CC BY
55
РАЗДЕЛ II ЭНЕРГОЭКОЛОГИЯ СВЕТОКУЛЬТУРЫ
УДК 535.24:577.34 DOI 10.24411/0131-5226-2019-10150
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ЛИСТЬЕВ РАСТЕНИЙ И МЕТОД ОЦЕНКИ СТАБИЛЬНОСТИ ИХ РАЗВИТИЯ
С.А. Ракутько, д-р техн. наук; А.Н. Васькин
Е.Н. Ракутько;
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Оптическая плотность листа растения зависит от содержания пигментов в ткани и определяет степень поглощения падающего излучения, которая влияет на усвоение энергии потока. Оценка содержания пигментов в растениях позволяет реализовать методики объективного экологического мониторинга светокультуры с выявлением факторов влияния различных компонент внешней среды. Цель работы - создание устройства для определения оптической плотности листьев растений и обоснование метода оценки стабильности их развития. В качестве меры стабильности развития принята величина флуктуирующей асимметрии билатеральных (зеркальных) признаков. При отклонении условий окружающей среды от оптимальных наблюдаются небольшие отклонения значений биометрических параметров у симметричных структур растения - половинок листа, оппозитных листьев, семядолей и т.д., носящие случайный характер. Обосновано применение в качестве билатеральных признаков оптической плотности билатеральных структур растения в отдельных спектральных диапазонах. Устройство состоит из светодиодного осветителя, прижимного устройства, фотометрического шара, фотоэлемента, цифрового индикатора, микропроцессорного блока и внешней памяти. Максимумы излучения применяемых светодиодов составляют 470, 525 и 640 нм. Испытания устройства проводили на растениях кабачка (Cucurbita pepo var. Giromontina), выращенных в лабораторных условиях в феврале 2018 г. под источниками света с различным спектром. Процентный состав спектра по диапазонам B (синий), G (зеленый), R (красный) и FR (дальнекрасный) у источника света №1: B - 25%, G - 24%, R - 48%, FR - 3%; у источника света №2: B -18%, G - 22%, R - 39%, FR - 21%. Измеряли оптическую плотность сформировавшихся семядолей у растений в фазе появления второго настоящего листа. Выявлена статистическая значимость различий в оптической плотности и флуктурирующей ассиметрии в отдельных спектральных диапазонах для растений, выращенных под различными источниками света. Разработанное устройство может быть рекомендовано к использованию при энергоэкоаудите светокультуры, при ускоренной оценке эффективности применяемых источников света, в научных исследованиях.
Ключевые слова: светокультура, лист, пигменты, флуктуирующая асимметрия, оптическая плотность, спектр поглощения.
Для цитирования: Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Васькин А.Н. Устройство для определения оптической плотности листьев растений и метод оценки стабильности их развития // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 2(99). С.58-71
Технологии и технические средства механизированного производства продукции _растениеводства и животноводства_
DEVICE FOR MEASURING THE OPTICAL DENSITY OF PLANT LEAVES AND THE METHOD OF EVALUATING THE STABILITY OF THEIR DEVELOPMENT
S.A. Rakutko, DSc (Engineering); A.N. Vaskin
E.N. Rakutko;
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
The optical density of a plant leaf depends on the tissue pigments content and determines the absorption degree of the incident radiation, which affects the flux energy absorption. Estimation of pigments content in plants allows to implement the methods of objective environmental monitoring of the indoor plant lighting and to identify the impact factors of various components of the external environment. The purpose of the work was to design a device for determining the optical density of plant leaves and to substantiate the assessment method of their developmental stability. The value of fluctuating asymmetry of bilateral (mirror) traits was taken as a measure of the developmental stability. Under deviation of environmental conditions from the optimum, small random deviaations of biometric parameters are observed in the symmetric structures of a plant - leaf halves, opposed leaves, cotyledons, etc. It was found reasoneble to use the optical dencity of the plant bilateral structures in separate spectral ranges as the bilateral traits. The device consists of an LED irradiation source, a holding-down clamp, an integrating sphere, a photoresistor, a digital indicator, microprocessor and external memory. The emission maxima of the used LEDs were 470, 525 and 640 nm. The device was tested on vegetable marrow plants (Cucurbita pepo var. Giromontina) grown under laboratory conditions in February 2018 under light sources with different light quality. The spectral composition by bands - B (blue), G (green), R (red) and FR (far-red) was as follows: light source 1: B -25%, G - 24%, R - 48%, FR - 3%; light source 2: B - 18%, G - 22%, R - 39%, FR - 21%. The optical dencity of the formed cotyledons was measured in plants in the second true leaf phase. The differences in optical density and fluctuating asymmetry in separate spectral bands were found to be statistically significant for plants grown under different light sources. The designed device can be recommended for use in energy and ecology auditing of indoor plant lighting, for rapid assessment of the effectiveness of applied light sources, in scientific research.
Keywords: indoor plant lighting, leaf, pigments, fluctuating asymmetry, optical density, absorption spectrum.
For citation: Rakutko E.N., Rakutko S.A., Vaskin A.N. Device for measuring the optical density of plant leaves and the method of evaluating the stability of their development. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 2(99): 58-71 (In Russian).
Введение
Применение оптического излучения (ОИ) в условиях светокультуры выдвигает особые требования к эффективности использования энергетических и
материальных ресурсов. Для комплексного рассмотрения проблемы энергосбережения в светокультуре предложено понятие технологического процесса облучения как
последовательности преобразования энергии на всех его этапах. Завершающим этапом является поглощения энергии ОИ и превращение ее в энергию химических связей в листе растения [1].
Факторы окружающей среды (температура, освещенность, влажность и т.д.) оказывают большое влияние на рост и развитие растений. Соответствие уровней
факторов требуемым значениям находит отражение в явлении стабильности развития растения. Стабильность развития
представляет собой набор механизмов, которые позволяют обеспечить устойчивое развитие (поддержку фенотипа) живого организма несмотря на изменения условий окружающей среды или генетические отклонения [2].
Мерой стабильности развития является величина флуктуирующей асимметрии (ФА) билатеральных (зеркальных) признаков. При отклонении условий окружающей среды от оптимальных наблюдаются небольшие отклонения значений биометрических параметров у симметричных структур растения - половинок листа, оппозитных листьев и т.д., носящие случайный характер. В качестве биометрических параметров обычно применяют линейные и угловые размеры, для определения которых используют измерительный циркуль, линейку и транспортир [3]. Величину ФА определяют как среднее значение отношения модуля разницы значения принятого для билатеральной структуры параметра соответственно слева и справа к их сумме.
Недостатком такого технического подхода является большая трудоемкость измерения линейных и угловых величин. Кроме того, величина ФА, вычисленная через геометрические размеры
билатеральных структур, недостаточно адекватно характеризует стабильность развития растения. Более информативными являются оптические характеристики, отражающие физиологическое состояние растения. Так, светопропускающая способность листьев напрямую зависит от содержания в них пигментов, которые в большой степени определяют
физиологические процессы в растении.
Одной из важнейших проблем биологической науки является изучение обмена веществ и энергии в растительных
организмах, определяющих их рост и развитие. Поглощение и превращение солнечной энергии в химическую и запасание ее в форме органических веществ в процессе фотосинтеза составляет основную функцию пигментов пластид. Поглощение энергии ОИ листом покрывает потребности в энергии все физиологические процессы, происходящие в растении. Поэтому изучение оптических свойств листьев позволяет вскрыть закономерности поглощения энергии растительным организмом и наметить пути рационального ее использования [4]. В настоящее время структура спектра поглощения листьев растений, вопросы экологической и видовой изменчивости оптических свойств листьев установлены достаточно хорошо [5, 6]. Кроме того, изучение фотосинтезирующих систем по их оптическим свойствам — это наилучший способ прижизненного, без каких-либо повреждений исследования растительных организмов.
Большая роль в обмене веществ и энергии принадлежит хлоропластам. Их высокую реактивность обусловливает белково-липоидная природа ламеллярно-гранулярной структуры и присутствие пигментов хлорофилла и каротиноидов.
Наряду с этим пигментная и ферментная системы хлоропластов могут принимать участие и в других процессах обмена веществ.
Поглощенная хлорофиллами энергия света, кроме восстановления углекислоты, может так же использоваться на разнообразные биохимические процессы, в том числе на образование клеточных структур, биосинтез белковых веществ, вторичные превращения углеводов, поглощение элементов минерального питания и другие процессы [7].
Оптические свойства листьев определяют особенности поглощения падающего на них излучения, влияющие на
усвоение энергии потока, интенсивность фотосинтеза и адаптационных процессов в растениях. Условия окружающей среды влияют на геометрические размеры клеток, морфологию ассимиляционных тканей, содержание и соотношение основных пигментов фотосинтеза, организацию фотосинтетических мембран. Оценка содержания пигментов в растениях позволяет реализовать методики
объективного экологического мониторинга светокультуры с выявлением факторов влияния различных компонент внешней среды.
Известны портативные устройства для измерения оптических характеристик листьев, работающие на принципе фиксации излучения, проходящего через лист от разноспектрального светодиода [8]. На практике достаточно широко используют хлорофиллметр ССМ-200, позволяющий по поглощению листа излучения светодиода оценить содержание хлорофилла. Имеется опыт его применения для определения ФА листьев огурца [9] и томата [10], выращиваемых в светокультуре.
В нашей работе [11] исследовалась возможность примения денситометра ДП-1М для оценки оптической плотности (ОП) листа растения. Выявлено, что прибор позволяет провести быстрый мониторинг состояния растения в процессе его роста по содержанию пигментов в листьях. 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 величинами оптической плотности листьев и другими биометрическими показателями.
Более совершенным прибором является портативный спектрометр, позволяющий оперативно записать спектр поглощения
листа [12]. Основным недостатком подобных устройств является их недостаточная функциональность, поскольку при их конструировании и не преследовалась возможность оценки стабльности развития растений по массиву парных сравнений оптических характеристик листа.
Цель данной работы - разработка метода оценки стабильности развития растений по ФА оптической плотности листьев растений и схемотехнических решений устройства для его реализации.
Метод оценки стабильности развития растений по разности концентрации пигментов
В основе разрабатываемого устройства лежат положения абсорбционной
спектроскопии и колориметрии, основанные на измерении количества света, поглощенного тканями листа [13]. При пропускании через лист растения монохроматического света с начальной
интенсивностью Ло вследствие его
частичного поглощения в тканях интенсивность прошедшего света
уменьшится до ^. В соответствии с законами Бугера-Ламберта и Бера между поглощением света листом, его толщиной d и содержанием в тканях поглощающего вещества Р существует зависимость, выражаемая уравнением
Dя=£яРd, (!),
где £я - коэффициент поглощения на длине волны я , - оп листа на длине волны я .
I
Dл=
. (2) Таким образом, определив по соотношению потоков ОП листа, зная его толщину и поглощающие свойства тканей, можно рассчитать концентрацию
поглощающего свет вещества.
Для наших целей в этих вычислениях нет необходимости, практически важно, что ОП листа прямо пропорциональна концентрации поглощающего вещества, т.е. пигментов. В более общем случае можно записать, что ОП в спектральном диапазоне Е является функцией от концентрации пигментов
Бх = Л(Р). (3)
Практически вместо интенсивностей излучения удобно измерять потоки. Измерения падающего и пропущенного потока для каждого диапазона проводят дважды, на левой и правой половинах для каждого 1 -го листа.
Значения ОП половин листа
DLÄI = lg
FL
-L Ii
DL = lg
1 H4
-L Ii
(4)
Величина флуктуирующей асимметрии
фа
показателями А, величину которого
формирует неравномерность ОП на обеих сторонах г -го листа. Причиной последней является разница концентрации пигментов
и
В итоге,
1,0 0,8 0,6 0,4
0,0 1 400
-Хл. а
---Хл. b - — Кар. -B
-G
-R
600
Длина волны, нм
для левой и правой
^ 1 -
фа = — -о
е n £ (б, + б,). (5)
Таким образом, стабильность развития растения можно характеризовать
неравномерность
арг
распределения пигментов Г на
симметричных структурах листа
взаимосвязана с показателем стабильности развития растения 5.
5 = /(ФА,) = /(/Б - Б)) =
= /(/(/(Р^) - /(Р?))) = /(Ар,). (6)
На рис. 1 показаны спектры поглощения хлорофиллов а и Ь и каротиноидов, а так же спектры излучения узкополосных цветных светодиодов (CD).
Рис. 1. Спектры поглощения пигментов и излучения СД
Задачей аппаратной части устройства является формирование векторов падающих
FL =Fl •
FLi0 Fb 0 •
fr =Fr •
1 Li0 bi0 •
FR
FL !
fr !
"0 •>
и
сквозь
7-Й
лист
пропущенных
fl ={fl • fl • fl )
F Li = bi • Fgi • F ri )
Fr = [Fr • Fr • Fr )
F Li = ^ bi • Fgi • F ri )
потоков для каждой половины листа в синем ь, зеленом & и красном г спектральных диапазонах (рис. 2).
Рис. 2. Формирование массивов исходной информации
и
схемотехнические
Конструкция решения устройства
Составные части экспериментального образца устройства скомпонованы в блок измерений (рис. 3).
0,2
500
700
800
0
L
R
Рис. 3. Блок измерений
Его основой является полая интегрирующая сфера (фотометрический шар, шар Ульбрихта). Известно, что если внутренняя поверхность сферы является неселективным диффузным отражателем, то непрямая облученность поверхности сферы на внутренней поверхности прямо пропорциональна потоку, попавшему в сферу [14].
Конструктивно сфера изготовлена из пластмассы. Ее внутренняя поверхность окрашена составом, приготовленном из сульфата бария, целуллоида и ацетона. В одно из отверстий сферы (входное) поочередно направляют световой поток от осветителя (режим калибровки), либо поток, прошедший через исследуемый образец (режим измерения). Освещенность внутренней поверхности измеряют фотоэлементом, прижатым к второму (выходному) отверстию сферы. Для исключения прямой составляющей эти отверстия между собой разделены экраном внутри сферы [15]. Для удобства окраски и монтажа сфера состоит из двух половин, соединенных между собой фланцами.
Осветитель крепится на прижимном устройстве таким образом, что когда лист растения оказывается прижатым между ним и фотометрическим шаром с должным усилием, срабатывает микропереключатель, выдающий сигнал на считывание уровня облученности. Электрическая часть блока измерений выведена на разьем XS1 (рис. 6).
На рис.4 показана схема соединений: А1 - блок измерения; А2 - плата контроллера Arduino Uno; A3 - цифровой индикатор LCD Keypad Shield, совмещенный с блоком клавиатуры; А4 - плата внешей памяти на SD карте. Для крепления навесных электронных компонентов использована макетная плата. Монтаж ведется стандартными соединительными проводами с коннекторами.
Рис. 4. Схема соединений
Для повышения удобства процедуры настройки прибора был изготовлен вспомогательный блок отладки (рис. 5). Его функция - моделирование работы микропроцессорного устройства.
Электрические соединения между блоком измерения и блоком отладки осуществляюся
тем же шлейфом XS2-XS1, которым в дальнейшем подключается микропроцессорная часть устройства.
Блок отладки Рис. 5. Блоки отладки и измерений
Рис. 6. Блок измерений (вид сзади)
Через шлейф передаются следующие сигналы (рис. 7, 8): +У - питающее напряжение; Gnd - общий провод; SQ -сигнал с микропереключателя,
свидетельствующий о прижатии листа растения; RF - сигнал с фотоэлемента; BS -сигнал с датчика толщины листа; W - сигнал на включение белого CD (индикация начала процедуры измерения); Я - сигнал на включение красного CD; G - сигнал на включение зеленого CD; В - сигнал на включение синего CD.
Источником излучения в синем диапазоне является светодиод BL-L502UBC, пик излучения на Л=470 нм, световой поток 2...5 кд; в зеленом - BL-L502 PGC, пик излучения на Л=525 нм, световой поток 2...5 кд; в красном - L-1503 8ЯС-Б, пик излучения на Л=640 нм, световой поток 3,5...4 кд. Потребляемый CD ток 20 тА устанавливливался подбором сопротивлений Я3...Я6 (рис. 8).
Рис. 7. Схема электрическая принципиальная блока отладки
Рис. 8. Схема электрическая принципиальная блока измерений
Включение цветных CD с помощью блока отладки производится вручную тумблерами SA3-SA5. Переключателем SA2 производится выбор измеряемого сигнала - с фотоэлемента или с датчика толщины листа. Измерение этих аналоговых сигналов
производится стрелочным
микроамперметром PA1. Резисторы R1 и R2 служат для подстройки пределов измерения микроамперметра. В режиме отладки питание производится от батареи GB1. Включается устройство тумблером SA1 (рис.
7).
После отладки при работе с микропроцессорным управлением
считывается сигнал с SQ. При срабатывании прижимного устройства высокий уровень сигнала свидетельствует о начале измерений. Сигналы с фотоэлемента и датчика толщины поступают на аналого-цифровые входы Arduino. С его цифровых выходов в соответствии с логикой работы управляющей программы на блок измерения подаются сигналы на включение светодиодов VD1...VD4 (соответственно W, R, G и B, рис. 8).
На рисунках 9 и 10 показаны соответственно зависимости освещенности E, лк, от считываемого напряжения U, В и считываемого напряжения от сопротивления фотодатчика для различных значений добавочного сопротивления Rд, кОм (резистор R2 на рис. 8), полученные при отладке работы устройства.
Яд=2 Яд=4 ■ Яд=6 Яд=8 ■ Яд=10 Яд=12 . Яд=14 Яд=16 .
0,0
1,0
2,0 3,0 Напряжение U, В
4,0
5,0
Рис. 9. Зависимость освещенности фотоэлемента от считываемого напряжения
4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0
Сопротивление фотодатчика Яф, кОм
10,0
Рис. 10. Зависимость считываемого напряжения от сопротивления фотодатчика
Найдено, что максимальный диапазон изменения напряжения =2,17В
наблюдается при величине добавочного сопротивления (R2 на рис. 8) равному 4 кОм.
Алгоритм работы и программное обеспечение
Разработка управляющей программы велась в среда программирования Arduino IDE, предоставляющей удобные
возможности по редактированию и отладке программы (рис. 11). Использованы стандартные библиотеки для
жидкокристаллического дисплея
LiquidCrystal.h и карты памяти SD.h.
1S© Densitometer | Arduino 1.5.6-г2
Файл Правка Эскиз Инструменты Помощь
| »OBDD о
Densitometer
Leaf Color Densitometec - управляющая программа для определения (
"Die circuit:
* LCD RS pin to digital pin 8
* LCD Enable pin to digital pir
* LCD D4 pin to digital pin 4
* LCD DS pin to digital pin 5
* LCD D6 pin to digital pin 6
* LCD D7 pin to digital pin 7
// include the library code: § include <LiquidCrystal.il>
// initialize the library with the numbers of the interface pins LiquidCrystal lcd(B, 9, 4, 5, 6, 7);
void setup[) (
led.begin(16, 2); It Кол-во столбцов и строк
led.setCursor(2, 0); // третий столбец, первая строка
led.print("Leafе Color");
led.setCursor(2, 1); // третий столбец, вторая строка led.print("densitometer");
i,
Рис. 11. Окно программы в среде программирования Arduino IDE
Управляющая программа обеспечивает следующий алгоритм работы с прибором.
После включения питания запускается цикл работы программы. Предусмотрено два режима работы - измерение ОП и измерение ФА ОП в трех спектральных диапазонах. Последний отличается тем, что измерения проводят дважды - на левой и правой половине листа растения и программно вычисляют величину ФА.
Необходимый режим задают с клавиатуры. Прежде всего прижимают осветитель к входному отверстию сферы. При срабатывании микропереключателя SQ программа поочередно выдает на соответствующие цифровые выходы сигналы, включающие цветные CD. После стабилизации показаний производится считывание сигналов с фотоэлемента. Тем самым определяются потоки, падающие на лист. Затем между осветителем и входным отверстием сферы помещают лист. Теперь при срабатывании SQ и включенном цветном CD программа определяет поток, прошедший через лист. Путем математической обработки вычисляются значения ОП и ее ФА для отдельных спектральных диапазонов. Полученные значения отображаются на индикаторе и записываются на карту памяти, откуда в дальнейшем могут быть экспортированы в Excel для статистической обработки. Результаты испытаний и обсуждение
Испытания устройства проводили на растениях кабачка (Cucurbita pepo var. Giromontina), выращенных в лабораторных условиях в феврале 2018 г. Кабачек является травянистым однолетним овощным
растением рода тыква.
Различные сорта кабачков по химическому составу почти одинаковы. Они содержат 94,5% воды, 0,6% белков, 5,2% углеводов, часть из которых - сахара, содержащие совсем немного сахарозы. Плоды содержат 4-6 % сухого вещества (половину составляют сахара), 1% белка, 1,72% пектина, 0,1% жира, много минеральных
солей (фосфора, калия, железа, меди). Кабачки ценны тем, что в них содержатся действенные компоненты, необходимые для правильного питания человека. Они богаты минеральными солями, очень важными для обмена веществ в организме человека. В значительной степени удовлетворяют потребность организма в витаминах С, В, В2, В6, РР.
Кабачок - культура короткого вегетационного периода. Невысокая требовательность к теплу дает возможность получать высокий урожай, даже в нечерноземных зонах. Кабачок - наиболее холодостойкая овощная культура из семейства тыквенных. Семена его начинают прорастать при температуре 10°...12°С. При 15°С всходы появляются через две недели, а при 25°С - через неделю. Он достаточно хорошо растет и развивается при умеренных температурах 15°.. ,20°С, однако
оптимальны для него 20°...25°С. Кабачок светолюбив, как и для других растений, на параметры роста и интенсивность фотосинтеза влияет уровень облученности [16].
Известно, что при низком уровне облученности происходящие морфологические изменения максимизируют использование света за счет увеличения площади поверхности листьев, межузличных расстояний, уменьшения толщины листьев. При этом увеличивается размер хлоропластов и количество хлорофилла в них [17]. На морфологию растений влияет так же спектр излучения. Выявлено влияние спектра излучения (прежде всего количества синего излучения) на толщину листьев и количество хлоропластов [18]. Более того, синий свет вызывает изменения в составе хлоропластов, обеспечивая более высокое отношение ЗД1 а / ЗД1 Ь), [19]. Зеленое излучение оказывает в целом положительное влияние на развитие растений [20].
Дальнекрасное излучение стимулирует увеличение биомассы растения [21].
Рис. 12. Растения кабачка под источниками света №1 (слева) и №2 (справа)
Растения выращивали под источниками света с различным спектром. Процентный состав спектра по диапазонам (синий, зеленый, красный, дальнекрасный) ИС1-син:зел:кр:дк=25% :24% :48% :3%. ИС2-син:зел:кр:дк=18%:22% :39% :21%.
Наиболее существенные спектральные различия заключаются в том, что ИС2 имеет значительно большую долю дальнекрасного потока при сниженном потоке в синем и красном диапазонах.
Измеряли ОП сформировавшихся семядолей у растений в фазе появления второго настоящего листа. Всего было взято по 38 растений, выращенных под каждым ИС. Средние значения измеренных параметров и среднеквадратичные отклонения для величин ОП листьев показаны в таблице.
Проверка закона распределения значений ОП, выполненная с использованием критериев согласия Колмогорова-Смирнова, Шапиро-Уилка и Лиллиефорса показала, что характер распределения выборок описывается нормальным законом.
Таблица
Результаты измерений
С учетом этого проверка гипотезы о различии средних значений для различных ИС производилась по ^критерию. Расчеты показали, что различия в ОП в спектральных диапазонах статистически значимы для различных ИС. Заключение
ОИ является важнейшим
микроклиматическим фактором
культивационных сооружений. Одним из стратегических путей развития
светокультуры является повышение технического и технологического уровня производства, внедрение энерго- и ресурсосберегающих агротехнологий.
Интенсивность биохимических реакций, зависящих от соответствия спектрального состава излучения заданным значениям, в целом определяет энергоэффективность светокультуры [22]. Важнейшей проблемой в светокультуре является проблема
энергосбережения, для решения которой необходимо соответствующее научно-методическое и метрологическое
обеспечения [23].
Недостатками известных методов и устройств определения ФА по линейным и угловым величинам являются значительная трудоемкость их измерения. Стабильность развития растения может быть оценена по ФА билатеральных признаков, в качестве которых могут выступать оптические плотности половинок листа. Известные портативные устройства для измерения оптических характеристик листьев недостаточно функциональны.
Разработанный метод оценки стабильности развития растений по ФА оптической плотности листьев растений позволяет дать комплексную оценку энергоэкологичности по интергральному показателю.
Аппаратная часть устройства позволяет формировать векторы падающих и пропущенных сквозь лист потоков для каждой половины листа в синем, зеленом и
Параметр ИС ИС2
Г < x <
Бсин 3,39 0,13 3,18 0,12
Бзел 1,36 0,09 1,27 0,08
Бкр 2,00 0,14 1,84 0,14
ФАсин 0,0136 - 0,0224 -
ФАзел 0,0248 - 0,0333 -
ФАкр 0,0267 - 0,0267 -
красном спектральных диапазонах. Экспериментальный образец устройства содержит интегрирующую сферу, освещенность внутренней поверхности которой измеряют фотоэлементом. В качетсве управляющего микроконтроллера использован Arduino Uno. Отображение информации производится на индикаторе LCD Keypad Shield, ее хранение - во внешей памяти на SD карте. Источником излучения являются светодиоды. Управляющая программа обеспечивает режимы калибровки, измерение ОП и измерение ФА ОП в трех спектральных диапазонах.
Проведены испытания устройства на растениях кабачка, выращенных в лабораторных условиях под ИС с различным спектром. Выявлено, что различия в ОП и ФА в отдельных спектральных диапазонах статистически значимы для растений, выращенных по различными ИС. Разработанное устройство может быть рекомендовано к использованию при энергоэкоаудите светокультуры, при ускоренной оценки эффективности применяемых источников света, в научных исследованиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ракутько С.А. Оптимизация электротехнологических процессов оптического облучения в АПК / В сб.: Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики. Саранск. -2008. - С. 129-132.
2. Debat V., David P. Mapping phenotypes: canalization, plasticity and developmental stability. T. Ecol. and Evol. 2001. No. 16(10), 555-561
3. Мазуркин П.М., Семенова Д.В. Способ измерения флуктуирующей асимметрии листьев березы. Пат. РФ №2556987. Номер заявки 2013130471/13. Дата подачи заявки 02.07.2013. Опубликовано 20.07.2015. Бюл. № 20.
4. Гиллер Ю.Е. О действии некоторых физиологических факторов на оптические свойства листьев растений. Автореф. дисс. к.б.н. Душанбе, 1964. - 26 с.
5. Леман В.М. Курс светокультуры растений. М.: Высшая школа, 1976.
6. Шульгин И.А. Растение и солнце. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.
7. Шиян П.Н. Роль пигментов пластид в обмене веществ растений. Автореф. дисс. к.б.н. Киев, 1966. - 18 с.
8. Будаговская О.Н., Козлова И.И., Гончаров С.А. Простое устройство для экспресс-оценки светопропускной способности укрывных материалов в области фотосинтетически активной радиации. Полезная модель РФ №156626. Номер заявки 2015111759/28. Дата подачи заявки 31.03.2015. Опубликовано 10.11.2015. Бюл. № 31.
9. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Avotins A., Berzina K. Irradiation level affects fluctuating asymmetry value of bilateral traits of cucumber in juvenile phase // Agronomy Research. 2018. v. 16. № 3. pp. 854-861.
10. Rakutko S.A., Alsina I., Avotins A., Berzina K. Manifestation of effect of fluctuating asymmetry of bilateral traits of tomato growing in industrial greenhouses. Proceedings of 17th International Scientific Conference "Engineering for Rural Development". Jelgava, 2018. 186-191.
11. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А. Методика измерения оптической плотности листьев растений с применением денситометра ДП-1М // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. - 2018. -№ 1(94). - С. 23-35.
12. CI—710 Miniature Leaf Spectrometer. https://www.cid-inc.com
13. Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Большой практикум по фотосинтезу. М.: Академия, 2003.-256 с.
14. Справочная книга по светотехнике. Под ред. Ю.Б. Айзенберга. М.: Знак. 2006.- 972 с.
15. Эпштейн М.И. Измерение оптического излучения в электронике. М.: Энергоатомиздат, 1990.- 254 с.
16. Wyzgolik, G., Nawara, J., Leja, M. Photosynthesis and some growth parameters of sweet pepper grown under different light conditions. Scientific works of the Lithuanian Institute of Horticulture and Lithuanian University of Agriculture. 2008. No. 27(2). 9398.
17. Diaz-Perez, J.C. Bell Pepper (Capsicum annum L.) Crop as Affected by Shade Level: Microenvironment, Plant Growth, Leaf Gas Exchange, and Leaf Mineral Nutrient Concentration. HortScience. 2013. No. 48(2). 175-182.
18. Schuerger, A.C., Brown, C.S., Stryjewski E.C. Anatomical Features of Pepper Plants (Capsicum annuum L.) Grown under Red Light-emitting Diodes Supplemented with Blue or Far-red Light. Annals of Botany.1997. No.79. 273-282.
19. Hoffmann, A.M., Noga, G., Hunsche, M. Acclimations to light quality on plant and leaf level affect the vulnerability of pepper (Capsicum annuum L.) to water deficit. Journal of Plant Research. 2015. No.128(2). 295-306.
20. Samuoliene G, Brazaityte A, Duchovskis P, Virsile A, Jankauskiene J, Sirtautas R, Novickovas A, Sakalauskiene S., Sakalauskaite J. Cultivation of vegetable transplants using solid-state lamps for the short-wavelength supplementary lighting in greenhouses. Acta Hort. 2012. 952: 885-892.
21. Brown, C.S., Shuerger, A.C., Sager J.C. Growth and photomorphogenesis of pepper plants under red light-emitting diodes with supplemental blue or far-red lighting. J Am Soc Hortic Sci. 1995.120: 808-813.
22. Ракутько С.А. Критерий оценки эффективности спектрального состава излучения источников света для облучения растений // Аграрная наука. - 1995. - № 1. -С. 31-32.
23. Ракутько С.А. Повышение эффективности использования тепличных облучательных установок на основе аттестации газоразрядных ламп. СПб: СПбГАУ. 1992. 25 с.
REFERENCES
1. Rakutko S.A. Optimizaciya ehlektrotekhnologicheskih processov opticheskogo oblucheniya v APK [Optimization of electrotechnical processes of optical irradiation in the agro-industrial complex]. Problemy i perspektivy razvitiya otechestvennoj svetotekhniki, ehlektrotekhniki i ehnergetiki. [Problems and prospects of development of domestic lighting engineering, electrical engineering and power engineering]. Saransk. 2008: 129-132. (In Russian)
2. Debat V., David P. Mapping phenotypes: canalization, plasticity and developmental
stability. T. Ecol. and Evol. 2001. No. 16(10), 555-561
3. Mazurkin P.M., Semenova D.V. Sposob izmereniya fluktuiruyushchej asimmetrii list'ev berezy [Method for measuring fluctuating asymmetry of birch tree leaves]. Patent of RF No. 2556987. 2013 (In Russian)
4. Giller YU.E. O dejstvii nekotoryh fiziologicheskih faktorov na opticheskie svojstva list'ev rastenij [On the effect of certain physiological factors on the optical properties of plant leaves. Avtoref. diss. k.b.n.[ On the effect of certain physiological factors on the optical
properties of plant leaves. Extended abstract of Cand. Biol. Sc. Diss.]. Dushanbe, 1964: 26. (In Russian)
5. Leman V.M. Kurs svetokul'tury rastenij [Guide-book in Plant Lighting]. Moscow: Vysshaya shkola. 1961: 205 (In Russian).
6. Shulgin I.A. Rastenie i solnce [Plant and Sun]. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1973: 251. (In Russian)
7. Shijan P.N. Rol' pigmentov plastid v obmene veshhestv rastenij. Avtoref. diss. k.b.n. [The role of pigments of plastids in the metabolism of plants. Extended abstract of Cand. Biol. Sc. Diss.]. Kiev: 1966: 18. (In Russian)
8. Budagovskaya O.N., Kozlova I.I., Goncharov S.A. Prostoe ustrojstvo dlya ehkspress-ocenki svetopropusknoj sposobnosti ukryvnyh materialov v oblasti fotosinteticheski aktivnoj radiacii [A simple device for the rapid assessment of the light transmittance of covering materials in the field of photosynthetically active radiation] Patent for utility mode of RF No. 156626. 2015. (In Russian).
9. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Avotins A., Berzina K. Irradiation level affects fluctuating asymmetry value of bilateral traits of cucumber in juvenile phase. Agronomy Research. 2018. vol. 16. No. 3: 854-861. (In English)
10. Rakutko S.A., Alsina I., Avotins A., Berzina K. Manifestation of effect of fluctuating asymmetry of bilateral traits of tomato growing in industrial greenhouses. Proc. 17th Int. Sci. Conf'Engineering for Rural Development". Jelgava, 2018. 186-191. (In English)
11. Rakutko E.N., Rakutko S.A. Metodika izmereniya opticheskoj plotnosti list'ev rastenij s primeneniem densitometra DP-1M [Measurement technique of plant leave optical density with DP-1M densitometer]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. No. 1(94): 23-35. (In Russian)
12. CI-710 Miniature Leaf Spectrometer. https://www.cid-inc.com
13. Gavrilenko V.F., Zhigalova T.V. Bol'shoj praktikum po fotosintezu [Large-scale workshop on photosynthesis]. Moscow: Akademiya, 2003: 56. (In Russian)
14. Spravochnaya kniga po svetotekhnike. Pod red. Yu.B. Aizenberga [Reference Book on Light Engineering Ed. Yu. B.Aizenberg]. Moscow: Znak. 2008: 972. (In Russian)
15. Epshtejn M.I. Izmerenie opticheskogo izlucheniya v ehlektronike [Measurement of optical radiation in electronics]. Moscow: Energoatomizdat, 1990: 254. (In Russian)
16. Wyzgolik, G., Nawara, J., Leja, M. Photosynthesis and some growth parameters of sweet pepper grown under different light conditions. Scientific works of the Lithuanian Institute of Horticulture and Lithuanian University of Agriculture. 2008. No. 27(2). 9398.
17. Diaz-Perez, J.C. Bell Pepper (Capsicum annum L.) Crop as Affected by Shade Level: Microenvironment, Plant Growth, Leaf Gas Exchange, and Leaf Mineral Nutrient Concentration. HortScience. 2013. No. 48(2). 175-182.
18. Schuerger, A.C., Brown, C.S., Stryjewski E.C. Anatomical Features of Pepper Plants (Capsicum annuum L.) Grown under Red Light-emitting Diodes Supplemented with Blue or Far-red Light. Annals of Botany.1997. No.79. 273-282.
19. Hoffmann, A.M., Noga, G., Hunsche, M. Acclimations to light quality on plant and leaf level affect the vulnerability of pepper (Capsicum annuum L.) to water deficit. Journal of Plant Research. 2015. No.128(2). 295-306.
20. Samuoliene G, Brazaityte A, Duchovskis P, Virsile A, Jankauskiene J, Sirtautas R, Novickovas A, Sakalauskiene S., Sakalauskaite J. Cultivation of vegetable transplants using solid-state lamps for the short-wavelength supplementary lighting in greenhouses. Acta Hort. 2012. 952: 885-892.
21. Brown, C.S., Shuerger, A.C., Sager J.C. Growth and photomorphogenesis of pepper plants under red light-emitting diodes with supplemental blue or far-red lighting. J Am Soc Hortic Sci. 1995.120: 808-813.
22. Rakutko S.A. Kriterij ocenki ehffektivnosti spektral'nogo sostava izlucheniya istochnikov sveta dlya oblucheniya rastenij [Evaluation criterion of effectiveness of the spectral composition of light sources for plant
irradiation]. Agrarnaya nauka. 1995. No. 1: 3132. (In Russian)
23. Rakutko S.A. Povyshenie ehffektivnosti ispol'zovaniya teplichnyh obluchatel'nyh ustanovok na osnove attestacii gazorazryadnyh lamp. [Improving the operating efficiency of greenhouse irradiation units based on the certification of discharge lamps] Saint Petersburg: SPbGAU. 1992: 25 (In Russian)
УДК 581.5: 582.98 Б01 10.24411/0131-5226-2019-10151
СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ИЗЛУЧЕНИЯ ВЛИЯЕТ НА СТАБИЛЬНОСТЬ РАЗВИТИЯ МИКРОЗЕЛЕНИ ДАЙКОНА (RHAPHANUS S АТГУШ)
Е.Н. Ракутько; С.А. Ракутько, д-р техн. наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Светокультура микрозелени является решением проблем повышения безопасности пищевых продуктов, эффективности использования энергии при выращивании продукции, а так же снижения воздействия на окружающую среду. Целью настоящего исследования являлось количественное определение эффекта, оказываемого действием излучения с различным спектральным составом на стабильность развития растений. В качестве объекта исследования взяты растения дайкона (Raphanus sativus) сорта Миноваси РС в ювенильном возрастном состоянии. Посев произвели 5 октября 2018 г в три контейнера, которые были выставлены под облучение с различным спектральным составом. Выращивание завершили 16.10.2018 (на 8-е сутки после появления всходов) в фазе выхода второго настоящего листа у всех растений. В качестве биометрических показателей фиксировали массу растения, содержание в нем сухого вещества, длину гипокотиля; в качестве билатеральных признаков фиксировали длину и ширину семядолей и их оптические плотности в синем, зеленом и красном диапазонах, соответственно, для левой и правой семядоли. Стабильность развития оценивали по величине флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков семядолей. Доказан флуктуирующий характер асимметрии измеряемых билатеральных признаков. Растения, выращенные под излучением с различным спектральным составом, имели различные биометрические показатели и величину флуктуирующей асимметрии. Так, под источниками с увеличенной долей зеленого излучения формировались растения с меньшей сырой массой. Выявлено, что в качестве информативного показателя стабильности развития целесообразно использовать флуктуирующую асимметрию, определяемую по оптической плотности семядолей. Большая стабильность развития проростков дайкона (меньшие значения флуктуирующей асимметрии) наблюдалась под спектром, при котором и продуктивность растения по сырой массе семядолей также большая.
Ключевые слова: светокультура, семядоли, пигменты, оптическая плотность, флуктуирующая асимметрия, микрозелень, дайкон.
