Г.В. Степанчук, Е.П. Ключка

Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия, г. Зерноград, Россия

В условиях рынка тенденция роста стоимости электроэнергии увеличивает себестоимость тепличного производства. Но использование дополнительного облучения позволяет увеличить в 2,5 раза урожайность с квадратного метра в год, получить тепличным хозяйствам дополнительную внесезонную прибыль, добиться более раннего поступления продукции потребителю.

Перспективной является разработка приемов, направленных на сокращение затрат электроэнергии, базирующихся на знании биологических особенностей поглощения растениями энергии оптического излучения. В настоящее время известен ряд приемов и методов искусственного облучения, позволяющих сократить сроки выращивания без увеличения потребляемой электроэнергии. К ним следует отнести, прежде всего, импульсное и переменное облучение. Импульсное облучение сравнительно хорошо исследовано и применяется в практической светокультуре огурцов и томатов. Но работа облучательных установок в импульсном режиме имеет ряд недостатков: отрицательно влияет на параметры электрической сети, понижая результирующий коэффициент мощности. Поэтому возникает необходимость разрабатывать специальные схемы как для ламп низкого, так и для ламп высокого давления, которые позволили бы улучшить энергетические характеристики таких облучателей. Существует необходимость индивидуального подбора световых импульсов для каждого вида растения, при этом не все растения адаптируются к импульсному облучению, задерживаясь в росте и в развитии.

Переменное облучение создается движущимися облучателями, происходит периодическая смена интенсивности облучения во времени. Данное облучение основано на том, что в ходе процесса фотосинтеза используется лишь 1…3% поглощенной оптической энергии. Процесс фотосинтеза протекает как при непрерывном, так и при переменном облучении. Но при подаче энергии оптического излучения только во время световой стадии фотосинтеза можно существенно снизить потери оптической энергии и расход электроэнергии. По раннее проведенным исследованиям не отмечено отрицательного влияния переменного облучения на растения. При этом суточный ход фотосинтеза имеет более сглаженный характер по сравнению с непрерывным способом облучения.

Механизм адаптации растений к постоянно меняющимся световым условиям повышает продуктивность фотосинтеза, что ускоряет развитие растения, увеличивает корневую систему и листовую поверхность. Следовательно, переменное облучение является не только источником оптического излучения, но и раздражителем, включающим адаптационные механизмы растений.

В научной и патентной литературе описано большое количество облучательных установок. Выявлено, что в имеющихся вегетационных облучательных установках традиционно используется постоянный непрерывный способ облучения, при стационарном положении источника. Способы светотехнического расчета установок для облучения растений предусматривают создание нормируемой горизонтальной облученности. Однако при этом не учитывается пространственного и поверхностного распределения оптического облучения.

С точки зрения уменьшения энергетических затрат на облучение растений защищенного грунта целесообразен поиск технических решений, которые бы учитывали свойства отдельно каждого биологического объекта и фитоценоза в целом. Ориентация листьев в пространстве и положение облучателя по отношению к ним влияют на способность растения поглощать и усваивать с наибольшим КПД энергию оптического излучения. Имеются опытные данные о зависимости структуры и эффективности функционирования фотосинтетического аппарата при изменении ориентации листьев, что имеет большое значение для продукционных процессов растений.

Для повышения эффективности использования энергии оптического излучения рациональной является такая структура светового поля, которая бы соответствовала геометрической структуре растения (формы кроны растения). Это возможно при движущихся источниках облучения. В отличие от стационарного положения источника света, при движении облучатель для каждого растения в определенный момент времени создает благоприятное освещение (рис. 1).


Рис. 1 - Поверхностное и пространственное распределение оптического излучения.

Но рассматривать каждое отдельное растение с точки зрения формирования освещенности в фитоценозе не совсем правильно. Поэтому важную роль в формировании структуры светового поля играет наклонная технологическая поверхность при боковом расположении облучателя относительно рабочей плоскости. Наклонная рабочая поверхность создает ступенчатую структуру фитоценоза, тем самым увеличивая облучаемую площадь растительного покрова, неоднородного по своей структуре, увеличивая проникающую способность оптического излучения вглубь фитоценоза, более рациональное использование отраженных лучей (рис. 1).

Таким образом, с целью поиска путей снижения энергоемкости процесса выращивания растений защищенного грунта, необходимо рассмотреть конструкцию облучательной установки, в которой при создании светового режима используется: переменное облучение и многостеллажная технология с наклонной рабочей поверхностью.

К достоинствам новой разрабатываемой облучательной установки следует отнести:

•    движущиеся облучатели дают более рациональное использование светотехнического оборудования на единицу технологической площади, подвергающейся облучению (уменьшается количество облучателей, увеличивается облучаемая площадь и количество облучаемых растений);

•    переменное облучение является не только источником оптического излучения, но и раздражителем, воздействующим на адаптационные механизмы растений к постоянно меняющимся световым условиям;

•    боковое расположение облучателей по отношению к растениям и наклонное положение рабочей поверхности создает рассеивающееся, диффузное облучение наиболее выгодное для неоднородной структуры фитоценоза;

•    угол наклонной поверхности повышает равномерность облучения.

Методика. Целью настоящего исследования является снижение энергоемкости процесса выращивания рассады томатов защищенного грунта за счет рационального поверхностного и пространственного распределения оптического излучения.

Объектом настоящего исследования является движущаяся облучательная установка, разработанная в ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия», в которой используется принцип переменного облучения [1J и многоярусная стеллажная технология [2J.

Для оптимизации выбраны параметры: скоростной режим облучателей установки и угол наклона технологической поверхности по максимальному выходу массы сухого вещества растения, массы сухого вещества корневой части и площади листовой поверхности.

Натриевые лампы высокого давления (НЛВД) наиболее эффективны по всем техническим показателям, по сравнению с другими лампами у них наибольший выход фотонов, а значит, света. Для искусственного освещения в теплицах НЛВД рекомендуются в качестве дополнения к дневному свету. Рациональное расположение облучателей по отношению к наклонной технологической поверхности горизонтальное.

В настоящем исследовании предложено техническое решение, которое позволило найти рациональный угол наклонной плоскости. А именно, стеллаж имеет верхний и нижний лоток. Технологическое пространство лотка делится на 12 рядов, каждый ряд имеет разницу между соседними рядами в 2? .

Место проведения эксперимента - учебно-производственная теплица СОШ №16 г. Зер-нограда, Ростовской области. В качестве опытного материала использовались растения томата сорта «Андромеда F1».

При выращивании томатов используется рассадный метод. Рассада выращивается в специальных рассадных отделениях и потом выставляется на постоянное место. Делается это для более рационального использования площади теплиц и в связи с тем, что для рассады требуются особые условия выращивания. Все этапы эксперимента разбиты в зависимости от технологического процесса выращивания рассады томатов. Через 12 дней после пикировки проводят расстановку рассады.

Рассада при расстановке делилась на два варианта облучения: контрольный и экспериментальный. В контрольном варианте применялось постоянное облучение, при неизменном положении облучателя над горизонтально расположенной технологической поверхностью с ручной перестановкой горшков. В экспериментальном - переменное облучение, с движущимися облучателями, обеспечивающими боковое облучение наклонной плоскости.

В экспериментальных исследованиях применялись двухфакторные опыты, полностью рандомизированые. Исследования проводились по «Методике исследований по культуре томата». Лабораторно-полевые опыты закладывали, опираясь на методику Доспехова Б.А.
С целью проверки равномерности распределения облученности по технологической поверхности, подвергающейся облучению, были проведены соответствующие измерения. Измерялась сферическая облученность, чтобы учитывать естественную облученность. В центре каждого квадрата измерялась освещенность. Облученность измерялась люксметром Ю-116. Переход от единицы освещенности к энергетическим единицам осуществлялся с помощью переходных коэффициентов. Обмер освещенности на технологической поверхности был проведен в нескольких вариантах.

К показателям качества рассады относятся основные критерии, определяющие состояние рассады, готовой к пересадке по В.И. Эдельштейну, Г.И. Тараканову. Фенологические наблюдения развития растений проводились по методике полевого опыта Доспехова Б.А. и по «Методике исследования по культуре томата». Продуктивность фотосинтеза оценивалась по максимальному выходу массы сухого вещества растения, массы сухого вещества корневой части в растении и площади листовой поверхности, предложенная Ничипоровичем А.А. и др.

Определение площади листьев основано на использовании уравнения регрессии, отношение длины к ширине листа - величина постоянная, а между линейными параметрами листа и его площадью существует прямая зависимость.

Результаты. Исследование позволило получить совокупность новых положений, заключающихся в оптимизации параметров облучательной установки.

•    Рациональный способ расположения фитоценоза на наклонной облучаемой плоскости по отношению к источнику облучения, способствующий повышению эффективности использования оптического излучения. Выявлена закономерность, что угол наклона технологической поверхности зависит: от особенностей источника излучения (кривой распределения силы света); от расстояния между лотками по высоте; от расстояния расположения источника относительно лотка; ширины лотка.

•    Определение рациональной скорости движения облучателей при выращивании рассады томатов позволило снизить время облучения растений, но при этом увеличить количество выращиваемой продукции на единицу используемой площади теплицы.

•    Рациональные параметры облучательной установки создают световой режим, при котором получена более высокая продуктивность растений с наименьшими затратами энергии и средств. Это говорит о перспективности применения нового технического приема.

Выводы.

На основе анализа литературных источников по выращиванию растений в сооружениях защищенного грунта разработана конструкция установки переменного облучения. Разработана методика расчета установки переменного облучения для выращивания рассады томатов, показывающая взаимосвязь светового режима, параметров облучаемой установки и продуктивности производимой продукции.

Разработана модель облучательной установки переменного облучения, которая позволяет рассчитать выход выращиваемой продукции в зависимости от параметров установки с точностью 94%.

Выявлена общая закономерность, что при увеличении угла наклонной плоскости коэффициент равномерности увеличивается. Экспериментальным путем выявлено, что наиболее рациональным является угол наклона рабочей поверхности 18 +5% при использовании определенного источника излучения. Параметры стеллажа рассчитывались из потребности жизненного пространства для выращивания рассады томатов.

Теоретически исследовано и экспериментально подтверждено, что рациональным скоростным режимом облучателей, создающих переменное облучение, является 7 + 5% м мин для рассады томатов.

Разработана    конструкция    облучательной    установки    параметры    (v = 7 м/мин;

©=18 ) которой создают световой режим, способствующий увеличению массы сухого вещества растений на 21,70 %; массы сухого вещества корневой части в растении - на 22,57 %; площади листовой поверхности - на 21,52 % в сравнении с контрольными растениями. При этом энергоемкость процесса облучения рассады томатов снизилась в 3,8 раза.

Литература

1.    С1 2328652 RU F21V21/02. Устройство выравнивания степени облученности в производственных помещениях [Текст] / Г.В. Степанчук, Е.П. Ключка, Е.Е. Якушева; заявитель и патентообладатель Азово-Черномор. гос. агроинж. акад. - №2006142613/28; заявл. 01.12.2006. - опубл. 10.07.08 Бюл. №19, 2008 - 4с: ил.
2.    AG 9/00 RU 11613 U1. Сборно-разборный стеллаж [Текст] / Г.В. Степанчук, П.В. Гуляев, Е.П. Ключка, П.Т. Корчагин, Е.В. Сергиенко, Э.Э. Петренко; заявитель и патентообладатель Азово-Черномор. гос. агроинж. акад. - №2010131786\21; заявл. 28.08.10. опубл. 27.01.2011. - Бюл. №3, 2011. -4с: ил.


Источник - ВЕСТНИК МичГАУ, № 1, Печатная версия