CC BY
75
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
ЛИТЕРАТУРА
1. В.П. Якушев, В.В. Якушев Информационное обеспечение точного земледелия.С.-Петербург, 2007
2. Леоненков В.А. Самоучитель UML - Санкт-Петербург: BHV, 2001.
3. Валге А.М., Папушин Э.А., Серзин И.Ф. Мониторинг машинно-тракторных агрегатов с использованием спутниковых навигационных систем /А.М. Валге, Э.А. Папушин, И.Ф. Серзин//Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: сб. науч. тр. /ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии.-Вып.84. - СПб, 2013. С.28-36. -ISSN 0131-5226
4. Папушин Э.А. Экспериментальная проверка системы мониторинга машинно-тракторных агрегатов / Э.А. Папушин // Вестник ВИЭСХ. 2013. № 4 (13). С. 20-23.
УДК 631.172:574.46
ПРИМЕНЕНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЯ CCM-200 ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ХЛОРОФИЛЛА В ЛИСТЬЯХ РАСТЕНИЙ СВЕТОКУЛЬТУРЫ
С.А. РАКУТЬКО1, д-р техн. наук, Е.Н. РАКУТЬКО1, АН. ВАСЬКИН2, Н А. ГОРБАТЕНКО2, Д.П. ЗАБОДАЕВ2, Н И. ЯКОВЕНКО2
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург,Россия 2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, Санкт-Петербург, Россия
Эффективное выращивание растений в искусственных условиях возможно только по технологии светокультуры, т.е. с использованием дополнительных источников света. Светокультура требует особого внимания к вопросам энергетической и экологической эффективности. Для разработки теории и практики управления светокультурой необходимо наличие математических моделей продукционного процесса растений, прежде всего роста, развития и фотосинтетической деятельности. Одним из широко используемых и информативных параметров является содержание хлорофилла в листьях растений. Целью данного исследования была оценка вариации индекса содержания хлорофилла (CCI) с использованием портативного измерителя CCM-200 и его взаимосвязи с размерами листа растения на примере сальвии сверкающей сорта Скарлет Пикколо (Salvia splendens cv «Scarlet Piccolo»). Измерения CCI и ширины листа W проводили на третьей паре листьев. Значения коэффициента вариации K свидетельствуют о средней степени рассеивания данных. При этом, для физиологического показателя (KCCI =17,1 %) эта величина существенно больше, чем для биометрического (KW =11,0 %). Не подтвержден нормальный закон распределения измеряемых величин. Выявлена статистически значимая (p<0,05) корреляционная связь между шириной листа и содержанием хлорофилла CCI=5.68+0.37W, (R=0.43). Полученные данные могут быть использованы для мониторинга светокультуры.
Ключевые слова: светокультура, индекс содержания хлорофилла, измерение.
RAPID ESTIMATION OF LEAF CHLOROPHYLL CONTENT IN INDOOR PLANT LIGHTING BY PORTABLE CCM-200 METER
S.A. RAKUTKO1, DSc (Engineering), E.N. RAKUTKO^A.N. VAS'KIN2,
n.a. gorbatenko2,d.p. zabodaev2,n.i.yakovenko2
1Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg 2 Saint Petersburg State Agrarian University (SPSAU), Saint Petersburg
Effective cultivation of plants in artificial conditions is possible only using the indoor plant lighting technology with supplemental light sources. This technology requires special attention to the issues of energy and environmental efficiency. To develop the theory and practice of indoor plant lighting management, the mathematical models of the productional process in plants, primarily growth, development and photosynthetic activity, are required. One of the widely used and informative parameters is the chlorophyll content in plant leaves. The aim of the study was to evaluate the variation of chlorophyll content index using CCM-200 portable meter and to establish its relationship with the leaf size for Salvia splendens cv Scarlet Piccolo. The chlorophyll content index and the leaf width were measured on the third pair of leaves. The values of variation coefficient K indicate the average dispersion of data. At the same time, for the physiological indicator (KCCI = 17.1%) this value is significantly higher than for the biometric indicator (KW=11.0%). The normal law of distsribution of measured values was not confirmed. Correlation between the leaf width and the chlorophyll content CCI = 5.68 + 0.37W, (R = 0.43) was revealed (p <0.05). The data obtained can be used for the indoor plant lighting monitoring.
Keywords: indoor plant lighting, chlorophyll content index, measurement. ВВЕДЕНИЕ
Эффективное выращивание растений в искусственных условиях возможно только с применением светокультуры, т.е. с использованием дополнительного к естественному облучения от источников света (либо только с применением искусственных источников света). Светокультура требует особого внимания к вопросам энергетической и экологической эффективности [1]. Большие затраты энергии в светокультуре связаны с обеспечением условий для фотосинтеза. Для разработки теории и практики управления светокультурой необходимо наличие математических моделей продукционного процесса растений, прежде всего роста, развития и фотосинтетической деятельности. По своей природе показатели роста являются интегральными и характеризуют влияние внешних факторов на состояние растения. При этом количественные процессы преобразования вещества и энергии в растении происходят наряду с регуляционными, которые инициируют распознаваемые качественные изменения в структуре или поведении организма растения в зависимости от текущего внутреннего состояния или складывающихся внешних условий [2]. Отражением процесса роста растения являются биометрические показатели, которые достаточно просто фиксировать как для отдельных частей растения, так и во времени. Полученные данные могут быть использованы при разработке алгоритмов управления продуктивностью растений [3]. В практике культивирования растений достаточно востребованы модели, адекватно описывающие взаимосвязь биометрических и физиологических показателей. Такой эмпирический подход на основе осмысления экспериментальных данных и подбора наиболее подходящих (обычно простых) формул или
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
систем уравнений для их адекватного описания часто способствует пониманию механизмов, ответственных за реакцию растения [4].
Ключевым биохимическим компонентом молекулярного аппарата, обеспечивающего процесс фотосинтеза, при котором энергия солнечного света аккумулируется в органическом веществе растений, является хлорофилл. Обычно он содержится в тилакоидах хлоропластов и определяет эффективность фотосинтеза, а так же рост растений и их приспособленность к условиям окружающей среды. На интенсивность фотосинтеза влияют два типа факторов: внешние факторы, включая условия освещения; и внутренние, определяемые в немалой степени содержанием хлорофилла [5].
Содержание хлорофилла в листьях варьируется в зависимости от генетики растений, содержания минеральных элементов, факторов внешней среды и т.д. [6]. Количество хлорофилла является прямым показателем здоровья и состояния растений. Получение этого значения неразрушающими методами анализа дает исследователям и агрономам весьма ценную диагностическую информацию. Эти данные могут быть использованы во многих целях, таких как оценка усвоения питательных веществ, управление орошением, борьба с вредителями, оценка экологического стресса, при селекции растений [7]. Определение содержания хлорофилла недеструктивными методами хорошо разработано для основных полевых культур, но эти методы так же широко используются для определения содержания хлорофилла в листовых овощах.
Основная идея неразрушающих методов определения хлорофилла в листе растения заключается в использовании оптических свойств листа, его коэффициентов отражения, поглощения и пропускания на отдельных длинах волн. Выявлено, что различных растений с различным содержанием пигментов эти коэффициенты принимают различное значение. Использование различий в коэффициентах отражения положено в основу дистанционного зондирования, которое считается надежным методом оценки различных биофизических и биохимических показателей растений [8]. Разработаны удобные методы неразрушающего определения содержаниях хлорофилла по поглощению света листьями растений, апробированные для различных культур: маиса (Zea mays L.) [9], чечевицы (Lens culinaris Medik.) [10] , груши песчаной (Pyrus serótina Rehd.) [11], клена сахарного (Acer saccharum Marsh.) [12] и многих других [13]. Целый ряд исследований показывает, что для отдельных видов растений может быть получена калибровочная кривая, связывающая оптические свойства листа и абсолютное содержание хлорофилла в листьях [14].
Целью данного исследования была оценка вариации индекса содержания хлорофилла с использованием портативного измерителя CCM-200 и его взаимосвязи с размерами листа растения на примере сальвии.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Измерения проводились в экспериментальной теплице института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства весной 2017 года. Результаты обрабатывали с помощью пакетов MS Excel и Statistica.
Растительный материал
Для исследований использовали растения сальвии сверкающей Скарлет Пикколо (Salvia splendens cv «Scarlet Piccolo»). Посев семян в ящики для рассады, заполненные торфяно-песчаной смесью с pH 6,0-6,5 был произведен 20 марта. Температуру поддерживали 20-25 °С. После появления всходов 28 марта ящики были переставлены на светлое место, где
температуру поддерживали на уровне 16-18оС. Регулярно производили умеренное увлажнение. Пикировку в фазе выхода первой пары настоящих листьев произвели 18 апреля в кассеты DP 8-12. Измерения проводили 18 мая на третьей паре листьев (рис. 1). Всего было проведено 120 измерений.
Рис. 1. Определение ширины листьев сальвиии содержания в них хлорофилла
Измерение ширины листьев
Ширину определяли в самой широкой части листа с помощью прозрачной мерной линейки (цена деления 1 мм), накладывая ее на лист растения перпендикулярно рахису. Результаты фиксировали с точностью до 0,5 мм. Неразрушающее определение хлорофилла
Использовали измеритель содержания хлорофилла (Chlorophyll Content Meter) CCM-200 (рис. 2), который представляет собой портативный прибор, предназначенный для быстрого, неразрушающего определения содержания хлорофилла в листьях [15].
Измерительный
Рис. 2. Внешний вид измерителя CCM-200
Рис. 3. Спектральная характеристика коэффициента пропускания хлорофилла
Для определения относительного содержания хлорофилла учитываются его оптические свойства, заключающиеся в значительном поглощении света в синем и красном диапазонах. При этом поглощение в зеленом и инфракрасном диапазонах отсутствует. Используется излучение на двух длинах волн. На длине волны 653 нм поглощение проходящего через лист света зависит от концентрации хлорофилла. Излучение с длиной волны 931 нм используется для компенсации влияния толщины листа (рис. 3). Измеритель определяет оптическую плотность на обеих длинах волн и вычисляет индекс содержания хлорофилла в образце (Chlorophill Content Index, CCI) по формуле
CCI = ^
т653, (1)
где ^ - коэффициенты пропускания на соответствующих длинах волн.
При этом абсолютное содержание хлорофилла на единицу площади не вычисляется. Для этого необходима калибровка прибора путем проведения стандартного биохимического анализа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
По полученным экспериментальным данным построены гистограммы распределения встречаемости значений ширины листа и содержания в нем хлорофилла (рис. 4).
Ширина листа, мм
CCI, отн.ед.
Рис. 4. Распределение встречаемости значений ширины листа (слева)и CCI (справа) для
листьев сальвии
Для сравнения на гистограммах показана кривая нормального распределения. В предположении о нормальном законе распределения экспериментальных данных вычислены показатели описательной статистики (табл. 1).
Таблица 1
Показатели описательной статистики
Параметр Ширина листа W, мм CCI, отн.ед.
Среднее значение 31,1 17,3
Минимальное значение 23,5 10,9
Максимальное значение 40,0 26,2
Дисперсия 11,76 8,84
Среднеквадратическое отклонение 3,43 2,97
Коэффициент вариации, % 11,0 17,1
Стандартная ошибка среднего 0,31 0,27
Асимметрия 0,29 0,68
Эксцесс -0,27 0,49
Значения коэффициента вариации свидетельствуют о средней степени рассеивания данных, при этом для физиологического показателя (содержания хлорофилла) эта величина существенно больше, чем для биометрического (ширины листа). Асимметрия
21
биометрических показателей положительна, значит, кривые распределения параметров смещены влево (в сторону меньших значений).
Отрицательное значение эксцесса для ширины листа свидетельствует о более пологой кривой распределения этого параметра по сравнению с нормальным. Положительное значение эксцесса для CCI свидетельствует о более острой вершине кривой распределения содержания хлорофилла.
Для проверки гипотезы о нормальности распределения данных использовали непараметрические методы на основе статистических критериев Колмогорова-Смирнова, Шапиро-Уилка и Лиллиефорса (табл. 2).
Таблица 2
Статистический анализ нормальности распределения значений биометрических показателей листьев сальвии
Показатель Статистические критерии
Колмогорова-Смирнова Шапиро-Уилка Лиллиефорса
d p W p p
Ширина листа W, мм 0,07604 p>0.20 0,98286 0,13107 p<0,10
CCI, отн.ед. 0,08389 p>0.20 0,96775 0,00559 p<0,05
Различные статистические критерии не позволяют однозначно утверждать, что экспериментальные данные распределены по нормальному закону. Поэтому для выявления связи между биометрическими показателями использовали непараметрический коэффициент ранговой корреляции Спирмена. Его значение гё = 0,456, ^N-2)= 5,569. Анализ свидетельствует, что имеет место статистически значимая ф<0,05) корреляционная связь
Ширина листа W, мм
Рис. 5. Зависимость значения CCI, отн.ед. от ширины листа, мм
Выражение для данной зависимости
CCI = 5.68 + 0.37W, (R=o.43) Судя по величине R, корреляция довольно слабая.
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
ВЫВОДЫ
Применение портативного измерителя CCM-200 обеспечивает широкие возможности для оперативной оценки состояния растения по содержанию хлорофилла в листьях. Измеритель является альтернативой деструктивных методов отбора проб, позволяет провести быстрый мониторинг состояния растения в процессе его роста. Его применение в практике светокультуры может способствовать повышению урожайности растений культур и получения урожая более высокого качества. При наличии соответствующих экспериментальных данных возможно нахождение корреляции между величиной CCI и другими биометрическими показателями. Полученные в работе данные по связи геометрических размеров листа и содержания в нем хлорофилла на примере растения сальвия могут быть использованы для контроля процесса выращивания данной культуры.
Авторы благодарны главному специалисту Коряковой Г.В. за предоставленную возможность проведения экспериментальных исследований в теплице и консультации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н. Энергоэкология светокультуры - новое междисциплинарное научное направление // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 90. С. 14-28.
2. Полуэктов Р.А., Смоляр Э.И., Терлеев В.В., Топаж А.Г. Модели продукционного процесса сельскохозяйственных культур. СПб., 2006.
3. Михайленко И.М. Математическое моделирование роста растений на основе экспериментальных данных // Сельскохозяйственная биология.- 2007.- № 1.—с. 103—111.
4. Торнли Дж.Г.М. Математические модели в физиологии растений. — Киев, 1982. — 312 с.
5. Лебедев С.И. Физиология растений — М.: Агропромиздат, 1988. — 544 с.
6. Haboudane, D., John, R., Millera, J.R., Tremblay, N., Zarco Tejada, P.J. & Dextraze, L. 2002. Integrated narrow-band vegetation indices for prediction of crop chlorophyll content for application to precision agriculture. Remote Sensing of Environment 81, 416—426.
7. Sims, D.A. & Gamon, J.A. 2002 Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species, leaf structures and developmental stages. Remote Sensing of Environment 81(2—3), 337—354.
8. Hansen, P.M., Schjoerring, J.K., 2003. Reflectance measurement of canopy biomass and nitrogen status in wheat crops using normalized difference vegetation indices and partial least squares regression. Remote Sensing of Environment86 (4), 542-553.
9. Shahryari, R, Khayatnezhad, M, Moghanlou, B.S., Khaneghah, A.M.P., Gholamin, R. 2011. Response of Maize Genotypes to Changes in Chlorophyll Content at Presence of Two Types Humic Substances. Advances in Environmental Biology, 5(1): 154-156.
10. Ghassemi-Golezani, K, Mahmoodi-Yengabad, F. 2012. Physiological responses of lentil (Lens culinaris Medik.) to salinity. International Journal of Agriculture and Crop Sciences. IJACS/2012/4-20/1531-1535.
11. Ghasemi, M, Arzani, K, Yadollahi, A, Ghasemi,S, Sarikhani Khorrami, S. 2011. Estimate of Leaf Chlorophyll and Nitrogen Content in Asian Pear (Pyrus serotina Rehd.) by CCM-200. Notulae Scientia Biologicae 3(1): 91-94.
12. Van den Berg, A.K., Perkins, T.D. 2004. Evaluation of a portable chlorophyll meter to estimate chlorophyll and nitrogen contents in sugar maple (Acer saccharum Marsh.) leaves. Forest Ecology and Management 200. 113-117.
13. Patane P., Vibhute, A. 2014. Chlorophyll and Nitrogen Estimation Techniques: A Review. International Journal of Engineering Research and Reviews. Vol. 2, Issue 4, pp: (33-41), Month: October - December 2014.
14. Fernando Silla, F., Gonzalez-Gil, A., Gonzalez-Molina, M.A., Mediavilla, S., Escudero A. 2010. Estimation of chlorophyll in Quercus leaves using a portable chlorophyll meter: effects of species and leaf age. Ann. For. Sci. 67, 108.
15. CCM-200plus [http://www.optisci.com/ccm-200.html].
УДК 631.172 : 574.46
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ОБЛУЧАТЕЛЕЙ НА КОЭФФИЦИЕНТ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧНОСТИ В СВЕТОКУЛЬТУРЕ САЛАТА
А.П. МИШАНОВ, А.Е. МАРКОВА, канд. с.-х. наук
Федеральное Государственное научное бюджетное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
В статье рассматривается один из предлагаемых вариантов расчета коэффициента энергоэкологичности, учитывающий количество энергии оптического излучения, выход сухого вещества и содержание нитратов в листьях салата, а также оценка влияния на него различных типов облучателей. В качестве источников оптического излучения использовали облучатель с натриевой лампой ДНаЗ-400 Супер и светодиодный облучатель собственного изготовления с процентным соотношением цветов в поддиапазонах спектра: 30% - в синем, 20% - в зеленом и 50% - в красном.Листовой салат (Lactuca Sativa.L.) сорта «Афицион» выращивали методом малообъемной гидропоники при полном искусственном облучении на агроперлите. Пикировку сеянцев салата в горшочки PR-306 проводили в фазе двух настоящих листочков с последующим выставлением в культивационные короба в течение 18 дней до наступления фазы хозяйственной спелости (около 120 г/горшочек). Под натриевой лампой урожайность составила 3,92 кг-м-2, что на 21,3% больше, чем при использовании светодиодного облучателя. При этом выход сухого вещества в листьях салата практически не отличался: 187,19 г-м-2 под натриевой лампой и 185,90 г-м-2 под светодиодным облучателем. В листьях салата под натриевой лампой содержание нитратного азота было на 7,14% ниже, чем при использовании светодиодного облучателя: 2857,9 и 3077,8 мг-кг-1, соответственно. Рассчитанный коэффициент энергоэкологичности в случае применения натриевой лампы на 32,4% выше по сравнению с применением светодиодного облучателя за счет получения более высокой урожайности салата.
Ключевые слова: светокультура; салат; коэффициент энергоэкологичности; натриевая лампа; светодиодный облучатель.
IMPACT OF DIFFERENT TYPES OF IRRADIATORS ON ENERGY AND ECOLOGICAL PERFORMANCE OF INDOOR PLANT LIGHTING OF LETTUCE
