CC BY
102
12. Van den Berg, A.K., Perkins, T.D. 2004. Evaluation of a portable chlorophyll meter to estimate chlorophyll and nitrogen contents in sugar maple (Acer saccharum Marsh.) leaves. Forest Ecology and Management 200. 113-117.
13. Patane P., Vibhute, A. 2014. Chlorophyll and Nitrogen Estimation Techniques: A Review. International Journal of Engineering Research and Reviews. Vol. 2, Issue 4, pp: (33-41), Month: October - December 2014.
14. Fernando Silla, F., Gonzalez-Gil, A., Gonzalez-Molina, M.A., Mediavilla, S., Escudero A. 2010. Estimation of chlorophyll in Quercus leaves using a portable chlorophyll meter: effects of species and leaf age. Ann. For. Sci. 67, 108.
15. CCM-200plus [http://www.optisci.com/ccm-200.html].
УДК 631.172 : 574.46
ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ОБЛУЧАТЕЛЕЙ НА КОЭФФИЦИЕНТ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧНОСТИ В СВЕТОКУЛЬТУРЕ САЛАТА
А.П. МИШАНОВ, А.Е. МАРКОВА, канд. с.-х. наук
Федеральное Государственное научное бюджетное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП), Санкт-Петербург, Россия
В статье рассматривается один из предлагаемых вариантов расчета коэффициента энергоэкологичности, учитывающий количество энергии оптического излучения, выход сухого вещества и содержание нитратов в листьях салата, а также оценка влияния на него различных типов облучателей. В качестве источников оптического излучения использовали облучатель с натриевой лампой ДНаЗ-400 Супер и светодиодный облучатель собственного изготовления с процентным соотношением цветов в поддиапазонах спектра: 30% - в синем, 20% - в зеленом и 50% - в красном.Листовой салат (Lactuca Sativa.L.) сорта «Афицион» выращивали методом малообъемной гидропоники при полном искусственном облучении на агроперлите. Пикировку сеянцев салата в горшочки PR-306 проводили в фазе двух настоящих листочков с последующим выставлением в культивационные короба в течение 18 дней до наступления фазы хозяйственной спелости (около 120 г/горшочек). Под натриевой лампой урожайность составила 3,92 кг-м-2, что на 21,3% больше, чем при использовании светодиодного облучателя. При этом выход сухого вещества в листьях салата практически не отличался: 187,19 г-м-2 под натриевой лампой и 185,90 г-м-2 под светодиодным облучателем. В листьях салата под натриевой лампой содержание нитратного азота было на 7,14% ниже, чем при использовании светодиодного облучателя: 2857,9 и 3077,8 мг-кг-1, соответственно. Рассчитанный коэффициент энергоэкологичности в случае применения натриевой лампы на 32,4% выше по сравнению с применением светодиодного облучателя за счет получения более высокой урожайности салата.
Ключевые слова: светокультура; салат; коэффициент энергоэкологичности; натриевая лампа; светодиодный облучатель.
IMPACT OF DIFFERENT TYPES OF IRRADIATORS ON ENERGY AND ECOLOGICAL PERFORMANCE OF INDOOR PLANT LIGHTING OF LETTUCE
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
A.P. MISHANOV, A.E. MARKOVA, Cand. Sc. (Agriculture)
Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production" (IEEP), Saint Petersburg
The article discusses one of the proposed options for calculating the coefficient of energy and ecological performance, taking into account the amount of energy of optical radiation, the dry matter yield and the content of nitrates in the lettuce leaves, as well as the assessment of the influence of various types of irradiators on its value. The irradiator with the high-pressure sodium lamp DNaZ-400 Super and LED irradiator of own manufacture with the ratio of emission intensity between three spectral bands (blue, green and red) being 30% : 20% : 50%, correspondingly, were used as the sources of optical radiation. Leaf lettuce (Lactuca Sativa. L.) of "Afitsion" variety was grown by the method of low-volume hydroponics on the agroperlite with completely artificial irradiation. When the lettuce seedlings had two true leaves, they were pricked out into PR-306 pots and then placed in cultivation boxes for 18 days up to the beginning of economic maturity phase (about 120 g / pot). Under the high-pressure sodium lamp, the yield was 3.92 kg • m-2, which was 21.3%, bigger compared to LED. In this case, the yield of dry matter in the lettuce leaves was practically the same: 187.19 and 185.90 gm-2 under the high-pressure sodium lamp and LED, respectively. In the lettuce leaves under the high-pressure sodium lamp, the content of nitrate nitrogen was 7.14% lower compared to LED: 2857.9 and 3077.8 mg kg-1, respectively. The calculated coefficient of energy and ecological performance in the case of the high-pressure sodium lamp application was 32.4% higher compared to the use of LED owing to the higher lettuce yields.
Keywords: indoor plant lighting; coefficient of energy and ecological performance; lettuce; HPS lamp; LED.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одним из актуальных направлений в области энергосбережения является создание светодиодных облучателей, предназначенных для выращивания растений в светокультуре. На данный момент основным источником света в тепличном овощеводстве являются натриевые лампы высокого давления, которые при относительно невысокой стоимости обладают высоким коэффициентом светоотдачи и большим световым потоком по сравнению со светодиодными облучателями. Это является их главным и существенным преимуществом. С точки зрения спектрального состава, возможности его регулирования и размещения относительно растений натриевые облучатели существенно уступают светодиодным. Существенным недостатком СД облучателей является их высокая стоимость [1,2]. В условиях выращивания растений при полностью искусственном облучении светотехнические характеристики облучателей выражаются наиболее сильно и облучатели, имеющие хорошие показатели при выращивании растений с присутствием естественного света могут иметь удовлетворительные показатели при его отсутствии. Отклонение любых параметров в процессе выращивания растений сказывается на росте и развитии растений, а в конечном счете отражается на выходной продукции. При выращивании растений в светокультуре появляется возможность контроля и управления физиологическими процессами, протекающими в растении [3]. Для отслеживания всего процесса выращивания от семени до выхода продукции и получения оперативной информации с целью своевременного вмешательства в процессы роста растений необходимо ведение постоянного мониторинга проходящих в растениях процессов. Соответствующие данные можно получить путем проведения энергоэкоаудита светокультуры, в результате которого рассчитывается коэффициент энергоэкологичности, комплексно характеризующий эффективность всех
процессов [4,5,6]. Использование данного коэффициента предлагается в качестве показателя, позволяющего косвенно провести интегральную оценку эффективности выращиваемой светокультуры. Данное направление разрабатывается в Институте агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) в лаборатории энергоэффективных электротехнологий [7].
Целью исследований является определение влияния НА и СД облучателей на КЭ при выращивании растений салата.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Выращивание листового салата (Lactuca Sativa.L.) сорта «Афицион» проводили в лабораторных условиях без доступа солнечного света. В качестве субстрата для выращивания растений использовали агроперлит, предварительно обработанный горячей водой (t = 90°С) с целью дезинфекции и набухания гранул.
Перед посадкой семян в субстрат семена предварительно выдерживали в стимуляторе роста «Эпин» из расчета 2 капли на 100 мл воды в течение двух часов.
Семена высаживали в пластиковые контейнеры через лекало с отверстиями без последующей заделки. Для улучшения контакта семян с поверхностью субстрата проводили опрыскивание семян водой с температурой 22°С и помещали контейнеры в условия полного отсутствия света и высокой влажностью воздуха. После проклевывания семян (через 30 часов после высева) контейнеры выставляли под свет с обеспечением освещенности порядка 8,5 кЛк. В качестве облучателей использовали светильники с лампами ДНаЗ-400 Супер. Для полива использовали питательный раствор с электропроводностью (ЕС) равной 1,0-1,1 мСм/см. В фазе 1-го настоящего листочка сеянцы пикировали в горшочки PR-306 по 3 штуки на горшочек и повышали значение ЕС питательного раствора до 1,6 мСм/см. Последующие 11 дней сеянцы салата выдерживали под лампами ДНаЗ-400 Супер при 24-часовом фотопериоде. Полив горшочков с сеянцами проводили методом подтопления.
В фазе 2-х настоящих листочков у растений горшочки выставляли в «рабочую зону» в культивационные короба с постоянной рециркуляцией питательного раствора под различные типы облучателей: НА и СД. Содержание основных элементов питания в растворе составило, мг/л: Н,бщ - 170; Р - 60; К-257; Са-94,5; Mg-43; Fe-0,1; B-0,2; Zn-0,1; Cu - 0,1; Мо - 0,2; Mn - 0,1; рН - 6,0; ЕС - 1,6 - 1,8.
Корректировку показатели кислотности питательного раствора производили 10%-ным раствором азотной кислоты.
Облучение растений салата в «рабочей зоне» проводили круглосуточно при уровне облученности 30 Вт-м"2.
СД изготовлен на базе ИАЭП и представляет собой набор светодиодов синего, зеленого и красного цветов света марки LED STAR-3W, смонтированных на алюминиевом радиаторе. Количество светодиодов подобрано таким образом, чтобы обеспечивалось процентное соотношение энергии в поддиапазонах спектра: 30% - в синей; 20 % - в зеленой и 50% в красной областях.
Общий вид облучателей представлен на рисунках 1 и 2.
Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводстваи животноводства_
Рис. 1. Общий вид НА
Рис.2. Общий вид СД
В графическом виде спектры облучателей представлены на рисунках 3 и 4.
Рис.3. Спектр НА
Рис.4. Спектр СД
Заданные параметры микроклимата: температуру воздуха 20—22°С, относительную влажность воздуха 55 - 60% и скорость движения воздуха 0,2-0,3 м/с обеспечивали при помощи сплит-системы кондиционирования воздуха, увлажнителя воздуха и электровентиляторов.
В данной работе предлагается понимать под КЭ величину, учитывающую количество энергии ОИ, выход сухого вещества и содержание нитратов в листьях салата. Тогда размерность КЭ будет выражаться в МДж-г -1, а рассчитать его можно по формуле:
К = МиоРм Мфакт х 3,6 х 10-3 _ЕТ
М
факт
G,
сух
где Мнорм — допустимое содержание нитратного азота в листьях салата, мг-кг"1;
Мфакт —фактическое содержание нитратного азота в листьях салата, мг-кг"1;
Е — уровень облученности растений, Вт-м"2; Т — суммарная длительность облучения, ч; Осух— выход сухого вещества в листьях салата, г-м"2.
ISSN 0131-5226.Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2017. Вып. 92._
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты статистической обработки данных по урожайности и содержанию сухого вещества в растениях, выращенных под различными облучателями при одинаковом уровне облученности и фотопериоде, представлены в таблице.
Таблица
Урожайность салата и выход сухого вещества
Варианты опыта Масса салата, x±Sx, кг-м-2 S, кг V, % Sx, % Выход сухого вещества, -2 x±Sx, г-м" S, г V, % Sx, %
НА 3,92±0,119 0,383 7,21 3,04 187,19±3,89 6,79 3,56 2,03
СД 3,23±0,094 0,211 6,53 2,91 185,90±3,38 5,86 3,15 1,81
Содержание нитратного азота в продукции подНА составило 2857,9 мгкг-1, а под СД -3077,8 мг-кг-1. Данный показатель определялся ионно-селективным методом. В обоих вариантах содержание нитратного азота в продукции салата было в пределах ПДК (не превышало 4000 мг-кг-1) [8].
Подставив в формулу значения соответствующих величин, получим КЭ для растений, выращенных под НА и СД, МДж -г-1:
4000 - 2857,9 . , 1л 3 30 х 432
КЭ НА) = =-— х 3,6 х 103 х-= 0,0996;
Э 2857,9 187,2
, ч 4000 - 3077,8 _ , 3 30 х 432
КЭ (СД) =-— х 3,6 х 10-3 х-=0,0752
3077,8 185,9
Среди двух величин КЭ лучшим является коэффициент с наибольшим значением. Полученные в результате расчетов значения КЭ свидетельствуют о том, что по включенным
в оценку показателям для расчета данного коэффициента выращивание растений под НА на 32,4% раза эффективнее, чем под СД. С учетом того, что различия при выращивании были только в типе облучателей, то для повышения эффективности при использовании СД облучателей необходимо внесение корректировок в спектральную составляющую СД. При расчете КЭ в данном примере не учитывались затраты электрической энергии, т.к. световой
поток и КСС облучателей заметно различались, а расчет велся по уровню облученности, выровненному с погрешностью ±15% над поверхностью выращиваемых растений. Данные расчеты приведены для демонстрации возможности оценки совокупности всех процессов, охватывающих рост и развитие растений до момента получения готовой продукции при помощи одного обобщенного коэффициента - КЭ .
Из полученных данных видно, что увеличение КЭ при использовании НА в большей
степени произошло за счет более высокой урожайности, что при прочих равных условиях свидетельствует о более благоприятном спектре от НА при выращивании салата.
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
растениеводстваи животноводства_
ВЫВОДЫ
При выращивании салата листового подНА урожайность составила 3,92 кг-м" , что на
21,3% больше, чем при выращивании под СД. При этом выход сухого вещества в листьях
-2
салата практически не отличался: 187,19 и 185,90 г-м" под НА и СД соответственно. В листьях салата, выращенных подНА содержание нитратного азота на 7,14% ниже, чем при использовании СД: 2857,9 и 3077,8 мг-кг-1 соответственно.
Расчитанный КЭ в случае применения НА на 32,4% выше по сравнению с
применением СД за счет получения более высокой урожайности.
Предложенный способ оценки выращивания растений при помощи предлагаемого коэффициента энергоэкологичности позволяет оценить различия при выращивании растений под различными типами облучателей и может использоваться как критерий оценки эффективности производства продукции растениеводства при энергоэкоаудите светокультуры.
Светотехническое оборудование на основе светодиодных источников имеет перспективу дальнейшего изучения с целью дальнейшего внедрения в промышленное производство выращивания салата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прокофьев Д.С., Семенов Д.А. Перспективы использования светодиодных светильников в тепличных электротехнологиях //Вестник ВИЭСХ. -2012. -Т.3. -№8. -С. 4042.
2. Прокофьев А., Туркин А., Яковлев А. Перспективы применения светодиодов в растениеводстве //Полупроводниковая светотехника. - 2010 . -Т. 5 - №7.
3. Протасова Н. Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений. Физиология растений. -Т. 34. -Вып. 4. -1987.
4. Ракутько С.А., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н., Маркова А.Е. Энергоэкоаудит светокультуры и способ его проведения //Международный журнал экспериментального образования. -2016. -№12-2. - С. 246-247.
5. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Судаченко В.Н., Колянова Т.В. Определение эффективности светодиодных источников облучения при выращивании рассады томата и огурца // Сб. научных трудов ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии, - С-Петербург. -2013. - №84. - с. 82 - 89.
6. Мишанов А.П., Маркова А.Е., Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Оценка энергоэкологичности светокультуры салата с использованием натурной модели искусственной биоэнергетической системы // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2017. -№91. -С. 36-45.
7. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н. Энергоэкология светокультуры - новое междисциплинарное научное направление // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. -2016. -№ 90. - С. 14-28.
8. Цыденданбаев А.Д. Новые ПДК для нитратов в ЕС // Мир теплиц. - М.: -2011. - №6. -с. 10.
