Светотехнические параметры облучения сеянцев древесных растений с использованием светодиодных излучателей в условиях малогабаритных облучательных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Светотехнические параметры облучения сеянцев древесных растений с использованием светодиодных излучателей в условиях малогабаритных облучательных установок

И.В. Юдаев 1,

Д.С. Ивушкин 2,

С.В. Волобуев 2,

М.П. Аксенов 2,

В.А. Петрухин 2

Анотация

Актуальность. Применение посадочного материала в лесном хозяйстве, выращенного по технологии закрытой корневой системы, в настоящее время является приоритетным направлением для создания искусственных лесонасаждений, поэтому в настоящее время прорабатываются вопросы, связанные с агротехникой и технологиями выращивания древесных пород основных лесных культур в закрытом грунте. Объект. В качестве объекта исследования выбраны основные виды древесных растений, выращиваемых в питомниках Волгоградской области, применяемых при создании защитных насаждениях Южного федерального округа Российской Федерации - сосна крымская (Pinus nigra subsp. Pallasiana), туя восточная (Thuja L.), робиния лжеакация (Robinia pseudoacacia L.). Материалы и методы. В лаборатории Волгоградского ГАУ был собран прототип облучательной установки для выращивания древесных растений с использованием квазимонохроматических фитооблучателей со светодиодами фирмы CREE. Исследование зависимости биометрии исследуемых древесных растений от соотношения RGB долей излучения явилось первой стадией постановочных опытов по оптимизации спектра излучения для указанных культур, выращиваемых в условиях закрытого грунта. Измерение спектра излучения фитооблучателей проводилось с помощью спектрометра "ТКА-Спектр" с программным обеспечением "Спектрорадиометр (ФАР)" версия 2.3.4. Результаты и обсуждение. Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о четко выраженной зависимости развития опытных образцов и качественных показателей от режимов облучения. Отмечено, что оптимальные значения биометрических показателей достигаются при полном красном (R) излучении (100 %), а также на вариантах соотношений R:B - 80 : 20 и 60 : 40. Присутствие в комбинации зеленого (G) излучения в области ФАР не показало существенного эффекта в развитии. Выводы. Опираясь на указанные обстоятельства по выбору триадного (R-G-B), бинарного (R-B) или квазимонохроматического (R) излучения, выбор можем производить в пользу последнего для ряда древесных культур. Проведённые фотобиологические исследования позволяют определить требования к благоприятным спектральным характеристикам источников оптического излучения на базе светодиодов, обеспечивающих максимальные качественные показатели развития сеянцев древесных растений, что может говорить о создании оптической технологии, как не маловажного элемента в составе агротехнологии, с применением автоматизированного управления при их выращивании. древесный излучение растение

Ключевые слова: малогабаритные облучательные установки, сосна крымская, туя восточная, робиния лжеакация, облучение сеянцев.

LIGHTING PARAMETERS OF IRRADIATION OF SEEDLINGS OF WOODY PLANTS USING LED EMITTERS UNDER THE CONDITIONS OF SMALL-SIZED IRRADIATION INSTALLATIONS

I.V. Yudaev¹, D.S. Ivushkin², S.V. Volobuev², M.P. Aksenov², V.A. Petrukhin²

Introduction. The use of planting material with a root-balled tree system is one of the promising directions for creating artificial plantations. It is associated with radical changes in the cultivation of planting material and significant changes in the forest crops production technology. Object. The main species of woody plants, grown in nurseries of the Volgograd region and used in the creation of protective plantations in the Southern Federal District, Crimean pine (Pinus nigra subsp. Pallasiana), eastern thuja (Thuja L.), black locust (Robinia pseudoacacia L.) were chosen as the subject of the research. Materials and methods. In the laboratory of the Volgograd state agrarian university, the prototype of the irradiation installation for growing woody plants was assembled using quasi-monochromatic phyto-irradiators with LEDs by the manufacturer "CREE". The research of the studied woody plants biometrics dependence on the RGB ratio of the radiation fractions was the first stage of staged experiments to optimize the radiation spectrum for these crops grown in greenhouses. Measurements of the phytoirradiators emission spectrum were carried out by using a spectrometer "TKA-Spektr" with the software Spectroradiometer (photosynthetically active radiation) version 2.3.4. Results and conclusions. The carried out experiments results indicate the prototypes and quality indicators development clearly pronounced dependence on the irradiation regimes. It is noted that for the maximum height of seedling development, the priority effect of red radiation is obvious, and the predominant share of blue radiation clearly sharply reduces the plant height. The highest values were achieved with the ratio options R-100%; R - 80%, B - 20% и R - 60%, B - 40%. The presence of green radiation in the photosynthetically active radiation zone is not optional, but acceptable. Based on these circumstances, the choice of triadic (R-G-B), binary (R-B) or quasi-monochromatic (R) radiation can be made in favor of the latter for a number of tree crops. The conducted photobiological studies make it possible to determine the requirements for favorable spectral characteristics of optical radiation sources based on LEDs that provide maximum quality indicators of the development of seedlings of woody plants, which may indicate the creation of optical technology as a not unimportant element in agricultural technology, with the use of automated control during their cultivation.

Keywords: small-sized irradiation installations, Crimean pine, eastern thuja, black locust, radiation spectrum.

Введение

Применение посадочного материала в лесном хозяйстве, выращенного по технологии закрытой корневой системы, в настоящее время является приоритетным направлением для создания искусственных лесонасаждений на территории Российской Федерации, поэтому в настоящее время прорабатываются вопросы, связанные с агротехникой и технологиями выращивания древесных пород основных лесных культур в закрытом грунте [8].

Одна из немаловажных задач развития лесного фонда на обширной территории страны - проведение мероприятий по реконструкции насаждений с применением качественного посадочного материала, которую можно реализовать с применением семенного материала, имеющего высокие посевные качества. На сегодняшнее время не все станции по селекции древесных пород имеют возможность в организации необходимых условий для должного хранения семян основных лесообразующих пород, что значительно осложняет процесс качественного лесовосстановления. Как известно, при хранении более одного года с момента сбора семена древесных растений довольно быстро теряют всхожесть, до 20 % и более, поэтому лесные питомники по выращиванию посадочного материала вынуждены применять семена низкого качества (2-го и даже 3-го класса) и повышать норму высева [4]. Поэтому вопрос по воспроизводству лесных насаждений актуален в настоящее время и подтвержден "Стратегией развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года". В данном документе обозначены основные направления, которые формируют потребность в семенном материале с высокими значениями их посевных качеств и полевой всхожести. Согласно Государственной программе РФ "Развитие лесного хозяйства на 2013-2020 годы", применяемые в настоящее время в селекционных станциях по выращиванию древесных растений на территории РФ агротехнологии отстают от мирового уровня и нуждаются в модернизации при помощи инновационных методов и современных научно-технических разработок.

Материалы и методы. Для изучения отклика древесных растений на режимы досвечивания были заложены опыты, согласно которым проводилась оценка аддитивности воздействия искусственного оптического излучения в диапазонах RGB области ФАР на качественные показатели развития сеянцев [2, 10].

В качестве оценки проведенных экспериментов принималась величина, соответствующая суммарному показателю величины частей, равных целому объёму. Тем самым в исследованиях предполагалось, что любое множественное значение функции f описывалось бы выражением при условии аддитивности [2]:

Согласно выражению (1), в случае невыполнения равенства отношения правой части к левой и увеличения значения f >1 к функции будет являться супераддитивной, а в случае f <1 функция будет считаться субаддитивной.

В работах McCree K.J. по изучению отклика растений на реакцию процесса фотосинтеза для растений опровергается аддитивность воздействия многоспектрального оптического излучения [5].

Тогда выражение аддитивности, преобразовав равенство (1), по исследованиям McCree K.J. можем представить как:

Где

-

качественные показатели развития растения при воздействии n спектрального диапазона излучения при значении общей облучённости Е ₀,N_t - качественные показатели /-го источника излучения с длиной волны в диапазоне ?лi и фотонной облученностью

В фитобиологических исследованиях по изучению отклика древесных растений на режимы досвечивания значение n = 2, а фотонная облученность являлась постоянной. В специализированной литературе [4, 6] авторы отмечают, что при изучении взаимного влияния необходимо учитывать уровни возрастающих участков, соответствующих световых величин, которые являются линейными. Согласно данным соображениям, в исследованиях принимались значенияравные 35 и 45 мкмоль/(с-м ²), поэтому для Е ₀, по выражению (2) устанавливались значения 70 и 90 мкмоль/(с-м ²) в зависимости от фазы роста и развития растения.

На данном этапе исследований мы решили получить оценочные данные, предполагая затем их уточнить, и в итоге получить светотехническую технологию по выращиванию сеянцев древесных культур.

В текущих фотобиологических опытах рассматривался отклик древесных растений на воздействие квазимонохроматического излучения в трёх спектральных диапазонах области фотосинтетически активной радиации (ФАР): синем, зелёном и красном, для полного анализа зависимости биометрических показателей (развитие высоты и корневой системы растения).

В результате проведенных опытов по определению оптимального набора спектральных характеристик предполагалось получение серии "световых комбинаций" для дальнейшей оценки влияния диапазонов областей ФАР с выявлением требований к спектральному составу фитооблучателей (ФО) при выращивании саженцев древесных и кустарниковых растений.

Для проведения исследований был собран прототип облучательной установки для выращивания древесных растений (рисунок 1) - фитотрон - с использованием квазимонохроматических фитооблучателей со светодиодами фирмы CREE, характеристики которых представлены в таблице 1.

Рисунок 1 - Внешний вид облучательной установки с использованием квазимонохромных фитооблучателей

Таблица 1 - Основные параметры цветных (RGB) светодиодов, использованных в квазимонохроматическом фитооблучателе

Схема управления облучательной установкой построена на базе микроконтроллера Microchip pic 16f1937, к которому подключены основные элементы автоматики, выполняющие следующие функции: для сбора информации о параметрах среды - датчики влажности и температуры почвы SHT10 и воздуха DHT11; для вывода информации - графический ЖК-дисплей с LED подсветкой WG128x64 с регулируемой при помощи делителя напряжения контрастностью; для настройки блока - инкрементальный энкодер с тактовой кнопкой EC11; для управления процессом досвечивания и вентиляцией посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) - полевые транзисторы с изолированным затвором IRL3705. Вся схема питается от сети переменного тока промышленной частоты 220 В, через импульсный блок питания (БП) с интегральным стабилизатором напряжения IC7805, источник тактового сигнала, встроенный с частотой 32 МГц. Для удобства управления режимами в блоки управления камерами встроен графический ЖК-дисплей для вывода информации и ввода основных параметров опыта (рисунок 2), отвечающих за функционирование работы микроклимата (время работы таймеров, температуры и влажности почвы и воздуха и др.) и режим досвечивания [10].

Рисунок 2 - Внешний вид графического ЖК-дисплея для вывода информации

Первая фаза экспериментов подразумевала исследование отклика древесных растений на влияние соотношений излучения в синем (B) и красном (R) диапазонах (бинарная оптимизация), а во второй фазе эксперимента рассматривалась триадная оптимизация с добавлением зеленого диапазона (G) в разных пропорциях.

Результаты и обсуждение. При выполнении фотобиологических исследований уровень плотности фотосинтетического потока фотонов (ПФПФ) в облучательных ячейках фитотрона составляли 70 и 90 мкмоль/(с-м ²). С целью выявления оптимальных показателей спектрального состава для дальнейшего анализа световых комбинаций с фиксированным значением облученности для опытных бинарных и триадных оптимизаций исследование проводилось в четырехкратной повторностью. Измерение спектра излучения фитооблучателей проводилось с помощью спектрометра "ТКА-Спектр" с программным обеспечением "Спектрорадиометр (ФАР)" версия 2.3.4 [10].

Общие условия эксперимента по микроклимату в облучательной камере соответствовали требованиям технологии выращивания древесных культур с закрытой корневой системой в условиях закрытого грунта.

В качестве объекта исследования были выбраны основные виды древесных растений, выращиваемых в питомниках Волгоградской области и применяемых при создании защитных насаждений Южного федерального округа - сосна крымская (Pirns nigra subsp. Pallasiana), туя восточная (Thuja L.), робиния лжеакация (Robiniapseudoacacia L.). Работа по определению влияния искусственного изучения на древесные растения начаты в 2019 году. Исследования в светодиодной облучательной установке производились при постоянном 15-часовом фотопериоде. Значение температуры воздуха в каждой ячейке фитотрона поддерживалось в автоматическом режиме на уровне +22...+25 °С с относительной влажностью - 40.55 % и температурой почвы - +22...+24 °С при влажности на уровне 50...60 %. Древесные растения выращивались в кассетных модулях Plantek 64f, которые применяются в питомниках древесных растений для наиболее естественного и правильного развития корневой системы. В качестве субстрата использовался подготовленный грунт с соотношением питательных веществ (мг/л): N (180-360); Р ₂О ₅ (180-360); К ₂О (270-530); pН КС 1 (4,9-5,6). Полив проводился в автоматическом режиме для поддержания требуемой влажности, повторность - четырёхкратная. Учёт биометрических параметров растений производился через 50 дней от всходов [1, 6, 8, 9].

Реализованные спектральные характеристики путем оптимизации комбинаций R-G- B и R-B досвечивания в условиях светодиодной облучательной установки и результаты измерения биометрических показателей развития сеянцев древесных культур, полученные при различных режимах досвечивания, приведены в таблице 2 и на рисунках 3, 4.

Таблица 2 - Влияние режимов облучения на биометрические показатели

Результаты проведенных экспериментов свидетельствуют о четко выраженной зависимости развития опытных образцов и качественных показателей от режимов облучения. Следует отметить, что в ходе исследований ряда древесных растений зависимости качественных показателей бинарных и триадных оптимизаций R-B и R-G-B комбинаций существенно различны.

Приведённые диаграммы визуализируют качественную оценку комбинаций воздействия R-G-B и R-B долей области ФАР и позволяют выразить следующее:

- максимально качественные показатели развития древесного растения очевидно можно достичь с приоритетным влиянием красного (R) излучения. Для хвойных пород эффект проявляется в большей степени. На диаграммах 3, 4 видно, что оптимальные значения биометрических показателей достигаются при полном красном (R) излучении (100 %), а также на вариантах соотношений R : В - 80 : 20 % и 60 : 40 %;

- резкое снижение показателей развития корневой системы и высоты растения однозначно наблюдается при преобладании доли синего (B) излучения. Снижение биометрических показателей достигало 45 % и ниже;

- присутствие в комбинации зеленого (G) излучения в области ФАР не показало существенного эффекта в развитии.

Рисунок 3 - Диаграмма развития высоты растения при бинарных и триадных оптимизациях

R-B и R-G-B комбинаций

Рисунок 4 - Диаграмма развития главного корня при бинарных и триадных оптимизациях R-B и R-G-B комбинаций

Анализ отклика лиственных растений (Robinia pseudoacacia L.) указывает на сложный характер влияния R-G-B и R-B излучения на данный вид растений. Максимальные значения по биометрическим показателям зафиксированы с приоритетным влиянием красного (R) излучения (100 %), а также на вариантах соотношений R : В - 80 : 20, как у хвойных растений, но в то же время диаметр корневой шейки у опытных образцов был менее развит и составлял 1±0,4 мм, что говорит о некачественном развитии сеянца. Высота растения развивалась у данных культур быстрее, и корневая шейка не справлялась с биомассой, вследствие чего Robinia pseudoacacia L. начинала "стелиться" по камере фитотрона.

Результаты проведенных исследований и литературный обзор по данной проблематике позволяют утверждать, что оценочные суждения о совместном воздействии спектральных характеристик R-G-B и R-B долей области ФАР и влиянии их на биометрические показатели, характерные для древесных растений как сложных приемников оптического излучения, осложняются субаддитивным или же, напротив, супераддитивным откликом в связи с наличием множества фотопигментов [6, 8]. Тогда применяемое выражение "оптимальный спектральный состав источника излучения для выращивания растений" довольно обобщенно и расплывчато. Можно отметить, что для большого числа видов древесных растений условие по спектральному составу, благоприятно влияющему на биометрические показатели, может резко разниться.

В фитобиологических исследованиях у древесных растений имеет место схожесть или близость по биометрическим показателям для совершенно разных спектральных составов, что говорит о сложности взаимодействия фоторегуляторного и энергетического процесса на клеточном уровне.

Выводы

Выполненные исследования опираются на прямые эксперименты по определению качественных показателей древесных растений, выращенных в искусственных условиях, предоставляют определенную "свободу выбора" проектировщикам облучательных установок на запуск в производство не только энергоэффективных образцов, но и экономически целесообразных. Полученные значения показывают необходимость уменьшения вредного излучения синей (B) области ФАР, которая негативно воздействует на зрение обслуживающего персонала тепличных хозяйств [3].

Опираясь на указанные обстоятельства по выбору триадного (R-G-B), бинарного (R-B) или квазимонохроматического (R) излучения, предпочтение для ряда древесных культур стоит отдать в пользу последнего. Проведённые фотобиологические исследования позволяют определить требования к благоприятным спектральным характеристикам источников оптического излучения на базе светодиодов, обеспечивающих максимальные качественные показатели развития сеянцев древесных растений, что может говорить о создании оптической технологии, как не маловажного элемента в составе агротехнологии, с применением автоматизированного управления при их выращивании.

Библиографический список

1. Изучение развития листового салата в облучательной камере / И.В. Юдаев [и др.] // Сельский механизатор. 2018. № 7-8. С. 24-25.

2. Исследование влияния излучения в различных диапазонах области ФАР на продуктивность и биохимический состав биомассы салатно-зеленных культур / Л.Б. Прикупец [и др.] // Светотехника. 2018. № 5. С. 6-12.

3. Оптимизация светотехнических параметров облучения при светокультуре салатнозеленных растений с использованием светодиодных излучателей / Л.Б. Прикупец [и др.] // Светотехника. 2019. № 4. С. 6-13.

4. Пентелькина Н.В. Проблемы выращивания посадочного материала в лесных питомниках и пути их решения // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. Брянск: БГИТА, 2012. Вып. 31. С. 189-193.

5. Green-light supplementation for enhanced lettuce growth under red-and blue-light-emitting diodes / H. H. Kim [et al.] // HortSci. 2004. Vol. 39. P. 1617-1622.

6. Koziel S., Ciaurri D. E, Leifsson L. Surrogate-Based Methods // Computational Optimization, Methods and Algorithms. Berlin, Heidelberg: Springer, 2011. P. 33-59.

7. McCree K. J. The action spectrum, absorbance and quantum yield of photosynthesis in crop plants // Agric. Meteorology. 1972. P. 192-216.

8. Pre-sowing treatment of robinia pseudoacacia l. seeds with electric field of high voltage / I. Yudaev [et al.] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 12th International Scientific Conference on Agricultural Machinery Industry, INTERAGROMASH 2019. 2019. P. 012078.

9. Taking the human out of the loop: A review of Bayesian optimization / B. Shahriari [et al.] // Proc IEEE. 2015. Vol. 104. I. 1. P. 148-175.

10. Woody plants seedlings irradiation lighting parameters by using LED transmitters in small-sized irradiation installations / D. S. Ivushkin [et al.] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Mathematical modeling of technical and economic systems in agriculture III-2020. 2020. V. 786.

Размещено на Allbest.ru