Математическая модель биометрических показателей растения салата (Lactuca sativa L. ) в светокультуре при различных дозах облучения

В результате исследований выявлено, что при одинаковых исходных показателях питательных растворов, на момент выставления горшочков с растениями в культивационные короба и при использовании 10% раствора азотной кислоты для корректировки рН изменение показателей ЕС в различных вариантах опыта носят незначительный характер -1,82... 2,0 мСм/см до корректировки и 1,89... 2,02 мСм/см после корректировки. Показатель рН питательного раствора между корректировками по вариантам опыта достигал значений 6,17...6,29, при поддерживаемом 5,95...5,99. Наиболее заметное изменение рН и ЕС наблюдалось в варианте с использованием светодиодного светильника LEDEL при соотношении KB:KG:KR=31%:10%:59%. Раствор 10% азотной кислоты может применяться для поддержания оптимального значения рН без существенного изменения значения ЕС питательного раствора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антипова О.В., Норкин В.А. Технология выращивания салата Фрилис на салатно-рассадных комплексах методом гидропоники //Теплицы России. - 2012. - №1. - C. 70-72.

2. Цыденданбаев А.Д. Контроль питания. // Мир теплиц. - 2005. - №5. - C. 24-25.

3. Михеева Н.О. Салаты на гидропонике. // Теплицы России, - 2004, - №2-3, - C. 2224.

4. Цыденданбаев А.Д. Полив и питание огурцов. // Мир теплиц. - 2012. - №1. - C. 14 -

24.

5. Цыденданбаев А.Д. Новые ПДК для нитратов в ЕС. // Мир теплиц. - 2011. - №6. -

C. 10.

6. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Судаченко В.Н., Колянова Т.В. Определение эффективности светодиодных источников облучения при выращивании рассады томата и огурца. // Сб. научных трудов ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, С-Петербург. - 2013.

- №84 - C. 82-89.

7. Ракутько С.А., Судаченко В.Н., Маркова А.Е. Оценка эффективности применения оптического излучения в светокультуре по величине энергоемкости // Плодоводство и ягодоводство России. - 2012. - Т. 33. - С. 270-278.

8. Куул А. Полив и питание растений, регулирование рН. // Мир теплиц. - 2011. - №4.

- C. 36 - 37.

УДК 58.087:635.52

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ БИОМЕТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАСТЕНИЯ САЛАТА (LACTUCA SATIVA L.) В СВЕТОКУЛЬТУРЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДОЗАХ ОБЛУЧЕНИЯ

С.А. РАКУТЬКО, д-р техн. наук; А.П. МИШАНОВ; А.Е. МАРКОВА, канд. с.-х. наук; Е.Н. РАКУТЬКО; А.В. ВАСЬКИН

Показана важность эмпирических моделей продукционного процесса растений салата (Lactuca Sativa L.), выращиваемых в условиях светокультуры. Растения выращивали в помещении с поддержанием параметров микроклимата, предъявляемым к данной культуре при полном отсутствии естественного света. Для облучения использовали светодиодные светильники собственного изготовления с соотношением цветов в отдельных диапазонах спектра: kOHH=30%, k3CT=20%, ^=50%. При выращивании растений применена технология малообъемной гидропоники. В качестве субстрата использовался чистый агроперлит. Для обеспечения растений необходимыми элементами питания в течение всего периода выращивания применялся раствор макро и микроудобрений с параметрами, аналогичными применяемым при промышленном выращивании. Контроль и корректировка параметров кислотности (рН) и электропроводности (ЕС) рабочего раствора осуществлялись вручную при помощи рН-метра-иономера «Эксперт-001» и кондуктометра DIST WP4. Питательный раствор в вариантах опыта был одинаковым. Поддержание заданного уровня облученности растений на уровнях: 12,5; 15; 20 и 30 Вт/м2 осуществлялось за счет изменения высоты подвеса светильников. Продолжительность времени облучения (фотопериод) в опыте составляла: 10; 15; 20 и 24 ч/сут.

По завершении цикла выращивания (35 суток) проводилось исследование биометрических показателей растений салата. Листья с растений одного возраста разделяли на группы в соответствии с их номером в порядке появления. Фиксировали количество листьев на растении, их геометрические размеры, сырую массу и выход сухого вещества. Площадь листа растения салата находили по найденной в предварительных экспериментах формуле. Предложены модели зависимости площади листовой поверхности и сырой массы листьев. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации процесса выращивания растений.

Ключевые слова: светокультура; математическая модель; биометрия; салат; рост; доза.

MATHEMATIC MODEL OF LETTUCE PLANTS (LACTUCA SATIVA L.) BIOMETRICS IN INDOOR CULTIVATION UNDER VARIOUS IRRADIATION DOZES

S.A. RAKUTKO, Dr. Sc. (Eng); A.P. MISHANOV; A.E. MARKOVA, Cand. Sc. (Agr); E.N. RAKUTKO; A.V. VAS'KIN

The paper shows the importance of empirical models of plant productional process of lettuce (Lactuca Sativa L.), grown under artificial indoor lighting. The plants were grown in the rooms with controlled inside climate, which met all the relevant requirements to this particular crop, totally closed to outdoor light. LED lamps of the own manufacture were installed, with the colour ratio in separate spectrum parts being kblue=30%, kgreen=20%, kred=50%. The technology of small-volume hydroponics was applied to grow the plants. Pure agroperlit was used as a substrate. To supply the plants with all required nutrients during the whole growing period the solution of micro and macro fertilizers was used, which had the same characteristics as the one used in the industrial-scale growing facilities. The solution acidity (рН) and electric conductivity (ЕС) were controlled and adjusted manually with the use of «Эксперт-001» pH and ionometer and DIST WP4 conductivity meter. The nutrients solution was the same in all the experiments variants. The set plant irradiation level of 12,5; 15; 20 and 30 W/m2 was maintained by varying the suspension height of lamps. The irradiation time (photoperiod) in the experiment was 10; 15; 20 and 24 hour/day. After the growing period was over (35 days) the biometric indices of lettuce plants were studied. The leaves from the plants of the same age were divided into groups according to their number in order of their appearance. The number of leaves on one plant, their geometrical dimensions, raw weight and dry matter yield were recorded. The leaf area on one lettuce plant was calculated by the derived in previous experiments formula. The dependence models of the leaf surface area and the raw mass of leaves were suggested. The obtained results may be used to optimize the plant growing process.

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 89._

Key words: indoor plant lighting; mathematical model; biometrics; lettuce; growth; doze.

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшим видом технологического процесса в аграрном производстве является светокультура - выращивание растений с целью получения урожая в сооружениях с контролируемыми экологическими факторами с применением дополнительного к естественному облучения от источников света, либо только с применением источников света. В светокультуре достаточно большие затраты энергии связаны с обеспечением условий для фотосинтеза. Значительная доля энергетических потерь в этом процессе объясняется низкой степенью преобразования энергии потока оптического излучения в сухое вещество тканей растения. В условиях необходимости строительства новых тепличных комбинатов и реконструкции уже существующих, роста тарифов, постоянного сокращения запасов природных энергоресурсов и необходимости снижения вредных выбросов в окружающую среду, оптимизация производственного процесса светокультуры является актуальной задачей.

В лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП (Санкт-Петербург) на стыке физиологии растений, физики (светотехники) и экологии разработаны основы нового комплексного научного направления - энергоэкологии светокультуры [1]. Предложена иерархическая информационная модель ИБЭС, которая учитывает процессы преобразования энергии и переноса вещества, происходящие в отдельных объектах. Объекты в свою очередь составляют систему и сочетают жесткие связи и автономную независимость как совокупность взаимодействующих подсистем, образующих отдельный автономный иерархический уровень, который характеризуется как различным числом и расположением, так и природой элементов системы [2]. Получены теоретические модели распределения потоков энергии оптического излучения [3], создано метрологическое обеспечение качества облучения в светокультуре [4], предложены практические приемы проектирования и оценки эффективности отдельных энергосберегающих мероприятий [5, 6], обоснованы энергоэкологичные режимы работы облучательных установок и алгоритмы управления их энергоэффективностью и экологичностью [7].

Наряду с моделями, детально рассматривающими биофизические явления на уровне химических реакций в масштабе клетки или даже с привлечением законов молекулярной генетики, существует целый класс простейших моделей агроэкосистем. Так, для разработки теории и практики управления светокультурой необходимо наличие математических моделей продукционного процесса растений, прежде всего роста, развития и фотосинтетической деятельности. По своей природе показатели роста являются интегральными и характеризуют влияние внешних факторов на состояние растения. Отражением процесса роста растения являются биометрические показатели. Полученные данные могут быть использованы при разработке алгоритмов управления продуктивностью растений [8].

Важной составляющей отмеченного подхода является исследование вопросов взаимосвязи потока энергии оптического излучения и потоков продуктов фотосинтеза в растениях, в частности, уточнение и выявление особенностей проявления закона взаимозаместимости (или закона Бунзена-Роско). Сущность этого закона, первоначально установленного для фотохимических реакций, заключается в том, что реакция объекта на

излучение определяется произведением интенсивности, (задаваемой облученностью E) на время действия T, т.е. дозой H = E • T. Другими словами, величины интенсивности и времени взаимозаместимы: изменение одной из них может быть скомпенсировано соответствующим изменением другой в обратную сторону.

Целью работы является получение модели растения салата, выращиваемого в условиях светокультуры, адекватно описывающей биометрические показатели растения в зависимости от дозы облучения, получаемой растениями.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Салат (Lactuca sativa L.) был выбран в данном исследовании по причине его быстрого роста и чувствительности к параметрам светокультуры. Исследования проводили на гидропонных культивационных модулях, разделенных светонепроницаемыми экранами, препятствующей проникновению световых потоков в соседние секции, но позволяющих обеспечивать циркуляцию воздушных потоков, в лабораторном помещении без естественного освещения площадью 50 м (рис. 1). В модулях в соответствии с агротехническими требованиями поддерживали требуемые режимы микроклимата: температуру воздуха 18-20 °С; относительную влажность воздуха 60 - 70 %; содержание углекислого газа не менее 0,030 % ; подвижность воздуха 0,3 - 0,5 м/с.

Рис. 1. Размещение растений салата на гидропонной установке

Минеральное питание растений осуществляли питательными растворами, приготовленными из состава макро- и микроудобрений, используемых в промышленном тепличном овощеводстве. Измерение содержания элементов питания в растворах и их корректировку осуществляли вручную отдельно для каждого варианта с помощью кондуктометра DIST WP4, рН-метра-иономера «Эксперт-001» и спектрофотокалориметра ПЭ5400В. В составе субстрата для выращивания салата методом проточной гидропоники использовали агроперлит в виде гранул, с низкой (до отсутствия) ионообменной

3 „

способностью, низким объемным весом (94 - 117 кг/м3), высокой пористостью (65 - 82%), ЕС менее 0,2 мСм/см и рН 6,5 - 7,5.

Семена салата, предварительно вымоченные в течение 2 часов в стимуляторе роста «Эпин», высевали в контейнеры, заполненные агроперлитом, предварительно пролитом кипяченой водой. Семена раскладывали с помощью лекала и обильно смачивали водой с

температурой 22 оС с помощью распрыскивателя для повышения контакта семени с агроперлитом. Далее контейнеры помещали в емкость с питательным раствором (ЕС=1,0-1,1 мСм/см), которую закрывали крышкой и черно-белой пленкой для предотвращения попадания света на семена. Через 30 часов после высева контейнеры с проклюнувшимися семенами перемещали из емкости на пластиковые поддоны с питательным раствором и выставляли под свет натриевых ламп (ДНаЗ-400 Супер). Освещенность составляла около 8,5 кЛк, температура воздуха 20-22 оС, влажность воздуха 50-55 %.

Пикировку производили по три растения в горшочек PR-360 с агроперлитом в фазе первого настоящего листа. Горшочки с растениями выдерживали на поддонах с питательным раствором (ЕС=1,6 мСмсм-1) под круглосуточным облучением натриевыми лампами. В фазе третьего настоящего листа горшочки с растениями устанавливали в культивационные короба гидропонных установок. Выращивание растений производили в соответствии с планом проведения эксперимента при различных сочетаниях фотопериода и облученности в течение 35 сут.

Варьируемые параметры в эксперименте - продолжительность времени облучения

1 2 (фотопериод) T =10; 15; 20; 24 чсут- и величина облученности E = 12,5; 15; 20; 30 Втм- .

Полный эксперимент включал в себя последовательное проведение четырех серий опытов, в каждой серии реализовывалось четыре варианта.

Для снятия биометрических показателей в конце серий экспериментов использовали растения из центральной части зоны выращивания, где неравномерность облученности не превышала 20%. Фиксировали массу листьев, стебля и корня отдельного растения салата, геометрические размеры каждого листа (длину и ширину) и его сырую массу. Содержание сухого вещества в конце выращивания определяли высушиванием образцов в сушильном шкафу при температуре 105 оС.

В качестве источников излучения применяли экспериментальные светодиодные облучатели собственного изготовления, представляющие собой алюминиевую панель -радиатор размером 1,0 м х 0,25 м. Использовали светодиоды типа ARPL - Star - 3W в соответствующих количествах, а также блоки питания HTS-200M-12. Требуемый спектр излучения задавали пропорцией между синими, зелеными и красными светодиодами, а также величиной тока через светодиоды. Спектральный состав во всех облучателях был одинаков, с соотношением энергии в отдельных спектральных диапазонах ксин=30%, кзел=20%, ккр=50% [9]). Среднее квадратичное отклонение доли энергии в отдельных спектральных диапазонах от среднего составляло не более 2,3%.

Облученность растений поддерживали в течение вегетационного периода на заданном уровне путем изменения высоты подвеса облучателя. Параметры световой среды показаны в таблице.

Таблица 1

Параметры световой среды

Параметр Стол 1 Стол 2 Стол 3 Стол 4

Облученность ФАР, Втм- 30,0 20,0 15,0 12,5

Освещенность, кЛк 7,71 4,63 3,61 3,04

1 2 Фотонная облученность ФАР, мкмольс- м- 141,91 93,06 70,15 58,57

Использовали модель роста и развития растения, учитывающую динамику изменения площади каждого листа растения и его массы в процессе выращивания [10]. Листья с растений одного возраста разделяли на группы, в соответствии с их номером п в порядке появления на стебле. Фиксировали количество листьев на растении N, их геометрические размеры (длину вдоль центральной жилки Аи и наибольшую ширину Вп), сырую массу Мп

и выход сухого вещества тп. Площадь п -го листа растения салата с достаточной точностью

находили по полученной в предварительных экспериментах формуле £и = 0,53АпБп.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 показаны зависимости площади поверхности листа салата и их сырой массы от уровня облученности и фотопериода в виде поверхностей отклика.

Рис. 2. Зависимость площади поверхности листа салата

от уровня облученности и фотопериода

Для оценки совокупного влияния рассматриваемых факторов на динамику развития ассимиляционного аппарата растений салата была получена модель второго порядка, описывающая установленные закономерности:

5 = -1.16Т2 + 58.55Т -1.29 Е2 + 68.27Е - 815.73,

где - площадь листовой поверхности одного растения салата, см2;

Т - фотопериод, ч;

Е - облученность, Вт'м- ;

Коэффициент детерминации Я2 =0,98.

Модель для сырой массы растения МЕ, г:

МУ = -0.04Т2 + 2.15Т - 0.02Е2 + 1.59Е - 31.12,

Коэффициент детерминации Я2 =0,97.

Большие удобства предоставляет наличие формул, позволяющих определить значения биометрических показателей облучаемых растений в зависимости от дозы облучения. Для

получения таких формул значения полученных биометрических показателей перестроены в соответствующих координатах (рис. 3).

1000

2 800

ci В

£ 600

£ 400 t

о Эксперимент -Модель

200

400

600

Суточная доза, Вт'м- ч

800

30 25

и

8 20

I 15

й

О Эксперимент -Модель

200

400

600

800

Суточная доза, Вт'м- ч

Рис. 3. Зависимость площади поверхности листа салата (слева) и их сырой массы (справа) от суточной дозы облучения

ä 10

0

0

0

Явная группировка экспериментальных значений вдоль гладких функций, аргументом которых является доза облучения, позволила найти их параметры.

Для площади поверхности листьев:

234.1

^ = 866.9

Для массы листьев:

804.7

М, = 45.9

Зависимость количества листьев на растении салата от дозы:

N = 0.0067Н + 7.7, Я2 = 0,86.

Различия в содержании сухого вещества / по вариантам статистически не значимые. Среднее значение /=4,7 % (стандартное отклонение 0,3, относительная ошибка среднего 1,9 %, коэффициент вариации 6,7 %).

Оценка однородности дисперсий параллельных опытов, выполненная с помощью критерия Кохрена показала, что его расчетное значение не превышает табличного при уровне значимости 0,05. Проверка статистической значимости коэффициентов регрессии проводили с помощью критерия Стьюдента, адекватность модели - с помощью критерия Фишера.

В процессе роста и развития наряду с количественными процессами преобразования вещества и энергии в растении происходят регуляционные процессы, которые инициируют распознаваемые качественные изменения в структуре или поведении организма растения в зависимости от текущего внутреннего состояния или складывающихся внешних условий [11]. Полученная модель относится к классу моделей, не предусматривающих анализ механизмов формирования урожая, но дающих адекватное описание динамики развития исследуемых растений в зависимости от внешних условий (экологических факторов) и/или краткосрочный прогноз этой динамики [12].

В результате эмпирического подхода на основе экспериментальных данных подобраны подходящие достаточно простые формулы. Такой способ количественного

обобщения и аппроксимации экспериментальных данных часто способствует пониманию механизмов, ответственных за реакцию растения [13].

Математическая зависимость между факторами внешней среды и продукционным процессом растений позволяет оптимизировать вегетацию методом подбора необходимых сочетаний параметров этих факторов, добиваясь при этом максимальной продуктивности растений. Оптимизация по данному критерию позволит в короткие сроки получить сильную рассаду и оптимизировать основные факторы жизни растений в период вегетации до начала массового плодоношения [14].

Задачей дальнейших исследований в данном направлении является минимизация энергоемкости. Выращивание растений при искусственном облучении является весьма энергоемким процессом. Основные затраты энергии здесь связаны с созданием условий для фотосинтеза, при котором происходят реакции поглощения, превращения и использования квантов света, ведущие к образованию органического вещества из углекислого газа и воды при участии фотосинтетического пигмента хлорофилла. Наличие математических зависимостей между факторами внешней среды и энергоемкостью светокультуры позволит добиться оптимизации процесса выращивания растений по критерию минимума энергоемкости путем варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов [15].

ВЫВОДЫ

Экспериментальные исследования вариантов облучения растений в контролируемых условиях с различным суточным фотопериодизмом при излучении определенного спектрального состава проводились с целью выявления реакции растений на режимы облучения, для которых первичной характеристикой является поток синтезируемого вещества, определяющий показатели продуктивности светокультуры. Результаты экспериментов позволили математически описать закономерности роста растения для светокультуры салата. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации процесса выращивания растений путем варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ракутько С.А. Научные основы энергоэкологии светокультуры / Сб. статей межд. науч.-практ. конф. «Вавиловские чтения - 2015».- Саратов, Буква, 2015. - С. 228-229.

2. Ракутько С.А. Оптимизация энерготехнологических процессов в АПК на основе прикладной теории энергосбережения // Труды международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». М., ВИЭСХ, 2012. Т. 1. С. 64-70.

3. Ракутько С.А. Пространственное распределение потока излучения. Благовещенск, ДальГАУ.- 1995.

4. Патент РФ № 2368875. Измерительно-вычислительный комплекс периодического контроля и тестирования источников света для облучения растений / Ракутько С.А., Карпов В Н., Гулин С В., Мельник В В. // заявл. 04.06.2008.

5. Ракутько С.А. Программные средства обеспечения методов энергосбережения в тепличных облучательных установках // В сборнике: Интенсификация технологических процессов в растениеводстве Ленинград, 1991. С. 38-40.

6. Ракутько С.А. Энергосберегающая система управления энерготехнологическими процессами в АПК // В сб.: Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского. Сборник материалов III Межд. научно-практич. конф. Саратов, 2008.- С. 228229.

7. Патент РФ 2357342. Способ энергосбережения в энерготехнологических процессах / Карпов В.Н., Ракутько С.А. // №2008115845(017799); заявл. 21.04.08., опубл. 25.05.2009.

8. Михайленко И.М. Математическое моделирование роста растений на основе экспериментальных данных // Сельскохозяйственная биология.- 2007.- № 1.—с.103—111.

9. Протасова Н.Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений // Физиология растений. - т. 34.- Вып.4.-1987.

10. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Оценка энергоэффективности источников оптического излучения с позиций прикладной теории энергосбережения // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.— 2015.—№39.—С. 359—367.

11. Полуэктов Р.А., Смоляр Э.И., Терлеев В.В., Топаж А.Г. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур. СПб., 2006.

12. Журавлева В.В. Математические модели процессов регуляции в физиологии растений // Известия Алтайского государственного университета. —2008.— №1. —с. 43—57.

13. Торнли Дж.Г.М. Математические модели в физиологии растений. — Киев, 1982. —

312 с.

14. Попова С.А. Математическое моделирование продуктивности растений как средство повышения эффективности энергосбережения // Вестник КрасГАУ.— 2010.— № 7.— с.141—145.

15. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А. Сравнительная оценка эффективности источников излучения по энергоемкости фотосинтеза // Инновации в сельском хозяйстве.—2015. — № 2 (12). — С. 50—54.