X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Оптическое излучение все в большей степени используется в современных технологических процессах в промышленности и сельском хозяйстве, становится неотъемлемой частью фотохимических производств, играет все возрастающую роль в повышении продуктивности животноводства, урожайности растительных культур [1].

Излучение в диапазоне волн от 400 до 700 нм оказывает наибольшее влияние на протекание фотосинтеза и называется «фотосинтетически активным». Существует стандартный параметр, характеризующий «яркость» источника света для растения, – количество фотонов с длиной волны от 400 до 700 нм, излучаемых за одну секунду. Эта величина называется фотосинтетическим фотонным потоком (Photosynthetic Photon Flux – PPF) и измеряется в микромолях фотонов в секунду, а отношение PPF к потребляемой мощности рассматривается как коэффициент эффективности излучения. В результате исследований [3] было показано, что наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растений являются интенсивности в пределах 150–220 Вт/м², а оптимальный состав излучения имеет следующее соотношение энергий по спектру: 30% – в синей области (380–490 нм), 20% в зеленой (490–590 нм) и 50% – в красной области (600–700 нм). С использованием такого искусственного освещения получены урожаи, в несколько раз более высокие, чем при обычном освещении, причем за более короткие (в 1,5–2 раза!) сроки.

Известно, что у разных видов растений различные требования к наилучшему сочетанию спектральных и энергетических характеристик све­тового режима. Например, установлено, что наилучшее содержание синего, зеленого и красного для томата составляет 15, 17 и 68%, для огурца - 17, 40 и 43%, для салата - 45, 20 и 35%, для редиса - 34, 33 и 33%, для пшеницы - 25% синего и 75% красного [3]. Для большинства остальных сельскохозяйствен­ных растений: 25...30% - в синей области, 20% - в зеленой и 50% - в крас­ной области (табл. 1)

Содержание в оптическом излучении ультрафиолетовой радиации, как известно, может существенно влиять на продуктивность растений. Свойства ультрафиолетового излучения зависят от длины волны. Небольшое содержание ближнего ультрафиолетового излучения оказы­вает регуляторную роль. Коротковолновое УФ излучение нарушает синтез хлорофилла [2].

Различия в интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) особенно велики в многоярусном фито­ценозе. Светолюбивость видов значительно определяется расположением в отдельном ярусе. В нижних ярусах фитоценоза интенсивность ФАР недоста­точна для того, чтобы листья могли фотосинтезировать с максимальной про­дуктивностью [3].

Соотношение ФАР и инфракрасной радиации (ИКР) важно для обеспечения максимальной продуктивности растений. В пределах 20-50% от общего излучения ИКР не влияет существенно на урожай, но сильно изменяет сроки вегетации. 50-60% ИКР повышают выход урожая при минимальных сроках вегетации. Превышение доли ИКР выше 60% снижает урожайность, а снижение ниже 20% сильно удлиняет сроки вегетации. С ростом уровня облученности ФАР рекомендуется снижать долю ИКР.

Т а б л и ц а 1. Требования к цветному освещению

	Синий	Зеленый	Красный
Томат	15	17	68
Огурец	17	40	43
Салат	45	20	35
Редис	34	33	33
Пшеница	25	1	74
Остальные	30	20	50

Результаты многих исследований указывают на возможность применения светодиодных светильников для облучения растений. Современные светодиоды перекрывают весь видимый диапазон оптического спектра - от красного до фиолетового цвета. Диапазон длин волн излучения светодиодов в красной области спектра составляет от 620 до 635 нм, в оранжевой – от 610 до 620 нм, в желтой – от 585 до 595 нм, в зеленой – от 520 до 535 нм, в голубой – от 465 до 475 нм и в синей – от 450 до 465 нм. Таким образом, путем составления комбинации из светодиодов разных цветовых групп можно получить источник света с практически любым спектральным составом в видимом диапазоне.

Следует отметить и другие преимущества светодиодов, например, малую потребляемую электрическую мощность, низкое потребление электроэнергии устройствами на основе светодиодов. Кроме того, излучение светодиодов направленное, а это позволяет эффективнее использовать источники света на их основе. Также надо принимать во внимание, что срок службы светодиодов превышает срок службы ламп минимум в несколько раз, что делает применение светодиодов весьма эффективным в экономическом плане. Интенсивность излучения светодиода зависит от протекающего через кристалл тока. Это позволяет управлять интенсивностью излучения светодиодного светильника, причем относительно легко – путем изменения значения тока. Если использовать в светильнике светодиоды с разными значениями длины волны излучения, то изменением тока для разных светодиодов можно получать различные по составу и интенсивности спектры излучения и таким образом подбирать спектр светильника в зависимости от конкретного этапа развития растения. В условиях светокультуры растения могут расти как в направленном, так и в диффузном световом потоке. Диффузное излучение называют объемным (например, свет при равномерном облачном небе или свет через матовое стекло). Для получения диффузного света используют переизлучающую или рассеивающую поверхность.Диффузный свет более эффективен, чем прямой, т.к. лучше распределяется в ценозе.

При обеспечении требуемой структуры поля оптического излучения к растениям и оптимального уровня облученности в зоне ФАР фотопериод,

согласно разработкам Института Гипронисельпром, должен составлять 14 часов

для выращивания рассады и 16 часов для выращивания на продукцию.

Таким образом, светодиоды представляют собой оптимальный базовый источник света для разработки универсального программируемого и регулируемого по спектру облучателя для светокультуры растений.

Заданные ступени регулирования по спектру (в % от 100) при общем уровне облученности в зоне растений 200 Вт/м²ФАР приведены в таблице 2.

Т а б л и ц а 2. Регулирования интенсивности по спектральным диапазона

320-400 УФ	400-500 синий	500-600 зеленый	600-700 красный	700-750 дальний красный	750-1600 ближний ИК
1	20	220	20	2	10
1	20	20	20	2	10
1	20	20	20	2	10
1	20	20	20	2	10
1	20	20	20	2	10

Если использовать в светильнике светодиоды с разными значениями длины волны излучения, то можно получать различные по составу и интенсивности спектры излучения и, таким образом, подбирать спектр светильника в зависимости от конкретного вида и этапа развития растения

Управление при помощи автоматизированных систем, в которые достаточно органично можно добавить и управление освещением, причем как по интенсивности, так и по спектральному составу излучения, и производить такие управляющие операции по программам, учитывающим фазу развития растений.

Литература

1.Беззубцева М.М. Электротехнологии и электротехнологические установки: учебное пособие. – СПб.: СПбГАУ, 2011 – 242с.

2.Рождественский В. И., Клешнин А. Ф. Управляемое культивирование растений в искусственной среде. М.: Наука, 1980 - 199 с

3.Тихомиров А.А.. Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы / А.А. Тихомиров , Шарупич В.П., Лисовский Г.М. - Новосибирск: Изд. Сиб. отд. РАН, 2000. - 213 с..

3.Гулин С.В. Энергетическая эффективность спектральных параметров облучательных установок селекционных климатических сооружений// Известия МААО, №18 – 2013 – с.8 -11.

Код для цитирования: Скопировать