Датчики корневой зоны растений для управления ирригацией в тепличных хозяйствах
Для полива сельскохозяйственных культур используется в среднем около 70% мировой пресной воды, поэтому улучшение эффективности орошения является решающим фактором в увеличении эффективности плодовоовощных производств и поддержанием спроса на продукцию. Такая задача может быть решена как путем селекции водосберегающих сортов культур, так и применением высокотехнологичных ирригационных систем с использованием метода точного планирования поливов.
Как известно, эффективность ирригации зависит от типа используемого орошения (поверхностный полив водой из шлангов, аэрозольное орошение, разбрызгивание, капельный полив, дождевание) и графика орошения, в котором также учитывается количество использованной воды. Планирование и разработка схемы поливов имеет решающее значение для интенсивного тепличного сельского хозяйства, так как недостаточность влаги в субстрате или почве может привести к большому количеству болезней растений и потерям объемов урожая. В то же время чрезмерный полив увеличивает потребность растений в питательных веществах, увеличение расходов на энергию и причиняет вред окружающей среде.
Несмотря на то, что в некоторых тепличных хозяйствах полив организован «на глаз» или с использованием устаревших методов, все больше специалистов по всему миру приходят к необходимости модернизировать эту систему для снижения немалых производственных издержек.
Наиболее распространенный метод планирования орошения основан на определении типа почвы и субстрата и их способности удерживать влагу. Такой подход требует использования специальных датчиков — ДКЗ — позволяющих получить точные показатели влажности почвы. Этот метод также позволяет экономить время и избегать расчетов эвапотранспирации. Несколько лет назад ДКЗ не были широко распространены, но сейчас они открывают новые возможности для планирования ирригации в теплице и являются ценным инструментом для разумного использования ресурсов.
Рассмотрим основные особенности ДКЗ для подключения к климат-компьютеру и системе орошения, включая возможность их работы через беспроводной интернет. (Сложные и дорогие ДКЗ типа «нейтронный влагомер» не рассматриваются-прим.)
В настоящее время разработано много типов датчиков измерения влажности субстрата, которые работают как для мгновенных считываний показаний, так и могут быть оставлены в почве и подключены к компьютеру для постоянной передачи данных о текущем состоянии. Важно отметить, что не все датчики подходят для того, чтобы долгое время находится в почве, поэтому выбирая оборудование, обратите на это внимание. В комплект к измерителям обычно дополнительно входят калибровки для разных видов субстрата — почв, торфа, минеральной ваты, перлита.
- Датчики-тензиометры
Тензиометр по сути является искусственным корнем растения и устанавливается в почву или субстрат на уровне расположения корней. Этот прибор состоит из керамической «свечи», заполненной дистиллированой водой, пластиковой трубки и вакууметра. Такое устройство герметично и позволяет вести непрерывный мониторинг за влажностью почвы. Сразу же передает сигнал на главный компьютер в случае, если уровень влаги становится ниже допустимой нормы. Подходит для теплиц с контейнерным типом выращивания, где в силу особенностей полива требуется максимально быстрый ответ оборудования. Преимуществом таких датчиков является также их независимость от температура и осмотического состава почвы. В основном, тензиометры работают при температуре от 0 до 80 ° C, но существуют модели, выдерживающие падение температуры ниже 0 ° C. К недостаткам можно отнести их хрупкость, требующую осторожного хранения и установки, кроме того они должны периодически проходить «техосмотр» для пополнения воды в трубке или очистке от водорослей.
- Электрические датчики сопротивления
Эти датчики оборудованы электродами для измерения электрического сопротивления. Когда такой датчик помещают в почву или субстрат, то показания электрического сопротивления будут интерпретированы в показания уровня влажности - чем больше сопротивление, тем суше почва. Преимущество таких датчиков в широте спектра измерения. Электрические датчики относительно недороги и не требуют обслуживания, просты в эксплуатации. Существенный их минус в непродолжительном сроке службы относительно других видов сенсоров — гипсовый материал в их конструкции со временем растворяется, поэтому придется менять их каждые 12-18 месяцев. С писке недостатков также достаточно медленная реакция на быстрое изменение уровня влажности почвы. Подходят лишь для использования в мягких субстратах и в тонком слое хорошо текстурированной почвы. Как говорится в документе о результатах испытаний датчиков, специалисты не советуют применять данный тип сенсоров для контроля ирригации в контейнерных и горшечных системах выращивания.
- Диэлектрические датчики
Такие датчики измеряют диэлектрическую проницаемость почвы, показатели которой находятся в зависимости от объемного содержания влаги в ней. Датчик позволяет измерять влажность также в таких материалах как почвенная горшечная смесь, торф, минеральная вата, различные субстраты, опилки. Размер и глубина проникновения электрического поля зависят от формы и размера датчиков, используемых в сенсоре.
Наиболее эффективно такие датчики работают в однородной почве или субстрате — в неоднородных материалах показатели будут неточными, т. к. объем влажности в непосредственной близи к электродам будет значительно влиять на средние показатели. При использовании диэлектрических датчиков в минеральной вате потребуется их периодическая калибровка с учетом расположения (вертикальное или горизонтальное). Существуют различные виды датчиков в зависимости от выходного сигнала, использующегося для оценки — датчики TDR, FD, TDT и ADR. Все они различаются с точки зрения использования, обслуживания, требований к установке, точности и цены. Например, точность показаний
TDR и FD датчиков обусловлена возможностями интерпретаций волн, используемых в программном обеспечении главного компьютера.
Большинство датчиков оснащены лишь ручными или цифровыми считывателями, способностью к сохранению и анализу полученных данных, но не способны влиять на активацию процесса орошения. Для этого современные устройства создаются таким образом, чтобы при желании их можно было интегрировать в существующую систему климат-контроля и систему автоматического полива.
Также для оправдания своей экономической эффективности, датчики должны обладать следующими качествами:
-хорошее соотношение цена/качество
-быть правильно подобранными именно для конкретного типа выращивания
-быть правильно настроенными
-быть правильно установленными в почву/субстрат
-их количество должно быть оптимальным
Стоит также отметить, что расположение датчиков должно быть удобным для легкого доступа к ним, необходимо разработать схему их расположения, которая сможет меняться в зависимости от типа выращиваемых культур и других изменений в организации процесса выращивания. Важно знать, что даже при относительно однородном климате в теплице содержание влаги в почве может быть различным, например, оно может отличаться на участках, расположенных ближе к боковым стенам или рядом с трубами отопления.
Еще одной важной проблемой является расположение датчика внутри питательной среды. Так, в желобах и горшках корневая система имеет склонность активно расти в нижней части контейнера с небольшим количеством корней в верхней части почвы или субстрата, поэтому возникает «вертикальный градиент влажности», когда основание остается практически всегда насыщенным влагой, в то время как поверхность достаточно быстро высыхает и демонстрирует частые колебания влажности. Таким образом наилучшим положением для ДКЗ будет промежуточное. Исследователями было выяснено, что при использовании капельного орошения, датчик следует устанавливать в подложку под углом 90 ° к соплу шланга.
Заключение
Современные технологии призванные облегчить тепличное выращивание способствуют активному расширению рынка — в настоящее время многие производители представляют широкий спектр ДКЗ, что усложняет выбор подходящего именно для вашего проекта оборудования.
Одним из эффективных методов выбора датчика влаги является метод Мьюназа-Карпена, в котором рассматриваются такие атрибуты как диапазон измерения, точность, методолгия передачи и обработки данных, совместимость с большинством ПО, простота обслуживания и цена.
Сейчас основными препятствиями для использования ДКЗ являются издержки на закупку дополнительного оборудования, отсутствие эффективной политики их распространения и достаточного количества знаний. Тем не менее, прогресс в областях сельского хозяйства и электроники, а также удорожание цен на воду и растущие экологические требования государств, подразумевают постепенное снижение цен на датчики влажности почв и интеграцию передовых технологий в сектор интенсивного выращивания.
Статья написана с использованием материалов Департамента биологии и сельского хозяйства университета в Пизе, Италия (Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie, University of Pisa)
