На Озоне продается много светильников для растений по цене в районе 1000 рублей. Позиционируются, как специализированное решение, которое увеличивает урожай. А с учетом низкой стоимости кажется, что это — настоящее чудо.
Чтобы проверить, мы приобрели один из них и провели эксперимент по выращиванию редиса, сравнив со «стандартным» светильником, дающим белый свет с цветовой температурой 5000 К. Однако результаты оказались совсем не такими, как можно было ожидать.
Теория: причем тут вообще спектр света
Как известно, солнечный свет, наряду с водой и питательными веществами в почве — главный компонент для роста растений. Световая энергия попадает на лист и усваивается живыми клетками в видимом спектре с длиной волны примерно от 380 нм (фиолетовый) до 700 нм (красный).
Вот только не все длины волн растения усваивает одинаково. Почему? Есть такое вещество, как хлорофилл — оно отвечает за фотосинтез и влияет на общее развитие растения. Многочисленные исследования показали, что хлорофилл наилучшим образом усваивает длину волны в в 420-430 нм (синяя часть спектра) и в 660-670 нм (ближняя красная часть спектра).
При этом есть еще и дальняя часть красного спектра примерно в 730 нм, которая не участвует в фотосинтезе и почти не поглощается хлорофиллом, но влияет на другое важное вещество — белок-рецептор фитохром.
Логично предположить, что при искусственном освещении растений можно «вырезать» часть спектра, которая плохо усваивается. Тогда большая часть излучаемой светильником световой энергии будет приходиться на самые «рабочие» длины волн. Растение же будет развиваться максимально эффективно.
Собственно, при использовании только двух частей спектра, при их смешивании получается тот самый фиолетово-розовый цвет, характерный для «специализированных светильников» с Озона.
Терминология: какие характеристики важны для растений (и не только)
Солнце излучает естественный свет, содержащий все длины волн. Для своего роста и развития растение должно поглощать в день из видимого диапазона 380-700 нм определенное количество нужной ему энергии — так называемой фотосинтетической активной радиации (сокр. ФАР). Чем сильнее светит Солнце и чем дольше (например, летом), тем больше энергии поглотится. Но как можно охарактеризовать ФАР и связать с потребностями растений? Есть несколько специфичных терминов.
PPF (Photosynthetic Photon Flux, или поток фотосинтетических фотонов)
Как мы помним со школы, свет переносят фотоны. Чем больше их распространяется за одно и то же время от источника, тем больше общий световой поток. Для понимания можно провести аналогию с электрическим током: чем больше электронов движется по проводнику, тем выше сила тока.
Величина PPF выражается в мкмоль/с — другими словами, суммарное число фотонов, находящихся в определенном количестве вещества каждую секунду.
PPFD (Photosynthetic Photon Flux Density, или плотность фотосинтетического потока фотонов)
Если PPF показывает, сколько в принципе излучается фотонов за секунду, то PPFD — сколько из них приходится на каждый квадратный метр поверхности листа. Измеряется в мкмоль/м2/с.
Например, если светильник излучает много PPF, но при этом висит высоко, PPFD он даст небольшой — растения получают меньше света. Примерно как связь между люксами и люменами.
YPF (Yield Photon Flux, или выходной поток фотонов)
По сути, та же величина PPF в мкмоль/с, только нормируемая с точки зрения поправки на полезность разных длин волн для растений. Другими словами, величина говорит, что 100 фотонов красного света важнее, чем 100 фотонов зеленого спектра. Но важно понимать: ценность также зависит от стадии выращивания.
Например, фотоны из синей части спектра работают намного лучше на этапе вегетативного роста (стебель быстрее и правильнее вытягивается), а красный — на этапе цветения или плодоношения.
Аналогично есть и величина YPFD, которая показывает, сколько «эффективных» фотонов приходится на один квадратный метр. Как и PPFD, измеряется в мкмоль/м2/с.
DLI (Daily Light Integral, или суточный интеграл освещенности)
PPFD или YPFD показывают лишь, сколько энергии будет падать на лист растения каждую секунду. Но как понять, сколько света попадет на растение в течении продолжительного времени? Для этого есть DLI — общее количество фотонов, попадающих на поверхность за один световой день (моль/м2/сут).
Чтобы рассчитать величину, можно просто умножить измеренный PPFD на продолжительность включения. Например, светильник висит на определенной высоте, и мы определили, что на растение в среднем приходится 100 мкмоль/м2/с. Если мы включим светильник на 12 часов, то получим:
100 * 3600 (секунд в часе) * 12 * 0,000001 (перевод мкмолей в моли)= 4,32 моль/м2/сут
Много это или мало? Все зависит от ряда факторов: сорта растения, фазы его развития и окружающих условий (температуры и влажности). Например, для роз нужно 18-22 моль/м2/сут, для рассады помидоров — 10 моль/м2/сут, с постепенным увеличением до 15 мол/м2/сут по мере роста. И так далее.
А если света не хватает, то казалось бы, можно просто включить светильник подольше? Хоть на все 24 часа? Однако так делать нельзя, поскольку у каждого растения есть «точка насыщения»: сколько энергии ни добавляй, процесс фотосинтеза затормозится из-за недостатка углекислого газа. Для огурцов это максимум 20 часов, томатов — 18 часов, а в некоторых случаях лучше ограничиться вообще 12 часами.
Мощность потребления
Параметр, который не имеет никакого отношения к скорости выращивания и качеству урожая. Однако он напрямую влияет на другие параметры:- Чем больше мощность, тем сильнее встроенный драйвер может нагревать светодиоды. А это приводит к снижению светового потока и постепенной деградации, как мы уже разбирали в предыдущем материале.
- С ростом потребления из сети возрастает и стоимость выращивания. И для промышленных теплиц, где стоят сотни светильников, это особенно актуальная проблема.
В итоге, чем больше PPF будет выдавать светильник при как можно меньшей мощности, тем лучше. Во-первых, он сможет проработать меньше времени каждый день, прежде чем растение «накопит» нужную дозу ФАР. А во-вторых, тот же результат получится более экономически выгодным.
Гипотеза: почему излучение только в синем и красном спектрах неэффективно
Перед началом эксперимента мы предположили следующее.
Во-первых, для растения на разных стадиях, согласно кривой Маккри, требуются разные спектры. Синий лучше для рассады, ближний красный — для цветения и плодоношения. Смешивать их и использовать в одной лампе довольно странно.
Во-вторых, для растения в целом очень важно получить как можно больше ФАР. Даже если часть ее будет приходиться на «неэффективный» зеленый спектр, это позволит другим клеткам растения получать энергию, передавать ее хлорофиллу и дополнительно улучшать процесс фотосинтеза.
В-третьих, в научных кругах все чаще стали появляться исследовательские статьи, ставящие под сомнения пользу чисто красного или синего спектров, в пользу естественного белого. Например, в этой статье авторы исследовали снижение роста зеленой массы китайской капусты и подробно описали проблемы освещения при помощи RBL светильников (Red Blue Light).
В-четвертых, были большие сомнения в качестве компонентов и достаточной PPF для столь дешёвого светильника. В чем мы и убедились в рамках эксперимента.
Подготовка эксперимента: какие использовали светильники
Для испытаний приобрели популярный светильник на Озоне стоимостью порядка 1000 рублей. Раскрывать конкретную модель или приводить ссылки не будем, но из этой подборки читатель легко определит, о чем идет речь.
Чтобы понимать, с чем имеем дело, провели подробные замеры. И с удивлением обнаружили, что с точки зрения используемых светодиодов он идеально соответствует всем рекомендациям по выращиванию растений:- Пиковая величина в ближнем красном спектре приходится на 654 нм.
- В синем спектре максимум — 445 нм.
- В дальнем красном спектре, на 730 нм, плавное снижение интенсивности для оптимальной «активации» фитохрома.
- Средний показатель PPFD в 109 мкмоль/м2/с, из которых 86 мкмоль/м2/с приходится на красную зону — приличное значение.
Дополнительно мы измерили мощность потребления из сети — 70 Вт. Довольно много, но на само выращивание это никак не должно повлиять.
В качестве другого образца для сравнения мы использовали светильники Constant собственного производства. Длина корпуса у светильника такая же, как у модели с Озона, площадь поверхности освещения меньше на 30%, мощность — ниже в два раза, всего 33 Вт. При этом его стоимость в 3000 рублей существенно выше, чем у «фитосветильника» за счет более качественных драйвера и светодиодных модулей.
Для эксперимента взяли модель с CRI 70 (просто с CRI 90 не было в наличии) и цветовой температурой 5000 К — наиболее близкое к цветовой температуре Солнца в полдень. Кажется, что показатели не подходят для освещения растений: много зеленого спектра, мало ближнего красного, а дальнего красного нет вообще.
Однако светильник имеет более совершенные светодиоды и схемотехнику. Поэтому при мощности вдвое меньше выдает PPFD 196 мкмоль/м2/с против 109 мкмоль/м2/с у «специализированного». Однако PPFD на красный спектр приходится всего 52 мкмоль/м2/с против 86 мкмоль/м2/с.
Другими словами, в эксперименте мы пытались выяснить, что важнее: спектр света или общее количество ФАР.
Результаты эксперимента: как мы выращивали редис
Мы расположили два светильника на одинаковой высоте, но отделили друг от друга перегородкой. Цвет всех поверхностей — белый. Под каждым светильником — по три горшка с рассадой редиса.
Эксперимент занял 23 дня: продолжительность засветки составляла 12 часов в сутки при температуре 25 С. И согласно экспериментальным данным, при DLI для редиса 12-15 моль/м2/с этого вполне должно было хватить на получение урожая. Итоговый результат — на фото ниже.
Слева — редис, выращенный под светильником, который давал 196 мкмоль/м2/с, с обычным белым светом 5000 К.
Справа — редис, выращиваемый под фитосветильником с Озона, который давал 109 мкмоль/м2/с среднего PPFD. При этом основная интенсивность приходилась на ближнюю красную, синюю и дальнюю красную часть спектра, как и должно быть «по науке».
Очевидно, что универсальный фитосветильник, хотя и был вдвое мощнее, показал значительно худшие результаты — гипотеза для редиса подтвердилась.
Наш коллега, который помогал с подготовкой статьи и проводил сам эксперимент, снял на видео все этапы. Они доступны в его ТГ-канале, посвященном освещению растений.
Выводы: гипотеза подтвердилась, но требуются еще эксперименты
В целом скептическое отношение к специализированному розовому фитосвету высказывали уже многие. Например, на Хабре есть отличная статья-исследование по теме освещения растений белыми светодиодами, в которой автор приходит точно к таким же выводам, что и мы. Да и в целом в научной литературе появляется все больше критических статей по RBL свету.
Главный вывод: на рост и развитие растений в первую очередь влияет общее количество энергии, а не спектр. PPFD светильника должна быть достаточной для конкретного сорта и этапа развития, с учетом продолжительности светового дня. Но при прочих равных, если передаваемой ФАР достаточно для растения, то вопрос эффективности красного и синего спектра на разных этапах роста подлежит дополнительным исследованиям. И мы планируем в будущем провести новые эксперименты, в том числе и с другим культурами, не ограничиваясь редисом.
Ну а с точки зрения эксплуатации, проблемы дешевого фитосветильника с Озона очевидны:- Крайне низкая светоотдача — конкретно у этой модели порядка 50-70 лм/Вт. Это означает, что при том же световом потоке он будет потреблять больше электричества.
- Мерцание — отсутствие любых фильтров и крайне дешевый драйвер приводят к тому, что нахождение рядом с таким источником света в течении нескольких часов негативно сказывается на здоровье человека.
В следующих материалах мы продолжим исследовать вопросы светодиодного освещения для растений. Поговорим, как связаны характеристики светильника с ФАР и как их рассчитать, а также сравним с популярными ДНаТ.
Подписывайтесь на наш ТГ-канал, чтобы не пропустить выход новых материалов
Позвонить
Почта
Онлайн чат