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
| Категория | тип | Световая отдача (лм/Вт) | КПД [4] |
|---|---|---|---|
| На основе горения | Свеча | 0,3 [5] | 0,04 % |
| газовая горелка | 2 [6] | 0,3 % | |
| Лампа накаливания | 5 Вт лампа накаливания (120 В) | 5 | 0.7 % |
| 40 Вт лампа накаливания (120 В) | 12.6 [7] | 1.9 % | |
| 100 Вт лампа накаливания (120 В) | 16.8 [8] | 2.5 % | |
| 100 Вт лампа накаливания (220 В) | 13.8 [9] | 2.0 % | |
| 100 Вт галогенная лампа (220 В) | 16.7 [10] | 2.4 % | |
| 2.6 Вт галогенная лампа (5.2 В) | 19.2 [11] | 2.8 % | |
| Кварцевая галогенная лампа (12-24 В) | 24 | 3.5 % | |
| Высокотемпературная лампа | 35 [12] | 5.1 % | |
| Люминесцентная лампа | 5-24 Вт компактная флюоресцентная | 45-60 [13] | 6.6-8.8 % |
| T12 линейная, с магнитным балластом | 60 [14] | 9 % | |
| T8 линейная, с электронным балластом | 80-100 [14] | 12-15 % | |
| T5 линейная | 70-100 [15] | 10-15 % | |
| Светодиод | Белый светодиод | 97 — 210 | |
| Дуговая лампа | Ксеноновые газоразрядные лампы | 30-50 [16] [17] | 4.4-7.3 % |
| Дуговые ртутные металлогалогенные лампы | 50-55 [16] | 7.3-8.0 % | |
| Газоразрядная лампа | Натриевая лампа высокого давления | 150 [18] | 22 % |
| Натриевая лампа низкого давления | 183 [18] — 200 [19] | 27-29 % | |
| Лампа на галогенидах металлов | 65-115 [20] | 9.5-17 % | |
| 1400 Вт Серная лампа | 100 | 15 % | |
| Теоретический предел | 683.002 | 100 % |
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.
Искусственное освещение и фотосинтез
НАЗВАНИЕ: Искусственное освещение и фотосинтез
АВТОР: Русина Полина
МЕСТО ВЫПОЛНЕНИЯ: Летняя научно-образовательная школа «Лифт в будущее»
НОМИНАЦИЯ: Лучший проект или исследование с цифровой лабораторией AFSTM
11 КЛАСС, 16 ЛЕТ
Стремительно развивающаяся наука XXI века оказывает немалое влияние на такую отрасль промышленности, как сельское хозяйство, растениеводство, но, тем не менее, невозможно представить жизнь человека без традиционного выращивания различных растительных культур, органические вещества, которых играют важную роль в питании, лечении и прочих областях, затрагивающих жизнь людей. Многие решают содержать собственные теплицы. Возникает резонный вопрос: как же организовать пространство теплицы; что необходимо для повышения продуктивности растений? Прежде чем ответить на эти вопросы, необходимо изучить процессы, происходящие в растении и влияние на него различных факторов. Как известно, именно фотосинтез обеспечивает рост и развитие растения, а свет – необходимая часть процесса фотосинтеза. Таким образом, при создании собственного помещения для выращивания необходимо уделить большое внимание именно освещению, в теплицах – искусственному свету, но какие лампы использовать? Целью моей работы было исследовать существующие лампы искусственного света, воздействие их спектров излучения на интенсивность фотосинтеза и создать рекомендации по их применению для выращивания растительных культур в домашних условиях. Задачи исследования были следующие:
1. Измерить и сравнить характеристики различных ламп (освещенность, мощность, спектральный состав света).
2. Провести спектральный анализ хлорофилла.
3. Провести анализ скорости фотосинтеза под воздействием различных ламп.
4. Проанализировать полученные результаты, сделать вывода о эффективности ламп.
Для выполнения поставленных задач мне потребовалось следующее оборудование:
II. Датчик содержания кислорода О2
III. Датчик освещенности
IV. Датчик мощности
V. Оптическая скамья
f) Светодиоды: красный, синий
Методы и опыты, необходимые для проведения исследования были следующие:
1. Анализ литературы по данной теме
2. Спектральный анализ хлорофилла (изучение его спектра поглощения) при помощи спектрофотометра.
3. Использование различных датчиков для снятия характеристик ламп
4. Изучение спектра излучения источников искусственного света.
5. Наблюдение за изменением интенсивности фотосинтеза под воздействием света различного спектра
6. Анализ полученных результатов, подведение выводов.
Проведенные опыты, сравнения и анализы результатов позволяют сделать следующие выводы: для искусственного освещения растений наиболее эффективно использование ламп со спектрами излучения преимущественно красного и сине-фиолетового света. Такой свет имеется у соответствующих светодиодов: красного и синего. Использование их выгодны и с экономической точки зрения. Полученные результаты будут проверяться дальнейшими экспериментами, чтобы создать наиболее полную характеристику оборудования и условий, которые необходимо использовать в теплицах.
В ходе выполнения своей исследовательской работы, в которой я использовала датчики Vernier, я научилась таким навыкам, как работа с современным оборудованием, образовательной средой AFSTM, анализ и чтение графиков с LabQuest; применению данного оборудования для изучения процессов, происходящих в растении и при решении необходимых повседневных задач. Я считаю, что данные навыки необходимы любому школьнику в наше время, что объясняет актуальность и практическую значимость моей работы не только с научной тоски зрения, но и с образовательной.
Источники и литература
1. 
Р. Досон, Д. Эллиот, У. Эллиот, К. Джонс, Издательство «Мир», Москва, 1991 — «Справочник биохимика». [Data for Biochemical Research,1986, Clarendon Press·Oxford] перевод с английского канд. хим наук и канд. хим наук
2. 
А. Полинг, Издательство «Мир», Москва, 1974,
«Общая химия». Перевод с английского .
3. М. Фримантл, Издательство «Мир», Москва, 1998 –
«Химия в действии».[Chemistry in action, Macmillan Education, London] Перевод с английского канд. хим. Розенберг
4. Сайт «Физиология растений» – *****
5. Сайт «Биология. Электронный учебник» – www. *****
Первая часть исследования – провести необходимые опыты.
1.Измерение и сравнение характеристик различных ламп.
Для проведения данной части работы я использовала различные лампы:
f) Светодиода: красный, синий
и следующие датчики:
1. 
Датчик мощности /Watts Up Pro/
Назначение: Watts Up Pro позволяет рассчитывать большое количество параметров, включая максимальное напряжение, силу тока, мощность, а также суммарные затраты. Сбор данных осуществляется по следующим четырем каналам:
2.Датчик освещенности/Light Sensor/
Назначение: Датчик предназначен для измерения освещенности, создаваемой различными источниками.
Собирая установку для проведения эксперимента, я уделила внимание такому показателю как расстояние от источника света до датчика освещенности (30 см), чтобы измерить данную характеристику у всех дамп при одинаковых условиях. Итак, я получила следующие данные:
Светодиоды: красный, синий
На рисунках вы можете увидеть собранную мною установку для снятия показателей: например,
для галогенной лампы
и показатели с датчиков для данной лампы:
 |
Следующим этапом моей работы было проведение спектрального анализа хлорофилла. Я использовала собственно полученную спиртовую вытяжку хлорофилла.
Для её приготовления мне понадобились листья, кювета и этиловый спирт. Я поместила листья в пробирку с этиловым спиртом, и через несколько часов вытяжка была готова.
Спектральный анализ проводится при помощи спектрофотометра Спектрофотометр /Vernier SpectroVis Plus/
Назначение: Спектрофотометр предназначен для решения различных задач спектроскопии видимого и ближнего ИК диапазонов, включая определение спектральной поглощательной способности или коэффициента пропускания раствора, спектра флуоресценции раствора. Устройство позволяет выполнять сравнительные и кинетические измерения. Его также можно использовать совместно с оптоволоконным световодом для измерения интенсивности излучения различных источников света.
Результатом проведенного спектрального анализа стали получение значений спектра поглощения хлорофилла – для хлорофилла а – максимумы поглощения 429 и 660нм, а для хлорофилла b – 453 и 642 нм, что совпадает с табличными значениями
Получается, что максимумы спектра поглощения хлорофилла лежат преимущественно в красном и сине-фиолетовых спектрах. Именно эти данные станут основой сравнения влияние спектров излучения различных ламп на интенсивность фотосинтеза, что объясняется следующим.
Фотосинтез – это физико-химический процесс, осуществляемый зелеными растениями и некоторыми бактериями обеспечивающий преобразование электромагнитной энергии солнечных лучей в энергию химических связей различных органических соединений. Основа фотосинтеза – последовательная цепь окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых осуществляется перенос электрона от донора – восстановителя (вода, водород) к акцептору – окислителю (СО2, ацетат) с образованием восстановленных соединений (углеводов) и выделением О2. Первая стадия фотосинтеза протекает на свету. Световые кванты дают энергию электронам, необходимую для переноса их от хлорофилла. (т. е. превращение углекислого газа и воды в углеводы и кислород является фотохимической реакцией, т. к. протекает под действием света, а хлорофилл – фотосинтетическим пигментом (катализатором). Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов, и хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света. Согласно первому закону фотохимии, только поглощенные лучи могут быть использованы в химических реакциях. Хлорофиллы поглощают главным образом красный и сине-фиолетовый свет. Зеленый свет они отражают, потому придают растениям характерную зеленую окраску. В молекуле хлорофилла два уровня возбуждения. Первый уровень возбуждения обусловлен переходом на более высокий энергетический уровень электрона и в системе сопряженных двойных связей, а второй — с возбуждением неспаренных электронов атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. Таким образом, необходимо, чтобы спектр излучения лампы совпадал со спектром поглощения хлорофилла. Можно предположить, что если не принимать во внимание остальные факторы, наиболее эффективно фотосинтез будет идти под действием лампы с красным и синим спектром излучения. Данное предположение я подтвердил на опыте. Первая часть моего опыта включала снятие спектров излучения различных ламп с помощью спектрофотометра.
 |
 |
Для второй – основной – части опыта мне потребовался датчик содержания О2.
Датчик содержания O2 /O2 Gas Sensor/
Назначение: Датчик содержания О2 используется для измерения содержания газообразного кислорода в различных биологических и химических экспериментах.
В пластиковую колбу я поместила несколько листьев, предварительно закрыв колбу фольгой, чтобы в эксперименте не было влияния солнечного или света от других источников.
(На фотографии изображена собранная мною установка).
Так же я измеряла освещенность при каждой лампе и располагала лампы так, чтобы в каждом опыте данный показатель был одинаков. На рисунке показан график, полученный с датчика содержания кислорода О2.
В результате, у меня получилось, что наиболее интенсивно кислород выделяется (т. е. наиболее интенсивно идет фотосинтез) под действием светодиодов – красного и синего. Полученные данные говорят о том, что именно под действием этого источника искусственного света эффективно выращивать что-либо. Необходимо добавить, что результаты я планирую подтверждать последующими опытами и экспериментами, чтобы создать наиболее полную характеристику оборудования и условий, которые необходимо использовать в теплицах.
Выращивание овощей и фруктов в искусственных условиях не является принципиально новой технологией. Однако, интенсивный рост населения планеты в последние годы приводит к повышению уровня потребления продуктов. Это делает актуальными вопросы повышения производительности и эффективности систем искусственного выращивания растений.
Введение
Производительность всей системы выращивания определяет количественный критерий оценки – например, полезная масса сухого вещества или объем целевого экстракта из листьев/корней. Для качественной оценки можно анализировать химический состав растений и морфология (отклонение формы и размеров стебля/листьев/плода).
Для большинства культур лучший урожай и качество продукции могут быть получены при обеспечении растениям комфортных условий, где все основные физиологические потребности максимально приближены к естественным уровням.
Таким образом, в большинстве практических задач за эталон для сравнения и оценки результатов искусственного выращивания можно брать растение, выращенное в естественных условиях. Естественные условия для конкретной культуры, как правило, соответствуют климату в регионе его изначального происхождения.
Основы
Рассматривая процесс выращивания растений как замкнутую систему, можно выделить следующие основные факторы, влияющие на результат (см. рис. 1):
— солнечный свет, основной источник энергии
— содержание диоксид углерода (СО2) в воздухе (углерод — основной элемент, используемый для формирования новых клеток)
— вода, в основном, как источник кислорода, входящего в ее состав, необходимого для реакции фотосинтеза
— температура окружающего воздуха.
Оптимальная температура фотосинтеза для большинства растений средней полосы составляет примерно 20—25°С. Например, для подсолнечника повышение температуры в интервале от 9 до 19°С увеличивает интенсивность фотосинтеза в 2,5 раза. [1]
Так, при фотосинтезе за счет энергии света происходит образование органических веществ (углеводов) при участии хлорофилла. Хлорофилл (от греч. χλωρός, «зелёный» и φύλλον, «лист») — зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет [1].
Таким образом, количество света является важным фактором, влияющим на интенсивность роста растений. [2]
Также на протяжении многих лет эволюции этот процесс адаптировался к суточному циклу “день/ночь”. Днем под воздействием света вода разделяется на кислород и водород, а растение запасает энергию и питательные вещества. Ночью, в темноте углекислый газ под воздействием запасенной энергии соединяется с водородом, образуя молекулы углеводов, т.е. происходит собственно рост культуры.
Таким образом, при искусственном выращивании растений важно обеспечить не только высокую освещенность, но и правильную цикличность включения света, чтобы получить лучший результат.
О спектрах
Современные светодиодные технологии позволяют форматировать сложные спектры освещения растений. Рассмотрим, каким образом спектр влияет на процесс роста.
На рис. 2 детально показаны энергетические спектры поглощения базовых пигментов растения.
Видно, что помимо традиционно упоминаемых пигментов хлорофилла с пиками поглощения в диапазоне 400-500 нм и 650-700 нм, на процессы роста также влияют вспомогательные пигменты из семейства светособирающих фикобилипротеинов.
В некоторых исследованиях спектры поглощения основных пигментов суммируются для формирования “универсального” спектра, форма которого показана на рис. 3.
Для количественной оценки светового воздействия на растения используется фотосинтетически активная радиация (ФАР). В англоязычной литературе — Photosynthetic Photon Flux (PPF). Поток ФАР/PPF измеряется как число фотонов, излучаемых источником света, которые могут быть поглощены растением при фотосинтезе (диапазон длин волн от 400 до 700 нм).
Величина PPF рассчитывается без учета неравномерного поглощения растением различных энергии различных длин волн. Поэтому в дополнение к PPF иногда используется величина YPF – Yield Photon Flux — т.н. усваиваемый растением поток фотонов. Для расчета YPF используется взвешенное значение ФАР и спектр эффективности фотосинтеза как весовые коэффициенты.
Спектр эффективности фотосинтеза показан на рис. 4.
Кривая весового коэффициента для фотонов (Photon-weighted) позволяет перевести PPFD в YPF; кривая весового коэффициента энергии (energy-weighted) позволяет сделать то же самое для ФАР, выраженной в ваттах или джоулях.
Рассмотрим подробнее, как влияет на растения излучение в различных участках этого диапазона.
Ультрафиолет C (280 — 315 нм)
Облучение растений таким излучением имеет негативные последствия, может приводить к гибели клеток и обесцвечиванию листьев/плодов.
Ультрафиолет B (315- 380 нм)
Это излучение не имеет видимого эффекта на растения.
Ультрафиолет A (380 — 430 нм)
Передозировка ультрафиолетового излучения может быть опасна для листвы, однако малые дозы излучения поглощаются в процессе цветения и созревания плодов и влияют на цвет и биохимический состав (вкус). Как правило, дозы, получаемые растением под воздействием естественного света, достаточны для поддержания этих процессов.
Синий свет (430-450 нм)
Как показано выше, эта часть спектра хорошо поглощается большинством основных пигментов растения. Эта часть спектра может влиять на морфологию растения: размер и форму куста/листьев, длину стебля. Ряд исследований показывает лучшую эффективность синего цвета на раннем этапе развития растения (вегетативная фаза).
Синий свет способствует открытию устьиц, увеличению количества белка, синтезу хлорофилла, делению и функционированию хлоропластов, сдерживанию роста стебля.
Зеленый свет (500-550 нм)
Значительная часть этого диапазона отражается от листьев, однако нельзя недооценивать роль и этого участка спектра на полноценное развитие растений. Так, например зеленое излучение, отражаясь от верхних листьев растения, обладает лучшей проникающей способностью и способствует более равномерному развитию листьев, на нижних уровнях, находящихся в тени более крупных соседей (рис. 5) [5].
Также, управление уровнем зеленого в спектре облучения позволяет контролировать время наступления и длительность фаз прорастания и цветения.
Оранжевый свет (550-610 нм)
С точки зрения рассмотренных выше спектров поглощения хлорофиллов, этот диапазон имеет незначительный уровень отклик. Однако, успешный опыт применения натриевых ламп, излучение которых в основном лежит в этом диапазоне, подтверждает, что фактически растения способны развиваться даже при не оптимальном спектральном составе освещения.
Красный (610-720 нм)
Наиболее эффективный диапазон, с точки зрения количества фотонов, поглощаемых растением в процессе на всех этапах развития.
Красный свет способствует цветению, прорастанию почек, росту стеблевых листьев, опадению листьев, спячке почек, этиоляции и т.д.
Дальний красный (720-1000 нм)
Несмотря на незначительный отклик в спектрах поглощения основных пигментов, дальний красный диапазон выполняет своего рода “сигнальную” функцию – как и в случае с зеленым цветом, корректировка уровня дальнего красного позволяет повлиять на время наступления и длительность фазы цветения и плодоношения.
Инфракрасный (1000 нм и выше)
Все излучение в этом диапазоне конвертируется в тепло, дополнительно влияющее на температуру растения.
Следует помнить, что для естественного солнечного света более 50% энергии излучается именно в инфракрасном диапазоне. Если растение в искусственных условиях облучается только в диапазоне 400-700 нм, то нужно дополнительно предусмотреть запас мощности в системе отопления для поддержания комфортной температуры.
Потребности растения на разных этапах роста
Как было отмечено выше, свет является не только источником энергии, контролирующим фотосинтез. Различные участки спектра воспринимается растением как сигналы, влияющие на многие аспекты роста и развития (прорастания, деэтиоляция) Изменения в развитии растений, связанные со светом являются результатом фотоморфогенеза.
На схеме на рис.6 показаны основные эффекты, стимулируемые различными цветами на протяжении жизненного цикла растения.
Рассмотрим более подробно влияние света на различных этапах
Синтез хлорофилла
Самое большое количество хлорофилла вырабатывается при синем свете, меньшее – при белом и красном, самое меньшее — при зеленом свете и в тени. При разном свете, соотношение хлорофилла A и B также не одинаковое. Самая большая разница в соотношении А и B при желтом и синем свете. Красный свет способствует большой выработке хлорофилла типа A.
Для светолюбивых растений подходит синий свет, для тенелюбивых растений подходит красный свет.
Цветение
Соотношение между длительностью светового периода и периода темноты называется фотопериодом. Общая протяженность суток – 24 часа, однако в зависимости от разной широты и времени года, протяженность дня и ночи неодинаковая. В зависимости от разных климатических условий и места произрастания, фотопериод у разных растений неодинаков. Цветение, опадение листьев, спячка почек – всё это является реакцией растения на изменение фотопериода.
Растения, которые готовы начать цвести, зацветут при наступлении подходящего фотопериода. Количество дней до начала цветения определяется возрастом растения. Чем старше растение, тем оно быстрее зацветет. Под воздействием фотопериода оказываются листья растений. Чувствительность листьев к изменению фотопериода связана с возрастом растения. Чувствительность старых листьев и молодых листьев неодинаковая. Наиболее чувствительными к изменению фотопериода являются растущие листья.
Накопление питательных веществ и рост растений регулируются излучением в красном и дальним красном диапазоне. Размножение определяется, синим светом. Фитохром, содержащийся в листьях, может принимать сигналы красного света и дальнего света. Растение готовое к цветению, зацветет, если последнее излучение будет красным дальним светом.
На рис. 7 показаны спектры поглощения растений при синтезе хлорофилла, фотосинтезе и фотоморфогенезе.
Светодиоды
Современные мощные светодиоды, применяемые в искусственном освещении растений, позволяют сформировать монохромное излучение фактически в любой части спектра, рассмотренной выше.
Примеры спектров светодиодов показаны на рис. 8
Стоит отметить светодиоды с длиной волны 450 нм (“глубокий синий”) и 660 нм (“дальний красный”), как составляющие, совпадающие с пиками поглощения хлорофиллов. Как было отмечено выше, наличие светодиодов пиком излучения в других частях спектра, позволяет дополнительно стимулировать другие участки спектра поглощения. Белые люминофорные светодиоды (серая кривая на рис. 8) имеют в составе своего спектра относительно широкую область излучения люминофора, а также синий пик непоглощенного люминофором излучения синего кристалла.
Комбинация светодиодов различных цветов в одном светильнике с возможностью независимого управления позволяет сформировать фактически любой спектр для конкретной культуры и фазы ее развития.
Примеры спектров, используемых в различных сценариях освещения растений,показаны на рис. 9
Отдельно стоит рассмотреть спектр облучения, получаемый растением, когда на него воздействует одновременно естественное излучение и излучение системы светодиодной досветки.
Предположим. что в светильнике для досветки используются синие и красные светодиоды в соотношении примерно 1:2 (по уровню энергии), для стимуляции хлорофиллов на стадии вегетативного роста.
Пример такого спектра показан на рис. 10
В реальности же на листья растений будет также воздействовать спектр солнечной радиации, и суммарный спектр облучения будет выглядеть следующим образом (рис. 11).
Видно, что в этом случае растение монохромная досветка в сочетании с широкополосным естественны излучением дает спектр, стимулирующий все основные зоны поглощения растений. Результирующий спектр по форме близок к суммарному спектру поглощения всех основных пигментов растения, рассмотренному выше.
Заключение
Подводя итоги данного обзора можно отметить следующее:
Спектральный состав света является важным фактором для продуктивного выращивания культур в искусственных условия, однако, не первичным. Получить прирост урожая за счет оптимизации спектра можно при обеспечении растению достаточного уровня базовых потребностей (температура, вода, CO2, вентиляция). Количество света также является более приоритетным параметром по сравнению с его спектральным составом.
Современные светодиоды позволяют эффективно сформировать излучение в спектральном диапазоне поглощения растений. Причем возможно применение т.н. монохромных светодиодов с различными цветами (длиной волны излучения) и традиционных белых “люминофорных” светодиодов, обеспечивающих равномерное широкополосное излучение.
Наличие в светильнике светодиодов с различными цветами и технологии независимого управления ими позволяет исследовать влияние спектра на эффективность выращивание отдельно взятой культуры в конкретных условиях и выработать оптимальный баланс цветов для лучшей урожайности.
Список литературы
Физиология растений. Н.И. Якушкина. Издательство: "Владос". Год: 2004
Исследования над образованием хлорофилла у растений. Монтеверде Н. А., Любименко В. Н. Известия Императорской Академии наук. VII серия. — СПБ., 1913. — Т. VII, № 17. — С. 1007–1028.
Создание эффективных светодиодных фитосветильников. Cакен Юсупов, Михаил Червинский, Екатерина Ильина, Владимир Смолянский. Полупроводниковая светотехника N6’2013
Contributions of green light to plant growth and development. Wang, Y. & Folta, K. M. Am. J. Bot. 100, 70-78 (2013).
