CC BY
95УДК 633/.635:631.589.2:632.935.43/.49
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ОБЛУЧЕНИЮ РАСТЕНИИ, ВЫРАЩИВАЕМЫХ НА ГИДРОПОНИКЕ
Н.П. Кондратьева, Р.Г. Большин, М.Г. Раснолуцкая, К.Ю. Долганов, И.В. Беляков, Попугаев А., Горшков З.
ФГБОУ ВО «Ижевская ГСХА», г. Ижевск, Россия
Аннотация. В статье приводятся результаты экспериментов, полученные при освещении (облучении) зеленого корма из семян ячменя и пшеницы, энергоэффективной, экономичной, экологически безопасной разноцветной светодиодной фитоустановкой. В 1876 году русский ученый К.А. Тимирязев описал выращивание растений гидропонным методом и предсказал возможность его производственного использования. В 1910 году русский ученый А.В. Арциховский предложил две оригинальные установки: в первой корни растений находились в среде воздуха и периодически опрыскивались водноминеральным раствором, содержащим питательные вещества, во второй был заложен принцип подачи и сбора питательного раствора по трубопроводам.
Целью исследований является исследование влияния УФ излучения на всхожесть зерновых культур и излучения зоны фотосинтетически активной радиации (ФАР) на рост и развитие зеленых растений, выращенных из облученных УФ излучением семян в гидропонных установках.
В наших экспериментах семена перед посевом были обработаны излучением от ультрафиолетовых светодиодов зоны А (УФ-А). Было усыновлено, что УФО семян оказало положительное воздействие на всхожесть и повысило ее на 6... 8%. Мощность УФ излучателя составляла 2 Вт.
Анализ опытов показал, что для растений пшеницы, выросших из обработанных УФ излучением семян, можно рекомендовать время облучения от 33 до 45 мин. Для семян ячменя наилучшую дозу УФО определить не удалось, при облучении УФ излучением от 33 до 45 мин. средняя знлнгая масса растений продолжает возрастать. Мощность разноспектральной фитоустановки составляла 60 Вт.
Проведенные эксперименты по облучению семян УФ излучением с последующим выращиванием из их зеленых растений на специально разработанной фитоустановке показывают новые подходы к выращиванию зеленых растений в гидропонных установках. Применение светодиодов позволяет экономить электрическую
энергию на 40..50% по сравнению люминесцентными лампами. Установка электробезопасна, т. к. работает при напряжении 12 В и экологически безвредна, т. к. не содержит ртуть. Ориентировочная ее стоимость УФ установки составила примерно 2000 руб., фитоустановки - около 4500 рублей, срок окупаемости последней примерно 3 года.
Ключевые слова: гидропоника, ультрафиолетовое излучение, фитоустановка, энергосбережение, зеленый корм.
Введение. Гидропоника - это способ выращивания растений без почвы. Слово «гидропоника» произошло от двух греческих: «hydro» вода и «ponos» работа [1, 2, 3].
История исследований по выращиванию растений на искусственных почвах начинается с глубокой древности. Археологические раскопки свидетельствуют, что висячие сады Семирамиды древнего Вавилона, вошедшие в число «Семи Чудес Света» были одной из первых удачных попыток земледелия на искусственных почвах. Плавающие сады ацтеков в Центральной Америке - еще один пример удачного применения гидропоники. Кочевые племена были вытеснены с пахотных плодородных земель более сильными враждебными племенами и тогда ацтеки построили из длинных стеблей тростника плоты, на которые уложили ил, поднятый со дна озера Теночитлан (Мексика). На этих плотах выращивался обильный урожай овощей, цветов и даже деревьев. Влагу растения получали корнями, которые пробивались вниз к воде [1, 2, 3].
Аристотель первым задумался о том, как питаются растения, Далее в период 1575 - 1642 гг этим вопросом занимался голландский ученый И. Б. Ван Гельмонт. Впервые довести растения из семян до цветения и новых семян на искусственном растворе удалось двум немецким ботаникам Ф.Кнопу и Ю.Заксу в 1865 г. [1].
В 1876 году русский ученый К.А. Тимирязев описал выращивание растений гидропонным методом и предсказал возможность его производственного использования. В 1910 году русский ученый А.В. Арциховский предложил две оригинальные установки: в первой корни растений находились в среде воздуха и периодически опрыскивались водноминеральным раствором, содержащим питательные вещества, во второй был заложен принцип подачи и сбора питательного раствора по трубопроводам. В 1929 году профессор Калифорнийского университета У. Герике обобщил и усовершенствовал существующие в то время методы выращивания растений без почвы и дал общее название «Гидропоника» [1, 3]. Метод Герике блестяще выдержал поверку, когда возникала необходимость в обеспечении свежими овощами отдельные американские воинские подразделения,
находящиеся в период второй мировои воины на совершенно бесплодных скалистых островах. В гидропонных бассейнах Герике, часть которых была создана в голой скале с помощью взрыва, непрерывно и в изобилии выращивали превосходные во всех отношениях овощи [1, 2, 3]
В зимний период возможно выращивать на гидропонике зеленый корм и использовать на корм скоту, что значительно снижает авитаминоз у животных. Растения выращиваются на искусственных питательных средах в специальных установках, что позволяет получить с малых площадей большую массу растений и обеспечивает ежедневное получение зеленого корма. При скармливании этих зеленых кормов животным они хорошо растут и развиваются, увеличивая продуктивность. Генетически понятный корм для животных, существенно облегчает жизнь фермерам, так как после введения в рацион увеличивается выход телят до 11%, сокращаются расходы на медикаменты до 15%, увеличивается срок продуктивного использования животных и улучшается качество молока, мяса и яиц [4, 6, 7, 8, 9].
Гидропонный зеленый корм - это зеленый «ковер» из молодых ростков семян бобовых культур или зернофуражных, пророщенных в искусственных условиях без почвы на специальном питательном растворе в течение 7 - 12 дней (рисунок 1). Для производства зеленого корма в основном используется зерна пшеницы, ячменя, однако также
может использоваться
ожь.
Рисунок 1 - «Ковер» из зеленого корма Для выращивания зеленого корма на гидропонике в осенне-зимний период для освещения (облучения) растений применяют ртутные разрядные лампы, которые экологически опасны. Использование энергоэффективных энергосберегающих световых светодиодных электротехнологий для выращивания зеленого корма на гидропонике изучено мало и поэтому является актуальной задачей [10, 11].
Целью исследований является исследование влияния УФ
излучения на всхожесть зерновых культур и излучения зоны фотосинтетически активной радиации (ФАР) на рост и развитие зеленых растений, выращенных из облученных УФ излучением семян в гидропонных установках.
Эксперименты по выращиванию семян пшеницы и ячменя проводились на кафедре автоматизированного электропривода ФГБОУ ВО Ижевской ГСХА в 2018г. Для этого был создан УФ установка (рисунок 2) и фитоустановка с разными по спектру светодиодами (рисунок 3).
Рисунок 2 - Светодиодные УФ облучательные установки: слева для облучения семян древесных культур, справа для облучения зерновых культур (наш случай) Семена для эксперимента были облучены ультрафиолетовым излучением (УФ) зоны «А» (315... 400 нм). На фотографии (рисунок 2) эта установка расположена справа. УФ излучатель состоял из 81 светодиода, его мощность составляла около 3 Вт. Для опытов использовалось 400 средних семян пшеницы и ячменя. Повторность опытов четырех кратная и в каждом опыте было по 100 семян. Исследовались следующие варианты, разные по дозе ультрафиолетового облучения (УФО): вариант «1» - время облучения 23 минуты 48 секунд; вариант «2» - время облучения 33 минуты 18 секунд, вариант «3» - время облучения 42 минуты 52 секунды и контроль «К» - без УФО. Результаты опытов приведены в
таблице 1.
Таблица 4 - Результаты экспериментов по вслиянию дозы УФ облучения на всхожесть семян ячмена и пшеницы, %_
Культура
Варианты УФ Ячмень Пшеница
облучения Взошло, Не взошло Взошло Не взошло
Контроль 98 2 94 6
1 96 4 96 4
2 98 2 98 2
3 98 2 98 2
Из таблицы 1 видно, что УФО семян оказало положительное воздействие на всхожесть. Наилучшие результаты показал второй вариант для обеих культур.
Далее облученные семена помещались в специально созданную гидропонную установку с красными, синими и зелеными светодиодами, расположенными в светодиодной ленте SMD 3528. Общее количество светодиодов составляло 148 штук. Для управления освещением использовался контроллер типа LD28 [12, 13, 14], который предназначен для управления трехканальной светодиодной нагрузкой ленты типа RGB ,рассчитанной на напряжение 12 В (рисунок 3).
Рисунок 3 - Фотографии световой части гидропонной
установки, состоящей из 46 зеленых светодиодов (green), 50 красных (red) и 52 синих (blue) С помощью пульта управления был задан изменяющийся -динамичный режим облучения со следующими параметрами (таблица
2).
Таблица 5 - Параметры изменяющегося -динамичного режима работы__
Время работы, с Количество светодиодов, шт
Красные (red) Синие (blue) Зеленые (green)
4 50 46
4 52 46
30 50 52 46
«Динамический» световой режим работы фитооблучательной установки реализовывался контроллером с ИК-пультом управления (СашеНоп ЭЬЯ-01) на 24 кнопках. Контроллер позволял осуществить выбор 16 статических сочетаний цветов и 4 динамических режима.
В комплектацию фитоустановки входил блок питания типа 1егоп мощностью 60 Вт и напряжением 12 В, алюминиевый каркас, электрический таймер, с возможностью программирования включения и отключения фитоустановки в течение суток.
Освещенность измерялась цифровым фотометром (люксметром-яркометром) типа «ТКА-04/3».
На рисунке 3 показаны растения в конце эксперимента.
Рисунок 4 - Фото в конце эксперимента: справа - ячмень, слева - пшеница
Из рисунка 4 видно, что скорость нарастания зеленной массы у ячменя оказалась выше, чем у пшеницы.
На рисунке 5 приведены графики изменения средней зеленой массы зеленых растений.
Номер варианта
Пшеница И Ячмень
Рисунок 5 -Результаты экспериментов по выращиванию зеленого корма из ячменя и пшеницы на гидропонике
Анализ рисунка 5 показывает, что для растений пшеницы, Агротехника и энергообеспечение. - 2019. - № 3 (24)
выросших из обработанных УФ излучением семян, можно рекомендовать время облучения от 33 до 45 мин, т.к. при этом нарастание зеленой массы изменяется незначительно. Для семян ячменя наилучшую дозу УФО определить не удалось, т. к. из рисунка 5 видно, что средняя масса растений продолжает возрастать.
Заключение
Проведенные эксперименты по облучению семян УФ излучением с последующим выращиванием из их зеленых растений на специально разработанной фитоустановке показывают новые подходы к выращиванию зеленых растений в гидропонных установках. Применение светодиодов позволяет экономить электрическую энергию на 40..50% по сравнению люминесцентными лампами [15, 16]; Установка электробезопасна, т. к. работает при напряжении 12 В и экологически безвредна, т. к. не содержит ртуть. Ориентировочная ее стоимость УФ установки составила примерно 2000 руб., фитоустановки - около 4500 рублей, срок окупаемости последней примерно 3 года.
Список использованных источников:
1. Бентли, М. Промышленная гидропоника / М. Бентли. - М.: Колос, 1955. - 368 с.
2. Дубров, А. П. Действие ультрафиолетовой радиации на растения / А.П. Дубров // - Книга. - М.: Изд-во АН СССР, 1963. - 124 с.
3. Евреинов, М.Г. К вопросу предпосевной обработки семян ультрафиолетовыми лучами и электрическим током, / М.Г Евреинов, И.С. Смирнова, Н.Ф. Кожевникова, М.В Котляров // Научные труды ВИЭСХ, т. Х., М., 1960, № 7.
4. Kondrateva, N.P. Effects of optical radiation on bee moth / N/P/ Kondrateva, D.V. Buzmakov, I.R. Ilyasov, R.I. Korepanov, N/K. Kirillov // Перспективы развития аграрных наук Материалы Международной научно-практической конференции. Чувашская государственная сельскохозяйственная академия (Чебоксары) 2019. С. 87-89.
5. Кондратьева, Н.П. УФ светодиодный облучатель для предпосевной обработки семян туи западной / Н.П. Кондратьева, Р.Г. Большин, М.Г. Краснолуцкая, Ю.С. Зембеков, К.Ю. Долганов // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 3 (28). С. 53-62.
6. Kondrateva, N.P. Effects of ultraviolet radiation on the germination rate of tree seeds / N/P.Kondrateva, M.G. Krasnolutskaya, N.V. Dukhtanova, N/V. Obolensky // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science International Jubilee Scientific and Practical
Conference "Innovative Directions of Development of the Forestry Complex (FORESTRY-2018)". 2019. С. 012049
7. Кондратьева, Н.П. Повышение эффективности облучения LED фитоустановками меристемного винограда / Кондратьева Н.П., Корепанов Р.И. // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 3 (28). С. 63-70.
8. Большин Р.Г. Облучательная установка с УФ диодами и микропроцессорной системой автоматического управления дозой / Р.Г. Большин, Н.П. Кондратьева, М.Г. Краснолуцкая // Светотехника. 2019. № 2. С. 78-81.
9. Kondrateva, N.P. Power - and recourse - saving electric lighting technologies in agricultural engineering for protected soil / N.P.Kondrateva, N.V. Obolensky, R.G/ Bolshin, A.I. Baturin, M./G. Krasnolutskaya // Advances in Engineering Research. INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND PRACTICAL CONFERENCE "AGROSMART -SMART SOLUTIONS FOR AGRICULTURE" (AGROSMART 2018). Tyumen, 16-20 июля 2018 г2018. С. 364-369.
10. Strebkov D.S. Nontracking solar concentrators with louvered heliostats. A calculation algorithm / Strebkov D.S., Irodionov A.E., Filippchenkova N.S. // Applied Solar Energy. 2017. Т. 53. №1. С. 39-44.
11. Strebkov D.S. Nontracking solar concentrators with louvered heliostats.: Bar to bar effects / Strebkov D.S., Irodionov A.E., Filippchenkova N.S. // Applied Solar Energy. 2015. Т. 51. №4. С. 306-310.
12. Контроллер для светодиодной ленты [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.techpuls.ru/product/kontroller-dlya-svetodiodnoy Заголовок с экрана. Дата посещения 20.05.2018.
13. Светодиодная лента SMD 3528 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://samelectrik.ru/xarakteristiki-svetodiodnyx-lent-dlya-doma.html Заголовок с экрана. Дата посещения 3.06.2018.
14. Блок питания [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://rulight.ru/product/blok-pitaniya-feron-dlya-svetodiodnoy-lenty-60-vatt-12v--lb005/ Заголовок с экрана. Дата посещения 3.06.2018.
15. Кондратьева, Н.П. Энергосберегающая установка для УФ обучения семян перед посевом // Н.П. Кондратьева, Р.Г. Большин, М.Г. Краснолуцкая, Ю.С. Зембеков // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики материалы XIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием в рамках IV Всероссийского светотехнического форума с международным участием. Ответственный редактор О. Е. Железникова. 2017. С. 40-45.
16. Кондратьева, Н.П. Энерго- и ресурсосберегающие облучательные установки для растений in vitro / Н.П. Кондратьева, Р.И, Корепанов, А.И. Батурин // Приборостроение и
автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве Материалы IV Национальной научно-практической конференции. Казанский государственный энергетический университет (Казань). В 2-х томах. Редколлегия: Э.Ю. Абдуллазянов [и др.]. 2018. С. 476-477.
Кондратьева Надежда Петровна доктор технических наук, Зав. кафедрой «Автоматизированный электропривод», профессор Адрес: Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, 426069, Ижевск, ул. Студенческая, 11, каб. 1-104, E-mail: aep [email protected] Spin-код: 1447-0720
Большин Роман Геннадьевич, кандидат технических наук, Адрес: 426069, Ижевск, ул. 7-Подлесная, 85 - 21. E-mail: [email protected] Spin-код: 3358-4034
Краснолуцкая Мария Геннадьевна, кандидат технических наук, Адрес: 426069, Ижевск, ул. 7-Подлесная, 85 - 21. E-mail: aep [email protected] Spin-код: 4771-8088 Долганов Кирилл Юрьевич, бакалавр кафедра «Автоматизированный электропривод». Адрес: Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, 426069, Ижевск, ул. Студенческая, 11, каб. 1-106, E-mail: [email protected] Беляков Иван Васильевич, бакалавр кафедра «Автоматизированный электропривод». Адрес: Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, 426069, Ижевск, ул. Студенческая, 11, каб. 1-106, E-mail: [email protected] Попугаев Александр, аспирант кафедра «Автоматизированный электропривод». Адрес: Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, 426069, Ижевск, ул. Студенческая, 11, каб. 1-106, E-mail: [email protected] Горшков Захар, аспирант
кафедра «Автоматизированный электропривод». Адрес: Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, 426069, Ижевск, ул. Студенческая, 11, каб. 1-106, E-mail: gorshcov@mail. ru
NEW APPROACHES TO THE EXPOSURE OF PLANTS GROWN ON
HYDROPONICS
N.P. Kondrateva, RG Bolshin, M.G. Krasnolutskaya, K.Yu. Dolganov, I.V. Belyakov, Popugaev A., Gorshkov Z.
Izhevsk State Agricultural Academy
Abstract. The article presents the results of experiments obtained under the illumination (irradiation) of green fodder from barley seeds and wheat, with energy-efficient, economical, environmentally-friendly multicolored LED light fitting. In 1876, the Russian scientist K.A. Timiriazev described the cultivation of plants by the hydroponic method and predicted the possibility of its production use. In 1910, the Russian scientist A.V. Artsikhovsky proposed two original installations: in the first plant roots were in the medium of air and periodically sprayed with an aqueous mineral solution containing nutrients, the second laid down the principle of feeding and collecting nutrient solution through pipelines.
The aim of the research is to study the effect of UV radiation on the germination of grain crops and the radiation of the photosynthetically active radiation (PAR) zone on the growth and development of green plants grown from seeds irradiated with UV radiation in hydroponic plants.
In our experiments, the seeds before sowing were treated with radiation from ultraviolet A-zone LEDs (UV-A). It was adopted that UFO seeds had a positive impact on germination and increased it by 6 ... 8%. The power of the UV emitter was 2 watts.
Analysis of the experiments showed that for wheat plants grown from seeds treated with UV radiation, the irradiation time can be recommended from 33 to 45 minutes. For barley seeds, the best dose of ultraviolet irradiation could not be determined when exposed to UV radiation from 33 to 45 minutes. The average plant mass continues to grow. The power of the phytotherapy equipment was 60 watts.
Experiments on the irradiation of seeds with UV radiation and subsequent cultivation from their green plants in a specially designed plant set show new approaches to the cultivation of green plants in hydroponic plants. The use of LEDs saves electrical energy by 40..50% compared with fluorescent lamps [15, 16]; The installation is electrically safe, since it operates at a voltage of 12 V and is environmentally friendly, since it does not contain mercury. Its approximate cost of the UV installation was approximately 2000 rubles, the photoconditioners were about 4,500 rubles, the payback period of the latter was about 3 years.
Key words: hydroponics, ultraviolet radiation, phyto plant, energy saving, green fodder.
About the authors:
Nadezhda P. Kondrateva, Dr.Sci. (Engineering), professor, The head of the department "The automated electric drive", professor Address: Izhevsk state agricultural academy, 426069, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, incorporated bank. 1-104, E-mail: aep [email protected] Spin-Kod: 1447-0720 Roman G. Bolshin, Ph.D. (Engineering), teacher.
Address: Non-state educational institution of additional professional education "Educational and scientific innovative center "Omega", 426069, Izhevsk, st. 7-Podlesnaya, 85 - 21 E-mail: romanbolschin @ mail.ru Spin-Kod: 3358-4034
Mariya G. Krasnolutskaya, the researcher, the lecturer , teacher.
Address: Non-state educational institution of additional professional education "Educational and scientific innovative center "Omega", 426069, Izhevsk, st. 7-Podlesnaya, 85 - 21 E-mail: aep [email protected] Spin-Kod: 4771-8088
Kirill Yu. Dolganov, bachelor, Automated Electric Drive department.
Address: Izhevsk state agricultural academy, 426069, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, 106, E-mail: dolga [email protected]
Ivan V. Belyakov, bachelor? Automated Electric Drive department. Address: Izhevsk state agricultural academy, 426069, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, incorporated bank. 1-106, E-mail: belyakov @ mail .ru Popugaev Alexander, graduate student Address: Izhevsk state agricultural academy, 426069, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, incorporated bank. 1-106, E-mail: [email protected]@mail.ru Gorshkov Zakhar, graduate student Address: Izhevsk state agricultural academy, 426069, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, incorporated bank. 1-106, E-mail: gorshcov@ mail.ru
