Гидропоника в промышленности, или Откуда зимой свежие овощи
Промышленное выращивание овощей, в том числе томатов, происходит в открытом грунте в южных регионах нашей страны, а так как большая часть России находится в зоне рискованного земледелия, то для получения урожая не обойтись без сооружений для защиты грунта от неблагоприятных погодных условий — теплиц. В этой статье мы поговорим о технологиях, которые используются в промышленном растениеводстве, и о том, какие шаги необходимо предпринять, чтобы вырастить эталонные томаты.
Какие бывают теплицы
Теплица — это защитное сооружение, предназначенное для выращивания по сути всех форм и видов растений. Но есть дополнительная деталь, которая позволяет называть теплицы «теплицами». Это отопление.
По назначению и использованию теплицы можно разделить на категории:
- Производственные (промышленные теплицы по площади от 3 га и более, предназначенные для выращивания овощей, цветов и прочего) и фермерские (теплицы, площадь которых варьируется в диапазоне от 0,2 до 2 га).
- Есть теплицы для проведения селекционных работ и под репродукционные работы.
- К группе специализированных теплиц можно отнести зимние сады, оранжереи, вегетарии и даже торговые центры (Greenshop), например, садовые отделы магазинов OBI или подобные.
- В последнюю группу выделяются теплицы, работу которых разберем подробнее, — фитотронно-тепличные комплексы или тепличные комплексы, работающие по методу малообъемной гидропоники или промгидропоники.
На сегодняшний день существуют пять поколений теплиц, хотя в некоторых источниках уже говорится о теоретических разработках шестого поколения. Самое широкое распространение в мире занимают теплицы четвертого поколения. Они массово строятся уже на протяжении последних 20 лет. Именно в них в промышленности массово начали применять технологию малообъемной гидропоники.
Основной моделью промышленных теплиц на сегодняшний день является многопролетная блочная теплица типа Venlo.
Площади тепличных комбинатов могут достигать сотен гектар. В России самым большим тепличным комплексом является агрокомбинат «Южный», который занимает площадь в 144 га.
Современные тепличные комплексы, как правило, состоят из нескольких основных блоков:
- административное здание,
- сервисная зона,
- склады средств защиты растений (СЗР) и удобрений,
- энергоцентр,
- производственные блоки, состоящие из отдела водоподготовки, растворного узла, рассадного отделения,
- тепличный блок (основная и самая большая часть).
Блочные теплицы типа Venlo могут иметь пролет (расстояние между опорными колоннами) от 8 до 12,8 м, а высота колонны — 6 м.
Микроклимат теплицы
Микроклиматом теплицы можно назвать совокупность всех физических параметров воздушной среды и среды корнеобитания. Регулирование микроклимата производится оборудованием систем отопления, вентиляции, полива, питания, подачи углекислого газа, освещения. При регулировании настроек микроклимата всегда надо учитывать влияние внешних климатических факторов, а также фитоценоза (фитоценоз — растительное сообщество, характеризующееся определенным составом и взаимоотношениями между растениями и окружающей средой). Проще говоря, растительная масса в процессе жизнедеятельности также нагревает окружающее пространство и при значительном объеме замедляет воздухообмен.
Система отопления предназначена для поддержания необходимого температурного режима в тепличном блоке, в качестве теплоносителя используется вода. Нагрев воды происходит в газовых котлах и когенерационных установках (Когенерация — процесс совместной выработки электрической и тепловой энергии). Подача теплоносителя от котлов в теплицы осуществляется через смесительную гребенку на четыре контура:
- подлотковый — расположен под самой крышей и обеспечивает снеготаяние при интенсивном выпадении осадков;
- контур верхнего обогрева — регулирует температуру в верхней части теплицы для исключения проникновения холодного воздуха при резких понижениях наружной температуры и открывании системы проветривания (фрамуг);
- зональный — регулирует температуру и влажность в зоне роста растений;
- контур нижнего обогрева — основной регулирующий контур, который формирует заданный тепловой режим в теплице. Еще он используется как рельсы для перемещения тележек для ухода за растениями и сбора урожая.
Система вентиляции позволяет осуществлять естественный воздухообмен через вентиляционные проемы в крыше тепличного блока. Открытие фрамуг предусмотрено во всех пролетах теплицы, площадь вентиляционных пролетов может доходить до 25% площади всей кровли. Вентиляция обеспечивает поступление наружного воздуха в теплицу для поддержания допустимой температуры воздуха в период повышенной солнечной активности.
Система зашторивания предназначена для создания затенения при избыточной солнечной активности в весенне-летний период, а также для сохранения тепла в ночное время и в период сильных холодов. Система располагается под крышей теплицы, а также на боковых стенах.
Система испарительного доувлажнения воздуха позволяет повышать влажность воздуха за счет мелкодисперсного распыления воды через систему форсунок. Использование в системе форсунок с дисперсностью распыла в 100 микрон позволяет избежать образования на растениях капель воды, которые могут привести к ожогам растений, так как будут действовать как увеличительные стекла.
Система рециркуляции воздуха. Здесь все просто, установленные осевые вентиляторы перемешивают весь объем воздуха в теплицы для выравнивания температурного режима и влажности во всем объеме.
Система подачи углекислого газа. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности растениям необходимо более высокое, чем человеку, содержание углекислого газа в воздухе. Для использования в тепличных комплексах существует два источника двуокиси углерода: сжиженный газ и отходящие от котельной газы (дымовые), для использования которых применяют специализированное оборудование, состоящее из конденсатора, дозатора и контрольной аппаратуры.
Все вышеперечисленные системы позволяют создать оптимальные условия воздушной среды. Но для запуска в растениях одного из важнейших процессов фотосинтеза еще необходим свет, влияющий также на темпы роста, развитие и урожайность выращиваемых растений. На большей территории нашей страны его не хватает. В защищенном грунте применяют два способа освещения растений в условиях, когда солнечного света недостаточно:
- досвечивание (дополнительный источник света к естественному освещению),
- светокультура, когда лампы являются единственным источником света. В качестве источников света применяются светильники с натриевыми лампами высокого давления (ДНаТ, ДНаЗ) мощностью от 400 Вт, а также светодиодные светильники LED сине-красного или белого спектра.
Вода, как источник жизни на земле, также необходима растениям. Для этого в тепличном комплексе предусмотрена система капельного полива растений, которая позволяет поставлять необходимое количество воды прямо к корням каждого растения. Одной воды для роста растений недостаточно, поэтому в систему капельного полива встраивают систему питания растений комплексом минеральных удобрений. В комплект оборудования для системы капельного полива и питания растений входит:
- узел для приготовления питательных растворов с дозатором и насосами капельного полива, а также емкость для приготовления и хранения маточного раствора (маточный раствор в сельском хозяйстве — концентрированный, малообъемный раствор, заготавливаемый для последующего разведения в большем количестве воды и применения в работе);
- распределительная сеть капельного полива, состоящая из магистральных каналов, микротрубок и капельниц с заданным пропускающим объёмом;
- емкости для подготовки и хранения воды;
- установки очистки дренажной воды для повторного использования;
- емкости для сбора и хранения дренажной воды перед повторным использованием.
Данные системы и технологии применяются в теплицах четвертого поколения. Теплицы пятого поколения можно назвать глубоко усовершенствованной разновидностью теплиц типа Venlo. В теплицах пятого поколения применена технология, разработанная ещё в 2006 году, — Ultra Clima. Благодаря данной технологии теплицы пятого поколения превосходят предыдущее поколение по целому ряду параметров:
- теплица поддерживает в любой период времени года идеальный микроклимат;
- теплица позволяет экономить затраты на отопление;
- теплица в любой период времени может поддерживать оптимальный уровень СО2;
- теплица защищена от проникновения вредителей;
- в теплице Ultra Clima не происходит застоя воздуха. Это препятствует развитию заболеваний благодаря пленочным рукавам, расположенным под каждой грядкой. Более подробно про теплицы пятого поколения и технологию Ultra Clima можно узнать из видео, подготовленного компанией «Лаборатория инженерных систем», которая с начала 2017 года является правопреемницей НПФ «ФИТО» и входит в состав группы компаний «ФИТО».
Создав в теплице оптимальный микроклимат, воздушно-газовую смесь, заменив солнце электрическим светом, вы подготовили правильное питание. Теперь сюда надо поместить наши растения. В современных овощных теплицах широко распространена лотковая система выращивания овощей по малообъемной технологии.
Лотки изготавливаются на месте и подвешиваются по всей длине блока теплицы. Профиль лотка позволяет собирать дренажные растворы и перенаправлять их в емкости для сбора. При монтаже лотков создается уклон 0,2%, достаточный для отвода дренажных вод.
По всей длине лотков на них располагаются маты с субстратом (в нашем случае субстратом будет служить минеральная вата), на котором расположатся растения. При данном методе выращивания субстрат необходим для закрепления корневой системы и влагоудержания. Данную методику называют малообъемной, так как для полноценного развития томатов или огурцов требуется от двух до четырех литров субстрата на весь цикл роста растений.
Немного про минеральную вату. Минеральная вата, которую еще называют «каменной ватой», производится из базальтовых горных пород или сходных с ними диабазов. Измельченную горную породу смешивают с коксом и доводят до температуры плавления в 1600оС. Затем из расплавленной массы делают волокна. В общем процесс чем-то схож с производством сахарной ваты. Первой использовать минеральную вату в качестве субстрата для растений стала датская компания «Гродания AG». Применение минеральной ваты, благодаря её нейтральной среде, позволяет агроному точно контролировать количество воды и минеральных веществ, поступающих к растению. Самым крупным производителем минеральной ваты на сегодня является группа ROCKWOOL и, в частности, входящая в её состав компания Grodan.
Система подачи питательного раствора к корням растений, описанная выше, относится к одному из пяти методов гидропоники, применяемых в промышленности (по Тараканову Г.И., 1982).
- Агрегатопоника — вышеописанный метод выращивания растений на твердых субстратах (в нашем случае — минеральная вата), обладающих небольшой влагоемкостью с периодической подачей минеральных удобрений.
- Водная культура — при которой корни растения постоянно или периодически погружены в питательный раствор (широко применяется для выращивания салата).
- Хемопоника — метод близок к выращиванию растений на почвосмесях. В качестве субстрата при данном типе выращивания используют сфагновый мох, древесную кору, опилки, рисовую шелуху, отходы хлопчатника, кокосовую стружку и др.
- Ионитопоника — совершенно новый метод. Растения выращиваются на субстрате, состоящем из двух типов ионообменных смол: катионита КУ-2 и анионита ЭДЭ 10П. Оба ионита не разлагаются при воздействии кислорода, света и при обычной температуре. В отличие от агрегатопоники питательные вещества находятся в субстрате, поэтому поливают только водой. По факту данный субстрат является искусственной почвой.
- Аэропоника — более развитая модификация гидропоники (в данной классификации водной культуры), при котором корни растения находятся не в водной среде, а в воздушно-капельной среде и имеют постоянный доступ к кислороду, что фактически исключает удушье растений.
Как вырастить томаты в защищенном грунте: основные шаги
Первое, с чего необходимо начать, — это правильно подобрать гибрид для выращивания. Основные требования к гибридам для выращивания в защищенном грунте: они должны быть высокопродуктивными, раннеспелыми, с комплексом устойчивости к болезням (ToMV; Ff 1,2,3; V; F 1,2; On). Плоды хорошо завязывается в условиях пониженной освещенности и должны обладать высокими товарными качествами, быть выровненными по размеру и форме, вкусными, высокоурожайными и подходящими для транспортировки.
Выбрав гибриды, необходимо подготовить все помещения и оборудование для выращивания. Помимо обычной уборки после предыдущих растений происходит обработка от грибной и бактериальной инфекции, а также вирусов, которые могли появится ранее. Для примера, систему и баки для маточного раствора могут промывать 5%-ным раствором препарата «Виркон С», пластиковые кассеты для рассады замачивают в 1%-ном растворе препарата «Вироцид», и, конечно, после всех процедур оборудование промывают чистой водой.
После всех этапов подготовки переходим непосредственно к выращиванию. Для этого в ячейки кассеты для рассады раскладываем небольшие «пробки» из минеральной ваты и насыщаем их водой. В каждую ячейку на «пробку» выкладываем семя томата и присыпаем небольшим количеством влагоудерживающего материала (перлит, вермикулит и др.). Кассеты с семенами устанавливаются на тележки и закатываются в камеры для проращивания. В специализированных камерах для проращивания, которые внешне похожи на промышленные холодильники, устанавливаются условия (повышенной температуры и влажности), которые позволяют ускорить процесс прорастания семян. Подросшие и окрепшие растения из камеры проращивания вместе с пробкой переставляют в кубики из минеральной ваты, которые в свою очередь расставляются по столам в рассадном отделении. Для поддержания влажности и поступления питания к молодым растениям специальные столы, которые имеют бортик, затапливают питательным раствором, тем самым насыщая им кубики с растениями.
Весь процесс выращивания рассады происходит в выделенном помещении (рассадное отделение). После завершения цикла развития рассады ее перемещают в основной блок теплицы на постоянное место, перед этим за 4–5 суток температуру в основном блоке поддерживают на уровне 19оС.
После перемещения растений в кубиках из рассадного отделения в основной блок их расставляют на маты, к каждому растению подводят капельный полив с питательным раствором. От каждого растения к верху теплицы натягивается шпагат, за который растение будет держаться пока растет.
Здесь хочу сделать небольшое отступление и немного рассказать о технологии прививки томатов (так же прививать могут и огурцы). Суть прививки в том, чтобы взять два гибрида: один из них будет давать томаты в большом количестве, но его корневая система слаба и не может раскрыть весь потенциал растения. Поэтому корневую часть берут от другого растения, и две эти части соединяют. Процесс прививки происходит на раннем этапе рассады. Он очень трудоемкий и может привести к большим потерям растений, которые не пережили такую операцию. Поэтому не многие предприятия применяют данную технологию. На сегодняшний день уже есть машины, позволяющие проделывать данную процедуру в автоматическом режиме за исключением подачи растений, но они ещё не получили массового распространения.
Вернемся к жизненному циклу растений и тем процедурам и операциям, которые проводят в этот период.
Высота шпалеры, к которой привязывают шпагат для роста растений, не превышает 6 м, а гибриды томатов используемые в защищенном грунте могут вырастать до 16–17 м. Соответственно, для того, чтобы растению было куда расти, запас шпагата сверху на шпалере немного приспускают, тем самым опускают всё растение, и у него появляется дополнительное место для роста вверх. К концу вегетации снизу у лотков скапливается большое количество скрученных стволов растений, с которых уже убрали всю лишнюю листву.
Во время вегетации растение подвержено различным заболеваниям, а также появлению вредителей, которые могут залетать во время проветривания. Для защиты растений применяют как химические препараты, так и биологические средства защиты, к которым относятся биопестициды и энтомофаги. Для внесения жидких средств защиты растений на листья во многих современных комплексах применяют специализированное оборудование (на видео — робот-распылитель Qii-Jet TAV-342).
Для защиты от насекомых-вредителей всё чаще применяются энтомофаги (насекомые хищники, которые не вредят растениям, но поедают вредных для нас насекомых), их покупают у специализированных предприятий по их разведению. Также ведется специальная селекция для улучшения характеристик таких насекомых.
Насекомых-энтомофагов применяют не только при появлении вредителя, но и для профилактики. При этом, чтобы поддержать популяцию энтомофагов без естественных источников питания, приобретается специальный корм, который также способствует повышению жизнеспособности и интенсивному развитию.
Вырастив здоровое и сильное растение, создав ему все условия и защитив от болезней и вредителей, мы все еще можем не получить урожай. Для завязывания плодов томата необходимо провести опыление его цветков. В открытом грунте этим занимаются пчелы, поэтому для закрытого грунта специально разводят шмелей, и улья с ними расставляют по блокам тепличного комплекса, где необходимо начинать опыление.
Для регулирования количества шмелей в ульях перекрывают один из двух выходов. Но так как в каждом блоке теплиц может располагаться много ульев и они расположены друг от друга на достаточном удалении, данный процесс может затянутся во времени. Для решения этой проблемы применяются системы автоматического закрывания ульев, которые реагируют на освещение или другие параметры, а также могут управляться удаленно.
В регионах планеты, где есть сложности со шмелями, долгое время это приходилось делать вручную. Сейчас австралийская компания Arugga AI Farming разработала робота, который самостоятельно при помощи искусственного интеллекта распознает цветки и опыляет их.
После опыления цветков завязываются плоды и начинается процесс созревания. Есть гибриды томата с небольшими кистями, на которых плоды созревают примерно в одно и то же время, и это позволяет собирать кисть целиком. На других гибридах томаты в кисти созревают неравномерно: сначала те, что ближе к основному стволу растения, так как питательные вещества поступают к ним быстрее. Сбор томатов осуществляется рабочими вручную, созревание контролируется с помощью оценки интенсивности окраски плода.
Для оценки потенциальной урожайности и расчета времени начала уборки урожая в ближайшем будущем будут использовать роботов и технологии искусственного интеллекта, которые сейчас уже разработаны и проходят процесс корректировки и повышения точности (на видео — робот для сбора штучного томата от Root AI; робот для сбора урожая томатов от стартапа Metomotion). К таким роботам также можно отнести разработку Нидерландской компании Berg Hortimotive Group — робот Plantalyzer. Он автономно пробегает по теплице и целенаправленно фотографирует помидоры. Программное обеспечение и алгоритмы Vision оценивают зрелость плодов и преобразуют изображения в надежную и точную оценку урожая. Такие роботы по сбору урожая работают в разы медленней человека, но их точность стремится к 100%. При этом они могут работать 24/7.
Собранный урожай складывается в ящики на тележках и «паровозиком» транспортируется в зону хранения или упаковки.
Также уже применяются и автоматические транспортировочные тележки, которые самостоятельно перемещаются между тепличным блоком и складским помещением.
Цифровые решения для растениеводства
Из-за больших затрат на отопление, освещение и другие процессы при круглогодичном производстве овощей в защищенном грунте, а также из-за огромного количества параметров и процессов, которые требуют постоянного контроля, такое направление, как растениеводство среди первых начало применять цифровые решения в своей практике.
Одним из самых распространенных решений для управления тепличным комплексом является оборудование и программное обеспечение компании Priva. Программа Priva Office Direct для контроллеров Compass, Compact CC, Connext используется для контроля климата, энергосбережения и водопотребления в теплицах. Теплица разделяется на блоки — климатические зоны. Для каждой климатической зоны (блока) можно устанавливать свои сценарии управления системами климат-контроля:
- системы отопления;
- систему форточной вентиляции;
- систему циркуляционных вентиляторов;
- системы горизонтального и вертикального зашторивания;
- систему увлажнения и охлаждения;
- систему подачи СО2;
- система искусственного досвечивания.
Для управления климатом в теплице требуется установка метеорологической станции. Она нужна для контроля внешних параметров: температуры, скорости и направления ветра, солнечной радиации, наличия осадков, объема снега. Для управления ирригацией в теплице выбираются также разные стратегии, исходя из потребностей теплицы.
Для повышения эффективности труда и снижения производственных затрат компания Priva создала роботизированные системы. Например, это робот Kompano для удаления листьев.
Сейчас компания Priva позволяет управлять своими сервисами Priva Operator, Priva Alarms и Access Control через единый облачный сервис Priva Connected.
Также широкое распространение на рынке получили решения DrainVision и PhytoVision для мониторинга роста и развития растений от компании Paskal.
DrainVisio оценивает уровень напитки субстрата (через измерение веса мата), строит графики объема и частоты поливов, объёма и частоты дренажа, а также процентного соотношения объема дренажа от полива. Решение непрерывно контролирует остаточный уровень удобрений, которые не усвоили растения.
PhytoVision — мониторинг роста растений на основе климатических данных.
Компания Grodan, крупнейший производитель субстратов из минеральной ваты, разработала систему GroSens, которая в режиме реального времени создает отчет о состоянии субстрата из каменной ваты (включает показатели содержания воды, концентрации солей, температуру и др.). Grodan также на своей базе разработала аналитическую программную платформу для обработки всего массива данных, поступающих от датчиков теплицы и данных об урожае, формируя на их основе умные рекомендации по стратегии выращивания.
При объединении всех вышеупомянутых технологий, систем и роботов в одном месте уже на сегодняшний день можно получить практически полностью автоматическую теплицу, но это история хотя и недалекого, но будущего. Сейчас часть из этих роботов и технологий искусственного интеллекта находится на этапе развития и пока еще стоит очень дорого. Полностью положиться на них фермеры не решаются из-за больших рисков. Поэтому в тепличных комплексах до сих пор трудится много людей. Для распределения заданий и отслеживания процесса и результатов работы применяются системы отслеживания труда. Принцип работы системы простой: у каждого сотрудника есть идентификационная карта. Приходя на работу, сотрудник получает сканер и регистрируется в системе. Перед заходом в междурядье сотрудник сканирует QR-код или RFID-метку рядка, в котором будет проводить работу, указывает тип работы. Например, сотрудник будет проводить сбор урожая. Соответственно, после прохода всего рядка работник взвешивает тележку с собранным урожаем и указывает в системе, сколько получилось. Такое отслеживание работ позволяет в реальном времени иметь конкретизированную по месту оперативную информацию.
Сельское хозяйство становится «умнее». Сегодня создание и обслуживание промышленного тепличного комплекса — это не простой сельскохозяйственный проект, а в первую очередь — проект сложный и высокотехнологичный. Более того, подобные задачи, как правило, требуют системного подхода и разносторонней экспертизы, а это не всегда могут предложить узкоспециализированные компании или сельскохозяйственные стартапы. Задача компании «ЛАНИТ-Интеграция», в которой я работаю, — использовать и создавать по-настоящему эффективные решения, соответствующие целям заказчика. Современная теплица — пример такого решения, и его реализация под силу теперь только игрокам с наработанной экспертизой в области ИТ и «цифры».
