Квант плодородия. Светлое настоящее светодиодной лампы

Квант плодородия. Светлое настоящее светодиодной лампы
В.Реуцкий, Д.Мороз, Н.Астасенко, Ю.Трофимов
Опубликовано в №5 (133), май

Исследования белорусских ученых показали высокую эффективность светодиодных излучателей в теплицах, применение которых позволяет сократить расходы на 25–30 %. Специалисты констатируют, что в нашей стране такая возможность сокращения затрат пока используется крайне незначительно, и предлагают изменить ситуацию.

Волны в ассортименте

В тепличных хозяйствах Беларуси в дополнение к солнечному свету задействованы натриевые лампы типа ДНаТ. Хотя спектр их излучения имеет практически один максимум в диапазоне 560 нм (рис. 1), их использование в качестве дополнения к естественному освещению существенно активизирует фотосинтетический процесс в растениях. Однако при отсутствии солнечного света, например в утренние и вечерние часы осенне-зимнего сезона или в условиях густой облачности, натриевые лампы, будучи единственным источником фотонов, недостаточно эффективны. На рис. 2 показано, как некоторые физиологические процессы зависят от спектрального состава света. Из сопоставления кривых на рис. 1 и 2 можно легко убедиться в том, что спектр натриевой лампы не в состоянии удовлетворить потребность растений в свете. Этот источник не имеет ни синей области спектра (важнейшей для полноценного фотосинтеза), ни других не менее важных волн, регулирующих различные физиологические процессы. Кроме того, несмотря на высокую светоотдачу, у натриевых ламп 70 % поглощенной энергии превращается в тепло. Альтернативой им могут стать излучатели на основе светодиодов, которые генерируют потоки квантов волн всех длин, необходимых для продукционного процесса.

Фотоны для томатов

За последние три года сотрудники Центра светодиодных и оптоэлектронных технологий и Института экспериментальной ботаники НАН Беларуси создали исследовательский комплекс, оснащенный различными типами светодиодных излучателей. В нем изучается влияние различных спектров и плотности потока квантов света на продукционный процесс и урожай томатов.

Растения выращивались по стандартной гидропонной технологии в отдельных боксах исключительно под искусственным освещением. Были предусмотрены различные варианты светодиодного освещения, отличающиеся по мощности и спектральному составу, в частности по соотношению красных и синих частей спектра. Контролем служили специализированные люминесцентные лампы «Sylvania Gro-lux T5L8».

Зависимость урожая от режима освещенности и энергетическая эффективность определялись по массе и количеству плодов, собранных с каждого растения. Мы установили, что наилучшее освещение для выращивания растений томата при отсутствии солнечного света имеет плотность потока фотонов в 320 мкмоль/м2с. Расчет количества энергии, затраченной на получение 1 кг томатов, подтверждает преимущество светодиодных осветителей перед флуоресцентными лампами. Из полученных данных следует, что при использовании светодиодных излучателей, генерирующих суммарную плотность потока фотонов не менее 320 мкмоль/м2с, конечные затраты электроэнергии на единицу продукции на 24–37 % ниже.

Поскольку многие тепличные культуры, такие как томат, огурец, перец, являются многоярусными, то при верхнем расположении ламп большую часть потока поглощают верхние листья, а нижние ярусы испытывают дефицит света. Особенность же светодиодных излучателей в том, что тепловой и световой потоки их излучения разделены в пространстве, и это позволяет размещать их в непосредственной близости от растений, сбоку, непосредственно внутри ценоза (рис. 3). Налицо повышение эффективности использования досветки.

Наши исследования показали: по сравнению с лампами ДНаТ, использовавшимися в качестве контроля, применение светодиодных излучателей с боковой досветкой позволяет в два раза снизить суммарную плотность потока излучения при сохранении урожайности на том же уровне. Если же плотность потока фотонов не снижать, то урожайность повысится: по сравнению с использованием ламп ДНаТ — в 1,7 раза, люминесцентных ламп — в 2 раза, светодиодных излучателей без использования боковой досветки — в 2,1 раза. При этом расход электроэнергии на получение единицы продукции снижается на 25, 54 и 27 % соответственно.

От цветов до дезинфекции зерна

Полученные закономерности в значительной мере универсальны и с небольшими модификациями применимы к большинству растений, культивируемых в светокультуре, например, в технологии производства миниклубней картофеля методом аэропоники, являющимся наиболее эффективным. Если на твердом субстрате или с помощью гидропоники с одного растения получают максимум 8–10 миниклубней, то на аэропонной установке, оснащенной светодиодными излучателями, мы получили 60–70.

Сочетание метода аэропоники со светодиодным источником радиации позволяет оперативно регулировать любой фактор среды: состав элементов питания в растворе, его рН, градиент температуры между зонами корнеобитания и надземными частями растения, спектральный состав света, мощность излучения и др. Требования картофеля к факторам внешней среды в процессе онтогенеза меняются многократно, поэтому необходимость использования такой технологии очевидна.

С помощью светодиодных излучателей можно устранить недостатки традиционной технологии производства зелени. Растения выращиваются в модуле с регулируемыми режимами освещения, температуры и влажности воздуха, содержания углекислого газа, оптимального питания. Поскольку растения в модуле можно располагать в несколько этажей (минимум в 3–4), а на конвейере — только на одном, продукция, выращенная в модулях, будет существенно дешевле. Особо отметим, что реализация такой технологии стала возможна только благодаря светодиодным источникам света, для которых характерно сравнительно небольшое тепловыделение.

Светодиодные светильники используют для нехимической дезинфекции семян зерновых культур от грибной инфекции. Такой метод обеззараживания основан на фотодинамическом воздействии, которое заключается в освещении семян светодиодным излучателем, генерирующим определенные длины волн, в присутствии красителей-фотосенсибилизаторов и кислорода. Свет заставляет фотосенсибилизатор образовывать синглетный кислород, окисляющий структуры на поверхности зерна, в том числе и патогенную микрофлору. Обеззараживание семян методом фотодинамики отличается экологической чистотой и относительной дешевизной. Из-за универсальности повреждающего действия синглетного кислорода и радикалов после такой обработки формирование резистентности патогена в принципе невозможно.

В наибольшей степени проработана технология использования светодиодных излучателей в процессе выращивания ягодных (клубника), посадочного материала кустарничковых (голубика) и цветочных культур. Результаты ряда исследований свидетельствуют, что использование этого источника света для выгонки цветов позволяет в 5–10 раз и более сократить расход электроэнергии и значительно улучшить качество конечной продукции.

Свет в теплицах: нельзя откладывать на будущее

В последние годы наука обратилась к производству биомассы одноклеточных водорослей, широко используемых в биотехнологии для производства кормового белка, физиологически активных соединений, в качестве сырья для фармацевтической промышленности. Кроме того, ученые пытаются получить из водорослей биотопливо.

В большинстве случаев при производстве таких водорослей применяется интенсивная технология, которая реализуется с помощью специальных установок — фотобиореакторов, производительность которых может достигать порядка 40 г/м2 биомассы в сутки. Для повышения эффективности необходимо разработать и изготовить компьютеризированный фотобиореактор, оснащенный системой сенсоров регуляции абиотической среды, непрерывного отбора нарастающей биомассы, светодиодными излучателями и т. п. Свет необходимого спектра и плотности потока квантов, не обремененный тепловой составляющей, является одним из базовых параметров, определяющих, в конечном счете, эффективность продукционного процесса культуры водорослей.

Статистика научных центров, занимающихся разработкой светодиодного оборудования, и масштабы рынка этой продукции указывают на то, что в области светотехники происходят революционные изменения. Как прогнозирует большинство аналитиков, в 2014–2015 годах начнется массовая замена традиционных источников света светодиодными.

Что касается светокультуры, то успехи здесь крайне незначительны. В наших хозяйствах не решаются на первоначальные затраты, связанные с закупкой светодиодных излучателей и их монтажом, предпочитая использовать привычные натриевые лампы. Это может привести к тому, что вскоре наше страна значительно отстанет от других государств, где для обеспечения населения овощами и зеленью в теплицах используется искусственная досветка. Очевидно, что для внедрения полученных научных результатов непосредственно в тепличные хозяйства республики необходимо дополнительное финансирование.

Анализ возможных перспектив внедрения светодиодных излучателей в растениеводстве позволяет утверждать, что они будут применяться не только в качестве источника фотосинтетически активной радиации, но и в других областях сельскохозяйственного производства.
 

Другие материалы рубрики
Демонстрационные поля: озимые блеснут на «Белагро»
Александр Ращупкин
Опубликовано в №5 (145), май

Республиканское объединение «Белсемена» готовит к выставке «Белагро-2014» свои новые опытно-демонстрационные поля. На землях ОАО «Гастелловское» по соседству с основной экспозицией зреют озимые...

Успех животноводства кроется в траве
Петр Васько, Александр Боровик
Опубликовано в №1 (129), январь

Мировой практикой установлено: молочная продуктивность коров на 55–60 % зависит от уровня кормления и качества кормов, на 20–25 % — от селекционной работы и воспроизводства и на...

Белорусские сорта гречихи
Наталья Лужинская
Опубликовано в №4 (180), апрель

Гречиха — одна из наименее затратных культур. Но, при всех плюсах, площади, занимаемые гречихой, неуклонно сокращаются. Одна из причин этого — невысокая урожайность зерна. Поскольку уровень будущего урожая...

Энергетические перспективы белорусских полей
Александр Клочков, Андрей Хомутов
Опубликовано в №5 (133), май

В современном мире сельское хозяйство поставляет сырье не только для производства продуктов питания, но и энергии. Пока на ее производство используются культуры двойного назначения, однако это едва ли целесообразно в условиях роста...

Людмила Мурашкевич
Опубликовано в №1 (141), январь

В мире растет интерес к продуктам профилактического и лечебного назначения. Перерабатывающую промышленность привлекают неприхотливые и максимально приспособленные к местным климатическим условиям виды съедобных растений. Одна из таких...

Задача — уничтожить конкурентов кукурузы
Дмитрий Лужинский, Николай Надточаев
Опубликовано в №4 (156), апрель

Выращивание кукурузы требует значительных расходов, причем всегда есть риск потратить слишком много средств на семена, удобрения и ГСМ, а потом вынужденно сэкономить на гербицидах — и потерять урожай.  

Комментарии
Войти как