Всемирно известный специалист по растениеводству ЮРГА МИЛЯУСКИЕНЕ продвигает передовые технологии освещения для садоводства, основанные на исследованиях, проведенных в Центре LESA.
В качестве приглашенного ученого LESA Юрга Миляускиене (PhD) изучает применение импульсного света в сельском хозяйстве с контролируемой средой. (Фото: Центр по разработке систем освещения и прикладных систем при Политехническом институте Ренселера.)
Известно, что свет является важнейшим фактором жизненного цикла растений. Качество и количество света, а также световой период оказывают существенное влияние на рост и развитие растений. Управление светом в процессе выращивания растений является важной проблемой, которую ученые-исследователи растений изучают в сельском хозяйстве с контролируемой средой (СЕА). Для этого на предприятиях растениеводства, в климатических камерах и теплицах обычно используются несколько различных условий искусственного освещения. Светодиодные системы освещения для садоводства все шире используются для обеспечения лучшего контроля интенсивности и спектрального распределения мощности (SPD) в сельском хозяйстве с контролируемой средой, предназначенной для оптимального растениеводства.
Поскольку главная задача выращивания растений в контролируемой среде – это удовлетворение потребностей и решение проблем, связанных с растениеводством в помещениях, мы должны досконально и точно понимать требования растений. Однако без полного изучения биологического воздействия на сами растения в различных условиях освещения трудно понять, действительно ли развитие растений оптимально с точки зрения качества и скорости роста. Научно-исследовательский отдел растений в Центре разработки систем освещения и прикладных систем (LESA) Политехнического института Ренселера (где я проводила эксперименты по воздействию освещения на растения в качестве приглашенного ученого) использует передовые системы освещения для садоводства и методы исследования, чтобы лучше понимать физиологические реакции на конкретные длины волн и длительность светового воздействия на культуры, обычно выращиваемые в помещении, такие как латук и салат– растения, которые чаще всего выращивают в коммерческих целях.
Опубликованные в настоящее время данные свидетельствуют о том, что существует большой потенциал для увеличения урожайности и качества урожая на сельхозпредприятиях с контролируемой средой с помощью светодиодного освещения. Однако некоторые важные факторы, такие как длина световой волны, необходимая длительность воздействия световой волны, плотность фотосинтетического фотонного потока и т. д. по-прежнему используются «вслепую». Главное назначение светодиодного освещения в садоводстве – это производство высококачественного урожая при минимальных затратах. Вопрос здесь заключается в том, что такое высококачественная культура? Производители обычно стремятся к высокой урожайности с длительным сроком хранения, хорошим внешним видом, питательной ценностью и ароматом. Покупатели, делая свои покупки, обычно основываются на желательных свойствах продукта, таких как, среди прочих, внешний вид, свежесть, цвет, аромат, вкус, текстура, пищевая ценность и польза для здоровья.
В последнее время светодиоды используются в качестве источника импульсного излучения на растения с контролем частоты и коэффициента светового излучения. Импульсное освещение генерируется по методу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), обеспечивающего периоды света и темноты на различных частотах. В садоводстве основной целью применения импульсного светодиодного освещения является экономия энергии без замедления роста урожая. Поскольку растения могут хорошо произрастать от воздействия импульсов длительностью в миллисекунды, а не с непрерывным воздействием, мы можем говорить об экономии энергии и об увеличении темного периода между импульсами. Суть идеи в том, что определенная частота импульсов может привести к увеличению производства растительной биомассы с меньшим количеством фотонов, требующих затрат.
Так можем ли мы достичь такого же урожая и его качества с помощью импульсного светодиодного освещения по сравнению с непрерывным светодиодным освещением? На текущий момент опубликовано всего несколько отчетов о влиянии пульсирующего светодиодного света на фотохимию, здоровье растений или качество питания, и на данный момент нет консенсуса относительно преимуществ использования пульсирующего света для роста растений. Результаты исследований Ки-Хо Сон и др. (2018) показывают, что импульсное освещение светодиодами с коэффициентом заполнения последовательности импульсов 75% не сдерживает скорость роста и не влияет на скорость фотосинтеза по сравнению с непрерывным светом, а обработка импульсным светом на частоте 1 кГц была наиболее эффективной с точки зрения роста и эффективности. Импульсный свет на высоких частотах (2–20 кГц, коэффициент заполнения последовательности импульсов – 50%) положительно влияет на рост салата-латука в контролируемых условиях окружающей среды (М. Канечи, 2018). Импульсные светодиоды также были протестированы на пучковом салате в целях достижения более высокого уровня питания (Вастакайте и др., 2017). Импульсное светодиодное освещение вызывало вторичные метаболические реакции и инициировало фитохимические изменения в пучковом салате, где эффект зависел от частот импульсов применяемых длин волн светодиодного света и варьировался в зависимости от видов салата.
У растений фотосинтез является основным видом деятельности, который лежит в основе всех функций растений, включая обеспечение энергией, необходимой для роста, процессов акклиматизации и качества урожая. Соответственно, важной функцией любой искусственной системы освещения для растениеводства в контролируемой среде является улучшение фотосинтеза растений. Импульсная способность гибких светодиодных систем освещения производить достаточные фотонные потоки с определенной длиной волны может быть связана с характеристиками фотосинтеза и удовлетворять требованиям фотосинтеза. Если коротко, то импульсное светодиодное освещение должно повысить фотохимическую эффективность фотосистемы II и уменьшить флуоресценцию хлорофилла, а это означает, что импульсное светодиодное излучение с достаточным фотосинтетическим фотонным потоком может эффективно использоваться для благоприятного роста растений в контролируемой среде.
Информация о видах растений, спектральных комбинациях и значениях интенсивности, фотопериодах, а также различных частотах и коэффициентах заполнения периода импульса использовалась в опубликованной литературе, но пока имеется относительно мало данных о влиянии импульсных светодиодов на различные типы растений, что затрудняет формирование общих и определенных выводов. Тем не менее, кажется, что использование импульсного светодиодного света может стать дополнительным инструментом для управления ростом и развитием растений и может обеспечить экономию энергии, поддерживая благоприятный рост растений. Другим преимуществом импульсного светодиодного света при определении частот и коэффициента заполнения является способность выращивать растения с высокой питательной ценностью при более низких затратах на электроэнергию.
Научно-исследовательская группа LESA разработала уникальный инструмент импульсного освещения под названием «Настраиваемый источник света для исследования эффективности излучения (TIGER)» для проведения исследований и расширения спектра знаний об эффектах импульсного освещения с целью качественного выращивания сельскохозяйственных культур в помещениях. Источник света TIGER генерирует синхронизированные импульсы отдельных цветовых каналов и обеспечивает высококачественное смешивание цветов, гарантируя спектрально равномерное освещение даже на небольших расстояниях от источника света.
В качестве исследователя с многолетним опытом применения светодиодов для роста и развития растений, мой интерес как приглашенного ученого состоял в том, чтобы углубить мое понимание импульсного светодиодного освещения путем проведения серии экспериментов, чтобы прояснить влияние недавно разработанного светового модуля TIGER на рост салатов и на реакцию их фотосинтетических и антиоксидантных систем. Предварительные результаты показывают, что импульсное освещение с высококачественным смешиванием цветов в ближайшем будущем откроет путь для существенной экономии энергии при более быстром производстве желаемых листовых овощей. Методы импульсного освещения являются инновационной технологией, и возможности формирования высокоскоростных импульсов необходимо учитывать при разработке искусственных систем освещения для садоводства. Тем не менее, важно, чтобы будущие системы освещения в помещениях могли способствовать выращиванию высококачественных культур. Была очень полезной возможность количественно оценить результаты исследований и добавить качественные данные в литературу, которые будут отвечать потребностям и задачам более эффективного выращивания сельскохозяйственных культур в помещении и дальнейшего развития сельского хозяйства.
В настоящее время LESA проводит дополнительные исследования с использованием источника света TIGER, которые внесут больше ясности в отношении влияния импульсного светодиодного освещения на выращивание растений.
О нашем эксперте
Д-р (PhD) ЮРГА МИЛЯУСКИЕНЕ – главный научный сотрудник Института садоводства Литовского научно-исследовательского центра сельского и лесного хозяйства. В качестве приглашенного исследователя она в течение двух месяцев работала вместе с группой Plant Science во главе с д-ром Элсбет Колмос. Диссертация Миляускиене на соискание степени PhD имеет название «Комплексное влияние климатических и антропогенных факторов на систему фотосинтеза съедобной редьки (Raphanus sativus L.)». Ее основные научные направления включают физиологические исследования продуктивности растений, экологию, экофизиологию, фотофизиологию, физиологию стресса (для растений) и фитохимии. Многие из результатов исследований Миляускиене опубликованы в международных научных журналах высокого уровня.
Примечание редактора: Мы искренне рады, что смогли согласовать с Центром по разработке систем освещения и прикладного освещения (LESA) и Консорциумом по тепличному освещению и системотехнике (GLASE) в Корнельском университете публикацию нескольких гостевых блогов, посвященных освещению для садоводства. Отдельное спасибо Лие Скотт из LESA за помощь. Вчера завершилась наша конференция HortiCann Light + Tech, и нам предстоит многое изучить в отношении тем и программ следующего года. Мы с нетерпением ждем продолжения по таким темам, как исследования импульсного света, ультрафиолетовое излучение, операции на основе данных, развитие высокотехнологичных систем выращивания растений и многим другим, чтобы донести до нашей аудитории самую свежую информацию и помочь в поддержке приложения SSL с таким большим потенциалом роста.