ФИТОТЕХКОМПЛЕКС ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ

Полезная модель относится к области растениеводства, в частности, к промышленным комплексам по выращиванию овощных культур («овощные фабрики») на территориях со сложными климатическими и экологическими условиями и высокими требованиями к охране окружающей среды (Арктика, субарктические территории).
Известен завод по выращиванию зелени по технологии «Green Rooms» (Япония) в г. Хабаровск [news…zavod…vyrashchivaniyu-zelenykh…], а также растительные фабрики, описание которых представлено в литературе [Т. Kozai, G. Niu, М. Takagaki Plant Factory An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food Production. 2016. AMSTERDAM • BOSTON • HEIDELBERG • LONDON • NEW YORK • OXFORD • PARIS • SAN DIEGO • SAN FRANCISCO • SINGAPORE • SYDNEY • TOKYO. Academic Press is an imprint of Elsevier. ISBN: 978-0-12-801775-3; Kalantari F, Tahir О M, Joni R A, Fatemi E. Opportunities and challenges in sustainability of vertical farming: A review. Journal of Landscape Ecology, 2017: 5-30; Shamshiri R R, Kalantari F, Ting K С, Thorp K R, Hameed I A, Weltzien C, et al. Advances in greenhouse automation and controlled environment agriculture: A transition to plant factories and urban agriculture. Int J Agric & Biol Eng, 2018; 11(1): 1-22 и др.]. Известные объекты, использующие гидропонную технологию для круглогодичного выращивания зеленных и овощных культур, а для освещения растений - светодиодные светильники, содержат вегетационные установки, системы электроснабжения и управления микроклиматом (режимы температуры, влажности, газового состава, циркуляции воздуха), систему обеспечения светового режима выращиваемых растений, систему питания растений - емкости с водой и питательным раствором, устройства подачи питательного раствора к установкам и отведения его для очистки, коррекции и повторного использования.
Недостатком подобных комплексов являются низкая аэрация корневых систем растений, что обусловливает снижение качества получаемой растительной продукции, и необходимость утилизировать применяемые при выращивании растений субстраты по завершении вегетации, что нежелательно в условиях арктических и субарктических территорий.
Известен наиболее близкий к заявляемому техническому решению объект - комплекс по выращиванию овощных культур на антарктической исследовательской станции Neumayer Station 111 (Германия) [https://pikabu.ru/story/v_antarktike_vpervyie_vyirastil] - прототип.
Комплекс обеспечивает круглогодичное выращивание зеленных и овощных культур в условиях Арктики и субарктических территорий по гидропонной технологии.
Известный объект включает вегетационные установки, систему электроснабжения, обеспечивающую его функционирование в автономном режиме, систему управления микроклиматом (режимы температуры, влажности, газового состава, циркуляции воздуха), систему обеспечения светового режима выращиваемых растений с использованием предпочтительно светодиодных светильников, систему питания растений - емкости с водой и питательным раствором, устройства подачи и отведения питательного раствора, а также - теплоизолирующую оболочку (пол, стены, крыша), снабженную шлюзом для предотвращения попадания наружного воздуха.
Растения на станции выращивают в условиях гидропоники, что связано с недостаточной аэрацией корневых систем растений и, таким образом, - со снижением качества растительной продукции. Кроме того, микроэлементный состав такой продукции обусловлен набором микроэлементов, содержащихся в питательном растворе, что в ряде случаев совершенно недостаточно.
Предлагаемая полезная модель - фитотехкомплекс для выращивания растений (ФТК) - решает задачу интенсивного ресурсосберегающего круглогодичного безотходного выращивания растений в экстремальных условиях Крайнего Севера и стабильного получения высоких урожаев растительной продукции, по качеству и безопасности соответствующей санитарно-гигиеническим нормативам Российской Федерации.
Техническим результатом от использования полезной модели является повышение производительности ФТК, качества получаемой растительной продукции и экологической безопасности производства.
Указанный технический результат достигается тем, что фитотехкомплекс для выращивания растений, содержащий вегетационные установки, устройство питания растений, устройство электроснабжения, устройство управления микроклиматом, устройство обеспечения светового режима выращиваемых растений с использованием предпочтительно светодиодных светильников, аппаратно-программное устройство системы управления фитотехкомплексом и теплоизолирующую оболочку, снабженную шлюзом для предотвращения проникновения наружного воздуха, отличается от прототипа тем, что вегетационные установки содержат растильни с питательным раствором, снабженные трапецеидальными вкладышами, представляющими собой группу соединенных между собой трапецеидальных подставок, на которые уложена непроницаемая для корней влагопроводящая ткань, частично погруженная в питательный раствор, а на поверхность ткани нанесен слой суспензии кембрийской глины, при этом растильни снабжены крышками с отверстиями для растений.
На фиг. 1 схематически изображена четырехъярусная вегетационная установка для выращивания растений (общий вид), на фиг. 2 - растильня (в разрезе), на фиг. 3 - фрагмент растильни с трапецеидальным вкладышем (в разрезе).
Вегетационная установка (фиг. 1) содержит каркас 1 с размещенными на каждом его ярусе растильнями 2, вегетационными светильниками 3, над которыми установлены теплоотражающие экраны 4. Подачу и слив питательного раствора из растилен 2 обеспечивает коллектор питательного раствора 5, подающий патрубок 6 и сливной патрубок 8, соединенный со сборным коллектором 7. Вертикальные стойки каркаса 1 снабжены регулировочными винтами 9 для обеспечения устойчивого вертикального положения устройства.
Число ярусов в вегетационной установке обусловлено габаритами выращиваемых культур.
Растильня (фиг. 2) состоит из корпуса 10, снабженного подающим питательный раствор штуцером 6 и сливным штуцером 11, соединенным со сливным патрубком 8, и крышки 12 с отверстиями 13 для выхода проростков и поддержания растущих растений. На дне растильни размещены трапецеидальные вкладыши 14, частично погруженные в питательный раствор 15 и состоящие из нескольких соединенных между собой трапецеидальных подставок 16 (фиг. 3). Поверхность трапецеидальных вкладышей 14 покрыта влагопроводящей тканью 17. На поверхность ткани 17, расположенной на вершинах трапецеидальных подставок 16, нанесен слой суспензии кембрийской глины 18.
Фитотехкомплекс для выращивания растений (на примере четырехъярусной вегетационной установки) работает следующим образом.
Предполагается, что теплоизолирующая оболочка фитотехкомплекса (пол, стены, крыша), снабженная шлюзом для предотвращения проникновения наружного воздуха, внутри которой все устройства, приборы и оборудование могут функционировать при температуре наружного воздуха до -60°С, замкнута.
Обеспечены электроснабжение (внешнее или автономное) и микроклимат (режимы температуры, влажности, газового состава, циркуляции воздуха). Устройством питания растений обеспечено приготовление питательного раствора, подача его в вегетационные установки и отведение питательного раствора для коррекции и повторного использования. Аппаратно-программное устройство системы управления фитотехкомплексом (автоматизация процесса выращивания растений от подключения всех вышеназванных устройств и до сбора урожая) функционирует.
То есть используются известные и хорошо отработанные решения.
В каждой растильне 2 вегетационной установки размещают трапецеидальные вкладыши 14, сформированные из нескольких соединенных между собой трапецеидальных подставок 16, например из 6-9 в одном вкладыше, для удобства обслуживания и транспортировки. Вкладыши 14 покрывают непроницаемой для корней влагопроводящей тканью 17. На поверхность ткани, находящейся на вершинах трапецеидальных подставок 16, наносят слой суспензии кембрийской глины 18, которая существенно расширяет набор микроэлементов, доступных выращиваемым растениям 19 (L.G. Gilinskaya, Т.N. Grigorieva, L.I. Razvorotneva and L.В. Trofimova Composition and Physicochemical Properties of Natural Blue Clays L. // Chemistry for Sustainable Development 16(2008), 143-153).
В растильни 2 в автоматическом режиме с определенной регулярностью (программно-временное управление) из бака питательного раствора, общего для всех вегетационных установок (на схеме не указан), в которых выращивают однотипные растения, насосом подают питательный раствор 15 в коллектор 5 каждой установки, и далее по подающему патрубку 6 он поступает в растильни 2. При этом сливной штуцер 11 растилен 2 должен быть открыт. При превышении установленного уровня питательный раствор из растилен 2 сливается по патрубку 8 и сборному коллектору 7.
Через 30-40 минут после подачи питательного раствора в растильни 2 на вершины трапецеидальных подставок 16 высаживают рассаду растений или укладывают семена, после чего растильни 2 закрывают крышками 12. По мере роста растения 19 выходят через отверстия 13 в крышках 12, которые могут быть щелевыми или иной формы в зависимости от выращиваемой овощной культуры.
Корневая система растений 20 (фиг. 3) развивается на поверхности влагопроводящей ткани, что обеспечивает высокую аэрацию корневых систем растений. Свойства ткани и формирующийся между поверхностью подставки и плотно прилегающей тканью плоский щелевой капилляр полностью обеспечивают растения питательным раствором. Кроме того, кембрийская глина дополнительно обеспечивает растения микроэлементами, отсутствующими в питательном растворе.
После высадки рассады или прорастания семян включают вегетационные светильники 3, которые обеспечивают необходимые параметры световой среды (средняя облученность, равномерность и спектральная плотность облученности).
2
Рекомендуемая средняя облученность на полезной площади яруса составляет 90-150 вт/м ФАР при коэффициенте равномерности облученности от 0,6 и более.
При этом следует руководствоваться известными рекомендациями или сведениями о свойствах и потребностях намеченных к выращиванию растений в лучистой энергии.
Для подтверждения эффективности работы ФТК по полезной модели показатели по производительности (урожайность продукции за год) и содержанию нитратов в выращиваемых растениях овощных культур (салат, томат, огурец) сравнивались с аналогичными показателями в растениях таких же культур, полученных в промышленной теплице по гидропонной технологии с использованием тонкого слоя питательного раствора и с досветкой.
Полученные результаты представлены в таблице.
Экспериментальные данные показывают, что в заявляемом фитотехкомплексе по сравнению с упомянутой промышленной теплицей в среднем производительность выше по салату на 24%, томату - на 7%, огурцу - на 31%, а качество и безопасность овощной продукции - существенно выше, судя по тому, что содержание нитратов стабильно ниже ПДК, принятой в РФ: у салата - на 60%, у томата - на 65%, у огурца - на 55%.
Примечание:
(*) - Значение достоверно отличается от контрольного на 5%-ном уровне значимости.
(**) 1. Нестеров С. Результаты сортоиспытаний сезона 2013 // Мир теплиц 2013. №6. С. 14-17;
2. Н.С. Детков Защищенный грунт России: сегодня и завтра // Картофель и овощи. №11, 2016. С. 2-4;
3. Т. Kozai, G. Niu, М. Takagaki Plant Factory An Indoor Vertical Farming Systm for Efficient Quality Food Production. 2016. AMSTERDAM • BOSTON • HEIDELBERG • LONDON • NEW YORK • OXFORD • PARIS • SAN DIEGO • SAN FRANCISCO • SINGAPORE • SYDNEY • TOKYO. Academic Press is an imprint of Elsevier. ISBN: 978-0-12-801775-3.
(***) Гигиенические требования к безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов. СанПиН 2.3.2.1078-01'', 06.11.2001.
Таким образом, использование заявляемой полезной модели обеспечивает более высокую производительность ФТК и повышение качества получаемой овощной продукции за счет достижения необходимой аэрации корневых систем растений и более эффективной доставки питательного раствора к корневым системам благодаря трапецеидальному профилю вкладышей (подставок) растилен, а также за счет расширения набора микроэлементов в питании растений вследствие нанесения на ткань тонкого слоя кембрийской глины. Кроме того, отсутствие субстратов для корневых систем растений обеспечивает безотходность производства и экологическую безопасность окружающей среды.