Способ определения дефицита водного питания растения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФИЦИТА ВОДНОГО ПИТАНИЯ РАСТЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Доманский Владимир Павлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси(57) Способ определения дефицита водного питания растения, приводящего к снижению его продуктивности, заключающийся в том, что предварительно определяют жесткость листовой пластинки при нахождении растения в условиях отсутствия света и водного дефицита , жесткость листовой пластинки при нахождении растения в условиях прямого солнечного света и отсутствия водного дефицитаи жесткость срезанной листовой пластинки растения в условиях полного отсутствия тургора , затем в текущий момент времени определяют жесткость листовой пластинки у растения , рассчитывают показатель водообеспеченностирастения по формуле,и при значениименее 1 определяют наличие дефицита водного питания растения, приводящего к снижению его продуктивности, а при значении , равном или более 1, - отсутствие дефицита водного питания растения. 15205 1 2011.12.30 Изобретение относится к области сельского хозяйства и может быть использовано при выращивании растений в условиях, требующих полива. Наиболее распространен способ определения недостаточности водоснабжения растения, основанный на измерении влажности субстрата (почвы), на котором оно произрастает. При выращивании растений в естественных условиях этот способ малоэффективен. Сильно изменяющиеся условия (температура и влажность воздуха, скорость ветра, инсоляция) сильно изменяют и потребность растений в воде. Кроме того, различные растения потребляют воду из разных почвенных слоев, которые имеют разную влажность, особенно при чередовании засушливой и дождливой погоды. Более адекватной является оценка,основанная не на условиях роста растения, а на его реакции на эти условия. Известен способ определения недостаточности водного питания по содержанию сахаров в клеточном соке растения (предложен для виноградников), которое определяется рефрактометрически 1. Недостатком данного способа является то, что для анализа берутся отдельные части растения. Этот способ нельзя применять, если стоит задача определения состояния отдельного растения без нарушения его жизнедеятельности. Кроме того, для его осуществления требуется проведение лабораторного анализа. Он не позволяет следить за состоянием растения непрерывно. Известен способ определения дефицита водного питания растения на основе измерения разности температур листа растения и окружающего воздуха 2. По этому способу растение считается нуждающимся в поливе, если температура листовой пластинки на 1-3 С выше температуры воздуха. Недостатком данного способа является то, что критерий оценки по данному способу не является вполне адекватным для принятия решения о недостаточности водного питания (необходимости полива). Разница температур листа и воздуха обусловлена транспирацией, т.е. испарением влаги с листа растения, что вызывает его охлаждение. В то же время лист нагревается солнечными лучами. Транспирация действительно уменьшается с истощением воды в почве, но она уменьшается и при высокой влажности атмосферного воздуха. С другой стороны, нагрев листовой пластинки солнечными лучами не может свидетельствовать об адекватном повышении потребности растения в воде. Таким образом, разность температур свидетельствует скорее о скорости расходования воды, чем о ее наличном количестве в растении и в почве. Способ, основанный на ее измерении, не будет корректным при различных условиях. Имеются сведения о способе, основанном на одновременном измерении ксилемного потока воды в стебле и диаметра стебля 3. Согласно этому способу, одновременное уменьшение двух параметров считается наличием недостаточности водного питания и является сигналом для полива. Недостатком данного способа является то, что измерение ксилемного потока одновременно с параметром тургесцентности тканей (в данном случае - диаметра стебля) является избыточным и приводит к неоправданному усложнению способа и реализующего его устройства и, как следствие, к уменьшению его надежности. Падение тургора является следствием превалирования расходования воды на испарение с листьев (транспирация) над ее притоком (ксилемный поток) и само по себе свидетельствует о водном дефиците. По описанному способу уменьшение диаметра стебля при одновременном сохранении ксилемного потока не квалифицируется как водный дефицит, хотя растение при этом теряет воду и нуждается в ее восполнении. Задачей предлагаемого технического решения является корректное обнаружение дефицита водного питания растения без нарушения его жизнедеятельности и получение количественной оценки степени этого дефицита. Задача решается за счет того, что в способе определения дефицита водного питания растения, приводящего к снижению его продуктивности, предварительно определяют 2 15205 1 2011.12.30 жесткость листовой пластинки при нахождении растения в условиях отсутствия света и водного дефицита . После этого определяют жесткость листовой пластинки при нахождении растения в условиях прямого солнечного света и отсутствия водного дефицитаи жесткость срезанной листовой пластинки растения в условиях полного отсутствия тургора . Затем в текущий момент времени определяют жесткость листовой пластинки растенияи рассчитывают показатель водообеспеченностирастения по формуле и при значениименее 1 определяют наличие дефицита водного питания растения, приводящего к снижению его продуктивности, а при , равном или более 1, - отсутствие дефицита водного питания растения. В нашем случае в качестве измеряемого параметра используется показатель тургесцентности мягких тканей растения, а именно механическая жесткость его листовой пластинки, фактом водного дефицита считается снижение указанной жесткости ниже порогового значения, определяемого внутренним водным дефицитом растения, а количественной характеристикой степени водного дефицита считается степень снижения указанной жесткости по сравнению с пороговой. Общеизвестно, что завядание листьев является безошибочным признаком дефицита водного питания растения. Измерение жесткости листовой пластинки основано на той же реакции растения (падение внутриклеточного давления), но позволяет зарегистрировать состояние водного дефицита тогда, когда это еще невозможно обнаружить визуально. Известно также, что с падением внутриклеточного давления в листьях (тургора) падает и интенсивность фотосинтеза 4, это падение начинается при некотором пороговом снижении тургора и приблизительно линейно уменьшается вплоть до нуля при полном завядании листьев, когда внутриклеточное давление равно нулю. Это падение связывают с закрытием устьиц листа для уменьшения потери воды, которое одновременно вызывает и ограничение притока 2 в лист 4. Возможность прогнозирования степени снижения интенсивности фотосинтеза основывается на том соображении, что указанное пороговое значение определяется внутренним водным дефицитом растения, иначе реакция по закрытию устьиц была бы не всегда целесообразной. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа, где 1 - измеритель (датчик) жесткости листовой пластинки 2 - устройство для вычисления и хранения констант, зависящих от вида растения и принятого метода измерения жесткости, когда растение находится в условиях достаточного водоснабжения 3 - устройство для вычисления и индикации показателя водообеспеченности растения 4 - устройство сравнения полученного значения с предустановленным порогом для принятия решения о необходимости полива. На фиг. 2 представлена кинетика изменения жесткости листа при смене рассеянного освещения на прямой солнечный свет и обратно. 15205 1 2011.12.30 На фиг. 3 представлена кинетика изменения жесткости листовой пластинки растения ячменя после прекращения водоснабжения корней (стрелка вниз) и после его возобновлении (стрелка вверх). На фиг. 4 представлена кинетика изменения показателя водообеспеченности при установлении режима водного дефицита и его снятии для посева ячменя. Предлагаемый способ определения дефицита водного питания растения осуществляют следующим способом 1. Для конкретной культуры (вида) растения, а также принятого метода измерения жесткости листовой пластинки определяют поправочный коэффициент, характеризующий часть механической жесткости листа, не связанную с водообеспечением растения, а обусловленную только его морфологическими особенностями,(2)где- жесткость листовой пластинки при нахождении растения в условиях отсутствия света и водного дефицита- жесткость срезанной листовой пластинки растения в условиях полного отсутствия тургора. 2. Для конкретной культуры (вида) растения определяют коэффициент, характеризующий максимальное падение тургора листа только за счет внутреннего водного дефицита(3)где- жесткость листовой пластинки при нахождении растения в условиях прямого солнечного света и отсутствия водного дефицита. После определенияиреализация предлагаемого способа сводится к следующему. Измеряется жесткость листовой пластинки при полном отсутствии водного дефицита. Измеряют жесткость листовой пластинки растения в текущий момент времении рассчитывают показатель водообеспеченности растенияпо формуле(1)Значенияидолжны быть измерены для одного и того же листа в идентичных процедурах измерения. При значениименее 1 делают вывод о наличии дефицита водного питания растения,приводящего к снижению его продуктивности, а при , равном или более 1, делают вывод об отсутствии дефицита водного питания растения. Данный способ может быть пригодным для различных растений травянистых, кустарников и деревьев. Пример реализации способа. Для измерения жесткости листовой пластинки применяли устройство (датчик) на основе электродинамического преобразователя ЭДП (катушка с током в поле постоянного магнита). Устройство позволяет создавать переменное деформирующее лист усилие путем подачи в катушку переменного тока известной силы. В то же время устройство позволяет измерить амплитуду деформации листа путем измерения э.д.с. индукции в катушке,включенной в специальную мостовую схему. Значение жесткости листа для этого устройства можно рассчитать по формуле НН(вых.о/вых 1) н/м(4) где- жесткость подвески катушки ЭДП, определяемая экспериментально вых - напряжение на выходе устройства (датчика) при измерении вых.о - напряжение на выходе датчика в отсутствие объекта (листа). 15205 1 2011.12.30 В условиях описанных ниже измерений в получении абсолютных значений жесткости нет необходимости, а относительная жесткость рассчитывалась по формуле(вых.о/вых 1)(5) Определение значения ,и показателя водообеспеченности растения. На 10-дневных проростках ячменя были проделаны следующие эксперименты. 1. Определение . У одного из листьев посева ячменя, находящегося при комнатном освещении на обильно политом субстрате, измерялась жесткость листовой пластинки. Измеренное значение Н составило 3,55. Затем лист срезали и подвергли естественной дегидратации на воздухе. При этом лист оставался в рабочем зазоре датчика для измерения жесткости. Завядание листа сопровождалось падением измеренного значения жесткости, при этом минимальное значение егосоставило 0,82. Дальнейшая дегидратация листа сопровождалась его высыханием и ростом жесткости, но эта жесткость уже не связана с внутриклеточным давлением воды, а обусловлена другими причинами./0,82/3,550,23. 2. Определение . У одного из листьев посева ячменя, находящегося при комнатном освещении на обильно политом субстрате, периодически измеряли жесткость листовой пластинки. При этом среднее значение Н составило 3,34. Затем растения были подвергнуты освещению прямым солнечным светом, что привело к падению жесткости листа до 2,71. После закрывания растений от солнечного света экраном значение жесткости листа вернулось к исходной величине 3,34 (фиг. 2). При этом никаких видимых изменений с растениями не происходило. /(1)(2,713,340,23) / 3,340,770,76. 3. Определение показателя водообеспеченности растения. Лист одного из растений посева ячменя проходил через рабочий зазор датчика для измерения жесткости листовой пластинки, при помощи которого периодически производились измерения. Определение относительного значения жесткости листа (дневное время,рассеянный свет, обильно политый субстрат) дало значение Н 3,8. Затем корни растений были установлены на сухую фильтровальную бумагу для создания состояния водного дефицита. Измерение жесткости листовой пластинки опытного листа в текущий момент времени показало последовательное уменьшение измеренного значения(фиг. 3), но до двукратного снижения жесткости (1,9) визуальных признаков завядания растений не наблюдалось. Падениеот 1,67 до 1,0 сопровождалось изменением внешнего вида растений, которое можно было заметить при сравнении с контрольными (незавядающими) растениями. И только при значении 1 растения можно было уверенно назвать завядающими. Затем нормальное водоснабжение растений было восстановлено. При этом наблюдалось восстановление измеренного значения жесткости листа, причем при 2,6 растения уже не выглядели, как завядающие, а при 3,7 они по внешнему виду не отличались от исходных. На фиг. 4 показан график изменения показателя водообеспеченности опытного растения. Верхняя горизонтальная черта показывает уровень снижения показателя водообеспечения, при котором начинаются потери продуктивности растения, нижняя - уровень, при котором появляются признаки завядания растения. Следует иметь в виду, что при 1 эта величина определяет снижение продуктивности растения только по одному из механизмов и не может использоваться для расчета реального урожая, в формировании которого принимает участие множество факторов. Вопрос о необходимости полива растений решают на основе полученного коэффициента водообеспеченности с учетом цели выращивания растения, затрат на полив и потерь от риска гибели растения или уменьшения урожая. Предлагаемый способ дает количественную оценку состояния влагообеспеченности для конкретного растения с учетом его индивидуальных потребностей. Это особенно важ 5 15205 1 2011.12.30 но, если растение культивируется в единственном экземпляре или отдельные растения растут в сильно различающихся условиях. Способ является универсальным и применим при выращивании растений как в открытом, так и в закрытом грунте. Предлагаемый способ позволяет производить непрерывные измерения для постоянного контроля состояния растения без участия человека. Это позволяет применять способ для создания автоматизированных растениеводческих комплексов. Источники информации 1. Патент 2257706, МПК 01 25/00, 2005,2. Патент 2113110, МПК 01 25/00, 1998,3. .с. СССР 1017230, МПК 01 25/16, 1983,4. Слэйчер . Водный режим растений. - М. Мир, 1970. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6