Тепличная промышленность постоянно разрабатывает новые стратегии и технологии для увеличения урожайности, снижения любого связанного с этим негативного воздействия на окружающую среду и адаптации к новым требованиям рынка. Поэтому технологии беспочвенного выращивания, автоматический контроль над факторами, которые составляют микроклимат внутри теплицы, создание вертикальных агроэкосистем, которые могут быть расположены в городской среде, и другие перспективные направления находятся в постоянном развитии. Основным оборудованием в данных технологиях являются облучательные установки с высокой эффективностью в области фотосинтетически активной радиации (ФАР) и возможностью динамического регулирования характеристик [1].
На сегодня технологии управления спектром с помощью светодиодных облучателей учитывают в основном низкоэнергетическую реакцию вспомогательных фотопигментов растений [2]. Притом за основу принимаются две основные стратегии формирования спектра фитосветильника: учет целевого спектра поглощения хлорофиллов А и В [3, 4] или использование в качестве целевой функции спектральной чувствительности растений по K.J. McCree [5]. Затем в результате фотобиологических исследований получают световые кривые по накоплению хозяйственно полезной биомассы фитоценозами.
Авторами была разработана технология светодиодной досветки зеленных культур, в которой устранены указанные недостатки. Основные отличия заключаются в том, что первоначально моделируются в программном приложении светодиодные модули с различным спектром излучения, привязывая их к спектру поглощения хлорофиллов А и В, к функции спектральной чувствительности растений по K.J. McCree, к функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения. Затем на их базе создаются облучатели с определенным фотосинтетическим потоком фотонов; после этого в результате фотобиологического эксперимента определяются целевые технологические параметры выращивания и наконец формируются требования к спектру источников ОИ для конкретного сорта растения [6].
Цель исследования – разработка технологии светодиодной досветки с различным спектральным составом излучения для выращивания салата в вегетационных установках.
Материалы и методы исследования
Для начала, на основе анализа энергетических и биологических основ светодиодной досветки, оценивались существующие стратегии формирования спектра фитосветильников. Затем разрабатывался программный продукт, и на его основе, применяя методы моделирования, формировался ряд светодиодных модулей путем привязки к спектру поглощения хлорофиллов А и В, к функции спектральной чувствительности растений по K.J. McCree, к функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения [6]. Далее эмпирическим путем выявлялись, с учетом видовых особенностей растений, существенные различия в их реакции на спектральный состав воздействующего излучения [1]. В конечном итоге разрабатывались практические рекомендации по применению результатов исследования и описывались перспективы дальнейших исследований.
Авторами был разработан в приложении Excel калькулятор, позволяющий моделировать светодиодные модули. Калькулятор содержит три основных окна (рис. 1).
Работа калькулятора происходит по следующей схеме. Сначала задается световой поток, например 3666 лм, который с помощью встроенной функции фотосинтезного потока переводит его в поток ФАР. Если излучение белого цвета, то значение потока будет равно 11,8 Вт. На рис. 1, б, будет отображена кривая, показывающая спектр данного излучения.
Рис. 1. Рабочие окна калькулятора светодиодного облучателя: 1 – марка светодиода; 2 – цвет излучения; 3 – процент в общем излучении; 4 – поток по бину; 5 – ток 350 mA; 6 – значение потока при токе 350 mA; 7 – количество светодиодов в бине при токе 350 mA; 8 – ток 700 mA; 9 – значение потока при токе 700 mA; 10 – количество светодиодов в бине при токе 700 mA; 11 – ползунок для регулирования параметров
На рис. 1, в, кривые «синего» и «красного» излучений не будут иметь явных пиков, а будут показывать только содержание синей и красной составляющей в белом излучении. Поток по бину 4 будет показывать значение 3666 лм. Чтобы промоделировать излучение, близкое по своему спектральному составу, например, к кривой синтеза хлорофилла, необходимо, управляя ползунками 11, отслеживать по рис. 1, б, профиль этой кривой, приближая его к стандартному значению. При этом в позициях 3, 4, 6, 7, 9, 10 (рис. 1, а) будут отображаться все составляющие потока излучения, а также характеристики модуля. При этом видно, что управлять потоками излучения можно, регулируя ток на светодиодных платах. Данные характеристики показаны наглядно на рис. 1, в, отображая отдельно «синий» и «красный» пики, кривую спектральной чувствительности глаза человека, кривую спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения, общую спектральную характеристику излучающего модуля.
Далее авторами был проведен эксперимент в вегетационной установке, конструкция которой представлена на рис. 2. За основу была приняты разработанные и описанные в работах [7–10] технические решения.
Вегетационная установка имеет каркас с боковыми стенками, полки, образуя рабочие камеры для выращивания, в каждой из которых на полках зафиксированы источники облучения, соединенные посредством проводов со щитом управления. Также имеются стеллажи с помещенными на них растениями в горшках. К каждому стеллажу присоединены одним концом гибкие поливочные шланги, другой конец которых помещен в подающий трубопровод, соединенный с емкостью для питательного раствора. Рабочие камеры для выращивания имеют общий воздуховод с вентилятором, закрепленный к каркасу.
Целью эксперимента было исследование влияния различных спектров светодиодной досветки на урожайность и показатели накопления макро- и микроэлементов салата сортов Крилда и Аувона.
Содержание макро- и микроэлементов определено в аккредитованной испытательной лаборатории ФГБУ ГЦАС «Красноярский» общепринятыми методиками.
Результаты исследования и их обсуждение
В таблице представлены результаты моделирования трех типов светодиодных модулей по технологии «синий + красный» спектр в комбинации со светодиодами белого света, на базе которых сконструированы облучатели. Облучатель 1 (с целевым спектром поглощения хлорофилла А), облучатель 2 (с излучением, совпадающим с функцией спектральной чувствительности растений по K.J. McCree), облучатель 3 (с функцией спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения) [2].
Из таблицы видно, что при сопоставимой мощности облучателей, но различном соотношении излучения в отдельных областях ФАР, величина фотосинтетического фотонного потока увеличивается при более равномерном заполнении спектра.
Характеристики светодиодных облучателей
|
Показатель |
Облучатель 1 |
Облучатель 2 |
Облучатель 3 |
Облучатель 4 |
|
Фотосинтетический фотонный поток PPF, мкмоль/с |
106,47 |
105,6 |
153 |
151 |
|
Световой поток F, лм |
3402 |
2320 |
6496 |
6065 |
|
Мощность Р, Вт |
92 |
110 |
92 |
94 |
|
Соотношение излучения в отдельных областях ФАР: синий, белый, красный, % |
20–20–60 |
5–70–25 |
25–25–50 |
30–30–40 |
|
Спектр излучения |
|
|
|
|
Источник: составлено авторами.
Рис. 2. Вегетационная установка
Рис. 3. Результаты по урожайности
а) 
б) 
Рис. 4. Результаты биохимического анализа по показателям накопления: а) меди; б) марганца
Результаты фотобиологических исследований по урожайности представлены на рис. 3. Из рис. 3 видно, что при равной облученности, создаваемой облучателями, максимальная урожайность достигается под облучателем, имеющим спектр, близкий к функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения и принимает значение для салата сорта Крилда 6,35 кг/м2, для Аувона – 6,44 кг/м2. На рис. 4 приводятся результаты биохимического анализа по показателям накопления меди и марганца; на рис. 5 – результаты по показателям накопления азота, фосфора, натрия и кальция.
Рис. 5. Результаты биохимического анализа по показателям накопления; а) азота; б) фосфора; в) натрия; г) кальция
Как видно из рис. 4, спектральный состав излучения по-разному влияет на накопление меди и марганца. Заметно также, что накопление данных металлов зависит от сорта салата. Так, максимальное количество меди 0,37 мг/кг будут содержать растения салата сорта Крилда, выращенные под облучателем, с процентным соотношением излучения в отдельных областях ФАР, %: 25–25–50. Максимальное содержание марганца 3,4 мг/кг наблюдается у сорта Аувона под облучателем с ФАР, %: 30–30–40.
Из рис. 5 видно, что реакция растений на накопление представленных веществ неоднозначная. Максимальное накопление натрия происходит у растений салата сорта Крилда при облучении с целевым спектром поглощения хлорофилла А, тогда как максимальные показатели накопления азота замечаются у сорта Аувона, при облучении спектром, близким к функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения.
Заключение
Были смоделированы четыре типа светодиодных модулей с различным соотношением излучения в отдельных областях спектра ФАР (с–з–к): для облучателя 1 (20–20–40), для облучателя 2 (5–70–25), для облучателя 3 (25–25–50), для облучателя 4 (30–30–40), что дало возможность провести разноплановый фотобиологический эксперимент.
В ходе проведенных исследований было установлено, что путем регулирования технологических параметров светодиодной досветки возможно не только обеспечить высокую продуктивность растений, но и направленно влиять на качество продукции, в частности регулировать накопление макро- и микроэлементов в зеленных культурах.
Технология облучения, в которой используется излучение в функции спектрального распределения интенсивности рассеянного солнечного излучения, может применяться при выращивании растений в компактных установках. В них требуется объединение световой среды человека и растения, и предпочтительным является излучение, обеспечивающее не только потребности растения, но и зрительный комфорт человека. Однако для других видов и сортов растений результаты могут отличаться.