Ученые Красноярского научного центра СО РАН подобрали наиболее эффективные параметры искусственного освещения для выращивания быстрорастущих культурных растений, таких как редис. Специалисты обнаружили, что при стационарных режимах облучения наилучший урожай достигается при освещении с преобладанием красных лучей. Данные можно использовать для более продуктивного выращивания исследованных культур в северных районах и закрытых помещениях, таких как теплицы или замкнутые системы жизнеобеспечения космических кораблей. Результаты исследования опубликованы в журнале Light & Engineering.
Тихомиров Александр Аполлинарьевич. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Выращивание растений при искусственном свете, или светокультуре, становится всё более актуальным направлением в современном сельском хозяйстве. Этот метод позволяет успешно культивировать растения в экстремальных условиях, например, в сложном климате и космосе — замкнутых экологических системах жизнеобеспечения. Важной задачей для создания таких систем остается подбор наиболее эффективных источников освещения.
Ученые Красноярского научного центра СО РАН оценили фотобиологическую эффективность излучения вновь созданных светодиодных облучателей с регулируемым сплошным спектром и определили наиболее эффективный спектральный состав света для выращивания редиса в условиях светокультуры.
Ранее красноярские ученые получили патент для светодиодных облучателей с регулируемым спектральным составом излучения. В конструкции этого облучателя используется метод дистанционного люминофора — технология, использующая люминофор, нанесённый на подложку определённой формы, и отделённый от светодиодного кристалла. Такой подход позволил снизить температурное воздействие на кристалл, улучшить равномерность распределения силы света и пространственную однородность. Это дало возможность применять в светодиодном облучателе компактные и мощные диоды, способные генерировать интенсивный световой поток. В результате они стали подходящими для теплиц, где растения растут исключительно при искусственном освещении. Ещё одним важным преимуществом является лёгкая и быстрая смена спектров светодиодных облучателей, которая производится механическим перемещением картриджей с люминофорами. С их помощью можно быстро получать различные соотношения спектральных потоков в видимой области и подбирать для растений наиболее благоприятный свет.
Эксперимент по поиску эффективного спектрального состава проводился в герметичной термостатированной вегетационной камере на культуре редиса с учетом видоспецифической реакции растений на спектральный состав света. Эффективность оценивали по полученной урожайности.
Изучение переменных спектральных режимов показало, что лучший урожай достигается при освещении с переходом в процессе выращивания от спектра с преимуществом в красных лучах к спектру с преобладанием синих лучей. С увеличением доли красных лучей выше определенного уровня продуктивность снижалась. Сравнение лучших результатов по урожаю корнеплодов редиса после его облучения стабильным — с постоянным соотношением интенсивности излучения в различных частях спектра, и переменным — с изменяющимся спектром показало, что они незначительно различаются между собой. Поэтому ученые рассчитали, что для редиса, выращиваемого в условиях электроосвещения, экономически выгодным будет использовать стабильный, а не переменный спектральный режим освещения.
Эксперимент с выращиванием редиса. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
При этом ученые отметили, что необходимо учитывать, как растение формирует урожай и сколько стадий оно проходит. Так, съедобные корни редиса или листья салата проходят всего одну стадию развития. При таких условиях стабильное освещение этих видов растений более выгодно. Для растений, которым для получения урожая необходимо пройти несколько стадий вегетации, ситуация может быть обратной. Таким растениям на начальной стадии развития необходимо наличие значительной доли синих лучей, однако для процессов цветения важна повышенная доля красных. Поэтому изменение спектрального состава света для них может оказаться перспективным.
«Современные исследования показали, что нет универсального спектра излучения, который был бы наиболее эффективен для выращивания всех видов растений. Важно, чтобы спектральные режимы искусственного облучения растений обеспечивали оптимальное протекание не только фотосинтеза, но и других физиологических процессов, способствующих максимальному урожаю. Мы впервые экспериментально оценили возможность использования стабильных и переменных спектральных режимов облучения быстро вегетирующих растений, выращиваемых в условиях электроосвещения с использованием нового типа люминесцентных светодиодов. Результаты работы являются базой для распространения подобных исследований на тепличные растения с несколькими стадиями вегетации для получения хозяйственно ценного урожая при полном электрическом облучении. Полученные результаты могут быть положены в основу выбора спектральных режимов освещения растений, имеющих короткую вегетацию, таких как редис, выращиваемых в условиях искусственного освещения: в светонепроницаемых теплицах в северных регионах России и в искусственных условиях в изолированных помещениях, например, на стеллажных установках по технологиям «Сити–ферма»», — рассказал заведующий лабораторией управления биосинтезом фототрофов Института биофизики СО РАН профессор, доктор биологических наук Александр Тихомиров.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Источник информации и фото: Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»