CC BY
10в
естник АПК
Агроинженерия —— № 2(2), 2011 ■ ■
37
УДК 631.344.8
А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко
ТЕХНОЛОГИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ РАСТЕНИЙ
Предложено концептуально новое направление исследований в области оптимизации факторов среды обитания растений в теплице, которое является перспективным для создания энергосберегающих технологий возделывания овощных культур в защищенном грунте. Разработка и внедрение в практику новых технических средств, позволяющих реализовать предлагаемую концепцию, улучшат качество и увеличат количество продукции, производимой в сооружениях защищенного грунта. Инновационные технологии позволят экономить до 40 % тепловой и электрической энергии с одновременным повышением эффективности растений до 20 %.
Ключевые слова: теплица, энергосберегающая технология, фотосинтез, микроклимат, освещенность.
Conceptually the new direction of researches in the field of optimization factors of an inhabitancy of the greenhouse plants, offered in article, is perspective for creation energy saving technologies of cultivation of vegetable cultures of the protected ground. Develop and introduce new technologies to implement the proposed concept would improve the quality and quantity of products manufactured in plants covered ground. Innovative technology will save up to 40 % of the thermal and electrical energy while increasing the efficiency of plants up to 20 %.
Keywords: greenhouse, energy-saving technology,
photosynthesis, microclimate, illumination.
Вопрос создания прорывных отечественных технологий на базе интенсивной экологически чистой безотходной энергосберегающей технологии производства рассады и взрослой культуры в теплицах сегодня особенно актуален.
Приказом Министерства сельского хозяйства РФ от 9 июня 2009 г. № 218 была утверждена Отраслевая целевая программа «Развитие крестьянских (фермерских) хозяйств и других малых форм хозяйствования в АПК на 20092011 годы» [1]. Основной целью программы
Анатолий Георгиевич Молчанов -
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, доцент кафедры применения электрической энергии в сельском хозяйстве
ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»
Тел. 8-905-491-71-51
E-mail: molchanov_41@mail.ru
Владимир Валерьевич Самойленко - аспирант
кафедры автоматики, электроники и метрологии
ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
Тел. 8-928-313-06-89 E-mail: vvs_stv@mail.ru
Ежеквартальный
38 научно-практический К Ставрополья
журнал
является повышение производительности и устойчивости крестьянских (фермерских) хозяйств и других малых форм хозяйствования через увеличение объемов сельскохозяйственного производства и привлечение инновационных высокопродуктивных технологий, в том числе увеличение производства внесезонных овощей на основе комплексной реконструкции, технологического перевооружения и расширения отрасли защищенного грунта.
Основными факторами микроклимата, величина которых должна способствовать получению наибольшей урожайности, являются температура воздуха и почвы, влажность воздуха и почвы, концентрация углекислоты, облученность растений [3].
Соблюдение заданных параметров микроклимата, что особенно важно при выращивании рассады свето- и теплолюбивых культур, связано с большими затратами тепловой и электрической энергии. Следовательно, снижение себестоимости продукции защищенного грунта является актуальной задачей, которая стоит перед учеными и технологами.
Перспективной в этом смысле является разработка более совершенных способов и режимов регулирования факторов среды обитания растений. В настоящее время сложилось устойчивое мнение практиков, обслуживающих тепличные комбинаты, что регулированию должны быть подвергнуты температура и влажность воздуха и почвы. А вот уровень искусственной облученности в течение светового периода суток остается неизменным. Хотя известно, что свет является мощным фактором, воздействующим на метаболизм растений, тем более светолюбивых. Следовательно, разработке режимов регулирования факторов внешней среды должны предшествовать глубокие биологические исследования на выявление ответных реакций растительного организма на воздействие отдельными и, что особенно важно, комплексом факторов микроклимата.
В связи с чем целью исследований является разработка инновационной концепции регулирования факторов внешней среды растений, результатом которой явилось определение оптимальных параметров режима переменного облучения.
Для реализации поставленной цели по разработке инновационной концепции должны быть решены следующие задачи:
1) сравнительно быстрое формирование мощной фотопигментной системы растений;
2) высокоинтенсивный фотосинтез на фоне большой концентрации фотосинтезирующих пигментов;
3) высокоскоростную эвакуацию продуктов ассимиляции;
4) восстановление высокой концентрации хлорофилла, которая была утрачена в период высокоинтенсивного фотосинтеза.
В процессе исследований использовался ряд общепризнанных методов: теоретические (идеализация, формализация), эмпирические (эксперимент, наблюдение, сравнение), основную роль при разработке инновационной концепции играл теоретико-эмпирический метод -моделирование.
Положительное влияние переменного облучения на накопление сухого вещества было отмечено в работах В. М. Лемана [3] и Б. С. Мошкова [6], которые указывали на более энергичное прохождение ряда физиологических процессов у рассады огурцов. Так, например, интенсивность фотосинтеза возрастала в 2-3 раза, а содержание хлорофилла - в 1,5-2.
Однако авторы не проводили исследования по выявлению оптимальных уровней облученности и продолжительности их действия.
Интенсификация технологического процесса в зимних теплицах, которые функционируют в периоды года с низкой естественной облученностью, возможна с созданием фитотехнической системы. Она предназначена для регулирования количества и качества оптического излучения, уровней факторов воздушной среды, корневого питания растений (рис. 1). Управление оптическим излучением осуществляется с помощью фототехнической системы, которая включает в себя фотодатчики, пускорегулирующую аппаратуру и светотехническое оборудование.
Рисунок 1 - Фитотехническая система
Оборудование, которое выпускается в нашей стране и за рубежом, для автоматизации управления параметрами внешней среды тепличных культур предназначено для поддержания в светлое время суток наибольшей интенсивности фотосинтеза. Другими словами - для обеспечения высокой эффективности фотосинтеза в качестве основного критерия оптимизации факторов микроклимата теплиц при оперативном их регулировании служит интенсивность фотосинтеза.
в
естник АПК
Ставрополья
№ 2(2), 2011
Агроинженерия
39
Но, как ни парадоксально, благое стремление к достижению стабильной высокой интенсивности фотосинтеза путем стимуляции жизнедеятельности растений оборачивается возникновением отрицательных реакций растительного организма. Эти ответные реакции в зависимости от уровня и продолжительности воздействий лимитируют анаболические процессы. Так, например, большое накопление ассимилятов, как следствие высокой интенсивности фотосинтеза и отставания скорости эвакуации их, неизбежно приводит к сдерживанию интенсивности фотосинтеза или даже к депрессии этого процесса.
Такая своеобразная обратная связь сводит на нет большие производственные затраты на обеспечение высоких уровней факторов внешней среды, прежде всего освещенности и температуры воздуха. То есть естественное желание практиков поддерживать в течение всего дня высокую интенсивность фотосинтеза приводит к значительным расходам тепловой и электрической энергии, что не только бесполезно, но и вредно для растений.
Эффективное и экономное расходование тепловой и электрической энергии требует принципиально новой концепции регулирования факторов среды обитания растений. Такая концепция должна базироваться на знании биологических особенностей ответных реакций растительного организма. При этом основным фактором внешней среды должен быть уровень освещенности, вслед за изменением которого соответственно изменяются и остальные.
Внедряя в рассадные теплицы режим так называемого переменного облучения как энергоэкономичный технологический прием, мы предлагаем циклично, в соответствии с изменением уровня облученности, обеспечивать в течение дня оптимизацию параметров микроклимата теплиц [7].
Сущность энергоэкономичной стратегии регулирования, например, параметров воздушной среды по вышеизложенным критериям представлена функциональной схемой (рис. 2) и временной графической зависимостью параметров среды (рис. 3) [2].
Функциональная схема (рис. 2) содержит: 1 - теплицу; 2 - датчик состояния объекта регулирования по фотосинтезу; 3 - датчик состояния объекта регулирования по хлорофиллу;
4 - датчики уровней факторов внешней среды;
5 - многоканальный блок управления; 6 - исполнительные механизмы.
Временная графическая зависимость параметров внешней среды представлена на рисунке 3, на котором отражены:
а) изменение уровней факторов внешней среды;
б) изменение концентрации основных фотосинтезирующих пигментов во времени и в соответствии с изменяющимися уровнями факторов внешней среды;
в) изменение интенсивности фотосинтеза как результат воздействия на растения разными по уровню факторами внешней среды.
Рисунок 2 - Функциональная схема фитотехнической системы зимних теплиц
М
М2
М1
0
С
С1
С2
0
Ф
Ф2
Ф1
а)
Т1 Т2 < Т1 }
1
б)
ч ч ч
ч ч X ч в
Рисунок 3 - Изменение факторов внешней среды растений в соответствии с энергетической стратегией регулирования
Кроме того, график (рис. 3) содержит следующие обозначения:
- М1 и М2 - значение уровней факторов внешней среды;
- Т1 - время действия уровней факторов внешней среды со значениями М1;
- Т2 - время действия уровней факторов внешней среды со значениями М2;
- С1 - наибольшая концентрация фотосинтезирующих пигментов;
- С2 - концентрация фотосинтезирующих пигментов, оставшаяся в растении в результате воздействия уровнями факторов внешней среды со значениями М2 за время Т2;
40
Др Ставрополья
научно-практическии журнал
- Ф1 - наименьшая интенсивность фотосинтеза при воздействии на растения уровнями факторов внешней среды со значениями М1;
- Ф2 - наибольшая интенсивность фотосинтеза, которую растение развивает при значениях М2 уровней факторов внешней среды за время Т2, после повышения концентрации фотосинтезирующих пигментов до значения С1.
Возможные изменения концентрации фотосинтезирующих пигментов (б) и интенсивности фотосинтеза (в) на рисунке 3 показаны штриховыми линиями, если бы значения М2 уровней факторов внешней среды (а) не изменяли до значения М1 после достижения фотосинтезом значения Ф2 [2].
Таким образом, для оптимизации параметров микроклимата теплиц необходим не один, а два критерия: высокий уровень накопления фотосинтезирующих пигментов и на этом фоне интенсивный фотосинтез.
Внедрение инновационной концепции в овощеводстве защищенного грунта позволит сократить сроки выращивания рассады овощных культур на 20-25 % с одновременным повышением ее качества . Более качественная рассада обеспечивает ранний и высокий урожай (урожайность повышается в среднем на 15-20 %).
Режим переменного освещения растений снижает расход электроэнергии при выращивании растений по сравнению с традиционным режимом досвечивания на 38-40 % [4].
Реализация предлагаемой инновационной концепции регулирования параметров микроклимата позволит значительно экономить тепловую и электрическую энергии. При этом повышается качество рассады и, следовательно, увеличивается урожайность растений защищенного грунта.
Список литературы
1. Об утверждении отраслевой целевой программы «Развитие крестьянских (фермерских) хозяйств и других малых форм хозяйствования в АПК на 2009-2011 годы : приказ Министерства сельского хозяйства РФ от 9 июня 2009 г. № 218 (опубл. 18.11.2009 г.).
2. Пат. 2233577 Российская Федерация, МПК 7 А0^7/00. Способ регулирования факторов внешней среды при выращивании растений / Молчанов А. Г ; заявитель и патентообладатель Ставропольский государственный аграрный университет ^и). -№ 2003110600/12 ; заявл. 14.04.2003 ; опубл. 10.08.2004, Бюл. № 22.
3. Леман, В. М. Курс светокультуры растений / В. М. Леман. - М. : Высшая школа, 1976. - 272 с.
4. Минаев, И. Г. Инновационная концепция регулирования факторов внешней среды растений / И. Г. Минаев, А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко // Достижения науки и техники АПК. - 2010. - № 9. -С. 58-60.
5. Минаев, И. Г. Энергосберегающая система управления источниками оптического излучения в теплицах / И. Г. Минаев, А. Г. Молчанов, В. В. Самойленко // Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве : сборник научных трудов. - Ставрополь : АГРУС, 2010. -С. 238-240.
6. Мошков, Б. С. Выращивание растений при искусственном освещении / Б. С. Мош-ков. - Л. : Колос, 1966. - 287 с.
7. Шарупич, Т. С. Технологии финансирования, энергосбережения, выращивания и строительства в защищенном грунте России : учебник для вузов / Т. С. Шару-пич и др. - Орел : Труд, 2005. - 276 с.
