Az öntözőrendszerek ellenőrzése az üvegházban fitomonitoring segítségével
Az üvegházhatást okozó öntözőrendszerek ellenőrzése fitomonitoring segítségével Értekezés az akadémiai fokozat megszerzéséhez doktor rerum horticulturarum (Dr. rer. Hort.) A berlini Humboldt Egyetem Mezőgazdasági-Kertészeti Karához benyújtotta a diplom.-Agr. Evanthia Exarchou 1971. december 25-én született Thesszalonikiben, a berlini Humboldt Egyetem elnöke Prof. Dr. Jürgen Mlynek a Mezőgazdasági és Kertészeti Kar dékánja Prof. Dr. Uwe Jens Nagel lektor: 1. Prof. Dr. Uwe Schmidt 2. Prof. Dr. Siegfried Kleisinger 3. Prof. Dr. Matthias Langensiepen A szóbeli vizsga napja: 2006.03.23
5 5. VITA - KÖVETKEZTETÉSEK. 135 5.1. FITOMONITOROZÁSI TECHNOLÓGIA A GYÁRTÁS OPTIMALIZÁLÁSI FOLYAMATÁBAN. 135 5.2. A KIVÁLASZTOTT MÉRÉSTECHNIKA ÉRTÉKELÉSE. 136 5.2.1. Az öntözés ellenőrzése a tensiométer segítségével. 136 5.2.2. A növényi víz forgalmának meghatározása a lé áramlási sebességén keresztül. 138 5.2.3. Közvetlen transzpiráció mérés gázcsere módszerrel. 140 5.2.3.a A mért értékek reprezentativitása és pontossága. 140 5.2.3.b A mérési folyamat pontosságának hosszú távú ellenőrzése. 142 5.3. Az öntözés ellenőrzése a mért transzmissziós összeg szerint144 5.3.1. Ellenőrzés magas besugárzás mellett észak-európai üvegházhatású körülmények között. 144 5.3.2. Ellenőrzés nagy besugárzás mellett dél-európai üvegházhatású körülmények között. 147 5.3.3. Szükségletalapú öntözés só felhalmozódása nélkül az aljzatban. 148 5.4. SZÜKSÉGES ALAPÚ ÖNtöZÉS-ELLENŐRZÉS OPTIMÁLÁSI MEGKÖZELÍTÉSEI. 151 ÖSSZEFOGLALÓ. 156 ÖSSZEFOGLALÓ. 159 IRODALOMJEGYZÉK. 162 A. FÜGGELÉK: ÁBRÁK FELSOROLÁSA. 176 B. FÜGGELÉK: TÁBLÁZATOK FELSOROLÁSA. 182 C. FÜGGELÉK: TÁBLÁZATOK ÉS ÁBRA A KÍSÉRLET BEÁLLÍTÁSÁHOZ. 185 D. FÜGGELÉK: A FELHASZNÁLT MÉRETEK ÉS RÖVIDÍTÉSEK FELSOROLÁSA. 193 NYILATKOZAT. 198 KÖSZÖNÖM. 200
8 BEVEZETÉS, a növény élettani folyamatai és méretei közvetlenül rögzíthetők és felhasználhatók a növényi környezet optimalizálására. A disszertációs projekt részeként tehát az öntöző rendszerek szabályozásának lehetséges módszereit keresik a mért növényi reakciók szerint. A témakörhöz a következő fókuszpontok vannak meghatározva: Az üvegházban történő öntözés ellenőrzését szolgáló meglévő mérési módszerek értékelése. A modell-megközelítések ábrázolása a növényállomány vízforgalmának meghatározásához. Az adatgyűjtés lehetőségei az üzemen a vízforgalom nyilvántartása céljából. Új mérőeszköz használata a transzpiráció mérésére. Az új transzpirációs mérési módszer vizsgálata különböző zöldségnövényeken, nagy szennyeződésű vízkonverzióval. Öntözésszabályozás kidolgozása a fitokontroll elv alapján. Vizsgálatok az új módszer alkalmazhatóságáról a dísznövényekre nagy vízforgalmú régiókban. Tanulmányok tápanyagdinamikáról igényalapú öntözéssel. Tanulmányok a vízfelhasználás hatékonyságáról az új szabályozási módszerben.
Öntözésre vonatkozó követelmények 21 1.4.1. A WUE integrálása A különböző kultúrák WUE értékei egy meghatározott helyen nagyon változnak mind a nap folyamán, mind az év folyamán. A nap folyamán az aktuális WUE értéket a levél és a környező levegő közötti vízgőztartalom és a fotoszintetikusan aktív sugárzás határozza meg. Az évek szezonális eltérései kapcsolódnak az adott kultúra ontogenetikai fejlődéséhez (virágzási idő, gyümölcsfejlődés) és az éghajlat szezonális változásához (LARCHER, 1994). 2. ábra: A jelenlegi WUE Ph napi folyamata, a nettó fotoszintézis és a verejtékezés a Cucumis sativusban 3. ábra: A WUE Ph, a fotoszintézis (Ph) és az izzadás (T) kumulatív napi lefolyása nyolcnapos periódusban a Cucumis sativusban
28 A talaj térében a víz áramlása a vízfeszültségi görbék vagy a pf görbék, amelyek a vízfeszültség és a víztartalom közötti kapcsolatot képviselik a növekvő vízpotenciálú vízarányok kumulatív görbéjeként. A maximális víztartalom akkor érhető el, amikor a teljes pórusrész vízzel megtöltésre kerül (BECK, 2000). A növényben a talajban rendelkezésre álló víz nem annyira a talajban levő abszolút vízmennyiségtől függ, hanem a víz talajmátrixból történő felszabadításához szükséges energetikai erőfeszítéstől. 5. ábra: A homokos és agyagos talaj vízpotenciáljának függése a talaj víztartalmától (LÖSCH, 2001) Ha a talaj és a növény között már nincs vízpotenciál-különbség (hajnalra jellemző), akkor a növényben a hajnal előtti vízpotenciál uralkodik, amely meghatározza az általános vízellátási helyzetet Jellemzett hely. 2.2. Vízáramlás a növényben A növénysejt teljes vízpotenciálja Ψ W a következő vízpotenciál-egyenletből adódik: (-) Ψ W = (-) Ψ π + (+) Ψ P (6) Negatív vízpotenciállal Ψ W egy növényi sejt, annak cellához képest
34 A VÍZ ÁRAMLÁSA A TERÜLETBEN 8. ábra: A levél belsejében lévő transzpirációs tömegáram elektromos analóg modellje (SCHMIDT, 2002) 2.2.2. A transzpirációs intenzitás sztómás szabályozása A makroklíma területén (külső levegő) az éghajlati viszonyok változása megváltoztatja a vízpotenciál gradienst a növény vagy az állomány mikroklíma területén (passzív növényi reakciók). Az endogén, valamint az exogén tényezők, amelyek befolyásolják a növény belsejében lévő ozmoregulációs folyamatokat, mozgásba hozzák az aktív növényi reakciókat. A fotoaktív és a hidroaktív sztómás mozgások ozmotikus elmozdulásokkal társulnak (LÖSCH, 2001). Az olyan tényezők, mint a globális sugárzás, a CO 2 tartalom, a levegő páratartalma és a hőmérséklet befolyásolják a sztómák nyitási viselkedését, hatással vannak a transzpirációra és a CO 2 asszimilációra (BAKKER, 1991). Amíg a sztómás mozgásokat a VCD l-b módosítja, hidropasszív mozgásokról beszélünk (9. ábra). Ezeknek a sztómareakcióknak a mérete a növényfajok szerint különbözik, és a helyszíntől függően eltérő. A sztómás záródás magas CO 2 parciális nyomás, vízterhelés, valamint abszcinsav és többértékű kationok jelenléte esetén következik be (SCHMIDT, 1989).
Az érzékelők és modellek 59 az előre kiválasztott teljes sugárzás elérése után és előre meghatározott ideig zajlanak. Előnye, hogy a növényben nincs szükség olyan jelvezetékekre, amelyek megnehezítik az üvegházban történő munkát. Bár a vízigény meghatározása egyszerű, ez a módszer nem mindig mutat magas arányú összefüggést a sugárzási értékek és a vízigények között.A téli hónapokban a globális sugárzás hatása korlátozott, a vízigényt pedig főleg más tényezők határozzák meg, mint például a páratartalom, a növény növekedési szakasza stb. (12. ábra). Nyáron is a korreláció a sugárzás és a vízigény között legfeljebb 90%. Ez a 10% -os eltérés három nap alatt összeadódhat, és helytelen öntözéshez vezethet (MACKROTH, 1993). 12. ábra: Az üzem vízigényének függése a teljes besugárzástól (SCHULTE, 1986 in: VON BAMBACH, 1993) Egy másik mérőeszköz az úgynevezett párolgásmérő. Egy edényt homok és víz tölt meg. Miután az előre meghatározott mennyiségű víz elpárolgott a homok felszínéről, megkezdődik az öntözés. Ugyanakkor az edényt újratöltik (MACKROTH, 1993).
SZenzorok és modellek 65 Az érzékelők kiértékelése a 4. táblázatban található. A pontok száma információt nyújt arról, hogy a kritérium hogyan teljesít az értékelés során (? = Nincs információ a szakirodalomban): Megbízhatóság: nagy pontosság és nincs hatással (környezeti tényezők stb.), nagy pontosság, de befolyás, kellő pontosság és befolyás Telepítés: könnyű (a termelő számára), mérsékelt, nehéz Hiba/karbantartás: alacsony, mérsékelt, magas Átadhatóság: minden szubsztrátumban, talajban és minden művelési módban, de nem minden szubsztráttal összes tenyésztési módszer, néhány szubsztrátumban, talajban és tenyésztési módszerekben 4. táblázat: A talaj nedvességérzékelőinek értékelése Mérési módszer/érzékelő szívófeszültség Megbízhatóság Telepítési erőfeszítések (meghibásodások/karbantartás) Átadhatóság Tensiométer Tensiostat Analóg tensiométer Elektromos kapacitás Gipsztömb Vízjel Dielektromos állandó TDR FD Hővezetőképesség? Egyéb érzékelők higrométeres neutron szonda? Gamma sugár? NMR?
SZenzorok és modellek 71 érzékelő kevesebb karbantartást igényel és kevésbé hajlamos a meghibásodásra. A vízforgalom kiszámítása bizonyos éghajlati viszonyok között empirikusan kapott modelleken alapul. A vízforgalmat több zavaró változó kombinálásával lehet jobban kiszámítani. Ezekből az empirikus modellekből nem lehet olyan összefüggést levezetni, amely általában minden kultúrára érvényes. A modell paraméterei növényspecifikusak és alkalmazkodni kell az adott körülményekhez (BECK, 2000). A fitomonitorozási folyamat új lehetőségeket kínál arra, hogy közvetlen információt kapjanak a növénytől az anyag és az energia jelenlegi anyagcsere-sebességéről. A növényi élettani reakciókat mérési adatok felhasználásával vizualizálják. A fitomonitoring módszere nem igényli a növényi folyamatok összes befolyásoló tényezőjének ismeretét. A növényi reakciók aktuális értékeinek megszerzése lehetővé teszi az anyag- vagy energiaforgalom mennyiségének kiszámítását rövid és hosszú ideig. Ennek a technikának célja a funkcionális rendellenességek korai és objektív felderítése a növényekben, valamint a növényi reakciók időben történő feltárása (TON et al., 1997: KOPYT et al., 2001).
80 A VÍZforgalom és az öntözésszabályozás meghatározása a kevesebb küvetta és a korlátozott levélfelület miatt). Ha a szivattyú szállítási sebessége állandó marad, a csatlakoztatott küvetták száma fontos a mérési terület kiszámításához (SCHMIDT, 1998). A magas (95% feletti) relatív páratartalomnál a kapacitív páratartalom-érzékelő kondenzációjának kizárása érdekében a készülékben a mintaáramokat felmelegítik. A levegőáramokat felmelegítik, mielőtt beszívják őket, vagy az úton a dewar kamrába. Belső hőmérséklet D szegmens: 22 C Belső hőmérséklet E szegmens: 37 C Levegő hőmérséklet: 20 C Dewar-ban: t 2 = 25 C RH 2 = 70% -os levegőbemenet: t 1 = 20 C RH 1 = 95% légfűtés: 30 C 17. ábra: A kondenzációs képződés szivárgása a gázcseremérő készülékben a referencia levegő felmelegedése miatt a Dewar kamrába vezető úton - grafikus magyarázat a h, x Mollier diagramban (SCHMIDT, 1998) A légáramlás felmelegedésével a mérőgáz áramlásának relatív páratartalma az abszolút páratartalom megváltoztatása nélkül csökken. Ha az abszolút páratartalom változatlan marad, a relatív páratartalom csökken. Valamivel kapcsolatban