Kontrola zavlažovacích systémov v skleníku pomocou fytomonitorovania
Kontrola zavlažovacích systémov v skleníku pomocou fytomonitoringu Dizertačná práca na získanie akademického titulu doctor rerum horticulturarum (Dr. rer. Hort.) Zadal na Poľnohospodársko-záhradnícku fakultu Humboldtovej univerzity v Berlíne Dipl.-Agr. Evanthia Exarchou narodená 25. decembra 1971 v Solúne predsedníčka Humboldtovej univerzity v Berlíne prof. Dr. Jürgen Mlynek dekan Poľnohospodárskej a záhradníckej fakulty prof. Dr. Recenzent Uwe Jens Nagel: 1. Prof. Dr. Uwe Schmidt 2. Prof. Dr. Siegfried Kleisinger 3. Prof. Dr. Matthias Langensiepen Deň ústnej skúšky: 23.03.2006
5 5. DISKUSIA - ZÁVERY. 135 5.1. TECHNOLÓGIA FYTOMONITOROVANIA V OPTIMALIZAČNOM PROCESE VÝROBY. 135 5.2. HODNOTENIE VYBRANEJ TECHNOLÓGIE MERANIA. 136 5.2.1. Ovládanie zavlažovania pomocou tenziometra. 136 5.2.2. Stanovenie obratu rastlinnej vody prietokom šťavy. 138 5.2.3. Priame meranie transpirácie metódou výmeny plynov. 140 5.2.3.a Reprezentatívnosť a presnosť nameraných hodnôt. 140 5.2.3.b Dlhodobá kontrola presnosti procesu merania. 142 5.3. KONTROLA ZÁVLAHU PODĽA MERANÉHO TRANSPIRAČNÉHO SUMA144 5.3.1. Kontrola pri vysokom ožiarení v severoeurópskych skleníkových podmienkach. 144 5.3.2. Kontrola pri vysokom ožiarení v juhoeurópskych skleníkových podmienkach. 147 5.3.3. Zavlažovanie podľa potreby bez akumulácie solí v podklade. 148 5.4. OPTIMALIZAČNÉ PRÍSTUPY KONTROLY ZÁVLAHU PODĽA POTREBY. 151 ZHRNUTIE. 156 ZHRNUTIE. 159 ZOZNAM LITERATÚRY. 162 PRÍLOHA A: ZOZNAM OBRÁZKOV. 176 DODATOK B: ZOZNAM TABULIEK. 182 PRÍLOHA C: TABUĽKY A ÚDAJE PRE EXPERIMENTOVÉ NASTAVENIE. 185 DODATOK D: ZOZNAM POUŽITÝCH VEĽKOSTÍ A SKRATIEK. 193 VYHLÁSENIE. 198 ĎAKUJEM. 200
8 ÚVOD, fyziologické procesy a veľkosti rastlín je možné zaznamenávať priamo a použiť ich na optimalizáciu prostredia rastlín. V rámci dizertačného projektu sa preto hľadajú možné spôsoby riadenia zavlažovacích systémov podľa nameraných reakcií rastlín. Pre prácu na tejto téme sú definované tieto kontaktné miesta: Hodnotenie existujúcich metód merania, ktoré slúžia na kontrolu zavlažovania v skleníku. Zastúpenie modelových prístupov k určovaniu vodného obratu zásob rastlín. Možnosti získavania údajov o závode na účely zaznamenania obratu vody. Použitie nového meracieho prístroja na meranie transpirácie. Výskum novej metódy merania transpirácie na rôznych zeleninových plodinách s vysokou premenou vody v rôznych substrátoch. Vývoj riadenia zavlažovania na princípe fytokontroly. Vyšetrovanie uplatniteľnosti novej metódy na okrasné rastliny v regiónoch s vysokou fluktuáciou vody. Štúdie o dynamike živín so zavlažovaním podľa potreby. Štúdie o účinnosti využívania vody v novej kontrolnej metóde.
POŽIADAVKY NA ZÁVLAHY 21 1.4.1. Integrácia WUE Hodnoty WUE rôznych kultúr na definovanom mieste sa veľmi líšia tak počas dňa, ako aj počas roka. V priebehu dňa je aktuálna hodnota WUE určená obsahom vodných pár medzi listom a okolitým vzduchom a fotosynteticky aktívnym žiarením. Sezónne zmeny v priebehu rokov súvisia s ontogenetickým vývojom príslušnej kultúry (doba kvitnutia, vývoj ovocia) a sezónnymi zmenami podnebia (LARCHER, 1994). Obrázok 2: Denný priebeh súčasného WUE Ph, čistá fotosyntéza a potenie v Cucumis sativus Obr. 3: Kumulatívny denný priebeh WUE Ph, fotosyntéza (Ph) a potenie (T) v osemdennom časovom období v Cucumis sativus
28 PRIETOK VODY V PRIESTORE pôdy sú krivky vodného napätia alebo krivky pf, ktoré predstavujú vzťah medzi vodným napätím a obsahom vody ako kumulatívna krivka pomerov vody so zvyšujúcim sa vodným potenciálom. Maximálny obsah vody sa dosiahne, keď je celá časť pórov naplnená vodou (BECK, 2000). Rastlinná voda v pôde nezávisí toľko od absolútneho množstva vody v pôde, ale od energetického úsilia potrebného na uvoľnenie vody z pôdnej matrice. Obrázok 5: Závislosť vodného potenciálu piesočnatej a ílovitej pôdy od obsahu vody v pôde (LÖSCH, 2001) Ak už nie je rozdiel vodného potenciálu medzi pôdou a rastlinou (typický pre svitanie), v rastline prevláda predvidený vodný potenciál, ktorý určuje všeobecnú situáciu v zásobovaní vodou Charakterizované umiestnenie. 2.2. Tok vody v rastline Celkový vodný potenciál Ψ W rastlinnej bunky vyplýva z nasledujúcej rovnice vodného potenciálu: (-) Ψ W = (-) Ψ π + (+) Ψ P (6) Pri negatívnom vodnom potenciáli Ψ W rastlinnej bunky v porovnaní s jej
34 PRIETOK VODY V PRIESTORE Obr. 8: Elektrický analogický model transpiračného hmotnostného toku vo vnútri listu (SCHMIDT, 2002) 2.2.2. Stomatálna regulácia intenzity transpirácie Zmeny klimatických podmienok v makroklimatickej oblasti (vonkajší vzduch) menia gradient vodného potenciálu v mikroklimatickej oblasti rastliny alebo porastu (pasívne reakcie rastlín). Endogénne aj exogénne faktory, ktoré ovplyvňujú osmoregulačné procesy vo vnútri rastliny, uvádzajú do pohybu aktívne reakcie rastlín. Fotoaktívne a hydroaktívne stomatálne pohyby sú spojené s osmotickými posunmi (LÖSCH, 2001). Faktory ako globálne žiarenie, obsah CO 2, vlhkosť vzduchu a teplota ovplyvňujú otváranie priedušiek s účinkom na transpiráciu a asimiláciu CO 2 (BAKKER, 1991). Pokiaľ sú stomatálne pohyby modifikované VCD l-b, hovoríme o hydropasívnych pohyboch (obr. 9). Veľkosť týchto stomatálnych reakcií sa u jednotlivých druhov rastlín líši a líši sa v závislosti od polohy. Stomatálny uzáver nastáva, keď je vysoký parciálny tlak CO 2, vodný stres a prítomnosť kyseliny abscisovej a viacmocných katiónov (SCHMIDT, 1989).
SENZORY A MODELY 59 sa uskutočňujú po dosiahnutí vopred zvoleného celkového žiarenia a po vopred stanovenú dobu. Výhodou je, že v plodine nie sú potrebné žiadne signálne vedenia, ktoré sťažujú prácu v skleníku. Aj keď je stanovenie požiadaviek na vodu jednoduché, nie vždy táto metóda preukáže vysoko percentuálnu koreláciu medzi hodnotami žiarenia a požiadavkami na vodu.V zimných mesiacoch je vplyv globálneho žiarenia obmedzený a požiadavky na vodu sú určované hlavne ďalšími faktormi, ako je vlhkosť, štádium rastu rastliny atď. (Obr. 12). Aj v lete je korelácia medzi požiadavkami na radiáciu a vodu najviac 90%. Táto 10% odchýlka sa môže sčítať za tri dni a viesť k nesprávnemu zalievaniu (MACKROTH, 1993). Obrázok 12: Závislosť potreby vody v zariadení od celkového ožiarenia (SCHULTE, 1986 in: VON BAMBACH, 1993) Ďalším meracím zariadením je takzvaný odparovací merač. Nádoba je naplnená pieskom a vodou. Po odparení vopred určeného množstva vody z povrchu piesku sa začne zavlažovať. Zároveň je nádoba znovu naplnená (MACKROTH, 1993).
SNÍMAČE A MODELY 65 Vyhodnotenie snímačov nasleduje v Tabuľke 4. Počet bodov poskytuje informácie o tom, ako si dané kritérium vedie pri hodnotení (? = Žiadne informácie z literatúry): Spoľahlivosť: vysoká presnosť a žiadny vplyv (z faktorov prostredia atď.), vysoká presnosť, ale vplyv, dostatočná presnosť a vplyv Inštalácia: ľahká (pre pestovateľa), mierna, náročná Porucha/údržba: nízka, mierna, vysoká Prenosnosť: na všetky substráty, pôdy a všetky spôsoby kultivácie, ale nie na všetky substráty pôdy všetky kultivačné metódy, na niekoľkých substrátoch, pôdach a kultivačných metódach Tab.4: Vyhodnotenie senzorov pôdnej vlhkosti Metóda merania/sacie napätie senzora Spoľahlivosť Inštalačné úsilie (poruchy/údržba) Prenosnosť Tenziometer Tensiostat Analógový tenziometer Elektrická kapacita Sádrový blok Vodoznak Dielektrická konštanta TDR FD Tepelná vodivosť? Ostatné senzory vlhkomer neutrónová sonda? Gama lúč? NMR?
SNÍMAČE A MODELY 71 senzorov vyžaduje menšiu údržbu a je menej náchylné na zlyhanie. Výpočet obratu vody za určitých klimatických podmienok je založený na empiricky získaných modeloch. Obrat vody je možné lepšie vypočítať kombináciou niekoľkých premenných rušenia. Z týchto empirických modelov nie je možné odvodiť spojenie, ktoré je všeobecne platné pre všetky kultúry. Parametre modelu sú špecifické pre dané zariadenie a musia sa prispôsobiť príslušným podmienkam (BECK, 2000). Proces fytomonitorovania ponúka nové možnosti prijímania priamych informácií z rastliny o jej súčasnej metabolickej rýchlosti hmoty a energie. Fyziologické reakcie rastlín sa vizualizujú pomocou údajov z merania. Metóda fytomonitorovania nevyžaduje znalosť všetkých ovplyvňujúcich faktorov procesov rastlín. Získanie aktuálnych hodnôt reakcií rastlín umožňuje výpočet množstva obratu materiálu alebo energie za krátke a dlhé časové obdobia. Táto technika je zameraná na včasné a objektívne zistenie funkčných porúch rastlín a na včasné odhalenie reakcií rastlín (TON et al., 1997 in: KOPYT et al., 2001).
80 STANOVENIE OBRATU VODY A KONTROLA ZÁVLAHU vďaka menšiemu počtu kyviet a obmedzenej ploche listov). Ak zostáva výtlak čerpadla konštantný, je počet pripojených kyviet dôležitý pre výpočet meranej plochy (SCHMIDT, 1998). Aby sa vylúčilo vytváranie kondenzácie na kapacitnom snímači vlhkosti pri vysokej relatívnej vlhkosti (nad 95%), prúdy vzorového plynu v prístroji sa zahrievajú. Vzduchové prúdy sa pred nasatím alebo po ceste do Dewarovej komory zahrievajú. Vnútorná teplota D segment: 22 C Vnútorná teplota E segment: 37 C Teplota vzduchu: 20 C V Dewarove: t 2 = 25 C RH 2 = 70% prívod vzduchu: t 1 = 20 C RH 1 = 95% ohrev vzduchu: 30 C Obr. 17: Únik kondenzácie v prístroji na meranie výmeny plynov v dôsledku ohrevu referenčného vzduchu na ceste do Dewarovej komory - grafické vysvetlenie v h, x Mollierovom diagrame (SCHMIDT, 1998) Pri zahrievaní prúdenia vzduchu sa relatívna vlhkosť prietoku meracieho plynu znižuje bez zmeny absolútnej vlhkosti. Ak absolútna vlhkosť zostáva rovnaká, relatívna vlhkosť vzduchu klesá. O