CC BY
88УДК 635.1/8.044-1
ПОДХОДЫ К РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫРАЩИВАНИЯ ОВОЩЕЙ В ЗАКРЫТЫХ ИСКУССТВЕННЫХ АГРОЭКОСИСТЕМАХ
Смирнов А.А., Довлатов И.М., Прошкин Ю.А., Гришин А.А., Гришин А.П.
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ
Аннотация. Деградация плодородных земель, неэффективные методы её обработки и экстенсивное расширение производства в будущем могут привести к экологической катастрофе и снижению объемов производимой сельскохозяйственной продукции. Одним из выходов в данной ситуации является превращение сельского хозяйства в автоматизированное и роботизированное промышленное производство. Роботизированные закрытые искусственные агроэкосистемы могут стать неотъемлемой частью сельского хозяйства и увеличат его эффективность. Возможность строительства вертикальных ферм в любых природно-климатических условиях, освещение и микроклимат с оптимизированными характеристиками позволяют получать растительную продукцию необходимого качества с учетом фенологических и видовых характеристик. Технологии внегрунтового растениеводства, которые включают гидропонику, аквапонику и аэропонику, минимизируют две важнейшие проблемы сельского хозяйства: деградацию почв в результате их сельскохозяйственного использования и зависимость урожаев от природных катаклизмов, прежде всего засух. К тому же внедрение этих технологий позволит снизить себестоимость, управлять качественными
характеристиками и сократить продолжительность цикла производства сельхозпродукции. В статье рассмотрено детальное решение проблемы преодоления технических, технологических, ресурсных, экологических и иных ограничений для внедрения роботизированных закрытых искусственных агроэкосистем.
Ключевые слова: выращивание растений, защищенный грунт, цифровое управление, роботизация, вертикальные фермы, управляемое выращивание
Введение. В результате деятельности человека деградации подверглась четверть плодородных земель, ее прямые негативные последствия испытывают до 15% населения планеты. В долгосрочной
перспективе (50-100 лет) данные проблемы будут только обостряться. В основном это связано с ростом мирового населения и с использованием неэффективных методов обработки
сельскохозяйственных земель. Решение проблемы удовлетворения потребностей населения качественными продуктами питания за счет расширения сельхозугодий в будущем может привести к экологической катастрофе и снижению объемов производимой продукции. Одним из выходов в данной ситуации является превращение сельского хозяйства в отрасль наподобие металлургической, химической или машиностроительной промышленности, когда производство концентрировано, локально, автоматизировано, и происходит в специализированных зданиях заводского типа с контролируемой средой. Внедрение сверхинтенсивного роботизированного растениеводства, при котором исчезнут зависимость урожая от погодных условий и потребность в больших площадях сельхозугодий, позволит поднять уровень продовольственной безопасности человечества на принципиально новый уровень [1, 2].
Концентрация производства в одном месте позволит быстро внедрять современные технологии и увеличит его эффективность, даст возможность использовать для выращивания растений ночные излишки электроэнергии и воды, имеющиеся в городе, снизит расходы и уменьшит нагрузку на окружающую среду. Крупные города и поселения, расположенные на территориях изначально непригодных для занятия сельским хозяйством, смогут выйти на самообеспечение продовольствием за счет локальных многоэтажных агрокомплексов, использующих закрытые искусственные агроэкосистемы.
По данным ассоциации «Теплицы России» площадь круглогодичных теплиц с технологией светокультуры составила 324,6 га, из них под огурцы занято 227,2 га, под томат 55,9 га, под салат 41,5 га [3]. В доле себестоимости овощной продукции защищенного грунта в среднем около 50% занимают энергозатраты на отопление и освещение. Тепличные хозяйства снижают энергопотребление в основном путем уменьшения тепловых потерь. Снижение энергозатрат на освещение в настоящее время можно достичь только путем применения энергоэффективных источников света, таких как светодиоды. Сейчас основными источниками освещения растений в теплицах являются натриевые лампы высокого давления, светодиодными системами освещения оснащены только 3% посевной площади. Преимуществом применения светодиодов в системах досвечивания являются и низкое энергопотребление (до 2-х раз ниже натриевых ламп) и возможность широкого варьирования спектральных характеристик для оптимизации параметров освещения не только под
вид и сорт растения, но и под вегетационный период их роста. Сдерживающим фактором внедрения светодиодных систем досвечивания является их высокая стоимость. Для уменьшения сроков окупаемости светодиодных систем досвечивания необходимо разработать технологии и средства комплексного управления развитием растений, обеспечивающих повышение производительности сельскохозяйственных культур в тепличных и оранжерейных хозяйствах с одновременным снижением энергозатрат [1, 4-10].
Светодиоды излучают гораздо меньше тепла, чем традиционные натриевые лампы, особенно это важно летом, когда температура воздуха может достигать 30 °С. Это позволяет не открывать форточки для проветривания и сохранить углекислый газ внутри теплицы, тем самым не снижается скорость фотосинтеза, что ведет к повышению урожайности. Благодаря облучению растений узкополосным спектром света с длиной волны, соответствующей поглотительным пикам фоторецепторов этих растений, открывается возможность целенаправленного изменения питательных качеств овощей и управления их урожайностью. Изучения закономерностей совокупного влияния света на жизнедеятельность биологических объектов, возможности управления развитием растений, их продуктивностью, изменением их свойств и получением целевых полезных продуктов необходимо разработать эффективные, экономичные и управляемые источники облучения.
Ниже рассмотрены основные принципы и подходы к разработке технологии управляемого выращивания в роботизированных закрытых искусственных агроэкосистемах.
Основная часть.
Применение технологии вертикального выращивания. Вертикальные фермы — это автоматизированные комплексы с искусственным освещением, отоплением и кондиционированием, замкнутым водооборотом и стерильным воздухом. Растения в них размещаются на нескольких ярусах, в результате чего площадь занятая сельхозкультурами оказывается больше площади здания. Вертикальные фермы — это достаточно энергоемкие промышленные объекты. По этой причине строить их целесообразно либо в районах с высокой концентрацией топливных ресурсов, либо в зонах, благоприятных для генерации энергии из возобновляемых источников.
Эффекты вертикального выращивания:
- повышение доступности свежего продовольствия в крупных городах;
- ликвидация фактора сезонности в производстве, закрывающая возможности для незаконных спекуляций на рынках сельскохозяйственного сырья;
- снижение водоемкости сельхозпродукции за счет замыкания водооборота и устранения избыточного расхода на полив, в том числе повторного использования испаряющейся влаги;
- сокращение атмосферных выбросов за счет энергетического использования непродовольственной биомассы с улавливанием парниковых газов.
Внегрунтовое растениеводство. В последние десятилетия также получили развитие технологии внегрунтового растениеводства — гидропоника (выращивание растений в питательных водных растворах, при этом их корни закреплены в неорганическом водопроницаемом субстрате), аквапоника (разновидность гидропоники, при которой питательные вещества извлекаются из отходов жизнедеятельности рыб) и аэропоника (выращивание растений со свободно свисающими в воздухе корнями, которые периодически смачиваются питательным раствором). Эти технологии имеют немало преимуществ: выше урожайность в расчете на один гектар; требуется до десяти раз меньше воды и до четырех раз меньше удобрений в расчете на единицу продукции; лучше защита растений от болезней; легче предотвращается порча урожая.
Эффекты внегрунтового выращивания:
- экономия на удобрениях благодаря аквапонике (отходы жизнедеятельности рыб содержат практически все необходимые питательные вещества для роста растений);
- сокращение зависимости городского населения от поставок продовольствия вследствие перехода к домашнему культивированию растений при помощи компактных гидро- и аэропонных установок;
- возможность консервации больших площадей сельскохозяйственных угодий, сохранение плодородия почв.
Роботизация технологических процессов. В роботизированных теплицах автоматика решает не только задачи контроля освещения, микроклимата, температуры и влажности почвы, но и обеспечивает механические манипуляции с растениями: полив, подачу удобрений, использование химикатов в случае болезней растений, их подрезание и пересадку, сбор и первичную упаковку урожая. Для выполнения этих операций недостаточно стационарных роботов-манипуляторов — нужны роботы, способные перемещаться в пространстве с большим количеством препятствий взаимодействовать друг с другом [11-15].
Эффекты роботизации:
- возможность выращивания свежих овощей в большом количестве в удаленных северных городах и мегаполисах засушливых стран при минимальных расходах на ручной труд;
- повышение контролируемости бизнес-процессов в овощеводческих ЗИАЭС, более строгое соблюдение стандартов качества, фитосанитарных и гигиенических требований;
- дальнейшая трансформация рынка труда: снижение числа рабочих мест в традиционном сельском хозяйстве и увеличение спроса на квалифицированные кадры в четвертичном секторе экономики;
- углубление процессов урбанизации и консервация (резервирование) традиционных сельхозугодий;
- использование роботов может повысить производительность труда в закрытых искусственных агроэкосистемах на 30-40% в развитых странах и на 50-60% в России в 2040 г. по сравнению с уровнем 2015 г [15-18].
Применение биоэнергетической теории продуктивности. Принципы построения объектов цифровых технических систем на основе биоэнергетической теории продуктивности следующие:
1. Принцип Подчинения Параметру Порядка;
2. Принцип Эксергетического Моделирования;
3. Принцип Энергетической Экстремальности Самоорганизации;
4. Принцип Энергоинформационного Единства.
Данные принципы определяют в биоэнергетической теории продуктивности эффективность фотосинтезных процессов, максимальную конверсию световой энергии в продукцию растениеводства, оптимальность других продукционных процессов в растении.
Эффекты применения биоэнергетической теории продуктивности:
- повышение продуктивности и урожайности на 20.. .30%;
- сокращение потребляемых ресурсов.
Светодиодное освещение с оптимизированными характеристиками позволяет обеспечить растения светом необходимого качества с учетом фенологических и видовых характеристик. Технологии с изменяемым спектральным составом, мощностью и периодами освещения/досвечивания обеспечат снижение действия лимитирующих факторов роста растений.
Применение точечных компактных светодиодов в фитооблучателях позволяет создавать различное излучение от ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра, при этом спектральный состав можно моделировать с достаточно высокой точностью. Создавая различные сценарии освещения с изменяемым спектральным составом, можно запускать различные фотохимические
реакции, протекающие в растениях и тем самым управлять ростом и развитием выращиваемой овощной культуры [19-21].
Благодаря облучению растений узкополосным спектром света с длиной волны, соответствующей поглотительным пикам фоторецепторов этих растений, открывается возможность целенаправленного изменения питательных качеств овощей и управления их урожайностью. На сегодня существуют стандарты и нормы, определяющие безопасность овощной продукции (содержание нитратов, тяжелых металлов) и их органолептические характеристики (СанПиН 2.3.2.1078-01, ГОСТ 1726-85 и др.). При этом ни одним стандартом не регламентируется биохимический состав продукта, определяющий его вкусовые качества (сахара, кислоты).
Внедрение энергоэффективных систем освещения производится с учетом комплексных решений по изменению технологии выращивания (микроклимат, питание растений и др.). Комплексный подход подразумевает создание или изменение существующих систем управления выращиванием с учетом изменения световой среды, минерального питания, энерго-теплового баланса и параметров микроклимата для их оптимизации посредством снижения лимитирующих факторов роста [22-28]. Для проведения данных работ необходимо разработать комплексную систему оценки результатов исследований с применением современных цифровых технологий анализа больших данных.
Эффекты управляемого оптимизированного освещения:
- повышение энергоэффективности системы освещения [26];
- увеличение урожайности овощных культур защищенного грунта на 15-25% [27, 29].
Выводы.
Будущее сельского хозяйства — за выращиванием растений без почвы. Технологии внегрунтового растениеводства, которые включают гидропонику, аквапонику и аэропонику, минимизируют две важнейшие проблемы сельского хозяйства: деградацию почв в результате их сельскохозяйственного использования и зависимость урожаев от природных катаклизмов, прежде всего засух.
Выращивание растений в искусственных питательных средах до 5 раз повысит урожайность в расчете на один гектар. Использование роботов в тепличном хозяйстве России может повысить производительность труда на 50-60% к 2040 г.
Реализация таких решений как локальных многоэтажных агрокомплексов, использующих закрытые искусственные агроэкосистемы, позволит:
- снизить розничные цены овощей и фруктов на 40-50% для крупных городов и поселений, расположенных на территориях изначально непригодных для занятия сельским хозяйством;
- управлять качественными характеристиками выращиваемой продукции посредством управляемого оптимизированного освещения;
- на 30% сократить продолжительность цикла производства сельхозпродукции благодаря технологиям гидро- и аэропоники. На 90% снизить водоемкость данной продукции. Широкое распространение практики выращивания с использованием гидро- и аэропоники может обеспечить повышение экономической эффективности по сравнению с традиционными методами.
Список использованных источников:
1. Точки роста эффективности АПК в условиях нестабильного рынка // Международная научно-практическая конференция: сборник материалов / ФГБОУ ДПО «Татарский институт переподготовки кадров агробизнеса». 2018. Том Выпуск 12
2. Юсупов Б. О роли государства в улучшении использования сельскохозяйственного потенциала. // Известия ВУЗов (Кыргызстан). 2010. №5. С. 88-90.
3. Производственные показатели работы тепличных комбинатов в 2016-2017гг.//Теплицы России. 2018. N2. С. 67-71.
4. Адамень Ф.Ф., Плугатарь Ю.В., Сташкина А.Ф. Наука и опытное дело как основа развития аграрного производства Крыма // Симферополь: ИТ «АРИАЛ», 2015. - 252 с.
5. Годжаев З.А., Гришин А.П., Гришин А.А., Гришин В.А. Тенденции развития сельскохозяйственной робототехники // Автомобильная промышленность, № 6, 2016, с. 35-38.
6. Кунгс Я.А., Угренинов И.А. Перспективы внедрения светодиодного освещения в теплицах // Вестник КрасГАУ. 2015. № 3 (102). С. 53-55.
7. Шеенко В.В. Использование светодиодного освещения в теплицах // В сборнике: Электрооборудование и электротехнологии в сельском хозяйстве сборник научных трудов по материалам IV Международной научно-практической конференции. 2019. С. 158-163.
8. Юферев Л.Ю., Довлатов И.М. Повышение эффективности энерго-ресурсосберегающей системы УФ облучения // Вестник ВИЭСХ. 2017. № 2 (27). С. 70-75.
9. Капитонов С.С., Медведев С.А. Обзор достоинств и недостатков светодиодных фитосветильников // В сборнике: XLVI Огарёвские чтения Материалы научной конференции: В 3-х частях. Ответственный за выпуск П.В. Сенин. 2018. С. 336-340.
10. Smirnov A., Kholmanskiy A., Ukhanova V. Optimization of lighting spectrum of greenhouse vegetables by using light-emitting diodes // International Journal of Research in Pharmacy and Biosciences. Volume 5, Issue 4, 2018, PP 11-17.
11. Гришин А.П., Гришин А.А., Гришин В.А. Программное обеспечение модуля передачи данных параметров роста растений в облачную базу данных с использованием протокола LoRa // Агротехника и энергообеспечение. - 2018. - № 4 (21) с. 121-128.
12 Королев В.А., Воротников С.А., Польский В.А., Гемуев Ш.Ш., Ищук Е.Л. Многофункциональный робот для промышленных теплиц // Вестник ВИЭСХ. 2016. № 3 (24). С. 109-117.
13. Спешилова И.В. РФ// Научное обозрение: теория и практика. 2019. Т. 9. № 7 (63). С. 961-969.
14. Гришин А.П., Гришин А.А., Гришин В.А. Программное обеспечение фитотрона кабинного типа // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве // Труды Х-й Международной научно-технической конференции (24 - 25 мая 2016 года, г. Москва, ГНУ ВИЭСХ). В 5-ти частях. Часть 5. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2016, с. 173178.
15. Роганова Э.В., Епифанова К.А., Есимова Н. К задаче создания роботизированных комплексов "умная теплица" // В сборнике: Цифровизация агропромышленного комплекса Сборник научных статей. 2018. С. 293-296.
16. Годжаев З.А., Гришин А.П., Пехальский И.А. и др. Развитие работ по созданию робототехники сельхозназначения // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. - 2016. - №119. - С. 488502.
17. Королев В.А., Воротников С.А., Польский В.А., Гемуев Ш.Ш., Ищук Е.Л. Робот для промышленных теплиц // Инновации в сельском хозяйстве. 2016. № 6 (21). С. 73-80.
18. Довлатов И.М., Смирнов А.А. К вопросу роботизации тепличных комплексов // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 4 (29). С. 95-102.
19. Kholmanskiy A., Smirnov A., Sokolov A., Proshkin Y. Modeling of extraction mechanism of mineral elements by plants // Current Plant Biology 2214-6628. 2019. https://doi.org/10.1016/j.cpb.2019.100104
20. Чарова Д.И., Ивко Г.И., Игнатова О.А. Технология и установка с регулируемым спектром для облучения растений в теплице // В сборнике: «Стратегическое развитие АПК и сельских территорий РФ в современных международных условиях» материалы Международной научно-практической конференции, посвящённой 70-
летию Победы в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.. Главный редактор А.С. Овчинников. 2015. С. 412-415.
21. Супельняк С.И., Косушкин В.Г., Адарчин С.А. Моделирование и разработка светодиодного адаптивного осветителя для растений // Электромагнитные волны и электронные системы. 2017. Т. 22. №J. С. 21-27.
22. Юферев Л.Ю., Довлатов И.М., Рудзик Э.С. Автоматизация обеззараживания воздуха и освещения в сельскохозяйственных помещениях // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2017. № 5. С. 43-48.
23. Яковлев С.М., Мухаметьянов И.Р. Интеллектуальный светодиодный модуль для освещения теплицы // В сборнике: Энергообеспечение и энергосбережение на предприятиях АПК Межвузовский научный сборник. Башкирский государственный аграрный университет. Уфа, 2011. С. 110-114.
24. Смирнов А.А., Прошкин Ю.А., Соколов А.В. Оптимизация спектрального состава и энергетической эффективности фитооблучателей // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2019. N1(34). С. 53-60.
25. Ключка Е.П., Степанчук Г.В., Дектярев А.А. Переменные световые поля, как метод стимуляции роста тепличных растений // Инновации в сельском хозяйстве. 2014. № 4 (9). С. 37-40.
26. Соколов А.В., Рощин О.А., Качан С.А. Испытание светодиодных установок для облучения растений без внешнего освещения // Инновации в сельском хозяйстве. 2017. № 2 (23). С. 128132.
27. Молчанов А.Г., Авдеева В.Н., Безгина Ю.А. Светодиодная лампа для облучения тепличных растений // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2017. № 134. С. 263-272.
28. Соколов А.В., Юферев Л.Ю. Моделирование спектра освещения светодиодным облучателем / А.В. Соколов, // Механизация и электрификация сельского хозяйства, № 8, 2015. С. 22-24.
29. Соколов А.В. Сравнение двух тепличных светодиодных ламп ВИЭСХ при выращивании рассады // Инновации в сельском хозяйстве. 2016. № 1 (16). С. 114-117.
Смирнов Александр Анатольевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, alexander8484@inbox.ru Довлатов Игорь Мамедяревич, младший научный сотрудник, Прошкин Юрий Алексеевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
Гришин Андрей Александрович, кандидат экономических наук, старший научный сотрудник, Гришин Александр Петрович, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 109428, РФ, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5
APPROACHES TO THE DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY FOR MANAGED VEGETABLE GROWING IN CLOSED ARTIFICIAL AGROECOSYSTEMS
Abstract. Degradation of fertile lands, inefficient methods of cultivating it, and extensive expansion of production in the future may lead to an environmental disaster and a decrease in agricultural output. One of the solutions in this situation is the transformation of agriculture into automated and robotic industrial production. Robotic closed artificial agroecosystems can become an integral part of agriculture and increase its effectiveness. The possibility of building vertical farms in any climatic conditions, lighting and microclimate with optimized characteristics allow to obtain plant products of the required quality, taking into account phenological and species characteristics. Off-site crop production technologies, which include hydroponics, aquaponics and aeroponics, minimize two major agricultural problems: soil degradation as a result of their agricultural use and the dependence of crops on natural disasters, especially droughts. In addition, the introduction of these technologies will reduce costs, manage quality characteristics and reduce the duration of the agricultural production cycle. The article discusses a detailed solution to the problem of overcoming technical, technological, resource, environmental and other restrictions for the introduction of robotic closed artificial agroecosystems.
Key words: plant growing, sheltered soil, digital control, robotics, vertical farms, controlled growing
Alexander Smirnov, Cand. tech. sci, senior research associate Igor Dovlatov, junior research associate Yuri Proshkin, Cand. tech. sci, senior research associate Andrey Grishin, Cand. econ. sci, senior research associate Alexander Grishin, Dr. Sc. leader researcher, Federal scientific Agroengineering center VIM, 109428, Russian Federation, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5.
