eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #5/2023
Д. В. Былков, Д. А. Полторацкий, В. С. Солдаткин, А. О. Лазарева, А. П. Шкарупо, Е. С. Щепеткин
СРАВНЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА РОСТ И УРОЖАЙНОСТЬ НА ПРИМЕРЕ ОГУРЦОВ СОРТА МЕВА F1
СРАВНЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЛУЧАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА РОСТ И УРОЖАЙНОСТЬ НА ПРИМЕРЕ ОГУРЦОВ СОРТА МЕВА F1
Просмотры: 1244
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.5.408.418
Представлены результаты сравнительного анализа влияния отических характеристик облучательных приборов разной конструкции на рост и урожайность растений (огурцов сорта Мева F1). Оптимизирована конструкция светодиодных светильников и построена светотехническая модель для создания лабораторного стенда для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений в условиях закрытого грунта. Изготовлены экспериментальные образцы облучательных приборов на основе светодиодов, которые обеспечивает продуктивность растений при меньшем росте стебля.
Представлены результаты сравнительного анализа влияния отических характеристик облучательных приборов разной конструкции на рост и урожайность растений (огурцов сорта Мева F1). Оптимизирована конструкция светодиодных светильников и построена светотехническая модель для создания лабораторного стенда для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений в условиях закрытого грунта. Изготовлены экспериментальные образцы облучательных приборов на основе светодиодов, которые обеспечивает продуктивность растений при меньшем росте стебля.
Теги: greenhouses high-pressure sodium arc lamp (hps) leds mewa f1 cucumbers photosynthesis photosynthetic exposure yield дназ огурец «мева f1» светодиоды теплицы урожайность фотосинтез фотосинтетическая облученность
Сравнение влияния облучательных приборов на рост и урожайность на примере огурцов сорта Мева F1
Д. В. Былков1, Д. А. Полторацкий1, В. С. Солдаткин2, А. О. Лазарева2, А. П. Шкарупо2, Е. С. Щепеткин3
АО «Физтех-Энерго», г. Томск, Россия
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия
ООО «КДВ Яшкинские Теплицы», р-н Яшкинский, с. Поломошное, Кемеровская область – Кузбасс, Россия
Представлены результаты сравнительного анализа влияния отических характеристик облучательных приборов разной конструкции на рост и урожайность растений (огурцов сорта Мева F1). Оптимизирована конструкция светодиодных светильников и построена светотехническая модель для создания лабораторного стенда для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений в условиях закрытого грунта. Изготовлены экспериментальные образцы облучательных приборов на основе светодиодов, которые обеспечивает продуктивность растений при меньшем росте стебля.
Ключевые слова: фотосинтез, светодиоды, ДНаЗ, фотосинтетическая облученность, огурец «Мева F1», теплицы, урожайность
Статья получена:19.03.2023
Статья принята:07.07.2023
Введение
Согласно Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации [1], уровень самообеспечения овощами в стране должен составлять не менее 90%. Производство тепличных огурцов на территории Российской Федерации составило 885,7 тыс. тонн, уровень самообеспечения – 95% [2]. Общая площадь теплиц, эксплуатируемых в зимний период в стране, составляет 3 298 га, для обеспечения рентабельности урожайность должна составлять в среднем 50 кг с одного квадратного метра, площадь – не менее пяти гектар [3]. Энергопотребление одного гектара теплицы складывается из потребления одного мегаватта электроэнергии и двух мегаватт тепловой энергии, преобладающая часть электроэнергии затрачивается на досвечивание растений. Энергозатраты составляют до 60% в себестоимости тепличных овощей [4]. Согласно данным GreenTalk.ru, крупнейшими тепличными хозяйствами России по площади теплиц в гектарах в 2020 году являлись: АО «Агрокомбинат «Южный» – 144 га, ООО «Агро-Инвест» – 105 га, ООО «ТК «Зеленая линия» – 83 га. В тепличных хозяйствах, эксплуатируемых в зимний период, для досвечивания растений применяются натриевые лампы (ДНаТ) или натриевые зеркальные лампы (ДНаЗ), например, лампа ДНаЗ Рефлакс, преимущественно с мощностями от 600 Вт до 1 000 Вт. ДНаЗ Рефлакс 600W имеет световой поток до 90 000 лм, срок службы – до 25 000 часов, предназначена для освещения до 6,5 м2 площади теплицы [5].
Современные достижения в полупроводниковой светотехнике позволяют создавать облучательные приборы для выращивания растений с более высокой энергоэффективностью. Именно за счет светодиодов можно конструировать облучательные приборы с высоткой квантовой эффективностью, более 2 мкмоль/Дж и сроком службы порядка 80 000 часов в нормальных климатических условиях: температура окружающего воздуха (20 ± 10) °C, относительная влажность воздуха (от 45 до 80) %, атмосферное давление (от 630 до 800) мм рт. ст. Рабочие характеристики облучательных приборов оказывают прямое влияние на рост, урожайность и другие потребительские качества продуктов, кроме потребительских качеств эффективность, и срок службы облучательных приборов напрямую влияет на себестоимость продукции. Эти данные показывают, что исследования и разработки полупроводниковых облучательных приборов для выращивания растений актуальны.
Целью работы является разработка облучательного прибора с квантовой эффективностью и сроком службы, превышающими ДНаЗ.
Для достижения поставленной цели следует решить следующие задачи:
провести анализ современной научно-технической литературы;
изготовить экспериментальные образцы облучательных приборов на основе светодиодов;
провести исследования экспериментальных образцов облучательных приборов на основе светодиодов в сравнении с ДНаЗ по урожайности и изменению фотосинтетических характеристик в процессе эксплуатации.
Теоретическая часть
Свет, наряду с поливом и газовым составом воздуха, играет ключевую роль в физиологии растений. Фотосинтез – это процесс, при котором в клетках растений, содержащих хлорофилл, под действием энергии облучения в области оптического спектра 350–800 нм образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза [6]. Ультрафиолетовое излучение (УФ) относится к бактерицидному и применяется для обеззараживания воздуха, поверхностей и воды [7]. Известно, что УФ-излучение разных диапазонов (УФ-А 315–400 нм, УФ-B 280–315 нм и УФ-C 100–280 нм) оказывает разное воздействие на растения. Диапазон 210–300 нм УФ-излучения соотетствует естественному воздействию природных источников на процесс выращивания растений. Именно УФ-излучение вызывает у растений биосинтез вторичных метаболитов, таких как флавоноиды. Флавоноиды усиливают вкус, питательность и урожайность растений [8]. Инфракрасное излучение так же оказывает естественное природное воздействие на рост и развитие растений, особо отмечается значимость излучения на границе красного и инфракрасного излучения на длинах волн 750–800 нм [9]. Воздействие на растения оптического излучения в синей области оптического спектра 430–500 нм укрепляет корневую систему и стебель, излучение в красной области оптического спектра 620–760 нм стимулирует рост растения, а излучение в желто-зеленой области оптического спектра 500–620 нм играет регуляторную роль в процессе вегетации растений, а также способствует увеличению эффективности фотосинтеза за счет высокой проникающей способности, благодаря чему нижние слои кроны растений тоже получают оптическую энергию [10–13].
Методология эксперимента
Разработаны два типа светодиодных облучателей для растений (табл. 1), разработан светотехнический проект лабораторного стенда для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений в условиях закрытого грунта. Образцы растений – огурец «Мева F1» –предоставлены ООО «КДВ Яшкинские Теплицы». Огурцы «Мева F1» являются одними из самых распространенных культур огурца, выращиваемых в круглогодичных теплицах. Этот гибрид выведен в Голландии. Сортотип: среднеплодный гладкий. Выращивание рекомендуется для первой и третьей световых зон. Сорт относится к поздним разновидностям, поскольку первые плоды достигают полного созревания спустя 50–55 суток. Кожура зеленцев блестит и обладает темно-зеленым цветом со средней бугорчатостью и белым опушением, плоды цилиндрической формы. Мякоть плодов Мевы F1 упругая, хрустящая, сладкая и сочная. Масса одного огурца в среднем 182–209 г, размер достигает в среднем 17–20 см в начале вегетации, 20–24 см в конце вегетации и вырастают до 40 мм в диаметре. Огурцы Мева F1 отличаются крепким иммунитетом, поскольку обладают стойкостью к мучнистой росе, корневой и серой гнилям, а также к фузариозу. Обладают высокой регенеративной способностью [14–16].
Создан лабораторный стенд для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений в условиях закрытого грунта, обеспечивающий нормальные климатические условия в процессе проведения исследований: температура окружающей среды 25 ± 3 °C, относительная влажность воздуха 45–80 %, атмосферное давление 630–800 мм рт. ст., средний уровень облученности во всех экспериментах составлял 101 мкмоль · с/м2, Режим работы светильников 12 часов включен с 8:00 до 20:00, 12 часов выключены с 20:00 до 8:00, естественное освещение отсутствует, полив ежедневный. В процессе проведения исследований ежедневно осуществлялся контроль температуры и влажности в лабораторном стенде с помощью прибора «ТКА-ПМ». Осуществлялся контроль количества плодов, размеров плодов, высоты стебля и размера листьев. Размеры плодов и листьев измерялись с помощью штангенциркуля. Измерения спектров излучения и фотосинтетической облученности осуществлялись с помощью спектрометра UPRtek PG200N.
Конструкция светодиодных облучателей Diora Unit Agro и Diora Quadro Agro запатентована (пат. № 209987 U1 от 24.03.2022 г. «Светодиодный облучатель для растений» АО «Физтех-Энерго»).
Светодиодный облучатель состоит из алюминиевой светодиодной платы квадратной формы, 195 × 195 мм, толщина платы – 3 мм. Облучатель не имеет как такового радиатора, в качестве радиатора выступает сама светодиодная плата, так как она имеет достаточную площадь и толщину для эффективного отвода тепла. В облучателе используются два вида светодиодов, это красные светодиоды с пиком излучения 660 нм и белые светодиоды с коррелированной цветовой температурой 5 000 К. На плату установлена групповая линза из поликарбоната для формирования диаграммы направленности излучения. К верхней части платы крепится рама, на которой установлен кронштейн с крепежными элементами и драйвер питания светодиодов.
Лабораторный стенд содержит три отсека, в котором попарно размещены светильники: ДНаЗ 250 Вт, Diora Unit Agro и Diora Quadro Agro. Габаритные размеры отсеков ДхШхВ: 1 × 0,7 × 2,6 м. Стенки отсеков имеют белую матовую поверхность. В каждом отсеке размещены по два саженца огурцов. Мощность облучателей настраивалась таким образом, чтобы уровень облученности составлял в среднем 100 мкмоль ∙ с/м2.
С помощью светотехнической программы «DiaLux 4.13» был произведен светотехнический расчет необходимого уровня облученности. По результатам расчета были выбраны облучатели с фотометрическими параметрами, представленными в табл. 1 для достижения необходимого уровня облученности.
Были произведены фотометрические измерения выбранных облучателей и получены значения их светового потока, затем значения светового потока были пересчитаны из световых величин в энергетические для вычисления потока ФАР, а также значения уровня облученности, которые были пересчитаны из значений освещенности, полученных в результате светового расчета в программе DiaLux. Перевод осуществляли в программе Matchad 14 по формуле 1:
, (1)
где FФАР – фотосинтетический поток фотонов, мкмоль/с;
Еλ – спектральная плотность распределения энергии излучения прибора, Дж/нм;
λ – длина волны, нм;
h – постоянная Планка;
с – скорость света;
NA – число Авогадро.
Расчет квантовой эффективности излучателей в области ФАР производился по формуле 2:
[18], (2)
где ηф – эффектитность прибора в области ФАР, мкмоль/Дж;
FФАР – фотосинтетический поток фотонов, мкмоль/с;
Р – потребляемая прибором мощность, Вт.
Также из табл. 1 видно, что относительно ДНаЗ 250 Вт, светодиодные светильники меньше потребляют электроэнергию: Diora Unit Agro на 69,33%, Diora Quadro Agro на 57,16%.
Обсуждение результатов эксперимента
На рис. 3–5 приведены образцы огурцов в стендах с облучателями. На рис. 6 приведена фотография типовых огурцов, выросших в процессе исследований. В табл. 2 приведено количество собранных плодов огурцов и высота стеблей образцов. На рисунке 7–9 приведены спектры излучения облучателей.
Спектральный состав излучения облучателей отличаются друг от друга. Спектральный состав излучения ДНаЗ в большей степени составляет длинноволновая область оптического диапазона 570–630 нм. Другими словами, ДНаЗ излучает кванты света в красной области видимого спектра. Облучатель Diora Unit Agro имеет пики излучения в синей (450 нм) и красной (660 нм) области, при этом красный участок спектра примерно в 10 раз более интенсивный. Облучатель Diora Quadro Agro также имеет пик в красной (450 нм) и синей (660 нм) областях примерно в одинаковых пропорциях, но с добавлением сплошного спектра в зеленой области от 480 до 620 нм. Таким образом, имея разные спектральные характеристики облучателей, можно выявить наиболее эффективный для фотосинтеза спектральный состав.
Измерение спектральных характеристик излучения проводилось через 200–400 часов, чтобы отследить изменение спектрального состава в процессе эксплуатации.
По результатам исследований установлено, что больше всего плодов (5 шт.) было получено под излучением облучателя Diora Quadro Agro. Под излучением Diora Unit Agro и ДНаЗ 250 Вт было получено равное количество плодов, по 4 шт. в каждом отсеке. Также было установлено, что под излучением Diora Quadro Agro, несмотря на больший урожай, средняя длина стеблей оказалась огурца Мева F1 оказалась на 93 см меньше.
При исследовании деградации фотометрических характеристик облучателей было установлено, что за 1 000 часов спектральный состав всех, применяемых в эксперименте облучателей, не изменился.
Заключение
Проведен анализ современной научно-технической литературы, подобраны спектры излучения светодиодных облучателей, и построена светотехническая модель для создания лабораторного стенда для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений в условиях закрытого грунта на примере огурцов сорта Мева F1. Изготовлены экспериментальные образцы облучательных приборов на основе светодиодов. Проведены исследования экспериментальных образцов облучательных приборов на основе светодиодов в сравнении с ДНаЗ по исследованию урожайности и изменению фотосинтетических характеристик в процессе эксплуатации. Установлено, что спектры излучения, в преимущественной степени в красной области, ускорили рост и производительность растений. Спектр излучения Diora Quadro Agro обеспечивает продуктивность растений при меньшем росте стебля растений. Установлено, что в ходе исследований спектры излучения облучательных приборов и их фотосинтетический поток существенно не изменились, и что дальнейшее исследование деградации облучателей требует более углубленного изучения с большим временем эксплуатации. Наиболее подходящими для выращивания растений огурца «Мева F1» являются облучатели Diora Quadro Agro.
Список литературы:
Official website of the Security Council of the Russian Federation. URL: http://www.scrf.gov.ru/security/economic/document108.
Official website of the Information and analytical agency “Institute of Agricultural Market Studies”. URL: http://ikar.ru/lenta/754.html.
Official website of the “Greenhouse industry of Russia – 2022”. URL: https://www.apk-news.ru/teplichnaya-otrasl-rossii‑2022-3.
Gnezdova O. E., Chugunkova E. S. Energoobespechenie teplichnyh hozyajstv s generaciej elektricheskoj i teplovoj energii i vyrabotkoj CO2. Silovoe i energeticheskoe oborudovanie. Avtonomnye sistemy. 2019; 2(3):141–151.
Гнездова О. Е., Чугункова Е. С. Энергообеспечение тепличных хозяйств с генерацией электрической и тепловой энергии и выработкой CO2. Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. 2019; 2(3):141–151. https://doi.org/10.32464/2618-8716-2019-2-3-141-151.
Official website of the LLC “MOST Production” URL: https://reflaks.ru/catalog/natrievye-zerkalnye-lampy-dnaz.html.
McCree K. J. The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants. Agricultural Meteorology. 1972; 9:191–216. https://doi.org/10.1016/0002-1571(71)90022-7.
Soldatkin V., Yuldashova L., Shardina A., Shkarupo A., Mikhalchenko T. Device for water disinfection by ultraviolet radiation. Proceedings – 2020 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects. EFRE 2020. 2020; 9242002:870–873. https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9242002.
Höll J., Lindner S., Walter H., Joshi D. et al. Impact of pulsed UV-B stress exposure on plant performance: How recovery periods stimulate secondary metabolism while reducing adaptive growth attenuation. Plant Cell Environ. 2019; 42(3):801–814. https://doi.org/doi: 10.1111/pce.13409.
Pattison P. M., Tsao J. Y., Brainard G. C., Bugbee B. LEDs for photons, physiology and food. Nature. 2018; 563(7732):493–500. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0706‑x.
Park SW, Kwack Y, Chun C. Growth and propagation rate of strawberry transplants produced in a plant factory with artificial lighting as affected by separation time from stock plants. Hort Environ Biotechnol. 2018; 59:199–204. https://doi.org/10.1007/s13580-018-0027‑x
Meng X, Wang Z, He S, Shi L, Song Y, Lou X, He D. LED-supplied red and blue light alters the growth, antioxidant status, and photochemical potential of in vitro-grown Gerbera jamesonii plantlets. Hort Sci Technol. 2019; 37:473–489. https://doi.org/10.7235/HORT.20190048
Park SW, Kim SK, Kwack Y, Chun C. Simulation of the number of strawberry transplants produced by an autotrophic transplant production method in a plant factory with artificial lighting. Horticulturae. 2020; 6:63. https://doi.org/10.3390/horticulturae6040063
Lee, H., Park, S.W., Cui, M. et al. Improvement of strawberry transplant production efficiency by supplementary blue light in a plant factory using white LEDs. Hortic. Environ. Biotechnol. 2023; https://doi.org/10.1007/s13580-022-00493-9
Korol V. G., Borisov V. U. Terms of cultivation for bee-pollinated cucumber karambol F1 in winter glass greenhouses. Vegetable crops of Russia. 2017; (3):49–51. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2017-3-49-51.
Khalifa S. A. M., Elshafiey E. H., Shetaia A. A., El-Wahed A. A. A., Algethami A. F., Musharraf S. G. et al. Overview of Bee Pollination and Its Economic Value for Crop Production. Insects. 2021; 12(8):688. https://doi.org/10.3390/insects12080688.
Korol V. G. Recommended cucumber hybrids for growing in greenhouses under conditions artificial lighting. Vegetable crops of Russia. 2021; (5):32–38. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2021-5-32-38.
Boos G. V., Prikupec L. B. Standartizaciya svetotekhnicheskih priborov i ustanovok dlya teplic. – OOO «VNISI»: Svetotekhnika. 2017.
Боос Г. В., Прикупец Л. Б. Стандартизация светотехнических приборов и установок для теплиц.- ООО «ВНИСИ»: Светотехника. 2017.
GOST R 57671-2017. Pribory obluchatel’nye so svetodiodnymi istochnikami sveta dlya teplic. Obshchie tekhnicheskie usloviya. – M.: Standartinform. 2017.
ГОСТ Р 57671-2017. Приборы облучательные со светодиодными источниками света для теплиц. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ. 2017.
АВТОРЫ
Былков Денис Васильевич, инж.-светотехник АО «Физтех-Энерго». Разработал светотехнический проект лабораторного стенда для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений, разработал эскизную конструкторскую документацию на светодиодные облучатели Diora Unit Agro и Diora Quadro Agro.
Полторацкий Дмитрий Алексеевич, техн. дир. АО «Физтех-Энерго». Разработал эскизную конструкторскую документацию на светодиодные облучатели Diora Unit Agro и Diora Quadro Agro., организовал проведение исследований влияния оптических параметров облучательных приборов на рост и урожайность растений.
Солдаткин Василий Сергеевич, к. т. н., доц. кафедры радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Изготовил лабораторный стенд для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений, обеспечил режимы проведения исследований влияния оптических параметров облучательных приборов на рост и урожайность растений.
Лазарева Алена Олеговна, инж. кафедры радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Провела исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений.
Шкарупо Анастасия Петровна, ст. преп. кафедры радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Провела исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений.
Щепеткин Егор Сергеевич, гл. энергетик ООО «КДВ Яшкинские Теплицы» осуществлял выбор сорта культуры огурца и осуществил технологическое сопровождение в процессе эксперимента в части разработки методик ухода и приготовления раствора для полива растений.
Д. В. Былков1, Д. А. Полторацкий1, В. С. Солдаткин2, А. О. Лазарева2, А. П. Шкарупо2, Е. С. Щепеткин3
АО «Физтех-Энерго», г. Томск, Россия
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. Томск, Россия
ООО «КДВ Яшкинские Теплицы», р-н Яшкинский, с. Поломошное, Кемеровская область – Кузбасс, Россия
Представлены результаты сравнительного анализа влияния отических характеристик облучательных приборов разной конструкции на рост и урожайность растений (огурцов сорта Мева F1). Оптимизирована конструкция светодиодных светильников и построена светотехническая модель для создания лабораторного стенда для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений в условиях закрытого грунта. Изготовлены экспериментальные образцы облучательных приборов на основе светодиодов, которые обеспечивает продуктивность растений при меньшем росте стебля.
Ключевые слова: фотосинтез, светодиоды, ДНаЗ, фотосинтетическая облученность, огурец «Мева F1», теплицы, урожайность
Статья получена:19.03.2023
Статья принята:07.07.2023
Введение
Согласно Доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации [1], уровень самообеспечения овощами в стране должен составлять не менее 90%. Производство тепличных огурцов на территории Российской Федерации составило 885,7 тыс. тонн, уровень самообеспечения – 95% [2]. Общая площадь теплиц, эксплуатируемых в зимний период в стране, составляет 3 298 га, для обеспечения рентабельности урожайность должна составлять в среднем 50 кг с одного квадратного метра, площадь – не менее пяти гектар [3]. Энергопотребление одного гектара теплицы складывается из потребления одного мегаватта электроэнергии и двух мегаватт тепловой энергии, преобладающая часть электроэнергии затрачивается на досвечивание растений. Энергозатраты составляют до 60% в себестоимости тепличных овощей [4]. Согласно данным GreenTalk.ru, крупнейшими тепличными хозяйствами России по площади теплиц в гектарах в 2020 году являлись: АО «Агрокомбинат «Южный» – 144 га, ООО «Агро-Инвест» – 105 га, ООО «ТК «Зеленая линия» – 83 га. В тепличных хозяйствах, эксплуатируемых в зимний период, для досвечивания растений применяются натриевые лампы (ДНаТ) или натриевые зеркальные лампы (ДНаЗ), например, лампа ДНаЗ Рефлакс, преимущественно с мощностями от 600 Вт до 1 000 Вт. ДНаЗ Рефлакс 600W имеет световой поток до 90 000 лм, срок службы – до 25 000 часов, предназначена для освещения до 6,5 м2 площади теплицы [5].
Современные достижения в полупроводниковой светотехнике позволяют создавать облучательные приборы для выращивания растений с более высокой энергоэффективностью. Именно за счет светодиодов можно конструировать облучательные приборы с высоткой квантовой эффективностью, более 2 мкмоль/Дж и сроком службы порядка 80 000 часов в нормальных климатических условиях: температура окружающего воздуха (20 ± 10) °C, относительная влажность воздуха (от 45 до 80) %, атмосферное давление (от 630 до 800) мм рт. ст. Рабочие характеристики облучательных приборов оказывают прямое влияние на рост, урожайность и другие потребительские качества продуктов, кроме потребительских качеств эффективность, и срок службы облучательных приборов напрямую влияет на себестоимость продукции. Эти данные показывают, что исследования и разработки полупроводниковых облучательных приборов для выращивания растений актуальны.
Целью работы является разработка облучательного прибора с квантовой эффективностью и сроком службы, превышающими ДНаЗ.
Для достижения поставленной цели следует решить следующие задачи:
провести анализ современной научно-технической литературы;
изготовить экспериментальные образцы облучательных приборов на основе светодиодов;
провести исследования экспериментальных образцов облучательных приборов на основе светодиодов в сравнении с ДНаЗ по урожайности и изменению фотосинтетических характеристик в процессе эксплуатации.
Теоретическая часть
Свет, наряду с поливом и газовым составом воздуха, играет ключевую роль в физиологии растений. Фотосинтез – это процесс, при котором в клетках растений, содержащих хлорофилл, под действием энергии облучения в области оптического спектра 350–800 нм образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза [6]. Ультрафиолетовое излучение (УФ) относится к бактерицидному и применяется для обеззараживания воздуха, поверхностей и воды [7]. Известно, что УФ-излучение разных диапазонов (УФ-А 315–400 нм, УФ-B 280–315 нм и УФ-C 100–280 нм) оказывает разное воздействие на растения. Диапазон 210–300 нм УФ-излучения соотетствует естественному воздействию природных источников на процесс выращивания растений. Именно УФ-излучение вызывает у растений биосинтез вторичных метаболитов, таких как флавоноиды. Флавоноиды усиливают вкус, питательность и урожайность растений [8]. Инфракрасное излучение так же оказывает естественное природное воздействие на рост и развитие растений, особо отмечается значимость излучения на границе красного и инфракрасного излучения на длинах волн 750–800 нм [9]. Воздействие на растения оптического излучения в синей области оптического спектра 430–500 нм укрепляет корневую систему и стебель, излучение в красной области оптического спектра 620–760 нм стимулирует рост растения, а излучение в желто-зеленой области оптического спектра 500–620 нм играет регуляторную роль в процессе вегетации растений, а также способствует увеличению эффективности фотосинтеза за счет высокой проникающей способности, благодаря чему нижние слои кроны растений тоже получают оптическую энергию [10–13].
Методология эксперимента
Разработаны два типа светодиодных облучателей для растений (табл. 1), разработан светотехнический проект лабораторного стенда для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений в условиях закрытого грунта. Образцы растений – огурец «Мева F1» –предоставлены ООО «КДВ Яшкинские Теплицы». Огурцы «Мева F1» являются одними из самых распространенных культур огурца, выращиваемых в круглогодичных теплицах. Этот гибрид выведен в Голландии. Сортотип: среднеплодный гладкий. Выращивание рекомендуется для первой и третьей световых зон. Сорт относится к поздним разновидностям, поскольку первые плоды достигают полного созревания спустя 50–55 суток. Кожура зеленцев блестит и обладает темно-зеленым цветом со средней бугорчатостью и белым опушением, плоды цилиндрической формы. Мякоть плодов Мевы F1 упругая, хрустящая, сладкая и сочная. Масса одного огурца в среднем 182–209 г, размер достигает в среднем 17–20 см в начале вегетации, 20–24 см в конце вегетации и вырастают до 40 мм в диаметре. Огурцы Мева F1 отличаются крепким иммунитетом, поскольку обладают стойкостью к мучнистой росе, корневой и серой гнилям, а также к фузариозу. Обладают высокой регенеративной способностью [14–16].
Создан лабораторный стенд для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений в условиях закрытого грунта, обеспечивающий нормальные климатические условия в процессе проведения исследований: температура окружающей среды 25 ± 3 °C, относительная влажность воздуха 45–80 %, атмосферное давление 630–800 мм рт. ст., средний уровень облученности во всех экспериментах составлял 101 мкмоль · с/м2, Режим работы светильников 12 часов включен с 8:00 до 20:00, 12 часов выключены с 20:00 до 8:00, естественное освещение отсутствует, полив ежедневный. В процессе проведения исследований ежедневно осуществлялся контроль температуры и влажности в лабораторном стенде с помощью прибора «ТКА-ПМ». Осуществлялся контроль количества плодов, размеров плодов, высоты стебля и размера листьев. Размеры плодов и листьев измерялись с помощью штангенциркуля. Измерения спектров излучения и фотосинтетической облученности осуществлялись с помощью спектрометра UPRtek PG200N.
Конструкция светодиодных облучателей Diora Unit Agro и Diora Quadro Agro запатентована (пат. № 209987 U1 от 24.03.2022 г. «Светодиодный облучатель для растений» АО «Физтех-Энерго»).
Светодиодный облучатель состоит из алюминиевой светодиодной платы квадратной формы, 195 × 195 мм, толщина платы – 3 мм. Облучатель не имеет как такового радиатора, в качестве радиатора выступает сама светодиодная плата, так как она имеет достаточную площадь и толщину для эффективного отвода тепла. В облучателе используются два вида светодиодов, это красные светодиоды с пиком излучения 660 нм и белые светодиоды с коррелированной цветовой температурой 5 000 К. На плату установлена групповая линза из поликарбоната для формирования диаграммы направленности излучения. К верхней части платы крепится рама, на которой установлен кронштейн с крепежными элементами и драйвер питания светодиодов.
Лабораторный стенд содержит три отсека, в котором попарно размещены светильники: ДНаЗ 250 Вт, Diora Unit Agro и Diora Quadro Agro. Габаритные размеры отсеков ДхШхВ: 1 × 0,7 × 2,6 м. Стенки отсеков имеют белую матовую поверхность. В каждом отсеке размещены по два саженца огурцов. Мощность облучателей настраивалась таким образом, чтобы уровень облученности составлял в среднем 100 мкмоль ∙ с/м2.
С помощью светотехнической программы «DiaLux 4.13» был произведен светотехнический расчет необходимого уровня облученности. По результатам расчета были выбраны облучатели с фотометрическими параметрами, представленными в табл. 1 для достижения необходимого уровня облученности.
Были произведены фотометрические измерения выбранных облучателей и получены значения их светового потока, затем значения светового потока были пересчитаны из световых величин в энергетические для вычисления потока ФАР, а также значения уровня облученности, которые были пересчитаны из значений освещенности, полученных в результате светового расчета в программе DiaLux. Перевод осуществляли в программе Matchad 14 по формуле 1:
, (1)
где FФАР – фотосинтетический поток фотонов, мкмоль/с;
Еλ – спектральная плотность распределения энергии излучения прибора, Дж/нм;
λ – длина волны, нм;
h – постоянная Планка;
с – скорость света;
NA – число Авогадро.
Расчет квантовой эффективности излучателей в области ФАР производился по формуле 2:
[18], (2)
где ηф – эффектитность прибора в области ФАР, мкмоль/Дж;
FФАР – фотосинтетический поток фотонов, мкмоль/с;
Р – потребляемая прибором мощность, Вт.
Также из табл. 1 видно, что относительно ДНаЗ 250 Вт, светодиодные светильники меньше потребляют электроэнергию: Diora Unit Agro на 69,33%, Diora Quadro Agro на 57,16%.
Обсуждение результатов эксперимента
На рис. 3–5 приведены образцы огурцов в стендах с облучателями. На рис. 6 приведена фотография типовых огурцов, выросших в процессе исследований. В табл. 2 приведено количество собранных плодов огурцов и высота стеблей образцов. На рисунке 7–9 приведены спектры излучения облучателей.
Спектральный состав излучения облучателей отличаются друг от друга. Спектральный состав излучения ДНаЗ в большей степени составляет длинноволновая область оптического диапазона 570–630 нм. Другими словами, ДНаЗ излучает кванты света в красной области видимого спектра. Облучатель Diora Unit Agro имеет пики излучения в синей (450 нм) и красной (660 нм) области, при этом красный участок спектра примерно в 10 раз более интенсивный. Облучатель Diora Quadro Agro также имеет пик в красной (450 нм) и синей (660 нм) областях примерно в одинаковых пропорциях, но с добавлением сплошного спектра в зеленой области от 480 до 620 нм. Таким образом, имея разные спектральные характеристики облучателей, можно выявить наиболее эффективный для фотосинтеза спектральный состав.
Измерение спектральных характеристик излучения проводилось через 200–400 часов, чтобы отследить изменение спектрального состава в процессе эксплуатации.
По результатам исследований установлено, что больше всего плодов (5 шт.) было получено под излучением облучателя Diora Quadro Agro. Под излучением Diora Unit Agro и ДНаЗ 250 Вт было получено равное количество плодов, по 4 шт. в каждом отсеке. Также было установлено, что под излучением Diora Quadro Agro, несмотря на больший урожай, средняя длина стеблей оказалась огурца Мева F1 оказалась на 93 см меньше.
При исследовании деградации фотометрических характеристик облучателей было установлено, что за 1 000 часов спектральный состав всех, применяемых в эксперименте облучателей, не изменился.
Заключение
Проведен анализ современной научно-технической литературы, подобраны спектры излучения светодиодных облучателей, и построена светотехническая модель для создания лабораторного стенда для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений в условиях закрытого грунта на примере огурцов сорта Мева F1. Изготовлены экспериментальные образцы облучательных приборов на основе светодиодов. Проведены исследования экспериментальных образцов облучательных приборов на основе светодиодов в сравнении с ДНаЗ по исследованию урожайности и изменению фотосинтетических характеристик в процессе эксплуатации. Установлено, что спектры излучения, в преимущественной степени в красной области, ускорили рост и производительность растений. Спектр излучения Diora Quadro Agro обеспечивает продуктивность растений при меньшем росте стебля растений. Установлено, что в ходе исследований спектры излучения облучательных приборов и их фотосинтетический поток существенно не изменились, и что дальнейшее исследование деградации облучателей требует более углубленного изучения с большим временем эксплуатации. Наиболее подходящими для выращивания растений огурца «Мева F1» являются облучатели Diora Quadro Agro.
Список литературы:
Official website of the Security Council of the Russian Federation. URL: http://www.scrf.gov.ru/security/economic/document108.
Official website of the Information and analytical agency “Institute of Agricultural Market Studies”. URL: http://ikar.ru/lenta/754.html.
Official website of the “Greenhouse industry of Russia – 2022”. URL: https://www.apk-news.ru/teplichnaya-otrasl-rossii‑2022-3.
Gnezdova O. E., Chugunkova E. S. Energoobespechenie teplichnyh hozyajstv s generaciej elektricheskoj i teplovoj energii i vyrabotkoj CO2. Silovoe i energeticheskoe oborudovanie. Avtonomnye sistemy. 2019; 2(3):141–151.
Гнездова О. Е., Чугункова Е. С. Энергообеспечение тепличных хозяйств с генерацией электрической и тепловой энергии и выработкой CO2. Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. 2019; 2(3):141–151. https://doi.org/10.32464/2618-8716-2019-2-3-141-151.
Official website of the LLC “MOST Production” URL: https://reflaks.ru/catalog/natrievye-zerkalnye-lampy-dnaz.html.
McCree K. J. The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants. Agricultural Meteorology. 1972; 9:191–216. https://doi.org/10.1016/0002-1571(71)90022-7.
Soldatkin V., Yuldashova L., Shardina A., Shkarupo A., Mikhalchenko T. Device for water disinfection by ultraviolet radiation. Proceedings – 2020 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects. EFRE 2020. 2020; 9242002:870–873. https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020.9242002.
Höll J., Lindner S., Walter H., Joshi D. et al. Impact of pulsed UV-B stress exposure on plant performance: How recovery periods stimulate secondary metabolism while reducing adaptive growth attenuation. Plant Cell Environ. 2019; 42(3):801–814. https://doi.org/doi: 10.1111/pce.13409.
Pattison P. M., Tsao J. Y., Brainard G. C., Bugbee B. LEDs for photons, physiology and food. Nature. 2018; 563(7732):493–500. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0706‑x.
Park SW, Kwack Y, Chun C. Growth and propagation rate of strawberry transplants produced in a plant factory with artificial lighting as affected by separation time from stock plants. Hort Environ Biotechnol. 2018; 59:199–204. https://doi.org/10.1007/s13580-018-0027‑x
Meng X, Wang Z, He S, Shi L, Song Y, Lou X, He D. LED-supplied red and blue light alters the growth, antioxidant status, and photochemical potential of in vitro-grown Gerbera jamesonii plantlets. Hort Sci Technol. 2019; 37:473–489. https://doi.org/10.7235/HORT.20190048
Park SW, Kim SK, Kwack Y, Chun C. Simulation of the number of strawberry transplants produced by an autotrophic transplant production method in a plant factory with artificial lighting. Horticulturae. 2020; 6:63. https://doi.org/10.3390/horticulturae6040063
Lee, H., Park, S.W., Cui, M. et al. Improvement of strawberry transplant production efficiency by supplementary blue light in a plant factory using white LEDs. Hortic. Environ. Biotechnol. 2023; https://doi.org/10.1007/s13580-022-00493-9
Korol V. G., Borisov V. U. Terms of cultivation for bee-pollinated cucumber karambol F1 in winter glass greenhouses. Vegetable crops of Russia. 2017; (3):49–51. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2017-3-49-51.
Khalifa S. A. M., Elshafiey E. H., Shetaia A. A., El-Wahed A. A. A., Algethami A. F., Musharraf S. G. et al. Overview of Bee Pollination and Its Economic Value for Crop Production. Insects. 2021; 12(8):688. https://doi.org/10.3390/insects12080688.
Korol V. G. Recommended cucumber hybrids for growing in greenhouses under conditions artificial lighting. Vegetable crops of Russia. 2021; (5):32–38. https://doi.org/10.18619/2072-9146-2021-5-32-38.
Boos G. V., Prikupec L. B. Standartizaciya svetotekhnicheskih priborov i ustanovok dlya teplic. – OOO «VNISI»: Svetotekhnika. 2017.
Боос Г. В., Прикупец Л. Б. Стандартизация светотехнических приборов и установок для теплиц.- ООО «ВНИСИ»: Светотехника. 2017.
GOST R 57671-2017. Pribory obluchatel’nye so svetodiodnymi istochnikami sveta dlya teplic. Obshchie tekhnicheskie usloviya. – M.: Standartinform. 2017.
ГОСТ Р 57671-2017. Приборы облучательные со светодиодными источниками света для теплиц. Общие технические условия. – М.: Стандартинформ. 2017.
АВТОРЫ
Былков Денис Васильевич, инж.-светотехник АО «Физтех-Энерго». Разработал светотехнический проект лабораторного стенда для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений, разработал эскизную конструкторскую документацию на светодиодные облучатели Diora Unit Agro и Diora Quadro Agro.
Полторацкий Дмитрий Алексеевич, техн. дир. АО «Физтех-Энерго». Разработал эскизную конструкторскую документацию на светодиодные облучатели Diora Unit Agro и Diora Quadro Agro., организовал проведение исследований влияния оптических параметров облучательных приборов на рост и урожайность растений.
Солдаткин Василий Сергеевич, к. т. н., доц. кафедры радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Изготовил лабораторный стенд для исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений, обеспечил режимы проведения исследований влияния оптических параметров облучательных приборов на рост и урожайность растений.
Лазарева Алена Олеговна, инж. кафедры радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Провела исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений.
Шкарупо Анастасия Петровна, ст. преп. кафедры радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Провела исследования воздействия оптического излучения на процесс выращивания растений.
Щепеткин Егор Сергеевич, гл. энергетик ООО «КДВ Яшкинские Теплицы» осуществлял выбор сорта культуры огурца и осуществил технологическое сопровождение в процессе эксперимента в части разработки методик ухода и приготовления раствора для полива растений.
Отзывы читателей
