Обоснование методов исследования процессов энерго- и массообмена в системе "почва - семя - растение - приземный воздух"

Введение. Состояние сельскохозяйственного производства оказывает значительное влияние на улучшение народнохозяйственного благосостояния и развитие всех отраслей АПК. Увеличение количества и повышения качества продукции растениеводства является главным условием дальнейшего успешного развития мясного и молочного скотоводства, свиноводства и птицеводства. Поэтому разработка методов исследования физиологических процессов в семени и растении, физико-химических и биологических процессов в почве является актуальной задачей сельскохозяйственных наук.

Процессы энерго- и массообмена в системе «почва – семя – растение – приземный воздух» являются основой развития растений, наиболее ответственных этапов онтогененеза и наконец получения продукции растениеводства. Получение продукции в рассматриваемой системе можно представить в виде двух взаимодействующих подсистем (рисунок 1): подсистемы воздействующих факторов (окружающая среда) и агробиосистемы (среда обитания, биологический объект, продукция).

Первая подсистема – это технологические и организационные процессы, создаваемые и осуществляемые человеком, и климатические условия, определяемые глобальными процессами в атмосфере.

Вторая подсистема – открытая динамическая система, состоящая из среды обитания, биологического объекта и продукции, в которой происходят энерго- и массобменные процессы как внутренние, так и с оружающей средой.

Главная цель взаимодействия подсистем заключается в создании условий, обеспечивающих реализацию потенциальных возможностей биологического объекта при определённых ограничениях.

Практика и научные исследования показывают, что взаимодействие подсистем далеко не всегда обеспечивает полную реализацию биологическим объектом своих потенциальных возможностей, а иногда приводит и к негативным результатам, связанным с противоречивыми закономерностями их развития.

Для устранения этих противоречий и повышения эффективности производства продукции процессом взаимодействия окружающей среды и агробиосистемы необходимо управлять. Применительно к растениеводству систему управления можно представить функциональной схемой (рисунок 2): получение информации о сотоянии семени и растения; получение информации о состоянии почвы; сравнение полученной информации с параметрами, хара-теризующими объективные закономерности функционирования агробиосистемы; принятие решения и его реализация. На каждом из этапов необходимо провести научные и конструктивные решения. Так, для получения информации о сотоянии агробиосистемы следует обосновать наиболее информативные параметры, разработать первичные преобразователи (датчики), информационно-измерительную систему (ИИС).

Рисунок 1 – Общая схема производства сельскохозяйственной продукции

Рисунок 2 – Блок-схема управления процессом производства продукции

Сравнение полученной информации в настоящее время проводится с существующими агротребованиями, которые, как показывает практика, далеки от совершенства.

Поэтому важной научной задачей является разработка математических моделей, адекватно описывающих функционирование агробиосистемы, которые могут быть получены только на принципах системного подхода к изучению физики протекания в ней процессов.

Математические модели энерго- и массообменных процессов в рассматриваемой системе служат основанием для количественного определения биомассы и урожая растительного покрова. Для этого рассмотрим каждый объект системы с позиции энерго- и массообменых процессов, обеспечивающих потенциальную продуктивность биологического объекта.

Почва - это верхний 10-сантиметровый посевной слой земли, от температуры, влажности и состояния которого зависят в основном процессы прорастания семян и появления всходов [1]. Этот слой сам по себе является гетерогенной, пористой, коллоидно-капиллярной системой, состоящей из огромного количества твёрдых частиц, разделённых между собой газом, влагой или одновременно тем и другим. Принимаем, что в почве имеются все элементы, обеспечивающие развитие семени.

Под действием температуры, влажности и аэрации в почве протекают биологические, физико-химические, химические и физические процессы, в результате которых появляется почвенный раствор. Между жидкой и твёрдой фазами почвы постоянно существует динамическое равновесие. В незасоленных почвах концентрация почвенного раствора невелика и не превышает одного или нескольких граммов на литр.

Все энерго- и массообменные процессы в почве осуществляются под действием разнообразных движущихся сил, представляющих градиент давления, потенциала гравитационного поля, потенциала электрического поля, температуры, концентрации растворённых веществ.

Семя - сложная биологическая система, регулируемая находящимися в ней стимуляторами и ингибиторами [2, 3]. Важнейшим свойством семени является его способность прорастать при определённых условиях. Во время прорастания в семенах происходит ряд важнейших физиологических процессов: поглощение воды, активация и синтез ферментов, повышение интенсивности дыхания, распад запасных веществ, перемещение питательных веществ к точке роста, начало деления и растяжения клеток, начало ассимиляции и дифференциация клеток на разные ткани и органы.

Необходимо отметить, что начало поглощения воды зависит от её наличия в непосред- ственном окружении семени (почве). Кроме этого, более высокая температура почвы является фактором, ускоряющим насыщение семени водой, поглощение которой начинается примерно при 0 °С.

Поглощение воды семенем в начальный период определяется диффузией воды и всасыванием набухающими коллоидами семени -процессы физико-химические. Когда сила всасывания ослабевает, дальнейшее поглощение воды происходит за счёт осмоса и энергии метаболического происхождения. В естественных условиях поглощение воды осложняется различными свойствами почвы (сухая, влажная и т.д.). Наряду с этим семя представляет собой многослойное структурное образование, состоящее из частиц различных компонентов [4]. Эти частицы являются носителями электрических зарядов и перемещаются в семени при различных физико-химических процессах, т.е. семя обладает электрическими свойствами.

Растение начинается с выхода оси зародыша на поверхность семени и становится проростком. Зародыш в это время поглощает минеральные соли из субстрата, зеленеет и начинает фотосинтез. Процесс прорастания заканчивается, когда проросток превращается во всходы.

Для выхода проростка на поверхность почвы требуется энергия, которая зависит от начального уплотнения почвы, её начальной влажности и степени высыхания поверхности [5]. В это время растительный организм начинает взаимодействовать с внешней средой. Растение поглощает солнечную энергию, воду и минеральные вещества через листья и корневую систему, образует клетки и органы. Морфофизиологический анализ жизненного цикла растений позволяет оценить действие погодных условий, агротехники на растения с целью повышения их продуктивности.

Воздух - приземный слой атмосферы толщиной в несколько десятков метров, в состав которого входят такие составляющие, как углекислый газ, водяной пар, жидкие и твёрдые примеси и т.д.

Все эти составляющие под действием солнечной радиации, пронизывающей атмосферу и попадающей на поверхность почвы, приобретают беспорядочные, быстро меняющиеся во времени колебания. Вся термическая ситуация в почве обусловлена термодинамиче- скими процессами, протекающими в припочвен-ном воздухе.

Как видим, рассмотренные объекты взаимодействуют друг с другом, и весь процесс развития растения, а также и судьба урожая преимущественно определяются процессами обмена веществ и энергии в системе. Так, например, тепловой режим в почве может быть описан на основе совместного рассмотрения молекулярной теплопроводности в почве и турбулентной теплопроводности в контактирующем с ней слое воздуха [1].

Методика исследований. Скорость поглощения семенами электроактивированной воды определялась по формуле

U = ^-^ 10Q0/₀ ,       (1)

т0-т где т0 - масса семян до замачивания;

m - масса семян после замачивания;

τ - время замачивания.

Семена взвешивались до замачивания и после замачивания в электроактивированной воде в течение 30 минут.

Влажность почвы определялась по ГОСТ 28268-89 группа С09. В поле пробы для определения влажности почвы брались буром из скважин. Образцы отбирают из отдельных горизонтов почвы.

Массовое отношение влаги в почве ( W ) в процентах вычисляют по формуле

W = ^т 1 - ^т о ^ юо_% ,     (2)

т0-т где т1 - масса влажной почвы со стаканчиком и крышкой, г;

т ₀ - масса высушенной почвы со стаканчиком и крышкой, г;

т - масса пустого стаканчика с крышкой, г.

Для взвешивания семян применялись электронные весы типа ВМК202 НПВ 200 г с погрешностью 0,01 г.

За результат анализа принимают среднее арифметическое значение результатов двух параллельных определений. Вычисления проводят до второго десятичного знака с последующим округлением результата до первого десятичного знака.

Теоретический анализ процессов в системе «почва – семя – растение – приземный воздух». Рассматривая весь комплекс процессов, протекающих в системе, можно выделить следующие: влаго- и теплообмен между почвой и семенем; влаго- и теплообмен между почвой и воздухом; газообмен между растением (листьями) и воздухом; газообмен между корневой системой и почвой; поглощение корневой системой питательных веществ из почвы и т.д.

Провести анализ и дать качественную и количественную оценку такому количеству взаимодействующих между собой процессов можно с позиций основополагающих понятий термодинамики.

В термодинамике [6, 7] взаимодействие между объектами (системой и средой) количественно оценивается обобщённой работой, которая сопоставляется с изменением внутренней энергии системы.

Для объекта с « n » внешними степенями свободы уравнение основного закона (закон сохранения энергии) записывается следующим образом:

i=n dU = ∑dAi , (3) i =1

где dU – элементарное изменение внутренней энергии объекта, Дж;

dA – элементарная обобщённая работа определённого рода (механическая, электрическая и т.д.), Дж.

Обобщённая работа рода определяется по формуле dAi = Pm ⋅ Em , (4) где P – обобщённый потенциал (сила, момент силы, давление, температура, электрический потенциал и т.д.);

E – обобщённая координата (площадь, объём, перемещение, масса вещества, электрический заряд и т.д.).

Взаимодействие любого рода между объектами условно сопоставляется с процессом переноса через контрольную поверхность определённого количества обобщённой координаты « dE ». Перенос этого количества обощённой координаты через контрольную поверхность осуществляется под действием градиента обобщённого потенциала (движущей силы).

Исходя из этого, для исследования процессов в рассматриваемой системе можно использовать уравнения переноса:

– для переноса массы вещества

jm =-D ρ ⋅ΔS⋅Δτ,   (5)

где j – плотность потока массы;

V – объём.

Δρ

– градиент плотности вещества;

D – коэффициент диффузии;

Δ S – единичная площадка;

Δτ – время.

С учётом наличия электрических зарядов в почвенных растворах необходимо использовать уравнения В. Нернста и В. Освальда:

Ud =

u - υ R ⋅ T   C

⋅           ⋅ ln ¹ ,

u + υ  F   C2

– для переноса теплоты

j = -λΔT ⋅ΔS⋅Δτ

^E     Δ X       ^,

UM =

R ⋅ T

F

C

⋅ ln ¹ , C ₂

где j – плотность теплового потока;

ΔT

– градиент температуры вещества; Δ X

λ – коэффициент теплопроводности.

– для исследования явления осмоса

в

растениях

m⋅R⋅T µ⋅ X

где P – осмотическое давление;

m – масса растворённого вещества;

R – газовая постоянная;

T – температура;

где U – диффузионный потенциал, возникающий на границе контакта двух растворов с концентрациями электролита C и C ;

u – скорость более быстрого иона (аниона);

υ – скорость более медленного иона (катиона);

U – потенциал на мембране, разделяющей два раствора с концентрациями C и

C катиона;

F – число Фарадея.

Для исследования электрического поля почвы необходимо использовать уравнения Пуассона и Лапласа [8]:

µ – масса моля;

—— divgradϕ= -divE = -4πσ ,

или divgrad ϕ = ∇ ² ϕ =

d 2ϕ  d 2ϕ d 2ϕ dx 2 dy 2   dz 2

- 4 πσ .

Уравнение Пуассона связыват потенциал ϕ поля с плотностью σ заряда.

Частный вид уравнения Пуассона d 2ϕ  d 2ϕ

∇2ϕ=   2 +   2 +   2 = 0

dx   dydz носит название уравнения Лапласа.

Для аппроксимации экспериментальных зависимостей можно использовать трансцендентные функции и их полиномы, а также квадратичные уравнения.

Результаты исследований и их обсуждение. В работах [9, 10] показана правомерность термодинамического подхода к биологическим объектам. Так, в работе [10] приведены результаты исследований по влиянию температуры и вида водородного показателя ( рН = const) электроактивированой воды на скорость её поглощения семенами. В этом случае было использовано уравнение вида:

Δρ ΔT Δϕ

j = -D -λ -γ , (13) Δх Δх Δх так как водопоглощение здесь обусловлено не только градиентами плотности и температуры, но и градиентом электрического потенциала «Δφ / Δх».

В результате проведённого эксперимента установлено, что с повышением температуры электроактивированной воды с 25 ° С до 40 ° С скорость поглощения воды для анолита увеличилась с 0,17%/мин до 0,18 %/мин, т.е. на 5,9%, а для католита – с 0,2%/мин до 0,29%/мин, т.е. на 45%. При этом для отрицательного редокс-потенциала католита при t = 40 ° С скорость поглощения составила 0,29%/мин, для положительного редокс-потенциала анолита она составила 0,18%/мин, т.е. в 1,6 раза меньше. Также было установлено, что поверхность семени имеет отрицательный заряд.

Исследование роли физических свойств почвы в обеспечении оптимальных условий для прорастания семян важны в связи с актуальной для сельскохозяйственного производства задачей – изучением причины их низкой полевой всхожести, которая составляет по стране около 60%. Такие физические параметры почвы, как влажность и температура оказывают существенное влияние на полевую всхожесть семян зерновых культур. В связи с этим актуальной задачей является исследование влажности по глубине и месяцам года.

Экспериментальные исследования зависимости влажности почвы от глубины проводились на полях хозяйства в селе Развильное Песчанокопского района Ростовской области в сентябре 2019 года. На рисунке 3 представлены графические зависимости изменения влажности почвы от глубины.

Глубина h , см

1 Поле 2 поле

Рисунок 3 – Зависимость влажности почвы от глубины

Эти зависимости достаточно хорошо аппроксимируются квадратичными зависимостями: 1 поле

Y = - 0,0036 ⋅ h ²+0,3253 ⋅ h +8,7757 R²= 0,8792,

• 2 поле

  • Y = - 0,0021 ⋅ h ²+0, 1455 ⋅ h +12,998 R²=0,946.

Максимальное содержание влаги в этот период наблюдалось на глубинах от 25 до 45 см и примерно одинаково на различных полях. На глубинах до 5 см на 1-м поле влажность почвы существенно меньше по сравнению со 2-м полем. Зная распределение влаги и содержания ионов в почве по глубине, можно планировать очерёдность проведения посевных работ на полях хозяйства.

Заключение. Из проведённого краткого анализа объектов системы «почва – семя – растение – приземный воздух» вытекает, что весь комплекс процессов, протекающих в этих объектах, необходимо исследовать на основе основополагающих понятий термодинамики, процессов переноса, уравнений Пуассона и Лапласа. На этой основе необходимо разрабатывать методы контроля качества семян (определение жизнеспособности и уровня потенциальной продуктивности), оценки почвенно-климатических условий выращивания, а также мониторинга посевов в процессе их развития.

Методы исследования процессов в системе желательно согласовывать с порядком управления процессом производства сельскохозяйственной продукции: разработка модели функционирования агробиосистемы; сбор информации о состоянии биологического объекта; разработка технических средств и методов по- лучения и обработки информации; разработка теории и принятие решения.