Фитотрон для светодиодной досветки растений в теплицах и на дому

В начале XX века было замечено благоприятное
воздействие искусственного освещения
на рост растений. Эксперименты, проведенные
на Земле и в космосе в начале 80-х годов прошлого
столетия, показали, что при освещении
растений длинноволновым красным светом
с энергетическим потоком Ф_е = 3×10^–2 Вт интенсивность
их роста увеличивается по сравнению
с ростом при дневном освещении [1].
Нестабильный уровень естественного освещения
в осенний и зимний периоды лимитирует
развитие птицы, животных и рост овощных
культур, что, естественно, снижает их продуктивность.

Известно, что при низкой освещенности
наиболее эффективно проявляется фоторегуляторное
действие света, энергия которого
используется преимущественно для переключения
метаболических путей, начинающих
функционировать с большим коэффициентом
усиления. Досветка овощных культур в определенной
области спектра позволяет существенно
повысить их урожайность. В технологии
досветки есть высокоинтенсивные и низкоинтенсивные
методики, при которых не происходит
нагрева обрабатываемых объектов. При
этом для минимизации затрат энергии чрезвычайно
важно знать аспекты взаимодействия
излучения с объектом. Интересным представляется
когерентное и некогерентное возбуждение от системы нескольких маломощных источников.

В настоящее время свойства биообъекта как
приемника солнечного света (электромагнитного
излучения) описаны в деталях на атомномолекулярном
уровне как в популярных, так
и в серьезных научных журналах и монографиях
[2–4]. Наиболее важными составными
частями фотосинтетического аппарата являются:
светособирающая антенна, фотохимический
реакционный центр и цепь транспорта электронов.
Интересен предложенный З. Г. Фетисовой и затем
экспериментально подтвержденный метод математического
моделирования принципа оптимизации
функционирования светособирающих
структур как пример способности клеток к кооперативному
решению задач их существования.
Необходимо предложить подход для поиска
оптимальных спектральных составов облучения
для структуры растения как сложного биологического
объекта с изменяющейся по времени
и в пространстве геометрией, но функционирующего
постоянно по местоположению.

Целью данной работы являлось исследование
воздействия светодиодной досветки
растений красным светом в устройстве, обеспечивающем
равномерную подсветку (фитотроне),
проведение сравнительного изучения
морфофизиологических особенностей роста
и развития растений в фитотроне и использование полученных результатов в пленочных
теплицах.

Разрабатываемый комплекс по досветке
овощных культур предназначен для обеспечения
регулируемого по спектральному
составу и интенсивности дополнительного
освещения овощных культур, выращиваемых
в тепличных условиях. В настоящее время
можно получать свет различных участков
спектра с помощью полупроводниковых
устройств [5], дающих почти монохроматический
пучок в определенной спектральной
полосе. Для растениеводства важными и интересными
являются устройства красного света.
В производственных и в лабораторных условиях
использовались полупроводниковые
источники красного света с длиной волны
660±15 нм, повышающего интенсивность
фотосинтеза и регулирующего активность
фитохромной системы [6, 7]. Требуется обеспечить
создание эффективного низковольтного
электрооборудования в виде управляемых
многоволновых систем освещения нового
поколения. Сравнительная оценка существующих
методов приведена в табл. 1.

Установки состоят из модулей, предназначенных
для решения самостоятельных задач
по досветке и подключаемых в технологическую
схему в зависимости от необходимости их применения
(параметров воздействия и предъявляемых
требований к процессу досветки,
площади и т. п.).

Таблица 1. Сравнение существующих методов досветки растений

Для домашних (лабораторных) условий
предполагается создание небольших и, следовательно,
сравнительно недорогих секций
фитотрона с поперечными размерами примерно
25.54 см². Это устройство будет являться
базовой секцией, конструкция которой
обеспечит возможность состыковки требуемого
количества секций для создания фитотрона
с большой площадью досветки, необходимой
в производственных условиях. Для
регулировки светового потока — главным
образом в промышленных условиях — светодиодный
комплекс досветки снабжается
электронным блоком питания и управления.
Для бытовых применений (например, выращивание
рассады в домашних условиях) предполагается
использовать специализированный
блок питания.

По сравнению с существующими предлагаемые
установки обладают следующими
преимуществами:

• обеспечивают непрерывную комплексную
  и долговременную досветку;
• способны работать в режиме контроля технологического
  процесса досветки (регулировка
  интенсивности и спектра облучения);
• имеют модульную конструкцию;
• не требуют постоянного контроля за режимом
  досветки;
• имеют малую удельную энергоемкость (один
  световой модуль облучения потребляет
  около 6 Вт);
• имеют компактные массогабаритные показатели
  при сравнительно большой производительности;
• отличаются мобильностью, размещены
  на легкой подвеске;
• быстро монтируются за счет функционально
  самостоятельных модулей;
• не требуют предварительной инженерностроительной
  подготовки площади под
  размещение.

Схема фитотрона, используемая при расчетах,
приведена рис. 1. На крышке закреплены полупроводниковые
источники красного света
(длина волны 660 нм), излучающие на поверхность
почвы, насыпанной в «корзину», потоки
Ф1, Ф2 и Ф3. Освещенность поверхности или
растений можно изменять с помощью телескопических кронштейнов, увеличивая или
уменьшая высоту источников света относительно уровня поверхности «корзины».

Рис. 1. Схема для расчета фитотрона:
1 — крышка; 2 — телескопические
кронштейны; 3 — «корзина»

Для получения положительного эффекта достаточно энергетического потока Фе = 3?10–2 Вт,
что соответствует световому потоку Ф = 1,53
лм, поэтому на поверхности почвы в «корзине» требуется создать освещенность Е = 1,53
лм/м2. Для определения параметров и количества полупроводниковых источников света
использовался точечный метод. Пространственная
освещенность в каждой зоне светового потока
от источника света, находящейся под
углом . к перпендикуляру к поверхности
почвы, определяется выражением

Е = (I × сosα)/l²,

где I — сила света источника под углом α,
l — высота источника над уровнем почвы
в «корзине».

Расстояние между соседними источниками
света определяется из условия равномерности
засветки поверхности от двух соседних
источников света. Крайняя зона выносится
из «корзины». Принятые размеры: ширина
корзины 25 см, длина — 54 см, высота расположения
источников света — 25 см.

В программе MathCad составлена модель
расчета фитотрона, которая позволяет
оптимизировать его параметры. Результаты
были проанализированы на достоверность
и сопоставлены с результатами, полученными
при помощи программы для расчета
уровня освещенности Dialux.

Расчет для такого фитотрона показывает, что
для создания необходимой освещенности (энергетического
потока) требуется 18 полупроводниковых
источников красного света с осевой силой
света не менее 0,25 Кд и полным углом расходимости
светового пучка не менее 40°. Источники
света расположены эквидистантно на высоте
25 см от поверхности почвы в «корзине».

Объектами исследования в промышленных
условиях служили растения огурца, томата,
перца, капусты, редиса и салата, выращенные
в осенний период (октябрь–ноябрь) в экспериментальных
пленочных теплицах [5]. Температура
воздуха в фитотроне и внутри теплиц сохранялась
на уровне 19–21 °С и являлась комфортной
для роста и развития овощных культур.

Таблица 2. Влияние света полупроводниковых источников (красный, 660±15 нм)
на морфометрические характеристики 12-дневных растений огурца

Рис. 2. Влияние красного света полупроводниковых
источников на рост и развитие растений:
а) томата; б) перца

Морфометрические измерения растений
огурца (табл. 2) показывают ускорение роста
и развития растений под действием красного
света, полученного с помощью полупроводниковых
источников света. У опытных
растений увеличивается высота, возрастают
количество листьев и площадь ассимилирующей
поверхности (рис. 2). Активирующая роль
длинноволнового участка спектра обнаружена
и для других растений (табл. 3). В 12-дневных
растениях капусты и салата под действием красного света возрастает содержание хлорофилла а (хл. а) и суммы хлорофиллов (табл. 4).
Содержание каротиноидов изменяется незначительно, хотя и отмечается некоторая тенденция
к их увеличению. Соотношения хл. а/хл. в и суммы
хлорофиллов, а также каротиноиды сохраняются в пределах физиологических колебаний.

Таблица 3. Влияние света полупроводниковых источников (красный, 660±15нм)
на морфометрические характеристики 12-дневных растений

Таблица 4. Влияние света полупроводниковых источников (красный, 660±15 нм)
на содержание пигментов в 12-дневных растениях капусты и салата

Таким образом, во время падения интенсивности
естественного света (осень–зима) или
в условиях искусственного освещения досветка
растений красным светом низкой интенсивности
с использованием полупроводниковых
источников света является благоприятной для
роста и развития растений.

Выводы

• Проведенные исследования показывают,
  что морфологические изменения заметны
  только при облучении целостного растения.
  Это подтверждает биоинформационный
  характер низкоуровневого, нетеплового
  воздействия на объект как сложную самоорганизующуюся
  систему.
• Таким образом, во время падения интенсивности
  естественного света (осень–зима) или
  в условиях искусственного освещения досветка
  растений красным светом низкой интенсивности
  с использованием полупроводниковых
  источников света является благоприятной
  для роста и развития растений.

Литература

1. Варфоломеев Л. П. Светодиоды и их применение
   // Новости светотехники. М: Дом
   света. 1998.
2. Рубин А. Б. Первичные процессы фотосинтеза
   // СОЖ. 1997. № 10.
3. Потапова Т. Энергетика живой клетки //
   В мире науки. 2006. № 3.
4. Шувалов В. А. Преобразование солнечной
   энергии в первичном акте разделения зарядов
   в реакционных центрах фотосинтеза.
   М.: Наука. 2000.
5. Трофимов Ю. Постулаты развития полупроводниковой
   светотехники // Современная
   светотехника. 2010. № 1.
6. Астафурова Т. П., Верхотурова Г. С., Зайцева
   Т. А., Симонова Е. И., Астафуров В. Г.,
   Левицкий М. Е. Оптимизация условий
   освещения при выращивании овощных
   культур в закрытом грунте // Рациональное
   использование природных ресурсов
   Сибири. Томск. Изд-во ТГУ. 1989.
7. Аминов Р. И., Астафурова Т. П., Верхотурова
   Г. С., Викторова И. А., Зайцева Т. А.,
   Лукаш В. С., Ракитин А. В. Оптимизация
   условий выращивания овощных культур
   в пленочных теплицах // Сб. трудов
   Томского сельхозинститута Новосиб.
   гос. аграрного унив-та. 2001.