Влияния разных спектров освещения на ростовые процессы салата листового в непрерывной светокультуре

Аннотация. В статье представлены результаты опытов полученные в 2018 году. Место проведения опытов – лаборатория полевых культур Омского ГАУ и комплекс гидропонного оборудования на базе фирмы «Ларго». Анализы выращенной продукции были проведены на оборудовании лаборатории полевых культур Омского ГАУ и фирмы «Ларго».

Цель опыта изучить влияние интенсивности различных спектров освещения на ростовые способности салата. Полученные результаты подтверждают возможность применения новых источников освещения в условиях защищенного грунта. Показано, что при использовании светодиодных источников комбинирующих синие, зеленые и красные излучения продуктивность растений сравнима с показателями при использовании натриевых ламп. При этом за счет снижения энерго­затрат и возможности создания многоуровневых установок возможно повышение рентабельности растениеводческих комплексов.

Ключевые слова: светокультура; спектральное излучение; светодиодные источники.

В России зеленные культуры традиционно выращиваются в тепличных комплексах в однослойной культуре, при комбинированном естественном и искусственном освещении.

Для повышения рентабельности производства в защищенном грунте необходимо увеличивать продуктивность растений за счет интенсивных технологий, включая применение методов светокультуры и гидропоники.

Актуальны исследования влияния на ростовые процессы растений усовершенствованных источников освещения на базе светодиодов, а также улучшения питания в гидропонных системах [2, 10].

Салат листовой относится к диетическим культурам, отличается низкой калорийностью, и высоким содержанием витаминов C, B1, B2, PP, P, E, K, фолиевой кислоты, провитамина А (каротина). Кроме того, в листьях салата содержится большое количество макро- и микро­элементов, необходимых для человека [6]. Достоинством культуры является скороспелость и холодостойкость, что позволяет выращивать салат в условиях защищенного грунта круглогодично.

Самые важные лучи для растений – оранжевые (620-595 нм) и красные (720-600 нм). Эти лучи поставляют энергию для процесса фотосинтеза, а также «отвечают» за процессы, влияющие на скорость развития растения.

Например, пигменты с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений. Для этого в теплицах используются натриевые лампы, у которых большая часть излучения приходится на красную область спектра. 

Так, к примеру, слишком большое количество красных и оранжевых лучей могут задержать цветение растения.

Также в фотосинтезе непосредственное участие принимают и синие, а также фиолетовые лучи (490-380нм). Кроме того, в их функции входит стимулирование образования белков и регулирование скорости роста растения. Те растения, которые растут в природных условиях короткого дня, быстрее зацветают именно под воздействием этих лучей.

Пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за развитие листьев, рост растения и т. д. Растения, выросшие с недостаточным количеством синего света, например, под лампой накаливания, более высокие – они тянутся вверх, чтобы получить побольше "синего света".

Пигмент, который отвечает за ориентацию растения к свету, также чувствителен к синим лучам.

Лучи, которые имеют длинную волну (315-380 нм), не позволяют растению чрезмерно «вытягиваться» и отвечают за синтез ряда витаминов. В то же время ультрафиолетовые лучи, которые имеют длину волны 280-315 нм, могут повышать холодостойкость растений.

Таким образом, жизненно важными для развития растений являются не только желтые и зеленые лучи (565-490 нм) [4].

В последние годы благодаря развитию технологий стали доступны светодиодные светильники с разными спектрами освещения. Применение светодиодов позволяет ускорить рост растений, добиться увеличение их массы, а также снизить энергопотребление.

Светодиодные светильники широко используются в растение­водстве за рубежом, но в России организуют производства на основе импортных лицензий с устаревшими приемами работы. В связи с этим желательно иметь собственные научные разработки для обеспечения продовольственной безопасности страны [2, 5].

Методы исследования. Объект исследования – салат листовой (Lactuca sativa L.) сорт Афицион, создан фирмой Rijk Zwaan (Нидерланды). Для выращивания растений были использованы приемы светокультуры.

Под светокультурой понимают возделывание растений с целью получения урожая с управляемыми экологическими факторами [3]. При воздействии разных источников излучения на зеленные культуры увеличивается их урожайность и качество продукции.

В экспериментах было изучено влияние на рост и продуктивность растений источников освещения:

• Натриевая лампа OSRAM Plantastar inter 250W с ЭПРА 250W производства ЧЗЭМИ (г. Челябинск).
• Люминесцентная лампа Philips MASTER TL-D 58W/840
• Натриевая лампа OSRAM Plantastar inter 250W с ЭПРА 250W производства ЧЗЭМИ (г. Челябинск), со светодиодами 440 nm
• Комбинированный светодиодный светильник (красный 660 nm, синий 440 nm, белый).

Салат выращивался в полной изоляции от естественного солнечного света. В качестве источника освещения использовались натриевые лампы высокого давления OSRAM Plantastar 250 Вт, с электронным балластом. Продолжительность день/ночь составляет 16/8 час. Было изучено влияние освещения на рост растений при изменении интенсивности в пределах от 120 до 220 мкмоль∙м2/с ФАР на поверхности плота. Через 30 сут. после пересадки определяли сырую массу растений, развившихся при разной интенсивности освещения. Дополнительно в течение опыта проводили измерения массы растений с периодичностью 5 сут. и строили S-кривые роста.

Стандартно, товарные партии салата состоят из 3-4 растений с массой листьев 100-120 г.

В наших опытах на глубоководной гидропонике получали отдельные растения до формирования ими товарной массы 100-120 г. Темпы роста салата при разном освещении были на первых этапах (1‑10 сут.) сходны (Рис. 1).

Позже появлялись различия в скорости роста растений в вариантах опыта, т. к. из-за достаточно развитого листового аппарата фотосинтез становился эффективнее. На более поздних этапах различия во влиянии освещения на рост увеличивалась. При низкой интенсивности освещения 120 мкмоль∙м2/с растения набирали сырую массу 120 г (с корнем-150 г) через 29 суток, а при высокой освещенности 200-220 мкмоль∙м2 /с – через 22 суток.

В связи с этим, за счет оптимизации освещения можно сократить период выращивания продукции на срок до 7 сут.

Поскольку скорость роста растений при высокой интенсивности была близка, то дополнительно проанализировали влияние фактора на сырую массу растений.

Сравнение массы растений при 200-220 мкмоль∙м²/с показало, что они практически не отличаются.

Это указывает на то, что дальнейшее увеличение освещения не является продуктивным.

В связи с этим, более рентабельно выращивать растении при интенсивности 200 мкмоль∙м²/с [1].

Рисунок 1. Кривые роста растений в зависимости от интенсивности освещения. Интенсивность освещения, мкмоль∙м²/с: 1–120, 2 –140, 3 –160, 4 –180, 5 – 200, 6 – 220.

Повышение объемов выращивания зеленых культур в защищенном грунте, возможно за счет внедрения новых источников освещения. При настройке спектра освещения можно повышать выход растений, а также снизить энергопотребление. Было выявлено, что при узкополосном освещении светодиодами с максимумами излучения 380 нм и 700 нм масса растений салата значительно уступала варианту с натриевым светильником, который обеспечивает дополнительные волны желтой зоны спектра.

Для выявления оптимальных спектров освещения использовали источники с разными спектральными характеристиками.

1. Натриевые лампы высокого давления (контроль);
2. Светодиодные светильники, которые имели лампы теплого белого спектра;
3. Люминесцентные лампы.

Использованные в экспериментах светильники отличались по облученности разных областей спектра (табл. 1). Во всех вариантах эксперимента интенсивность облучения на поверхности плота была одинаковой (180±10 мкмоль-м/с) и близка к оптимальной, выявленной в предыдущих опытах.

Было изучено влияние световых спектров на рост растений, в ходе эксперимента проводились измерения сырой массы растений с периодичностью 3 сут.

Таблица 1.

Спектральное излучение светильников по областям

Результаты полученные в ходе данного эксперимента показали различия в массе растений, выращиваемых под разными лампами (Рис. 2).

Через 6 сут. после пересадки и до конца эксперимента, сырая масса растений под натриевой лампой (с максимумом излучения в желто-оранжевой части спектра) была выше, чем в других вариантах. Средняя масса была у растений, выращенных под люминесцентной лампой с пиками в сине-зеленой, зеленой и оранжевой частях спектра. Наименьшая средняя масса была у растений под светодиодной лампой с усиленным излучением красного спектра.

В опыте была выявлена наиболее компактная форма растений отмеченная под светодиодными лампами, которые имели насыщенный зеленый цвет.

Рисунок 2. График роста салата листового выращенного под различными источниками освещения

Самые длинные листья светло-зеленого цвета, были сформированы под натриевыми лампами, а при использовании люминесцентной лампы растения имели промежуточные признаки. Можно предположить, что на морфогенез оказывали влияние различия в спектрах излучения светильников.

Увеличение интенсивности освещения в красной области спектра, приводит к усилению роста вегетативных органов в ущерб генеративным, что важно для наращивания массы салата листового.

Эти опыты показали, что под светодиодными светильниками продуктивность салата была ниже на 20 % по сравнению с натриевыми лампами. Однако, в ходе эксперимента была измерена температура на поверхности плота под разными лампами. Установлено, что под натриевой лампой температура составляла 26,5 °С; под люминесцент­ной – 25,5 °С; под светодиодной – 20,7 °С. Отставание в росте растений под светодиодными светильниками можно объяснить тем, что нагрев плота был меньшим, чем другими лампами. При стандартной однослойной технологии выращивания салата урожайность под натриевыми лампами будет более высокой.

Однако такие светильники не дают возможность к многоуровневым системам производства, т. к. будет создаваться перегрев и нарушение фотосинтеза.

В то же время, при освещении светодиодами возможно выращива­ния салата на нескольких уровнях, т. к. перегрева не будет. Это позволит поднять интенсивность производства.

Таким образом, в ходе опыта полученные результаты подтверждают перспективность применения новых источников освещения в защищенном грунте.

Результаты показали, что при использовании светодиодных источников комбинирующих синие, зеленые и красные излучения продуктивность растений сравнима с показателями под натриевыми лампами.

Однако, за счет снижения энергопотребления, возможности создания многоуровневых установок возможно существенное повышение производительности и рентабельности растениеводческих комплексов.

Вывод. Для повышения эффективности производства:

1. Необходимо добиваться освещенности интенсивностью 180-200 мкмоль∙м2/с
2. Для эффективного производства необходимо использовать светодиодные светильники с соотношением длин волн синие: зеленые: красные = 13 : 16 : 71.
3. Светодиодные светильники рекомендуется использовать в связи с возможностью сокращения затрат на электроэнергию и увеличения рентабельности за счет создания многослойной культуры.