Правильное освещение — залог успеха при выращивании растений в условиях теплиц. Многие годы ученые экспериментируют с источниками освещения, пытаясь подобрать оптимальные спектры и интенсивность излучения. Основная проблема заключается в том, что на разных этапах жизни растениям нужны разные характеристики освещения, корректировать которые в коммерческих лампах невозможно. Ученые из СПбГЭТУ «ЛЭТИ» разработали фитолампу, которая способна автоматически настраивать оптимальный для растения спектр испускаемого света. О разработке порталу InScience.News рассказала Мария Романович, аспирант кафедры фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
— В чем особенность светодиодов, используемых в вашей фитолампе по сравнению с обычными «розовыми» лампами для растений?
— Существует три основных подхода, с помощью которых можно получить нужный спектр излучения для выращивания растений. Первый — использовать несколько разных монохроматических, то есть излучающих в определенном узком спектре, светодиодов. Второй — получать смешанный спектр с помощью люминофоров — полноспектральных светодиодов для растений, и третий — использовать белые светодиоды с люминофорами.
Основной недостаток люминофорных светодиодов, часто используемых в коммерческих лампах, заключается в том, что их спектр нельзя менять в течение дня и в течение вегетационного периода растения. Это большой минус, поскольку семена, цветущие и плодоносящие растения требуют разного освещения.
В нашей фитолампе реализован первый подход — сочетание монохроматических светодиодов. Согласно спектру поглощения пигментов растений, синий и красный свет являются важными компонентами спектра для эффективного протекания процесса фотосинтеза. Тем не менее некоторые другие длины волн также способствуют росту растений: зеленый свет наравне с красным и синим может участвовать в синтезе пигментов, в значительной степени способствовать протеканию фотосинтеза и иметь решающее значение для накопления биомассы в более глубоких частях листа и нижней части растительного покрова, где синий и красный свет, по сравнению с зеленым, энергетически истощены.
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Кроме того, способствовать росту могут и некоторые участки дальнего красного и ультрафиолетового диапазона, для которых нет эффективных люминофоров. Таким образом, разработанная фитолампа содержит пять видов светодиодов: ультрафиолетовый, синий, зеленый, красный и дальний красный. Лампа обеспечивает автономную смену спектров в течение полного вегетационного периода различных типов растений, к тому же спектр ее излучения комфортен для работы человека за счет использования зеленых светодиодов.
— В каком диапазоне длин волн излучает лампа?
— Для протекания фотосинтеза наиболее важна фотосинтетически активная радиация (ФАР) — это длины волн света в видимом диапазоне от 400 до 700 нанометров. Несмотря на то что ФАР охватывает всю видимую часть спектра, наиболее эффективными являются синяя и красная его части. Ультрафиолетовое и инфракрасное излучение находятся за пределами видимого диапазона, тем не менее они способствуют образованию трихом — защитных волосков на поверхности листьев некоторых растений — и положительно влияют на рост растений, поэтому фитолампа содержит в себе светодиоды, излучающие в более широком, чем видимый, диапазоне — 360–750 нм.
СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
— Спектр излучаемого света можно настраивать. Этот процесс автоматизирован или настройка происходит вручную?
— Для лампы можно записать программы освещения, регулировки интенсивности излучения по стадиям роста и таймер на включение/выключение. Для каждого типа растения разработанную программу необходимо вручную задать в настройках лампы, и далее фитоизлучатель автоматически будет изменять интенсивность излучения каждого типа светодиодов в зависимости от стадии развития культуры. В настоящее время мы собираем каталог программ освещения.
— Как подобрать оптимальный для конкретного растения спектр, не имея глубоких познаний в ботанике?
— Подобрать оптимальный для конкретного растения спектр излучения — сложная задача, которую приходится решать путем проведения множества экспериментов. Важную роль в таких экспериментах имеют знания в области фотоники.
— Меняется ли спектр, который можно считать оптимальным, в процессе роста растения? Если да, то позволяет ли фитолампа его постепенно корректировать?
— Период вегетации включает в себя различные этапы развития сельскохозяйственных культур: от прорастания семени, развития корневой системы, стебля и листьев до формирования репродуктивных органов и плодов. В связи с этим для каждого вида растения в определенную стадию роста нужен свой микроклимат, в котором искусственное освещение является важнейшим фактором. Фитолампа позволяет задавать и постепенно корректировать спектральный состав и интенсивность излучения.
— Вы использовали лампу для выращивания листового салата. По каким признакам вы оценивали ее влияние на растения? Какие получили результаты?
— На стадии проращивания мы ежедневно оценивали такие параметры, как количество проросших семян, появление семядольных и последующих листьев и их площадь, высоту растения, развитие корневой системы. В дальнейшем также измеряли количество хлорофилла, спектры поглощения растений, массу сырого и сухого вещества, коэффициент транспирации, то есть испарения воды с поверхности листьев, и урожайность. Благодаря подбору оптимального спектра и мощности излучения нам удалось увеличить урожайность культуры на 59%, а также в 2,5 раза снизить количество воды, расходуемой на образование одного грамма сухого вещества растения.
— Какие свойства растения, помимо роста и количества поглощаемой воды, может улучшить правильное освещение?
— С помощью света можно влиять на цвет, вкус, аромат, состав антиоксидантов и объем производимых растением витаминов.
— Тестировали ли вы лампу для выращивания других растений?
— Исследования также проводились на таких культурах, как базилик, мелисса, томаты, огурцы, салат различных сортов. Эксперименты продолжаются.
— Когда, по вашим оценкам, будет возможно повсеместно использовать вашу разработку в теплицах?
— Разработанная фитолампа на данный момент представляет собой экспериментальный образец, с помощью которого проводятся научные исследования с целью дальнейшей ее доработки. Повсеместное использование разработки в теплицах зависит от заинтересованности инвесторов в экономии электрической энергии и увеличении эффективности работы теплиц. Однако, как можно заметить, идет постепенный переход от традиционных источников света на светодиодные, поэтому переход на энергоэффективные фитоизлучатели неизбежен. И первые теплицы, которые на это решатся, в результате будут иметь существенное преимущество на рынке сельскохозяйственных культур.
— С экономической точки зрения установка таких ламп будет выгоднее, чем использование обычных?
— Агропромышленные комплексы производят сельскохозяйственные культуры в огромных масштабах, в связи с чем они стремятся сокращать затраты на электроэнергию, которые в значительной мере определяют ценообразование и, следовательно, экономическую выгоду продукции. Соответственно, использование энергоэффективных фитоизлучателей позволит снизить эти затраты.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
