Тезисы к семинару для АППМ

6 июля 2012, Москва
Тезисы к семинару для АППМ.
Докладчики:
Игорь Закс, к.т.н., специалист по почвоведению, дренажу и засолению,
прикладной исследователь, компания «Фитек», Израиль
Юрий Озиранский, к.т.н., специалист по управлению водных ресурсов ,
гидролог. Начальник отдела курсов на русском языке в центре по
международному сотрудничеству и развитиюв сельском хозяйстве ,
СИНАДКО-МАШАВ , МСХ и МИД Израиля.
Почва – вода – растение - атмосфера – как единая система взаимодействия
при выращивании сельскохозяйственных культур.
В этом разделе рассматриваются:
- Атмосферные параметры, участвующие в жизнедеятельности растений
(температура и влажность воздуха, освещенность, ветровая активность) и
определяющие процессы фотосинтеза, транспирации, температуры листа и
устьичного регулирования,
- Почвенные параметры, являющиеся удерживающей средой для корневой
системы растений, водовмещающей средой, через которую происходит
снабжение растения водой и питательными элементами, обуславливает дыхание
корневой системы, химической средой трансформирующей органические и
биохимические соединения,
- строение растения и процессы жизнеобеспечения:
 вегетативная система – листва - фотосинтез (хлорофилл, ассимилянты,
сахар), транспирация,
 стебли и стволы - снабжение вегетативной системы водой, транспорт
ассимилянтов в вегетативную систему и обратно (ксилема, флоэма),
 корневая система - впитывание воды и питательных элементов из почвы.
Особое внимание уделяется водно-физическим свойствам почв и способам
определения почвенных параметров. Основными почвенными параметрами
являются: влажность полного насыщения, наименьшая влагоемкость, влажность
завядания, плотность почвы. Расчетным параметром является доступная
влажность почвы в зависимости от ее текстуры и типа.
Тип почвы и почвенные параметры удобно определять при помощи почвенного
калькулятора. Достаточно иметь лабораторное
определение соотношения
процентного содержания глинистых и песчаных частиц в почве. Калькулятор
рассчитывает доступную для растения влажность как разницу между наименьшей
влагоемкостью и влажностью завядания
( теоретически).
Современные способы и методы измерения почвенной влаги
- тензиометрический способ, основанный на законах термодинамики и
использующий знания о потенциале почвенной влаги. Средствами измерений
служат сенсоры - тензиометры,
- способ измерения объемного содержания влаги в почве при помощи сенсоров влагомeров.
Подробно описываются принципы работы электронных сенсоров измерения
почвенной влаги, компьютерная обработка данных, дистанционные способы
получения непрерывного рядя наблюдений и принципы точной настройки
орошения.
Современные методы расчета эвапотранспирации растений
• Прямые – лизиметры и эвапорометры (PAN method);
• Косвенные – методы теплового и радиационного балансов с
использованием соответствующей аппараратуры и приборов;
• Расчетные – использующие теоретические решения, а также
полуэмпирические и эмпирические формулы и модели, основанные на
теории тепло и массопереноса.
В настоящее время наибольшее распространение получили расчетные
способы вычисления потенциальной эвапотранспирации. В данной работе
показаны эффективные доступные методы получения информации по
водопотреблению растений как основы для оперативного управления поливами.
В заключительной части приводятся таблицы к расчетам водопотребления
конкретной культуры. В таблицах приведятся коэффициенты культур для
различных растений и фаз развития.
В разделе рассматриваются следующие вопросы:
Строение растений.
Потребность в орошении .
Связь орошения и урожая .
Дефицитное орошение и водный стресс.
Орошение минерализованными и сточными водами.
Особое внимание уделяется вопросам оценки водного стресса (Crop water
stress index CWSI) и его возможные последствия на урожайность
сельхозкультур. В практике сельхоз производства существует три
основных метода оценки стресса растения: по отношению потенциальной
и реальной транспирации(Doorenbos J, Kassam A, Jensen M),
по температуре листа или листовой поверхности. Параметр оценки –
термический - по разности температуры листа или листовой поверхности
и воздуха в зависимости от климатических условий.
Инструментарий для измерения температуры листа :
Сенсоры по измерению температуры листа (точечный способ),
Инфракрасное излучение – измерение сплошного покрова при помощи
специального оборудования, используя самолеты и спутники,
по поведению самого растения в зависимости от водного режима и
метеорологической обстановки – метод водных потенциалов.
Метод основан на принципе равенства давлений в листе и листовой
камере,
Измеряемые параметры – водный потенциал листа и водный потенциал
растения в целом,
Оборудование – прибор давления (листовая камера, газовый баллон,
манометр).
Метод водных потенциалов применяется на огромном количестве культур
и в настоящее время является одним из основных методов корректировки
орошения. Для культур, где создание стресса является обязательным
условием (с целью повышения качества продукции например для винного
винограда) метод водных потенциалов является основным в создании RDI
– regular deficit irrigation.
Оценка стресса растений по методу дневного сжатии стебля (ствола)
растения – принцип дендрометрии.
1. Используется физиологическая особенность ксилемы - эластичность
клеток, обуславливающая физиологический процесс дневного сжатия
стебля растений (ствола дерева) под влиянием транспирации через
листовую поверхность и ночного роста и восстановления тургора в
результате работы корневой системы.
2. Метод измерения – дендрометрия с использованием
высокочувствительных электронных сенсоров – дендрометров
непрерывного мониторного действия
Кривая поведения стебля отражает характерные изменения водного
состояния растения. Как правило, стебель сжимается в течение дня под
влиянием транспирации и восстанавливает свой рост и тургор ночью.
Амплитуда сжатия стебля варьирует пропорционально дефициту воды в
растении и может быть использована как критерий оценки стресса и
корректировки орошения.
Оба последних метода – водных потенциалов и дендрометрия тесно
связаны между собой, так как в принципе отражают идентичные
процессы в растении. Нами найдена высокая корреляция между
давлением листа в листовой камере и дневным сжатием стебля (ствола)
растений для некоторых культур. Обзор литературы показывает, что
различными исследователями такая корреляция установлена практически
для всех культур, имеющих васкулярный принцип строения (система
водообеспечения растений посредством ксилемы и флоэмы).
Использование минерализованных и сточных вод на орошение
В условия дефицита пресных вод на орошение, подземные
минерализованные и очищенные сточные воды представляют собой
огромный дополнительный потенциал для орошения. При правильном
использовании таких вод, как правило, не наступает ухудшения состояния
земель и на происходит снижение урожайности. Однако при вольготном
их использовании могут проявиться негативные последствия, такие как
засоление почв и снижение урожайности сельхозкультур. В данном
разделе изложены основные положения по технологии использования
минерализованных и сточных вод для обеспечения безопасного уровня
засоленности почв.
Большое внимание уделяется вопросам солеустойчивости сельхозкультур
и принципам расчета промывок для снижения засоления. Обобщен
большой материал по солеустойчивости и представлен в виде таблиц и
графиков для большинства сельхоз культур.
Способы измерение уровня засоленности почв
• Лабораторные анализы, предусматривающие отбор полевых образцов и
подготовку электропроводной пасты. Преимущества: высокоточный
анализ, возможность определения качественного состава солей в почве.
Недостатки: относительно высокая стоимость, время для доставки
образцов, нерегулярность во времени, как правило, не привязаны к
режиму орошения.
• Полевые измерения. Вытяжки через керамические зонды (тензиометры) с
дальнейшим замером электропроводности раствора ручными ЕС метрами
на месте. Преимущества: более высокая оперативность, недостатки –
необходимость запуска тензиометра строго в привязке к орошению.
• Сенсоры измерения электропроводности почвы в зависимости от
содержания солей, влажности и температуры почвы. Преимущество в том,
что фермер имеет возможность отслеживать засоленность почвы в
оперативном режиме (несколько раз в день) и корректировать режим
орошения и удобрений в зависимости от засоления почвы.
Автоматизация систем полива и управления климатом в теплицах.
По уровню автоматизации системы подразделяются на три группы:
• отсутствие автоматизации полива (преимущественно на открытых
площадях, контроллер отсутствует, полив осуществляется вручную путем
открывания и закрывания запорной аппаратуры). Существуют
примитивные контроллеры для открывания и закрывания запорной
аппаратуры или по времени или по объему подаваемой воды. Средства
коммуникации (связь, контроллер) отсутствуют. В Израиле
приблизительный процент таких систем не более 20% с постоянным
уменьшением, то есть все больше и больше фермеров переходят на более
высокий уровень автоматизации.
• Частичная автоматизация полива (объемы воды по заранее заданной
программе в контроллере, однако изменения режимов орошения
осуществляется вручную). Существует связь между центральным
контроллером и периферийными устройствами посредством кабельной
или радиосвязи. Наиболее распространенный вид автоматизации (около
70% всех систем) с постоянной тенденцией к увеличению площадей под
автоматизированными системами.
• Полная автоматизация полива (в системе управления присутствуют
сенсоры (в основном тензиометры или другие влагоизмеряющие сенсоры)
по показаниям которых осуществляется полив по программе). Такие
системы находятся в стадии разработки и совершенствования. Проблема
заключается в надежности влагоизмеряющей аппаратуры – сенсоров,
обоснования количества сигнальных сенсоров на единицу площади,
распознавании возможных артефактов и электронных сбоев и так далее.
Операции выполняемые контроллером :
• Управление подачей оросительной воды,
• Открытие и закрытие вентиляционных окон и фрамуг,
• Включение и выключение вентиляторов,
• Управление системой обогрева воздуха,
• Управление системой охлаждения воздуха,
• Управление термическим экраном для создания необходимой ,
освещенности (в летнее время) и экономии тепла в холодный период ,
• Управление впрыском СО2 с целью регулирования концентрацией газа
при недостаточной освещенности
• Управление и контроль качества воды при повторном ее использовании
• Управление системами оповещения в случае аварийных ситуаций.
Основные измерительные компоненты (сенсоры ):
• СО2 монитор – измеритель концентрации углекислого газа,
• EC/PH meter – измеритель концентрации солей и кислотности
оросительной воды,
• Тензиометры – измеритель влажности почвы,
• Water meter – счетчик оросительной воды,
• Климатические сенсоры – температура воздуха, влажность воздуха,
освещенность,
• Счетчик удобрений.
• Системы снабжены возможностью автоматизированного проектирования
с расчетами:
Протяженности поливных труб, гидравлические расчеты, стоимости
системы и оптимизации параметров для получения наилучшего техникоэкономического результат.
Фитомониторинг растений: основные элементы и принципы работы.
Современное ведение сельского хозяйства осложняется нарастающим
дефицитом пресной воды не только в Израиле, но и в целом в мире. В
Израиле несмотря на суперсовременные и экономичные оросительные
системы полива дефицит поливной воды не ликвидирован и многие
фермеры испытывают большие трудности. Дефицит пресной воды
обуславливает необходимость использования альтернативных водных
ресурсов, таких как минерализованные подземные воды, очищенные
сточные воды, опресненные морские воды, воды временных водотоков.
Однако качество подземных и сточных вод зачастую низкое с
повышенным содержанием токсичных элементов и органического
материала. Это снижает эффективность полива и технические
возможности поливных систем. Воды временных водотоков и опреснение
морской воды требуют вложения значительных денежных средств, что
приводит к росту стоимости воды.
В связи с этим необходимо внедрение в практику орошения технологий,
обеспечивающих постоянный контроль за развитием растений в
зависимости от водообеспеченности, климатических и почвенных
особенностей. При этом экономия оросительной воды (принцип Precision
Agricultural) должна быть превалирующей в современных условиях.
Технология фитомониторинга - современная информационная
технология постоянного слежения за физиологическим состоянием
растений, климатом и состоянием воды в почве и их взаимодействии.
Целью технологии является:
Изучение растения и составление его фитомониторного портрета,
влияния орошения на его поведение, (первый этап)
Настройка орошения и климатических условий (теплицы) для
обеспечения благоприятных физиологических условий развития
растений.
Своевременное обнаружение отклонений от нормального поведения
растений (стресс) и принятие экстренных решений по изменению
орошения и климата (по мере возможностей).
Создание протокола выращивания растения как высшей стадии
фитомониторной технологии. Состоит из прямых рекомендаций по
оперативному изменению орошения и климата в зависимости от
поступающих данных.
Отыскание возможности сокращения объемов орошения без ущерба
урожайности.
Средства измерения, сбора и хранения информации.
Основным элементом фитомониторинга являются электронные
сенсоры, обладающие возможностью непрерывного измерения параметров
и сохранения в их в памяти в течение продолжительного времени.
Интервал сбора данных составляет от 10 мин до 4 часов и выбирается в
зависимости от вида растения, измеряемого параметра и желания
заказчика.
Сенсоры
В компании PHYTECH выпускаются три вида сенсоров:
Сенсоры климата – температура и влажность воздуха, освещенность
(сенсор общей радиаци и сенсор радиации фотосинтеза), скорость ветра и
дождя.
Сенсоры измерения влажности почвы – тензиометры и сенсоры
измерения процентного содержания влаги в почве.
Сенсоры измерения физиологических параметров растения – сенсоры
измерения параметров стеблей и стволов деревьев, использующие
принцип дендрометрии – в основном процесс дневного сжатия и ночного
роста стебля и ствола.
Сенсоры температура листа и плода, потока влаги в стебле, и т.д.
Сенсоры измерения темпов роста плодов. Имеется широкий спектр
Сенсоров ,начиная от измерения малых плодов (2-12 мм в диаметре) до
160мм.
Сенсор засоления почвы (ЕС), измеряющий общую электропроводность в
почве, зависящую от концентрации солей в почве, влажности и
температуры почвы. Таким образом, один сенсор выполняет функции
трех сенсоров с возможностью измерения трех параметров почвы. Сенсор
ЕС приобретает особую важность в настоящее время в связи с
нарастающим дефицитом оросительной воды и переходом на орошение
водой пониженного качества, когда существует опасность засоления
почвы выше допустимых значений.
Системы сбора и хранения данных .
В последнее время Phytech принципиально изменил стратегию сбора и
хранения информации. Постоянно развивающиеся технологии сбора и
хранения информации в мире предлагают широкий диапазон
предложений, основанных на использовании Интернета. До недавнего
прошлого сбор данных осуществлялся через систему GPRS с поступление
данных от сенсора, находящегося на поле или в теплице, в сервер Phytech,
находящегося в компании. После сбора данных автоматически данные
“поднимаются” в Интернет, откуда заказчик получает данные в свой
компьютер.
Сегодня современные технологии предлагают суперсовременные
технологии, одна из которых получила название Cloud Storage Service.
Возможности этой технологии позволяют получать и накапливать данные
с сенсоров непосредственно на сервер выбранной Cloud Storage компании
без использования местных накопителей. Технология позволяет получить
доступ к вашим документам и данным из любой точки мира. Все что
нужно – это компьютер и подключение к Интернету. При этом
приоритетная задача – это своевременное и надежное поступление данных
в компьютер заказчика, а так же защита информации и деловой
документации при компьютеризированном хранении данных, создание
резервных копий и так далее. Cloud storage server отличается простотой в
пользовании и высокой скоростью получения данных.