CC BY
0
Старцев В.И. - проведение исследований, создание окончательной версии рукописи и её редактирование.
Мухин В.М. - концептуализация и проведение исследований. Абубикеров В.А. - проведение исследований, верификация данных.
Барышев М.Г. - руководство исследованиями, администрирование
проекта.
Старцева Л.В. - проведение исследований,
администрирование данных.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта
интересов
Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи к публикации
Статья поступила в редакцию: 27.09.2024 Одобрена после рецензирования:02.10.2024 Принята к публикации: 08.10.2024
V.I. Startsev - conducting research, creating the final version of the manuscript and its editing. V.M. Mukhin - conceptualisation and conducting research.
V.A. Abubikerov - conducting research, data verification.
M.G. Baryshev - research management, project administration.
L.V. Startseva- conducting research, data administration.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this article All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.
Received: 27.09.2024
Approved after reviewing:02.10.2024
Accepted for publication: 08.10.2024
Обзорная статья УДК 628.979:581.035
ГИБРИДНОЕ ОБЛУЧЕНИЕ КАК ПЕРСПЕКТИВНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ
ПРОБЛЕМ СВЕТОКУЛЬТУРЫ
1 2 Елена Николаевна Ракутько , Сергей Анатольевич Ракутько
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
1 [email protected], ORCГО: https://orcid.org/0000-0002-3536-9639
2 [email protected], ORCГО: https://orcid.org/0000-0002-2454-4534
Аннотация. В районах с недостатком естественного дневного света в культивационных сооружениях для ассимиляционного облучения используют облучательные установки. Широкое применение в них находят натриевые лампы. Альтернативой им являются светодиодные источники. Гибридные системы облучения, реализующие преимущества различных типов источников, позволяют добиться максимального полезного эффекта от их совместного применения. Цель работы - анализ
возможности применения гибридного облучения и технических средств для их реализации в светокультуре. Анализ литературных источников показал, что технология выращивания растений в контролируемых условиях окружающей среды имеет богатую историю. В России тепличная отрасль в основном развивается за счет широкомасштабного внедрения в производство современных агротехнологий. К 2024 году площадь под зимними теплицами достигла 3,3 тыс.га. Светокультура с применением источников искусственного излучения как средств энергетического воздействия на растения характеризуется большими затратами ресурсов и энергии. Другая проблема, наряду с энергоэффективностью, это экологичность. Важнейшим фактором внутренней среды теплицы является генерируемое облучательными установками оптическое излучение. Значимый резерв повышения энергоэкологичности светокультуры - совершенствование тепличных облучательных установок. Перспективной технологией светокультуры представляется использование гибридных облучательных установок. Выявлено направление повышения энергоэффективности и экологичности светокультуры путем использования гибридной облучательной установки из основных стандартных натриевых ламп и относительно маломощных дополнительных светодиодных источников - корректоров спектра, дополняющих спектр основных источников и конструктивно разнесенных с ними.
Ключевые слова: светокультура, гибридная облучательная установка, натриевая лампа, светодиод
Для цитирования. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А. Гибридное облучение как перспективная технология для решения проблем светокультуры // АгроЭкоИнженерия. 2024. № 3 (120). С. 119-145 https://doi.org/
Review article
Universal Decimal Code УДК 628.979:581.035
HYBRID IRRADIATION AS A PROMISING TECHNOLOGY FOR SOLVING PROBLEMS IN
GREENHOUSE HORTICULTURE
Yelena N. Rakutko1, Sergei A. Rakutko2
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch
of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
1 elena.rakutko@mail .ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3536-9639 [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2454-4534
Abstract. In regions where daylight is scarce, special units provide assimilation lighting for crops in growing facilities. The most common elements in these systems are sodium vapour lamps, with LED sources as an alternative. Hybrid irradiation systems have the advantages of different types of sources and ensure the greatest beneficial effect from their combined use. The study investigated the applicability of hybrid irradiation and associated equipment in greenhouses. The literature review revealed a rich history of growing plants in controlled environments. In Russia, the large-scale introduction of modern agricultural technologies into practice is a driver for progress in the greenhouse industry. By 2024, the area under winter glasshouses reached 3.3 thousand hectares.
120
Lighting crops with artificial sources that have an energy impact on the plants is resource and energy intensive. In addition to energy efficiency, the environmental friendliness is another concern. The most important factor affecting the internal environment of a greenhouse is the optical radiation produced by the emitting units. One of the best ways to improve the energy and environmental performance of artificial plant lighting is to upgrade the greenhouse lamp units. The use of hybrid lamps appears to be a promising technology in this respect. The study investigated a hybrid lighting unit with standard sodium lamps as the main source and relatively low power LEDs as an additional source. The latter complemented and corrected the spectrum of the main sources but were spaced apart. The study showed that the use of such a unit is a way to increase the energy efficiency and environmental friendliness of artificial plant lighting.
Key words: plant lighting, hybrid irradiation installation, high-pressure sodium lamp, LED
For citation: Rakutko E.N., Rakutko S.A. Hybrid irradiation as a promising technology for solving problems in greenhouse horticulture // AgroEcoEngineering. 2024; 3(120): 119-145(In Russ.) https://doi.org/
Введение. Закрытые агроэкосистемы обеспечивают наибольшую биоэнергетическую продуктивность в сельскохозяйственном производстве. Разработка технологий и оборудования для создания в них условий роста растений должна производиться на основе цифровых технических средств мониторинга и управления, в том числе с элементами роботизации процессов [1]. Затраты на энергообеспечение процессов занимают до 25-30% в издержках производства. Совершенствование технологий и технических средств в сельскохозяйственном производстве положительно влияет на сокращение их удельных показателей, т.е. снижается энергоемкость производства сельхозпродукции [2].
Данное исследование проведено в русле приоритетного направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации - высокопродуктивное и устойчивое к изменениям природной среды сельское хозяйство. Критическая технология - технология персонализированного, лечебного и функционального питания для здоровьесбережения26.
Тематика исследования соответствует Стратегии научно-технологического развития России, предусматривающей перевод экономики на интенсивный путь с приоритетным внедрением в практику энергоресурсосберегающих и природоохранных мер (направление «Переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, разработку и внедрение систем рационального применения средств химической и биологической защиты сельскохозяйственных растений и животных, хранение и эффективную переработку сельскохозяйственной продукции, создание безопасных и
27
качественных, в том числе функциональных, продуктов питания») .
26 Указ Президента Российской Федерации «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации» от 18 июня 2024 года № 529 URL:
http://publication.pravo.gov.ru/document/0001202406180018 (дата обращения 08.05.2024)
27 Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации. Утверждена Указом Президента Российской Федерации от 28 февраля 2024 г. № 145 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации». URL:
http://publication.pravo.gov.ru/document/0001202402280003 (дата обращения 08.05.2024)
121
Важным резервом в решении проблемы экологической устойчивости при минимизации затрат энергетических и других ресурсов при производстве продукции является инновационное развитие тепличной отрасли, требующее разработки соответствующего научного обеспечения28.
В районах с недостатком естественного дневного света в культивационных сооружениях с искусственным микроклиматом широко применяют облучательные установки (ОУ) для ассимиляционного облучения как обязательный элемент системы выращивания растений, в задачу которых входит повышение интенсивности фотосинтеза (ассимиляции СО2). Все еще широкое применение в таких установках в настоящее время находят традиционные натриевые лампы. Однако на смену им все больше приходят светодиодные источники.
Поэтому так важно одновременное обеспечение энергоэффективности и экологичности выращивания растений в искусственных условиях - теплицах, вертикальных фермах, аква-, гидро- и аэропонных установках.
Применение гибридных систем облучения позволяет реализовать преимущества отдельных типов источников света, обеспечивающих максимальный полезный эффект от их совместного применения [3]. Такой подход представляет собой реализацию концепции наилучших доступных технологий (НДТ) в светокультуре [4].
Однако вопросы гибридного облучения изучены недостаточно, поэтому его применение для повышения энергоэффективности и экологичности светокультуры является актуальной задачей. Выполненный в данной работе обзор предназначен для обоснования целесообразности и перспектив промышленного применения гибридного облучения с разработкой светодиодного корректора спектра, устраняющего дефицитность излучения натриевых источников света в отдельных спектральных диапазонах [5].
Цель работы - анализ возможности применения гибридного облучения и технических средств в светокультуре.
Состояние и перспективы развития светокультуры в России.
Примитивные технологии выращивания растений в искусственных условиях известны с древности. Относительно современные технологий принято делить на поколения. Рентабельность тепличного производства напрямую зависит от поколения теплицы. К первому поколению относят клинские теплицы (середина XIX века) с отопительными печами. Второе поколение теплиц представляют стеклянные сооружения с водяным, паровым или электрическим отоплением. Третье поколение представлено ангарными теплицами с металлическим каркасом и стеклянной крышей, с механизацией и автоматизацией ряда процессов. Теплицы четвертого поколения имеют полностью автоматизированное управление. Современные теплицы относятся преимущественно к четвертому поколению. В теплицах пятого поколения полностью контролируется микроклимат внутри сооружения. Самыми высокотехнологичными теплицами являются теплицы шестого поколения, в которых используются такие технологии как ультраклимат, гидропоника, аквапоника и светодиодное облучение [6]. В России товарное овощеводство в защищенном грунте как вид бизнеса со своими специфическими проблемами появилось к концу XX века [7]. За короткий промежуток времени из абсолютного аутсайдера тепличный
28 Программа фундаментальных научных исследований в Российской Федерации на долгосрочный период (2021 - 2030 годы). Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 31 декабря 2020 г. № 3684-р. URL: https://docs.cntd.ru/document/573319222 (дата обращения 08.05.2024)
122
бизнес превратился в лидера АПК по темпам роста в натуральном выражении и внедрения
29
инновационных технологий, оборудования и приемов работы . По сравнению с 2014 годом, тепличные урожаи овощей в 2022 году увеличились в 2,3 раза.
Сегодня можно констатировать, что период экстенсивного массового строительства новых теплиц уже завершен, а тепличная отрасль теперь в основном развивается за счет широкомасштабного внедрения в производство современных агротехнологий, оборудования, конструкций, достижений селекции, оптимизации бизнес-процессов, совершенствования предпродажной подготовки продукции, расширению географии и каналов сбыта. Хорошим примером успешного замещения импорта стали системы досвечивания для теплиц. В настоящее время уже менее половины комплектующих для ассимиляционного досвечивания закупается за рубежом. Самыми известными отечественными производителями систем досвечивания и их составляющих, являются саранское ООО «Рефлакс», воронежское ООО НПП «НФЛ». Столичный «Светогор» (официальный OEM-партнер компании Signify - ранее Philips Lighting) производит светотехническую продукцию на базе компонентов бренда Philips.
Важными факторами формирования результатов хозяйственной и экономической деятельности тепличного предприятия, влияющими на урожайность и здоровье растений, период и сезоны сбора урожаев, формирование цен реализации и итоговой выручки, являются площади теплиц, используемые конструкции и оборудование, применяемые агротехнологии и селекционные достижения. В настоящее время на территории Российской Федерации товарным выращиванием овощей и зеленных культур в защищенном грунте занимаются 5 тепличных групп и холдингов. Это группа компаний «РОСТ», «Агропромышленный Холдинг ЭКО-культура», группа компаний «Горкунов», группа «Тандер», группа «Теплицы регионов». На сегодняшний день тепличное производство является самой быстро развивающейся отраслью сельского хозяйства в России. В отрасли повышаются объемы производства, сокращается импорт, открываются новые предприятия и хозяйства. Рост инвестирования в тепличные комплексы безусловно положительно сказывается на развитии сельского хозяйства и экономики страны в целом - это и появление новых рабочих мест, и импортозамещение, и развитие отечественного производства, которые помогут в улучшении состояния экономики. Тепличное производство становится одним из приоритетных направлений инвестирования в регионах России [8].
Развитие тепличного овощеводства имеет свои особенности в региональном разрезе. Так, для регионов Европейского Севера России, основными препятствиями на пути развития тепличного овощеводства можно считать: недостаток современной материально-технической базы тепличных хозяйств; диспаритет цен на овощную продукцию и приобретаемые ресурсы; недостаток компетентных специалистов; недостаточная институциональная основа для преобразований одновременно с недостатком поддержки сектора государством [9].
В целом, томаты и огурцы являются одними из самых популярных видов овощей в мире, которые покупают и потребляют в свежем виде. Свежие томаты так же являются наиболее часто импортируемыми и экспортируемыми овощами в мире.
29 Тепличный бизнес России-2023. Итоги отрасли за 2022 год и первое полугодие 2023 года. Прогнозы развития овощеводства в защищенном грунте до 2026 года. ДЕМО-версия. Дата выхода: август 2023 г. [Электронный ресурс] URL: URL: https://t-rost.ru/ (дата обращения 08.05.2024).
Росту потребления населением России овощей закрытого грунта способствовало увеличение объемов их производства, которые с сокращением импорта увеличились с 0,73 млн. т в 2015 г. до 1,35 млн. т в 2020 г. Рекомендуемая норма потребления томата в России составляет 8-12 кг в год на человека, и столько же огурцов. В 2021 году общее потребление овощей составило 109 кг в год, что свидетельствует о высоком спросе на продукцию овощеводства, который способствует увеличению объемов их производства. В структуре продукции тепличных комплексов огурцы занимают первое место. Их рентабельность составляет 25%. Следом за огурцами идут томаты, рентабельность которых составляет 40 %.
Уровень самообеспечения томатами в России в 2021 г. составил 60 % (выше на 6% от предыдущего года), огурцами - 94 % (выше на 2 %). Новые технические средства выращивания растений позволяют добиться урожайности томата до 55-60 кгм- . Потенциал урожайности крупноплодных и среднеплодных гибридов томата в продленном обороте может достигать 75 кг.м-2. Томат является более перспективной культурой, их плоды
30
дольше хранятся и лучше переносят транспортировку .
Доля России среди других стран по общей площади теплиц составляет 1%. Однако в нашей стране сосредоточена большая доля зимних теплиц (до 20 %). До 2014 г строительство новых теплиц было практически прекращено при достаточно интенсивном выводе из эксплуатации старых. Но уже с 2015 г наблюдается постоянный рост площади зимних теплиц примерно на 6,8 %. В 2020 г. их площадь составила около 3000 га. Для их строительства необходимы большие вложения, обеспечить которые может только государство, поскольку тепличные комплексы являются дорогостоящими инвестициями.
Стоимость энергетических ресурсов с 2014 по 2019 г. для предприятий выросла на 24 % для газа и 31% для электроэнергии, так что доля отопления в структуре затрат тепличного производства существенно повысилась. Высокие тарифы на отопление сдерживают снижение стоимости продукции, ведут к ухудшению качества овощей в зимне-весенний период. Новые эффективные технологии тепличного овощеводство позволят снизить негативный эффект высокой стоимости энергоресурсов и обеспечат ценового стимулирования спроса на овощи [10].
В 2021 г. постановлением Правительства Российской Федерации от 30.08.2021 № 1445 «О внесении изменений в приложение № 8 к Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия» светокультура признана важнейшей отраслью, нуждающейся в государственной поддержке [11].
Последнее время идет неуклонный рост площадей защищенного грунта в Российской Федерации. За последние шесть лет этот показатель вырос на 11,1% благодаря субсидированию со стороны государства.
Таблица 1. Статистические данные по защищенному грунту Table 1. Statistical data on protected horticulture
Показатель Годы
2018 2019 2020 2021 2022 2023
Финансовая гос. поддержка, млрд.руб - 155,4 150,1 158,9 167,8 170,2
30 Король В.Г. Томат и огурец: светокультура в теплицах [Электронный ресурс] URL: https://gavrishshop.ru/articles/tomat-i-ogurec-svetokultura-v-teplicah (дата обращения: 05.05.2024).
Площадь защищ.грунта, тыс.га 3,50 4,28 3,68 3,79 3,83 3,89
Валовый сбор томатов, тыс. т 829 938 970 1,004 1,069 1,077
Реализация овощей, тыс. т 839 992 1,162 1,208 1,313 1,342
Реализация томатов, тыс.т 330 404 443 498 560 598
В 2023 году урожай овощей открытого и защищенного грунта в современных и модернизированных тепличных комплексах по оценке Росстата составил порядка 7,2 млн тонн, в том числе 1,7 млн т тепличных овощей (1,64 млн т по предыдущему году. Структура производства по сравнению остается стабильной: 55% составляют огурцы, 43% томаты, 2% - прочие культуры31.
Производство томатов за последние шесть лет показало существенный рост и даже превзошло производство огурцов, увеличившись до 1,077 тыс. т. в 2023 г. (напротив 829 тыс. т. в 2018г). Согласно прогнозам специалистов производство тепличных томатов в России к концу 2025 года увеличится как минимум на 6%. Реализуется ряд инвестиционных проектов, в частности в Ленинградской области тепличный комплекс «Дары природы». Это позволит поднять обеспеченность нашей страны томатами с 65 % в настоящее время и закрыть полностью потребность в овощах в зимний период.
Российские овощеводы обеспечивают 60% потребности страны в томатах. Повышается и эффективность производства. В 2023 году рентабельность производства тепличных овощей достигла рекордного за предыдущие шесть лет показателя почти 23%. За период с 2018 года по 2023 выпуск тепличных томатов увеличился на 29,9 %. Высокая доходность производства обеспечивается применением интенсивных технологий,
32
автоматизации производства, реализации генетического потенциала растений32. В период 2016-2020 гг. площади под зимние теплицы увеличивались в среднем на 7,3% в год. К 2024 году площадь под зимними теплицами достигла 3,3 тыс. га. При сохранении таких темпов следует ожидать в скором времени роста общей используемой площади теплиц до 4 тыс. га. Наиболее активно строительство и ввод теплиц происходит на юге и Северном Кавказе, в центре, Поволжье и на Урале.
Актуальность повышения энергоэффективности и экологичности в светокультуре.
В мировом сообществе в последнее время все более осознается взаимосвязь между двумя важнейшими проблемами - экологией и энергетикой, которые в значительной мере определяют перспективы развития мирового топливно-энергетического комплекса. Развитие цивилизации неизбежно связано с увеличением роста производства и потребления энергии. При этом происходит истощение традиционных природных энергетических ресурсов, что нарушает экологическое равновесие планеты. В совокупности это составляет единую
33
энергоэкологическую задачу, стоящую перед человечеством . Для АПК такая задача наиболее ярко стоит перед оптическими электротехнологиями [12].
В искусственно созданных условиях выращивания, т.е. в светокультуре, важным фактором окружающей среды является энергия оптического излучения (ОИ). Необходимость в больших объемах энергии на этот технологический процесс, большие энергетические потери в теплице предопределяет энерго- и ресурсозатратность светокультуры (рис. 1) [13].
31 Итоги 2023: овощи защищенного грунта. Лента новостей Института конъюнктуры аграрного рынка (ИКАР) [Электронный ресурс] URL: http://ikar.ru/1/lenta/774/ (дата обращения: 08.05.2024)
32 ЕМИСС. Государственная статистика. [Электронный ресурс]. URL: https://fedstat.ru/indicator/58588 (дата обращения: 08.05.2024)
33 Энергоэкология - дорога в будущее [Электронный ресурс]. URL: https://ecoteco.ru/id380/ (дата обращения: 31.07.2024).
Вопросы энергоэффективности для светокультуры наиболее важны в сравнении с другими производствами АПК [14].
Наиболее перспективными мерами улучшения ситуации являются использование современного оборудования и энергосберегающих технологий и модернизация энергетического хозяйства тепличных комплексов [15].
Развитие тепличного овощеводства сопряжено с применением высокоурожайных сортов, современных технологий, а так же эффективным мониторингом агроэкосистемы теплицы [16].
Технологические возможности производственной системы напрямую определяют возможность снижения энергоемкости защищенного грунта. Современным трендом является переход от пассивного управления производственной системой к активному. При этом должны внедряться автоматическое регулирование энергосберегающих систем, полностью контролирующих параметры окружающей среды и определяющих качество выращиваемой продукции [17].
а Семенной и посадочный материал
■ УдоВрения
□ Электроэнергия
□ Оплата труда с начислениями
■ Тепловая энергия (газ) п прочие затраты
Рис. 1. Соотношение затрат в теплице при выращивании овощей, (%) Fig. 1. Cost ratio in greenhouse vegetable production
Не менее важной, наряду с энергоэффективностью, является проблема экологичности. Тепличное производство не является вредным для окружающей среды. Однако использование определенных материалов и методов при строительстве и эксплуатации теплиц может иметь негативные последствия. Например, использование ископаемого топлива для обогрева теплиц может способствовать выбросам парниковых газов и изменению климата. Кроме того, неправильная утилизация тепличных отходов, таких как пластиковые горшки и лотки, может способствовать загрязнению окружающей среды.
Использование современных достижений биофотоники позволяет системно обеспечить сквозное управление светокультурой с целью повышения экологичности как важнейшего, наряду с энергоэффективностью, свойством производства. Оптимизация светокультуры по критериям как энергоэффективности, так и экологичности является настолько важной задачей, что можно говорить о термине «энергоэкологичность светокультуры», объединяющем эти два критерия. Использование такого подхода является современной междисциплинарной тенденцией [18]. Оптимизация по энергоэкологичности подразумевает рассмотрение процессов использования энергии и экологических аспектов такого использования во взаимосвязи [19].
Рентабельность тепличного производства напрямую зависит от его интенсификации, но при этом на первый план выступают проблемы экологии [20]. Всего в мировом хозяйстве
насчитывают около 800 000 га теплиц. Условно их можно представить двумя типами. Теплицы северного типа имеют высокотехнологичное оборудование, используют газ для целей отопления и подкормки углекислотой растений, электрическую энергию для технологических процессов в теплице. Южный тип характеризуется минимальным набором технических средств34. Естественно, наибольшее воздействие на окружающую среду оказывают теплицы северного типа. Однако даже относительно простые теплицы южного типа небезопасны для внешней среды из за загрязнения близлежащих водных систем биоцидами и удобрениями, истощения водоносных горизонтов, засоление почвы и воды. Не следует списывать со счетов и воздействия на внутреннюю среду теплицы, приводящие к проблемам здоровья у обслуживающего персонала и снижение качества продукции.
Как закрытая агроэкосистема теплица характеризуется высоким потреблением энергии, различных веществ, воды, тепла и т.д. Задача оптимизации светокультуры сводится к снижению потерь в потоках субстанций (вещества и энергии) (рис. 2).
Рис. 2. Потоки вещества и энергии в теплице Fig. 2. Matter and energy flows in a greenhouse
Повышение устойчивости функционирования агроэкосистемы теплицы, качества и надежности управления возможно путем непрерывного контроля и оценки энергоэкологичности. Традиционно применяемые на практике раздельные методы проведения энергетического и экологического аудита не дают исчерпывающего понимания взаимного воздействия этих процессов. Известен способ проведения энергоэкоаудита, в котором о степени энергоэкологичности процесса судят по построенным по результатам объективных измерений годографам, отражающим потоки субстанции в светокультуре . Взаимосвязь структурных и динамических форм развития эколого-экономических систем возможна в рамках структурно-динамического подхода [21].
34 Bergstrand K-J. I. Approaches for mitigating the environmental impact of greenhouse horticulture. PhD thesis. Swedish University of Agricultural Sciences, Alnarp. 2010. 55 p. URL:
https://pub.epsilon.slu.se/2408/1/Bergstrand_KJ_101116.pdf
35 Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Васькин А.Н., Забодаев Д..П., Горбатенко Н.А. Способ энергоэкоаудита светокультуры. Патент на изобретение РФ №2645975, 28.02.2018. Заявка № 2016124940 от 21.06.2016 г.
Важность световой среды в светокультуре.
Факторы среды, воздействующие на растения в теплице, весьма многочисленны. Немаловажным фактором среди них является ОИ, характеризуемое своими параметрами: направленностью, продолжительностью, интегральной интенсивностью, спектральным составом, периодичностью. Они оказывают сильнейшее влияние на растения. Опытами К.А. Тимирязева доказано, что процесс фотосинтетической ассимиляции углекислоты связан с поглощением излучения хлорофиллом. Сигналы о состоянии окружающей среды с помощью фоторецепторов запускают соответствующие процессы в растениях, протекание которых адаптирует морфологические и физиологические параметры последних к меняющимся внешним условиям, оказывая влияние на эффективность фотосинтеза, углеродный метаболизм и производство биомассы. Растению через фотосенсорный механизм доступно восприятие энергии в широком диапазоне длин волн, называемом фотосинтетически активной радиацией (ФАР) [22]. Интенсивность отклика растений на излучения различных длин волн имеет максимумы в синем (В, 400-500 нм) и красном (Я, 600-700 нм) диапазонах (рис. 3). Так же важна роль зеленого диапазона (О, 500-600 нм), особенно в условиях ценоза. Нормируется так же содержание дальнекрасного излучения (РЯ, 700-780 нм) [23]. В условиях светокультуры, применяя искусственные источники света (ИС), необходимо учитывать состав излучения для удовлетворения требований растений.
С давних времен известно применение искусственных ИС в экспериментах по выращиванию растений, например, дуговых электрических ламп (Бэйли, 1891 г.) [24]. В настоящее время дополнительное облучение в теплицах является необходимым условием для достижения рентабельности производства [25]. Чем ближе спектральный состав излучения к требуемым показателям, тем выше интенсивность биохимических реакций, в целом определяющих эффективность светокультуры.
100
20
40
80
60
0
Длина волны (нм)
Рис. 3. Интенсивность поглощения излучения различных длин волн пигментами листа Fig. 3. Absorption intensity of different wavelength radiation by leaf pigments
Влияние ОИ с различными параметрами на физиологию и рост растений в светокультуре выявлено многочисленными исследованиями [26]. Тонкие квантовые эффекты
взаимодействия ОИ с растениями позволяют реализовать фотонное управление процессами, обеспечивающее в конечном счете рост и развитие растений [27].
СД облучатели обычно состоят из Я, G и ГЯ светодиодов. Такие растения, как перец, шпинат, редис, салат успешно культивируют с помощью СД этих диапазонов [28]. Независимо от вида растения, их листья сильно поглощают излучение в синем и красном диапазонах и отражают в зеленом диапазоне. В дальнекрасном диапазоне наблюдается и отражение, и пропускание. Энергия синего диапазона препятствует вытягиванию гипокотиля и способствует производству биомассы. Энергия излучения красного диапазона вызывает удлинение гипокотиля и создает условия для увеличения площади листьев. Дальнекрасное излучение влияет на преобразование фитохрома, обеспечивает протекание фотоморфогенетических процессов [29].
Одной из востребованных овощных культур в России и других странах является томат, выращиваемый в защищенном грунте. Имеются данные о выращивании томатов под СД как единственными источниками [30].
Несмотря на полученные исследователями богатый экспериментальный материал, общую реакцию растений на произвольный набор длин волн излучения предсказать довольно трудно, поскольку частные отклики подвержены сложному взаимодействию.
Современные технические средства и системы облучения в светокультуре.
Энергоэффективность технологического процесса облучения непосредственно определяется типом применяемых в облучательных установках ИС [31]. С целью снижения затрат электроэнергии на выращивание тепличной овощной продукции идут постоянные поиски путей совершенствования технических средств светокультуры, прежде всего, за счет совершенствования применяемых ИС.
Наиболее распространенным традиционным источником для теплиц являются натриевые лампы. Давление внутри лампы около 20 мм рт.ст. Газовый состав, в котором протекает электрический разряд, составляют ртуть в количестве 60 - 80 % по весу, ксенон и пары натрия. В области ФАР лампа излучает на длинах волн 589,0 и 589,6 нм (самообращенные О-линии натрия). В диапазоне 560-610 нм излучается 70% потока энергии ФАР. Световая отдача 400 ваттной лампы составляет 115 лм/Вт. Приэлектродные потери составляют 6 %, излучение ФАР - 30 %, ультрафиолетовая и инфракрасная зона - 20 %, тепловые потери в плазменном столбе, не образующие излучения - 44 % 36. У 1000 ваттной лампы в ФАР преобразуется около 27% потребляемой электроэнергии, из них 14%
37
излучаются в диапазоне 400-565 нм . Срок службы натриевых ламп составляет 12-25 тыс. часов, их фотонная отдача - до 1,7 мкмоль/Дж. Несмотря на свою энергоэффективность, спектр излучения этих лампы не вполне соответствует требованиям светокультуры [32]. Физика происходящих в лампе процессов не позволяет добиться изменения спектра при их эксплуатации.
36 Гавриш С.В. Радиационная плазмодинамика натриевого разряда высокого давления // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. Материалы Межд. науч.-техн. конф. «INTERMATIC-2010». М.: Энергоатомиздат. 2010. Ч. 1. С. 298-302.
37 Nelson J., Bugbee B. Supplemental greenhouse lighting: Return on investment for LED and HPS fixtures // Controlled Environments. 2013. Paper 2. P. 216-221. URL: https://digitalcommons.usu.edu/cpl_env/2
Современные светодиоды (СД) являются оптоэлектронными устройствами и активно внедряются в теплицах благодаря ряду преимуществ: большая фотонная отдача, возможность управления мощностью и спектральным составом, реализация динамических режимов. Они очень надежные, прочные, имеют большой ресурс, при наличии радиатора не создают излишнего нагрева [33].
Начав с экспериментальных фитотронов, СД постепенно находят широкое применение в замкнутых агроэкосистемах при выращивании листовых овощных культур, рассады, а так же в селекционных целях [34].
Фотонная отдача современных СД достигает 3 мкмоль/Дж при том, что их стоимость постоянно уменьшается. Однако она остается все еще значительной. Кроме того, фитооблучатели на СД материалоемки, имеют большой вес и размеры. Сопоставляя достоинства и недостатки натриевых и СД фитооблучателей, экономическую эффективность применения последних в теплицах следует признать невысокой [35]. По экспертной оценке, полная замена натриевых ламп на СД в промышленной светокультуре - дело не самого ближайшего будущего [36].
В таблице 2 показаны характеристики некоторых тепличных СД облучателей вместе с натриевым облучателей (Internet данные, цены указаны на май 2024 г).
Таблица 2. Характеристики тепличных облучателей Table 2. Characteristics of greenhouse irradiators
Марка Вид Параметры Цена, руб Производитель
Flora 130 Full Spectrum 240 240 Вт, 18 линеек по 36 фитодиодов Natin Star полного спектра Габариты: 1000х300х75 мм 46782.00 ТЕХСВЕТПРОМ https://tehsvetprom.ru/s hop/svetilniki-dlya- teplic/fitosvetilnik- svetodiodnyj-dlya- teplic-flora- 130-full- spectrum-240-vt/
УНИС-150 БИО SUN 'Viiim Мощность 150 вт, 13050 лм Габариты: 1522х101х167 мм 43980.00 КОМПАНИЯ ФОКУС https://www.ledsvet.ru/ catalog/svetodiodnoe-osveshchenie-teplits/unis-bio-sun/
BNL 100W LINE Широкий спектр Мощность 100 Вт Габариты: 1060х83х138 мм 10700.00 ТЕПЛИЦА СПБ https://teplica-spb.ru/fitosvetilniki-dlya- rastenii/svetodiodnye/fi tosvetilnik- bnl 100w line
FITO 180W 284 PAR мк моль/с Габариты: 860х170х110 мм 29270.00 ЛЕД ОРИГИНАЛ https://ledoriginal.ru/te plihnoe-osvehenie-fito-prom-168w
FLORA LED 200 D120 Universal 220 Вт, 28300 лм Габариты: 1620x134x80 мм 55868.00 Световые технологии https://www.tehdizain.r u/svetilnik_flora_led_2 00_d120_universal- si13242.html
ЖСП 30400-010 400 Вт, 46000 Лм Габариты: 625x167x197 мм 6930.00 Рефлакс https://reflaks.ru/catalo g/teplichnye- svetilniki.html
* цены на май 2024 г
Расчет стоимости единицы электрической мощности показывает, что для СД облучателей эта величина составляет 107-293 руб./Вт. Для натриевого облучателя эта величина составляет 17 руб./Вт, т.е. на порядок меньше. Даже большая фотонная отдача СД не может в полной мере компенсировать их дороговизну по сравнению с натриевыми облучателями.
Анализ практики гибридного облучения в светокультуре
Имеются публикации, в которых отмечается, что огромная разница в стоимости СД и натриевых облучателей может быть перекрыта созданием комбинированных облучателей либо использованием дополнительного светодиодного облучения [37]. Относительно дешевые натриевые лампы создают основной поток, а его качественная коррекция (дополнение спектра) производится с помощью СД [38].
Термин «комбинированный» (от англ. to combine - связывать, объединять, соединять) означает некоторое конструктивное соединение составных элементов. Прибор, состоящий из однотипных светодиодов, но с различным спектром излучения, можно считать комбинированным облучателем. Однако существует другой, более точный термин -«гибридный» (англ. hybrid), который применим к продукту соединения разнородных объектов. Таким образом, если в одном излучателе работают источники света различной природы (например, натриевые и светодиодные), то правильнее говорить о таких излучателях как о гибридных. В приведенном ниже кратком обзоре рассмотрены примеры технических решений для создания комбинированного (гибридного) потока.
Распространенным подходом является использование в одном фитооблучателе разноспектральных СД (рис. 4). В известном техническом решении спектральный состав фитооблучателя составляет: синий и зеленый 15-20%, красный 50-55%, дальне-красный 1015% 38.
38 Смирнов А.А. Светодиодный фитооблучатель для выращивания томата. Патент на изобретение РФ № 2695812. Заявка № 2018122109, 18.06.2018. Опубл. 30.07.2019.
131
400 500 600 700 800
Длим«КЛИМ, мм
Рис. 4. Комбинация разноспектральных светодиодов в фитооблучателе и спектр его
излучения
Fig. 4. Combination of multi-spectral LEDs in a phyto-irradiator and its light quality
Сравнительный эксперимент в фитотроне при выращивании томатов под натриевыми лампами и предлагаемым облучателем показал, что при одинаковой облученности порядка 50 Вт/м2 мощность СД была в два раза меньше, а урожайность томата на 20% выше.
Известна тепличная система облучения, которая включает две группы источников ОИ. Источники первой группы (позиция 7 на рис. 5) расположены над лотками и имеют спектр излучения в диапазонах 400-500 нм, 500-600 нм и 600-700 нм соответственно в пределах 15-25%, 35-45% и 35-45%. Источники второй группы (позиция 8) размещены внутри ценоза и имеют спектр в тех же диапазонах соответственно в пределах 5-10 %, 1525 % и 60-70 %.
Рис. 5. Устройство для выращивания растений в теплице с комбинированной
системой облучения Fig. 5. Device for growing plants in a greenhouse with a combined irradiation system
Это позволяет создать оптимальный спектральный состав облучения растений за счет увеличения дозы красного диапазона. В качестве источников света используются лампы
39
трехфазные металлогалогенные типа ДМЗ-3000 и другие .
Известна комбинированная облучательная система, верхние облучатели которой могут быть натриевыми лампами или светодиодными источниками, а внутриценозные облучатели представляют собой протяженные светодиодные источники с содержанием в спектре ФАР доли излучения в синем диапазоне ДХ=430^470 нм, причем соотношения облученности внешней поверхности ценоза Е1к облученности внутренней поверхности ценоза составляет 2,0^3,5 (рис. 6)40.
Рис. 6. Комбинированная облучательная система Fig. 6. Combined irradiation system
Известна облучательная система для теплицы, в котором в качестве светоизлучающего устройства используются светодиоды, газоразрядные лампы, люминесцентные, лампы, натриевые лампы или их комбинации (рис. 7). Регулирующее устройство производит управление световым режимом в зависимости от естественной облученности, параметров микроклимата и т.д. 41.
39 Шарупич В.П. Устройство для выращивания растений в теплице. Патент на изобретение РФ № 2066530. Заявка №93000753/15, 06. 01.1993. Опубл. 20. 09.1996.
40 Прикупец Л.Б., Боос Г.В., Терехов В.Г., Селянский А.И. Комбинированная облучательная система для многоярусной фитоустановки. Патент на изобретение РФ № 2724513. Заявка №2019143611, 24.12.2019. Опубл. 23.06.2020 г.
41 Лебль Х.-П., Будде В.О., Якобс Й. Регулирующее устройство для теплицы. Патент на изобретение РФ № 2448455. Заявка №2009125900/13, 03.12.2007. Опубл. 27.04.2012 г.
133
Рис. 7. Система управления комбинированным облучением Fig. 7. Control system for combined irradiation
В целях оптимизации спектрального состава излучения предложен комбинированный фитооблучатель, в котором в вогнутом отражателе размещена газоразрядная металлогалогенная или натриевая лампа высокого давления (позиция 2 на рис. 8), а к боковым стенкам прикреплены светодиодные излучатели (позиция 9), имеющие свои радиаторы. Дополнение излучения газоразрядной лампы потоком от СД позволяет добиться более приемлемого суммарного спектрального состава излучения облучателя42.
Рис. 8. Комбинированный фитооблучатель Fig. 8. Combined phyto-irradiator
Комбинация основного источника на натриевой лампе и СД, расположенных в одном корпусе, позволяет выровнять общий спектр излучения на необходимых длинах волн ФАР (рис. 9). Однако такой подход диктует необходимость полной замены фитооблучателя при реконструкции облучательной установки. Кроме того, наличие близко расположенных натриевых ламп усложняет возможность обеспечить тепловой режима СД 43.
42 Сысун В.В. Комбинированный светильник. Патент на изобретение РФ № 2510647. Заявка №2012135958/07, 22.08.2012. Опубл. 10.04.2014 г.
43 Репин Ю.В., Сарычев Г.С., Сысун В.В. Комбинированный осветитель. Патент на изобретение РФ №2516001. Заявка №2012126133/07, 25.06.2012. Опубл. 20.05.2014 г.
Рис. 9. Комбинированный фитооблучатель Fig. 9. Combined phyto-irradiator
Известна система облучения растений (рис. 10) на основе натриевой лампы, СД источника синего света с регулируемой долей потока 5-27 %, а так же СД источника дальне-красного света с регулируемой долей потока 4-36%44. Эта идея представляется перспективной при реализации дополнения излучения натриевой лампы отдельными излучателями в единой системе управления.
220
Время дня (часы)
Рис. 10. Формирование комбинированного потока излучения Fig. 10. Shaping of a combined radiation flow
Известна гибридная облучательная установка с верхними натриевыми лампами и СД источниками в междурядье. Доли излучения в указанных диапазонах ФАР у светодиодного облучателя находятся в соотношении В : G : Я = (25-27)%: (27-30)% : (44-46)%. Межрядные
44 Крейн М. Системы и способы освещения растений. Патент на изобретение РФ № 2734436. Заявка №2017137737, 31.03.2016. Опубл. 16.10.2020 г.
135
облучатели создают фотосинтетическую фотонную облученность на уровне 90-100 мкмоль/(с ■ м ), а суммарная фотосинтетическая фотонная облученность средней части
2 45
шпалеры огурца составляет 140-165 мкмоль/(см ) .
Опытная система облучения растений в теплице использует отдельные излучатели (корректоры), дополняющие основной поток натриевых ламп в светокультуре46.
Экспериментальные исследования в производственных условиях подтвердили возможность улучшения радиационной среды в теплице в светокультуре томата путем применения корректора (рис. 11). Источниками эффективности его внедрения являются повышенная урожайность томата, лучшие вкусовые качества их плодов.
Рис. 11. Гибридная облучательная установка в теплице Fig. 11. Hybrid irradiation unit in a greenhouse
Результаты эксперимента свидетельствуют о том, что применение комбинированного облучения сопряжено со сравнительно небольшими затратами на реконструкцию облучательной установки (дополнительное приобретение и монтаж корректоров), но позволяет существенно повысить эффективность светокультуры [39].
Выводы
1. Анализ показал, что технология выращивания растений в контролируемых условиях окружающей среды имеет богатую историю, начиная с древности и имея свое продолжение в настоящее время, в различных поколениях теплиц. Высокотехнологичные теплицы шестого поколения используют такие технологии как ультраклимат, гидропоника, аквапоника и СД облучение. В России тепличная отрасль в основном развивается за счет широкомасштабного внедрения в производство современных агротехнологий. В структуре продукции тепличных комплексов томаты занимают второе место.
2. Светокультура с применением источников искусственного излучения как средств энергетического воздействия на растения является весьма затратной технологией с ресурсной и энергетической позиций. Учитывая этот факт, актуальность снижения энергоемкости и внедрения энергосберегающих технологий на тепличных предприятиях
45 Прикупец Л.Б., Терехов В.Г., Боос Г.В. Гибридная облучательная установка для светокультуры огурца в теплицах. Патент на изобретение РФ №2723953. Заявка №2018144051,12.12.2018. Опубл. 18.06.2020 г.
46 Ракутько С.А., Аюпов М.Р., Тимохин В.Н. Система облучения растений в теплице. Патент на изобретение №2725003. Заявка №2019140324, 06.12.2019. Опубл. 29.06.2020 г.
высока. Эти вопросы для светокультуры даже более остры, чем для других отраслей АПК. Другой проблемой, наряду с энергоэффективностью, является экологичность. Для повышения экологичности закрытых агроэкосистем необходим системный подход при их управлении на отдельных иерархических уровнях с учетом современных методов биофотоники.
3. Накоплена большая экспериментальная база как о влиянии интегральной облученности ФАР, так и ее отдельных составляющих, в частности, спектра излучения. Несмотря на полученные исследователями богатый экспериментальный материал, общую реакцию растений на произвольный набор длин волн излучения предсказать довольно трудно, поскольку частные отклики подвержены сложному взаимодействию.
4. Важнейшим резервом повышения энергоэкологичности светокультуры является совершенствование тепличных облучательных установок. Тип применяемых источников света предопределяет возможности дальнейшей оптимизации технологического процесса облучения. Традиционные газоразрядные натриевых лампы являются одними из самых энергоэффективных источников излучения, но не свободны от ряда недостатков. Улучшение эффективности облучательной установки может быть реализовано в новых технологиях с применением СД облучателей. Однако большая фотонная отдача СД на сегодняшний момент и обозримую перспективу не может компенсировать их дороговизну по сравнению с натриевыми источниками.
5. Перспективной технологией светокультуры является использование гибридных облучательных установок. Выявлено направление повышения энергоэффективности и экологичности светокультуры путем использования гибридной облучательной установки из основных стандартных НА облучателей и относительно маломощных дополнительных СД облучателей-корректоров спектра, дополняющих спектр основных источников и конструктивно разнесенных с ними.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Дорохов А.С., Измайлов А.Ю., Гришин А.П., Гришин А.А., Гришин В.А., Семенова Н.А. Замкнутые цифровые искусственные агроэкосистемы в овощеводстве. М.: ФНАЦ ВИМ, 2020. 184 с.
2. Тихомиров Д.А., Тихомиров А.В. Состояние энергообеспечения объектов АПК и перспективы развития децентрализованных систем, сетей и оборудования // Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 2(31). С. 134-145. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=38583657
3. Rakutko S.A., Avotins A., Gruduls J., Rakutko E.N. Hybride irradiation as best available practice in artificial plant lighting // Engineering for Rural Development. 2020. Vol. 19. P. 10761081. URL: https://doi.org/10.22616/ERDev.2020.19.TF254
4. Ракутько С.А. Энергоэкологические основы наилучших доступных технологий светокультуры // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 1 (98). С. 44-60. https://doi.org/10.24411/0131-5226-2019-10121
5. Аюпов М.Р., Ракутько С.А. О возможности коррекции спектра натриевой лампы с помощью светодиодного источника под требования светокультуры // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. №94. С. 5-13. https://doi.org/10.24411/0131-5226-2018-10002
6. Щеглов Е.В., Никитенко С.В., Рабенко И.А. Революция тепличных комплексов: от плёнки до аквапоники и LED-освещения // Агрофорум. 2023 № 2. С. 93-95. https://doi.org/10.24412/cl-34984-2023-2-93-95
7. Лаврухина И.М., Попов М.Ю. Становление и перспективы тепличной отрасли // Вестник Донского государственного аграрного университета. 2020. №2-1(36). C.73-80. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=43869830
8. Абдулаев М.А., Абдулаева З.К., Сеферова З.А. Инвестиционный потенциал тепличных комплексов России // Горное сельское хозяйство. 2022. № 1. С. 96-99. https://doi.org/10.25691/GSH.2022.1.019
9. Патракова С.С. Проблемы развития овощеводства защищенного грунта на Европейском Севере России // Научный вестник Южного института менеджмента. 2019. №2(26). С. 78-83. https://doi.org/10.31775/2305-3100-2019-2-78-83
10. Долгих П.П., Гончарова М.А. Состояние тепличной отрасли в России и перспективы ее развития // Эпоха науки. 2021. №25. С. 25-29. https://doi.org/10.24412/2409-3203-2021-25-26-29
11. Иванова Т.А. Анализ российского рынка овощей защищенного грунта // Вестник Российского университета кооперации. 2022. № 2(48). С. 21-26. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49173814
12. Ракутько С.А., Гулин С.В. Применение метода конечных отношений к энергетическому анализу этапов технологического процесса облучения в оптических электротехнологиях // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2024. № 1 (75). С. 141-150. https://doi.org/10.24412/2078-1318-2024-1-141-150
13. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Моделирование и численный анализ энергоэкологичности светокультуры // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2019. №13(3). С.11-17. https://doi.org/10.22314/20737599-2019-13-3-11-17
14. Дорохов А.С., Гришин А.П., Гришин А.А. Принципы синергетики и эксергетического моделирования для управления продукционными процессами в закрытых искуственных агроэкосистемах (ЗИАЭС) // Агротехника и энергообеспечение. 2019. №3 (24). С. 128-139. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41167885
15. Чазова И.Ю., Долговых О.Г. Исследование факторов, оказывающих влияние на снижение энергоемкости тепличной продукции // Вестник Удмуртского университета. Серия Экономика и право. 2012. № 1. С. 72-76. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17562687
16. Мамедов М.И. Структура и площади защищенного грунта в мире и глобальная тепличная технология: будущее производства продуктов питания // Овощи России. 2015. № 3-4 (28-29). С. 64-69. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24056069
17. Чиркова И.Г., Болгов А.Д. Снижение энергоемкости выращивания овощей защищенного грунта как фактор повышения их конкурентоспособности // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. 2018. № 2. С. 61-66. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32777934
18. Ракутько С.А. Становление и развитие энергоэкологии светокультуры как нового научного направления в Институте агроинженерных и экологических проблем // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2024. № 2 (74). С. 331-346. https://doi.org/10.32786/2071-9485-2024-02-40
19. Субботин И.А., Брюханов А.Ю., Тимофеев Е.В., Эрк А.Ф. Энергоэкологическая оценка использования различных генерирующих источников в сельском хозяйстве //
Инженерные технологии и системы. 2019. Т. 29. № 3. С. 366-382. https://doi.org/10.15507/2658-4123.029.201903.366-382
20. Wainwright H., Jordan C., Day H. Environmental impact of production horticulture. In: Dixon G. R., Aldous D. E. (eds.) Horticulture: Plants for people and places. Springer, Dordrecht. 2014. Vol. 1. Chapter 15. P. 503-522. https://doi.org/10.1007/978-94-017-8578-5_15
21. Литовка О.П., Дедов Л.А., Павлов К.В., Федоров М.М. Структурно-динамический подход к исследованию эколого-экономических систем // Экономика промышленности. 2005. № 3 (29). С. 52-63 URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17062355
22. Paik I., Huq E. Plant photoreceptors: Multi-functional sensory proteins and their signaling networks // Seminars in Cell & Developmental Biology. 2019. Vol. 92. P. 114-121. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2019.03.007
23. Fylladitakis E.D. Controlled LED lighting for horticulture: A review // Open Journal of Applied Sciences. 2023. Vol.13 (2). P. 175-188. https://doi.org/10.4236/ojapps.2023.132014
24. Janick J. The origins of horticultural technology and science // Acta Horticulturae. 2007. Vol. 759. P. 41-60. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2007.759.3
25. Gómez C., Currey C. J., Dickson R. W, Kim H.-J., Hernández R., Sabeh N. C., Raudales R. E., Brumfield R. G., Laury-Shaw A., Wilke A. K., Lopez R. G., Burnett S. E. Controlled environment food production for urban agriculture //HortScience. 2019. Vol. 54(9). P. 1448-1458. https://doi.org/10.21273/H0RTSCI14073-19
26. Meiramkulova K., Tanybayeva Z., Kydyrbekova A., Turbekova A., Aytkhozhin S., Zhantasov S., Taukenov A. The efficiency of LED irradiation for cultivating high-quality tomato seedlings // Sustainability. 2021. Vol. 13(16), 9426. https://doi.org/10.3390/su13169426
27. Кульчин Ю.Н., Булгаков В.П., Гольцова Д.О., Субботин Е.П. Оптогенетика растений - светорегуляция генетического и эпигенического механизмов управления онтогенезом // Вестник ДВО РАН. 2020. № 1. С. 5-25. https://doi.org/10.25808/08697698.2020.209.L001
28. Yorio N. C., Goins G. D., Kagie H. R. et al. Improving spinach, radish, and lettuce growth under red light-emitting diodes (LEDs) with blue light supplementation // HortScience. 2001. Vol. 36(2). P. 380-383. https://doi.org/10.21273/H0RTSCI.36.2.380
29. Johkan M, Shoji K, Goto F, Hahida S, Yoshihara T. Effect of green light wavelength and intensity on photomorphogenesis and photosynthesis in Lactuca sativa // Environmental and Experimental Botany. 2012. Vol. 75. P. 128-133. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2011.08.010
30. Gomez C., Mitchell C.A. Growth responses of tomato seedlings to different spectra of supplemental lighting // HortScience. 2015. Vol. 50(1). P. 112-118. https://doi.org/10.21273/H0RTSCI.50.L112
31. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А. Сравнительная оценка эффективности источников излучения по энергоемкости фотосинтеза // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 2 (12). С. 50-54. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=23794345
32. Wheeler R.M. A historical background of plant lighting: an introduction to the workshop // HortScience. 2008. Vol. 43(7). P. 1942-1943. https://doi.org/10.21273/H0RTSCI.43.7.1942
33. Прокофьев А., Туркин А., Яковлев А. Перспективы применения светодиодов в растениеводстве // Полупроводниковая светотехника. 2010. № 5 (7). С. 60-63 URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=15243958
34. Heuvelink E., Bakker M.J., Hogendonk L., Janse J., Kaarsemaker R.C., Maaswinkel R.H.M. Horticultural lighting in the Netherlands: New developments // Acta Horticulturae. 2006. Vol. 711. P. 25-33. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2006.71L1
35. Прикупец Л.Б., Емелин А.А., Тараканов И.Г. Светодиодные облучатели: из фитотрона в теплицу? // Теплицы России. 2015. № 2. С. 52-56. URL: https://galad.ru/upload/pdf/27/teploros-2-2015.pdf
36. Пчелин В.М., Макарова И.Е. Об экономической целесообразности массового внедрения светодиодов в тепличном освещении в настоящее время // Теплицы России. 2017. № 4. С. 62-66.
37. Сарычев Г., Гаврилкина Г., Туркин А., Репин Ю. Светодиоды и интенсивная светокультура растений // Полупроводниковая светотехника. 2014. №1. С. 70-71. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2016.1134.16
38. Moerkens R., Vanlommel W., Vanderbruggen R. Van Delm T. 2016. The added value of LED assimilation light in combination with high pressure sodium lamps in protected tomato crops in Belgium // Acta Horticulturae. 2016, 1134. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2016.1134.16
39. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Аюпов М.Р. Применение комбинированного облучения в светокультуре // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2020. Т.14. №2. С. 46-52. https://doi.org/10.22314/2073-7599-2020-14-2-46-52
REFERENCES
1. Dorokhov A.S., Izmailov A.Yu., Grishin A.P., Grishin A.A., Grishin V.A., Semenova N.A. Closed digital artificial agro-ecosystems in vegetable growing. Moscow: FSAC VIM. 2020. 184 p. (In Russ.)
2. Tikhomirov D.A., Tikhomirov A.V. The state of power supply of agriculture objects and prospects for the development of decentralized systems, networks and equipment. Innovatsii v sel'skom khozyaistve = Innovations in Agriculture. 2019; 2 (31): 134-145. (In Russ.) URL: https://elibrary .ru/item.asp?id=38583657
3. Rakutko S.A., Avotins A., Gruduls J., Rakutko E.N. Hybride irradiation as best available practice in artificial plant lighting. Engineering for Rural Development. 2020; 19: 1076-1081. (In Eng.) URL: https://doi.org/10.22616/ERDev.2020.19.TF254
4. Rakutko S.A. Energy and ecological basis of best available techniques of plant lighting. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva = Technologies, machines and equipment for mechanised crop and livestock production. 2019; 1 (98): 44-60 (In Russ.) https://doi.org/10.24411/0131-5226-2019-10121
5. Aupov M.R., Rakutko S.A. LED-based correction of sodium lamp light quality for indoor plant lighting demands. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva = Technologies, machines and equipment for mechanised crop and livestock production. 2018; 94: 5-13. (In Russ.) https://doi.org/10.24411/0131-5226-2018-10002
6. Shcheglov E.V., Nikitenko S.V., Rabenko I.A. The revolution in greenhouse complexes: from film covering to aquaponics and LED lighting. Agroforum = Agricultural Forum. 2023; 2:.93-95. (In Russ.) https://doi.org/10.24412/cl-34984-2023-2-93-95
7. Lavrukhina I.M., Popov M.Yu. The formation and prospects of the greenhouse industry. Vestnik Donskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta = Vestnik of Don State Agrarian University. 2020; 2-1(36): 73-80 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=43869830
8. Abdulaev M.A., Abdulaeva Z.K., Seferova Z.A. Investment potential of greenhouse complexes in Russia. Gornoe sel'skoe khozyaistvo = Mountain Agriculture. 2022; 1: 96-99 (In Russ.) https://doi.org/10.25691/GSH.2022.L019
9. Patrakova S.S. Problems of development of vegetable-growing of protected ground in European North of Russia. Nauchnyi vestnik Yuzhnogo instituta menedzhmenta = Scientific Bulletin of the Southern Institute of Management. 2019; 2 (26): 78-83. (In Russ.) https://doi.org/10.31775/2305-3100-2019-2-78-83
10. Dolgikh P.P., Goncharova M.A. State of the greenhouse industry in Russia and prospects for its development. Epokha nauki = Era of Science. 2021; 25: 25-29. (In Russ.) https://doi.org/10.24412/2409-3203-2021-25-26-29
11. Ivanova T.A. Analysis of the Russian market of protected soil vegetables. Vestnik Rossiiskogo universiteta kooperatsii = Vestnik of the Russian University of Cooperation. 2022; 2 (48): 21-26. (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49173814
12. Rakutko S.A., Gulin S.V. Application of the finite ratio method to the energy analysis of irradiation process steps in optical electrotechnologies. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta = Izvestiya Saint-Petersburg State Agrarian University. 2024; 1 (75): 141-150 (In Russ.) https://doi.org/10.24412/2078-1318-2024-1-141-150
13. Rakutko S.A., Rakutko E.N. Simulation and numerical analysis of energy and ecological compatibility of indoor plant lighting. Sel'skokhozyaistvennye mashiny i tekhnologii = Agricultural Machinery and Technologies. 2019; 13(3):11-17 (In Russ.) https://doi.org/10.22314/20737599-2019-13-3-11-17
14. Dorohov A.S., Grishin A.P., Grishin A.A. The principles of synergetics and exergy modeling to manage production processes in closed artificial agroecosystems (CAAES). Agrotekhnika i energoobespechenie = Agrotechnics and Energy Supply. 2019; 3 (24): 128-139 (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41167885
15. Chazova I.Yu., Dolgovykh O.G. Investigation of the factors that influence the reduction of greenhouse product energy. Vestnik Udmurtskogo universiteta. Seriya Ekonomika i pravo = Bulletin of Udmurt University. Series Economics and Law. 2012; 1: 72-76. (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17562687
16. Mamedov M.I. Structure and area of protected ground in the world and global greenhouse technology: future of food production. Ovoshchi Rossii = Vegetable Crops of Russia. 2015; 3-4 (28-29): 64-69. (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=24056069
17. Chirkova I.G., Bolgov A.D. Decreasing the energy intensity of protected cultivation of vegetables as a factor of increasing their competitiveness. Vestnik Kurskoj gosudarstvennoj sefskoxozyajstvennoj akademii = Bulletin of the Kursk State Agricultural Academy. 2018; 2: 6166 (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=32777934
18. Rakutko S.A. Formation and development of energy and ecology convergence in greenhouse horticulture as a new scientific field at the Institute of Agricultural Engineering and Environmental Problems. Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professional'noe obrazovanie = Proceedings of Lower Volga Agro-University Complex: Science and Higher Education. 2024; 2 (74): 331-346 (In Russ.) https://doi.org/10.32786/2071-9485-2024-02-40
19. Subbotin I.A., Briukhanov A.Yu., Timofeev E.V., Erk A.F. Energy and environment assessment of agricultural application of power generating sources. Inzhenernyye tekhnologii i sistemy = Engineering Technologies and Systems. 2019; 29(3):366-382 (In Russ.) https://doi.org/10.15507/2658-4123.029.201903.366-382
20. Wainwright H., Jordan C., Day H. Environmental impact of production horticulture. In: Dixon G. R., Aldous D. E. (eds.) Horticulture: Plants for people and places. Springer, Dordrecht. 2014; 1, 15: 503-522 (In Eng.) https://doi.org/10.1007/978-94-017-8578-5_15
21. Litovka O.P., Dedov L.A., Pavlov K.V., Fedorov M.M. Structural and dynamic approach to the study of ecological and economic systems. Ekonomika promyshlennosti = Economy of Industry. 2005; 3 (29): 52-63. (In Russ.) URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17062355
22. Paik I., Huq E. Plant photoreceptors: Multi-functional sensory proteins and their signaling networks. Seminars in Cell & Developmental Biology. 2019; 92: 114-121. (In Eng.) https://doi.org/10.1016Zj.semcdb.2019.03.007
23. Fylladitakis E.D. Controlled LED lighting for horticulture: A review. Open Journal of Applied Sciences. 2023; 13 (2): 175-188. (In Eng.) https://doi.org/10.4236/ojapps.2023.132014
24. Janick J. The origins of horticultural technology and science. Acta Horticulturae. 2007; 759: 41-60. (In Eng.) https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2007.759.3
25. Gomez K., Curry S.J., Dixon R.W., Kim H.-J., Hernandez R., Sabe N.K., Raudales R.E., Broomfield R.G., Laurie-Shaw A., Wilke A.K., Lopez R.G., Burnett S.E. Controlled environment food production for urban agriculture. HortScience. 2019; 54 (9): 1448-1458. (In Eng.) https://doi.org/10.21273/H0RTSCI14073-19
26. Meiramkulova K., Tanybayeva Z., Kydyrbekova A., Turbekova A., Aytkhozhin S., Zhantasov S., Taukenov A. The efficiency of LED irradiation for cultivating high-quality tomato seedlings. Sustainability. 2021; 13(16), 9426. (In Eng.) https://doi.org/10.3390/su13169426
27. Kulchin Yu.N., Bulgakov V.P., Goltsova D.O., Subbotin E.P. Plant optogenetics -photoregulation of genetic and epigenic mechanisms of ontogenesis control. Vestnik Dal'nevostochnogo Otdeleniya Rossiiskoi akademii nauk = Vestnik of the Far East Branch of the Russian Academy of Sciences. 2020; 1: 5-25. (In Russ.) https://doi.org/10.25808/08697698.2020.209.L001
28. Yorio N. C., Goins G. D., Kagie H. R. et al. Improving spinach, radish, and lettuce growth under red light-emitting diodes (LEDs) with blue light supplementation. HortScience. 2001; 36(2): 380-383. (In Eng.) https://doi.org/10.21273/H0RTSCI.36.2.380
29. Johkan M, Shoji K, Goto F, Hahida S, Yoshihara T. Effect of green light wavelength and intensity on photomorphogenesis and photosynthesis in Lactuca sativa. Environmental and Experimental Botany. 2012; 75:128-133. (In Eng.) https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2011.08.010
30. Gomez C., Mitchell C.A. Growth responses of tomato seedlings to different spectra of supplemental lighting. HortScience. 2015; 50(1): 112-118. (In Eng.) https://doi.org/10.21273/H0RTSCI.50.L112
31. Rakutko E. N., Rakutko S. A. Comparative efficiency of sources of effective energy intensity of photosynthesis. Innovatsii v sel'skom khozyaistve = Innovations in Agriculture. 2015; 2 (12): 50-54. (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=23794345
32. Wheeler R.M. A historical background of plant lighting: An introduction to the workshop. HortScience. 2008; 43(7): 1942-1943. (In Eng.) https://doi.org/10.21273/H0RTSCI.43.7.1942
33. Prokofiev A., Turkin A., Yakovlev A. Prospects for LEDs application in plant growing. Solid-State Lighting. 2010; 5(7): 60-63 (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=15243958
34. Heuvelink E., Bakker M.J., Hogendonk L., Janse J., Kaarsemaker R.C., Maaswinkel R.H.M. Horticultural lighting in the Netherlands: New developments. Acta Horticulturae. 2006; 711: 25-33. (In Eng.) https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2006.711.1
35. Prikupets L.B., Emelin A.A., Tarakanov I.G. LED irradiators: from a phytotron to a greenhouse? Teplitsy Rossii = Greenhouses of Russia. 2015; 2: 52-56. (In Russ.) URL: https://galad.ru/upload/pdf/27/teploros-2-2015.pdf
36. Pchelin V.M., Makarova I.E. On the current economic feasibility of mass introduction of LEDs in greenhouse lighting. Teplitsy Rossii = Greenhouses of Russia. 2017; 4: 62-66. (In Russ.)
37. Sarychev G., Gavrilkina G., Turkin A., Repin Yu. LEDs and intensive photoculture of plants. Poluprovodnikovaya svetotekhnika = Solid-State Lighting. 2014; 1(27): 70-71. (In Russ.) URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=21169928
38. Moerkens R., Vanlommel W., Vanderbruggen R. Van Delm T. The added value of LED assimilation light in combination with high pressure sodium lamps in protected tomato crops in Belgium. Acta Horticulturae. 2016, 1134. (In Eng.) https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2016.1134.16
39. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Ayupov M.R. Use of combined irradiation in grow light. Sel'skokhozyaistvennye mashiny i tekhnologii = Agricultural Machinery and Technologies. 2020;14 (2): 46-52. (In Russ.) https://doi.org/10.22314/2073-7599-2020-14-2-46-52
Об авторах About the authors
Елена Николаевна Ракутько, научный сотрудник отдела агроэкологии в животноводстве Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиала ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 196634, Россия, г. Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское ш., д. 3, [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3536-9639 Yelena N. Rakutko, researcher, Department of Agroecology in Livestock Production, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) -branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM, 196634 Filtrovskoje Shosse, 3, Tiarlevo, Saint Petersburg, Russia [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3536-9639
Сергей Анатольевич Ракутько, доцент, доктор технических наук, главный научный сотрудник отдела агроэкологии в животноводстве Института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиала ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 196634, Россия, г. Санкт-Петербург, п. Тярлево, Фильтровское ш., д. 3, [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2454-4534 Sergei A. Rakutko, DSc (Engineering), shief researcher, Department of Agroecology in Livestock Production, Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIM, 196634 Filtrovskoje Shosse, 3, Tiarlevo, Saint Petersburg, Russia, [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2454-4534
Заявленный вклад авторов Все авторы внесли равный вклад в работу, в равной степени принимали участие в написании рукописи и несут равную Authors'contribution All authors have made an equal contribution to the work, participated equally in the writing of the manuscript and bear equal responsibility
ответственность
Конфликт интересов Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов Conflict of interests The authors declare no conflict of interests
Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант All authors have read and approved the final version of the paper submitted
Статья поступила в редакцию: 08.10.2024 Received: 08.10.2024
Одобрена после рецензирования: 08.10.2024 Approved after reviewing: 08.10.2024
Принята к публикации: 08.10.2024 Accepted for publication: 08.10.2024
