Белый свет для растений
Красный, белый, голубой синий? Выбирай себе любой!
Фотосинтез и свет
Солнечный свет необходим для растений на любой стадии развития. Основными характеристиками света являются его спектральный состав, интенсивность, суточная и сезонная динамика. Недостаток света – сокращение продолжительности светового дня и малая интенсивность освещения – приводят к гибели растения. Свет – единственный источник энергии, обеспечивающий функции и потребности зеленого организма. Для восполнения недостатка солнечного света применяется досветка растений. Наиболее распространенные инструменты – лампы ДНаТ и светодиодные светильники.
Фотосинтез – основа жизни растения. Энергия квантов света преобразует получаемые растением неорганические вещества в органические.
Свет разных длин волн по-разному влияет на интенсивность фотосинтеза. Первые исследования на эту тему были проведены еще в 1836 г. В. Добени. Физик пришел к выводу, что интенсивность фотосинтеза пропорциональна яркости света. Наиболее яркими лучами в то время считались желтые. Выдающийся российский ботаник и физиолог растений К.А. Тимирязев в 1871–1875 гг. установил, что зеленые растения наиболее интенсивно поглощают лучи красной и синей части солнечного спектра, а не желтые, как это считалось ранее. Поглощая красную и синюю часть спектра, хлорофилл отражает зеленые лучи, из-за чего и кажется зеленым. На основании этих данных немецкий физиолог растений Т. В. Энгельман в 1883 г. разработал бактериальный метод изучения ассимиляции углекислого газа растениями, который подтвердил, что разложение углекислого газа, (а, значит, и выделение кислорода) у зеленых растений наблюдается в дополнительных к основной окраске (т.е. зеленой) лучах – красных и синих. Данные, полученные на современном оборудовании, полностью подтверждают результаты, полученные Энгельманом более 130 лет назад.
Рис.1 – Зависимость интенсивности фотосинтеза зеленых растений от длины световой волны
Максимальная интенсивность фотосинтеза – под красным светом, но одного красного спектра недостаточно для гармоничного развития растения. Исследования показывают, что салат, выращенный под красным светом, имеет большую зеленую массу, чем салат, выращенный под комбинированным красно-синим освещением, но в его листьях значительно меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов.
ФАР и ее производные
Эффективность белых светодиодов
Выделенный и очищенный хлорофилл invitro поглощает только красный и синий свет. В живой же клетке пигменты поглощают свет во всем диапазоне 400–700 нм и передают его энергию хлорофиллу.
Несколько фактов о белых светодиодах:
1. В спектре всех белых светодиодов, даже с низкой цветовой температурой и с максимальной цветопередачей, как и у натриевых ламп, очень мало дальнего красного (рис. 2).
Рис. 2. Спектр белого светодиодного (LED 4000K Ra = 90) и натриевого света (HPS)
в сравнении со спектральными функциями восприимчивости растения к синему (B),
красному (Ar) и дальнему красному свету (Afr)
на синюю компоненту белого света
В одном ватте потока белого светодиодного света 2700К фитоактивной синей компоненты вдвое больше, чем в одном ватте натриевого света. Причем доля фитоактивного синего в белом свете растет пропорционально цветовой температуре. Если разместить рядом с растением лампу с интенсивным холодным светом – оно развернет соцветия в сторону лампы.
3. Энергетическая ценность света определяется цветовой температурой и цветопередачей и с точностью 5% может быть определена по формуле:
[эфф.мкмоль/Дж],
где η – светоотдача [Лм/Вт],
Ra – индекс цветопередачи,
CCT – коррелированная цветовая температура [К]
Как выбрать и заказать фитосветильник. Калькулятор расчета.
Данные для расчета:
ПФФП, мкмоль/м2с, не менее
Задачи и типы фитосветильников
Используя Калькулятор, рассчитываем количество фитосветильников с учетом требуемого значение ПФФП для растения и существующей ПФФП в теплице (или участке)
Термины и определения.
Фотосинтетический фотонный поток (ФФП) – суммарное число фотонов, излучаемых в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм (мкмоль/с).
Плотность фотосинтетического фотонного потока (ПФФП) – измеряется с помощью квантового датчика и выражается в микромолях фотонов на единицу площади в секунду (мкмоль / м^2*с).
ПФФП для растения – ПФФП требуемая для конкретной растительной культуры.
ПФФП естественного освещения – среднее значение величины ПФФП естественного освещения в сезонах выращивания.
Фотопериодическое освещение – освещение в течение требуемой длины светового дня растения.
Дополнение естественного света – компенсация недостатка естественного освещения (увеличением ПФФП).
Биколорные фитосветильники – фитосветильники с излучением на длинах волн 440-460 нм (глубокий синий свет, «DeepBlue) и 650-670 нм (гиперкрасный свет, «HyperRed»), совпадающих с пиками поглощения хлорофилла А и Б
Полноспектральные фитосветильники – фитосветильники, содержащие все составляющие солнечного света (глубокий синий, DeepBlue, 451 нм; гиперкрасный, HyperRed, 660 нм; дальнекрасный, FarRed, 730 нм; диапазон излучения 460-650 нм), необходимые для всех стадий развития растений в условиях полной замены естественного освещения.
Определение ПФФП естественного освещения в сезонах выращивания
| Растительная культура | |
| Томаты крупные | 185 |
| Томаты черри, перец, ягоды | 170 |
| Огурцы, бахчевые культуры | 150 |
| Свекла, морковь, редис, лук, чеснок, салаты, травы,специи | 70 |
| Цветы садовые | 90 |
| Грибы | 50 |
| Цветы горшочные | 40 |
Таблица 2. Ежемесячная региональная усредненная плотность фотосинтетического фотонного потока
Ежемесячная усредненная ПФФП, мкмоль/м^2*с (без потерь на остеклении теплицы)
Сколько микромолей нужно растению
В последние годы технический прогресс испытывает бурное развитие. Создание мощных светодиодов, привело к созданию технически нового освещения для растений. С помощью светодиодов появилась возможность разделять и регулировать длинну волны от источника. Устанавливать отдельно мощность светового потока для каждой длинны волн отдельно. В результате появилась возможность создания фитосветильника для растений, в котором световой поток управляемый. Это можно сравнить с управлением пинанием для растений. Раньше вносили органику в почву. Мы научились вносить нужную органику в нужном количестве на определенную площадь и под определенное растение. В результате получались высокие урожаи. Но человек еще не знал, какие микроэлементы для растения полезны и в каком количестве. В результате научного прогресса, человек научился правильно кормить растения готовыми микроэлементами и минералами. Появились минеральные удобрения. Научные исследования и опыт позволили тепличным технологиям полностью отказаться от грунта и перейти на технологию гидропоники. Теперь аграрии кормят каждое растение питательными растворами, содержащими все необходимое для развития растения и не мешают в раствор ничего лишнего.
Как все это похоже на эволюцию сегодняшнего освещения. Мы используем различные источники освещения (натриевые, галогенные лампы и даже люминисцентные). Точно знаем какими лампами, для какого растения нужно осветить необходимую площадь, чтобы получить высокий урожай. Как это похоже на кормление растения просто органикой. Но наука и здесь вносит свои коррективы. Оказывается растению необходим не весь видимый нашим глазом спектр света, а лишь отдельные его волны. Если сравнить его с микроэлементами, то в ближайшее время, научные исследования и опыт должны научить нас правильному освещению растений. Каждому растению на определенном этапе развития необходимо разное питание и разное освещение.
Попробуем разобраться в уже имеющемся у нас опыте освещения светодиодами.
На первом этапе определимся для чего нам искусственное освещение.
1. Под искусственным освещением можно выращивать в помещении, где вообще нет никакого солнечного света. Для этого нужны мощные источники, которые полностью заменят солнечный свет.
2. Почти такие же мощные источники нужны в случае короткого дня, если нам необходимо увеличить длину светового дня.
3. Менее мощные источники необходимы для увеличения светового потока. В пасмурную погоду в теплице, на балконе или в комнате у окна света просто не хватает и его необходимо добавить.
На втором этапе нам необходимо понять, чем измерять освещение для растений. Свет для растений – по научному называется фотосинтетически активная радиация или ФАР. ФАР можно измерять двумя способами.
1. Ватт – это один Джоуль выделяемой энергии в секунду. В ваттах на квадратный метр можно измерять как мощность светового потока отдельно взятой волны спектра, так и целый участок (например синий, зеленый или красный).
2. PPF (поток фотонов фотосинтеза) – позволяет измерять спектральную облученность растений. Измеряется как µmol/s/м² (микромоль в секунду на квадратный метр). Это измерение позволяет определить полезность светового потока для растения.
На третьем этапе попробуем найти в литературе, какому растению сколько фотонов необходимо. Не имея (покамест) личного опыта, я вывел нечто среднее для определенных групп растений.
1. 75 µmol/s/м² необходимо для проростков зерна, грибов, орхидеи.
2. 150 µmol/s/м² потребляют зеленые растения, пряные травы, корнеплоды.
3. 250 µmol/s/м² желают клубника, перец, мелкие томаты (чери), цитрусовые.
4. Более 300 µmol/s/м² будут требовать крупные томаты, огурцы, бахчевые.
Эти данные, конечно, необходимо проверять.
У нас остается без гарантии третий этап. Поэтому, прежде чем переоборудовать (или оборудовать) свою теплицу светодиодными фтосветильниками, возьмите 3-5 штук и проведите опытное испытание. Помните, что минеральными удобрениями растениеводы то же не сразу научились правильно пользоваться.
Важные характеристики света для растений (люмены, люксы, Вт ФАР и др)
После того, как важность использования искусственного освещения при выращивании растений была обоснована научно, производство специальных ламп для садоводов и фермеров было начато с широким размахом. В
Той статье будут обсуждаться различные типы освещения, широко применяемые в технологии выращивания растений и гидропонике. Тип освещения — один из основных факторов, влияющих на результат роста. Остальные — это уровень углекислого газа, вода, минеральные удобрения, экология и качество света. Приведенные ниже сведения будут полезны для создания и наладки своего освещения, используя стандартную классификацию типов электрического освещения.
В последнее время использование искусственного света становится все более и более экономически выгодным. Стоимость покупки и обслуживания ламп становится все ниже, а источники освещения все более мощными. Все это, вкупе с возможностью транспортировки представителей флоры, а также развитием рынка специальных гидропонных продуктов, делает возможным выращивание растений вообще без почвы.
Искусственное освещение может использоваться в садоводстве и фермерстве в трех случаях:
Для полного обеспечения получения света, в котором нуждается растение.
Для дополнения солнечного света, в котором нуждаются растения. Особенно актуально это в зимние месяцы — период сокращения часов светового дня.
Для увеличения продолжительности светового дня. Актуально для достижения специального эффекта роста или цветения.
Фотосинтетически активная радиация, кривая восприятия растений
Подобно тому как люди нуждаются в сбалансированной диете, растения также ощущают потребность в сбалансированном полноспектральном освещении. Качество света не менее важно, чем количество. Растения восприимчивы к свету примерно в том же диапазоне, что и человеческий глаз. Эта порция светового спектра соотносится с фотосинтетически активной радиацией (ФАР) в спектральном диапазоне 400-700 нм. Тем не менее, восприятие растений внутри этого участка отлично от аналогичного у человека.
Человек имеет пиковое восприятие желто-зеленой части спектра (около 550 нм). Эта «оптическая желтизна» используется для восприятия отлично видимых явлений и объектов. Растения же значительно более эффективно воспринимают красный и синий цвета, причем пик находится в районе 630 нм. Графики ниже демонстрируют кривые восприятия растений и людей. Обратите внимание на различия линий.
Равнозначно тому как для человека наилучшим источником калорий является жир, для растений лучшая пища — это красный свет. Однако, растения освещаемые исключительно красным и оранжевым светом большей частью не вырастут должным образом. Причина этого в том, что для полноценного роста листвы (особенно важно для овощей) и массы крайне важен синий свет. Многие другие комплексные процессы зависят и от других спектральных диапазонов. Определение правильной спектрально порции света зависит от вида растения. Принятие решения о количестве необходимого света также должно учитывать части спектра уже задействованные при освещении. При подборе освещения для растений не могут применяться те же стандарты, что и при выборе источника света для людей. Некоторые принципы соответствия и различий могут быть использованы для определения необходимой меры света в гидропонике.
Измерение уровня освещения для людей. Люмен (лм) и Люкс (лк)
Свет, взятый из источника, распространяется по всему помещению для создания освещаемого пространства. Уровень освещения определяется единицей измерения «люкс», которая показывает как много люменов приходится на один квадратный метр пространства. Освещение в 1000 лк означает, что 1000 лм приходится на каждый квадратный метр площади.
Аналогично «люмен на квадратный фут (лм/фут²)» — единица измерения, которая показывает количество люменов на один квадратный фут.
Как бы то ни было, и люмен, и люкс отображает исключительно человеческое восприятие светового спектра, потому как растения воспринимают все совершенно иначе.
Уровень Ватт фотосинтетически активной радиации.
Ватт — объективная мера для измерения количества энергии, выделяемой лампой ежесекундно.
Энергия в свободном состоянии измеряется в Джоулях, и один Джоуль в секунду называется Ватт.
Многие газозарядные лампы, например, натриевые газозарядные лампы или металлогалогенные лампы значительно более эффективны по сравнению с лампами накаливания, потому как, соответственно, 30 и 40 % выделяемой энергии преобразуют в свет.
Исходящие 400 Вт лампы накаливания равнозначны 25 Вт света, а из 400 Вт энергии, излучаемой металлогалогенной лампой, около 140 Вт приходятся на свет. Если принять во внимание тот факт, что на ФАР приходится основная «видимая» часть спектра, то логичным заключением будет то, что металлогалогенная лампа производит 140 Вт ФАР. Газозарядные лампы имеют несколько меньший показатель: 120-128 Вт, потому что свет желтый и содержит большее количество люменов.
«Освещенность» измеряется в Вт ФАР на метр квадратный, однако это не совсем верное понятие для определения эффективности света при выращивании растений, поэтому в садоводстве чаще используется термин «облученность», измеряемая в Вт/м2 или Ватт на метр квадратный.
Следующий важный принцип, который следует понять для того, чтобы определить точное количество света, необходимое растениям — это осознание того, что свет распространяется не чем-то цельным, но пучками, именуемыми «фотонами». Эти пучки являются минимальными носителями энергии, путем которой свет и передается. Поскольку реакция фотосинтеза протекает путем поглощения атома фотона, то целесообразно будет подсчитать их количество, которое ежесекундно принимает на себя растение.
Поскольку только фотоны света ФАР участка спектра являются активатором реакции фотосинтеза, то имеет смысл измерить только их количество. Теоретически лампы могли бы быть настроены на количество фотонов, излучаемых ежесекундно, но на сегодняшний день такие лампы не производятся.
Биологи-исследователи говорят о фотонном потоке, которым облучается поверхность, — важной части исследуемого вопроса, обозначаемой ФФП ФАР (Photosynthetic Photon Flux, PPF), где ФФП не что иное, как фотосинтетический фотонный поток—величина, показывающее количество фотонов приземляющееся ежесекундно на 1 квадратный метр облучаемой поверхности.
Другая важная величина — конверсия фотонного потока (YPF PAR or Yield Photon Flux). Этот показатель явственно демонстрирует нам насколько эффективно растение использует полученный фотонный «капитал». Поскольку «красные» цвета более активно способствуют запуску фотосинтеза, данные измерения уделяют внимание прежде всего подсчету именно их.
Поскольку фотоны крайне малы по своим габаритам, то в науке, вместо чисел вида 1 000 000 000 000 000 000, используется обозначение «1.7 микромоль фотонов» ( знак µмоль). Микромоль содержит в себе 6 x 1017 фотонов, а 1 моль 6 x 1023 фотонов.
Освещенность (или «облученность») измеряется количеством Ватт на квадратный метр или количеством микромоль на квадратный метр.
Несмотря на то, что все три величины (Ватт на метр квадратный, фотосинтетический фотонный поток, конверсия фотонного потока) позволяют измерить количество света, которое получают растения, человеческий глаз не способен воспринять кривую спектра ФАР — 400-700 нм. Следует заметить, что некоторые ученые предлагают иные показатели: 350-750 нм. но принципиальной разницы для садоводов любителей в этом нет.
Фотосинтез и фотоморфогенез
Растения получающие недостаточно света, производят слабые, вытянутые листья и страдают общим недостатком массы. Другие же растения, наоборот, получающие чрезмерное количество света, выглядят исушенно-безжизненно и имеют обесцвеченную листву из-за разрушения хлорофилла.
Также растения могут быть повреждены избыточной ультрафиолетовой радиацией
Однако, внутри допустимой нормы растения прекрасно откликаются на нужную дозировку света, показывая хорошие результаты в росте и наборе массы. А относительная квантовая эффективность является той мерой, которая демонстрирует максимальную работу каждого фотона.
Кривая зависимости относительной квантовой эффективности от длины волны называется кривой реакции растений к фотосинтезу, о чем было сказано ранее.
Также предоставляется возможным построить график, демонстрирующий эффективность определенных участков спектра на осуществление реакции фотосинтеза. Факт того, что фотоны синего света производят больше энергии, чем фотоны красного цвета обязательно должен быть принят во внимание, и тогда кривая может быть запрограммирована на измерение исключительно «люменов растений» или «люменов человека». Это и должно произойти в обозримом будущем. Например, уже сегодня компания Venture Lighting International предлагают установленные Вт ФАР счетчики на серии ламп Sunmaster, предназначенных специально для рынка растениеводческих технологий.
Главной составной частью растений, обеспечивающей фотосинтез является хлорофилл. Некоторые ученые извлекали его из растений для определения реакции на световое излучение различной длины волн и спектральной частотности, ожидая, что его реакция будет аналогичной реакции фотосинтеза растений. Однако, исследования показали, что реакция других компонентов (в частности, каротиноидов и фикобилинов) не менее важна для протекания нормальной реакции фотосинтеза. Таким образом, кривая отклика растений представляет собой собирательную величину, состоящую из значений реакций всех необходимых пигментов, и характерную для большинства растений (хоть и не для всех, т.к. разница, порой, достигает 25 %). Хотя в газозарядных лампах и лампах накаливания спектральная величина излучаемого света остается неизменной, металлогаллогенные лампы предоставляют возможность выбора температуры и спектрального диапазона освещения.
В дополнение к фотосинтезу, который имеет следствием материальный рост, другие функции (прорастание, цветение и пр) вызваны наличием или отсутствием света. Эти процессы называются фотоморфогенезом и зависят не столько от интенсивности света, сколько от облучения в строго классифицированных спектральных рамках (синий, дальний красный или просто красный), а также от действия специальных рецепторов (фитохромы и криптохромы).
Растения «видят» свет иначе, чем люди. Именно поэтому люмены, люксы и футсвечи не всегда являются величинами, показывающими достаточный уровень освещенности, так как это меры, прежде всего всего отображающие уровень видимости. В случае с растениями лучше использовать значения Вт ФАР, фотосинтетического фотонного потока и конверсию фотонного потока.
Кроме того, важным является не только количество, но и качество света.
Проектируем простой осветительный макет.
Шаг 1. Определяем уровень освещенности в Вт ФАР/метр квадратный.
Так как лампы отличаются друг от друга, то и соответственно отличаются настройки, применяемые к ним, поэтому точный расчет настроек обязателен для каждого отдельного устройства.
Например, специальная техническая брошюра рекомендует Вам ППФ ФАР в размере 400 µмоль на метр квадратный. Таблица ниже рекомендует Вам 85 Вт ФАР на метр квадратный. Коэффиценты конверсии между ППФ ФАР, Вт ФАР зависят от источника света. Например, 400 Вт лампа накаливания излучает больше люменов, чем 400 Вт металлогалогенная лампа, но меньше Вт ФАР. Также значение имеет цветовая температура. Таблица ниже поможет Вам в настройках металлогалогенных ламп.
Типичный уровень света
Вт ФАР на метр квадратный
Микромоль на метр квадратный
Люкс (количество люменов на метр квадратный)
Единицы измерения в агрофотонике или как измерить комфорт для растения?
Применение дополнительного освещения в растениеводстве продиктовано необходимостью создать растению наиболее благоприятные условия, способствующие его росту и гармоничному развитию. Но как создать такие условия, на что ориентироваться?
Искусственное освещение
К сожалению, мы не можем спросить у растения, насколько комфортно ему живется: хватает ли света, воды и питательных веществ. Единственное что нам остается – наблюдать и делать выводы постфактум, оценивая последствия существования в созданной нами среде. И как тут не ошибиться?
Одно дело, когда объектом нашей заботы является рассада или зеленые культуры. Что-то пошло не так – окей, поменяли условия, все пересадили, и растим снова. Но зачастую цена ошибки неприемлемо высока, особенно, если растение редкое или медленнорастущее. Тут этот подход не годится.
Человечество уже почти 200 лет использует электрическое освещение для продления светового дня. За это время была создана система параметров, учитывающая влияние видимого излучения на человека. Многие из нас пользуются этой системой при выборе светильников в квартиры, офисы и загородные дома. Такие параметры как световой поток, освещенность, цветовая температура, показатель дискомфорта и пр. помогают нам заранее спроектировать и подобрать нужный свет для окружающего нас искусственного пространства.
Почему бы не использовать эту систему для оценки освещения растений? Некоторые так и делают, опрометчиво ориентируясь на освещенность и цветовую температуру при выборе фитосветильника. Но человеческий глаз существенно отличается от фоторецепторов растения, использование созданной для него системы не учитывает процессов, происходящих в растении на клеточном уровне.
Фотосинтетически активная радиация
Наиболее продвинутой в этой области метрикой является система параметров, основанная на фотосинтетически активной радиации (PAR). Это система описывает воздействие излучения на светочувствительные пигменты растения, такие как хлорофилл, и состоит из следующих основных величин:
Фотосинтетический фотонный поток (PPF) – поток фотонов, излучаемых в единицу времени в области длин волн от 400 до 700 нм. Измеряется в мкмоль/с.
Фотосинтетическая фотонная облученность (PPFD) – поверхностная плотность фотосинтетического фотонного потока, мкмоль/(с*м2)
Интегральное значение облучения (DLI) – показатель количества фотосинтетически активных фотонов, которые достигли растения в сутки. Измеряется в мкмоль/(д*м2)
Аналогия со световыми величинами выглядит следующим образом:
PPF, мкмоль/c = Световой поток, лм
Применение данной системы необходимо, но не достаточно, так как интегральные показатели (к которым относятся PPF, PPFD и DLI) не могут учесть влияние излучения на конкретный пигмент растения. Одно и то же значение PPFD мы можем получить при совершенно разном спектральном составе излучения, а значит и с совершенно разным эффектом!
Кроме того, на растения воздействует не только излучение в области 400–700 нм. Например, учет влияния освещения на фитохром (пигмент-сенсибилизатор фоторегуляторных процессов) возможен только при анализе полного спектрального состава излучения. Фитохром реагирует на излучение двух длин волн 660 нм и 740 нм и под их воздействием переходит из одного состояния в другое:
Освещение не только передает энергию растению, но и регулирует различные процессы
Таким образом, для наилучшего понимания воздействия излучения на растение нам необходимо знать:
В светильниках Аврора, благодаря применению интерактивного приложения, мы предоставляем возможность наглядно наблюдать за данными параметрами и изменять их в зависимости от фазы роста и выбранной культуры.
В приложении, управляющем фитосветильниками Аврора, спектры и их параметры представлены в наглядной визуальной форме