СПОСОБ ОЦЕНКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ РАСТЕНИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ПОТРЕБНОСТЕЙ В ВОДЕ
METHOD OF ASSESSING FUNCTIONAL STATE OF PLANTS FOR DETERMINING THEIR REQUIREMENTS IN WATER

Изобретение относится к области аграрных технологий и может быть использовано в сельском и тепличном хозяйстве, системах мелиорации и природопользования для оценки функционального состояния растений с целью осуществления регулируемого полива, оптимального для растительных объектов, независимо от типа почв, как в полевых условиях, так и в теплицах.
Наиболее широкое распространение на сегодняшний день получили методы инвазивной оценки, предполагающие отрывание листьев с последующей оценкой содержания влаги, проводимой по разным методикам различными методами.
w
w
m
Среди неинвазивных известен способ определения содержания влаги в листьях растений, включающий в себя зондирование листа одновременно соосно оптическим пучком на двух длинах волн ближнего инфракрасного (ИК) диапазона, соответствующих максимуму поглощения воды на обертонах колебаний молекулы воды 1400 нм ≤λ≤ 1500 нм, либо 870 нм ≤λ≤ 2000 нм и минимуму поглощения хлорофилла и воды в диапазоне 800 нм ≤λ≤ 1200 нм, и определение интенсивности прошедшего лист оптического ИК излучения или соответствующей оптической плотности на указанных длинах волн, и далее по интенсивности прошедшего лист оптического ИК излучения судят о содержании воды в листе. Неинвазивный контроль в реальном времени содержания влаги в листьях «живых» растений позволяет создавать энергосберегающие технологии при оптимальном расходе влаги при автоматическом режиме полива (см. патент РФ №2461814, МПК G01N 21/35, публ. 20.09.2012 г.).
К недостаткам указанного способа можно отнести сложность оптической схемы, реализующей одновременное соосное зондирование листа растения на двух длинах волн ближнего ИК диапазона. Особенно это проявляется при выполнении контроля не в лабораторных условиях, а непосредственно в зоне произрастания объектов контроля. Вторым недостатком является сложность проведения калибровки поглощения воды из-за необходимости обеспечения толщины кюветы, соизмеримой с толщиной листа растения. Это, в свою очередь, значительно осложняется тем, что способ ориентирован на контроль содержания влаги в живых листьях, независимо от типа растения, т.е. их количество может быть существенным и сильно отличаться друг от друга. На сегодняшний день информации о линейных размерах листьев недостаточно.
Наиболее близким к заявляемому является способ оценки содержания влаги (воды) в листьях растений, основанный на измерении спектрального коэффициента отражения инфракрасного излучения от листьев и дальнейшем использовании множественного регрессионного анализа по полученным спектральным данным (см. патент WO №2007129648, МПК G01N 21/31; A01G 7/00, публ. 15.11.2007 г.).
Недостатками данного способа являются достаточно сложный алгоритм выделения диагностической информации, а также невозможность учета формирования диффузного и зеркального отражения на поверхности листовой пластины, которая обладает различными участками, приводящими к появлению смешанного отраженного излучения, каждая из составляющих которого будет иметь различное направление и будет нести определенную информацию о состоянии растения в целом.
Техническая задача состоит в обеспечении возможности неинвазивного контроля содержания влаги в живых листьях растений, независимо от их типа, для автоматизации процесса полива и контроля за расходом воды при искусственном орошении, а также оптимизации процесса выращивания растительных объектов, независимо от типа почв, как в теплицах, так и в полевых условиях.
Техническая задача решается тем, что в способе оценки функционального состояния растений для определения их потребностей в воде облучение листовой пластины растительных объектов проводится в области спектра 750…1150 нм (фиг. 1), в котором отражательная способность достаточно велика, а поглощательная способность зеленого листа незначительна. Здесь растительные пигменты практически нейтральны и оптические свойства зеленого листа определяются преимущественно его тканью. Значительное увеличение коэффициента отражения в этом диапазоне связано с ячеистой структурой листьев, которая способствует процессу многократного отражения и преломления, поэтому важную роль здесь играют размер, форма и количество клеток в мякоти листа, так как этими параметрами определяется число поверхностей и соответственно общая площадь, на которой совершаются процессы отражения и поглощения. Таким образом изменение клеточных структур листьев растений, которое, прежде всего, определяется влагообеспеченностью и содержанием микроэлементов в растении в целом, существенно влияет на процесс отражения.
Способ оценки функционального состояния растений для определения их потребностей в воде, заключающийся в том, что производят облучение в области спектра 750…1150 нм, измеряют мощность отраженного электромагнитного излучения от поверхности листьев и определяют коэффициент отражения его зеркальной составляющей, по величине которого в смешанном отраженном световом потоке оценивают функциональное состояние растений.
Технический результат заключается в возможности определения функционального состояния растений для определения их потребностей в воде в режиме реального времени на основе облучения листьев растений электромагнитным излучением ближнего инфракрасного диапазона и измерении зеркальной составляющей отраженного излучения, по величине которой судят о влагообеспеченности растения.
В отраженном смешанном потоке диффузная составляющая присутствует в случае наличия на поверхности листа растения различных видов шероховатостей и неровностей. Наличие в отраженном потоке зеркальной составляющей говорит о состоянии «комфорта», которое характеризуется высоким тургором и блеском поверхности листа, отсутствием возрастных, механических и прочих повреждений и изменений, указывающих на дефицит микроэлементов питания (отмирание тканей листа, появление пятен, изменение окраски и т.п.). Состояние листовой поверхности в данном случае таково, что микронеровностей практически нет, а амплитуда имеющихся столь незначительна, что падающее излучение отражается направленно под углом, равным углу падающего светового потока.
Дефицит влагообеспеченности приводит к тому, что обводненность листьев несколько снижается, при этом первоначальные изменения касаются прежде всего тургора листа, то есть напряженное состояние оболочек живых клеток уменьшается, что приводит к появлению дополнительных шероховатостей на поверхности листовой пластины. Данное явление характерно для всех видов лиственных растений и неизменно наблюдается при недостатке полива растений. Причем процесс увядания листа, неизменно связанный с образованием большего количества микронеровностей, начинается в тот момент, когда человеческий глаз еще не может различить происходящих внутри листа изменений, так как визуально заметное увядание листа проявится значительно позже.
Появление дополнительных шероховатостей приводит к обязательному уменьшению зеркальной составляющей отраженного светового потока, которое в свою очередь будет информировать о начале процесса увядания растения. Стоит отметить, что помимо перечисленных факторов, также влияние на зеркальную составляющую будет оказывать стадия вегетационного периода, так у молодых растений зеркальная составляющая всегда будет выше (до 15%), чем у стареющих (до 10%).
Из вышесказанного следует, что наличие зеркальной составляющей порядка 5-15% в смешанном отраженном световом потоке от листьев зеленых растений говорит о том, что оно находится в состоянии, которое не требует никакого внешнего вмешательства со стороны человека, то есть не требуется ни полив, ни подкормка, ни какие-либо иные формы ухода за растением, независимо от состояния, например, почвы, в которой оно произрастает. Снижение этого параметра соответствует ухудшению функционального состояния растений, при этом полное отсутствие в отраженном потоке зеркальной составляющей характеризует увядающее состояние с существенным дефицитом воды у растительных объектов.
Сущность способа поясняется графиками. На фиг. 1 представлен характеристический спектр отражения зеленого листа с указанием факторов, влияющих на отражение, на фиг. 2 показано изменение отражения в процессе интенсивного полива Фикуса Бенджамина, на фиг. 3 - изменение отражения в процессе дозированного полива Синадениума (Молочай беложильчатый), на фиг. 4 - изменение отражения в процессе наблюдения за растениями перца сладкого сорта Восковидный Сенюшкина (лето 2018 года).
Экспериментальные исследования проводились на длине волны 860 нм с использованием экспериментальной установки, мощность падающего инфракрасного излучения составляла 100 мВт.
Пример 1: Исследование влияния полива на величину зеркальной 3 составляющей отраженного излучения от листьев Фикуса Бенджамина (фиг. 2) проводилось семь дней, в течение которых растение не поливалось. В течение этого времени произошло снижение коэффициента отражения зеркальной 3 составляющей с 9,6% до 1,5%. После этого был осуществлен интенсивный полив (200 мл воды), и зафиксировано изменение величины измеряемого параметра в течение двух часов после проведенного полива. Рост зеркальной 3 составляющей, зафиксированный в момент полива, происходил практически до исходного значения (8,8%), соответствующего хорошему функциональному состоянию растения.
Пример 2: Исследование влияния интесивности полива на величину зеркальной 3 составляющей отраженного излучения от листьев Синадениума (фиг. 3) проводилось девять дней, в течение которых было осуществлено двукратное дозированное увлажнение почвы (100 мл воды) на восьмой и девятый день эксперимента после недельного отсутствия влаги. Зафиксированное изменение зеркальной 3 составляющей отраженного потока происходило поэтапно сразу после проводимого первого полива и достигло исходного значения только после второго полива. Исходное значение коэффициента отражения зеркальной 3 составляющей, зарегистрированное после приготовления растения к эксперименту, было зафиксировано на уровне 11,2%, которое за время эксперимента снизилось до величины 4,4%. После первого полива наблюдался незначительный рост коэффициента отражения зеркальной 3 составляющей (5%), в связи с еще оставшимся дефицитом влаги. В дальнейшем после второго полива коэффициент отражения увеличился до величины 9,6%, что соответствует хорошему функциональному состоянию растения при отсутствии потребности в поливе.
Пример 3: Исследования, проведенные в полевых условиях, показали изменение зеркальной 3 составляющей отраженного потока от листьев растений в зависимости от выпавшего дождя или проведенного полива (фиг. 4). В качестве объектов исследования были использованы сельскохозяйственные растения, в частности, растения перца сладкого сорта Восковидный Сенюшкина. Исследования проводились в течение месяца, каждый день которого осуществляли измерения, и охватывали выборку растений на делянке, включающую порядка восьми объектов. Усредненные значения изменения зеркальной 3 составляющей отраженного излучения показали, что ее рост соответствовал моментам выпадения дождя или осуществления полива, когда наблюдался период затяжного отсутствия осадков. В эти моменты значения коэффициентов отражения зеркальной 3 составляющей составили величины 5,6%, 6,2% и 4,2% соответственно. При этом в промежутках происходило снижение зеркальной 3 составляющей отражения практически до нулевых значений (0,5% в период затяжной засухи), что соответствует крайне высоким потребностям растительных объектов в воде.
Проведенный полив привел к увеличению измеряемого параметра, однако его величина не достигла значений, зафиксированных в начале месяца, и вновь быстро уменьшилась до 2,2%, что свидетельствовало о необходимости дополнительного полива, так как растения находились в удовлетворительном функциональном состоянии с дефицитом содержания воды в листьях.
Результаты экспериментальных измерений показали (фиг. 2, 3 и 4), что наличие зеркальной 3 составляющей отраженного светового потока может выступать в качестве критерия оценки функционального состояния растений для определения их потребностей в воде, на основании которого можно осуществлять регулирование технологией возделывания различных растительных объектов с учетом их особенностей и потребностей с использованием объективной информации о растениях, получаемой в реальном времени. При этом как смешанное 4, так и диффузное 5 отражение не несут объективной информации о состоянии растений, демонстрируя неоднозначные зависимости их изменения от влагообеспеченности растительных объектов.