CC BY
168
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 90._
РАЗДЕЛ I ЭНЕРГЕТИКА, ЭЛЕКТРО И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УДК 631.172: 574.46
ЭНЕРГОЭКОЛОГИЯ СВЕТОКУЛЬТУРЫ - НОВОЕ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОЕ НАУЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ
С.А. РАКУТЬКО, д-р техн. наук; А.Е. МАРКОВА, канд. с.-х. наук; А.П. МИШАНОВ; Е.Н. РАКУТЬКО
Федеральное Государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - ИАЭП», Санкт-Петербург
Представлен обзор основных подходов и концепций в области выращивания растений при искусственном облучении (светокультуры). С позиций науковедения обоснована целесообразность введения в научную практику нового термина - «энергоэкология светокультуры» и показано, что за данным термином стоит актуальное междисциплинарное научное направление. Изложены основные результаты научных исследований лаборатории энергоэкологии светокультуры Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственого производства. Рассмотрена концепция искусственной биоэнергетической системы (ИБЭС) как совокупности энергетических установок, технологических процессов и биологических объектов. Разработана иерархическая информационная модель ИБЭС, позволяющая оценить энергоэффективность производства и его экологичность по степени воздействия на окружающую среду. Установлена связь между предложенным коэффициентом энергоэкологичности и другими параметрами модели. Сформулировано понятие энергоэкоаудита светокультуры. Изложены результаты исследования стабильности развития растений по показателю флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков. Описана конструкция фитооблучателя с фигурной люминесцентной лампой высокой мощности со специальным спектром для досвечивания нижнего яруса длинностебельных растений. Отмечены работы лаборатории в области метрологического обеспечения светокультуры, а именно: комплекс технических и программных средств, ориентированный на обеспечение эффективного использования источников света в теплицах, оптимизацию радиационных режимов с учетом реальных условий электрического питания, разброса и изменения в течение срока службы основных параметров источников; разработанные малогабаритные приборы - анализаторы спектральной энергоемкости потока, качества спектра и качества облучения для светокультуры. Изложены результаты исследований в области частной светокультуры по выращиванию петрушки, томата, огурца, салата в условиях прогрессивных технологий светокультуры, таких как гидропоника, аэропоника, интерлайтинг.
Ключевые слова: теплица, светокультура, облучательная установка, искусственная биоэнергетическая система; иерархическая информационная модель; энергосбережение; энергоемкость; экологичность.
ENERGY AND ECOLOGICAL EFFICIENCY OF INDOOR PLANT LIGHTING AS A NEW INTERDISCIPLINARY RESEACH AREA
S.A. RAKUTKO, DSc (Engineering); A.E. MARKOVA, Cand. Sc. (Agriculture); A.P. MISHANOV; E.N. RAKUTKO
Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - IEEP", Saint Petersburg
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства
The paper presents an overview of the basic approaches and concepts in the field of plant cultivation under artificial irradiation (indoor plant lighting). A new term - "energy and ecological efficiency of indoor plant lighting" is substantiated from the standpoint of science methodology and suggested for introduction into the academic practice as this expression refers to the latest interdisciplinary research field. Main research findings obtained in the Department of Energy and Ecological Efficiency of Indoor Plant Lighting at the Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - IEEP are outlined. The concept of Artificial Bio-Energetic System (ABES) as a synergy of power apparatus, technological processes and biological objects is considered. The created hierarchical information model of ABES allows estimating the energy efficiency of production and its eco-friendliness by the degree of its impact on the environment. The relationship between the proposed energy and ecology factor and other parameters of the model was established. The concept of energy and ecology audit for indoor plant lighting was defined. The results of studies on plant development stability in terms of fluctuating asymmetry of bilateral features are shown, including the design of an irradiator with a shaped high-power fluorescent lamp with special light quality for supplementary lighting of the lower tier of long-stalked plants. The paper focuses also on the work of the above Department in the field of metrological support of indoor plant lighting: the system of hardware and software designed to ensure the efficient use of light sources in the greenhouses and to optimize of radiation modes with due account for the actual conditions of electric power supply, distribution and change over the service life of the main parameters of light sources; small-sized devices - analyzers of spectral energy intensity of flow, light quality range and irradiation quality in greenhouses. The research results of indoor plant lighting of individual crops such as parsley, tomato, cucumber and lettuce under advanced cultivating technologies (hydroponics, aeroponics, inter-lighting) are also presented.
Keywords: greenhouse, indoor plant lighting, light system, artificial bio-energetic system, hierarchical information model, power efficiency, power consumption; ecological performance.
ВВЕДЕНИЕ
Характерной приметой современного метода познания является комплексный подход к исследованиям, расположенным на стыке отдельных научных дисциплин. Расширение и углубление научных знаний происходит не только в общепризнанных областях наук с их традиционным разделением в соответствии с предметами и объектами исследований, но и за счет появления новых научных направлений. Известно, что научное направление - это область научных исследований и проблем, для которой характерна единая научная тематика, объект исследования, методы и подходы, объекты приложения. В иерархической структуре научного направления выделяют следующие уровни исследовательских работ: 1) научные проблемы - совокупность теоретических или практических задач НИР, охватывающие значительные области исследования и имеющие перспективное значение; 2) научные темы -научные задачи, охватывающие определенную область НИР и 3) научные вопросы - более мелкие научные задачи, относящиеся к конкретной области НИР [1].
Цель настоящей работы: обосновать целесообразность введения в научную практику нового понятия - «энергоэкология светокультуры» и показать, что за данным термином стоит новое научное направление.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Термин «светокультура» применяется к технологии использования оптического излучения (ОИ) для культивирования растений и синтезирует в себе отдельные направления физики (оптика, фотометрия, электричество), технических (светотехника, электротехника, автоматика, технология), биологических (физиология растений, растениеводство,
овощеводство и др.) наук и ряда других отраслей научных знаний. Предметом исследования светокультуры как научной дисциплины являются отдельные растительные организмы или их сообщества (фитоценозы), выращиваемые при использовании как дополнительного к естественному облучения от искуственных источников ОИ, так и полностью на искусственном облучении.
Основное внимание в научных работах по светокультуре уделяется ОИ как важнейшему фактору управления жизнедеятельностью растений, имеющему наибольший вес в составе затрат на выращивание, но и предоставляющему широкие возможности варьирования параметрами (интенсивностью, продолжительностью, спектральным составом и др.) в целях оптимизация производственного процесса) [2, 3].
В своем развитии светокультура как научная дисциплина и область практических знаний имеет уже достаточно богатую историю, тесно связанную с совершенствованием источников ОИ. Первый период развития охватывает промежуток времени от начала использования ОИ от искусственных источников при выращивании растений (1865 г) до успешных опытов по выращиванию растений полностью на искусственном свете (1922 г). В качестве источников ОИ использовались керосиновые лампы, газовые горелки, угольные дуги и маломощные лампы накаливания. На втором этапе (1922-1940 гг) происходит увеличение мощности применяемых ламп накаливания, делаются попытки использования небольших газоразрядных ламп. Третий этап относят к 1940 г, когда все более широкое применение стали находит газоразрядные источники ОИ [4]. С появлением в последнее время принципиально нового типа источников - светодиодов - можно говорить о четвертом этапе развития светокультуры.
Наряду с совершествованием технологии светокультуры, происходит углубление теоретических знаний, прежде всего в исследованиях фотосинтеза, являющегося одной из центральных проблем фотобиологии, особенно в части выявления механизмов действия ОИ различного спектрального состава на протекающие в растения процессы, в сочетании с регуляцией роста и развития растений (фотоморфогенез) [5].
Термин «экология» (от греч. o'ikos - жилище, местопребывания и logos - наука) предложен в 1866 г. Э. Геккелем в работе «Общая морфология организмов» («Generelle Morphologie der Organismen») для обозначения общей науки об отношениях организмов к окружающей среде. В настоящее время экология является биологической наукой, изучающей как организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов, биогеоценозов (общая экология), так и взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой (частная экология) [6]. В задачи частной экологии входит так же исследование конкретных экосистем или сообществ, например агроэкология - экология сельскохозяйственных экосистем, фитоценология - экология растительных сообществ).
Широко распространено мнение, что задачей экологии является исследование и поддержание должного качества окружающей нас среды: воды, воздуха и т. д. Однако следует помнить, экология — это наука, выросшая из недр биологии и являющаяся неотъемлемой ее частью [7]. Более наглядно разграничение данных походов проявляется в английских понятиях «environmental sciences» - науки, занимающиеся изучением окружающей среды и ее состояния, и «ecology» - непосредственно экология как классическая биологическая наука (или биоэкология).
Важнейшей концепцией экологии является идея о структуре и направленности потока вещества и энергии (субстанции) в живых системах. Живые организмы, будучи связаны с окружающей средой потоками субстанции, образуют некую общность, называемую экосистемой, изучение которой позволяет понять, что ограничивает их первичную продукцию — образование органического вещества в ходе фотосинтеза растений.
Относительно молодым и интенсивно развивающимся направлением современной фитофизиологии (на стыке физиологии растений и экологии), рассматривающем процессы жизнедеятельности растений во взаимосвязи с условиями среды, является экологическая физиология растений как наука о способах адаптации растений к условиям среды [8]. И если физиологический подход рассматривает отдельные функции растения (фотосинтез, дыхание, рост и др.) в зависимости от изменения экологических факторов (ОИ, температуры, концентрации углекислоты, водного режима, питания и т.д.), то экологический подход переносит акцент на влияние этих факторов на функциональные особенности растений. Важным разделом экофизиологии растений является экология фотосинтеза, под которым понимают зависимость интенсивности и продуктивности фотосинтеза от экологических факторов, прежде всего ОИ, которое определяет количественные и качественные параметры фотосинтеза на всех уровнях его формирования - организменном, органном, тканевом, клеточном и молекулярном [9]. Из междисциплинарных направлений, объединяющих в общий ряд фитосистемы организменного и экологического уровней организации, следует отметить экологическую фитосистемологию, в круг рассмотрения которой входят ключевые структурные и функциональные характеристики таксономических и экологических групп растений [10], а так же экологическую биоэнергетику - науку о превращениях энергии в экологических системах - от отдельных особей до биосферы, теоретической базой которой является химическая термодинамика [11].
Для разработки теории и практики управления светокультурой необходимо наличие математических моделей продукционного процесса растений, прежде всего роста, развития и фотосинтетической деятельности. Существует целый класс моделей агроэкосистем для адекватного описание динамики развития исследуемых растений в зависимости от экологических факторов. Эмпирический метод связан с осмысливанием экспериментальных данных и подбором наиболее подходящих формул или системы уравнений для их адекватного описания. Такой способ количественного обобщения и аппроксимации экспериментальных данных часто позволяет понять механизмы, ответственные за реакцию растения [12]. Традиционные экологические модели опираются на так называемую загрязняюще-ресурсную парадигму, базой для отсчета в которой являются предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ (ПДК). Например, предложена модель энергетического объекта, вмонтированного в природную среду, получившая название природно-техническая система (ПТС). Разработаны индикаторы и индексы качества в более широком научно-обоснованном толковании, позволяющие расширить оценку экологической обстановки, по сравнению с уровнями ПДК [13].
Однако, уже анализ формулировок задач подобных моделей (рациональное природопользование, обеспечение экологической безопасности, оценка экологической устойчивости и экологической уязвимости) говорит о том, что трактование термина «экология» производится в рамках природоохранного подхода.
Примером классического подхода к моделированию в данной области является концепция регулируемой агроэкосистемы, учитывающей условия световой, воздушной и
корнеобитаемой сред. Модель является научно-методической базой для выяснения
продукционного, адаптационного и средообразующего потенциала растений с
сопутствующей биотой, а также закономерностей их взаимодействия со средой
обитания в моделируемых условиях [14].
В трудах профессора В.Н. Карпова предложено понятие потребительской энергетической системы (ПЭС), являющейся технической основой организации движения энергии и энерготехнологических процессов (ЭТП). Дальнейшая разработка данного подхода связана с решением следующих вопросов: 1) состав блоков и структура их связей в модели должны обеспечивать возможность моделирования распределения потоков вещества и энергии в системе в любых частных случаях ее реализации; 2) необходимо предусмотреть возможность задавать характеристики ЭТП, исходя из составляющих их стандартных блоков более низкого уровня; 3) наряду с учетом потока энергии необходим учет потока вещества (сырья) и используемого ресурса возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Выделение энергоэкологии светокультуры в качестве отдельного научного направления требует определения прежде всего объекта и предмета исследований.
На наш взгляд, возможны такие формулировки: объект исследования - искусственная биоэнергетическая система (ИБЭС) культивационного сооружения, предмет исследования -закономерности потоков вещества и энергии в ИБЭС, формирующие ее энергоэффективность и экологичность.
При этом математическое описание закономерностей переноса субстанции (вещества и энергии) в продукционном процессе светокультуры базируется на основе иерархической модели искусственной биоэнергетической системы.
Проблема энергоэкологичности светокультуры представляет собой научную проблему, заключающуюся в необходимости создания научных основ повышения энергоэффективности, снижения энергоемкости и степени воздействия на окружающую среду технологических процессов в культивационных сооружениях (энергоэкологичности светокультуры), которые являются крупными потребителем энергоресурсов. Решение данной проблемы на фундаментальном уровне обеспечит прорыв в отдельных методиках анализа и синтеза технологии светокультуры. Конкретным вкладом в развитие данной области науки является получение теоретического описания фундаментальных закономерностей процессов переноса вещества и энергии в технологическом процессе светокультуры.
Для обеспечения координации и повышения эффективности научной работы в данном направлении в институте агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственого производства (ИАЭП) организована лаборатория энергоэкологии светокультуры как научный и экспертный центр.
Задача лаборатории: совершенствование инновационных оптических
электротехнологий (ОЭТ) на основе научных исследований, информационной работы, практического внедрения, подготовки и повышения квалификации специалистов. Функции лаборатории: оценка состояния использования ОИ в светокультуре; создание и ведение нормативной базы по светокультуре; изучение солнечного излучения как естественного источника энергии и фактора, влияющего на продукционный процесс светокультуры; разработка методов оценки энергоэффективности и экологичности светокультуры и организация энергоэкоаудита; разработка методов и технических средств контроля соблюдения технологических параметров (метрология светокультуры); мониторинг
научных достижений в области светокультуры; мониторинг рынка источников ОИ и аппаратуры; предэксплуатационное тестирование источников ОИ по энергетическим и спектральным параметрам; контроль утилизации источников ОИ; подготовка рекомендаций по всем аспектам использования ОИ, проведение семинаров с персоналом энергетических служб; выполнение проектных работ; организация энергосервисного обслуживания тепличных хозяйств.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Ниже кратко представлены основные результаты исследований лаборатории в области энергоэкологии светокультуры.
1.Концепция и теоретические основы энергосбережения в ИБЭС
Предложена концепция искусственной биоэнергетической системы (ИБЭС) как совокупности энергетических установок, технологических процессов и аппаратов, биологических объектов (БО), применяемых в отраслях АПК для проведения требуемых технологических операций по получению и переработке исходного сырья в промежуточные и конечные продукты потребления [15]. Современный взгляд на теоретические вопросы энергосбережения предполагает рассмотрение движения потока энергии через все этапы преобразования, определяющие общую эффективность ее применения. Данный подход является основой прикладной теории энергосбережения в энерготехнологических процессах (ПТЭЭТП) АПК, в которой конкретизируются закономерности и механизмы взаимодействия сельскохозяйственных БО с искусственной средой обитания в структуре ИБЭС.
Рассмотрение иерархической структуры сельскохозяйственных ИБЭС с позиций ПТЭЭТП подразумевает наличие теоретической модели реального энергетического процесса
или объекта (рис. 1а). БО подвергается энергетическому воздействию б. При этом
неизбежны потери энергии . Продуктивность БО характеризуется величиной продукции р, получаемой на его выходе. Контролируемым параметром является величина х. Величина энергоемкости, характеризующей энергоэффективность процесса, вычисляется по формуле:
б
(1)
В зависимости от единиц измерения входных и выходных параметров величина энергоемкости имеет соответствующую размерность.
Графически закономерности протекания энергетических процессов в ИБЭС с участием БО показаны на рисунке 1б.
8Х = х р
Рис. 1. Закономерности протекания энергетических процессов в ИБЭС
Рис. 2. Оптимизация спектрального состава по минимуму энергоемкости
Предложена модель растения, учитывающую динамику изменения площади и
Мп /ИЛ Т
массы И каждого (И -го) листа растения в процессе выращивания за период времени И
н
(собственный возраст листа) под воздействием потока излучения И (рис. 1в).
Предполагается, что существует функция, описывающая зависимость энергоемкости фотосинтеза от контролируемых параметров - спектрального состава и облученности - вида
£ — / (^А Ет.), позволяющая, во-первых, оценить степень энергоэффективности данного ИС,
во - вторых, найти такой оптимальный спектральный состав ^опт, при котором наблюдается
минимальное значение этой функции 8т'и (рис. 2).
Предложен метод оценки энергоэффективности процесса фотосинтеза по его энергоемкости, вычисляемой как отношение дозы потока ОИ, падающего на поверхность листьев, к массе вещества, полученной в процессе фотосинтеза. Показано, что продуктивность фотосинтеза обратно пропорциональна его энергоемкости. Обработка по представленной методике экспериментальных данных по выращиванию рассады томата под различными источниками подтвердила, что спектральный состав потока ОИ существенно влияет на энергоэффективность фотосинтеза и степень использования углеродного и светового питания [16].
2. Иерархическая информационная модель ИБЭС
Разработана иерархическая информационная модель ИБЭС, позволяющая оценить энергоэффективность производства и его экологичность по степени воздействия на окружающую среду (ОС). Эффект воздействия производства на ОС определяется величинами входных и выходных потоков субстанции в ИБЭС. На рисунке 3 показана вложенность уровней модели с указанием потоков энергии и вещества: первый уровень -уровень ИБЭС, функционирующей в пределах ОС; второй уровень - уровень ЭТП; третий уровень - уровень блоков преобразования энергии (БПЭ) и вещества (БПВ).
Рис. 3. Уровни иерархии информационной модели ИБЭС
0.4
0.3
Е. -
0,1
щ Л/ _ а М
/ \ / \ /
г
/ /
¡У
— ^
ио
ОД
ОА
0,4
0,2^
т
35
3(1
40
Время, су т.
Рис. 4. Динамика потока вещества
Ы„
и изменение энергоемкости
"Ы
Входные потоки делятся на материальные Ын, подаваемые на вход БПВ, и
энергетические бн, подаваемые на вход БПЭ. Материальные потоки связаны с преобразованием исходного сырья в процессе производства готовой продукции. Энергетические потоки учитывают все используемые виды энергоресурсов (топливо, электроэнергия, возобновляемые источники и т.д.). Выходные потоки формируются из
полезной продукции Ык, потерь вещества АЫ (отходы, выбросы, сбросы) и энергетических
потерь Аб.
р
Параметрами модели являются: величина энергоемкости продукции Ы,
Р Р Л1т
энергоемкость сырья с, энергоемкость процесса П, теоретически возможный у и
ф лт лф
фактический v выход продукции, теоретически возможный ' и фактический ' КПД
процесса.
Коэффициент отходоемкости потоков вещества, отн.ед.
„М ДМ
Ко =■
Ы,,
Коэффициент экологичности, отн.ед.
КМ И Ы^ = Рс Ын _ ДМ = ±а_км}
Кэ =Ут = утЫн УтепРы утЫн Ут ( о '
Коэффициент отходоемкости потоков энергии, отн.ед.
к?=-
Аб
б .
Коэффициент энергоэффективности, отн.ед.
1 -е
Кб = _о^=_е _Ае ±а_кв)
э г=чпе» лтРп бн г о
Коэффициент энергоэкологичности, отн.ед.
К =Км ■ Ке
(2)
(3)
(4)
(5)
Связь между коэффициентом энергоэкологичности и другими параметрами модели следующая
Кэ = —V"
(7)
К т л'"
Следовательно, максимальная энергоэкологичность ( э=1, при у =1 и ' =1)
наблюдается при соблюдении соотношения
8
У
SM
(8)
K л/т -пт
Задаваясь допустимым значением величин 3, v , ' , становится возможным
F F S
определение набора П, M и с, при которых достигается заданное значение коэффициента энергоэкологичности. Сопоставление найденного значения с набором контролируемых
параметров X позволяет произвести оптимизацию проводимых ЭТП по заданному критерию.
На рисунке 4 показана динамика накопления сухого вещества Мк и энергоемкости
продукции Sm в процессе роста листового салата (Lactuca sativa L.) сорта Афицион при облучении индукционными лампами. Полученные данные позволяют оценить экологичность и энергоэффективность светокультуры, а так же перейти к динамическому управлению световым режимом на разных фазах развития растения. В частности, найдено, что при заданных условиях эксперимента, для растений салата в возрасте 40 дней общая доза облучения, поглощенная листьями составила 2,05 моль. Продуктивность фотосинтеза составила 16,61 мг.м .сут , энергоемкость фотосинтеза составила 2,43 моль.г [17].
3. Методики оценки энергоэкологичности и проведения энергоэкоаудита светокультуры
Обоснованы подходы к оценке и моделированию параметров как энергоэффективности, так и экологичности ИБЭС. Системным интегративным критерим оптимальности является энергоэкологичность, распространяемая при декомпозиции на локальные критерии оптимальности в соответствующих задачах оптимизации отдельных иерархических уровней модели [18]. Энергоэкологичность светокультуры характеризует
взаимосвязь потоков субстанции: энергии ОИ Q(t) и продуктов фотосинтеза M(t), образуемых в растениях (рис. 5). Комплексный показатель энергоэкологичности светокультуры учитывает входные и выходные потоки вещества и энергии.
Достоверная картина энергоэффективности и экологичности технологических процессов может быть получена путем проведения энергоэкоаудита. Энергоэкоаудит (комплексное энергоэкологическое обследование) светокультуры - применение инструментальных и дистанционных методов измерения, вычислительных процедур по получению достоверной информации о динамике потоков продуктов фотосинтеза в растениях, выращиваемых в заданных условиях окружающей среды под действием потока ОИ с заданными качественными и количественными показателями, проводимых для оценке эффективности и последующей оптимизации культивационного процесса.
растениеводства и животноводства
Рис. 5. Потоки Рис. 6. Динамика биометрических
энергии и вещества показателей салата на конвейерной линии
Схематически динамика биометрических показателей растений салата на конвейерной линии показана на рис. 6.
Теоретические положения были апробированы в салатном отделении ЗАО Агрофирмы «Выборжец» (г. Санкт-Петербург). Результаты экспериментов позволили выявить закономерности роста и энергетики процесса облучения для светокультуры салата, выращиваемой на конвейерной линии, а так же отработать методику оценки энергоэкологичности (энергоэкоаудита) светокультуры.
Результаты энергоэкоаудита могут быть использованы для оптимизации процесса выращивания растений по критерию минимальных отклонений энергоэкологичности путем варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов. В условиях востребованности строительства новых тепличных комбинатов и реконструкции уже существующих, роста тарифов, постоянного сокращения запасов природных энергоресурсов и необходимости снижения вредных выбросов в окружающую среду, применение энергоэкологического аудита позволит оперативно и эффективно решать эти задачи [19].
4. Комплексная оценка стабильность развития светокультуры
У растений под влиянием энергии ОИ наблюдается целый ряд физических эффектов, ведущих к регуляторным, адаптивным и другим процессам, вплоть до экспрессии генов. Единичные кванты ОИ, поглощаемые растительным организмом, запускают быстрые и хорошо заметные превращения морфофизиологического состояния растений.
Наиболее ярким проявлением стабильности развития биообъекта на макроуровне является флуктуирующая асимметрия (ФА), заключающаяся в незначительных и случайных отклонениях параметров билатеральных (зеркальных) признаков. Известно, что уровень ФА является минимальным лишь при оптимальных условиях среды и возрастает при любых стрессовых воздействиях. Полагая, что неоптимальность параметров ОИ, воздействующего на растения, является фактором стресса, появляется возможность принять уровень ФА за индикатор состояния растения, по которому можно оценивать эффективность и экологичность процесса выращивания растений в искусственных условиях.
Проведенные исследования по выявлению взаимосвязи между уровнем ФА листа петрушки (Petroselinum tuberosum), выращиваемой на выгонку при прочих равных условиях под источниками ОИ с различным спектром, и массой получаемой зелени показали влияние спектрального состава ОИ на показатели ФА листа.
На рис. 7 показаны линейные размеры троякоперисторассеченных листьев петрушки, принятых за билатеральные признаки. В таблице приведены показатели развития растения. Установлено, что большие показатели ФА соответствуют меньшим значениям продуктивности петрушки [20].
Рис. 7. Билатеральные признаки листа петрушки
Таблица
Показатели развития растения
Показатель СД НА
Частота встречаемости признака
первого 0,85 0,79
второго 0,59 0,58
третьего 0,70 0,72
четвертого 0,61 0,53
Масса листьев, г
5,03±0,31 6,38±0,55
5. Технические средства облучения растений
Разработан фитооблучатель с фигурной люминесцентной лампой высокой мощности со специальным спектром ОИ для нижнего яруса досвечивания длинностебельных растений в небольших теплицах, тепличных комбинатах и оранжереях. Фитооблучатель состоит из несущей арматуры, электронного балласта и фигурной индукционной лампы высокой мощности (рис. 8 и 9). Несущая арматура включает в себя каркас, две торцевые панели, два кронштейна вертикального подвеса, стягивающие соединительные винты, уплотняющие сальники для ввода кабелей. Рабочие положения: 1) горизонтальное с креплением за торцевые панели; 2) вертикальное с креплением за кронштейн вертикального подвеса.
Рис. 8. Общий вид фитооблучателя 1 - кронштейны подвеса, 2 - электронный Рис. 9. Размещение
балласт, 3 - торцевые панели, 4 - лампа, фитооблучателя в теплице
5 - несущий каркас
Применение фитооблучателя в условиях интерлайтинга (в ценозе) задерживает старение листьев, улучшает качество продукции, уменьшает долю нестандартных плодов в урожае, повышает урожайность культуры за счет увеличения массы и количества плодов [21].
6. Метрологическое обеспечение светокультуры
Основой мероприятий, обеспечивающих энерго- и ресурсосбережение в облучательных установках при соблюдении требований к радиационному режиму растений, должна стать аттестация применяемых источников ОИ. Под метрологическим обеспечением системы аттестации растениеводческих источников ОИ следует понимать установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений параметров источников. Специально для аттестации источников ОИ, применяемых при облучении растений, разработан комплекс технических и программных средств, ориентированный на обеспечение эффективного использования источников в культивационных сооружениях, оптимизацию радиационных режимов с учетом реальных условий электрического питания, разброса и изменения в течение срока службы их основных параметров [22]. Разработаны малогабаритные приборы - анализаторы: спектральной энергоемкости потока ОИ, качества спектра потока ОИ и качества облучения для светокультуры [23].
7. Исследования в области частной светокультуры
В лаборатории энергоэкологии светокультуры проведены эксперименты в области частной светокультуры по выращиванию петрушки [24], томата и огурца [25] салата [26]. Полученные данные подтверждают общие закономерности влияния отдельных диапазонов ФАР на рост и фотоморфогенез зеленого растения. Для рассады томата при выбранных режимах выращивания выявлено, что наилучшего качества рассада достигает при использовании излучения люменесцентных ламп, спектр излучения которых содержит равные доли энергии в синем, зеленом и красном спектральных диапазонах. Выявлены конкретные закономерности влияния различия в спектральном составе потока энергии на различия в потоках получаемого в процессе фотосинтеза вещества для светокультуры салата. Проведенные исследования свидетельствуют, что энергоэкологичность светокультуры в существенной мере зависит от типа применяемого источника излучения.
ВЫВОДЫ
Обобщая опыт работы лаборатории в соответствии с рассмотренными выше формальными требованиями для энергоэкологии светокультуры можно предложить следующую структуру данного научного направления:
1) Проблемы: «Научные принципы создания энергосберегающих электротехнологий в теплицах с использованием современных источников ОИ»; «Сущность и структура теории экологоэнергетического анализа», «Математическое описание свойств энергетических цепей в светокультуре на основе метода аналогий физических величин и моделирование их энергоемкости и экологичности» и т.д.;
2) Темы: «Разработать метод и способы управления энергосбережением в оптических электротехнологиях при производстве овощной продукции»; «Математическая модель баланса потоков вещества и энергии при использовании ОИ в искусственной биоэнергетической системе культивационного сооружения»; «Разработка научных основ и создание системы управления светокультурой, обеспечивающих повышение энергоэффективности и экологичности производства»; «Разработка методики интегральной оценки энергоэкологичности светокультуры по флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков на примере светокультуры томата» и т.д.
3) Вопросы: «Способы, методы и технические средства, обеспечивающие энергоэффективное производство продукции растениеводства в культивационных
сооружениях защищенного грунта при обеспечении ее экологической безопасности»; «Проведение лабораторных экспериментов по выращиванию сельскохозяйственных культур (огурцы, томат, салат) при различных режимах облучения»; «Разработка методики проектирования тепличных облучательных установок с применением современных источников ОИ»; «Выявление особенности энергосбережения и экологического состояния светокультуры культивационных сооружений» и т.д.
Ожидаемые практические результаты работ в этом направлении: методика проектирования тепличных облучательных установок с применением современных источников ОИ (индукционных ламп, светодиодов); способы, методы и технические средства, обеспечивающие энергоэффективное производство продукции растениеводства в культивационных сооружениях защищенного грунта при обеспечении ее экологической безопасности; технологический регламент на энергоэффективную электротехнологию, обеспечивающий экологически чистое высокопродуктивное производство продукции растениеводства в теплицах на основе использования современных источников ОИ; результаты лабораторных экспериментов по выращиванию сельскохозяйственных культур (огурцы, томат, салат) при различных режимах облучения; результаты исследования энергоэффективности светокультуры в производственных условиях современного тепличного комбината с использованием энергосберегающей интеллектуальной системы управления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Болдин А.П., Максимов В.А. Основы научных исследований. -М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 336 с.
2. Клешнин А.Ф. Растение и свет. Теория и практика светокультуры растений. -М.: Изд-во АН СССР, 1954. - 456 с.
3. Светокультура растений: биофизические и биотехнические основы. Учеб. пособие / Тихомиров А.А., Шарупич В.П., Лисовский Г.М. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения РАН, 2000.-213 с.
4. Леман В.М. Курс светокультуры растений. -М.: Высшая школа, 1976.-271 с.
5. Воскресенская Н.П. Фотосинтез и спектральный состав света. -М.: Наука, 1965.-312 с.
6. Биологический энциклопедический словарь / Гл. ред. М.С. Гиляров.- М.: Советская энциклопедия, 1986.
7. Горбунов С. Экология - это наука // Троицкий вариант-Наука.-2016.-№213.-с.7.
8. Усманов И.Ю., Рахманкулова З.Ф., Кулагин А.Ю. Экологическая физиология растений. -М.: Логос, 2001.-224 с.
9. Полевой В.В. Физиология растений.- М.: Высш. шк., 1989.- 464 с.
10. Празукин А.В. Экологическая фитосистемология. - М.: Перо, 2015.-375 с.
11. Жолнин А.В. Общая химия / Под ред. В.А. Попкова.- М.:ГЭОТАР, 2012. - 400 с.
12. Торнли Дж.Г.М. Математические модели в физиологии растений. - Киев, 1982. - 312 с.
13. Карлин Л.Н., Музалевский А.А., Федоров М.П. Модифицированная модель природно-технической системы как элемент альтернативной стратегии охраны окружающей среды // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета.-2014.- № 36.-С.80-93.
14. Научно-технические основы оптимизации продукционного процесса в регулируемой агроэкосистеме / Г. Г. Панова, В. А. Драгавцев, Е. В. Канаш, М. В. Архипов, И. Н. Черноусов // Агрофизика.-2011.-№1.- С. 29-37.
15. Ракутько С.А. От понятия потребительской энергетической системы к иерархической информационной модели ИБЭС // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. -2014. -№ 35. - С. 312-318.
16. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Метод оценки энергоэффективности фотосинтеза в светокультуре с позиций прикладной теории энергосбережения // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2015. -№ 86. -С. 169-183.
17. Ракутько С.А., Бровцин В.Н., Мишанов А.П., Маркова А.Е., Ракутько Е.Н. Оценка экологичности и энергоэффективности предприятия АПК с помощью иерархической модели ИБЭС // Региональная экология. -2015. -№ 6 (41). -С. 58-66.
18. Ракутько С.А., Васькин А.Н., Минуллинна Р.Ф. К оценке энергоэкологичности светокультуры // Инновации в сельском хозяйстве. -2015. -№ 4 (14). -С. 83-89.
19. Ракутько С.А., Васькин А.Н., Горбатенко Н.А., Забодаев Д.П. Методика энергоэкоаудита светокультуры салата (Lactuca Sativa L.) // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. -2016. -№ 7-4. С. -540-543.
20. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Взаимосвязь флуктуирующей асимметрии листьев петрушки (Petroselinum tuberosum) и ее продуктивности под воздействием оптического излучения различного спектрального состава // В кн.: Физика - наукам о жизни. СПб.: ФТИ им.А.Ф.Иоффе, 2016. -С. 64.
21. Ракутько С.А., Транчук А.С., Ракутько Е.Н., Васькин А.Н. Установка для верхнего и междурядного облучения длинностебельных растений // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2016. -№ 88. -С. 68-78.
22. Пат. РФ №2368875. Измерительно-вычислительный комплекс периодического контроля и тестирования источников света для облучения растений / Ракутько С.А. и др. - № 2008122610 (027181); заявл. 04.06.08, опубл. 27.09.2009.-Бюл.№27.
23. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Анализатор качества облучения для светокультуры // Патент на полезную модель №160900. - 30.09.2015.
24. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Рост и фотоморфогенез петрушки корневой (Petroselinum tuberosum) под оптическим излучением различного спектрального состава // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. -2015. -№ 38. -С. 298-304.
25. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Судаченко В.Н., Колянова Т.В. Определение эффективности светодиодных источников облучения при выращивании рассады томата и огурца // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2013. -№ 84. -С. 82-90.
26. Мишанов А.П., Маркова А.Е., Ракутько С.А., Бровцин В.Н., Ракутько Е.Н. Влияние соотношения долей зеленого и красного излучения на биометрические показатели салата // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2015. -№ 87. -С. 264-272.
