Важнейшей задачей в АПК является обеспечение энергосбережения в применяемых технологических процессах. Одними из наиболее энергоемких являются процессы, связанные с использованием энергии оптического излучения. Примером таких процессов является светокультура, то есть выращивание растений полностью при искусственном облучении. Энергия потока оптического излучения в области фотосинтетически активной радиации (ФАР) с длиной волны от 400 до 700 нм является основой обеспечения процессов фотосинтеза и получения полезной продукции в светокультуре [3].
В светокультуре одним из энергосберегающих мероприятий является регулирование светового режима, в том числе путем аргументированного выбора источников излучения и/или регулирования спектра излучения выбранных источников в диапазоне ФАР. Экономические показатели светокультуры непосредственно зависят от соответствия спектрального состава излучения требуемым значениям [4]. Следует отметить, что эффект от спектрального состава облучателя будет различным при использовании его для досвечивания как дополнительного к естественному освещению, либо в светокультуре, без солнечного света. Так, спектр широко применяемых для облучения растений натриевых лампы при их использовании в закрытых помещениях без доступа солнечного света вызывает вытягивание рассады [5]. Достаточно признанным в метрологии светокультуры является подход, основанный на выделении трех спектральных поддиапазонов ФАР: синего (B – blue) 400…500 нм, зеленого (G – green) 500…600 нм и красного (R – red) 600…700 нм [2]. К настоящему времени накоплено множество экспериментальных данных по выращиванию растений под излучением, задаваемом соотношениями энергии в поддиапазонах ФАР kB:kG:kR [6]. Выявлено, что отдельные виды и сорта для достижения максимальных показателей роста требуют различного спектрального состава излучения [7]. Современные источники света (ИС) позволяют задать практически любой спектральный состав потока. В газоразрядных лампах этого добиваются путем изменения наполнения лампы или состава люминофора в люминесцентных лампах (ЛЛ). Применение новых типов ИС – светодиодов (СД), позволяет путем комбинирования добиться практически любого спектрального состава, задаваемого соотношением kB:kG:kR.
Цель исследований заключается в выявлении различий в качестве рассады томата, выращенной под 1) смешанным спектром от ЛЛ и 2) набором узкополосных спектров от синих, зеленых и красных СД, при одинаковой мощности потоков в каждом спектральном поддиапазоне ФАР.
Материалы и методы исследования
Эксперименты проводились при облучении рассады томата (Solanum Lycopersicum) сорта Фламинго F1 в световой комнате. Взрослое растение образует куст высотой 0,5–1,5 м. Вегетационный период составляет 110–115 дней. Гибрид томата Фламинго F1 относится к новым гибридам томатов, хорошо зарекомендовавших себя в хозяйственных сортоиспытаниях и внесен в Госреестр. Для большинства гибридов томата рассаду на постоянное место рекомендуется высаживать в возрасте 38–40 дней от посева. Для новых гибридов томата высадку рекомендуется производить в возрасте 35 дней, с готовой зацвести первой кистью [1]. К моменту высадки рассада должна иметь 7–8 развитых листьев, высоту около 30 см и хорошо развитую корневую систему.
В качестве источников для облучения рассады использовались 2 облучателя:
1) светильник ЛСПО 4х58, состоящий из двух ЛЛ Philips Master TL – Д 58/840 и двух ЛЛ OSRAM L58/77 FLUORA. Электрическая мощность светильника составляла 213 Вт. Суммарный спектр излучения (с пиками на отдельных длинах волн, характерными для используемых люминофоров) характеризовался соотношением kB:kG:kR = 34 %:32 %:34 %, т.е. имел практически равные доли энергии в указанных поддиапазонах.
2) СД модуль, состоящий из диодов типа ARPL – Star – 3W с блоками питания HTS–200M–12. Электрическая мощностью модуля составляла 185 Вт. Суммарный спектр излучения характеризовался соотношением kB:kG:kR = 35 %:29 %:36 % и был приближен суммарному спектру излучения ЛЛ путем подбора количества синих, зеленых и красных светодиодов и регулирования величины тока, проходящего через каждую группу светодиодов.
Спектральный состав света облучателей в опыте, измеренный спектроколориметром «ТКА-ВД/04» представлен на рис. 1.
Рис. 1. Спектр излучения источников
Таким образом, несмотря на существенные различия в распределении энергии по длинам волн, потоки в синем, зеленом и красном поддиапазонах ФАР были практически одинаковы. Уровень облученности под облучателями в течение вегетационного периода поддерживался на уровне 30 Вт/м2 за счет изменения высоты подвеса облучателей над растениями. Температура воздуха в помещении поддерживалась в автоматическом режиме на уровне 20–22 °С сплит-системой кондиционирования воздуха MSE24 HRN1, а относительная влажность воздуха на уровне 60–70 % ультразвуковым увлажнителем воздуха «Вдох-Нова-3000 У».
В качестве субстрата брали верховой сфагновый торф, кислый (рН 3,6), степень разложения 10 %, влажность 55 % с низким содержанием подвижных форм элементов питания. Кислотность торфа нейтрализовали агромелом из расчета 3,5 кг мела на 100 кг торфа и доводили рН до 6,0–6,2. Содержание элементов питания в торфе доводили до, мг/л: N–NO3 – 194,5; Р – 72; К – 189,6; Са – 160; Mg – 60 с добавлением солей: В, Мо, Cu.
Семена томата Фламинго F1 высевали в ящики с торфом, влажность торфа 60 %. После появления всходов (через 2 дня) ящики с сеянцами помещали под лампы ДНАЗ 400 на круглосуточное досвечивание (уровень освещенности 8 клк) в течение 3-х дней. В последующие 12 дней режим досвечивания составил 16 часов в сутки. На 15-е сутки растения в фазе 2-х листьев пикировали в контейнеры с торфом. Масса контейнера с торфом составила 300 г и через сутки растения были перенесены под источники света в соответствии с вариантами опыта. Расстановку рассады проводили через 18 дней после пикировки по 25 штук на 1 м2, а через 22 дня после пикировки – окончательная расстановка по 20 штук на 1 м2. Полив водой и подкормку растений проводили в одинаковых для всех растений количествах. Электропроводность питательного раствора поддерживали на уровне EC = 1,3–1,7 мСм/см. Выращивание рассады, готовой к высадке на постоянное место, завершили на 43 день после посева. По окончании опыта оценивали качество рассады.
Результаты исследования и их обсуждение
Наибольшую потребность у растений томата в воде отмечали в фазе 7–8 листьев в возрасте 32–36 дней от посева 1,6–1,9 л/м2 в день. Расход элементов питания в этой фазе составил: г, д.в./м2/день: N(NO3+NH4) – 0,17; Р – 0,10; К – 0,48; Mg – 0,21 не зависимо от типа облучателя. Под светодиодным модулем наблюдался меньший расход воды.
Динамика высоты растений под различными облучателями в процессе эксперимента представлена на рис. 2.
Результаты анализа динамики роста и развития рассады томата показывают, что 36-ти дневная рассада под ЛЛ имела наиболее близкие к нормативным требованиям среднюю высоту 24,1 ± 0,48 см и среднее количество листьев 8,1 ± ± 0,13 шт/раст., по сравнению с показателями рассады, растущей под СД облучателем, где растения были небольшие и эти показатели составили 18,9 ± 0,31 см и 8,2 + 0,11 см соответственно. В обоих вариантах на 36-й день отсутствовала готовая к цветению первая кисть, появившаяся у основной массы растений к 41 дню выращивания.
В табл. 1 показаны различия в длине междоузлий рассады, выращиваемой под различными облучателями (с указанием среднего значения 
, ошибки среднего Sx и коэффициента вариации V).
У растений 43-х дневного возраста наиболее соответствующая рекомендациям длина междоузлий 6-8 см приходилась на 5-е и 6-е междоузлия у растений, выращенных под ЛЛ. Под СД модулем наблюдалась недостаточная длина междоузлий, которая составила 4,64 ± 0,2 см.
В табл. 2 показаны основные параметры рассады в конце эксперимента.
При оценке средней сырой массы лучшие показатели были у растений, выращенных под ЛЛ, которая составила 43,97 г, что на 21,6 % превышает среднюю сырую массу растений, выращенных под СД. Диаметры стеблей растений в обоих вариантах при этом 6,19 мм и 6,15 мм соответственно. Высоту, наиболее близкую к рекомендуемой, имели растения, выращенные под СД, средняя высота которых составила 32,21 см.
У растений обоих вариантов отмечали устойчивую зеленую окраску листьев и прямостоячую верхушку стебля. Растения имели вегетативный тип развития и развитую корневую систему белого цвета.
Расчеты затрат электроэнергии на выращивание рассады томата показали, что при равной суммарной энергии потока, представленной растениям затраты электроэнергии при использовании СД на 13,1 % меньше, чем при использовании ЛЛ, при этом удельные затраты на создание единицы массы сухого вещества при использовании СД на 7,5 % больше, чем при использовании ЛЛ (табл. 3).
Рис. 2. Динамика высоты растений томата в процессе эксперимента
Таблица 1
Размер междоузлий под различными облучателями
|
№ междоузлия |
СД |
ЛЛ |
||
|
|
V, % |
|
V, % |
|
|
1 |
1,73±0,098 |
19,6 |
2,46±0,19 |
29,2 |
|
2 |
3,17 ± 0,21 |
23,3 |
4,28 ± 0,22 |
20,7 |
|
3 |
3,15 ± 0,21 |
21,2 |
4,09 ± 0,21 |
20,7 |
|
4 |
4,64 ± 0,20 |
15,3 |
6,50 ± 0,21 |
12,9 |
|
5 |
4,99 ± 0,19 |
13,5 |
6,43 ± 0,23 |
13,9 |
|
6 |
3,51 ± 0,17 |
17,3 |
4,31 ± 0,20 |
18,5 |
|
7 |
2,81 ± 0,15 |
19,2 |
3,42 ± 0,21 |
24,3 |
|
8 |
1,99 ± 0,17 |
29,6 |
2,12 ± 0,14 |
25,9 |
± Sx, см
± Sx, см
Таблица 2
Характеристика рассады в конце эксперимента
|
Облучатель |
Высота растения, см |
Кол-во листьев, шт./раст. |
Сырая масса растения, г |
Диаметр стебля, мм |
|
СД |
32,21 |
10,58 |
34,43 |
6,15 |
|
ЛЛ |
40,85 |
10,47 |
43,97 |
6,19 |
Таблица 3
Удельные показатели затрат электроэнергии на выращивание рассады томата Фламинго F1
|
Облучатель |
Сырая масса растений, г/м2 |
Сухое в-во в зеленой массе, % |
Выход сухого в-ва, г/м2 |
Суммарная энергия потока, МДж/м2 |
Уд.расход эл.энергии на создание сухого в-ва, МДж/г |
Затраты эл.энергии, кВт* ч |
Снижение затрат эл.энергии, % |
|
ЛЛ |
879,4 |
10,05 |
88,37 |
46,98 |
0,53 |
86,2 |
– |
|
СД |
688,6 |
12,03 |
82,83 |
46,98 |
0,57 |
74,9 |
13,1 |
Заключение
В результате проведенных исследований выявлено, что при уровне облученности 30 Вт/м2 и практически одинаковом соотношении энергии в поддиапазонах в диапазоне 400–700 нм, у растений, выращенных под ЛЛ наблюдается более интенсивное образование сырой массы, превышающее этот же показатель у растений под СД на 21,6 %, однако образуемое в растениях сухое вещество под СД на 19,7 % выше, чем при использовании ЛЛ. Кроме этого затраты электроэнергии при использовании СД на 13,1 % ниже, по сравнению с ЛЛ, а средняя высота рассады наиболее близка к рекомендуемой и составляет 32,21 см.
Из этого следуют выводы:
1. Применение для облучения формируемого из СД спектра в диапазоне ФАР позволило получить готовую к высадке на постоянное место рассаду с характеристиками, соответствующими требованиям к рассаде, хотя несколько уступающую характеристикам рассады выращенной под спектром от ЛЛ, что подтверждает предположение о возможности применения СД облучения при выращивании рассады;
2. Возможность создания облучателя путем набора светодиодов с различными длинами волн, а также возможность «гибкого» управления свечением диодов для получения разных соотношений энергии в поддиапазонах ФАР kB:kG:kR с одновременным снижением затрат электрической энергии делают СД облучатели привлекательными и перспективными при использовании для выращивания рассады томата в замкнутых системах.
3. Для оптимизации параметров получаемой рассады томата требуется дальнейшее изучение влияния воздействия излучения в области ФАР.