vimjourСельскохозяйственные машины и технологииAgricultural Machinery and Technologies2073-7599Federal State Budgetary Scientific Institution «Federal Scientific Agroengineering Center VIM»10.22314/2073-7599-2023-17-2-40-48vimjour-515Research ArticleИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕINNOVATIVE TECHNOLOGIES AND EQUIPMENTРазработка экспериментального фитотрона и его применение в исследованиях по энергоэкологии светокультурыDevelopment of an Experimental Phytotron and its Application in the Research on the Energy-ecological Efficiency of Indoor Plant LightingРакутькоС. А.RakutkoS. A.

Сергей Анатольевич Ракутько - доктор технических наук, главный научный сотрудник

Санкт-Петербург

Sergey A. Rakutko - Dr.Sc.(Eng.), chief researcher

Saint Petersburg

sergej1964@yandex.ruРакутькоЕ. Н.RakutkoE. N.

Елена Николаевна Ракутько - научный сотрудник

Санкт-Петербург

Elena N. Rakutko - researcher

elena.rakutko@mail.ruМедведевГ. В.MedvedevG. V.

Медведев Геннадий Валерьевич - доктор технических наук

 Санкт-Петербург

Gennadiy V. Medvedev - Dr.Sc.(Eng.)

Saint Petersburg

genatswaly@mail.ruИнститут агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиал Федерального научного агроинженерного центра ВИМРоссияInstitute of Agroengineering and Environmental Problems of Agricultural Production – Branch of Federal Scientific Agroengineering Center VIMRussian FederationИнститут агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства – филиал Федерального научного агроинженерного центра ВИМРоссияСанкт-Петербургский государственный аграрный университетРоссияSaint-Petersburg State Agrarian University (SPbSAU)Russian Federation2023230620231724048Copyright © Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Медведев Г.В., 20232023Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Медведев Г.В.Rakutko S.A., Rakutko E.N., Medvedev G.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vimsmit.com/jour/article/view/515

Отметили междисциплинарность светокультуры как области знания, необходимость привлечения различных разделов технических наук в практических приемах выращивания растений в искусственных условиях. Показали, что на современном этапе целесообразно говорить об энергоэкологии светокультуры как комплексном научном направлении, основанном на учете потоков субстанции, формирующих энергетические и экологические показатели искусственной агроэкосистемы. (Цель исследования) Разработать экспериментальный лабораторный фитотрон, предназначенный для исследований по энергоэкологии светокультуры, провести его биологическое тестирование. (Материалы и методы) С позиции логико-семантического подхода обосновали суть термина «энергоэкологичность» как конъюкции его составляющих – энергоэффективности и экологичности. Изложили теоретические основы энергоэкологического подхода в светокультуре, определяющие особенности проведения экспериментальных исследований. Сформулировали требования, предъявляемые к техническим средствам проведения экспериментов. Описали устройство фитотрона и принципы его работы. Биологическое тестирование проводили на растениях томата (Lycopersicum Esculentum Mill.) сорта Благовест F1 в рассадной фазе развития. Определяли отклик растений на изменение факторов световой среды: фотопериода (нормальный и удлиненный),  спектра (с добавкой синего и контрольный) и уровня облученности (низкий, средний и высокий). (Результаты и обсуждение) В варьируемых условиях световой среды  энергоэкологичность изменялась в диапазоне от 0,075 грамма на моль (при контрольном спектре, удлиненном фотопериоде и высокой облученности) до 0,138 грамма на моль (при спектре с добавкой синего, нормальном фотопериоде и средней облученности). (Выводы) Разработали экспериментальный лабораторный фитотрон для изучения энергоэкологии светокультуры. Реализовали возможность управлять облучением в зависимости массы растений. Установка обеспечивает удобный доступ к растениям, компактна, эргономична и обладает повышенной функциональностью.  

The study of indoor plant lighting is noted to be an interdisciplinary research area. Thus, there is a need to integrate various technical sciences and practical methods in growing plants under artificial conditions. Nowadays, it is reasonable to treat energy-ecological efficiency of indoor plant lighting as a complex scientific direction that takes into account substance flow forming the energy and environmental indicators of an artificial agroecosystem. (Research purpose) To develop an experimental laboratory phytotron intended for research on the energy-ecology efficiency of indoor plant lighting, and to conduct its biological testing. (Materials and methods) From the standpoint of the logical-semantic approach, the term "energy-ecological efficiency" was interpreted as a conjunction of its components - energy efficiency and environmental compatibility. The paper outlines the theoretical fundamentals of the energy-ecological efficiency approach to indoor plant lighting, which determine the experimental research features. The requirements for the techniques of conducting experiments are formulated. The phytotron design and its operation principles are described. Biological testing was carried out on Blagovest F1 tomato plants (Lycopersicum Esculentum Mill.) in the seedling phase of plant development. The plant response to changes in the lighting factors was determined: photoperiod (normal and extended), spectrum (a blue-enhanced spectrum and a control one), and irradiance level (low, medium, and high). (Results and discussion) Under the varied lighting conditions, energy-ecology efficiency varied from 0.075 grams per mole (with the control spectrum, an extended photoperiod and high irradiance) to 0.138 grams per mole (with the blue-enhanced spectrum, a normal photoperiod and medium irradiance). (Conclusions) An experimental laboratory phytotron was developed to study the energy-ecology efficiency of indoor plant lighting. The ability to control irradiance was achieved depending on the mass of plants. The phytotron unit provides easy access to plants, it is compact, ergonomic and has improved functional capacity.

светокультураэнергоэффективностьэкологичностьэнергоэкологичностьспектроблученностьфотопериодфитотронindoor plant lightingenergy efficiencyenvironmental compatibilityenergy-ecology efficiencyspectrumirradiancephotoperiodphytotronReferencesMeiramkulova K., Tanybayeva Z., Kydyrbekova A., Turbekova A., Aytkhozhin S., Zhantasov S., Taukenov A. The efficiency of led irradiation for cultivating high-quality tomato seedlings. Sustainability. 2021. N13. 9426.Meiramkulova K., Tanybayeva Z., Kydyrbekova A., Turbekova A., Aytkhozhin S., Zhantasov S., Taukenov A. The efficiency of led irradiation for cultivating high-quality tomato seedlings. Sustainability. 2021. N13. 9426 (In English).Гришин А.П., Гришин А.А., Гришин В.А. Результаты исследований влияния биоэнергетических факторов на повышение урожайности в растениеводстве // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2018. T. 12. N2. С. 1925.Grishin A.P., Grishin A.A., Grishin V.A. Rezul'taty issledovaniy vliyaniya bioenergeticheskikh faktorov na povyshenie urozhaynosti v rastenievodstve [Research results of bioenergetics factors influence on crop production yields increase]. Sel'skokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2018. Vol. 12. N2. 19-25 (In Russian).Кульчин Ю.Н., Булгаков В.П., Гольцова Д.О., Субботин Е.П. Оптогенетика растений – светорегуляция генетического и эпигенического механизмов управления онтогенезом // Вестник ДВО РАН. 2020. N1. с.5-25.Kul'chin Yu.N., Bulgakov V.P., Gol'tsova D.O., Subbotin E.P. Optogenetika rasteniy – svetoregulyatsiya geneticheskogo i epigenicheskogo mekhanizmov upravleniya ontogenezom [Plant optogenetics – photoregulation of genetic and epigenetic mechanisms of ontogenesis control]. Vestnik DVO RAN. 2020. N1. 5-25 (In Russian).Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Моделирование и численный анализ энергоэкологичности светокультуры // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2019. Т. 13. N3. С. 11-17.Rakut'ko S.A., Rakut'ko E.N. Modelirovanie i chislennyy analiz energoekologichnosti svetokul'tury [Simulation and numerical analysis of energy-and-ecological compatibility of indoor plant lighting]. Sel'skokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2019. Vol. 13. N3. 11-17 (In Russian).Белозеров Д.А., Денисова Н.Н., Закирова А.Н. и др. Энергоэкология как основа устойчивого развития России: опыт, методология и перспективы: Монография. Дубна: Государственный университет «Дубна». 2017. 202 с.Belozerov D.A., Denisova N.N., Zakirova A.N., et al. Energoekologiya kak osnova ustoychivogo razvitiya Rossii: opyt, metodologiya i perspektivy: Monografiya [Energy ecology as a basis for Russia's sustainable development: background, methodology and prospects: Monograph]. Dubna: Gosudarstvennyy universitet «Dubna». 2017. 202 (In Russian).Сорока Б.С. Использование топлива и загрязнение окружающей среды // Часть 1. Энергоэкология использования топлива и нормирование вредных выбросов. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2007. N2. С. 39-52.Soroka B.S. Ispol'zovanie topliva i zagryaznenie okruzhayushchey sredy Chast' 1. Energoekologiya ispol'zovaniya topliva i normirovanie vrednykh vybrosov. Energetika [Fuel use and environmental pollution. Part 1. Energy ecology of fuel use and regulation of harmful emissions]. Izvestiya vys­shikh uchebnykh zavedeniy i energeticheskikh obedineniy SNG. 2007. N2. 39-52 (In Russian).Субботин И.А. Энергоэкологическая оценка использования различных генерирующих источников в сельском хозяйстве // Инженерные технологии и системы. 2019. Т. 29. N3. С. 366-382.Subbotin I.A. Energoekologicheskaya otsenka ispol'zova­niya razlichnykh generiruyushchikh istochnikov v sel'skom khozyaystve [Energy and environment assessment of agricultural application of power generating sources]. Inzhe­nernye tekhnologii i sistemy. 2019. Vol. 29. N3. 366-382 (In Russian).Janick J. The origins of horticultural technology and science. Acta Hortic. 2007. 759. 41-60.Janick J. The origins of horticultural technology and science. Acta Hortic. 2007. 759. 41-60 (In English).Paik I., Huq E. Plant photoreceptors: Multi-functional sensory proteins and their signaling networks. Seminars in Cell and Developmental Biology. 2019. 92. 114-121.Paik I., Huq E. Plant photoreceptors: Multi-functional sensory proteins and their signaling networks. Seminars in Cell and Developmental Biology. 2019. 92. 114-121 (In English).Yang D., Seaton D.D., Krahmer J, Halliday K.J. 2016. Photoreceptor effects on plant biomass, resource allocation, and metabolic state. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2016. 113. 7667-7672.Yang D., Seaton D.D., Krahmer J, Halliday K.J. 2016. Photoreceptor effects on plant biomass, resource allocation, and metabolic state. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2016. 113. 7667-7672 (In English).Gómez C., Currey C. J., Dickson R. W., Kim H.-J., Hernández R., Sabeh N. C., Raudales R. E., Brumfield R. G., Laury-Shaw A., Wilke A.K., Lopez R.G., Burnett S.E. 2019. Controlled Environment Food Production for Urban Agriculture. HortScience. 2019. 54. 1448-1458.Gómez C., Currey C.J., Dickson R.W., Kim H.-J., Hernández R., Sabeh N.C., Raudales R.E., Brumfield R.G., Laury-Shaw A., Wilke A.K., Lopez R.G., Burnett S.E. 2019. Controlled Environment Food Production for Urban Agriculture. HortScience. 2019. 54. 1448-1458 (In English).Кулешова Т.Э., Блашенков М.Н., Кулешов Д.О., Галль Н.Р. Разработка лабораторного фитотрона с возможностью варьирования спектра излучения и длительности суточной экспозиции и его биологическое тестирование // Научное приборостроение. 2016. Т. 26. N3. С. 35-43.Kuleshova T.E., Blashenkov M.N., Kuleshov D.O., Gall' N.R. Razrabotka laboratornogo fitotrona s vozmozhnost'yu var'irovaniya spektra izlucheniya i dlitel'nosti sutochnoy ekspozi­tsii i ego biologicheskoe testirovanie [Development and biological testing of the laboratory phytotron with possibi­lity of varying the emission spectra and the daily exposure]. Nauch­noe priborostroenie. 2016. Vol. 26. N3. 35-43 (In Russian).Семенова Н.А., Гришин А.А., Дорохов А.А. Аналитический обзор климатических камер для выращивания овощных культур // Вестник НГИЭИ. 2020. N1(104). С. 5-15.Semenova N.A., Grishin A.A., Dorokhov A.A. Analiticheskiy obzor klimaticheskikh kamer dlya vyrashchivaniya ovoshchnykh kul'tur [Analytical review of climatic chambers for vegetable crops growing]. Vestnik NGIEI. 2020. N1(104). 5-15 (In Russian).Измайлов А.Ю., Гришин А.А., Гришин А.П. Аэропонный модуль для фитотронов // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2013. N5. С. 20-22.Izmaylov A.Yu., Grishin A.A., Grishin A.P. Aeroponnyy modul' dlya fitotronov [Aeroponic module for phytotrons]. Sel'skokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2013. N5. 2022 (In Russian).Лобачевский Я.П., Ценч Ю.С., Бейлис В.М. Создание и развитие систем машин и технологий для комплексной механизации технологических процессов в растениеводстве // История науки и техники. 2019. N12. С. 46-55.Lobachevskiy Ya.P., Tsench Yu.S., Beylis V.M. Sozdanie i razvitie sistem mashin i tekhnologiy dlya kompleksnoy mekhanizatsii tekhnologicheskikh protsessov v rastenievodstve [Creation and development of machine systems and technologies for complex mechanization of technological processes in crop production]. Istoriya nauki i tekhniki. 2019. N12. 46-55 (In Russian).Ракутько С.А. Концептуальные основы энергоэкологии светокультуры // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2018. Т. 12. N6. С. 38-44.Rakut'ko S.A. Kontseptual'nye osnovy energoekologii svetokul'tury [Conceptual framework of energy-and-ecology of indoor plant lighting]. Sel'skokhozyaystvennye mashiny i tekhnologii. 2018. Vol. 12. N6. 38-44 (In Russian).Wang Y., Wei Yu, Seligman J. Quantifier-free epistemic term-modal logic with assignment operator. Annals of Pure and Applied Logic. 2022. 173(3). 103071.Wang Y., Wei Yu, Seligman J. Quantifier-free epistemic term-modal logic with assignment operator. Annals of Pure and Applied Logic. 2022. 173(3). 103071 (In English).Anderson C.G., Bond-Lamberty B., Stegen J.C. Active layer depth and soil properties impact specific leaf area variation and ecosystem productivity in a boreal forest. PLoS ONE. 2020. 15(12). e0232506.Anderson C.G., Bond-Lamberty B., Stegen J.C. Active layer depth and soil properties impact specific leaf area variation and ecosystem productivity in a boreal forest. PLoS ONE. 2020. 15(12). e0232506 (In English).Ракутько Е.Н., Васькин А.В., Мишанов А.П., Маркова А.Е. Модели, методы и средства контроля энергоэкологичности в светокультуре: аналитический обзор // АгроЭкоИнженерия. 2021. N1(106). С. 25-50.Rakut'ko E.N., Vas'kin A.V., Mishanov A.P., Markova A.E. Modeli, metody i sredstva kontrolya energoekologichnosti v svetokul'ture: analiticheskiy obzor [Models, methods and tools for energy and ecological control in greenhouse horticulture: review]. AgroEkoInzheneriya. 2021. N1(106). 25-50 (In Russian).Pandey R., Paul V., Das M., Meena M., Meena R.C. 2017. Plant growth analysis. Physiological techniques analyze the impact climate change on crop plants. Indian Agricultural Research Institute (IARI): New Delhi, India. 103.Pandey R., Paul V., Das M., Meena M., Meena R.C. 2017. Plant growth analysis. Physiological techniques analyze the impact climate change on crop plants. Indian Agricultural Research Institute (IARI): New Delhi, India. 103 (In English).Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Экспериментальная проверка закона взаимозаместимости в светокультуре салата // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. N1(26). С. 22-27.Rakut'ko S.A., Rakut'ko E.N. Eksperimental'naya proverka zakona vzaimozamestimosti v svetokul'ture salata [The verification of reciprocity law in lettuce growing]. Innovatsii v sel'skom khozyaystve. 2018. N1(26). 22-27 (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.