Развитие растений при светодиодном освещении

Теоретическое вступление

Фотосинтез

Если взять взрослое растущее зеленое растение, то главными условиями его жизни являются: солнце, воздух и вода (плюс минеральное питание из почвы). Солнечный свет - источник энергии, диоксид углерода (углекислый газ) воздуха - источник углерода (главного строительного материала) и вода - источник кислорода, входящего в ее состав (на молекулярном уровне).И все эти три жизненные силы объединены процессом фотосинтеза, при котором происходит образование органических веществ (углеводов) благодаря энергии света при участии фотосинтезирующего пигмента - хлорофилла. Днем, на свету вода разделяется на кислород и водород и запасается энергия. Ночью, в темноте углекислый газ соединяется благодаря запасенной энергии с водородом, и образуются молекулы углеводов, выделяющимся в результате световой фазы фотосинтеза кислородом дышит все живое на Земле. Как уже говорилось, фотосинтез - главный процесс жизнедеятельности растений, отвечающий за их рост и развитие. Более 95% сухого вещества растений создаётся в результате этого процесса.

Источником энергии для фотосинтеза служит преимущественно длинноволновая часть спектра (красные лучи), а влияние коротковолновой части (сине-зелёной) менее существенно. Как же влияет на фотосинтез спектральный состав солнечного или иного света? Тогда вспомним - почему лист растения зеленый? Именно потому, что его поверхность отражает (а значит - не поглощает) зеленый свет. А это свойство объясняется именно присутствием в зеленом листе пигмента хлорофилла. И поглощает хлорофилл свет (а значит и энергию) из красной и синей областей спектра дневного света.

Отсюда вывод применительно к фотосинтезу: желто-зеленая составляющая дневного света практически не оказывает влияния на рост и жизнь растения, а нужен ему - красный и синий свет. Но не все так просто. Также для развития и ростае растения огромную роль играют еще и другие законы, гораздо более сложные, чем процессы фотосинтеза. Это законы фотоморфогенеза.

Фотоморфогенез

Фотоморфогенез - это процессы, происходящие в растении под влиянием света различного спектрального состава и интенсивности. В них свет выступает не как первичный источник энергии, а как сигнальное средство, регулирующее процессы роста и развития растения. Можно провести некую аналогию с уличным светофором, автоматически регулирующим дорожное движение. Только для управления природа выбрала не "красный - желтый -зеленый", а другой набор цветов: "синий - красный - дальний красный".

И первое проявление фотоморфогенеза возникает в момент прорастания семени. Итак, семя проснулось от спячки и начало прорастать, находясь при этом под слоем почвогрунта, т.е в темноте. Кстати, вообще вся рассада растений прорастает ночью и увидеть массовые всходы можно утром. Но вернемся к проклюнувшемуся семени. Проблема заключается в том, что даже появившись на поверхность почвы, росток об этом не знает и продолжает активно расти и тянуться к свету, пока не получит специального сигнала: стоп, можно дальше не спешить, ты уже на свободе. И такой синал он получает не от воздуха, не от влаги, не от механического воздействия, а от кратковременного светового излучения, содержащего красную часть спектра. А до получения такого сигнала проросток находится в так называемом этиолированном состоянии. В котором он имеет бледный вид и крючковатую согбенную форму. Крючок - это вышедший наружу эпикотиль или гипокотиль, нужный для защиты почки (точки роста) при прорастании через грунт, и, если рост продолжится в темноте, то он сохранится, и растение дальше будет оставаться в этом этиолированном состоянии. Для вывода растения из такого состояния достаточно ежедневного кратковременного освещения продолжительностью от 5 до 10 минут.

Красный свет

Оказывается, кроме хлорофилла, в любом растении есть еще один пигмент, имеющий название - фитохром. (Пигмент - это белок, имеющий избирательную чувствительность к определенному участку спектра белого света). Особенность фитохрома заключается в том, что он может принимать две формы с разными свойствами под воздействием красного света (660 нм) и дальнего красного света (730 нм), т.е. он обладает способностью к фотопревращению. Причем поочередное кратковременное освещение тем или другим красным светом аналогично манипулированию любым выключателем, имеющим положение "ВКЛ-ВЫКЛ", т.е. всегда сохраняется результат последнего воздействия. Это свойство фитохрома обеспечивает слежение за временем суток (утро-вечер), управляя периодичностью жизнедеятельности растения. Более того, светолюбивость или теневыносливость того или иного растения также зависит от особенностей имеющихся в нем фитохромов. И, наконец, самое главное - цветением растений также управляет... фитохром!

Фитохром, в отличие от хлорофилла, есть не только в листьях, но и в семени. Участие фитохрома в процессе прорастания семян для некоторых видов растений таково: просто красный свет стимулирует процессы прорастания семян, а дальний красный - подавляет прорастание семян. (Возможно, что именно поэтому семена и прорастают ночью). Хотя, это и не является закономерностью для всех растений. Но в любом случае, красный спектр более полезен (он стимулирует), чем дальний красный, который подавляет активность жизненных процессов.

Но предположим, что наше семечко проросло, появившись на поверхности в этиолированном виде. Теперь достаточно кратковременного освещения проростка, чтобы запустить процесс деэтиоляции: скорость роста стебля снижается, крючок распрямляется, начинается синтез хлорофилла, семядоли начинают зеленеть. И все это, благодаря красному свету. В солнечном дневном свете обычных красных лучей больше, чем дальних красных, поэтому днем высока активность растения, а ночью оно переходит в неактивную форму.

Синий свет

Сейчас попытаемся разобраться, как же влияет на жизнь проростка синий свет. Заметим, что желто-зеленая часть спектра практически никак не влияет: ни холодно от него - ни жарко.

Итак, синий свет - чем же он хорош или плох. На самом деле - синий цвет играет также важную роль в жизни растений, благодаря другому пигменту - криптохрому, который реагирует на синий свет в диапазоне от 400 до 500 нм. Для взрослых растений синий цвет, в частности, регулирует ширину устьиц листьев, управляет движением листьев за солнцем, угнетает рост стеблей.

Применительно к прорастающему растению очень важна роль синего света в сдерживании роста стебля и гипокотиля, т.е. в ограничении "вытягивания" рассады. Синий свет также угнетает прорастание семян. Кроме того, синий свет управляет изгибом проростка и стебля: со стороны источника синего света рост клеток тормозится, поэтому стебель изгибается в сторону источника света. Наверное, все наблюдали рассаду, согнутую в сторону окна - это из-за синего света. Название этого явления - фототропизм.

Синий свет (а к нему можно отнести и ультра-фиолетовую часть спектра) стимулирует деление клеток, но тормозит их растяжение. Кстати, именно поэтому для альпийских растений, растущих на высокогорных лугах с большим процентом ультрафиолета, характерна розеточная, низкорослая форма. А при недостатке синего света (например, в загущенных посадках или под стеклом) растения вытягиваются.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что управление процессами фотосинтеза и фотоморфогенеза - наиболее эффективный путь воздействия на продуктивность, рост и урожайность растений.

О нашем предприятии, светильниках, практическая и экономическая часть

Исследования воздействий излучения видимой части спектрального диапазона на растения проводились нами (ЗАО «Лумилита») на базе Бабтайского (район г.Каунас) института овощеводства и плодоводства еще с 2001г. Мы исследовали влияние интенсивности и спектрального состава света на эффективность фотосинтеза и фотоморфогенеза у различных растений в лабораторных условиях и на лабораторных грядках. Наши исследования подтвердили теорию: у растений за поглощение света отвечают пигменты - хлорофиллы a и b, каротиноиды и фитохром. Хлорофиллы поглощают свет синего и красного диапазонов, фитохром-красного, а каротиноиды - синего диапазона. Свет, полученный разными пигментами, расходуется на разные цели: пигменты с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений; пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за увеличение зелёной массы; зелёная часть спектра излучения полезна для фотосинтеза плотных листьев и листьев нижних ярусов, куда синие и красные лучи почти не проникают. Остальные части спектра растениями практически не используются. В результате исследований было выяснено, что наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растений являются интенсивности излучения в пределах 150-220 Вт/м2, а оптимальный состав излучения имеет следующее соотношение энергий по спектру: 30% - в синей области (380-490 нм), 20% - в зелёной (490—590 нм) и 50% - в красной области (600-700 нм). С использованием такого искусственного освещения были получены урожаи, в несколько раз более высокие, чем при обычном освещении, причём за более короткие (в 1,5-2 раза!) сроки. Приведённые результаты уже тогда указывали на возможность применения светодиодных светильников для освещения растений. Но процесс внедрения технологии тормозила крайне высокая стоимость светодиодов. Поэтому наша компания переключилась на выпуск промышленного светодиодного освещения, где потребности в экономном освещении были гораздо выше и сбыт светодиодных светильников был гарантированным. Также, в связи со вступлением Литвы в Евросоюз, были ликвидированы все теплицы, как «энергонеэффективные», поэтому была утрачена возможность промышленного испытания технологии и дошлифовки программного обеспечения управления освещением для каждого вида сельскохозяйственной культуры. Вся овощная продукция стала завозиться в Литву из Голландии, Испании, Польши, Португалии. Сейчас в Литве нет ни одной промышленной теплицы.

На данный момент ситуация со светодиодами в корне изменилась. Технологии производства светодиодов ушли далеко вперед, и цена на них (а значит и на светильники) стала очень приемлемой. Наше предприятие решило вернуться к прежним разработкам и найти партнеров в Республике Беларусь для научно-практического сотрудничества в целях дошлифовки промышленного применения светодиодной системы управления процессами жизнедеятельности растений и написания компьютерной программы или алгоритмов освещения для каждого вида растений (как овощей так и цветов), выращиваемых в условиях теплиц. Тем более что сейчас современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной области спектра составляет от 620 до 635 нм, в оранжевой - от 610 до 620 нм, в жёлтой - от 585 до 595 нм, в зелёной - от 520 до 535 нм, в голубой - от 465 до 475 нм и в синей - от 450 до 465 нм. Таким образом, составляя комбинации из светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне. Следует отметить и другие преимущества светодиодов, например, малую потребляемую электрическую мощность и, как следствие, низкое (в 6-10 раз)потребление электроэнергии светодиодными светильниками. Кроме того, стоит учитывать, что излучение светодиодов направленное, а это позволяет эффективнее использовать источники света на их основе. Также надо принимать во внимание, что время жизни светодиодов превышает время жизни натриевых агроламп примерно в 5 раз, что делает применение светодиодов крайне эффективным в экономическом плане. Если использовать в светильнике светодиоды с разными значениями длины волны излучения, то, изменяя ток для разных светодиодов, можно получать различные по составу и интенсивности спектры излучения и таким образом подбирать спектр светильника в зависимости от конкретного этапа развития растения.

Еще раз повторимся:

Главным преимуществом светодиодного освещения можно назвать подбор практически идеального для роста растений спектра излучения. Оптимальное соотношение энергий по спектру: 30% - в синей области, 20% - в зелёной и 50% - в красной. Такое соотношение обеспечивает выращивание полноценных растений, а сильное нарушение его приводит к отклонениям в развитии. Например, если большая часть энергии излучения приходится на синюю область спектра, это приводит к формированию низкорослых растений с высоким фотосинтезом, но низкой продуктивностью. Сильная накачка красным, наоборот, приводит к излишнему росту вегетативных органов в ущерб генеративным. Красный свет необходим для роста корневой системы, созревания плодов, цветения, а синий - для развития листьев, роста растений. У натриевой лампы основная часть спектра принадлежит оранжево-красной области и явно недостаёт синего света; из-за недостатка синего света растения тянутся вверх, становятся более хрупкими и плохо переносят транспортировку.

И ещё раз о достоинствах светодиодов и недостатках агроламп:

В настоящее время в большинстве тепличных осветительных систем используются адаптированные для растениеводства натриевые лампы высокого давления - так называемые аграрные натриевые лампы У натриевой аграрной лампы основная часть спектра принадлежит оранжево-красной области и явно недостаёт синего света; из-за недостатка синего света растения тянутся вверх, становятся более хрупкими и плохо переносят транспортировку. Ещё у этих ламп только треть затраченной энергии преобразуется в излучение, эффективное для фотосинтеза, а это означает, что вырабатывается также много лишнего тепла. Согласно исследованиям, для получения оптимальной нормы освещённости в теплице для выращивания рассады, равной 40 Вт/м2, необходимо использовать натриевую лампу мощностью минимум 120 Вт, а для получения нормы освещённости в теплице для выращивания на продукцию, равной 100 Вт/м2, - лампу мощностью минимум 300 Вт. При фотопериоде выращивания рассады 14 часов и выращивания на продукцию 16 часов потребление электроэнергии на 1 м2 составит за сутки величину в несколько кВт/ч. В пересчёте на всю продуктивную площадь теплицы величина потребления электроэнергии лампами выливается в огромное значение, существенно влияющее на рост себестоимости продукции.Применение светодиодных светильников может снизить эту величину, как минимум, в 6 раз. При всём этом светодиоды имеют долгий срок службы (свыше 60000 часов), чем обеспечивается большой гарантийный срок службы светодиодного светильника (5 лет) и продолжительный срок эксплуатации (15 лет). Кроме существенно меньшей потребляемой мощности, светодиоды способны обеспечить большее соответствие спектра излучения спектру эффективности фотосинтеза, что позволяет снизить требуемую мощность излучения на единицу площади теплицы, а, следовательно, и мощность светильника, в результате чего происходит дополнительное снижение потребления электроэнергии и, как следствие, сокращение затрат.

Что получат от нас партнеры?

  1. Партнеры, предоставившие свои тепличные площади для промышленных испытаний первыми получат передовую технологию выращивания растений
  2. Светодиодные светильники с алгоритмом засветки с большой отсрочкой платежа или в лизинг
  3. значительную экономию денежных средств в результате снижения энергопотребения теплиц в 6-10 раз
  4. Снижение себестоимости продукции и возможность получения дополнительной прибыли
  5. Возможность получения высококачественной продукции с заданными характеристиками
  6. Возможность опережать конкурентов как по срокам так и по количеству выращенной продукции



С уважением, Стриго Алексей Леонидович.
Руководитель ООО «Эталон Свет», г.Минск, (производственно-торговое отделение головного предприятия в Литве - ЗАО «Лумилита», г.Вильнюс)