气态、液态或固态二氧化碳产品；所述工业二氧化碳排放气为发酵气、化工废气或烟道气；
当二氧化碳气源为液态二氧化碳时，可采用带减压器及输送管的钢瓶或含汽化器、输送管、控制及安全装置的贮罐；当二氧化碳气源为气态二氧化碳时，采用含控制及安全装置的输送管道。
进一步地，所述二氧化碳溶解设备为带有出入水口、二氧化碳进气口并与大气隔绝的封闭式农业用水的中转槽；采用封闭的方法是浮筒或密闭容器或专用耐压容器；对于密闭容器，其顶部需安装有泄压装置。
进一步地，所述农用水输送设备包括具有0.45mpa以上耐压能力的耐压水管、泵以及水流量控制阀；所述气体控制系统包括气体减压阀、流量调节阀以及压力、温度显示仪表；所述二氧化碳释放设备为滴灌管、喷淋管、雾培管或水帘冷却系统。
一种利用农业用水增施二氧化碳的方法，其特征是，包括以下步骤：
1）首先将二氧化碳通入农用水中，提升该水溶液体系的气相分压至饱和大气压下，制备出高浓度二氧化碳水溶液；
2）使用耐压0.45mpa以上的水管输运步骤1）中所制备的高浓度二氧化碳水溶液至待增施二氧化碳的植物光合作用区；
3）通过农用水的常规使用，将高浓度二氧化碳水溶液中的二氧化碳气相分压降低至500pa；高浓度二氧化碳水溶液中溶解的二氧化碳溢出并以气态形式释放到植物光合作用区；
4）通过控制农用水的供给量和二氧化碳的气相分压，调控植物光合作用区二氧化碳的释放量。
进一步地，所述农用水包括灌溉用水、含营养物质的水肥或增湿及水帘冷却用水。
进一步地，所述二氧化碳包括纯品二氧化碳或是工业二氧化碳排放气；所述纯品二氧化碳为气态、液态或固态；所述工业二氧化碳排放气为发酵气、化工废气或烟道气。
进一步地，所述植物光合作用区指日光温室、植物工厂或其他需要提升环境二氧化碳浓度的种植区域。
进一步地，步骤3）中，农用水的常规使用包括：滴灌、喷淋、喷雾、水帘冷却。
进一步地，在常温常压下，二氧化碳补充量y、气源二氧化碳浓度cco2与植物光合作用区的供水量v水符合以下关系式：
y=k(cco2×v水)；
式中：y为植物区要求的二氧化碳增施量，单位g/m2.hr；
cco2为用于增施气体中的二氧化碳的含量，单位为v/v；
v水为植物区供水量，单位l/m2.hr；
k:为水体温度下二氧化碳的饱和溶解度与水密度之积，单位为g/l。
相比于目前已有的二氧化碳气体直接释放增施，本实用新型的优势在于：
1）不需要铺设单独的输气管道，直接利用现有的农用水设施完成二氧化碳输送；
2）通过对气源二氧化碳含量和灌溉用水肥量的调配，控制二氧化碳的增施量；
3）二氧化碳气体的增施与水肥灌溉同步进行，符合植物光合作用的原料供给规律。
本实用新型公开了一种利用二氧化碳在不同气相分压下溶解度的变化（亨利定律），增施二氧化碳的方法和装置。首先将二氧化碳溶解于农用水中，然后通过农用水的使用，使二氧化碳以气态形式自水溶液中溢出并释放到大气环境中，达到提升植物光合作用区二氧化碳浓度的目的，实现了水气肥同步一体化的输送和补充。
附图说明
图1为本实用新型的示意图；
图中：a、co2气源及控制系统（即二氧化碳气源设备）；b、co2溶解设备；c、气体控制系统；d、供水管及控制系统（即农用水输送设备）；e、co2释放设备；f、智能化二氧化碳增施控制系统（即本实用新型中利用农业用水增施二氧化碳的装置）；g、co2浓度检测仪。
具体实施方式
本实用新型需经过二氧化碳气源及设备选择、二氧化碳溶解、水溶液输送、二氧化碳气体释放四个基本步骤完成。各步骤阐述如下：
1.二氧化碳气源选择
1）增施用二氧化碳气源的确定
可以采用气态、液态二氧化碳产品（纯度大于99.9%）,满足食品级需要，也可以直接利用高浓度工业二氧化碳排放气，如发酵气、化工废气、烟道气等,经专有设备处理。
2）二氧化碳气源设备a
根据增施用二氧化碳气源的不同，选择不同的气源设备。液体二氧化碳可以采用专用的钢瓶或储槽，气态二氧化碳宜使用管道输送。
2.二氧化碳在水中的溶解
1）二氧化碳溶解设备b
溶解设备b应为带有出入水口和二氧化碳进气口且与大气隔绝的封闭式农业用水的中转槽。封闭的方法可以是浮筒或密闭容器或专用耐压容器。对于密闭容器，顶部需安装有泄压装置。
2)二氧化碳溶解
通过带有伺服自动调节功能的气体控制系统c将设备a与设备b贯通，设备a内的二氧化碳气体被引入设备b，通过气体控制系统c提升并保持设备b中气相部分的二氧化碳的分压至饱和压。
3.二氧化碳的输运
将设备b的出水口与安装有控制系统的农用水输运管道d（即农用水输送设备）相连，输运管道d要求具有0.45mpa（本实施例以1.0mpa为例）以上的耐压能力。
通过水泵或液位差及水量控制系统，定量地输送设备b内的二氧化碳水溶液至日光温室、植物工厂或其他需要提升环境二氧化碳浓度的植物光合作用区。
4.二氧化碳的释放
1）灌溉释放
输送到植物光合作用区的二氧化碳水溶液被分配到各灌溉支管，并以滴灌或喷淋、喷雾等的方式流出。流水溶液出管道后二氧化碳气相分压减至500pa，溶液内过量的二氧化碳溢出并以气态形式释放到植物光合作用区的大气空间内。
2）水帘降温释放
对于采用水帘风机降温的温室，二氧化碳水溶液可作为冷却用水。水溶液流经水帘释放出的二氧化碳被风机抽入植物光合作用区，提升该区域的大气中二氧化碳的浓度。
5.二氧化碳增施量的调控
在常温常压下，二氧化碳补充量y、气源二氧化碳浓度cco2与植物光合作用区的供水量v水符合以下关系式：
y=k(cco2×v水)；
式中：
y为植物区要求的二氧化碳增施量，单位g/m2.hr；
cco2为用于增施气体中的二氧化碳的含量，单位为v/v；
v水为植物区供水量，单位l/m2.hr；
k:a为水体温度下二氧化碳的饱和溶解度与水密度之积，单位为g/l；
通过调控气源二氧化碳浓度cco2和植物光合作用区的供水量v水，可以方便地实现对二氧化碳增施的量控制。
例1：在25℃下，采用纯二氧化碳气体补碳,增施量要求为5g/m2.hr，进入光合作用区的水量为v水=(5/1.5)/0.965=3.45l/m2.hr。
例2：在25℃下，增施量要求为5g/m2.hr，采用电厂烟道气（含二氧化碳约13%）气源，所需的携带水量为v水=〔5/（0.13×1.5)〕/0.965=26.6l/m2.hr。
6.本实用新型实施涉及的主要装置
1）二氧化碳气源设备a
根据气源种类，包括：
--液体二氧化碳气瓶，含减压器及输送管：
--液体二氧化碳贮罐，含汽化器及输送管，控制及安全装置：
--气态二氧化碳输送，含输送管道、控制及安全装置。
2）二氧化碳溶解设备b
应具有以下功能设施：
--密封，可采用浮筒或封闭容器；
--具有水流进出口；
--具有二氧化碳气体输入口；
--具有超压保护设施；
--具有均匀混合器。
3）贯通设备a、b的设备气体控制系统c
包括：
--有伺服自动调节功能的气体减压阀；
--有伺服自动调节功能的流量调节阀；
--压力、温度显示仪表；
--液体二氧化碳汽化器（使用液体二氧化碳气源时）。
4）农用水输送设备d
包括：
--耐压水管；
--及泵或其他动力装置；
--水流量控制阀。
5）二氧化碳释放设备e
位于植物光合作用区的滴灌管、喷淋管、雾培管、水帘冷却系统等。
6）二氧化碳气体压力及含量、水流量的检测和控制系统f
--气源二氧化碳浓度监测g；
--农用水流量监测及控制；
--植物光合作用区内的二氧化碳浓度监测仪；
以上数据的组合后的智能化控制系统。
1.一种利用农业用水增施二氧化碳的装置，其特征是，该装置包括二氧化碳气源设备、二氧化碳溶解设备、气体控制系统、农用水输送设备以及位于植物光合作用区的二氧化碳释放设备；还设有二氧化碳浓度检测仪，该检测仪用于检测二氧化碳气源设备、二氧化碳溶解设备中的二氧化碳浓度；所述二氧化碳溶解设备为带有出入水口、二氧化碳进气口并与大气隔绝的封闭式农业用水的中转槽；所述气体控制系统包括气体减压阀、流量调节阀以及压力、温度显示仪表；所述二氧化碳释放设备为滴灌管、喷淋管、雾培管或水帘冷却系统；
通过气体控制系统将二氧化碳气源设备与二氧化碳溶解设备贯通，二氧化碳气源设备内的二氧化碳气体被引入二氧化碳溶解设备，通过气体控制系统提升并保持二氧化碳溶解设备中气相部分的二氧化碳的分压至饱和大气压下；将二氧化碳溶解设备的出水口与农用水输送设备相连，从而将水溶液输送到植物光合作用区；农用水输送设备连接二氧化碳释放设备，水溶液流出二氧化碳释放设备后，二氧化碳气相分压减至500pa，水溶液内过量的二氧化碳溢出并以气态形式释放到植物光合作用区的大气空间内。
2.根据权利要求1所述的一种利用农业用水增施二氧化碳的装置，其特征是，所述二氧化碳采用纯品二氧化碳或工业二氧化碳排放气；所述纯品二氧化碳的纯度大于99.9％，为气态、液态或固态二氧化碳产品；所述工业二氧化碳排放气为发酵气、化工废气或烟道气；
当二氧化碳气源为液态二氧化碳时，可采用带减压器及输送管的钢瓶或含汽化器、输送管、控制及安全装置的贮罐；当二氧化碳气源为气态二氧化碳时，采用含控制及安全装置的输送管道。
3.根据权利要求1所述的一种利用农业用水增施二氧化碳的装置，其特征是，所述中转槽采用封闭的方法是浮筒或密闭容器或专用耐压容器；对于密闭容器，其顶部需安装有泄压装置。
4.根据权利要求1所述的一种利用农业用水增施二氧化碳的装置，其特征是，所述农用水输送设备包括具有0.45mpa以上耐压能力的耐压水管、泵以及水流量控制阀。
技术总结