Проблемы биотехнической системы выращивания растений

1. Проблемы биотехнической системы выращивания растений

Лекция
автор к.т.н. Ключка Е.П.

2. Биотехническая система с регулируемым микроклиматом

Техническая
Биологическая
составляющая
составляющая
биотехнической системы биотехнической системы
Системы энергообеспечения
Растение на разных стадиях
развития
Системы микроклимата
Окружающая среда
формируемая вокруг симбиоза
растений и микроорганизмов в
процессе жизнедеятельности
биологических объектов
Ресурсные системы
Микроорганизмы, грибы, споры,
штамп заболеваний и прочее

3. Структура технической составляющей

Системы микроклимата
Инженерно-проектные решения
Система
отопления
Выбор
Система
кондиционирования
Система
освещения
Система
содержания растений
Система
подготовки питательного
Выбор
Система
подачи СО2
Выбор
Система
вентиляции
Система
дезинфекции
раствора
Контрольно-измерительная
система
Система
автоматизации всех
процессов
культуры по сортовым
признакам
Выбор
производителя семян
Выбор
технологии подготовки
семян к проращиванию
состава питательного
раствора
технологии
выращивания растений
Выбор
комплектующих
Выбор
оборудования
Выбор
схем включения
Выбор
режима работы

4.

Многокомпонентность рождает многовариатность технических
решений, что не дает однозначного ответа оптимальной
наилучшей структуры биотехнической системы.
За рамками инженерно-проектной работы создается
необходимость проектировать и моделировать условия
работы этой системы.
Моделирование и создание таких сложных систем остается
до сих пор эмпирическим, методом проб и ошибок – это несет
колоссальные убытки в любом производстве.
Тарифы ЭЭ
Качество и
потери ЭЭ
Контроль
мощности.
Регулирование
напряжение
Количество ЭЭ
Осветительная
установка
Источник
питания,
ПРА, ЭПРА
Источник
света
Оптический
прибор
Избыток
естественной
инсоляции
Система
автоматизации
контроля,
измерения,
управления,
диммирования
и т.д.
Световой
поток
Спектр,
интенсивность
Недостаток
естественной
инсоляции
Световая среда,
растение,
динамические
переменные
параметры
Качество и
количество
продукции,
себестоимость,
количество
энергии на
ед. продукции
Вегетационное
развитие
фитоценоза
Рисунок 1. Структурная схема анализа факторов, влияющих на световую среду,
создаваемую в объеме сооружений тепличного производства

5.

Модель биотехнической системы напрямую зависит от человека – с
техническим или биологическим багажом знаний. Отсюда различная
интерпретация результатов.
Техническая система дискретна (включили-выключили), биологическая
система развивается постепенно, непрерывно, последовательно.
Отсутствует связь между технической частью системы и биологической. Нет
понимания происходящих процессов, присутствует констатация результатов
нашего предыдущего выбора и решения.
И нф ормационны й пот ок
Э н ер ге т и ч еск и й п о т о к
Система
отопления
Э н ер ге т и ч еск и й п о т о к
Система
электроснабжения
Р е сур сн ы й п о т о к
Система
водоснабжения
Р е сур сн ы й п о т о к
Система снабжения
материалом
Группа подсистем для
контроля внешней среды погодно- климатические
условия:
- температура;
- влажность;
- атмосферное давление;
- осадки;
- облачность;
- естественная инсоляция;
- прочее.
Группа подсистем связанная с
конструкционными особенностями
теплиц различных видов:
- пассивные теплицы, гелеотеплицы,
промышленные теплицы;
- типовой или индивидуальный
проект;
- форма габариты;
- производственный объем;
- производственные площади;
- выбор технологического
оборудования;
- расположение технологического
оборудования;
- свойства и характеристики
используемого материала;
- и прочее.
Человек
оператор
Группа подсистем микроклимата
- подсистема отопления;
- подсистема подготовки
питательного раствора;
- подсистема распределения
питательного раствора к корням;
- подсистема освещения;
- подсистема вентилирования;
- подсистема зашторивания;
- подсистема увлажнения;
- подсистема газового состава;
- рекуперационные подсистемы;
- и прочее.
И нф орм ационны й пот ок
Группа подсистем обеспечивающих
технологические процессы от
вегетационной фазы развития:
- подготовка семян;
- рассада;
- взрослые растения: ювенальный
период, созревания, старения;
- сбор урожая;
- система дезинфекции
оборудования к следующему циклу;
- системы стимуляции;
- и прочее.
Биологический объект
- культура
-сорт
-гибрид
Микроорганизмы
- полезные
- патогенные
Д ен еж н ы й э к ви ва л ен т п р и б ы л и
К о л и ч ест во -к а ч ест во ур о ж а я
О б щ и е э н ер гет и ч е ск и е за т р а т ы
Т ех н о л о ги ч ес к и е п о т е р и
И нф ормационны й пот ок
Подсистема
принятия
решения
Подсистема
управления
базами данных
И нф ормационны й пот ок
И нф ормационны й пот ок
И нф ормационны й пот ок
Информационные системы:
- базы данных контрольноизмерительных систем и подсистем;
- базы данных о метеосводках;
- базы данных расходомеров
энергии, электроэнергии, воды;
- базы данных о техническом
состоянии технологического
оборудования;
- базы данных фенотипирования;
- базы данных о результативности
пройденного технологического
цикла;
И нф орм ационны й пот ок

6. Свойства биологического объекта - растения

Зачастую огромнейшей ошибкой при моделировании сложных технических
систем тепличного производства является стремление построить модель на
таком понятии, как продуктивность фотосинтеза. Но в реальности
фотосинтез является только отдельным звеном, в большой цепи
последовательно происходящих процессов, продуктивность фотосинтеза – это
часть общего интегрирующего результата. Конкурирующим процессом к
фотосинтезу обнаруживается дыхание, и если фотосинтез протекает только в
присутствии оптической энергии, то дыхание растений осуществляется не
прерывно. Если утрировать представление о взаимодействии данных
процессов, то фотосинтез проявляется некой «аккумуляторной батареей»,
которая периодически заражается и разряжается. Накопленная энергия уходит
как на дыхание, так и на сопутствующие протекающие процессы.
Следовательно, качество получаемого продукта полностью зависит от
«характеристик зарядного устройства» фотосинтеза (мощности, емкости и
прочее). Вероятнее всего, конечный урожай (по количеству и по качеству)
зависит от процесса дыхания растений, либо от сбалансированности между
процессами фотосинтеза и дыхания. Данная проблема находится на стадии
проработки.
Таким образом, достаточно неглубокое знание свойств биологического объекта
специалистов с техническим образованием, вносит недооцененный
отрицательный вклад в процесс моделирования систем тепличного
производства.

7. Сейчас в тепличном производстве повсеместно практикуется оценка состояния тепличных растений на экспертном мнении от технолога

с агрономическим
образованием по защищенному грунту.
Достаточно противоречивая оценка, которая зависит от индивидуальных
качеств человека, от его базы знаний, интуиции, опыта и прочее. В
зависимости от особенностей развития, растение может в какой-то момент
перестать усваивать питательные элементы, или наоборот чувствовать
нехватку, не санкционировано перейти из генеративного типа развития в
вегетативный, или наоборот.
Наглядный пример такой ситуации, когда при визуальной оценке состояния
тепличных томатов ни каких признаков, говорящих о неблагополучии – нет,
но как говорят технологи тепличного производства – растения «жируют».
При нормальных внешних показателях (колористика и площадь листа,
гармоничное структурное развитие и т.д.) растения не переходят в стадию
появления цветов, либо образуются стерильные цветы. Это ведет к ряду
отрицательных последствий: затягивается вегетационный период;
снижается урожай, необходимо применять дополнительные
стимулирующие методы, перерасход энергии и т.д. В таких ситуациях все
зависит от профессиональности агронома, если он вовремя сможет
установить причину проблемы, сможет оперативно вмешаться, например,
изменить режим поливов, питания или режим микроклимата, то это
позволит сохранить урожай, и как следствие предотвратить финансовые
убытки.

8. Первый аспект. Растение, как сложный биологический объект, можно рассматривать с точки зрения структурной организации:

фотосинтетически активная единица – это лист: площадь, толщина,
цвет, количество и т.д. Оптические параметры листа
растение целиком: геометрическая форма, высота, толщина
стебля, расстояние междуузлий, разветвленность и т.д.
разные стадии развития растения, вегетационные периоды и
полностью весть цикл севооборота и т.д.
фитоценоз: структура фитоценоза, влияние растений друг на друга
(густота посадки, плотность и т.д.) и обратная составляющая –
фитоценоз создает свой собственный микроклимат в процессе
жизнедеятельности и роста, т.е. влияние на системы создающие
микроклимат.
для одной конкретной культуры, сорта, ценоз для нескольких
различных совместимых культур.
появление на рынке новых видов удобрений, стимуляторов, а так
же сортов и гибридов.

9. Второй аспект. Множество факторов влияющих на растение. Необходимо подчеркнуть важность зависимости между факторами, их

сочетание, норма,
дозирование для создания оптимального микроклимата.
пять основных систем микроклимата: питание,
влажность, температура, освещение, СО2 .
в каждой из систем есть подсистемы, в которых
существуют свои закономерности, ограничения и
нормы
выявить неучтенные факторы влияющие на
различные системы микроклимата, а так же их
подсистемы
влияние различных переменных режимов (по
свету, температуре, СО2 ) на развитие растения
в процессе перехода из одной вегетационной
стадии в другую.

10. Третий аспект. Многообразие различных технологий стимуляции от

семян,
сенцев,
всходов,
взрослых растений,
корневой системы и т.д.
Многообразие различных технологий
воздействия на разных стадиях развития с
помощью ионизации, аронизации, азонирования,
туманооборозования и т.д.

11. Четвертый аспект. Контрольно-измерительная система:

Четвертый аспект. Контрольноизмерительная система:
обосновать энергетический баланс растений
обоснование и разработка системы мониторинга
работы всех систем
для оценки эффективности созданной системы
микроклимата (по конечному результату),
для оценки состояния растения на разных этапах
развития (спектрография),
для оценки растения в динамике в течение суток
(биопотенциал).
проблема равномерного распределения в
объеме тепла, света, влажности

12. Структурная схема факторов влияющих на эффективность вегетационной светоустановки

Структурная схема факторов влияющих на
эффективность вегетационной
требования по спектру
и интенсивности
изменение оптических свойств
растения в процессе развития
структурные изменения
фитоценоза
растение
количество
продукции
количество
электроэнергии
количество ламп в блоке
светораспределение
спектральный состав
световая среда
световой прибор
световая отдача, лм/Вт
Главной целью любого расчета
светоустановок – это создание
благоприятной световой среды
тепличным растениям с разумным
снижением капитальных и
эксплуатационных затрат.
Стандартные традиционные методики
расчета осветительно-облучательных
установок с различными источниками
света не дают точного результата изза необходимости делать некоторые
допущения в расчетах. При выборе
светотехнического оборудования
большую роль играет компетентность
и опыт самого проектировщика. При
этом совершенно не учитываются
особенности биологического объекта,
которым является растение.
Первый технический объект –
источник света, определяющий
качество и интенсивность световой
среды. Другой биологический объект
– динамически меняющийся по
структуре, форме, росту, оптическим
свойствам, через транспирацию
изменять влажность и температуру
световой среды.
мощность, Вт
суточный биологический ритм
изменения внутренних процессов
растения
светоустановки

13. В настоящее время поток информации о влиянии светодиодной технологии на растения довольно огромен и насыщен.

Если эксперимент построен на разработке технического решения
светодиодного оборудования, то это достаточно оптимистические
выводы о применении данной технологии в тепличном производстве.
В противовес этому биологи настроены более чем сдержанно. В
ноябре 2016 года была проведена крупнейшая в России и СНГ
международная бизнес-конференция о возможностях светодиодных
технологий «10-й Международный форум по светодиодным
технологиям LED FORUM 2016» организатором, которого был Messe
Frankfurt RUS, при поддержке ВНИСИ им. С.И. Вавилова. На форуме
от Московской сельскохозяйственной академии (МСХА им. К.А.
Тимирязева) был представлен доклад И.Г. Тараканова (д.б.н.,
профессор, заведующего кафедрой «Физиологии растений»)
«Светодиодные облучатели: новые возможности в регулировании
роста и развития растений». В докладе говорилось об эксперименте с
различными сортами салата, выращенными под светодиодами и под
газоразрядными натриевыми лампами высокого давления. Разные
сорта одной культуры дали неоднозначные результаты влияния
(фрагмент презентации доклада на рисунке 2).

14. Фрагмент презентации доклада «Светодиодные облучатели: новые возможности в регулировании роста и развития растений» д.б.н.,

профессор, заведующего кафедрой
«Физиологии растений» И.Г. Тараканова (МСХА им. К.А.
Тимирязева).
Синий столбик –
результат, который
был получен под
газоразрядными
натриевыми
лампами высокого
давления; красный
столбик –
результат,
полученный под
светодиодными
светодиодными
лампами.

15. Ранее учеными Московской сельскохозяйственной академии (МСХА им. К.А. Тимирязева) были проведены аналогичные исследования с

земляникой садовой (fragaria×ananassa duch.) в
условиях светокультуры
Анализируя представленный доклад, можно заметить, что
выбор источника света напрямую зависит как от выбора
культуры, так и от сортовых признаков. Таким образом,
спектральный состав освещения тепличных растений влияет
на биохимические процессы и позволяет делать внутреннею
сложную настройку растения на более тонком уровне, что в
свою очередь приводит к тому или иному формированию в
целом всего растения.
Данное обстоятельство еще раз подчеркивает
индивидуальный подход к каждому растению в подборе
системы освещения в независимости от выбранной культуры
и сортовых признаков, что значительно усложняет
определение эффективности того или иного технического
решения системы освещения.

16. Кафедра физиологии растений Тимирязевской академии совместно с Институтом медико-биологических проблем (ИМБП) РАН изучает

условия роста растений в космических оранжереях.
В РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева готовят магистров по
программе «Фитотехнологии и биопродукционные системы».

17. Сравнение светодиодных высокопроизводительных светильников и натриевых ламп высокого давления HPS (High Pressure Sodium).

Эксперименты
проводились в теплице
компании Galema's
Greenhouse Inc.,
расположенной в городе
West Lafayette, штат
Indiana. В течении этих
экспериментов
контролировались
многие параметры
существенные для
развития растений такие
как уставка температуры,
режим опыления и
многие другие. Это дало
возможность
объективной оценки
влияния источников
дополнительного
освещения в
коммерческом
растениеводстве.

18. Для проведения экспериментов были оборудованы две экспериментальные установки, представленные на следующих фотографиях.

1) ФАР 70 мкмоль/м-2∙с-1 (микромоль на
квадратный метр за секунду) обеспечивается
натриевыми лампами высокого давления HPS
мощностью 600 Вт;
2) ФАР 70 мкмоль м-2 с-1 обеспечивается
светодиодами высокой интенсивности (Philips 200
Вт GreenPower LED toplighting модулями, с
дальним красным и синим спектром).
Спектральное распределение двух
дополнительных источников освещения показано
Как правило, показатели качества растений
освещавшимися светодиодными светильниками и
светильниками на натриевых лампах существенно
не различалось. В частности, не было
существенной разницы между растениями при
сравнении таких параметров как длинна стебля,
диаметр стебля, сухая масса корня и сухая масса
самого растения. Аналогичные результаты были
получены в отношении созревания взрослых
растений при тех же параметрах дополнительного
освещения. В целом, в то время как результаты не
всегда были значительными, растения цвели
раньше и имели большую массу при
дополнительном освещении. Различия между
результатами эксперимента при освещении
натриевыми лампами или светодиодными
светильниками оказались незначительными.

19. Оранжереи космических систем жизнеобеспечения

Методика, позволяющая
выращивать до шести
урожаев в год, описана в
научной статье,
опубликованной в журнале
Nature Protocols группой во
главе со Cреей Гош (Sreya
Ghosh) из Центра Джона
Иннеса в Великобритании.
Ключевой особенностью
нового подхода является
22-часовой световой день,
создаваемый с помощью
специальных светодиодов.
Также протоколы
контролируют состав почвы,
температуру, влажность,
расстояния между
растениями и другие
параметры.

20. Главный вывод

На основе проведенного исследования сформулирован
вывод о том, что разработка и внедрение инновационных
технологий, затрагивающие отдельные подсистемы
тепличного производства (аэрогидропоника, светодиодные
технологии, системы и способы освещения, стимулирование
растений полями различной природы и прочее) не решат
проблемы снижения энергоемкости существующих сложных
технологических систем в целом. Существует необходимость
в новой синергетической (объединяющей,
взаимодополняющей, усиливающей) технологической
парадигме применение, которой позволит создать модели
высокого уровня адекватности реальным процессам и
конструкциям вместо дорогостоящих натурных моделей, что
позволит значительно снизить энергетические и
производственные затраты.

21. Выводы

Адекватность истинного измерения и отчетности множества
параметров в науках о растениях является несомненной
потребностью в обеспечении того, чтобы исследования во всем
мире можно было сопоставлять, осмысливать, воспроизводить в
разных лабораториях. Это является одним из условий развития
прикладной науки Агрофотоники.
Тепличное производство должно иметь контрольно-измерительные
системы, основанные на принципе фенотипирования и на
принципах биоинформатики. Это необходимое условие
установления связи биологического объекта с инженернотехническими системами, объеденными единым технологическим
процессом.
Тепличное производство должно иметь замкнутые системы
содержащие рециклы. Существует реальная необходимость в
исследованиях в этом направлении.
Необходимость в новых специалистах с биотехническими знаниями.
Умеющие видеть взаимосвязи двух самостоятельных систем:
технической и биологической.