Титульный лист и исполнители
РЕФЕРАТ
Отчет 156 с., 72 рис., 28 таблиц, 85 источников.
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, ИНТЕНСИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ, РАСТЕНИЯ, СТИМУЛИРОВАНИЕ,ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, АДАПТИВНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ, ОВОЩНАЯ КУЛЬТУРА, КУЛЬТИВАЦИОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ, КОНТРОЛИРУЕМЫЕ УСЛОВИЯ.
Целью исследования:научно обосновать и разработать комплекс энергосберегающих элементов технологии выращивания агрокультур в контролируемых условиях.
Объект исследования – совокупность растений, технических средств и технологических параметров электротехнологического воздействия на растения для выявления режимов, обеспечивающих ускорение их вегетации, при минимальном расходе энергии.
Предмет исследования – процессы электротехнологического воздействия на растения с целью обоснования их оптимальных технологических,электротехнических и светотехнических параметров.
Проведен анализ существующих способов, методов и устройств для воздействия электрическим и магнитным полем, электромагнитным излучениемразличных частот(в т.ч. свет) на биологические объекты, в частности, на растения агрокультур.
Усовершенствованы способы стимулирования растений в электрическом и магнитном полях, разработаны электрические и конструктивные схемы устройств для электрического и магнитного стимулирования, разработана система адаптивного освещения растений, содержащая регулируемые светодиодные RGB-светильники и автоматизированную программируемую систему управления ими.
Разработана совокупность лабораторных установок для исследования электротехнических, технологических и светотехнических параметров процессовэлектротехнологического воздействия на растения.
Проведены экспериментальные исследования по обоснованиюоптимальных технологических и электротехнических параметров процессавоздействия на растения электрическим полем, направленныена увеличение скорости вегетации растений различных агрокультур. Установлено, что стимулирование растений в электрическом поле имеет определенный положительный эффект, так как повышает интенсивность метаболических обменных процессов, что, в конечном итоге, проводит к сокращению сроков выращивания и энергозатрат.
Проведены экспериментальные исследования по обоснованиюоптимальных технологических и электротехнических параметров процессавоздействия на растения магнитным полем, показавшие, что, в целом,скорость роста растений, стимулируемых в магнитном поле, была выше чем на контроле, что, в конечном итоге, также проводит к сокращению сроков выращивания и энергозатрат.
Проведена серия экспериментальных исследований направленных на выявление оптимальных светотехнических характеристик системы адаптивного освещения растений. Установлено, что спектральный состав света существенно влияет не только на интенсивность вегетации растений, но и на нутриентный состав листовой и плодовой частей.
Частично нашла своё подтверждение гипотеза о том, что комбинированное воздействие на растения различными факторами электротехнологии позволяет получить мультипликативный эффект, выражающийся в существенном повышении скорости роста и развития растений, приводящее к сокращению сроков вегетации, что даёт возможность получения большего количества урожаев за год. Таким образом, за счёт применения разработанных отдельных элементов технологии выращивания агрокультур в условия высокотехнологичных культивационных сооружений, возможно повысить энергосбережение технологии в целом.
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВКС – высокотехнологичное культивационное сооружение;
КВЧ – крайне высокие частоты;
КС – контролируемая среда;
КУ – контролируемые условия;
МП – магнитное поле;
ОИ – оптическое излучение;
СВЧ – сверхвысокие частоты;
СЭХ(П) – светотехнические и электротехнические характеристики (параметры);
ЭМП – электромагнитное поле;
ЭП – электрическое поле;
ЭС – электрическая схема;
ЭСП – электростатическое поле.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность.Выращивание растений различных агрокультур, в т.ч. и овощных культур, в условиях закрытого грунта или в ещё более контролируемых условиях (в условиях высокотехнологичных культивационных сооружений) сопровождается высокими затратами энергии, как тепловой, для поддержания оптимальных параметров микроклимата, так и электрической, главным образом для освещения (досвечивания) растений. В условиях роста цен на энергоносители всё более актуальной становится задача снижения энергозатрат, т.е. повышения энергоэффективности светотехнического и иного технологического оборудования [1; 3; 10].
Внедрение светодиодных фитосветильников, взамен люминесцентных, для освещения теплиц способствует частичному решению данной задачи, однако, возникают новые, связанные со спектральным составом света, излучаемого светодиодными светильниками. Состав спектра светодиодного светильника часто не соответствует потребностям растений. В следствие этого несоответствия возможно отставание в развитии растений, от аналогичного развития, при освещении специальными люминесцентными источниками света, спектр света которых большей степени соответствует спектру естественного солнечного излучения [2; 4; 9].
Оптимальные характеристики спектра света для каждой выращиваемой культуры, в настоящее время, не обоснованы и даже слабо изучены [2; 3].
Похожие проблемы возникают при выращивании меристемных растений, например, при производстве безвирусных семян картофеля отечественной селекции. Проблема в том, что в процессе селекционной работы значительная часть времени тратится на выращивание отобранных микроклональных ростков до необходимых размеров. Это снижает интенсивность селекции и приводит к увеличению материальных затрат. Возникает задача, связанная с ускорением роста микроклональных ростков, а, следовательно, и ускорения селекции.
При этом, важно создать экологически чистые методы и технологии для обеспечения ускорения селекции.
Одним из вариантов обеспечения ускоренной селекции, как и выращивания овощных культур в контролируемых условиях, является применение современных электротехнологий в т.ч. электромагнитного стимулирования и адаптивного освещения растений [3; 8].
В настоящее время в Российской Федерации устройства для ускоренной селекции меристемных растений не производятся, а установки для интенсивного производства агрокультур, в т.ч. зеленных, культур ограниченны узким кругом моделей, преимущественно иностранного производства, обладающих ограниченными функциональными возможностями.
В связи с вышеперечисленным, очевидна необходимость совершенствования уже имеющихся способов и устройств и, разработки новых, способных обеспечить ускорение процессов вегетации,при минимальных затратах энергии.
Целью исследования:научно обосновать и разработать комплекс энергосберегающих элементов технологии выращивания агрокультур в контролируемых условиях.
Задачи исследования:
— усовершенствовать способ стимулирования растений в электрическом поле, разработать и обосновать электрическую и конструктивную схему устройства, обеспечивающего реализацию способа;
— исследовать возможность получения положительного эффекта от воздействия на растения электрическим полем и определить оптимальные характеристики электрического поля, в процессе воздействия;
— разработать и обосновать электрическую и конструктивную схему устройства для стимулирования растений в магнитном поле;
— исследовать возможность получения положительного эффекта от воздействия на растения магнитным полем и определить оптимальные характеристики магнитного поля, в процессе воздействия;
— разработать систему адаптивного освещения растений и исследовать её эффективность, при выращивании растений в контролируемых условиях.
Объект исследования – совокупность растений, технических средств и технологических параметров электротехнологического воздействия на растения для выявления режимов, обеспечивающих ускорение их вегетации, при минимальном расходе энергии.
Предмет исследования – процессы электротехнологического воздействия на растения с целью обоснования их оптимальных технологических, электротехнических и светотехнических параметров.
Повышение энергоэффективности выращивания агрокультур в КУвозможно осуществляется за счет сокращения вегетационного периода растений, т.е. ускорения их роста, например, зеленных и овощных культур, за счет их стимулирования электрическим либо магнитным, либо комбинированным электромагнитным полем, являющимися естественными для растений.
Важно, что применение электротехнологии (электротсимулирования) является экологически чистым способом повышения продуктивности растений, не снижающим качество получаемой продукции и не загрязняющим окружающую среду.
При производстве (выращивании) агрокультур в КС дополнительное повышение энергоэффективности возможно за счет применения адаптивного светодиодного освещения растений.
В целом, комплекс исследований направлен на установление теоретических и экспериментальных зависимостей между характеристиками электрического и магнитного полей, в процессе их воздействия на семена и растительные объекты, и улучшением их посевных, ростовых и биологических качеств, приводящих к увеличению урожайности исследуемых культур и улучшению качества получаемой продукции.
1 СТИМУЛИРУЮЩЕЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ НА РАСТЕНИЯ АГРОКУЛЬТУР
1.1 Анализ способов и устройств для стимулирующего воздействия на растительные объекты различными электрофизическими факторами
1.1.1 Анализ способов и устройств для стимулирующего воздействия электрическим полем на растительные объекты
В процессе роста на растения оказывают влияние различные факторы внешней среды, в том числе и естественное электрическое и магнитное поля земли. Сравнительно недавно доказано, что электромагнитное поле оказывает прямое и косвенное действие на растения.
Известно, что слабый электрический ток, пропускаемый через почву, благотворно влияет на жизнедеятельность растений. При этом исследований по электризации почвы и влиянию данного фактора на развитие растений проведено мало, и данный вопрос недостаточно изучен.
Электрические явления играют важную роль в жизни растений. В ответ на внешние раздражения в них возникают очень слабые токи (биотоки). В связи с этим можно предположить, что внешнее электрическое поле может оказать заметное воздействие на темпы роста растений [21, 23, 35; 33].
Например, пропуская слабые электрические токи через почву в зоне расположения корневой системы, возможно оказывать влияние на интенсивность питания, а, следовательно, и рост растения (рис. 1.1).
В XIX в. ученые установили, что земной шар заряжен отрицательно по отношению к атмосфере. В начале XX столетия на расстоянии 100 км от поверхности земли была обнаружена положительно заряженная прослойка – ионосфера, она имеет вид светящейся прозрачной сферы. Таким образом, земная поверхность и ионосфера представляют собой два электрода, создающих электрическое поле, в котором постоянно находятся живые организмы [38; 41; 42; 43].
Рис. 1.1. Схема стимулирующего воздействия на растение постоянными токами, проходящими через почву в зоне его корневой системы
Заряды между Землей и ионосферой переносятся аэроионами. Носители отрицательных зарядов устремляются к ионосфере, а положительные аэроионы движутся к земной поверхности, где вступают в контакт с растениями. Чем выше отрицательный заряд растения, тем больше оно поглощает положительных ионов. Однако до сих пор положительное или отрицательное действие электрического поля на растения не доказано. Замечено, что частые грозы благоприятствуют росту растений. Однако грозовое лето отличается не только частотой молний, но и температурой, количеством осадков, поэтому, какой из факторов оказывает решающее влияние, неизвестно [47].
Ученые Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева АН СССР установили, что фотосинтез идет тем быстрее, чем больше разность потенциалов между растениями и атмосферой. Так, например, если около растения держать отрицательный электрод и постепенно увеличивать напряжение, то интенсивность фотосинтеза будет возрастать. Если же потенциалы растения и атмосферы близки, то растение перестает поглощать углекислый газ.
Пропуская через растения электрический ток, можно регулировать не только фотосинтез, но и корневое питание, так как нужные растению элементы поступают, как правило, в виде ионов. Американские исследователи установили, что каждый элемент усваивается растением при определенной силе тока [48].
Электрическое поле влияет не только на взрослые растения, но и на семена. Если их на некоторое время поместить в искусственно созданное электрическое поле, то они быстрее дадут всходы. Существует предположение, что внутри семян в результате воздействия электрическим полем разрывается часть химических связей, что приводит к возникновению «осколков» молекул, в том числе частиц с избыточной энергией – свободных радикалов. Чем больше активных частиц внутри семян, тем выше энергия их прорастания.
К тому жев некоторых исследованиях установлено, что это воздействие на почву электрическим током изменяет передвижение различных видов почвенной влаги, способствует разложению ряда трудноусваиваемых для растений веществ, провоцирует самые разнообразные химические реакции, в свою очередь, изменяющие реакцию почвенной влаги. Ориентировочно определены и параметры электрического тока, оптимальные для разнообразных почв: от 0,02 до 0,6 мА/см2 для постоянного тока и от 0,25 до 0,50 мА/см2 – для переменного [48; 50; 55; 56].
Известны различные способы создания токов в почве. Например, за счет добавления металлических элементов в почву, согласно патенту на изобретение «Способ электростимуляции жизнедеятельности растений» [57].
Способ включает внесение в почву на глубину, удобную при дальнейших обработках, с определенным интервалом в соответствующих пропорциях металлических частиц в виде порошка, стержней, пластин различной формы и конфигурации, выполненных из металлов различных типов и их сплавов, отличающихся своим отношением к водороду в электрохимическом ряду металлов, чередуя внесение металлических частиц одного типа металлов, с внесением металлических частиц другого типа, учитывая состав почвы и тип растения. Основывается способ на свойстве воды изменять свой водородный показатель при соприкосновении ее с металлами.
В случае применения данного способа для посевных площадей количество вносимых металлических пластин рассчитывается от желаемого эффекта электростимуляции растений, от типа растения, от состава почвы.
Для применения на посевных площадях предлагается вносить 150-200 г медьсодержащих пластин и 400 г металлических пластин, содержащих сплавы цинка, алюминия, магния, железа, соединения натрия, кальция на 1 м2 [58].
Очевидно, что такой способ ограниченно применим только для приусадебных участков. В полевых условиях потребовалось бы от 2 до 4 т металлов на 1 га поля, что показывает абсолютную непригодность данного способа.
Существуют и различные нетрадиционные методы электростимуляции. Например, известно устройство для стимуляции роста растений под названием «Электрогрядка» [11; 27].
Устройство создано по подобию большого дерева. Оно представляет собой природный источник питания, преобразующий свободное электричество земли в электрический ток, образующийся в результате движения квантов в газовой среде.
В результате ионизации молекул газа осуществляется перенос низкопотенциального заряда от одного материала к другому и возникает ЭДС.
Указанная низкопотенциальная электродвижущая сила практически идентична электрическим процессам, происходящим в растениях, и может использоваться для стимуляции их роста.
Принцип работы устройства «Электрогрядка» следующий. Алюминиевая трубка, заполненная специальным составом, – аналог кроны дерева, где при взаимодействии с воздухом образуется отрицательный заряд (катод, минус 0,6 В). В земле протянут проводник в виде спирали, который играет роль корня дерева – земля (анод, плюс).
Электрогрядка работает по принципу тепловой трубки и генератора постоянного импульсного тока. При взаимодействии с влагой воздуха, являющейся электролитом, происходят импульсные электрические разряды, которые как бы «притягивают» воду с глубин земли, озонируют воздух и, тем самым, удобряют землю грядки азотом.
Такой способ стимулирования, также, как и предшествующий, вызывает сомнения в работоспособности. К тому же, автор материала не уточняет, какого рода «специальный состав» помещается в трубку.
Если предположить, что способ работоспособен, то он пригоден лишь для очень малых площадей. Например, опять-таки, приусадебных участков, так как по данному способу стимулирование производится на участке, в пределах небольшого радиуса (нескольких метров) от установленной трубки. Для промышленного применения данный способ непригоден.
Существуют и вполне научные способы электростимулирования, которые, к сожалению, не нашли широкого распространения.
Так, В.В. Логинов предложил следующий способ стимулирования роста растений в теплицах [14; 13]. Суть в том, что в теплице в дневное время на излучатели, выполненные в виде струн, размещенных над растениями на высоте от 0,5 до 2,5 м от уровня грунта, подают постоянный ток положительной полярности, с потенциалом от плюс 1700 В до плюс 4500 В и создают статическое электростатическое поле.
При этом блок питания изолирован от почвы и снабжен сигнализатором включения, а излучатели выполнены в виде струн из неизолированного металлического провода диаметром от 0,15 до 0,25 мм. Провода расположены в одной горизонтальной плоскости через 0,5-1,0 м между собой и закреплены на изолирующих растяжках.
Высота расположения струн h составляет от 0,5 до 2,5 м от уровня грунта. Чтобы провод не провисал, его размещают на подвесе из капронового шнура, натянутого через интервалы от 2 до 4 м, поперек теплицы. Количество натянутых струн зависит от ширины теплицы. Струны присоединяют к источнику тока высокого напряжения. Включают источник тока высокого напряжения и в течение светового дня (8 ч и более) создают электрическое поле положительной полярности над растениями, стимулируя их рост.
Работоспособность данного способа стимуляции вызывает наибольшие сомнения. По мнению большинства авторов [17; 19; 90] к надземной части растений необходимо подавать отрицательно заряженный электрод, так как подведение положительно заряженного электрода приводит к прекращению фотосинтеза в верхней части растений.
Наиболее сложным в техническом и технологическом отношении является способ стимуляции развития и роста растений путем их импульсного омагничивания, предложенный Г.В. Бешновым, А.А. Цымбалом, М.Т. Упадышевым, В.И. Донецких [24].
Устройство обеспечивает обработку растений периодической последовательностью заранее установленным количеством импульсов магнитной индукции сразу в двух взаимно перпендикулярных направлениях сдополнительнымвоздействиемразновременнымиимпульсамиинфракрасногоисветовогоизлучений (разнойдлиныволны) наразныечастирастения.
При обработке растений предложенным методом их размещают и ориентируют в полости каркаса вертикальной катушки индуктора таким образом, чтобы базальные части растения были направлены в сторону источника инфракрасного излучения, а апикальные – в сторону импульсной газоразрядной лампы.
Недостатком способа является то, что он подразумевает индивидуальный подход к каждому растению в отдельности, что делает его неприменимым в полевых условиях, а лишь в тепличных.
Наиболее близким к естественному, по мнению авторов, является применение низкочастотного электромагнитного поля низкой напряженности, так как естественное электромагнитное поле земли, также низкочастотное. Кроме того, это дает широкие возможности для варьирования частот ЭМП и создает возможность генерации модулированного по амплитуде и частоте ЭМП, с заданной формой сигнала [26; 91].
Ученые Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева установили, что фотосинтез идет тем быстрее, чем больше разность потенциалов между растениями и атмосферой. Так, например, если около растения держать отрицательный электрод и постепенно увеличивать напряжение (500, 1000, 1500, 2500 В), то интенсивность фотосинтеза будет возрастать (до определенных пределов). Если же потенциалы растения и атмосферы близки, то растение перестает поглощать углекислый газ [9; 92].
Известны и другие способы и устройства, например, устройство для измерения биотоков растений, способное производить стимулирование роста растений, включающее воздействие коронного разряда с помощью проволочных электродов, размещенных в надземной зоне, и электродов, размещенных в грунте, при котором на проволочные электроды, располагающиеся прямо по растениям, подают отрицательный электрический потенциал, достигающий 20 кВ, а в засушливую погоду до 60 кВ [13].
Недостатком устройства является то, что на электроды подают напряжение величиной до 60 кВ, что может вызвать ожоги растений в местах касания, и то, что заземление положительной полярности проводят в нижнем слое надпочвенного грунта, что усложняет реализацию этого способа в условиях теплицы.
Известно также устройство для стимуляции развития и роста растений, включающее стойки из электроизолирующего материала и сферу из метрической сетки, соединенной с источником высокого напряжения через переключатель полярности. Стойки размещают на площади поля через 30-50 м, а на сферу подают напряжение до 10 кВ при высоте стоек до 6 м [14].
Недостатками такого устройства являются большая высота стоек, что не позволяет устанавливать их в теплицах, и то, что на сферу подают напряжение до 10 кВ, создавая повышенное поле вокруг сферы при неравномерности поля между сферами.
Наиболее интересным является способ, согласно которому в теплице на излучатели, выполненные в виде струн, размещенных над растениями, подают постоянный ток положительной полярности с потенциалом от плюс 1,7 до плюс 4,5 кВ и создают электростатическое поле [15].
При этом излучатели выполнены в виде струн из неизолированного металлического провода и закреплены на изолирующих растяжках.
Эксперимент по испытанию предлагаемого способа был поставлен в теплицах ЗАО «Тепличное» (совхоз «Орждоникидзевский» г. Свердловска).
Опыт проводили на делянках площадью 4 м2 в четырехкратной повторности.
Стимулирование роста растений электрическим полем испытывали на розах с февраля по сентябрь, подавая напряжение с 8 ч утра до 17 ч дня ежедневно, а на гвоздике ремонтной в те же часы, но до мая.
Опыт включал три варианта: 1) контрольный вариант без электростимуляции; 2) вариант прототипа с созданием электростатического поля отрицательной полярности над растениями; 3) вариант по предложенному способу с электростатическим полем положительной полярности.
Исследование накопления сухого вещества показало, что сухое вещество активнее образуется при обработке растений электростатическим полем положительной полярности, что влияет на урожай.
Более интенсивное накопление сухого вещества способствовало увеличению урожайности роз.
Данные эксперимента убедительно показывают, что прослеживается явное преобладание накопления сухого вещества и повышение урожая роз от воздействия электростатического поля положительной полярности по предложенному способу стимуляции [15].
Проведенный обзор существующих способов электрического, магнитного или какого-либо иного электротехнологического способа стимулирования показал, что данное направление недостаточно изучено.
Не найдены теоретические основы, однозначно описывающие механизм взаимодействия электромагнитных полей с растительными объектами. Отсутствуют достоверные экспериментальные сведения о факторах электростимулирования, оказывающих позитивное или негативное воздействие на растения или семена. Следовательно, вопросы электростимулирования растений требуют более глубокой проработки.
В связи с этим целью исследования является повышение эффективности и снижение времени производства зеленных культур за счет совершенствования характеристик электростимулирующего устройства.
1.1.2 Анализ способов и устройств для стимулирующего воздействия на растения магнитным полеми электроактивированной водой
Применение магнитного поля.
Стимулирование растений к ускоренному росту и развитию возможно осуществить, применяя не только электрическое, но и магнитное поле. Например, известно устройство обеспечивающее обработку растений периодической последовательностью импульсов, с заранее установленным их количеством и магнитной индукцией, сразу в двух взаимно перпендикулярных направлениях, с дополнительным воздействием разновременными импульсами инфракрасного и светового излучений (разной длины волны) на разные части растения.
При обработке растений предложенным воздействием их размещают и ориентируют в полости каркаса вертикальной катушки индуктора таким образом, чтобы базальные части растения были направлены в сторону источника инфракрасного излучения, а апикальные – в сторону импульсной газоразрядной лампы.
Недостатком способа является то, что он подразумевает индивидуальный подход к каждому растению в отдельности, что делает его неприменимым в полевых условиях, а лишь в тепличных.
Наиболее близким к естественному, по мнению авторов данной работы, является применение низкочастотного электромагнитного поля (ЭМП), низкой напряженности, так как естественное электромагнитное поле земли, также низкочастотное. Кроме того, это дает широкие возможности для варьирования частот ЭМП и создает возможность генерации модулированного по амплитуде и частоте ЭМП, с заданной формой сигнала [10, 17, 18; 93].
Характер взаимодействия ЭМП и растительного биологического объекта исследован недостаточно. Сложность заключается в том, что даже при неизменных параметрах ЭМП сам биообъект является неоднородным по физическим параметрам: удельной электропроводности G, диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостей [43, 44, 48, 50, 51].
Применение электроактивированной воды.
Активированная (электроактивированная) вода получается с помощью электролиза обычной водопроводной воды.
Воздействие на воду постоянного электрического тока вызывает поступление электронов в воду у катода и удаление электронов из воды у анода, что сопровождается серией электрохимических реакций на поверхности катода и анода, в результате которых образуются новые вещества, изменяется система межмолекулярных взаимодействий и структура воды как растворителя [30]. После обработки электричеством вода разделяется на две фракции – анолит и католит, каждая из которых обладают целебными свойствами.
Электроактивированная вода характеризируется концентрацией водородных ионов и измеряется в единицах pH (значения этого показателя измеряются в пределах от 0 до 14 ед.).
«Мертвая» вода (анолит, кислотная вода, бактерицид) имеет кислотные свойства, поэтому обладает дезинфицирующими свойствами. Это коричневатая жидкость, с кисловатым привкусом, с характерным запахом и рН, в интервале от 4 до 5 единиц. Кислотная вода обладает ярко выраженными бактерицидными свойствами.
«Живая» вода (католит, щелочная вода, биостимулятор) обладает щелочными свойствами, которые оказывают заживляющее действие. Это очень мягкая, светлая, с щелочным привкусом вода, иногда с белым осадком, ее рН составляет от 10 до 11 единиц. Обладает антиоксидантными, иммуностимулирующими, детоксицирующими свойствами, нормализует метаболические процессы (повышение синтеза АТФ, изменение активности ферментов), стимулирует регенерацию клеток. Щелочная вода очень мягкая, своим щелочным вкусом напоминает дождевую воду. Она обладает стимулирующим и тонизирующим действием, ускоряет биологические процессы в растениях [31; 95].
Подводя итоги анализа электрофизических способов стимулирования роста и развития растений, можно заключить, что существует семь наиболее распространенных способов стимулирования растений (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Классификация электрофизических способов стимулирующего воздействия на растения
Проведенный анализ существующих способов и устройств для электрического, магнитного или какого-либо иного электротехнологического способа стимулирующего воздействия на растения, показал недостаточную глубину и полноту исследования данного вопроса.
Характер взаимодействия ЭМП и растительного биологического объекта полностью не раскрыт. Сложность заключается в том, что даже при неизменных параметрах ЭМП сам биообъект является неоднородным по физическим параметрам: удельной электропроводности G, диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостям [25].
Не найдены теоретические основы, однозначно описывающие механизм взаимодействия электрических, магнитных или электромагнитных полей с растительными объектами. Отсутствуют достоверные экспериментальные сведения о факторах стимулирования, оказывающих позитивное или негативное воздействия на растения или семена. Также отсутствуют убедительные рекомендации относительно параметров электрического или магнитного полей, таких как напряженность, частота, направленность, индукция, время воздействия и релаксации и т.д., соблюдая которые, можно было бы добиться устойчивого повышения урожайности (продуктивности) различных агрокультур, выращиваемых, как в открытом, так и в закрытом грунте.
1.2 Теоретические исследования процесса взаимодействия растительного объекта с электрическим полем
1.2.1 Факторы воздействия электрическим полем на растительныеобъекты
В настоящее время известны многочисленные и, в большинстве случаев, проведенные с положительным эффектом, исследования по применению тепловых, световых, электромагнитных и других физических воздействий на семена и растения с целью улучшения всхожести и повышения энергии прорастания, увеличения сбора и качества собранной продукции. Необходимо отметить, что такое использование для обработки и стимуляции растительных объектов, перечисленных факторов, позволяет их отнести к экологически чистым, и тем самым давая им дополнительные преимущества в земледелии на фоне растущего загрязнения окружающей среды пестицидами и другими химическими препаратами [39].
Сегодня насчитывается множество разнообразных способов для стимулирующего воздействия на растения и улучшения их ростовых функций, применением лазерного и ультразвукового излучения, холодной плазмы, электрического, магнитного и электромагнитного полей и прочих воздействий различной физической природы [40].
Из всего многообразия физических факторов, наибольшая чувствительность растений проявляется к таким как свет, звук, магнитные, электрические и электромагнитные поля, что связано, в первую очередь, с тем, что именно они на протяжении всей истории существования и эволюции растений были и остаются естественными компонентами окружающей среды. Наиболее технически реализуемыми, как в условиях защищенного, так и открытого земледелия, на наш взгляд, следует рассматривать стимуляцию растений и влияние на их рост и развитие магнитных, электрических и электромагнитных полей.
Положительное влияние предпосевной обработки семян исследовано и показано на овощных, зерновых, технических и декоративных культурах в электростатическом поле, в постоянном магнитном поле, в переменном магнитном поле и в электромагнитном поле промышленной частоты. Полученные результаты свидетельствуют, что наблюдалось повышение всхожести культур, лучшее развитие растений на фоне контрольных групп, устойчивость к заболеваниям и вредителям, увеличение качества и количества собираемого урожая[42; 43; 45].
Также изучались технологии обработки растительного материала, например, низкочастотным электрическим полем при выращивании растений винограда, которые лучше развивались и давали более обильный урожай. Воздействие импульсным низкочастотным электрическим полем на клубни картофеля приводит к увеличению числа и массы клубней с одного растения, но в тоже время было показано отсутствие достоверного и выраженного влияния обработки на такие морфометрические показатели как высота растений картофеля, число листьев на стебле и сырая масса ботвы[48].
Клубни картофеля также обрабатывались переменным электромагнитным полем промышленной частоты и переменным магнитным полем, что позволило получить увеличение числа стеблей и повышение урожайности.
Но при всем при этом механизм действия таких обработок семян и растений пока остается не изученным и требует исследования физиологических, биохимических и биофизических процессов, происходящих в обработанных растениях, и, кроме того, необходимо изучение и выявление режимов обработок, так как до сих пор воспроизводимость выявленных в экспериментах режимов оставляет желать лучшего.
Электрофизическое стимулирование растений сельскохозяйственных культур является одним из передовых и действенных способов получения высоких урожаев при больших производствах овощной, зеленной и клубнеплодной продукции. В результате у растений, которые были подвержены стимуляции, повышается скорость обменных процессов и устойчивость ко многим болезням, что в результате ведет к увеличению урожайности[44;71;72].
Но в тоже время при этом существует ряд нерешенных проблем, ограничивающих применение данного способа:
— отсутствие четких и однозначно выявленных параметров воздействующего электрического или магнитного полей (напряженность, частота, форма кривой подводимого напряжения и т.п.);
— отсутствие обоснования продолжительности стимулирования – продолжительности каждого цикла стимулирования, количество циклов и их распределение в течение суток и т.п.;
— отсутствие обоснования чередования циклов стимулирования и релаксации;
— отсутствие аргументированного обоснования направленности электрического и магнитного полей относительно стимулируемых растений и семян.
Нерешенность перечисленных проблем существенно снижает эффективность стимулирования, а в некоторых случаях приводит к противоположному эффекту – угнетению растений.
1.2.2 Разработка конструктивно-технологической схемы способа стимулирующего воздействия на растения электрическим полем
Для практической реализации способа электростимуляции растений предлагается использовать пульсирующее, то есть однонаправленное, электрическое поле в зоне расположения растений. Такое поле, по своей природе, будет являться электромагнитным. Магнитная составляющая поля выражена, при этом, очень слабо. Появляется магнитная составляющая поля вследствие изменения во времени величины электрического поля, так как любое изменение электрического поля (даже однонаправленного) вызывает генерацию переменного магнитного поля вследствие явления электромагнитной самоиндукции[80; 81].
Стимулирующее воздействие осуществляется следующим образом: растения располагаются между двумя электродами различной полярности (независимо от их формы и размеров), при этом, под корнями растений находится электрод с положительным потенциалом, а над растением – с отрицательным. То есть направление внешнего, прикладываемого к растению, электрического поля Е будет совпадать с направлением роста растений (Рис. 1.2.1. Таким образом, над растениями размещаются один или несколько металлических электродов 1, и с противоположной стороны – один или несколько электродов 2, которые размещаются либо непосредственно в почве 7, возле корней растений, либо ниже емкости с почвой, и при этом, растения 6, будут находиться между электродами, в относительно однородном электромагнитном поле (Рис. 1.2.1.).
Рис. 1.2.1. Конструктивно-технологическая схема электростимулирующего воздействия на растения:
1 – верхний электрод (с отрицательным потенциалом); 2 – нижний электрод
(с положительным потенциалом); 3 – генераторная силовая установка с блоком управления; 4 – штанга для крепления верхнего электрода; 5 – изоляторы;
6 – стимулируемые растения; 7 – почва
На электроды подается пульсирующее напряжение определенной амплитуды и частоты.
Частота подаваемого пульсирующего напряжения определяется экспериментальным путем, на основании реакции растений (отзывчивости) на определенную частоту.
Кроме того, возможно подводить на электроды не просто пульсирующее (выпрямленное) напряжение, а дополнительно его модулировать, используя определенную функцию. Например, функцию разряда конденсатора или меандр (П-образная форма).
Важным вопросом является вопрос о величине напряжения, подаваемого на электроды. Это напряжение определяется расстоянием между электродами h, примерно равным высоте расположения верхнего электрода относительно почвенного слоя, и требуемой величиной напряженности электрического поля Етр, в котором находятся растения [58].
Требуемая напряженность поля также определяется экспериментальным путем на основе отзывчивости растений к определенному значению напряженности. Некоторые исследователи, проводившие подобные эксперименты, рекомендуют напряженность в интервале от 10 до 50 кВ/м [22].
Важно, чтобы все части растения, как корни, так и надземная растительная часть, не имели контакта с электродами. При наличии гальванического контакта растений с электродами, через их стебли и корни начнут протекать недопустимо большие, по величине, токи сквозной проводимости, что приведет к гибели растений.
Важно, также соблюдать периоды стимулирования и покоя растений. То есть, если чрезмерно увеличивать время стимулирования, и сокращать время покоя, то нарушатся естественные, природные циклы жизнедеятельности растений. Это может привести к обратному эффекту – угнетению растений.
Для обоснования оптимальных значений времени стимулирования и покоя необходимо проведение серии экспериментальных исследований на различных видах зеленных культур.
Конструктивная схема расположения стимулируемых растений относительно электродов, представленная на рисунке 1.2.1, может быть выполнена не только в одноярусном виде, но и в многоярусном, где ярусы расположены непосредственно друг над другом (Рис. 1.2.2).
Такая схема расположения позволяет организовать более компактное расположение растений в процессе выращивания и увеличить объемы производства, не снижая качества продукции.
Такое решение актуально при создании так называемых биотехнологических модулей – закрытых контейнеров, предназначенных для ускоренного производства растительной продукции, в т.ч. и для ускоренной селекции.
Рис. 1.2.2. Многоярусная конструктивно-технологическая схема электромагнитного стимулирования растений:
1 – верхний электрод; 2 – нижний электрод; 3 – генераторная установка с блоком управления; 4 – штанга для крепления верхнего электрода; 5 – изоляторы;
6 – стимулируемые растения; 7 – почв
Такое расположение ярусов, а, следовательно, и электродов, не скажется на характеристиках стимулирующего электромагнитного поля, а, следовательно, и качества стимулирования. Так как электрическое поле создается всегда между парой электродов, имеющихразноименные потенциалы, то количество ярусов не ограничено.
Рис. 1.2.3. Конструктивно-технологическая одноярусная схема электромагнитного стимулирования растений в закрытом грунте:
1 – верхний (струнный) электрод; 2 – нижний (заземленный) электрод;
3 – генераторный силовой блок с блоком управления;
4 – стимулируемые растения; 5 – грунт
Для выращивания растений имеющих большую высоту, например, томатов, необходимо одноярусное размещение (Рис. 1.2.3). Таким образом данный метод стимулирования растений является универсальным в применении к любым видам овощной продукции.
Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала и растений, верхний электрод 1 (Рис. 1.2.3) должен быть надежно заизолирован, а нижний электрод 2 – надежно заземлен. При этом изоляция верхнего электрода никаким образом не скажется на форме и характеристиках электрического поля, т.к. материал изоляции является диэлектриком, то есть имеет высокое значение диэлектрической проницаемости.
Заземление нижнего электрода 2, также не может сказаться на характеристиках электрической цепи, а точки зрения электробезопасности, заземления будет играть роль выравнивания потенциалов между заземленными металлическими частями электроустановки и электродом блока стимулирования.
Электроды могут быть выполнены в виде пластин, трубок небольшого сечения или проводов (струн). Важно не допустить затенение растений электродами, поэтому наиболее эффективно использовать струнные электроды. Однако струнные электроны небольшого диаметра могут вызвать образование коронного разряда, при подаче на них высокого напряжения. Поэтому при разработке системы электродов необходима проверка на корону. В результате в зоне стимулирования, над растениями устанавливаются несколько электродов 1, изготовленных из изолированного провода диаметром 5 мм, а с под растениями – один или несколько электродов 2, которые устанавливаются ниже емкости с почвой, таким образом растения 6, будут располагаться в относительно однородном электромагнитном поле.
Авторами данной работы также были проведены поисковые экспериментальные исследования, в результате которых установлено, что наиболее эффективным диапазоном значений напряженностей поля является интервал от 30 до 50 кВ/м [18; 27; 31; 32].
В процессе стимулирования растений важно верхние электроды установить так, чтобы все надземные части растений, не имели контакта с электродами. В случае касания электродов и растений, т.е. образования электрического контакта, через их надземные и корневые части начнут протекать недопустимо высокие токи сквозной проводимости, что приведет к повреждению или гибели растений.
Предложенная конструктивная схема способа электростимулирования позволяет осуществлять воздействие на растения не только овощных культур, но и микроклональных ростков меристемных культур в целях ускоренной селекции (Рис. 1.2.4).
Рис. 1.2.4. Многоярусная конструктивно-технологическая схема электростимулирующего воздействия на микроклональные
ростки меристемных культурпри ускоренной селекции:
1 – верхний электрод; 2 – нижний электрод; 3 – высоковольтный регулируемый источник
напряжения; 4 – диэлектрический каркас для крепления струнных электродов;
5 – изоляторы; 6 – стимулируемые растения в пробирках; 7 – пробирка
Для управления системой стимулирования разработан специальный блок управления, структурная схема которого представлена на рисунке 1.2.5.
Питание цепи осуществляется от сети переменного напряжения 220 В. Для стимулирования растений импульсным полем, необходимо постоянное напряжение. Поэтому, одним из основных элементов схемы, является импульсный источник питания (ИИП), преобразующий переменное напряжение в постоянное, и поддерживающий его на заданном уровне.
Рис. 1.2.5. Принципиальная структурная схема блока управления
системой электростимулирования:
ФВ – фильтр входной помехоподавляющий; ИИП – импульсный источник
питания; ГС – генератор сигнала; УВ – усилитель высоковольтный;
БС – блок стимулирования
Генератор сигнала (ГС) запитан также от постоянного напряжения. Он формирует выходное напряжение заданной формы и частоты. Это напряжение является управляющим сигналом для усилителя высокого напряжения (УВ).
Усилитель высокого напряжения также запитывается от ИИП и, по сути, формирует модулированный сигнал высокого напряжения. То есть он модулирует постоянное напряжение, идущее от ИИП, по форме управляющего сигнала, поступающего от ГС, а затем многократно усиливает его.
Функционально, генератор сигналов устроен так, что может генерировать сигнал любой произвольной или стандартной формы и заданной частоты. Это необходимо для того, чтобы подстроиться под электротехнические характеристики различных выращиваемых культур. Благодаря этому возможно проводить электростимулирование различных видов овощных культур.
Далее высоковольтное модулированное напряжение подается в блок стимулирования (БС), представляющий собой систему электродов определённых размеров и форм и расположенных, относительно друг друга, на определённом заданном расстоянии.
Для защиты электросети, к которой подключена установка, от совокупности высокочастотных помех (синфазных и дифференциальных), которые генерирует ИИП, к его входным клеммам подключен входной помехоподавляющий фильтр (ФВ) (Рис. 1.2.6). Данный фильтр разработан специально для системы освещения проектируемого биомодуля. Фильтр содержит два конденсатора, подключенные к входным и выходным, соответственно, клеммам разработанного фильтра и синфазный дроссель. Дроссель расположен между конденсаторами, описанными выше[85; 86; 87; 88].
Рис. 1.2.6. Принципиальная схема входного помехоподавляющего фильтра:
1 – клеммы подключения к сети переменного тока; 2 – предохранитель; 3 – конденсатор С1; 4 – синфазный дроссель L1L2; 5 – конденсатор С2; 6 – клеммы подключения к ИИП
Для проведения стимулирования растений необходима высоковольтная установка. На данном этапе исследований разработана установка генерирующая переменное напряжение частотой 50 Гц (т.е. без генератора частоты), и возможностью регулирования величины выходного напряжения в интервале от 0 до 50 кВ. Электрическая схема разработанной установки представлена на рисунке 1.2.7.
Данная установка смонтирована в металлическом корпусе в целях безопасности (защиты персонала от поражения током высокого напряжения.
Схема предлагаемой установки содержит следующие элементы: FU1 и FU2 – сетевые предохранители; HL1 и HL2 – светодиодные сигнализаторы наличия напряжения; R1 и R2 – резисторы сигнализаторов напряжения;
Q – автоматический выключатель; R3 – потенциометрический реостат;
V – вольтметр; T – повышающий трансформатор; ЭСР – электродный стимулятор растений (Рис. 1.2.7).
Рис. 1.2.7. Схема высоковольтного устройства
для электростимулирования растений
Принцип работы устройства следующий. Установка запитывается от стандартного сетевого напряжения 220 В и 50 Гц, которое через сетевые предохранители FU1 и FU2, необходимые для защиты от короткого замыкания, поступает на автоматический выключатель Q. О наличии напряжения на выключателе Q свидетельствует светодиодный сигнализатор HL1, подключенный через сопротивление R1 для ограничения тока. При включении автомата Q сетевое напряжение подается на потенциометрический реостат R3. Он необходим для регулирования напряжения на первичной обмотке повышающего трансформатора Т. Наличие напряжения на нем показывается светодиодным сигнализатором HL2 через резистор R2. Потенциометрическим реостатом R3 возможно регулировать напряжение на первичной обмотке трансформатора Т в интервале от 0 до 220 В. Величину данного напряжения показывает аналоговый вольтметр V. Повышающий трансформатор имеет коэффициент трансформации равный 0,00367, т.е. при подаче на его первичную обмотку напряжения равного 220 В, на вторичной обмотке напряжение составит 60000 В. Выходное напряжение трансформатора подается на электродный стимулятор растений ЭСР, представляющий собой совокупность алюминиевых электродов, размещенных в корпусе, подключенных к вторичной обмотке трансформатора [36; 37; 38].
1.2.3 Исследование характеристик процесса взаимодействия электрического поля с растительным объектом
Исследования, связанные с электростимулированием растений, направлены на решение ряд проблем, ограничивающих применение данного способа [7; 8]:
— отсутствие четких и однозначно выявленных параметров воздействующего электрического поля (напряженность, частота, форма подводимого напряжения и т.п.);
— отсутствие обоснованного значения продолжительности воздействия – продолжительности каждого цикла воздействия, количество циклов и их распределение в течение суток и т.п.;
— отсутствие обоснования чередования циклов стимулирования и релаксации;
Нерешенность перечисленных проблем существенно снижает эффективность стимулирования, а в некоторых случаях приводит к противоположному эффекту – угнетению растений [3; 6].
Суть воздействия импульсным электрическим полем на растения в том, чтобы создать в теле растения сложный комплексный ток, оказывающий влияние на обменные процессы в клетках и межклеточном веществе.
Механизм взаимодействия электрического поля и растительного биологического объекта отличается сложностью из-за того, что даже при неизменных параметрах поля сам биообъект является неоднородным по физическим параметрам: удельной проводимости (1), диэлектрической (2) и магнитной проницаемостей [3; 4].
Данные параметры являются комплексными величинами, зависящими от частоты ω. При этом, в зависимости от стадии развития, влажности и температуры растительного биологического объекта эти параметры могут относится к проводящим средам (), полупроводящим (), и к диэлектрическим (). Поэтому, чтобы учесть их характеристики необходимо использовать комплексные величины [7]:
Удельная проводимость (сквозная проводимость) присуща всем видам диэлектриков и полупроводников, она приводит к возникновению токов сквозной проводимости . Электрический ток сквозной проводимости протекает через все части растения: листья, стебель и корень. Но большая его часть, протекает через стебель, поэтому большое значение этого тока, может привести к повреждению стеблевой части растения и, как следствие, к его угнетению, а не стимулированию.
Второй вид проводимости обусловлен различными видами поляризации. Полярные и не полярные молекулы, оказавшись в пульсирующем (либо импульсном) электрическом или электромагнитном поле, начинают периодически менять свою ориентацию в пространстве с частотой поля, создавая, тем самым, поляризационный (абсорбционный) ток (ток смещения) , А (3):
где D – электрическая индукция, Кл/м2 (D = ε0εrE).
Поляризация веществ в теле растительного объекта, сходного по своим свойствам с диэлектриком, является нелинейной функцией, определяемой величиной электрической индукции D.
Ток сквозной проводимости и ток смещения суммируются геометрически (4), так как имеют различные направления в пространстве, образуя полный ток, проходящий через тело растения и создающий эффект стимулирующего воздействия:
Физически, суть стимулирующего воздействия заключается в том, что токи, проходящие через тело растения, вызывают движение электролитов (межклеточных и внутриклеточных растворов) в них, таким образом данные токи ускоряют обменные процессы в растительных биологических объектах.
Данные величины также комплексные, т.е. это векторные величины, имеющие различную ориентацию на плоскости.
Одним из основных исследуемых параметров, на данном этапе, является напряженность электрического поля Е, кВ/м (5). Напряженность электрического поля возможно определить, как отношение напряжения, приложенного к электродам 1 и 2 (рис.1.2.4, рис. 1.2.5) к расстоянию между этими электродами [7]:
где h – расстояние между электродами, м.
После преобразований получается функция полного тока (6), проходящего через тело растения:
Геометрическая сумма рассмотренных токов вызывает движение химических веществ (электролитов) в теле растения, ускоряя метаболические процессы, приводящие к ускорению не только реакций фотосинтеза, но и роста, развития и деления клеток. В совокупности, ускорение всех жизненных процессов в теле растения образует эффект стимулирования растений. Это повышает энергию и скорость роста как надземной, так и подземной (корневой, корнеплодной) частей растений.
Относительная диэлектрическая проницаемость εr растений, например, зеленных культур в 4…5 раз превышает диэлектрическую проницаемость воздуха. Стимулируемые растения представляют собой неоднородную среду, состоящую из растений и воздушных промежутков и образует единый резко-неоднородный диэлектрик. Таким образом, напряженность электрического поля в воздушных промежутках и в растительных объектах будет не одинакова, то есть электромагнитное поле становится неоднородным и существенно искривляется (Рис. 1.2.8).
На рисунке 1.2.8 представлена схема иллюстрирующая процесс искривления электрического поля в виде силовых линий напряжённости поля Е. Так как растение представляет собой диэлектрик (со свойствами полупроводника), то его диэлектрическая проницаемость выше, чем у окружающего воздуха и электрическое поле, как бы «захватывается» телом растения.
Рис. 1.2.8. Схема искривления силовых линийэлектрического поля
и появления концентраторов напряженности в среде неоднородного диэлектрика
Это приводит к искажению электрического поля в пространстве и имеет негативные последствия. При неравномерной напряженности поля стимулирующий эффект, по длине всего тела растения, будет не одинаковым. С другой стороны, неравномерная напряженность приводит к появлению концентраторов напряженности поля на заострённых и тонких частях растений, таких как вершины побегов и кончики листьев.
Концентраторы напряженности опасны тем, что при высоких значениях общей напряженности электрического поля, на концентраторах возможно образование коронного разряда. Возникновение коронного разряда начинается в том случае если напряженность поля на концентраторе превышает электрическую прочность воздуха.
Коронный разряд вызывает образование аэроионов, местный перегрев и поражение током (сквозным током избыточной величины) того участка растения, где образовался разряд. Такое поражение участка растения приводит, как правило, к его последующему отмиранию. В совокупности это негативно сказывается на жизнедеятельности растений и приводит к их угнетению.
1.3 Методика и результаты экспериментальных исследований по стимулирующему воздействию на растения электрическим полем
1.3.1 Методика экспериментальных исследований
Для проверки теоретических предпосылок и гипотезы о возможности и эффективности электростимулирования растений (стимулирования растений в электрическом поле) были проведены две серии экспериментальных исследований на овощных (томаты) и зеленных (укроп) культурах.
Стимулирование электрическим полем растения зеленных культур.
Электрическое поле создавалось между парами электродов, расположенным на определенном одинаковом расстоянии друг от друга, к которым подводилось напряжение заданного значения от генерирующих установок. Напряжение было выпрямленным, пульсирующим. Частота пульсации во всех вариантах, составляла 100 с-1 (синусоидальное напряжение частотой 50 Гц, выпрямленное мостовым выпрямителем). Исследовались три варианта (градации) напряжений, равных 40 В, 220 В и 10 кВ, и, соответственно, напряженностей поля, для вариантов равных В1 = 0,15 кВ/м, В2 = 0,75 кВ/м и В3 = 37,0 кВ/м. Широкий размах значений напряженностей поля объясняется необходимостью выявления эффективного значения напряженности поля по критерию отзывчивости растений на стимуляцию, так как до начала эксперимента его значение было неизвестно.
Каждый вариант исследуемого фактора задавался в четырехкратной повторности, включая контрольный вариант, когда растения не подвергаются электрическому стимулированию.
Схема расположения повторностей по вариантам представлена в таблице 1.3.1.
Варианты В3-В1 расположены в порядке убывания напряженности электрического поля, для снижения возможного влияния поля на контрольный вариант К.
Для уменьшения взаимного влияния электрических полей различной напряженности, между соседними вариантами также предусмотрено свободное пространство, отмеченное символом «Х». Символом «ϒ» отмечено наличие растений в ячейке (Табл. 1.3.1).
Таблица 1.3.1
Схема расположения растений по повторностям и вариантам
| Повторности | Варианты фактора | |||||||
| — | В3 | — | В2 | — | В1 | — | К | |
| 1 | Х | ϒ | Х | ϒ | Х | ϒ | Х | ϒ |
| 2 | Х | ϒ | Х | ϒ | Х | ϒ | Х | ϒ |
| 3 | Х | ϒ | Х | ϒ | Х | ϒ | Х | ϒ |
| 4 | Х | ϒ | Х | ϒ | Х | ϒ | Х | ϒ |
Общий вид экспериментальной лабораторной установки представлен на рисунке 1.3.1. Генераторная установка состоит из трех источников напряжений (ИН1, ИН2, ИН3), генерирующих пульсирующее (выпрямленное) напряжение различных величин, трех пар электродов и соединительных проводов, с помощью которых каждая пара электродов подключается к соответствующему источнику напряжения (Рис. 1.3.1).
Рис. 1.3.1. Общий вид эксперимента по стимулированию растений
Электроды попарно расположены над и под стимулируемыми растениями, при этом электрод с положительным потенциалом расположен под кассетой, в которой установлены стаканчики с растениями, а электрод с отрицательным потенциалом, подвешен на изоляторах над растениями [8].
Таким образом направление электрического поля совпадает с направлением роста растений, что способствует движению минеральных и питательных веществ, ускоряет фотосинтез и, в целом, скорость роста и развития растений. Такой подход особенно актуален при выращивании (производстве) зеленых культур [8; 9; 10; 13].
В ходе эксперимента также осуществлялось досвечивание растений светодиодными фитосветильниками, мощностью 100 Вт, произведенных компанией «РосСвет» (рис. 1.3.2). Искусственное досвечивание в исследованиях необходимо чтобы смоделировать естественный солнечный свет для нормального роста растений, то есть максимально точно воссоздать естественную среду их произрастания.
Освещенность, на уровне всходов, составляла 7250,6 лк, что соответствует нормативным требованиям.
Рис. 1.3.2. Процесс досвечивания растений в экспериментальных исследованиях
Для обеспечения достоверности исследований были проведены измерения параметров светового потока, создаваемого данным светильником. Исследования проводились с помощью спектрокалориметра ТКА-ВД-2.
В результате были получены данные по световому потоку, отражающие его координаты цвета и координаты цветности, освещенность (табл. 1.3.2) и диаграмма цветности (Рис. 1.3.3) и спектрограмма (Рис. 1.3.4).
Таблица 1.3.2
Характеристики светового потока
| Данные программы | Координаты цвета | Координаты цветности | Освещенность |
| Date: Time:
29.05.2018 г. 11:58:37 CIE 1931 RGB, Ref.White:E, Ad.Metod:None, Gamma: 2.2 |
X = 125
Y = 100 Z = 147 R = 219 G = 84 B = 148 |
x = 0.337
y = 0.268 u’ = 0.243 v’ = 0.435 r = 0.486 g = 0.187 |
E = 7250.6 лк
E = 673.6 fc |
Рис. 1.3.3. Диаграмма цветности светового потока светильника «РОССВЕТ»
Рис. 1.3.4. Спектрограмма светодиодного фитосветильника «РОССВЕТ»
Полученные координаты цвета и спектрограмма подтверждают, что спектр светового потока светильника содержит, преимущественно, красные и синие части спектра, что является наиболее эффективным для растений.
Стимулирование электрическим полем растения овощных культур.
В 2020 году был проведен эксперимент по исследованию влияния электрического поля на рост и развитие надземной части растений томатов ультраскороспелого сорта «Санька», произведенного компанией «АЭЛИТА».
Исследуемым фактором являлась величина напряженности электрического поля. Необходимо было выявить степень влияния электрического поля различной напряженности на интенсивность роса растений.
Схема проведения эксперимента на томатах была аналогична предыдущей схеме, где стимулированию подвергались растения укропа. Величина напряженностей поля, градации факторов, схема повторностей, также аналогичны предыдущему эксперименту.
Общий вид экспериментальной лабораторной установки представлен на рисунке 1.3.5. Генераторная установка состоит из трех источников напряжений (ИН1, ИН2, ИН3), генерирующих пульсирующее (выпрямленное) напряжение различных величин, трех пар электродов и соединительных проводов, с помощью которых каждая пара электродов подключается к соответствующему источнику напряжения (Рис. 1.3.5). Электроды попарно расположены над и под стимулируемыми растениями, при этом электрод с положительным потенциалом расположен под кассетой, в которой установлены стаканчики с растениями, а электрод с отрицательным потенциалом, подвешен на изоляторах над растениями.
Таким образом направление электрического поля совпадает с направлением роста растений, что способствует движению минеральных и питательных веществ, ускоряет фотосинтез и, в целом, скорость роста и развития растений. Такой подход особенно актуален при выращивании (производстве) зеленых культур.
Рис. 1.3.5. Общий вид экспериментальной лабораторной установки для стимулирования растений:
1 – источник напряжения ИН1 (10 кВ); 2 – источник напряжения ИН2 (220 В);
3 – источник напряжения ИН3 (40В); 4 – электроды отрицательной полярности;
5 – изоляторы; 6 – кассета с ячейками растений и электродами положительной полярности
В ходе эксперимента также осуществлялось досвечивание растений светодиодными фитосветильниками, мощностью 100 Вт, произведенных компанией «РОССВЕТ».
Электростимулирование осуществлялось в утреннее и вечернее время, продолжительностью по 3 часа, соответственно с 6.00 до 9.00 утром, и с 16.00 до 19.00 вечером. Суммарная суточная продолжительность составляла 6 часов.
Досвечивание организовывалось еще более продолжительное время, утром с 4.00 до 9.00, вечером с 18.00 до 23.00. Суммарная суточная продолжительность досвечивания составляла 10 часов.
Большая продолжительность досвечивания объясняется особенностью пространственной ориентации оконного проема, в месте проведения эксперимента, а также большим количеством пасмурных дней.
Длительность эксперимента составила 50 дней.
1.3.2 Результаты экспериментальных исследований
Результаты исследований на растения томата.
Экспериментальные исследования проводились в течении 50 суток. По завершению эксперимента был осуществлён замер параметров растений: высоты (длины) надземной части и их массы.
Результаты замеров параметров растений представлены в таблицах 1.3.2, 1.3.4, 1.3.6 и 1.3.8, соответственно варианту, описанному в методике исследований, а в таблицах 1.3.3, 1.3.5, 1.3.7 и 1.3.9 представлены результаты анализа измеренных величин, по вариантам эксперимента.
Повторности каждого варианта – это группы растений, выращенные в одном стаканчике (Рис.1.3.6). Соответственно, в каждом варианте по четыре повторности. В каждой повторности сосредоточено по три растения,а в некоторых по два либо одному, т.к. некоторые растения не взошли. В таких случаях в таблице проставлены прочерки.
Таблица 1.3.2
Результаты измерения растений по высоте, по варианту В1
| Номер повторности | Номер растения в i-той повторности | Средняя высота по повторности, мм | Средняя высота по варианту В1, мм | ||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 1 | 251 | — | — | 251,0 | 256,8 |
| 2 | 236 | 278 | 265 | 259,7 | |
| 3 | 271 | 277 | 267 | 271,7 | |
| 4 | 229 | 248 | 258 | 245,0 | |
Общий вид результатов эксперимента представлен на рисунке 1.3.6.
Рис. 1.3.6. Общий вид результатов экспериментальных исследований по стимулированию растений томатов
Всходы начали появляться на 9-12 день. По завершению эксперимента все растения были срезаны на уровне почвы, промерены по длине надземной части и массе.
Из рисунка 1.3.6, даже невооруженным взглядом, видно, что растения по варианту В3 (крайние ряд слева) имеют большую высоту и кустистость.
Результаты анализа экспериментальных данных представлены в таблице 1.3.3. Анализ результатов измерений был направлен на определение таких показателей как, среднеквадратическое отклонение, по повторностям и по варианту в целом, коэффициент вариации, также по повторностям и по варианту.
Таблица 1.3.3
Результаты анализа экспериментальных данных по варианту В1
| Номер повторности | Среднеквадратич. отклонение по повторностям
σп, мм |
Коэффициент вариации по повторностям
υп, % |
Среднеквадратическое отклонение по варианту В1
σВ1, мм |
Коэффициент вариации по варианту В1
υВ1, % |
| 1 | 11,0 | 4,38 | 16,12 | 6,27 |
| 2 | 21,5 | 8,28 | ||
| 3 | 5,0 | 1,85 | ||
| 4 | 14,7 | 6,01 |
Из анализа данных таблицы 1.3.3 видно, что коэффициент вариации по второй и шестой повторностям превышает 5%. Вариант В1 осуществлялся с наименьшей величиной напряженности поля. Высота растений, сопоставима с контролем, т.е. с не стимулированными растениями, однако, коэффициент вариации, значительно больше υВ1>>υК. То есть стимулирование электрическим полем низкой напряжённости дает отрицательный, противоположный эффект – прироста по высоте нет, а вариация возрастает.
Результаты измерения растений, по варианту В2 (в поле средней напряжённости), представлены в таблице 1.3.4.
Таблица 1.3.4
Результаты измерения растений по высоте, по варианту В2
| Номер повторности | Номер растения в i-той повторности | Средняя высота по повторности, мм | Средняя высота по варианту В2, мм | ||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 1 | 265 | 259 | 251 | 262,0 | 264,7 |
| 2 | 272 | 248 | 256 | 260,0 | |
| 3 | 281 | 277 | 262 | 279,0 | |
| 4 | 278 | 263 | 261 | 270,5 | |
Данные таблицы свидетельствуют, что средняя высота надземной части растений, составляющая 264,7 мм, превышает контроль, однако не существенно. То есть стимулирование с напряженностью поля 0,75 кВ/м не дает существенного эффекта. Тем не менее результаты по варианту В2 лучше, чем по варианту В1. То есть стимулирующее влияние электрического поля на интенсивность роста растений очевидна. Далее, в таблице 1.3.5, представлены результаты анализа экспериментальных данных, аналогичные предыдущему анализу.
Таблица 1.3.5
Результаты анализа экспериментальных данных по варианту В2
| Номер повторности | Среднеквадратич. отклонение по повторностям
σп, мм |
Коэффициент вариации по повторностям
υп, % |
Среднеквадратическое отклонение по варианту В2
σВ2, мм |
Коэффициент вариации по варианту В2
υВ2, % |
| 1 | 7,02 | 2,68 | 10,64 | 4,02 |
| 2 | 12,22 | 4,70 | ||
| 3 | 10,02 | 3,59 | ||
| 4 | 9,29 | 3,43 |
Анализ данных, представленный в таблице1.3.5свидетельствует, что коэффициент вариации по варианту В2 составляет 4,02 %, что меньше чем на контроле. То есть растения, по данному варианту, более выравнены по высоте.
Таким образом, стимулирование растений полем даже весьма невысокой напряжённости, позволяет получить незначительный, но положительный эффект. Выравненность растений по высоте является важным фактором при коммерческом производстве (выращивании) овощной продукции, в целях её последующей реализации, т.к. выровненность растений повышает потребительские качества продукции.
В таблице 1.3.6. представлены результаты измерения стимулируемых растений по варианту В3, в котором напряжённость поля составляла 37 кВ/м.
Таблица 1.3.6
Результаты измерения растений по высоте, по варианту В3
| Номер повторности | Номер растения в i-той повторности | Средняя высота по повторности, мм | Средняя высота по варианту В3, мм | ||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 1 | 300 | 321 | 309 | 310 | 315,25 |
| 2 | 332 | 320 | 311 | 321 | |
| 3 | 299 | 315 | 307 | 307 | |
| 4 | 338 | 306 | 325 | 323 | |
Средняя высота зеленной массы, по данному опыту, составляет 315,25 мм, что существенно превышает контроль – на 58,55 мм. То есть, стимулирование растений электрическим полем напряженностью 37 кВ/м, оказывает наибольшее положительное воздействие на скорость роста и развития растений.
Результаты анализа полученных данных (Табл. 1.3.7), также свидетельствуют о наилучшем (в данном эксперименте) результате.
Таблица 1.3.7
Результаты анализа экспериментальных данных по варианту В3
| Номер повторности | Среднеквадратич. отклонение по повторностям
σп, мм |
Коэффициент вариации по повторностям
υп, % |
Среднеквадратическое
отклонение по варианту В3 σВ3, мм |
Коэффициент вариации по варианту В3
υВ3, % |
| 1 | 10,54 | 3,40 | 12,27 | 3,89 |
| 2 | 10,54 | 3,28 | ||
| 3 | 8,0 | 2,61 | ||
| 4 | 16,09 | 4,98 |
Наиболее важным результатом, в данном опыте, является то, что увеличение скорости роста растений и, как следствие их высоты, сопровождается существенным снижением коэффициента вариации, который составляет всего 3,89 %, что примерно на 0,5 % ниже, чем на контроле. То есть стимулирование растений электрическим полем более высокой напряженности (37 кВ/м) позволяет выровнить растения по высоте и получить существенный прирост биомассы (Табл. 1.3.7).
В качестве опорной точки был проведён и контрольный опыт, растения в котором не подвергались воздействию электрического поля. Результаты измерения растений на контроле представлены в таблице 1.3.8. По данным таблицы средняя высота растений, по варианту К, незначительно превышает аналогичную высоту, полученную по варианту В1, однако уступает аналогичному показателю по всем остальным вариантам.
Таблица 1.3.8
Результаты измерения растений по высоте, по варианту К
| Номер повторности | Номер растения в i-той повторности | Средняя высота по повторности, мм | Средняя высота по варианту К, мм | ||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 1 | 260 | 246 | — | 251,3 | 256,7 |
| 2 | 277 | 278 | 248 | 267,7 | |
| 3 | 252 | 251 | 253 | 252,0 | |
| 4 | 248 | 254 | 262 | 254,7 | |
Анализ результатов измерений варианта К, приведённый в таблице 1.3.9, также свидетельствует о значительно больших, по сравнению с вариантами В2 и В3, величинах коэффициента вариации, равного 4,28%. Величина среднеквадратического отклонения, равная 10,98 мм также существенно выше желаемых значений и превышает аналогичные показатели, полученные в вариантах В2 и В3.
Таблица 1.3.9
Результаты анализа экспериментальных данных по варианту К
| Номер повторности | Среднеквадратич. отклонение по повторностям
σп, мм |
Коэффициент вариации по повторностям
υп, % |
Среднеквадратическое
отклонение по варианту К σК, мм |
Коэффициент вариации по варианту К
υК, % |
| 1 | 7,77 | 3,09 | 10,98 | 4,28 |
| 2 | 17,04 | 6,36 | ||
| 3 | 1,0 | 0,39 | ||
| 4 | 7,02 | 2,76 |
Особенностью результатов, полученных в контрольном опыте, сталсущественный разброс значений коэффициентов вариации по повторностям, от 0,39% до 6,36%. Причина этого пока не ясна, т.к. все повторности контроля располагались радом друг с другом, следовательно, условия их произрастания были одинаковыми.
Для наглядного представления результатов измерения и анализа экспериментальных данных построена гистограмма (диаграмма) коэффициентов вариации ν, среднеквадратических отклонений σи высоты растений по вариантам, включая контроль (Рис. 1.3.7).
Рис. 1.3.7. Диаграмма распределения коэффициентов вариации ν, среднеквадратических отклонений σ, и высоты растений по вариантам
Исследуемые варианты на диаграмме расположены в том же порядке, в каком они были расположены в ходе эксперимента (Рис. 1.3.6 и Табл. 1.3.1). То есть они расположены в порядке убывания вариантов напряженности электрического поля. Такое расположение необходимо для уменьшения влияния электрического поля на контрольный вариант.
Результаты исследований на растениях укропа.
Укроп относится к овощным зеленным культурам, т.е. его продуктивность (урожайность) определяется полученной массой только надземной части растений.
В соответствие с методикой исследований растения также, как и в предыдущем опыте располагались в пульсирующем электрическом поле положительной направленности.
В ходе эксперимента растения высаживались по три штуки в пластиковые стаканчики. Такая группа растений представляет собой одну повторность эксперимента (Рис. 1.3.8).
Рис. 1.3.8. Общий вид исследований по обоснованию оптимального значения напряжённости поля на растениях укропа
Каждый отдельный вариант исследования содержал четыре повторности (Рис. 1.3.8). Всего вариантов в опыте четыре, включая контрольный вариант. Таким образом общее количество повторностей составило 16, а испытуемых растений – 48 шт.
Схема проведения эксперимента на укропе аналогична, схеме эксперимента на томатах, которая была описана выше.
Электрическое поле создавалось между несколькими парами электродов, расположенным на определенном одинаковом расстоянии друг от друга, к которым подводилось напряжение заданного значения от генерирующих установок. Напряжение было выпрямленным, пульсирующим. Частота пульсации во всех вариантах, составляла 100 с-1 (синусоидальное напряжение частотой 50 Гц, выпрямленное мостовым выпрямителем). Исследовались три варианта (градации) напряжений, равных 40 В, 220 В и 10 кВ, и, соответственно, напряженностей поля. Для первого варианта В1 напряженность составила Е= 0,15 кВ/м, для второго В2 варианта Е = 0,75 кВ/м и для третьего варианта В3, соответственно, Е = 37,0 кВ/м.
В ходе эксперимента осуществлялось досвечивание растений светодиодными фитосветильниками, мощностью 100 Вт, произведенных компанией «РОССВЕТ».
Досвечивание осуществлялось в периоды недостаточного естественного освещения, утром с 4.00 до 10.00, вечером с 17.00 до 23.00. Суммарная суточная продолжительность досвечивания составляла 12 часов.
Электростимулирование растений осуществлялось в утреннее и вечернее время, продолжительностью по 4 часа, соответственно с 6.00 до 10.00 утром, и с 16.00 до 20.00 вечером. Суммарная суточная продолжительность составляла 8 часов.
Длительность эксперимента составила 40 дней. Всходы начали появляться на 7…14 день. По завершению эксперимента все растения были срезаны на уровне почвы, промерены по длине надземной части и массе.
Общий вид результатов эксперимента представлен на рисунке 1.3.9 и рисунке 1.3.10.
Рис. 1.3.9. Общий вид расположения растений по вариантам и повторностям
В ходе эксперимента полив растений осуществлялся с помощью мерного стаканчика одинаковым объемом воды. Объем воды зависел от факторов внешней среды (температуры и влажности) и менялся в течении эксперимента, но по всем вариантам одинаково.
По завершению эксперимента были проведены замеры высоты растений и массы их зеленной (надземной) части. Далее в таблицах представлены результаты замеров только высоты растений.
Рис. 1.3.10. Измерение растений при исследовании оптимальной напряженности электрического поля
Результаты замеров высоты растений укропа представлены в таблицах 1.3.10, 1.3.12, 1.3.14, и 1.3.16 в соответствии с вариантом эксперимента, а в таблицах 1.3.11, 1.3.13, 1.3.15 и 1.3.17 представлены, соответственно, результаты анализа полученных экспериментальных данных.
Таблица 1.3.10
Результаты измерения высоты растений укропа по варианту В1
| Номер повторности | Номер растения в i-той повторности | Средняя высота по повторности, мм | Средняя высота по варианту В1, мм | ||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 1 | 181 | 175 | 192 | 182,67 | 179,92 |
| 2 | 179 | 170 | 168 | 172,33 | |
| 3 | 155 | 199 | 161 | 171,67 | |
| 4 | 195 | 174 | 210 | 193,00 | |
Повторности каждого варианта – это группы растений укропа, выращенные в одном стаканчике (Рис. 1.3.9). Соответственно, в каждом варианте по четыре повторности. В каждой повторности сосредоточено по три растения (в некоторых по два и одному, т.к. некоторые из них не взошли).
Средняя высота растений по варианту В1 составляет 197,92 мм и не соответствует ожидаемой высоте для данного сорта укропа.
Максимальная высота по повторности составляет 193 мм, а единичного растения – 195 мм, что ближе к нормативному значению.
Таблица 1.3.11
Результаты анализа экспериментальных данных по варианту В1
| Номер повтор-ности | Среднеквадратическое отклонение по повторностям σп, мм | Коэффициент вариации по повторностям υп | Среднеквадрати-ческое отклонение по варианту В1 σВ1, мм | Коэффициент вариации по варианту В1 υВ1 |
| 1 | 8,62 | 0,05 | 16,30 | 0,09 |
| 2 | 5,86 | 0,03 | ||
| 3 | 23,86 | 0,14 | ||
| 4 | 18,08 | 0,09 |
Из анализа данных таблицы 1.3.11видно, что коэффициент вариации по первой и третьей повторностям превышает 5%. При этом в третьей повторности он составляет 14%. Максимальное среднеквадратическое отклонение близко к 24 мм. То есть, растения данного опыта существенно отличаются друг от друга по высоте, что существенно снижает их товарные качества. Вариант В1 осуществлялся с наименьшей величиной напряженности поля, равной 0,15 кВ/м.
Важно, что высота растений, сопоставима с контролем, т.е. с не стимулированными растениями, однако, коэффициент вариации, тем не менее, значительно больше чем на контроле υВ1>> υК. То есть стимулирование слабым электрическим полем дает противоположный эффект – прироста по высоте нет, а вариация возрастает. Следует заметить, что аналогичная картина наблюдалась и в предыдущем эксперименте, при стимулировании растений томатов.
По варианту В2 (Табл. 1.3.12) растения имеют существенно большую высоту, равную 345 мм, что значительно больше чем в варианте В1, в среднем на 162,08 мм. То есть результат стимулирования, в данном случае проявился значительно лучше. Также высота растений значительно превышает высоту растений на контроле (180 мм).
Таким образом очевидно, что применение электрического поля напряжённостью 0,75 кВ/м создаёт определённый положительный эффект.
Таблица 1.3.12
Результаты измерения растений укропа по высоте, по варианту В2
| Номер повторности | Номер растения в i-той повторности | Средняя высота по повторности, мм | Средняя высота по варианту В2, мм | ||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 1 | 368 | 362 | 346 | 358,67 | 345 |
| 2 | 360 | 348 | 356 | 354,67 | |
| 3 | 311 | 344 | 320 | 325,00 | |
| 4 | 352 | 341 | 332 | 341,67 | |
Таблица 1.3.13
Результаты анализа экспериментальных данных по варианту В2
| Номер повтор-ности | Среднеквадрати-ческое отклонение по повторностям σп, мм | Коэффициент вариации по повторностям υп, % | Среднеквадрати-ческое отклонение по варианту В2 σВ2, мм | Коэффициент вариации по варианту В2 υВ2, % |
| 1 | 11,37 | 0,03 | 17,03 | 0,05 |
| 2 | 6,11 | 0,02 | ||
| 3 | 17,06 | 0,05 | ||
| 4 | 10,02 | 0,03 |
Анализ данных измерений, приведённый в таблице 1.3.13 показывает, что коэффициент вариации по всем растениям варианта В2 составляет 5 %, что меньше чем на контроле и варианте В1. То есть растения, по данному варианту, более выравнены по высоте. При этом во-второй повторности он существенно меньше, чем на контроле, и составляет всего 2%. В целом, по повторностям коэффициент вариации не превышает порогового значения в 5%, что также положительно сказывается на возможных товарных качествах полученной продукции.
Далее, в таблице 1.3.14, представлены результаты измерения высоты растений укропа по варианту В3. Напряжённость электрического поля составляла 37 кВ/м.
Средняя высота зеленной массы надземной части, по данному опыту, составляет 378,08 мм, что существенно превышает контроль – на 197,33 мм, также превышает показатели предыдущих вариантов В2 и В1. То есть, стимулирование с напряженностью 37 кВ/м, оказывает наибольшее положительное стимулирующее воздействие на рост растений. Стимулирование с данными параметрами наиболее эффективно.
Таблица 1.3.14
Результаты измерения растений укропа по высоте, по варианту В3
| Номер повторности | Номер растения в i-той повторности | Средняя высота по повторности, мм | Средняя высота по варианту В3, мм | ||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 1 | 358 | 380 | 379 | 372,33 | 378,08 |
| 2 | 382 | 374 | 371 | 375,67 | |
| 3 | 395 | 375 | 360 | 376,67 | |
| 4 | 381 | 392 | 390 | 387,67 | |
Анализ результатов данного эксперимента (Таблица 1.3.15) также показал обнадёживающие показатели, а именно увеличение скорости роста растений сопровождается существенным снижением коэффициента вариации, который составляет всего 3 %, что примерно на 5 % ниже, чем на контроле.
То есть растения хорошо выравнены и имеют хороший товарный вид. К тому же во всех отдельных повторностях коэффициент вариации также не превышает 5%, а во 2-ой и 4-ой повторности, он составляет лишь 2%. То есть, стимулирование по данному варианту вполне приемлемо и имеет положительный эффект.
Таблица 1.3.15
Результаты анализа экспериментальных данных по варианту В3
| Номер повторности | Среднеквадратическое отклонение по
повторностям σп, мм |
Коэффициент
вариации по повторностям υп, % |
Среднеквадратическое отклонение по варианту В3 σВ3, мм | Коэффициент вариации по варианту В3 υВ3, % |
| 1 | 12,42 | 0,03 | 11,51 | 0,03 |
| 2 | 5,69 | 0,02 | ||
| 3 | 17,56 | 0,05 | ||
| 4 | 5,86 | 0,02 |
Важно и то, что получен низкий уровень среднеквадратического отклонения высоты растений (11,51 мм), в целом по варианту. Это свидетельствует о наилучшей выровненности высоты растений по всему эксперименту. Наибольший скачет среднеквадратического отклонения наблюдался в третьей повторности – 17,56 мм. Это стало следствием того, что в данной повторности одно из растений достигло рекордной высоты в 395 мм.
Таким образом получили, что стимулирование растений электрическим полем средней напряженности (37 кВ/м) позволяет выровнять растения по высоте и получить максимальный, для данного опыта, прирост надземной биомассы.
Для объективного сопоставления результатов всех вариантов проведен замер высоты растений по контрольному варианту К (Таблица 1.3.16), по которому растения не подвергались воздействию электрического поля.
Таблица 1.3.16
Результаты измерения высоты растений укропа по варианту К
| Номер повторности | Номер растения в i-той повторности | Средняя высота по повторности, мм | Средняя высота по варианту К, мм | ||
| 1 | 2 | 3 | |||
| 1 | 186 | 175 | 181 | 180,67 | 180,75 |
| 2 | 177 | 169 | 173 | 173,00 | |
| 3 | 158 | 195 | 166 | 173,00 | |
| 4 | 195 | 184 | 210 | 196,33 | |
Средняя по варианту высота растений на контроле составляет 180,75 мм и сопоставима с высотой растений по варианту В1,но она существенно меньше чем в вариантах В2 и В3.
То есть растения на контроле, не подвергавшиеся стимулированию, и растения варианта В1, подвергавшиеся стимулированию полем низкой напряженности имеют сопоставимый прирост биомассы.
Анализ результатов исследования по контрольному варианту, отражённый в таблице 1.3.17, показал, что неожиданно высоким оказался коэффициент вариации, составивший 8%. Такой высокийуровень коэффициента вариации стал следствием значительного разбросазначений высоты растений. Вследствие этого среднеквадратическое отклонение также имеет большую величину, составляющую 14,4 мм, а среднее значение высоты растений, оказалось не велико.
Таблица 1.3.17
Результаты анализа экспериментальных данных по варианту К
| Номер повтор-ности | Среднеквадрати-ческое отклонение по повторностям σп, мм | Коэффициент вариации по повторностям υп, % | Среднеквадрати-ческое отклонение по варианту К σК, мм | Коэффициент вариации по варианту К υК, % |
| 1 | 5,51 | 0,03 | 14,40 | 0,08 |
| 2 | 4,00 | 0,02 | ||
| 3 | 19,47 | 0,11 | ||
| 4 | 13,05 | 0,07 |
Для наглядного представления результатов анализа экспериментальных данных построены графики и гистограммы (диаграммы) отражающие высоту растений по вариантам и повторностям, коэффициентов вариации ν и среднеквадратических отклонений σ, также по вариантам и повторностям, а также по средним значениям в каждом варианте, включая контроль (Рис. 1.3.11, Рис. 1.3.12 и Рис. 1.3.13).
Исследуемые варианты на диаграмме расположены в том же порядке, в каком они были расположены в ходе эксперимента. То есть они расположены в порядке убывания напряженности электрического поля. Такое расположение необходимо для уменьшения влияния электрического поля на контрольный вариант.
На диаграмме (Рис. 1.3.11) суммарная высота растений по варианту В3 составляет почти 1500 мм и превышает все остальные варианты. По повторностям наибольшая высота наблюдается в 4-ой повторности по всем вариантам. Это может быть связано тем, что данная повторность располагалась ближе всех к источнику естественного освещения.
Сопоставляя всю картину эксперимента можно заметить, что наибольшее значение коэффициента вариации наблюдается в 3-ей повторности по всем вариантам.
Рис. 1.3.11. Распределение растений по высоте по повторностям, вариантам и суммарная в каждом варианте
Причина этого явления пока не известна. Третья повторность располагалась ближе к центру контейнера. Уровень освещенности и напряженности поля не отличался от соседних повторностей.
В контрольном опыте также наблюдался существенный разброс величин коэффициентов вариации по повторностям, от 2% до 11%, при этом все повторности контроля располагались радом друг с другом.
Рис. 1.3.12. Изменение коэффициента вариации υ по вариантам
и повторностям в вариантах
Наибольшую информативность для оценки эффективности стимулирования представляет диаграмма, представленная на рисунке 1.3.13. На диаграмме сопоставлены такие параметры как высота растений, коэффициент вариации и среднеквадратическое отклонение по вариантам.
Из диаграммы видно, что наилучший результат получен в варианте В3. При наибольшей высоте растений, в среднем 378,08 мм, коэффициент вариации составил всего 3%, а стандартное отклонение 11,51 мм.
Худшие результаты наблюдаются в 1-ом варианте В1. При высоте растений всего около 180 мм, коэффициент вариации достиг 9%.
Рис. 1.3.13. Диаграмма распределения коэффициентов вариации ν
и среднеквадратических отклонений σ по вариантам
На рисунке 1.3.14 и рисунке 1.3.16 показан процесс измерения длины растений после завершения эксперимента. На рисунке 1.3.15 показан процесс исследования растения вместе с корневой системой.
Рис. 1.3.14. Общий вид процесса измерения высоты надземной части растений укропа
Рис. 1.3.15. Растение укропа в варианте В3 вместе с корневой системой
Рис. 1.3.16. Растение укропа в контрольном опыте
В проведенных исследованиях эффективность стимулирования оценивалась по состоянию надземной зеленной части растений. При этом не для всех овощных культур, например, таких как томаты, рост биомассы имеет важное значение, а, например, для зеленых овощных культур – это принципиально важно.
Проведенные исследования и анализ полученных результатов позволяет сделать следующее заключение:
Растения зеленых и овощных культур оказавшись под воздействием электрического поля, начинают взаимодействовать с ним. Характер взаимодействия, во многом определяется родом и характером поля: электрическое оно либо магнитное; постоянное, пульсирующее либо переменное.
Теоретически установлено, что вещества биологических объектов – растений, взаимодействуя с пульсирующим электрическим полем, создают два вида тока – сквозной и поляризационный. Электрические токи и магнитные поля влияют на интенсивность движения веществ (являющихся электролитами) в теле растения. В конечном итоге это должно приводить к ускорению фотосинтеза и, как следствие, ускоренному росту биомассы растений.
Наиболее эффективным является стимулирование электрическим полем средней напряженности, это позволяет выровнить растения как по высоте, что принципиально важно при производстве зеленой овощной продукции в коммерческих целях, так и получить существенный прирост биомассы по сравнению с контролем.
Воздействие пульсирующим электрическим полем положительной направленности на растения имеет положительный эффект, является экологически чистым способом и может использоваться при производстве овощных зеленных и других овощных культур.
2 СТИМУЛИРОВАНИЕ РАСТЕНИЙ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
2.1 Анализ способов и устройств для стимулирования растений в магнитном поле
2.1.1 Способы стимуляции растений
Интенсификация сельскохозяйственного производства в первую очередь зависит от внедрения современных передовых технологий. Применение новых современных технических средств в агропромышленном комплексе, позволяет увеличить продуктивность животных и урожайность сельскохозяйственных культур, а также снизить затраты труда, сроки производства.
Сельскохозяйственное производство во многом зависит от внешних факторов, таких как географическое расположение, местный климат, агрохимических состав почвы и агротехнических условий возделывания. Основная территория Российской Федерации находится в широтах, не приспособленных к сельскохозяйственному производству или на территориях с рискованным земледелием.
Выращивание растений в закрытом грунте позволяет обеспечить население сезонными продуктами, такими как томаты, огурцы, салаты и т.п. современные технологии даже в суровых холодных условиях крайних широт планеты создавать все необходимые условия для выращивания сельскохозяйственных растений.
Для повышения продуктивности растений и снижения себестоимости, производители часто применяют химические и органические средства, которые не редко являются экологически не безопасными, а также повышают себестоимость. При этом многие технологии не всегда возможно обеспечены техническими средствами.
Применение электротехнологий в сельском хозяйстве является одними из перспективных направлений, способствующих повышению прибыли и снижению ее себестоимости продукции. К основным преимуществам можно отнести экологичность, экономичность и возможность автоматизации процесса, что являются основополагающими составляющими цифрового современного сельского хозяйства.
Одним из перспективных направлений по воздействию на интенсивность роста растений является стимуляция магнитным полем. Данный способ является эффективным и экономичным. Поэтому тема исследования является актуальной.
Целью работы является повышение интенсивности роста растений с использованием магнитной стимуляции.
Для выполнения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:
- Выполнить анализ способов и устройств стимуляции растений;
- Разработать установки стимуляции растений различного типа;
- Провести экспериментальные исследования стимуляции растений в соответствии с разработанной программой и методикой;
- Определить благоприятные факторы, влияющие на рост и развитие растений.
Способы стимуляции растений.
На данный момент известны химический и электрофизический метод стимулирования растений. К химическому методу стимулирования (Рис.2.1) относятся минеральные удобрения и биопрепараты. К электрофизическому методу характерны стимулирование магнитным полем и электрическим током.
Минеральные удобрения являются веществом неорганического происхождения (Рис. 2.2). Они традиционно применяются в сельском хозяйстве, так как более доступны, дают положительный эффект и имеют большой спектр действия на растения.
На рисунке 2.1 представлены виды стимулирования растений [70].
Виды стимулирования растений
Биохимические методы
стимулирования
Электрофизический метод стимулирования
Минеральные удобрения
Биопрепараты
Магнитное поле
Электрический ток
а
Свето-культура
Рис.2.1. Виды стимулирования растений
Рис. 2.2. Виды минеральных удобрений
В их состав входят металлы и разные химические соединения, такие как соли, кислоты и оксиды. Основными минеральными удобрениями являются следующие химические соединения: азотные (жидкий аммиак, NH4Сl – хлорид аммония), фосфорные (суперфосфат простой, Ca3(PO4)2 – фосфористая мука, калийные (KCl – хлорид калия), микроудобрения (ZnSO4). Использование минеральных удобрений нес ут вред человеку, так как все эти химические соединения накапливаются в почве и в плодах растений.
Биопрепараты являются органическими веществами и не вредны человеку.
Основными биопрепаратами являются регуляторы и стимуляторы роста растений. К ним относятся фитогормоны – ауксины, гиббереллины, цитокинины. Эти препараты следует применять в различных стадиях роста. Применение препаратов стимулирующих рост растений, приводит к стимулированию роста на 10-20%. Основными недостатками биопрепаратов являются трудоёмкость их получения, высокая цена, отсутствие профессиональных агрохимических знаний у простого населения.
Известно, что свет является необходимым условием для роста растений. Рассада обычно выращивается в конце февраля или в начале марта. В этот период световой день короткий, и растениям не хватает света для фотосинтеза. При малом количестве света, растение начинает вытягиваться. Возникает потребность искусственно досвечивать рассаду, в период нехватки естественного света [72].
Для полноценного досвечивания рассады необходим определённый спектр световых лучей, так как растения чувствительны к тем или иным волнам и цветам спектра. Регулярное, а также правильное досвечивание способствует укреплению растений, выносливость и устойчивость к разного рода инфекциям, повышается урожайность культур.
Рассмотрим подходящий спектр для досвечивания растений.
На рисунке 2.3 представлен график активности растений к световой длине волны.
Рис. 2.3. График активности растений к световой длине волны
Из графика следует что пики синтеза хлорофилла и фотосинтеза выпадают на длины волн 445 нм (синий цвет света) и 660 нм (красный цвет света) [71]. Рассмотрим виды ламп для искусственного досвечивания растений. На рисунке 2.4 показаны виды ламп для искусственного досвечивания растений.
Лампы накаливания
Виды ламп
Натриевые лампы
Люминесцентные лампы
Фитолюминесцентные лампы
Светодиодные фитолампы
Рис. 2.4. Виды ламп
Лампы накаливания. Данный тип лам не излучает необходимый спектр для досвечивания растений. Потребляя большое количество электроэнергии, они выделяют 5% света, остальные 95% уходит в выделяемое тепло. Использование ламп накаливания для досвечивания растений не эффективно для их роста [69].
Натриевые лампы. Натриевые лампы излучают красно-оранжевый спектр света, который благоприятно влияет на зрелые растения. При использовании натриевых ламп для досвечивания, нужно выбирать лампы большой мощность, что скажется на размерах ламп. Самый важный недостаток данного вида ламп – отсутствие синего спектра света, а также необходимость подключения пускорегулирующего устройства.
Люминесцентные ламп. В люминесцентных лампах отсутствует красный спектр света, который очень важен для растений. Однако лампы экономичны, не нагревают воздух и выделяют много света. Но в этом типе ламп достаточное число синих и фиолетовых лучей спектра, полезных для развития корневой системы растений.
Фотолюминесцентные лампы. Перспективный вид ламп для досвечевания растений. От обычных люминесцентных ламп отличается спектром свечения – красно-синий спектр лучей. Данный спектр является важным для растений.
Светодиодные фитолампы. На сегодняшний день самый лучший вид ламп, так как выделяют нужный спектр для растений, компактны, излучают яркий свет, экономичны, долгий срок службы и не выделяют тепла. Данный тип ламп используют для досвечивания в промышленных теплицах. А также светодиодные фитолампы имеют возможность коррекции спектра и регулировку интенсивности освещения в зависимости от периода выращивания растения [72].
Из обзора видов ламп для досвечивания можно сделать вывод, что светодиодные фитолампы лучший вид ламп по сравнению с другими видами ламп.
Электрический ток данный метод является так же действующим (рис.2.5).
Рис. 2.5. Стимуляция растения электрическим током
Смысл заключается в проведение через растение слабого электрического тока через зажимы определённого потенциала, либо проведение тока между растением, где растение не контачит с проводниками [72].
Магнитное поле является самым эффективным, экономичным и безопасным для человека способом стимулирования растений. Источники магнитного поля могут быть как постоянные (постоянные магниты), так и не постоянный (катушки индуктивности) (рис. 2.6). Магнитное поле переменных магнитов зависит от тока протекающего по проводу катушки, числа витков катушки и ее длины. Поэтому для стимуляции растений больше подходит непостоянные магниты.
Рис. 2.6. Магнитное поле
Это силовое поле, действующее на тела, обладающие магнитным моментом. Но в настоящее время этот способ широко не применяется. В данном методе рассматривается воздействие на растения различными родами магнитного поля. Доказано что воздействие магнитных полей на растения даёт положительный эффект, и приводит к стимулированию роста на 15-20% [73].
Рассмотрим воздействие разных источников магнитного поля на растения.
Все растения на Земле находятся в магнитном поле Земли. Можно убедиться, что растения, которые свободно развиваются, ориентируются в направлении южного магнитного полюса. Корневая система растений в основном развивается в этих направлениях. В научном обществе этот эффект был назван магнитотропизмом растений (тропос — направление). Для изучения данного эффекта использовались как естественные, так и экспериментальные научные данные. Во всех случаях растения не оставались безучастными к влиянию магнитного поля. Их реакция зависела от направления магнитного поля. В частности, от направления магнитного поля относительно зародышей семян зависят функционально-биохимические свойства растений, развившихся из семян. Так, если ориентировать корешки зародыша пшеницы в направлении южного магнитного полюса, то все растение (и корни и стебли) развивается более эффективно, нежели в случае ориентации корешков зародыша в направлении северного магнитного полюса [77].
Это происходит потому, что при движении проводящего атмосферного газа в магнитном поле возникает электрический ток. Всякий электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Возникшее таким путем магнитное поле складывается с магнитным полем Земли и в зависимости от их взаимных направлений суммарное поле больше, или меньше магнитного поля Земли. Но необходимо учитывать не только все внешние факторы, действующие наряду с магнитным полем на растения, но и внутренние факторы, обусловленные особенностями самих растений. Одной из особенностей является несимметричность некоторых растений В результате было выяснено, что смена несимметричных цветков у растений действительно следует в строгом соответствии с изменением магнитного поля Земли.
В зависимости от изменения магнитного поля в данном, регионе развиваются определенным образом и растения. Поэтому надо учитывать не просто направление на магнитные полюса вообще, а конкретно –направление магнитного поля в данном месте [77].
Для того, чтобы установить те механизмы, посредством которых изменение магнитного поля может непосредственно влиять на клетки живой системы, необходимо рассмотреть, как устройство самих клеток, так и принципы, на которых построено их функционирование. Магнитное поле оказывает влияние на внешние оболочки клеток, которые называются мембранами. Через эти оболочки осуществляется обмен веществ между клеткой и внешней средой, то есть через нее (точнее, через проходы в оболочках — мембранах) одни вещества движутся вовнутрь клетки, а другие – наружу. Свойство мембраны пропускать эти вещества называется проницаемостью клеточных мембран. Регулировка выхода из клеток и входа в нее через мембраны организована на электрическом принципе. Когда же действует, кроме того, внешнее магнитное поле, оно способно изменять условия прохождения вещества через мембрану, то есть изменять проницаемость клеточных мембран. Это приведет к изменению условий жизни клеток, а значит и всей биологической системы. Это и происходит при возмущении магнитного поля Земли, которое вызывается солнечными бурями.
Весьма эффективным в смысле влияния на рост растений является действие на них искусственными магнитными полями. Под действием искусственного магнитного поля может значительно ускориться рост растений, а также уменьшиться пораженность их плесневыми грибками. Так, с помощью магнитного поля можно увеличивать урожайность томатов, повышать скорость прироста зародышей ячменя и пшеницы, увеличивать рост корневой системы у бобов и ржи и т. д.
Ориентация семян кукурузы определенным образом (семена располагались плоской стороной к югу) относительно магнитного поля приводила к увеличению урожая кукурузы на 20 ц/га. Действие небольшим магнитным полем (порядка 20 – 60 эрстед) на растения в период относительно низкой ферментативной активности (то есть в первые 2 – 3 дня) приводит к тому, что понижается потребление кислорода, повышается содержание нуклеиновых кислот в клетках растений, увеличивается частота дыхания в стеблях и корнях [78].
Исследования показали, что на рост и развитие растений влияет не только не посредственное воздействие внешних факторов, но и воздействие на семена растений [74].
Предпосевная обработка семян — один из важнейших элементов технологии выращивания сельскохозяйственных культур, позволяющий повышать их всхожесть и защищать от вредителей. Кроме того, она предупреждает появление и распространение ряда заболеваний в период роста и развития растений.
Проводились исследования по влиянию магнитного поля на всхожесть и интенсивность роста семян яровой и озимой пшеницы, просо, ячменя и чечевицы [73; 74; 75].
Анализ результатов эксперимента по проращиванию семян на влажной салфетке показал, что средняя длина проростков у семян, стимулированных в магнитном поле, оказалась выше, чем у проростков на контроле на 19–24 %. При этом, наибольшая средняя длина проростков наблюдалась при частоте магнитного поля 30 Гц и составила 43,30 мм, что на 24 % больше средней длины проростков на контроле, которая составила 34,92 мм. Средняя длина ростков при частоте магнитного поля в 10 Гц и 50 Гц также оказалась выше, чем на контроле и составила соответственно 41,76 мм и 42,09 мм [75].
Результат эксперимента по выращиванию растений в грунте показал, что средняя длина растений, семена которых были обработаны в магнитном поле, оказалась выше, чем у растений на контроле на 12,5–22 %. Наибольшая средняя длина наблюдалась у растений, семена которых стимулировались в магнитном поле частотой 30 Гц, которая составила 203,1 мм. Средняя длина растений при частоте 10 Гц и 50 Гц составила соответственно 187,4 мм и 196,2 мм. В контрольном варианте средняя длина растений составила 166,5 мм [75].
Таким образом, повышение интенсивности роста и развития растений можно как непосредственным воздействием магнитным полем, так и воздействием на их семена.
Рассмотрим особенности конструкций устройств стимуляции семян и растений магнитным полем.
2.1.2 Анализ устройств стимуляции растений
Авторами Филиповым Р.А., Хорт Д.О. и Кутыревым А.И. предложена конструкция устройства магнитно-импульсной обработки садовых растений (Рис. 2.7). Патент RU 174410 [65].
Устройство для магнитно-импульсной обработки состоит из трактора 1, автосцепки 2, рамы 3, индуктора 4 портального типа П-образной формы, на сторонах которого размещены индуктивные катушки спиральной намотки 5. Центры индуктивных катушек 5 левого и правого рядов смещены для того, чтобы магнитные поля не «накладывались» друг на друга, тем самым, увеличивая площадь обработки растения. Верхний ряд катушек необходим для того, чтобы производить магнитную обработку верхней части садового растения. Конструкция устройства содержит два индуктора 4, что позволяет обрабатывать одновременно два рядка высокорослых растений, тем самым снижается количество проходов агрегата.
Рис. 2.7. Устройство для магнитно-импульсной обработки садовых растений
При движении трактора 1 в рядах насаждений садовых растений 8 на каждое из них 8 осуществляется направленное воздействие импульсов магнитной индукции с трех сторон одновременно, что обеспечивает стимуляциюосновных жизненных процессов в обрабатываемых садовыхрастениях8, в результате повышается эффективностьмагнитно-импульсной обработки и снижается количество обработок.
Эффективность процесса определяетсяповышением проницаемости клеточных мембран, стимуляцииобменных процессов, улучшении усвояемости питательных веществ и микроэлементов-повышении продуктивности сельскохозяйственных культур.
Применение устройства для магнитно-импульсной обработки растений позволяет повысить урожайность на 20% и сократить трудовые затраты на 25-35%.
Авторами Измайловым А.Ю., Кутырёвым А.И., Смирновым И.Г., Филипповым Р.А., Хорт Д.О. был разработан беспилотный робот для магнитно-импульсной обработки растений (рис.2.8). Патент RU2630397C2 [66].
Рис. 2.8.Беспилотный робот для магнитно-импульсной обработки растений
Беспилотный робот состоит из рамы 1, колес 2, системы управления и навигации 3 с контрольно-измерительными приборами, системы питания 4, технологического адаптера 5 с модулем МИО. Модуль МИО содержит магнитно- импульсный активатор 6 и индукторы 7. Беспилотный робот имеет бортовой компьютер 8. Технологический адаптер с модулем МИО имеет возможность автоматически адаптироваться под растения путем поднятия и опускания электрического цилиндра 9 (актуатор) адаптера. Корректировка высоты расположения МИО происходит за счет изменения клиренса беспилотного робота.
Робот заезжает в рядки растений, в автоматическом режиме с помощью системы технического зрения 10 и технологического адаптера 5 с электрическим цилиндром 9 подстраивает высоту и угол модуля МИО под высоту растений. В результате робот с модулем МИО обрабатывает растения магнитными импульсами. Если в рядке имеются пропуски растений, то по сигналам от системы технического зрения 10 обработка магнитными импульсами прекращается и возобновляется только там, где есть растения. Коррекция работы беспилотного робота осуществляется при помощи пульта дистанционного управления. Для удаленного режима работы используется бортовой компьютер 8. Применение беспилотного робота с модулем магнитно-импульсной обработки позволяет повысить качество (ускорение роста и развития растений, повышение урожайности) и автоматизировать процесс обработки растениймагнитными импульсами, сократить количество обработок, сэкономить трудовые затраты на 15-25%.
Авторами Скачковым М.В., Донецких В.И., Упадышевым М.Т. предложен способ выращивания земляники садовой основанный на обработке растений последовательностью импульсов магнитной индукции посредством индуктора (Рис. 2.9). Патент RU2389173C1 [67].
Схема содержит индуктор 1 заданной длины L, электрически связанный с генератором 2 импульсов тока, подключенного к бортовой электросети (не показано) трактора 3 и установленный горизонтально над почвой на навесном устройстве 4 трактора 3 с возможностью регулировки по высоте над растениями 5 в ряде насаждения 6.
При движении трактора 3 с навесным устройством 4 (с установленными на нем индуктором 1 заданной длины L и генератором 2 импульсов тока) вдоль ряда насаждения 6 со скоростью, обеспечивающей получение заданного числа «N» бегущей последовательности импульсов магнитной индукции, следующих с частотой «F» (Гц) и амплитудой в диапазоне 0,5-3,0 мТл.
Рис. 2.9. Способ выращивания земляники садовой
В результате обработка земляники садовой, ее урожайность увеличилась на 38%.
Авторами Донецких В.И., Бешнов Г.В. разработано устройство для магнитно-импульсной обработки растений (Рис.2.11).Патент RU2297133C2 [72].
Особенностью изобретения является воздействия на растения модифицированными импульсами магнитной индукции, вызывающих положительные реакции развития у трудноукореняемых растений.
Устройство для магнитно-импульсной обработки растений содержит источник бесперебойного питания 1, первый выход которого соединен с первым входом блока питания 2, первыми выводами ограничителя тока 3 и монохромного излучателя света 4, второй выход источника бесперебойного питания 1 соединен со вторыми выводами входов блока питания 2 и схемы выпрямителя 5, минусовые выводы выходов которых соединены общей шиной со вторыми выводами первых и вторых индикатора напряжения 6 и 7, накопительных конденсаторов 8 и 9 и ключей 10 и 11. Общая шина и третий вывод плюсового выхода стабилизированного напряжения (+) блока питания 2 подключены к цепи питания логических элементов и блоков. Первую и вторую идентичные катушки и индуктора 12, которые намотаны в два провода одного направления и размещены на полом каркасе из диэлектрика. Двухпозиционное электромагнитное реле 13 с двумя группами К1.1 и К1.2 нормально замкнутых контактов соответственно первого с третьим и второго с пятым. Второй переключатель 14, первый и второй входы которого соединены со вторыми выводами соответственно монохромного излучателя света 4 и ограничителя тока 3.
Коллективом авторов под руководством Сыркина В.А. разработана установка для предпосевной стимуляции семян в магнитном поле (Рис.2.10). Патент RU187044 [68].
Рис. 2.10. Установка для предпосевной стимуляции семян
Особенность устройства заключается в том, что электромагнит состоящий из катушки индуктивности 15 и Ш-образного сердечника, помимо того, что является источником магнитных импульсов, воздействующих на семена, является также частью вибрационного дозатора, обеспечивающего подачу семян. Кроме электромагнита вибрационный дозатор включает две пластины из гибкого пластика 12 расположенные симметрично центра электромагнита. С нижней стороны электромагнита расположены тонкие пластины 13 из электротехнической стали.
При подаче импульсного тока на индукционную катушку 15 электромагнита в Ш-образном сердечнике 17 образуются два симметричных магнитных потока, которые замыкаются через пластины сердечника 17 и воздушный промежуток над катушкой индуктивности 15. При этом основная часть магнитного потока будет выходить в зону над вибрационной пластиной 12, где находятся семена, а малая часть магнитного потока будет замыкаться на пластинках 13. В результате семена, расположенные на вибрационной пластине 13, будут подвергаться воздействию магнитного поля, а пластинки 13, выполненные из электротехнической стали, вместе с вибрационной пластиной 12 будут притягиваться к сердечнику 17 с частотой равной частоте магнитного поля электромагнита, побуждая семена, расположенные на вибрационной пластине 12 перемещаться и ссыпаться в ящик 5.
Использование установки для предпосевной стимуляции семян позволяет повысить урожайность обрабатываемых культур на 15 – 20%,а также упростит конструкцию за счет исключения дополнительного оборудования дозирования семян и снизить тем самым затраты энергии на привод дозирующего органа.
2.1.3 Комплексное использование стимулирующих средств и методов
Комплексный подход воздействия различными способами на семена и растения в ряде случаев может привести к значительному увеличению качественных и количественных показателей в растениеводстве. Это связано с тем, что не всегда только одним способом можно заменить ряд других. Так, например, фито досвечивание растений в закрытых помещениях не возможно заменить магнитной стимуляцией, так как для растения жизненно необходим свет для осуществления фотосинтеза, в результате которого образуются органические вещества, из которых оно состоит. При этом даже при наличии света растение без геомагнитных полей расти не может [70].
При этом, комплексное использование нескольких способов в соответствующих нормах могут повысить продуктивность и урожайность растений. Рассмотрим ряд примеров комплексного воздействия на семена и растения.
Стимуляция семян в магнитном полеи стимуляция растений в магнитном поле
Исследования, проводимые по стимуляции семян показывают увеличение всхожести и интенсивности роста, что несомненно способствует дальнейшему развитию растений. При дальнейшем помещении ростков в почву и воздействии на них магнитным полем наблюдалось увеличение интенсивности роста на 20-30% [72].
Замачивание семяни их стимуляция в магнитном поле
Некоторые семена различных культур имеют плохую всхожесть, связанною физиологическими особенностями семян, условиями и временем хранения, а также с зараженностью грибками и бактериями. Ряд основных причин возможно решить путем замачивания, способствующего активизации зародыша и размягчению оболочки семян. Некоторые семена овощных и зеленных культур необходимо замачивать от нескольких часов до нескольких суток.
Воздействие импульсного магнитного поля на замоченные семена способствует более эффективному проникновению влаги через мембраны клеток, что способствует увеличению всхожести и интенсивности роста растений.
Исследования, проводимые по воздействию магнитного поля на замоченные семена салата показали увеличение всхожести на 25-30% [72].
Выращивания растений с использованием фитоламп и магнитной стимуляцией растений.
Выращивание растений в закрытом грунте с использованием фитоламп позволяет решить ряд важных задач. Во-первых, это обеспечение надлежащего спектра, обеспечивающего интенсивный рост растений. Во-вторых, создание возможности выращивания растений в течении всего года, даже в условиях суровых северных и южных широт.
Магнитная стимуляция растений, при досвечивании фитолампами, позволит сократить период роста растения, обеспечив тем самым снижение себестоимости продукции и энергозатраты. Это достигается благодаря низкому потреблению электроэнергии установками магнитной стимуляции.
Выращивание меристемных растений с использованием фитоламп и магнитной стимуляции.
Выращивание меристемных растений заключается в выращивании в специальной обеззараженной питательной среде ростков растений не подвергнувшимся заражению вирусами (Рис. 2.11).
Для создания надлежащих условий растения выращиваются в специальных лабораториях, в которых создаются все необходимые условия: освещенность, температура, чистота и правильная питательная среда.
Преимуществами данного способа являются: возможность получения большого количества вегетативного посадочного материала, не зараженного вирусами, бактериями и грибами; возможность проведения работ на протяжении всего года; работы осуществляются на относительно ограниченной площади.
Рис. 2.11. Выращивания меристемных ростков картофеля в пробирках
Период выращивания картофеля включает следующие этапы: получение не зараженной вирусами меристемной культуры картофеля; несколько этапов размножения культуры черенкованием; стимуляция образования микро- или миниклубней из культуры тканей; высадка мини- или микроклубней в ростовую среду; вегетативное размножение посадочного материала традиционным методом (клубнями) на протяжении нескольких поколений.
Часть этапов производства, которое занимает более 5 лет, растения выращиваются в специальных стерильных условиях лабораторий и специальных помещений. Поэтому получение элитного материала для производства требует больших энергетических и материальных затрат.
Применение магнитной стимуляции ростков картофеля может позволить сократить период выращивания ростков. При этом создание магнитного поля в основном подразумевает использование катушки индуктивности. Помещение в нее пробирки с ростком, будет способствовать затенению и снижению эффекта досвечивания [72].
Авторами Машковым С.В. и Сыркиным В.А. предложена конструкция устройства по освещению ростков меристемного картофеля в пробирках (Рис. 2.12) [64]. Особенностью конструкции устройства является то, что свет подается снизу от фитосветодиодов, а пробирка, выполненная из прозрачного материала на внешней стороне, имеет грани, от которых свет отражается попадает на росток картофеля. Так как внешняя поверхность покрыта светоотражающим материалом, то почти весь свет концентрируется на ростке, а не рассеивается в пространстве, как при использовании обычных фитоламп. Учитывая, что каждая пробирка оснащена индивидуальным источником света (фитосветодиодом) и отсутствие рассеивания способствует снижению энергозатрат при выращивании меристемного картофеля.
Рис. 2.12. Устройство освещения меристемного картофеля
Данная конструкция устройства создает предпосылки расположения катушек индуктивности в зоне нахождения ростка. В результате воздействия магнитного поля на росток картофеля позволит снизить сроки выращивания картофеля, что также будет способствовать снижению энергозатрат и себестоимости производства.
Анализ способов и устройств стимуляции растений показал их широкое разнообразие и своеобразное влияние на рост и развитие растений. Одним из наиболее эффективных и энергоэкономичных способов воздействия на растения является стимуляция растений в магнитном поле. Учитывая актуальность данного способа, предлагается исследовать процесс стимуляции семян магнитным полем.
2.2 Разработка установки магнитной стимуляции растений
2.2.1 Разработка установки магнитной стимуляции растений кассетного типа
На кафедре «Электрификация и автоматизация АПК» ФГБОУ ВО Самарский ГАУ было разработано экспериментальное устройство стимуляции растений в магнитном поле (Рис. 2.13) [76].
Рис. 2.13. Экспериментальное устройство магнитной стимуляции растений:
U – блок питания; R1…R3 – реостаты; L1…L24 – катушки индуктивности
Экспериментально устройство разработано на базе кассет для рассады.
Устройство. Устройство состоит из блока питания U, трёх реостатов R1, R2, R3, и катушек индуктивности L1-L24. Катушки индуктивности разделены на три батареи по восемь штук. К каждой батарее электрический ток поступает с блока питания через реостаты R1, R2, R3. Реостаты необходимы для регулировки силы тока в каждой батареи. Катушка устанавливается снаружи ячейки кассеты. Катушки в батарее соединены последовательно. Каждая из трёх батарей располагались на расстоянии друг от друга. Таким образом остальные ячейки в кассете находятся без катушек. Для регулировки времени обработки блок питания включается в сеть через таймер.
Принцип работы экспериментального устройства.Для проведения опыта в ячейки засеивают семена. После появления первых всходов включают установку. Под действием электрического тока в катушках появляется магнитный поток. В одной батареи магнитное поле направлено вверх, во второй – вниз. Третья батарея отключена. Часть растений растут в ячейках без катушек и являются контрольными.
2.2.2 Расчёт основных параметров установки
Из обзора литературы было выявлено, что благоприятной напряженностью для большинства культур является напряжённость магнитного поля 3000 А/м [42]. Для проведения экспериментов выбрали диапазон напряженности магнитного поля от1000 А/м до 5000 А/м.
Для создания нужного магнитного потока и из-за конструктивных параметров кассеты с ячейками требуется ширина намотки катушки 20 мм ,количество витков 100 шт, диаметр намотки 190 мм. Материал намотки – медная проволока сечением 0,3 мм2.
Определим ток в обмотке:
где – напряженность магнитного поля в пределах катушки, А/м;
– длина участков катушки, мм;
– количество витков катушки, шт;
– сила тока, А.
Таким образом, величина тока будет варьировать от 0,2 до 1 А.
Катушки индуктивности питаются постоянным током напряжением 12 В [94].
Рассчитаем длину проволоки для одной катушки индуктивности:
(2.1)
где – длина проволоки для одной катушки индуктивности, мм;
– длина одного витка, мм (принимаем 200 мм);
– количество витков, шт.
Рассчитаем сопротивление одной катушки
где – удельное сопротивление проводника, Ом·мм2/м;
– длина проводника, м;
– сечение проводника, мм2.
Сопротивление батареи будет равно:
где – количество катушек в батарее, шт. Принимаем 8 шт.
Используя закон Ома определим ток в батарее катушек:
где – подаваемое напряжение от блока питания, В.
Для исключения нагревания катушек сила тока не должна превышать 1 А.
Определяем сопротивления реостата.
Мощность, потребляемая батареей:
Отсюда узнаем суммарную мощность установки [94]:
(2.6)
где – суммарная мощность кассет, Вт.
Таким образом, мощность, потребляемая установкой, не превысит 40 Вт.
2.2.3 Разработка установки магнитной стимуляции растений карусельного типа
На кафедре «Электрификация и автоматизация АПК» ФГБОУ ВО Самарского ГАУ разработана схема устройствамагнитной стимуляции карусельного типа, для выращивания рассады и зелени. Конструкторская новизна подтверждена патентом РФ на изобретение №2699720. Принцип работы которой основан на создания в зоне где расположены растения магнитного поля [63].
Устройство (Рис.2.14) состоит из подставки 1, стойки 3, верхней 4 и нижней 2 полок. В стойке 3 установлена катушка индуктивности 8 и сердечник 7. В нижней полке 2 выполнены отверстия, в которые устанавливаются емкости с растениями 9. На верхней полке 4 и подставке 1 расположены пластины, число которых равно числу растений. Пластины 6 направлены от центра полки и подставки где соприкасаются с сердечником 7. Для создания магнитного поля используется блок питания 5, которые подключены к катушке индуктивности 8.
Принцип работы заключается в следующем: в емкости 9 насыпается специальный грунт, затем высеивают семена растений. После высева включают установку. В результате чего производится подача напряжения на катушки индуктивности 8, которые находятся стойке 3.
Рис. 2.14. Схема устройства для стимулирования стимулирования растений магнитным полем:
1– подставка; 2 – нижняя полка; 3 – стойка; 4 – верхняя полка; 5 – опорное кольцо;
6 – пластины из электротехнической стали; 7 – сердечник; 8 – катушка индуктивности;
9 – емкости с растениями; 10 – блок управления; 11 – блок питания
При подаче напряжения на катушки индуктивности возникает магнитный поток, который замыкается на сердечнике 7, пластинам 6 верхней полки 4 и подставки 1, а также воздушном пространстве между верхней полкой 4 и подставкой 1. Тем самым растения стимулируются магнитным полем.
В результате обработки растений в магнитном поле увеличивается интенсивность их роста и развития. В результате за период выращивания сроки выращивания растений сокращаются, а выращиваемая рассада получается более здоровой и адаптированной к высаживанию в открытый грунт, что в дальнейшем будет способствовать получению более высоких урожаев.
2.2.4 Расчет установки карусельного типа
Выполним расчет электромагнита. Эквивалентная схема электромагнита представлена на рисунке 2.15. Схема включает в себя катушку индуктивности 1, центральный сердечник 3, верхнюю 3 и нижнюю 4 пластины. Между верхней и нижней пластиной располагается воздушный промежуток высотой h, в который помещалось растение.
Рис. 2.15. Эквивалентная схема электромагнита установки карусельного типа:
1 – индукционная катушка; 2 – центральный сердечник; 3 – верхняя пластина;
4 – нижняя пластина
Формула для определения геометрического расчета магнитной катушки [58; 65; 95]:
где – напряженность магнитного поля на участках AB, BC, CDи DA, А/м;
– длина участков AB, BC, CDи DA, мм;
n– число верхних и нижних пар пластин, шт.;
– количество витков катушки, шт;
– сила тока, А.
Выполним расчет магнитных индукций всех участков сердечника:
где – магнитная индукция 3 участка линии, Тл;
– напряженность магнитного поля, А/м;
– магнитная постоянная, Гн/м.
Принимаем =500 А/м.
Определим площадь третей магнитной линии катушки:
где – средняя площадь распространения магнитного поля, м;
– средний радиус распространения магнитного поля на участке DA, м.
Рассчитаем магнитный поток:
где – магнитный поток, Вб.
Магнитный поток по магнитной катушке
Учитывая, что
Определим магнитную индукцию трех участков электромагнита формулу:
где – толщина сердечника, м;
– ширина сердечника, м.
Принимаем
По рассчитанным данным магнитной индукции по графику «Кривой намагничивания» определяем – напряженность на этих трёх участках.
=450 А/м; =200 А/м; =450 А/м.
Подставляем все значения в формулу (1.1)
Так как высота установки регулируется от 0,15 м до 0,4 м. Определим ток при 0,15 м.
В результате при снижении высоты установки ток необходимо уменьшить в более чем в 2,5 раза. Поэтому предполагается использовать управляемый резистор.
Определим мощность одной катушки:
где – мощность одной катушки, Вт;
– напряжение, В.
Мощность всех установок:
С учетом блока питания мощность установки составит 15-20 Вт.
2.3 Программа и методика экспериментальных исследований
Программа исследований.
Для проведения экспериментальных исследований разработана программа исследований:
— разработка установок магнитной стимуляции растений кассетного и карусельного типов;
— проведение лабораторных исследований по воздействию магнитного поля на рост растений;
— выявление оптимальных режимных параметров установок кассетного и карусельного типов, влияющих на рост и развитие растений;
— проведение исследований по выращиванию ранее стимулированных растений в открытом грунте (на примере рассады томатов) [76].
Установка стимуляции семян кассетного типа
Для проведения лабораторных исследований по воздействию магнитного поля на рост и развитие растений, была разработана установка кассетного типа. Общий вид установки представлен на рисунках 2.16 и 2.17. Основной особенностью установки является то, что на ряд ячеек установлены катушки индуктивности. При этом, катушки соединены между собой последовательно в батареи по 8 штук. Через реостат катушки подключены к блоку питания [76].
Установка включает три независимые батареи с реостатами. Между батареями расположены ряды ячеек, не оснащенные катушками. А также ячейки без катушек находятся в стороне от растений контрольной группы.
Рис.2.16. Экспериментальная установка стимуляции редиса магнитным полем
Рис. 2.17. Экспериментальная установка стимуляции рассады томатов магнитным полем
При проведении экспериментальных исследований семена высевали в ячейки. После появления всходов включалась экспериментальная установка.
Обработка растений производится каждый день на установленный период.
Данное устройство способно регулировать напряжённость магнитных полей до 5000 А/м.
В качестве испытуемых растений были редис (рисунок 2.16) и рассада томатов (рисунок 2.17) таблица 2.1.
Таблица 2.1
Программа исследований воздействия магнитного поля на растения
| №
опыта |
Культура | Время стимуляции | Напряженность магнитного поля |
| 1 | Редис | 1 часа | 1000, 3000, 5000 А/м. |
| 2 | Рассада томатов | 3 часа | 1000, 3000, 5000 А/м. |
Для обеспечения дополнительного освещения использовались светодиодные фитосветильники.
По окончанию эксперимента замерялась надземная часть растений.
Для определения влияния стимуляции рассады магнитным поле на увеличение урожайность, часть растений была высажена в открытый грунт. При этом на каждый опыт приходилось по пять кустов (Рис.2.18).
 |
 |
| а) | б) |
Рис.2.18. Выращивание томатов в открытом грунте:
а) грядка томатов; б) сбор урожая
В период роста растений в открытом грунте, проводились наблюдения по росту и развитию растений каждого опыта.В период сбора урожая, овощи каждого опыта собирались отдельно, взвешивались и суммировались с предыдущим сбором, так как томаты поспевали в течении определенного периода.
Для дальнейшего проведения экспериментов была разработана установка кассетного типа с квадратными ячейками. Расчет основных параметров выполнялся по методике, приведенной в разделе 2.2.2. Общий вид установки представлен на рисунке 2.19. Опыты проводились на растениях салата [76].
В процессе проведения эксперимента постоянными факторами были время стимуляции растений (3 часа в сутки) и напряженность магнитного поля (3000 А/м). Изменяющимся фактором являлось направление магнитного поля. В одной батарее магнитное поле было направленно вверх по центру ячейки, а у другой вниз. Часть растений не обрабатывалась магнитным полем и являлось контрольной.
 |
 |
а) б)
Рис. 2.19. Установка магнитной стимуляции растений кассетного типа
с прямоугольными ячейками:
а) подготовка и настройка установки; б) проведение эксперимента
По итогам проведения экспериментов растения взвешивались и измерялись (Рис. 2.20).
 |
 |
Рис. 2.20. Измерение длины растения
В дальнейшем растения отправлены на агрохимическую экспертизу.
Установка стимуляции семян карусельного типа
Для продолжения проведения экспериментальных исследований по воздействию магнитного поля на растения была разработана установка стимуляции семян карусельного типа [36].
Общий вид экспериментальной установки представлен на рисунке 2.21.
 |
 |
а) б)
Рис.2.21. Общий вид устройства магнитной стимуляции растений карусельного типа:
а) подготовка и настройка установки; б) проведение экспериментов
Направление витков медного провода катушки, а также направление электрического тока в проводах подобраны таким образом, что линии магнитной индукции катушки на одной из установок направлены вверх, а на второй вниз. Таким образом, катушка создает магнитное поле, магнитный поток которого проходит вверх и вниз через стаканчики с посаженными в грунте растениями. Далее магнитный поток рассеивается и меняет свое направление и затем сходится в нижней части ячейки с грунтом, меняя свое направление.
При проведении эксперимента был заложен один опыт, в которых изменялся один фактор – направление магнитного потока. И отдельно контроль (растения не подверженные магнитной стимуляции).
Стимуляция растений осуществлялась ежедневно в одно время с момента появления первых всходов. Время стимуляции составляло три часа раз сутки. Для обеспечения, заданного время обработки блок питания включается в сеть через таймер.
Нормы температуры и полива поддерживались одинаковыми для всех опытов.
Исследования по воздействию магнитного поля на растения проводились на салате сорта «Русский богатырь».
Досвечивание растений осуществлялось при помощи светодиодных фито светильников.
По итогу срока проведения эксперимента проводились измерения длины стеблевой части растений. Измерения проводились при помощи линейки [76].
2.4 Результаты экспериментальных исследований
Результаты, полученные на установке кассетного типа
Результаты проведения экспериментов стимуляции редиса магнитным полем показали, что длина листовой части растений, подвергшихся стимуляции оказалась больше чем контрольные растения (Рис. 2.22).
Таблица 2.2
Результаты исследования воздействия магнитного поля на растения редиса
| Напряженность магнитного поляпо вариантам, А/м | Высота растения, см | Ср. знач. высоты, см | Отклонениевысоты растенийот контроля, % | |||||||
| 5000 | 13,6 | 13,9 | 14,6 | 15,7 | 13,8 | 15,4 | 14,9 | 14,7 | 14,58 | 19 |
| 3000 | 14,3 | 14,8 | 16,2 | 15,1 | 14,9 | 15,2 | 14,9 | 16,1 | 15,19 | 24 |
| 1000 | 12,2 | 12,7 | 12,8 | 13,5 | 13,4 | 12,7 | 13,1 | 12,9 | 12,9 | 5 |
| Контроль | 12,1 | 12,8 | 12,14 | 12,7 | 11,1 | 11,8 | 12,8 | 12,7 | 12,27 | — |
Рис. 2.22. График зависимости длинны листовой части редиса от напряженности магнитного поля
При этом наибольшие размеры листовой части редиса наблюдались у растений, которые были обработаны напряженностью магнитного поля 3000 А/м. Размер листовой части был на 43% больше чем у контрольных растений, не подвергнутых обработке(Табл. 2.2) [76].
Также было выявлено, что растения, которые находились непосредственной близости от ячеек с катушками, имели большие размеры листовой части в отличии от контрольных растений.
Аналогично проводились исследования по влиянию магнитного поля на рост и развитие рассады томатов. По окончанию опыта были произведены замеры растений. Опыт показал, что зеленая часть растений, обработанных магнитным полем напряженностью 3000 А/м была больше контрольных растений на 16% (Рис. 2.23). Также хороший результат показали растения, простимулированные магнитным полем напряженностью 1000 А/м и 5000 А/м. Размеры надземной части растений, оказались больше чем на контроле на 15% и 10% соответственно [42; 76; 77].
Для определения урожайности томатов, по истечению периода созревания все плоды собирались, взвешивались, а также проводился визуальный осмотр (Табл. 2.3).
Таблица 2.3
| Напряженность магнитного поля по вариантам, А/м | Высота растений, см | Средняя высота, см | Отклонениевысоты растенийот контроля, % | |||||||
| 1000 | 39 | 38 | 42 | 42 | 40 | 43 | 37 | 39 | 40 | 14 |
| 3000 | 44 | 42 | 44 | 39 | 39 | 42 | 41 | 43 | 41,7 | 19 |
| 5000 | 39 | 37 | 36 | 33 | 35 | 34 | 35 | 38 | 39,5 | 12,5 |
| Контроль | 33 | 36 | 38 | 29 | 37 | 35 | 35 | 36 | 35,1 | — |
Рис. 2.23. График зависимости длинны листовой части томата от напряженности магнитного поля
В результате исследований влияния стимуляции рассады магнитным полем на урожайность томатов, было определено, что у растений, простимулированных в магнитном поле урожайность оказалась выше чем на контроле (Табл. 2.4) (Рис. 2.24).
Таблица 2.4
| Напряженность магнитного поля по вариантам, А/м | Вес томатов, кг | Суммарный вес, кг | Отклонениевеса томатовот контроля, % | ||||
| 1000 | 1,3 | 1,1 | 1,4 | 1,5 | 1,5 | 6,8 | 28 |
| 3000 | 1,5 | 1,6 | 1,1 | 1,4 | 1,6 | 7,2 | 36 |
| 5000 | 0,9 | 1,4 | 1,2 | 1,1 | 1,6 | 6,2 | 17 |
| Контроль | 1,1 | 0,9 | 0,8 | 1,2 | 1,3 | 5,3 | — |
Рис. 2.24. График зависимости массы собранных томатов, в зависимости от напряженности магнитного поля
Наибольший результат оказался у растений, стимулированных в магнитном поле напряженностью 3000 А/м и составила 7,18 кг с пяти кустов, тогда как на контроле составило 5,8 кг. Прибавка урожайности составила около 24%. У растений, обработанных в магнитном поле напряженностью 1000 А/м и 5000 А/м вес собранных томатов оказался равным соответственно 6,8 кг 6,2 кг с пяти кустов, что на 17% и 7% больше чем на контроле [76].
По итогам экспериментальных исследований по стимуляции редиса и рассады томатов магнитным полем было выявлено, что магнитное поле благоприятно влияет на рост и развитие растений (Рис.2.25). Стимуляция растений магнитным полем повышает интенсивность роста на 10-20%. Прибавка урожайности в среднем также составляет от 10 до 20 %.
Исследования по влиянию магнитного поля на интенсивность и развития зеленой части салата показали, что у растений, находившихся в магнитном поле, направленном вверх оказались наилучшие результаты по общей массе и размерам зеленой части. Общая масса данной группы оказалась на 21% выше чем на контроле и составили соответственно 95,6 гр. и 78,9 гр. Длина растений, стимулированных магнитным полем, направленным вверх составила 104 мм, тогда как на контроле 91 мм [76].
Рис. 2.25. График зависимости массы растений салата от направления стимулирующего магнитного поля
При этом, худшие результаты показали растения, которые стимулировались в магнитного поля, направление которого было вниз. Общая масса составила 77,4 гр., что незначительно меньше контроля [75; 76].
Таким образом, эксперимент показал, что при стимуляции растений магнитным полем, направленным вверх оказался на 21 % выше чем на контроле, что подтверждает результаты предыдущих исследований.
Результаты, полученные на установкекарусельного типа
По проведенным результатам длинны растений, при разных направлениях магнитного потока была определена их средняя длина. Анализ результатов показал, что средняя длина растений, которые стимулировались магнитным полем оказалась выше чем на контроле (2.26). При этом наибольшая средняя длина наблюдается у растений, стимулированных магнитным полем, направленным вверх. Она составила 131 мм, тогда как средняя длина растений на контроле составляет 117 мм. То есть растения были больше на 12% чем контроль [75; 76].
Рис. 2.26. График зависимости длинны листовой части салата от напряженности магнитного поля
Средняя длина растений, обработанных в магнитном поле направленным вниз оказалось незначительно выше чем на контроле и составила 120 мм.
Таким образом, для данного типа растений благоприятным является магнитное поле, направленное вверх.
Анализ способов и устройств стимуляции роста растений показал, что одним из наиболее эффективных способов является стимуляция растений в магнитном поле. Данный способ является экономичным и экологически безопасным.
Разработаны варианты конструкции устройств магнитной стимуляции растений кассетного и карусельного типа. Расчеты электротехнических ирежимных параметров показали, что установки являются энергоэкономичными.
Приведена программа и методика экспериментальных исследований влияния магнитного поля на растения разных культур. Эксперименты проводились на редисе, томате и салате. Основными проверяемыми факторами, влияющими на рост и развитие растений, были напряженность магнитного поля, в диапазоне от 1000 до 5000 А/м, а также направление магнитного поля.
В результате проведенных исследований было определено, что более благоприятно отзываются на воздействие магнитным полем напряженностью 3000 А/м. При этом, наиболее благоприятным оказалось воздействие магнитным полем, направленным вверх. По результатам анализа повышение интенсивности роста растений и урожайности составляет 10-20%.
3 АДАПТИВНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ РАСТЕНИЙ
3.1 Анализ состояния вопроса адаптивного освещения растений при их выращивании в контролируемых условиях
Важную роль в процессах роста и нормального развития растений, выращиваемых в контролируемой среде, играют продолжительность светового дня, интенсивность светового потока, а также спектральный состав оптического излучения. Свет – основной источник энергии, необходимой для нормального протекания физиологических реакций в растениях, в первую очередь фотосинтеза. На свету из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза образуются углеводы, из которых затем синтезируются белки, жиры и биологически активные вещества. Залог урожая тепличных культур – достаточная освещенность растений.
Солнечный свет состоит из совокупности различных частей спектра, как видимых (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый), таки невидимых ультрафиолетовых и инфракрасных.
Для жизнедеятельности растений необходима фотосинтетическая и физиологически активная радиация (ФАР). Участок излучения с длиной волны oт 380 до 710 нм имеет зрительно синий цвет, сине-фиолетовый цвет (400-450 нм) и красный(620-720 нм), дальний красный цвет (640-710 нм). Такие волны поглощаются особенно интенсивно, обеспечивая фотосинтез растений. Красное и оранжевое излучение (590-620 нм) спектра наиболее важны для фотосинтеза, благодаря им в тканях растений накапливаются углеводы, клетки удлиняются, побеги, стебли, листья быстрее растут. Фиолетовые и синие лучи (380-490 нм) способствуют образованию аминокислот и делению клеток, но, кроме того, оказывают значительное формообразующее действие (стимулируют переход к цветению у растений короткого дня, замедляют развитие растений длинного дня). Ультрафиолетовые лучи (315-318 нм) задерживают вытягивание стебля, зеленые (490-565 нм) и желтые (565-590 нм) – физиологически менее активны [29; 84; ].
Для получения стабильных и высоких урожаев необходимо правильно регулировать длительность и интенсивность освещения, особенно в зимний период.
По интенсивности и длительности необходимого для растений излучения они подразделяются на следующие виды:
- растения короткого дня. Зацветают осенью или зимой, когда день короче ночи и в помещениях используется искусственное освещение. Сокращение светового дня приводит к тому, что растения зацветают. Темнота необходима им лишь во время вегетации, а потом они могут благополучно расти и приносить урожай в условиях длинного дня;
- растения длинного дня. Эти растения смогут зацвести, если световой день будет превышать 13 ч. При коротком дне плоды у этих растений слабо формируются или совсем не образуются;
- растения, не подверженные влиянию продолжительности светового дня. Они зацветают при любой продолжительности освещения, кроме очень короткой. В случае чрезмерно непродолжительного освещения такие культуры постепенно увядают.
Культуры, выращиваемые в закрытом кгрунте, существенно различаются по требованиям к световому режиму. Кроме того, этот показатель может изменяться у одной и той же культуры в зависимости от способа выращивания и возраста. Световые условия варьируют в связи со временем суток и в течение года, конструкцией культивационных сооружений, погодными условиями и т.д. Общее количество энергии, поступающее летом, примерно в десять раз больше, чем в зимние дни. Периодически изменяется и спектральный состав света: утром, вечером и зимой, когда солнце стоит низко над горизонтом, преобладают красные и инфракрасные лучи; летом в середине дня – фиолетовые и синие.
Наиболее интенсивное усвоение углекислого газа наблюдается в красных лучах. Затем по направлению к зеленой части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает. В зеленых лучах фотосинтез минимальный, так как именно зеленые лучи хлорофиллом не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, если представить себе интенсивность фотосинтеза в виде кривой, то она будет иметь два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла [27; 70; 71].
На определенных стадиях роста и развития растений требуются различные составляющие части спектра видимого света в диапазоне 400-700 нм, но с преобладанием красных, синих и фиолетовых лучей. На стадии цветения могут оказаться продуктивными добавления желтого или оранжевого света. В период плодоношения и созревания для некоторых видов растений возрастает роль, например, зеленого света (огурцы, томаты) [71].
Например, при выращивании огурца целесообразно ограничивать долю красных лучей, а томаты не реагируют на них. В молодом возрасте всходам и рассаде нужен один состав света, а взрослым растениям для завязывания и налива плодов – другой.
Планируя освещение теплицы, важно различать основное освещение и досвечивание. Задача основного освещения – восполнить нехватку у растений естественного солнечного света с помощью искусственных источников и, конечно же, создать комфортные условия для работы растениевода. Досвечивание применяется для стимуляции развития растения на разных стадиях роста, например, с целью увеличения урожая или ускорения цветения.
Недостаточно просто обеспечить яркое освещение – крайне важен состав света. Фотосинтез у растений способен протекать только под воздействием волн определенной длины в световом спектре. Солнечный свет содержит именно такой спектр. Соответственно, искусственный свет должен быть максимально близок по своему спектральному составу к солнечному, чтобы растения могли своевременно и правильно развиваться.
На рисунке 3.1.1 представлена спектрограмма солнечного света в относительных единицах, с указанием максимумов энергии, приходящихся на голубую (длина волны 400-500 нм) и фиолетовую (600-700 нм) части спектра. Данные максимумы энергии обозначены пунктирной линией [30; 84].
Длина волны, нм
Рис. 3.1.1. Спектрограмма солнечного света
В спектре солнечного света преобладают голубые и фиолетовые оттенки. Красные цвета выражены не столь отчетливо.
Разные части спектра видимого света оказывают различное влияние на растение: красный стимулирует развитие корневой системы, образование соцветий, созревание плодов, синий и фиолетовый отвечают за рост вегетативной массы, зеленый и желтый практически не поглощаются и отражаются от поверхности – поэтому все растения зеленого цвета. Подсвечивая растение светом сопределенными частями спектра, можно управлять фотохимическими процессами его развития на разных стадиях роста, увеличивая эффективность теплицы.
Для досвечивания растений применяются специальные фитосветильники. Широко распространены фитосветильники c люминесцентными лампами, металлогалогенными, зеркальными лампами высокого давления (ДРИЗ) и дуговыми натриевыми трубчатыми лампами (ДНаТ). Фитосветильники крепятся непосредственно над растениями. Наиболее эффективное излучение для растения находится в участках 400-450 и 650-700 нм. Поэтому светильники, излучающие световой поток именно этих длины, волн – красный и синий, наиболее часто применяются для освещения растений в культивационных сооружениях. Они имеют принципиальное значение для развития корневой системы и листьев [36].
В настоящее время для облучения растений применяются установки типа ГСП, ЖСП, ОТ, которые оснащены ксеноновыми лампами типа ДКСТ, натриевыми лампами типа ДНаТ, металлогалогеновыми лампами типа ДРИ и люминесцентными лампами. Все они имеют разные характеристики. Эти источники облучения в течение всего срока службы дают сложный спектр излучения и растения подвергаются действию всего спектра длин волн. Нужные длины волн занимают в общем спектре от 30 до 50%. КПД этих осветительных установок не превышает 10-15%.
Недостатком перечисленных светильников является невозможностьрегулирования спектра света и его интенсивности (величины светового потока). В то же время эти источники света имеют низкий КПД и коэффициент активной мощности,а также сложны в эксплуатации.
При выборе источника искусственного света необходимо отдавать предпочтение такому, который создает более равномерное световое поле. На этот показатель влияют также высота подвеса светильника и использование рефлекторов (отражателей), при этом можно обойтись минимальным количеством светильников используя рефлекторы. Источник света не должен излучать много тепла, которое вызывает преждевременное старение, цветение, ускоряет плодоношение и снижает урожайность [46; 56; 89].
3.2 Разработка электрической и конструктивной схем регулируемого фитосветильника
При реализации современных агротехнологий в защищенном грунте всегда имеется возможность выращивания овощных культур при снижении энергозатрат. Перспективным направлением снижения затрат энергии является разработка более совершенных конструкций, способов и режимов работы технологического оборудования, в частности систем искусственного облучения [80; 83]. В настоящее время уделяется большое внимание развитию промышленной светокультуры, в частности интенсивной светокультуре растений с широким использованием искусственных источников излучения. В работах [79; 82] были проведены фундаментальные исследования по оценке влияния интенсивности излучения и спектрального состава на урожайность. Однако данные эксперименты сдерживались ограниченной номенклатурой светотехнических изделий. В частности, отсутствовали соответствующие источники излучения, позволяющие воспроизводить отдельные участки спектра и обладающие высокой надежностью. Данная проблема в современном мире может быть решена путем применения светодиодной техники. Сейчас производители предлагают широкую линейку оборудования (фитосветильников, облучателей) на основе светодиодных технологий для создания оптимального радиационного режима при выращивании растений в контролируемых и регулируемых условиях.
Предлагаемое устройство содержит платы со световыми элементами, состоящими из групп светодиодов с различными спектрами излучения, вентилятор и систему управления с коммутатором групп светодиодов, датчиком освещенности и датчиком-спектрометром. Платы выполнены из гибкого материала в виде полуцилиндров, соединены попарно навесами и установлены в цилиндрический плафон. Светодиоды расположены с наружной стороны плат в несколько рядов. Система управления вынесена за пределы корпуса и выполнена на базе промышленного компьютера, управляющего фитооблучателем по программе. При таком выполнении снижается материалоемкость устройства и упрощается система управления, повышается эффективность использования световой энергии устройства культивируемыми растениями, улучшаются условия для процесса фотосинтеза и, как следствие, повышается урожайность растений защищенного грунта, сокращаются сроки выращивания растительной продукции.
Преимуществом является разделение светодиодов на группы по цветам, что дало возможность регулировать каждый спектр отдельно в зависимости от потребности растения. Спектр излучения светодиодов подобран таким образом, чтобы его состав соответствовал потребностям растений того или иного вида для обеспечения оптимального фотосинтеза. Соотношение световых потоков подбирается заранее и затем может регулироваться в широких пределах. Это соотношение регулируется в соответствии с видом и стадией развития растения. Светодиоды различного спектра излучения распределены вдоль лицевой поверхности фитосветильника равномерно. При этом группы светодиодов определенного спектра излучения располагают преимущественно в одном из плафонов, а плафоны чередуют. Часть светодиодов может иметь ультрафиолетовый и инфракрасный спектры излучения.
В систему управления входит блок электропитания и микропроцессорная система управления, в которую встроен компьютерный блок задания режима включения (БЗРВ). К БЗРВ в свою очередь подключены программируемый контроллер для перевода схемы из ручного режима в автоматический, датчик внешней освещенности, спектрометр, таймер, а также программируемый контроллер вида растений. Кроме того, в систему управления введен программируемый контроллер задания режимов для поддержания суточного цикла изменения спектра освещения и величины освещенности в соответствии с выбранной программой. Также в схему может быть введен программируемый контроллер, который позволяет учесть тип внешнего источника света. В варианте технического решения в схему управления введен программируемый контроллер, обеспечивающий заданный режим импульсного включения световых элементов с регулятором, управляющим продолжительностью световых импульсов, с регулятором освещенности и регулятором длительности темновых пауз [11; 23; 79; 89].
Также очень важно подобрать правильное расстояние между фитосветильником и растением. Минимальное расстояние до ближайших листьев растений 20см. Максимальное расстояние зависит от мощности фитосветильника и от наличия дополнительного источника искусственного или солнечного освещения. Оптимальное расстояние от растений составляет 1,2-1,5м. Чем ближе, тем больше света получат растения. Большее расстояние уменьшит освещенность. Размещение фитосветильникаразрабатывается индивидуально. Желательно чтобы направление свечения ламп совпадало с источником естественного освещения, тогда растениям не придется постоянно менять ориентацию листьев в направлении источника света.
Рис. 3.2.1. Схема размещения фитосветильников
Искусственное освещение растений может быть организованно при помощи различных осветительных приборов. Впервые оно было использовано в 1868 году ботаником Андреем Фаминцыным – он освещал культуры при помощи зажженных керосиновых ламп [81; 84]. Оптимальным решением при выборе вариантов организации искусственного освещения являются специальные фотолампы для растений. Их можно сделать самостоятельно, а можно приобрести в готовом виде (Рис. 3.2.1).
Была разработана электрическая схема фитосветильника, которая представлена на рисунке 3.2.2.
Рис.3.2.2. Электрическая схема фитосветильника
Фитосветильник состоит из импульсного источника питания (ИИП), он служит для преобразования входного напряжения до необходимой величины. Блок регулировки БЗРВ – блок задания режимов включения, он нужен для автоматизированной работы фитосветильника. Блок регулировки спектра необходим для регулировки спектра, чтобы создать необходимый спектральный состав для растения. Далее линейка светодиодов, в одном светильники 3 ряда по 40 RGB (полноцветных) светодиодов, в общем 120 штук, мощность каждого светодиода 3 Вт.
Разработана конструктивная схема фитосветильника, которая представлена на рисунке 3.2.3.
Рис.3.2.3. Конструктивная схема фитосветильника
а) передняя часть; б) задняя часть
Рис. 3.2.4. Схема расположения и подключения светодиодов в фитосветильнике
Схема расположения и подключения светодиодов представлена на рисунке 3.2.4.
Фитосветильник имеет прямоугольную форму, что способствуют удобству его применения в рядах. Размеры: длина 500 мм, ширина 200 мм, толщина 50 мм.
Рис.3.2.5. Расположение фитосветильников
Расположение светильников представлено на рисунке 3.2.5. Светильники расположены в верхней части парника между рядами в количестве 2 штук под углом 45 градусов, в крайних рядах установлено по одному светильнику. Такое расположение светильников дает максимальную освещенность всех растений, минимизирует количество теней [84; 86].
3.3 Методика и результаты экспериментальных исследований по обоснованию эффективности адаптивного освещения
Для проведения исследований, направленных на разработку энергосберегающих элементов технологии выращивания овощных культур в контролируемых условиях и выявлению степени влияния светового потока с различным спектральным составом на рост и развитие растений, была разработана и изготовлена автоматизированная биотехнологическая установка «Биомодуль ЭСС RGB-250» (Рис. 3.3.1).
Установка представляет собой корпус 1 функционально разделённый на три части. В нижней части установки расположен отсек электронных блоков управления и контроля (БУК) 2, в котором размещены электронные блоки системы адаптивного освещения, программируемые электронные модули, блок контроля температуры и влажности воздуха, система увлажнения воздуха. В центральной части биомодуля расположена рабочая камера 4, являющаяся частично герметичной, но не изолированной от внешней среды. В рабочей камере размещаются посадочные лотки с выращиваемыми растениями. В верхней части установки размещен отсек 7 RGB-светильников 8. Данные светильники содержат специально подобранную комбинацию одноцветных светодиодов (красного, зеленого и синего цветов), трёхцветных RGB-светодиодов и светодиодов белого света. Такая комбинация, в сочетании с возможностью независимого регулирования яркости каждой из трёх групп светодиодов, позволяет создавать световой поток любого спектрального состава. Таким образом данная установка позволяет проводить исследования по влиянию спектрального состава света на рост и развитие растений [89].
Оперативное регулирование интенсивности светового потока проводится регулятором 6. Точная настройка спектрального состава и интенсивности светового потока проводится из мобильного приложения или компьютера, по средствам Wi-Fi подключения (Рис. 3.3.2).
Таким образом возможно создать как моноспектральное освещение красного, зелёного или синего цвета, так и сложное полноспектральное, в различных комбинациях (Рис. 3.3.3).
Разработанный биомодуль содержит съемную систему электрического стимулирования растений. В её состав входит высоковольтный регулируемый блок питания, размещенный в отсеке 2 (Рис. 3.3.1), и совокупность электродов, соединенных с высоковольтным блоком питания.
а б
Рис.3.3.1. Общий вид биомодуля для ускоренного выращивания растений в контролируемых условиях: а – общий вид; б – система адаптивного освещения:
1 – корпус; 2 – отсек размещения электронных блоков управления и контроля (БУК);
3 – крышка отсека БУК; 4 – стенки рабочей камеры; 5 – дверца рабочей камеры;
6 – регулятор интенсивности светового потока; 7 – отсек RGB-светильников;
8 – RGB-светильник; 9 – вентилятор аэрации рабочей камеры;
10 – система приточно-вытяжной вентиляции; 11 – блок датчиков температуры
и влажности воздуха; 12 – диэлектрическое днище рабочей камеры
Нижний электрод положительной полярности размещен, в целях безопасности, под диэлектрическим днищем рабочей камеры 12, а верхний электрод – струнный, изготовлен из изолированного провода закреплённого на диэлектрическом каркасе и является съёмным. Он может устанавливаться, по мере необходимости, непосредственно в рабочую камеру.
а б в г
Рис.3.3.2. Регулирование спектра освещения растений в биомодуле:
а – интерфейс программы; б, в, г – моноспектральное освещение красного, зелёного и синего цветов, соответственно
а б в
Рис.3.3.3. Настройка полноспектрального освещения растений в биомодуле:
а – интерфейс программы; б – полноспектральное освещение RGB; в – полноспектральное освещение с добавлением белого цвета
С помощью спектроколориметра «ТКА – ВД» были исследованы такие показатели как освещенность, температура цвета, координаты цвета, координаты цветности, построены диаграммы хроматичности в системе х, у, в системе u, v и в системеrgxy, спектрограмма. Для вывода всех данных использована программа «Спектрофотометр», которая идет в комплекте со спектроколориметром [79].
Цвет стимула описывается тремя трехстимульными значениями, но все же были разработаны специальные диаграммы цветностей для получения удобного двухмерного представления цветов. Преобразование трехстимульных значений в координаты цветности выполняется через нормировку, удаляющую информацию о яркости; данное преобразование — это т.н. перспективная одноточечная проекция точечных данных трехмерного трехстимульного пространства на единичную плоскость этого пространства (с центром проекции в точке начала координат.
По выполнении проекции мы имеем только двухмерную информацию, которую несут координаты цветности. Третью координату цветности всегда можно получить из двух других, так как сумма всех трех всегда равна единице. Таким образом, z координата может быть вычислена изx иy [79].
Пользоваться координатами цветности нужно с большой осторожностью, поскольку они пытаются представить трехмерный феномен только двумя пара метрами. Для полного описания цветового стимула к координатам цветности нужно добавить еще одно трехстимульное значение. Обычно добавляют вели чину Y, поскольку она несет информацию о яркости. Формулы получения двух оставшихся трехстимульных значений из координат цветности и трехстимульногоY значения часто бывают полезными и поэтому даны в виде уравнений.
Сами по себе координаты цветности не содержат сведений о цветовом восприятии стимулов, поскольку не несут в себе информации о яркости стимула(следовательно, о его светлоте) и не учитывают эффекта хроматической адаптации. При изменении статуса адаптации наблюдателя цвет, которому соответствует данный набор координат цветности, может радикально измениться по восприятию (к примеру, от желтого до синего при переходе от адаптации по дневному свету к адаптации по свету ламп накаливания).
Таблица 3.3.1
Результаты исследования светотехнических характеристик светодиодного фитосветильника в биомодуле
| Координаты цвета | Координаты цветности | Освещенность | Температура цвета | ||||||||||
| X | Y | Z | R | G | B | x | y | u’ | v’ | r | g | E, лк | Tcc, К |
| 126 | 100 | 152 | 134 | 73 | 195 | 0,334 | 0,264 | 0,243 | 0,432 | 0,334 | 0,182 | 10127 | 5871 |
Рис. 3.3.4. Диаграмма цветности светильника в системе х, у.
Рис. 3.3.5. Диаграмма цветности в системе u`, v`.
Рис. 3.3.6. Диаграмма цветности в системе rg, xy.
Рис. 3.3.7. Спектрограмма светового потока светильника
Анализируя полученные данные можно заключить, что данный фитосветильник подходит для общего назначения, высокая эффективность F1 спектр подходит для различных видов растений, на протяжении всего их цикла роста. Он содержит высокую долю красного света, который стимулирует фотосинтез во время вегетативного роста и облегчает цветения. Он имеет самые высокие показатели фотонэффективности урожайности [79; 81].
Анализируя полученные результаты, можно отметить, что все три фитосветильника, установленные в биомодуле, подходят для досвечивания растений. На всех преобладают красные с длиной волны 630…680 нм и синие с длиной волны 430…470 нм [84; 89].
Результаты исследований по обоснованию эффективности адаптивного освещения растений, выращиваемых в контролируемой среде.
Исследования проводились на нескольких овощных культурах: лук батун (на зелень) сорта «Лонг Токио», редис сорта «Дамский каприз», салат сорта «Одесский кучерявец», укроп сорта «Гренадёр».
Рис. 3.3.8. Общий вид выращивания овощных культур в биомодуле
Рис. 3.3.9. Кассета с растениями салата сорта «Одесский кучерявец»
а б
Рис. 3.3.10. Общий вид измерения параметров надземной части растений салата по массе и высоте листьев
Таблица 3.3.2
Результаты измерения характеристик листовой части салата
| №
п/п |
Высота куста, мм | Средняя высота куста, мм | Масса куста, гр | Средняя масса куста, гр |
| 1 | 122 | 110 | 34,34 | 33,57 |
| 2 | 108 | 33,27 | ||
| 3 | 68 | 9,56 | ||
| 4 | 114 | 25,14 | ||
| 5 | 125 | 38,79 | ||
| 6 | 115 | 44,72 | ||
| 7 | 107 | 36,21 | ||
| 8 | 121 | 47,50 |
По завершению эксперимента растения салата были срезаны и направлены на исследования. В процессе исследований осуществлялся замер высоты (длины) листьев и их массы (Рис. 3.3.10). Результаты измерений сведены в таблицу 3.3.2. Средняя высота листовой части салата составляет 110 мм, что соответствует нормативным характеристикам для данного сорта. Средняя масса каждого одного листа составила 33,57 грамма, что также соответствует средним нормативным значениям для данного сорта.
Далее листовая часть салата была исследована в лаборатории Самарского ГАУ и определен анионно-катионный состав. Результаты представлены в таблице 3.3.3 и приложении 1.
Таблица 3.3.3
Результаты исследования листьев салата на анионно-катионный состав
| № | Показатель | Определяемая концентрация | Единицы измерения | Нормативный документ на методы испытаний |
| м.д. хлорид-ионов | 2,64 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. сульфат-ионов | 0,53 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. серы | 0,18 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. нитрат-ионов | 0,63 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. фосфат-ионов | 1,53 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. P2O5 | 1,14 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. фосфора | 0,50 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. катионов аммония | 0,23 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов калия | 3,07 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов натрия | 1,10 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов магния | 0,33 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов кальция | 1,09 | % | М 04-65-2010 |
Результаты исследований свидетельствуют о экологической чистоте продукции (листьев салата) и их безопасности, при употреблении в пищу человеком.
Далее были проведены исследования клубнеплодной культуры – редиса сорта «Дамский каприз». Исследования проводились в биотехнологической установке (Рис. 3.3.11 и Рис. 3.3.12). Температура в рабочей камере регулировалась автоматически в интервале от 15 °С до 22 °С. Продолжительность освещения составляла 10 ч.
Особенностью освещения являлось существенное смещение спектрального состава в красно-оранжевую область. Характеристики светасоставляли X = 196, Y = 100, Z = 281, x = 0,340, y = 0.173, E = 7073,3 лк.
Рис. 3.3.11. Общий вид процесса выращивания редиса в биомодуле
а б
Рис. 3.3.12. Редис на завершающей стадии выращивания:
а – 14-й день с момента посева; б – 18-й день с момента посева
Сокращённое время освещения, по сравнению с салатом, объясняется тем, что редис относится к культурам короткого дня и, при увеличении времени освещения, растения начинают цвести «выходят в стрелку». Вследствие этого дальнейший рост прекращается, а урожайность снижается. Кроме того, при цветении резко ухудшаются органолептические свойства продукции.
По завершению эксперимента растения были извлечены из почвы и проведены замеры диаметра, высоты и массы клубней, а также высоты и массы листовой части (Рис. 3.3.13).
Рис. 3.3.13. Растения редиса, подготовленные к замеру параметров
Результаты измерений сведены в таблицу 3.3.4. По данным опыта средняя масса клубня составила 24,07 гр., что соответствует нормативному среднему значению для данного сорта. Величина стандартных отклонений массы корнеплодов составляет около 5 мм, что также свидетельствует о хорошей выровненности плодов редиса по массе.
Среднее значение диаметра корнеплодов составляет 31,46 мм, что превышает средние нормативные значения, а среднее значение высоты плода – 31,58 мм, что сопоставимо с их средним значением диаметра. Так как диаметр совпадает с высотой плода, то он имеет почти идеальную сферическую форму, что создаёт хороший товарный вид продукции, при коммерческом производстве. При этом стандартное отклонение по диаметру плода всего около 4 мм.
Таблица 3.3.4
Результаты измерения клубневой и надземной частей редиса
| № п/п | Масса корнеплода, гр | Средняя масса корнеплода, гр | Масса НЧ, гр | Средняя масса НЧ, гр | Размеры корнеплода, мм | Высота НЧ, мм | Высота НЧ средняя, мм | ||||
| Диаметр d, мм | Среднее | Высота l, мм | Среднее | ||||||||
| 1 | 24,57 | 24,07 | 15,91 | 19,86 | 31,5 | 31,46 | 32,5 | 31,58 | 54,5 | 37,13 | |
| 2 | 14,63 | 23,32 | 32 | 30 | 31,5 | ||||||
| 3 | 21,25 | 17,52 | 31 | 35 | 41 | ||||||
| 4 | 23,84 | 17,25 | 35 | 31 | 36 | ||||||
| 5 | 33,96 | 24,03 | 34 | 37,5 | 55 | ||||||
| 6 | 22,32 | 18,24 | 25,5 | 26 | 22 | ||||||
| 7 | 31,02 | 26,35 | 21,5 | 28,5 | 27 | ||||||
| 8 | 28,26 | 19,95 | 32,5 | 32 | 43 | ||||||
| 9 | 25,26 | 24,72 | 35 | 32 | 43,5 | ||||||
| 10 | 23,69 | 11,54 | 33 | 31 | 31,5 | ||||||
| 11 | 21,21 | 22,06 | 34 | 31 | 36 | ||||||
| 12 | 18,82 | 17,38 | 32,5 | 32,5 | 24,5 | ||||||
| Величины стандартных отклонений, мм | |||||||||||
| 5,23 | 4,32 | 4,02 | 2,91 | 10,72 | |||||||
| Коэффициенты вариации, % | |||||||||||
| 21,74 | 21,79 | 12,78 | 9,2 | 28,921 | |||||||
Дополнительно, анализ показал, что коэффициент корреляции между диаметром корнеплода и его высотой составляет 0,92, что подтверждает высокую связь данных параметров.
Для исследования возможного влияния спектра освещения на изменение нутриентного состава растений, были проведены лабораторные исследования не только плодовой части редиса, но и листовой. Исследования проводились, также, как и в предыдущем случае, на анионно-катионный состав. Результаты исследований представлены в таблице 3.3.4 и приложении 2.
В результате исследований установлено соответствие основных показателей требованиям безопасности пищевой продукции притом, что листовая часть редиса, как правило, не используется в пищу человеком. Некоторые показатели, например, нитрат-ионов составляет всего 0,17%, что существенно ниже предельного значения по безопасности, например, зеленных культур. При этом необходимые катионы калия и кальция содержатся в достаточном количестве.
Таблица 3.3.4
Результаты исследования листовой части редиса на анионно-катионный состав
| № | Показатель | Определяемая концентрация | Единицы измерения | Нормативный документ на методы испытаний |
| м.д. хлорид-ионов | 0,47 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. сульфат-ионов | 2,074 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. серы | 0,69 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. нитрат-ионов | 0,17 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. фосфат-ионов | 2,083 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. P2O5 | 1,56 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. фосфора | 0,68 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. катионов аммония | 1,18 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов калия | 6,75 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов натрия | 0,72 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов магния | 0,98 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов кальция | 4,98 | % | М 04-65-2010 |
Аналогичные исследования были проведены и с клубнеплодной (плодовой) частью редиса. Результаты исследований представлены в таблице 3.3.5 и приложении 3.
Положительным эффектом, который удалось получить в соответствие с гипотезой данных исследований, это крайне низкое содержание нитрат-ионов по всем опытам. В данном опыте уровень этого показателя таков, что он оказался ниже уровня чувствительности исследовательских приборов, которые зафиксировали отсутствие нитрат-ионов и исследуемых образцах.
Положительным эффектом является и достаточное содержание ионов калия – 4,9%, и ионом магния – 0,17%, благотворно влияющих на здоровье человека.
Таблица 3.3.5
Результаты исследования клубнеплодной (плодовой) части редиса на анионно-катионный состав
| № | Показатель | Определяемая концентрация | Единицы измерения | Нормативный документ на методы испытаний |
| м.д. влаги | 92,61 | % | ||
| м.д. сухого вещества | 7,39 | % | ||
| м.д. хлорид-ионов | 1,36 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. сульфат-ионов | 0,98 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. серы | 0,33 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. нитрат-ионов | — | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. фосфат-ионов | 1,43 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. P2O5 | 1,07 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. фосфора | 0,47 | % | М 04-73-2011 | |
| м.д. катионов аммония | 0,17 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов калия | 4,90 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов натрия | 0,02 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов магния | 0,17 | % | М 04-65-2010 | |
| м.д. катионов кальция | 0,05 | % | М 04-65-2010 |
Также положительным эффектом является высокое содержание сухого вещества в плодах редиса – 7,93%, что выше среднестатистических показателей для данного сорта.
В целом, несмотря на то, что данные исследования относительно недавно начаты и проводятся очень короткое время, можно заключить, что спектральный состав света имеет существенное влияние на растения. Влияние сказывается не только на скорости роста и развития растений, скорости созревания плодов, но и на нутриентном составе различных частей растений, как надземных (листовых), так и подземных (клубневых).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведённой серии теоретических и экспериментальных исследований,направленных на выявление положительного эффекта от воздействия электрического и магнитного полей, а также освещения с адаптируемым спектральным составом, на растения овощных и зеленных культур, было выявлено объективное положительное влияние электрического и магнитного поля на ускорение роста и развития растений. Растения зеленых и овощных культур оказавшись в электрическом поле взаимодействуют с ним. Характер взаимодействия определяется родом поля, его частотой, напряженностью и направленностью относительно растений.
На теоретическом этапе установлены параметры взаимодействия электрического и магнитного полей с веществами, содержащимися врастениях. Установлено, что электрическое и магнитное полясущественно влияют на интенсивность движения этих веществ (являющихся электролитами) в растениях.
Теоретически установлено, что вещества биологических объектов – растений, взаимодействуют с изменяющимся во-времени электрическим полем. При этом создаются два вида тока – сквозной и поляризационный. Эти токи влияют на интенсивность движения питательных веществ (являющихся электролитами) в теле растения. В этом и заключается эффект от стимулирования.
Теоретически установлена зависимость, определяющая величину суммарного тока, образующегося в теле растения, под действием пульсирующего электрического поля. Полученная зависимость связывает параметры электрического поля и растительного биологического объекта, создаёт возможность предварительного определения граничных условий стимулирующего воздействия на растения.
Результаты проведенных экспериментальных исследований подтвердили теоретические предпосылки.
При наибольшей напряженности поля – 37 кВ/м, наблюдался наилучший эффект от стимулирования. Средняя высота зеленной массы, по данному опыту, составляет 378,08 мм (по укропу), что существенно превышает контроль, равный 180,75 мм, т.е. на 197,33 мм. То есть, стимулирование с напряженностью 37 кВ/м, существенно ускоряет рост биомассы, что для зеленых овощных культур принципиально важно.
Также важным достижением является существенное снижение коэффициента вариации, который составляет всего 3 %, что на 5 % ниже, чем на контроле.
Таким образом стимулирование электрическим (электромагнитным) полем средней напряженности позволяет выровнять растения по высоте, что принципиально важно при коммерческом производстве зеленой овощной продукции.
В итоге можно заключить, что воздействие пульсирующим электрическим (ЭМП) полем положительной направленности на растения имеет положительный эффект, является экологически чистым способом и может использоваться при выращивании овощных зеленных культур.
По результатам исследований были разработаны конструктивные и электрические схемы лабораторных установок для стимулирующего воздействия электрическим полем на растения. Были разработана высоковольтные источники напряжения, системы регулирования и защиты.
Результаты исследований по стимулированию растений в магнитном поле показали, что магнитное поле благоприятно влияет на рост и развитие растений. Стимуляция растений магнитным полем повышает интенсивность роста на 10-20%. Прибавка урожайности в среднем также составляет от 10 до 20 %.
Исследования по влиянию магнитного поля на интенсивность и развития зеленой части салата показали, что у растений, находившихся в магнитном поле, направленном вверх оказались наилучшие результаты по общей массе и размерам зеленой части. Общая масса данной группы оказалась на 21% выше чем на контроле и составили соответственно 95,6 гр. и 78,9 гр. Длина растений, стимулированных магнитным полем, направленным вверх составила 104 мм, тогда как на контроле 91 мм.
При этом, худшие результаты показали растения, которые стимулировались в магнитного поля, направление которого было вниз. Общая масса составила 77,4 гр., что незначительно меньше контроля.
Эксперимент по стимулированию магнитным полем растений салата показал, что высота листовой части растений, при разных направлениях магнитного потока была различна. Средняя длина растений, которые стимулировались магнитным полем, направленным вверх, оказалась выше чем на контроле. Она составила 131 мм, тогда как средняя длина растений на контроле составляет 117 мм. То есть растения были выше чем контроль на 12%.
Средняя высота растений, подверженных воздействию магнитного поля, направленного вниз, оказалась сопоставима, но незначительно выше чем на контроле и составила 120 мм.
Таким образом, для данного типа растений благоприятным является магнитное поле, направленное вверх.
По результатам исследований разработано несколько вариантов конструктивныхи электрических схем устройств для магнитной стимуляции растений кассетного и карусельного типа. Расчеты электротехнических и режимных параметров показали, что установки являются энергоэкономичными.
Разработанный способ адаптивного освещения растений позволяет получить световой поток любого требуемого спектрального состава и широкого диапазона по интенсивности. Система освещения скомбинирована из двух основных составляющих – светодиодных RGB-светильников, создающих световой поток заданного спектра (X, Y, Z) и светодиодных светильников белого света – усиливающих световой поток I, до требуемой величины. Характеристики их совокупного светового потока настраиваются (тарируются) заранее, посредством программного электронного управления светильниками и приборов контроля (спектрокалориметр ТКА ВД-2). Таким образом предложенная система освещения растений адаптируема к индивидуальным требованиям определённых выращиваемых культур. Исключение из состава спектра неэффективных составляющих приводит к снижению рабочей мощности светильников и, как следствие, расхода электроэнергии. В свою очередь усиление эффективных частей спектра, приводит к росту урожайности и продуктивности растений, сокращению сроков выращивания и созревания плодов. По совокупности всей серии проведённых исследований получено, чтокомплексное воздействие трёх факторов (электрическое и магнитное поля, адаптивное освещение) приводит к сокращению сроков выращивания на 20-25%, при выращивании овощных клубнеобразующих культур (редис),на 17-23% при выращивании зеленных культур (лук на перо, укроп, салат) и на 21-26% при выращивании меристемных культур.
Следовательно, разработанный комплекс энергосберегающих элементов технологии выращивания овощных культур в условиях высокотехнологичных культивационных сооруженийпозволяет снизить расход электроэнергии на 15-20%, по клубнеобразующим культурам, 25-40% по зеленным культурам и 30-40% по меристемным культурам.
Совокупность адаптивного освещения,воздействия электрическим и магнитным полями с заданными характеристиками, на растения позволяет получить мультипликативный эффект, выражающийся в ускоренном их росте, развитии, созревании плодов, повышении продуктивности в целом, а также в снижении энергозатрат.