Рост населения и изменения климата, а также технический прогресс и множество других факторов будут определять будущее сельского хозяйства. Тем не менее, в конце концов, это означает, что фермы будущего должны будут производить больше с меньшими затратами и, вероятно, в более плохих условиях. В настоящее время разрабатываются достижения, которые сделают возможным сельское хозяйство будущего.
Исследования физиологии растений
Физиология растений, то, как растения растут, размножаются и развиваются, влияет на урожайность и качество разными способами. Свет, возможно, является наиболее важным фактором окружающей среды, влияющим на физиологию растений.
Растения по-разному реагируют на качество, направление, количество и продолжительность световых сигналов в окружающей их среде. Они производят гормоны и другие вторичные метаболиты, которые влияют на качество пищи, урожайность и вкус.
Для успешного выращивания в помещении жизненно важно понимать реакцию растений на световые сигналы. Исследователи из Бельгии, Дании и Болгарии изучали влияние различных условий освещения на физиологию растений. У растений есть фоторецепторы, которые воспринимают ультрафиолет A, ультрафиолет B, красный и синий свет. Эти фоторецепторы могут определять качество, интенсивность, продолжительность и направление света.
Красный против синего света
Количество фотонов, используемых для фотосинтеза в диапазоне длин волн 400-700 фотосинтетически активного излучения (PAR), представлено плотностью потока фотосинтетических фотонов (PPFD). Вблизи поверхности красный и синий свет эффективно поглощаются и являются наиболее важными длинами волн для фотосинтеза.
Ключевой пигмент растений для фотосинтеза, хлорофилл, поглощает как синий (420-450 нм), так и красный (600-7100 нм) свет.
Хлорофилл типа А имеет пики поглощения при 430 нм (синий) и 665 нм (красный).
Хлорофилл-b имеет пики поглощения при 453 нм (синий) и 642 нм (красный).
Поглощение света хлорофиллом падает до минимума при 550 нм. (Узунис 2019)
Поскольку синий свет имеет более высокую частоту и, следовательно, более короткую длину волны, он обладает большей энергией, чем красный свет. Однако фотосинтез зависит от общего количества поглощенных фотонов, а не от содержания энергии отдельных фотонов. Дополнительная энергия теряется в виде тепла в случае синего света. В более низком КПД в синем диапазоне этот эффект очевиден. (Узунис 2019)
Различные виды растений по-разному реагируют на красный и синий свет, и даже разные типы одного и того же вида растений будут лучше развиваться в разных условиях освещения. Саженцы, продаваемые в контейнерах, часто выращиваются при недостаточном освещении, в условиях скученности и обычно имеют удлиненный гипокотиль (стебель, расположенный ниже листьев семян и непосредственно над корнями) из-за плохого качества света.
Неестественно высокие растения имеют низкий урожай в сыром виде, в результате чего вырастает тонкая листва. Эта удлиненная характеристика особенно заметна у пряных растений и трав. Благодаря качеству света во время фазы прорастания, растения укропа, в частности, имеют меньше листьев, большую удлиненность и меньшую площадь листьев.
Исследователи из Познанского университета естественных наук, Польша, исследовали различное количество синего света от 10 до 15% с постоянной долей красного света и его влияние на растения укропа. Они обнаружили, что в целом растения укропа, обработанные красным светом, были выше в целом и имели удлиненные междоузлия, но растения, обработанные синим светом, имели более короткие междоузлия и давали относительно высокие урожаи трав.
Однако реакция растений на синий свет чрезвычайно чувствительна и зависит не только от пропорции синего или красного света, но и от стадии роста растения. (Frąszczak 2016)
Под воздействием высоких доз синего света в течение первых недель прорастания удлинение структуры стебля гипокотиля подавлялось больше всего, причем самая короткая длина гипокотиля проявлялась у растений, выращенных при 50% синем свете.
Однако на более поздних стадиях роста меньшего количества синего света может быть достаточно для подавления удлинения, обеспечивая при этом преимущества чистой скорости фотосинтеза, где самые высокие значения были обнаружены у растений, которые были обработаны синим светом ниже 30%. (Frąszczak 2016)
Другие виды растений показывают лучший рост в других условиях. Например, соотношение красного и синего света 1: 1 оказалось эффективным для помидоров черри, но соотношение красного и синего 0,9: 0,1 могло быть лучше для некоторых шпината, салата и редиса.
Хотя синий свет подавлял удлинение стебля у растений салата и укропа, у баклажанов, выращенных в синем свете, стебли были более длинными, чем у растений, выращенных с любым другим цветом. Свет также может изменить выражение непищевых коммерческих растений. Увеличение доли синего света в хризантемах и розах приводит к уменьшению высоты цветов. (Frąszczak 2016)
Ультрафиолетовое излучение
Ультрафиолетовое излучение B (280-315 нм) оказывает все более негативное воздействие на живые организмы на Земле из-за разрушения озонового слоя. Кроме того, за исключением очень больших высот, ультрафиолетовое излучение C поглощается верхними слоями атмосферы и редко достигает поверхности Земли. Тем не менее, это может больше не соответствовать действительности, поскольку в 1997 году ученые зафиксировали прямое солнечное УФ-излучение, достигающее земли в Мадриде. (Катерова 2009)
Исследователи Болгарской академии наук изучили влияние УФ-В и УФ-С на три важных гормона растений, которые регулируют реакцию на стресс окружающей среды:
Абсцизовая кислота (ABA)
Индол-3-уксусная кислота (ИУК)
1-аминоциклопропан-a-карбоновая кислота (ACC)
Эти фитогормоны участвуют в регулировании процессов развития, таких как зарождение боковых корней и рост растений в ответ на сигналы окружающей среды. (Катерова 2009)
Спектральные свойства искусственного света
Как правило, теплицы поставляют растения от 16 до 20 часов искусственного света каждый день, в диапазоне интенсивностей 100-200 μmol0m -2 0s -1 . В течение многих лет, в помещении растениеводства, натриевые (HPS) лампы высокого давления были промышленный стандартом из — за их высокую эффективность (1.9 μmol0m -2 0W -1 ) при преобразовании электричества в фотосинтетический активную радиацию.
Тем не менее, свет, который исходит от ламп HPS, все еще неоптимален, генерируя свет в основном в желтом и оранжевом диапазонах с некоторым количеством красного света между 550 и 650 нм. Только около 5% света, излучаемого лампами HPS, находится в синем диапазоне, и нет возможности изменить их спектральный выход.
Светоизлучающие диоды (светодиоды) излучают свет в узком спектре, который варьируется от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного, позволяя манипулировать световым спектром, чтобы вызвать физиологические изменения с потенциальным улучшением роста растений. Характеристики светораспределения для светодиодов сравнимы или превосходят их аналоги HPS, что делает их полностью масштабируемой заменой.
Все чаще светодиоды имеют сравнимую квантовую эффективность для ламп HPS, а в случаях некоторых новых датский и голландский и изготавливаемой арматуры (2,2-2,4 μmol0m -2 0W -1 ), могут даже превзойти возможности ламп HPS. Кроме того, светодиоды представляют собой прочные твердотельные источники света, которые обеспечивают более длительный срок службы ламп, достигающий 100 000 часов по сравнению со средним сроком службы HPS от 10 000 до 20 000 часов. (Узунис 2019)
Спектрометры от Avantes использовались для улучшения светодиодных световых смесей, а также они автоматически регулируют системы затемнения в теплицах, чтобы регулировать дневной интеграл света (DLI), который представляет собой общее количество света, получаемого растением за 24 часа. Avantes был пионером в применении спектроскопии в теплицах.
Мониторинг здоровья растений и оценка качества
В интеллектуальном сельском хозяйстве одна из наиболее обычных областей интереса — создание неинвазивных средств измерения качества и здоровья растений. Поскольку это требует ограниченного оборудования и может выполняться с чрезвычайно высокой скоростью (например, 600 спектров в секунду), спектроскопическое диффузное отражение идеально подходит для этого приложения.
Хороший пример этого метода можно увидеть на изображении 1, где показана головка датчика, установленная на верхней части трактора, который тянет орудие для внесения удобрений. Эта система была разработана и коммерциализируется компанией Yara AG, и она измеряет солнечное освещение и одновременно коррелирует его с данными отражения от сельскохозяйственных культур.
Отраженный свет от сельскохозяйственных культур предоставляет богатую информацию о содержании хлорофилла, позволяя получить оценку состояния здоровья, которая затем регулирует уровень внесения удобрений в реальном времени и сопоставляет его с координатами GPS для будущего мониторинга. Эта система является хорошим примером потенциала сельского хозяйства SMART для оптимизации ресурсов с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Еще одна важная область сельскохозяйственного производства, в которой успешно применяются спектроскопические методы, — это качество урожая. Исследователи из Политехнического университета Валенсии, Испания, используют инструменты Avantes для разработки индекса качества манго для прогнозного моделирования и создания роботизированного захвата, способного одновременно проводить измерения NIR и тактильной спектроскопии для определения зрелости и качества манго. (Кортес 2017)
Этот неразрушающий метод проверки качества фруктов основан на физических и биохимических свойствах образцов манго. Как правило, во время созревания манго не готово к употреблению, и для его созревания требуется период, в течение которого в плоде происходят многие жизненно важные физические и химические изменения.
В сочетании с оптоволоконным датчиком, находящимся в прямом контакте с кожицей манго, была использована спектроскопия диффузного отражения для измерения любых изменений аскорбиновой кислоты, растворимых твердых веществ, цвета кожи и содержания воды.
Для разработки этого показателя качества была использована система многоканальной спектроскопии Avantes. Спектрометр AvaSpec-ULS2048-USB2 Starline наблюдал видимый диапазон от 600 до 100 нм, а спектрометр AvaSpec-NIR256-1.7 NIRLine — от 900 до 1750 нм.
Спектроскопия для определения характеристик света
Для определения характеристик искусственного и естественного освещения в сельском хозяйстве важными инструментами являются спектрорадиометры и спектрометры. Эти устройства, которые иногда путают с датчиком, предоставляют надежную информацию о количестве и качестве света, который поглощается, принимается или передается растениями.
И наоборот, датчик обычно ограничивается измерением узкого диапазона длин волн света, которые принимаются в совокупности. Спектрометры являются ценными инструментами для определения характеристик этого состава из-за важности состава длин волн света, получаемого растениями.
Инструменты Avantes AvaSpec надежны и оптимизированы для задач полевой спектроскопии. В диапазоне УФ / ВИД, AvaSpec-ULS2048CL-EVO и AvaSpec-Mini2048CL являются двумя наиболее распространенными приборами-кандидатами, используемыми в этом приложении. Они являются оптимальными кандидатами для использования в полевых условиях из-за их высокоскоростного сбора данных, компактной и прочной конструкции и термостойкости.
AvaSpec-NIR256 / 512-1.7-EVO и AvaSpec-NIR256 / 512-1.7-HSC-EVO — это идеальные инструменты для анализа силоса и зерна в полевых условиях для применений в ближней инфракрасной области.