二氧化碳施肥專利技術分析

徐龍龍

（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510000）

溫室大棚內由于內空氣流通少，CO2含量遠低于光合作用的最適濃度，不能滿足作物最大生產量的需要。因此，在適宜濃度范圍內進行CO2施肥，對作物生長發育和增加產量十分重要。在塑料大棚和日光溫室內增施CO2氣肥，是蔬菜優質高產的措施之一，已在國內外廣泛應用。

自1920年，德國的技術人員首先提出“炭酸氣施肥”后，荷蘭、丹麥等國家開始將CO2施肥技術用于溫室黃瓜、番茄生產；但是直到20世紀60年代初，日本、美國等國家，先后開始了溫室蔬菜CO2施肥實用技術的研究，CO2施肥才進入實用階段。目前CO2施肥在整個歐洲、中美、北美以及某些亞洲國家都有很大規模上應用；在荷蘭90%以上的番茄、黃瓜、甜椒、草莓生產使用CO2施肥[1]。

20世紀80年代以來，我國以節能式日光溫室為代表的溫棚農業在各地迅猛發展，目前，我國溫室生產面積已躍居世界第一，不少省市如遼寧、寧夏、甘肅、北京等都在推廣應用CO2施肥技術，并已取得良好效果[2]，CO2施肥技術在我國有廣闊的應用前景。

1 CO2施肥技術的專利申請情況

CO2施肥技術的專利申請量在1980年之前較少，處于技術起步初期，發展緩慢，專利申請主要集中在前蘇聯、日本、德國、美國等農業發達國家。由于日本等國CO2施肥技術的持續發展，1986年之后相關專利申請量逐年增加，技術進入良好的發展期。2006年后相關專利申請總量大幅上升，這得益于中國的設施栽培技術迅猛發展（圖1）。

圖1 CO2施肥技術專利申請量趨勢圖

作為全球范圍內的農業大國，圍繞CO2施肥的相關專利技術也主要集中于我國。從總體來看，中國的相關專利數量已經占全球總量的42.29%，其次為日本（18.08%）。目前相關專利申請主要來自于企業及個人申請。

2 CO2施肥技術的發展方向

根據施用方式的區別，我們將檢索到的專利進一步細分為6個技術分支：廢氣利用、化學反應、純CO2施肥、微生物分解、有機物燃燒、種養結合，如圖2所示，縱坐標為技術分支，橫坐標為技術功效，氣泡大小表示相應技術分支在該技術功效區域的焦點專利申請量。

圖2 設施栽培中CO2施肥技術功效氣泡圖

廢氣利用法采用發電廠、鍋爐等產生的廢氣凈化后使用，具有環保、節省資源的優點，但需要有相應的廢氣來源。雙葉產業株式會社的谷澤好人等[3]設計了一種CO2施用設備，具有吸附罐，吸附罐的內部配置有用于吸附燃燒廢氣中CO2的吸附材料。在農用棚室中設置用于防止夜間氣溫降低的加溫機，通過燃燒重油或煤油而向農用棚室供給暖風，利用CO2施用設備回收并儲存由加溫機產生的燃燒廢氣中的CO2。利用CO2施用設備對燃燒廢氣加以冷卻以及凈化，然后施用到大棚內，一舉兩得，節能環保。

化學反應法目前多采用碳酸氫氨，在簡易的氣肥發生裝置內產生CO2。這種方法原理簡單，操作容易，反應后的生成物還可以直接用于肥料使用，故具有較好的經濟效益和生態效益。丁盛生[4]提出了一種溫室立式CO2發生器，包括熱分解反應器和氨氣吸收器。通過加熱碳酸氫銨生產CO2，產氣速度快，通過本身的壓力調節系統可以實現較遠距離的均勻布氣，克服了現有同類技術產品需要氣泵增壓的耗能問題；熱分解反應器和氨氣吸收器中間設置有隔熱腔，可以降低氨氣吸收器內過濾吸收水的溫度，有利于氨氣的過濾吸收，減少廢水產生量；可以通過微型溫度控制開關來限制加熱器的加熱溫度上限，同時微型溫度控制開關還具有短路保護功能，這樣的設置可以對溫室CO2發生器和電路提供雙重保護，確保發生器安全運行。

純CO2施肥法是使用最多的一種施用方法，采用液態CO2罐、干冰等作為氣源，該方法產氣快，便于控制時間和施用量，但成本較高。大連理工大學的宋永臣等[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，蓄水池中的水經水泵進入水合物生成室，并將CO2注入水合物生成室；注氣完成后，啟動攪拌器；待水合物生成后，經輸送泵輸送到蔬菜大棚灌溉管道，水合物漿經噴嘴噴出，吸熱分解成氣態CO2和水；根據傳感器檢測到大棚內的CO2濃度實時調整輸送泵的功率，控制噴嘴噴出的CO2水合物的量，進而達到控制大棚內CO2濃度的效果。將傳統的蔬菜大棚增碳、溫度控制、灌溉合為一體，能自動集增碳控溫灌溉，大大簡化大棚操作流程，降低生產成本，還能更好地促進植物生長，增加蔬菜產量，提升蔬菜的品質。在提高CO2濃度的同時，在夜間使用，還能有效降低大棚溫度，提高大棚晝夜溫差，有利于蔬菜中營養物質的積累，提高蔬菜品質。

微生物分解法利用有機物發酵分解過程放出CO2氣體，可以增加棚溫，發酵腐熟后的有機肥可以直接施用，具有成本低、環保等優點，但CO2釋放量不易調節控制，且釋放緩慢。東莞市濟豐農業生態園開發有限公司的林小明[6]通過設置秸稈發酵池和膜分離裝置的方式來增加CO2：在大棚內設置發酵池，利用發酵時產生CO2作為日常供給，滿足大棚內CO2的基本需求；還在大棚內設置CO2濃度檢測裝置和控制器，CO2濃度檢測裝置檢測大棚內CO2濃度信息并傳遞至控制器，當發生突發情況大棚內CO2濃度不能達到要求時，啟動膜分離裝置從空氣中產生CO2作為補充，使用方便，可根據需要靈活增加大棚CO2，發酵池發酵后的物料可以用于大棚內蔬菜的種植，膜分離裝置還可分離出氮氣，用于已經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。

有機物燃燒法通過燃燒農林廢棄物、液化石油氣、煤等產生CO2，該方法操作簡便，成本低，容易控制CO2施用濃度及時間，能增加棚溫，但會產生有害氣體，同時存在安全隱患。DAONRS INC的Pil Soo JEONG[7]設計了一種通過燃燒燃料產生CO2的CO2供應器，包括燃燒室、空氣供應單元、燃料供給單元。其燃燒室設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構，與氣體具有延長的接觸面積，防止火焰通過，并允許氣體流過，進行超稀薄燃燒，降低燃料-空氣混合物的燃燒溫度。因此，燃燒初始起動性好并且預熱過程快，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，較為環保。

種養結合法通過與養殖家畜、水產，栽培食用菌等相結合，利用動物、真菌產生的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的養殖、栽培區。這種方式成本低，經濟效益好，但CO2產量少，作用緩慢，且不易控制。SILICON VALLEY BANK的Cody Alden Friesen等[8]設計了一種計算機自動控制的種植系統，包括用于栽培植物和真菌的生長臺、營養物供應系統、通風系統、水產養殖系統等，其通風系統將真菌的呼吸產生的CO2傳送到植物室，并將植物產生的O2傳送到真菌室，促進了植物及真菌的生長，將蔬菜種植、蘑菇栽培及水產養殖有機結合。

3 結束語

溫室大棚CO2施肥技術的專利申請量逐年增長，尤其是中國的專利申請量突飛猛進，這與國內設施農業技術的快速發展以及知識產權意識的逐漸加強有關。當前，我國設施農業發展潛力大，雖然相關專利申請量較多，但在技術規模化實施和應用的難度較高、專利的轉化能力仍有待提升。

目前CO2氣肥種類較多，其中純CO2施肥法、化學反應法、微生物分解法和有機物燃燒法為常用方法。由于化學反應法及純CO2施肥法具有清潔衛生、操作簡單、便于控制等優點，相關專利技術在規模化實施和應用轉化方面具有良好的前景。

雖然近年來相關專利申請量急劇增加，但進入21世紀后有關施用方式和氣源方面基本沒有新突破。近年來，隨著計算機技術的發展，自動化、智能化在溫室中的應用越來越普遍，對溫室內CO2施肥技術的改進也著重于裝置以及控制系統上的改進。