Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ И СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ НА РОСТ И МОРФОГЕНЕЗ САЛАТА ЛИСТОВОГО

Плотникова Л.Я. 1 Самойлов В.Н. 1
1 ФГБОУ ВО «Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина»
Влияние интенсивности и спектров освещения на рост и морфогенез салата листового исследовано в условиях полной светокультуры и глубоководной гидропоники. Эксперименты по изучению действия интенсивности света в пределах 120–600 мкмоль/ м2∙ с фотосинтетически активной радиации проводили с применением натриевых ламп высокого давления (НЛ). При увеличении интенсивности освещения в промежутке от 120 до 200 мкмоль/ м2∙ с рост сырой массы был близок к линейному, а продуктивность растений возрастала двукратно. При 200–400 мкмоль/ м2∙ с показатели были максимальными и существенно не различалось, а при 600 мкмоль/ м2∙ с отмечено угнетение роста. Для изучения влияния спектров освещения на рост и морфогенез салата использовали светодиодные (СД) светильники с комбинациями белого холодного и красного (БХК), белого холодного и теплого (БХТ) спектров, а также НЛ (контроль). Эксперименты проводили при интенсивности освещения 200 мкмоль/ м2∙ с. Через 28 сут. после пересадки в гидропонную систему растения имели максимальную сырую массу под НЛ, под СД-светильниками со спектрами БХК и БХТ – меньшую (на 6 и 16 % соответственно). При этом под СД-светильниками растения накапливали больше сухих веществ. Спектры освещения оказывали влияние на процесс фотосинтеза и морфогенез салата. Чистая продуктивность фотосинтеза была выше в вариантах со светодиодным освещением. Под НЛ формировались низкие раскидистые растения, с перекрывающимися листьями нижних ярусов, занимавшие большую площадь. Под СД-светильниками растения имели более компактную форму и занимали площадь в 2,3–2,8 раза меньше, чем под НЛ. Это дает возможность уплотнить посадку растений без существенного снижения их продуктивности. В целом оптимизация интенсивности и спектров освещения позволяет значительно повысить выход продукции в салатных линиях.
Lactuca sativa L.
интенсивность освещения
светодиоды
спектры излучения
фотосинтез
морфогенез
1. Amoozgar A., Mohammadi A., Sabzalian M.R. Impact of light-emitting diode irradiation on photosynthesis, phytochemical composition and mineral element content of lettuce cv. Grizzly. Photosynthetica. 2017. № 55 (1). P. 85–95.
2. Eichhorn Bilodeau E.S., Wu B.S., Rufyikiri A.S., MacPher­son S., Lefsrud M. An update on plant photobiology and implications for cannabis production. Front. Plant Sci. 2019. Vol. 10. Р. 296. DOI: 10.3389/fpls.2019.00296.
3. Kozai T. Resource use efficiency of closed plant pro­duction system with artificial light: concept, estimation and application to plant factory. Proc. Jpn. Acad. Ser. B. 2013. Vol. 89. P. 447–461.
4. Аверчева О.В., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Жигалова Т.В., Погосян С.И., Смолянина С.О. Особенности роста и фотосинтеза растений китайской капусты при выращивании под светодиодными светильниками // Физиология растений. 2009. Т. 56. № 1. С. 17–26.
5. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Зависимость площади листьев салата (Lactuca sativa L.) от дозы потока оптического излучения и ее составляющих // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2018. № 50. С. 213–219.
6. Park Y.G., Park J.E., Hwang S.J., Jeong B.R. Light Source and CO2 Concentration Effect Growth and Anthocyanin Content of Lettuce under Controlled Environment. Hort. Environ. Biotechnol. 2012. Vol. 53. No. 6. P. 460–466.
7. Далькэ И.В., Буткин А.В., Табаленкова Г.Н., Малышев Р.В., Григорай Е.Е., Головко T.K.
Эффективность использования световой энергии тепличной культурой листового салата // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. 2013. № 5. С. 60–68.
8. Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н. Применение красных и синих светодиодов в светокультуре салата // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2016. № 4–6. С. 1073–1076.
9. Войцеховская О.В. Фитохромы и другие (фото)ре­цепторы информации у растений // Физиология растений. 2019. Т. 66. № 3. С. 163–177. DOI: 10.1134/S0015330319030151.
10. Brechner M., Both A.J. Cornell Controlled Environment Agriculture: Hydroponic Lettuce Handbook. Cornell: Cornell University, 2012. 48 p.
11. Третьяков Н.Н, Паничкин Л.А., Кондратьев М.Н. Практикум по физиологии растений. М.: КолосС, 2003. 288 с.
12. Самойлов В.Н., Плотникова Л.Я. Результаты изучения влияния различных источников освещения на параметры фотосинтетического процесса салата листового // Роль аграрной науки в устойчивом развитии сельских территорий: сборник II Всероссийской (национальной) научной конференции (г. Новосибирск, 25 декабря 2017 г.). Новосибирск. 2017. С. 108–111.
13. Solovchenko A.E., Merzlyak M.N. Screening of visible and UV radiation as a photoprotective mechanism in plants. Russian Journal of Plant Physiology. 2019. Vol. 55. No. 6. P. 719–737.
14. Плотникова Л.Я., Самойлов В.Н., Новикова Е.С., Бережкова Г.А. Влияние интенсивности освещения на продуктивность салата листового в условиях полной светокультуры // Состояние и перспективы развития садоводства в Сибири: материалы II Национальной научно-практической конференции, посвященной 85-летию плодового сада Омского ГАУ имени профессора А.Д. Кизюрина (г. Омск, 7–9 декабря 2016 г.). Омск, 2016. С. 88–91.
15. Закурин А.О., Щенникова А.В., Камионская А.М. Светокультура растениеводства защищенного грунта: фотосинтез, фотоморфогенез и перспективы применения светодиодов // Физиология растений. 2020. Т. 67. № 3. С. 246–258. DOI: 10.31857/S0015330320030227.

Салат листовой Lactuca sativa L. входит в число наиболее востребованных листовых овощных культур в связи с низкой калорийностью, а также высоким содержанием витаминов и минералов [1]. Для улучшения пищевого рациона населения необходимо увеличивать производство салата, что может быть достигнуто за счет повышения урожайности, а также сокращения времени его выращивания (производственного цикла).

Продуктивность растений зависит от процесса фотосинтеза, в ходе которого происходит усвоение солнечной энергии и накопление органических веществ. Эффективность фотосинтеза существенно зависит от продолжительности, интенсивности и спектра освещения [2]. В тепличных комплексах важное значение в управлении урожайностью растений имеет оптимизация параметров освещения. Длительное время в мире для досвечивания растений в условиях короткого дня использовали натриевые лампы высокого давления (НЛ), а затем люминесцентные светильники [3]. В последнее десятилетие усилился интерес к использованию светодиодных источников освещения (Light-emitting diode – LED), преимуществом которых является возможность гибкого регулирования интенсивности и спектров освещения [4; 5]. Особый интерес к данному направлению связан с развитием технологии многоуровневого выращивания растений (вертикальное земледелие) без естественного освещения в закрытых помещениях (indoor culture – полная светокультура) [3].

Потребности растений в интенсивности и спектре освещения зависят от вида и технологии их выращивания [2]. Мнения об оптимальной интенсивности освещения салата листового разнятся, в литературе есть данные о применении режимов освещения от 120 до 600 мкмоль/м2 ∙с [6–8]. Кроме того, важное значение для роста и морфогенеза растений имеет спектральный состав света. Известно, что растения в ходе фотосинтеза усваивают волны видимой части спектра (фотосинтетически активная радиация – ФАР). При этом хлорофиллы имеют максимумы поглощения в красной (КС) и синей (СС), а каротиноиды – в синей части спектра. На первых этапах исследовали действие на растения СД-светильников с узкими спектрами излучения КС и СС, близкими к максимумам поглощения фотосинтетических пигментов. При этом было показано, что растения способны осуществлять фотосинтез, однако их продуктивность была ниже, чем под традиционными НЛ и люминесцентными лампами [4; 8]. Позже было установлено, что волны других частей спектра света также необходимы в качестве сигналов для развития и адаптации к условиям среды [9]. В настоящее время сложилось понимание, что для получения высокой урожайности необходим индивидуальный подбор параметров освещения с учетом культуры и способов ее выращивания.

Целью работы было изучение влияния интенсивности и спектров освещения на рост и морфогенез салата листового в условиях полной светокультуры и глубоководной гидропоники.

Материалы и методы исследования

Объектом исследований был салат листовой Lactuca sativa L., сорт Афицион.

Растения выращивали рассадным способом на вермикулите в 30 %-ном растворе Кноппа, затем в возрасте 11 сут. пересаживали в гидропонную систему на плоты из вспененного пластика (deep-water culture) (рис. 1) [10].

missing image file

Рис. 1. Выращивание салата по технологии глубоководной гидропоники на плоте из вспененного пластика

Салат выращивали в полной светокультуре, без доступа естественного света, с 16-часовым светопериодом. Использовали светильники с разными спектрами излучения: 1) натриевые лампы высокого давления марки OSRAM Plantastar 250 Вт (НЛ – контроль); 2) светильники с комбинацией мультихромных светодиодов с белым холодным спектром и монохромных с красным спектром (СД БХК); 3) светильники с комбинацией мультихромных светодиодов с белым холодным и теплым спектром (СД БХТ) (рис. 2).

Влияние интенсивности освещения на рост растений изучали с использованием НЛ. Интенсивность измеряли в квантовых единицах плотности фотосинтетически активного потока фотонов (мкмоль/ м2 ∙ с). Освещение изменяли в промежутке 120–220, а также в точках 400 и 600 мкмоль/ м2 ∙ с ФАР. Параметры освещения на уровне плотов контролировали с помощью спектрометра марки «ТКА-Спектр» (ФАР) (НТП «ТКА», Россия). Влияние спектров излучения на рост и морфогенез исследовали при интенсивности 200 ± 10 мкмоль/ м2 ∙ с. Температура на уровне плотов под СД-светильниками составляла 23 °С, под НЛ 25,5-27,0 ± 1 °С, что связано с их высокой теплоотдачей.

missing image file

Рис. 2. Спектры излучения светильников: НЛ – натриевая лампа высокого давления, СД БХК – СД-светильник с белым холодным и красным спектром, СД БХТ – СД-светильник с белым холодным и теплым спектрами

Результаты экспериментов учитывали через 28 сут. после пересадки растений. Определяли параметры: сырую и сухую массу (г); длину и ширину листьев (см), высоту растений (см). Площадь отдельных листьев (см2) определяли по формуле эллипса (S = πАВ/4, где А и В – длина и ширина соответственно). Измерения проводили в трех биологических повторностях по три растения. По полученным данным рассчитывали суммарную площадь листьев растений (м2). Площадь, занимаемую растениями на плоте, рассчитывали по формуле круга, ориентируясь на размеры самого большого яруса листьев (S = πR2, где R – максимальная длина листьев).

Чистую продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) в период активного роста с 14-х по 28-е сутки после пересадки высчитывали по формуле:

missing image file

где В1 и В2 – сухая масса растений (г), Л1 и Л2 – площади листьев в начале и в конце периода (м2); 0,5 ∙ (Л1 + Л2) – средняя рабочая площадь листьев за время опыта (м2); n – период между наблюдениями [11]. По полученным данным высчитывали средние значения, ошибку средней, наименьшую существенную разность (НСР05).

Результаты исследований и их обсуждение

На первом этапе работа была направлена на определение оптимальной интенсивности освещения в условиях полной светокультуры. Установлено, что при увеличении интенсивности освещения в промежутке от 120 до 200 мкмоль/ м2 ∙ с сырая масса растений возрастала двукратно (от 119 до 240 г). При дальнейшем усилении освещения до 400 мкмоль/ м2 ∙ с отмечено незначительное (в пределах ошибки) увеличение массы, а при 600 мкмоль/ м2 ∙ с продуктивность снижалась на 23 % (рис. 3).

Близкое к линейному увеличение массы растений свидетельствует о повышении интенсивности фотосинтеза. Продуктивность достигала максимальных значений при 200–220 мкмоль/ м2 ∙с, что, вероятно, связано со световым насыщением фотосистем. Ранее было показано, что при повышении интенсивности освещения возможно ускорение роста салата, это позволяет сокращать производственный цикл до 7 суток [12]. Снижение продуктивности растений при 600 мкмоль/ м2 ∙ с, вероятно, связано со стрессовым воздействием избыточного освещения. Ранее подобный эффект, вплоть до нарушения развития, был показан и на других видах [13]. Таким образом, интенсивность освещения 200 мкмоль/ м2 ∙ с была оптимальной для выращивания салата при используемой технологии.

Ранее было показано, что под НЛ, имеющими значительную долю излучения в желто-оранжевой области (550–620 нм), растения салата росли интенсивнее, чем под СД-светильниками с узким красным и синим спектром [14]. В связи с этим в данном исследовании были использованы СД-светильники со спектрами излучения, приближенными к НЛ. При этом в варианте СД БХТ светильник излучал преимущественно волны зелено-желто-оранжевого диапазона, небольшую часть – синего. В варианте СД БХК светильник имел небольшую долю зелено-желто-оранжевых лучей, а также пики в синей и красной областях спектра (рис. 2).

missing image file

Рис. 3. Зависимость сырой массы растений салата от интенсивности освещения

В экспериментах с использованием светильников с разными спектрами излучения было показано, что под НЛ растения имели наибольшую сырую и сухую массу (241 и 16,1 г соответственно), а также площадь листьев (таблица). Близкие к контролю показатели имели растения в варианте СД БХК (223 и 15,7 г соответственно), худшие – в варианте СД БХТ. Снижение сырой массы растений по отношению к контролю составило 8 и 18 % соответственно. В пересчете на единицу поверхности листья салата под СД-светильниками имели более высокую сырую массу, что, очевидно, связано с их большей толщиной. При этом в варианте СД БХК доля сухого вещества в общей массе растения была достоверно выше по сравнению с контролем, что указывает на меньшее содержание в них воды.

Изменение показателей салата листового при выращивании под светильниками с разными спектрами излучения*

Вариант

Масса, г

Доля сухой массы, %

ЧПФ

Площадь листьев, см2

Сырая масса листа, г/см2

Высота, см

Максимальная длина листьев, см

Площадь, занимаемая растением, см2

сырая

сухая

НЛ – контроль

241

16,1

6,68

2,51

3139

0,077

20,3

22,0

1518

СД БХК

223

15,7

7,04

3,53

2422

0,092

25,4

14,7

674

СД БХТ

203

13,3

6,54

2,95

2293

0,089

21,0

13,2

547

НСР05

15,3

0,33

0,33

0,33

61,3

0,003

2,4

1,2

51

Примечание: НЛ – натриевая лампа высокого давления; СД БХК – СД-светильник с белым холодным и красным спектром; СД БХТ – СД-светильник с белым холодным и теплым спектром; ЧПФ – чистая продуктивность фотосинтеза.

Показатель ЧПФ, характеризующий интенсивность ежесуточного накопления сухой массы единицей поверхности растений, был самым высоким в варианте СД БХК, средним – с СД БХТ, худшим – с НЛ. Это свидетельствует о том, что накопление сухого вещества под СД-светильниками происходило интенсивнее, несмотря на меньшую площадь листьев.

Для определения влияния спектров освещения на морфогенез были измерены высота растений и длина листьев по ярусам. Результаты показали, что под НЛ растения были самыми низкими и раскидистыми. При этом листья второго и третьего ярусов были самыми длинными и перекрывали нижние (рис. 4). Поскольку затенение приводит к ухудшению освещения нижних листьев, то становится понятным достоверное снижение ЧПФ под НЛ. Растения под СД-светильниками были выше и компактнее. В варианте СД БХТ растения имели форму, сходную с контрольной, но меньшие размеры. В варианте СД БХК листья разных ярусов были близки по размерам, что обеспечивало лучшее освещение. Очевидно, такая форма способствовала более высокому показателю ЧПФ.

missing image file

а) б) в)

Рис. 4. Влияние спектров освещения на размеры листьев салата разных ярусов (1 – нижний, 5 – верхний): а – натриевая лампа НЛ; б – светодиодный светильник с белым холодным и красным спектром СД БХК; в – светодиодный светильник с белым холодным и теплым спектром СД БХТ

Большая масса растений под НЛ может быть обусловлена разными причинами. Одной из причин может быть то, что, несмотря на выравнивание интенсивности освещения, температура под НЛ была на 2,5–3 °С выше, чем под СД-светильниками. Больший нагрев связан с высокой теплоотдачей ламп. Известно, что в оптимальном промежутке повышение температуры линейно усиливает интенсивность фотосинтеза [15]. Кроме того, установлено, что при затенении растений может проявляться эффект «синдрома избегания тени» (shade-avoidance syndrome–SAS). SAS-эффект связан с усилением синтеза и транспорта ауксинов, что приводит к удлинению органов растений [9]. Поскольку в варианте с НЛ значительная часть нижних листьев была затенена, то SAS-эффект мог стимулировать увеличение размеров растений.

С учетом того что затенение снижает ЧПФ, нами была рассчитана площадь (в форме круга), которая необходима растениям для избегания конкуренции за освещение. Расчеты показали, что в варианте с НЛ необходима площадь 1518 см2, а в вариантах СД БХК и СД БХТ была достаточна площадь меньше в 2,3 и 2,8 раза соответственно. Эти результаты показывают, что возможно выращивание растений в уплотненной схеме. При небольшом проигрыше в продуктивности под СД-светильниками (на 8–18 %) уплотненная посадка позволит значительно поднять урожайность салатных линий.

Заключение

Таким образом, полученные результаты показали, что в условиях полной светокультуры и глубоководной гидропоники оптимальной была интенсивность освещения 200 мкмоль/ м2 ∙ с. Продуктивность растений под натриевыми лампами и СД-светильниками с белым холодным и красным спектром была близка, но доля сухого вещества в растениях под СД-светильниками была выше. Применение СД-светильников позволяет формировать компактные растения и повысить урожайность за счет уплотненной схемы их размещения.


Библиографическая ссылка

Плотникова Л.Я., Самойлов В.Н. ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ И СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ НА РОСТ И МОРФОГЕНЕЗ САЛАТА ЛИСТОВОГО // Успехи современного естествознания. – 2021. – № 4. – С. 21-26;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37602 (дата обращения: 25.05.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074