Содержание к диссертации
Введение
ГЛ. 1. Связь продуктивности растений с факторами среды корнеобитаемой зоны 15
1.1. Связь продуктивности растений с основными факторами среды в почвенном слое 15
1.1.1. Транспирация и водные потенциалы в тканях растений и почве. Доступность почвенной влаги для растений в полевых условиях 15
1.1.2. Роль аэрации корнеобитаемой среды растений. Основные модели аэрации 18
1.1.3. Влияние факторов минерального питания в почве на продуктивность растений 21
1.2. Особенности корневого снабжения растений в корневых модулях применительно к
производственной космической оранжерее 24
1.2.1. Проблемы оптимизации водного потенциала и аэрации в корневых модулях для наземных условий и невесомости 25
1.2.1.1. Методы определения границ допустимого диапазона водных потенциалов в корневых модулях 25
1.2.1.2. Методика и результаты экспериментального определения диапазона оптимальных водных потенциалов 28
1.2.2. Обеспечение минерального питания растений в соленасыщенных пористых ионообменных субстратах 32
1.2.3. Влияние физических свойств корнеобитаемой среды и конструктивных параметров корневого модуля на рост и развитие растений 36
ГЛ.2. Разработка системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей 48
2.1. Разработка способа и устройства системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей в корневой модуль 48
2.1.1. Преимущества и недостатки известных систем корневого снабжения для космических оранжерей 48
2.1.2. Описание разработанной системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей 50
2.1.3. Разработка конструкции корневого модуля для системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей 52
2.1.4. Разработка макета и циклограммы работы системы корневого снабжения с реверсивной водоподачей 54
2.2. Разработка СКС с реверсивной водоподачей в КМ для конвейерной космической
оранжереи с цилиндрической посадочной поверхностью 58
2.2.1. Разработка блока корневых модулей для выращивания конвейерного посева зеленных растений в оранжерее с цилиндрической посадочной поверхностью 58
2.2.2. Разработка гидравлической схемы и циклограммы работы блока водообеспечения для системы корневого снабжения конвейерной оранжереи 60
ГЛ. 3. Расчёт конструктивных и режимных параметров системы корневого снабжения для цилиндрической конвейерной оранжереи 67
3.1. Задачи оптимизации параметров системы корневого снабжения 67
3.2. Разработка и. идентификация общих математических моделей движения воды в корневых модулях с пористым почвозаменителем 69
3.3. Расчет оптимальных размеров цилиндрических корневых модулей и блока корневых модулей для конвейерной оранжереи 77
3.4. Расчёт параметров циклограммы работы системы реверсивной водоподачи для СКС 79
3.4.1. Расчёт времени и объема закачки воды в КМ (фаза I) 79
3.4.2. Расчёт длительности паузы между закачкой и откачкой воды в корневой модуль 86
3.4.3. Расчёт длительности периода откачки воды из корневого модуля 87
3.4.3.1. Оценка длительности переходного процесса откачки воды из КМ после длительной вегетации растений 91
3.4.3.2. Методические проблемы экспериментального исследования влагопереноса в условиях невесомости и в наземном контроле 92
3.5. Апробация разработанной системы корневого снабжения растений в вегетационных опытах с зеленными растениями 100
Заключение 108
- Транспирация и водные потенциалы в тканях растений и почве. Доступность почвенной влаги для растений в полевых условиях
- Преимущества и недостатки известных систем корневого снабжения для космических оранжерей
- Разработка и. идентификация общих математических моделей движения воды в корневых модулях с пористым почвозаменителем
- Апробация разработанной системы корневого снабжения растений в вегетационных опытах с зеленными растениями
Введение к работе
Освоение человечеством околоземного космического пространства вызвало
^ необходимость создания и регенерации искусственной среды обитания для экипажей в
пилотируемых космических объектах. В настоящее время перспективным методом
14 создания искусственной среды в гермокабинах пилотируемых космических кораблей
считают сочетание биологических и физико-химических процессов регенерации веществ в так называемых биолого-технических системах жизнеобеспечения - БТСЖО /19, 20, 37, 57, 103/. При значительном увеличении длительности космических экспедиций БТСЖО будут являться безальтернативным с точки зрения обеспечения пищей методом обеспечения жизни экипажа. БТСЖО планируются к использованию не только в ходе космических полетов, но и на лунных и планетных станциях, где для их обеспечения могут быть использованы местные природные ресурсы /77/.
Теоретические основы и первые физические модели БТСЖО были разработаны в Институте авиационной и космической медицины в Москве под руководством Е.Я.Шепелева (1960-63 гг.), а также в Институте биофизики в Красноярске под руководством И.И.Тительзона и И.А. Терскова (1964 г.). Преимущества использования
<*- фотосинтезирующих организмов в составе БТСЖО объясняются их уникальной
способностью к синтезу органических веществ с использованием солнечной энергии, что
л позволяет не только воспроизводить продукты питания для экипажа и других
гетеротрофных организмов, но и осуществлять регенерацию воды и атмосферы в обитаемой кабине, а также возвращать в кругооборот часть химических элементов, содержащихся в растительных отходах и продуктах метаболизма гетеротрофов /50/. Наблюдения за экипажами в замкнутых гермообъектах показали, что операции членов экипажа по уходу и наблюдению за входящими в БТСЖО зелеными растениями, способны оказывать психофизиологическую поддержку людям, что способствует сохранению работоспособности экипажей в условиях длительной изоляции. Таким образом, в настоящее время общепринятым среди специалистов стало мнение о том, что неотъемлемой частью будущих БТСЖО должны стать высшие растения /13, 19, 20, 37, 50, 57, 103/. Разработаны прогнозы внедрения различных типов установок для культивирования растений в сценарии предстоящих лунных и марсианских экспедиций /76/.
Следует отметить, что большую роль в проектировании и создании первых вегетационных устройств для космических полетов, в русскоязычной литературе называемых обычно космическими оранжереями, сыграли российские и американские ученые. Их опыты с высшими растениями на советских орбитальных станциях (ОС) и
комплексах "Салют" и "Мир", а также на американских кораблях типа "Shuttle" подтвердили возможность их выращивания в условиях космического полета. Опыты в оранжерее "Свет", проработавшей на борту ОС "Мир" с 1989 по 2001гг, экспериментально доказали возможность образования корнеплодов у редиса /1, 2/, а также прохождения полного цикла онтогенеза и получения в нормальные сроки жизнеспособных семян у сурепки, арабидопсиса и пшеницы /33, 34, 50/. Таким образом, получено практическое подтверждение возможности функционирования фотоавтотрофного звена БТСЖО на основе высших растений в условиях космического полета /50/.
Проведенные для случая лунной базы сравнительные оценки биологических и технических систем жизнеобеспечения (СЖО) по критерию эквивалентной или приведенной массы /97/ свидетельствуют о том, что на современном этапе в экспедициях длительностью менее 1,5 лет БТСЖО уступают СЖО с физико-химическими системами регенерации воздуха и воды, а также с запасами потребных для экипажа веществ /78/. Проведенная в работе /57/ оценка длительности времени окупаемости для БТСЖО с посевом пшеницы (т.е. периода, в течение которого суммарная полученная зерновая продукция становится равной эквивалентной массе космической оранжереи с расходными материалами) составила величину около 1 года. В дальнейшем можно ожидать снижения времени окупаемости БТСЖО за счёт минимизации энерго-весовых характеристик входящей в неё космической оранжереи, например, путём увеличения продуктивности используемых биологических видов, методами генной инженерии и традиционной селекции, оптимизации структуры посевов и условий культивирования растений, а также за счет улучшенного управления. Учитывая тот факт, что основные ресурсы на борту, такие как электроэнергия, герметизированный объем корабля, трудозатраты экипажа на обслуживание и т.д., строго лимитированы, а стоимость доставки 1 кг полезного груза даже на околоземную орбиту составляет в настоящее время до 10000 долларов /109/ (на поверхность Луны - до 30000 долларов /78/), можно сделать вывод, что одним из условий, необходимых для внедрения в практику космонавтики биологических регенеративных компонентов, является оптимизация их проектных характеристик. Широкое практическое применение получил уже упомянутый критерий минимума эквивалентной массы системы /79, 90, 97/, который, однако, неудобно применять на этапе разработки перспективных космических оранжерей из-за сложности получения в этом случае достоверных коэффициентов перевода в единицы эквивалентной массы потребляемых бортовых ресурсов /77/. Более подходящим при оптимизации на этапе разработки и проектирования БТСЖО, и, в частности, космической оранжереи, представляется критерий максимума
отношения производительности устройства к произведению потребляемых бортовых ресурсов, предложенный в работах /9, 51, 59, 73/. Этот подход основан на вычислениях с применением реально измеряемых показателей, и поэтому позволяет более объективно оценивать и сопоставлять эффективность различных систем.
Одним из ключевых вопросов при разработке технологий и устройств для выращивания растений в космосе оказалась организация корневого снабжения растений, под которым понимается, согласно работам /1,2/, обеспечение в корнеобитаемой зоне вегетирующих растений следующих условий:
наличия доступной воды при допустимых для растений значениях водного потенциала;
наличия необходимых нутриентов при допустимом соотношении их концентраций;
поддержания кислотности среды в допустимом диапазоне;
наличия кислорода при допустимых концентрациях;
удаления продуктов метаболизма корней, в частности, углекислого газа, этилена и других корневых выделений. ,
Комплекс аппаратуры и материалов, обеспечивающих вышеперечисленные задачи в космической оранжерее, будем называть, следуя работам /1, 2/, "системой корневого снабжения" (СКС).
Начиная с первых экспериментов с растениями в условиях микрогравитации, организация корневого снабжения вызывала наибольшие трудности и являлась одной из частых причин неудач при попытках культивирования посевов в космических оранжереях различных конструкций /107, 58/. Это обусловливает актуальность разработок методов и устройств для СКС в космических оранжереях.
В 1994 г. на ведущем предприятии Ракетно-космическая корпорация "Энергия" было принято техническое решение о перспективной разработке космической овощной конвейерной оранжереи (КОКОР) "ВИТАЦИКЛ" для снабжения экипажа МКС свежей витаминной зеленью с заданной проектной производительностью 150 г свежей биомассы в сутки, что в несколько раз выше, чем у любой из существующих исследовательских космических оранжерей, как это видно из таблицы В1 с приведенными сравнительными характеристиками космических оранжерей.
В работах /1, 2, 13, 84, 19, 20/ было показано, что производство скоропортящейся салатной зелени целесообразно организовывать с помощью так называемого конвейерного посева, т.е. путем периодической посадки и уборки растений на части посевной площади с заданным сдвигом по времени. С учётом этого была поставлена задача создания
производственной конвейерной космической оранжерее, как элемента конкретной СЖО экипажей космического корабля.
Таблица В1
Характеристики современных космических оранжерей (по данным работ /3,32/)
- проектные параметры.
Конструкции известных экспериментальных космических оранжерей не предусматривают конвейерного посева с возможностью обеспечения урожаем салатной зелени каждые несколько суток, а их производительность, как видно из данных таблицы В1, не удовлетворяет заданным жестким ограничениям для производственной оранжереи МКС. Вследствие этого возникла необходимость проведения комплекса дополнительных исследований по разработке конструкции производственной салатной космической оранжереи с конвейерным посевом. В ходе проведения этой работы была разработана
единственная на сегодняшний день конструкция производственной конвейерной оранжереи с цилиндрической посадочной поверхностью под названием "ВИТАЦИКЛ", способная работать как в условиях космического полета в качестве космической оранжереи в составе СЖО МКС, так и в наземных условия /62, 63/. В разработанной для нее СКС были использованы принципиально новые способ и устройство с реверсивной периодической водоподачей в корневую зону растений. Результаты разработки этой СКС составляют основу данной диссертации и вошли в гл. 1 и 2. В частности, в гл. 1 дано описание проведенной работы по оптимизации водных потенциалов в корнеобитаемой зоне растений и выбору почвозаменителя для заполнения корневых модулей (КМ) с малым удельным объемом на единицу биомассы выращиваемых растений, учитывающих специфику использования в космических оранжереях. Под кеемичешиги лтип&Еа^гьзавже^ пористым капиллярным субстратом или просто субстратом в данной работе подразумевается такая корнеобитаемая среда, у которой твердая фаза обладает заметными ионообменными свойствами /1, 2/. Подобные среды нашли применение практически во всех известных в настоящее время конструкциях космических оранжерей. Под КМ в работе подразумеваются небольшие вегетационными сосуды или контейнеры, заполненные, как правило, капиллярно-пористой корнеобитаемой средой с твёрдой матрицей.
В 1997 г. в ГНЦ РФ ИМБП РАН было разработано "Техническое задание на космический эксперимент "ВИТАЦИКЛ-Т". Одной из задач этого эксперимента является экспериментальная проверка в натурных условиях режимов работы созданной СКС. Эксперимент с аппаратурой ВИТАЦИКЛ-Т" был принят секцией №3 КНТС РАН и Росавиакосмос и включён в 1999г в "Долгосрочную программу научно-прикладных исследований и экспериментов, планируемых на Российском сегменте МКС". В настоящее время изыскиваются средства для реализации этой программы.
В 2001 г. представителями отдела СЖО РКК "Энергия" был проведен анализ наличных на сегодняшний день и планируемых на ближайшее будущее ресурсов на борту PC МКС. Анализ позволил уточнить приемлемые на сегодняшний день характеристики для производственной космической оранжереи и показал, что запланированное ранее энергообеспечение на оранжерею "ВИТАЦИКЛ" не может быть выделено в полном объеме в ближайшем будущем. В связи с этим в 2002 г. в рамках финансируемого МНТЦ Проекта №2137 была поставлена задача создания прототипа производственной салатной космической оранжереи "Фитоконвейер" с приемлемыми на сегодня более жесткими характеристиками, которые приведены в таблице В2.
Для создания космической оранжереи "Фитоконвейер" была проведена работа по
оптимизации технологических параметров СКС, таких, как длительности рабочих режимов и характерные размеры КМ. Результаты вошли в гл. 3 диссертационной работы.
Таблица В2 Проектные характеристики экспериментального образца космической оранжереи
"Фитоконвейер" для Российского сегмента МКС
Таким образом, целью данной работы являлась разработка метода и аппаратуры корневого снабжения растений для производственных салатных оранжерей системы жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов.
Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи.
Разработана и апробирована система корневого снабжения зеленных растений с реверсивной периодической водоподачей, способная работать как в условиях невесомости, так и в наземных условиях.
Разработана методика расчёта параметров рабочего режима СКС для работы с блоком корневых модулей конвейерной производственной космической оранжереи.
Разработана компьютерная программа для расчёта статического распределения водного потенциала в цилиндрических корневых модулях космической оранжереи с капиллярно-пористым почвозаменителем, а также для расчёта переходного процесса влагосодержания в режиме откачки воды из корневого модуля, применительно к условиям невесомости и к наземным условиям.
Разработана методика расчёта оптимальных конструктивных параметров корневого модуля космической оранжереи, как для наземных условий, так и для условий невесомости.
5. Теоретически и экспериментально обоснованы рекомендации к системе корневого снабжения производственной салатной космической оранжереи.
В данной работе изложены результаты исследований, проведенных в Государственном научном центре РФ - Институте медико-биологических проблем РАН (до 2001 г. именовавшегося ГНЦ РФ - ИМБП) за период с 1994 по 2003 гт под руководством д.т.н. Ю.А. Берковича. Часть работ была проведена при финансовой поддержке за счёт грантов: с 1995 по 1997 гт. в рамках контракта Мир-НАСА NAS -15-10110, ас 2002 г. в рамках проекта №2137 в Международном научно-техническом центре. Автор выражает благодарность организациям, предоставившим гранты. Методы исследования
В процессе работы были использованы как расчетные методы, например, численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, так и экспериментальные исследования. С помощью численных методов были получены частные решения дифференциального уравнения влагопереноса в ненасыщенной пористой среде с учетом влияния силы тяжести. Получены зависимости, описывающие распределение ВП и водосодержания по объему цилиндрического КМ, а также длительность переходного процесса откачки воды под постоянным разрежением в зависимости от характерных размеров КМ. Полученные модели позволили оптимизировать выбор характерных размеров КМ и параметров рабочих режимов СКС. Статистическая обработка экспериментальных результатов и графические построения проводились с использованием персонального компьютера в программах Excel, QuattroPro, MatchCad, MathLab. Метод вегетационных опытов позволил провести идентификацию моделей по результатам экспериментов и экспериментально обосновать единые требования к конструкции КМ и к режимам полива и аэрации корневой системы как для наземных условий, так и невесомости. Научная новизна работы
Способ и устройство для корневого питания растений с периодической реверсивной водоподачей через запорную мебрану для производственной космической оранжереи;
Методика наземного исследования и экспериментальные данные об оптимальном диапазоне водных потенциалов в корнеобитаемой зоне растений в космической оранжерее;
Экспериментальная оценка гидрофизических характеристик волокнистого ионообменного почвозаменителя БИОНА-ВЗ и их изменений в процессе длительного использования для выращивания растений;
Методика расчёта конструктивных параметров цилиндрического КМ производственной оранжереи;
Методика расчёта параметров рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в КМ конвейерной космической оранжереи.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
разработаны и практически реализованы новый метод и аппаратура для системы корневого снабжения с периодической раверсивной водоподачей;
разработана система корневого снабжения для наземного образца конвейерной салатной космической оранжереи "Фитоконвейер";
разработаны и внедрены в практику методики расчета конструктивных параметров цилиндрического корневого модуля производственной оранжереи и рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули конвейерной производственной космической оранжерее.
На защиту выносятся следующие основные положения:
способ и устройство для корневого питания растений с периодической реверсивной водоподачей через запорную мембрану для салатной космической оранжереи;
система корневого снабжения для растений в конвейерной салатной космической оранжерее;
методика расчета рабочего режима системы корневого снабжения с периодической реверсивной водоподачей в корневые модули конвейерной салатной космической оранжереи;
методика расчета конструктивных параметров цилиндрического корневого модуля салатной космической оранжереи.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и научных форумах:
а 31, 32, 34 COSPAR scientific assembly (Birmingam, England, 1996; Nagoya, Japan, 1998, Houston, USA, 2002);
10-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, Washington, 1994);
III Международное рабочее совещание по биомедицинским исследованиям в космосе "Варна-95" (Варна, Болгария, 1995)
a 2-я Российско-Американкая конференция по программе "Мир-НАСА"(г.Королёв, 1996);
3-й Российско-Американский симпозиум по программе "Мир-НАСА"(Хантсвилл, США, 1997);
6-th European symposium on space environmental control systems (Noordwijk, The Netherlands, 1997);
13-th Meeting of American society for gravitational and space biology (USA, Washington, USA, 1997);
a 2-й, 3-й, 4-й Международный аэрокосмический конгресс (Москва, 1997,2000, 2003);
XI Конференция по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва,
1998);
a 3-d International conference "Life support and Biosphere science" (Orlando, USA, 1998); a 8, 10, 12-я Всероссийская школа "Экология и почвы" (Пущино, 1998,2001,2003);
Всероссийская конференция «Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и
защита человека в окружающих условиях» (Москва, 2000,2003);
a 30-th International Conference on Environmental Systems, (Toulouse, France, 2000);
51-st International Astronautical Congress, (Rio de Janeiro, Brazil, 2000).
Материалы диссертационной работы опубликованы в 18 статьях и доложены в 21 докладе на научно-технических конференциях. Новизна результатов защищена Российским патентом и двумя авторскими свидетельствами СССР.
Диссертация изложена на 128 страницах, включая 15 таблиц, и 30 рисунков, и состоит из введения 3-х глав, заключения и списка цитированной литературы.
Транспирация и водные потенциалы в тканях растений и почве. Доступность почвенной влаги для растений в полевых условиях
Для описания энергетического состояния воды в почве используют скалярную величину, являющуюся мерой потенциальной энергии, а именно полный потенциал почвенной воды, Рп, именуемый для краткости полным водным потенциалом (ПВП). ПВП отличается от термодинамического потенциала Гиббса тем, что дополнительно учитывает потенциальную энергию воды во внешнем силовом гравитационном поле /15, 17, 18, 46, 53, 54/. ПВП принято составлять из трех независимых экспериментально измеряемых водных потенциалов: осмотического, Роем, гравитационного, Рп и тензиометрического, Рт 117, 18,46, 53,54/:
Последний из них - тензиометрический потенциал Рт объединяет в себе также три потенциала: пневматический РА , капиллярно-сорбционный Рк (или матричный Рм) и потенциал давления РЕ :
В основе этого объединения лежит то, что величина потенциала Рт определяется экспериментальным путем с помощью так называемых тензиометров. На практике возможные изменения пневматического давления в корнеобитаемой зоне почвы настолько малы, что составляющей РА можно пренебречь. Если еще при увлажнении почвы или используемого в искусственных условиях почвозаменителя механическое давление в ее толще не увеличивается заметно, то также можно пренебречь и составляющей РЕ. В этом случае, характерном для почвозаменителей в КМ, тензиометрический потенциал сводится к капиллярно-сорбционному, который в дальнейшем будем называть "водным потенциалом" (ВП).
Гравитационный потенциал, Рг, измеряется работой по подъему воды против действующей силы тяжести от уровня с нулевым ВП до рассматриваемого уровня. Поэтому он оказывается равным давлению столба воды высотой указанного подъема: Рг = рдК где р - плотность воды, д - ускорение свободного падения; h - высота столба. Сумму Рт + Рг принято называть гидравлическим потенциалом , Рг/lS/.
Расчёты показывают, что величиной осмотического потенциала в выражении (1.1) при концентрациях растворов, используемых обычно для выращивания растений в нормальных условиях, можно пренебречь. Если также можно пренебречь, как было сказано, величинами РЕ и РА, ТО величина ПВП сводится к гидравлическому, равному сумме капиллярно-сорбционного и гравитационного, а в условиях невесомости - к капиллярно-сорбционному потенциалу, что является важным упрощением для практических расчетов. Удобными бывает представление составляющих ПВП в единицах давления, либо напора, то есть высоты водяного столба. Соответственно, для их обозначения используют символ давления, Р, или высоты столба воды, h.
Согласно существующим представлениям /18/, транспирация воды определяет массоперенос воды в цепочке: почва -» корни -» стебель — листья - атмосфера. Транспирация воды возможна только в том случае, если ПВП в листьях меньше, чем в почве. При активной транспирации эта разница может достигать 1000 Дж/кг (1000 кПа), а прекращение транспирации происходит при снижении этой разницы примерно до 100 Дж/кг (100 кПа). Связанное с дефицитом воды снижение транспирации обусловлено защитной реакцией растения на потерю тургора, заключающейся в закрытии устьиц. Так как через устьица в листья поступает углекислота, то при закрывании устьиц ее приток снижается, и вместе с этим снижается скорость фотосинтеза, в ходе которого образуются углеводы из воды и С02. Это приводит к снижению продуктивности растений. Нижний предельный уровень влажности почвы для вегетирующих растений в почвоведении называют влажностью завядания, которому для случая произрастания растений в природном почвенном слое почв соответствует ВП порядка -1500 Дж/кг (или -1500 кПа, или -150 м вод. ст.) /15, 18,46/. При достижении влажности завядания в корнеобитаемои зоне транспирация растений обычно прекращается. Интенсивность продукционного процесса растений постепенно увеличивается с увеличением ВП от нижнего уровня, соответствующего влажности завядания, вплоть до некоторого верхнего граничного значения.
Для обеспечения высокой продуктивности растений необходимо учитывать не только значение ВП, но также интенсивность аэрации корневой зоны, обеспечивающей подачу кислорода для дыхания корней и отвод с помощью вентиляции газообразных корневых метаболитов. Хорошая аэрация почвы оказывается возможной тогда, когда часть ее пор заполнена воздухом /15, 18, 46 и др./, что в природных условиях обеспечивается благодаря гравитационному стоку части поливной воды. Однако слишком интенсивный гравитационный сток поливной воды ведет, с одной стороны, к перерасходу воды и затраченных на полив энергоресурсов, а с другой - к выносу полезных элементов минерального питания из верхних слоев почвы. Поэтому рекомендуется проводить расчеты полива, соотнося его с количеством влаги, которое почва способна удержать после полива и последующего свободного стока гравитационной воды /38/. Эта характеристика влагоемкости почвы, определяющая верхнюю границу достижимых на практике равновесных ВП в верхних слоях почвы, называется общей (по Н.А. Качинскому) или наименьшей (по А.А. Роде) влагоемкостъю почвы, или предельной полевой (по А.П. Розову) или полевой (по СИ. Долгову) влагоемкостъю, и может зависеть как от состава почвы, так и глубины грунтовых вод. Учитывая реальное снижение продуктивности растений по мере понижения ВП почвы, в работе /38/ дана ориентировочная таблица нижних уровней оптимального диапазона ВП для различных культур на средне-суглинистых почвах. Примеры таких уровней ВП для ряда культур приведены ниже в таблице 1.1. Уровни В П, вошедшие в таблицу, были получены с помощью тензиометров, которые устанавливали в корнеобитаемом слое почвы, например, для овощных культур на глубине 5-10 см. Суть рекомендации по использованию таблицы в том, что когда показания тензиометра достигают значений ВП, указанных в табл. 1.1, следует провести полив растений. Отмечено также, что для почв легкого гранулометрического состава (пески, супески) величины ВП следует увеличивать (или уменьшать по абсолютной величине) на 5 кПа, а для тяжелых суглинков - уменьшать на 5 кПа по сравнению с приведенными в таблице 1.1.
Критерием выбора нижней границы ВП при поливе предложено считать либо значимое снижение урожайности, либо снижение относительной транспирации, равной отношению действительной транспирации растений к потенциальной /38/, а также обнаружение признаков стресса у растений. Однако контроль относительной транспирации вызывает технические затруднения, а признаки стресса проявляются обычно значительно ниже тех ВП, которые соответствуют максимальной продуктивости растений /80, 89, 116/. Следовательно, более точным и удобным критерием оптимальных ВП в корневой зоне можно считать получение максимальной продуктивности растений.
Преимущества и недостатки известных систем корневого снабжения для космических оранжерей
Среди КМ, в которых растения выращивали непосредственно на поверхности пористых мембран, наибольшую продуктивность обеспечил КМ 3. В этом КМ при уровне ВП, равном -0,4 кПа, было получено сухой биомассы растений в 1,6 раз больше, чем в КМ 2, имеющем такую же удельную площадь поверхности мембраны на одно растение, и в 2,3 раза больше, чем в КМ 1. Различие в продуктивности растений в КМ 2 и КМ 3, возможно, было частично обусловлено разностью в реальных величинах ВП в зоне преимущественного сосредоточения корней, вызванной действием силы тяжести в наземных опытах. На плоской мембране фактическое значение ВП соответствовало заданному, а на трубке в нижней ее части реальный ВП был выше по сравнению с заданным, установленным на уровне оси трубки, на величину водного столба, равного радиусу трубки. Вследствие этого акватропизм корней привел в вариантах КМ с пористыми трубками к преимущественному развитию корневой системы в их нижней части. Однако, согласно работе /75/, даже снижение ВП от -0,4 кПа до -1,4 кПа, т. е. на порядок больше, чем между верхней и нижней точками поверхности пористой трубки, вызывало в КМ 3 уменьшение общей биомассы растений пшеницы не более, чем на 42%. Таким образом, основную причину различия в продуктивности растений в КМ 2 и КМ 3 следует отнести за счет влияния формы мембран и посадочных устройств в КМ, Более медленный рост растений в КМ 1 по сравнению с КМ 3 был обусловлен, по-видимому, частичным подсыханием относительно крупных семян пшеницы на поверхности трубки с радиусом кривизны, соизмеримым с размером семян. Это могло привести к замедлению поступления питательных веществ из зерновок в проростки на ранних этапах развития.
Уменьшение массы целого растения по вариантам опыта происходило главным образом за счет уменьшения массы побегов, что подтверждают данные на рис. 1.10 Б и В. Соотношение массы корня и побега при уровне ВП равном -0,4 кПа практически не изменялось во всех типах исследованных КМ. Понижение ВП до -5,0 кПа в большей мере снижало массу побегов, чем корней, что приводило к увеличению доли корня в массе целого растения на фоне снижения общей продуктивности растений. Такое изменение архитектоники растения является характерной реакцией на ухудшение условий в корнеобитаемой среде и свидетельствует о том, что в исследованном диапазоне ВП действуют обычные механизмы адаптации растений.
Анализ роста и развития растений по вариантам опыта показал, что число сформированных боковых побегов является для пшеницы одним из наиболее чувствительных показателей (рис. 1.10 Г). Данный показатель коррелировал с массой побега и особенно тесно с площадью листовой поверхности (рис. 1.10 Д), но не с массой колосьев растения. Масса колосьев в КМ без перлита мало зависела от величины ВП, а в вариантах КМ с перлитом даже возрастала при ВП, уменьшенных с -0,4 до -3,0 кПа (рис. 1.10 Е). Эти данные показывают, что интенсивное образование побегов кущения при повышенной объемной влажности перлита (около 63 %) может привести к существенному увеличению массы вегетативных органов при незначительном изменении зерновой урожайности. Число цветков в колосе главного побега, являющееся важнейшей составляющей потенциальной зерновой урожайности растения, также оказалось стабильным при различных ВП (рис. 1.10 Ж). При ВП на уровне -0,4 кПа растения, выращенные в КМ с перлитом, превосходили по данному показателю растения, выращенные непосредственно на пористых элементах, всего в 1,2-1,6 раза. При понижении ВП различия в числе цветков по вариантам опыта практически исчезали. Важным показателем, позволяющим косвенно судить об особенностях условий корнеобитаемой среды, является структура корневой системы. Согласно полученным данным, при ВП на уровне -0,4 кПа растения, выращенные в КМ 3 и КМ 5, существенно превосходили по общей длине корней растения, выращенные в КМ 1, КМ 2 и КМ 4. Это свидетельствует об интенсивном ветвлении корней в КМ 3 и КМ 5. Понижение ВП в корнеобитаемой среде привело к уменьшению общей длины корневой системы растений в КМ 1, КМ 3 и КМ 5, что указывает на ингибирование процесса ветвления корней в процессе роста.
Конструкция КМ существенно влияла на объемное распределение корней. Так, при выращивании растений непосредственно на пористых трубках (КМ 1 и КМ 3), как уже отмечалось, образовывался корневой мат в основном на нижней части трубок. При выращивании на плоских мембранах корневой мат образовывался непосредственно на всей их поверхности, как в варианте без перлита, так и с перлитом. В последнем случае (КМ 5) корневой мат как бы отделял мембрану от перлита, причем в слое перлита корней практически не оказалось. При выращивании растений в КМ 4, снабженном пористой трубкой, погруженной в перлит, корни располагались как на трубке, так и на дне КМ. При этом при ВП равном -0,4 кПа корневая система была относительно равномерно распределена по объему перлита, расположенного ниже трубки, а корневой мат на дне сосуда был слабо выраженным. При уровнях ВП равных -3,0 и -5,0 кПа большая часть корней образовывала корневой мат на дне КМ, меньшая часть корней располагалась непосредственно на трубке и очень незначительная доля корней находилась в слое перлита между трубкой и придонным корневым матом. Соотношение масс корней, находящихся на дне КМ, на трубке и в перлите, составляло приблизительно 7:2: 1. Привлекает внимание тот факт, что растения, выращенные в КМ 4, на всех исследованных уровнях ВП отличались относительно малой длиной корневой системы, измеренной методом пересечений, на единицу массы корней. Очевидно, что корневой мат в КМ представляет собой особую капиллярно-пористую среду с гидрофизическими характеристиками, зависящими от диаметров корней, плотности их переплетения и других характеристик корневой системы, нестационарных в онтогенезе растений.
Разработка и. идентификация общих математических моделей движения воды в корневых модулях с пористым почвозаменителем
Первый тип СКС предусматривает подачу в субстрат воды объемным дозатором через перфорированные или пористые распределители по сигналу обратной связи от регулятора с датчиками влажности, размещенными в корневой матрице /42/. Для вентиляции корнеобитаемои среды предусмотрена периодическая подача воздуха через распределительные перфорированные трубки, погруженные в субстрат. Работоспособность описанной СКС в целом подтверждена в экспериментах в космической оранжерее "Свет" на российской ОС "Мир", однако, в ходе этих экспериментов не всегда обеспечивался оптимальный водно-воздушный режим в корнеобитаемои среде /42, 105/. В числе возможных причин отклонений от штатного режима называли: неточность регулятора увлажнения вследствие погрешностей измерения датчиками влажности, отличный от ожидавшегося по результатам наземных испытаний характер перераспределения влаги в корнеобитаемои среде, наличие значительного гистерезиса ее гидрофизической характеристики и др. причины /2,3,42,41, 93/. Однако, можно отметить и ряд дополнительных недостатков такой системы.
В данной СКС трудно устранить переувлажнение слоя корнеобитаемои среды, которое может возникнуть вследствие сбоя в работе системы регулирования, ошибки оператора и т.д. Действительно, при принудительной продувке пористого субстрата почти весь воздух проходит через самые крупные поры, объемная доля которых в реальных почвозаменителях мала, а конвективный вынос паров воды, являющийся основным механизмом осушения в описываемой системе, крайне замедлен /42,105/. а Продувка корнеобитаемой среды потоком воздуха, влажность которого обычно минимум на 10% и ниже влажности газа в порах аэрации, сопровождается конвективным выносом паров из крупных "транспортных" и примыкающих к ним пор, что неизбежно приводит к некоторому осушению корней, расположенных в порах аэрации и вблизи к ним. СКС требует наличия датчиков влажности капиллярно-пористого почвозаменителя в каждом КМ оранжереи, что существенно снижает надёжность системы и усложняет обслуживание СКС для случая конвейерного посева растений из-за необходимости переустанавливать и повторно тарировать датчики после уборки очередного шага конвейера, замены отработавшего субстрата и т.д. В СКС второго типа подача воды к корням в почвозаменителе производится за счет капиллярного переноса через насыщенные водой запорные мембраны при условии поддержания в воде под ними давления несколько ниже атмосферного /68, 71, 84/. Удовлетворительное обеспечение аэрации корнеобитаемой средеы в СКС такого типа в наземных условиях может происходить путём диффузионного обмена с атмосферой через незаполненные водой поры аэрации без принудительного проветривания, что было экспериментально показано как авторами работ /71, 101, 112/, так и в наших исследованиях по определению диапазона оптимальных ВП (см. выше п. 1.2.1). В работах /68, 112, 108/ бьшо показано, что продуктивность растений в случае выращивания растений непосредственно на поверхности запорной мембраны весьма чувствительна к величине разряжения под мембраной, что предъявляет повышенные требования к точности работы СКС. В гл. 1 бьшо показано, что заполнение корнеобитаемой зоны капиллярно-пористым почвозаменителе в КМ с запорными мембранами улучшает условия обитания корневой системы и, как следствие, обеспечивает повышение продуктивности растений при одинаковых энергозатратах на освещение. Однако, эта СКС, как и первая, имеет некоторые существенные недостатки. Проблемой для СКС второго типа, как и первого, является низкая скорость влагопереноса (или рассасывания) от подающих воду элементов в виде перфорированных или пористых трубок, в более сухие зоны на периферии корнеобитаемой среды, особенно, по мнению авторов работы /42/, в условиях микрогравитации. Этот эффект вызывается, главным образом, значительными различиями влагопроводности у верхней и нижней границ оптимальных ВП для большинства используемых почвозаменителей. а Другим недостатком СКС второго типа можно назвать сложность осушения корнеобитаемой среды в случае переувлажнения из-за ошибки настройки, либо другой нештатной ситуации. Для устранения или снижения влияния недостатков известных СКС, а также для сохранения основных их достоинств, нами была предложена СКС нового типа с принудительной реверсивной водоподачей в корнеобитаемую среду через запорную мембрану/10, 11/. В основу разработки новой СКС были положены следующие положения: проблемы, связанные с опасностью недостаточного увлажнения удаленных от запорной мембраны зон корнеобитаемой среды, могут быть полностью устранены в СКС путем принудительной дозированной подачи воды в ВЗ КМ; проблемы с аэрацией корнеобитаемой среды, возникающие вследствие возможного переувлажнения/затопления могут быть устранены путем принудительной откачки избытка воды через запорную мембрану; принудительно чередующиеся затопление и откачка жидкости в корнеобитаемой среде КМ позволяют как в невесомости, так и в наземных условиях, осуществлять полив и затем аэрацию только что затопленных участков корнеобитаемой среды, подобно тому, как это обычно происходит при поливе почвы с последующим стоком свободной гравитационной воды в наземных условиях; стабилизация разрежения при откачке воды из корнеобитаемой среды задает ее остаточную влажность в конце переходного процесса, которая оценивается по ОГХ почвозаменителя; с учетом этой влажности можно рассчитать необходимый объем дозы воды для последующей принудительной закачки. С учетом этих соображений нами была предложена СКС с периодической реверсивной подачей воды, включающая принудительную закачку определенной дозы воды в корнеобитаемой среду в КМ, чередующуюся с принудительной откачкой воды до фиксированного ВП в КС /10,11/. Схема варианта устройства разработанной СКС применительно к условиям невесомости изображена на рис. 2.1. Устройство включает герметичный резервуар (1), снабженный стабилизатором пониженного давления - например, мембранным насосом или воздушным компрессором (2), который соединен всасывающим входом с атмосферой резервуара (1), а выходом обращен в открытую атмосферу. Резервуар (1) соединен двумя параллельными ветвями трубопроводов (3) и (4) с двумя концами пористой трубки запорной мембраны (5). Запорная мембрана (5) погружена в капиллярно-пористый субстрат (6), помещенный в корпус (7) с посадочными отверстиями (8). В ветвь (3) трубопровода включен насос объемного дозирования (9), обращенный всасывающим входом к резервуару (1), а напорным выходом - к трубке (5). В ветвь (4) трубопровода включен кран (10), фильтр (11) для очистки от органических примесей и жидкостной расходомер (12). Циклограмма работы исполнительных механизмов регулируется программатором (13).
Апробация разработанной системы корневого снабжения растений в вегетационных опытах с зеленными растениями
Основой при разработке гидравлической схемы и циклограммы работы блока водообеспечения (БВО) для БКМ СКС конвейерной оранжереи послужило устройство реверсивной водоподачи в единственный КМ, схема которого была приведена на рис 2.1. При анализе возможных решений задачи по выбору структуры БВО для БКМ учитывались следующие соображения: Структура БВО должна обеспечивать приемлемый уровень надёжности работы при заданных ограничениях на габаритно-весовые характеристики блока; надёжность системы в первую очередь зависит от количества насосов-дозаторов (рис. 2.1, поз.9), обслуживающих БКМ путем поочередного подключения к ним КМ. Увеличение количества насосов в структуре БВО, с одной стороны, увеличивает надёжность его работы, а с другой — повышает суммарную массу и объём конструктивных элементов;
БВО должна работать в автоматическом режиме, обеспечивая реверсивную водоподачу в БКМ как на этапе разгона растительного конвейера, так ив стационарном режиме; при этом в ней необходимо предусмотреть средства контроля за ВП во всех КМ с соответствующими средствами сигнализации нештатных ситуаций; Конструкция БВО должна предусматривать возможность отсоединения и подсоединения КМ для замены отработавшего почвозаменителя без нарушения герметичности гидравлической схемы; Конструкция БВО должна предусматривать возможность освобождения гидравлического контура от выделяющихся в нём в ходе работы воздушных пузырьков, способных в случае их накопления нарушить работу блока; В составе БВО желательно иметь ёмкость с запасом воды для обслуживания растений в конвейерной космической оранжерее в автономном от бортовой системы водообеспечения режиме в течение не менее 5 суток для снижения трудозатрат по дозаправке космической оранжереи водой и на случай нештатных ситуаций. В качестве комплектующих в составе БВО желательно использовать исполнительные механизмы и комплектующие, прошедшие проверку в ранее созданных гидравлических узлах и блоках СЖО на ОС "Мир" и МКС, что гарантировало бы их надежность и работоспособность в составе БВО космической оранжереи. Учитывая положительный опыт многолетнего использования для СЖО российского орбитального космического комплекса "Мир" целого ряда электрогидравлических исполнительных элементов, разработанных организациями отечественного промышленно-космического комплекса (НИИХИММАШ, ГИДРОМАШ, КТЗ и др.), было принято решение о преимущественном их использовании в разрабатываемой конструкции БВО. В частности, в качестве насоса-дозатора был применён поршневой насос-дозатор типа МН 62 15 с величиной дозы 15 мл и периодичностью хода 4 сек, в качестве источника разрежения — насос мембранный типа ЩОЗ, а в качестве средства коммутации гидравлических магистралей - импульсный двухпозиционный электроклапан типа УФ 96 259. Важным для выбора структуры БВО является выбор источника разрежения в гидравлическом контуре (рис. 2.1, поз. 2), обеспечивающего откачку воды из КМ как в наземных условиях, так и в условиях микрогравитации. В качестве такого источника могут быть использованы устройства, включающие, например, управляемый побудитель разрежения в газовой или жидкой фазе с датчиком давления в контуре обратной связи, например, компрессор или вакуумный насос. Однако, такие устройства сложны, недостаточно надёжны и являются источниками дополнительных шумов. Вследствие этого были выбраны мембранные насосы с калиброванными пружинами, разработанные в НИИХИММАШ для решения аналогичных задач для СЖО ОС "Мир". Для удаления от газовых пузырьков из воды в магистралях в схеме использован статический разделитель на пористых гидрофильных трубках, а для демпфирования импульсов давления при качках насоса-дозатора в схему включен мембранный ресивер-аккумулятор, разработанные в той же организации. Анализ вариантов структуры БВО с упомянутыми комплектующими показал возможность создания устройства с одним насосом-дозатором при условии применения дополнительно разработанного нами специального поворотного жидкостного распределителя, позволяющего соединять входную и выходную магистрали БВО с любым из КМ в БКМ путём поворота коммутационного диска. Таким образом, разработанная нами гидравлическая схема БВО, которая представлена на рис. 2.8, за счет поочередной реверсивной водоподачи во все КМ оранжереи позволила использовать минимальное количество исполнительных механизмов и, тем самым, существенно минимизировать вес и объём системы по сравнению, например, с вариантом автономной водоподачи в каждый КМ. Основные режимы или операции работы разработанной схемы приведены в таблице 2.1 с указанием положения электромагнитных клапанов, пронумерованных в схеме на рис. 2.8. Циклограмма работы БВО, показанная на рис. 2.9, поясняет его действие в СКС оранжереи с 6-ю КМ. Согласно разработанной циклограмме, в течение фазы паузы между закачкой и откачкой воды в любом КМ БВО осуществляет поочередно откачку и закачку воды во всех остальных КМ.
В то же время длительность этих фаз циклограммы не может быть выбрана произвольным образом. Например, приведенное выше уравнение (2.4) выражает связь суммы длительностей фаз I и II в циклограмме на рис. 2.9 с величиной дозы воды, подаваемой в КМ при закачке, и интенсивностью водопотребления этой воды посевом растений. Кроме того, интенсивностью потребления воды растениями на транспирацию в КМ зависит от возраста растений (или номера шага конвейера в оранжерее), также связана она и с планируемой производительностью космической оранжере, видом растений и длительностью их вегетации. Существуют также трудности выбора параметров циклограммы работы проектируемой СКС для конвейерной оранжереи, связанные с нестационарностью характеристик корнеобитаемой среды в процессе вегетации. Так, в разделе 2.1.4 отмечено, что гидрофизические характеристики корнеобитаемой среды в КМ могут со временем меняться под воздействием развивающейся корневой системы, формирующейся микрофлоры и сопутствующих им физико-химических процессов. Следовательно, длительность переходного процесса откачки воды из КМ, Тп, зависящая от гидрофизических свойств корнеобитаемой среды, также может быть нестационарным параметром, что необходимо принимать во внимание при расчёте циклограммы на рис. 2.9. Наши опыты показали также, что скорость закачки воды в КМ имеет ограничение сверху, при превышении которого на поверхности КМ могут появиться капли воды и, соответственно, протечки в вегетационную камеру оранжереи.
Разработанные нами методики экспериментального обоснования и расчёта параметров и режима работы БВО при конструировании СКС с периодической реверсивной водоподачей, описанию которых посвящена следующая глава диссертации, позволяют разрешить проблемы, возникающие при расчёте конструктивных параметров и режимов работы СКС для конвейерной космической оранжереи.
