CC BY
120
УДК 631.415.1
СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ КИСЛОТНОСТИ ПОЧВЫ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ТОМАТОВ В УСЛОВИЯХ ЗАКРЫТОГО ГРУНТА
Цокур Дмитрий Сергеевич аспирант
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
В статье представлены: система стабилизации кислотности почвы, которая позволяет производить внутрипочвенное орошение растений томатов католитом для компенсации воздействия кислых удобрений, а также дополнительно производить профилактику заболеваний растений раствором анолита; передаточная функция системы стабилизации кислотности почвы; результаты её производственных испытаний
Ключевые слова: КИСЛОТНОСТЬ ПОЧВЫ, ВЫРАЩИВАНИЕ ТОМАТОВ
UDC 631.415.1
THE STABILIZATION SYSTEM OF SOIL ACIDITY WHEN GROWING TOMATOES IN A GREENHOUSE
Tsokur Dmitriy Sergeevich graduate student
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
The article presents: the stabilization system of soil acidity, which allows subsoil irrigation tomato plants catholyte to compensate the negative effects of acidic fertilizer, and additionally to prevent plant diseases anolyte solution; transfer function of the stabilization system of soil acidity and the results of its tests
Keywords: SOIL ACIDITY, GROWING TOMATOES
На сегодняшний день выращивание овощей в теплицах актуально в связи с круглогодичным циклом получения продуктов питания.
Государство планирует до 2020 года увеличить площадь закрытого грунта в три раза. Но на производительность теплиц влияет не только занимаемая ими площадь, но и технологии, применяемые для их выращивания.
В результате их совершенствования, в закрытом грунте, нарушаются физико-химические параметры почв, что приводит к нарушению условий роста и развития овощных культур, в частности томатов.
Питательные вещества становятся недоступными для растений, если кислотность почвы отклоняется от оптимальной в результате внесения удобрений или известкования почв (рис. 1).
Поэтому целесообразно поддержание необходимого значения pH почвы для растений томатов.
Сильно кислая Средне кислая Слегка кислая Очень слегка кислая Очень слегка щелочная Слегка щелочная Средне щелочная Сильно щелочная
-Л
2 2
.
Азот
Фосфор
Калий
Кальций
Магний
Сера
Железо
Марганец
Вор
Медь и цинк Молибден
4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8.5 9
Рисунок 1 - Влияние pH почвы на наличие макро и микроэлементов.
Проведён анализ способов коррекции кислотности почвы. Установлено, что наиболее перспективным является полив почвы электроактивированными растворами с заданными параметрами (рис. 2).
Сидераты
(Бобовые, рожь, овёс) Недостатки: низкое быстродействие
Электроактивированные растворы воды с заданными параметрами
Способы коррекции кислотности почвы
Известкование
(Известковая мука, гашеная известь, доломитовая мука, гажа) Недостатки: низкое быстродействие и точность коррекции
Кальцийсодержащие препараты для раскисления почв
(Измельченный мел, торфяная зола, дровяная зола) Недостатки: низкое быстродействие, требуются большие дозы по сравнению с известкованием
Комплексные
препараты
раскислители
Недостатки: низкое быстродействие
Рисунок 2 - Анализ способов коррекции кислотности почвы Работы в этой области проводились в «Волгоградской сельхоз академии»,
«Удмуртском Государственном Университете» и в «Кубанском Государственном
Аграрном Университете». Исследованиями влияния электроактивированных
растворов на растения занимались Пындак В.И., Лагутин В.В., Широносов В.Г.,
Александрова Э.А. Авторами отмечается положительное влияние
электроактивированных растворов, как на сами выращиваемые растения, так и на
физико-химические параметры почв [1, 3, 4, 5]. Но, до сих пор, вопрос
стабилизации кислотности почвы с помощью электроактивированных растворов
при выращивании растений томатов в закрытом грунте практически не разработан.
При стабилизации кислотности почвы важно выдержать параметры её
обработки. Основными параметрами являются: pH почвы, количество воды (норма
полива). Производить полив почвы электроактивированной водой достаточно
просто и доступно. Большие сложности вызывает стабилизация кислотности почвы,
так как необходимо знать зависимости изменения её pH от pH
электроактивированного раствора. Недостаточное или чрезмерное воздействие
может привести к недоступности необходимых растению питательных веществ и,
следовательно, к ухудшению условий роста и развития. Следовательно, задачей
является разработка системы стабилизации кислотности почвы, которая учитывает
особенности почвы как объекта управления.
Рассмотрим технологическую схему (рис.З). В данном технологическом
процессе, как и впрочем, в любом другом, где используется электроактиватор,
необходимо решить вопрос об утилизации неиспользуемой части
электроактивированного раствора, в данном случаи анолита.
Анолит
Вода □ <4—
Рисунок 3 -
Технологическая схема системы стабилизации кислотности почвы 1 - насос; 2 - фильтр песчаный; 3 - фильтр сетчатый; 4 - электроактиватор воды; 5 -датчик расхода воды; 6 - pH метр; 7- датчик температуры воды; 8 - ёмкость для католита; 9 - датчик уровня; 10 - ёмкость для анолита; 11 - регулятор давления; 12 -поливной трубопровод для подачи анолита; 13 - поливной трубопровод с капельницами для подачи католита; 14 - распылитель.
Анолит обладает универсальным спектром действия, т.е. оказывает угнетающее влияние на все крупные группы микробов (бактерии, грибы, вирусы и простейшие), не причиняя вреда клеткам тканей растений. Поэтому его можно использовать для опрыскивания растений в целях профилактики и борьбы с вредителями и болезнями томатов [4].
Представим почву, как объект управления (рис. 4).
При стабилизации рНп почвы основным управляющим воздействием является водородный показатель электроактивированного раствора рНВоды- Для его
создания необходимо подать определённое количество электрической мощности Рэл- Изменение рНд в результате нарушения технологического процесса, внесении кислых удобрений является основным возмущающим воздействием.
Рисунок 4 - Функциональная схема системы стабилизации кислотности почвы
Электроактиватор вместе с насосом является регулирующим органом РО, формирующим входное воздействие на объект управления. Орган, который сформировывает сигнал управления на РО, называется программный регулятор ПР. В зависимости от этого сигнала регулирующий орган выдаёт необходимое количество электроактивированного водного раствора (в рамках норм полива) с определённым значением водородного показателя. Датчик величины pH почвы представлен на функциональной схеме как измерительный орган НО. ПР, У О и РО охвачены положительной обратной связью корректирующим органом КО для коррекции параметров раствора на выходе из электроактиватора.
Задающим входным воздействием всей системы автоматического управления является оптимальный для растений уровень кислотности почвы рНд. Элемент, отвечающий за входной сигнал, на функциональной схеме представлен как задающий орган 30.
Каждый элемент представленной выше схемы может быть описан дифференциальными уравнениями типовых динамических звеньев. И относительно выходной величины pH почвы (у) и рисунка 5 можно записать передаточные
функции для каждого элемента:
N
Я
ууі (р) \— ►! W2 (р) |~~1н уу3( р) | е+аь/1 | »^4(р)|—
а тг і_______________■ і._______________
IРО ІІ
Рэл! |. . . . ~\РНводы\ I
\Л/5(р)
ОУI
и I
7о
W6(p)
І рі"! почвы і----------•—►
Рисунок 5 - Структурная схема системы стабилизации кислотности почвы
- передаточная функция для программного регулятора ПР;
ігЛр) = :
передаточная функция для усилительного органа УО;
Щр) =
К(р) =
pH ВОДЫ р™
- передаточная функция для регулирующего органа РО;
pH
почвы
pH ВОДЫ
ш5(р)
К(р)
Щр) =
рНг
N
pH г
Л
pH,
передаточная функция для управляющего воздействия на почву;
передаточная функция для возмущающего воздействия;
передаточная функция для корректирующего органа КО;
л
- передаточная функция для датчика pH НО.
Зависимость pH почвы от водородного показателя воды для её полива до сих пор не изучена. К тому же почва является сложным исследуемым объектом, трудно подающимся математическому моделированию. Поэтому получить передаточные функции теоретически затруднительно. Но изучить влияние
электроактивированных растворов на кислотность почвы можно экспериментально.
Для получения регрессионной модели описывающей влияние параметров полива почвы электроактивированными растворами на её кислотность было произведено планирование эксперимента.
В качестве независимых переменных приняты:
XI - водородный показатель электроактивированной воды используемой для полива почвы, (3 уровня - 10, 11, 12); интервал варьирования 1.
х2 - количество воды, (^п, л/м2 (3 уровня - 10, 20, 30); интервал варьирования 10 л/м2.
В качестве зависимых переменных были приняты: значения pH почвы
У1 - pH почвы через время 1=1 час после полива;
У2 - pH почвы через время 1=1 сут. после полива;
Уз - pH почвы через время 1 = 2 сут. после полива;
у4 - pH почвы через время Х = А сут. после полива;
у5 - pH почвы через время 1=8 сут. после полива.
В результате проведённого экспериментального исследования получена
регрессионная модель, представленная в виде системы из 5 уравнений
описывающая влияние водородного показателя электроактивированного раствора и
его количества на кислотность почвы во времени при выращивании томатов в
условиях закрытого грунта.
'^= 27,738889-4,300000^ + 0,032500 х2 + 0,002500 х1х2 + 0,216667Х12 - 0,000333х22 у2 = 14,527778 - 1,633333Х1 - 0,005833 х2 + 0,002500 х1х2 + 0,0833333Х12 - 0,000167Хз2 < уъ = 13,755556 - 1,40000Х1 - 0,028333 Хз + 0,005000^^ + 0,066667Х12 - 0,000333Хз2 у4 = 13,505556 -1,383333Х1 - 0,004167 Хз + 0,002500 Х^2 + 0,066667Х,2 - 0,000333Х22 = 8,495556-0,470000Х1+0,000833 Хз + 0,026667Х,2 + 0,000117Хз2 ^
Данная модель обосновывает управляющее воздействие, которое необходимо сформировать для точного регулирования кислотности почвы.
Исходя из проведённых экспериментальных исследований передаточную функцию почвы по управляющему воздействию ЛЛ^4(р) (рис. 6) можно определить, приближенно приняв следующие допущения [2]:
• толщина почвы (20 см) разбивается на 4 участка (по 5 см);
• каждый участок описывается апериодическим звеном первого порядка (рис.3.27).
Тогда, с точки зрения автоматики, каждый участок почвы будет представлять из себя апериодическое звено 1-го порядка, а время полива описывается интегрирующим звеном. Таким образом, их сумма будет описывать всю толщу почвы (рис. 7):
ч К £-> ^3 ^4 К
W Лр) = —!— + —=— + —-— + —-— + —
Тгр + \ Т2р + \ Т3р + \ Т4р + 1 р ^
_к_____
Т-? 4- 1
к
Т-з + 1
Т-з + 1
ш
II
й*
Е:1
Рисунок 7 - Описание управляющего воздействия на почвы в "МВТУ".
Возмущающее воздействие при удобрении суперфосфатом описывается следующим эмпирическим уравнением, полученным в ходе экспериментальных исследований:
уб = 5,9304: °'0096
где і - время, ч.
(3)
И его передаточная функция W5(p) будет представлять из себя апериодическое звено 1-го порядка (рис. 8):
к.
(4)
Щ(Р)
т6р +1
к 1
"Г Т-з і і !
Рисунок 8 - Описание возмущающего воздействия на почву в "МВТУ".
Электроактиватор воды, как регулирующий орган представляет собой произведение звена чистого запаздывания и апериодического звена 1-го порядка
Научный журнал КубГАУ, №93(09), 2013 года (рис. 9):
{р) = е
-хр
Т7р +1
у:37 к
Г у Ї-5 н- 1
Рисунок 9 - Описание регулирующего органа в "МВТУ".
где время чистого запаздывания т определяется по формуле:
И-У
^ _ ____почвы
ь'<2 (6)
где И - расстояние от электроактиватора, до точки измерения водородного
показателя воды, м;
Кочвы _ объём поливаемой почвы, м3;
Ь - длина капельного трубопровода, м;
О - производительность электроактиватора, м3/с.
Передаточная функция усилительного органа:
Ч/2(р) = коу (7)
Передаточная функция корректирующего органа:
^ЛР) = кКО (8)
Передаточная функция измерительного органа:
W7 (Р) = Ко (9)
Передаточная функция программного регулятора:
ЛМ1(Р) = кПР (10)
Преобразовав структурную схему (рис. 5) системы стабилизации кислотности почвы, получим:
\Л/Э(р) 1 почвы
Щ( р)
Рисунок 10 - Преобразованная структурная схема системы стабилизации
кислотности почвы
Таким образом, передаточная функция всей системы, в общем виде, будет выглядеть следующим образом:
Щр):
1¥ ■!¥ ■!¥
___ 1 2 3____ш +ш
\-ж1-ж2-ж3-ж6 4
12 3 6
Подставив (2) - (10) в (11), получим:
к -к ■ р~%р ■ 1 ЛПР ЛОУ с
ЩР):
Т7р +1
Л - к .к . р~хр . 7 . к
1 Лдр Лоу С ГУ т
Т7р + 1
1 +-------------------?— +------------------------------------------ъ-— +- — + —
Тхр +1 Т2р + 1 Т3р + \ Т4р +1 р
+ ■
т6р +1
(11)
(12)
В процессе стабилизации кислотности почвы важно получить высокое качество стабилизации, в зависимости от энергоёмкости процесса.
Считаем, что электрическая мощность переданная воде на изменение её pH, это фактически есть мощность, направленная на смещение кислотности почвы при её поливе генерируемым водным раствором, полученным от этой мощности.
Применяя принцип ограничения, сузим множество всех возможных решений нахождения рациональных параметров процесса стабилизации кислотности почвы
до подмножества допустимых решений. Для этого ограничим следующие параметры: норма полива, время между поливами, температура
электроактивированного раствора на выходе из электроактиватора. Величина нормы полива определяется из времени года и периода выращивания томатов (высадка рассады, период цветения, период созревания плодов и т.д.). В зависимости от этого норма полива лежит в диапазоне от 10 до 30 л/м2. Время между поливами составляет 7 суток (168 часов). Температура электроактивированного раствора не должна превышать 25°С.
Зная, из системы уравнений (1), как математически описывается, зависимость смещения кислотности почвы во времени от pH раствора и нормы полива и зависимость смещения кислотности почвы при внесении кислых удобрений применяемых при выращивании томатов в условиях закрытого грунта, а также значение оптимальной кислотности почвы Ыош можем получить регулировочную кривую стабилизации кислотности почвы.
Качество стабилизации в этом случаи может быть определено с помощью обобщенного интегрального среднеквадратичного показателя ].
Чем меньше будет показатель I, тем выше будет качество стабилизации, при этом значение pH воды, которое будет ему, соответствовать и будет наиболее рациональным значением с точки зрения получения наибольшего эффекта с учётом энергоёмкости процесса. Так для нормы полива 0в=30 л/м2, при удобрении почвы
е(0 = ^у)->1О1ГГ +:ПТ)-К
опт
(13)
168
1=| е2(1:)сИ:
(14)
В данном случаи:
о
+ (5,9304г°'°°96 - л/0дг))г
суперфосфатом с начальным значением pH = 6,5, наименьшее значение I будет при растворе с рН=10, так как в этом случаи площадь подынтегральной фигуры наименьшая (1=5,495) из всех рассматриваемых вариантов (рис. 11).
Рисунок 11 - Качество стабилизации кислотности почвы при разных значениях pH
и норме полива (^в = 30 л/м2
Аналогично и для остальных вариантов. При (^в = 20 л/м2 наиболее эффективным из рассматриваемых значений pH раствора является рН=10 (1=4,602). А при (^в = 10 л/м2 эффективным является pH =11 (1=4,331) (рис. 12, 13).
■при рН=12 0=18,841) ■при рН=11 0=4,692) -при рН=10 0=4,602) ■рН=6,5
50
100
150
Время, Ч
Рисунок 12 - Качество стабилизации кислотности почвы при разных значениях pH
и норме полива (^в = 20 л/м2
Рисунок 13 - Качество стабилизации кислотности почвы при разных значениях pH
и норме полива (^в = 10 л/м2
Произведены испытания системы в реальных условиях теплиц
Краснодарского края.
Порядок исследований: За объект управления принималось 2 теплицы
площадью 200 м2 каждая. В первой проводилось выращивание томатов по
обычной технологии, во второй со стабилизацией кислотности почвы (рис. 14).
Рисунок 14 - Технологическая схема системы стабилизации кислотности почвы: 1 -электроактиватор; 2 - бак для анолита; 3 - бак для католита; 4 - погружной насос; 5 -
магистральный трубопровод; 6 - фитинг; 7 - капельница; 8 - грядка.
Перед высадкой рассады в целях обеззараживания и снижения концентрации оставшихся удобрений почва в теплице была полита раствором анолита с pH = 2,5. Перед высадкой рассаду опрыскали тем же раствором анолита для профилактики от фитофтоза и бурой пятнистости. Первые удобрения были внесены при высадке рассады. В каждую лунку добавили 1 чайную ложку суперфосфата и 1 столовую ложку древесной золы. В течении всего времени выращивания проводилось 4 подкормки с интервалом в 14 дней. Измерения кислотности почвы проводились каждый час в течение всего процесса выращивания томатов при помощи pH метра -иономера «Эксперт - 001» на глубине 15 см. В зависимости от получаемых значений кислотности почвы после внесения подкормок (через 1 день) с помощью электроактиватора воды создавался необходимый раствор для полива растений томатов.
Результаты эксперимента представлены на рисунке 15.
Время, час
«^—Возмущающее воздйествие ^—*рН=6,5 «^—Стабилизация
Рисунок 15 - Графики изменения кислотности почвы при внесении удобрений и http://ej.kubagro.ru/2013/09/pdf/02.pdf
стабилизации электроактивированными растворами с заданными параметрами Анализируя полученный график стабилизации, видим, что стабилизация кислотности почвы позволяет получить наиболее выгодные условия для произрастания культуры томатов (pH = 6,5).
Показатели качества стабилизации отображены в таблице 1.
Показатели Без Со
стабилизации стабилизацией
Динамическая ошибка -0,5 0,5 -0,27
Коэффициент 7
перерегулирования, % -4
Интегральный среднеквадратичный показатель, абс. ед (%) 18(100%) 4 (22%)
Таблица 1 - Показатели качества стабилизации кислотности почвы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработана система стабилизации кислотности почвы при выращивании томатов в условиях закрытого грунта. Проведённые производственные испытания показали увеличение урожайности томатов на 16% и крупности плодов на 30% при использовании системы стабилизации кислотности почвы по сравнению с
контролем. Это объясняется созданием наилучших условий для роста и развития, так как при поддержании оптимального для растения pH почвы ему доступно большее количество необходимых ему минеральных веществ.
Библиографический список
1. Дубровская О. А., Широносов В. Г. Использование электроактивированного водного раствора — католита для раскисления почвы. — В сб. Тезисы докладов 4-й Российской университетстко-академической научно-практической конференции. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1999, ч.2, с.89.
2. Карташов Б.А. Компьютерные технологии и микропроцессорные средства в автоматическом управлении: учебное пос. Ростов-на-Дону: Феникс, 2013. - 540 с., ил.
3. Пындак В. И, Ищенко А. Ю., Лагутин В. В. Концепция применения воды для нужд растениеводства и животноводства // Научные сообщ. КДН / Волгогр. клуб докторов наук. -Волгоград, 1999. - Бюл. № 8. - С. 19 - 22.
4. Пындак В. И., Лагутин В. В., Юшкин А. В. Перспективы применения экологически чистых активированных водных растворов в растениеводстве // Поволжский экологич. вест. / РЭА. Волгогр. отделение. - Вып. 8. - Волгоград: Изд-во ВолгГУ, 2001. - С. 119 -422.
5. Шрамко Г.А., Александрова Э.А., Князева Т.В. Совершенствование технологии некорневой подкормки озимой пшеницы с применением электрохимически активированной воды // Научный журнал Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2011 г. -№6 (33), С. 69-72.
References
1. Dubrovskaja О. A., Shironosov V. G. Ispol'zovanie jelektroaktivirovannogo vodnogo rastvora — katolita dlja raskislenija pochvy. — V sb. Tezisy dokladov 4-j Rocsijskoj universitetstko-akademicheskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Izhevsk: Izd-vo Udm. un-ta, 1999, ch.2, s.89.
2. Kartashov B.A. Komp'juternye tehnologii i mikroprocessornye sredstva v avtomaticheskom upravlenii: uchebnoe pos. Rostov-na-Donu: Feniks, 2013. - 540 s., il.
3. Pyndak V. I., Ishhenko A. Ju., Lagutin V. V. Koncepcija primenenija vody dlja nuzhd rastenievodstva i zhivotnovodstva // Nauchnye soobshh. KDN / Volgogr. klub doktorov nauk. -Volgograd, 1999. - Bjul. № 8. - S. 19 - 22.
4. Pyndak V. I., Lagutin V. V., Jushkin A. V. Perspektivy primenenija jekologicheski chistyh aktivirovannyh vodnyh rastvorov v rastenievodstve // Povolzhskij jekologich. vest. / RJeA. Volgogr. otdelenie. - Vyp. 8. - Volgograd: Izd-vo VolgGU, 2001. - S. 119 -422.
5. Shramko G.A., Aleksandrova Je.A., Knjazeva T.V. Sovershenstvovanie tehnologii nekomevoj podkormki ozimoj pshenicy s primeneniem jelektrohimicheski aktivirovannoj vody // Nauchnyj zhurnal Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2011 g. -№6 (33), S. 69-72.
