Влияние спектров светодиодного освещения на производство огурцов

Огурцы в России занимают первое место по площадям в защищенном грунте. Интерес производителей к этой высокоурожайной и рентабельной культуре с каждым годом растет. Однако технологии выращивания огурцов в теплицах по-прежнему вызывают много вопросов. Насколько эффективно применение дополнительного освещения? Какая освещенность является оптимальной? И в какой области светового спектра нуждается эта культура в разные периоды вегетации? Основываясь на серии собственных опытов, на эти вопросы постарались ответить эксперты компании Fluence OSRAM, которая одной из первых наладила производство светодиодных светильников для парников. С результатами исследований редакция «ГлавАгроном» знакомит наших читателей.

Специалист компании Лео Ландсберген в ходе вебинара для производителей овощей отметил, что дополнительное светодиодное освещение в теплицах обеспечивает значительное увеличение урожайности огурцов, сокращая при этом время от цветения до сбора урожая. Грамотное использование досветки позволяет выращивать больше плодов круглый год, независимо от географического положения. Применяя светодиоды, можно стратегически использовать высокую интенсивность света, чтобы получать хороший урожай на протяжении всего года.

Растениеводы, научно-исследовательские институты и поставщики оборудования для теплиц ищут новые подходы для увеличения урожайности и повышения качества плодов. Наиболее значимым итогом этой работы стал переход от традиционной системы выращивания огурцов к шпалерной, которая окончательно утвердилась на рынке производства огурцов в тепличных комплексах.

Если при традиционной системе растения постоянно прищипываются, то при вертикальном выращивании на шпалерах они стремятся вверх и готовы к восприятию света. Реализация этой технологии также способствовала строительству более высоких теплиц. 

Основные преимущества вертикального выращивания огурцов на шпалерах:

• высокий потенциал урожайности возделываемых овощей;
• упрощение процедуры сбора урожая;
• отличное качество плодов, которые растут быстрее и лучше хранятся;
• реализация максимального потенциала продуктивности растений при использовании дополнительного освещения;
• возможности для дальнейшего внедрения в теплице роботизированной уборки урожая.

Переход к новой системе выращивания обусловил рост интереса к дополнительному освещению и ознаменовал новый технологический этап в выращивании огурцов в парниках.

Повышенный спрос на овощную продукцию в зимний период и рост интереса к правильному питанию в Северо-Западной Европе привели к тому, что дополнительное освещение в теплицах применяется все шире. Для успешного выращивания в течение всего года производители устанавливают дополнительное верхнее освещение в своих помещениях, чтобы растения получали достаточно света в относительно темные осенние и зимние месяцы, чтобы предотвратить снижение урожайности. Только искусственные источники освещения позволяют получить зрелые плоды зимой. Практическая польза от их применения наиболее ощутима в северных широтах, в зимних теплицах и укрытиях для выращивания рассады. 

Российские ученые-овощеводы подчеркивают, что при правильном дополнительном освещении рассада растет почти в два раза быстрее, а первые плоды можно получить на 2-3 недели раньше. Освещение огурцов в парнике увеличивает их урожайность на 25-30%, поэтому их себестоимость снижается на 15-20%, несмотря на возросшие затраты на электроэнергию. Правильно подобранное освещение — гарантия хорошего урожая.

Чтобы система освещения была экономически выгодной, необходимо правильно подобрать тип ламп. Привычные для большинства обывателей лампы накаливания дают много света и дополнительно прогревают воздух в парнике. Однако их свет в основном содержит оранжевые, красные и инфракрасные лучи, в нем нет синего спектра. Под воздействием такого освещения стебли растений могут деформироваться и вытягиваться, плоды плохо завязываются и развиваются. Кроме того, лампы накаливания потребляют много энергии, значительно повышая издержки на производство тепличных овощей.

Люминесцентные лампы имеют более благоприятный для тепличных культур спектр и низкое энергопотребление. К важным плюсам можно отнести долговечность и невысокую цену. Но такие приборы охватывают небольшую площадь, поэтому необходимо наращивать количество точек освещения.

Обладая экономичностью и высокой светоотдачей, натриевые лампы высокого давления (HЛВД) создают в парнике монохромное освещение оранжево-желтого спектра. Их воздействие благоприятно сказывается в период цветения огурцов, положительно влияя на образование завязей и рост плодов. Однако недостаток в спектре синей части ставит под сомнение их применение в фазе интенсивного вегетативного роста растений.

Широкими диапазонами мощностей и спектром излучения характеризуются металлогалогенные лампы, свет которых максимально приближен к солнечному. Однако из-за высокой цены и короткого срока службы этот способ освещения в основном используется для выращивания рассады в небольших объемах.

На сегодняшний день набирает все большую популярность светодиодное освещение теплиц. В настоящий момент это одно из самых современных решений, хотя и не самое дешевое. С помощью светодиодных светильников можно создавать излучение разных спектров. Они не повышают температуру воздуха в производственных помещениях и не обжигают растения. В теплицах, оборудованных светодиодными лампами, огурцы растут быстрее и дают больше плодов при минимальном применении удобрений. Эти источники света потребляют мало энергии и служат десятки лет без замены.

До недавнего времени в Европе производители чаще использовали натриевые лампы высокого давления в качестве дополнительного освещения для выращивания огурцов. Однако сейчас активно внедряются в теплицах как гибридные (НЛВД + светодиоды), так и полностью светодиодные решения.

Интерес к этому виду освещения растет, поскольку оно дает возможность преобразовать подводимую мощность в сравнительно большее количество света с меньшим выделением тепла, а также ускоренный рост и развитие плодов. 

Планируя внедрение светодиодов в парниках, можно либо заменить все освещение на светодиодное и таким образом сэкономить до 40% электроэнергии, либо увеличить уровень освещённости при том же количестве подводимой энергии.

• увеличение светового потока и уменьшение тепловыделения, что способствует росту урожайности;
• снижение энергопотребления на 1 кг производимой продукции;
• долговечность и удобство при эксплуатации;
• возможности для регулировки яркости и управления освещением выращиваемой культуры, обеспечение стабильного уровня освещенности вне зависимости от сезона и погодных условий;
• подбор оптимального спектра излучения для культуры и индивидуальных условий конкретного парника;
• положительное влияние светового спектра на рост и развитие тепличных овощей;
• экономное использование ресурсов земли для достижения максимальной продуктивности растений.

При выборе систем освещения для теплицы фермеры часто сталкиваются с обилием различных методик и подходов, которые производители используют для продвижения своей продукции на рынок. Ватты, люмены, люксы, джоули... Хотя все эти термины и относятся к освещению, только некоторые из них действительно говорят о важных показателях системы освещения тепличного помещения.

Следует отметить некорректность использования люксметра для тестирования и оценки ламп для растений. Люмен — единица измерения, характеризующая чувствительности человеческого глаза к уровню освещенности. Однако растения воспринимают свет по-другому. Фундаментальной проблемой использования люксметров при оценке систем освещения закрытого грунта является недопредставленность синего (400-500 Нм) и красного (600-700 Нм) света в видимом спектре. Люди не очень хорошо воспринимают эти области спектра, но растения эффективно используют их для стимуляции фотосинтеза. Вот почему люмены и люксы не должны использоваться для оценки освещения теплиц, а люксметр больше подходит для измерения уровня освещения в коммерческих и жилых помещениях.

Специалисты компании рекомендуют растениеводам принимать решения, основываясь на важных и объективных показателях, напрямую влияющих на продуктивность выращиваемых культур.

Это фотосинтетически активная радиация PAR, характеризующая свет в диапазоне 400-700 нанометров, используемый растениями для фотосинтеза. Термин широко применяется, но часто неверно понимается. PAR — не величина измерения, а тип световых волн. Для измерения спектральных характеристик такого света используются спектрофотометры, позволяющие получить спектрограмму света от источника, его интенсивность и другие характеристики. 

PPF (ФФП) — фотосинтетический фотонный поток. Показатель отражает количество световых частиц PAR в диапазоне от 400 до 700 нанометров, излучаемых светодиодным светильником, в секунду. Единица измерения — микромоль в секунду (µmol/sec). 

PPFD (ПФФП) — плотность фотосинтетического фотонного потока или количество фотосинтетических активных фотонов, которые падают на данную поверхность каждую секунду. Измеряется в микромолях на квадратный метр в секунду (µmol/m2/sec). Для сравнения различных световых решений очень важно руководствоваться этим показателем. Оптимальный диапазон ПФФП для выращивания огурцов обычно варьируется от 200 до 300 µmol /m2/sec.

Базовым показателем также является DLI или ИДО — интеграл дневного освещения. Это суммарная величина расчета ПФФП в течение всего времени освещения в молях на метр квадратный в сутки (mol/m2/day).

Некоторые производители осветительных приборов для выращивания овощей в теплицах используют такой показатель, как ватт на метр квадратный (Вт/м² или W/m²) для характеристики интенсивности света. Однако этот показатель отражает мощность электричества, а не световой поток. Если PPF света известен вместе с входной мощностью, можно рассчитать, насколько эффективно система освещения преобразует электрическую энергию в световую. Единица измерения этой величины — микромоль на джоуль (µmol/J). Чем выше число, тем эффективнее работает система. 

Если компания-продавец осветительных приборов не предоставляет вышеназванные показатели, сложно проверить истинную эффективность работы их осветительных систем.

Для выбора оптимального светового решения нужно учитывать два фактора — имеющееся естественное и необходимое дополнительное освещение. Fluence OSRAM использует в работе данные по показателю DLI со всех регионов мира, тем самым помогает производителям тепличной индустрии точно определить необходимый объем освещения в разные периоды года.

Для повышения урожайности и увеличения объема производства необходимо учитывать используемый спектр света и его интенсивность в сочетании с другими благоприятными условиями для роста и развития растений. Такими, как температура, содержание углекислого газа, влажность, уровень орошения, плотность посадки, генетика растений. Нужно создать синергетическое взаимодействие этих факторов и помнить, что конечный объем полученного урожая всегда зависит от ограничивающих факторов, если их использовать неправильно.

Поэтому при повышении уровня освещенности рекомендуется использовать более высокие температуры, уровни CO₂ и орошения, а также увеличить плотность посадки, чтобы площадь листьев была достаточной для реализации максимального потенциала фотосинтеза.

Выращиваемая культура должна «привыкнуть» к увеличению уровня освещенности в теплице. Поэтому с каждым днем длительность периода освещения и интенсивность света должны постепенно увеличиваться на начальном этапе стратегии выращивания — стадии рассады. Интенсивность света и фотопериод можно наращивать в течение 2-3 недель после посадки, довести до оптимального значения ПФФП 200-250 µmol/m2/sec и достичь продолжительности освещения 20 часов в день. Возможности светодиодных светильников позволяют регулировать уровень освещения небольшими шагами.

При выборе стратегии, когда растения получают максимальное световое воздействие в течение 20 часов с максимальным ПФФП, культура должна постепенно получать все больше света на ранних стадиях развития. При переизбытке света, например, относительно числа плодов на м² может возникнуть несбалансированность заданных уровней освещенности и создаваемых продуктов фотосинтеза в растении. Если это происходит, оно начинает «избегать» света или даже обесцвечиваться под его воздействием.

Под воздействием избыточного освещения хлорофилл, являющийся составляющей частью хлоропластов, расщепляется для снижения уровня воздействия светового потока от источника.

Вместе с тем последствия нарушения баланса света в парнике можно устранить в течение 3-4 дней. Именно столько времени требуется растениям для быстрого восстановления при сокращении светового периода (увеличении продолжительности ночного времени) в сочетании с более высокой ночной температурой. Такой режим будет способствовать повышению уровня диссимиляции продуктов фотосинтеза.

Установка в теплице светодиодного освещения является самым простым и быстрым способом создания высокого потенциала урожайности выращиваемой культуры. В этом убедились специалисты компании, сравнив растения, которые выращиваются с использованием светодиодного освещения и без него. Какие получены результаты? Как огурцы реагируют на недостаток света?

При воздействии светодиодного освещения широкого спектра растения выглядят более компактно, расстояния между междоузлиями короче, а потенциал урожая значительно выше. При светодиодном освещении длина междоузлий меньше на 30-50%. При этом сокращаются трудозатраты по уходу за более компактными растениями. Длина стебля меньше, а это значит, что затрачивается меньше энергии на передачу воды к верхнему ярусу листьев, где происходит максимальное испарение. 

Существенным драйвером повышения урожайности при использовании светодиодного освещения является более высокая скорость формирования листьев и цветов. Рост и развитие растений не зависит от интенсивности солнечного излучения, недостаточного зимой. Прирост урожайности также обеспечивается за счет возможности повышения средних температур при высоком уровне освещенности. Светодиодное освещение позволяет работать при более высоких среднедневных температурах, обеспечивающих высокий темп роста плодов. Огурцы формируются на 2 дня быстрее по сравнению с контрольной группой даже в конце апреля, когда общее количество дневного света увеличивается.

По мере того, как производители продолжают внедрять светодиодную технологию, многие задаются вопросами: как различные световые спектры влияют на производство огурцов, как учесть все факторы, чтобы определить правильный спектр для среды выращивания?

Российские ученые выяснили, что растения в разные фазы развития по-разному реагируют на определенные спектры освещения и наиболее требовательны к наличию в спектре красного и синего излучения. В то время как зеленый и желтый спектры слабее влияют на процессы вегетативного роста и плодообразования.

Монохромное освещение огурцов в теплице вызывает у растений определенный стресс, который способствует рекордно быстрому росту и созреванию плодов, но сами плоды становятся безвкусными. В период вегетативного роста молодых растений рекомендуется воздействие синей части спектра (длина волны 400-500 нанометров), а в период цветения и образования завязей — красной (600-700 нанометров).

Чтобы помочь производителям выбрать правильное освещение, группа ученых Fluence OSRAM совместно с бельгийской Proefstation voor de Groenteteelt провели собственные исследования. Опыты проводились в осенне-весенний период 2019-2020 гг. с использованием верхнего света серии Fluence VYPRS.

Чтобы выяснить, какое влияние оказывают дополнительные спектры света на урожай и качество огурцов, исследовались сорта Cucumis sativus и Hi Power, пригодные для выращивания при помощи шпалерной системы и круглогодичного производства с максимальной прибылью. Плотность посадки — 2,5 растения на м². Было выбрано значение ПФФП 300 µmol/m2/sec, исходя из растущего интереса производителей к повышению уровня освещенности. Достигнутый ИДО составил примерно 20-25 mol/m2/day, фотопериод — 18 часов.

Различные световые спектры использовались на разных участках тепличного комплекса Proefstation для анализа результатов. Для сравнения были выбраны следующие спектральные решения из портфолио портфолио Fluence VYPRT:

• R4 — сбалансированный белый свет полного спектра с долями синего и зеленого света и красным диапазоном на уровне 40%;
• R6 — доля красного света около 60%, доли синего и зеленого — ниже;
• R8 — акцент на красном спектре (80%), синего и зеленого еще меньше;
• R9B — красно-синий неполный спектр (примерно 95% красного и 5% синего).

Исследователи обнаружили, что более полные цветовые спектры R4, R6, R8 влияют на растения более благоприятно, способствуют получению высокого урожая и быстрому развитию плодов по сравнению с фиолетовым светом R9B.

Под воздействием R8 и R6 плоды развиваются на 4-5% быстрее, чем под R9B. В среднем вес каждого огурца на 20 граммов больше. А спектр R8 позволил увеличить урожайность на 9%.

При анализе морфологии растений выявлено сокращение длины стебля растений до 10% при обработке R4. Здесь была отмечена тенденция: чем меньше красного добавляется к спектрам, тем короче интервал междоузлий. Уменьшение длины стебля как правило предусматривает сокращение трудозатрат в 2-3 раза за цикл выращивания на гектар. Также было замечено, что отличия воздействия света различных спектров стали более выраженными в весенние месяцы.

Вместе с тем принять решение об установке определенного освещения непросто. Например, спектр R8 c высокой долей красного света максимально эффективен для повышения урожайности. Но достаточно ли комфортно будет себя чувствовать персонал теплицы? Для производителей парниковых хозяйств, обеспокоенных условиями труда и воздействием света не только на растения, но и на людей, специалисты Fluence готовы предложить ряд оптимальных с этой точки зрения технических решений. Стоит учитывать при выборе и ряд других факторов: спектральное воздействие на растение (урожай/морфология/качество), экономическую составляющую, индекс цветопередачи и другие.

Исследовательская группа планирует продолжить свою работу, чтобы помочь производителям тепличных комплексов выбрать необходимые параметры освещения, которые обеспечат максимальную урожайность в течение всего года. Опыты будут продолжены и с другими культурами, такими, как томаты, салат-латук, перец и медицинская марихуана.

В конце вебинара эксперты Fluence OSRAM ответили на вопросы фермеров и владельцев тепличных комплексов.

Почему дополнительный свет важен для выращивания огурцов?

Свет — фундаментальный ресурс, необходимый для фотосинтеза. Без него не может расти ни одно растение. При снижении интенсивности и продолжительности освещения в течение суток огурцы будут расти плохо. По крайней мере, ждать хорошего урожая не приходится. Обеспечив им доступ к достаточному количеству света, производители могут получать больше плодов по сравнению с использованием только естественного освещения, когда низкая интенсивность света и короткий световой день не позволяют максимально реализовать потенциал урожайности культуры. Искусственное электрическое освещение повышает эффективность производства не только огурцов, но и томатов, зелени, цветов и других культур. 

Насколько целесообразно применение светодиодного освещения в южных широтах?

Важной характеристикой светодиодов является выделение меньшего количества тепловой энергии, чем у других светильников. Благодаря этому огуречные теплицы могут использовать дополнительное освещение весной или в более жарком климате, обеспечивая высокие объемы производства качественных плодов круглый год. Кроме того, светодиоды гораздо эффективнее преобразуют энергию в фотоны света.

Насколько важен естественный солнечный свет? Ведь возможности искусственной подсветки практически не ограничены?

При выращивании овощей желательно по максимуму использовать естественный солнечный свет. И не только в целях экономии энергии и снижения затрат. Только в условиях, максимально приближенных к природным, можно получить качественную, вкусную и ароматную продукцию.

Подготовлено по видеоматериалам, предоставленным компанией Vostock Capital.