RU2580361C1 - Устройство для определения энергоемкости фотосинтеза - Google Patents
Устройство для определения энергоемкости фотосинтеза Download PDFInfo
- Publication number
- RU2580361C1 RU2580361C1 RU2015113577/13A RU2015113577A RU2580361C1 RU 2580361 C1 RU2580361 C1 RU 2580361C1 RU 2015113577/13 A RU2015113577/13 A RU 2015113577/13A RU 2015113577 A RU2015113577 A RU 2015113577A RU 2580361 C1 RU2580361 C1 RU 2580361C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- output
- input
- block
- plant
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к физиологии растений. Устройство содержит блок (1) измерения облученности, блок (6) задания времени облучения, первый (8) и второй (13) сумматоры и блок (14) индикации. Дополнительно устройство содержит блок (2) измерения массы листа растения, блок (3) измерения площади листа растения, блок (4) фиксации времени появления очередного листа на растении, блок (5) задания фотопериода, первый (7) и второй (9) блоки умножения, блок (10) вычитания, первый (11) и второй (12) блоки деления. При этом выход блока (4) фиксации времени появления очередного листа на растении соединен с первым входом блока (10) вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока (6) задания времени облучения, а выход - с первым входом второго блока (9) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (3) измерения площади листа растения, а выход - с входом второго (13) сумматора, выход которого соединен с первым входом второго блока (12) деления, второй вход которого соединен с выходом первого (8) сумматора, вход которого соединен с выходом блока (2) измерения массы листа растения, а выход - с первым входом первого блока (11) деления. Выход блока (1) измерения облученности соединен с первым входом первого блока (7) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (5) задания фотопериода, а выход - со вторым входом первого блока (11) деления, выход которого подключен к входу блока (14) индикации. В качестве блока (1) измерения облученности используют измеритель фотонной облученности. Устройство позволяет оперативно определять энергоемкость фотосинтеза конкретного экземпляра растения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 1 пр.
Description
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к физиологии растений, и может быть использовано для оптимизации технологии выращивания растений при искусственном облучении (светокультуры).
Светокультура является весьма энергоемким процессом. Основные затраты энергии здесь связаны с созданием условий для фотосинтеза.
Известно устройство, в котором для оценки части поглощаемой растениями в процессе фотосинтеза энергии (фитопотока) используют блок измерения облученности со спектральной чувствительностью, соответствующей спектральной чувствительности среднего растения [Свентицкий И.И. Способ оценки действия оптического излучения на растения. А.с. №124669. Заявка №615162/26, 29.12.1958. Опубл. в БИ №23, 1959].
Недостатком данного технического решения является необходимость предварительного теоретического или экспериментального определения кривой спектральной чувствительности среднего растения данного вида, что повышает трудоемкость измерений и снижает их точность.
Известно устройство для оценки энергоемкости потока излучения, включающее блок измерения облученности, блок деления, блок задания нормированных параметров. [Ракутько С.А. и др. Анализатор спектральной энергоемкости потока оптического излучения. ПМ №119876. Заявка 2012113017/28, 03.04.2012. Опубл. в бюл. №24, 27.08.2012]. Недостатком данного устройства является то, что оценка энергоемкости производится только по результатам спектральных измерений. Свойства растения как биологического объекта учитываются путем их ручного ввода через блок задания нормированных параметров. Устройство не позволяет определить энергоемкость фотосинтеза для конкретного экземпляра растения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению относится устройство для определения эксергии, включающее блок измерения облученности (фотоэлемент), блок задания времени облучения, первый и второй сумматоры, блок индикации [Обыночный А.Н., Свентицкий И.И., Юферев Л.Ю. Способ и устройство определения эксергии оптического излучения в растениеводстве. Пат. РФ №2280975. Заявка 2005103491/12, 10.02.2005. Опубл. в бюл. №22, 10.08.2006].
Недостатки известного технического решения:
1. величина эксергии, полученная при суммировании измеренной облученности по спектру и времени действия, использует функцию относительной спектральной эффективности фотосинтеза, принятую единой для всех растений, что не позволяет определить энергоемкость фотосинтеза для конкретного экземпляра растения;
2. даже при использовании функции относительной спектральной эффективности фотосинтеза, определенной для конкретного экземпляра растения, величина эксергии является скорее характеристикой потенциальной возможности обеспечения фотосинтеза, а не оценкой энергоэффективности реально протекающих в растении фотосинтетических процессов;
3. использование в качестве измерителя облученности фотоэлемента требует наличия светофильтров, необходимых для его калибровки на разных длинах волн;
4. аналоговые каналы оптических и электрических измерений, необходимость градуировки снижают точность измерений и удобство в работе с устройством.
Задача изобретения - создание точного и удобного в работе прибора, позволяющего по результатам измерения условий облучения и биометрических параметров растения определить энергоемкость фотосинтеза для конкретного экземпляра растения.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для определения энергоемкости фотосинтеза содержит блок (1) измерения облученности, блок (6) задания времени облучения, первый (8) и второй (13) сумматоры, блок (14) индикации, блок (2) измерения массы листа растения, блок (3) измерения площади листа растения, блок (4) фиксации времени появления очередного листа на растении, блок (5) задания фотопериода, первый (7) и второй (9) блоки умножения, блок (10) вычитания, первый (11) и второй (12) блоки деления, при этом выход блока (4) фиксации времени появления очередного листа на растении соединен с первым входом блока (10) вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока (6) задания времени облучения, а выход - с первым входом второго блока (9) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (3) измерения площади листа растения, а выход - с входом второго (13) сумматора, выход которого соединен с первым входом второго блока (12) деления, второй вход которого соединен с выходом первого (8) сумматора, вход которого соединен с выходом блока (2) измерения массы листа растения, а выход - с первым входом первого блока (11) деления, выход блока (1) измерения облученности соединен с первым входом первого блока (7) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (5) задания фотопериода, а выход - с вторым входом первого блока (11) деления, выход которого подключен к входу блока (14) индикации. В качестве блока (1) измерения облученности используют измеритель фотонной облученности.
Новые существенные признаки: наличие блока (2) измерения массы листа растения, блока (3) измерения площади листа растения, блока (4) фиксации времени появления очередного листа на растении, блока (5) задания фотопериода, первого (7) и второго (9) блоков умножения, блока (10) вычитания, первого (11) и второго (12) блоков деления, при этом выход блока (4) фиксации времени появления очередного листа на растении соединен с первым входом блока (10) вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока (6) задания времени облучения, а выход - с первым входом второго блока (9) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (3) измерения площади листа растения, а выход - с входом второго (13) сумматора, выход которого соединен с первым входом второго блока (12) деления, второй вход которого соединен с выходом первого (8) сумматора, вход которого соединен с выходом блока (2) измерения массы листа растения, а выход - с первым входом первого блока (11) деления, выход блока (1) измерения облученности соединен с первым входом первого блока (7) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (5) задания фотопериода, а выход - с вторым входом первого блока (11) деления, выход которого подключен к входу блока (14) индикации. В качестве блока (1) измерения облученности используют измеритель фотонной облученности.
Технический результат обеспечивается тем, что:
1. в устройстве задают и измеряют параметры, характеризующие условия облучения и биометрические показатели конкретного растения;
2. производят оценку энергоэффективности реально протекающего в растении процесса фотосинтеза по величине его энергоемкости, что позволяет произвести оптимизацию условий выращивания по минимуму энергоемкости;
3. использован измеритель фотонной облученности, определяющий количество фотонов (в молях) независимо от длины волны излучения;
4. использованы цифровые логические блоки, не требующие калибровки и регулировки, что повышает точность измерений и удобство в работе с устройством.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Возможность использование предлагаемого устройства в сельском хозяйстве и физиологии растений, известность программно-аппаратных методов и средств, с помощью которых возможна реализация отдельных блоков устройства и его структуры в целом в описанном виде позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».
Анализ уровня техники не выявил устройства того же назначения, что и предлагаемое техническое решение, которому присущи все приведенные в независимом пункте формулы существенные признаки, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Сущность изобретения не следует для специалиста явным образом из уровня техники, поскольку не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с его отличительными признаками. Анализ уровня техники не выявил известность влияния признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения, на основной технический результат (обеспечение возможности оперативного определения энергоемкости фотосинтеза конкретного экземпляра растения), что свидетельствует об изобретательском уровне предлагаемого технического решения.
На фигуре показана схема устройства и его работа при определении энергоемкости фотосинтеза: ИС - источник света, действующий на растение, А - устройство для определения энергоемкости фотосинтеза, включающее 1 - блок измерения облученности, 2 - блок измерения массы листа растения, 3 -блок измерения площади листа растения, 4 - блок фиксации времени появления очередного листа на растении, 5 - блок задания фотопериода, 6 - блок задания времени облучения, 7 - первый блок умножения, 8 - первый сумматор, 9 - второй блок умножения, 10 - блок вычитания, 11 - первый блок деления, 12 - второй блок деления, 13 - второй сумматор, 14 - блок индикации. Измеряемые параметры: Е - облученность, n - номер листа растения, Mn - масса n-го листа, Sn - площадь n-го листа, Tn - время появления n-го листа растения. Задаваемые параметры: ФП - фотопериод, Тк - время облучения. Выходная величина: ЭФС - энергоемкость фотосинтеза.
В основе изобретения лежат следующие положения.
Основным ассимилирующим органом, в котором под действием оптического излучения образуются органические вещества, служащие структурно-энергетическим материалом для всего растения, является лист [Ничипорович А.А. Световое и углеродное питание растений - фотосинтез. М: Изд-во АН СССР, 1955. - 287 с.]. Это позволяет определять продуктивность фотосинтеза, г-2·м-2·сут-1, по накоплению массы органического вещества в единице площади листа за определенное время для всех листьев растения по формуле
где Mn - масса вещества, полученного при фотосинтезе в n-ном листе, г;
Sn - площадь n-го листа, м2;
Тв - возраст n-го листа, сут.
Разработаны различные практические мероприятия, направленные на повышение продуктивности растений. Однако, помимо обеспечения высокой продуктивности растений, важным также является повышение энергоэффективности облучения. Величиной, характеризующей энергоэффективность различных технологических процессов, является энергоемкость [Ракутько С.А. Оптимизация технологического процесса облучения в АПК по минимуму энергоемкости // Светотехника. 2009. №4. С. 57-60].
Энергоемкость фотосинтеза, моль·г-1, вычисляется по формуле
где Hn - доза излучения, воспринятая n-ным листом, моль.
Энергоемкость показывает, какое количество энергии затрачивается на синтез единицы массы продуктов фотосинтеза.
По мере роста растения в моменты времени Тн на стебле появляются новые листья. На день окончания облучения Тк возраст n-го листа
При линейном характере зависимости изменения площади n-го листа с течением времени с момента его появления на стебле выражение для дозы:
где Е - фотоная облученность, моль,
То - время облучения n-го листа, с.
где ФП - фотопериод, ч.
С учетом выражений (4) и (5), суммируя для всех листьев растения
где Кф - постоянный коэффициент, моль·м-2·сут-1,
Тогда, с учетом формул (1) и (2) величина энергоемкости фотосинтеза
Работа устройства осуществляется следующим образом. Блок измерения облученности 1 воспринимает величину фотонной облученности Е, формируемую источниками света ИС, установленными в зоне выращивания растения. Блоки измерения массы листа растения 2, площади листа растения 3 и фиксации времени появления очередного листа на растении 4 измеряют соответствующие биометрические показатели растения Mn, Sn и Tn. В блоке 5 задают значение фотопериода ФП, в блоке 6 - продолжительность времени облучения Тк. На выходе блока вычитания 10 формируется сигнал, соответствующий величине Тв. На выходе блока умножения 9 формируется сигнал, соответствующий величине Sn·Tв. На выходе второго сумматора 13 формируется сигнал, соответствующий величине Σ(Sn·Tв). На выходе первого сумматора 8 формируется сигнал, соответствующий величине Σ(Mn). На выходе второго блока деления формируется сигнал, соответствующий величине ПФС. На выходе первого блока умножения 7 формируется сигнал, соответствующий величине Кф. На выходе первого блока деления 11 формируется сигнал, соответствующий величине ЭФС, значение которой отображается блоком индикации 14.
Пример. В лаборатории энергоэффективных электротехнологий ИАЭП (Санкт-Петербург) выращивали рассаду томата сорта Фламинго F1 под излучением светодиодных источников. Уровень облученности (сигнал на выходе блока 1) составлял Е=140 мкмоль·м-2·с-1, фотопериод (сигнал на выходе блока 5) ФП=14 часов в сутки. Эксперимент продолжался Тк=42 дня (сигнал на выходе блока 6). С помощью устройства для определения энергоемкости фотосинтеза для каждого листа растения фиксировали время появления листа Tn (выход блока 4), площадь листа Sn (выход блока 3) и массу сухого вещества Mn (выход блока 2), показанные в таблице. Здесь же показаны значения промежуточных величин, соответствующие сигналам на выходах соответствующих блоков устройства: возраст каждого листа Тв (выход блока 10), значения произведений Sn·Тв (выход блока 9), суммы Σ(Sn·Тв) (выход блока 13) и Σ(Mn) (выход блока 8).
Значение величины Кф (выход блока 7)
Кф=½·140·3600·14=3,528 моль·м-2·сут-1.
Значение величины ПФС (выход блока 12)
ПФС=1,37/1,31=1,046 г·м-2·сут-1.
Значение величины энергоемкости фотосинтеза (выход блока 11)
ЭФС=3,528/1,046=3,373 моль·г-1.
Это означает, что на 1 г сухого вещества, полученного при фотосинтезе, затрачено 3,373 моля потока энергии излучения. Результаты измерения могут быть использованы для оптимизации процесса выращивания растений по критерию минимума энергоемкости путем варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов.
Claims (2)
1. Устройство для определения энергоемкости фотосинтеза, содержащее блок (1) измерения облученности, блок (6) задания времени облучения, первый (8) и второй (13) сумматоры, блок (14) индикации, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок (2) измерения массы листа растения, блок (3) измерения площади листа растения, блок (4) фиксации времени появления очередного листа на растении, блок (5) задания фотопериода, первый (7) и второй (9) блоки умножения, блок (10) вычитания, первый (11) и второй (12) блоки деления, при этом выход блока (4) фиксации времени появления очередного листа на растении соединен с первым входом блока (10) вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока (6) задания времени облучения, а выход - с первым входом второго блока (9) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (3) измерения площади листа растения, а выход - с входом второго (13) сумматора, выход которого соединен с первым входом второго блока (12) деления, второй вход которого соединен с выходом первого (8) сумматора, вход которого соединен с выходом блока (2) измерения массы листа растения, а выход - с первым входом первого блока (11) деления, выход блока (1) измерения облученности соединен с первым входом первого блока (7) умножения, второй вход которого соединен с выходом блока (5) задания фотопериода, а выход - со вторым входом первого блока (11) деления, выход которого подключен к входу блока (14) индикации.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока (1) измерения облученности используют измеритель фотонной облученности.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015113577/13A RU2580361C1 (ru) | 2015-04-13 | 2015-04-13 | Устройство для определения энергоемкости фотосинтеза |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015113577/13A RU2580361C1 (ru) | 2015-04-13 | 2015-04-13 | Устройство для определения энергоемкости фотосинтеза |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2580361C1 true RU2580361C1 (ru) | 2016-04-10 |
Family
ID=55794049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015113577/13A RU2580361C1 (ru) | 2015-04-13 | 2015-04-13 | Устройство для определения энергоемкости фотосинтеза |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2580361C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2280975C1 (ru) * | 2005-02-10 | 2006-08-10 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) | Способ и устройство определения эксергии оптического излучения в растениеводстве |
| RU2308184C1 (ru) * | 2006-02-15 | 2007-10-20 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) | Способ энергосберегающей оптимизации производства корма |
| JP3171248U (ja) * | 2010-08-12 | 2011-10-20 | 義才 周 | 植物育成灯 |
| CN103125295B (zh) * | 2013-03-12 | 2015-02-25 | 杭州汉徽光电科技有限公司 | 一种研究植物光合作用的实验装置和方法 |
-
2015
- 2015-04-13 RU RU2015113577/13A patent/RU2580361C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2280975C1 (ru) * | 2005-02-10 | 2006-08-10 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) | Способ и устройство определения эксергии оптического излучения в растениеводстве |
| RU2308184C1 (ru) * | 2006-02-15 | 2007-10-20 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) | Способ энергосберегающей оптимизации производства корма |
| JP3171248U (ja) * | 2010-08-12 | 2011-10-20 | 義才 周 | 植物育成灯 |
| CN103125295B (zh) * | 2013-03-12 | 2015-02-25 | 杭州汉徽光电科技有限公司 | 一种研究植物光合作用的实验装置和方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Esfahani et al. | Improvement of nitrogen management in rice paddy fields using chlorophyll meter (SPAD) | |
| Kalaji et al. | A comparison between different chlorophyll content meters under nutrient deficiency conditions | |
| CN104007093B (zh) | 一种快速定量计算植物固有抗干旱能力的方法 | |
| Blache et al. | The impact of cell-specific absorption properties on the correlation of electron transport rates measured by chlorophyll fluorescence and photosynthetic oxygen production in planktonic algae | |
| Moraes et al. | Spontaneous ultra-weak light emissions from wheat seedlings are rhythmic and synchronized with the time profile of the local gravimetric tide | |
| CN103293111A (zh) | 一种土壤背景干扰下小麦叶层氮含量光谱监测模型及建模方法 | |
| CN112561209B (zh) | 一种利用生菜叶绿素荧光参数预测光合气体交换参数方法 | |
| Wang et al. | Dynamical effects of plastic mulch on evapotranspiration partitioning in a mulched agriculture ecosystem: Measurement with numerical modeling | |
| Elmetwalli et al. | Potential of hyperspectral and thermal proximal sensing for estimating growth performance and yield of soybean exposed to different drip irrigation regimes under arid conditions | |
| Hirooka et al. | Parameterization of leaf growth in rice (Oryza sativa L.) utilizing a plant canopy analyzer | |
| Coelho et al. | Effects of desiccation on the photosynthetic activity of intertidal microphytobenthos biofilms as studied by optical methods | |
| Taylor et al. | Demonstration of a relationship between state transitions and photosynthetic efficiency in a higher plant | |
| RU2580361C1 (ru) | Устройство для определения энергоемкости фотосинтеза | |
| Diao et al. | Single leaf area estimation models based on leaf weight of eucalyptus in southern China | |
| Tian et al. | Research on the effect of electrical signals on growth of Sansevieria under Light-Emitting Diode (LED) lighting environment | |
| Mahajan et al. | Development of critical values for the leaf color chart, SPAD and FieldScout CM 1000 for fixed time adjustable nitrogen management in aromatic hybrid rice (Oryza sativa L.) | |
| Ratha et al. | A rapid and reliable method for estimating microalgal biomass using a moisture analyser | |
| JP5885168B2 (ja) | 土壌地力形質の分析方法及び分析装置 | |
| RU155561U1 (ru) | Лабораторный стенд для определения энергетической эффективности источников излучения для растений | |
| RU160900U1 (ru) | Анализатор качества спектра потока оптического излучения в светокультуре | |
| Kasalica et al. | Nondestructive optical method for plant overall health evaluation | |
| Zheng et al. | An improved photovoltaic agriculture system with groove glass plate | |
| RU2688464C1 (ru) | Способ неразрушающей диагностики функционального состояния растений ex vitro и in vitro | |
| Serôdio et al. | Hysteresis light curves: a protocol for characterizing the time dependence of the light response of photosynthesis | |
| CN112525831A (zh) | 基于CatBoost回归算法的水稻地上部蛋白氮积累量遥感反演模型和方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180414 |