Влияние синего света на растения

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 19.09.2024

Если вы когда-то видели, проходя мимо домов и квартир, вот такие вот криповатые окна из квартала красных фонарей, но никогда не задумывались, что это, это - фитолампы.

Что это за зверь такой и в чем его польза, будем разбираться

Фитолампы, они же фитосветильники вошли в моду не так давно, выделившись, видимо, из тенденции подсвечивать растения всем подряд от люминисцентных ламп до обычных.

В общем-то, всем было интуитивно понятно или известно, что растения + свет = хорошо, но на помощь пришла ещё и молодая наука агрофотоника, которая изучает влияние света на физиологию растений.

Агрофотоника появилась из биофотоники.

Биофотоника изучает явления испускания, обнаружения, поглощения, селекции, модификации и генерации излучений живыми организмами и органические материалами (что находит широкое применение в медицине, генетике, биологии, агротехнике и экологии).

Также биофотоника - это наука и технологии, имеющие дело со взаимодействие органического вещества со светом и другими формами излучений, в которых квантовой единицей служит фотон.

Агрофотоника изучает тот же спектр явлений, но исключительно в отношении растений, при чём имеющих сельскохозяйственное значение.

Матчасть по свету

Что важно помнить, Техника безопасности

Я напишу это в самом начале, потому что важные пункты в конце теряются.

Растения нельзя перегревать и обжигать, лампы нужно ставить на расстоянии.
У фотосинтеза есть теневая фаза, для которой необходим световой покой, если бить растение светом 24/7 оно вполне возможно и погибнет
Чудодейственный способ только один - внимание и забота о растении, комплекс мер по условиям содержания, питанию, воде, свету, одной лишь лампы не достаточно для эффекта

Теперь к делу

Столкнувшись с выбором света впервые, можно сойти с ума от непонимания огромного количества технической информации. Пробуем понять, какими свойствами должна обладать фитолампа и в чем её конкурентное преимущество перед обычной.

Какие цвета растения "видят" и "едят"

Для всех растений есть одна общая черта, не смотря на зону произрастания и длину светового дня - чувствительность к свету определённой длины волны (проще говоря, цвету света). Так вышло, что вещества в растениях (вроде того самого пигмента хлорофилла) более или менее восприимчивы к тем или иным цветам.

Немного матчасти по волнам и соответствующим цветам в нашем зрении:

390-440 нм фиолетовый
440-480 нм синий
480-510 нм сине-зелёный
510-550 нм зелёный, практически не воспринимается растениями, они его отражают, поэтому мы видим листву зеленой
550-570 нм желто-зеленый
570-590 нм желтый
590-625 нм оранжевый
625-700 нм красный
>700 нм инфракрасный свет, тоже воспринимается растениями

Какие цвета поглощаются более эффективно

Общепринято, что для растений эффективны волны от 300 до 800 нм. При этом его часть в 480-590 нм менее эффективна из-за низкого восприятия растениями.

Наиболее полезные волны в лампах - 650нм. и 450нм. - чистый синий и чистый красный. Они влияют на активность трёх ключевых процессов: наращивание зелёной массы, цветение и плодоношение.

Однако последние исследования показывают, что растениям важен весь воспринимаемый ими спектр и если досвечивать можно отдельными цветами, то полноценное освещение должно быть, всё-таки полноспектральным,желательно естественным, белым.

Так как отдельные группы химических элементов (те, которые не хлорофилла, например) восприимчивы к другим цветам и эффективность дыхания и метаболизма растения зависит от их комплексного действия.

Для одного из сортов картофеля, исследования показали следующее (источник 3):

(СД - светодиод, БС - белый свет, СС - синий свет, КС - красный свет, ЗС - зелёный свет).

Максимальная скорость карбоксилирования (страшное слово значит, грубо говоря, переработку углекислого газа путем его реакции с другими химическим веществами) и большая эффективность реакции наблюдались при облучении растений люминесцентным светом и светодиодом белого света.

По сравнению с ними показатели при

Светодиод синий свет 77,9 %

Светодиод красный свет 67,9 %

Светодиод зелёный свет 11,1 %

Скорость электронного транспорта (переноса электронов и протонов, проще говоря, распределения энергии в процессе дыхания) при облучении люминесцентными лампами была наибольшей, и составила в вариантах

Светодиод белый свет 97,3 %

Светодиод синий свет 68,0 %

Светодиод красный свет 75,1 %

Светодиод зелёный свет 20,8 %

Простыми словами, часть спектра влияет на дыхание, часть на теневую фазу и обмен веществ, при чём не одинаково эффективно.

Волны синего спектра сильнее влияют на процессы дыхания, метаболизма и наращивания зелёной массы, красного - на цветение и плодоношение, формирование дополнительной зелени так сказать вширь. Полное исключение одного из цветов плохо скажется на балансе растения.

Матчасть по лампам

Что такое фитолампа

В общих чертах, это источник освещения, спроектированный таким образом, чтобы благоприятно влиять на биохимию роста и развития растения.

Простыми словами - лампа, которая стимулирует процесс фотосинтеза и связанных с ним процессов метаболизма растения.

Что такое фотосинтез, думаю, все мы помним из школьной биологии, но на всякий случай напомню: процесс переработки растением химических веществ под действием света.

Лампы бывают разные - люминесцентные, светодиодные, натриевые и другие.

Люминесцентные более эффективны, но более вредны для глаз и излучают больше тепла.
Светодиодные в этом плане проще: дешевле, безвреднее, практически не греются, для новичка самое то.

Польза и необходимость ламп

Итак, если фотосинтез происходит под действием света, свет нам даёт солнце, а белый растения любят больше всего, то расходимся?

Увы, в научном садоводстве всё не так просто. Мы вынуждены выращивать растения в разных условиях среды, не всегда благоприятных. Чтобы компенсировать недостаток естественного света и ускорить рост растений, и используются фитолампы.

Их основная функция - досветка и стимулирование, гармонизация процессов, которым может не хватить естественного света.

Скорость фотосинтеза напрямую зависит от фотонов (частиц света), которые поглощаются растениями. Чем больше света и чем он качественнее - тем активнее идёт фотосинтез, тем больше накапливаются полезные вещества, тем более гармоничнее развивается растение, крепче зелень и выше урожайность.

Как измеряется эффективность освещения

Свет, эффективный для поглощения растениями, именуется ф отосинтетически активная радиация (ФАР) и лежит в диапазоне примерно 300-800 (разные исследования дают несколько разные цифры).

Фотосинтетический фотонный поток (измеряется в мкмоль/с) отражает количество фотонов, проходящих за секунду времени.

Фотосинтетическая фотонная облученность (измеряется в мкмоль/(м2*с)) отражает количество фотонов, получаемых 1 квадратным метром поверхности за секунду, то есть плотность или интенсивность освещенности.

То есть, такое число отражает, сколько фотонов полезного света "скушает" квадратный метр вашего салата за секунду.

Микровывод

Таким образом, фитолампа помогает выделить и сконцентрировать свет необходимого спектра для дополнительной досветки растения, при этом не расходует энергию на спектр лишний (зелено-жёлтый), которого достаточно в солнечном свете и тепловую энергию (поэтому я люблю именно светодиодные лампы, они не нагреваются и не мешают тепловой атмосфере в теплице в отличие от натриевых и люминесцентных).

Важно как реализована технология отвода тепла в корпусе светильника.

Как дилетанту подобрать лампу, мой сценарий

С понятием ФАР и ФФП, спектром мы познакомились. По прежнему нифига не понятно, что делать.

Есть ещё понятия площади освещения, мощности лампы и много много других факторов.

Всё это можно посчитать, на это есть формулы, но для нас, дилетантов, не владеющих питомниками и теплицами в гектар, всё куда проще: производители всё за нас посчитали и написали в инструкциях.

В естественной среде обитания растения поглощают столько солнечной энергии, сколько им полагается. В домашних условиях света всегда меньше, особенно в зимний период, когда дополнительное освещение необходимо практически всем цветам. Разбираемся, каким должно быть освещение для цветов, и какие осветительные приборы лучше использовать.

Влияние света на растения

Под действием света в зелёных листьях из углекислоты и воды образуются углеводы, вещества, жизненно необходимые для успешного развития растений. Именно световая энергия запускает этот процесс, фотосинтез; когда света не хватает, он замедляется. Это сказывается на внешнем виде цветов: листья теряют окраску, побеги истончаются и плохо растут, цветение ослабевает.

Значительная часть российской территории находится в регионах с продолжительным зимним периодом. Зимой световой день становится короче, и естественного света не хватает даже цветам, стоящим на южном подоконнике; особенно страдают растения, расположенные более чем в метре от окна.

Для того, чтобы поддержать нормальное развитие растений, необходимо дополнительное освещение. Проблема состоит в том, что потребность в свете у разных цветов отличается, и они по-разному реагируют как на его недостаток, так и на избыток.

Искусственное освещение: когда без него не обойтись

Чтобы установка досветки не стала неоправданной тратой семейного бюджета, полезно выяснить, когда она действительно необходима. Растениям не обойтись без дополнительного освещения в следующих случаях:

Если в данной местности количество пасмурных дней преобладает над количеством солнечных.
Если цветы содержатся на подоконнике, но из-за неудачного расположения (северная сторона) прямой солнечный свет задерживается менее чем на 3,5 часа.
В осенне-зимний период в регионах с укороченным световым днём (вся средняя полоса России и более северные территории), если температура содержания превышает 22°C.

Искусственное освещение принесёт пользу, если будет соответствовать следующим критериям:

Параметры нормальной световой среды

Большое значение имеет не просто каждый фактор, но их правильная комбинация. При организации искусственного освещения необходимо обеспечить как нужное количество света, так и правильное чередование светлых и темных периодов. Например, если вы будете освещать светолюбивые виды маломощной лампой, они могут заболеть, даже при правильной длине светового дня.

Для активного развития и цветения разным видам нужна освещённость в следующих пределах:

Для развития растений важен такой параметр света, как его спектральный состав. Солнечный свет не является однородным, в нем присутствуют лучи с различной длиной волны. Спектр условно делится на два вида:

Тёплый (длинноволновой, красный и оранжевый). Длина оранжевых лучей составляет 620-595 нм, красных – 720-600 нм. Цветовая температура равна 2700-3000 K.
Холодный (коротковолновой, синий и фиолетовый). Длина волн колеблется в пределах 490-380 нм. Цветовая температура составляет около 4000-6500 K.

Обе части спектра нужны для развития цветов, но они оказывают разное влияние. Лампы искусственного света, предназначенные для растений, помечаются цифрами, и, чем выше указанное число, тем холоднее свет.

Лампы выделенного света помогают решить следующие задачи:

Красный и оранжевый спектр. Лучи отвечают за процессы фотосинтеза, влияют на скорость роста и развития, отвечают за цветение и плодоношение. Они будут полезны, если вы хотите разводить цветы или, например, лимоны, помидоры или перец. Лучи тёплого спектра полезны для роста корневой системы, а также в период подготовки к цветению.
Синий и, особенно, фиолетовый спектр. Также принимают участие в фотосинтезе, но дополнительно стимулируют образование белков и рост зелёной массы листьев. Холодный спектр полезен, если вы собираетесь выращивать зелень или рассаду; его будет достаточно для корнеплодов. Под лучами лампы холодного спектра быстрее зацветут сорта, которые в природе привычны к короткому световому дню.

Лучи тёплого спектра также отвечают за синтез витаминов; ещё они не дают цветкам чрезмерно вытягиваться. Более жёсткий ультрафиолет повышает устойчивость к холоду. Зелёные и жёлтые лучи оказывают минимальное влияние, и не являются жизненно важными для комнатной флоры.

Освещение для комнатных растений не обязательно должно быть узкоспециализированным. В большинстве случаев можно пользоваться осветительными приборами полного спектра; это значительно упростит жизнь.

Виды искусственного освещения

Для улучшения роста и развития растений используется несколько разновидностей источников искусственного света. В их число входят как специальные фитолампы, так и бытовые приборы, каждый со своим набором свойств.

Лампы накаливания

Главная особенность подобных устройств – экономическая неэффективность и низкий срок службы, что уравновешивается бюджетной стоимостью. Большая часть электрической энергии преобразуется не в свет, а в тепло. По этой причине их нельзя располагать слишком близко от горшков и контейнеров: и листья, и земля будут пересыхать. Если же расстояние увеличить, снижается интенсивность светового потока, и создаются условия, недостаточные для большинства видов.

Лампы накаливания не могут стать полноценной заменой солнечного света. Их спектр богат на красный свет, но синие волны в нем практически отсутствуют (стекло задерживает ультрафиолет). Подобные осветительные приборы не подходят в качестве единственного источника, но могут использоваться в комплекте с люминесцентной лампой, дополняя её спектр красным светом.

В оранжереях, там, где есть достаточно места, лампы накаливания могут применяться для нагрева воздуха. Некоторые модели имеют встроенный рефлектор; они более полезны для использования в качестве фитолампы, так как создают более комфортные условия.

Люминесцентные (флуоресцентные) лампы

Первые люминесцентные лампы были громоздкими и не слишком удобными, но позже появились компактные модели. Их удобно использовать для разведения небольших цветов и выращивания всходов семян в ограниченном пространстве. Также они подходят в качестве дополнительного источника, если освещения от окна недостаточно.

Флуоресцентные лампы имеют оптимальные характеристики для домашнего использования. Срок их службы достигает 10 тыс. часов, тогда как лампа накаливания живёт, в среднем, около 1 тыс. часов. Они обходятся дешевле в эксплуатации, эффективно преобразуют электрическую энергию в свет, а тепла излучают сравнительно мало.

Их спектр излучения лежит преимущественно в синей и красной части, однако интенсивность излучения достаточно слаба. Поэтому, чтобы польза была максимальной, лампы размещают очень близко от листвы.

В магазинах доступны лампы дневного света, разнообразные по длине колбы (трубки), диаметру, виду цоколя. Также отличаются мощности и цветовые температуры, наиболее распространены форматы цветности на 4000 К и 6500 К. Для комнатной флоры подходящим решением будет покупка люминесцентной лампы T12. Модель Т5 (с меньшим диаметром) излучает свет более высокой интенсивности, нужный для светолюбивых растений.

Светодиоды (LED-лампы)

Светодиодные лампы выгодно отличаются своими характеристиками. Они обходятся дороже, но в процессе эксплуатации работают экономно благодаря высокому КПД (90-95%). Они служат в 4-5 раз дольше, чем флуоресцентные лампы, по 45-50 тыс. часов; даже особо светолюбивую флору такая лампа будет освещать в течение 7-9 лет.

Светоизлучающие диоды обеспечивают высокую интенсивность излучения; при этом практически не нагреваются сами и не нагревают листья и стебли. Дополнительные плюсы светодиодных устройств – их экологичность (они не содержат опасных для здоровья веществ) и возможность работы при малом напряжении.

Спектр стандартных LED-ламп из магазина не подходит для выращивания растений. Существуют светодиодные источники со специальным спектром (красным и синим) или с регулировкой длин волн, подходящие для использования в цветоводстве. Их выбирают, исходя из задач: для общего применения подходят светодиодные источники с длиной волны 430 нм (белый свет), для вегетации или роста выбирают LED-лампу с длиной волны 450-455 нм (синий). В период цветения полезной окажется светодиод, охватывающий спектр 600-700 нм (красный).

Видео описание

О вопросах по освещению для комнатных растений в следующем видео:

Газоразрядные лампы (HID)

Наполнителем колбы могут служить различные инертные газы, пары металлов (натрия, ртути) или их смеси. Наибольшей эффективностью обладают натриевые лампы (HPS), которые выдают излучение низкого (красного) спектра и подходят для поддержания цветения. Другой тип – металлогалогенные лампы (MH), излучают в высоком спектре и удобны для улучшения вегетативного роста.

HID-лампы долговечные и мощные, но выделяют много тепла, а их яркость невозможно регулировать. Также они отличаются большими размерами и относительно высокой стоимостью, требуют использования пускорегулирующей аппаратуры и систем охлаждения.

Совокупность характеристик делает газоразрядные лампы удобными для применения в теплицах, и непрактичными для домашних условий. HID-лампу можно использовать дома, если у вас есть достаточно места для выращивания крупных растений, например, цитрусовых или помидоров.

Видео описание

О домашнем освещении цветочной коллекции в следующем видео:

Как узнать, достаточно ли света получают растения

Внешний вид комнатной флоры служит достоверным показателем того, хватает ли ей света. Причины плохого роста могут иметь и другое происхождение, но о недостатке освещения стоит задуматься, если у цветов наблюдаются следующие признаки:

Листья вырастают до меньшего, чем обычно, размера.
Цвет листьев и стеблей становится менее насыщенным.
Расстояние между двумя смежными узлами (точками роста листьев) слишком большое, растение словно тянется к свету.
Нижние листья начинают желтеть, пёстрые становятся зелёными.

Чтобы получить достоверную картину освещённости, делают замеры с помощью специальных приборов. Для домашних условий подойдёт бытовой фотометр или люксметр (например, люксметр RADEX LUPIN). Бытовые устройства просты в использовании; они помогут организовать оптимальные световые условия. Альтернативным решением может стать специализированное приложение, которое можно скачать из Play Market или аналогичного магазина. Оно проведёт измерения, используя камеру смартфона.

Если же измерения показали, что уровень освещённости почти соответствует норме, то заменять лампы не надо. Использование имеющегося искусственного света можно максимизировать. В этом помогут отражатели (рефлекторы). Они изготавливаются из металла (чаще из алюминия) с разными покрытиями; бывают напольными и подвесными, и существенно улучшают качество освещения растений.

Видео описание

О светодиодной подсветке в следующем видео:

Коротко о главном

Домашние растения часто испытывают недостаток в солнечном свете, поэтому для них необходимо организовать искусственное освещение. Чтобы привести его параметры в соответствие с потребностями комнатной флоры, необходимо знать, какие условия нужны тому или иному виду.

Важным параметром является яркость (интенсивность, мощность) светового потока. Для развития растений также важен спектр, излучаемый лампой. Различают тёплую и холодную часть спектра, и они обе нужны цветам в разные периоды развития.

Чтобы обеспечить подходящий световой режим, используют несколько видов ламп. Для домашнего садоводства популярным выбором являются люминесцентные лампы. Узнать, достаточно ли света получают растения, можно по их внешнему виду, а также с помощью бытового люксметра или специализированного приложения.

Интенсивность фотосинтеза под красным светом максимальна, но под одним только красным растения гибнут либо их развитие нарушается. Например, корейские исследователи [1] показали, что при освещении чистым красным масса выращенного салата больше, чем при освещении сочетанием красного и синего, но в листьях значимо меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов. А биофак МГУ [2] установил, что в листьях китайской капусты под узкополосным красным и синим светом (по сравнению с освещением натриевой лампой) снижается синтез сахаров, угнетается рост и не происходит цветения.

Рис. 1 Леанна Гарфилд, Tech Insider — Aerofarms

Какое нужно освещение, чтобы при умеренном энергопотреблении получить полноценно развитое, большое, ароматное и вкусное растение?

В чем оценивать энергетическую эффективность светильника?

Основные метрики оценки энергетической эффективности фитосвета:

Photosynthetic Photon Flux (PPF), в микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов света в диапазоне 400–700 нм, которые излучил светильник, потребивший 1 Дж электроэнергии.
Yield Photon Flux (YPF), в эффективных микромолях на джоуль, т. е. в числе квантов на 1 Дж электроэнергии, с учетом множителя — кривой McCree.

Эффективность ДНаТ

Крупные агрохозяйства с огромным опытом, считающие деньги, до сих пор используют натриевые светильники. Да, они охотно соглашаются повесить над опытными грядками предоставляемые им светодиодные светильники, но не согласны за них платить.

Из рис. 2 видно, что эффективность натриевого светильника сильно зависит от мощности и достигает максимума при 600 Вт. Характерное оптимистичное значение YPF для натриевого светильника 600–1000 Вт составляет 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Натриевые светильники 70–150 Вт имеют в полтора раза меньшую эффективность.

Любой светодиодный светильник, имеющий эффективность 1,5 эфф. мкмоль/Вт и приемлемую цену, можно считать достойной заменой натриевого светильника.

Сомнительная эффективность красно-синих фитосветильников

Рис. 3. V(λ) — кривая видности для человека; RQE — относительная квантовая эффективность для растения (McCree 1972); σ_r и σ_fr — кривые поглощения фитохромом красного и дальнего красного света; B(λ) — фототропическая эффективность синего света [3]

Отметим: максимальная эффективность в красном диапазоне раза в полтора выше, чем минимальная — в зеленом. А если усреднить эффективность по сколько-нибудь широкой полосе, разница станет еще менее заметной. На практике перераспределение части энергии из красного диапазона в зеленый энергетическую функцию света иногда, наоборот, усиливает. Зеленый свет проходит через толщу листьев на нижние ярусы, эффективная листовая площадь растения резко увеличивается, и урожайность, например, салата повышается [2].

Освещение растений белыми светодиодами

Энергетическая целесообразность освещения растений распространенными светодиодными светильниками белого света исследована в работе [3].

Характерная форма спектра белого светодиода определяется:

балансом коротких и длинных волн, коррелирующим с цветовой температурой (рис. 4, слева);
степенью заполненности спектра, коррелирующей с цветопередачей (рис. 4, справа).

Рис. 4. Спектры белого светодиодного света с одной цветопередачей, но разной цветовой температурой КЦТ (слева) и с одной цветовой температурой и разной цветопередачей R _a (справа)

Различия в спектре белых диодов с одной цветопередачей и одной цветовой температуры едва уловимы. Следовательно, мы можем оценивать спектрозависимые параметры всего лишь по цветовой температуре, цветопередаче и световой эффективности — параметрам, которые написаны у обычного светильника белого света на этикетке.

Результаты анализа спектров серийных белых светодиодов следующие:

1. В спектре всех белых светодиодов даже с низкой цветовой температурой и с максимальной цветопередачей, как и у натриевых ламп, крайне мало дальнего красного (рис. 5).

Рис. 5. Спектр белого светодиодного (LED 4000K R _a = 90) и натриевого света (HPS) в сравнении со спектральными функциями восприимчивости растения к синему (B), красному (A_r) и дальнему красному свету (A_fr)

Соответственно, под белыми светодиодами и под натриевым светом растение чувствует себя как под открытым солнцем и вверх не тянется.

В одном ватте потока белого светодиодного света 2700 К фитоактивной синей компоненты вдвое больше, чем в одном ватте натриевого света. Причем доля фитоактивного синего в белом свете растет пропорционально цветовой температуре. Если нужно, например, декоративные цветы развернуть в сторону людей, их следует подсветить с этой стороны интенсивным холодным светом, и растения развернутся.

3. Энергетическая ценность света определяется цветовой температурой и цветопередачей и с точностью 5 % может быть определена по формуле:

где — световая отдача в лм/Вт, — общий индекс цветопередачи, — коррелированная цветовая температура в градусах Кельвина.

Примеры использования этой формулы:

А. Оценим для основных значений параметров белого света, какова должна быть освещенность, чтобы при заданной цветопередаче и цветовой температуре обеспечить, например, 300 эфф. мкмоль/с/м2:

Видно, что применение теплого белого света высокой цветопередачи позволяет использовать несколько меньшие освещенности. Но если учесть, что световая отдача светодиодов теплого света с высокой цветопередачей несколько ниже, становится понятно, что подбором цветовой температуры и цветопередачи нельзя энергетически значимо выиграть или проиграть. Можно лишь скорректировать долю фитоактивного синего или красного света.

Б. Оценим применимость типичного светодиодного светильника общего назначения для выращивания микрозелени.

Пусть светильник размером 0,6 × 0,6 м потребляет 35 Вт, имеет цветовую температуру 4000 К, цветопередачу Ra = 80 и световую отдачу 120 лм/Вт. Тогда его эффективность составит YPF = (120/100)⋅(1,15 + (35⋅80 − 2360)/4000) эфф. мкмоль/Дж = 1,5 эфф. мкмоль/Дж. Что при умножении на потребляемые 35 Вт составит 52,5 эфф. мкмоль/с.

Если такой светильник опустить достаточно низко над грядкой микрозелени площадью 0,6 × 0,6 м = 0,36 м 2 и тем самым избежать потерь света в стороны, плотность освещения составит 52,5 эфф. мкмоль/с / 0,36м 2 = 145 эфф. мкмоль/с/м 2 . Это примерно вдвое меньше обычно рекомендуемых значений. Следовательно, мощность светильника необходимо также увеличить вдвое.

Прямое сравнение фитопараметров светильников разных типов

Сравним фитопараметры обычного офисного потолочного светодиодного светильника, произведенного в 2016 году, со специализированными фитосветильниками (рис. 7).

Рис. 7. Сравнительные параметры типичного натриевого светильника 600Вт для теплиц, специализированного светодиодного фитосветильника и светильника для общего освещения помещений

Видно, что обычный светильник общего освещения со снятым рассеивателем при освещении растений по энергетической эффективности не уступает специализированной натриевой лампе. Видно также, что фитосветильник красно-синего света (производитель намеренно не назван) сделан на более низком технологическом уровне, раз его полный КПД (отношение мощности светового потока в ваттах к мощности, потребляемой из сети) уступает КПД офисного светильника. Но если бы КПД красно-синего и белого светильников были одинаковы, то фитопараметры тоже были бы примерно одинаковы!

Также по спектрам видно, что красно-синий фитосветильник не узкополосен, его красный горб широк и содержит гораздо больше дальнего красного, чем у белого светодиодного и натриевого светильника. В тех случаях, когда дальний красный необходим, использование такого светильника как единственного или в комбинации с другими вариантами может быть целесообразно.

Оценка энергетической эффективности осветительной системы в целом:

Рис. 8. Аудит системы фитоосвещения

Следующая модель UPRtek — спектрометр PG100N по заявлению производителя измеряет микромоли на квадратный метр, и, что важнее, световой поток в ваттах на квадратный метр.

Измерять световой поток в ваттах — превосходная функция! Если умножить освещаемую площадь на плотность светового потока в ваттах и сравнить с потреблением светильника, станет ясен энергетический КПД осветительной системы. А это единственный на сегодня бесспорный критерий эффективности, на практике для разных осветительных систем различающийся на порядок (а не в разы или тем более на проценты, как меняется энергетический эффект при изменении формы спектра).

Примеры использования белого света

Описаны примеры освещения гидропонных ферм и красно-синим, и белым светом (рис. 9).

Рис. 9. Слева направо и сверху вниз фермы: Fujitsu, Sharp, Toshiba, ферма по выращиванию лекарственных растений в Южной Калифорнии

Достаточно известна система ферм Aerofarms (рис. 1, 10), самая большая из которых построена рядом с Нью-Йорком. Под белыми светодиодными лампами в Aerofarms выращивают более 250 видов зелени, снимая свыше двадцати урожаев в год.

Прямые эксперименты по сравнению белого и красно-синего светодиодного освещения
Опубликованных результатов прямых экспериментов по сравнению растений, выращенных под белыми и красно-синими светодиодами, крайне мало. Например, мельком такой результат показала МСХА им. Тимирязева (рис. 11).

Рис. 11. В каждой паре растение слева выращено под белыми светодиодами, справа — под красно-синими (из презентации И. Г. Тараканова, кафедра физиологии растений МСХА им. Тимирязева)

Пекинский университет авиации и космонавтики в 2014 году опубликовал результаты большого исследования пшеницы, выращенной под светодиодами разных типов [4]. Китайские исследователи сделали вывод, что целесообразно использовать смесь белого и красного света. Но если посмотреть на цифровые данные из статьи (рис. 12), замечаешь, что разница параметров при разных типах освещения отнюдь не радикальна.

Рис 12. Значения исследуемых факторов в двух фазах роста пшеницы под красными, красно-синими, красно-белыми и белыми светодиодами

Однако основным направлением исследований сегодня является исправление недостатков узкополосного красно-синего освещения добавлением белого света. Например, японские исследователи [5, 6] выявили увеличение массы и питательной ценности салата и томатов при добавлении к красному свету белого. На практике это означает, что, если эстетическая привлекательность растения во время роста неважна, отказываться от уже купленных узкополосных красно-синих светильников необязательно, светильники белого света можно использовать дополнительно.

Влияние качества света на результат

Рис. 13. Иллюстрация принципа ограничивающего фактора из обучающего ролика на YouTube

Реакция растения на свет: интенсивность газообмена, потребления питательных веществ из раствора и процессов синтеза — определяется лабораторным путем. Отклики характеризуют не только фотосинтез, но и процессы роста, цветения, синтеза необходимых для вкуса и аромата веществ.

На рис. 14 показана реакция растения на изменение длины волны освещения. Измерялась интенсивность потребления натрия и фосфора из питательного раствора мятой, земляникой и салатом. Пики на таких графиках — признаки стимулирования конкретной химической реакции. По графикам видно что исключить из полного спектра ради экономии какие-то диапазоны, — все равно что удалить часть клавиш рояля и играть мелодию на оставшихся.

Рис. 14. Стимулирующая роль света для потребления азота и фосфора мятой, земляникой и салатом (данные предоставлены компанией Фитэкс)

Корректировка белого света

Наиболее распространенные белые светодиоды общего назначения имеют невысокую цветопередачу Ra = 80, что обусловлено нехваткой в первую очередь красного цвета (рис. 4).

Интересную и важную работу проделал в 2013–2016 годах ИМБП РАН [7, 8, 9]: там исследовали, как влияет на развитие китайской капусты добавление к свету белых светодиодов 4000 К / Ra = 70 света узкополосных красных светодиодов 660 нм.

И выяснили следующее:

Под светодиодным светом капуста растет примерно так же, как под натриевым, но в ней больше хлорофилла (листья зеленее).
Cухая масса урожая почти пропорциональна общему количеству света в молях, полученному растением. Больше света — больше капусты.
Концентрация витамина С в капусте незначительно повышается с ростом освещенности, но значимо увеличивается с добавлением к белому свету красного.
Значимое увеличение доли красной составляющей в спектре существенно повысило концентрацию нитратов в биомассе. Пришлось оптимизировать питательный раствор и вводить часть азота в аммонийной форме, чтобы не выйти за ПДК по нитратам. А вот на чисто-белом свету можно было работать только с нитратной формой.
При этом увеличение доли красного в общем световом потоке почти не влияет на массу урожая. То есть восполнение недостающих спектральных компонент влияет не на количество урожая, а на его качество.
Более высокая эффективность в молях на ватт красного светодиода приводит к тому, что добавление красного к белому эффективно еще и энергетически.

Варианты обогащения спектра красным светом

Но оправданно и обратное решение — подобрав состав люминофора, расширить спектр свечения белого светодиода в сторону длинных волн, сбалансировав его так, чтобы свет остался белым. И получится белый свет экстравысокой цветопередачи, пригодный как для растений, так и для человека.

Открытые вопросы

Сетевые магазины выбирают более лежкие сорта, а затем покупатель голосует рублем за более яркие плоды. И почти никто не выбирает вкус и аромат. Но как только мы станем богаче и начнем требовать большего, наука мгновенно даст нужные сорта и рецепты питательного раствора.

А чтобы растение синтезировало все, что для вкуса и аромата нужно, потребуется освещение со спектром, содержащим все длины волн, на которые растение прореагирует, т. е. в общем случае сплошной спектр. Возможно, базовым решением будет белый свет высокой цветопередачи.

Сегодня мы рассмотрим один из наиболее важных критериев, который учитыватся при покупке освещения для выращивания растений – цветовой спектр. Если вы не получите нужный цвет света, растения просто не будут хорошо расти, сколько бы вы ни тратили.

Что такое цветовой спектр?

Растения генетически запрограммированы на рост с поглощением солнечной энергии, который мы считаем белым или желтовато-белым светом. Этот свет выглядит белым, потому что он содержит все цвета радуги, и когда все цвета смешиваются вместе, они выглядят белыми.

Цветовой спектр – это графическое отображение каждого цвета света.

Цветовой спектр солнечного света

Ученые используют числа длины волны для обозначения цветов вместо названий цветов, что является гораздо более точным способом измерения цвета. Итак, красный цвет может иметь длину волны 630 или 730. Оба они кажутся нам красными, но на самом деле это разные цвета. Люминесцентные лампы излучают холодный белый свет (в нем больше синего) или теплый белый (в нем больше красного).

Цветовой спектр Солнца

Свет от солнца содержит все цвета, как вы можете видеть на изображении выше.

Какие цвета используют растения?

Растения используют свет в основном для фотосинтеза, который происходит с помощью определенных химических веществ, содержащихся в листьях. Примеры наиболее важных химических веществ включают хлорофилл A и B.

В спектре поглощения (измеряет, сколько света поглощается) вы можете четко видеть пики в синей и красной областях цветового сектра, что означает, что эти цвета используются для фотосинтеза. В зеленом диапазоне свет почти не поглощается. Это привело к неправильному выводу, что растениям нужен только синий и красный свет.

Миф о синем и красном спектре

Мнение о том, что растения хорошо растут при использовании только синего и красного света, на самом деле является мифом. Приведенная выше цветовая гамма предназначена для очищенного хлорофилла в пробирке и не показывает, что происходит с листом растения. Фотосинтез более сложен и включает другие химические вещества, такие как каротин и ксантофилл. Цветовой спектр света, поглощаемого всем листом, показывает, что растения на самом деле используют более широкий диапазон длин волн, включая зеленый. Правда то, что синий и красный важны и представляют большую часть света, используемого растениями, но другие цвета, включая зеленый и желтый, также используются для фотосинтеза.

Разные цвета делают разные вещи

Специалисты НАСА провели обширную работу по изучению освещения, используемому растениями.

Цель исследования – разведение салатных культур во время космических полетов. Все компьютерные программы, оборудование и светодиоды, входящие в систему Phytofy RL, были разработаны специалистами Osram. Компания имеет на сегодняшний день обширное портфолио светодиодов, которые дают излучение определенных длин волн – это позволяет достичь оптимального режима роста самых разных овощей и цветов и настроить световой режим под потребности и особенности конкретного растения.

В ходе исследования было определено следующее:

Фиолетовый свет (630-660 нм) необходим для роста стеблей, а также для расширения листьев. Эта длина волны также регулирует цветение, периоды покоя и прорастание семян.

Синий свет (400-520 нм) необходимо тщательно смешивать со светом других спектров, поскольку чрезмерное воздействие света с этой длиной волны может замедлить рост некоторых видов растений. Свет в синем диапазоне также влияет на содержание хлорофилла в растении, а также на толщину листьев.

Зеленый свет (500-600 нм) проникает через толстые верхние пологи, чтобы поддерживать листья в нижнем пологе.

Дальний красный свет (720-740 нм) также проходит через плотные верхние навесы, чтобы поддерживать рост листьев, расположенных ниже на растениях. Кроме того, воздействие инфракрасного света сокращает время, необходимое растению для цветения. Еще одно преимущество дальнего красного света заключается в том, что растения, подвергающиеся воздействию этой длины волны, имеют тенденцию давать более крупные листья, чем те, которые не подвергаются воздействию света в этом спектре.

Цветовой спектр зависит от ваших задач

По мере того, как растения созревают и проходят цикл роста от всходов до взрослых, а затем цветения и плодоношения, они используют разные цветовые спектры, поэтому идеальный светодиодный свет отличается для каждой стадии роста. Наилучшая цветовая гамма также зависит от типа растения, которое вы пытаетесь выращивать.

Как работают флуоресцентные лампы для выращивания растений?

Эти лампы для выращивания растений, также известные как T12s, могут иметь форму маленьких спиральных лампочек (компактные люминесцентные лампы) или длинных тонких лампочек (лампочки трубчатого типа). Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) подходят для небольших помещений, где практически невозможно разместить длинные прямоугольные люминесцентные светильники. Люминесцентные лампы излучают низкие уровни тепла и приемлемые цветовые температуры в диапазоне от 2700 K до 10 000 K. Стандартные люминесцентные лампы могут иметь световую отдачу от 30 до 90 лм / Вт. В результате они являются отличным выбором для молодых саженцев и побегов.

Тем не менее, из-за их довольно слабой интенсивности света они идеальны в основном, для травы. Также не рекомендуется использовать их в качестве основного источника света для ваших растений. Их лучше всего использовать в качестве дополнительного освещения.

Как работают светодиодные лампы для выращивания растений?

Светодиодные лампы (фито светодиоды) для выращивания растений значительно дороже люминесцентных ламп. Но они более энергоэффективны и имеют значительно меньшую теплоотдачу, чем большинство других ламп для выращивания растений. Кроме того, у них нет хрупких стеклянных колб или движущихся частей, которые могли бы привести к их поломке.

Эти типы светильников лучше всего использовать в больших количествах, и можно размещать рядом с растениями. Они обладают большей интенсивностью света, чем люминесцентные лампы, и предлагают идеальный диапазон светового спектра для роста и цветения растений.

Светодиодные лампы для выращивания излучают видимый свет в виде определенных отдельных спектров, которые можно настроить для правильного роста. С регулируемыми светодиодными лампами вы сможете обеспечить растения светом разной длины волны, чтобы удовлетворить потребность растения в освещении на каждой фазе роста. Это увеличивает вероятность получения нескольких урожаев за сезон.

Современные фитосветодиоды бывают разных спектральных диапазонов, включая видимый, инфракрасный и ультрафиолетовый. Они также производят лучший поток фотонов (яркость), чтобы соответствовать широкому спектру приложений. Убедитесь, что вы выбрали идеальный спектр светодиодов и поток фотонов, которые соответствуют потребностям ваших растений.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как долго мне следует оставлять световые приборы включенными?

Не всем растениям требуется одинаковое количество света во время фазы роста. Однако есть общее практическое правило. Большинству овощей требуется 12 часов света в день, в то же время большинству цветущих растений требуется 16 часов света в день. Также будет полезно, если вы будете выдерживать растения в темноте не менее 8 часов в день. Помните, что темнота играет огромную роль в цикле роста растений. В дневное время растения используют солнечный свет для производства питательных элементов посредством фотосинтеза. Когда наступает ночь, они используют произведенные питательные вещества, для раста и цвестения, т.е., растения растут преимущественно ночью. Поэтому, не рекомендуется оставлять свет для растений включенным 24 часа в сутки.

На каком расстоянии располагать освещение для моих растений?

Установливайте лампы для выращивания в соответствии с размером ваших растений, чтобы поддерживать оптимальное расстояние и освещенность. Это будет зависеть от типа лампы, которую вы используете, и ее мощности.

расположение освещения над растением

Если мощность высокая, то освещение должно находиться подальше от растений. Если вы используете флуоресцентные лампы для выращивания, расстояние между ними и растениями должно составлять 8 – 30 см.

Если вы используете светодиодный светильник для выращивания растений, убедитесь, что вы расстояние составляет от 30 см до 61 см, чтобы ваши растения оставались здоровыми. А для тех, кто использует ДНАТ лампы для выращивания растений, идеальное расстояние должно составлять от 61 до 152 см.

Регулировать расположение источника освещения необходимо, чтобы не сжечь или не перегреть ваши растения. Также низкое расположение освещения может привести к скручиванию листьев и снижению урожайности.

ДРУГИЕ СТАТЬИ:

Рослини помічники: сидерати ВІД А ДО Я

Які сидерати рятують від бур'янів? А які допомагають позбутися залишків азотних добрив? Як захистити насадження від капустянки або від фітофтори? Про ці та інші корисні властивості деяких рослин розповімо в нашій статті. Сидерати - це рослини, які висаджуються в ґрунт.

Причини загибелі озимої пшениці та запобігання

Як визначити дозу азотних добрив для озимих?

Разрушаем мифы о гидропонике

ГІДРОПОНІКА: ЯК УНИКНУТИ ПОМИЛОК?

Гидропоника – основные преимущества и недостатки

Гидропоника, по определению, представляет собой метод выращивания растений в водном, богатом питательными веществами растворе. Гидропоника не использует почву, вместо этого корневая система поддерживается инертной средой, такой как перлит, минеральная вата, торфяной.

Читайте также: