Светодиодные светильники: влияние спектрального состава на продуктивность растений Solanum Tuberosum L. Var. «Isle of Jura»

Ограниченное внедрение светодиодных светильников для ассимиляционного освещения, которое мы наблюдаем до настоящего времени вызвано, как отсутствием понимания принципов их использования, так и сравнительно высокой стоимостью светодиодных фитосветильников.

Считается, что фитосветильники должны иметь специальный фито спектр излучаемого света, что, как предполагается, позволяет повышать его эффективность, при этом понимания этой эффективности в научной и/или коммерческой литературе практически отсутствует.

Понимание под эффективностью – снижение уровня приходящего от светодиодных фитосветильников светового потока на растение, в сравнении со стандартными источниками света – ДНаТ, не получило надлежащего подтверждения в виде опыта внедрения в промышленных теплицах.

Все попытки получения экономии, позволяющей получить экономически оправданное снижение затрат на приобретение  светодиодных фитосветильников, приводят к резкому падению продуктивности растений. В конечном итоге к настоящему времени более-менее получило распространение только «гибридное» освещение, когда «светодиоды» и «натрий» используются совместно, что полностью убирает сам смысл «модернизации» освещения.

Таким образом, в указанной проблеме существует два вопроса, решение которых позволит перейти к реальной модернизации:

Настоящее исследование было проведено для возможного решения первого вопроса.

Целью проводимых исследований являлось изучение действия светодиодных излучателей разной мощности и разного спектрального состава на ростовые характеристики  и урожайность растений Solanum tuberosum L. var. "Isle of Jura" при их выращивании на гидропонных установках в условиях полностью искусственного освещения.

В задачи исследования входило:

Эксперимент по изучению влияния светодиодных источников освещения на ростовые показатели и продукционный процесс растений Solanum tuberosum L. var. Isle of Jura проводился с 24 июня по 12 октября 2016 г на экспериментальной гидропонной системе выращивания картофеля "Дока-генные технологии". Регулярные сборы миниклубней продолжались 2 месяца: с 12 августа по 12 октября. Первый месяц сборы проводились через каждые 3 – 4 дня, в дальнейшем в связи с падением урожайности интервал между сборами был увеличен до 7 дней. Экспериментальная установка состояла из гидропонной системы NFT-типа, находящейся в помещении, оборудованном вентиляцией, а также экспериментальных источников освещения. При помощи перегородок из нетканого материала установка была разделена на 4 зоны, в каждой из которых находился свой тип ламп:

На установку были посажены 322 клона Solanum tuberosum L. var. Isle of Jura – в 14 лотков по 23 растения на лоток.

Выращивание данного сорта на установке проводилось по стандартной методике, разработанной в ООО "Дока - генные технологии", с разделением вегетации на несколько стадий (адаптация, вегетативный рост, индукция клубнеобразования, сбор урожая) и соответствующими изменениями в составах питательных растворов, светового и температурного режимов.

В процессе адаптации растений и фазы их активного роста при помощи линейки измерялся прирост длины стебля. Для этого лоток временно опускался и проводилось измерение. Измерялось расстояние от пленки, накрывающей лоток до апекса побега. Миниклубни собирались каждые 3-4, а затем каждые 7 дней. Записывалась урожайность каждого лотка, затем при помощи торсионных весов с точностью до десятых долей грамма измерялся вес каждого миниклубня. При помощи фотометра LiCor Li-250 A была измерена интенсивность освещения каждого лотка в трех точках на уровне лотка и на уровне 30 см от него в 3-х точках (табл. 1).

Статистическая обработка проводилась стандартными методами описательной статистики. Для обнаружения значимости отличий между средними показателями на разных вариантах испытания использовался дисперсионный анализ нескольких переменных с однократными и повторяющимися измерениями, а также pos-hoc тесты Тьюки.

Был изучен средний прирост надземной биомассы (высоты стеблей) растений в зависимости от качественного и количественного состава светового потока и интенсивности излучения. Установлено, что наибольших значений этот показатель достигал у растений, выращиваемых под натриевыми источниками освещения и лампами Bio 02-180(120) Вт (рис. 1). Измерения проводились с 24 июня до 18 июля 2016 г. В дальнейшем определение этого параметра стало невозможным, т.к. произошло смыкание растений между собой и дальнейшие манипуляции с ними привели бы к повреждению стеблей и листьев (рис. 2).

Общая урожайность всей установки составила 2216 миниклубней, из которых 452 были получены от растений под лампами Bio 02-180(120), 591 – под лампами ДНаТ-400, 530 – под лампами Bio 03-180(120) и 643 под лампами Bio 02-130(120).

Перерасчет количества миниклубней на одно растение или на один лоток показывает, что максимальное количество миниклубней (7,65) в пересчете на одно растение получено в варианте с лампами Bio 03-180 (120), затем идут варианты с лампами Bio 02-130 (120)  (6,98), Bio 02-180(120) (6,55) и ДНаТ-400 (6,49) (рис. 3).

Рисунок 2. Внешний вид растений Solanum tuberosum L. var. Isle of Jura 18.07.2016 под различными источниками освещения: а – 4 лампы Bio 02-180(120), б – 2 натриевые лампы высокого давления ДНаТ-400, в – 4 лампы Bio 03-180(120), г – 6 ламп Bio 02-130(120).

Похожие данные были получены при усреднении результатов в расчете на один лоток (23 растения). 184 миниклубня в среднем были получены от одного лотка в варианте с Bio 03-180(120), 153 – с 02-130(120), 143 – с Bio 02-180(120), 140 в варианте с контрольными лампами ДНаТ-400 (рис. 4).

Таким образом, по результатам проведенных исследований было установлено, что в среднем максимальное количество миниклубней, подходящих для дальнейшего использования в производстве семенного материала, растения Solanum tuberosum L. var. Isle of Jura на гидропонных установках продуцируют под светодиодными лампами Bio 03-180(120) (выше контроля на 18-19 %).

Экспериментальные данные были обработаны методом дисперсионного анализа с повторяющимися результатами, установлено что отличия по параметру урожайности у растений, выращенных на вариантах с лампами ДНаТ-400 и Bio 03-180(120) значимы на уровне p=0.00320. Также значимость различий в урожайности на уровнях меньше 5% установлена между растениями, выращиваемых под лампами Bio 03-180(120) и другими светодиодными типами источников освещения. Показатели критерия статистической значимости между показателями урожайности растений под лампами Bio 02-180(120), Bio 02-130(120) и ДНаТ-400 намного выше установленного порога НСР 5%

Однако полученный результат не является окончательным, т.к. наблюдаемые различия могут быть обусловлены внутригрупповой изменчивостью между растениями, находящимися в одном варианте, но на разных лотках. В действительности, как показал анализ урожайности растений в различных лотках и под разными лампами, 7-ой, 8-ой и 11-ый лотки установки выделяются по этому показателю в такой степени, что они значимо отличаются от других растений даже внутри одного и того же варианта. Этот вывод подтвержден дисперсионным анализом, который был проведен по параметру урожайности отдельных лотков. 8-ой лоток статистически значимо отличается по показателю урожайности от 9-го и 10-го лотков, а 11-й – от 13-го и 14-го (рис. 5).

Поэтому была предпринята попытка замены результатов, полученных на 7-м, 8-м  и 11-м лотке на средние показатели растений в соответствующих вариантах опыта. В результате были получены графики прироста среднего количества миниклубней на 1 растение (рис. 6) и на 1 лоток (рис. 7). Максимальные различия между показателями растений, выращенных под светодиодными лампами и под натриевыми составили 14-15 %.

В процессе снятия урожая был измерен вес миниклубней. Установлено, что по этому показателю миниклубни, полученные с растений, выращенных под лампами  Bio 02-130(120) статистически значимо отличаются от миниклубней с растений под всеми другими лампами, кроме Bio 02-180(120). Нет значимых отличий между лампами ДНаТ-400 и Bio 03-180(120) (рис. 8).

Таким образом, максимальные значения показателя средней величины миниклубня выявлены у растений под натриевыми лампами и светильником Bio 03-180(120), в котором спектр светодиодного светильника составлен из стандартных «белых» светодиодов ССТ 2700 К.

В результате проведенного тестового испытания было установлено, что светодиодные источники освещения на основе «белых» светодиодов на 18-19% значимо увеличивают урожайность миниклубней растений Solanum tuberosum L. var. Isle of Jura, при выращивании их на гидропонных установках, в сравнении с контрольным вариантом – натриевыми лампами ДНаТ-400.

Наблюдаемое неравномерное распределение показателя урожайности растений картофеля по лоткам даже в пределах одного варианта под одними лампами, включая контрольный вариант под светильниками ДНаТ 400, статистически превышающее погрешность по эксперименту, может быть связано с конструктивными особенностями установки и недостаточным количеством взятых в эксперимент лотков с растениями для каждого варианта.

Кроме этого было замечено, что во всех вариантах испытания со светодиодными светильниками корни растений картофеля меньше подвержены процессам старения и деградации, чем корни растений в контрольном варианте под лампами ДНаТ 400. Что может означать, что при использовании светодиодных ламп можно продлить срок вегетации растений на установке и, соответственно, получить больше миниклубней за одну вегетацию.

Таким образом, по результатам эксперимента можно сделать предварительное заключение не только о преимуществе светодиодных ламп над натриевыми при получении миниклубней Solanum tuberosum L. на NFT-гидропонных установках, но и большей эффективности стандартных «белых» светодиодов в сравнении с узкоспециализированными «фито» светодиодами дискретных длин волны.

Применение «белых» светодиодов промышленных серий позволяет снизить производственную стоимость светодиодных фитосветильников на 55-60% и соответственно применять к модернизации ассимиляционного освещения теплиц принципы окупаемости через снижение затрат на энергию.

Однако, последнее может быть решено, только с применением новых принципов схем размещения световых точек, отличающихся от используемых для LED светильников в настоящее время.