CC BY
102
- ОСВЕЩЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА ЗАКРЫТОГО ГРУНТА
Резюме. Представлен созданный белорусскими учеными биотехнологический LED-комплекс. Описаны разработанные и протестированные в эксперименте разные системы освещения высокостебельных растений томата в закрытом грунте, а также технология их культивирования с использованием светодиодного (LED) излучения определенного спектрального состава и интенсивности, которая применялась на опытно-производственном участке Минской овощной фабрики. Показана возможность получить рассаду с высокой активностью ростовых процессов и адаптивным потенциалом, а также с помощью боковой LED-досветки в генеративной фазе роста улучшить количество соцветий и качество плодов.
Ключевые слова: биотехнологический LED-комплекс, LED-досветка, светодиодное излучение, спектр, рассада, закрытый грунт, технология культивирования.
Л ля решения одной из приоритетных задач, стоящих перед агропромышленным комплексом Беларуси -увеличения импорто-замещения и экспорта овощей защищенного грунта - необходимо модернизировать объекты тепличного комплекса. Поэтому сегодня существует потребность в разработке и внедрении отечественных
современных инновационных технологий, повышающих рентабельность производства. Одна из них - культивирование растений с использованием светодиодного (Light Emission Diodes - LED) излучения.
Низкая интенсивность естественного освещения и короткий фотопериод в осенне-зимний сезон на территории Беларуси не позволяют выращивать овощные, зеленные, пряно-ароматические, декоративные
и лекарственные растения в теплицах без искусственного досвечива-ния. Чаще всего для этого пока используют люминесцентные, метал-логалогенные, натриевые лампы высокого давления (например, ДНаТ). При этом 30-40% себестоимости растительной продукции составляют расходы на электроэнергию. Снизить их можно с помощью альтернативных инновационных технологий, в частности LED-освещения [1, 2].
РАЗРАБОТКА
Преимущества светодиодов для культивирования растений в теплицах
Полупроводниковая светотехника развивается уже несколько десятилетий и активно применяется в промышленном, уличном, офисном, бытовом освещении. Но ее потенциал до конца не реализован: оборудовать светодиодными излучателями тепличные хозяйства пока не удается. В последние годы с разработкой доступных по цене ЬЕБ-технологий, позволяющих получить световой поток высокой интенсивности, появилась возможность их полноценного использования и в промышленном растениеводстве закрытого грунта.
Светодиоды по сравнению с традиционными источниками освещения для культивирования растений имеют следующие преимущества [1]:
■ энергоэффективность - светодиодный излучатель потребляет значительно меньше энергии для получения эквивалентного фотосинтетического потока фотонов, то есть имеет более высокий КПД;
■ отсутствие значительного теплового излучения и малога-баритность позволяют разместить ЬББ-облучатели в непосредственной близости к рас-
тению, в том числе внутри фитоценоза и на многоярусных стеллажах. Это делает их более эргономичными с точки зрения минимизации пространства;
■ безопасность, надежность -при правильных установке и условиях эксплуатации продолжительность работы ЬБВ-све-тильников может составлять 50-80 тыс. часов. Кроме того, устройства не содержат ртути и стекла, их поверхность не нагревается до высокой температуры, пожароопасность низкая, они ударо-, вибро- и влагоустой-чивы, к воздействию агрессивных сред не чувствительны;
■ узкополосное освещение - светодиоды могут излучать свет практически любой длины волны в диапазоне физиологически активной радиации, необходимой для полноценного функционирования растительного организма. Это позволяет путем сочетания разных ЬБВ-источни-ков создавать заданный спектр, необходимый растению на определенной фазе роста;
■ спектр излучения - ранее считалось, что для выращивания овощных и зеленных культур необходимо и достаточно воздействия света, получаемого комбинированием монохромных (красных и синих) ББВ-источников,
то есть длины излучаемых ими волн соответствуют максимумам поглощения хлорофилла. Однако в последнее время появляется все больше доказательств, что растению для нормальной жизнедеятельности требуется излучение всей видимой области спектра; ■ экономическая выгода вследствие более эффективного роста растений - предполагается, что светодиодное освещение позволит увеличить урожайность, ускорить накопление вегетативной биомассы, цветение и созревание плодов, стимулировать укоренение и прорастание. Кроме того, полупроводниковая светотехника активно развивается: ее эксплуатационные характеристики повышаются, стоимость снижается. Поэтому в мире наблюдается рост интереса к изучению ее влияния на растительный организм. В частности, показано, что ЬЕБ-об-лучатели можно использовать для повышения продуктивности культур [1]. Однако большая часть исследований посвящена оценке воздействия на рост растений монохроматического освещения в красной или синей областях спектра (основные фотосинтетически активные длины волн) либо их композициям [1-4]. Получаемые результаты часто были противоречивыми
и не подтверждали преимуществ
светодиодов по сравнению с традиционными светильниками. В ряде публикаций была показана видо-и даже сортоспецифичность восприятия растением LED-освещения. Возможно, это обусловлено тем, что рост и развитие растительного организма, формирование хозяйственно ценных элементов продуктивности (вегетативная биомасса, плоды, продукты первичного и вторичного метаболизма и др.) обеспечиваются сложной совокупностью различных светозависимых процессов. Это основная причина противоречий в исследованиях и трудностей с идентификацией оптимальных режимов LED-освещения для культивирования растений различных видов. Поэтому разработка высокоэффективных приборов, а также режимов их функционирования, позволяющих повысить темпы роста и урожайность, весьма актуальны.
Биотехнологический LED-комплекс
Для исследования влияния света на физиолого-биохимические процессы растений с использованием LED-облучателей, спектр которых содержит все длины волн видимого и УФ света с различным их соотношением, сотрудниками Центра светодиодных и оптоэлектронных технологий НАН Беларуси и Института экспериментальной ботаники НАН Беларуси был создан специализированный биотехнологический LED-комплекс. Он представляет собой модельную теплицу с 7 изолированными модулями-боксами, оснащенными автоматизированными системами регуляции микроклимата и корнеобитаемой среды (рис. 1).
В боксах контролируются и регулируются уровень СО2, температура, влажность воздуха, содержание минеральных элементов в питатель-
ном растворе. Способ организации корнеобитаемой среды - агрегато-поника, субстрат - минеральная вата либо грунты на основе торфа. Комплекс оснащен оригинальными инновационными дренажной и ирригационной системами. Культивирование растений происходит без доступа естественного света. В каждом модуле возможна установка индивидуальной LED-системы, что позволяет одновременно тестировать устройства с различными дизайном, расположением, спектрами излучения, уровнем плотности потока фотонов, а также анализировать на отзывчивость к освещению значительное число культур.
Данную разработку отличает нетиповой и комплексный подход: используются LED-облучатели, позволяющие менять освещенность в пределах каждой спектральной составляющей; высокое качество света (при необходимости приближенного к естественному); варьирование габаритов и пространственного положения ламп; опытным путем определены благоприятные режимы для каждого этапа жизненного цикла растения (от прорастания семян до цветения и плодоношения). Кроме того, предложен оригинальный способ формирования заданных спектров LED-излу-чателей с возможностью изменения соотношения их областей. При проведении экспериментов изучали спектральный состав и поверхностную плотность потока фотонов. Для детальной оценки влияния различных вариантов освещения общепринятыми методами тестировали в 5-10-кратной повтор-ности физиолого-биохимические параметры растений. В результате проведенных в LED-комплексе исследований были установлены
РАЗРАБОТКА
оптимальные режимы освещения без доступа естественного света для ряда культур, в том числе для высокостебельных сортов томата.
Культивирование томата
Это одна из основных культур растениеводства закрытого грунта в Беларуси, занимающая 125,2 из 230,7 га зимних теплиц. Поэтому разработка регламентов ее освещения с помощью высокоэффективных ЬЕБ-облучателей является приоритетной.
Для исследования нами были отобраны сорта, распространенные в тепличных комбинатах Беларуси. Томаты выращивали, соблюдая технологический режим, принятый при промышленном культивировании. В эксперименте использовали три типа облучателей: люминесцентные фитолампы и натриевые лампы (ДНаТ-250) немецкой компании Озгаш, а также белорусские экспериментальные ЬЕБ-облу-чатели (оформляются заявки на патенты) с композицией всех длин волн и различным их соотношением (спектры 1-6).
Выращивание рассады. Для получения высоких урожаев томата важны световые условия культивирования рассады. Поэтому прежде всего был проведен мониторинг ростовых процессов в течение первых 30 суток при экспериментальном светодиодном и традиционном освещении с одинаковым уровнем плотности потока фотонов (200 мкмоль-м-2<-1). Исследованы морфометрические показатели, интенсивность фотосинтеза и дыхания, содержание пигментов, активность антиоксидантных систем (табл. 1).
ЬЕБ-освещение со спектрами 2 и 3 активировало удлинение растений на 20-25 % по сравнению
Параметры
Варианты освещения
Контроль,
люминесцентные LED, спектр 1 LED, спектр 2 LED, спектр 3 фитолампы (Osram)
Морфометрия
Физиологические процессы
Антиоксидантная система
Примечание: Знак «++» - оптимальное значение параметра или интенсивности процесса
Таблица 1. Влияние разных вариантов освещения на морфометрические и биохимические
параметры 30-дневных растений (рассады) томата сорта Торреро
с контролем. Причем рост стебля в варианте 2, скорее всего, происходил за счет процессов «роста растяжением» и накопления воды, а в варианте 3 сопровождался активацией биосинтетических процессов. Спектры 1 и 3 стимулировали увеличение биомассы, содержания сухого вещества вегетативных органов. Освещение со спектром 1 приводит к формированию низкорослых компактных растений, увеличению диаметра стебля, что обеспечивает рассаде большую механическую устойчивость и способность к поглощению воды и элементов минерального питания при пересадке, а значит, повышает адаптивный потенциал. Дополнительно об усилении био-
синтетической и фотосинтетической активности растений, культивируемых при ЬЕБ-освещении со спектрами 1 и 3, свидетельствуют увеличение удельной поверхностной плотности листа, содержание пигментов, более интенсивное выделение кислорода при фотосинтезе, стимуляция биосинтеза и накопления фенольных соединений. При использовании светодиодных облучателей со спектром 1 отмечено более высокое по сравнению с остальными вариантами содержание каротиноидов, антирадикальная и антиоксидантная активность. Таким образом, установлен спектральный состав ЬЕБ-освеще-ния, при котором растения рассады томата отличаются от кон-
Параметры
ДНаТ + МГ
Варианты освещения LED, спектр 4 LED, спектр 5 LED, спектр 6
Содержание в плодах, мг/кг
* - различия достоверны по сравнению с контролем при р<0,05
Таблица2. Влияние различных вариантов внутриценозной досветки на урожайность и качество плодов растений томата сорта Торреро
трольных ускоренными темпами при ЬЕБ-досветке, значимо пре-
развития, повышенным уровнем восходили контрольные (табл. 2). физиологических и биосинтетических процессов, адаптивным
потенциалом. производственный участок
Урожайность и качество пло- Проведенные в биотехнологи-
дов. Была также разработана и про- ческом ЬЕБ-комплексе исследова-
тестирована экспериментальная система боковой ЬЕБ-досветки томата в генеративной фазе роста. В качестве контроля использовали лампы ДНаТ и металлогалогеновую (МГ). Наилучшие результаты (повышение урожайности на 7-10% и качества плодов) были получены при светодиодном освещении со спектрами 4-6. Содержание сухого вещества и сахаров в плодах во всех четырех опытах варьировало несущественно. Но по количеству белка, лико-пина, аскорбиновой кислоты, сое-динений-антиоксидантов пло-^^^^^^ ды томата сорта Тореро, ^^^^^^^^^^^ выращенные
ния, а также финансовая поддержка инновационного фонда Мингор-исполкома позволили разработать, изготовить систему ЬЕБ-досветки и оснастить ею опытно-производ-
дью 260 м2) для культивирования высокостебельных сортов томата на Минской овощной фабрике. Следует отметить, что по совокупности характеристик экспериментальные образцы светодиодных тепличных облучателей не уступают лучшим зарубежным аналогам (рис. 2, табл. 3) [5].
В рассадном отделении Минской овощной фабрики при экспериментальном LED-освещении (спектр 3) была выращена рассада томата сорта Балена. Затем растения были перенесены для дальнейшего культивирования в условиях опытно-производственного участка при двух вариантах досветки: традиционном (ДНаТ-600) и LED (рис. 3). Через 14 суток был проведен сравнительный мониторинг физиолого-биохимических процессов. Выяснилось, что если для рассады благоприятны спектры 1 и 3 LED-освещения, то для растений в генеративной фазе роста -
ственный участок (общей площа- спектры 7 и 8.
Параметры
Модель ДСП08 6х34-004 Модель ДСП08 7х30-004
Таблица 3. Технические характеристики светодиодного тепличного облучателя
Рис. 2. Светодиодный тепличный излучатель
*
Рис. 3. Культивирование рассады томата на опытно-производственном участке, оснащенном системой LED-досветки, на Минской овощной фабрике
скую безопасность, сроки получения и хранения овощных и зеленных культур. Отечественные инновационные разработки,связанные с использованием LED-освещения в растениеводстве закрытого грунта, не только соответствуют мировому уровню, но и превосходят многие зарубежные аналоги, поэтому задача обеспечения тепличных хозяйств страны энергосберегающими источниками света собственного производства сегодня выполнима.
Установлено, что томаты, культивированные с применением светодиодного излучения, по большинству ростовых и физиолого-биохи-мических показателей (сухая масса и содержание сухого вещества вегетативных органов, диаметр стебля, содержание фотосинтетических пигментов, скорость фотосинтеза, уровень биосинтеза фенольных соединений,активность антиок-сидантных систем) превосходили растения из контрольной группы (с использованием традиционных ламп). Прочие качественные признаки вегетации были сопоставимы. Предполагается, что более интенсивные процессы роста и развития, фото- и биосинтеза, повышенные механическая устойчивость и ак-
тивность проводящих систем обеспечили рассаде, полученной при LED-освещении, более высокий адаптивный потенциал и приживаемость при пересадке. Кроме того, у растений, культивируемых с LED-досветкой, уже через 15 суток было больше цветковых кистей; у них раньше появились первые плоды (табл. 4).
Таким образом, источники света на основе LED являются перспективным инструментом управления ростом и развитием растений. Особенности LED-излучения позволяют на новом уровне регулировать продуктивность, накопление в растительном сырье веществ первичного и вторичного метаболизма, тем самым повышая качество, экологиче-
Параметры
Вариант освещения ДНаТ-600 LED, спектр 7 LED, спектр 8
Ольга Молчан,
заведующий лабораторией водного обмена и фотосинтеза растений Института экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси, кандидат биологических наук, доцент
Людмила Обуховская,
ведущий научный сотрудник лаборатории водного обмена и фотосинтеза растений Института экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси, кандидат биологических наук
Юрий Трофимов,
директор Центра светодиодных и оптоэлектронных технологий НАН Беларуси, кандидат технических наук
Александр Пугачевский,
директор Института экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси, кандидат биологических наук
ЛИТЕРАТУРА
1. Agarwal A. Impact of Light-Emitting Diodes (LEDs) and its Potential on Plant Growth and Development in Control led-Environment Plant Production System / A. Agarwal, S.D. Gupta // Current Biotechnology. 2016. Vol. 3. P. 447-461.
2. Zoran I.S. Light quality manipulation improves vegetable quality at harvest and postharvest: A review / I. S. Zoran, E. Fallik // Environmental and Experimental Botany. 2017. Vol. 139. P. 79-90.
3. Piovene C. Optimal red: blue ratio in led lighting for nutraceutical indoor horticulture / C. Piovene, F. Orcini, S. Bosi, R. Sanoubar, V. Bregola // Scienta horticulture. 2015. Vol. 193. P. 202-208.
4. Gajc-Wolska J. Effect of supplementary lighting on selected physiological parameters and yielding of tomato plants / J. Gajc-Wolska // Folia Hort. 2013. Vol. 25. P. 153-159.
5. ЛишикС.И. Современное состояние,тенденции и перспективы развития светодиодов для освещения / С.И. Лишик, В.С. Поседь-ко, Ю.В. Трофимов, В.И. Цвирко // Светотехника. 2017. №1. С. 9-17.
* - различия достоверны по сравнению с контролем при р<0,05
Таблица 4. Влияние разных способов досветки на морфометрические параметры 45-дневных растений томата сорта Балена
