Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сенсорная система учета азотно-углеродного баланса в гидропонной технологии выращивания огурцов и томатов (Разработка прототипа автоматизированной сис
.pdf
11
томатов будет сумма общего поглощения азота растениями. Для этого нам
нужно будет интегрировать формулу (3) как функцию баланса углекислого
газа. Полученные результаты см. формулу (7)
(7)
Поскольку
и
в данной математической модели также являются
численными значениями, мы можем вынести их за знак интеграла. Тогда
формула (7), которая описывает математическую модель, принимает
следующий окончательный вид.
(8)
Разработанная математическая модель позволяет регулировать
корректирующий раствор не только в соответствии с изменениями в
соотношении баланса отрицательного и положительного углекислого газа, но и
в соответствии с освоением азота растениями. Кроме того, она позволяет с
достаточно высокой степенью корректности планировать и саму урожайность.
В ходе дальнейшей реализации проекта разработанная математическая
модель позволяет провести расчеты оптимальных значений корневого
углеродного питания огурцов и томатов, а также разработать механизмы
реализации решений по оптимизации корневого углеродного питания огурцов и
томатов.
12
Глава 2. Проведение расчетов оптимальных значений корневого
углеродного питания огурцов и томатов
Целями проведения расчетов оптимальных значений корневого
углеродного питания огурцов и томатов являются:
- определение крайних (пороговых) значений потребности растений
томатов и огурцов в углеводсодержащем корректирующем растворе;
- определение оптимального состава по органическим кислотам
корректирующего раствора, с целью снижения оттока углеводов (пластических
веществ) растительного организма, участвующих в формировании урожая;
- определение корреляционной зависимости между исследуемыми
параметрами и урожайностью томатов и огурцов.
Основная часть первичных данных, используемых в расчетах, была
получена в ходе исследований, проведенных в ходе реализации проекта,
которые проводились в различных блоках тепличного комплекса
«ЮгАгроХолдинг», занимающего 9 гектаров, которые разделены на 4 блока.
Кроме того, в разделе в качестве обзорного материала приводится информация
из ранее опубликованных исследований, которая также подтверждает
полученные результаты.
Расчеты корреляционной зависимости между исследуемыми параметрами
и урожайностью томатов и огурцов, выращиваемых в условиях защищенного
грунта для каждого тепличного комплекса, проводились с использованием
стандартной статистической программы в Microsoft office Excel 2007.
Результаты расчетов представлены ниже.
2.1. Определение корреляционной зависимости биодинамических
процессов (поглощение или выделение СО2) в корневой зоне и урожайностью
растений томатов и огурцов (кг/м2) углеродного баланса корневой системы
томатов и огурцов.
В Таблицах 1-5 и на Рисунках 1-4 представлены результаты проведенных
исследований для определения углеродного баланса корневой системы томатов
13
и огурцов. Определение проводилось в изолированных камерах емкостью 1000
мл на протяжение 60 минут. Камеры устанавливались на поверхности матов
(GRODAN), на которых вегетируют растения - 8 штук на 1 мат. Диаграммы на
рисунках 1-4 демонстрируют отклонение концентрации углекислого газа на
каждом этапе измерений (сроки отбора) в камере через 60 минут к среднему
показателю концентрации углекислого газа к моменту начала измерений.
Соотношение среднего показателя концентрации углекислого газа в камере до
начала измерений и после на протяжение 9 сроков используется в качестве
параметра оценки влияния на урожайность растений после проведения
дисперсионного анализа.
Анализируя информацию, представленную в таблице 1 можно отметить
значительное отклонение в балансе углекислого газа в корневой зоне в сторону
его выделения. На протяжение 9 отрезков времени отмечается 6,6-кратное
отличие в сторону выделения СО2. Данный показатель может служить
признаком преобладания в растительном организме процессов распада над
синтезом.
Более наглядно, динамику баланса углекислого газа по блоку 1 можно
увидеть на диаграммах (рис.1) где приведены данные по концентрациям СО
2
,
не учитывающие фоновый показатель углекислого газа в измерительных
камерах.
14
Таблица 2 и Диаграмма 2 демонстрируют, что поглощение углекислого
газа корневой системой томатов и огурцов в блоке 2 происходит в 5 отрезках
наблюдений (1, 3, 7, 8, 9).
Таблица.1. Соотношение средних концентраций СО2 в камере до и
после измерений. БЛОК 1.
Концентрация СО2, ррм
Средн
ее
Фон
430
363
459
446
396
402
314
415
460
409,4
Камера
452
361
472
429
409
408
315
428
508
420,2
Баланс
Отрица
т.
-2
-17
-19
Положи
т.
22 13 13
6
1
13
48
126
Соотноше
ние
1,03
15,1 %
22
-2
13
-17
13
6
1
13
48
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9
концентрация СО2, ррм/ч
сроки отбора
Рис.1. Динамика корневого баланса СО2, Блок 1
15
Таблица.2. Соотношение средних концентраций СО
2
в камере до и после
измерений. БЛОК 2
Концентрация СО
2
, ррм
Сред
нее
Фон
511
337 601 506 436 573 336 379 475 461,6
Камера
489
351 588 511 456 583 330 365 457 458,9
Баланс
Отрица
т.
-22
13
-6
-14
-18
-73
Положи
т.
14 5
20
10 49
Соотношен
ие
149%
Данные результатов измерений в блоке 3 (Таблица 3 и рис.3) аналогично
результатам измерений, полученных в блоке 1, демонстрируют
положительный баланс углекислого газа - его эмиссия корневой системой
превосходит его поглощение в эмиссии, в 7 раз.
-22
14
-13
5
20
10
1
-14
-18
-73
-80
-60
-40
-20
0
20
40
1 2 3 4 5 6 7 8 9
концентрация СО
2, ррм/ч
сроки отбора
Рис.2. Динамика корневого баланса СО2, Блок 2
16
Таблица.3. Соотношение средних концентраций СО
2
в камере до и после
измерений. БЛОК 3.
Концентрация СО2, ррм
Средн
ее
Фон
420
353
618
579
468
476
315
338
445
446
Камера
468
357
630
581
468
468
318
334
460
454
Баланс
Отрица
т.
0
-8 -4 -12
Полож
ит.
48 4 12 2 0 3 15
84
Соотноше
ние
14,3%
Также, как и в блоках 1 и 3, в блоке 4 отмечается положительный баланс
углекислого газа (таблица 4 и рис.4) - его эмиссия корневой системой
превосходит его поглощение в эмиссии, в 6,4 раз.
48
4
12
2
0
-8
1
-4
15
-12
-20
-10
0
10
20
30
40
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9
концентрация СО
2, ррм/ч
сроки отбора
Рис.3. Динамика корневого баланса СО2, Блок 3
17
Таблица.4. Соотношение средних концентраций СО
2
в камере до и после
измерений. БЛОК 4.
Концентрация СО
2
, ррм
Среднее
Фон
455
358
566
587
519
596
335
333
520
Камера
501
357
578
596
593
608
330
341
501
Баланс
Отрица
т.
-1
-5 -19
-25
Полож
ит.
46 12 9 74
12 8 161
Соотношен
ие
15,5%
Из диаграмм, представленных на рис. 1, 2, 3, 4 и данных таблиц 1, 2, 3, 4,
следует, что единственный случай наличия отрицательного корневого
углеродного баланса (смещение в сторону поглощения) отмечается в блоке 2.
С целью определения влияния направленности корневого баланса на
урожайность растений проведен расчет корреляционной зависимости между
соотношением отрицательного баланса к положительному (таблица 5) и
урожайностью плодов томатов и огурцов, полученную за период проведения
наблюдений (таблица 6). Результаты расчета представлены в Табл. 7
46
-1
12
9
74
12
1
8
-19
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
1 2 3 4 5 6 7 8 9
концентрация СО
2, ррм/ч
сроки отбора
Рис.4. Динамика корневого баланса СО2, Блок 4
18
Таблица 5. Данные корневого углеродного баланса по блокам, %.
Блок 1
Блок 2
Блок 3
Блок 4
Соотношение
баланса
Отриц./положит.
%
15,1
149
14,3
15,5
Таблица 6. Урожайность томата за период наблюдений кг/м
2
.
Блок 1
Блок 2
Блок 3
Блок 4
Декабрь
1-20
январь
Декабрь
1-20
январь
Декабрь
1-20
январь
Декабрь
1-20
январь
Урож-ть,
кг/м
2
7,9
4,5
9,0
5,1
7,1
4,3
7,4
4,6
Общая
12,4
14,1
11,4
12,0
Таблица 7. Корреляционная зависимость урожайности томата от
различных показателей углерода в теплице
Средняя
концентрац
ия СО
2
в
атмосфере
теплицы,
ppm
Сумма
положительн
ого баланса
СО
2
,
учтенного в
камере, ppm
Сумма
отрицательн
ого баланса
СО
2
,
учтенного в
камере, ppm
Соотношен
ие
отрицатель
ный/поло-
жительный
баланс
СО
2
, %
Урожайно
сть, кг/м
2
Блок 1
409
126
-19
15,1
12,4
Блок 2
461
49
-73
149,0
14,1
Блок 3
446
84
-12
14,3
11,4
Блок 4
520
161
-25
15,5
12,0
R=
- 0,050
-0,569
0,961
0,937
19
Данные, представленные в Таблице 7, свидетельствуют о высокой
корреляционной зависимости биодинамических процессов (поглощение или
выделение СО
2
) в корневой зоне и урожайностью растений томата (кг/м²). В
частности, интенсивность поглощения углекислого газа корневой системой
положительно влияет на урожайность томата с высокой достоверностью,
равной r=0,961. Такая же высокая достоверность отмечена в зависимости
урожая от динамического баланса, выраженного в процентах. Чем выше доля
соотношения отрицательного баланса СО
2
в корневой зоне к положительному,
тем выше урожайность в соответствующих блоках.
Средняя обратная корреляция отмечена между урожаем томата и
положительным балансом СО
2
в измерительных камерах.
Несмотря на то, что факт положительного влияния повышенной
концентрации углекислого газа в атмосфере теплицы на урожайность является
общепризнанным, в результатах проведенного опыта прямой корреляции не
отмечается, так коэффициент r находится на уровне 0,050. Это говорит о том,
что при относительно равном обеспечении растений томата углекислотой в
воздухе в различных блоках тепличного комплекса определяющим фактором
является возможность его усвоения через корневую систему. С другой стороны,
интенсивность усвоения СО
2
корневой системой растений может являться
индикатором общего состояния растений и его потенциала к накоплению
пластических веществ, посредством включения СО
2
в преобразование
органических соединений. Необходимо отметить, что данный вопрос, хотя и
заслуживает более пристального внимания и расширения области
исследований, но его изучение не предусмотрено в рамках реализации данного
проекта.
В процессе исследований в период 06 - 20 января 2021 г. во всех блоках
тепличного комплекса также проводились замеры линейного роста растений.
Полученные результаты представлены в таблице 8. На основании этих данных
был произведен расчет коэффициента корреляции между линейным ростом
растений томата и его урожайностью (см.табл. 9), который свидетельствует о
20
наличии обратной корреляционной связи. Это в свою очередь, говорит о том,
что усиление поглощения углекислого газа корневой системой растений томата
тесно связано со стимуляцией генеративного развития растений, выраженное в
снижении линейного роста растений томата.
Таблица 8. Среднесуточные показатели линейного роста растений томата
Таблица 9. Корреляционная зависимость между урожайностью и
линейным ростом растений томата
Блоки
Урожайность,
кг/га
Линейный
рост
Коэффициент
корреляции
1
12,4
2,6
R= -889
2
14,1
2,3
3
11,4
3,1
4
12,0
2,6
2.2. Определение корреляционной зависимости между интенсивностью
усвоения азота из питательного раствора и урожайностью томатов и огурцов.
Важным компонентом при расчете оптимального углеродно-азотного
баланса является показатель концентрации азота в дренаже, который
свидетельствует о коэффициенте использования данного элемента растениями
из первичного питательного раствора. Основная проблема в системе питания
растений современных тепличных комплексов связана с нерациональным
использованием минеральных элементов из питательного раствора. Причиной
служит задержка образования пластических веществ в растительном организме,
вследствие чего часть минеральных соединений, не вошедших в состав
Блоки
1 2 3
4
Линейный
рост,
см/сутки
2,6
2,3
3,1
2,6
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]