СИСТЕМА С РЕГУЛИРУЕМОЙ СРЕДОЙ И СПОСОБ БЫСТРОГО РАЗВЕДЕНИЯ СЕМЕННОГО КАРТОФЕЛЯ
SYSTEM WITH CONTROLLED MEDIUM AND METHOD FOR QUICK CULTIVATION OF SEED POTATO

Настоящая заявка имеет приоритет заявки США Сер.№ 60/758,313 от 12 января 2006.
Это изобретение относится к выращиванию клубней картофеля с применением системы с регулируемой средой, которая обеспечивает оптимальные условия среды и питания для роста и развития растений картофеля и клубнеобразования. Эти клубни образуют основной материал, который можно далее разводить в полевых условиях в большие количества высококачественных запасов семенного картофеля.
Картофель является важнейшей сельскохозяйственной и овощной культурой. Картофель в настоящее время выращивают коммерчески почти в каждом штате США. Ежегодная продукция картофеля превышает 18 миллионов тонн в Соединенных Штатах и 300 миллионов тонн во всем мире. Популярность картофеля происходит, главным образом, из его всесторонности и пищевой ценности. Картофель может быть употреблен в свежем виде, замороженном или высушенном, или может быть переработан в муку, крахмал или спирт. Они содержат сложные углеводы и богаты кальцием, ниацином и витамином C. В США площадь земли в акрах, возделываемая под картофель, сократилась с 1960-ых по 1970-ые годы, и это сокращение вместе с возросшим потреблением должно быть возмещено более высокими урожаями пригодными к употреблению. В некоторых областях болезни и вредители повреждают урожаи, несмотря на применение гербицидов и пестицидов.
Общепризнано, что качественные запасы семенного картофеля, обычно идентифицируемые как "Сертифицированный картофель", являются существенным компонентом рентабельных предприятий по производству картофеля. Использование этих семенных запасов является критичным для коммерческого успеха таких предприятий, поскольку картофель является одним из немногих вегетативно размножаемых видов сельскохозяйственных культур. Следовательно, любое внесенное заболевание в запасы семенного картофеля будет присутствовать во всех последующих размножениях с соответствующим вредным воздействием, поскольку клубень картофеля является вегетативным органом, а не семенем.
Несколько схем было разработано для минимизации влияния болезней на коммерческую ценность запасов семенного картофеля. Такие схемы исходят от тканевых культур незараженного материала, полученных в стерильной лабораторной среде, с последующим выращиванием полученных тканевых культур в оранжерее или в наружных условиях защищенного участка. Эти схемы описаны во многих статьях в литературе по исследованию картофеля, включая Struik, 1991, Struik и Wiersma, 1999, и Pruski, et al., 2003. Несколько другую схему применяет Wisconsin Seed Potato Certification Program Department of Plant Pathology, University of Wisconsin-Madison, 1630 Linden Drive, Madison, Wisconsin 53706 для создания "Элитного семенного фонда" и последующей продажи сертифицированным производителям семенного картофеля. Это включает идентификацию не содержащего патогенов материала, который длительно поддерживают на среде тканевой культуры в виде микроклубней. Каждый год эти "клоны" субкультивируют в виде тысячи растений, которые выращивают на защищенном участке для образования клубней. Эти клубни затем размножают в поле и они становятся "Элитным семенным фондом ".
Схемы, описанные в опубликованной литературе, имеют несколько присущих им недостатков. Эти недостатки заключаются в ограниченном количестве семенного материала, который может быть получен в данный календарный год, и стоимости получения такого материала. Оранжерейные схемы обеспечивают не более двух урожаев клубней в год даже в тех географических районах, где зимние месяцы года не слишком холодны. Схемы, основанные на открытых защищенных участках, ограничены по существу только одним урожаем клубней в год. Как оранжерейная схема, так и схема с использованием открытого защищенного участка имеют высокую степень вероятности случайного заражения насекомыми, такими как тля и кузнечики, которые являются переносчиками серьезных заболеваний картофеля. Низкая производительность этих схем также снижает пригодность значительных семенных запасов новых сортов для коммерческих производителей картофеля.
Способ получения миниклубней картофеля известен из патента США 5,419,079 (30 мая 1995), Wang и др. Этот патент описывает различные стадии способа, влияющие на условия среды и питания размножаемых нарезанных картофелин. Эта схема, однако, требует выполнения всех стадий способа вручную и без какого-либо автоматического контроля и регулирования среды, так что она является очень трудоемкой и полностью инертной. Кроме того, кусочки картофеля должны быть высажены внутри конструкции из каркаса и пластиковой пленки, размещенной в теплице, после чего манипулируют пленкой, так что все это громоздко и неэффективно. Все регулирование температуры, освещения, влажности и питательных веществ происходит без какой-либо обратной связи во время процесса размножения. Сомнительно, что такая схема, регулируемая вручную, обеспечит продукцию воспроизводимым и быстрым образом, и без осложнений, как заявлено в патенте, особенно в любом географическом районе.
Известны другие компьютеризированные системы выращивания растений, но ни одна из них не обеспечивает оптимизации роста растений картофеля в течение всего цикла жизни.
Общей задачей настоящего изобретения является создание системы и способа для более эффективного размножения семенного картофеля, автоматического мониторинга, регулирования и регистрации параметров среды и питания в помещении, в котором выращивают и развивают растения картофеля.
Система с регулируемыми условиями среды и способ предоставляют оптимальные условия среды и питания для роста, так что растения картофеля дают пригодные для сбора клубни менее чем через 60 дней с момента посадки. Такие быстрые циклы роста позволяют получить до шести урожаев в год в любом географическом районе.
Условия среды регулируют и регистрируют внутри особого помещения, и эти условия включают продолжительность и интенсивность освещения, температуру воздуха в течение световых и темных периодов и уровень влажности атмосферы, в которой развиваются растения. Дополнительно, композиция питательных веществ и воды, предоставляемые растению, запрограммирована на время цикла роста для соответствия требованиям к питательным веществам в ходе конкретной стадии развития растения картофеля и клубнеобразования. Таким образом, тщательно синхронизированные режимы среды и питания поддерживают быстрый рост и развитие таким образом, что могут быть собраны шесть урожаев клубней в течение любого календарного года, независимо от наружных погодных условий, в которых работает система с регулируемыми условиями среды. Клубни, получаемые в камере с регулируемыми условиями среды, впоследствии размножают посредством посадки клубней в поле для получения достаточного количества высококачественного сертифицированного материала семенного картофеля для продажи производителям картофеля.
Один из объектов изобретения касается системы выращивания растений картофеля для получения миниклубней. Эта система содержит по меньшей мере одну камеру с автоматически регулируемыми условиями среды для содержания и поддержания роста растений картофеля в течение всего цикла жизни. Конструкция этой камеры включает датчики температуры, влажности и освещения, структуру освещения для обеспечения световых и темных периодов экспозиции, содержащую несколько флуоресцентных ламп, расположенную над растениями картофеля и отделенную от них по существу прозрачным разделителем. Структура температуры воздуха, включающая кондиционер, предоставлена для создания температуры, изменяемой равномерно по всей камерной структуре. Структура атмосферной влажности поддерживает относительную влажность всюду в камерной структуре, и структура доставки питательных веществ и воды предоставлена для удобрения и орошения растений картофеля. Компьютер предоставлен для автоматического и непрерывного мониторинга и регулирования структур освещения, температуры воздуха, атмосферной влажности и доставки питательных веществ и воды. Система позволяет развитие как ростков тканевых культур в материнские растения, так и черенков от материнских растений, дающих миниклубни. Компьютер также периодически регистрирует параметры среды в камерной структуре.
Изобретение также рассматривает способ развития растений картофеля, дающих миниклубни. Способ включает стадию обеспечения по меньшей мере одной камерной структурой с автоматически регулируемыми условиями среды для содержания и поддержания роста растений картофеля в течение всего цикла жизни, камерной структурой, включающей датчики температуры, влажности и освещения, структуру освещения для обеспечения световых и темных периодов экспозиции, содержащую несколько флуоресцентных ламп, расположенную над растениями картофеля и отделенную от них по существу прозрачным разделителем, и структуру температуры воздуха, включающую кондиционер для создания температуры, изменяемой равномерно всюду в камерной структуре, структуру атмосферной влажности, структуру доставки питательных веществ и воды для удобрения и орошения растений картофеля, и компьютер для автоматического и непрерывного мониторинга и регулирования структур освещения, температуры воздуха, атмосферной влажности и доставки питательных веществ и воды, и периодической регистрации состояния различных параметров среды в камерной структуре; размещение непокрытых черенков от материнских растений внутри лотков, заполненных твердой средой для роста в камерной структуре в один слой; культивирование черенков в камерной структуре в миниклубни путем автоматического мониторинга и регулирования продолжительности и интенсивности освещения, температуры воздуха как функцию от времени в течение световых и темных периодов, процента влажности как функцию от времени, и продолжительности и частоты подачи растворенных в воде питательных веществ согласно установленным точкам, заложенным в компьютере, по сравнению с входящими сигналами от датчиков; и сбор урожая миниклубней на 56-64 день культивирования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Чертежи иллюстрируют наилучший способ выполнения изобретения, предлагаемый в настоящее время.
Фиг. 1 является блок-схемой системы мониторинга и регулирования среды для размножения семенного картофеля.
Фиг. 2 является фрагментарным, перспективным, отдаленным представлением камеры с регулируемыми условиями среды, примененной в системе Фиг.1.
Фиг.2A является представление части камеры на Фиг.2 в разрезе.
Фиг. 3 является более детальной блок-схемой компьютерной системы регулирования на Фиг.1.
Фиг. 4 является блок-схемой системы освещения, примененной в связи с камерой на Фиг.2.
Фиг. 5 является блок-схемой системы атмосферной влажности, примененной в камере на Фиг.2.
Фиг. 6 является блок-схемой системы доставки питательных веществ и воды, примененной в камере на Фиг.2.
Фиг. 7 является представлением способа размножения семенного картофеля с применением системы на Фигуре 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ОБЩИЙ ОБЗОР
Обращаясь теперь к чертежам, Фиг.1 иллюстрирует систему регулирования среды 10 для размножения семенного картофеля в соответствии с настоящим изобретением. Система 10, в целом, состоит по меньшей мере из одного и, предпочтительно, множества корпусов 12, образующих камер для растений 14 для выращивания и развития семенного картофеля и поддержания клубнеобразования. Корпуса 12 и их камеры 14 находятся в связи с выключателем сети 16 посредством нескольких Ethernet соединителей 18, которые подключены к панелям управления 19, связанным с камерами 14. Выключатель сети 16 находится также в связи с компьютерной системой регулирования 20 благодаря дополнительному Ethernet соединению 22. Как будет понятно далее в настоящем описании, компьютерная система регулирования 20 имеет программное обеспечение, которое автоматически и непрерывно осуществляет мониторинг и регулирует несколько критических систем внутри камеры 14, и периодически регистрирует состояние условий среды в ней для оптимизации быстрого роста и клубнеобразования растений картофеля.
Критические компоненты каждой камеры 14, которые обеспечивают оптимальную регулируемую окружающую среду для роста и развития растения картофеля, включают следующее.
1. Систему освещения 24, способную обеспечить уровень интенсивности освещения, приводящий к фотосинтетической скорости, достаточной для клубнеобразования растений картофеля, растущих в камере 14. Система освещения 24 может состоять из флуоресцентных ламп, светоизлучающих диодов или других ламп 26, помещенных близко рядом с растениями картофеля.
2. Систему температуры воздуха 28, способную к обеспечению желательной температуры воздуха, которая приводит к быстрому росту растения и также поддерживает клубнеобразование растений картофеля. Система температуры воздуха 28, в целом, состоит из кондиционера 30, размещенного на корпусе 12.
3. Систему доставки атмосферной влажности 32, способную обеспечивать условия влажности в атмосфере, требуемые для поддержания быстрого темпа роста растения и клубнеобразования растений картофеля.
4. Систему доставки питательных веществ и воды 34, способную к обеспечению листовыми подкормками жидкими питательными веществами, требуемыми для поддержания быстрого роста растения и клубнеобразования растений картофеля.
5. Компьютерная система регулирования 20, содержащая компьютер, способный осуществлять мониторинг и регулировать желательный уровень и продолжительность освещения, желательную температуру воздуха, условия атмосферной влажности и надлежащую доставку питательных веществ и воды в течение предписанных стадий развития и клубнеобразования. Компьютерная система регулирования 20 дополнительно способна регистрировать состояние параметров среды в камерах 14 в различные выбранные моменты времени.
Обращаясь теперь к Фиг.2 и 2A, на них показаны типичный корпус 12, образующий каждую зону выращивания 13, и камера растения 14. Каждый корпус 12 включает твердую верхнюю стенку 36, твердую нижнюю стенку 38, твердую заднюю стенку 40, твердые противоположные торцевые стенки 42, 44 и пару подвижных дверей камеры, одну из них можно видеть при 46. Типичные внешние габариты корпуса 12 составляют четыре с половиной фута в ширину, девять футов в длину и три фута в высоту. Корпус 12 обычно представляет ограниченную окружающую среду, когда двери 46 закрыты. Нижняя стенка 38 снабжена дренажным поддоном 48 и поддерживается приблизительно на высоте три фута над поверхностью опоры рамой 50, имеющей несколько зависимых ножек 52. Один конец корпуса 12 включает горизонтальную часть 54, закрепленную между ножками 52. Горизонтальная часть 54 служит точкой соединения для пары скоб 56, которые поддерживают кондиционер 30, установленный на торцевой стенке 44 для регуляции температуры воздуха в камере 14. Множество флуоресцентных ламп 26 размещены через всю верхнюю часть камеры 14, под верхней стенкой 36. Лампы 26 заключены в осветительный колпак 58 (Фиг.2A), образованный верхней стенкой 36 с сильно отражающими свойствами, по существу прозрачным акриловым пластиковым листом 64 и торцевыми стенками 42, 44. Лист 64 образует основание осветительного колпака 58 и также служит потолком для растений зоны выращивания 13 в камере 14. Лампы 26 связаны с балластом для ламп 60, расположенным снаружи корпуса 12, как представлено на Фиг.4. Вентиляторы системы вентиляции 62 установлены на передней и задней верхних частях корпуса 12. Обычно двери 46 открыты, чтобы лотки 15 с ростками растения P могли скользить в камеру 14 и из нее.
Как видно из Фиг.3, каждый корпус 12 снабжен комбинированным аналоговым датчиком температуры/влажности 66 и аналоговым датчиком освещенности 68. Датчики 66, 68, обычно расположены в центре на стенке корпуса 12 приблизительно на три дюйма ниже акрилового листа 64. Комбинированный датчик 66 осуществляет мониторинг за температурой воздуха и уровнем влажности в камере 14 и непрерывно передает эти параметры в первый из трех сигнальных интерфейсных модулей 70, 72, 74, связанных с Ethernet соединителем 76 с переключателем сети 16. Модули 70, 72, 74 содержатся в каждой панели управления 19, датчик освещения 68 просто обеспечивает проверку того, включены ли лампы 26 или выключены. Количество включаемых ламп 26 и длительность или продолжительность светового периода определяет оператор для любого желательного условия роста. Датчик освещения 68 не включает или выключает какие-либо лампы 26. Корпус 12 дополнительно снабжен цифровым реле контроля температуры 78, цифровым реле контроля влажности 80, цифровым реле контроля освещения 82 и цифровым реле контроля доставки питательных веществ 84. Все эти реле 78, 80, 82, 84 сообщаются со вторым сигнальным интерфейсным модулем 72 и отвечают согласно датчику 66. Модуль 74 функционирует в качестве микропроцессора и координируется с программным обеспечением регулирующего компьютера. Модуль 74 сравнивает выходной сигнал датчика модуля 70 с желательными точками, заложенными в программном обеспечении, и затем передает соответствующую информацию модулю 72, который, в свою очередь, приводит в действие соответствующие реле 78, 80, 82, 84, чтобы начать или остановить работу конкретного узла для обеспечения желательных условии среды в камере 14.
На Фиг.5 показана система доставки атмосферы 32 для каждого корпуса 12. Система доставки влажности 32 включает резервуар увлажняющего раствора 86, связанный с насосом 88, и клапан сброса давления 90, все из которых расположены снаружи корпуса 12 и камеры 14. Шланг 92, присоединенный к клапану сброса давления 90, проходит внутри камеры 14 и присоединяется посредством соединителя 94 к трубе 96, имеющей ряд обособленных разбрызгивающих сопел 98, распространяющихся в камеру 14 для регулирования в ней влажности.
Фигура 6 представляет систему доставки питательных веществ 34 для каждого корпуса 12. Система доставки питательных веществ 34 включает резервуар с питательным раствором 100, соединенный с насосом 102, и клапан сброса давления 104, все из которых находятся снаружи корпуса 12 в камере 14. Подобно системе доставки влажности 32, шланг 106, присоединенный к клапану сброса давления 104, пролегает внутри камеры 14 и присоединен посредством соединителя 108 к трубе 110, содержащей ряд обособленных разбрызгивающих сопел 112 для доставки питательных веществ в камеру 14.
ДЕТАЛИ СИСТЕМЫ
ЗОНА ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ
Зона выращивания растений 13 (Фиг.2A) имеет высоту приблизительно 2 фута, которая позволяет достаточный рост растения в высоту, в то же время сохраняя минимальное расстояние между лампами 26 и растениями P. Расстояние от ламп 26 до растений P является критически важной особенностью дизайна, чтобы максимизировать количество света, падающего на листья растений. Фундаментальная физика (Закон Бэра) утверждает, что интенсивность света в любой точке, перпендикулярной к источнику света, обратно пропорционально связана с квадратом расстояния от источника света. Таким образом, чтобы максимизировать эффективность освещения системы 24, расстояние между источником света 26 и листьями растения должно быть настолько коротким, насколько возможно, в то же время обеспечивая габариты по высоте, которые бы позволили разместиться растениям P, выращенным в камере 14. Расстояние от ламп 26 до листьев растения в начале периода роста составляет около 20 дюймов. По мере роста растений P расстояние сокращается до около 6 дюймов между лампами 26 и листьями растений.
Потолок зоны выращивания растений 13 является акриловым листом 64, который обладает высоким пропусканием по отношению к видимому свету от источника света 26 в зону выращивания растений 13. Пол 48 зоны выращивания растений 13 является достаточно прочным перфорированным металлом, чтобы удерживать растение и коренящийся материал в контейнерах 15, в то же самое время делая возможным дренаж любого жидкого материала, который может вытекать из контейнеров 15, вмещающих коренящийся материал.
ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ КОЛПАК
Осветительный колпак 58 вмещает флуоресцентные лампы 26, применяемые для предоставления необходимой энергии излучения (света) для процесса фотосинтеза, вовлеченного в преобразование энергии излучения в энергию химических связей растениями P. Флуоресцентные лампы 26 превращают электричество в свет, который может быть поглощен листьями растения и использован в процессе фотосинтеза. Эта эффективность превращения составляет около 20 процентов, что означает, что 20 процентов электричества, используемого флуоресцентными лампами 26, излучается в виде света, а другие 80 процентов излучаются в виде тепла, главным образом, как явная теплота. Таким образом, другой критически важной особенностью дизайна зоны осветительного колпака 58 является то, что высота составляет около 6 дюймов, так что осветительный колпак 58 образует "пленум". Затем через осветительный колпак 58 может быть нагнетен воздух для удаления большей части явной теплоты, испускаемой флуоресцентными лампами 26, вместо того, чтобы пропускать в зону выращивания растений 13 и, таким образом, осложнять регулирование температуры зоны выращивания растений 13.
Пол осветительного колпака 58 является акриловым листом 64, который является потолком зоны выращивания растений. Верхняя стенка, или потолок 36, осветительного колпака 58 является сильно отражающим металлическим материалом. Применение сильно отражающего материала является критически важным, поскольку флуоресцентные лампы 26 излучают свет по всем 360 градусам поверхности флуоресцентной трубки. Поскольку поверхность растущих растений P перпендикулярна флуоресцентным лампам 26, важно, чтобы свет, излучаемый поверхностью лампы, отдаленной от листьев растения, отражался обратно в направлении листьев растения. Чтобы дополнительно увеличить электрическую эффективность системы освещения 24, электронные балласты 60 применяют для питания флуоресцентных ламп 26.
Другой критически важной особенностью дизайна зоны осветительного колпака является применение вентиляторов 62 для движения явной теплоты, излучаемой флуоресцентными лампами 26 путем конвекции. Эта особенность поддерживает лампы 26 при оптимальной температуре воздуха около 110 градусов F. Отвод явной теплоты, излучаемой флуоресцентными лампами 26, является энергетически эффективным, так же, как минимизирование влияния на температуру воздуха зоны выращивания растений 13, поскольку температуру воздуха зоны выращивания растений 13 необходимо поддерживать в диапазоне 65-75 градусов F, в зависимости от стадии развития растения.
Критерий, используемый при выборе флуоресцентной лампы 26, полностью основан на эффективности превращения лампы, как определено в люменах на ватт. Этот фактор является причиной того, почему зона выращивания растений 30 имеет длину по существу 8 футов. Таким образом, полные габариты осветительного колпака составляют 9 футов в длину (8 футов лампы), 4 фута в ширину и 6 дюймов в высоту.
ЗОНА ДРЕНИРОВАНИЯ
Зона дренирования камеры 14 располагается под полом 38 зоны выращивания растений 13 и служит для сбора любой жидкости, вытекающей из зоны выращивания растений 13, позволяя удобно выводить такую жидкость. Сбор и выведение жидкости необходимы для того, чтобы избежать накопления ненужной жидкости и, таким образом, превращения в источник заражений вредными микробами в и вокруг камеры 14.
ОСВЕЩЕНИЕ СИСТЕМЫ
Система освещения 24 состоит из флуоресцентных ламп 26 и балластов 60 для перемещения ламп (Фиг.4). Флуоресцентные лампы 26, применяемые для обеспечения энергией излучения, требуемой процессом фотосинтеза растения, являются T-8, высокопроизводительными (HO, 8 футов в длину). Эти лампы 26 обеспечивают наибольшую эффективность преобразования электричества в видимый свет из всех коммерчески доступных флуоресцентных ламп 26, как выражено термином "люмены на ватт".
Флуоресцентные лампы 26 приводятся в движение электронными балластами 60, способными работать в диапазоне 120-270 вольт переменного тока. Применение электронных балластов 60 дополнительно увеличивает общую эффективность системы освещения 24 для преобразования электричества в видимое излучение (свет). Аналогично, способность балласта 60 функционировать в диапазоне входных напряжений позволяет применять системы освещения 24 в разнообразии окружающих сред. Балласты 60 размещают во вложении, приложенном к одной из внешних стен камеры 14. Это снижает тепловое воздействие, производимое балластами 60 во время их работы на температуру воздуха в зоне выращивания растений 13 камеры 14.
Применение коммерчески доступных флуоресцентных ламп T-8 HO 26 и электронных балластов 60 является очень важным критерием дизайна, который влияет на затраты как исходные, так и затраты на обслуживание камеры для растений 14 и электрические эксплуатационные затраты. Также применение вентиляторов 62 для отвода явной теплоты, излучаемой флуоресцентными лампами 26 в осветительном колпаке 58, значительно сокращает эксплуатационные затраты по сравнению с применением механического охлаждения для отвода явной теплоты. Эти особенности дизайна являются существенными факторами, которые влияют на коммерческую рентабельность использования камер с регулируемыми условиями среды 14 для получения предосновного материала семенного картофеля.
Цикл включения-отключения системы освещения 24 регулируется входными сигналами в компьютер 20, который регулирует условия среды в зоне выращивания растений 13 камеры 14. Регуляция определяет, когда флуоресцентные лампы 26 включены и насколько долго в течение любого 24-часового временного цикла. Также регуляция определяет, включена ли одна треть, две трети или все лампы 26, таким образом, определяя уровень излучаемой энергии (света), падающей на растения P, растущие в камере 14. Способность регулировать количество включенных ламп 26 в любой момент является важным условием для обеспечения правильного уровня или интенсивности света на любой конкретной стадии роста и развития растения.
СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА
Система температуры воздуха 28 основана на использовании коммерчески доступного комнатного кондиционера 30 достаточной BTU емкости, модифицированного таким образом, что температуру воздуха в зоне выращивания растений 13 можно было регулировать в диапазоне 50-86 градусов F (10-30 градусов C). Модификации кондиционера позволяют кондиционеру 30 обеспечивать охлаждение зоны выращивания растений 13 до 50 градусов F, поскольку все коммерчески доступные комнатные кондиционеры конфигурированы с ограничением регуляции температуры воздуха с минимумом 60 градусов F.
Температура воздуха в зоне выращивания растений 13 камеры 14 может быть запрограммирована для обеспечения различного уровня температуры воздуха в течение световых и темных периодов 24-часового цикла. Другая особенность системы температуры воздуха 28 относится к диапазону регуляции, который может быть приспособлен в диапазоне ±1-(+4) градуса F (±0,5 до 2 градусов C). Диапазон регуляции основан на толерантности растений P на различных стадиях развития к определенной температуре воздуха. Важно, чтобы температура воздуха не изменялась внутри зоны роста растений 13, чтобы способствовать равномерному росту и развитию растений.
Никакой опции обогревания не предоставлено по следующим причинам. Когда лампы 26 включены, энергия, излучаемая лампами 26, повышает температуру воздуха в зоне выращивания растений 13 за пределы выбранного контрольного уровня температуры, и поэтому требуется охлаждение для поддержания выбранного контрольного уровня температуры. Когда лампы 26 выключены, или в течение темного периода 24-часового цикла, рост и развитие растения повышаются при поддержании температуры воздуха на более низком уровне, чем в течение светового периода. Этот дневной температурный цикл достигают без применения нагревания для поддержания желательных уровней контрольных температур.
Применение коммерчески доступного комнатного кондиционера 30, модифицированного для регуляции температуры воздуха до 50 градусов F, широкий диапазон регуляции температуры и отсутствие оборудования для обогревания воздуха в зоне выращивания растений 13 значительно снижает исходные затраты и затраты на обслуживание камеры для растения 14 и электрические эксплуатационные затраты. Эти особенности дизайна являются существенными факторами, которые влияют на коммерческую рентабельность применения камер с регулируемыми условиями среды 14 для получения предосновного материала семенного картофеля.
СИСТЕМА АТМОСФЕРНОЙ ВЛАЖНОСТИ
Уровень влажности воздуха в зоне выращивания растений 13 камеры для растений 14, как определено процентом относительной влажности, регулируется при помощи системы атмосферной влажности 32, которая включает ряд разбрызгивающих сопел 28 и насос высокого давления (~80 фунт/кв.дюйм) 88, который приводится в действие при снижении уровня относительной влажности ниже выбранного уровня (Фиг.5). Это обеспечивает водяную пыль деионизированной или дистиллированной воды из резервуара 86 за пределами камеры 14 в зону выращивания 13 камеры 14, которая быстро испаряется, приводя к увеличению процента относительной влажности (увлажнение). Процент относительной влажности регулируют в диапазоне 50-95 процентов ±3 до 5 процентов, в зависимости от стадии развития растения.
Никакие условия не предоставлены для уменьшения процента относительной влажности (осушения) при повышении процента относительной влажности выше определенной контрольной точки. Определенные контрольные точки процента относительной влажности установлены для отражения факта, что растения P нечувствительны к уровням влажности выше определенной контрольной точки, но очень чувствительны к уровням влажности ниже определенной контрольной точки. Эти особенности дизайна снижают затраты исходные, на обслуживание и эксплуатационные без какого-либо отрицательного воздействия на рост и развитие растений P в зоне выращивания 13 камеры 14. Эти особенности дизайна являются существенными факторами, которые имеют важную опору на коммерческую рентабельность применения камер с регулируемыми условиями среды 14 для получения миниклубней картофеля.
СИСТЕМА ДОСТАВКИ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ И ВОДЫ
Система доставки питательных веществ и воды 34 состоит из ряда сопел 112, которые распределяют мелкие листовые брызги на растения P, растущие в камере 14, питательного раствора из резервуара 100, находящегося вне камеры 14, когда насос низкого давления (~30 фунт/кв.дюйм) 102 приводится в действие в соответствии с предписанным расписанием (Фиг.6). Брызги представляют собой определенный питательный раствор, содержащий все важные элементы, требуемые для поддержания роста и развития растения. Расписание действий насоса включает частоту распыления воды и питательного раствора в течение 24-часового периода, так же, как продолжительность распыления в течение любого действия.
Эта система предусматривает как действия автоматического полива, так и удобрения растений P, растущих в камере для растений 14. Таким образом, критической особенностью дизайна системы доставки воды и питательных веществ 34 является число и расположение сопел 112, чтобы убедиться, что все растения P в зоне выращивания 13 камеры 14 получают адекватное количество воды и удобрения в течение периода роста.
Композиция питательного раствора, наряду с частотой и продолжительностью разбрызгивания, изменяется для совпадения с требованиями растений P в течение различных стадий развития, роста в камерах для растений 14 для оптимизации способов выращивания и развития.
СИСТЕМА КОМПЬЮТЕРНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Система компьютерного регулирования 20 осуществляет мониторинг и регистрирует условия среды в зоне выращивания 13 камеры для растений 14 и приводит в действие или останавливает работу компонент, вовлеченных в изменение условий среды камеры (Фиг.1). Желательные условия среды зоны выращивания растений поддерживают на определенных выбранных точках посредством системы компьютерного регулирования 20. Система 20 соединена с выключателем сети 16, который в свою очередь соединена с панелью управления камеры 19 на каждой из камер 14 посредством Ethernet кабелей 18.
Важной и критической частью системы компьютерного регулирования 20 является пакет программ обеспечения, установленного в компьютере, которое содержит инструкции для автононесколько мониторинга, регулирования и регистрирования условий среды в зоне выращивания растений 13 камеры 14. Пакет программ регулирования написан на коммерчески доступном языке программирования LabVIEW (National Instruments, Даллас, Техас, США). Пакет программ конфигурируется с возможностью мониторинга, регулирования и регистрации условий среды многих камер 14 посредством одного компьютера.
Панель управления каждой камеры 21 содержит три Field Point модуля 70, 72, 74 (National Instruments, Даллас, Техас, США), приводимых в действие источником питания постоянного тока низкого напряжения (Фиг.3). Эти три модуля включают интерфейсный модуль Ethernet сети 70 (FP-1601), который функционирует в качестве микропроцессора и служит средством связи между переключателем сети 16 и восьмиканальным аналого-цифровым (A/D) преобразовательным модулем 74 (FP-AI-100), который представляет соединение с аналоговыми датчиками 66, 68, и восьмиканальным цифровым модулем вывода данных (D/O) 72 (FP-DO-400), который представляет соединение с соответствующими твердотельными реле 78, 80, 82, 84 для обеспечения электроэнергией для приведения в действие различных компонент, вовлеченных в поддержание условий среды в зоне выращивания растений 13 камеры 14. Эти три модуля 70, 72, 74 связаны посредством электрических и механических Field Point terminal bases, установленных на рейке DIN.
Электрическая информация, образованная FP-1601 модулем 70, обрабатывается программным обеспечением в компьютере системы 20 для образования базы данных для регистрации: (1) температуры воздуха в зоне выращивания растений 13, (2) процента относительной влажности воздуха в зоне выращивания 13, (3) уровня освещенности непосредственно под акриловым пластиковым потолком 64 зоны выращивания растений 13, (4) индикации включены ли лампы 26 или выключены, (5) индикации включен ли насос питательного раствора 102 или выключен, и (6) индикации включен ли насос увлажнения 88 или выключен, в выбранный момент времени. Временной интервал между регистрацией этих параметров может быть предварительно выбран, начиная с одноминутного до любого желаемого интервала, такого как каждые 10 минут. Таким образом, полученная запись представляет состояние параметров в тот момент времени, когда данные предоставлены программному обеспечению.
Сигналы, образованные FP-DO-400 модулем 72, используют для приведения в действие твердотельных реле 78, 80, 82, 84 для обеспечения электроэнергией для включения либо одной трети, либо двух третей, либо всех флуоресцентных ламп 26, вентиляторов 62 в осветительном колпаке 58, единиц кондиционирования воздуха 30 и насосов 88, 102 в системах доставки влажности и питательных веществ 32, 34 соответственно. Твердотельные реле 78, 80, 82, 84 приводятся в действие сигналом постоянного тока низкого напряжения (~5 Вт), но могут обеспечивать 120 или 240 Вольт переменного тока и до 18 ампер электроэнергии к различным единицам нагрузки.
Применение коммерчески доступной технологии Field Point в качестве части системы компьютерного регулирования 20 сильно снижает отношение шума к сигналу, что является общей и серьезной проблемой во многих компьютерных подходах регуляции. Эта особенность дизайна повышает надежность функций мониторинга и регулирования, столь важных в отношении поддержания желаемых условий среды в зоне выращивания растений 13 камеры 14. Эта особенность Field Point модулей 70, 72, 74 очевидно снижает возможность ошибок регулирования, которые могли бы иметь серьезные отрицательные последствия на выживании растений P в камере 14 и на коммерческой рентабельности системы 10 для получения ценных растительных материалов.
Твердотельный датчик относительной влажности и температуры 66 (Intercap Humidity and Temperature Probe HMP 50, Vaisala Oyj., Хельсинки, Финляндия) расположен в зоне выращивания растений 13 камеры 14. Сигнал постоянного тока, выходящий из этого датчика 66, передает сигнал FP-AI-100 модулю 74 для мониторинга и регулирования процента относительной влажности и температуры воздуха в зоне выращивания 13 камеры 14. Кремниевый фотодиод 68 применяют для мониторинга за уровнем освещенности в зоне выращивания 13 камеры для растений 14, когда лампы 26 включены. Эти датчики 66, 68 расположены в зоне выращивания 13 камеры для растений 14, таким образом, чтобы обеспечить представительную индикацию наблюдаемых и регулируемых условий среды.
СПОСОБЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ РАСТЕНИЙ
Способы культивирования, применяемые при выращивании предосновного материала семенного картофеля, который может быть применен для получения высококачественного, не содержащего болезнетворных микроорганизмов семени для коммерческих производителей картофеля, в научной литературе относят к происхождению из черенков "материнских" растений. Существенным различием между приводимой литературой и описанным является выращивание черенков в камерах с регулируемыми условиями среды 14, а не в оранжерее или здании сортировки. Схематическое описание способа получения больших количеств предосновного материала семенного картофеля с применением способов этого изобретения приведено на Фиг.7.
КУЛЬТИВИРОВАНИЕ "МАТЕРИНСКИХ" РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ
"Материнские" растения картофеля МР получают из ростков тканевых культур, полученных от организаций, которые routinely производят такие ростки различных сортов картофеля. Такие ростки экстенсивно тестировали, чтобы убедиться, что они не содержат болезнетворных микроорганизмов. Ростки тканевых культур выращивают в плоских контейнерах 15 (лотках), содержащих грунт в виде смеси торфа, грубого садового вермикулита и перлита, взятых в соотношении 1:2:1 (по объему). Плоские контейнеры 15 перемещают в камеру с регулируемыми условиями среды 14. Температуру воздуха в зоне выращивания 13 камеры 14 поддерживают при 77 ± 3 градуса F (25 градусов C) в течение светового периода и, таким образом, чтобы она не превышала 68 градусов F (20 градусов C) в течение темного периода. Световой период имеет продолжительность 16 часов, темный периодом имеет продолжительность 8 часов. В течение первой недели уровень освещения составляет одну треть флуоресцентных ламп (низкий уровень освещения), две трети флуоресцентных ламп 26 в течение второй недели (средний уровень освещения), затем все флуоресцентные лампы 26 (полный уровень освещения). Процент относительной влажности воздуха в зоне выращивания растений 13 камеры 14 поддерживают в течение первых пяти дней, таким образом, чтобы не понизить ниже 80 процентов. После пятидневного периода процент относительной влажности поддерживают, таким образом, чтобы не понизить ниже 60 процентов и в течение световых и в течение темных периодов.
3
2
2
3
4
2
2
4
2
4
3
3
2
2
4
2
4
2
3
2
3
2
4
Листовые подкормки питательным раствором применяют с шестичасовым интервалом в течение светового периода и однократно в течение темного периода. Подкормки имеют продолжительность 20 секунд. Питательный раствор имеет следующую композицию: Ca(NO)•4HO - 590 мг; KNO - 253 мг; MgSO•7HO - 246 мг; KHPO - 136 мг; KSO - 68 мг; HBO - 1,4 мг; MnCl•4HO - 1,0 мг; CuSO•5HO - 0,04 мг; ZnSO•7HO - 0,1 мг; MoO - 0,008 мг; хелата железа (14% FeO) - 50 мг в литре дистиллированной воды, доведенный до pH 5,5 посредством 0,05 Н HSO.
Эта программа культивирования растений способствует и стимулирует рост стебля "материнских" растений MP скорее, чем клубнеобразование. Приблизительно через 4 недели "материнские" растения MP будут иметь стебли длиной 20-30 см. Эти стебли при помощи стерильных режущих инструментов делят на черенки 114 приблизительно длиной 5 см, каждый черенок 114 имеет по меньшей мере один узел. После удаления стеблей материнские растения продолжают культивировать в регулируемых условиях среды так, чтобы можно было получить повторные "урожай" черенков 114 из тех же самых "материнских" растений MP, поскольку условия среды, особенно продолжительность светового периода, поддерживают растения P в вегетативном состоянии скорее, чем состоянии образования клубней. Таким образом, множество черенков 114 может быть получено из минимального количества ростков тканевой культуры, приводя к значительному сокращению эксплуатационных затрат.
КУЛЬТИВИРОВАНИЕ КУСОЧКОВ СТЕБЛЕЙ (ЧЕРЕНКОВ) ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЕМЕННОГО КАРТОФЕЛЯ
2
4
В качестве черенков 114 от «материнских» растений MP берут нижнюю часть стеблей, которую погружают на 15 минут в раствор, стимулирующий развитие придаточных корней. Композиция этого раствора, стимулирующего рост корней, содержит: 20 м.д. (миллионных долей) индол-3-масляной кислоты (IBA), 380 м.д. 1-нафталенуксусной кислоты (NAA), 400 м.д. тиамина гидрохлорида (B-1) и 1000 м.д. KHPO. Черенки 114 затем высаживают, используя стерильные инструменты, в лотки 15, наполненные торфяным материалом для укоренения, грубым садовым вермикулитом и перлитом (1/2/1 части по объему). Черенки 114 располагают на расстоянии 2 дюйма (5 см) друг от друга в лотках.
Лотки 15 с черенками 114 помещают в камеры с регулируемыми условиями среды 14. Температура воздуха в зоне выращивания растений 13 камер 14 регулируют, чтобы поддерживать 68±4 градуса F (20 градусов C) в течение светового периода и так, чтобы она не превышала 68 градусов F (20 градусов C) в течение темного периода. Световый период имеет продолжительность 12 часов и темный период - 12 часов. В течение первой недели уровень освещения составляет одну треть флуоресцентных ламп (низкий уровень освещения), две трети флуоресцентных ламп 26 в течение второй недели (средний уровень освещения). В конце второй недели уровень освещения увеличивают до всех флуоресцентных ламп 26 (полный уровень освещения). Процент относительной влажности воздуха в зоне выращивания растений 13 камеры 14 поддерживают в течение первых пяти дней, таким образом, чтобы не понизить ниже 80 процентов. В течение следующих пяти дней процент относительной влажности поддерживают, таким образом, чтобы не понизить ниже 70 процентов и в течение световых и в течение темных периодов.
3
2
2
3
4
2
2
4
2
4
3
3
2
2
4
2
4
2
3
2
3
2
4
Листовые подкормки питательным раствором применяют с шестичасовым интервалом в течение светового периода и однократно в течение темного периода. Подкормки имеют продолжительность 20 секунд. Питательный раствор имеет следующую композицию: Ca(NO)•4HO - 590 мг; KNO - 253 мг; MgSO•7HO - 246 мг; KHPO - 150 мг; KSO - 68 мг; HBO - 1,4 мг; MnCl•4HO - 1,0 мг; CuSO•5HO - 0,04 мг; ZnSO•7HO - 0,1 мг; MoO - 0,008 мг; хелата железа (14% FeO) - 50 мг в литре дистиллированной воды, доведенный до pH 5,5 посредством 0,1 Н HSO.
В конце трехнедельного периода выращивания и в течение следующих пяти недель температуру воздуха в зоне выращивания растений 13 камеры 14 поддерживают на 68±3 градуса F (20 градусов C) в течение светового периода и 50±3 градуса F (10 градусов C) в течение темного периода. Уровень освещения обеспечивается всеми флуоресцентными лампами 26. Продолжительность светового периода составляет 12 часов, и темного периода составляет 12 часов.
Листовая подкормка водной смесью 15 м.д. анцимидола и 10 м.д. кинетина делают в течение третьей недели и четвертой недели для усиления инициирования клубнеобразования и развития клубней 116. Клубни 116 собирают после семи-восьминедельного периода выращивания.
Следует отметить, что описанные здесь конкретные варианты способа культивирования предоставлены в качестве примера и могут быть модифицированы для различных сортов картофеля для оптимизации количества и размера клубней, собираемых в конце периода выращивания. Эти модификации, прежде всего, будут относиться к частоте и продолжительности листового нанесения воды и питательного раствора и к композиции водного раствора для листового нанесения, применяемого для усиления клубнеобразования.
Через 50-60 дней от начала цикла роста, в зависимости от конкретного сорта картофеля, клубни 116 собирают и помещают для хранения в условиях, требуемых для выведения клубней из состояния покоя и образования глазков перед высаживанием в поле. Продолжительность и условия хранения варьируют в зависимости от сорта картофеля.
Клубни 116, полученные в камерах с регулируемыми условиями среды 14, последовательно высаживают в поле 118 для исходного размножения. За продукционными полями тщательно наблюдают и обрабатывают, как требуется для борьбы против болезней и заражения насекомыми этих полей. Специфические регулируемые обработки зависят от географического расположения поля и природы заражения насекомыми или болезнями. Клубни 116, собираемые с этих полевых посадок, называют запасами семенного картофеля "FG-1" и, например, могут быть сравнимы с "Элитным Фондом Семени", получаемым в программе Wisconsin Seed Potato Certification. FG-1 клубни 116 высаживают в поле 118 для получения достаточного количества клубней 116, которые могут быть проданы в качестве материала семенного запаса производителям картофеля. Клубни 116, собираемые со второго полевого размножения, называют запасами семенного картофеля "FG-2". FG-2 клубни 116 сопоставимы по качеству с традиционным семенным фондом, доступным семеноводам, но будут маркированы как "сертифицированное семя".
Критической важностью в отношении эффективности способа, сформулированного выше, обладает способность системы 10 непрерывно осуществлять мониторинг и регистрировать температуру, влажность и присутствие света в каждой камере 14 посредством датчиков 66, 68, и затем реактивно и непрерывно регулировать реле освещения, температуры, доставки влажности и питательных веществ 78, 80, 82, 84 и связанные с ними системы 24, 28, 32, 34 в зависимости от конкретного сорта картофеля.
В то время как изобретение было описано со ссылкой на предпочтительный вариант осуществления, специалисты в области техники оценят, что определенные замены, изменения и опущения могут быть сделаны, не отступая от его сущности. Соответственно, предшествующее описание предназначается только для иллюстрации, но не ограничения объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле.