Освещение при выращивании салата
СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ — РЕШАЮЩИЙ ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ УРОЖАЙНОСТИ ЛИСТОВОГО САЛАТА ВО ВНЕСЕЗОННОЕ ВРЕМЯ В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ
М. Ю. Карпухин, И. С. Малечко, Д. Ю. Богатырева
(Уральский государственный аграрный университет)
Зеленные культуры — овощные растения, урожай которых идет в пищу в зеленом виде (свежем или консервированном). К ним относят лук (перо), салат, шпинат, укроп, ревень, щавель и другие быстрорастущие листовые овощные культуры, иногда редис. Зеленные культуры содержат большое количество ценных для организма человека витаминов и минеральных солей, а также обладают высокими вкусовыми качествами. Они скороспелы, требовательны к плодородию и влажности почвы. Зеленные культуры выращивают как в открытом (озимые, подзимние и ранневесенние посевы), так и в защищенном грунтах. Не требуют большого количества тепла и успешно растут при температуре 12-15 °С, легко переносят заморозки от —3 до —5 °С. В южных районах свежие зеленные культуры можно получать всю зиму из открытого грунта.
В условиях Среднего Урала выращивание зеленных культур в зимний период в защищенном грунте имеет особую важность. Главная проблема — это недостаток естественного освещения. В последнее время на рынке стали появляться светодиодные лампы, спектр света которых благоприятнее для роста и развития растений, а потребление электроэнергии — значительно меньше, чем у люминесцентных. Высокая стоимость и недостаточная изученность этих ламп не позволяют заменять ими старые лампы. Постоянно растущие цены на электроэнергию, а также спрос населения на свежую зелень в течение всего года доказывают актуальность изучения нового источника освещения, который может в дальнейшем существенно снизить затраты на выращивание зеленных культур в защищенном грунте в зимний период.
Энергия света используется растениями для фотосинтеза и регуляции своего развития (прорастание, цветение, плодоношение). При этом на регуляцию требуется в 100-1000 раз меньше энергии, чем на фотосинтез.
Интенсивность света влияет на скорость фотосинтеза.
При низкой интенсивности света преобладают процессы дыхания растений (энергия для жизнедеятельности черпается за счет распада ранее синтезированных веществ). При повышении интенсивности света линейно возрастает роль фотосинтеза. При дальнейшем увеличении интенсивности скорость фотосинтеза растет медленнее, потом не растет совсем, наступает «фаза насыщения». Если продолжать увеличивать интенсивность света, фотосинтез будет становиться менее интенсивным.
При низкой интенсивности света растения получаются вытянутые. У корнеплодных (например, редиса) корнеплоды образуются плохо, растения формируют цветоносные стебли. У томатов и огурца цветы опадают, плоды оказываются невеликими, вкусовые качества — низкими.
Интенсивный свет позволяет увеличить урожай, получать крупные плоды высокого качества, значительно снизить сроки вегетации.
Интенсивный свет позволяет скоординировать фотосинтез, рост и развитие растений.
В то же время для выращивания зелени сильный свет вреден, так как рост листовой поверхности замедляется, качество листьев снижается, они желтеют и становятся жесткими.
Без искусственного света современное городское хозяйство обойтись не может, нельзя выполнять строительные и сельскохозяйственные работы в темное время суток. Оптическое излучение все в большей степени используется в современных технологических процессах в промышленности и сельском хозяйстве, становится неотъемлемой частью фотохимических производств, играет все возрастающую роль в повышении продуктивности животноводства и птицеводства и, в частности, урожайности растительных культур.
В конце XVIII в. английские и голландские ученые пришли к выводу, что растения питаются водой, воздухом, светом и, в малой части, почвой. Путем серии опытов они открыли явление фотосинтеза.
Фотосинтез — главный процесс жизнедеятельности растений, отвечающий за их рост и развитие. Более 95 % сухого вещества растений создается в результате этого процесса. Управление фотосинтезом — наиболее эффективный путь воздействия на продуктивность и урожайность растений.
Русский исследователь К. А. Тимирязев доказал, что источником энергии для фотосинтеза служит преимущественно длинноволновая часть спектра (красные лучи), а влияние коротковолновой части (сине-зеленой) менее существенно.
Проводились и другие исследования воздействия излучения видимой части спектрального диапазона на растения. В работе исследовалось влияние интенсивности и спектрального состава света на эффективность фотосинтеза и продуктивность различных растений.
У растений за поглощение света отвечают специальные пигменты. Основные из них — хлорофиллы a и b и каротиноиды. Хлорофиллы поглощают свет синего и красного диапазонов, а каротиноиды — синего диапазона. Свет, полученный разными пигментами, расходуется на разные цели: пигменты с пи-ком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений; пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за увеличение зеленой массы; зеленая часть спектра излучения полезна для фотосинтеза плотных листьев и листьев нижних ярусов, куда красные и синие лучи почти не проникают. Остальные части спектра растениями практически не используются.
В результате исследований было выявлено, что наиболее благоприятной для выращивания светолюбивых растений является интенсивность в пределах 150-220 Вт/м2 , а оптимальный состав излучения имеет следующее соотношение энергий по спектру: 30 % — в синей области (380-490 нм), 20 % — в зеленой (490-590 нм), 50 % — в красной (600-700 нм).
С использованием такого искусственного освещения получены урожаи, в несколько раз превышающие получаемые при обычном освещении, причем за более короткие (в 1,5-2 раза) сроки.
Приведенные результаты указывают на возможность использования для освещения растений светодиодных светильников. Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра: от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной об-ласти спектра составляет от 610 до 620 нм, в желтой — от 585 до 595 нм, в зеленой — от 525 до 535 нм, в голубой — от 465 до 475 нм и в синей — от 450 до 465 нм.
Таким образом, составляя комбинации из светодиодов разных цветовых групп, можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне.
Следует отметить и другие преимущества светодиодов, например малую потребляемую электрическую мощность и, как следствие, низкое потребление электроэнергии устройствами на основе светодиодов.
Кроме того, стоит учитывать, что излучение светодиодов направленное, а это позволяет эффективнее использовать источники света на их основе. Также надо принимать во внимание, что время жизни светодиодов превышает время жизни ламп как минимум в несколько раз, что делает применение светодиодов крайне эффективным в экономическом плане.
Интенсивность излучения светодиода зависит от протекающего через кристалл тока. Это позволяет управлять интенсивностью излучения светодиодного светильника, причем относительно легко — путем изменения значения тока. Если использовать в светильнике светодиоды с разными значениями длины волны излучения, то, изменяя ток для разных светодиодов, можно получать различные по составу и интенсивности спектры излучения и таким образом подбирать спектр светильника в зависимости от конкретного этапа развития растения.
Здесь нельзя не сказать о том, что современные теплицы представляют собой сложные технические комплексы, в большей части роботизированные. Управление ими осуществляется при помощи автоматизированных систем, в которые достаточно органично можно добавить и управление освещением, причем как по интенсивности, так и по спектральному составу излучения, и проводить такие управляющие операции по программам, учитывающим фазу развития растений.
В довершение всего светодиоды, в отличие от ламп, не являются хрупкими, поэтому устройства на их основе могут быть вандалоустойчивыми, а возможность низковольтного питания делает их безопасными, то есть не являющимися потенциальными источниками возникновения пожара или взрыва.
Все перечисленное делает светодиодный светильник крайне привлекательным для использования в тепличном освещении. Для того чтобы оценить их возможности, нужно сравнить параметры светодиодных источников света и ныне применяемых в тепличном хозяйстве ламп.
Эффективность источника света можно оценить по количеству люменов излучаемого светового потока, приходящихся на один ватт потребляемой источником мощности. Однако в данном случае это будет не совсем корректно. Например, глаз человека воспринимает цвета по-разному, пик его чувстви-тельности лежит в зеленой области спектра, таким образом, источник синего или красного света нам будет казаться более тусклым, чем источник зеленого такой же оптической мощности. Клетки растений также не все длины волн воспринимают одинаково, разные диапазоны излучений влияют на протекание процессов фотосинтеза по-своему. Поэтому использование светильников одной и той же мощности, но различающихся по спектральному составу, приводит к разным результатам.
Излучение в диапазоне волн от 400 до 700 нм оказывает наибольшее влияние на протекание фотосинтеза и называется фотосинтетически активным. Существует стандартный параметр, характеризующий «яркость» источника света для растения, — количество фотонов с длиной волны от 400 до 700 нм, излучаемых за одну секунду. Эта величина называется фотосинтетическим фотонным потоком (Photosynthetic Photon Flux — PPF) и измеряется в микромолях фотонов в секунду, а отношение PPF к потребляемой мощности рассматривается как коэффициент эффективности источника излучения.
Помимо показателей эффективности большое значение имеет состав спектра излучения. Ранее уже приводилось оптимальное соотношение энергий по спектру: 30 % — в синей области, 20 % — в зеленой и 50 % — в красной. Такое соотношение обеспечивает выращивание полноценных растений, а сильное нарушение его приводит к отклонениям в развитии. Например, если большая часть излучения приходится на синюю область спектра, это приводит к формированию низкорослых растений с интенсивным фотосинтезом, но низкой продуктивностью. Сильная накачка красным, наоборот, приводит к излишнему росту вегетативных органов в ущерб генеративным.
Из приведенных выше данных можно сделать вывод, что светодиодный светильник по своему спектру ближе к оптимальному для выращивания растений, а также характеризуется высокой отдачей фото-синтетически активного излучения. Все это свидетельствует о возможности эффективного применения данного типа светильников для освещения растений в процессе вегетации [1].
Целью нашего опыта являлось выявление влияния различных источников освещения на рост, развитие и урожайность листового салата в условиях защищенного грунта.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
— провести фенологические наблюдения за развитием растений салата;
— проанализировать особенности прохождения фенофаз в развитии листового салата;
— провести биометрические измерения в различные периоды развития растений;
— выявить влияние различных источников освещения на урожайность листового салата;
— определить экономическую эффективность выращивания салата в защищенном грунте.
Для решения поставленных задач нами был заложен вегетационный опыт по изучению различных источников освещения в лаборатории овощеводства защищенного грунта кафедры овощеводства и плодоводства им. Н. Ф. Коняева УрГАУ.
Опытные горшки с растениями были установлены на стеллажах под разными источниками освещения. Микроклимат в лаборатории поддерживался за счет центрального отопления, регулярного полива и опрыскивания растений и проветривания. Стеллажи в лаборатории изготовлены из дерева. Их ширина — 85 см, длина — 3 м. Искусственные источники освещения работают в автоматическом режиме.
Опыт был заложен по схеме, представленной в табл. 1.
Для подготовки питательного субстрата использовали верховой торф и перегной в соотношении 1: 1. Грунт просеивали через сито для получения равномерной субстанции. Затем наполняли вегетационные сосуды почвогрунтом и обеззараживали субстрат, проливая его крутым кипятком. После остывания грунта он проливался 1%-м раствором препарата «Байкал» для обогащения субстрата микрофлорой и уничтожения грибной инфекции. Посев осуществляли вручную, разделяя пакет с семенами на 5 равных частей. Посев производили на глубину 0,5 см путем разбрасывания семян и укрытия их грунтом. После посева горшки накрывали пленкой для создания парникового эффекта и ускорения всхода и, согласно схеме опыта, устанавливали вегетационные сосуды под разные источники освещения. Уход за растениями заключался в регулярных поливах, прополках, двух подкормках, одной обработке против вредителей.
Посев листового салата проводили во всех опытах в один срок — 4 марта. Наши наблюдения за развитием растений салата листового показали, что разные источники освещения оказали на наступление фенофаз равнозначное действие (табл. 2). Так, всходы салата листового во всех вариантах появились 7 марта, а первый настоящий лист нами отмечен 12 марта.
Данные фенологических наблюдений за развитием листового салата в зависимости от источников освещения в камере искусственного климата
Наступление технической спелости у растений салата листового задержалось на 1 день по сравнению с контролем и другими вариантами, что является несущественным. Уборку растений салата листового проводили в один срок — 19 апреля во всех вариантах опыта.
Изучение продолжительности периода прохождения фенофаз растениями салата листового сорта Грюннетта показало (табл. 3), что всходы во всех вариантах опыта появились на 3-й день после посева. Для появления 1-го настоящего листа у растений салата листового понадобилось 5 дней. Техническая спелость наступила на 42-43-й день после всходов, причем во втором варианте — на 1 день позже. Сплошную уборку растений салата листового проводили по достижению ими высоты более 15 см, что показывало полное созревание растений через 44 дня после всхода.
Таким образом, разные источники освещения оказывают равнозначное действие на даты наступления фаз развития и период прохождения фенофаз у растений салата листового при их выращивании в защищенном грунте.
Продолжительность периода прохождения фенофаз у листового салата в зависимости от источника освещения в камере искусственного климата
Наши исследования установили, что количество листьев растений салата листового (рис. 1) колебалось при уборке от 8 до 11 штук, причем в контрольном варианте их было на 2-3 меньше, чем в других. В целом в опыте со светодиодными лампами нарастание листьев было более интенсивным, чем в других вариантах.
Таким образом, использование искусственного освещения в защищенном грунте способствует увеличению количества листьев у листового салата сорта Грюнетта.
Рис. 1. Количество листьев салата листового в динамике в зависимости от источника освещения в камере искусственного климата
Высота растений листового салата (рис. 2) колебалась от 15,2 до 17,2 см, причем этот показатель был выше всего в контрольном варианте — на 1,1-2 см больше, чем у других. Таким образом, дневное освещение увеличивает высоту растений листового салата при выращивании в защищенном грунте в весенний период.
Рис. 2. Высота салата листового в динамике в зависимости от источника освещения в камере искусственного климата
Наши исследования установили, что масса листьев у растений салата листового (табл. 4) колебалась в зависимости от варианта от 2,42 до 4,33 г, причем в контрольном варианте она была выше на 0,24-1,91 г.
Размер листьев и площадь листовой поверхности салата листового в зависимости от источника освещения в камере искусственного климата
Следует отметить, что результаты опыта с люминесцентными лампами значительно уступали другим, а со светодиодным излучением — практически не уступали результатам при дневном освещении. Это объясняется спектральным составом света разных источников.
Длина листьев салата варьировалась от 9,03 см при люминесцентном облучении до 10,38 см при дневном свете. Светодиодное излучение имело промежуточное положение. Отметим, что растения салата при искусственном свете имели более короткие листья благодаря более интенсивному излучению, которое препятствует сильному вытягиванию растений.
Ширина листьев одного растения салата колебалась в зависимости от варианта от 2,81 до 4,24 см, причем светодиодное излучение практически не уступало дневному свету. Наименьшую ширину листа — 2,81 см — имели растения салата на люминесцентном излучении, что объясняется спектральным составом люминесцентных ламп.
Рис. 3. Урожайность листового салата в зависимости от источника освещения в камере искусственного климата, кг/м2
Экономическая эффективность различных источников освещения при выращивании салата
Таким образом, самую высокую урожайность листового салата в защищенном грунте наряду с дневным светом можно получать на светодиодном излучении.
При выращивании салата под светодиодными лампами урожайность была ниже контрольного варианта (дневной свет) на 0,8 кг/м2, производственные затраты составили 162,2 руб./м2. Рентабельность у варианта равнялась 97 %, а себестоимость продукции — 50,6 руб. Таким образом, при уменьшении урожайности увеличилась себестоимость 1 кг продукции, чистый доход снизился в 1,5 раза, рентабельность — на 56 % по сравнению с контрольным вариантом.
При использовании люминесцентных ламп урожайность была ниже контрольного варианта (дневной свет) на 2,2 кг/м2, производственные затраты составили 153 руб./м2, но рентабельность при этом равнялась 17 %, а себестоимость продукции — 85 руб./кг. Таким образом, при уменьшении урожайности в 2,2 раза производственные затраты уменьшились на 5 кг/м2, себестоимость 1 кг продукции, чистый доход уменьшились в 9 раз, рентабельность — на 136 % по сравнению с контрольным вариантом.
Площадь ассимиляционной поверхности растений подтвердила вышеупомянутую закономерность и была на дневном свете выше (по сравнению с другими вариантами) на 10,4-18,6 см2. Таким образом, оптимальными для выращивания листового салата являются дневной свет и светодиодное излучение.
Продуктивность листового салата в зависимости от варианта колебалась от 1,8 до 4 кг/м2 (рис. 3). Так, в контрольном варианте урожайность салата была выше по сравнению с другими вариантами на 0,8-2,2 кг/м2 (в 1,25-2,2 раза), причем при НСР05 = 0,92 кг/м2 разница с люминесцентным освещением была существенной.
Следует отметить, что при варианте со светодиодным освещением этот показатель составил 80 % от контрольного варианта и был выше по сравнению с люминесцентным освещением на 1,4 кг/м2, причем разница была математически значима.
Результаты анализа экономической эффективности показывают, что выращивание салата под светодиодными лампами выгоднее, чем под люминесцентными, об этом говорят низкая себестоимость продукции и высокие показатели чистого дохода и рентабельности.
Выводы. Прохождение фенофаз растениями салата листового на искусственном освещении равнозначно дневному освещению.
Использование светодиодного и люминесцентного излучения способствует увеличению количества листьев у салата.
Высота растений салата листового на дневном освещении выше по сравнению с люминесцентным и светодиодным освещением на 1,1-2 см.
Искусственное освещение способствует увеличению количества листьев у растений салата.
Площадь листовой поверхности салата листового увеличивается при дневном и светодиодном освещении.
Урожайность салата листового значительно выше на дневном и светодиодном освещении.
Экономически наиболее выгодно выращивать салат листовой на дневном и светодиодном освещении, при этом снижается себестоимость продукции и увеличиваются чистый доход и уровень рентабельности производства.
1. Бахарев И., Прокофьев А., Туркин А., Яковлев А. Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы. М.: СТА-ПРЕСС, 2010. С 76-82.
2. Гужов С., Полищук А., Туркин А. Концепция применения светильников со светодиодами совместно с традиционными источниками света // Современные технологии автоматизации. 2008. № 1. С. 14-18.
3. Протасова Н. Н. Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений // Физиология растений. 1987. Т. 34. Вып. 4. С. 51.
4. Тараканов Г. И., Мухин В. Д., Шуин К. А. Зеленные культуры // Овощеводство: учеб. для вузов. М.: Колос, 2002. 264-265 с.
5. Тихомиров А. А., Шарупич В. П., Лисовский Г. М. Светокультура растений в теплицах. Новосибирск: СО РАН, 2000. С. 1-4.
Источник