СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ВЕГЕТАЦИИ И ЖИЗНЕСТОЙКОСТИ РАСТЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК A01G7/04 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано при выращивании сельхозкультур, например, в оранжереях.

В природе воздействие отраженного от Луны света на биообъекты было отмечено еще в глубокой древности. Точно такое же воздействие оказывает на биообъекты и лазерное излучение. А.Л.Чижевский указал на важность того, что отраженный от поверхности Луны солнечный свет приобретает поляризацию. [1] - Правдивцев В.Л. Эти загадочные зеркала, изд. 3-е, стереотипное. М.: РИЦМДК, 2004 г., стр.135, «От чего бесятся тифозные бациллы …».

Известны способы выращивания растений, при которых для повышения продуктивности растений семена подвергают воздействию магнитного поля (а.с. №913993, МПК A01G 7/04; А01С 1/00 опубл. 23.02.1982 г.), а также вегетирующих растений (патент РФ №2053641, МПК A01G 7/04, А01С 1/00, A01G 1/06, опубл. 10.02.1996 г.).

Недостатком их является недостаточная эффективность.

Существует метод изменения спектрального состава излучателя путем подбора газоразрядных ламп для оранжерей по единому спектру излучения (патент №2172100, A01G 7/04, опубл. 20.08.2001 г.).

Известный метод имеет большую трудоемкость, неэкономичен, мало эффективен.

Известен метод воздействия на биообъекты (патент РФ №2116089, A01G 7/04, А01С 1/00, опубл. 27.07.1998 г.) путем модулирования оптического лазерного излучения нерегулярными аналоговыми комбинациями, спектральные составляющие которых находятся в диапазоне частот 10^-4-10⁶ Гц и мощности излучения 10^-6-2·10^-1 Вт/см².

Недостатки: сложность организации самого метода, высокая стоимость. Кроме того, предлагаемая система модуляции импульсов неоправданно усложнена и на практике мало применима для облучения растущих растений, например, в оранжереях.

Известен способ воздействия на биообъекты (патент РФ №2148903, МПК A01G 7/04, A01G 33/00, C12N 13/00, опубл. 20.05.2000 г.), позволяющий повысить жизнеспособность и урожайность, например, растений путем воздействия на них низкоинтенсивным электромагнитным излучением миллиметрового диапазона длин волн, например, в течение 10-15 минут с периодичностью 1 раз в неделю.

Недостаток: метод работоспособен при наличии дополнительного источника света (Солнца) или мощных излучателей в оранжереях.

Наиболее близким прототипом является метод, описанный в [2] - Протасова Н.Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений (Институт физиологии растений им. К.А.Тимирязева АН СССР). Физиология растений, том 34, вып.4, 1987 г.

В работе исследован способ повышения продуктивности растений путем регулирования интенсивности и спектрального состава излучения.

Недостатки способа: необходимость создания специальных растениеводческих ламп, имеющих высокий КПД и благоприятный для растений спектральный состав, большие электрозатраты, дорогостоящий.

Целью изобретения является усиление вегетации растений (продуктивности) и их жизнестойкости (при малых затратах энергии).

Поставленная цель достигается тем, что электромагнитное облучение (освещение) растений видимым светом осуществляют только после его поляризации и отражения в сторону растений, например, в течении всего периода вегетации растений.

На фиг.1 изображена схема, иллюстрирующая способ, где: 1 - источник излучения электромагнитных волн видимого спектра; 2 - падающий световой поток, Ф_пад; 3 - угол Брюстера (угол между нормалью к поверхности отражения и лучом света) Θ_б; 4 - зона угла Брюстера (угол Брюстера размыт); 5 - отражатель; 6 - поляризатор отражателя 5 диэлектрический (например, стекло); 7 - преломленный световой поток; 8 - поляризованный отраженный световой поток, Ф_пол; 9 - металлизированная поверхность диэлектрика 6; 10 - отраженный от полированного металла 9 (зеркала) световой поток (вторичный), неполяризованный; 11 - отраженный смешанный световой поток; 12 - высшие растения (биообъекты показаны условно); 13 - питающая среда (грунт). Считаем, что потери световой энергии малы и ими пренебрегаем.

Описание способа

От источника излучения 1 подают электромагнитные волны 2 видимого диапазона под углом Брюстера 3 (или в зону 4 угла Брюстера) к отражателю 5. Световой поток 2 из воздушной среды падает на диэлектрический поляризатор 6 (выполнен, например, из стекла с показателем преломления n), который на границе раздела двух сред (воздух-стекло) производит преломление 7 и отражение 8 потока света, попавшего в угол (зону) Брюстера. Отраженный электромагнитный поток 8 поляризуется линейно в направлении, перпендикулярном плоскости падения (плоскость падения проходит через падающий луч и нормаль к поверхности падения). Преломленный электромагнитный поток 7 в диэлектрике 6 падает на полированную поверхность 9 металлизированного зеркала (обратная сторона зеркала) и поглощается ею. Происходит взаимодействие электромагнитных волн с поверхностью металла, возникает отраженная 10 электромагнитная волна (вторичная), величина которой полностью определяется коэффициентом отражения (К_отр1), равным: К_отр1=Ф_отр1/Ф_пад1 (где: Ф_отр1 - энергия отраженного электромагнитного потока; Ф_пад1 - энергия падающего потока в преломляющей среде-стекле, К_отр1→1 для зеркала).

Отраженный от металла 9 луч света 10 (световой поток) не поляризуется и движется в диэлектрике под углом, равным углу падения в среде. На границе диэлектрик-воздух (показатель преломления воздуха - n_o) снова преломляется под углом, равным углу падения (углу Θ_б) в воздухе, смешивается с поляризованным потоком 8. Результирующий (Ф_отр) световой поток 11 направляют в сторону растений 12 (биообъектов). Под действием смешанного (Ф_отр) электромагнитного потока 11 процесс фотосинтеза растений ускоряется.

Таким образом, способ в данном случае можно описать математически (без учета потерь):

К_пол - коэффициент отражения поляризованного света; Ф_отр - смешанный световой поток.

В предлагаемом способе (1) можно изменять плотность поляризации путем увеличения лучистой энергии в угле Брюстера (2). Например, если все лучи пропустить под углом Брюстера, то К_пол→1. Представляет интерес 0≤К_пол≤1.

Таким образом, инструментом, позволяющим поляризовать свет, является отражатель 5, который в силу своих конструктивных особенностей способен отражать свет различной интенсивности и требуемой плотности поляризации, оптимальные значения которых влияют на скорость развития растений - на фотосинтез.

Однако фотосинтез растет до вполне определенного предела насыщения в соответствии с ростом плотности ФАР (Вт/м²) в области 380-720 нм (ФАР - фотосинтетически активная радиация). В работе [2] замечено, что при длительном выращивании растений на различных интенсивностях света (неполяризованного) вплоть до насыщающих, равных максимальным солнечным - 500 Вт/м² ФАР, тормозится рост площади листьев и подавляется рост стебля. При этом свет высоких интенсивностей (более 400 Вт/м² ФАР) настолько подавляет рост растений, что в этих условиях вырастают растения карликовой формы. Так, салат, выращенный при разных интенсивностях света (Вт/м² ФАР) имеет соответственно различную биомассу. При оптимальной интенсивности света (200 Вт/м²) биомасса листьев наибольшая, при интенсивности 420 Вт/м² - наименьшая [2].

Отсюда максимальный эффект увеличения фотосинтеза, зависящий от интенсивности светового отраженного потока, не может быть беспредельным. Он ограничен порогом насыщения и может колебаться в зависимости от типа растений, условий питания и т.д., например, от 150 до 220 Вт/м² ФАР [2]. В этом случае фотосинтез и рост хорошо сбалансированы для определенных видов растений.

Для исследования предлагаемого способа был изготовлен макет (установка), содержащий две изолированные камеры - I и II, на дно которых были помещены ящики с проросшими семенами растений (фасоли и пшеницы). Излучатель давал неполяризованное излучение видимого света: I ящичек имел зеркальный отражатель, а II - бумажный отражатель. Отражатели имеют возможность менять угол отражения, близкий к углу Θ_б. Между излучателем и зеркальным отражателем расположен полупрозрачный экран, свет, проходя через экран, становится диффузионным, точно таким же, как и отраженный свет от бумажного отражателя. Ящичек III с теми же проросшими растениями находился вне камер (располагался в лаборатории с уровнем диффузионной освещенности, равной освещенности в камерах I (II). Вся система регулировалась так, что освещение растений в ящичках было одинаковым.

При диффузионном падающем фотопотоке часть фотонов всегда попадает в зону угла Брюстера. Некоторая часть от этой части электромагнитного потока поляризуется, отражается и направляется к растениям совместно с отраженным неполяризованным светом.

При эксперименте все камеры I и II плотно закрываются тканью от внешнего освещения. Интенсивность излучения была установлена около (70-75) Вт/м² ФАР, учитывались предельные значения ФАР [2]. Был установлен 10-часовой фотопериод. Влажность грунта в ящичках поддерживалась полуавтоматически (по показаниям проводимости грунта). Если проводимость падала, происходил полив растений до требуемой нормы. Эксперимент проводился в течение 14 суток: 9 суток вегетативный срок, 5 суток - проверка на выживаемость (без влаги). Испытывались фасоль и пшеница, скорость роста растений в ящичках I и II сравнивались со скоростью роста тех же растений в нормальных условиях.

Были получены следующие результаты.

1. При использовании отражателей произошло увеличение синтетической деятельности высших растений в среднем на 37% [(19-51)%] - для зеркального отражателя; на 9% [(3-15)%] - для бумажного отражателя (было проведено 4 эксперимента).

Развитие растений в I и II ящичках проходило идентично: фасоль в I ящичке заметно опережала в росте фасоль в III ящичке, жизнестойкость, например, пшеницы после 5 суток засухи существенно выше, чем в II, III ящичках.

В данном примере интенсивность смешанного светового потока была примерно в 2 раза меньше рекомендованной в [2], а усиление фотосинтетической деятельности растений - более чем в 1,5 раза выше.

Коэффициент поляризации у стекла К_пол≈4%, тогда не трудно подсчитать коэффициент поляризации для бумаги: К_пол≈0,8%. Следовательно, чем выше К_пол, тем выше скорость фотосинтеза растений, но очевидно, что для каждого растения (или группы растений) К_пол различен и ограничен, что требует дальнейших исследований. Знание этих величин особенно важно в целях экономии электрической энергии в космических оранжереях. Поэтому к основному способу добавляется способ регулирования К_пол (дискретное или плавное регулирование коэффициента поляризации, например, за счет изменения коэффициента отражения, путем изменения неровности поверхности отражения и т.д.). Если неровность мала по сравнению с λ (длиной волны) или превышает ее (шероховатые поверхности, матовые поверхности) и расположение неровностей хаотично, отражение света диффузное с низким процентом поляризации. В этом случае возможно смешанное отражение света, при котором часть падающего излучения отражается зеркально, а часть - диффузно. Имея набор таких отражателей, можно существенно изменять фотопериод растений (искусственное чередование дня и ночи).

В устройстве фиг.1 заменяют, например, диэлектрический поляризатор 6 (зеркало) на матовый отражатель, соответствующий режиму «ночи» и т.д.

К методу добавляют: … что в световом отраженном потоке периодически изменяют плотность поляризации от минимальной до максимальной.

Регулировать фотопериод по предложенному способу можно автоматически. Для этого в качестве отражателя (затвора) можно использовать пленку - полированную керамику 14 (Фиг.1а)), расположенную поверх зеркала 9 (6). В нормальном состоянии U=0 (U - управляющий сигнал) керамический слой (пленка) прозрачен для лучей видимого спектра (устройство работает в режиме «дня», как было описано выше). При появлении высокого уровня напряжения U≠0 (U=1-50 В) на электродах 15 - керамика становится непрозрачной, происходит поглощение, диффундирование части светового потока и слабая поляризация. Смешанный «лунный» поток 16 подают в сторону растений.

Таким образом, заданный способ регулирует требуемый фотопериод развития растений. Для каждого вида растений можно подобрать оптимальный режим «дня» и «ночи». При этом показатель преломления диэлектриков 14 (17) и 6 равны n₁ и n₂ соответственно, при этом, например, n₂≥n₁>n₀.

Можно использовать керамику с режимом запоминания, который основан на гистерезисном характере зависимости поляризации (Р) от напряжения (U) управляющего электрического поля (Е). При этом обычное состояние с остаточной поляризацией - исходное (прозрачное), для деполяризации керамики 14 требуется импульс U=50-300 В (с длительностью = 1-10 мкс) и керамика переключается в другое состояние (непрозрачное).

Для увеличения (перекрытия) площади освещения поляризованным светом предлагается коэффициент преломления (К_п) пленки отражателя изменять плавно или дискретно в пределах расширяющихся зон (углов) Брюстера (эффект Поккельса и т.д.).

На диэлектрик 6 (подложку) напыляют пленку (17) (фиг.1б) поз.17). Чертежи фиг.1а) и фиг.1б) совмещены, отличаются позицией 17. Пленка представляет смесь компонентов, определяющих показатель преломления, например, от n_n=1,4 до 2,4, который зависит от величины управляющего напряжения U (U=0, n_n→1; U≠0, n_n→2,4, где: n_n=n₀, n₁, n₂, … n_n-1). Форма напряжения (U), например, пилообразная. При подаче такого напряжения n_n также начнет изменяться соответственно по закону Поккельса (линейно). Соответственно падающие лучи 2 под соответствующими углами последовательно попадают в зону Брюстера. В результате отраженные лучи последовательно поляризуются под соответствующими углами (tg Θ_n=n_n). Похожее сканирование можно получить, если покачивать устройство вокруг оси (•) 0, например, на угол Θ_б с частотой ω ((•) 0 на чертеже не показана). В остальном работа устройства похожа на работу устройства Фиг.1.

В этом случае дополнение к способу будет следующим: … в нем коэффициент преломления пленки отражателя изменяют плавно или дискретно, например, в пределах выбранной угловой зоны Брюстера соответственно.

В качестве излучателя можно использовать светодиоды, электролюминесцентные осветители, точечные (дающие излучение в конусе) и т.д. светодиодные осветители дают диффузно-направленное излучение.

Таким образом, применение нового способа позволит: повысить вегетацию и жизнестойкость растений (биообъектов); снизить потребление электрической энергии; уменьшить площади посева семян, что особенно важно для космических оранжерей летательных аппаратов.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет сделать процесс фотосинтетической деятельности растений управляемым и оптимальным.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к методам электромагнитного воздействия на растения видимым диапазоном волн. В способе подают электромагнитный световой поток от излучателя. При этом световой поток или его часть поляризуют, смешивают с неполяризованным, если такой имеется, и отражают в направлении растений, например, в течение всего периода вегетации растений. Падающий световой поток частично или полностью направляют в область угла Брюстера. В световом потоке или его части периодически изменяют плотность поляризации от минимальной, например, равной нулю, до максимальной. Период изменения плотности поляризованного излучения устанавливают в зависимости, например, от вида растения. При интенсивности отраженного света не выше пороговой коэффициент преломления в нем пленки отражателя изменяют плавно или дискретно, например, в пределах выбранной расширенной угловой зоны Брюстера. Падающий световой поток предварительно диффундируют, например, тем же отражателем или источником излучения. Способ позволяет повысить вегетацию и жизнестойкость растений, а также уменьшить площадь посева семян. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ повышения вегетации и жизнестойкости растений, включающий подачу электромагнитного светового потока от излучателя, отличающийся тем, что световой поток или его часть поляризуют, смешивают с неполяризованным, если такой имеется, и отражают в направлении растений, например, в течение всего периода вегетации растений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что падающий световой поток частично или полностью направляют в область угла Брюстера.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в световом потоке или его части периодически изменяют плотность поляризации от минимальной, например, равной нулю, до максимальной.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что период изменения плотности поляризованного излучения устанавливают в зависимости, например, от вида растения.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при интенсивности отраженного света не выше пороговой коэффициент преломления в нем пленки отражателя изменяют плавно или дискретно, например, в пределах выбранной расширенной угловой зоны Брюстера.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что падающий световой поток предварительно диффундируют, например, тем же отражателем или источником излучения.