В самом конце прошлого года вышел в свет специальный выпуск журнала «Светотехника», посвященный работе Международной научно-технической конференции по применению светодиодных фитооблучателей, прошедшей в Москве в сентябре 2019 года.
Как отмечает в своей традиционной колонке журнала главный редактор профессор Владимир Павлович Будак, в специальный выпуск вошли тщательно отобранные доклады конференции, вызвавшие наибольший интерес и дискуссии при обсуждении. Он же подчеркивает, что спецвыпуски стали сегодня важной тенденцией всех научно-технических журналов. С их помощью подготовленный читатель получает возможность подробно познакомиться с самым современным научным направлением, а для авторов открывается путь к быстрой публикации, поскольку рецензирование берет на себя оргкомитет конференции.
Тема взаимодействия света и растений или шире — света и биологических тканей — является на сегодня одной из самых актуальных в светотехнике, где результаты могут существенно повлиять на развитие всей отрасли и науки, а светодиоды являются не столько причиной, сколько совершенным инструментом исследований в этом направлении, считает главный редактор. Задача является очень сложной потому, что, по сути, не существует замкнутой системы уравнений, описывающей жизнедеятельность организма. Это требует анализа значительного объёма данных для нахождения зависимостей.
Открывает номер исследование Леонида Борисовича Прикупца «Светодиоды в тепличном освещении: возможности и реальность», в котором содержится маркетинговый анализ рынка светодиодного фитоосвещения, приводятся глобальные оценки перспектив его развития на ближайший период, а также данные по динамике вхождения в отечественный рынок светодиодных фитооблучателей в количественном и стоимостном выражениях.
В исследовании показано, что светодиодные облучатели не только привели к трансформации основных представлений о возможностях искусственного освещения растений, сделали необходимым проведение существенных технологических и организационных преобразований, но и привели к созданию принципиально новых систем автоматизированного выращивания растений.
Как отмечает автор, на протяжении ряда лет (2010–2015 гг.) тепличное сообщество часто получало не вполне достоверную информацию о технических параметрах светодиодов для фитооблучения (СД–ФО) и достигнутых результатах с их использованием. Изменить ситуацию и привести, в какой-то мере, «маркетинговую санацию» рынка удалось при поддержке Ассоциации «Теплицы России», благодаря выступлениям на её семинарах, а также на семинарах «Томатного клуба» и др.
Необходимыми и обоснованными для создания основ технического и агротехнологического продвижения СД облучателей в практику растениеводства оказались мероприятия, предпринятые ВНИСИ им. С.И. Вавилова и другими организациями по разработке нормативных документов и созданию метрологической базы для измерений излучательных параметров новых изделий.
Определились три направления внедрения СД–ФО и, соответственно, три вида ОУ для светокультуры в сооружениях защищённого грунта: для традиционного верхнего (top), междурядного (interlighting) освещения и освещения многоярусных фитоустановок.
А первое массовое внедрение СД–ФО в объёме более 100 тыс. шт. в отечественных промышленных теплицах состоялось в 2017 г. Доля отечественных теплиц с искусственным освещением в настоящее время может составлять лишь около 9 % от мирового объёма, что, конечно, немного. В 2020 г. число «световых точек» со светодиодами уже может достичь 20 % от общего количества тепличных светильников.
По мнению Л.Б.Прикупца, в настоящее время достаточно очевидно, что создание общих унифицированных требований к оптимальным светотехническим параметрам ОУ для растений невозможно, определяться они должны на основе экспериментальных исследований с использованием специальных СД–ФО с конкретными типами растений.
Работа Владимира Викторовича Чуба, директора Ботанического сада МГУ, профессора кафедры физиологии растений МГУ, и Ольги Юрьевны Мироновой из Ботанического сада МГУ «Поглощение света растениями и биологически активные молекулы» посвящена спектральным свойствам и физиологическим функциям пигментов растений.
Хлорофиллы и каротиноиды обеспечивают эффективность фотосинтеза. Однако в растениях они связаны с белками, что изменяет спектральные свойства. Это означает, что для эффективного возбуждения хлорофилла спектр фитосветильника должен содержать достаточно широкий набор длин волн.
Авторы отмечают, что при разработке источников света для теплиц стоит помнить, что кроме хлорофиллов в растениях присутствуют и другие пигменты, прямо или косвенно оказывающие влияние на продукционный процесс и качество сельскохозяйственной продукции. Кроме того, у растений обнаружены фоторецепторы, которые активируются при очень низких значениях светового потока и непосредственно влияют на скорость роста, синтез различных веществ и другие процессы.
Исследователи поставили перед собой задачу: выявить наиболее значимые спектральные характеристики облучателей с точки зрения регуляции физиологических процессов в растениях. Для этого было решено обобщить данные литературы о пигментах и фоторецепторах, способных поглощать свет в определённой части спектра и оказывать влияние на рост и развитие растений.
Проведённый авторами анализ позволяет утверждать, что попытки создания фитоосветителей со спектрами, максимально приближёнными к спектру поглощения хлорофиллов в растворе, вряд ли дадут ожидаемый эффект усиления функции фотосинтеза в растениях. А комплексный подход к разработке технологии выращивания растений под светодиодными осветителями предполагает тонкую подборку спектра под конкретные культуры и сорта, и даже фазы роста.
Селекционные учреждения должны начать отбор сортов в новом направлении: с максимальной продуктивностью при новых технологиях освещения.
Таким образом, разработка новых стандартов для оценки освещённости в условиях светокультуры, опирающаяся на физиологические процессы, происходящие в растениях, является актуальной задачей.
В статье коллектива авторов из Красноярска: А.А. Тихомирова, С.А. Ушаковой, В.Н. Шихова, Е.С. Шклавцовой «Концептуальные подходы к выбору спектра излучения ламп для выращивания растений в искусственных условиях» представлен обзор существующих подходов по обоснованию концептуальных подходов в выборе современных источников света для выращивания растений в тепличных условиях. Представлены сравнительные экспериментальные данные по продуктивности растений салата, сформировавшихся при излучении светодиодных облучателей с фитоспектром и «белым» светом. В качестве контрольного источника использовалась натриевая лампа высокого давления.
В настоящее время в силу комплекса благоприятных светотехнических, экономических и ряда других показателей всё больший размах приобретают исследования по использованию светодиодных облучателей для искусственного выращивания растений. Поэтому не случайно, что основные современные исследования по оценке фотобиологической эффективности искусственного излучения для растений выполняются именно на этих перспективных типах источников света.
Неоднозначность воздействия разноспектральных излучений на продуктивность растений неоднократно подчёркивалась при использовании различных источников света предыдущих поколений. На основании этих исследований было показано, что на величину продуктивности могут влиять и другие факторы, которые напрямую не обязательно связаны с воздействием ФАР, но которые не всегда учитываются.
На основании анализа собственных и литературных данных показано, что колебания эффективности спектра излучения в формировании продуктивности растений зависит от вида растений, уровня облучённости, а также других сопутствующих факторов, что не позволяют дать универсальные количественные оценки эффективности использования того или иного спектра излучения. Можно заключить, что из всех рассмотренных концептуальных подходов в выборе источников света для светокультуры, наиболее научно обоснованным для выращивания растений в теплицах представляется концептуальный подход, учитывающий наличие специфики реакции различных видов растений на спектральный состав ФАР.
Статья «Потенциал и использование искусственного освещения в растениеводстве» профессора Хайке Мемпель и бакалавра Сабине Виттман из немецкого университета прикладных наук Вайнштефан-Трисдорф рассматривает использование дополнительного освещения в растениеводстве.
Для продления сезона или даже возможности круглогодичного выращивания в Германии, культивация защищённых фруктов и овощей постоянно увеличивается. Для выращивания овощей доступно около 1320 га теплиц. Наиболее важными растительными продуктами, выращиваемыми в немецких теплицах, являются помидоры, огурцы, салаты и сладкий перец.
Эксперименты с монохроматическим излучением показали возможности воздействия на различные качественные факторы специализированными спектрами света для достижения необходимого качества растения. Однако многие вопросы всё ещё остаются открытыми, что приводит к низкой скорости передачи конкретных приёмов освещения в прикладном растениеводстве.
Для обеспечения перехода от исследовательского центра к практическому применению в будущем, как считают авторы, особое значение будет иметь разработка простых в использовании измерительных приборов, ориентированных на потребителя, с устройствами краткосрочного принятия решений. Поэтому, простое в применении и неразрушающее измерительное устройство для оценки фотосинтеза и качества может привести к значительному преимуществу.
При этом ключевым фактором в поиске новых решений и стратегий освещения для теплиц и комнатных ферм является тесное сотрудничество и интенсивный обмен информацией между исследованиями и практикой. Из-за сильного междисциплинарного подхода и высокой важности освещения и других технических решений, растущий сектор внутреннего или вертикального земледелия может играть роль посредника для передачи знаний между классическим садоводческим сектором и новыми концепциями сельского хозяйства.
В работе «Влияние дополнительного светодиодного освещения на физиологические аспекты фотосинтеза у растительных культур» автора Рю Мацуда из Токийского университета, также рассматриваются источники света для дополнительного освещения (ДО) в теплицах. В статье приведены некоторые из лабораторных экспериментальных исследований влияния светодиодного освещения на физиологические аспекты фотосинтеза при применении внутриканального освещения и ночного ДО.
Поскольку есть возможность настроить спектральное распределение ДО с помощью светодиодов, глубокое понимание реакции растений на спектральное распределение приведёт к контролю характеристик растений.
Светодиоды являются подходящим источником света для внутриканального освещения из-за их низкой температуры излучения и компактности. Было проведено несколько исследований внутриканального освещения с использованием светодиодов для выращивания томатов, огурцов, сладкого перца и болгарского перца в теплицах.
Поскольку есть возможность изменять спектральную плотность энергии с помощью светодиодов, было полезно понять подходящее спектральное распределение для внутриканального освещения. Влияние на фотосинтез должно быть фундаментальной информацией.
Портативные системы измерения фотосинтеза часто используются для оценки скорости фотосинтеза листьев в зависимости от облучённости, в том числе ДО. Некоторые из этих систем оснащены искусственными источниками света, такими как комбинация синих и красных светодиодов.
При использовании синего и красного светодиодного света листья, выращенные под белым светом без дополнительного дальнего красного света, демонстрировали значительно более высокие показатели фотосинтеза, чем листья, выращенные при белом свете с дополнительным дальним красным светом.
Работа группы авторов во главе с Юлием Александровичем Берковичем из института медико-биологических проблем РАН называется «Некоторые пути оптимизации светодиодного освещения в светокультуре растений».
Одним из важных направлений повышения эффективности выращивания растений и уменьшения удельного потребления ресурсов в сооружениях защищённого грунта со светодиодным освещением является оптимальное управление параметрами светового потока, считают авторы. Согласно оценкам работы, затраты на дополнительное искусственное облучение посевов в теплицах могут достигать 30 % от стоимости всех оперативных расходов, а в СЗГ с полностью искусственным освещением, например, в овощных космических оранжереях, энергопотребление фитооблучателей может достигать 50 % от всех энергозатрат.
В то же время даже простые алгоритмы оптимизации дополнительного освещения в теплице, основанные на стабилизации дневного светового интеграла (количества молей фотонов, поданных на посев за сутки), в некоторых случаях позволили снизить стоимость потребляемой электроэнергии на 25 %. Вследствие этого задача оптимизации светодиодного освещения в светокультуре растений становится актуальной.
Целью данной работы являлась разработка системы адаптивной оптимизации светодиодного освещения для разрабатываемой космической зеленной оранжереи с использованием биологической обратной связи по скорости видимого
фотосинтеза посева.Режим освещения, найденный с помощью адаптивной системы оптимизации, обеспечил снижение приведённой массы оранжереи для производства 1 кг зеленной продукции на 14,9 % по сравнению с контролем. Полученные данные показывают, что простые адаптивные автоматические оптимизаторы с биологической обратной связью в некоторых случаях (при оптимизации не более двух параметров режима СД-освещения) могут принести ощутимый экономический эффект даже без дорогих и сложных моделей посева растений.
В статье описаны реакции растений на различные режимы светодиодного освещения, приведены примеры применения систем светодиодных облучателей растений в СЗГ (сооружениях защищенного грунта), а также представлены некоторые подходы к оптимизации режима дополнительного светодиодного освещения и модели продукционного процесса посевов.
Показано, что проведение многофакторных вегетационных экспериментов с последующим регрессионным анализом полученных данных может быть полезным методом при оптимизировании светодиодного освещения в условиях светокультуры. Описана адаптивная поисковая система управления светодиодным облучателем с красно-белым излучением для фитотрона с посевом китайской капусты.
Приведены данные о возрастном дрейфе характеристик фотосинтетической продуктивности посева китайской капусты и показана траектория оптимума выбранного критерия оптимизации в процессе вегетации в системе адаптивной оптимизации светодиодного освещения.
Кроме того в номере размещены также следующие научные статьи:
«Использование светодиодных облучателей при выращивании зеленных культур на примере горчицы сарептской Brassica juncea и салата «корн» Valerianella locusta» авторы М.П. Ломакин, А.С. Шмаков, И.Г. Тараканов
«Оптимизация светодиодного освещения листовых овощей с повышенным содержанием аскорбиновой кислоты» авторы Ю.А. Беркович, И.О. Коновалова, С.Н. Лапач, В.Г. Смолянин, С.О. Смолянина.
«Спектрорадиометр в составе программно-аппаратного комплекса управления облучательными установками в закрытом грунте», авторы С.С. Баев, К.А. Томский.
«Компьютерная программа для проектирования освещения в теплицах» авторы А.А. Коробко, С.В. Лысюк, Д.Ю. Чепелевский, И.В. Рязанцев.
«Светоимпульсная стимуляция выращивания рассады перца», авторы М.И. Котик, В.А. Андрийчук, Л.Н. Костик, Н.В. Герц, А.И.Герц.