Сельское хозяйство/ 5.Растениеводство, селекция и семеноводство.

К.т.н. Мудрик В.А.

Институт фундаментальных проблем биологии РАН, г. Пущино Московской области, Россия

Синергетическая модель и система оптимизации управления микроклиматом теплиц.

С целью достижения максимального урожая, снижения техногенной энергоемкости и снижения себестоимости продукции в тепличном растениеводстве необходимо оптимальное управления микроклиматом. Энергоемкость тепличной продукции высока и достигает 6 – 8 кг условного топлива на 1 кг плодов томатов, полученных в зимние месяцы из теплиц средних широт. В развитых странах урожай основных тепличных культур в зимних теплицах в 1,5 – 2 раза выше, а энергоемкость продукции соответственно меньше, чем у отечественных производителей этой продукции.

Главная отличительная особенность тепличного растениеводства от полевого состоит в том, что в теплицах средних и больших широт растения выращивают в период недостаточного поступления солнечной эксергии к растениям. Применение дополнительного искусственного облучения растений с целью повышения интенсивности фотосинтеза оправдано в рассадный период выращивания овощных культур. Выращивание плодоносящих овощных растений с дополнительным искусственным облучением энергетически не рентабельно. В последние годы проводятся исследования по созданию облучательных установок для этой цели с использованием фотодиодов, имеющих высокую полезную отдачу излучения в видимой области.

Необходимо повышать КПД использования растениями эксергии оптического солнечного излучения, являющейся теоретическим пределом продуктивности растений и плодородия тепличной площади.

Для оптимизации энергоэкономного компьютерного управления процессами культивации растений были использованы:

- динамическая аналитическая модель потенциально-эффективного типа с количественной оценкой ограничивающих факторов. В построении модели использована теория потенциальной эффективности сложных систем и принцип ограничивающих факторов. Особо важное ее преимущество в сравнении с имитационными и другими типами аналитических моделей в том, что она допускает неограниченное расширение количества учитываемых переменных (факторов) без принципиального изменения модели.

- исходная величина в модели - эксергия оптического солнечного излучения, а также искусственных электрических источников в отношении фотосинтеза растений. Эксергия оптического излучения растениеводства является той частью общей энергии солнечного оптического излучения, поступающей к растениям, которая потенциально может быть использована растениями на фотосинтез и формирование урожая.

- влияние погодно-климатических факторов и свойств культивируемых растений в динамической модели потенциально-эффективного типа учитывается посредством коэффициентов ограничения.

- все другие параметры (величины) растениеводства определяются посредством исходной величины - эксергии оптического излучения в отношении фотосинтеза растений, поступающей к ним.

Количественно мощность величины эксергии (эксергетическая облученность) оптического излучения, приходящая на единицу поверхности земли за промежуток времени в растениеводстве (в отношении процесса фотосинтеза) определяется по спектральной эффективности фотосинтеза, которая одинакова для всех хлорофиллосодержащих растений.

Мощность величины эксергии можно непосредственно измерять с помощью прибора, имеющего спектральную чувствительность в оптической области подобную относительной спектральной эффективности фотосинтеза . Значение эксергии солнечного излучения ограничивает максимальное значение как плодородия земельного угодия (теплицы) так и потенциальной продуктивности вида (сорта) растения в заданных экологических условиях.

Влияние всех остальных экологических факторов и других технологических режимов выращивания растений на их продуктивность в модели учитывается с помощью коэффициентов оптимальности для каждого из факторов.

В каждый данный момент продуктивность растений ограничивает тот из факторов, который находится в относительном минимуме и коэффициент оптимальности которого имеет наименьшее значение по сравнению со значениями остальных коэффициентов оптимальности.

В разные промежутки времени ограничивающее влияние на продуктивность растений могут оказывать разные факторы. В первую очередь учитывают те из них, которые оказывают наиболее существенное влияние на фотосинтез растений и формирование ими продуктивности. К таким режимам, прежде всего, принадлежат: температурный, влажностный, концентрация усвояемых элементов минерального корневого питания, концентрация СО₂ в воздухе.

Зависимости скорости фотосинтеза или формирования продуктивности от учитываемых факторов - экофизиологические характеристики видов (сортов, гибридов) растений устанавливают экспериментально в климатических камерах с контролируемыми и регулируемыми экологическими факторами и другими учитываемыми режимами культивирования.

Литература:

1. Свентицкий И.И. Энергосбережения в АПК и энергетическая экстремальность самоорганизации. М., ГНУ ВИЭСХ, 2007, 366 с.

2. Мудрик В.А., Мудрик Вл.А. Система оптимизации факторов внешней среды при выращивании растений. Патент № 1680011, СССР/Б.И., 1991. № 36.

3. V. Mudrik, P. Stoyanov, B. N. Ivanov. Evaluation of maize productivity considering solar energy use limitation by environmental factors//Photosynthesis Research. V. 66, 2000. p. 177.