Энергоэффективность светокультуры салата при различной фотонной облученности

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства: сб. науч. тр. Санкт-Петербург. -2010. -№82. -С.67-76.

2. Мишанов А.П., Судаченко В.Н., Маркова А.Е., Колянова Т.В. Повышение экологической безопасности питательных растворов в интенсивной светокультуре на основе технологии электрохимической активации (ЭХА) // В сборнике: Экология и сельскохозяйственные технологии: агроинженерные решения. Материалы 7-ой научно-практической конференции, Том 3. Северо-западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства. -2011. -С. 202-208.

3. Семененко С.Я., Лытов М.Н., Чушкина Е.И., Чушкин А.Н. Продуктивность томатов при капельном орошении с использованием электрохимически активированной воды //Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. -2014. -№ 2 (14). -С. 1-14.

4. Ракутько С.А., Судаченко В.Н., Маркова А.Е. Оценка эффективности применения оптического излучения в светокультуре по величине энергоемкости // Плодоводство и ягодоводство России. -2012. -Т. 33. -С. 270-278.

5. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А. Сравнительная оценка эффективности источников излучения по энергоемкости фотосинтеза // Инновации в сельском хозяйстве.-2015. - № 2 (12). - С. 5054.

6. Ракутько С.А. Энергосберегающая система управления энерготехнологическими процессами в АПК // В сб.: Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского. Сборник материалов III Межд. научно-практич. конф. Саратов, 2008.- С. 228229.

7. Способ энергосбережения в энерготехнологических процессах / Карпов В.Н., Ракутько С.А. - Патент на изобретение №2357342.- 21.04.2008.

8. Аристова Н.А, Пискарев И.М., Ушканов В.А. Релаксация окислительно-восстановительного потенциала воды, насыщенной водородом // Вода: химия и экология. -2009. -№12. -С.40-44.

9. Петрушанко И.Ю. Неравновесное состояние электрохимически активированной воды и её биологическая активность / И.Ю. Петрушанко, В.И. Лобышев // Биофизика. -2001. -Т. 46. -Вып. 3. -С. 389-401.

УДК 631.589.2:577.344

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СВЕТОКУЛЬТУРЫ САЛАТА ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ФОТОННОЙ ОБЛУЧЕННОСТИ

А.Е. МАРКОВА, канд. с.-х. наук; А.П. МИШАНОВ; С.А. РАКУТЬКО, д-р техн. наук; Е.Н. РАКУТЬКО

Федеральное Государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - ИАЭП», Санкт-Петербург

В статье рассматриваются вопросы зависимости энергоэффективности светокультуры салата листового (Lactuca Sativa L.) от различных значений фотонной облученности 59; 71;94 и 141 мкмоль-м-2-с-1 при использовании светодиодных облучателей (СД). Спектральный состав СД для растений принят с соотношением энергии в поддиапазонах спектра: 30% - в синей области; 20% - в

33

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 90._

зеленой и 50% - в красной. Растения салата выращивали в агроперлите методом проточной гидропоники с постоянной рециркуляцией питательного раствора в условиях полного отсутствия солнечного света. Для приготовления рабочего питательного раствора использовали макро-и микроудобрения, применяемые при промышленном выращивании салата в светокультуре. Корректирование кислотности и электропроводности питательного раствора проводили ежедневно 10%-ным раствором азотной кислоты. Результаты исследований показали, что с увеличением фотонной облученности растений салата при использовании СД от 59 до 141 мкМ-м"2-с-1 урожайность салата увеличивалась с 1,52 кг/м2 до 3,23 кг/м2 соответственно; в продукции повышался выход сухого вещества и сырой золы. В исследуемом диапазоне значений фотонной облученности увеличение в 1,67 раза затрат электроэнергии на единицу площади привело к снижению энергоемкости в 1,27 раза (21,4 кВт-ч-кг"1). Зависимость урожайности от фотонной облученности в исследуемом диапазоне с

72,74

коэффициентом корреляции (R2=0,95) описывается формулой: Y ~5,62e H . Содержание нитратного азота в салате во всех вариантах находилось в пределах норм ПДК - не более 4000 мг/кг сырой массы.

Ключевые слова: светокультура; фотонная облученность; энергоёмкость; светодиод; салат.

ENERGY EFFICIENCY OF INDOOR GROWING OF LETTUCE UNDER ARTIFICIAL LIGHTING WITH DIFFERENT PHOTON FLUX

A.E. MARKOVA, Cand. Sc. (Agriculture); A.P. MISHANOV; S.A. RAKUTKO, DSc (Engineering); E.N. RAKUTKO

Federal State Budget Scientific Institution "Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - IEEP", Saint Petersburg

The paper describes investigation results related to the relationship between the energy efficiency of indoor growing of lettuce (Lactuca Sativa L.) under artificial lighting and different values of photon irradiance - 59; 71; 94 and 141 цпю! m"2-s-1 - with LED lamps. Spectral quality of LED lamps for plant irradiation was with the following ratio of energy in spectral bands: 30% - blue, 20% - green and 50% - red. Plants of lettuce were grown in agroperlite by the flow hydroponics with constant recirculation of the nutrient solution in complete absence of sunlight. The hydroponic nutrient solution was prepared with macro and micronutrient fertilizers, which are used in industrial indoor cultivation of lettuce under artificial lighting. The nutrient solution was adjusted in terms of pH and electric conductivity every day by applying 10% nitric acid solution. Experiment results showed that with increasing photon irradiation of plants with LED lamps from 59 to 141 |amol m"2-s-1 the lettuce yield also increased from 1.52 kg/m2 to 3.23 kg/m2 (correspondingly); the dry matter and raw ash yields were also higher. In the investigated range of the photon irradiation values the 1.67 times increase of electric energy input per unit of area resulted in 1.27 times lower energy intensity (21.4 kWh*kg-1). The dependence of plant yield on the photon irradiation in the investigated

72,74

range with the correlation coefficient being R2=0,95 may be described as Y ~ 5,62e H . The content of nitrate nitrogen in the lettuce in all variants of the experiment was within the maximum permissible concentration (less than 4000 mg/kg of raw weight).

Keywords: indoor plant lighting, photon irradiation, energy intensity, LED, lettuce.

ВВЕДЕНИЕ

Облучение является важнейшим фактором, определяющим жизнедеятельность растений наряду с другими показателями микроклимата для конкретной культуры.

Для получения оптимальной урожайности в количественном и качественном отношении интенсивность излучения, его спектральный состав и продолжительность облучения должны быть адаптированы к потребностям растения. Оптимизация должна включать такие факторы выращивания как температура, влажность, СО2 и минеральное питание. Солнечный свет остается предпочтительным источником, так как он не требует затрат на свое производство, однако круглогодичное получение свежей продукции требует дополнительного досвечивания, а выращивание овощей в закрытых помещениях невозможно без искусственного света.

Для увеличения производства продукции сельское хозяйство должно развиваться интенсивно, используя инновационные энергоресурсосберегающие технологии. Это заставляет относиться к решению проблем энергосбережения как к важнейшим стратегическим инновациям. Применение излучения в условиях светокультуры выдвигает особые требования к эффективности использования энергетических и материальных ресурсов. Основные затраты энергии в светокультуре связаны с созданием условий для фотосинтеза, при котором происходят реакции поглощения, превращения и использования квантов света, ведущие к образованию органического вещества из углекислого газа и воды при участии фотосинтетического пигмента хлорофилла. Наличие математических зависимостей между факторами внешней среды и энергоемкостью светокультуры позволит добиться оптимизации процесса выращивания растений по критерию минимума энергоемкости путем варьирования параметров облучения, условий окружающей среды и других факторов [1].

Натриевые лампы с высокой светоотдачей, энергоэффективностью и приемлемым спектром излучения, широко используемые в настоящее время в защищенном грунте, значительную часть затраченной энергии не преобразуют в фотосинтетическую активную радиацию (ФАР), а рассеивают в виде тепла. Использование современных СД с высокой светоотдачей позволяет более рационально использовать электрическую мощность излучателя при эффективном использовании энергии в поддиапазонах ФАР.

СД при той же интенсивности света, что и у натриевых ламп меньше нагревают верхушки растений, т.к. не испускают ИК радиации и способствуют более высокому процессу фотосинтеза. Применение светодиодных источников облучения растений позволяет оказывать влияние на развитие стебля и побега у растения в рассадном периоде, регулировать физиологические процессы в растении, появляется возможность изменять спектральный состав света и оптимизировать световые режимы выращивания. Считается, что интенсивность фотосинтеза у растений под светодиодами может быть выше на 20% по сравнению с лампами высокого давления [2].

Свет в области ФАР является двигателем фотосинтеза. Эту часть излучения растение поглощает на 80-90%. Фотосинтез имеет пики в областях синего и красного света. Синий свет дает меньшую площадь листовой поверхности и более толстые листья, стимулирует образование хлорофилла. Красный свет стимулирует цветение и образование завязей [3].

Аналогичные данные получены в опытах с рассадой томата и огурца, выращиваемых на торфяном грунте. Под СД с соотношением синего, красного и белого цветов света 30:60:10 формировались растения томата с мощным сильно опушенным стеблем и темными

с фиолетовыми прожилками листьями. Это, возможно, свидетельствует о слабом отводе ассимилянтов при более высокой влажности воздуха под светодиодными облучателями по сравнению с натриевыми лампами [4, 5].

Целью настоящих исследований является выявление зависимости энергоэффективности светокультуры салата от различных уровней фотонной облученности растений при использовании СД облучателей с одинаковым спектральным составом

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследования по выявлению зависимости энергоэффективности светокультуры

проводили в лабораторных условиях без доступа солнечного света на растениях салата,

выращиваемого методом гидропоники с рециркуляцией питательного раствора.

СД облучатели, изготовленные в лаборатории института, представляют собой набор

светодиодов синего, зеленого и красного цветов света марки LED STAR-3W,

смонтированных на алюминиевом радиаторе. При изготовлении СД облучателей

использовали рекомендуемое процентное соотношение энергий поддиапазонов спектра: 30%

- в синей, 20% - в зеленой, 50% - в красной областях [6].

За счет разного количества светодиодов в светильнике при одинаковой высоте

подвеса (h = 30 см) над верхушками растений в вариантах опыта обеспечивали фотонную

2 1

облученность 59; 71; 94 и 141 мкмоль-м- -с-

Фотонную облученность определяли следующим образом:

1. Измеряли уровень спектральной облученности спектроколориметром ТКА-ВД/04 на

каждой длине волны (с интервалом 3,3 нм) в диапазоне длин волн 400-700 нм Wm , Дж-с-1 -м-2 на уровне верхней части листьев салата;

2 1

2. Рассчитывали фотонную облученность салата Еф, мкмоль-м- -с- по формуле:

Е = у700 ^^ ю-3

где X - длина волны, м;

И - постоянная Планка, h =6,626-10-34 Дж-с;

с - скорость света, с =3-108 м-с-1;

КА - число Авогадро, NA =6,02-1023 моль-1.

3. Определяли удельную суточную дозу облучения растений Ж, моль-м-2 по формуле:

Hs = Еф • 3600 • T-10 6,

где Т - фотопериод, Т=24ч.

Растения салата сорта Афицион выращивали на агроперлите в виде гранул диаметром от 1 до 2,5 мм, с неровной поверхностью, покрытого мелкими углублениями, обеспечивающими большую площадь поверхности, с низким объемным весом

и высокой пористостью (65-82%). Агроперлит предварительно замачивали в горячей воде ^о - 90оС) и выдерживали в течение 3-х часов с целью дезинфекции и набухания гранул. Семена салата, предварительно замоченные в растворе эпина, высевали в контейнеры с остывшим агроперлитом.

Технология выращивания сеянцев салата - общепринятая для салатных линий [7].

Пикировку сеянцев проводили в фазе одного настоящего листочка в горшочки PR-306, заполненные подготовленным агроперлитом. В фазе 2-х настоящих листочков в возрасте 14-16 дней от всходов горшочки с растениями выставляли в «рабочую зону» в культивационные короба с постоянной рециркуляцией питательного раствора.

Содержание основных питательных элементов в растворе составило, мг/л: Шбщ. - 160; Р - 40; К - 158; Са - 110; М§ - 40; рН - 5,83; ЕС - 1,73 мСм/см.

Корректировку рН и ЕС питательного раствора, являющегося общим для всех вариантов опыта проводили 10%-ым раствором азотной кислоты.

Температуру воздуха в лабораторных условиях поддерживали на уровне 20-22 оС, влажность воздуха 55-60 %.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследованиями выявлено, что наибольшая урожайность салата (3,23 кг/м2) была

^ ^ ^ 2 1 получена в варианте с величиной фотонной облученности, равной 141 моль-м- •с- . С

2 1

увеличением данного показателя с 59 до 94 мкмоль-м- •с- урожайность увеличивалась с 1,52 до 2,85 кг/м соответственно (рис.1).

4,00

3,00

2,00

щ 1,00

о

л >

0,00

50

70

90

110

130

150

Облученность, мкмольс"1.м"2

Рис. 1. Зависимость урожайности салата от величины фотонной облученности

Зависимость урожайности от фотонной облученности, находящейся в опыте в

2 1

диапазоне 59-141 мкмоль-м- •с- с коэффициентом корреляции ^2=0,95) описывается

72,74

У = 5 62е~ зависимостью: .

Урожайность и показатели качества салата, полученные при различных значениях

фотонной облученности представлены в табл.1.

Ценность салата, как и других овощных культур, определяется содержанием

углеводов, белков, витаминов, органических кислот и минеральных веществ - солей калия,

магния, железа и др.

Таблица 1

Урожайность и показатели качества салата в зависимости от величины

фотонной облученности

Источник света Уровень фотонной облученности, мкмоль- -2 -1 м -с Суточная доза облучения, -2 моль-м Урожайность, -2 кг-м Содержание сухого вещества, % Содержание сырой золы, % Содержание нитратно -го азота, -1 мг-кг Содержание органического Вещества, -2 г-м

СД-1 59 5,1 1,52 5,07 19,44 3592,2 62,07

СД-2 71 6,1 1,98 5,29 20,0 3360,0 83,78

сд-3 94 8,1 2,85 4,53 24,13 3525,0 97,95

СД-4 141 12,2 3,23 5,75 16,19 3077,8 155,66

НСР05, кгм-2 0,0849 Sx,% 1,13

В состав сухого вещества входят сахара, белки, пектиновые вещества, клетчатка и др.

Содержание сухих веществ в салате увеличивалось с 5,07 до 5, 75% с увеличением фотонной

облученности. Аналогично отмечали увеличение сырой золы в салате, особенно в вариантах

2 1

с фотонной облученностью 94 и 141 мкмоль/м с- - 0,69 и 0,52% от сырой массы салата (табл.2).

Таблица 2

Расход электроэнергии на производство салата в светокультуре

Источник света Выход сухого -2 в-ва, г-м Выход сырой золы, -2 г-м Зола (% от сырой массы) Затраты электроэнергии кВт-ч-м"2 Энергоемкость кВт-ч-кг"1

СД-1 77,11 14,99 0,29 41,47 27,28

СД-2 104,84 20,96 0,29 43,2 21,82

сд-3 129,10 31,15 0,69 57,88 20,31

СД-4 185,72 30,06 0,52 69,12 21,40

Содержание нитратного азота в салате во всех вариантах находилось в пределах норм

ПДК - не более 4000 мг/кг сырой массы [8]. Затраты электроэнергии на единицу площади

2 1

при уровне облученности 141 мкмоль-м- •с- в 1,67 раза выше по сравнению с затратами при

2 1

уровне облученности 59 мкмоль-м- •с- , однако энергоемкость при этом в 1,27 раза ниже. Это

свидетельствует о положительном влиянии увеличения уровня облученности на повышение

урожайности растений салата.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования данного

2 1

спектра СД облучателей с уровнем фотонной облученности 141 мкмоль-м- -с- при выращивании светокультуры салата при отсутствии солнечной радиации.

ВЫВОДЫ

2 1

Значение фотонной облученности, равное 141 мкмоль-м- -с- при использовании СД с процентным соотношением энергии в поддиапазонах спектра 30% - в синей области; 20% - в зеленой и 50% - в красной обеспечивает получение высококачественного урожая салата в

закрытых помещениях без доступа солнечного света. В исследуемом диапазоне значений

2 1

фотонной облученности (от 59 до 141 мкмоль-м" •с- ) увеличение в 1,67 раза затрат электроэнергии на единицу площади для увеличения фотонной облученности привело к снижению энергоемкости в 1,27 раза.

2 2 1 Зависимость урожайности (кг-м" ) от уровня фотонной облученности (мкмоль-м" •с- ),

72,74

для исследуемого диапазона описывается уравнением Y ~ 5,62e H , (R2=0,95).

Содержание нитратного азота при данных режимах облучения не превысило норм ПДК - не более 4000 мг-кг"1 сырой массы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ракутько С.А. Энергосбережение как важнейшая компонента инновационной агроэкономики // В сб.: Проблемы и перспективы развития агропромышленного рынка. Саратов, 2008. -С. 130-134.

2. Цыдендамбаев А.Д. Светокультура сегодня. Свет как он есть. // Мир теплиц. - 2012. - № 3 - С.23-25.

3. Цыдендамбаев А.Д. Свет и растения // Мир теплиц. - 2008. - № 6 - С.18-22.

4. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Судаченко В.Н., Колянова Т.В. Определение эффективности светодиодных источников облучения при выращивании рассады томата и огурца. //Сб.науч.тр. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. Вып.84 - С-Петербург. - 2013 - С.82-89.

5. Тараканов И.Г. Новые облучатели в светокультуре // Мир теплиц. - 2012. - № 5 - С.40-43.

6. Протасова Н.Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений // Физиология растений. - М.: - Наука - 1987. - т.34 - Вып.4 - С.51-53.

7. Антипова О.В., Норкин В.А. Технология выращивания салата Фрилис на салатно-рассадных комплексах методом гидропоники // Теплицы России. - 2012. № 1 - С.70-72.

8. Цыдендамбаев А.Д. Тенденции в секторе. Новые ПДК для нитратов в ЕС. // Мир теплиц. -2011. - № 6 - С.10-16.

УДК004.658.2

БАЗА ДАННЫХ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ КОРМОУБОРОЧНОГО АГРЕГАТА

С.Н. МАТЕЙЧИК; Э.А. ПАПУШИН, канд. техн. наук; И.Ф. СЕРЗИН, канд. техн. наук Федеральное Государственное бюджетное научное учреждение «Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства - ИАЭП», Санкт-Петербург

В результате исследований был разработан способ определения предельной величины пропускной способности кормоуборочного агрегата в конкретных природно-производственных условиях при ограниченном количестве замеров текущих значений показателей работы кормоуборочного агрегата на уборке различных видов кормов из трав, используя закономерности подобия нагрузочных режимов работы кормоуборочного агрегата (ПАТЕНТ РФ №2467551, 27.11.2012).