Изучение влияния концентрации углекислого газа школьных кабинетов на рост рассады, урожайность плодоовощных культур. 8-й класс

Введение

Сегодня в овощных тепличных хозяйствах России существует острая необходимость подкормки растений углекислым газом. Идеи о влиянии концентрации CO₂ на урожай и рост растений появились в прошлом веке. Но использование этих идей на благо человечества началось только с 40-х годов нашего века. Почти у всех видов растений повышенное содержание углекислого газа в воздухе приводит к усилению процесса фотосинтеза и ускоренному росту.

Предельно допустимая норма содержания углекислого газа в воздухе помещений составляет 0,1-0,15%. Так как мы выдыхаем от 18 до 25 литров этого газа в час, следовательно, человек является основным источником углекислого газа в помещении, во вдыхаемом человеком воздухе в отличие от чистого атмосферного воздуха, углекислого газа содержится в 100 раз больше. В школе одним из основных помещений являются классные комнаты, где проходит учебно-воспитательный процесс, в некоторых наблюдается высокая пропускная способность.

В процессе обучения зимой и ранней весной школа переполнена, естественная вентиляция отсутствует, поэтому концентрация CO2 будет превышать. С одной стороны, избыточная концентрация углекислого газа станет подкормкой для растений, с другой стороны, полученная рассада растений очистит воздух от углекислого газа. Важно определить, как повышенная концентрация углекислого газа в кабинетах школы влияет на рост рассады овощных культур. Ведь выращивание рассады - это первый шаг к хорошему урожаю. Состояние рассады влияет на конечный урожай. Именно в этом я вижу актуальность своей работы.

Цель: изучение влияния концентрации углекислого газа школьных кабинетов на рост рассады, урожайность плодоовощных культур: огурцов и томатов.

Объектами исследования – концентрация углекислого газа, рост рассады, урожайность плодоовощных культур: огурцов и томатов.

Предмет исследования – концентрация углекислого газа, рост рассады, урожайность плодоовощных культур: огурцов и томатов.

Проблемы: Проблема прямого влияния концентрация углекислого газа на рост рассады, урожайность плодоовощных культур: огурцов и томатов.

Гипотеза исследования: во-первых, в кабинетах, где количество участников учебно-воспитательного процесса больше, концентрация СО₂ повышена, там наблюдается рост рассады огурца и томата; во вторых, лучшая рассада даст хороший урожай.

Методы исследования: химический эксперимент, биологические исследования, математические вычисления, изучение статистических данных.

Практическая значимость: полученные знания можно использовать в повседневной жизни. С одной стороны, выращивая рассаду на окне, которая будет очищать воздух от углекислого газа, с другой стороны, мы получим рассаду.

Задачи:

1. Изучить литературные источники по теме исследования;
2. Определить содержание углекислого газа в кабинетах школы, где поставлены опыты;
3. Провести эксперимент по биотестированию выращивания рассады огурцов и томатов;
4. Сделать выводы о прямом влиянии концентрации углекислого газа кабинетов школы на рост рассады, а рассады на урожайность огурцов и томатов.

Теоретическая часть

1.1 Влияние концентрации углекислого газа на рост и урожайность растений

Листья растений на свету с помощью хлорофилла поглощают СО₂ воздуха и вместе с водой перерабатывают его в органические вещества.

Фотосинтез - это процесс превращения атмосферного углерода в качестве основного строительного материала в виде молекул CO₂ в зеленую массу растений.

Для осуществления фотосинтеза растениям необходимы большие количества воздуха, так как атмосферный воздух содержит всего 0,03% углекислого газа, что недостаточно для оптимального роста растений. Следовательно, продуктивность и жизнеспособность выращиваемых культур напрямую зависит от наличия в воздухе СО₂.

При выращивании растений в теплицах низкое содержание углекислого газа является ограничивающим фактором для роста урожайности.

 По мнению Н.А.Смирнова, для большинства овощных культур наиболее благоприятное содержание углекислого газа в воздухе составляет 0,2–0,3%. Увеличение содержания CO₂ до уровня 0,1–0,2% способствует повышению урожайности тепличных овощей на 12–16% и ускорению созревания урожая на 7–12 дней. Подкормка огурцов углекислым газом улучшает соотношение мужского и женского цветов, усиливается фотосинтез и повышается концентрацию углерода. [1] Для выращивания огурцов в солнечные дни концентрация CO₂ должна составлять 0,1-0,2%; для томатов - 0,2–0,25%; в пасмурную погоду 0,05–0,1%.

Растения поглощают углекислоту не только из воздуха, но также из почвы с помощью корневой системы в газообразном, растворенном состоянии или в виде углекислой соли. Однако корни растений поглощают около 25% углекислоты от того количества, которое усваивается листьями из воздуха при хорошем освещении.

Повышенное содержание углекислого газа в воздухе достаточно для поддержания в течение 2-4 часов, так как его использование растениями и улетучивание из теплиц происходит не ранее, чем через 1-2 часа.

Дефицит CO₂ является еще большей проблемой, чем дефицит минеральных питательных веществ. В среднем растение синтезирует 94% массы сухого вещества из воды и углекислого газа и получает оставшиеся 6% из минеральных удобрений. Полностью покрыть дефицит только за счет использования технических источников углекислого газа (продуктов сгорания углеводородного топлива, жидкого углекислого газа, сухого льда).

В странах Западной и Северной Европы эксперты рассматривают подкормку углекислым газом в течение всего вегетационного периода - от прорастания до конца вегетационного периода - как неотъемлемый элемент современной интенсивной технологии выращивания томатов, огурцов и сладкого перца. В то же время, дозируя подачу углекислого газа, можно достичь самого раннего, самого дорогого урожая овощей, а также увеличить общую урожайность на 15-30%.

Российская наука, явившаяся родоначальницей исследований по тепличным углекислотным подкормкам, сегодня почти ничего не может предложить для практического использования, кроме известных еще с 70-80-х годов режимов подкормок, основные требования которых заключаются в подкормках при высокой освещенности в достаточно высоких дозах. В условиях стеклянных теплиц, действительно, возможно использовать подкормки можно только при закрытых фрамугах, что бывает только в зимнее и весеннее время, когда освещенность невысокая. В условиях высокой освещенности летом при открытых для вентиляции и оптимизации температурного режима фрамугах (а это основной способ вентиляции в отечественных теплицах) использование газации воздуха СО₂ малоэффективно из-за невозможности создания высоких концентраций СО₂ без повышения температуры и не применяется.

1.2.Технологии подкормки растений

В настоящее время применяются три группы промышленных технологий подкормки растений в теплицах, использующие технические источники углекислого газа: 1) прямая газация при помощи пламенных горелок, 2) нагнетание отходящих газов котельной, 3) подача чистого углекислого газа. [2]

Прямая газация при помощи пламенных горелок

При прямой газации подкормка осуществляется продуктами сгорания очищенного природного газа-метана, с помощью горелок. При внедрении этого метода в воздух теплицы одновременно с СО₂ попадают соединений серы и этилен, который значительно ускоряет старение растений. Данная технология небезопасна для растений, особенно летом, так как горелки нагревают и насыщают воздух в теплице водяным паром и токсичными газами. Эти условия опасны и для здоровья персонала, работающего в нем. Минус технологии - существенное влияние на температуру и влажность в теплице.

Нагнетание отходящих газов котельной

Согласно данной технологии газы из котельной (дым), очищенные с помощью палладиевых катализаторов, поступают в теплицу по газопроводам. Вероятны существенные изменения в составе продуктов сгорания в зависимости от режима работы котельной, а также от содержания CO₂ в дыме. Минусом является попадание в воздух теплицы побочных продукты сгорания топлива: окись углерода, оксиды азота и серы, а также этилена.

Подача привозной жидкой углекислоты

Одной из самых передовых технологий подачи чистого углекислого газа в теплицу является распределение по пластиковым рукавам малого диаметра. Несмотря на простоту систем, работающих на импортном углекислом газе, их результативное применение осложняется следующим фактором: на практике нередки случаи покупки дешёвого углекислого газа у ликеро-водочных и химических производств, который содержит примеси сероводорода и аммиака, отрицательно сказывающиеся на развитие растений и здоровье человека. Такой углекислый газ нельзя применять для подкормки.

 Экспериментальная часть исследования

Изучив литературу по теме исследования, я приступила к экспериментальной части своей исследовательской работы.

Эксперимент №1. Определение концентрации СО₂ в кабинетах школы [3].

Для эксперимента я выбрала экспресс-метод определения содержания углекислого газа в воздухе, поскольку он прост в использовании, понятен и не требует глубоких знаний химии, поскольку я изучаю химию во внеурочное время. Меня интересует не концентрация СО₂ в числовом выражении, а сравнение содержания этого газа в разных помещениях по степени обесцвечивания раствора карбоната натрия.

Я определила концентрацию углекислого газа в следующих классных комнатах, где проводились эксперименты с посеянными семенами огурца и помидора в пластиковых стаканчиках - это лабораторий химии и физики, медицинский кабинет, кабинет 1 класса, кабинет 2 класса.

Оборудование и реактивы: медицинский шприц на 100–150 мл, химический стакан, вместимостью 50–100 мл, 0,005% раствор карбоната натрия (кальцинированная сода) , 0,5 мл 1%-го раствора фенолфталеина, мерная колба на 100 мл, дистиллированная вода, пронумерованные пробирки, - газоотводные трубочки;- пробки с одним отверстием для пробирок.

Ход работы

1. Приготовить 0,005% раствор карбоната натрия, для которого 1г химически чистого безводного карбоната натрия растворяют в 200 мл свежеприготовленной дистиллированной воды;
2. Приготовить 0,5 мл 1%-го раствора фенолфталеина;
3. Приготовить рабочий раствор, для которого 1 мл 0,005% раствора карбоната натрия помещают в мерную колбу на 100 мл, доводят объем дистиллированной водой до метки и перемешивают;
4. В пробирки налить равный объем прозрачного раствора карбоната натрия (соды);
5. Закупорить пробирки пробками с одним отверстием, через которое вводим газоотводную трубку;
6. Произвести забор воздуха из окружающей атмосферы в шприц;
7. Нагнести 400 мл исследуемого воздуха, забранного из окружающей атмосферы в контрольную пробирку;
8. Накачать 400 мл воздуха для испытаний, взятого из окружающей атмосферы, в контрольную трубку;
9. Встряхнуть пробирку с раствором фенолфталеина в течение 1 мин.
10. Повторить действия п. 4-5 с пробами кабинетов школы, где поставлены эксперименты.

Примечание: в случае, если раствор остается розовым, то воздух выталкивают из шприца, набирают новую порцию воздуха и опять встряхивают одну минуту. Новые порции воздуха добавляют до обесцвечивания раствора. Если раствор обесцвечивается менее чем за 1 мин, то опыт повторяют с меньшим количеством воздуха.

Таблица1. Результаты определения углекислого газа в помещениях школы

Вывод: итак, в результате эксперимента наблюдалось сильное обесцвечивание раствора в пробах 1, 2 классов. Это означает, концентрация углекислого газа в этих классах выше нормы, что, очевидно, связано с высокой двигательной активностью учащихся. В остальных пробах выявлена наименьшая концентрация углекислого газа. Результаты определения углекислого газа в кабинетах школы представлены на рисунке 1-6 (Приложение № 1).

 Биотестирование по выращиванию огурцов и томатов

Для биотестирования были приобретены 2 упаковки из 10 семян самоопыляемых помидоров, 2 упаковки из 10 семян самоопыляемых огурцов.

Этапы работы:

1. Подготовила землю в пластиковых стаканах. Для этого привезли землю из лесополосы (верхний слой), очистили от корневищ сорняков и добавили перегнившего навоза. 25 апреля было высажено 10 семян томата и 10 семян огурца, в двух стаканчиках по 2 семени огурцов и помидоров. Поэтому по 2 стаканчика каждого образца поместила на подоконник в классных комнатах для наблюдения. (Приложение 2 Рис.1-2)
2. Образец № 1 поместила в химическую лабораторию (лаборант и учитель химии), образец № 2 - в физическую лабораторию (лаборант и учитель физики), образец № 3 - в медицинский кабинет (педиатр в среднем 2 пациента в день), образец № 4 в кабинете 1 класса (18 учеников), образец № 5 в кабинете 1 класса (14 учеников).

Различий в прорастании не обнаружено. Семена начали прорастать на 4-й день посадки.

1. Вела наблюдения за прорастанием семян огурцов, помидоров. Когда проклюнулись семена, по мере необходимости поливала до появления листочков. После появления первых листочков, каждый день опрыскивала листья.

Вывод: из всех семян взошло 13 росточков помидоров и всего 16 росточков огурцов.

1. Все изменения, происходящие с ростками образцов огурцов и помидоров в классных кабинетах, фотографировала, результаты записывала. По результатам анализа роста рассады огурцов и томата, в зависимости от концентрации углекислого газа в кабинетах школы можно сделать следующий вывод: худшим из всех образцов огурца и помидора был образец № 3 из медицинского кабинета по количеству, площади листьев и высоте стебля. (Приложение 2 рис.3-7)
2. Учащиеся старших классов на экспериментальной площадке нашей школы построили весеннюю теплицу, в которой я участвовала. Поскольку теплице первый год, подготовили почву от равных частей земли из лесополосы (верхний слой), торфа и двух ведер на 1 м² перегнившего навоза. (Приложение 3 рис.6)
3. Когда растения были уже похожи на рассаду - им было 25–30 дней, в фазе 3-4 этих листьев и высотой 5-7 см, их пересадила в весеннюю теплицу школы, с комом земли, не повреждая корневую систему. Соблюдая условия для комфортного соседства помидоров и огурцов, помидоры посадила на входе теплицы, где вентиляция намного лучше, следовательно, и влажность меньше, что благоприятно для томата. Огурцы в центре теплицы, где нет сквозняков, осушающих их, постоянно высокая влажность.

Вывод: на данном этапе рассада образцов огурца №4 и №5, оказалась более крепкой и здоровой с ярко выраженным зеленым окрасом, а образец №3 со сморщенным бледно-зеленым листом с желтым краем. Лучшим образцом среди рассады помидора оказался образец №5 с темно-зелеными листьями и крепким стеблем, а образец №3 из медицинского кабинета имеет бледно-зеленые листья и отстаёт в развитии. (Приложение 3 рис.7 Приложение 9 Рис.2)

1. В течение вегетационного периода все растения в равной степени подвергались уходу: прополке, рыхлению, поливу.
2. Когда рост огурцов и томатов достиг 30-40 см, я их подвязала шпагатом. Для этого один конец шпагата подкрепила под потолок, а нижний конец аккуратно между нижними листьями. Когда огурцы и томаты выросли, плеть обвился вокруг шпагата по часовой стрелке. (Приложение 4; Приложение 10)
3. Все изменения, происходящие с рассадой огурцов и помидоров в весенней теплице фотографировала, результаты записывала. Приложение 5. Диаграммы 1-3 «Площадь листа образцов огурца. Высота стебля огурцов. Количество плодов образцов огурца»; Приложение 6. Диаграммы 1-3 «Высота стебля образцов помидора. Количество завязей образцов помидора. Количество плодов образцов помидора»
4. Проводила пасынкование на огурцах, когда пасынки выросли на полметра над поверхностью почвы, для того чтобы у растения высвобождалась сила на дальнейший рост и развитие.
5. Проводила пасынкование томатов, при этом удалял ненужные ветки растений, появляющихся по бокам ствола из пазух главных листьев.
6. С образцов огурцов и помидоров был собран первый урожай, по мере созревания овощей учащиеся «дегустировали» урожай.

Вывод: Огурцы образцов № 4,5 (кабинеты 1,2 классов) значительно опережали по росту и развитию остальных образцов огурца. Они имели больше цветов и завязей. Количество плодов - 13 огурцов у образца №4 (кабинет 1 класса), больше, чем у остальных образцов №1,2,3. Неплодоносным оказался куст огурца образца №3 из медицинского кабинета, с него был снят последний и единственный огурец. (Приложение 8)
Стоит заметить, что среди образцов помидоров, образец №2, из физической лаборатории, отставал по количеству плодов (4 помидора), хотя по высоте стебля опережал все образцы, растение было более вялым, а стебли - тонкими. Количество плодов у образца № 5 -15 помидоров больше, чем у остальных образцов. (Приложение 10- 11)

Выращивание зрелого растения до созревания томатов составил около 65 дней, для огурцов - 45 дней. [3]

По результатам анализа урожайности огурцов и помидоров, в зависимости от выращенной рассады в школьных кабинетах, можно сделать следующий вывод: образец № 3 был худшим из всех образцов огурца, с него был снят 1 огурец, из образцов помидоров худшим оказался образец №2 - сняли четыре мелких невызревших помидоров.

Заключение

Итак, на основе исследований, я пришла к следующим выводам:

1. Изучила литературу по теме исследования. Анализ литературы подтверждает, что о прямом влиянии концентрации этого газа на рост и развитие растений, на формирование будущего урожая реже говорят. Об этом свидетельствует отсутствие информации в русскоязычных изданиях. В странах Западной и Северной Европы эксперты рассматривают подкормку углекислым газом в течение всего вегетационного периода - как неотъемлемый элемент современной интенсивной технологии выращивания томатов, огурцов. Российская наука, явившаяся родоначальницей исследований по тепличным углекислотным подкормкам, сегодня почти ничего не может предложить для практического использования, кроме известных еще с 70-80-х годов режимов подкормок. Однако сегодня в овощных тепличных хозяйствах России существует острая необходимость подкормки растений углекислым газом.
2.  Определила содержание углекислого газа в кабинетах школы, где поставлены опыты; концентрация углекислого газа в 1,2 классах выше нормы, что, очевидно, связано с высокой двигательной активностью учащихся.
3. Провела эксперимент по биотестированию выращивания рассады огурцов и томатов в кабинетах школы, школьной весенней теплице.
4. Сделала вывод о прямом влиянии концентрации углекислого газа на рост рассады;
   концентрация углекислого газа в кабинетах, где количество участников учебно-воспитательного процесса больше - это кабинеты 1,2 класса, оказало влияние на рост рассады. Лучшим образцом огурца по количеству листьев и высоте стебля, была рассада из 1 класса, образцом помидора - образец №5 из 2 класса, худшим образцом огурца и помидора - была рассада из медицинского кабинета образец №3. Рассада огурца образец №4 из 1 класса дала 13 огурца, рассада из медицинского кабинета дала 1 огурец. Рассада образцов помидора из 2 класса образец №5 дала 15 помидоров, очень низкий урожай дала рассада из физической лаборатории 4 мелких невызревших помидоров. Возможно, это связано с тем, что в физической лаборатории, как и в медицинском кабинете, низкое содержание углекислого газа.
5. В результате исследования рекомендовано: ранней весной в кабинетах школы, где количество участников учебно- воспитательного процесса максимальна, следовательно концентрация углекислого газа повышена, нужно выращивать рассаду для школьной теплицы, что приведет, с одной стороны, к очистке воздуха кабинетов от СО₂, с другой стороны, в итоге, к хорошему урожаю.
6. Все поставленные цель и задачи были выполнены полностью.
7. В ходе проведения исследовательской работы доказаны выдвинутые гипотезы: повышенная концентрация углекислого газа в кабинетах, оказало влияние на рост рассады: лучшим образцом огурца была рассада из 1 класса, образцом помидора – образец №5 из 2 класса; лучшая рассада даст хороший урожай: рассада огурца образец №4 из 1 класса дала 13 огурца, рассада образцов помидора из 2 класса образец №5 дала 15 помидоров.

В перспективе намечено проведение исследования, чтобы выяснить, какое влияние окажет подкормка привозным углекислым газом рассады овощных культур в весенней школьной теплице на формирование будущего урожая.

Список использованной литературы

Пособие для овощеводов тепличных хозяйств, М., 1977

1. К.Б.Богданов, ООО «Селекционно-семеноводческая фирма «ГИСОК», Е.И.Усков, ООО «АгробизнесЦентр». Подкормка растений углекислым газом в защищённом грунте
2. Колчанова Л.В. Инновационный подход к ученическому эксперименту: [Текст]
3. Л.В.Колчанова / Химия в школе. – 2009 – № 5 – с. 55-57.

Интернет-источники

• http://gidro.tech-group.pro/podkormka_rasteniy_uglekislym_gazom