Выращивание растений при искусственном освещении

Для выращивания растений при искусственном освещении используются, в основном, электрические источники света, разработанные специально для стимуляции роста растений за счет излучения волн электромагнитного спектра, благоприятных для фотосинтеза. Источники фитоактивного освещения используются при полном отсутствии естественного света или при его недостатке. Например, зимой, когда продолжительности светового дня недостаточно для роста растений, искусственное освещение позволяет увеличить продолжительность их светового облучения.

Впервые применил в 1868 году керосиновые лампы для выращивания растений русский ботаник Андрей Фаминцын [1] .

Искусственный свет должен обеспечивать тот спектр электромагнитного излучения, который растения в природе получают от солнца, или хотя бы такой спектр, который удовлетворял бы потребности выращиваемых растений. Уличные условия имитируются не только путём подбора цветовой температуры света и его спектральных характеристик, но и с помощью изменения интенсивности свечения ламп. В зависимости от вида выращиваемого растения, его стадии развития (прорастание, рост, цветение или созревание плодов), а также текущего фотопериода требуется особый спектр, световая отдача и цветовая температура источника света.

Содержание

Применение [ править | править код ]

Источники искусственного света применяются в садоводстве, при озеленении помещений, при выращивании посевного материала, в производстве пищи (включая гидропонику и выращивание водорослей). Несмотря на то, что большинство источников фитоактивного света разработаны для применения в промышленных масштабах, возможно их применение и в бытовых условиях.

Согласно закону обратных квадратов, интенсивность светового излучения падает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника света. Если, например, расстояние до лампы увеличить в два раза, то интенсивность света, достигающего объект, уменьшится в четыре раза. Этот закон служит серьезным препятствием для садоводов, поэтому много усилий направлено на улучшение утилизации света. Фермеры используют всевозможные рефлекторы, позволяющие сконцентрировать свет на небольшой площади, стараются высаживать саженцы как можно ближе друг к другу, делают все для того, чтобы свет попадал как можно больше на растения, а не рассеивался в пространстве.

В качестве источников света можно использовать лампы накаливания, люминесцентные лампы (ЛЛ), газоразрядные лампы (ГР), индукционные лампы, а также светодиоды. В настоящее время профессионалами, в основном, используются газоразрядные и люминесцентные лампы. В помещениях теплиц обычно устанавливают натриевые лампы высокого давления (НЛВД) или металлогалогенные (МГ) лампы, последние, правда, все чаще стали заменять на люминесцентные в виду их большей эффективности и экономичности.

Металлогалогенные лампы иногда используют в первой (вегетативной) фазе роста растений, поскольку такие лампы излучают достаточное количество синего света, а синий свет способствует росту зелёной массы на первых стадиях развития растений; в то же время МГ-лампы имеют пик излучения в районе жёлтого цвета.

Натриевые лампы высокого давления используются во второй (репродуктивной) фазе роста, поскольку их излучение имеет красноватый оттенок. Красный спектр способствует цветению и образованию плодов. Если натриевые лампы использовать в стадии вегетативного роста, растения развиваются и растут быстрее, но при этом расстояния между междоузлиями у них больше и, в целом, растения оказываются выше.

Иногда в обоих периодах применяются МГ-лампы с добавлением красного спектра или НЛВД-лампы с добавлением синего спектра.

Источники фитосвета [ править | править код ]

Применяются лампы разных типов, включая металлогалогенные, люминесцентные, накаливания, натриевые высокого давления и светодиодные.

Светодиоды [ править | править код ]

Последние разработки в светодиодной отрасли позволили производить недорогие, яркие, с большим сроком службы источники фитосвета. Большим преимуществом светодиодных источников является возможность получения излучения исключительно в фитоактивной части спектра. Привлекательность светодиодов для выращивания растений в помещениях обусловлена многими факторами. Среди них: низкая электрическая мощность, отсутствие балласта, низкое тепловыделение, что позволяет устанавливать светодиоды вплотную к растениям без риска повредить их. Также необходимо отметить, что использование светодиодов снижает испарение, приводя к удлинению периодов между поливами [2] .

Существует несколько активных участков спектра: для хлорофилла и каротиноидов. Поэтому в светодиодном светильнике могут сочетаться несколько цветов, перекрывающих эти фитоактивные участки.

Рекомендации по оптимальному сочетанию светодиодов сильно разнятся. Например, в одном из источников, для максимизации роста и здоровья растений рекомендуется следующая пропорция «12 красных светодиодов с длиной волны 660 нм плюс 6 оранжевых светодиодов с длиной волны 612 нм и один синий светодиод с длиной волны 470 нм» [3] .

Также имеются публикации, в которых на период вегетативного роста рекомендуется отдавать приоритет светодиодам синего цвета (с длиной волны в районе середины спектра 400—500 нм). Для роста плодов и цветов рекомендуется увеличить долю светодиодов глубоко красного оттенка (с длиной волны от 630 до 670 нм). Следует отметить, что точность при выборе длины волны красных светодиодов более важна, нежели при выборе светодиодов синего спектра. Исследования показали полезность дополнительной подсветки растений светодиодами инфракрасного и ультрафиолетового спектра. При смешении красного и синего света получается свет пурпурного (розового) оттенка. Зелёный свет при искусственном освещении растений может применяться в эстетических целях для нейтрализации неприятного для глаз пурпурного свечения фитосветодиодов или для облегчения визуального контроля зеленых побегов и состояния почвы, поскольку глаз человека лучше всего различает детали именно в зелёной части спектра. Фотосинтетическая эффективность зелёного света крайне низка ввиду высокой степени отражения лучей данного спектра хлорофиллом.

Вышесказанное про отдельные светодиоды разных цветов не имеет отношения к современным фитодиодам, в которых уже применены все необходимые люминофоры и их спектр имеет два максимума в зоне работы фотосинтеза.

Мощность светодиодов, получаемых по старой технологии, составляла сотые доли ватта, что не позволяло эффективно заменять ими ГР-лампы. Современные усовершенствованные светодиоды и светодиодные матрицы обладают мощностью, исчисляемой десятками и даже сотнями ватт, что делает их достойной альтернативой ГР-лампам.

Мощность и эффективность фитосветодиодов продолжает расти. Наиболее важными параметрами при выборе светодиодов являются энергетическая эффективность и спектральный состав излучения.

Световая эффективность [ править | править код ]

В следующей таблице приведена световая эффективность различных источников света

Требования к свету у растений [ править | править код ]

У каждого растения особые требования к освещению для правильного развития. Источники искусственного света должны имитировать условия освещения, к которым приспособлено растение. Чем больше растение, тем большее количество света ему требуется. При недостатке света растение перестает расти, независимо от прочих условий.

Например, овощные культуры растут лучше всего при естественном дневном свете, поэтому для выращивания при искусственном освещении им требуется постоянный интенсивный источник света, такой, как белый светодиод. Лиственные растения (например, филодендрон) растут в условиях постоянного затенения, для нормального роста им не требуется много света, поэтому будет достаточно обычных ламп накаливания.

Растениям необходимо чередование темных и светлых («фото»-) периодов. По этой причине освещение должно периодически включаться и выключаться. Оптимальное соотношение светлых и темных периодов зависит от вида и сорта растения. Так некоторые виды предпочитают длинные дни и короткие ночи, а другие наоборот.

Однако освещённость является световой величиной, то есть характеризует свет в соответствии с его способностью вызывать зрительные ощущения у человека и соответствующим образом зависит от спектрального состава света. Поэтому освещённость плохо подходит для использования при определении эффективности систем освещения в садоводстве. Вместо этого используются другие величины, такие как облучённость (энергетическая освещённость), выражаемая в Вт/м 2 , или фотосинтетически активная радиация (ФАР). Альтернативная величина измерения выражается в микромоль- фотонах в секунду (μmol/s) на единицу площади.

Искусственное освещение растений из космоса [ править | править код ]

В 1970-х годах известный американский специалист по ракетной технике Краффт Эрике [en] предложил освещать посевы из космоса отражённым солнечным светом при помощи специального спутника с огромной отражающей поверхностью (200—2550 квадратных миль в зависимости от орбиты), названного автором Солеттой, с яркостью 0,2—0,5 солнечной. Планировали развернуть этот отражатель в 1995—2005 гг. с затратами порядка 30—60 млрд долларов. Предполагалось, что это увеличит мировое производство сельскохозяйственных растений на 3—5 процентов и окупится менее чем за 20 лет [21] , однако проект не был осуществлён.

В настоящее время растения можно вырастить в любых условиях (под землей в шахтах, подводной лодке, за Полярным кругом, космосе и т.д.). Агротехника выращивания при искусственном облучении (Иск О) разработана. Главная трудность – разработка ламп, дающих свет.

Главное условие, чтобы соблюдалось равенство:

ИскО + ЕО = 100 % потребности

растений в свете. ЕО – естественное облучение. Растения требуют больше света, чем человек. Лучше: 16 часов свет и 8 темнота.

Требования к источникам света.

Должны давать свет по спектральному составу близкий к естественному;

Иметь низкий тепловой эффект и больше световой.

Им больше удовлетворяют лампы дневного света (металлогалогенные). Сейчас разрабатываются на диодной основе с заданным спектральным составом. Наиболее распространена лампа РДЛФ-400.

Температура. Фотосинтез возможен в широком диапазоне значений температуры: от минус 5 до + 50˚С. Влияние температуры на фотосинтез бывает обратимым и необратимым. Обратимое: не выходит за пределы устойчивости отдельных звеньев фотосинтеза определяемых генотипом. Для большинства растений оно находится в диапозоне температуры от 5 до 35˚С, где скорость реакций световой фазы независима от температуры, а скорость реакций темновой фазы отличается высокой температурной активностью с Q₁₀ 2-3 (т.е. на каждые 10˚ ИФ ↑ в 2-3 раза).

Влияние температуры на иф и ид (дыхания)

В пределах оптимальных значений для фотосинтеза температур, ИФ в 2-3 раза выше ИД: вектор АВ (ИФ) при 30˚ больше ВС (ИД) в 3 раза. При более высоких температурах ИФ ↓, а ИД ↑ и в точке Д кривые пересекаются: ИФ=ИД. Это температурная компенсационная точка, т.е. температура, при которой ИФ=ИД и не наблюдается прирост биомассы растений. При температуре 40˚С и выше ИФ равна 0, а ИД возрастает и достигает максимума при температуре 53-55˚ (FK). Растение расходует накопленное сухое вещество и «худеет» на корню. Существует правило: чем меньше получает растение света, тем ниже должна быть температура. При температуре за пределами устойчивости физиологических систем листа наблюдается необратимая потеря фотосинтетической активности.

В умеренной зоне tmin= 0˚, opt. 25-30˚ и max. более 35-40˚. Температурный оптимум зависит от вида растений, например, С₃ и С₄ (у С₄ он больше), от интенсивности света (рис.3), концентрации СО₂ (чем меньше СО₂, тем должна быть меньше температура).

При фотосинтезе используется всего лишь около 1 % поглощенной воды, но ее дефицит в растении очень сильно влияет на фотосинтез. ИФ максимальна не при 100 % насыщенности растений Н₂О, а при водном дефиците (ВД), до 5 % (рис. 4). Увеличение ВД до 28-30 % приводит к резкому снижению ИФ и ЧПФ (чистая продуктивность фотосинтеза) равна 0. Не наблюдается прироста биомассы. ВД около 40 % приводит к прекращению фотосинтеза.

Минеральное питание (МП).

Регулирование МП является наиболее мощным фактором упарвления фотосинтеза. ЭМП (элементы МП) могут влиять на ИФ прямо или косвенно, через обмен веществ и рост. Прямое действие ЭМП связано с их участием в фотосинтетических структурах и системах, осуществляющих фотосинтез. Так, N (азот) и Mg входят в состав хлорофилла, фосфор необходим при фотосинтетическом фосфорилировании, калий способствует оттоку ассимилятов из листьев, микроэлементы (Fe, Zn, Cu…….) содержатся в различных ферментах, Mn учствует при фотолизе, без Fe и Сu не образуется хлорофилл и растения болеют хлорозом.

Более подробно в разделе «Минеральное питание».

Любое заболевание растений, вызванное или грибными патогенами, или бактериальной инфекцией приводит к нарушению фотосинтетического аппарата и снижает ИФ.

Содержание СО₂ в атмосфере 0,03 %. Зависимость ИФ от СО₂ в воздухе выражается углекислотной кривой фотосинтеза, имеющей вид прямоугольной гиперболы для С₄-растений и непрямоугольной формы для С₃. Углекислотное насыщение фотосинтеза у С₄, имеющих механизм концентрирования СО₂, происходит при содержании СО₂ близком к естественному (0,035-0,055 %). Его дальнейшее повышение не увеличивает ИФ в отличие от С₃-видов, у которых ИФ значительно возрастает (оптимальная температура СО₂ для С₃ растений около 0,1 %).

Углекислотный компенсационный пункт (УКП), т.е. концентрация СО₂, при которой ИФ=ИД для С₄ значительно ниже (0,0005 %), чем для С₃ (0,005 %). С увеличением концентрации О₂ выше атмосферного ИФ подавляется в результате активации фотодыхания.

Несмотря на то, что прямой физиологический эффект обогащения СО₂ благоприятствует больше С₃, учет взаимодействия основных факторов в конечном итоге может дать преимущество посевам С₄-культур.

Т.о., повышение содержания СО₂ в атмосфере и в растениях будет способствовать повышению ИФ.

Содержание СО₂ на уровне растения и в системе почва-растение-атмосфера неравномерно. Например,

Рис. 5 Необходимо создавать хорошо продуваемые посевы для движения СО₂

Основным источником СО₂ в атмосфере явялется почвенное дыхание микроорганизмов, процессы разложения органических остатков. Следовательно, для увеличения СО₂ надо обогащать почву органическим веществом, поддерживать в рыхлом и влажном состоянии.

В парниках ставят ведра с перегноем и водой, в междурядьях раскладывают навоз и т.д.

Дополнительное повышение СО₂ эффективно при усилении света.

Взаимодействие факторов при фотосинтезе.

В естественных условиях факторы внешней среды действуют совместно. Поэтому газообмен растения отражает взаимодействие всех внутренних и внешних факторов. Согласно концепции лимитирующих факторов г. Блэкмана, ИФ лимитируется тем фактором или процесом, которые находятся в минимуме.

Свет и температура. Чем больше света получает растения, тем ниже должна быть температура;

Дневной ход фотосинтеза.

Сложный характер взаимодействия факторов, их динамичность влияют и на ход Фс.

Фс начинается у растений с восходом солнца и возрастает, достигая максимума в полуденные часы. Однако даже в умеренной зоне может наблюдаться т.н. полуденная депрессия фотосинтеза. Ее причины:

Перенаполнение хлоропластов продуктами Фс;

Низкая скорость поступления СО₂;

Большая часть продуктов Фс образуется в первой половине дня.

Кривые, отражающие ход Фс в умеренном и жарком климате, имеют следующий вид:

Для того чтобы цветы радовали глаз круглый год, необходимо оптимальное количество света, тепла, влаги, удобрений. Но иногда свету не придают должного значения, а между тем надежное, экономичное и эффективное освещение теплиц, зимних садов и оранжерей способно творить настоящие чудеса. С этой целью обязательно для досветки используется искусственное освещение для растений, о чем и пойдет сейчас речь.

Свет и фотосинтез растений

Процесс фотосинтеза – образование органических веществ из воды и углекислого газа – играет одну из важнейших ролей в жизни растений. Возможен он только при наличии солнечного или искусственного света. У растений фотосинтез происходит с участием хлорофилла – фотосинтетического пигмента, через который поглощается световая энергия. И чем лучше освещение, тем активнее продвигается этот процесс, тем лучше чувствуют себя растительные культуры, активнее их рост, цветение, плодоношение. Конечным этапом фотосинтеза является выделение кислорода.

Но чтобы растение нормально росло, важна не только энергия света сама по себе, спектр тоже играет большую роль. Дело в том, что по спектральному составу свет не однороден.

Человеческому глазу это не видно, но приборы показывают, что световые лучи имеют разную длину электромагнитной волны (измеряется в нанометрах – нм) и разный цвет.

Оранжевые и красные лучи – важней всех остальных для растений, длины их волн составляют 620-595 нм и 720-600 нм соответственно. Лучи этих спектров поставляют энергию для фотосинтеза и несут ответственность за скорость роста, развитие корней, цветение, созревание плодов.

Кроме оранжевых и красных участвуют в фотосинтезе фиолетовые и синие лучи (490-380 нм), в функции которых входят регулировка скорости роста и стимуляция синтеза белков. Пигменты растений, поглощающие в основном энергию синего спектра, отвечают непосредственно за рост листвы. Недостаток синего заставляет растения тянуться за ним вверх, делаясь более тонкими и высокими.

Лучи с волнами 315-380 нм отвечают за производство витаминов и не позволяют стеблю слишком вытягиваться, ультрафиолет с длиной 280-315 нм повышает устойчивость к холодам — таким образом, у каждого спектра есть свое предназначение в развитии растительных культур.

Лампа для выращивания зелени

Эти знания широко используются при выращивании растений при искусственном освещении в теплицах, зимних садах, квартирах с учетом потребностей растений в отдельном световом спектре. Так, например, некоторым из них на стадии вегетативного роста нужен холодный белый свет фитоламп, на стадиях цветения, плодоношения, они больше нуждаются в теплом световом спектре.

Как определить недостаток или избыток освещения для растений

Свет нужен всем растениям, но одни могут прекрасно существовать при его недостатке, в то время как другие в таких условиях долго не проживут. Условно растительные культуры делятся по степени своей потребности в световой энергии на три основные группы:

• светолюбивые – требуют хорошего освещения, без него плохо растут, могут погибнуть;
• теневыносливые – способны выносить небольшое притенение, расти и развиваться на небольшом отдалении от источника света;
• тенеиндифферентные (тенелюбивые) – нуждающиеся в свете гораздо в меньших количествах, чем первые две группы.

Определить недостаток света у растения легко – это сразу начинает отражаться на внешнем виде: зелень листьев тускнеет, стебель начинает вытягиваться, цветоносы отпадают, декоративность комнатных цветов теряется. Адаптируясь к недостаточному количеству света, листья отдельных растений могут не только побледнеть, но и приобрести темно-зеленый оттенок, увеличиться или, наоборот, уменьшиться. Междоузлия вытягиваются, становясь менее прочными. Без достаточного освещения домашних растений светолюбивые цветущие растения перестают цвести.

Все эти явления являются ничем иным как следствием недостаточного фотосинтеза.

Признаки недостатка света

Но переизбыток света тоже вреден для растений. Он может являться причиной разрушения хлорофилла. Это явление можно отследить по желто-зеленому или бронзовому оттенкам листьев, которые при этом становятся короче и шире, чем были раньше, и по более коротким междоузлиям. Само растение становится более приземистым.

Признаки избытка света

Создание искусственного освещения

Для того чтобы создать для растительных культур наиболее благоприятные световые условия с учетом их индивидуальных потребностей, разработаны специальные фитолампы. Пользоваться обычными лампами накаливания в этом случае нельзя: слишком сильно нагреваясь, они могут причинить ущерб растениям, и к тому же, выделяя тепло, они меняют температурный режим помещения.

Выбор специализированного фито освещения для растений сегодня огромен: галогенные, натриевые, энергосберегающие, светодиодные — иногда их комбинируют. Например, галогенные лампы чаще всего используют на этапе вегетативного роста растений – они дают синий и желтый цвета. Натриевые используются на репродуктивной фазе — их излучение красноватого оттенка способствует цветению и плодообразованию, о чем читайте здесь.

Люминесцентные лампы, очень популярные до недавнего времени, из-за постепенного ослабевания светового потока и недолговечности постепенно отходят на второй план. Об их применении в теплицах читайте тут.

Подсветка рассады люминесцентными лампами

Есть наиболее экономичные и долговечные, создающие синие, красные лучи светодиодные лампы, которые хорошо себя зарекомендовали в разных условиях выращивания растений. Они удовлетворяют не только потребность в определенном количестве света, но и в световом спектре, протяженности светового дня. Как подобрать светодиоды для освещения растений, подскажет эта статья.

С помощью таких ламп можно управлять фазами роста, регулировать время, когда растение отдыхает или бодрствует. Многие ошибочно считают, что чем дольше горит свет, тем лучше для растений, но это в большинстве случаев не так: им также, как и людям, нужно время для сна и желательно в одном режиме. Лампы led освещения для растений выпускаются с длиной волн 400 нм, 430 нм, 660 нм, 730 нм.

Такое искусственное освещение улучшает поглощение хлорофилла, ускоряет обменные процессы, содействует росту корней, стимулирует защитные функции.

«Растительная» специфика подразумевает следующие типы освещения:

• постоянное – например, для овощных культур, которые лучше всего растут при естественном дневном свете, им в качестве постоянного освещения подходят спектральные галогенные, люминесцентные лампы;
• периодическое – может применяться в определенный период года (зимой, осенью, ранней весной) в целях поддержания растений, когда световой день становится для них слишком коротким;
• циклическое – обмен веществ у растений имеет циклический характер, поэтому освещение может быть настроено в соответствии с этими циклами, оно должно включаться/выключаться с помощью таймера-реле и зависит от предпочтений растения (короткие дни и длинные ночи или наоборот);
• краткосрочное – досветка в определенные часы, соблюдать спектр не обязательно;
• декоративное – контурная или подсветка снизу для придания растению или группе растений наибольшего декоративного эффекта.

Расстановка источников света в теплице, зимнем саду и для комнатных растений

При расстановке фитосветильников необходимо учитывать следующие показатели:

• размер площади;
• длительность освещение;
• цикличность освещения;
• необходимый световой спектр;
• безопасность расстояния от ламп до растений (не менее 20 см от верхнего листа);
• возможность сокращать/увеличивать расстояние от лампы до растения по мере необходимости;
• угол светового излучения.

Для начала необходимо провести тщательную сортировку растений по видам, их индивидуальным особенностям и периоду вегетации, продумать компактное, удобное размещение растений и лампы – оно не должно мешать перемещению людей, домашних питомцев, техники (если это производство), требуется также соблюдение правил пожарной безопасности.

По отношению к растительным культурам фитолампа может устанавливаться по-разному – это зависит от того, является цель освещения декоративной или имеет вспомогательную функцию.

Искусственное освещение для комнатных растений, размещенных на маленькой площади, и имеющих одинаковую высоту формируется компактными лампами, для высоких растений-одиночек — прожектора одиночного типа. Для растений, стоящих на стеллажах, подставках, подоконниках — светодиодные или компактные лампы, могут также быть использованы и удлиненные люминесцентные с рефлекторами. В больших зимних садах, теплицах и оранжереях целесообразно устанавливать потолочные светильники с мощными газоразрядными лампами.