Оценка интенсивности искусственного освещения светодиодного облучателя на листовой салат в защищенном грунте

Рост и развитие растений тесно связаны с условиями окружающей среды. Умение создавать такие условия, соответственно требованиям растений, — залог получения высоких урожаев. Для обеспечения максимальной продуктивности растений нужно знать их отношение к факторам окружающей среды. Лучистая энергия, тепло, вода, минеральное питание и газовый состав воздуха являются необходимыми условиями для жизнедеятельности растений, поэтому для нормального роста и развития растений необходимо создать оптимальные условия. Как правило, основным фактором управления жизнедеятельностью растений в условиях светокультуры является световой фактор. Лучистая энергия, получаемая с помощью искусственных источников света — одна из наиболее затратных статей расходов на выращивание растений в условиях светокультуры. Поэтому, для экономики светокультуры важное значение имеет эффективное использование световой энергии. В то же время интенсивность и спектральный состав света, его периодичность являются мощным фактором управления различными сторонами жизнедеятельности растений.

Однако, несмотря на значительный опыт выращивания растений при искусственном облучении, в настоящее время нет единого взгляда на оптимальные уровни облученности растений и спектральный состав излучения в ростовой зоне, применительно к определенным видам растений. Практически в каждом случае при разработке технологий круглогодичного производства того или иного вида овощной продукции, требуется создание оригинальной системы облучения, в наибольшей степени отвечающей физиологическим потребностям выращиваемых растений. При этом следует учитывать влияние способа организации светового потока на другие составляющие технологий светокультуры — температурные условия выращивания и минеральное питание растений.

Как отмечают в публикациях авторы, уровни искусственного облучения продукции листового салата варьируют в широких пределах. Так, ЗАО «Агрокомбинат «Московский» — лидер в овощной отрасли создает на кассетах листового салата от 170 до 240 мкмоль/м2с [1]. В Республике Марий Эл также функционирует тепличное хозяйство ООО «Гринпрайс», которое специализируется на выращивании листового салата сорта «Ромэн». В результате измерения фотосинтетически активной радиации (ФАР) в теплицах мы получили значения от 60 до 120 мкмоль/м2с. Как можно заметить, разброс в уровнях облучения значительный. Одновременно с этим в [2] упоминается, что для нормального роста зеленой культуры необходимо обеспечить 25 Вт/м2, что составляет около 120 мкмоль/м2с.

Кроме того, стоит отметить, что в основном в качестве источников искусственного освещения используют газоразрядные лампы. Данный тип ламп имеет ряд недостатков, основной из которых низкий энергетический КПД. Наиболее популярные отечественные лампы — ДНаЗ Reflux, имеют существенную долю излучения в зеленой области спектра, которой, как показали исследования, нужна в незначительном количестве. В связи с программами энергосбережения вопросы снижения издержек стоят достаточно остро [3].

Эксперименты показали, что световые кванты из диапазона ФАР неодинаково эффективны для инициирования фотосинтеза в хлоропластах листа. На основании вышеизложенного нами был разработан облучатель на базе светоизлучающих диодов, который может работать в двух режимах.

Таблица 1 — Технические характеристики разработанного светодиодного облучателя.

Соотношение светоизлучающих диодов подбиралось на основании литературного обзора и требованиям к продукции листового салата. Светодиодные чипы, которые используются в облучателе, приведены в таблице 2. В результате поиска светодиодных чипов из доступных каталогов были выбраны светодиоды от фирм Philips серии Lumileds и LedEngin. LedEngin является единственной фирмой, которая может поставить ультрафиолетовые светодиодные чипы. Пятьдесят светодиодов мощностью 1 Вт выбраны от фирмы Philips, остальные красные десятиваттные и ультрафиолетовый — от фирмы LedEngin.

Таблица 2 — Характеристика светодиодного облучателя.

В качестве объекта облучения был выбран листовой салат сорта «Ромэн». Данный сорт салата в наше время особенно ценен как источник витаминов, А и С, а также кальция и железа.

В целях исследования влияния разработанного светодиодного облучателя на продуктивность листового салата была построена лабораторная установка, вид которой дан на рисунке. Лабораторная установка состоит из двух камер длиной 2 метра и шириной 1 метр. Высота составляет 2,5 метра. Стены установки оклеены алюминиевой фольгой на бумажной основе, полы — белой жестью. Установка не герметична и имеет приток воздуха как снизу, так и сверху. За счет принудительной циркуляции воздуха в установке происходит постоянный воздухообмен. Установки расположены в помещении, изолированном от солнечного света. Помещение оборудовано вентиляторами для обеспечения притока свежего воздуха, а также увлажнителями воздуха в целях поддержания оптимальных температурно-влажностных характеристик. Данное оборудование управляется таймерами. облучение рассада фотосинтез салат.

Рисунок 1. Вид экспериментальной камеры.

Опыты проводили в течение 2013;2014 гг. В качестве контрольной лампы использовали натриевые лампы ДНаЗ Reflux 400 со светильниками ЖСП 20−400, которые также используются в ООО «Гринпрайс», характеристики которой приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Спектральные характеристики ДНаЗ Reflux 400 (количество фотонов, испускаемых в данном спектральном интервале, в % от общего числа испускаемых фотонов).

Для поджига ламп использовали электромагнитные дросселя с импульсно-зажигающими устройствами.

Температурно-влажностный режим при досветке рассады салата приведен в таблице 3.

Таблица 3 — Температурно-влажностный режим во время опытов.

Уровень облученности рассады регулировался с помощью изменения высоты подвеса светильника с лампами. Интенсивность лучистого потока проводили прибором Li-Cor 250 с относительной погрешностью 0,4%. Отклонение облученности по отдельным точкам над ценозами не превышало ±15% от среднего значения.

Измерения температурно-влажностного режима при досветке рассады салата проводили прибором testo 610 c относительной погрешностью 2,5% по влажности. Абсолютная погрешность по температуре равна 0,5°С.

Для выращивания салата были применена гидропонная установка Cutting Board 27 фирмы GHE — лидера в области гидропонных технологий Европы. Установка содержит 27 отверстий для горшочков диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Однако в опыте использовали не более 18 штук. Это связано с их частым расположением и опасением, что образцы салата в процессе роста будут затенять рядом стоящие образцы. Горшочки заполняли на 50% керамзитом, на 50% - землей. В каждый горшочек высаживали по 3 семени. После всходов на 5 день все горшочки с рассадой выравнивали до 2-х всходов, чтобы не зависеть от процента всхожести.

Электропроводность измеряли электронным TDS метром фирмы HM Digital с относительной погрешностью в 2%. Принцип действия измерителя жесткости воды (солемера) основан на прямой зависимости электроводности от количества растворенных в воде соединений солей жесткости, пересчитанных в ppm (мг/л). Значение электропроводности поддерживали на уровне 1000 ppm. В качестве удобрений использовали комплексные удобрения на калии, азоте, фосфоре с добавлениями микроэлементов.

Пробы, взятые на каждый анализ, составляли по 2−3 растения салата. В каждой биологической повторности анализы брали через каждые 5 суток.

На 20-й и 40-й дни пробы салата отдавали в лабораторию Министерства сельского хозяйства Республика Марий Эл на определение качества продукции.

В первой и второй группе опытов использовали светодиодный облучатель на 60 Вт, в третьей — 160 Вт, характеристики которого приведены в таблице 1. Значения лучистого потока, измеренного над кассетами с салатом, приведено в таблице 4. Требуемое значение получали за счет изменения высоты подвеса светильника с источником света.

Таблица 4 — Значение фотосинтетически активной радиации над кассетами салата.

Оценку образцов листового салата проводили по количественным и качественным показателям. В качестве количественного показателя был выбран вес одной кассеты салата, качественные характеристики оценивали в лаборатории Министерства сельского хозяйства Республики Марий Эл.

Оценить рост биомассы листового салата в зависимости от интенсивности искусственного освещения можно по рисунку 2. В третьей группе опытов эксперименты были остановлены на 33 день ввиду удовлетворения салата критерию товарной продукции согласно [5]. Как полагают стандарты, товарная продукция салата составляет 100 грамм.

Оценивая рисунок 1, можно сделать вывод, что разработанный светодиодный облучатель в обоих повторностях опытов дает лучшие результаты по приросту биомассы. Как видно, при уровнях облученности в 119 мкмоль/м2с, что соответствует реальным уровням на предприятии ООО «Гринпрайс», рост биомассы салата был ниже, чем за счет светодиодного облучателя, электрическая мощность которого составляет всего 160 Вт против 400 Вт у ДНаЗ Reflux 400.

К качеству салата применены требования, которые описаны в ГОСТ Р 54 703−2011 [5]. Согласно этому ГОСТ салат проверяют на нитраты по [6], допустимая норма которых не должна превышать 3000 мг/кг для салата, выращенного в защищенном грунте. Результаты анализа отражены в таблице 5. Остальные биохимические показатели были определены с целью оценки протекания фотосинтеза. Незначительное отличие в пользу светодиодного облучателя свидетельствует о возможности замены или дополнения натриевых ламп высокого давления светодиодными облучателями.

Таблица 5 — Результаты лабораторных исследований образцов листового салата.

Стоит отметить, что листовой салат, выращенный под разработанным светодиодным облучателем, обладал более низким содержанием нитратов, что также положительно отражает разработанный облучатель.

В настоящее время ведутся опыты по увеличению уровней облучения светодиодным облучателем, а также комбинированного облучения рассады листового салата натриевым лампами высокого давления совместно с разработанным светодиодным облучателем.

• 1. Повышение эффективности светокультуры на салатных линиях благодаря использованию светильников с лампами Reflux (на базе ЗАО «Агрокомбинат «Московский»). Ассоциация «Теплицы России» — интернет ресурс
• 2. НТП 10−95 Нормы технологического проектирования теплиц и тепличных комбинатов для выращивания овощей и рассады утвержден 01.07.1996 Минсельхозпрод РФ
• 3. Российская Федерация. Законы. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федер. закон: [принят Гос. Думой 11 ноября 2009 г.: одобр. Советом Федерации 18 ноября 2009 г.] // Российская газета. — 2009. — № 5050.
• 4. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) — 5-е изд., доп и перераб / Б. А. Доспехов, М., Агропромиздат, 1985 г. 351 с.
• 5. ГОСТ Р 54 703−2011 — Салат-латук, эндивий кудрявый, эндивий, эскариол свежие. Технические условия. М., Стандартинформ, 2014 г.
• 6. МУ 5048−89 Определение нитратов и нитритов в продукции растениеводства. М, 1989 г.

Аннотация

Оценка интенсивности искусственного освещения светодиодного облучателя на листовой салат в защищенном грунте Ефремов Никита Сергеевич преподаватель кафедры электроснабжения и технической диагностики Почтовый адрес: 424 000, Республика Марий Эл, Йошкар-Ола,.

ФБГОУ ВПО «Марийский государственный университет». Россия, Йошкар-Ола

В настоящее время искусственное облучение рассады листового салата производят газоразрядными лампами, которые имеют низкий энергетический КПД и значительную долю спектра в зеленой области. Светодиодные чипы можно подобрать таким образом, чтобы обеспечить максимум фотосинтеза листового салата с оптимальным потреблением электрической энергии Ключевые слова: искусственное облучение, светодиодный облучатель, защищенный грунт.

Estimates of the intensity of artificial lighting OF A LED irradiator OF lettuce in greenhouses.

Efremov Nikita Sergeevich lecturer of the Department of electrical and technical diagnostics.

Mailing address: 424 000, Republic of Mari El, Yoshkar-Ola,.

FBGOU VPO Mari State University, Yoshkar-Ola, Russia

Currently, artificial irradiation of lettuce seedlings is produced with gas discharge lamps that have a low energy efficiency and a significant proportion of the spectrum in the green region. LED chips can be chosen in such a way as to ensure maximum photosynthesis of lettuce with optimal consumption of electrical energy.

Keywords: artificial irradiation, LED illuminator, protected ground.