XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Спецификой современного тепличного растениеводства является высокая технологичность. Поэтому основной задачей производства защищенного грунта является повышение продуктивности фотосинтеза выращиваемых растений в условиях искусственного микроклимата при минимальных энергозатратах. Следовательно, важной научной и практической проблемой является разработка, создание, внедрение эффективных энергосберегающих технологий и оборудования на основе новейших достижений науки и техники. Одним из перспективных направлений в светокультуре являются оптические электротехнологии переменного облучения растений. Оптическими электротехнологиями называют процессы, в которых энергия оптического излучения используется не только как энергетический фактор, но и как управляющий (регулирующий, стимулирующий) фактор. Энергия оптического излучения способна предопределять рост и форму растений, влиять на размер, геометрию и колористику листьев, продлевать или сокращать отдельные вегетационные периоды. Такие технологии характеризуются переносом и преобразованием потока энергии оптического излучения. Цель преобразований – трансформация параметров энергии оптического излучения для получения требуемого технологического эффекта. Технические средства в совокупности с растением, как с биологическим объектом, образует биотехническую систему. Таким образом, ключевыми моментами такой системы являются: способы создания переменного облучения; адаптационные свойства биологического объекта к создаваемым условиям; поиск оптимальных параметров светового режима для повышения продуктивности фотосинтеза.

Необходимо отметить следующее: некоторые облучательные установки, предназначенные для тепличного производства, невозможно классифицировать однозначно, т.к. в них используются и совмещаются несколько способов создания облучения. Например, прерывистый (или переменный) способ используется с разноспектральным (разноэнергичным), и здесь существует множество вариантов:

 либо лампы разного типа с различным спектральным составом попеременно или совместно с последующим отключением;

 либо монохромотическое излучение, которое обеспечивают светодиоды, в определенный промежуток времени определенный тип спектра и т.д. Например, канадская технология, когда при создании переменного облучения радиационный режим регулируется при помощи конструкционной особенности стеллажа. Посредством тросовой тяги периодически осуществляется смена нижнего уровня на верхний и смена искусственного облучения на естественное (и наоборот) [1]. Таким образом, установлено, что в понятие биотехнической системы, применительно к оптической электротехнологии переменного облучения растений, должны входить:

 биологический объект (культура, сорт, вегетационная фаза);

 светотехническое оборудование (источники излучения, светильники и т.д.);

 техническое оборудование, устройства, механизмы, дополнительные электрические схемы, при помощи которых меняются параметры световогополя (в зависимости от выбранного способа облучения);

 различные по конструкции стеллажи, задающие пространственное положение рабочей (облучаемой) поверхности.

Каждая часть данной биотехнической системы содержит множество факторов, отражающих основные аспекты построения технологических схем облучения тепличных растений. Комбинации значений каждого из признаков приводят к синтезу конкретных типов технологических схем облучения. Биотехническая система оптических электротехнологий переменного облучения растений делится на две основные части – техническую и биологическую.

В свою очередь, техническая часть делится на светотехническое оборудование, техническое оборудование и конструкцию стеллажа.

Совокупность светотехнического оборудования, технического оборудования, конструкции стеллажа при взаимодействии с биологическим объектом (растение, фитоценоз) неизбежно влечет за собой возникновение биотехнической системы с преобладанием определенных технических компонентфизического, химического или механического характера. Причем при временно-пространственном согласовании и совместной работе биологической и технической составляющих биотехнической системы возникают различные функциональные состояния как отдельных элементов, так и системы в целом. Переменное облучение растений характеризуется следующими параметрами: интенсивность, спектральный состав, длительность и периодичность воздействия, пульсация облучения, направленность воздействия, скорость изменения параметров облучения. Важным вопросом является изменение величины оптической энергии во времени. Некоторые переменные параметры радиационного режима, в том числе в силу происходящих естественных процессов, являются временными характеристиками переменного облучения растений, а именно:

 длительность воздействия на биологический объект оптическим излучением как искусственным, так и естественным в течение суток (или за вегетационный период);

 периодичность воздействия (ритм облучения), например, переменный

способ облучения, формирующийся при движении источника излучения;

 пульсация облучения (скважность), например, при импульсном способе облучения, т.е. кратковременное воздействие.

Параметры переменного облучения представлены на рисунке 1 [2].

На основании вышесказанного была создана классификация облучательных установок, которые используют оптическую электротехнологию переменного облучения растений [2, 5].

Рисунок 1 - Параметры переменного облучения

Важная особенность данной классификации состоит в том, что она отражает основные аспекты построения технологических схем облучения растений в теплице (рис. 2). Комбинации значений каждого из признаков приводят к синтезу конкретных типов технологических схем облучения[3].

Технологическая схема для выращивания рассады состоит из следующих элементов:

выращиваемая культура – рассада томатов;

источник облучения – газоразрядная лампа высокого давления;

способ облучения – переменный способ;

облучаемая поверхность – стеллаж с регулируемым углом наклона рабочей поверхности.

Но необходимо отметить, что полный технологический цикл от семенидо получения растениеводческой продукции – это цепочка технологических схем: для сеянцев, всходов, рассады, взрослой культуры. Анализ показывает, что наибольшее влияние на выбор технологической схемы оказывает первыйпризнак. Культура, сорт, вегетационная фаза выращиваемого растения определяют световой режим, который создает облучательная установка.

Рисунок 2 - Классификация облучательных установок

переменного облучения растений

Пространственное и поверхностное облучение объекта осуществляется одним или несколькими источниками излучения, причем, исходя из требуемого значения интенсивности облучения, спектрального состава, длительности воздействия и равномерности распределения в фитоценозе, выбирают наиболее рациональные параметры геометрии системы «облучатель – объект». Объемное облучение осуществляется через способ облучения, либо изменение положения рабочей поверхности относительно источника. Таким образом, в рассмотренной классификации основными влияющими на биологический объект факторами являются выбор источника излучения (интенсивность, спектр), способ создания переменного облучения, а также положение рабочей поверхности в пространстве теплицы. Правильный выбор способа облучения должен выполнять следующие задачи:

создавать световой режим, благоприятный для роста и развития биологического объекта;

создавать стимулирующее действие на растения, при котором увеличивается продуктивность фотосинтеза;

уменьшать энергоемкость и энергозатраты на технологический процесс выращивания тепличных растений с применением оптического излучения [4].

Как видно из многообразия возможных создаваемых технологических схем, применение переменных световых полей для облучения светокультуры как научное направление далеко не исчерпано. Большая часть идей даже недавнего прошлого еще не реализована, а тем более идеи нового поколения. С одной стороны, анализируя состояние развития промышленного тепличного растениеводства, выявлено, что используется один и тот же технологический способ выращивания – в горизонтальной плоскости один стеллаж, надкоторым создается «светящийся потолок» из стационарных ламп. Это достаточно простое техническое решение, сводящееся к выбору источника излучения по спектру и интенсивности. С другой стороны, существует огромноеколичество научных исследований, технических разработок, которые способствуют повышению продуктивности фотосинтеза растений и снижению энергоемкости. Оптическая электротехнология переменного облучения растений – одно из перспективных направлений энергосбережения в тепличном производстве [5]. Однако они не внедряются и не используются достаточно широко. Это объясняется, с нашей точки зрения, тем, что: существует огромное количество научных исследований, доказывающих эффективность применения оптических электротехнологий переменного облучения растений в тепличном растениеводстве. При этом нет единого мнения на чем основано положительное воздействие переменного облучения на биологический объект. Это связано со сложностью процесса фотосинтеза, где продуктивность фотосинтеза рассматривается как интегральная реакция на воздействие внешних условий. Оптическая электротехнология переменного облучения растений подразумевает использование технических средств, создающих переменное световое поле, параметры которого зависят от способа облучения. Каждая часть биотехнической системы содержит множество факторов. Между функционированием технической и биологической частей неизбежно возникают противоречия.

Отсутствует общая концепция развития научной и теоретической основы оптической электротехнологии переменного облучения применительно тепличным растениям. Отсутствует единый подход (метод) расчета облучательных установок, которые создают переменное облучение растений применительно к тепличному производству [6].

Можно сделать вывод, что отсутствие обоснованной системы нормирования приводит к тому, что отдельные исследования влияния различных световых режимов на растения, будучи не связанными с определенными критериями эффективности, носят характер общебиологических достижений и не получают выхода впрактику промышленного тепличного растениеводства, а данные биологических исследований имеют ограниченную область исследования. Систематизация известных результатов воздействий переменных световых режимов на растения является основной и пока нерешенной задачей при нормировании технологического освещения.

Литература

1. Клешнин, А.Ф. Растение и свет. Теория и практика светокультуры растений / А.Ф. Клешнин. – Москва: Изд-во АН СССР, 1954. – 456 с.

2. Автоматизация и электрификация защищенного грунта / под редакцией Л.Г. Прищепа. - М.: Колос, 1976. — 300 с.

3. Булыков В.И., Мансурова Л.А., Щеголева Ю.А., Щербачева Р.А., Чука- ев Б.И. Установка для ускоренного выращивания растений. "Механи­зация и электрификация социалистического сельского хозяйства", №1, 27-28, 1977.

4. Ключка, Е.П. Направления развития электротехнологий переменногооблучения растений: научная дискуссия: вопросы технических наук:материалы IV Международной заочной научно-практической конференции (12 ноября 2012) / Е.П. Ключка. – Москва: Изд-во Международный центр науки и образования, 2012. – С. 57–64.

5. Ключка, Е.П. Биотехническая система оптических электротехнологийпеременного облучения растений / Е.П. Ключка, Г.В. Степанчук// Международный сборник научных трудов Донской аграрной научно-практической конференции «Инновационные пути развития агропромышленного комплекса: задачи и перспективы» / Высокоэффективныетехнологии и технические средства в сельском хозяйстве. – Зерноград:ФГБОУ ВПО АЧГАА, 2012. – С. 149–152.

6. Ключка, Е.П. Энергосберегающий принцип для создания светового режима, повышающего продуктивность фотосинтеза растений защищенного грунта [Электронный ресурс] / Е.П. Ключка, Г.В. Степанчук// Научный журнал КубГАУ. – 2011. – № 67 (03). – 10 с. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/03/pdf/32. pdf

Код для цитирования: Скопировать