二氧化碳施肥专利技术分析

徐龙龙

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东 广州 510000）

温室大棚内由于内空气流通少，CO2含量远低于光合作用的最适浓度，不能满足作物最大生产量的需要。因此，在适宜浓度范围内进行CO2施肥，对作物生长发育和增加产量十分重要。在塑料大棚和日光温室内增施CO2气肥，是蔬菜优质高产的措施之一，已在国内外广泛应用。

自1920年，德国的技术人员首先提出“炭酸气施肥”后，荷兰、丹麦等国家开始将CO2施肥技术用于温室黄瓜、番茄生产；但是直到20世纪60年代初，日本、美国等国家，先后开始了温室蔬菜CO2施肥实用技术的研究，CO2施肥才进入实用阶段。目前CO2施肥在整个欧洲、中美、北美以及某些亚洲国家都有很大规模上应用；在荷兰90%以上的番茄、黄瓜、甜椒、草莓生产使用CO2施肥[1]。

20世纪80年代以来，我国以节能式日光温室为代表的温棚农业在各地迅猛发展，目前，我国温室生产面积已跃居世界第一，不少省市如辽宁、宁夏、甘肃、北京等都在推广应用CO2施肥技术，并已取得良好效果[2]，CO2施肥技术在我国有广阔的应用前景。

1 CO2施肥技术的专利申请情况

CO2施肥技术的专利申请量在1980年之前较少，处于技术起步初期，发展缓慢，专利申请主要集中在前苏联、日本、德国、美国等农业发达国家。由于日本等国CO2施肥技术的持续发展，1986年之后相关专利申请量逐年增加，技术进入良好的发展期。2006年后相关专利申请总量大幅上升，这得益于中国的设施栽培技术迅猛发展（图1）。

图1 CO2施肥技术专利申请量趋势图

作为全球范围内的农业大国，围绕CO2施肥的相关专利技术也主要集中于我国。从总体来看，中国的相关专利数量已经占全球总量的42.29%，其次为日本（18.08%）。目前相关专利申请主要来自于企业及个人申请。

2 CO2施肥技术的发展方向

根据施用方式的区别，我们将检索到的专利进一步细分为6个技术分支：废气利用、化学反应、纯CO2施肥、微生物分解、有机物燃烧、种养结合，如图2所示，纵坐标为技术分支，横坐标为技术功效，气泡大小表示相应技术分支在该技术功效区域的焦点专利申请量。

图2 设施栽培中CO2施肥技术功效气泡图

废气利用法采用发电厂、锅炉等产生的废气净化后使用，具有环保、节省资源的优点，但需要有相应的废气来源。双叶产业株式会社的谷澤好人等[3]设计了一种CO2施用设备，具有吸附罐，吸附罐的内部配置有用于吸附燃烧废气中CO2的吸附材料。在农用棚室中设置用于防止夜间气温降低的加温机，通过燃烧重油或煤油而向农用棚室供给暖风，利用CO2施用设备回收并储存由加温机产生的燃烧废气中的CO2。利用CO2施用设备对燃烧废气加以冷却以及净化，然后施用到大棚内，一举两得，节能环保。

化学反应法目前多采用碳酸氢氨，在简易的气肥发生装置内产生CO2。这种方法原理简单，操作容易，反应后的生成物还可以直接用于肥料使用，故具有较好的经济效益和生态效益。丁盛生[4]提出了一种温室立式CO2发生器，包括热分解反应器和氨气吸收器。通过加热碳酸氢铵生产CO2，产气速度快，通过本身的压力调节系统可以实现较远距离的均匀布气，克服了现有同类技术产品需要气泵增压的耗能问题；热分解反应器和氨气吸收器中间设置有隔热腔，可以降低氨气吸收器内过滤吸收水的温度，有利于氨气的过滤吸收，减少废水产生量；可以通过微型温度控制开关来限制加热器的加热温度上限，同时微型温度控制开关还具有短路保护功能，这样的设置可以对温室CO2发生器和电路提供双重保护，确保发生器安全运行。

纯CO2施肥法是使用最多的一种施用方法，采用液态CO2罐、干冰等作为气源，该方法产气快，便于控制时间和施用量，但成本较高。大连理工大学的宋永臣等[5]提出一种集增碳控温灌溉于一体的蔬菜大棚的使用方法，使用时，蓄水池中的水经水泵进入水合物生成室，并将CO2注入水合物生成室；注气完成后，启动搅拌器；待水合物生成后，经输送泵输送到蔬菜大棚灌溉管道，水合物浆经喷嘴喷出，吸热分解成气态CO2和水；根据传感器检测到大棚内的CO2浓度实时调整输送泵的功率，控制喷嘴喷出的CO2水合物的量，进而达到控制大棚内CO2浓度的效果。将传统的蔬菜大棚增碳、温度控制、灌溉合为一体，能自动集增碳控温灌溉，大大简化大棚操作流程，降低生产成本，还能更好地促进植物生长，增加蔬菜产量，提升蔬菜的品质。在提高CO2浓度的同时，在夜间使用，还能有效降低大棚温度，提高大棚昼夜温差，有利于蔬菜中营养物质的积累，提高蔬菜品质。

微生物分解法利用有机物发酵分解过程放出CO2气体，可以增加棚温，发酵腐熟后的有机肥可以直接施用，具有成本低、环保等优点，但CO2释放量不易调节控制，且释放缓慢。东莞市济丰农业生态园开发有限公司的林小明[6]通过设置秸秆发酵池和膜分离装置的方式来增加CO2：在大棚内设置发酵池，利用发酵时产生CO2作为日常供给，满足大棚内CO2的基本需求；还在大棚内设置CO2浓度检测装置和控制器，CO2浓度检测装置检测大棚内CO2浓度信息并传递至控制器，当发生突发情况大棚内CO2浓度不能达到要求时，启动膜分离装置从空气中产生CO2作为补充，使用方便，可根据需要灵活增加大棚CO2，发酵池发酵后的物料可以用于大棚内蔬菜的种植，膜分离装置还可分离出氮气，用于已经收割的大棚蔬菜的保鲜。该方法有效利用了废弃物资源，不仅有效增加了大棚CO2的浓度，而且能用于蔬菜的施肥。

有机物燃烧法通过燃烧农林废弃物、液化石油气、煤等产生CO2，该方法操作简便，成本低，容易控制CO2施用浓度及时间，能增加棚温，但会产生有害气体，同时存在安全隐患。DAONRS INC的Pil Soo JEONG[7]设计了一种通过燃烧燃料产生CO2的CO2供应器，包括燃烧室、空气供应单元、燃料供给单元。其燃烧室设置第一催化剂和第二催化剂，第一催化剂为合金催化剂，如铁、铬、铝，第二催化剂为陶瓷催化剂。第一催化剂为多孔结构，与气体具有延长的接触面积，防止火焰通过，并允许气体流过，进行超稀薄燃烧，降低燃料-空气混合物的燃烧温度。因此，燃烧初始起动性好并且预热过程快，燃烧完全，降低了有害气体NOx的生成，并使HC和CO的生成最小化，较为环保。

种养结合法通过与养殖家畜、水产，栽培食用菌等相结合，利用动物、真菌产生的CO2浓度较高的空气输送到温室中，再将温室中CO2浓度较低的气体交换到相应的养殖、栽培区。这种方式成本低，经济效益好，但CO2产量少，作用缓慢，且不易控制。SILICON VALLEY BANK的Cody Alden Friesen等[8]设计了一种计算机自动控制的种植系统，包括用于栽培植物和真菌的生长台、营养物供应系统、通风系统、水产养殖系统等，其通风系统将真菌的呼吸产生的CO2传送到植物室，并将植物产生的O2传送到真菌室，促进了植物及真菌的生长，将蔬菜种植、蘑菇栽培及水产养殖有机结合。

3 结束语

温室大棚CO2施肥技术的专利申请量逐年增长，尤其是中国的专利申请量突飞猛进，这与国内设施农业技术的快速发展以及知识产权意识的逐渐加强有关。当前，我国设施农业发展潜力大，虽然相关专利申请量较多，但在技术规模化实施和应用的难度较高、专利的转化能力仍有待提升。

目前CO2气肥种类较多，其中纯CO2施肥法、化学反应法、微生物分解法和有机物燃烧法为常用方法。由于化学反应法及纯CO2施肥法具有清洁卫生、操作简单、便于控制等优点，相关专利技术在规模化实施和应用转化方面具有良好的前景。

虽然近年来相关专利申请量急剧增加，但进入21世纪后有关施用方式和气源方面基本没有新突破。近年来，随着计算机技术的发展，自动化、智能化在温室中的应用越来越普遍，对温室内CO2施肥技术的改进也着重于装置以及控制系统上的改进。