Формула света: ученые разработали и апробировали единую систему оптимизации режима освещения

Текст: Ю. А. Беркович, д-р техн. наук, вед. науч. сотр.; С. О. Смолянина, канд. биол. наук, ст. науч. сотр.; И. О. Коновалова, канд. биол. наук, науч. сотр.; В. Г. Смолянин, глава спец. подразделения, ФГБУН ГНЦ РФ — Институт медико-биологических проблем РАН

Многочисленные опыты по выращиванию растений под светодиодными облучателями показывают, что не существует единого, оптимального для всех растений режима освещения. Для каждой культуры требуется индивидуальное создание подходящих условий, что усложняет работу промышленных теплиц и удорожает производство. Поэтому актуальной становится разработка универсальных подходов в этой сфере.

С возникновением достаточно мощных и энергетически экономичных светодиодов со спектрами излучения, перекрывающими практически весь диапазон фотосинтетически активной радиации, появилась возможность создавать режимы искусственного освещения, максимально удовлетворяющие потребностям растений. Однако, несмотря на ряд технологических преимуществ, применение таких облучателей в промышленном растениеводстве в большинстве случаев приводит к увеличению сроков окупаемости оборудования по сравнению с традиционными светильниками, например дуговыми натриевыми лампами. Такое явление обусловлено, в том числе, высокой стоимостью светодиодов. Одним из путей преодоления этой проблемы является снижение себестоимости получаемой продукции за счет выбора оптимальных режимов светодиодного освещения сельскохозяйственных культур.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ЭТАПОВ

Решение поставленной задачи осложняется многозначностью воздействия многих характеристик освещения на показатели роста и развития растений, а также недостатком информации о механизмах влияния различных его параметров на эти значения. Поэтому исследования в сфере формулирования принципов и разработки методических подходов к оптимизации режимов освещения посевов являются актуальными при создании перспективных агротехнологий защищенного грунта.

В связи с этим сотрудники ФГБУН ГНЦ РФ — Института медико-биологических проблем РАН совместно с коллегами из Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт» и ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет — МСХА им. К. А. Тимирязева» разработали и апробировали единую систему оптимизации режима освещения на примере листовой капусты. Предложенная методика включает несколько этапов. Среди них — обоснование и выбор критериев оптимальности, то есть показателей качества роста посева, для отобранных вида и сорта растений, определение параметров освещения и диапазонов варьирования значений, в пределах которых возможно регулировать показатели светового потока от СД-светильников. Помимо этого, предполагается разработка оптимального плана, то есть матрицы, многофакторного эксперимента для установления световых режимов, подлежащих тестированию в вегетационных опытах, осуществление испытаний в соответствии с этими данными, а также выбор структуры регрессионных моделей, описывающих изменение показателей качества роста посева, то есть критериев оптимальности, при варьировании параметров оптимизации, например в виде полиноминальных функций. Также необходимо определить на основании полученных экспериментальных данных регрессионные зависимости характеристик качества роста растений от отобранных факторов и осуществить анализ и проверку статистической адекватности полученных моделей. На завершающем этапе проводится поиск максимального значения выбранных критериев оптимальности развития культур путем компьютерного перебора режимов светодиодного освещения в соответствующих диапазонах варьирования значений световых параметров.

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ

Одним из условий успешного решения задачи оптимизации является правильный выбор ее параметров, число которых, как правило, не должно быть более трех. Несоблюдение данного принципа может приводить к резкому увеличению количества тестируемых в ходе вегетационных опытов световых режимов, необходимых для построения моделей. В конце концов, этот факт может сделать поставленную задачу практически нерешаемой по причине недопустимого возрастания сроков и стоимости исследования. Обоснование параметров оптимизации светового режима, в свою очередь, основано на знаниях об энергетической, информационной и биосинтетической функциях света в жизни фотоавтотрофных растений, каждая из которых может быть реализована в определенном диапазоне значений плотности потока фотонов (ППФ), спектральных характеристик светового потока и распределения во времени световых и темновых периодов.

В проведенных специалистами опытах для оптимизации режима роста посевов листовой капусты с учетом ее биологических особенностей были испробованы параметры красно-белого светодиодного освещения при определенных условиях. В частности, суммарная усредненная по времени плотность потока фотонов от светодиодного светильника, или ППФΣ (X1), равнялась 260, 340, 420 и 500 мкмоль/(м2∙с), соотношение этих значений ППФ от красных и белых ламп, то есть СД ППФкр/ППФб (X2), — 0, 0,5, 1 и 1,5 единицы. Помимо этого учитывалось круглосуточное освещение с периодом световых импульсов (X3), подаваемых от источника света на посев, при длительности световой вспышки 30 мкс и фазах их следования в диапазоне от 30 до 501 мкс.

РАССЧИТАТЬ БАЛАНС

В ходе экспериментов специалисты установили, что для овощной и плодово-ягодной продукции целесообразно использовать критерий оптимальности, учитывающий продуктивность посева, качество выращенной биомассы и энергетические затраты на единицу полученного урожая. В результате соответствующий показатель можно рассчитывать по формуле Qv = (Сv×М)×М/Е, где М — прирост сухой биомассы посева за время вегетации растений, Сv — содержание целевых биологически активных веществ, например витаминов С или А, на единицу сухой массы, Е — энергия светового потока, падающего на культуру за время эксперимента, а М/Е — коэффициент использования излучаемой энергии на фотосинтетическую продуктивность посева. В некоторых случаях свойства выращенной биомассы могут определяться концентрациями сразу нескольких биологически активных веществ. В этом случае коэффициент Сv, учитывающий качество полученной продукции, может быть вычислен по формуле Сv = (С1∕ С'1)×(С2∕ С'2)×(С3∕ С'3), где С1, С2, С3 — концентрации биологически активных компонентов в биомассе, а С'1, С'2 и С'3 — рекомендуемая суточная норма потребления этих веществ одним человеком. В проведенных опытах с китайской капустой за показатель Сv было принято содержание аскорбиновой кислоты (АК) в листьях.

ОПРЕДЕЛИТЬ ЗАВИСИМОСТИ

На основании оптимального плана трехфакторного эксперимента специалистами были испытаны 16 световых режимов под облучателем, выполненным на основе белых (4000 К) и красных (660 нм) светодиодов. Он был снабжен генератором импульсов питания с цифровым управлением, позволяющим регулировать амплитуду и частоту всплесков, а также изменять интенсивность излучения независимо для каждого вида светодиода. Построенные впоследствии модели уравнений регрессии показателей посева от параметров освещения с фиксированием значений каждого из них позволили установить, что продуктивность растений по сухой массе монотонно, но нелинейно возрастала по мере увеличения уровня плотности потока фотонов от 260 до 500 мкмоль/(м2∙с) при любых сочетаниях других параметров освещения. Помимо этого, специалисты узнали, что воздействие частоты импульсов света и доли красного излучения в спектре действия светильников с красно-белыми светодиодами имело нелинейный характер на продуктивность посева, а влияние этих параметров заметно проявлялось только при значениях ППФΣ выше 400 мкмоль/(м2∙с). При этом концентрация аскорбиновой кислоты в побегах в значительно большей степени зависела от временного характера излучения и спектрального состава света, чем от уровня плотности потока фотонов, а увеличение периода следования световых импульсов в сочетании с высокой долей красного света в спектре и большой ППФΣ стимулировало синтез этой кислоты в листьях. В результате было определено, что оптимальный режим освещения, обеспечивший максимум величины Qv, соответствовал плотности потока фотонов, равной 500 мкмоль/(м2∙с), соотношению этого параметра от красных и белых ламп в 1,5 единицы и периоду следования импульсов в 501 мкс.

Таким образом, специалистам нескольких научных учреждений удалось разработать методику оптимизации режима освещения сельхозкультур, учитывающую продуктивность посева, биохимический состав биомассы и энергозатраты на единицу выращенной продукции. Более того, они пришли к выводу, что для освещения растений целесообразно использовать облучатели на основе белых светодиодов в сочетании с монохроматическими диодами, выбор которых зависит от биологических особенностей и целевого назначения возделываемых культур. Предложенная методика уже была применена для выбора режима освещения листовых овощей в космической оранжерее, создаваемой для российского сегмента МКС. По такому же алгоритму можно оптимизировать и другие режимы выращивания растений, например минерального питания, соответствующие выбранному световому излучению на предприятиях защищенного грунта.