CC BY
65
УДК 628.979:581.035 DOI 10.24411/2078-1318-2019-11168
Доктор техн. наук С.А. РАКУТЬКО (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected]) Соискатель Е.Н. РАКУТЬКО (ИАЭП - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, [email protected])
ВЛИЯНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧНОСТЬ СВЕТОКУЛЬТУРЫ
Для круглогодичного получения урожая в странах и регионах с неблагоприятным климатом широко применяют теплицы - культивационные сооружения, в которых все экологические факторы строго контроллируются. В дополнение к естественному солнечному используют излучение от искусственных источников, а в некоторых случаях выращивание производят только на искусственном облучении (ситифермы, гроу-боксы, фито-стены).
Важность проблем повышения энергоэффективности и ресурсоотдачи, энергосбережения и улучшения экологической обстановки сегодня неоспорима [1]. Современное тепличное производство является энерго- и ресурсоемким, характеризуется высоким потреблением энергии, питательных веществ и технических средств выращивания растений. Энергоэффективное производство требует внедрения современных специальных энергоэкологических технологий [2]. Формирующие полезную продукцию в светокультуре живые растения требуют оптимального сочетания экологических факторов. Среди различных факторов воздействия на растения свет занимает особое место. Изменение условий освещения (интенсивности, продолжительности, периодичности, а особенно -спектрального состава) оказывает различное влияние на рост и развитие растений [3].
Для разработки теории и практики управления светокультурой необходимо наличие математических моделей продукционного процесса растений, прежде всего, роста, развития и фотосинтетической деятельности. Математическая модель есть абстракция реального обьекта, и ее целью является изучение и анализ поведения системы под влиянием различных условий [4]. Модель конкретной культуры представляет собой набор математических выражений, связывающих между собой отдельные переменные (например, влияние на накопление биомассы процессов фотосинтеза и транспирации). Таким образом, математическое моделирование культуры представляет собой способ количественного описания процессов, протекающих в растении, и представляет собой часть биотехнологии, несущей свой вклад в решение проблемы совершенствования сельского хозяйства, увеличения производства продуктов питания и повышения их качества на основе экологически устойчивого развития.
По своей природе показатели роста являются интегральными и характеризуют влияние внешних факторов на состояние растения. Отражением процесса роста растения являются биометрические показатели, которые достаточно просто фиксировать во времени. Полученные данные могут быть использованы при разработке алгоритмов управления продуктивностью растений.
Все многообразие моделей, разработанных для различных культур, можно свести к двум большим группам: функциональные (mechanistic) и описательные (descriptive) модели. Функциональные модели основаны на учете биологических принципов и предусматривают разбиение системы на компоненты, которые моделируются отдельно. В их основе лежат установленные взаимосвязи между воздействием на растение и его откликом. Описательные модели не рассматривают механизмы, лежащие в основе функционирования системы [5]. Тем не менее такие модели достаточно востребованы в практике культивирования растений. Эмпирический метод связан с осмысливанием экспериментальных данных и подбором наиболее подходящих (обычно простых) формул или системы уравнений для их адекватного описания. Такой способ количественного обобщения и аппроксимации экспериментальных данных часто позволяет понять механизмы, ответственные за реакцию растения [6].
Цель исследования - обоснование энергоэкологического подхода к моделированию параметров внутренней среды теплицы и выявление влияния спектрального состава излучения на энергоэкологичность светокультуры.
Материалы, методы и объекты исследования. Объект исследования - растения, выращиваемые в условиях светокультуры. Предмет исследования - закономерности формирования потоков вещества и энергии в светокультуре. Теоретические основы исследования основаны на энергоэкологии светокультуры (ЭЭС) как новом комплексном научном направлении [7].
Традиционный подход в исследованиях по светокультуре заключается, прежде всего, в нахождении реакции определенных показателей растения (биомассы, высоты стебля и т.д.) на изменения условий окружающей среды. Энергетическое и сигнальное воздействие в светокультуре на растения осуществляется оптическим излучением. Влияние энергии излучения в отдельных спектральных диапазонах на рост и развитие различных видов растений достаточно хорошо изучено. Менее исследовано комплексное влияние параметров световой среды и других факторов выращивания растений в искусственных условиях на энергоэффективность и экологичность светокультуры.
Повышение энергоэкологичности тепличного производства является важной задачей, к решению которой существуют значительные финансовые стимулы. Оптимизация процесса получения продукции растениеводства в условиях светокультуры подразумевает снижение нерационального расхода потоков используемых субстанций (вещества и энергии) на различных стадиях технологического процесса. В силу различной природы процессов, протекающих в различных технологических установках, в настоящее время отсутствует единый подход к анализу и оптимизации экологичности и энергоэффективности светокультуры.
Объект исследования ЭЭС как нового научного направления - искусственная биоэнергетическая система светокультуры (ИБЭСС), т.е. совокупность биологических организмов (растений) и технологического оборудования (облучательные установки, устройства обеспечения параметров микроклимата и питания растений) в культивационном сооружении (теплице, сити-ферме, фитоустановке). Математическое описание закономерностей переноса субстанции в продукционном процессе светокультуры производится на основе иерархической модели ИБЭСС. При этом системным интегративным критерием оптимальности является энергоэкологичность.
Предметом изучения ЭЭС являются закономерности преобразования потоков вещества и энергии в ИБЭСС, которые определяют как энергоэффективность получения урожая (задача энергосбережения), так и повышение качества продукции, снижения количества нитратов, влияния на окружающую среду (обеспечения экологичности).
ЭЭС как научное направление расположено на стыке традиционных наук: 1) энергетических и технических дисциплин, в рамках которых рассматриваются физические принципы, вопросы конструирования и эксплуатации источников света, облучательного и другого оборудования с обеспечением энергосберегающих технических решений; 2) физиологии растений, в ее важном разделе изучения зависимости интенсивности и продуктивности фотосинтеза от экологических факторов, прежде всего, оптического излучения, которое определяет количественные и качественные параметры фотосинтеза на всех уровнях его формирования - организменном, органном, тканевом, клеточном и молекулярном, а также способов адаптации растений к условиям среды; 3) экологии, важнейшей концепцией которой является идея о структуре и направленности потоков субстанции в живых системах, организованных в надорганизменные системы различных уровней: популяций, биоценозов, а также взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой (рис. 1).
В силу особенностей растения как биологического объекта получение в результате его выращивания конечной продукции с заданными свойствами является циклическим процессом, который начинается с прорастания семени и заканчивается сбором полезной продукции (плодов, зелени).
В общем случае, создаваемые техническими средствами ИБЭСС параметры среды в культивационном сооружении могут быть различны на различных этапах роста и развития растения. Тогда можно говорить о некоторой «траектории» изменения ИБЭСС в и-мерном пространстве состояния, которая соединяет ее начальные и конечные точки. Осями координат являются частные показатели энергоэкологичности (рис. 2).
Светокультура п f
ЭКОЛОГИЯ
Рис. 1. Место ЭЭС среди других научных Рис. 2. Траектории развития растения
направлений в «-мерном пространстве состояния
Идеальной (И) является такая трактория в (п+1) - мерном пространстве состояния (с учетом координаты времени), при которой достигается наиболее полная реализация генетического потенциала растения, его сортовых возможностей, при условии обеспечения экологичности и энергоэффективности техологического процесса светокультуры. В силу ряда объективных причин этот вариант может быть и не достижимым в практике. Оптимальной траектории (О) следует ожидать в условиях применения наилучших доступных технологий светокультуры (НДТС). Такие технологии производства продукции растениеводства в контролируемых условиях выбираются для конкретных условий и требований из достигнутого уровня науки, техники и технологий по критерию минимальных удельных энергетических затрат и воздействия на окружающую среду при условии обеспечения экологически чистой конечной продукции. В реальном культивационном сооружении в силу ряда причин (несовершенство технологического процесса, несоблюдение режимов работы оборудования, сбои в подсистемах ИБЭСС) возможны существенные отклонения траектории развития (кривая Р на рис.2).
Количественная оценка свойства энергоэкологичности должна характеризовать близость принятой технологии к НДТС. Степень близости может быть оценена по нормированному евклидовому расстоянию между двумя траекториями для сравниваемых условий (Р) и для условий НДТС (О)
1 Твег
K ЭЭ =
T ... 0
Z w
i=1
i: (t) - fo (t) fO (t)
dt,
(1)
2
где Твег - оцениваемый период времени, ff (t) и f° (t) - функциональные зависимости i - го параметра от времени соответственно для реальной (Р) и оптимальной (О) технологий, wi - весовой коэффициент значимости i -го параметра.
Для экспериментальных исследований использовали растения томата (Solanum Lycopersicum L.) сорт Полонез Fi. В настоящее время томат является одной из основных овощных культур во всем мире. Посев семян в общем количестве 220 шт. производили 11.05.2018 г. в контейнеры с почвенным субстратом, которые затем покрыли пленкой и поместили в комнату при температуре воздуха +27 оС и влажностью 72%. Первые единичные всходы появились 14.05.2018. Под круглосуточное освещение (ДНаЗ 400) растения выставлены 15.05.2018, после появления массовых всходов. С этого момента отсчитывали возраст растения.
Фотопериод 16 ч. был установлен 18.05.2018. На 10-й день после всходов, в фазе второго настоящего листа сеянцы распикированы в контейнеры обьемом 1 л с торфогрунтом, состоящим из 1 ч субстрата и 2 ч торфа. На 14-й день контейнеры перенесли под облучательные установки. Производили необходимый полив и подкормки. На 20-й день появился третий настоящий лист. Измерения биометрических параметров производили сериями: первую серию - 05.06.2018 (на 22-й день), вторую - 13.06.2018 (на 30-й день), третью - 21.06.2018 (на 38-й день), четвертую - 29.06.2018 (на 46-й день).
Сравнительный эксперимент проводили в лабораторном помещении с размещенным в нем оборудованием для обеспечения условий выращивания растений: системы кондиционирования воздуха, электровентиляторов, испарителя воды, комбинированного датчика параметров микроклимата, щита управления и облучателей.
Помещение было разделено на две зоны светонепроницаемыми экранами из белой полиэтиленовой пленки. Неравномерность облученности в зонах, характеризуемая коэффициентом минимальной освещенности г=Емса/Еср, составляла не более 10%.
В первой зоне использовали облучатель, состоящий из люминесцентных ламп типа OSRAM L58W/840 LUMILUX Cool White и OSRAM L58W/77 FLUORA, по 8 штук каждых, смонтированных на одном каркасе с чередованием. Во второй зоне использовали такой же облучатель с добавлением PCB светодиодов Star с длинами волн 630 и 735 нм (по 40 шт. каждых). Спектральная плотность фотонной облученности (photosynthetic photon flux density, PPFD) была измерена прибором ТКА ВД/04 и показана на рис. 3.
1,50
Ё 1,00 с
[Л
N
Е
Е 0,50
Е
CL CL
0,00
В G R FR
SW LW
PAR
1 Туре ] Type II
J4 Д
400 500 600 700 Wavelengh, nrn
Рис. 3. Спектральная плотность потока источников
Рис. 4. Внешний вид растений томата
Спектр излучения представляет собой набор чисел, характеризующий интенсивность излучения в отдельных спектральных интервалах, и его сложно характеризовать одним показателем. В данном исследовании использован следующий подход. Поток излучения в синем (B) и зеленом (G) диапазонах суммарно считали как поток коротковолнового диапазона (short-wavelength, SW) ФАР. Поток излучения в красном (R) и дальнекрасном (FR) диапазонах суммарно считали как поток длинноволнового диапазона (long-wavelength, LW) ФАР. Использован коэффициент, характеризующий долю энергии длинноволнового излучения в общем потоке излучения:
Ф
KLW =--. (2)
LW Ф + Ф
SW LW
Этой величиной характеризовали тип спектра в вариантах эксперимента: тип I -спектр с меньшей долей энергии длинноволнового излучения ( KLW =0,37); тип II - спектр с
большей долей энергии длинноволнового излучения (К ш =0,5). Для изменения качественного состава излучения использовали дополнительный поток от светодиодов, которыми увеличивали значение Кш.
Для обеспечения одинакового уровня фотонной облученности (140 мкмольс'^м"2) высоту подвеса облучателей устанавливали различными (0,38 м для спектра тип I и 0,71 м -для спектра тип II). Освещенность в зонах выращивания растений при этом составляла 11,9 кЛк и 9,7 кЛк соответственно. В силу различия освещенностей экспериментальные растения под спектром типа I зрительно выглядели более освещенными.
В сериях измерений на различный день после появления всходов (ДППВ) определяли основные биометрические параметры растений томата: 1) диаметр шейки стебля Б, 2) количество листьев N, 3) высоту гипокотиля Н, 4) сырую массу растения М, 5) площадь листовой поверхности 8, 6) содержание сухого вещества V .
Для обоих типов спектра находили свои наборы коэффициентов в аппроксимирующих выражениях. Величину энергоэкологичности светокультуры оценивали коэффициентом КЭЭ , который характеризует близость принятой технологии выращивания к НДТ светокультуры.
Результаты исследования. По результатам экспертных оценок, более благоприятным для растений является спектр типа I, с меньшей долей LW излучения. Растения под ним были более крепкими и в большей степени соответствовали стандартам качества, предьявляемым к рассаде (рис. 4). Растения под спектром с большим значением Кьш имеют большую высоту и сырую массу, но меньшую площадь листьев. Не выявлено статистически значимых различий этих параметров у растений под различным спектром. На конец эксперимента у растений под излучением с меньшим Кьш наблюдалось большее содержание сухого вещества.
Выражения для динамики диаметра стебля Б, мм, под спектром соответствующего типа на различный ДППВ:
В1 = 10,686(1 - е -011(г-19 027)), Б = 10,806(1 - е -011(г-19 034)).
Выражения для динамики количества листьев N шт.:
N = 6,984(1 - е -0<^™24)), N п = 7,594(1 - е -°^™55)).
Выражения для динамики высоты гипокотиля Н, см:
Н = 5,296 + 50,345е~е ( ), Н п = 5,008 + 89,360е~е ( ).
Выражения для динамики величины сырой массы М, г:
М1 = -0,674 + 117,900е"е"077™7), М п = -0.674 + 101,137е-е"0,096(т-34,126).
Выражения для динамики площади листьев 8, см2:
8 = -28,304 + 3772,168е-е-°'°75™2), = -37,576 + 3366,178е~е"080™ .
Выражения для динамики содержания сухого вещества V, г:
V = 0,022Т2 - 1,287Т + 26,337, V = 0,013Т2 - 0,755Т +17,823.
Аналогичным образом была аппроксимирована траектория изменения биометрических показателей для оптимальных условий, построенная по экспертным оценкам, исходя из желаемых значений отдельных биометрических параметров на заданный момент времени.
Значения коэффициента энергоэкологичности, вычисленные по формуле 1, составляют КЭЭ =0,22 отн.ед. для спектра типа I и КЭЭ =0,38 отн.ед. для спектра типа II.
Таким образом, значение коэффициента, характеризующего близость траекторий развития светокультуры, увеличивается при увеличении доли длинноволнового излучения. В содержательной трактовке это означает, что при этом происходят большие отклонения траектории развития растений от оптимальной. Известен факт благоприятного действия
коротковолнового (синего) излучения на развитие растений на ранней стадии (рассады). В данном исследовании это является подтверждением нашей концепции о возможности оценки светокультуры с позиции энергоэкологичности.
Свет является важным экологическим фактором, влияющим на рост зеленых растений и производство биомассы. Для светокультуры томата это один из наиболее важных факторов. Недостаточная интенсивность света или его неудовлетворительный спектральный состав ухудшает рост и развитие рассады томата, особенно в период развития первого соцветия, что снижает качество рассады. Известны технические решения, предусматривающие стабилизацию спектрального состава излучения в процессе эксплуатации [8].
В исследовании показано, что для оптимизации светокультуры вполне можно ограничиться использованием достаточно простой модели ИБЭС, в которые не заложено представлений о собственно формировании урожая.
В работе предложен показатель спектрального состава излучения источников как отношение долей энергии в коротковолновом и длинноволновом диапазоне ФАР, который предоставляет возможность количественно охарактеризовать многообразие спектральной информации одним числом.
Произведено математическое описание изменения биометрических показателей растений томата в процессе их роста.
В результате эмпирического подхода на основе экспериментальных данных подобраны подходящие достаточно простые формулы для основных биометрических параметров растений.
Выявлена большая чувствительность биометрических параметров растений от соотношения энергии в длинно- и коротковолновых диапазонах ФАР.
Изменение доли длинноволнового диапазона ФАР с 37% до 50% (на 13%) ведет к существенной разнице практически всех биометрических показателей растений в процессе их выращивания и изменению величины коэффициента энергоэкологичности с 22% до 38% (на 16%).
Полученные данные могут быть использованы для оптимизации процесса выращивания растений путем варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов.
Выводы:
1. Обоснована необходимость эмпирических моделей роста растения для теории и практики управления светокультурой.
2. Предложен показатель Klw, который позволяет охарактеризовать спектр излучения источников одним числом.
3. Предложен показатель Kee, характеризующий близость принятой технологии выращивания к НДТ светокультуры по евклидовому расстоянию между оцениваемыми траекториями изменения биометрических параметров растений во времени.
4. Выявлено существенное различие биометрических параметров растений томата, выращиваемых под излучением с различным значением показателя Klw. У растений, выращиваемых под излучением с большим значением Klw, наблюдаются большое количество листьев, высота, диаметр шейки стебля, сырая масса. При этом площадь листьев и содержание сухого вещества было меньше у этих растений.
5. Получены эмпирические модели основных биометрических параметров растения томата.
6. Выявлена зависимость энергоэкологичности светокультуры томата от спектрального состава излучения.
Литература
1. Измайлов А.Ю., Лобачевский Я.П., Сизов О.А. Перспективные пути применения энерго- и экологически эффективных машинных технологий и технических средств // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2013. - № 4. - С.8-11.
2. Ракутько С.А. Повышение эффективности использования тепличных облучательных установок на основе аттестации газоразрядных ламп. - СПб., 1992. - 27 с.
3. Smith, H. Light quality, photoperception, and plant strategy. Annu. Rev. Plant Physiol. 1982, 33, 481-518.
4. Mason, E.G., Dzierzon, H. Application of modeling to vegetation management. Can. J. For. Res., 2006, 36: 2505-2514.
5. Medina-Ruíz C. A., Mercado-Luna I. A., Soto-Zarazúa G. M., Torres-Pacheco I. and E. Rico-García. Mathematical modeling on tomato plants: A review. African Journal of Agricultural Research Vol. 6 (33), pp. 6745-6749, 30 December, 2011.
6. Торнли Дж.Г.М. Математические модели в физиологии растений. - Киев, 1982. - 312 с.
7. Ракутько С.А. Концептуальные основы энергоэкологии светокультуры // Сельскохозяйственные машины и технологии. - 2018. - Т.12. - № 6. - С. 38-44.
9. Патент РФ на №2106778. - Заявка 94028963/13, 1998. Ракутько С.А., Карпов В.Н., Гулин С.В. Способ упорядоченной компоновки источников оптического излучения системы облучения растений в процессе их выращивания.
Literatura
1. Izmajlov A.Yu., Lobachevskij Ya.P., Sizov O.A. Perspektivnye puti primeneniya ehnergo- i ehkologicheski ehffektivnyh mashinnyh tekhnologij i tekhnicheskih sredstv // Sel'skohozyajstvennye mashiny i tekhnologii. - 2013. - № 4. - S.8-11.
2. Rakut'ko S.A. Povyshenie ehffektivnosti ispol'zovaniya teplichnyh obluchatel'nyh ustanovok na osnove attestacii gazorazryadnyh lamp. SPb, 1992. - 27 s.
3. Smith, H. Light quality, photoperception, and plant strategy. Annu. Rev. Plant Physiol. 1982, 33, 481-518.
4. Mason, E.G., Dzierzon, H. Application of modeling to vegetation management. Can. J. For. Res., 2006, 36: 2505-2514.
5. Medina-Ruíz C. A., Mercado-Luna I. A., Soto-Zarazúa G. M., Torres-Pacheco I. and E. Rico-García. Mathematical modeling on tomato plants: A review. African Journal of Agricultural Research Vol. 6 (33), pp. 6745-6749, 30 December, 2011.
6. Tornli Dzh.G.M. Matematicheskie modeli v fiziologii rastenij. - Kiev, 1982. - 312 s.
7. Rakut'ko S.A. Konceptual'nye osnovy ehnergoehkologii svetokul'tury // Sel'skohozyajstvennye mashiny i tekhnologii. - 2018. - T.12. - № 6. - S. 38-44.
8. Patent RF na №2106778. - Zayavka 94028963/13, 1998. Rakut'ko S.A., Karpov V.N., Gulin S.V. Sposob uporyadochennoj komponovki istochnikov opticheskogo izlucheniya sistemy oblucheniya rastenij v processe ih vyrashchivaniya.
УДК 629.3.082.4:602 БОТ 10.24411/2078-1318-2019-11174
Канд. с.-х. наук П.Н. ТАТАЛЕВ (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected]) Ст. преподаватель Н.В. МАТЮШЕВА (ФГБОУ ВО СПбГАУ, [email protected])
УСТРОЙСТВО И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МОЙКИ ДЛИННОГАБАРИТНЫХ
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Нередко на предприятиях строительных и транспортных компаний, и особенно в сельскохозяйственном производстве, приходится проводить наружную мойку различных длинномерных транспортных средств, а именно тракторов и автомобилей, после проведения транспортных работ в сложных погодных условиях (грязь на дорогах и полях). Иногда наружная мойка тракторов и автомобилей необходима перед ремонтом или в преддезинфекционных целях. При этом мойка производится струей воды из водопровода [1]. Нередко в это время водитель (тракторист, шофер) находится в кабине и осуществляет передвижение своего транспортного средства для того, чтобы осуществлять мойку в разных
