Спектры в агрофотетике

Спектры в агрофотетике

Спектры в агрофотонике

Выращивание фруктов и овощей в искусственных условиях по сути не является новой технологией. Однако интенсивный рост населения мира в последние годы привел к увеличению потребления продуктов питания. Следовательно, вопросы повышения продуктивности и эффективности систем искусственного выращивания становятся актуальными.

Введение

Производительность всей системы выращивания определяется количественным критерием оценки – например, полезной сухой массой или объемом целевого экстракта листьев / корней. В случае качественной оценки можно проанализировать химический состав и морфологию растений (изменчивость формы и размера стеблей / листьев / плодов).

Для большинства сельскохозяйственных культур наилучшие урожаи и качество продукции могут быть получены, когда растениям обеспечиваются комфортные условия, в которых все основные физиологические потребности максимально приближены к естественным.

Поэтому в большинстве практических задач растение, выращенное в естественных условиях, можно использовать как эталон для сравнения и оценки результатов искусственного выращивания. Природные условия для выращивания данной культуры обычно соответствуют климату региона ее первоначального происхождения.

Основы

Рассматривая процесс выращивания растений как замкнутую систему, можно выделить следующие основные факторы, влияющие на результат (см. Рисунок 1):

– Солнечный свет, основной источник энергии
– углекислый газ (CO2) в воздухе (углерод – основной элемент, используемый для создания новых клеток)
– вода, главным образом как источник кислорода, который в ней содержится и необходим для фотосинтетической реакции.
– температура окружающего воздуха.

Оптимальная температура для фотосинтеза для большинства растений средней зоны составляет около 20-25 ° C. Например, для подсолнечника повышение температуры в диапазоне от 9 до 19 ° C увеличивает интенсивность фотосинтеза в 2,5 раза. [1]

Таким образом, при фотосинтезе благодаря энергии света органические вещества (углеводы) образуются с участием хлорофилла. Хлорофилл (греч. Χλωρός, «зеленый» и φύλλον, «лист») – это зеленый пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зеленый цвет [1].

Таким образом, количество света является важным фактором, влияющим на интенсивность роста растений. [2]

Также за годы эволюции этот процесс адаптировался к суточному циклу дня и ночи. Днем свет расщепляет воду на кислород и водород, а растение накапливает энергию и питательные вещества. Ночью, когда темно, энергия, накопленная углекислым газом, соединяется с водородом, образуя молекулы углеводов, что означает, что растение может расти.

Поэтому при искусственном выращивании растений важно не только обеспечивать высокий уровень освещения, но и иметь правильный световой цикл для достижения наилучших результатов.

О спектрах

Современные светодиодные технологии позволяют форматировать сложные световые спектры растений. Рассмотрим, как спектр влияет на процесс роста.

На рис. 2 подробно показаны спектры поглощения энергии основных растительных пигментов.

Можно видеть, что в дополнение к традиционно упомянутым пигментам хлорофилла с пиками поглощения в диапазоне 400-500 нм и 650-700 нм на процессы роста также влияют вспомогательные пигменты из семейства светособирающих фитобилипротеинов.

В некоторых исследованиях спектры поглощения основных пигментов складываются, чтобы сформировать «универсальный» спектр, форма которого показана на рис. 3.

Фотосинтетически активное излучение (ФАР) используется для количественной оценки воздействия света на растения. В английской литературе это фотосинтетический фотонный поток (PPF). PPF измеряется как количество фотонов, испускаемых источником света, которые могут быть поглощены растением во время фотосинтеза (диапазон длин волн от 400 до 700 нм).

PPF рассчитывается без учета неравномерного поглощения растением энергии разных длин волн. Поэтому, помимо PPF, иногда используется YPF – Yield Photon Flux – так называемый поток фотонов, поглощаемых растением. Для расчета YPF мы используем взвешенное значение PAR и спектр эффективности фотосинтеза в качестве весовых коэффициентов.

Спектр эффективности фотосинтеза представлен на рис.4.

Кривая, взвешенная по фотонам, преобразует PPFD в YPF; кривая, взвешенная по энергии, позволяет сделать то же самое для PHAR, выраженного в ваттах или джоулях.

Рассмотрим подробнее, как на растения влияет радиация в разных частях этого диапазона.

Ультрафиолет C (280 – 315 нм)

Воздействие этого излучения на растения оказывает негативное воздействие, оно может привести к гибели клеток и обесцвечиванию листьев / плодов.

Ультрафиолет B (315- 380 нм)

Это излучение не оказывает видимого воздействия на растения.

Ультрафиолет A (380 – 430 нм)

Передозировка УФ-излучения может быть опасна для листьев, но низкие дозы излучения поглощаются во время цветения и созревания плода и влияют на его цвет и биохимический состав (вкус). Обычно дозы, получаемые растением при естественном освещении, достаточны для поддержания этих процессов.

Синий свет (430-450 нм)

Как показано выше, эта часть спектра хорошо поглощается большинством основных растительных пигментов. Эта часть спектра может влиять на морфологию растений: размер и форму куста / листьев, длину стебля. Ряд исследований указывает на лучшую эффективность синего света на ранней стадии развития растений (вегетативная фаза).
Синий свет способствует раскрытию устьиц, росту белка, синтезу хлорофилла, делению и функции хлоропластов, а также подавлению роста стеблей.

Зеленый свет (500-550 нм)

Большая часть этого диапазона отражается от листьев, но нельзя недооценивать роль этой части спектра в полном развитии растения. Например, зеленое излучение, отраженное от верхних листьев растения, имеет лучшую проникающую способность и способствует более равномерному развитию листьев на более низких уровнях, которые затмеваются более крупными соседями (рис. 5) [5].

Более того, контролируя уровень зеленого в спектре излучения, можно контролировать дату и продолжительность фаз прорастания и цветения.

Оранжевый свет (550-610 нм)

Что касается спектров поглощения хлорофилла, обсужденных выше, этот диапазон имеет незначительный уровень чувствительности. Однако успешные эксперименты с натриевыми лампами, излучение которых находится в основном в этом диапазоне, подтверждают, что растения могут процветать даже при неоптимальном спектральном составе освещения.

Красный (610-720 нм)

Самый эффективный диапазон по количеству фотонов, поглощаемых растением на всех стадиях развития.
Красный свет способствует цветению, прорастанию почек, росту стеблевых листьев, опаданию листьев, покою почек, этиоляции и т. Д.

Дальний красный (720-1000 нм)

Несмотря на незначительный отклик в спектрах поглощения основных пигментов, дальний красный диапазон выполняет своего рода «сигнальную» функцию – подобно зеленому, регулируя уровень дальнего красного, можно влиять на время и продолжительность цветения и фазы плодоношения.

Инфракрасный (1000 нм и выше)

Все излучение в этом диапазоне преобразуется в тепло, что дополнительно влияет на температуру растения.

Помните, что в случае естественного солнечного света более 50% излучаемой энергии приходится на инфракрасный диапазон. Если растение в искусственных условиях облучают только в диапазоне 400-700 нм, необходимо обеспечить дополнительный запас мощности в системе обогрева для поддержания комфортной температуры.

Потребности растения на разных этапах роста

Как упоминалось выше, свет – это не только источник энергии, регулирующий фотосинтез. Различные части спектра воспринимаются растением как сигналы, влияющие на многие аспекты роста и развития (прорастание, деэтиоляция). Изменения в развитии растений, связанные со светом, являются результатом фотоморфогенеза.

На диаграмме на Рисунке 6 показаны основные эффекты, вызванные разными цветами на протяжении жизненного цикла растения.

Рассмотрим подробнее влияние света на разных этапах.

Синтез хлорофилла

Наибольшее количество хлорофилла вырабатывается в синем свете, меньше – в белом и красном свете, а наименьшее – в зеленом и тени. С другой стороны, соотношение хлорофиллов A и B также не одинаковое. Наибольшая разница в пропорциях A и B наблюдается в желтом и синем свете. Красный свет способствует высокому производству хлорофилла типа А.

Голубой свет подходит светолюбивым растениям, красный свет тенелюбивым.

Цветение

Соотношение продолжительности светлого и темного периодов называется фотопериодом. Общая продолжительность дня составляет 24 часа, но в зависимости от широты и времени года продолжительность дня и ночи не одинакова. В зависимости от различных климатических условий и мест фотопериод варьируется от растения к растению. Цветение, опадание листьев и гибернация бутонов – это реакция растений на изменения фотопериода.

Готовые к цветению растения зацветут, когда наступит соответствующий световой период. Количество дней до цветения зависит от возраста растения. Чем старше растение, тем быстрее оно зацветет. На листья растений влияет фотопериод. Чувствительность листьев к изменениям фотопериода связана с возрастом растения. Чувствительность старых и молодых листьев разная. Наиболее чувствительны к изменениям фотопериода подрастающие листья.

Накопление питательных веществ и рост растений регулируются красным и дальним красным излучением. Воспроизведение определяется синим светом. Фитохром в листьях может улавливать красный и дальний красный световые сигналы. Готовое к цветению растение зацветет, если последним излучением будет красный свет.

На рис. 7 представлены спектры поглощения растений при синтезе хлорофилла, фотосинтезе и фотоморфогенезе.

Светодиоды

Современные мощные светодиоды, используемые при искусственном освещении растений, позволяют формировать монохроматическое излучение практически во всех рассмотренных выше диапазонах спектра.
Пример спектров светодиода показан на рис.8.

Стоит обратить внимание на светодиоды с длиной волны 450 нм («глубокий синий») и 660 нм («дальний красный»), так как эти компоненты совпадают с пиками поглощения хлорофилла. Как упоминалось выше, наличие светодиодов с пиками излучения в других частях спектра позволяет дополнительно стимулировать другие части спектра поглощения. Светодиоды с белым люминофором (серая кривая на рис. 8) имеют относительно широкую область излучения люминофора в своем спектре, а также синий пик излучения непоглощенного люминофора из синего кристалла.

Комбинация светодиодов разного цвета в одном светильнике с возможностью независимого управления позволяет формировать практически любой спектр для данной культуры и фазы ее развития.
Примеры спектров, используемых в различных сценариях освещения растений, показаны на рис.9.

Отдельно следует учитывать спектр излучения, получаемого растением, когда на него одновременно воздействуют естественное излучение и излучение светодиодной системы послесвечения.
Предположим, что в светильнике для дополнительного освещения используются синие и красные светодиоды в соотношении примерно 1: 2 (с точки зрения уровня энергии) для стимуляции хлорофиллов на стадии вегетативного роста.

Пример такого спектра показан на рисунке 10.

На самом деле, листья растений также подвержены влиянию спектра солнечного излучения, и общий спектр излучения выглядит следующим образом (рис. 11).

Видно, что в этом случае добавка одноцветных растений в сочетании с широкополосным естественным излучением дает спектр, стимулирующий все основные зоны поглощения растений. Полученный спектр по форме близок к полному спектру поглощения всех рассмотренных выше основных растительных пигментов.

Заключение

Обобщая этот обзор, можно отметить следующее:

Спектральный состав света – важный фактор для продуктивного выращивания растений в искусственных условиях, но не главный. Увеличить урожай можно за счет оптимизации спектра, если у растения достаточно основных потребностей (температура, вода, CO2, вентиляция). Количество света также имеет более высокий приоритет, чем его спектральный состав.

Современные светодиодные диоды позволяют эффективно формировать излучение в спектральном диапазоне поглощения растений. Также возможно использование так называемого монохроматические диоды разного цвета (длины волны излучения) и традиционные белые люминофорные диоды, дающие однородное широкополосное излучение.

Наличие в светильнике светодиодов разных цветов и технологии независимого управления позволяет изучить влияние спектра на эффективность выращивания того или иного растения в конкретных условиях и выработать оптимальный цветовой баланс для повышения урожайности.

Список литературы

Физиология растений. Н. И. Якушкин. Издатель: Владос. Год: 2004 г.

Исследование образования хлорофилла в растениях. Монтеверде Н. А., Любименко В. Н. Известия Императорской Академии наук. Серия VII. – СПБ., 1913. – ТОМ. VII, № 17. – С. 1007-1028.

Создание эффективных светодиодных фито-осветителей. Сакен Юсупов, Михаил Червинский, Екатерина Ильина, Владимир Смолянский. Полупроводниковое освещение N6’2013.

Доля зеленого света в росте и развитии растений. Wang, Y. & Folta, K. M. Am. J. Bot. 100, 70-78 (2013).

Освещение для растений: по каким параметрам выбрать лампу

Отправим материал на почту

    Влияние света на растения. Искусственный свет, когда без него не обойтись Параметры нормальной световой среды Виды искусственного света Лампы накаливания Флюоресцентные лампы LED (светодиод, светодиодные лампы) Газоразрядные (HID) лампы высокой интенсивности Как узнать, получают ли растения достаточно света? Основы с первого взгляда

В естественной среде обитания растения поглощают столько солнечного света, сколько им положено. Но дома всегда меньше, особенно зимой, когда практически всем цветам нужен дополнительный свет. Вот как справиться с освещением цветов и какие лампы лучше всего использовать.

Влияние света на растения

В зеленых листьях свет превращает углекислый газ и воду в углеводы – вещества, необходимые для роста растений. Именно световая энергия запускает этот процесс, фотосинтез; когда нет света, этот процесс замедляется. Это сказывается на внешнем виде цветов: листья теряют окраску, побеги истончаются и плохо разрастаются, цветение ослабевает.

Большая часть территории России расположена в регионах с продолжительным зимним периодом. Зимой день становится короче, и даже цветам на южном подоконнике не хватает естественного света; Особенно страдают растения, расположенные на расстоянии более одного метра от окна.

Дополнительный свет нужен для правильного развития растений. Проблема в том, что разные цветы имеют разные требования к освещению и по-разному реагируют как на слишком мало, так и на слишком много света.

Искусственное освещение: когда без него не обойтись

Чтобы установка дополнительного освещения не стала пустой тратой семейного бюджета, стоит выяснить, когда это действительно необходимо. Дополнительный свет нужен растениям в следующих случаях:

    Если количество пасмурных дней превышает количество солнечных дней в местности. Если цветы держать на подоконнике, но из-за их расположения (северная сторона) попадание прямых солнечных лучей задерживается менее чем на 3,5 часа. Осенью и зимой в регионах с коротким днем ​​(весь центральный пояс России и более северные районы) при поддержании температуры выше 22 ° C.

Искусственный свет принесет пользу, если он соответствует следующим критериям:

    Быть качественным. Солнечный свет состоит из волн разной длины. Они образуют полный спектр, от короткого ультрафиолета до длинного инфракрасного. Искусственное освещение должно быть максимально приближено к солнечному свету. Эта задача усложняется тем, что цветы используют разные длины волн (из разных частей спектра) в разное время своей жизни. У него будет соответствующая продолжительность. Для разных видов предпочтительная продолжительность светового дня различается, что следует учитывать при выборе режима освещения. Некоторые цветы распускаются только при нахождении на свету 12-14 часов в сутки; Другим достаточно 8-10 часов. У него будет правильная интенсивность. Требования к освещению варьируются от вида к виду, от 10 000 люкс (яркий) до 3 000 люкс (низкий уровень освещения). Появится периодичность. В природе все циклично, поэтому для комнатных растений важны не только параметры света, но и его периодичность.

Параметры нормальной световой среды

Чрезвычайно важны не только отдельные факторы, но и их правильное сочетание. При организации искусственного освещения следует обеспечить как правильное количество света, так и правильное чередование светлых и темных периодов. Например, если осветить светолюбивые виды маломощной лампой, они могут заболеть, даже если продолжительность дня правильная.

Для активного развития и цветения разные виды нуждаются в освещении в следующих пределах:

    Яркий свет (8-10к люкс). Кактусы, пальмы и орхидеи нуждаются в ярком свете. Роса, бугенвиллия, гибискус и пеларгония светлые. Умеренный (4-6 тыс. Лк). Некоторые кактусы и пальмы, каланхоэ, гибискус, плющ, амариллис, хризантема, бегония. Плохо (1-3к лк). При слабом освещении хорошо себя чувствуют папоротники, тридесканы, драцена, спаттифиллум, эхинантус, дифенбахия.

Параметр света, то есть его спектральный состав, важен для развития растений. Солнечный свет неоднороден, он содержит лучи разной длины волны. Спектр условно делится на два типа:

    Теплый (длинные волны, красный и оранжевый). Оранжевые лучи имеют длину волны 620-595 нм, красные – 720-600 нм. Цветовая температура 2700-3000 К. Холодный (коротковолновый, синий и фиолетовый). Длина волны составляет 490–380 нм. Цветовая температура около 4000-6500К.

Обе части спектра важны для развития цвета, но имеют разные эффекты. Искусственные лампочки, предназначенные для растений, обозначены цифрами, и чем больше цифра в списке, тем холоднее.

Специальные лампочки помогают достичь следующих целей:

    Красный и оранжевый спектр. Эти лучи отвечают за процессы фотосинтеза, влияют на скорость роста и развития, отвечают за цветение и плодоношение. Они пригодятся, если вы хотите выращивать цветы или, например, лимоны, помидоры или перец. Теплые лучи спектра полезны для роста корней, а также для подготовки к цветению. Синий и особенно фиолетовый спектр. Они также участвуют в фотосинтезе, но дополнительно стимулируют образование белков и рост зеленой листовой массы. Холодный спектр полезен, если вы собираетесь выращивать зелень или рассаду; для корнеплодов будет достаточно. Сорта, которые привыкли к короткому дневному свету, будут цвести быстрее при воздействии ламп холодного спектра.

Лучи теплого спектра также отвечают за синтез витаминов и предотвращают чрезмерное удлинение цветов. Более резкие ультрафиолетовые лучи повышают хладостойкость. Зеленые и желтые лучи оказывают минимальное воздействие и не являются существенными для внутренней флоры.

Освещение для комнатных растений не обязательно должно быть узкоспециализированным. В большинстве случаев можно использовать освещение полного спектра, что значительно облегчит жизнь.

Виды искусственного освещения

Несколько разновидностей искусственных источников света используются для улучшения роста и развития растений. К ним относятся как специальные фитолампы, так и бытовая техника, каждая со своим набором свойств.

Лампы накаливания

Главная особенность таких устройств – экономическая неэффективность и небольшой срок службы, что компенсируется бюджетными затратами. Большая часть электричества преобразуется не в свет, а в тепло. По этой причине их не следует ставить слишком близко к горшкам и контейнерам: и листья, и почва высохнут. Но если вы увеличите расстояние, интенсивность света снизится, и условия будут недостаточными для большинства видов.

Лампы накаливания – плохая замена солнечному свету. Их спектр богат красным светом, но синие волны практически отсутствуют (стекло сохраняет ультрафиолетовый свет). Такие светильники не подходят в качестве единого источника, но могут использоваться совместно с люминесцентной лампой, дополняя ее спектр красным светом.

В теплицах, где достаточно места, для обогрева воздуха можно использовать лампы накаливания. Некоторые модели имеют встроенный отражатель; они более полезны в качестве фитоламп, поскольку создают более комфортную среду.

Люминесцентные (флуоресцентные) лампы

Первые люминесцентные лампы были громоздкими и не очень удобными, но позже появились компактные модели. Их удобно использовать для выращивания мелких цветов и выращивания рассады на ограниченном пространстве. Они также подходят в качестве дополнительного источника, когда оконного света недостаточно.

Люминесцентные лампы оптимальны для домашнего использования. Их срок службы до 10 000 часов по сравнению с лампой накаливания, которая в среднем длится около 1 000 часов. Они дешевле в эксплуатации, эффективно преобразуют электроэнергию и выделяют относительно мало тепла.

Их спектр излучения в основном находится в синей и красной частях, но интенсивность излучения относительно невысока. По этой причине их ставят очень близко к листьям для максимальной пользы.

В магазинах имеются лампы дневного света, различающиеся длиной колбы (трубки), диаметром, типом патрона. Также они различаются мощностью и цветовой температурой, наиболее распространены форматы цветности при 4000 К и 6500 К. Для внутренней флоры подходящим решением будет покупка люминесцентной лампы Т12. Модель Т5 (с меньшим диаметром) излучает свет большей интенсивности, необходимый для светолюбивых растений.

Светодиоды (LED-лампы)

Светодиодные лампы отличаются большей эффективностью. Они дороже, но благодаря высокому КПД (90-95%) экономично работают при эксплуатации. Они служат в 4-5 раз дольше люминесцентных ламп по 45-50 тысяч каждая. часов, даже особо светолюбивую флору такая лампа будет светить 7-9 лет.

Светодиоды обеспечивают высокую интенсивность излучения, при этом они практически не нагреваются сами по себе и не нагревают листья и стебли. Дополнительными преимуществами светодиодных устройств являются их экологичность (они не содержат вредных для здоровья веществ) и возможность работать при низком напряжении.

Спектр стандартных светодиодных ламп из магазина не подходит для выращивания растений. Существуют светодиодные источники со специальным спектром (красный и синий) или регулируемой длиной волны, подходящие для использования в цветоводстве. Их выбирают в зависимости от задач: для общего использования подходят светодиодные источники с длиной волны 430 нм (белый свет), для растительности или роста выбираем светодиодные лампы с длиной волны 450-455 нм (синий свет). В период цветения пригодится светодиод со спектром 600-700 нм (красный).

Видео описание

Следующее видео посвящено освещению комнатных растений:

Газоразрядные лампы (HID)

До появления на рынке светодиодных ламп источники разряда были единственным достойным вариантом для обслуживания крупных тепличных хозяйств. Они эффективны и преобразуют электричество в свет в 8-10 раз эффективнее, чем лампы накаливания, но проигрывают светодиодам.

В качестве наполнителя колбы можно использовать инертные газы, пары металлов (натрий, ртуть) или их смеси. Самыми эффективными лампами являются натриевые лампы (HPS), которые производят излучение низкого (красного) спектра и подходят для поддержания цветения. Второй тип – это металлогалогенные (MH) лампы, которые производят излучение высокого спектра и удобны для усиления вегетативного роста.

Лампы HID прочные и прочные, но излучают много тепла, и их яркость не регулируется. Они также большие и относительно дорогие, для них требуются балласты и системы охлаждения.

Сочетание этих характеристик делает лампы HID удобными для использования в теплицах и непрактичными в домашних условиях. Лампу HID можно использовать дома, если у вас достаточно места для выращивания крупных растений, таких как цитрусовые или помидоры.

Видео описание

О домашнем освещении для вашей цветочной коллекции смотрите в видео ниже:

Как узнать, достаточно ли света получают растения

Внешний вид комнатных растений служит надежным показателем того, достаточно ли они получают света. Причины плохого роста могут быть связаны с другим фоном, но недостаток света стоит учитывать, если у цветов проявляются следующие симптомы:

    Листья становятся меньше обычных. Цвет листьев и стеблей становится менее интенсивным. Расстояние между двумя соседними узлами (точками роста листа) слишком велико; растение будто тянется к свету. Нижние листья начинают желтеть, листья бабочки становятся зелеными.

Чтобы получить реальное представление об условиях освещения, значения освещенности можно измерить с помощью измерителя. Фотометр или люксметр (например, люксметр RADEX LUPINE) подходят для домашнего использования. Бытовая техника удобна в использовании, она поможет организовать оптимальные условия освещения. Альтернативным решением может стать специализированное приложение, которое можно скачать в Play Market или аналогичном магазине. Он будет проводить измерения с помощью камеры вашего смартфона.

Если замеры показывают, что уровень освещения близок к норме, лампы заменять не нужно. Использование доступного искусственного света можно максимально увеличить. Рефлекторы (рефлекторы) могут помочь. Они сделаны из металла (обычно алюминия) с различными покрытиями, могут быть установлены или подвешены, что значительно улучшает качество освещения растений.

Видео описание

Подробнее о светодиодном освещении вы можете узнать из следующего видео:

Коротко о главном

Комнатным растениям часто не хватает солнечного света, поэтому им необходимо искусственное освещение. Чтобы приспособить его параметры к потребностям комнатной флоры, необходимо знать, какие условия необходимы для того или иного вида.

Важный параметр – яркость (интенсивность, мощность) света. Спектр, излучаемый лампой, также важен для развития растений. Есть теплая и холодная части спектра, которые необходимы цветкам на разных стадиях развития.

Для обеспечения правильного светового режима используется несколько типов ламп. Люминесцентные лампы – популярный выбор в домашнем садоводстве. Вы можете определить, получают ли растения достаточно света, посмотрев на них и используя бытовой люксметр или специальное приложение.

Ссылка на основную публикацию