Оптимизация искусственных субстратов для выращивания овощей в малообъемной культуре

Герасимович Л.С., профессор, д.т.н., академик НАН Беларуси, Веремейчик Л.А., к.с.-х.н., Миронович Т.А., ассистент, Белорусский государственный аграрный технический университет, г. Минск, Беларусь

Формирование высоких программируемых урожаев овощей, выращиваемых на искусственных субстратах в малообъемной культуре с автоматизированным капельным поливом, тесно связано с условиями жизнеобеспечения корневых систем (КС) растений.

Искусственные субстраты представляют собой трехмерные трехфазные системы, агрономические свойства которых определяются соотношением размеров твердой фазы: гранул, волокон, лепестков и соотношением твердой, жидкой и газообразной фаз. С течением вегетационного периода формируется четвертая фаза, включающая корневую массу и биотический комплекс, которая существенным образом влияет на гидрофизические и физико-химические свойства исходных КС.

Метод термодинамического потенциала позволяет выделить важнейшие характеристики гидрофизических свойств КС на основе теории подобия и открывает пути математического моделирования и оптимизации свойств и составов искусственных субстратов [1].

Главные зависимости между давлением (потенциалом) влаги Р, влагопроводностью К и влажностью V и физическими параметрами субстратов и влаги описываются уравнениями:

Р = f(V,S,d,T,?)

R = f(V,S,d,?)

где S и d – удельная поверхность и плотность твердой фазы;

? и ? – поверхностное натяжение и вязкость жидкости;

Т – температура.

Исследованиями установлено, что представление экспериментальных данных в виде зависимости относительного (приведенного) давления Р* от абсолютного значения Р давления влаги ведет к унификации кривых Р(V) с удельной поверхностью (30–150) 3м²•кг^–1.

Аналогичные зависимости имеют место и для приведенных значений функций влагопроводности К’(V).

Отсюда обобщенные термодинамические характеристики влаги в корнеобитаемых средах в соответствии с теорией термодинамического подобия основываются инвариантными уравнениями в безразмерной форме.

Эти уравнения позволяют вычислить величину потенциала влаги и влагопроводности в конкретном субстрате, если известны зависимости P(V) и K(V) хотя бы для одной из аналогичных сред. Зависимости P(V) и K(V) для различных групп могут быть обобщены на основе критериев подобия, неодинаковых для различных групп КС, но инвариантных внутри своей группы при изменении удельной поверхности и плотности сложения сред.

В эту группу нами включены и изучены однородные гранулированные отечественные субстраты (керамзит, перлит, минпласт, агропорит) [3], обладающие низкими величинами удельной поверхности и однородной поверхностью, представленной крупными межагрегатными порами с резким изломом кривых P(V) и K(V), что характеризует быстрый переход одной категории влаги в другую. При изменении давления влаги от 10^–1 до 5 кПа они теряют почти всю капиллярную влагу, а в области Р = 5,0–1,5•10³ кПа содержащаяся в них влага практически постоянна и недоступна растениям. Доступная влага в этих КС является фактически  гравитационной влагой и стекает в нижнележащие слои и дренажную систему.

Метрологической основой изучения оптимальных структур и режимов увлажнения субстрата является его наименьшая (полевая), оптимальная и наибольшая объемная влагоемкость.

Наименьшая (полевая)  влагоемкость – это влагоемкость устойчивого завядания растений, идентифицируемая как водяной стресс. Оптимальная влагоемкость в практике тепличного овощеводства выращивания овощей в малообъемной культуре находится на уровне 50 % [3].

Наибольшая влагоемкость определяет максимальное количество влаги, заполняющей все поровое пространство субстрата.

Стартовыми или  первозначимыми являются физические свойства: субстрат (твердая фаза - L), вода (жидкая фаза – Н) и воздух (газообразная фаза - А). Связанные между собой соотношением

V = L + H + A,

где V – объем, занимаемый субстратом.

Целью «водной стратегии» режимов полива является оптимизация использования воды и автоматизация поставок ее культуре, снижение потерь минеральных удобрений с дренажом.

Стратегия применения воды для полива учитывает особенности используемых субстратов, их водно-физические свойства.

Сохранение низкой влажности гранулированного субстрата без риска высыхания растений требует проведения непрерывного контроля и надежной регулирующей аппаратуры. При этом возможны ошибки, которые трудно впоследствии исправить.

Основной механизм регулирования полива – это продолжительность полива. При этом следует иметь в виду, что короткие и частые поливы обуславливают небольшое количество дренажа, а в результате субстрат становится переувлажненным. Общее правило тепличников состоит в том, что выход дренажа должен составлять около 30 % (Кдр = 0,3). Установлено, что при эффективной системе полива можно достичь снижения дренажа до 15–25 %, хотя для растений это опасно, так как доступность воды всем корням растений может быть неравномерной. Кроме этого, в растворе труднее поддерживать в равновесии состав питательных веществ, особенно в связи с применением растворных баков для твердых удобрений, а эффект – проявляется только через несколько дней. Отсюда следует, что продолжительность полива малопригодна для использования в качестве единственного параметра автоматического регулирования питания растений без корректирующих обратных связей.

Снабжение растений водой и питательными веществами взаимосвязано непосредственно. Однако ограниченная норма полива не означает пропорциональное ограничение снабжения растений питательными веществами.

Сочетание модели снабжения растений водой и электропроводности (ЕС) питательного раствора в субстрате позволяет решать проблему оптимизации режима полива и питания растений.

Для современного периода развития технологии выращивания овощей в малообъемной культуре на искусственных субстратах слабо прослеживается тенденция технико-экономических исследований с оптимизацией значений параметров микроклимата в теплице, состава питательного раствора, структуры, физико-химических показателей субстратов и режима питания корнеобитаемой среды [2].

При выбранной технологии выращивания овощей выделяют два последующих уровня оптимизации подсистемы «субстрат»:

-    поиск наилучшей структуры субстрата (задача структурной оптимизации);

-    определение наилучших значений параметров выбранной структуры (задача параметрической оптимизации).

Технико-экономический анализ предполагает выбор (обоснование) объективных критериев эффективности. В реальных условиях к ним относят приведенную ценность, соотношение выгод и издержек на всех этапах жизненного цикла подсистемы «субстрат» – от проектирования (подбора), освоения производства, эксплуатации до  утилизации, по сроку окупаемости капиталовложений,  внутренней ставке дохода, дефицитности сырья, замещения импорта. С учетом сказанного подбор композиций субстрата является частью задачи комплексной оптимизации управления системой «растение–субстрат–питание–окружающая среда».

Задача оптимизации подсистемы «субстрат» является многокриреальной:

Используя метод гидравлического подобия характеристик влаги в корнеобитаемом слое, задаваясь оптимальной величиной влажностью W и максимально возможным значением влагопроводности К, определяем оптимальные параметры композиций субстратов, используя метод направленного поиска Розенбрака [4]: удельную поверхность S, плотность d субстрата, а также влияние поверхностного натяжения ? и вязкости ? поливного раствора, зависимого от состава минеральных удобрений (ЕС) и температуры Т. в порядке следования значимости целей выбрана последовательсть дерева целей: NVP.

В качестве исходных сырьевых материалов отечественного производства для композиций оптимальных субстратов дальнейшее внимание сосредоточено на группе исследованных нами искусственных гранулированных субстратов из керамзита, аглопорита и перлита, а в качестве активной добавки для модификации агрофизических и химических свойсв субстрата принято же использование глины в дисперсном состоянии, потребовавших экспериментальных исследований.

Результаты машинной оптимизации задачи показали, что одним из лучших отечественных субстратов можно считать керамзит с размерами фракции 3–10   мм, модифицированный глиной в количестве около 5 % от объема твердой фазы. Срок использования такого субстрата при выращивании томатов - не менее 4–5 лет [4]. При этих показателях затраты на закупку  импортной минеральной ваты снижаются в 7–9 раз. Одновременно повышается экологическая и гигиеническая безопасность применения отечественных субстратов при равной урожайности

Литература

1. Ермаков Е.И. Онищенко В.Г. Обобщенные термодинамические характеристики влаги в корнеобитаемых средах // Вестник с.-х. науки. -  1986. - №5. – С. 38-44.
2. Герасимович Л.С. Системный анализ агроэнергетики. Курс лекций. – Мн.: «Технопринт», 2004. – 126 с.
3. Веремейчик Л.А. Основы питания томатов, выращиваемых в малообъемной культуре. – Мн., 2002. – 176 с.

4. Дьяконов В. MATLAB: учетный курс. – Спб.: Питер, 2001. – 560 с.