二氧化碳施肥專(zhuān)利技術(shù)分析

徐龍龍

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510000）

溫室大棚內(nèi)由于內(nèi)空氣流通少，CO2含量遠(yuǎn)低于光合作用的最適濃度，不能滿足作物最大生產(chǎn)量的需要。因此，在適宜濃度范圍內(nèi)進(jìn)行CO2施肥，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和增加產(chǎn)量十分重要。在塑料大棚和日光溫室內(nèi)增施CO2氣肥，是蔬菜優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的措施之一，已在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用。

自1920年，德國(guó)的技術(shù)人員首先提出“炭酸氣施肥”后，荷蘭、丹麥等國(guó)家開(kāi)始將CO2施肥技術(shù)用于溫室黃瓜、番茄生產(chǎn)；但是直到20世紀(jì)60年代初，日本、美國(guó)等國(guó)家，先后開(kāi)始了溫室蔬菜CO2施肥實(shí)用技術(shù)的研究，CO2施肥才進(jìn)入實(shí)用階段。目前CO2施肥在整個(gè)歐洲、中美、北美以及某些亞洲國(guó)家都有很大規(guī)模上應(yīng)用；在荷蘭90%以上的番茄、黃瓜、甜椒、草莓生產(chǎn)使用CO2施肥[1]。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)以節(jié)能式日光溫室為代表的溫棚農(nóng)業(yè)在各地迅猛發(fā)展，目前，我國(guó)溫室生產(chǎn)面積已躍居世界第一，不少省市如遼寧、寧夏、甘肅、北京等都在推廣應(yīng)用CO2施肥技術(shù)，并已取得良好效果[2]，CO2施肥技術(shù)在我國(guó)有廣闊的應(yīng)用前景。

1 CO2施肥技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)情況

CO2施肥技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)量在1980年之前較少，處于技術(shù)起步初期，發(fā)展緩慢，專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中在前蘇聯(lián)、日本、德國(guó)、美國(guó)等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。由于日本等國(guó)CO2施肥技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，1986年之后相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量逐年增加，技術(shù)進(jìn)入良好的發(fā)展期。2006年后相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)總量大幅上升，這得益于中國(guó)的設(shè)施栽培技術(shù)迅猛發(fā)展（圖1）。

圖1 CO2施肥技術(shù)專(zhuān)利申請(qǐng)量趨勢(shì)圖

作為全球范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，圍繞CO2施肥的相關(guān)專(zhuān)利技術(shù)也主要集中于我國(guó)。從總體來(lái)看，中國(guó)的相關(guān)專(zhuān)利數(shù)量已經(jīng)占全球總量的42.29%，其次為日本（18.08%）。目前相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)主要來(lái)自于企業(yè)及個(gè)人申請(qǐng)。

2 CO2施肥技術(shù)的發(fā)展方向

根據(jù)施用方式的區(qū)別，我們將檢索到的專(zhuān)利進(jìn)一步細(xì)分為6個(gè)技術(shù)分支：廢氣利用、化學(xué)反應(yīng)、純CO2施肥、微生物分解、有機(jī)物燃燒、種養(yǎng)結(jié)合，如圖2所示，縱坐標(biāo)為技術(shù)分支，橫坐標(biāo)為技術(shù)功效，氣泡大小表示相應(yīng)技術(shù)分支在該技術(shù)功效區(qū)域的焦點(diǎn)專(zhuān)利申請(qǐng)量。

圖2 設(shè)施栽培中CO2施肥技術(shù)功效氣泡圖

廢氣利用法采用發(fā)電廠、鍋爐等產(chǎn)生的廢氣凈化后使用，具有環(huán)保、節(jié)省資源的優(yōu)點(diǎn)，但需要有相應(yīng)的廢氣來(lái)源。雙葉產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社的谷澤好人等[3]設(shè)計(jì)了一種CO2施用設(shè)備，具有吸附罐，吸附罐的內(nèi)部配置有用于吸附燃燒廢氣中CO2的吸附材料。在農(nóng)用棚室中設(shè)置用于防止夜間氣溫降低的加溫機(jī)，通過(guò)燃燒重油或煤油而向農(nóng)用棚室供給暖風(fēng)，利用CO2施用設(shè)備回收并儲(chǔ)存由加溫機(jī)產(chǎn)生的燃燒廢氣中的CO2。利用CO2施用設(shè)備對(duì)燃燒廢氣加以冷卻以及凈化，然后施用到大棚內(nèi)，一舉兩得，節(jié)能環(huán)保。

化學(xué)反應(yīng)法目前多采用碳酸氫氨，在簡(jiǎn)易的氣肥發(fā)生裝置內(nèi)產(chǎn)生CO2。這種方法原理簡(jiǎn)單，操作容易，反應(yīng)后的生成物還可以直接用于肥料使用，故具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。丁盛生[4]提出了一種溫室立式CO2發(fā)生器，包括熱分解反應(yīng)器和氨氣吸收器。通過(guò)加熱碳酸氫銨生產(chǎn)CO2，產(chǎn)氣速度快，通過(guò)本身的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的均勻布?xì)?，克服了現(xiàn)有同類(lèi)技術(shù)產(chǎn)品需要?dú)獗迷鰤旱暮哪軉?wèn)題；熱分解反應(yīng)器和氨氣吸收器中間設(shè)置有隔熱腔，可以降低氨氣吸收器內(nèi)過(guò)濾吸收水的溫度，有利于氨氣的過(guò)濾吸收，減少?gòu)U水產(chǎn)生量；可以通過(guò)微型溫度控制開(kāi)關(guān)來(lái)限制加熱器的加熱溫度上限，同時(shí)微型溫度控制開(kāi)關(guān)還具有短路保護(hù)功能，這樣的設(shè)置可以對(duì)溫室CO2發(fā)生器和電路提供雙重保護(hù)，確保發(fā)生器安全運(yùn)行。

純CO2施肥法是使用最多的一種施用方法，采用液態(tài)CO2罐、干冰等作為氣源，該方法產(chǎn)氣快，便于控制時(shí)間和施用量，但成本較高。大連理工大學(xué)的宋永臣等[5]提出一種集增碳控溫灌溉于一體的蔬菜大棚的使用方法，使用時(shí)，蓄水池中的水經(jīng)水泵進(jìn)入水合物生成室，并將CO2注入水合物生成室；注氣完成后，啟動(dòng)攪拌器；待水合物生成后，經(jīng)輸送泵輸送到蔬菜大棚灌溉管道，水合物漿經(jīng)噴嘴噴出，吸熱分解成氣態(tài)CO2和水；根據(jù)傳感器檢測(cè)到大棚內(nèi)的CO2濃度實(shí)時(shí)調(diào)整輸送泵的功率，控制噴嘴噴出的CO2水合物的量，進(jìn)而達(dá)到控制大棚內(nèi)CO2濃度的效果。將傳統(tǒng)的蔬菜大棚增碳、溫度控制、灌溉合為一體，能自動(dòng)集增碳控溫灌溉，大大簡(jiǎn)化大棚操作流程，降低生產(chǎn)成本，還能更好地促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加蔬菜產(chǎn)量，提升蔬菜的品質(zhì)。在提高CO2濃度的同時(shí)，在夜間使用，還能有效降低大棚溫度，提高大棚晝夜溫差，有利于蔬菜中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累，提高蔬菜品質(zhì)。

微生物分解法利用有機(jī)物發(fā)酵分解過(guò)程放出CO2氣體，可以增加棚溫，發(fā)酵腐熟后的有機(jī)肥可以直接施用，具有成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但CO2釋放量不易調(diào)節(jié)控制，且釋放緩慢。東莞市濟(jì)豐農(nóng)業(yè)生態(tài)園開(kāi)發(fā)有限公司的林小明[6]通過(guò)設(shè)置秸稈發(fā)酵池和膜分離裝置的方式來(lái)增加CO2：在大棚內(nèi)設(shè)置發(fā)酵池，利用發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生CO2作為日常供給，滿足大棚內(nèi)CO2的基本需求；還在大棚內(nèi)設(shè)置CO2濃度檢測(cè)裝置和控制器，CO2濃度檢測(cè)裝置檢測(cè)大棚內(nèi)CO2濃度信息并傳遞至控制器，當(dāng)發(fā)生突發(fā)情況大棚內(nèi)CO2濃度不能達(dá)到要求時(shí)，啟動(dòng)膜分離裝置從空氣中產(chǎn)生CO2作為補(bǔ)充，使用方便，可根據(jù)需要靈活增加大棚CO2，發(fā)酵池發(fā)酵后的物料可以用于大棚內(nèi)蔬菜的種植，膜分離裝置還可分離出氮?dú)?，用于已?jīng)收割的大棚蔬菜的保鮮。該方法有效利用了廢棄物資源，不僅有效增加了大棚CO2的濃度，而且能用于蔬菜的施肥。

有機(jī)物燃燒法通過(guò)燃燒農(nóng)林廢棄物、液化石油氣、煤等產(chǎn)生CO2，該方法操作簡(jiǎn)便，成本低，容易控制CO2施用濃度及時(shí)間，能增加棚溫，但會(huì)產(chǎn)生有害氣體，同時(shí)存在安全隱患。DAONRS INC的Pil Soo JEONG[7]設(shè)計(jì)了一種通過(guò)燃燒燃料產(chǎn)生CO2的CO2供應(yīng)器，包括燃燒室、空氣供應(yīng)單元、燃料供給單元。其燃燒室設(shè)置第一催化劑和第二催化劑，第一催化劑為合金催化劑，如鐵、鉻、鋁，第二催化劑為陶瓷催化劑。第一催化劑為多孔結(jié)構(gòu)，與氣體具有延長(zhǎng)的接觸面積，防止火焰通過(guò)，并允許氣體流過(guò)，進(jìn)行超稀薄燃燒，降低燃料-空氣混合物的燃燒溫度。因此，燃燒初始起動(dòng)性好并且預(yù)熱過(guò)程快，燃燒完全，降低了有害氣體NOx的生成，并使HC和CO的生成最小化，較為環(huán)保。

種養(yǎng)結(jié)合法通過(guò)與養(yǎng)殖家畜、水產(chǎn)，栽培食用菌等相結(jié)合，利用動(dòng)物、真菌產(chǎn)生的CO2濃度較高的空氣輸送到溫室中，再將溫室中CO2濃度較低的氣體交換到相應(yīng)的養(yǎng)殖、栽培區(qū)。這種方式成本低，經(jīng)濟(jì)效益好，但CO2產(chǎn)量少，作用緩慢，且不易控制。SILICON VALLEY BANK的Cody Alden Friesen等[8]設(shè)計(jì)了一種計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的種植系統(tǒng)，包括用于栽培植物和真菌的生長(zhǎng)臺(tái)、營(yíng)養(yǎng)物供應(yīng)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)等，其通風(fēng)系統(tǒng)將真菌的呼吸產(chǎn)生的CO2傳送到植物室，并將植物產(chǎn)生的O2傳送到真菌室，促進(jìn)了植物及真菌的生長(zhǎng)，將蔬菜種植、蘑菇栽培及水產(chǎn)養(yǎng)殖有機(jī)結(jié)合。

3 結(jié)束語(yǔ)

溫室大棚CO2施肥技術(shù)的專(zhuān)利申請(qǐng)量逐年增長(zhǎng)，尤其是中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)量突飛猛進(jìn)，這與國(guó)內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)的逐漸加強(qiáng)有關(guān)。當(dāng)前，我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿Υ?，雖然相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量較多，但在技術(shù)規(guī)?；瘜?shí)施和應(yīng)用的難度較高、專(zhuān)利的轉(zhuǎn)化能力仍有待提升。

目前CO2氣肥種類(lèi)較多，其中純CO2施肥法、化學(xué)反應(yīng)法、微生物分解法和有機(jī)物燃燒法為常用方法。由于化學(xué)反應(yīng)法及純CO2施肥法具有清潔衛(wèi)生、操作簡(jiǎn)單、便于控制等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)專(zhuān)利技術(shù)在規(guī)?；瘜?shí)施和應(yīng)用轉(zhuǎn)化方面具有良好的前景。

雖然近年來(lái)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量急劇增加，但進(jìn)入21世紀(jì)后有關(guān)施用方式和氣源方面基本沒(méi)有新突破。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化、智能化在溫室中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，對(duì)溫室內(nèi)CO2施肥技術(shù)的改進(jìn)也著重于裝置以及控制系統(tǒng)上的改進(jìn)。