автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Комплексная оценка влияние оптического излучения и других климатических факторов на продуктивность растений

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИЭСХ)

РГБ ОД

; 0 онт эд

На правах рукописи

МУДРИК Вилен Андреевич

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ДРУГИХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ РАСТЕНИЙ

Специальность 05. 20. 02 -электрификация сельскохозяйственного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -

1994

Диссертационная работа выполнена в Институте почвоведения и фотосингела Российской Акадекии Наук и Всеросийском кауччо-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства Российской Академии Сельскохозяйственных Наук.

Научный руководитель: доктор технических наук, ст. н. с. Свентицкий И. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лянцов А. К.

кандидат технических наук, ст. н. с. Секанов Ю. П.

. Ведущая организация: Агрофизический научно-исследовательский

институт РАСХН.

/0,

Зашита диссертации состоится " 1994 г. в -

lid. заседании специализированного совета К 020. 15.01' по присуждена ученой степени кандидата технических наук во Всероссийском научно-исследовательской институте электрификации сельского хозяйства.

Отзыбы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печать», просим направлять по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вепкзховский проезд, 2, ВИЭСХ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВИЭСХ.

Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, старший научный сотруднй

Ф. Нолоснов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Количественная оценка оптического излучения и других климатических факторов по влиянию на продуктивность растений необходима для более рационального использования электрической и других видов техногенной энергии, природных ресурсов в растениеводстве. Сокращение затрат техногенной энергии на получение продукции растениеводства возможно за счет более полного использования энергии солнечного излучения.

Важной стороной количественной диагностики состояния посевов агроэкосистем является создание необходимой информационной базы. Слабое развитие инструментальных методов количественной диагностики продуктивности агроэкосистем свидетельствует о необходимости разработки приборов для количественной оценки оптического излучения и других климатических факторов по влиянию на продуктивность растений.

Работа выполнена по плану научно-исследовательских работ Института почвоведения и фотосинтеза РАН, и в соответствии с >бщесоюзной научно-технической программой 0.51.21, задание 02 (1986...1990г.), международными научными проектами «Биофотометрия» ( 1980. . 1985гг) и «Агробиоэнергетика»(1986. . 1990 гг. ) программы СЭВ "Исследования в области биологической физики".

Цель и задачи ^следований. Целью работы является разработка метода и электрифицированной автоматической установки комплексной оценки 0И, влажности почвы и других климатических факторов по влиянию на продуктивность растений.

В работе поставлены следующие задачи:

1. Разработать метод количественной оценки влияния влажности почвы на продуктивность растений при комплексной оценке агрокли-катического потенциала.

2. Исследовать зависимости скорости фотосинтеза и продуктивности растений пшеницы Московская-35 от фотосинтезной облученности ОИ, температуры воздуха и влажности почвы.

3. Обосновать принципы и основные параметры электрифицированной автоматической установки комплексной оценки ЭИ, влажности почвы и температуры воздуха по влиянию на тродуктивность растений.

4 Провести испытания электрифицированной автоматической установки комплексной оценки ОИ, влажности почвы и температуры воздуха по влиянию на продуктивность растений.

Научная новизна работы. Разработан метод комплексной количественной оценки ОИ, влажности почвы и других климатических факторов по влиянию на продуктивность растений в динамике с использованием обобщенного показателя - агроклиматического потенциала.

Получены исходные данные по завискиостк скорости фотосинтеза и продуктивности растений пшеницы Московская-35 от фотосинтезной облученности ОИ, температуры воздуха и влажности почв.

Разработана электрифицированная автоматическая установка для комплексной оценки ОИ, влажности почв и температура воздуха по влиянию на продуктивность растений.

Новизна подтверждена тремя авторскими свидетельствами на изобретения, патентом СССР и патентом России.

Практическая значимость. Метод количественной оценки влияния влажности почв при разных значениях оптической облученности на продуктивность растений использован для разработки метода комплексной оценки агроклиматических факторов. Полученные экспериментальные данные по зависимости скорости фотосинтеза и продуктивности пшеницы от климатических факторов используются при определении агроклиматического потенциала пшеницы и занесены в память специализированной микро-ЭВМ установки комплексной оценки ОИ, влажности почвы и температуры воздуха по влиянию на продуктивность растений. Разработанные метод и установка уменьшают затраты труда и повышают точность комплексной оценки агроклиматического потенциала на 20-235!.

Использование модернизированной установки для контроля и

оптимизации факторов внешней среды, согласованной с оптической

облученностью при выращивании растений обеспечивает годовой

экономический эффект 44, 5 тыс. рублей для теплицы площадью О, 34 о

га или 13,2 руб/м в ценах 1991 года.

Реализация результатов работы. Опытные образцы электрифицированной автоматической установки комплексной оценки ОИ, влажности почвы и температуры воздуха по влиянию на продуктивность растений, изготовленные на микропроцессорной основе, используется в научных исследованиях Института почвоведения и фотосинтеза РАН (г. Пущино Московской обл.) и в ВИЭСХ.

Модернизированный образец компьютерной установки с 1991 года используется для контроля и оптимизации микроклимата ангарной теплицы при выращивании томатов в тепличнон совхозе "Киевская овощная фабрика".

Апробация работы. Основные научные положения и результаты экспериментальных исследований докладывались на Всесоюзном научно-производственном совещании по применению оптического излучения в сельскохозяйственном производстве (г.Львов, 1984); на рабочих совещаниях специалистов стран-членов СЭВ по проекту "Биофотометрия" (г. Пущино, 1980; Г.София, 1984; г. Пущино, 1985); на симпозиумах в Болгарии "Физика - сельскому хозяйству" (Г.Пловдив, 1982; г. Плевен, 198В, 1991); на региональной научно-технической конференции "Ресурсосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве" (г.Волгоград, 1988); на Международном симпозиуме "Моделирование продуктивного потенциала почв в агроэкосистемах" (Г.Варна, 1988); на Всесоюзной конференции "Преобразование световой энергии в фотосинтезирующих системах и их моделях" (г.Пущино, 1989); на Всесоюзной конференции "Фотосинтез и продукционный процесс" (г.Саратов, 1989); на конференции "Экологические проблемы охраны живой природы" (г.Москва, 1990); на Международной научно-технической конференции "Прикладные и теоретические вопросы нетрадиционной энергетики и энергосберегающих технологий" (г. С.-Петербург, 1992).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы .в 17 работах, в том числе в описаниях 3 авторских свидетельства и 2 патентов.

Объем работы. Диссертация включает введение, пять глав и общие выводы, содержит 179 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 24 рисунка, 4 приложения на 24 страницах, список используемой литературы из 129 наименований, в том числе 43 зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности и краткое изложение работы. Изложены: научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ, существующих методов оценки действия на растения оптического излучения , а также теплового и водного режимов на продуктивность растений. При оценке ОИ по действию на растения используется, как правило, величина ФАР фотосинтетически активная радиация (Ничипорович, 1961). В данной работе принято, что фотосинтезное действие оптического излучения на растения целесообразно оценивать с учетом спектральной

эффективности фотосинтеза величиной фотосинтезной энергии ОН (Свентицкий, 1960).

Исходная величина оценки агроклиматического потенциала (АП)

- энергия оптического солнечного излучения, потенциально пригодная для фотосинтеза растений - фотосинтезная энергия излучения (Иф), приходящаяся на единицу поверхности земли за промежуток времени определяется по формуле:

*2 Л2

Нф = / I (Р(А)К(А)ф ¿А с»: , ( 1)

Ч Л1

где (р(А) - спектральная интенсивность излучения; К( Л) ф - спектральная эффективность фотосинтеза; А^ и А^ - длины волн излучения.

Использование энергии Иф растениями в реальных условиях ограничивается отклонениями параметров климатических факторов от их оптимальных по биопродуктивности значений. Метод согласования

температуры воздуха с И на основе температурных оптимумов фото-Ф

синтеза при выращивании растений разработан для автоматического регулирования температуры в теплицах (Свентицкий, Сторожев, 1972; Садовой, 1979) и определения биоэнергетического потенциала (Боков, 1974). Влияние температуры воздуха на фотосинтез растений учитывается по данным экспериментальных исследований.

При отклонении температуры воздуха от температурного оптимума фотосинтеза лимитирующее влияние температуры воздуха принимается прямо пропорциональным коэффициенту оптимальности температуры воздуха (К^), представляющего собой отношение:

Кт - сфт/сф0 • (2)

где СфТ - скорость фотосинтеза данного вида растений при существующем в данный момент времени значении температуры воздуха; Сфо

- то же самое при оптимальном по фотосинтезу значении температуры воздуха.

Суммарное количество Иф за вегетационный период, которое при существующем температурном режиме (и условии оптимальности всех других факторов внешней среды) может быть использовано растением на формирование продуктивности - биоэнергетический потенциал, определяется по формуле:

Р - ¿V Кт1 • <3>

где Р - биоэнергетический потенциал; п - номер промежутка времени ( ЛЪ), за который учитывается И..

Точность оценки использования энергии Мф растениями повысится, если наряду с температурным режимом учитывать влияние влажности почву на продуктивность растений. Для такой комплексной оценки необходимо обосновать метод определения коэффициента

оптимальности по влажности почвы (К ), который был бы основан на

вп

учете экспериментально установленных зависимостей продуктивности конкретного вида (сорта) растения от фогосинтезной облученности, температуры воздуха и влажности почвы.

Комплексная оценка проводится по метеорологическим данным значений параметров соответствующих климатических факторов в динамике за вегетационный период. К сожалению, имеющиеся метеостанции немногочисленны и не всегда географически совпадают с регионом для которого необходимо проводить комплексную оценку, что может снижать точность расчета.

Необходимы приборы для измерения ОИ, влажности почвы и других климатических факторов, а также комплексной оценки их влияния на продуктивность растений.

Исходя из изложенного, сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе обосновывается метод количественной оценки влияния влажности почвы на продуктивность растений, при комплексной оценки ОИ и других климатических факторов, а также приводятся результаты расчета агроклиматического потенциала (АП) с использованием метеоданных. При обосновании метода учитывалось наличие биоэнергетической целенаправленности структур и функций живых систем, э соответствии с которой авторегуляционные и адаптационные процессы растений имеют общую направленность обеспечение наиболее полного использования свободной энергии в существующих условиях внешней среды. Анализ функций воды в растениях показал, что основная часть воды, потребляемая растением, расходуется им на транспирацию, основное назначение которой - регуляция температуры листа, предположительно в сторону приближения ее к температурному оптимуму фотосинтеза.

Влажность почвы не в полной мере характеризует водный режим растений, влагообеспеченность их зависит не столько от имеющегося в почве количества воды, сколько от водного потенциала. Применение показателя водного потенциала позволяет выбрать для различных почв свойство, определяющее доступность воды для растений, и оценить состояние воды и ее динамику в почве, растении и приземном воздухе как в единой системен Движение воды в системе "почва-растение-атмосфера" (SPA) контролируется градиентом водного потенциала этой системы (grad^SpAi.

Плотность потока воды через систему 1дрд равна:

где К3рД - гидравлическая проводимость системы, определяемая, главным образом, гидравлической проводимостью почвы, устьично-кутикулярным сопротивлением листа растения, а также отношением активной поглощающей поверхности корней и площади листьев.

Интенсивность транспирации (Т) непосредственно связана с падающей на лист облученностью (Еф). Линейную зависимость Т от Еф при постоянной температуре можно определить по эмпирической формуле для зависимости устьичного сопротивления листа 1гэ' от водного потенциала листа (^¡Л и облученности (Еф):

У Vе*!.

Г3'ЕФ- V - 'во!1 + ¡Н (гчг) ■ (5)

ф т ь

ент чувствительности устьиц к радиации; - критическое значение водного потенциала листа, при котором устьица закрываются; с параметр, характеризующий реакцию устьиц на изменение фг. Зависимость ге от водного потенциала почвы 0 определяется по выражению:

г если ф * 1/1 г = эо , (6)

гзо ' ехр(а2^8), если ^ > Фсх

где - критическое значение водного потенциала почвы, начиная с которого г5 зависит от влажности почвы; аг - константа.

При оценке влагообеспеченности растений используется относительная величина транспирации (Т/То), однако методы ее определения, так же как и плотности потока воды через систему "почва-растение-атмосфера" в полевых условиях разработаны недостаточно. Поскольку основные термодинамические свойства почвенной влаги и транспирации связаны функциональными зависимостями, то водный потенциал почвы автор использовал в качестве основы для определения коэффициента оптимальности влажности почвы 'квп' при комплексной оценке агроклиматического потенциала.

Для каждого вида растений можно выделить оптимальный диапазон водного потенциала почв. К0п определяется отношением продуктивности данного вида растения при существующем значении водного потенциала почвы (Б) и продуктивности этого вида растения при оптимальном значении водного потенциала почвы СБ0):

К = Б/Б„ . (7)

С учетом ограничивающего влияния температуры воздуха и влажности почвы агроклиматический потенциал равен:

АП -¿«V V НИН' (8)

где ДЮ.. - фотосинтезная энергия оптического излучения в 1-тый ф1

промежуток ДЪ; К,. - коэффициент оптимальности фактора,

ф1 мин

находящегося в относительном минимуме в ¿.-тый промежуток времени ЬЬ.

По результатам полевых экспериментальных исследований в посеве кукурузы и данным Метеостанции рассчитан АП для вегетационных периодов 1980-84 гг. и биоэнергетический потенциал Р. Значения АП, Р и коэффициентов корреляции их с урожаем биомассы и зерна приведены в таблице 1. Большая корреляция с урожаем АП, учитывающего влияния влажности почвы на продуктивность растений, показывает, что учет влажности почвы при комплексной оценке агроклиматических факторов повышает точность такой оценки. Таблица 1.

NN Наименование Ед. измер. 1980 1981 1982 1983 1984

1 Р 2 мДж/м 281, 3 299, 6 317, 1 282, 1 288, 4

2 АП мДж/м 260, 0 272, 0 270, 0 215, 0 229, 0

3 Урожай сух. , 2 кг/м 2, 134 2, 137 2, 197 1, 810 1, 901

биомассы

4 Урожай / 2 кг/м 0, 791 1, 089 0, 897 0, 789 0, 865

зерна

Коэффициенты корреляции

АП и урожай биомассы 0, 96 Р и урожай биомассы 0, 81

АП и урожай зерна 0, 75 Р и урожай зерна 0, 52

В третьей главе экспериментальными исследованиями установлены зависимости скорости фотосинтеза и продуктивности растений пшеницы от температуры воздуха и водного потенциала почвы . при разных значениях оптической облученности. Для проведения исследований в качестве объекта выбраны растения яровой пшеницы сорта Московская-35. Растения выращивали в фитокамерах КВ-2Р под

лампами ДРЛФ-400 в винипластовых сосудах размером 200x200x150 при

2

плотности посадки 500 растении на 1 м . Растения выращивали до получения урожая при уровнях облученности 150, 175, 225 и 275

2 2 Бт/м 130, 35, 45 и 55 Вт/м фотосинтез ной облученности, соответственно) при текпературе воздуха 15, 20, 25, 30 и 35°С для каждого уровня облученности. Скорость фотосинтеза определяли в фитокамере КТЛК-1250 по СОгазообмену интакткого растения с использованием оптико-акустических газоанализаторов типа "Инфралит-4" и гериетичнь микроканер на овин сосуд. В кикрокамере были установлены: вентилятор для перемешивания воздуха, датчик фотосинтезнс облученности, датчики температуры воздуха и листа растения никропсихрометр, датчик давления почвенной влаги - тензиомет "Иррометр". Облученность измеряли пиранометром М-80 и фитофотс метром типа "ФФ-89".

Скорость фотосинтеза (Рн) определяется по поглощению СО,, по формуле:

2 V it S

(9)

L

где у - плотность COg, ico2 " разность концентрации COg за интервал времени At, V - обьем камеры, ST - площадь листьев.

Li

Изучение результатов показало, что уровень облученности влияет на величину температурного оптимума и форму температурных кривых. Для растений, выращенных при низких облученностях и температуре воздуха, температурная кривая имеет широко размытый

2

пик. Например, при уровне облученности 150 Вт/м и температуре воздуха 10°С область температурного оптимума фотосинтеза находится в диапазоне от +11 С до +21 С. Значения температурных оптиму-мов фотосинтеза на несколько градусов выше температурных оптиму-мов накопления сухой биокассы при тех же облученностях. Повышение облученности в диапазоне линейного участка световой кривой фотосинтеза приводит к сужению области оптимальных температур и сдвигу их в сторону более высоких температур.

По данным экспериментальных исследований построены кривые зависимости скорости фотосинтеза растений пшеницы от температуры воздуха (рис.1), водного потенциала почв (рис.2) при разных значениях облученности, а также уролая сухой биомассы и зерна от этих факторов. Проведена математическая обработка экспериментальных данных. Кривая зависимости скорости фотосинтеза пшеницы Московская-35 от водного потенциала почвы соответствует полиному 4 степени:

Р = 0,56972 + О,00963W + 0,03526W2 - 0,01019W3 + 0,00055W4 (10), где Р - скорость фотосинтеза, в отн ед. . W - водный потенциал почвы, в кПа.

рн - ?

Ширина температурного оптимума фотосинтеза характеризует адаптационную способность растений к условиям обитания.

Оптимуны водного потенциала почв для скорости фотосинтеза и формирования урожая пшеницы взаимно перекрываются и находятся в диапазоне от -25 до -70 кПа.

Рис.1. Зависимость скорости фотосинтеза пшеницы Московская-35 от температуры воздуха и облученности (стадия вегетации - до фазы копошения).

1.0 п

0.8

0.6

0.4

0.......'20......40......60......80......1'Цо

Водный потенциал почвы, кПа

Рис.2. Зависимость скорости фотосинтеза пшеницы Московская-35 (стадия вегетации: до фазы колошения) от водного потенциала почв (1) и расчетная кривая (2)

Р = 0,56972 + 0,00963И + 0,03526И2 - 0,01019И3 + 0,00055И4

Полученные результаты экспериментальных исследований являлись исходными данными для обоснования принципов и параметров электрифицированной автоматической установки для комплексной оценки влияния оптического излучения, влажности почвы и температуры воздуха на продуктивность растений в динамике.

В четвертой главе приведены результаты обоснования принципов работы, параметров, и структурная схема электрифицированной автоматической установки для комплексной оценки влияния оптического излучения, влажности почвы и температуры воздуха на продуктивность растений. При комплексной оценке климатических факторов исходили из модели потенциально-эффективного типа. В ней проводится раздельный учет эффективности отдельных воздействий каждого из климатических факторов, ранжировка их в относительных значениях. Затем они интегрируются на основе закона ограничивающих факторов. Исходные величиы: фотосинтезная облученность ОИ, водный потенциал почвы, температура и влахность воздуха. При измерении основного фактора - фотосинтезной энергии ОИ -используется система фотосинтезных величин (отраслевой стандарт Минсельхоза СССР - ОСТ. 46. 140-83).

Автором проведена статистическая обработка 66 экспериментальных спектров действия фотосинтеза для разных видов и сортов растений, полученьых различными исследователями (Hoover, Stoy, Engelman, Bulley et al., McCree, Inada). В результате статистической обработки получено среднее значение спектральной эффективности фотосинтеза для разных растений по экспериментальным данным (рис. 3).

Рис.3. Среднее значение спектральной эффективности фотосинтеза К(Л). для разных видов растений по экспериментальным данным (1), доверительные интервалы (2).

эезультаты статистической обработки экспериментальных данных подтверждают правомочность пользования понятием спектральной эффективности фотосинтеза среднего (модельного) листа растения при количественной оценке фотосинтезной эффективности ОИ.

Разработаны агротехнические требования к установке и эазработаны: блок определения коэффициентов оптимальности, содержащий нормированные функции зависимости скорости фотосинтеза эт климатических факторов, как аргументов при разных значениях фотосинтезной облученности как параметра; блок выбора Кф мин> г. е. коэффициента оптимальности того фактора, который в данный интервал времени наиболее лимитирует процесс фотосинтеза (таким эбразом учитывается закон ограничивающих факторов); блок умножения, в котором определяется АП; интегратор, которым суммируется ДИф за требуемый период времени (вегетационный териод); таймер для установления интервалов измерений и для эпределения АП за At = 1 час. По агротехническим требованиям совместно с болгарскими учеными разработаны методические эекомендации [2].

Совместно с ПО "Родон" (г.Ивано-Франковск) разработан и изготовлена установка на микропроцессорном комплекте БИС серии СР-580. Установка состоит из 4 выносных датчиков с блоками датчиков (длина линии связи до 500 м), специализированной •(ИКро-ЭВМ, устройства ввода-вывода, принтера.

Структурная схема установки приведена на рис.4.

Зис.4. Структурная схема установки комплексной оценки влияния оптического излучения,влажности почвы и температуры воздуха на продуктивность растений.

1 - блок датчиков; ЛС - линия связи; 2 - устройство ввода и преобразования аналоговых сигналов; 3 - устройство программного управления и обработки информации; 4 - устройство вывода информации; 5 - устройство регистрации, индикации и сигнализации; 6 - устройство управления; 7 - источники питания.

В блоке датчиков 1 измеряемые параметры датчиков преобразуются в напряжения и поступают в линию связи (ЛС). Устройство 2 поочередно принимает эти напряжения и преобразует их в двоичный код. Устройство 3 управляет всеми программно-управляемыми устройствами установки и обрабатывает измерительную информацию. С помощью устройства 4 эта информация выводится на внешние устройства 5, которые служат также и для сигнализации неисправностей установки при их наличии.

Установка работает в двух режимах - автоматическом и ручном. В автоматическом режиме запуск основной программы (не считая первого запуска) происходит автоматически через равные промежутки времени, отсчитываемые программируемым таймером. Работу ^установки в этом режиме можно разделить ^а следующие программные блоки: опрос пульта управления, опрос датчиков, обработка информации, вывод информации на печать. При опросе пульта управления устанавливается и записывается в память время начала работы установки, а в программируемый таймер записывается интервал времени, определяющий начало очередного запуска основной программы. Опрос датчиков заключается в подключении к коммутатору датчиков, измерении сигналов, преобразовании их в двоичный код и записи в память. С помощью программы обработки информации вычисляются значения фотосинтезной облученности, температуры и влажности воздуха, водного потенциала почвы, коэффициентов оптимальности климатических факторов и агроклиматического потенциала. Программа вывода информации выводит ее на печать и управляет работой принтера.

В ручном режиме установка может использоваться в качестве цифрового фитофотометра, цифрового измерителя температуры и влажности воздуха, водного потенциала почвы в зависимости ог положения переключателя опроса датчиков.

Установка обеспечивает следующие пределы измерения величин:

о

- фотосинтезная облученность 0,3+300 Вт/м с точн. ±10'/.

- температура воздуха 0+50°С -"- ±1 У.

- относительная влажность воздуха 40+387, -"- ±5У.

- водный потенциал почвы 0--90 кПа -"- ±2,5У.

2

- агроклиматическии потенциал в Дж/м

Масса установки: специализированная ЭВМ - 20 кг, устройство ввода-вывода - 3 кг, 4 блока датчиков - 12 кг.

Установка может применяться для экологического мониторинга и биоэнергетической оценки оптического излучения, агрозкологичес-кого потенциала агроэкосистем, для автоматизированного управления

орошением, для автоматизированного контроля и оптимизации параметров микроклимата теплиц.

Совместно с ПО "Родон" разработан и изготовлен опытный образец автоматизированной компьютерной системы контроля и оптимизации параметров микроклимата теплиц, согласованной с оптической облученностью растений (АСКОМТ). Основной блок АСКОМТ - автоматизированный оптимизатор, алгоритм работы которого лучше объяснить на примере описания принципа работы аналогового варианта, структурная схема которого приведена на рис.5.

Рис.5. Структурная схема аналогового варианта автоматизированного оптимизатора системы АСКОМТ.

Сигналы из блока датчиков (1) поступают на входы мультиплексора (2). На адресный вход мультиплексора (2) иэ блока таймера (9) подаются коды адреса датчика и сигнал разрешения работы мультиплексора, по которым происходит коммутация сигнала от датчика, соответствующего номеру адресного кода, с выхода мультиплексора на вход блока аналого-цифрового преобразователя (3) и вход блока коэффициента оптимальности С 5). По сигналу от таймера (9) происходит пуск АЦП (3) и аналоговый .сигнал преобразуется в цифровой код, который подается, кроме кода датчика фотосинтезной облученности, на вход запоминающего устройства (4). Цифровой код сигнала датчика фотосинтезной облученности запоминается в блоке (4) и выводится на второй адресный вход блока (4). На адресный вход блока (4) подается код номера датчика.

По установленным кодам на входах и сигналу "Выбор кристалла" из блока (9) в блоке (4) выбирается ячейка памяти, хранящая управляющий код кусочно-линейной аппроксимации. Код с выхода блока (4) подается на управляющий вход блока (3), в котором усилителями с изменяемым коэффициентом усиления вырабатывается напряжение, пропорциональное коэффициенту оптимальности, и с

выхода блока подается на демулътиплексор (6). Демультиплексор коммутирует сигнал на соответствующие номеру датчика входы блока выборки-хранения (7), где эти сигналы запоминаются.

После заполнения всех ячеек блока (7) сигналы с его выхода подаются на вход компараторов (8). В блоке (8) выделяется минимальное напряженке, соответствующее минимальному коэффициенту оптимальности, код нонера канала и подается на выход блока (8). По коду номера канала определяется исполнительный механизм регулирования параметрами внешней среды, а по величине напряжения и коду направления регулирования определяется, в какую сторону и на какую величину необходимо изменять параметр.

При регулировании в сторону оптимума одного параметра в минимум войдет значение коэффициента оптимальности другого параметра, код которого появится на выходе блока (8). Таким образом, параметры окружающей среды плавно доводятся до оптимума для данного вида растения.

ACIC0MT имеет 16 измерительных каналов, линию связи (до 500 м), специализированную ЭВМ, дисплей, блок согласования с внешними устройствами. Блок согласования опытного образца разработан для сопряжения с применяемой в производстве автоматикой управления теплиц G-100 VEB Teltow. В память ЭВМ занесены эколого-физиологические характеристики растений огурца и томатов.

В пятой главе приведены результаты лабораторных и

к

хозяйственных испытании элетрифицированной автоматической установки комплексной оценки ОИ, влажности почвы и температуры воздуха.

Проведены испытания каналов контроля параметров

климатических факторов: фотосинтезной облученности, температуры и влажности воздуха, водного потенциала почвы. Погрешность канала контроля водного потенциала почвы проверялась по формуле:

+ Д|»

кие

котором на выходе преобразователя разрешения тензорезисторного типа «Сапфир» устанавливается ток, равный установленному на выходе генератора тока,Д^- обсолютное значение погрешности измерения номинального водного потенциала почвы.

По результатам поверки погрешности измерения климатических факторов находятся в норме с установленной вероятностью Р-0,95.

Для уменьшения погрешности измерений в установке использована статистическая обработка сигналов датчиков,

повышающая точность и достоверность результатов измерений. Для этого предусмотрено:

1. Автоматическая компенсация действия температурной и временной нестабильности элементов установки. Предусмотрена коррекция всего аналогового тракта от датчика до цифрового 'кода на выходе.

2. Усреднение результатов восьми измерений с отбраковкой случайных помех.

Точность и достоверность полученных результатов измерений параметров приблизились к точности АЦП и сигналов чувствительных элементов.

Проводились испытания установки во время экспериментальных исследований по выращиванию растений пшеницы Московская-35 в контролируемых условиях в фитокамерах КВ-2Р при двух вариантах режима влажности почвы: "контроль" (оптимальный режим влажности почвы, равный О,8 ППВ) и "засуха".

Точность комплексной оценки влияния агроклиматических факторов определяли сравнением АП варианта "засуха" и АП варианта "контроль". Результаты испытаний показали, что учет влияния важности почвы на продуктивность растений при комплексной оценке агроклиматических факторов обеспечивает снижение погрешности такой оценки в среднем на 25%.

В результате испытаний установки на опытной полевой станции

получены значения АП пшеницы Московская-35. Одновременно был

проведен расчет АП для определения точности измерения АП

установкой. Точность измерения АП характеризуется следующими

величинами: среднее значение вариации величины АП у = 9,25, 2

дисперсия S =2,37; среднее квадратичное отклонение а = 1,54 и относительная ошибка выборочной средней д = 1,45%. Применяя функцию нормального распределения, можно утверждать, что погрешность измерения АП установкой находится в пределах (9,25 ± 1,54)% с вероятностью 68,2%.

Хозяйственную проверку с целью определения надежности работы установки проводили в теплице комбината "Мрия" тепличного совхоза "Киевская овощная фабрика". Микроклимат контрольной секции теплицы регулировался автоматикой типа G-100 VEB Teltow, выпуска 1987 года, выбранной в качестве базового варианта. В экспериментальной секции дополнительно к автоматике G-100 через блок согласования была установлена система АСКОМТ. В теплице выращивались томаты по технологии малообъемной гидропоники (на минвате "Гравилен") с января по октябрь месяцы 1991 года.

Система АСКОМТ, работая в круглосуточном автоматическом режиме, обеспечивала постоянный контроль оптической облученности и других климатических факторов, определяла коэффициенты оптимальности климатических факторов с интервалом 1 час и управляла исполнительными механизмами.

За время работы установки отказов в работе не было. Расчетную вероятность безотказной работы определяли по выражению

P(t) = exp j-t ^ aJ (12)

где п-общее число элементов, учитываемых при расчете; А^-интенсивность отказов элементов i-той группы, t-время. В результате расчетов определена вероятность безотказной работы

_ з

установки Р(t)=ехр(-0, 1066 10 t). При среднем времени наработки на отказ согласно техническим условиям 1500 часов Р (15001=0,85.

Длительная круглосуточная работа установки без отказов показала ее высокую надежность.

При использовании установки ввиду ее небольшой стоимости, по сравнению с G-100, капиталовложения изменяются незначительно. При стоимости системы АСКОМТ 16 тыс. рублей экономическая эффективность от прибавки урожая при использовании системы АСКОМТ в теплице площадью О,34 га составила 44,5 тыс. рублей в год или 2

13,2 руб/м в год в ценах 1S91 года. Предполагаемая экономия топливно-энергетических ресурсов не определялась из-за невозможности контроля их расхода по отдельной (экспериментальной) теплице

Общие выводы

1. Агроклиматический потенциал, как обобщенный показатель комплексной оценки,позволяет повысить точность комплексной оценки оптического излучения, влажности почвы и температуры воздуха по их влиянию на продуктивность растений в среднем на 25-30Х.

2. Количественный учет ограничивающего влияния влажности почвы

температуры воздуха и других климатических факторов на

эффективность использования энергии оптического излучения растениями обеспечивается с помощью предложенных в работе коэффициентов оптимальности факторов. Значение их определяется по экспериментально установленным зависимостям скорости фотосинтеза и продуктивности растений от климатических факторов при разных уровнях 'облученности.

3. Экспериментально установленные зависимости скорости фотосинтеза и продуктивности пшеницы Московская-35 от водного потенциала почвы и температуры воздуха при разных уровнях

ученности позволяют рассчитывать агроклиматический потенциал с ользованием стандартной метеорологическом информации.

4. Электрифицированная автоматическая установка, изготовленная микропроцессорной основе по обоснованным принципам и

'аметрам, обеспечивает измерение агроклиматического потенциала югрешностью (9,25t 1,54)% при вероятности 68,2%.

5. Проведенные лабораторные и полевые испытания автоматизиро-1Ной установки показали, что она обеспечивает снижение решности комплексной оценки климатических факторов за счет :та влияния влажности почвы на продуктивность растений в >днем на 25-ЗОК.

6. Результаты хозяйственных испытаний модернизированного

[тного образцз установки при использовании для контроля и

имизации микроклимата теплицы "Киевской овощной фабрики"

:азали ее высокую надежность. Экономический эффект от

2

ышения урожая томатов составила 13,2 руб/м в год (в ценах 11 года.).

7. Разработанная электрифицированная автоматическая установка igt применяться :

для количественной комплексной оценки потенциальной юктиппости ОИ и других климатических факторов в отношении |Дуктивности агроценозов при районировании сортов и гибридов :ьскохозлиственных культур;

[ля автоматизированного контроля и оптимизации микроклимата 1л^ц согласовано с оптической облученностью;

| автоматизированных системах управления орошением согласованно 'И и температурой воздуха.

ювное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Мудрик В.А., Свентицкий И. И. Биоэнергетические аспекты влаго-обеспеченности растений. Пущино: ОНТИ НИБИ АН СССР, 1981.22с. Глогов JI. , Свентицкий И. , Георгиев Г. , Мудрик В. , Христов И. , Волков В. Комплексный учет фотосинтезной энергии излучения, температуры и влажности почвы по их влиянию на продуктивность -растений в динамике. Методические рекомендации. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1982. - 54 С.

Глогов Л., Свентицкий И. , Георгиев Г. , Волков В., Христов И., Мудрик В. Устройство за определяне водосигуреноста на расте-нията: А.с. N 34045, ИПРА, Болгария, 1982.

Глогов Л., Свентицкий И. , Георгиев Г. , Волков В. , Христов И., Мудрик В. Устройство определения влагообеспеченности растений: A.c. N 1220585, СССР/Б.И.. 1983, N3.

Христов И., Георгиев Г. , Русева С., Свентицкий И. , Мудрик D., Волков В. Биоэнергетични основи на комплексна оценка на водния режим на растенията // Селскостопанска наука, София, 1983, т. XXI, N 1.

Мудрик В.А., Мудрик Вл. А. Методика и установка для комплексной

оценки агроэкологических факторов по их влиянию на продуктивность растений // Биофотометрия и ее приложение. Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1986, С.75.

7. СвентицкиЙ И.И., Мудрик В.А. Принципы создания приборов для комплексной оценки экологических факторов с учетом их влияния на биологические системы // Описание научных принципов новых приборов и методика пользования ими. Пущино: ОНТИ ИЦБИ АН СССР, 1986. с. 76.

8. СвентицкиЙ И.И., Мудрик В.А., Токарчук В. П. , Мудрик Вл.А. Устройство энергетической оценки климатических ресурсов для растений: A.c. N 12972Б7, СССР/Б.И. , 1988, N 2.

9. Мудрик В.А., Георгиев Г.Л., СвентицкиЙ И.и., Христов И.Д. Експериментални изследования по определяне зависимостта на скороста на фотосинтезата на растения от климатичните фактори на средага // Физика-селскосгопанско производство. София: изд. Селско-Стопанска Академия. 1986, с. 102.

10. СвентицкиЙ И.И., Ткаченко И.И., Мудрик В. А. Количественная оценка эффективности энергетических факторов в продукционном процессе растений // Сельскохоз. биология, 1988, N 4, с.120.

11 Мудрик В.А., Мудрик Ел.А. Автоматизированная система контроля и оптимизации микроклимата теплиц // Ресурсосберегающие технологии в сельскохозяйственном производстве. Волгоград, 1988.

12. Мулрик В. А. Зависимость скорости фотосинтеза сельскохозяйственных культур от факторои внешней среды // Продукционный процесс, его моделирование и полевой контроль. Саратов, 1990, с. 126.

13. Мудрик Бл.А., СвентицкиЙ И. И. , Мудрик В. А. Датчик оценки теплового действия оптического излучения и температуры внешней среды на фотосинтезирующие растения: A.c. N 1586606, СССР/Б.И., 1990, N 31.

14. Мудрик В. А . Мулрик Вл. А. Система оптимизации факторов внешней среды при выращивании растений: Патент N 1680011, СССР/Б.И., 1391, N 35.

is. СвентицкиЙ И.И., Плетнева Е.Ф., Мудрик В.А., Антонинова М. В. , Калабина И.И. Экологофизиологические характеристики растений пшеницы в связи с продуктивностью // Сельскохоз. биология, 1932, N 3, с.100.

16. Мудрик В.А. Автоматизированные системы энергетической оценки климатических ресурсов для растений // Прикладные и теоретические Bqnpocbi нетрадиционной энергетики и энергосберегающих технологий. С.-Петербург: изд. С.-Пб. дом научн. техн. пропаганды, 1992. с. 22.

17. Glccjov L. , Sventitski I.I., Georgiev G.D., Kudrik V.A. , Hristov I.D., Antoninova M.V. Complex evaluation of the effect of climatic factors on the productive capacity of meadows // The impact of climatic on grass production and quality. Norway: H.Riley and A.O.Skjelvag (eds.)r 1984, p.530

31.05.94 г. Зяк.6120Р. Тир.100 эка. Уч.-изд.л. 1,0 Отпрчлт^кс нп ротапринт*? б СЧТ'Л Т}Ц РАН