модель теоретической биологии, земледелия и растениеводства

БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ (ЭКСЕРГЕТИЧЕСКАЯ)
МОДЕЛЬ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ,
ЗЕМЛЕДЕЛИЯ И РАСТЕНИЕВОДСТВА
И.И. Свентицкий1, А.П. Гришин2, В.А. Мудрик3
1
– ГНУ ВИЭСХ, Москва;
2–
Всероссийский институт механизации, ВИМ, Москва;
3 –Институт
фундаментальных проблем биологии РАН, г. Пущино
Московской области.
Главный процесс формирования первичной и вторичной
продуктивности экосистем и агроценозов – фотосинтез растений.
Теоретическим пределом первичной и вторичной
продуктивности экосистем и агроценозов является та часть
энергии солнечного излучения, которая потенциально
превратима растениями в химическую энергию первичной
продукции. На важность установления этой величины –
эксергии солнечного излучения для растениеводства впервые
указал К. А. Тимирязев в 1903 году в Крунианской лекции
«Космическая роль зеленых растений» на заседании Лондонского
королевского общества. В работе А. Эйнштейна «Об одной
эвристической точке зрения, касающейся возникновения и
преобразования света», опубликованной в 1905 году содержалось
обоснование квантовой эквивалентности фотоэффекта.
Излучение (свет) не только испускает порциями (квантами) но
и преобразуется целыми квантами. Поэтому фотоэффект
(биологический, физический, химический) пропорционален не
количеству поглощенной энергии излучения, а количеству
эффективно поглощенных фотонов.
Определить эксергию излучения для растениеводства можно только в
том случае, если спектральные характеристики излучателя и
преобразователя излучения тождественны спектральным
характеристикам абсолютно черного тела. Характеристики листьев
зеленых растений принципиально отличаются от характеристик
абсолютно черного тела. В ГНУ ВИЭСХ был разработан
полуэмпирический метод определения эксергии излучения (света) для
растениеводства. Эта методика была обсуждена на III-й
международной конференции по преобразованию энергии растениями
и опубликована в научном журнале Гумбольдтовского университета.
Определение эксергии излучения для растениеводства
(«фотосинтезной энергии»), тождественной величине свободной
энергии Гиббса в СССР регламентировано отраслевыми стандартами
Минсельхоза СССР и Минэлектротехпрпома СССР. В Германии эта
величина регламентирована национальными нормами DIN/5031, Teil
10.
Количественно мощность величины эксергии (эксергетическая
облученность) оптического излучения, приходящая на единицу
поверхности земли за промежуток времени (t1 – t2) в растениеводстве
(в отношении процесса фотосинтеза) определяется по спектральной
эффективности фотосинтеза К(λ)ф и спектральной интенсивности
излучения φ(λ)s на основе выражения:
 2 t2
Ec  0,95 

1 t1
 ( )c k ( )ф ddt
где: 0,95 – максимальная спектральная эффективность фотосинтеза
излучения с длиной волны 680 нм; λ1, λ2 - длина волны соответственно 300
и 750 нм.
Относительная спектральная эффективность фотосинтеза К(λ)ф одинакова
для всех хлорофиллосодержащих растений, поэтому величина eе будет
одной и той же для всех видов фотосинтезирующих растений.
Нами проведена статистическая обработка 66
экспериментальных спектров действия фотосинтеза 6
авторов: Bulley N. R. et al, 1969; Inada K., 1976; McCree
K.J., 1971-1972; Hoover W. H., 1937; Stoy V., 1955;
Engelman T. W., 1882 [6]. В опытах этих авторов
показана независимость относительной спектральной
эффективности фотосинтеза от концентрации О2 в
атмосфере,
температуры,
направления
падения
излучения. Метод расчета спектральной фотосинтезной
эффективности, предложенный И.И. Свентицким, и
средние значения экспериментальных данных шести
зарубежных авторов были приведены в монографии
профессора
Соколова
М.
В.
«Прикладная
биофотометрия» в главе «Основы биофотометрии» [5].
Соколов М.В. Прикладная биофотометрия
Москва, изд. Наука, 1982, 132 с.
Оценка влияния учитываемых факторов в модели проводится
на основе коэффициентов их оптимальности для протекания
процесса фотосинтеза или формирования продуктивности
растений при оптимальном значении всех иных учитываемых
параметров (переменных). Это обусловливает простоту
модели. Основной операцией является умножение значения
величины переменной порядка – эксергии излучения,
поступающей к растению - на коэффициент оптимальности
параметра управления, значение которого в данный момент
времени минимально.
Пр = Ес Кф мин
• где Пр – величина эксергии, потенциально пригодная на
фотосинтез и продуктивность растений в заданных
экологических условиях.
•
Kopt min - коэффициент оптимальности фактора,
характеризующий уменьшение использования энергии
растениями из-за отклонения от оптимального значения того из
факторов (в наших опытах -температуры, водного потенциала
почвы), который в данный момент времени находится в
относительном минимуме. Определяется по
энергопреобразующим характеристикам растений
Реальную продуктивность растений (Пр) ограничивает тот из
факторов (технологических режимов), который находится в
относительном минимуме и коэффициент оптимальности которого
имеет наименьшее значение (Кфmin) по сравнению со значениями
коэффициентов оптимальности остальных:
где n – количество учитываемых промежутков времени
поступления эксергии ∆ес, при которых Кфmin неизменно.
n
П р =  ec Kфmin
1
Значение коэффициента оптимальности для любого
учитываемого фактора можно определить по выражению:
К ф = Сфд / Сфо
Значения коэффициентов оптимальности каждого из
учитываемых факторов определяется на основе
энергопреобразующих характеристик растений
данного вида (сорта, гибрида). Эти характеристики
определяют экспериментально в климатических
камерах с регулируемыми и контролируемыми
значениями учитываемых в модели факторов. При
установлении этих зависимостей все иные факторы,
кроме изучаемого, поддерживают на близком к
оптимальному уровню.
Климатосветокамера типа KTLK-1250 (Germany)
для выращивания растений в контролируемых
условиях внешней среды.
Зависимость скорости электронного транспорта (слева)
и скорости фотосинтеза (справа) растений огурца от
облученности. Выращивание : 1 -100 Вт/м2 , 2 – 250 Вт/м2
Зависимость скорости фотосинтеза растений томатов
сорта Грунтовый Грибовский
от водного потенциала почвы.
Функциональная блок-схема устройства для оценки
климатических факторов по их влиянию на скорость
фотосинтеза и продуктивность растений
Устройство состоит из датчиков 1-4: 1 - датчик
эксергии
оптического
излучения
или
потенциального плодородия теплицы, 2 – датчик
температуры воздуха окружающего растения, 3 –
датчик влажности воздуха, 4 – датчик влажности
почвы (водного потенциала) или почвенного
субстрата (заменителя); 5 – 8 – нормирующие
преобразователи сигналов; 9 – 11- блоки
определения коэффициентов оптимальности; 12 – 14
– блоки определения коэффициентов факторов,
находящихся в первом и втором относительном
минимуме
и
установления
мелиоративного
потенциала.
В результате проведения НИР по разработке
автоматизированной установки (АУ) контроля
агроклиматических факторов и определения
эксергии агроклиматического потенциала
изготовлен макетный образец
Автоматизированная установка
(АУ) контроля
агроклиматических факторов и
определения
агробиоклиматического
потенциала. АУ может
применяться для комплексной
оценки потенциальной
эффективности климата в
отношении выращивания с.х.
культур.
Система оптимизации
параметров микроклимата
теплиц.
Состоит из датчиков
облученности, температуры
воздуха, влажности воздуха,
водного потенциала почвы,
блоков датчиков, линии связи,
компьютера с базой данных,
блока согласования с
исполнительными
устройствами.
Полученные ЭПХ огурца и томатов применяли при
оптимизации микроклимата теплиц в условиях
выращивания растений на гидропонике. Поэтому в этих
условиях ЭПХ по водному потенциалу почвы не нашли
применения. Вместо датчика давления почвенной влаги
(тензиометра) использовали датчик электропроводности
для контроля электропроводности выжатой из субстрата
жидкости с минеральным питанием. Были исследованы
оптимумы (по фотосинтезу) значений электропроводности
подаваемой жидкости с минеральным питанием при
разных значениях облученности.
Зависимость скорости фотосинтеза яровой пшеницы
Московская 35 от температуры воздуха в диапазоне
линейного участка световой кривой
Зависимость скорости фотосинтеза яровой пшеницы
Курская 2038 от относительной влажности почвы, (в %
от сухой почвы). Генеративная фаза развития [29].
Исследования влияния микроудобрений на ЭПХ
Исследовали влияние микроудобрений на фотосинтез и
продуктивность яровой пшеницы Курская 2038. В 80-х годах XX века
была показана возможность фиксации азота микроорганизмами в
ризосфере и ризоплане небобовых культур. Активно развивается
направление по использованию микроорганизмов, обитающих на
корнях и в прикорневой зоне. Это направление получило название
“ассоциативной азотфиксации”. Ассоциативные азотфиксирующие
системы могут увеличить поступление биологического азота в
агроценозы на 10-90 кг/га в год, что обеспечивает до 14-40%
потребности злаковых культур. Использование биологического азота
позволяет создать высокопродуктивные агросистемы при
минимальном воздействии на окружающую среду, поскольку
позволяет снизить применение минеральных удобрений и
уменьшить энегозатраты на их производство. Нами было изучено
действие комплексов микроэлементов на продуктивность,
фотосинтез, уровень азотфиксации, эффективность использования
солнечной энергии, Исследовали изменение ЭФХ в условиях
действия микроудобрений и устойчивость растений к стрессфакторам, в частности, засухоустойчивость растений (Рис 11).
Рис. 11. Зависимость скорости фотосинтеза яровой
пшеницы Курская 2038 от относительной влажности
почвы, (в % от сухой почвы).
Скорость фотосинтеза, отн. ед
ЭПХ после микроудобрений
(-•-).
B
D
F
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
30
25
20
15
10
5
Относительная влажность почвы, в % от сухой почвы
Зависимость
скорости
фотосинтеза
кукурузы
от температуры воздуха при суммарной облученности 200 (1),
300 (2) и 500 (3) Вт/м2 (что соответствует 40, 60, и 100 Вт/м2
эксергии
ОИ).
Зависимость скорости фотосинтеза кукурузы от водного
потенциала почвы, в кПа. Генеративная фаза развития
Дневная динамика скорости фотосинтеза (1),
транспирации (2), температуры воздуха (4) и листа
растения кукурузы (3). Усредненные данные за неделю
с одинаковыми солнечными днями.
Дневная динамика скорости фотосинтеза (Ф),
транспирации (Тр) и расчетных значений эксергии
биоклиматического потенциала (er) для дня с
переменной облачностью.
Таблица. Эксергия eс, реальная, с учетом температурного и
водного режимов er, (биоклиматический потенциал Wpc ) за
вегетационный период, урожай зерна (Ygr), урожай сухой биомассы
(Ybi,real) и расчетная продуктивность биомассы (Ybi,pred) кукурузы за 5
вегетационных периодов. Стандартный вариант минерального
-1,
1)
питания:
N
200
kg
ha
P
150
kg
ha
Вегетационные периоды
выращивания
Параметр
1
2
3
4
5
91.7
91.3
99.5
78.2
91.1
Wpc,
MJ m-2
49.3
51.5
51.1
40.7
43.4
Ygr,
kg m-2
0.79
1.09
0.90
0.79
0.86
Ybi,real,
kg m-2
2.13
2.14
2.20
1.81
1.90
Ybi,pred,
kg m-2
2.89
3.02
2.99
2.39
2.54
e c,
MJ m-2
Базовая схема
компьютерной программы
энерго-ресурсосберегающей
оптимизации управления
технологическими
процессами в теплице.
Нач
ало
Ввод исходных данных
Затраты
техногенной энергии на
технологический процессы
Т1…Тn
Материальные
затраты
технологические
процессы Э1…Эn
на
Расчет
приведенных затрат Зn
Расчет эксергии
затрат
техногенной
эксергии ет
Данные об
урожае П1…Пn
Расчет
эксергии урожая
еn
Характеристик
и растений Е1…Еn
Алгоритм первичной обработки
экологических данных и характеристик
растений О1, О2
Расчет
эксергии
солнечного излучения есф
Расчет
эксергии
мелиоративного
потенциала
по
факторам емп1…емпn
Расчет
эксергии
агроклиматического
потенциала еап
Вывод результатов для анализа
Показатель
эксергетический по затратам
техногенной энергии Пэт
Показатель
эксергетический техникоэкономический Пэтэ
Солнечное
излучение
и
др.
экологические
факторы Д1…Дn
КПД
эксергетический
по
использованию
плодородия земли ηепз
Расчет
эксергии плодородия
земли епз
КПД
эксергетический
использованию
агроклиматического
потенциала ηеап
по
КОНЕЦ
КПД эксергетический по
использованию солнечной энергии
ηеc
Блок-схема компьютерной системы эксергетической
оптимизации производства продукции растениеводства
• Основные показатели оптимизации:
• - по затратам техногенной энергии
• - КПД эксергетический по использованию природной энергии –
плодородия земельного угодия,
• -Технико-экономический эксергетический показатель,
• Показатель уровня эффективности агротехнологии с учетом
экологических условий,
• Расчет значений природной эксергии- эксергии солнечного
излучения, мелиоративных потенциалов, плодородия земли,
• Расчет значений эксергии излучения, пригодной для
фотосинтеза,
• Расчет значений агроклиматического отенциала
Блок-схема компьютерной системы эксергетической
оптимизации продолжение
• Определение значений эксергии плодородия земли
• - Определение эксергии максимальной продуктивности растений
в заданных экологических условиях
• Исходные данные для работы системы оптимизации:
• - Климатические характеристики земельного угодия, их средние
часовые значения, данные по температуре и влажности воздуха,
значения эксергии солнечного излучения в отношении
фотосинтеза растений.
• Для этой цели пригодна стандартная метеоинформация.
• Экспериментальные данные по энергопреобразующим
характеристикам растений
В последующие годы система оптимального
управления производства
сельскохозяйственной продукции будет
использована селекционерами для выведения
энергоэкономных сортов и гибридов, к которым
будут прилагаться энергопреобразующие
характеристики растений для использования их в
системах агротехнологий оптимального управления
в растениеводстве
Оптимальное многосвязное управление позволит
снизить энергоемкость по сравнению с
современными данными энергоемкости
производственных теплиц РФ.