Эффективность взаимодействия ценоза и светового потока
Для снижения энергоёмкости хозяйственно-полезного урожая большое значение имеет степень перехвата светового потока ценозом, своеобразный КПД процесса светораспределения в ценозе растений. Для описания процесса предлагается экспоненциальная математическая модель связи индекса листовой поверхности (ИЛП) или Leaf Area index (LAI) и коэффициента перехвата светового потока (Light Interception Efficiency, LIE):
КПД = 1 — e(-kLAI)
Коэффициент к зависит от количества листьев и угла их наклона, плотности посадки растений, т.е. характеризует архитектуру ценоза; для листового салата можно принять к = 0,8.
Конкретная светокультура определяет архитектуру ценоза (к) и ИЛП для конкретного вида и сорта растений существенно зависит от такого технологического параметра, как плотность посадки растений. Как сильно влияет плотность посадки растений? Исследования показывают, что целесообразно оптимизировать ИЛП для достижения минимальной энергоёмкости хозяйственно-полезного урожая.
Ниже приведены в качестве примера результаты выращивания салата сорта Кранчита в условиях искусственного освещения облучательными приборами на основе светодиодов без участия солнечного света. Растения выращивались в условиях «Сити-фермы». Система питания растений на установке — гидропоника проточного (циркуляционного) типа.
Условия проведения экспериментальных работ
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Светокультура | Салат сорта Кранчита |
| Плотность посева семян, см²/ед. | 50 |
| Период выращивания рассады, дней | 10 |
| Облучённость рассады, Вт/м² / мкмоль/м²·с | 28 / 140 |
| Дневная доза облучения рассады (DLI), МДж/м² | 1,6 |
| Плотность посадки рассады, см²/ед. | 300 / 220 / 120 |
| Период выращивания до сбора урожая, дней | 24 |
| Облучённость растений, Вт/м² / мкмоль/м²·с | 50 / 250 |
| Дневная доза облучения растений (DLI), МДж/м² | 2,9 |
| Параметры рабочего раствора | pH = 6,0 - 6,5 / EC = 1,5...2,0 |
| Температура воздуха, °C | 22 - 24 (днём) / 18 - 20 (ночью) |
| Влажность воздуха, % | 60 - 80 |
| Концентрация углекислого газа, ppm | 400 ± 50 |
Данные по выращиванию салата Кранчита
| Параметр | Плотность выращивания растений, см2/ед. | ||
|---|---|---|---|
| 120 | 220 | 300 | |
| Продуктивность (вес сырой биомассы), кг/м2 | 6,0 | 3,4 | 1,5 |
| Расход ФАР, МДж/кг | 13,8 | 24,2 | 36,0 |
| Энергоёмкость биомассы, кВт*ч/кг | 10,3 | 18,1 | 26,0 |
При плотности посадки 300 см2/ед. в конце вегетационного периода ИЛП находится в пределах 2 — 3. Примерно 80 — 90% светового потока перехватывается растениями. Такая плотность посадки неэффективна.
При плотности посадки 120 см2/ед. в конце вегетационного периода ИЛП находится в пределах 7 — 8. Такая плотность посадки приводит к загущению посевов и ибыточной конкуренции между растениями.
При плотности посадки 220 см2/ед. в конце вегетационного периода ИЛП находится в пределах 4 — 5. Такая плотность посадки близка к оптмальной.
Высаживая растения более плотно можно выйти на уровень энергоёмкости 10 кВт*ч/кг сырой биомассы, при продуктивности 6 кг/м2. Однако такой подход хорошо сработает для микрозелени и молодой зелени, которая продаётся срезанная, отсортированная, на лотках. Для производства зелени, которая продаётся пучками, плотность посадки имеет ограничения. Возрастание плотности посадки приводит к конкуренции растений между собой и на выходе получаются пучки салата с различной биомассой.
При проектировании энергоэффективной «Сити-ферм» для выращивания салатов рекомендуется рассматривать целевой показатель энергоёмкости хозяйственно-полезного урожая в диапазоне 10…20 кВт/ч*кг или в зависимости от товарной стратегии предприятия:
- при выращивании зеленной продукции для валового сбора — 10…15 кВт/ч*кг
- при выращивании зелённой продукции для реализации пучками 15…20 кВт/ч*кг
Этот показатель также значительно зависит от вида и сорта салата.
Проблематика оптимизации энергоёмкости хозяйственно-полезного урожая усложняется, если принимать во внимание направление входа светового потока в ценоз. Выращивание салата Крончита осуществлялось как указано выше при плотности посадки 120 см2/ед. и 220 см2/ед. при различном светораспределение светового потока светильников в пространстве: доля вертикальных лучей по отношению к поверхности земли была снижена на 1/3, а горизонтальных (параллельных поверхности земли) лучей увеличена соответственно на 1/3. В результате снизилась горизонтальная облучённость участка выращивания растений и увеличилась вертикальная облучённости, которая насыщает объём пространства светом, не будучи направленной непосредственно к растениям. Пространство в области выращивания растений стало более насыщено светом.
Таким образом горизонтальная облучённости посевной снизилась с 50 до 33 Вт/м2 (с 250 до 165 мкмоль/м2*с). Фотопериод оставался 16 часов. Дневная доза облучённости растений в горизонтальной проекции снизилась с 2,9 до 1,90 МДж/м2 .
| Параметр | Посевная плотность, см2/ед. | |
|---|---|---|
| 120 | 220 | |
| Продуктивность (вес сырой биомассы), кг/м2 | 4,3 | 2,7 |
| Расход ФАР, МДж/кг | 13,8 | 21,9 |
| Энергоёмкость биомассы, кВт*ч/кг | 11,8 | 18,7 |
Таким образом, при высокой плотности посадки растений выход сырой фитомассы салата сокращается прапорционально сокращению горизонтальной дозы облучённости участка выращивания. Участие вертикальной облучённости (лучей, паралелльных земле) во взаимодействии с фитоценозом — минимальное. При плотности посадки 120 см2/ед. выход биомассы сократился на 28%, а расход ФАР остался на одном уровне 13,8 МДж/кг.
При плотности посадки 220 см2/ед. выход биомассы сократился на 20%, а расход ФАР сократися на 10%, составив 21,9 МДж/кг против 24,2 МДж/кг. Уменьшение плотности посадки растений улучшает взаимодействие растений и светового потока, направленного в горизонтальном направлении по отношению к поверхности земли.
Энергоёмкость сырой биомассы салата практически не зависела от светорапределения светового потока в пространстве при обоих значениях плотности посадки. При плотности посадки 120 см2/ед. энергоёмкость биомассы оказалась на уровне 11 кВт*ч/кг, при плотности посадки 220 см2/ед. — 18 кВт*ч/кг.
Другие статьи
