Контроль зрошувальних систем у теплиці за допомогою фитомоніторингу

Управління зрошувальними системами в теплицях за допомогою фітомоніторингу Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора rerum horticulturarum (Dr. rer. Hort.) Представлена на сільськогосподарський та садівничий факультет Університету Гумбольдта в Берліні диплофом-агр. Евантія Екзарху, народилася 25 грудня 1971 року в Салоніках, президент університету імені Гумбольдта в Берліні, професор д-р. Юрген Млинек декан факультету сільського господарства та садівництва професор д-р Уве Йенс Нагель Рецензент: 1. Проф. Уве Шмідт 2. Проф. Д-р. Зігфрід Кляйзінгер 3. Проф. Matthias Langensiepen День усного іспиту: 23.03.2006

5 5. ОБГОВОРЕННЯ - ВИСНОВКИ. 135 5.1. ТЕХНОЛОГІЯ ФІТОМОНІТОРИНГУ В ОПТИМІЗАЦІЙНОМУ ПРОЦЕСІ ВИРОБНИЦТВА. 135 5.2. ОЦІНКА ВИБРАНОЇ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ. 136 5.2.1. Контроль зрошення за допомогою тензіометра. 136 5.2.2. Визначення обороту овочевої води за витратою соку. 138 5.2.3. Вимірювання прямої транспірації методом газообміну. 140 5.2.3.а Репрезентативність та точність виміряних величин. 140 5.2.3.b Довгострокова перевірка точності вимірювального процесу. 142 5.3. КОНТРОЛЬ ІРИГРАЦІЇ ВІД ВИМІРЕНОЇ ТРАНСПІРАЦІЇ SUM144 5.3.1. Контроль при високому опроміненні в тепличних умовах Північної Європи. 144 5.3.2. Контроль при високому опроміненні в тепличних умовах Південної Європи. 147 5.3.3. Зрошення на основі потреби без накопичення солі в субстраті. 148 5.4. ОПТИМІЗАЦІЙНІ ПІДХОДИ ПОТРЕБНОГО КОНТРОЛЮ ІРИГРАЦІЇ. 151 РЕЗЮМЕ. 156 РЕЗЮМЕ. 159 СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ. 162 ДОДАТОК А: СПИСОК ІЛЮСТРАЦІЙ. 176 ДОДАТОК Б: СПИСОК ТАБЛИЦ. 182 ДОДАТОК В: ТАБЛИЦІ ТА ФІГУРИ ДЛЯ НАЛАШТУВАННЯ ЕКСПЕРИМЕНТУ. 185 ДОДАТОК Г: СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ РОЗМІРІВ І СКОРОЧЕННЯ. 193 ЗАЯВА. 198 ДЯКУЮ. 200

8 ВСТУП, фізіологічні процеси та розміри рослини можна реєструвати безпосередньо та використовувати для оптимізації рослинного середовища. Отже, в рамках дисертаційного проекту шукаються можливі методи управління зрошувальними системами відповідно до виміряних реакцій рослин. Для роботи над цією темою визначені такі координаційні центри: Оцінка існуючих методів вимірювання, які служать для контролю зрошення в теплиці. Представлення модельних підходів до визначення водообігу рослинних запасів. Можливості збору даних на станції з метою реєстрації водообігу. Використання нового вимірювального приладу для вимірювання транспірації. Дослідження нового методу вимірювання транспірації на різних овочевих культурах з високим вмістом води у різних субстратах. Розробка системи зрошення на основі принципу фітоконтролю. Дослідження щодо застосовності нового методу до декоративних рослин у регіонах з високим водообігом. Дослідження динаміки поживних речовин із зрошенням на основі потреб. Дослідження ефективності використання води за новим методом контролю.

ВИМОГИ ЗОРУВАННЯ 21 1.4.1. Інтеграція WUE Значення WUE різних культур у визначеному місці дуже різняться як протягом дня, так і протягом року. Протягом доби поточне значення WUE визначається вмістом водяної пари між листом та навколишнім повітрям та фотосинтетично активним випромінюванням. Сезонні зміни протягом багатьох років пов’язані з онтогенетичним розвитком відповідної культури (час цвітіння, розвиток плодів) та сезонними варіаціями клімату (LARCHER, 1994). Рис. 2: Щоденний перебіг поточного Ph ВВЕ, чистий фотосинтез та потовиділення у Cucumis sativus Рис. 3: Кумулятивний щоденний перебіг Ph WUE, фотосинтез (Ph) та потовиділення (T) протягом восьмиденного періоду в Cucumis sativus

28 ВОДНИЙ ПОТОК В ПРОСТОРІ ґрунту - це криві натягу води або криві pf, які показують взаємозв’язок між напругою води та вмістом води як сукупна крива пропорцій води із збільшенням водного потенціалу. Максимальний вміст води досягається, коли вся частина пор заповнена водою (BECK, 2000). Отже, доступна для рослин вода у ґрунті залежить не настільки від абсолютної кількості води в ґрунті, а від енергетичних зусиль, необхідних для вивільнення води з ґрунтової матриці. Рис. 5: Залежність водного потенціалу піщаного та глинистого ґрунту від вмісту води в ґрунті (LÖSCH, 2001) Якщо між ґрунтом та рослиною більше не існує різниці водних потенціалів (типово для світанку), у рослині переважає водний потенціал перед світанком, що визначає загальну ситуацію з водопостачанням Характерне розташування. 2.2. Потік води в рослині Загальний водний потенціал Ψ W рослинної клітини випливає з наступного рівняння потенціалу води: (-) Ψ W = (-) Ψ π + (+) Ψ P (6) З негативним водним потенціалом Ψ W рослинної клітини, порівняно з його

34 ПОТОК ВОДИ В ПРОСТОРІ Рис. 8: Електрична аналогічна модель транспіраційного масового потоку всередині листка (SCHMIDT, 2002) 2.2.2. Штучне регулювання інтенсивності транспірації Зміни кліматичних умов у зоні макроклімату (зовнішнє повітря) змінюють градієнт водного потенціалу в мікрокліматичній зоні рослини або деревостану (пасивні реакції рослин). Ендогенні, а також екзогенні фактори, що впливають на процеси осморегуляції всередині рослини, призводять до активної реакції рослин. Фотоактивні та гідроактивні рухи устьиць пов'язані з осмотичними переміщеннями (LÖSCH, 2001). Такі фактори, як глобальне випромінювання, вміст CO 2, вологість повітря та температура, впливають на поведінку продихів, що впливає на транспірацію та асиміляцію CO 2 (BAKKER, 1991). Оскільки устьічні рухи модифіковані VCD l-b, ми говоримо про гідропасивні рухи (рис. 9). Розміри цих устьичних реакцій різняться між видами рослин і різні в залежності від місцезнаходження. Закриття устьиць відбувається, коли спостерігається високий парціальний тиск CO 2, водяний стрес і наявність абсцизової кислоти та полівалентних катіонів (SCHMIDT, 1989).

СЕНСОРИ І МОДЕЛІ 59 відбувається після досягнення заздалегідь вибраного загального випромінювання і протягом заданого періоду часу. Перевага полягає в тому, що в культурі не потрібні сигнальні лінії, які ускладнюють роботу в теплиці. Хоча визначення потреби у воді є простим, цей метод не завжди демонструє високий відсоток кореляції між радіаційними значеннями та потребою у воді.У зимові місяці вплив глобальної радіації обмежений, а потреби у воді головним чином визначаються іншими факторами, такими як вологість, стадія росту рослин тощо. (Рис. 12). Навіть влітку співвідношення між радіацією та потребою у воді становить не більше 90%. Це відхилення в 10% може скласти за три дні і призвести до неправильного поливу (MACKROTH, 1993). Рис. 12: Залежність потреби води у воді від загального опромінення (SCHULTE, 1986 у: VON BAMBACH, 1993) Іншим вимірювальним приладом є так званий випаромір. Посудина наповнюється піском і водою. Після того, як заздалегідь визначена кількість води випарується з поверхні піску, починається зрошення. Одночасно ємність знову наповнюється (MACKROTH, 1993).

СЕНСОРИ ТА МОДЕЛІ 65 Оцінка датчиків наведена в табл. 4. Кількість балів надає інформацію про те, як виконується критерій при оцінці (? = Немає інформації в літературі): Надійність: висока точність та відсутність впливу (від факторів навколишнього середовища тощо), висока точність, але вплив, достатня точність та вплив Встановлення: легке (для виробника), помірне, важке Несправність/технічне обслуговування: низьке, помірне, високе Переносимість: у всіх субстратах, грунтах та всіх методах обробітку, але не у всіх субстратних грунтах всі методи культури, в декількох субстратах, ґрунтах та методи культури Таблиця 4: Оцінка датчиків вологості ґрунту Метод вимірювання/напруга всмоктування датчика Надійність Встановлення зусиль (несправності/обслуговування) Переносимість Тензіометр Тензіостат Аналоговий тензіометр Електрична ємність Гіпсовий блок Водяний знак Діелектрична проникність TDR FD Теплопровідність? Інші датчики гігрометра нейтронного зонда? Гамма-промінь? ЯМР?

СЕНСОРИ ТА МОДЕЛІ 71 датчики вимагають менше обслуговування та менш схильні до поломок. Розрахунок водного обороту за певних кліматичних умов базується на емпірично отриманих моделях. Оборот води можна краще розрахувати, комбінуючи кілька змінних збурень. З цих емпіричних моделей неможливо отримати зв’язок, який загалом справедливий для всіх культур. Параметри моделі специфічні для рослин і повинні бути адаптовані до відповідних умов (BECK, 2000). Процес фітомоніторингу відкриває нові можливості отримання безпосередньої інформації від рослини про поточну швидкість метаболізму речовини та енергії. Фізіологічні реакції рослин візуалізуються за допомогою даних вимірювань. Метод фітомоніторингу не вимагає знання всіх факторів впливу на процеси рослин. Реєстрація поточних значень реакцій рослин дозволяє підрахувати кількість обороту матеріалу або енергії протягом короткого та тривалого періодів часу. Ця методика спрямована на раннє та об'єктивне виявлення функціональних порушень у рослинах та на своєчасне розкриття реакцій рослин (TON et al., 1997 у: KOPYT et al., 2001).

80 ВИЗНАЧЕННЯ ОБРОБКИ ВОДИ ТА КОНТРОЛЬ ЗМИРЕННЯ через меншу кількість кювет та обмежену площу листя). Якщо швидкість подачі насоса залишається постійною, кількість підключених кювет є важливою для розрахунку вимірювальної площі (SCHMIDT, 1998). Щоб виключити утворення конденсату на ємнісному датчику вологості при високій відносній вологості (понад 95%), вимірювальні потоки газу в пристрої нагріваються. Повітряні потоки нагріваються перед всмоктуванням або по дорозі в камеру деуера. Внутрішня температура D-сегмент: 22 C Внутрішня температура E-сегмент: 37 C Температура повітря: 20 C У посудині Дьюара: t 2 = 25 C RH 2 = 70% повітря на вході: t 1 = 20 C RH 1 = 95% нагрівання повітря: 30 C Рис. 17: Витік утворення конденсату в приладі вимірювання газообміну при нагріванні контрольного повітря на шляху до камери Дьюара - графічне пояснення на h, x діаграмі Мольє (SCHMIDT, 1998) При нагріванні повітряного потоку відносна вологість вимірюваного потоку газу зменшується без зміни абсолютної вологості. Якщо абсолютна вологість залишається незмінною, відносна вологість зменшується. Про