CC BY
128
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
РАЗДЕЛЫ. ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ УДК 628.979:581.035
С.А. РАКУТЬКО, д-р техн. наук; Е.Н. РАКУТЬКО
МЕТОД ОЦЕНКИ ЭНЕРЕОЭФФЕКТИВНОСТИ ФОТОСИНТЕЗА В СВЕТОКУЛЬТУРЕ С ПОЗИЦИЙ ПРИКЛАДНОЙ ТЕОРИИ ЭНЕРЕОСБЕРЕЖЕНИЯ
С позиций прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах предложена модель растения, учитывающая динамику изменения площади каждого листа растения и его массы. Для рассады томата сорта Фламинго F1, выращиваемой при фотонной облученности 140 мкмоль м с , выявлено, что наибольшая продуктивность (и наименьшая энергоемкость) фотосинтеза по сырой массе и по сухому веществу наблюдалась при использовании натриевых ламп, наименьшая продуктивность (и наибольшая энергоемкость) фотосинтеза по сырой массе - светодиодов, по сухому веществу - люминесцентных ламп. Выявлена тесная отрицательная корреляция между содержанием хлорофилла в листьях и энергоэффективностью процесса фотосинтеза по сухому веществу при использовании светодиодов.
Ключевые слова, рассада, томат, площадь листа, продуктивность, энергоемкость, фотосинтез
S.A. RAKUTKO, DSc (Eng); E.N. RAKUTKO
ESTIMATION METHOD OF ENERGY EFFECTIVENESS OF PHOTOSYNTHESIS UNDER PLANT LIGHTING IN TERMS OF APPLIED POWER SAVING THEORY
From the standpoint of the applied theory of power saving in power-technological processes the model of a plant has been designed, which takes into account the dynamics of variation of each plant leaf area and its wet mass and dry matter content. For tomato seedlings of Flamingo FI variety grown under photosynthetic photon flux with the density of 140 gmolrnV1, the biggest
169
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
productiveness (and the least energy consumption) of photosynthesis by the wet mass and dry matter content was observed when sodium lamps were used, the lowest productivity (and the highest energy consumption) of photosynthesis by the wet mass - when LEDs were used, by the dry matter - when fluorescent lamps were applied. Strong negative correlation between the chlorophyll content in the leaves and the energy effectiveness of photosynthesis by the dry matter content when using LEDs was revealed.
Keywords, seedling; tomato; leaf area; productivity; energy consumption; photosynthesis
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 фото синтетического пигмента хлорофилла.
Основным ассимилирующим органом, в котором под действием оптического излучения (ОИ) образуются органические вещества, служащие структурно-энергетическим материалом для всего растения, является лист. Это позволяет определять продуктивность фотосинтеза (ПФС) по накоплению массы органического вещества в единице площади листа за определенное время.
Другой величиной, количественно характеризующей процессы, происходящие в растении, является интенсивность фотосинтеза (ИФС), учитывающая количество углекислого газа, поглощенного за единицу времени единицей поверхности листьев.
ПФС и ИФС - это основные показатели в оценке накопления растениями органического вещества, хотя прямой зависимости урожая от интенсивности фотосинтеза в различных условиях не наблюдается. О степени использования растением фотохимической активности хлорофилла можно судить по так называемому ассимиляционному числу, которое соответствует количеству ассимилированного углекислого газа весовой единицей хлорофилла в единицу
170
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
времени. В естественных условиях основное поглощение солнечной радиации происходит в листьях верхних ярусов ценоза, которые содержат и наибольшее количество хлорофилла. Наиболее полно вопросы фотосинтетической деятельности растений в посевах, связанной с образованием хозяйственного урожая (используемого человеком), его доли в биологическом урожае (т. е. суммарной массе всех органов растения), освещены в работах А. А. Ничипоровича [1].
К настоящему времени разработаны различные практические мероприятия, направленные на повышение продуктивности растений. В светокультуре одним из таких мероприятий является регулирование светового режима, в том числе спектра применяемых источников излучения (ИИ) в диапазоне фотосинтетически активной радиации (ФАР). Экономические показатели светокультуры непосредственно зависят от соответствия спектрального состава излучения требуемым значениям. В качестве величины, характеризующей энергоэффективность фотосинтеза (ЭФС), в данном исследовании принята энергоемкость [2].
Изучение продуктивности светокультуры и ее энергоэффективности под излучением с различным спектральным составом представляет не только теоретический интерес, но и является практически значимым и актуальным.
Целью данной работы является разработка метода определения энергоэффективности и продуктивности фотосинтеза в листьях растений, выращиваемых в искусственных условиях под излучением различного спектрального состава, на примере рассады томата.
Современный взгляд на теоретические вопросы энергосбережения предполагает рассмотрение движения потока энергии через все этапы преобразования, определяющие общую эффективность ее применения. Данный подход является основой прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП) АПК, в которой конкретизируются закономерности и механизмы взаимодействия сельскохозяйственных биологических объектов с искусственной средой обитания в структуре биоэнергетической системы [3]. ПТЭЭТП является основой
171
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
проектирования и оценки эффективности отдельных энергосберегающих мероприятий (ЭСМ), обоснования режима проведения ЭТП, формирования энергосберегающих алгоритмов управления [4, 5].
Подчеркивая важность ОИ в отдельных сельскохозяйственных ЭТП (в частности, при культивировании растений), допустимо говорить о процессе облучения как о самостоятельном технологическом процессе. Под технологическим процессом облучения (ТПО) следует понимать обеспечение электрического питания ИИ, процесс генерирования потока ИИ; создание требуемых спектральных характеристик потока ОИ; обеспечение требуемого пространственного распределения потока и его распространение по поверхности облучаемого объекта (00); соблюдение требуемого закона изменения параметров потока ОИ во времени [6]. ТПО является характерным примером ЭТП, в ходе которого энергия претерпевает различные преобразования. В силу особенности ТПО его этапы практически не разнесены во времени. Конечной стадией ТПО является процесс поглощения и превращения энергии в 00.
Рассмотрение иерархической структуры сельскохозяйственных биоэнергетических систем в рамках ПТЭЭТП подразумевает наличие теоретической модели реального энергетического объекта или процесса (рисунок 1, а).
При энергетическом анализе светокультуры объектом анализа является биологический обьект (БО) - растение. Основным параметром БО служит величина энергоемкости, вычисляемая как отношение энергии q , подводимой на вход блока к величине продукции р, получаемой на выходе блока. При этом наблюдаются потери энергии aq. Процесс протекает при некотором значении определяющего фактора х. Величина энергоемкости определяется по формуле:
Q
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
В зависимости от единиц измерения входных и выходных параметров, величина энергоемкости имеет соответствующую размерность.
Закономерности протекания энергетических процессов с участием БО показаны на рисунке 1, б.
ДО Р, е,
Рис. 1. К анализу продуктивности и энергоэффективности фотосинтеза
Нижняя кривая xQ = f(Q) в общем случае имеет нелинейный вид в силу нелинейной зависимости величины формируемого фактора х от интенсивности энергетического воздействия q на БО. Отметим, что для достижения одинаковых приращений фактора дх необходимо прилагать все большие приращения интенсивности aq, (т.е. при ах2_3=ахх_2, ао2 , > АО, 2), что определяет кривизну данной функции d2x / dQ2 < о. Такая закономерность характерна для процессов, потери энергии в которых увеличиваются с увеличением интенсивности энергетического воздействия.
Характер верхней кривой рх = f(X) объясняется действием закона оптимума биоэнергетической системы, в соответствии с
173
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
которым любой воздействующий на БО фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности БО. Функция px=f(X) имеет более или менее четко выраженный максимум, что определяет кривизну данной функции d2P/dX2 <о.
Кривую sx = /(X) получают вычислением значения энергоемкости по формуле (1) , используя значения q и рпщ различных значениях х.
Совокупность функции рх, хв и г.х является вариантами модели
Q^X^P.
Отметим, что оптимум продуктивности БО соответствует точке «А» (максимум на кривой рх). В этой точке соблюдается равенство
дР
дХ
0.
(2)
Однако с точки зрения энергозатрат оптимальным является режим, соответствующий точке «В» (минимум энергоемкости процесса на кривой Вх). Для этой точке справедливо
де
дХ
= 0
О)
Как правило, при этом рв<ра, т.е. энергосберегающий режим проведения процесса может не являться оптимальным по продуктивности.
С позиций ПТЭЭТП в рамках данного исследования предметом энергетического анализа является модель растения (рисунок 1, в). Лист растения представляет собой практически единственный орган, способный синтезировать органические вещества из неорганических под воздействием энергии ОИ. Свет для фотосинтеза захватывается более полно благодаря плоской форме листа, обеспечивающей большое отношение поверхности к объёму. Вода доставляется из корня по развитой сети сосудов (жилок листа). Углекислый газ диффундирует в лист через устьица. Рост и развитие растения непосредственно связаны с размером и продолжительностью работы ассимилирующей поверхности, а также от параметров потока
174
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
излучения, падающего на лист, в том числе, от его спектрального состава.
В соответствии с рассмотренными выше положениями ПТЭЭТП, обобщенным параметром, характеризующим эффективность использования энергии, является энергоемкость, показывающая, какое количество энергии потока излучения (т.е. какая доза облучения) затрачивается на синтез одного грамма сырой массы (или сухого вещества) растения при фотосинтезе. Подаваемая растению энергия (Q) характеризуется интегральной дозой нъ, моль. В зоне выращивания растений создается фотонная облученность еs (параметр X), характеризуемая спектральной функцией ел = да) .
Значение фотонной облученности, моль м-2 с-1, определяется по формуле
Ez = У--^
yhcNy
_2
где Ел- облученность на длине волныX, Втм ;
—34
й-постоянная Планка, й=6,62410 Джс; с- скорость света, с =3 108 м с'1; na- число Авогадро, =6,023 1 023 моль-1. Лу, Д2 - диапазон ФАР (400-780 нм).
(4)
Модель предусматривает учет площади п-то листа sn и его массы мп на момент времени тп. Выходной величиной модели растения (Р) является масса сырого (или сухого) вещества мл. Таким образом, общая для ЭТП модель q^x^p для ТПО реализуется как модель
Метод численного определения ЭФС заключается в следующем. Выращивание растений производят под излучением, характеризуемым спектром ел. В ходе эксперимента определяют количество листьев N, шт, на растениях, выращиваемых под каждым типом ИИ на моменты времени г, сут., и аппроксимируют полученные данные уравнениями
п = а\п( Г) - J3, (5)
175
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
где «, р -постоянные для данного типа ИИ коэффициенты.
Из уравнений (5) находят время появления n-то листа, сут.
( П + рЛ
Тп=ехр --- .
V се J
«Возраст» n-то листа на день окончания эксперимента тк
7?= Г*-71. (7)
(6)
' гг *
—2 —1
Величину ПФС n-то листа, г м сут , определяют по формуле
ПФС =
Мп
ST*
(8)
где м- сырая масса или масса сухого вещества для n-то листа, г; s- площадь n-то листа, м2;
Величину ЭФС n-то листа определяют по формуле
ЭФС„ =
Ел
м_
(9)
где н„— доза облучения, которая при известной функциональной зависимости изменения площади листа от времени хи(г), описывается формулой
rj-г О
H„=Ej\s„{T)dT, (10)
о
где еъ - фотонная облученность растений.
т°— время действия облучения на п-й лист, с, определяют по формуле
Т° =3600-ФП-Т\ (11)
п п ? \ /
где фп- фотопериод, ч.
В допущении линейного характера зависимости изменения площади листа с течением времени с момента его появления на стебле выражение для дозы принимает вид:
н„=\е^х. (12)
С учетом приведенных выше выражений, для n-то листа величины ПФС, г м сут , и ЭФС, молы , связаны выражением
176
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
ЭФС =■
ПФС
(13)
1 —2 —1 где кф- постоянный коэффициент, кф =~Ет. -звоо- фп, мольм сут .
Для всего растения, среднее значение ЭФС
N
у н
тт п
ЭФС = -
Mv
N
(14)
умп
п
п=1
Тогда среднее значение ПФС
ПФС = ^=. (15)
ЭФС
Исходные данные для апробации рассмотренного метода были получены в серии экспериментов по выращиванию рассады томата сорта Фламинго F1, проведенных в рамках тематики научноисследовательской лаборатории энергоэффективных
электротехнологий ИАЭП (г. Санкт-Петербург) в апреле - мае 2014 года [7]. Рассаду выращивали в световой комнате с фп 14 часов в сутки. Применяли светодиодные (СД) облучатели, люминесцентные (ЛЛ) и натриевые (НА) лампы. Спектр СД был приближен к нормируемому для томатов [8]. Суммарный спектр ЛЛ имел равные доли энергии в спектральных диапазонах. Спектр НА ламп имел характерный для натриевого разряда максимум в красно-желтой области спектра. Спектральную облученность ея измеряли прибором
ТКА ВД/04, результаты измерений пересчитывали в фотонную
—2 _
облученность. Уровень фотонной облученности =140 мкмоль м с 1 поддерживали изменением высоты подвеса излучателей над
верхушками растений. Значение коэффициента кф составляло 3,528
—2 —1
моль м сут . Показатели ЭФС и ПФС для каждого листа рассады определяли на 42-й день эксперимента.
В таблице 1 приведены параметры радиационной среды растений. Величины облученности ФАР и особенно освещенности существенно различаются, несмотря на выровненность фотонной облученности, в силу различий спектрального состава ИИ.
177
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
Таблица 1
Параметры радиационной среды растений
Показатель ИИ
СД ЛЛ НА
Фотонная облученность мкмоль м“ V1 140,0 140,0 140,0
Облученность ФАР, Вт м"2 29.1 30,56 28,40
Освещенность, лк 7800 13400 16100
Состав потока по соотношению энергии (%) в спектральных диапазонах ФАР, % синий (400... 500 нм) 19,3 32,1 7,2
зеленый (500.. .600 нм) 24,3 33,6 52,8
красный (600.. .700 нм) 56,4 34,3 40,0
На рисунке 2 показан внешний вид рассады, выращенной под различными ИИ.
СД ЛЛ НА
Рис. 2. Внешний вид рассады, выращенной под различными ИИ
По ботанической классификации листья томата очередные, непарноперисторассеченные, состоящие из долей, долек и маленьких долечек, что затрудняет определение площади листа. Для этих целей использовали фитопланиметр, состоящий из механической части и веб-камеры, подключенной к компьютеру (рис. 3). Снимки, полученные с помощью веб-камеры, обрабатывались в программе "AreaS" (рис. 4) по методике А.Н. Пермякова и др. [9].
178
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
Рис. 3. Фитопланиметр Рис. 4. Окно программы определения площади
Оценку содержания хлорофилла в листьях производили прибором ССМ-200 в относительных единицах CCI (Chlorophill Content Index). Для каждого листа производили пять измерений с вычислением среднего значения CCI. Массу листьев определяли взвешиванием на весах В Л-500. Для определения содержания сухого вещества листья выдерживали при температуре 105 °С в сушильном шкафу.
В таблице 2 приведены некоторые интегральные параметры продуктивности и энергоэффективности фотосинтеза в целом для растений, выращиваемых под различными типами ИИ.
Наибольшая суммарная площадь листовой поверхности, а значит, и доза потока излучения, полученная листьями к концу эксперимента наблюдалась у растений, выращиваемых под ЛЛ, наименьшая - под СД. Этой же закономерности соответствует количество хлорофилла в листьях. Однако наибольшая общая масса листьев и количество сухого вещества наблюдались у растений, выращенных под НА лампами, наименьшие значения масс - по СД. В целом для растения наибольшая ПФС (и наименьшая ЭФС) по сырой массе и по сухому веществу наблюдалась у растений, выращиваемых под НА лампами, наименьшая ПФС (и наибольшая ЭФС) по сырой массе - под СД, по сухому веществу - под ЛЛ.
179
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
Таблица 2
Интегральные параметры продуктивности и энергоэффективности фотосинтеза
Показатель ИИ
сд ЛЛ НА
Суммарная площадь поверхности листьев Sz, см2 669,9+33,5 1187,3+59,4 1111,7+55,6
Общая масса, г листьев мсыр 14,11+0,71 25,27+1,26 27,07+1,33
сухого вещества мсух 1,37+0,06 1,62+0,07 3,15+0,14
Доза облучения /Д,, моль 4,62+0,23 7,68+0,37 7,22+0,28
Среднее значение CCI, отн.ед. 11,2+0,4 16,9+0,6 14,6+0,7
Средняя ЭФС, моль г-1 по сырой массе ЭФС сыР 0,33+0,02 0,30+0,02 0,27+0,01
по сухому веществу ЭФС сух 3,37+0,17 4,73+0,24 2,29+0,09
7 1 Средняя ПФС, г м сут по сырой массе ПФС сЫР 10,77+0,43 11,61+0,58 13,23+0,65
по сухому веществу ПФС сух 1,05+0,04 0,75+0,03 1,54+0,07
Для выявления связи между содержанием хлорофилла в листьях растений и показателями ПФС и ЭФС произведен корреляционный анализ (табл. 3).
Таблица 3
Результаты корреляционного анализа
Коэфициент корреляции ИИ
сд ЛЛ НА
между CCI и ПФС по сырой массе ксыр -0,124 -0,699 0,192
по сухому веществу i?cyx -0,120 -0,694 0,125
между CCI и ЭФС по сырой массе всыр -0,305 0,639 -0,398
по сухому веществу i?cyx -0,754 0,017 -0,600
180
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
Наиболее тесная отрицательная корреляция выявлена между содержанием хлорофилла в листьях и энергоэффективностью процесса фотосинтеза сухого вещества при использовании СД.
Таким образом, применение положений ПТЭЭТП для анализа энергетической эффективности фотосинтеза позволило разработать модель растения, учитывающую динамику изменения площади каждого листа растения и его массы в процессе выращивания.
Предложен метод оценки энергоэффективности процесса фотосинтеза по его энергоемкости, вычисляемой как отношение дозы потока излучения, падающего на поверхность листьев, к массе вещества, полученной в процессе фотосинтеза. Показано, что продуктивность фотосинтеза обратно пропорциональна его энергоемкости.
Обработка по представленной методике экспериментальных данных по выращиванию рассады томата под различными источниками подтвердила, что спектральный состав потока излучения существенно влияет на энергоэффективность фотосинтеза и степень использования углеродного и светового питания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ничипорович А.А. Световое и углеродное питание растений фотосинтез. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 287 с.
2. Ракутько С.А. Оптимизация технологического процесса облучения в АПК по минимуму энергоемкости // Светотехника. 2009. №4. С. 57-60.
3. Ракутько С.А. Энергоемкость как критерий оптимизации технологических процессов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. №12. С. 54-56.
4. Ракутько С.А. Энергосберегающая система управления энерготехнологическими процессами в АПК // Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского: мат. III Межд. науч-практич. конф., Тамбов, 25-26 сентября 2008 г. Тамбов: Изд-во "Тамбовпринт", 2008. С. 228-229.
181
ISSN 0131-5226. Сборник научных трудов. ИАЭП. 2015. Вып. 86.
5. Ракутько С.А. Прикладная теория энергосбережения в энерготехнологических процессах АПК: структура и основные положения // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. №4. С. 6567.
6. Ракутько С.А. Оценка эффективности энергосберегающих мероприятий в электротехнологиях оптического облучения // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. №11. С. 31-33.
7. Разработать высокоэффективные автоматизированные
энергоресурсосберегающие технологии, системы и технические средства децентрализованного теплоэнергообеспечения
производственных объектов животноводства и растениеводства на базе использования природного газа, биомассы, электроэнергии и твердого топлива: Отчет о НИР №2237. № гос.рег. 1201255896 // Судаченко В.Н., Ракутько С.А., Бровцин В.Н., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Колянова Т.В., Ракутько Е.Н.- СПб.: ИАЭП, 2014. -126 с.
8. Сарычев Е.С. Продуктивность ценозов огурцов и томатов в функции спектральных характеристик ОСУ // Светотехника. 2001. №2. С. 27-29.
9. Пермяков А.Н., Дулов М.И., Васин В.Е., Толпекин А.А., Зуев Е.В. Методика определения площади листьев с помощью программы "AreaS" [Электронный ресурс] // ФЕБОУ ВПО Самарская ЕСХА: [сайт]. URL: www.ssaa.ru (дата обращения: 15.02.2014).
182
