Устройство фотобиологической светостимуляции семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культур

Полезная модель относится к области светотехнике и может быть использовано для стимуляции семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культур, а также для выращивания сеянцев, всходов, проростков, рассады в условиях искусственного микроклимата для тепличного производства.
Проблема расширения ассортимента растениеводческой тепличной продукции стоит достаточно остро. Не многие овощные культуры являются основными объектами для возделывания в тепличном производстве, потому что их выращивание остается высокозатратным и низкопродуктивным. Причиной тому являются как несовершенные агротехнологии, так и процессы общебиологического плана. К последним можно отнести растянутые сроки появления и недостаточная выравненность всходов, низкие темпы роста и развития растений на начальных этапах онтогенеза, а также высокая вероятность поражения фунги- и энтомофагами на протяжении всего периода вегетации. Характерной особенностью современного тепличного производства является злоупотребление различного рода удобрениями, стимуляторами и химическими добавками, что приводит к безвкусному урожаю, снижает лежкость, хранение, товарный вид. Поэтому особенно важно для развития тепличного овощеводства не химические способы воздействия на семена с целью стимуляции, а энергосберегающие, универсальные технологии, помогающие максимально реализовать генетические и физиологические возможности растений.
Полезная модель заключается в создании переменного разноспектрального светового поля с эффектом фотобиологического действия с целью светостимуляции семян, всходов, сеянцев, проростков, рассады плодово-ягодных, овощных и зеленных культур. Устройство фотобиологической светостимуляции семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культур, которое реализует переменное разноспектральное световое поле с эффектом фотобиологического действия, состоит из двух горизонтальных параллельных плоскостей, которые крепятся к стойке, являющейся основой всей установки. Нижняя плоскость представляет собой платформу с углублениями, в которые помещают семена (либо сеянцы, всходы, проростки, рассада). Нижняя платформа вращается вокруг стойки, при помощи электродвигателя, с возможностью регулирования скорости вращения. На верхней плоскости закреплен стационарно светодиодный светильник, состоящий из четырех зон: первая зона скомплектована из красных светодиодов, вторая - из синих, третья - из зеленых и четвертая - из теплых белых светодиодов. Спектральный состав светодиодного светильника может регулироваться при помощи включения или отключения тех или иных монохроматических зон. Осуществляя вращение, нижняя платформа располагает, семена в определенный момент времени под одним из монохроматических излучений. Скорость вращения нижней плоскости определяет периодичность смены одного монохроматического излучения другим. Объектом воздействия фотобиологической светостимуляции могут быть как семена, находящиеся в фазе покоя, в фазе набухания, готовые к проклевыванию, семена, подвергшиеся любому другому способу стимулирования (обеззараживания, воздействие высоких и низких температур, биорегуляторы и прочее), так и растения в вегетационный период всходов, сеянцев, проростков, рассады. Устройство фотобиологической светостимуляции семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культур позволяет вырастить жизнеспособные стрессоустойчивые растения, которые можно выращивать без дополнительных затрат на различные способы стимулирования в процессе дальнейшего вегетационного роста и развития.
Известно устройство «Светоимпульсный осветитель (варианты) и способ светоимпульсного освещения растений» [Патент RU №2326525 С2, МПК Y02A 40/274, опубл. 20.06.2008]. Изобретение относится к светотехнике, в частности к способам искусственного светоимпульсного освещения растений в тепличных условиях, характеризующееся переменностью и периодичностью. Устройство светоимпульсного осветителя состоит из светодиодов с различным спектром излучения, распределенными на группы, каждая группа соединена с блоком управления через регулятор тока. Устройство содержит ряд светодиодов с различным спектром излучения, которые сканируют путем последовательного освещения участков поверхности с растениями, при этом сканирование производят отражением световых потоков светодиодов вращающимися плоскими рефлекторами, располагаемыми на общем валу, ось которого устанавливают параллельно поверхности с растениями. Рефлекторы находятся на гранях правильной призмы, ось призмы устанавливают параллельно плоскости, проходящей через центральные оси световых потоков светодиодов, и смещают в сторону, обратную поверхности с растениями так, что плоскость, проходящая через центральные оси световых потоков светодиодов, попадает на грани многогранника, расположенные ближе к поверхности с растениями, и сдвигают по отношению к оси симметрии этой поверхности таким образом, что при расположении соответствующей грани, находящейся в световом поле светодиодов, под углом 45° к плоскости, проходящей через центральные оси световых потоков светодиодов, эта плоскость делит соответствующую грань пополам, а отраженный световой поток попадает на центральную часть поверхности с растениями. Технический результат заключается в возможности широкого регулирования частоты, спектра излучения, амплитуды и скважности импульсов светового потока.
Недостаток известного устройства светоимпульсного освещения заключается в конструктивной сложности установки, которая освещает не большое количество растений и может быть использован только в исследовательских целях по изучению влияния импульсного освещения на растения.
Более близким по технической сущности и, принятое за прототип, является устройство по «Способу культивирования растений и оборудованию для культивирования растений» [Патент RU №2593905 С2, МПК A01G 7/045, опубл. 10.08.2016]. Группа изобретений относится к области растениеводства. Устройство состоит из световой установки для культивирования растений и движущейся поверхности в виде ленты (конвейера), на котором перемещаются растения. При помощи распределительной панели используемого в устройстве для культивирования растений, создаются зоны с монохроматическим освещением: либо красный спектр, либо синий спектр. Периодически и неоднократно в пределах определенного интервала времени создается освещение растения красным или синим светом, при этом допуская прерывание обеих стадий освещения растения светом. Продолжительность стадии освещения красным светом и стадии освещения синим светом составляет 0,1 часа или больше, но менее 48 часов. В способе допускают прерывание обеих стадий одновременного освещения растения красными синим светом в пределах определенного интервала времени, в котором соотношение количества красного освещающего света и синего освещающего света составляет от 1:20 до 20:1. В процессе постепенного перемещения растений периодически меняется спектр оптического излучения, воздействующего на растения в каждый определенный период времени. Изобретения позволяют обеспечить стимулирование растений.
Недостатком данного оборудования является использование только красных и синих светодиодов. Несмотря на дискуссии по поводу целесообразности использования тех или иных монохроматических светодиодов для стимуляции растений и семян, необходимо принять во внимание, что биологические объекты изначально очень хорошо приспособлены именно к равноэнергетическому белому солнечному свету. В ходе эволюции и растения и семена выработали уникальный адаптационный механизм использования света различной интенсивности и качества для реализации генетической программы развития и роста. Используя монохроматическое освещение, создается тонкая настройка на уровне биосинтеза на определенный результат на определенном этапе вегетационного развития, но ограничивает растение в полной реализации потенциально заложенных возможностей. Причинами неодинакового характера морфогенеза в зависимости от спектрального состава может выступать как регуляторная функция (через аскорбиновую, фитохромную и прочие системы), так и энергетическая функция света в растении (через фотосинтез). Равноэнергетический свет контролирует функционирование систем эндогенной регуляции (генной, ферментативной, трофической, гормональной и т.п.), совокупное действие которых обеспечивает адекватную реакцию растений на условия освещения. Свет выступает многогранным фактором, характеризующимся качественными (широким диапазоном длины волны) и количественными параметрами (интенсивностью, интегральной суточной радиацией, фотопериодом), а также направлением. Именно свет важен для реализации соответствующих программ развития растений (де-этиоляции, фотоморфогенеза, фотопериодизма, фототропизма и прочее) и для успешной репродукции растений, поскольку он управляет выбором времени прорастания семян, переходом из вегетативной стадии к цветению, переходом от плодоношения к старению.
Таким образом, предлагаемый способ стимулирования растений патентом RU №2593905 С2, за счет использования только синих и красных светодиодов, снижает свою универсальность, и может быть использовано только для достижения конкретной поставленной задачи. Например, такая установка вполне подойдет для выращивания культуры салата по следующим критериям: короткий вегетационный период; требования к не высокой интенсивности освещения для достижения рыхлых и сочных листьев; смена красных и синих светодиодов при освещении дало бы положительный результат для быстрого развития и сокращения вегетационного периода до получения конечного результата. Но при выращивании тепличных сортов томата, с характерными переходами из одной стадии развития в другой (всходы, сеянцы, рассада, ювенальный период, взрослые растения, период старения) и специфичными требованиями по интенсивности, спектру, длительности, температурного режима, к составу питательного раствора в каждом периоде онтогенеза, данная установка будет просто бесполезна.
Задачей полезной модели является снижение технологических потерь процесса выращивания тепличных культур, через процесс подготовки семян, качество которых отражается на сокращение сроков появления и выравненности всходов, высокие темпы роста и развития на начальных этапах онтогенеза, высокая стрессоустойчивость к изменениям факторов микроклимата (температура, влажность, питание, освещение), повышенная сопротивляемость к болезнетворным бактериям.
Техническим результатом является повышение результативности процесса стимулирования семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культур, отличающийся достаточно высокой эффективностью сбалансированного влияния на многие процессы на макроэргическом уровне, в том числе общий онтогенез культур, их устойчивость, продуктивность, на биохимический состав продукции в целом.
Полезная модель позволяет снизить энергоемкость всего процесса выращивания растений за счет стимулирования семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культур. Всхожесть семян один из важнейших показателей продуктивности семенного материала и их качества. По всхожести семян можно прогнозировать будущую урожайность. Условно, структурная схема семени представляет собой взаимосвязь внутренней накопленной энергии семян и энергии процессов пробуждения, развития и роста. В теоретических исследованиях исходят из того, что семена растений обладают резервом энергии, которая аккумулируется в питательных тканях семян, именно от ее количества и зависит энергосодержание урожая. Высвобождение энергии из органических соединений при гидролизе углеводных запасов происходит под влиянием температуры и влажности, а также под воздействием энергии оптического излучения.
В основу настоящей полезной модели положена задача создания переменного разноспектрального светового поля с эффектом фотобиологического светостимулирования. Такое поле создает благоприятные условия для высвобождения резервной энергии и одновременно поглощения дополнительной энергии на формирование и накопление сухого вещества растения, на транспорт продуктов, образованных в результате фотосинтеза растений, для гармоничного роста и развития. Эффект фотобиологического светостимулирования проявляет себя в дальнейшем на росте и развитии самого растения, сокращая срок вегетационного периода до получения урожая, повышая жизнестойкость, адаптационные возможности и увеличивает количество и качество урожая.
Поставленная задача решена следующим образом: устройство фотобиологической светостимуляции семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культур включает в себя устройство освещения, состоящее из светодиодного светильника, закрепленного на верхней платформе, основу, стойку, устройство перемещения, состоящее из электродвигателя и нижней платформы, с расположенными на ней углублениями для семян, и узла крепления верхней платформы.
При этом светодиодный светильник состоит из четырех зон монохроматических светодиодов: первая зона скомплектована из красных светодиодов, вторая - из синих, третья - из зеленых и четвертая - из теплых белых светодиодов, верхняя платформа выполнена с возможностью создания различных световых режимов по спектральному составу через включение и отключение различных зон светодиодных матриц, а также по по интенсивности освещения через регулирование мощности светового потока светодиодного светильника или через регулирование расстояния между платформами, а нижняя платформа выполнена с возможностью создания различных световых режимов в зависимости от скорости движения нижней платформы.
На фиг. 1 изображена схема устройства фотобиологической светостимуляции семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культур.
Устройство фотобиологической светостимуляции семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культур включает в себя основу 1, стойку 2, устройство перемещения, которое состоит из нижней платформы 3 и электродвигателя (на фиг. не обозначено), на нижней платформе расположены углубления 4 для семян, узел крепления 5 верхней платформы 6, устройство освещения, которое состоит из светодиодного светильника (на фиг. не обозначено) закрепленного на верхней платформе 6, светильник включает в себя четыре зоны монохроматических светодиодов различных по спектральному составу: первая зона скомплектована из красных светодиодов, вторая - из синих, третья - из зеленых и четвертая - из теплых белых светодиодов. Верхняя платформа 6 выполнена с возможностью создания различных световых режимов по спектральному составу через включение и отключение различных зон светодиодных монохроматических матриц, через возможность менять расстояние между нижней 3 и верхней 6 платформами, с дальнейшей фиксацией высоты верхней платформы 6, при помощи узла крепления 5. Существует возможность регулировки светодиодного светильника по мощности светового потока, по спектральному составу при помощи блока управления (на фиг. не обозначено) световыми режимами. А также выполнена с возможность создания различных световых режимов по ритму изменения спектров в зависимости от скорости движения нижней платформы 3.
Технический результат достигается за счет вращательного движения нижней платформы и светодиодного светильника, состоящего из монохроматических светодиодов разных по спектральному составу, формирующих четыре зоны, совокупность данных составляющих создает достаточно простое техническое решение в реализации, в эксплуатации, обслуживании и потенциально может быть использоваться в автоматическом режиме без участи оператора.
Универсальность устройства фотобиологической светостимуляции семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культур обнаруживается в формировании различных световых режимов:
1. по ритму изменения спектров (в зависимости от скорости движения нижней платформы);
2. по интенсивности освещения (регулирование мощности светового потока светодиодного светильника, или регулирование расстояния между платформами);
3. по спектральному составу (включение и отключение различных зон светодиодного светильника).
Работает устройство фотобиологической светостимуляции семян плодово-ягодных, овощных и зеленных культуросуществляется следующим образом.
В углубления 4, расположенные на нижней платформе 3, закладываются смена. Регулируется расстояние между платформами 3 и 6. Включается, а затем настраивается светодиодный светильник, состоящий из монохроматических светодиодов, по мощности светового потока и задается спектральный состав разноспетрального светового поля: либо работают все зоны; либо варьируется световой поток при помощи отключения той или иной зоны светодиодного светильника. Затем при помощи двигателя нижняя платформа 3 начинает вращаться вокруг стойки 2. При содействии таймера выставляется длительность работы всей установки.
Универсальность устройства обнаруживается в возможности использовать различные семена плодово-ягодных, овощных и зеленных культур по своей форме, структуре, размерам, цвету, фактуре и т.д.
Универсальность устройства обнаруживается в возможности стимулировать семена плодово-ягодных, овощных и зеленных культур по их сортовому разнообразию.
Универсальность устройства обнаруживается в комбинированном использовании эффекта фотобиологического светостимулирования с другими способами стимулирования: замачивание, обеззараживание, бортирование, стратификация, воздействие высоких и низких температур, биорегуляторы и прочее.
Совокупность признаков, заявляемой установки фотобиологического светостимулирования переменным разноспектральным световым полем семян, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».