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
21
органических соединений в теле растения выводится с дренажными
растворами. Основным элементом, выступающим «строительным материалом»
в растении, служит азот.
Определение содержания азота в дренажных стоках проводилось в
соответствующие дни определения углеродного баланса в корневой системе
растений томатов и огурцов. Агрохимические исследования дренажа
проводились: 24.01.2021; 27.01.2021 и 30.01 2021г. Дренаж отбирался с рядов, в
которых проводились исследования по углекислому газу, соответственно
таблицам №1-4. Образцы отбирались из первого дренажа, в промежутке 10.00-
10.30 ч.
Результаты анализа приведены в таблице 10. В этой же таблице
представлены данные оценки корреляционной зависимости содержания азота и
урожайности.
Таблица 10. Концентрация азота в дренаже и корреляция концентрации и
урожайности
Блок
N общий, мг/л.
Урожайность,
Кг/м
2
24.01.2021
27.01.2021
30.01.2021
1
280,811
197,086
217,011
12,4
2
164,209
179,258
161,382
14,1
3
244,424
207,099
210,131
11,4
4
255,253
218,175
238,026
12,0
R=
- 0,791
- 0,868
- 0,822
-
Данные по содержанию минеральных соединений в дренаже
свидетельствуют о степени усвоения растениями из питательного раствора
основных элементов питания. Как правило, чем меньше концентрация
минерала, тем интенсивнее происходит его усвоение растением, что в свою
очередь влияет на его продуктивность.
22
Из таблицы 10 видно, что интенсивность усвоения азота из питательного
раствора и урожайность имеет высокую обратную корреляционную
зависимость. То есть, чем меньше в дренаже азота, тем выше его усвоение
растениями и следовательно, выше урожайность. Говоря о механизме усвоения
азота растениями следует отметить, что данный процесс тесно связан с
формами азота, а также сопутствующими условиями для их преобразования в
растениях.
Итак, специфика усвоения азота растениями связана с формами азота -
нитратной и аммонийной. Промежуточной формой азота в процессе
образования белковых соединений является аммиачная форма азота. Он
является токсичным веществом для растения, в связи с чем необходимо
создавать условия для его беспрерывного преобразования в белковые вещества.
В противном случае азотные вещества задерживаются в растениях в виде
нитратных соединений азота, что влечет за собой ухудшение качества
продукции, либо растение испытывает негативное влияние токсичного
аммиака. В то же время преобразование аммиака в белковые соединения
происходят при наличии достаточного количества углеводных веществ в
корневой зоне. Следовательно, создание условий для своевременного
поступления в необходимых концентрациях органических веществ (углеводный
комплекс) посредством автоматизации процесса позволяют решить задачу
повышения эффективности минерального питания и как следствие, роста
урожайности.
2.3. Биохимический анализ выжимки околокорневой зоны растений
томата.
В настоящее время такие важные для агросистем компоненты, как
углеводсодержащие вещества в тепличных условиях, практически не
используются. Там, где в питательную среду добавляют соответствующие
компоненты, это делается без учета оптимальной концентрации СО
2
в корнях
растений, так как эта концентрация определяется в достаточно широком
диапазоне и в месте приготовления смеси, а не непосредственно в корневой
23
системе растений. Такая ситуация приводит к снижению эффективности
минерального питания растений и замедлению скорости образования белковых
веществ и других органических соединений, влияющих на урожайность. В
связи с этим, является актуальным определение состава и концентрации
органических соединений в корневой зоне растений и их влияния на усвоение
азота.
Учитывая, что растения не могут полноценно развиваться и давать
высокую урожайность без источника углеводов (см. п.2.1), проводится оценка
накопления в корневой зоне углеводсодержащих соединений, которые
являются продуктами дессимиляции растений. Выделение веществ клетками
корней является естественным процессом жизнедеятельности растений, что
было подтверждено множеством исследований. Состав корневых выделений
зависит так же от стадии развития [1], условий роста, физико-химических
свойств среды, в которых развивается корневая система [2].
В ходе реализации проекта с использованием газовой хромотографии был
проведен анализ выжимки питательного раствора из корневой зоны растений в
теплицах на предмет состава корневых экссудатов растений томатов. Анализ
проб на органические кислоты (щавелевая, муравьиная, винная, яблочная,
лимонная, янтарная, молочная, уксусная) проводился методом
высокоэффективной жидкостной хромотографии (ВЭЖХ) в научно-
исследовательской лаборатории ФГБОУ ВО "Чеченский государственный
университет им. А.А. Кадырова". Повторность определений трехкратная.
Органические кислоты обладают различной биологической активностью
и участвуют в адаптации организма к условиям окружающей среды.
Сохранение достаточного количества питательных субстратов в ризосферной
зоне способно служить одним из факторов успешного взаимодействия растений
и полезных бактерий. Обогащение прикорневой зоны органическими
кислотами способствует активной колонизации корней микроорганизмами,
которые продуцируют рост стимулирующие и фунгицидные соединения. К
активно утилизируемым субстратам, которые служат питательной средой для
24
полезных микроорганизмов относятся лимонная, яблочная и янтарная
органические кислоты [3]. Данные кислоты выступают биоагентом в
растительно-микробиологической ассоциации.
В условиях ООО "ЮгАгроХолдинг" концентрация органических кислот
определялась в выжимке питательной среды до утренней подачи питательного
раствора. Данный период наиболее оптимален с точки зрения концентрации
исследуемых веществ в растворе и возможности расчета концентрации на одно
растение.
В отрасли сельскохозяйственной биологии вопросы влияния экссудатов
на развитие растений считаются относительно малоизученными. В связи с чем
интерпретация количественных значений компонентов в экссудатах, а тем
более прикладное использование данных требует проведения множества
взаимосвязанных и последовательных наблюдений, привязанных к единой
цели. Экссудаты корней традиционно подразделяются на соединения с низким
и высоким M r (молярная масса). Считается, что соединения с низким M r, такие
как аминокислоты, органические кислоты, сахара, фенолы и различные другие
вторичные метаболиты, составляют большую часть корневых экссудатов. Хотя
корневая экссудация явно представляет собой значительный углеродный ущерб
для растения, механизмы и регуляторные процессы, контролирующие
корневую секрецию, только сейчас начинают изучаться [4].
Влияние состава низкомолекулярных компонентов корневых выделений,
образующихся в гидропонной системе, на урожайность огурцов и томатов
оценивалось путем анализа урожайности этих растений в соответствующий
период наблюдений.
В таблице 11 приведены данные по содержанию органических кислот в
выжимке. Доля различных органических кислот в выжимке показана на рис. 5.
25
Таблица 11. Состав и концентрация органических кислот в корневых
выделениях растений томата
Органическая
кислота
Концентрация, мкг/л
Среднее
Блок 1
Блок 2
Блок 3
Блок
4
Щавелевая
22
52
34
35
36
Муравьиная
473
501
388
403
441
Винная
34
24
31
50
35
Яблочная
79
66
111
81
84
Лимонная
221
170
209
202
201
Янтарная
57
44
41
56
50
Молочная
- - - - -
Уксусная
13
28
31
30
26
Общая концентрация
810
889
759
857
829
яблочная
9%
лимонная
23%
винная
4%
щавелевая
4%
муравьиная
51%
янтарная
6%
уксусная
3%
Рис. 5. Доля органических кислот в выжимке, %
26
С целью определения закономерностей влияния определенной
органической кислоты на продуктивность растений томата проведена
статистическая обработка данных (Таблица 12). Коэффициент корреляции во
многом позволяет определить направленность закономерностей и,
следовательно, позволяет разработать алгоритмы оптимизации доли различных
органических кислот с целью влияния на урожайность растений.
Таблица 12. Корреляционная зависимость концентрации органических
кислот с урожайностью
Органическая кислота
Коэффициент корреляции
R =
Блок 1
Щавелевая
0,691
Муравьиная
0,880
Винная
-0,540
Яблочная
-0,854
Лимонная
-0,804
Янтарная
-0,121
Уксусная
-0,104
Результаты исследований, приведенных в Табл. 12 подтверждаются
данными из различных источников. Так, высокая обратная корреляционная
зависимость урожайности и концентрации таких кислот как яблочная,
лимонная (r = -0.854 и r= - 0,804), а также средний коэффициент корреляции с
винной кислотой (r = -0,540) подтверждает наличие группы органических
кислот, рассматриваемых в качестве активно утилизируемых субстратов [3].
Утилизация происходит за счет колонизирующих ризосферу корня
агрономически ценных групп микроорганизмов, продуцирующих рост
стимулирующие вещества и имунномоделирующие соединения.
27
Положительное действие данных веществ служит причиной повышения
эффективности минерального питания и как следствие увеличения
урожайности растений.
Таким образом, наличие обратной корреляционной связи свидетельствует
о высокой биологической активности данных органических кислот и
необходимости их компенсации за счет искусственного обогащения ими
питательного раствора. Это связано с тем, что выделяемые органические
кислоты являются резервом углеводов растительного организма, которые могут
быть сохранены для бесперебойного протекания процессов синтеза
органических веществ и оттока пластических веществ в формирующиеся и
созревающие плоды.
Прямая корреляционная зависимость с урожайностью отмечена (см. табл.
12) с щавелевой и муравьиной кислотой (r = 0,691 и r = 0,880). Данные
результаты связаны с тем, что для поддержания высокого уровня
симбиотической активности растение выделяют дополнительные органические
резервы, но в связи с тем, что щавелевая и муравьиная кислота не относится к
активно утилизируемым их высокая концентрация не позволяет
компенсировать дефицит агрономически ценных кислот - лимонной, яблочной,
винной. Следовательно, возрастающие концентрации щавелевой и муравьиной
кислот могут быть расценены в качестве сигнала о наличии дефицита
утилизируемых кислот. Подтверждением сделанного вывода служат данные,
приведенные в работе Л.В. Кравченко и др. [3] о том, что до 79% пула
органических кислот в экссудатах томата может составлять лимонная кислота.
На основе данных, разработан корректирующий питательный раствор с
преобладанием в нем активно утилизируемых органически кислот с долей не
менее 79% от всего перечня идентифицированных кислот в выжимке. При этом
концентрация активно утилизируемых органических кислот пропорциональна
средним концентрациям в четырех блоках (см. Таблицу 13). Для наглядности
доля органических кислот в корректирующем питательном растворе см. Рис. 6
28
Таблица 13. Состав корректирующего питательного раствора
Органическая кислота
Концентрация
мг/л
Щавелевая
15
Муравьиная
-
Винная
87
Яблочная
209
Лимонная
500
Янтарная
124
Уксусная
65
яблочная
21%
лимонная
50%
винная
9%
щавелевая
3%
муравьиная
0%
янтарная
12%
уксусная
7%
Рис. 6 Доля органических кислот в корректирующем питательном
растворе,%
29
Глава 3. Определение измерительных сенсоров, используемых в
качестве приборов учета азотно-углеродного баланса в корневой зоне
растений томата и огурца и их приобретение
Для выполнения работ, запланированных в ходе реализации проекта,
необходимо проведение большого количества аналитических исследований с
использованием высокочувствительных приборов, которые позволяют
определить концентрацию углекислого газа и концентрацию азота в дренажных
сбросах, а также состав и количественное содержание низкомолекулярных
соединений в выжимке из корневой зоны растений - органических кислот.
3.1. Приборы для измерения азота и органических кислот. Определение
азота и органических кислот производится на стационарном оборудовании. В
частности, азот в дренаже определяется спектрофотометром DR-3900 (HACHLANGE, Германия). Спектральный диапазон 320-1100нм. Разрешение длины
волны 1 нм.
Состав органических кислот определялся на газовом хромотографе
ХРОМАТЭК-КРИСТАЛЛ-5000.
3.2. Приборы для измерения концентрации углекислого газа.
Большинство замеров, проводимых в ходе реализации проекта, были
направлены на сбор данных о концентрации углекислого газа, так как именно
эти данные, поступающие с сенсоров, являются ключевым параметром,
который используется для проведения расчетов оптимального углеродного
баланса. Сенсоры представляют собой газоаналитические датчики,
измеряющие концентрацию углекислого газа в воздушной среде в режиме
реального времени. Таким образом, базовыми приборами-сенсорами при
создании системы углеводно-азотного баланса в тепличных комплексах служат
газоанализаторы, определяющие концентрацию углекислого газа в воздушногазовой среде, а данные, поступающие от сенсоров, являются основным
источником информации для оперативного принятия решения сенсорной
30
системой по началу ввода корректирующего раствора и продолжительности его
подачи.
3.2.1. Требования к сенсорам для измерения концентрации углекислого
газа. Исходя из того, что сенсор используется с целью передачи данных для
оперативной их обработки, основными требованиями к прибору являлись
скорость измерения и оперативность передачи информации. Компактность и
наличие аналоговых выходов и реле также рассматривалось в качестве
преимущества. В связи с тем, что сенсор постоянно находится на одном месте и
для снижения рисков сбоя стабильного поступления данных выбирался прибор
с возможностью самокалибровки и погрешностью в измерениях не более 3%.
3.2.2. Критерии отбора. В связи с тем, что на рынке имеется значительное
количество сенсоров, удовлетворяющих заданным требованиям выбор
проводился по следующим критериям:
- конкурентное преимущество по стоимости;
- удобство пользования сенсорами специалистами ООО
"ЮгАгроХолдинг", в тепличном комплексе которого проводились
исследования;
-надежность компании -производителя;
-надежность работы прибора.
3.2.3. Выбор датчика и его характеристики. В результате для проведения
исследований и последующего использования в системе учета азотно-
углеродного баланса в гидропонной технологии выращивания огурцов и
томатов был выбран сенсор - преобразователь концентрации СО2 с аналоговым
выходом и дисплеем Sense II Disp шведской фирмы "SenseAir" (см. Рис.7).
Специалисты ООО "ЮгАгроХолдинг" с самого начала функционирования
тепличного комплекса пользуются измерительными приборами компании
AirSense, которые зарекомендовали себя в качестве надежных средств
измерения.
Размеры сенсора позволяют установить его в камеру для измерений,
сенсор имеет систему автоматической калибровки, стоимость прибора на 30%
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]