Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Агрофизические основы управления световым режимом агроценозов

ВАК РФ 06.01.14, Агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, доктора сельскохозяйственных наук, Марков, Иван Ермолаевич, Санкт-Петербург

АГРОФИЗИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

АГРОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ СВЕТОВЫМ РЕЖИМОМ АГР0ЦЕН030В

Специальность: 06.01.14-агрофизика

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

4 ^ м ¿¿//^

о -у

На правах рукописи

г.Санкт-Петербург-1997г.

т11: 8$ - 6/. ?-о

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Котович Й.Н.

доктор технических наук, профессор, академик Нью-Йоркской академии наук и Международной академии экологии и природоведения Свентицкий И.И.

доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Кретов И.А.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный

аграрный университет

Зашита диссертации состоится

1997г.

в , часов на заседании диссертационного совета Д 020.21.01 в Агрофизическом научно-исследовательском институте по адресу: I95??0 г *ург, Гражданский пр., 14

С диссертацией можно озу научно-ис следо ветел ьско г

'яиотеке Агрофизического

Диссертация в

разослана "^ф^МЭ^г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор биологических наук

ü - .> ^ ! " J

О

7 — Ч/

СО

М.В.Архипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акщальность_щюблемы. Световой режим агроценозов определяется временем года, географической широтой, ориентацией культур и теплиц, расстояниями между ними в ряду, оптическими свойствами их крон и тепличных ограждающих материалов, системами досвечивания растений (Ничипорович A.A., I960; Мошков Б.С., 1970; Шульгин И.А., 1970; Росс Ю.К., 1971; Тооминг Х.Г., 1972; Тараканор Г.И., №2; Брызгалов В.А., 1972; Воронин А.Д., 1972; Ермаков Е.И., 1972; Гуляев Б.И., 1972; Марков И.Е., 1972, Коломейченко В.В..Бедснко В.П. 1974; Третьяков H.H., 1978; Стребков Д.С., I9B0; Мухин Б.Д.,1985; Шеин Е.В., 1987; Судницын И.И., 1989 и др.). Интенсификация растениеводства вообще и тепличного в частности прежде всего ппювыдается на оптимизации светового режима агроценозов путем максимального использования в фотосинтетической деятельности культур солнечной энергии и минимального - электрической (Прицеп Л.Г., 1972; Свентицкий И.И., 1974; Расстригин В.Н., 1975; Марков И.Е., Г975; Иванов Г И., 1982; Сидько Ф.Я., 1983; КретовИ.А., 1985; Карпов Б.И., I9Ö6; Леман В Л«. ,1986 и др.).

Установлено (Донских Н.П , 1965; Иванов ПЛ., 1965 и др.),что в период полного плодоношения световой режим центральной части крупнообъемных плодовых деревьев является лимитирующим фактором в фотосинтетической и продукционной деятельности агроценоза (2-13, 16). В связи с.этим оптимизация светогого режима плодовых культур представляет важное значение для повышения урожайности садов (Со- ловьева М.А., 1970; Кудрявец Р.П., 1976; Седов E.H., Г977; Девя-тов A.C., 1980; Фаустов В.В. ,19У1;Пиль:иикся Ф.Н.,1392 и др.).

Для ускорения селекционного процесса растений важное значение имеет проведение его круглый год (Мошков Б.С.,1970; Батьтин Н.Ф., 1972; Ермаков Е.И.,1978 и др.).Это возможно в селекционных, репродукционных и других теплицах (17, 20, 31, 44). В этих теплицах ус- • :®ряется в 1,5-2 раза выведение и размножение новых сортов и гибридов культур (31, 44 , 57-75 . 91-97).

Рост стоимости энергоресурсов, наличие в эксплуатации оконного стекла и обычной пленки требует создания многосезонных теплич-?|х материалов для оптимального использования солнечной радиации и 1нимального применения искусственных источников света (JCotoбич И.Н.

Кретон И.А., 1982; Осипова Г.С., 1984 и др.). Поэтому созда-■Ь селективных тепличных материалов со сроком службы 7-10 лет (99, Ж) по сравнению с существующими позволяет обеспечить расширение

лиэводства продукции в защищенном грунте (ЗГ) и уменьшение капительных и эксплуатационных расходов.

В растениеводстве конструкции крон культур и густота их посадки, системы досвечивания, ограждающие материалы применяются в качестве основных средств, регулирующих световой режим как в открытых, так и в закрытых агроценозах. Обоснование необходимости придания растениям и агроценозам, тепличным материалам тех или иных оптических свойств возможно лишь на базе агрофизических исследований влияния этих факторов на продукционные показатели культурных растений (Бондаренко Н.Ф.,1976; Усков И.Б.,1982; Якушев В.П. 1995 и др.)

В связи с вышеизложенным актуальна разработка агрофизических основ управления интенсификации использования солнечного излучения путем оптимизации оптических свойств растений и агроценозов, систем их досветирания, ограждающих тепличных материалов, обеспечиваю гвдх повышение продуктивности культур и энергоматериалосбере-ж.ения (сокращения те*'лопотерь из теплиц, перераспределения света в :<.их).

йсойеннамь-вайоти. Разработка новых с селективными свойст-рами тепличных материалов с научно-обоснованными оптическими свойствами требует трех необходимых этапов: первый - агрофизическое обоснование оптических свойств материалов, второй - технология и производство материалов, третий - производственные испытания и рекомендации по применению новых тепличных материалов. Настоящая работа в части новых тепличных материалов посвящена выполнению первого и третьего этапов. Второй этап разрабатывается специалистами в области химии стекла и полимеров из следующих организаций: НПО "Техстройстекло", НПО "Пластик", ОНПО "Пластполимер", НИИхимполи-мер и др. Все рассматриваемые ниже новые тепличные материалы созданы в результате совместного сотрудничества.

Целисследований - агрофизическое обоснование и оптимизация оптических свойств крон растений, ограждающих тепличных материалов, систем досвечивания рассады и селекционных культур с целью управления световым режимом агроценозов.

Научная_новизна диссертации заключается в том, что впервые:

установлены и оптимизированы оптические свойства крон плодовых культур в агроценозе, разработаны прямые и косвенные методы оценки их светового режима;

определены минимальные облученности ФАР и методики расчета досвечивания в рассадных теплицах;

установлены минимальные облученности ФАР и методики расчета досвечивания в селекционных сооружениях;

обоснованы оптические свойства тепличных ограждающих материалов, обладающих повышенной светорассеивающей и теплоудерживаю-щей способностями.

1. Установление показателей оптимизации оптических свойств плодовых культур с целью интенсификации продукционного процесса агроценозов.

2. Определение минимальных облученностей ФАР в ростовой зоне рассадных теплиц и методики расчета досвечивания рассады с целью энергосбережения.

3. Установление минимальных облученностей ФАР в селекционных сооружениях с целью ускоренной репродукции перспективных растений и уточнение методики расчета их досвечивания.

4. Оптимизация оптических свойств тепличных многосезонных ограждающих материалов с целью усиления их светорассеиваю'дих и тепло-удерживающих эффектов.

НаУНИЗВ...и.ЛРШТвнеская_значимость. Настоящая работа является наиболее полным исследованием по управлению световым режимом агроценозов путем оптимизации оптических сеойств растений и тепличных ограждающих материалов, особенностей внесезонного досвечивания рассады и селекционных культур. Совокупность научных положений, обоснованных и разработанных в диссертации,представляет собой решение крупной научно-технической проблемы по управлении световым режимом культурных растений. Результаты исследований автора являются существенным вкладом в развитие комплексной теории управления фотосинтетической продуктивностью агроценозов.

Законченные экспериментальные исследования включены в учебники и монографии, вышедшие в СНГ (1971,1981, 1985,1995 и др.легли в основу "Рекомендаций по расчету систем искусственного облучения в теплицах"(1978)."Временных рекомендаций по расчету радиационного и температурного режимов облучательных установок в светонепроницаемых культивационных сооружениях" (1980), "Рекомендаций по проектированию и основным режимам функционирования селекционных сооружений дая растениеводства" (1983)."Рекомендаций по применению прокатного стекла в ограждениях теплиц" (1989) ."Рекомендаций по проек- -тированию репродукционных теплиц для плодовых культур и винограда" С1991), "Рекомендаций по применению атмосферостойкой теплоудержи-вающей тепличной пленки С-2" (1991)."Рекомендаций по применению теплопогло'цающего стекла в ограждениях теплиц" (1991). Результаты исследований использованы при разработке технических условий:

ТУ 21-23-168-87 на стекло прокатное тепличное, ТУ21-РСФСР-82 на теплопоглощакгчее термоупрочненное отекло, ТУ 6-19-377-86 на ПЭ тепличную пленку С-2, ТУ 6-49-0203534-57-90 на тепличные пленки С-3 и С-4, ТУ 6-59-0203534-93-92 на пленки ПОЛИ С-3, ПОЛИ С-4, ТУ 2245016-00203536-95 на пленку трехслойную пузырчатую.

На основании наших исследований обоснованы и разработаны селекционные и репродукционные теплицы, широко внедренные в производство. Все эти теплицы оборудованы системами досвечивания (35, 43, 57, 66, 72, 73) и другими системами обеспечения микроклимата растений. Использование результатов исследований автора в строительстве и эксплуатации основных сооружений искусственного климата для растениеводства позволили снизить расход материалов до 25$, энергозатраты - до 30%, сметную стоимость строительства - до 15% в сравнении с существующими. Экономическая эффективность от внедрения научных разработок с участием автора к концу 1990 г. достигла 5,4 млн.руб. Законченные с участием автора НИОКР в течение многих лет (1980-1990) экспонировались на ВДНХ СССР, а автор награждался в'1982, 1987-1990 гг.З бронзовыми и 2 серебряными медалями ВДНХ СССР.

Координация исследований. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с программами по решению научно-технических проблем:

16.03 "Разработать методы и технические средства интенсификации технологических процессов сельского хозяйства с применением лучистой энергии и электронно-ионной технологии" (1976-1980);

03.02 "Изучить потенциальную продуктивность и скороспелость растений в регулируемых условиях для создания методов ускорения селекционной работы и технологии промышленного растениеводства" (19-76-1980);

То.13 "Разработать научные основы эксплуатации селекционных комплексов" (1978-1982);

"Разработать, исследовать и подготовить промышленное производство полимерных материалов сельскохозяйственного назначения" (1981-1990).

Апробация. Основные результаты диссертации были доложены и об-сувдены на 54 Всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях и совещаниях Днепропетровского СХИ (1969-1977, 1980), УкрНИИсадоЕОдетва (1972, 1980,1997), Башкирского НИИСХ (1975); ВИЭСХ (2, 1976), ВНИИЗБК(1977), Днепропетровского университета ;197В), ВДНХ СССР (6, 1978, 1987-1990), Белорусского ШИЗ (1978), ВАСХНИЛ (1978, 1981,19904 УкрНИГМИ (1972,1979), СибиМЭ (1981), ВНИСИ (1981), ВНИИкормов (1982),НИИСХ Юго-Востока (1983), ВНИИ-

техстройстекло (1965), НИПТИМЭСХ (1991), ВНИИСиСхяопка (1991), ВНПО "Агрополимер"11991), ВНИИЦиСК (1992), АФИ (19-73, 1980, 1990, I995-1997) и др.

Публикации. Основное содержание диссертации издано в 153 (53 лично) научных работах, в том числе 8 - в виде отдельных изданий (рекомендаций и учебника), 31 - в ближнем и дальнем зарубежье.

Об^кты_и_методы_ис следований. Объектами исследований являлись агроценозы (плодовые, овощные и др.) - солнечная радиация, искусственное досвечивание, тепличные ограждающие материалы в открытом и защищенном грунте.

Источниками досвечивания в теплицах служили лампы ДРЛФ-400, ДРФ-ЮОО, ДРВ-750, ДРИ-ЮОО, ДРИ-2000 и др. со световым периодом 8-18 ч/сут. Облученность растений в разных опытах варьировала от 30 до 120 Вт/м^ ФАР. Температура воздуха и относительная влажность измерена с точностью 1°С и 5% соответственно.

Для культивирования растений в защищенном грунте по данным Ермакова Е.И. и др.(1987) необходима ближняя инфракрасная радиация, так как оказывает регулирующее действие на фотофизиологические процессы растений. В связи с чем и изучался нами и этот спектр солнечной радиации.

У®то5ика_исслеаований_райиащонного_бал объемных_культу2_(алодовыхА_тепли

Для системной оценки фотосинтетической деятельности многолетних крупнообъемных культур и определения путей интенсификации их продукционного процесса нами впервые разработана и широко внедрена методика исследований радиационного баланса этих культур (2-16), включая замеры суммарной (интегральной), рассеянной (диффузной) и отраженной солнечной радиации с использованием самоуетанавлинаю-щегося ползункового механизма нашей конструкции для крепления пи-ранометров (рисЛ).

Преимущества предложенного нами ползункового самоустанавливающегося механизма над подвижной кареткой Лукьянова В.М. и Денисова A.M.' (1966) таковы: простота конструкции, малая масса (98 г), использование алюминиевых труб без направляющих, механизм устанавливается вертикально сам, так как центр тяжести веса его размещается ниже несущей трубки; время самоустановления механизма с приборами равняется 5-6 сек, что значительно меньше постоянной времени в используемых альбедометрах (30-40 сек); одновременно возможно определять суммарную, рассеянную и отраженную радиацию.

1

«а

S.

По этой методике измерялись оптическая плотность, коэффициенты пропускания, поглощения и отражения растений. В точках фиксации составляющих солнечной радиации определялись интенсивность фотосинтеза листьев (Столяренко B.C., 1969), количество пигментов (Годнее Т.Н., 1963). Для спектрофотометрических исследований хлорофиллов использовались спектрофотометры СФ-4 и фотокалориметры ФЭК-56, а для возбуждения молекул хлорофилла - универсальный монохроматор УМ—2 (Годнев Т.Н., 19631. Спектральные свойства тепличных ограддаю'цих материалов изучались спектрофотометрами СФ-8, СФ-10, СФ-26 и ИКС-14А.

Эта методика исследований позволяла дать наиболее полный анализ светового режима, фотосинтетической деятельности и продукционного процесса крупнообъемных многолетних растений разных конструкций как в открытом,так и в защищенном грунте.

Результаты исследований обрабатывались при критерии достоверности полученных величин 0,95 (Доспехов, 197У). Статистическую обработку данных проводили с помощью ЭВМ "Мир", "Минск-22".

Исследования проводились более 30 лет в Днепропетровском СХИ, Гипронисельпроме, НПП "Микроклимат".

Автор выражает особую признательность за полезные научно-методические консультации академику РАСХН Ермакову Е.И. В исследованиях принимали участие основные соавторы, и аспиранты д.с.-х.н. Нрчук И.И. , к.ф.-м.н Сидько Ф.Я., к.б.н.Лаханов А.II. , Шарупич В.П. Шарупич Т.С., Леонова Т.Д., Маркова С.И. и др.

АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

УСТАНОВЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОПТИМИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПЛОДОВЫХ КУЛЬТУР С ЦЕЛЬЮ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА АГР0ЦЕН030В.

Влияние геометрической структуры кроны растения на её световой режим можно количественно оценить с помощью коэффициентов осветления и объемной плотности К или относительной объемной плотности фотосинтезируюшей поверхности KQ (3-10):

fU* Отс/Qr, К* г/1/ ^о-Го/А ^

где: Qtу- Qy^ ~ коэффициенты пропускания обычного к осветленного

растений в центральных зонах(0,5; I м) от поверхности почвы по их центру высотой более 1м, 3 м); площадь поверхности кроны: обычной, осветленной; t/v£ - объем кроны: обычной, осветленной.

Согласно наши» данные(4-Ю) между ними отмечена тесная взаимосвязь (коэффициент корреляции - 0,8+0,9). С помощью кеэффи-

циентов и К, К0 можно контролировать световой режим выбранных конструкций крон и рекомендовать лучшие из них в производство. При этом лучшими конструкциями являются те, для которых К - в пределах 1,5-3. Образование в кроне световых колодцев (укорочение центрального проводника) приводит к существенному улучшению светового режима во внутренней зоне (с минимальной облученностью)кроны, особенно наиболее сильно в загущенных посадках: если в посадках 8x8 м внутренняя зона кроны за счет световых колодцев просветляется примерно в 1,5 раза, то в посадках 8x4 коэффициент осветления увеличивается до 2,5.

Оптимизация светового режима яблонь со световыми колодцами отразилась в повышении урожайности сорта Кальвиль снежный на 10-125», а сорта Ренет Симиренко - на 5-7$. Продуктивность плодовых деревьев тесно связана с облученностью кроны. Так для 22-х летней черешни сорта Денис. л& желтая при густоте посадки деревьев 6x6 м с улучшением светового режима (К = 1,52) внутренней зоны дерева урожайность в среднем возросла на 11%. Для 24-х летней груши сорта Ранняя Донбасса при густоте посадки 8x8 м с улучшением светового режима (К = 1,60) интенсифицировался фотосинтез в 2 раза и отмечен рост хлорофилла на 13%, урожайность в среднем возросла на 1Ь%, причем в опыте увеличилось фруктов 1-го сорта на 12% по сравнению с контролем. Для 24-х летней груши сорта Лесная красавица при густоте посадки 8x8 м в связи с улучшением облученности (К = =1,96) кроны фотосинтез увеличился в 1,75 раза, содержание хлорофилла - на 12%, урожайность возросла на 19$о, причем груш I сорта увеличилась на 39%, П сорта - примерно одинаково. В этом опыте определили средний вес одного плода,8 опыте и контроле оказ�