Досветка в теплице: Досветка растений в теплице, выращивание томатов на досветке

Содержание

Досветка растений в теплице, выращивание томатов на досветке – Пропозиция

Искусственное досвечивание позволяет выйти на новые горизонты урожайности тепличных помидоров. В Украине эту технологию на значительных площадях пока внедрил только один тепличный комбинат. Зато другие страны — например, Нидерланды или даже соседняя Польша — уже успели накопить некотрый опыт в этой сфере.

Выращивание помидоров на досветке: история создания технологии

Технология досвечивания помидоров, как и большинство остальных интенсивных технологий в овощеводстве, появилась в Нидерландах. Технологии этой около 15 лет, однако в последние годы досветка в этой стране развивается особенно интенсивно. Распространение этой технологии стимулируют торговые сети, заинтересованные в поставках товара от известных, надежных и проверенных поставщиков целый год, чтобы удовлетворять все возрастающий спрос именно на местную продукцию. Особенно, если продукция выращена с использованием биологических, а не химических методов защиты, которые уж точно гарантируют, что у плодов не будет остатков пестицидов. И хозяйства охотно внедряют эту технологию, ведь она позволяет получать продукцию круглый год, без межсезоний, во время которых хозяйство оказывается на финансовой «мели».

Поэтому в Нидерландах все без исключения новые стеклянные теплицы рассчитаны на выращивание помидоров на досветке. Например, в 2018 г. будут введены в действие подобные теплицы общей площадью 180 га — это в несколько раз превышает площадь крупнейших украинских тепличных комбинатов.

Еще одним фактором, который способствовал развитию досветки в голландских теплицах, стало их оснащение когенерационными установками на природном газе, способными производить и тепло, и электроэнергию.

Технология досвечивания растений в теплице

Для досветки помидоров используются натриевые газоразрядные лампы высокого давления, часто — в сочетании со светодиодными лампами, которые устанавливают внутри рядов с целью повышения интенсивности фотосинтеза.

На досветке выращиваются обычно помидоры, огурцы или перец. Так, только помидоры на досветке в Нидерландах выращиваются на площади около 600 га. Высадка рассады на этих площадях проводится с середины июня до середины октября.

Для досвечивания используются светильники с плотностью фотонного потока 174-210 мкмоль/м² х с.

Сбор помидоров на досветке начинается через 7-8 недель после высадки рассады. Сорта с размером плода, который в Европе считается большим (около 150 г), дают в досветке в Голландии 85-90 кг/м², тогда как без нее — 65-70 кг/м². Как отмечают специалисты, не каждый гибрид показывает такой высокий прирост урожайности на досетке. В Голландии в теплицах с досветкой более всего представлены гибриды Комеетт, Мерлин, Прунус (уже зарегистрирован и в Украине), Бриозо, Тимоушн, Хуанита, Фаундейшн, Свителль, Каннаваро и Туранс.

Перец менее требователен к свету, поэтому для досветки этой культуры достаточно 75-102 мкмоль/м²х с, ведь при его выращивании досветка используется исключительно для ускорения созревания. Перец на досветке занимает в голландских теплицах 45 га, а рассада высаживается в 1 половине ноября.

Огурцы требуют 115-130 мкмоль/м²хс, досветка на этой культуре применяется на 40 га, а высадка рассады осуществляется в середине декабря.

В помидорных теплицах в Голландии применяются киловаттные газоразрядные натриевые лампы. В блоках шириной 8 м устанавливается по 4 ряда таких ламп. При шаге колонн 4,5 м плотность светового потока составляет 210 мкмоль/м²хс, что соответствует освещенности примерно 16 тыс. люкс(лк). Такое освещение применяется на помидорах коктейльного типа или сортотипа черри. При шаге колонн 5 м световой поток составляет соответственно 189 мкмоль/м²хс (14,5 тыс. лк). Как рассказывают голландские тепличники, чтобы помидоры созревали в декабре-январе, нужно обеспечить освещенность не менее 13 тыс. лк, и этого достаточно для крупноплодных (в голландском смысле этого слова) гибридов вроде известного в Украине розового Томимару Мучо.

Газоразрядные лампы высокого давления служат 10 тыс. часов, что соответствует примерно 4 годам работы в теплицах. Конечно, при условии своевременного обслуживания.

При комбинированном освещении газоразрядными и светодиодными лампами количество газоразрядных ламп уменьшена на 40%, то есть при шаге колонн 4,5 м световой поток равен 131 мкмоль/м²х с (10 тыс. лк), а при шаге 5 м — соответственно 118 мкмоль/м²х с (9 тыс. лк). Кроме того, от светодиодных ламп внутри ряда поступает дополнительно 55 мкмоль/м²х с, если в ряду помидоров (при расстоянии между рядами 1,6 м) установлен один ряд светодиодных ламп, и 110 мкмоль/м²х с — если два ряда.

Специалисты голландской компании Delphy напоминают овощеводам, что выращивание продукции на досветке имеет свои нюансы. Например, нужно учитывать тепло, выделяемое при работе газоразрядными лампами высокого давления.

Если в Нидерландах на досветке выращивают преимущественно кистевые помидоры, то в Польше — розовые, чаще всего — гибрид Томимару Мучу. В Польше розовые помидоры досвечивают, чтобы в зимне-весенний период иметь плоды хорошего качества и большого (150-200 г) размера.

В Польше выращивания помидоров на досветке начинается обычно в середине октября. Тогда помидоры высаживают плотностью около 2,5 растений/м², если позже — 3,1 растения/м².

Голландские специалисты советуют высаживать рассаду уже с завязанной первой кистью.

В Томимару Мучу можно оставлять по 5 плодов на первых 4-х кистях, что соответственно составляет около 70 плодов/м².

В начале растения еще не имеют большой потребности в свете, поэтому досвечивают их сначала только в конце суток, что позволяет немного поднять температуру, осушить воздух и способствовать генеративному развития растений. Особенно следует обращать внимание на то, чтобы растения сохраняли хорошую силу роста и генеративно-вегетативный баланс. Там, где увеличивается нагрузка растений плодами, следует увеличить продолжительность досвечивании. Примерно с середины ноября лампы горят максимальное время —18 ч (с полуночи до 18.00). Чрезмерное ускорение роста и созревания растений приведет к измельчанию плодов.

Особенности выращивания растений в теплице на досветке

При выращивании на досветке нужно особое внимание уделять влажности воздуха и обеспечению газообмена в теплице.

Самые распространенные ошибки при выращивания помидоров на досветке— слабое проветривание или высокая суточная температура (24°С). Зимой, как советуют специалисты фирмы Delphy, среднесуточная температура должна поддерживаться в пределах 18-19°С, а перед выключением света — 14°С, причем темпы ее снижения не должны превышать 4°С/ч. Впрочем, даже если небо безоблачное и можно надеяться на нагрев теплицы, не стоит сильно снижать температуру накануне отключения света. Дело в том, что при досвечивании растения более чувствительны к снижению температуры, чем при традиционной технологии. Максимальная температура не должна превышать 19°С, а около полуночи — снижаться до 17°С. Для гибрида Томимару Мучу днем рекомендуется температура сначала 20-21°С, в более поздние часы — 22-23°С.

Полив должен быть согласован с регулировкой температуры в теплице. Иногда необходим бывает полив ночью, при включенных лампах — с целью снижения ЕС в матах и контроля роста растений. Показатель ЕС в мате должен составлять от 4 до 5, в питательном растворе — 3,3.

Одним из важных вопросов, которым нужно уделить особое внимание, является содержание в теплице шмелей. Нужно учитывать, что для ориентации в пространстве шмелям нужно УФ-излучение, которое обеспечивает только дневной свет. Для этого примерно за 3 часа до захода солнца нужно закрыть летки ульев при открытых входных отверстиях, чтобы шмели, которые все еще находятся на излете в теплице, могли вернуться в улей. Открывать улей советуют через 30 мин после восхода солнца. Однако их не нужно открывать, когда на крыше теплицы лежит снег. В Голландии практикуется установление ульев над растениями, чтобы не заслонять солнечный свет, который содержит ультрафиолет. Продолжительность жизни шмеля в теплице на досвечивании составляет 6 недель, поэтому контролировать состояние ульев нужно чаще, чем обычно.

Перевел Богдан Малиновский, [email protected]

Фито освещение. Базовый ЛИКБЕЗ — Производство светодиодных светильников. ООО «СВТ»

Фито освещение для досветки растений

1. Кратко о типах досветки в теплицах:

Верхняя досветка – это самый распространенный сегодня тип искусственной досветки в теплицах. Светильники применяются для освещения растений «сверху» и располагаются над растениями.

Ценозная досветка – это освещение «внутри куста». Светильники идут сквозь грядку и освещают внутреннюю поверхность на которую не попадает свет от верхней досветки.

Межрядная досветка – это освещение между грядками. Светильники располагаются с внешней стороны куста и освещают его боковые поверхности. (по аналогии с ценозом)

Стеллажная досветка – это освещение, применяемое в вертикальных теплицах. Светильники располагаются под потолком «следующего этажа».

При проработке теплицы обязательно понять: какого типа теплица, что и как в ней выращивают.

2. Кратко о спектрах излучения:

Солнечный спектр (примерный):

Свет натриевой лампы ДНаТ (примерный):

Спектры белых светодиодов:

Спектры монохромных светодиодов (в т.ч. для фито применения):

Длинны волн: 450нм, 470нм, 500нм, 530нм, 590нм, 620нм, 660нм, 720нм.

Монохромные диоды применяются в различных комбинациях друг с другом и с белыми светодиодами. Это делается для того, чтобы получить нужный спектр.

Для изменения спектрального состава света с течением времени применяются светильники с многоканальным диммингом (управлением яркостью различных цветов).

Полноспектральные (люминофорные) фито-светодиоды:

Исследования:

Определение спектрального состава света, нужного конкретно вашей культуре, можно доверить специальной лаборатории. Такие исследования вы можете заказать у нас.

3. Кратко о расчетах теплиц:

Расчеты для теплиц ведутся в трех основных величинах:

Для того, чтобы рассчитать теплицу необходимо знать:

· тип теплицы

· размеры

· план и желательно разрез (особенно для теплиц с огурцами и томатами)

· требуемые значения величин освещенности, желательно в

Также нужно понимать, что планируется выращивать в теплице.

Проведение технико-экономическое обоснование применения светодоиного фито освещения в теплице: как правило светильники на светодиодах экономят до 50% электроэнергии по сравнению с газоразрядными аналогами. Расчет делается исходя из стоимости кВтч электроэнергии, стоимости подключаемой мощности за кВт, режима работы досветки. Также в расчете может участвовать изменение урожайности.

4. Кратко о фито светильниках:

Светильники производятся для различных типов теплиц и отличаются:

· форм-фактором

· спектром

· мощностью и потоком

· светораспределением

Для стеллажных теплиц:

мы изготавливаем линейные длинные светильники «Фито рельсы»

· Длина 3000мм, ширина 15мм, высота 25мм – очень компактный, легко крепится к стеллажу

· Спектр для зелени (полноспектральные диоды)

· Мощность одного светильника 110Вт, поток 16000лм / 270 мкмоль/с (спектр 5000К)

· Косинусная КСС (Д, 120)

Обеспечение ФАР* (PPFD)* 100мкмоль/квм*с достигается установкой 4х «Фито рельс»

Потребляемая мощность в этом случае 150Вт/квм.

* Обычно ФАР измеряется в мкмоль (микро 10^-6) фотонов*м⁻²с⁻¹, что обозначают как плотность фотосинтетического фотонного потока англ. photosynthetic photon flux density, PPFD. Сколько миллионных долей моля фотонов падает на один квадратный метра за одну секунду.

Для верхней досветки:

Мы изготавливаем прожекторами с различными КСС, спектрами и мощностями

Пример:

· Длина 600мм, ширина 85мм, высота 150мм – очень компактный, легко крепится к лотку или на подвес

· Спектр комбинированный: синий 456 нм — 39% (8 диодов) + красный 660 нм — 61% (16 диодов).

· Мощность одного светильника 50Вт, 100 мкмоль/с

· Глубокая КСС (Г, 45)

Другие варианты:

Такие варианты светодиодных фито прожекторов производятся с различными спектрами излучения и мощностями, КСС.

Ценозная и межрядная досветка:

Под данные задачи мы используем тонкий алюминиевый профиль «Луч»

Его корпус защищает светодиоды от механических воздействий и от пыли и влаги.

Корпус нагревается не более 40⁰С, что позволяет располагать его в непосредственной близости от листа растения.

Резюме:

Фито освещение набирает обороты, проводится множество исследований влияния LED различных спектров на рост и развитие растений.

У компании ООО «СВТ» есть опыт работы с теплицами, готовы оказать техническую поддержку и помощь в реализации проекта.

Изготавливаем фито светильники по ТЗ.

Благодарю за внимание!

ООО «СВТ»

Шестаков Павел

4 апреля 2018г.

Оптимизация освещения в теплице с использованием 3D-модели томата и трассировщика лучей

Введение

Пространственное распределение ассимиляционного света в тепличном садоводстве, особенно в странах с дефицитом естественного солнечного света, является предметом споров и дискуссий (Хови-Пекканен). и Tahvonen, 2008; Trouwborst et al., 2010; de Visser and Buck-Sorlin, 2011). Тем не менее, существует общее мнение, что тип лампы, плотность, расположение и ориентация по отношению к растениям важны и что оптимизация этих факторов может помочь улучшить улавливание света растениями и, таким образом, снизить затраты на электроэнергию. Экспериментальный поиск оптимального решения практически невозможен из-за большого количества возможных комбинаций и больших финансовых и временных затрат на эксперимент. Компьютерное проектирование в сочетании с 3D-моделированием растений и распределением света может стать более быстрым и экономичным решением для проверки влияния возможных конфигураций ламп в теплице на перехват света растениями. Программные средства (например, системы автоматизированного проектирования – САПР), позволяющие осуществлять трехмерную визуализацию объектов в трехмерной сцене, включая моделирование траекторий световых лучей с использованием методов трассировки лучей, хорошо зарекомендовали себя и испытаны. Обычно используемые методы моделирования распределения света в растительных покровах — это трассировка лучей методом Монте-Карло (Veach, 19).97) и гнездовые радиосити (Chelle and Andrieu, 1998). Экспоненциальный рост вычислительной мощности также позволил развить простые модели сельскохозяйственных культур в более сложные версии, так называемые функционально-структурные модели растений (FSPM; Vos et al., 2010). FSPM относится к парадигме описания растения путем создания (обычно объектно-ориентированной) компьютерной модели его структуры и избранных физиологических и физических процессов на разных иерархических уровнях: орган, особь растения, полог (стебель растений), и в которых процессы модулируются локальной средой. Что касается тепличных культур, то FSPM для помидоров (Sarlikioti et al., 2011a,b), срезанных роз (Buck-Sorlin et al., 2011), огурцов (Kahlen et al., 2008; Kahlen and Stützel, 2011; Wiechers et al. , 2011) и chrysanthemum (de Visser et al., 2007). Хотя в тепличной практике доступно небольшое количество 3D-моделей конструкции теплицы, включая лампы, модель de Visser et al. (2012), насколько нам известно, является единственным, который рассматривает внутреннюю часть теплицы (лампы, плиты), а также трехмерную структуру и физиологию растений. Представленная модель имитирует распределение естественного (рассеянного и прямого) дневного света и искусственного света в рамках реалистичного трехмерного изображения урожая.

де Виссер и др. (2012) смоделировали некоторые стратегии энергосберегающего освещения путем оптимизации положения локальных светодиодных ламп в культуре, но варианты ламп с определенными углами для лучшего освещения листьев под углами, меняющимися с возрастом, не рассматривались. Более того, необходимы ответы на вопрос о влиянии листьев, ориентированных на тропинку, как было предложено Sarlikioti et al. (2011b) и одинаково ли важны положения листа для натриевых ламп высокого давления (HPS) и светодиодных ламп. С предстоящей технологией светодиодов в качестве (частичной) альтернативы лампам HPS у производителей есть инструмент для адаптации углов светодиодных модулей с учетом местных углов листа. 3D-моделирование может быть использовано для поиска перспективных конфигураций светодиодного освещения на посевах томатов, которые могут привести к увеличению поглощения света и росту урожая, одновременно поддерживая более энергосберегающую стратегию освещения.

Материалы и методы

Для моделирования использовалась платформа интерактивного моделирования GroIMP, первоначально разработанная и описанная Kniemeyer (2008) и поддерживаемая Геттингенским университетом (Германия). В рамках GroIMP была построена виртуальная теплица на основе существующей теплицы в Центре усовершенствования, Блейсвейк, Нидерланды, путем явного учета положения, формы и оптических свойств всех составляющих ее объектов (см. ниже) в 3D-сцене. Затем распределение света на заданном временном шаге было рассчитано с помощью модели излучения GroIMP, основанной на обратном трассировщике пути Монте-Карло, аналогичном тому, который использовался Cieslak et al. (2008). Солнечный свет моделировался как прямая и рассеянная составляющая в зависимости от среднего за 10 лет зарегистрированного уровня внешней освещенности. Рассеянный свет исходил от небесного объекта, состоящего из 72 направленных источников света, расположенных полусферой вокруг теплицы, в то время как прямой солнечный свет обеспечивался одним направленным источником света. Мощность обоих источников света, а также положение солнца зависели от широты, дня года и времени суток (Гоудриан и ван Лаар, 19).94).

Оптические свойства всех тепличных объектов, а также листьев, связанные с отражением, пропусканием и поглощением доли фотосинтетического излучения (ФАР), генерируемого источником света, были измерены на подвыборках с помощью спектрофотометра Lambda 1050 (Perkin-Elmer Inc), соединенного к защелкивающейся световой интегрирующей сфере.

Чистый фотосинтез был смоделирован для каждого листочка на основе поглощенного света, температуры воздуха и CO ₂ в соответствии с Kim and Lieth (2003), с зависящим от возраста листа значением Jmax, потенциальной скорости переноса электронов ( в мкмоль электронов м ^— ² с ^— ¹ ). Измеренные кривые световой реакции (3 высоты в посевах, n = 3, 10 уровней ФАР от 0 до 2000 мкмоль·м ^— ² с ^— ¹ , измерено с помощью Licor 6400 по газообмену) при 700 ppm CO ₂ (среднегодовое значение в воздухе теплицы) для зимы и лета использовались для калибровки параметров f (спектральный поправочный коэффициент, безразмерный) и Jmax в модели фотосинтеза путем уменьшения разности наименьших квадратов между смоделированным и наблюдаемым фотосинтезом.

Виртуальная теплица состояла из стеклянной крыши, боковых стен, пола, энергосберегающего экрана, желобов, ассимиляционных ламп и урожая, состоящего из статических виртуальных растений (рис. 1А). Световой рисунок, излучаемый лампами HPS мощностью 1000 Вт, точно соответствовал (с интервалом 10°) световому паттерну SON-T в широкоугольном отражателе (данные Hortilux ©), см. Buck-Sorlin et al. (2009) для подробностей. Лампы ДНаТ располагались сеткой 6 м (в направлении ряда) × 2,5 м (поперек рядов) на высоте 1,5 м над верхушкой культуры. Характер излучения светодиодного света моделировался с использованием простых горизонтально светящихся прожекторов с углом раскрытия, подобным тому, который был измерен на 150-сантиметровом серийно выпускаемом модуле RB (данные Philips ©), а испускаемая ФАР была откалибрована до 60°. мкмоль м ^— ² с ^— ¹ теплица. Ряды со светодиодами находились на высоте 2,1 м над землей, светодиоды располагались на расстоянии 40 см друг от друга по горизонтали в пределах каждого двойного ряда растений и располагались в направлении ряда. ок. Под светодиодами располагались 3 лепестка, что на практике встречается регулярно. Урожай представляли в виде статической структуры, соответствующей измерениям на урожае томатов сорта. Kommeet в наших исследовательских центрах в Блейсвейке, Нидерланды: для сценариев HPS и LED зимой, измеренных на шести растениях 11 января 2011 г., для сценариев солнечного света летом на другой культуре, измеренных 9 августа.th в 2011 г. С помощью линейки и транспортира измеряли среднее значение и его вариацию углов листьев, длины, ширины, длины междоузлий и филлотаксиса. Данные были включены в GroIMP как средние значения на фитомер и связанные случайные вариации с использованием набора правил роста, которые создавали 32 (летних) или 36 (зимних) фитомеров на растение, восемь из которых были кистевидными, а остальные состояли из листьев ( Рисунок 1Б). Каждый лист состоял из 15 листочков фиксированной геометрии, однако их размер увеличивался пропорционально длине концевого листочка составного листа (рис. 1С). Смоделированная сцена площадью 4 х 3,2 м состояла из 32 растений с нижним листом, ориентированным в случайном азимутальном направлении, наблюдаемым филлотаксисом между листьями 130°, углом листа 90° (т. е. горизонтальное положение) для нижних листьев и становится немного выше, достигая максимума при 130° для верхних листьев (рис. 1B, C). Растения были размещены на плитах на высоте 0,8 м над полом, а пары плит с внутренним расстоянием 0,4 м были разделены дорожкой, обеспечивающей расстояние 1,6 м от центра к центру между парами плит (рис. 1А). На плите растения находились на расстоянии 0,4 м друг от друга и имели только один стебель без расщепления. Густота посева составила 2,5 стебля на м ² цокольного этажа; вершина навеса находилась на высоте не более 4,5 м от пола. Как видно, ряды растений были ориентированы с востока на запад. Бесконечный навес был смоделирован путем размещения идеальных зеркал вокруг сцены.

РИСУНОК 1. Смоделированная 3D-сцена урожая помидоров: (A) Урожай из 32 растений (каркас с черными листьями, зелеными неспелыми ветвями и красными спелыми ветвями) на двух двойных рядах плит на высоте 0,8 м над полом, со светодиодами (красные квадраты) внутри двойного ряда на высоте 2,4 м и лампами ДНаТ (коричневые квадраты) на высоте 1,5 м над культурой, (B) поперечное сечение четырех растений с углами листьев, увеличивающимися с высотой (положение светодиода на коричневом квадрат), (C) визуализированное изображение одиночного листа, ось которого расположена под определенным углом (красная стрелка) к основному стеблю и состоит из листочков, свисающих вниз на 30-50° (см. синюю стрелку) по отношению к горизонтальный.

Сценарии

На основе вышеописанной настройки по умолчанию были изучены различные сценарии, чтобы получить представление о влиянии архитектуры растений и особенностей источника света на поглощение света и фотосинтез растениями:

(1) Листья были наклонены под углом +30 % значения по умолчанию (т. е. от 90° до 117° по умолчанию (самые нижние листья) и от 130 до 169° (верхние листья), 0 и -30% (прогоны a, b и c) относительно значения по умолчанию, в сочетании с различными источниками света : (1.1) дневной ход 21 июня усредненного за 10 лет солнечного света (70 % прямого, 30 % рассеянного), (1.2) верхний свет HPS (130 мкмоль м ^— ² S ^— ¹ PAR), (1,3) Светодиодные промежутки (60 мкмоль M ^— ² S ^— ¹ PAR)

(2) Листь для ориентации по дорожке (2а) или параллельно плите (2b), в сочетании со светодиодной подсветкой. Каждое из направлений лепестков задается равномерным непрерывным случайным отклонением от -10° до +10° в горизонтальной плоскости, т. е. слева и справа от основного направления лепестков.

(3) Взаимное освещение со светодиодными модулями, освещающими растения под разными углами [светодиоды, направленные от 30° вверх (сценарий 3a) до -30° вниз (3f) с шагом 10°]

Каждый сценарий был воспроизведен пять раз, и в каждом опыте углы листьев произвольно варьировались в вертикальном направлении от -10° до +10° измеренного угла, и каждое растение произвольно поворачивалось вокруг своей оси в диапазоне от -180 до +180° . Каждый запуск занимал ок. 10 с на стандартном ПК. Помимо процента излучаемого света на источник света, поглощаемый растением, для каждого сценария рассчитывается средний чистый фотосинтез на МДж поглощенного или излучаемого PAR света, называемый эффективностью использования света (LUE) в его наиболее обычных единицах. Дисперсионный анализ и t — тест на различия проводили в GenStat, 16-е издание.

Результаты

Листья помидора отражали и пропускали 8 и 3% ФАР света соответственно. Пол теплицы отражал в среднем ок. 40% света PAR и белый пластик 75%. Для относительно небольшой площади поверхности стебля предполагалась такая же оптика, как и для листьев.

С трехмерной структурой измеренного урожая результаты сценариев по углам листа показали влияние максимум на 3% по сравнению с контролем для большинства ситуаций (Таблица 1). В контрольной ситуации ось зрелых листьев имеет почти горизонтальное положение (см. указанный угол на рис. 1В), а прикрепленные листочки свисают еще на 30–50°. Моделирование большего угла стержня по отношению к основному стеблю (сценарий 1.1а) привело к тому, что листья были направлены немного вверх, что мешало светоперехвату (табл. 1; рис. 2). Листья, направленные вниз (сценарий 1.1.c), не увеличивали поглощение солнечного света по сравнению с горизонтальными листьями по умолчанию. Однако в среднем за день этот сценарий показал, что поглощение снижается на 2% около полудня и увеличивается на 2% утром и днем по сравнению с дефолтом. Для солнечного света изменение угла листа аналогично поглощению света, только уменьшило LUE для более крутых листьев (сценарий 1. 1.a). Среднедневное значение LUE для поглощенного света было относительно низким по сравнению с другими сценариями, и, несмотря на 20% более высокий фотосинтетический потенциал летом, из-за более высоких уровней освещенности, которые в полдень (при 1400 мкмоль ФАР м ^— ² с ^— ¹ ) привело к насыщению светом.

ТАБЛИЦА 1. Поглощение света (% входного сигнала) и эффективность использования света (LUE) на единицу поглощенного или излучаемого света на указанный источник света урожая томатов для различных сценариев. В каждой группе (1,1, 1,2, 1,3, 2 или 3) буквы после среднего значения указывают на значительную разницу между сценариями ( p < 0,05). ДМ, сухое вещество.

РИСУНОК 2. Суточная картина поглощения света (% поступающей радиации) культурой на 180-й день для трех сценариев угла листьев .

Для зимы измеренная структура урожая имела аналогичные углы листьев, но меньший LAI (2,7 против 3,4), более длинные междоузлия (в среднем 0,11 против 0,08 м) и на 20% более низкий максимальный фотосинтез по сравнению с летом, и был использован для HPS и светодиодные сценарии. Для освещения ДНаТ увеличение числа листьев с -30 до +30% по сравнению со значением по умолчанию уменьшило поглощение света, но почти не повлияло на LUE (таблица 1). Последнее означает, что между этими сценариями угла наклона листьев все светопоглощающие листья имеют одинаковый возраст листьев и, следовательно, одинаковый фотосинтетический потенциал. Напротив, для светодиодных сценариев с горизонтальными и более крутыми листьями (сценарии 1.3.a,b) повышенное поглощение не увеличивалось, но при освещении большего количества верхних листьев было освещено большее количество LUE по сравнению с висящими вниз листьями (сценарий 1.3.c). ).

Листья, ориентированные вдоль дорожки (сценарий 2.а), имели только на 2 % больше перехвата, чем листья, ориентированные в сторону плиты (таблица 1), однако использование излучаемого света на МДж было ниже, чем листья, ориентированные параллельно ряду и плите (сценарий 2). .б).

Направление светодиодов вверх до 20° (сценарий 3.b) привело к более высокому поглощению светодиодного света растениями и самому высокому значению LUE на МДж излучаемого света из всех сценариев. В этом сценарии не моделировалась повышенная потеря света в небо, так как светодиоды были расположены довольно низко на кадре. Направление света вниз значительно уменьшило поглощение света (только 78% входного сигнала в сценарии 3.g) и привело к меньшему фотосинтезу из-за более низкой производительности нижних листьев (таблица 1).

Модель освещения вычислила существенные горизонтальные различия в интенсивности света в культуре. Для ламп HPS без растений визуальная визуализация, по-видимому, указывала на большие различия в интенсивности в области между лампами, как показано при освещении горизонтальной плоскости (Рисунок 3), однако уровень воспринятого света показал лишь незначительные различия (Рисунок 4). Когда растения были введены в модель, воспринимаемый уровень освещенности между положениями в ряду растений и за его пределами был большим (рис. 4). Также для светодиодов после проникновения света через растение почти не осталось света для освещения соседнего ряда (данные не показаны), что предполагает, что каждый двойной ряд растений должен содержать светодиодный модуль для равномерного освещения.

РИСУНОК 3. Проекция светового поля ламп ДНаТ без растений, на горизонтальную плоскость на расстоянии 2,5 м от ламп, траектории датчиков (А – А и В – В) обозначены пунктирными линиями, положения ламп показаны звездочками как символы, а двойные ряды растений — зелеными линиями .

РИСУНОК 4. Расчетная интенсивность света (Вт на датчик с радиусом 6 см) на траекториях, показанных на рисунке 3, с растениями, перехватывающими свет, и без них (положения растений указаны стрелками) . Для этого моделирования лампы HPS имели произвольную светоотдачу 1000 Вт · м ^— ² .

Обсуждение

Трехмерная модель света, включая фотосинтез листьев, редко использовалась для прогнозирования влияния искусственного света на LUE культуры (Delepoulle et al., 2008; de Visser and Buck-Sorlin, 2011). Настоящая уникальная модель показывает, что лампы HPS обеспечивают более высокий фотосинтез на единицу поглощенного света, чем светодиоды. Это вызвано более высоким LUE верхних листьев, улавливающих больше света для ДНаТ, чем для светодиодов. Тем не менее, на излучаемый МДж светодиодное освещение более эффективно, чем освещение ДНаТ, из-за более высокой доли поглощаемого света. Помимо ламп ДНаТ, освещающих верхние листья с высокой фотосинтетической способностью, дополнительным преимуществом ДНАТ по сравнению со светодиодами является то, что они сочетают в себе ФАР и тепловое излучение, тем самым поддерживая как поступление ассимилятов за счет фотосинтеза, так и развитие органов, управляемое температурой. Несмотря на эффективность перехвата света светодиодами, их излучение ФАР должно сопровождаться определенным уровнем нагрева, что снижает их энергосберегающие преимущества. Только трехмерная модель, включающая расчеты энергетического баланса, может полностью оценить энергоэффективность светодиодной стратегии.

Наклон створок вверх уменьшил перехват падающего вниз света от солнечных и натриевых ламп, но не для светодиодов. Очень вероятно, что листья имеют меньшую поверхность, подверженную воздействию солнца, как и более прямые листья в засушливом солнечном климате, что предотвращает нагревание листьев избытком света. Уменьшение светопоглощения не повлияло на LUE, потому что все еще освещались те же листья при аналогичном фотосинтетическом потенциале. Напротив, светоперехват не изменился для светодиодов при изменении угла листа. Тем не менее, при снижении на -30% нижние листья были освещены больше, что привело к более низкому расчетному LUE из-за более низкой фотосинтетической способности этих листьев. Структура озимых культур отличалась от яровых по длине междоузлий и площади листьев, но не по углам листьев. Мы ожидаем, что более длинные междоузлия зимой действительно приведут к более широкому распространению светодиодного света.

Поворот листьев преимущественно к дорожке слегка увеличил перехват света светодиодами по сравнению с положением листьев по умолчанию, тогда как листья, ориентированные преимущественно параллельно рядам, не изменили перехват света по сравнению с положением листьев по умолчанию. Листья могут ориентироваться на светодиодный свет или отворачиваться при слишком высоком уровне освещения (например, Trouwborst et al., 2011), что влияет на перехват светодиодного света.

Для светодиодов угол излучения оказывает сильное влияние на поглощение света и LUE. Наибольшее перехват света было смоделировано при 20° вверх от горизонтального положения и значительное снижение от 0° до угла -30° из-за потери на землю. Этот эффект мог бы быть ниже, если бы светодиоды располагались выше в кадре, что показывает чувствительность наших результатов к конкретной ситуации размещения светодиодов и архитектуры кадра. Размещение светодиодов должно быть тщательно спланировано с учетом данной структуры предприятия. Аналогичный вывод был сделан Sarlikioti et al. (2011b), которые наблюдали сильное влияние структуры растения на поглощение света, в частности, на длину междоузлий и форму листьев. Те же авторы обнаружили, что листья ориентируются на путь, чтобы перехватить больше света (Sarlikioti et al. , 2011a), что согласуется с нашими выводами о скромном увеличении перехвата света на 2% по сравнению с ориентацией параллельно ряду растений, как рассчитано для светодиодов. свет.

Оптимальное освещение листьев определяется сочетанием пространственной картины излучения и характеристик растений, таких как структура и оптические свойства. Мы не проверяли влияние спектра испускаемого света и его преобразование (избирательное поглощение, пропускание и отражение) при прохождении световых лучей через купол. Недавнее расширение GroIMP, модель света GPUFlux (van Antwerpen et al., 2011), представляет собой спектральный трассировщик света Монте-Карло, который предлагает эту возможность. Трассировщик света использует доступные вычислительные ресурсы через OpenCL. Для каждого объекта модель рассчитывает либо полностью дискретизированный спектр поглощения, либо несколько интегрированных взвешенных спектров, которые впоследствии используются в модели фотосинтеза.

Важным фактором оптимизации использования света является размещение источников света вблизи листьев с самым высоким фотосинтетическим потенциалом. Стандартная практика заключается в том, что мощность лампы регулируется таким образом, чтобы уровень света на близлежащих листьях не был на уровне насыщения, а все еще соответствовал линейной траектории световой реакции фотосинтеза. Теперь это также предусмотрено для светодиодных модулей при использовании межосвещения, в результате чего средняя добавка PAR m составляет около 60 мкмоль ^— ² с ^— ¹ теплица. С помощью настоящей модели можно проверить, не приведет ли это количество света к вредным высоким уровням освещенности на близлежащих листьях, что в конечном итоге приведет к рекомендации, например, использовать более низкую интенсивность и экономить энергию. Тем не менее, листья могут адаптировать свои фотосинтетические свойства в ответ на их историю восприятия местного света, что приводит, например, к адаптированным к солнцу листьям с высоким содержанием Rubisco и высокой способностью к фотосинтезу. В сильно опушенной и густой культуре листья обычно снижают свою фотосинтетическую способность, а также точку компенсации после адаптации к снижению уровня воспринимаемого света в нижней части кроны (Trouwborst et al. , 2011). Однако длительное интенсивное освещение стареющих листьев огурца остановило снижение фотосинтетической способности (Hovi-Pekkanen and Tahvonen, 2008). Это также относится к светодиодному межрядному освещению, но это должно быть подтверждено экспериментально. Поддержание фотосинтетической способности было бы еще одним преимуществом междосветки, добавляя к более низким потерям света, как показано в этом исследовании.

Компьютерное графическое представление листьев помидоров, которое мы использовали в нашей модели, представляло собой комбинацию текстурированных цилиндров (черешков и стеблей) и плоских коробок (листочков). Это было явное упрощение, так как листочки помидоров в действительности имеют выпуклые или вогнутые поверхности различной степени: такие изогнутые поверхности будут увеличивать диффузное отражение и, вероятно, приведут к лучшему LUE в густом пологе. Такой эффект в настоящее время не может быть учтен нашей моделью, но представление листьев в виде сложно изогнутых поверхностей технически возможно (Герхард Бак-Сорлин и Михаэль Хенке, неопубликованная работа).

В заключение, основываясь на настоящем исследовании моделирования, мы могли бы дать следующие предварительные рекомендации по повышению эффективности ассимиляционного света в теплице: предпочтение следует отдавать светодиодам, а не ДНаТ, так как эффективность светоперехвата выше; LUE культуры для HPS выше, чем для LED из-за освещения большей доли листьев с более высокой способностью к фотосинтезу; светоперехват светодиодного межосвещения увеличивается, если светодиоды расположены достаточно высоко над полом теплицы и направлены немного вверх, тем самым избегая потери света на землю.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа финансировалась энергетической программой Совета по продукции для садоводства (PT) и Министерства энергетики, сельского хозяйства и инноваций Нидерландов, Программа биосолнечных элементов.

Ссылки

Бак-Сорлин, Г. Х., Хеммерлинг, Р., Вос, Дж., и де Виссер, П. Х. Б. (2009 г.). «Моделирование пространственного распределения света в теплице: описание модели», в материалах Труды Третьего международного симпозиума по моделированию роста растений , Моделирование, визуализация и приложения , Пекин . doi: 10.1109/PMA.2009.45

CrossRef Full Text

Buck-Sorlin, G.H., Visser, P.H.B., de Henke, M., Sarlikioti, V., Heijden, G.W.A.M., van der Marcelis, L.F.M., et al. (2011). На пути к функционально-структурной модели растения срезанной розы: моделирование световой среды, поглощения света, фотосинтеза и вмешательства в структуру растения. Энн. Бот. 108, 1121–1134. doi: 10.1093/aob/mcr190

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | CrossRef Full Text

Chelle, M., and Andrieu, B. (1998). Модель вложенного излучения для распределения света в кронах растений. Экол. Модель. 111, 75–91. doi: 10.1016/S0304-3800(98)00100-8

CrossRef Full Text

Cieslak, M. , Lemieux, C., Hanan, J., и Prusinkiewicz, P. (2008). Квази-Монте-Карло моделирование световой среды растений. Функц. биол. растений 35, 837–849. doi: 10.1071/FP08082

Полный текст CrossRef

Делепуль С., Рено С. и Шель М. (2008). «Улучшение положения света в камере выращивания с помощью генетического алгоритма», в Методы искусственного интеллекта для компьютерной графики, Исследования в области вычислительного интеллекта , Vol. 159/2008 (Берлин: Springer), 67–82.

де Виссер, П. Х. Б., и Бак-Сорлин, Г. Х. (2011). Моделирование пространственного распределения света в посевах (на голландском языке) . Отчет GTB 1104. Вагенинген, UR Тепличное садоводство, Нидерланды.

де Виссер, П. Х. Б., Бак-Сорлин, Г. Х., ван дер Хейден, Г. В. А. М., и Марселис, Л. Ф. М. (2012). Трехмерная модель освещения, распределения света и фотосинтеза сельскохозяйственных культур для имитации стратегий освещения в теплицах. Акта Хортик. 956, 195–200.

de Visser, PHB, Heijden, GWAM, van der Heuvelink, E. , Carvalho, SMP (2007). «Функционально-структурное моделирование хризантемы», в Функционально-структурное моделирование растений в растениеводстве , ред. Дж. Вос, Л. Ф. М. Марселис, П. Х. Б. де Виссер, П. К. Струик и Дж. Б. Эверс (Дордрехт: Springer), 199–208. doi: 10.1007/1-4020-6034-3_17

CrossRef Полный текст

Хови-Пекканен Т. и Тахвонен Р. (2008). Влияние междосветки на урожайность и внешнее качество плодов круглогодично выращиваемых огурцов. науч. Хортик. 761, 183–191.

Гудриан, Дж., и ван Лаар, Х.Х. (1994). Моделирование потенциальных процессов роста сельскохозяйственных культур. Дордрехт: Kluwer Academic Publishers. doi: 10.1007/978-94-011-0750-1

CrossRef Полный текст

Кален К. и Штютцель Х. (2011). Моделирование фотомодулированного удлинения междоузлий при выращивании огурцов в теплицах. Новый Фитол. 190, 697–708. doi: 10.1111/j.1469-8137.2010.03617.x

Опубликовано Аннотация | Опубликован полный текст | Полный текст CrossRef

Кален, К. , Вихерс, Д., и Штютцель, Х. (2008). Моделирование фототропизма листьев в кроне огурца. Функц. биол. растений 35, 876–884. doi: 10.1071/FP08034

Полный текст CrossRef

Kim, SH, and Lieth, JH (2003). Парная модель фотосинтеза, устьичной проводимости и транспирации листа розы ( Rosa hybrida L.) . Энн. Бот. 91, 771–781. doi: 10.1093/aob/mcg080

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | Полный текст CrossRef

Книмейер, О. (2008). Проектирование и Реализация языка на основе грамматики графов для функционально-структурного моделирования объектов . Докторская диссертация, Факультет математики, естественных наук и информатики, Бранденбургский технологический университет, Котбус.

Сарликиоти В., Виссер П. Х. Б. и де Марселис Л. Ф. М. (2011a). Изучение пространственного распределения поглощения света и фотосинтеза навесов с помощью функционально-структурной модели растений. Энн. Бот. 107, 875–883. doi: 10. 1093/aob/mcr006

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | CrossRef Полный текст

Сарликиоти, В., Виссер, П. Х. Б., де Бак-Сорлин, Г. Х., и Марселис, Л. Ф. М. (2011b). Как архитектура растений влияет на поглощение света и фотосинтез томатов: к идеотипу архитектуры растений с использованием функционально-структурной модели растений. Энн. Бот. 108, 1065–1073. doi: 10.1093/aob/mcr221

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | CrossRef Full Text

Trouwborst, G., Hogewoning, S.W., Harbinson, J., and Ieperen, W. van. (2011). Влияние интенсивности света и возраста листьев на фотосинтетическую способность листьев в пологе томата. Дж. Хортич. науч. Биотехнолог. 86, 403–407.

Trouwborst, G., Oosterkamp, J., Hogewoning, S.W., Harbinson, J., and Ieperen, W. van. (2010). Реакция светоперехвата, фотосинтеза и урожайности огурцов на светодиодное освещение в кроне. Физиол. Растение. 138, 289–300. doi: 10.1111/j.1399-3054.2009.01333. x

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | Полный текст CrossRef

ван Антверпен, Д., ван дер Хейден, Г.В.А.М., Марселис, Л.Ф.М., де Виссер, П.Б., Бак-Сорлин, Г.Х., и Янсен Э. (2011). «Высокопроизводительная спектральная модель переноса света для сельскохозяйственных приложений», в материалах конференции ACM SIGGRAPH/EUROGRAPHICS по высокопроизводительной графике 2011 г. , под редакцией К. Дачсбахера, В. Марка и Дж. Панталеони (Ванкувер: Eurographics Association).

Вич, Э. (1997). Robust Monte Методы Карло для моделирования легких транспортных средств . Кандидат наук. Диссертация, Стэнфордский университет, Стэндфорд. Доступно по адресу: http://graphics.stanford.edu/papers/veach_thesis/

Вос, Дж., Эверс, Дж. Б., Бак-Сорлин, Г. Х., Андриё, Б., Шель, М., и де Виссер, П. Х. Б. ( 2010). Функционально-структурное моделирование растений: новый универсальный инструмент в растениеводстве. Дж. Экспл. Бот. 61, 2101–2115. doi: 10. 1093/jxb/erp345

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | Полнотекстовая перекрестная ссылка

Вихерс, Д., Кален, К., и Штютцель, Х. (2011). Модели разделения сухого вещества для моделирования роста отдельных плодов в навесах тепличных огурцов. Энн. Бот . 108, 1075–1084. doi: 10.1093/aob/mcr150

Pubmed Abstract | Опубликован полный текст | CrossRef Полный текст

Управление освещением в теплицах

Глава 7

(отрывки из книги)

Свет является важным фактором при выращивании растений в теплицах. Скорость роста и время, в течение которого растение остается активным, зависят от количества света, которое оно получает. Энергия света используется в фотосинтезе, самом основном метаболическом процессе растений. При определении влияния света на рост растений следует учитывать три различных аспекта света: качество, интенсивность и продолжительность дня (фотопериод). Все три характеристики света влияют на рост и развитие продовольственных культур, хотя и по-разному и в разной степени. Качество света описывает длины волн (цвета) света. Красный и синий цвета оказывают наибольшее влияние на рост растений. Зеленый свет наименее эффективен (отражение зеленого света придает растениям зеленый цвет). Синий свет в первую очередь отвечает за рост вегетативных листьев. Красный свет в сочетании с синим светом способствует цветению. Интенсивность света — это общее количество света, поступающего на растение, которое затем используется для фотосинтеза; до определенного момента, чем больше количество света, тем больше энергии растение может утилизировать в процессе фотосинтеза. Продолжительность света (то есть фотопериод) важна, потому что соотношение света и темноты каждый день контролирует такие процессы, как цветение и форма роста у многих растений. В коммерческих теплицах можно использовать несколько стратегий, помогающих правильно регулировать уровень освещенности в течение дня и в зависимости от сезона.