Поиск правильного режима освещения в теплицах

Поиск правильного рецепта освещения теплицы круглогодичного выращивания овощей

Импортозамещение и параллельный импорт товаров – одно дело, наука и селекция — другое. Мы не можем отрезать себя от полезной информации, а потому мы смотрим за тем, как живёт отрасль защищённого грунта в других странах.

В рамках наших наблюдений за темой защищённого грунта, мы провели обзор недавних исследований освещения овощей в теплицах на базе Научно-исследовательского и разработочного центра сельского хозяйства и продовольствия Канады в Харроу. 

Канада, по большей части, весьма похожа на Россию в климатическом плане, оттого их исследования могут дать пищу для размышлений наших профессионалов защищённого грунта и производителям овощей вообще. Мы не раз писали о доствечивании и сами проводим в селекционном центре в Крымске работу со светом, направленную на получение плодов томата и огурца с выдающимися вкусовыми качествами.

Нам в руки попалось исследование, проведённое доктором Фади Аль-Даудом и доктора Сюминга Хао. Их исследование завершилось совсем недавно и представляет интерес с точки зрения перспектив использования гибридного досвечивания.

Краткое содержание и выводы (спойлер материала)

По результатам исследований Аль-Дауда и Хао, спрос рынка на локально выращенные фрукты и овощи круглый год стимулировал принятие технологий освещения для зимнего производства продовольствия в теплицах и вертикальных фермах в Онтарио.

В этой статье будут рассмотрены некоторые исследования освещения, проведенные в Научно-исследовательском центре Харроу за последние несколько лет.

Обобщенные рекомендации по интенсивности света, фотопериоду и суточному световому интегралу (DLI) .

В статье также рассматриваются несколько исследований, проведенных в Харроу, для тестирования различных комбинаций верхнего, внутреннего и динамического освещения с длительным фотопериодом и низкой интенсивностью для зимнего производства огурцов, помидоров, перца и микрозелени.

В данном материале вы найдете подробную информацию о рецептах освещения, использованных в исследованиях, и их результатах.

В целом, использование LED внутреннего освещения в сочетании с верхним освещением HPS увеличивало раннее производство огурцов, а небольшие дозы «далекого» красного света с HPS или LED способствовали зимнему производству помидоров и перца.

Были также определены динамические рецепты освещения для длительных фотопериодов (до 24 часов) для производства помидоров, огурцов и перца в теплицах зимой и микрозелени на вертикальных фермах.

Следующим шагом будет интеграция информации, полученной из исследований динамического длительного фотопериода освещения, в программы динамического управления освещением для значительного снижения стоимости светильников и энергозатрат.

Рост тепличного производства овощей

За последние десятилетие зафиксирован рост тепличного сектора овощеводства. Согласно данным учёных, он стал возможным благодаря прогрессу в исследованиях и технологиях освещения.

Более эффективные светильники, такие как светодиодные лампы (LED) и новые двойные натриевые (HPS) лампы высокого давления, позволили производителям овощей продлевать сезон выращивания овощной продукции в темные зимние месяцы экономически устойчивым способом.

Возможность настройки LED-ламп на различную интенсивность света и спектральный выход стала настоящим прорывом. 

Это позволило производителям и исследователям экспериментировать с различными "рецептами" света, оптимизируя световую среду для своих культур и затраты на производство, соответственно.

Специфика использования света в выращивании

До коммерческого использования LED-ламп, HPS-лампы использовались только как верхние источники света для тепличного выращивания овощей. Из-за высокой рабочей температуры ламп HPS нельзя было размещать близко к растениям. 

HPS-лампы также предоставляли только один спектральный выход, который нельзя было настроить. LED-лампы в корне изменили эту ситуацию. 

Более низкая рабочая температура LED-ламп позволила использовать их не только как верхние источники света, но и для освещения внутри кроны плетистых культур, таких как помидоры, огурцы и перцы. 

Кроме того, настройка спектрального выхода LED облегчила манипулирование архитектурой кроны, что позволило культурам, которые ранее плохо росли под HPS-лампами, успешно расти под LED-лампами.

Эффективность светильников

Одним из важных аспектов является разница в эффективности светильников. LED-лампы обычно более эффективны, чем HPS-лампы.

Эффективность светильников при производстве фотосинтетически активного излучения (PAR, 400-700 нм) измеряется в количестве фотонов (мкмоль) на джоуль (Дж) потребляемой электроэнергии. 

Чем больше число мкмоль на Дж для светильника, тем больше света он производит на Дж, тем он эффективнее. Эффективность HPS-ламп колеблется от 0,9 до 1,8 мкмоль на Дж в зависимости от типа, в то время как эффективность LED-ламп обычно составляет от 2,0 до 4,0 мкмоль на Дж.

Типичное энергетическое воздействие световых приборов для достижения 220 мкмоль на м^2 в секунду PAR.

Сложности зимнего выращивания тепличных овощей с дополнительным освещением

Выращивание тепличных овощей зимой с использованием дополнительного освещения не сводится просто к нажатию на кнопку. Производителям овощей необходимо корректировать выбор гибридов, график культуры, плотность посадки, системы обучения, контроль климата и графики полива. 

Тепличное производство овощей без дополнительного освещения (таких как помидоры, перцы и огурцы) обычно начинается с посадки в декабре и январе, а уборка заканчивается в октябре или ноябре. 

В то время как выращивание этих культур зимой или круглогодичное производство с дополнительным освещением обычно начинается с посадки в сентябре или октябре и заканчивается уборкой в июле или августе.

Контроль климата и графики полива для зимнего производства овощей

В дополнение к изменению графика культуры, контроль климата и графики полива должны быть скорректированы для зимнего производства под искусственным освещением. Важно учитывать три периода с разными световыми условиями:

* Только естественный дневной свет или дневной свет плюс искусственный свет.

* Только искусственный свет.

* Темная ночь.

Полив должен начинаться, когда дополнительное освещение включается, что обычно происходит за несколько часов до восхода солнца. Дополнительные светильники должны быть выключены за один час до заката, чтобы пчелы-опылители могли вернуться в свои ульи, иначе они могут ориентироваться неправильно из-за искусственного света.

Выбор сортов при выращивании с дополнительным освещением

Выбор сортов также меняется при выращивании с дополнительным освещением. Многие сорта тепличных овощей, подходящие для производства без дополнительного освещения, могут не подходить для зимнего выращивания с дополнительным освещением. Тип дополнительного освещения также влияет на выбор сорта. Например, HPS-лампы могут ускорять старение у генеративных сортов, в то время как LED-лампы могут задерживать плодоношение у живучих сортов.

Проектирование стратегии освещения для высоких тепличных овощей

При разработке стратегии освещения для высоких тепличных овощей производители должны учитывать четыре основных компонента:

1. Какой интенсивности света следует придерживаться?

Обычно это называется плотностью фотосинтетического потока фотонов (PPFD). Она измеряет количество PAR света, которое растения получают в микромолях (µmol) на метр квадратный (m^2) в секунду.

2. Какой фотопериод следует использовать?

Фотопериод — это продолжительность времени, когда свет присутствует, будь то солнечный свет или искусственный свет, и обычно измеряется в часах. Когда вы умножаете интенсивность света (в молях на m^2 в час) на фотопериод (в часах), вы получаете суточный световой интеграл (DLI). Это общее накопленное количество света, которое растения получают за один день, измеряемое в молях (mol) на m^2 в день.

3. Какой световой спектр следует использовать?

Это качество света или цвет света, который излучают световые приборы, измеряемый в нанометрах (nm). Широкоспектральный белый свет обычно покрывает спектр PAR (400-700 nm), синий свет находится в диапазоне 400-500 nm, зеленый/желтый/янтарный свет — 500-600 nm, красный свет — 600-700 nm, а дальнекрасный свет — 700-800 nm.

4. Какое вертикальное распределение света следует использовать?

Световые приборы могут использоваться как верхнее освещение над кроной дерева, внутреннее освещение внутри кроной или комбинация обоих. Как упоминалось ранее, лампы HPS и LED могут использоваться разными способами.

Внедрение дополнительного освещения в зимнем производстве тепличных овощей

* Это общий DLI (солнечный свет + дополнительный свет), который обычно используется в коммерческом производстве для поддержания хорошего уровня производства. Более высокие значения DLI могут дополнительно увеличивать урожай, но не обязательно приносить большие прибыли, потому что дополнительный прирост урожая может не оправдывать дополнительные затраты.

* Это общий DLI для достижения максимального урожая

Оптимизация комбинации верхнего освещения HPS и междурядного красно-синего освещения

Второй ряд испытаний был направлен на оптимизацию комбинации верхнего освещения HPS и красно-синего междурядного освещения, проверяя разные интенсивности верхнего света (120 и 165 µmol/m^2/с) и разные интенсивности междурядного освещения (один или два ряда красно-синего LED, создающего 36,7 µmol/m^2/с света для каждого прибора). Эти испытания также тестировали разные плотности посадки (2,8 и 3,6 растений на м^2), чтобы определить, влияет ли количество растений на реакцию на междурядное освещение. Верхние светильники HPS были установлены на высоте трех метров от земли, а междурядное LED-освещение было размещено на средней высоте кроны растений.

Результаты экспериментов

В первом ряду экспериментов растения с синим междурядным LED-освещением были выше, чем растения без междурядного освещения под верхними светильниками HPS. Растения, подвергшиеся красному и белому LED междурядному освещению, имели больше листьев, чем растения без междурядного освещения. Красное, синее и белое междурядное LED-освещение улучшало визуальное качество плодов и увеличивало урожай на более чем 10% на раннем этапе производства. Однако увеличение урожайности, связанное с LED междурядным освещением, не было таким значительным в поздние периоды производства.

Во втором ряду экспериментов, без верхнего освещения HPS, одиночное междурядное LED-освещение увеличивало вес продаваемых плодов на 32% по сравнению с контролем без дополнительного освещения. Комбинация верхних светильников HPS и междурядного LED-освещения снова увеличивала урожай и качество плодов по сравнению только с верхними светильниками HPS. В сочетании с менее интенсивным верхним освещением HPS два ряда междурядного LED-освещения увеличивали вес продаваемых плодов на 42% по сравнению с одним верхним освещением.

Помидоры, HPS и дальний красный свет

Рецепты освещения:

Одно из первых исследований дальнего красного света в Harrow было опубликовано Hao и соавторами в 2016 году. Исследование рассматривало эффект добавления дальнего красного света (725-750 нм) на помидоры, выращенные под светильниками HPS. Помидоры, выращенные под светом HPS с интенсивностью 165 µmol/m^2/с, получали четыре варианта интенсивности дальнего красного света (0, 8, 16 и 24 µmol/m^2/с). Фотопериод начинался в 1:00 утра и продолжался до 17:00 в декабре, до 17:20 в январе, до 18:02 в феврале и до 19:10 в марте. Все лампы выключались, когда солнечное излучение снаружи превышало 300 Вт/м^2.

Результаты:

Дополнительный дальний красный свет приносил пользу на раннем этапе роста зимой, когда естественного дальнего красного света было мало. Длина междоузлий и содержание хлорофилла в молодых листьях увеличивались с увеличением интенсивности дополнительного дальнего красного света. Урожай и размер помидоров также значительно увеличивались, до шести процентов для реализуемых плодов, с обработкой дальнего красного света в первый месяц испытания (с января по февраль). Дальний красный свет также изменял качество плодов, увеличивая общее содержание каротиноидов в плоде. Однако преимущества дальнего красного света не сохранялись на поздних этапах роста в марте, когда было больше естественного дальнего красного света.

В целом, небольшая доза дальнего красного света (8 µmol/m^2/с) обеспечивала схожий урожай плодов с более высокими дозами, потребляя меньше электроэнергии и имея меньшие капитальные и установочные затраты. Эта интенсивность ниже, чем интенсивность дальнего красного света, упомянутая в следующем разделе о перцах, потому что эти светильники HPS имели около 10% дальнего красного света, или около 17 µmol/m^2/с, в дополнение к обработке дальнего красного света LED.

Перцы, HPS, LED и дальний красный свет

Перцы и воздействие дальнего красного света

Рецепты освещения:

Hao и соавторы (2019) представили данные из экспериментов по воздействию дальнего красного света на растения болгарского перца, проведенных с ноября 2017 по июнь 2018 года. Растения выращивались при интенсивности 200 µmol/m^2/с под 1) HPS, 2) гибридными HPS и LED, 3) белыми LED и 4) красными/синими LED светами. Использовался 18-часовой фотопериод, и свет выключался, когда солнечное излучение снаружи превышало 300 Вт/м^2. Каждое из этих основных световых режимов также включало 0, 26 или 52 µmol/m^2/с дальнего красного света. Без дополнительного дальнего красного света светильники HPS уже производили некоторое количество дальнего красного света, в то время как LED светильники — нет.

Результаты:

Растения перца, выращенные под белыми LED-светами, были самыми высокими (на 12-15% больше) и имели наименьшее количество желтости листьев (на 73-90% меньше). Те, что росли под красными/синими LED-светами, были самыми короткими с умеренной желтостью листьев, тогда как растения, выращенные под светом HPS, имели наибольшую желтость листьев и умеренную высоту по сравнению с другими методами. Добавление дальнего красного света увеличивало высоту растений, выращенных под всеми лампами, на 3-7%, за исключением растений, выращенных под белыми LED-светами, которые уже были высокими. Дальний красный свет также увеличивал урожай на 4-14% при всех световых режимах, за исключением красных/синих LED-светов с низкой дозой дальнего красного света. В отличие от помидоров, эти увеличения урожайности наблюдались на более поздних стадиях зимнего производства.

Дневной и ночной цвет света, интенсивность и DLI для 16- и 24-часовых световых режимов на перцах. Все значения интенсивности света измерялись в µmol/m^2/с, а числа DLI были в mol/m^2/день.

Динамичное освещение с длительным фотопериодом и низкой интенсивностью для помидоров, мини-огурцов, перцев и микрозелени

Увеличение урожайности от дополнительного освещения в основном определяется добавленным DLI, как это подытожено в упрощенной голландской пословице: "увеличение света на один процент = увеличение урожая на один процент". Требуемый DLI можно достичь за более короткий период времени при более высокой интенсивности освещения или за более длительный период времени при более низкой интенсивности освещения. 

Использование длительного фотопериода с освещением низкой интенсивности может значительно сократить стоимость светильников по сравнению с коротким фотопериодом и высокой интенсивностью света, потому что потребуется установить меньше светильников. 

Кроме того, в регионах, таких как Онтарио, где наблюдаются большие колебания цен на электроэнергию в разное время суток, длительные фотопериоды позволят использовать дешевую электроэнергию для достижения целевого DLI, что значительно снижает затраты на электроэнергию. Тем не менее, у растений есть биологические часы и им нужен "отдых", как и у людей.

Динамическое освещение и изучение длительных фотопериодов
Исследования длительного фотопериода в Harrow:

В последние годы исследования в Harrow сосредоточились на тестировании различных схем освещения при более длительных фотопериодах (до 24 часов) и сниженной интенсивности света, чтобы найти способы преодоления повреждений от длительного фотопериода. Это было сделано с использованием динамических светильников, способных создавать различные световые спектры с разной интенсивностью в разное время суток.

Динамические схемы освещения для помидоров и результаты:

Первое успешное испытание 24-часового света, проведенное учеными в Harrow, было опубликовано в 2019 году (Lanoue и др., 2019). В нем изучалось производство помидоров в теплице при 24-часовом дополнительном освещении с использованием чередующегося красного света (200 µmol/m^2/с с 6:00 до 18:00) и синего света (50 µmol/m^2/с с 18:00 до 6:00). Это сравнивалось с 12-часовым фотопериодом освещения с красными и синими светами (красный при 200 µmol/m^2/с плюс синий при 50 µmol/m^2/с с 6:00 до 18:00). Освещение применялось с ноября по май. Дополнительное освещение оставалось включенным независимо от уровней солнечного излучения, чтобы обеспечить одинаковый общий DLI для обоих методов.

Растения, выращенные при 24-часовом освещении, росли аналогично тем, которые находились под 12-часовым светом, но они производили на 12% больше листовой поверхности и на 10% больше свежего стебля по весу. Растения при обоих режимах освещения также производили примерно одинаковое количество плодов, но плоды, выращенные при 24-часовом свете, весили на 15% больше, чем плоды, выращенные при 12-часовом освещении. Однако эти различия были видны только в первые недели эксперимента. Растения, выращенные при обоих режимах освещения, были схожими позднее в сезоне роста.

Динамические схемы освещения для мини-огурцов и результаты:

Другое исследование, опубликованное в 2021 году Lanoue и др., изучало производство мини-огурцов при 24-часовом освещении. Было четыре метода обработки.

Динамические схемы освещения для различных растений

Схемы освещения для мини-огурцов:

• * 16 часов (с 6:00 до 22:00) красного света (149 µmol/m^2/с) и синего света (25 µmol/m^2/с).
• * 24 часа красного света (96 µmol/m^2/с) и синего света (17 µmol/m^2/с).
• * 24 часа чередование красного света (151 µmol/m^2/с в течение 16 часов, с 6:00 до 22:00) и синего света (40 µmol/m^2/с в течение восьми часов, с 22:00 до 6:00).
• * 24 часа чередование красного света (210 µmol/m^2/с в течение 12 часов, с 6:00 до 18:00) и синего света (31 µmol/m^2/с в течение 12 часов, с 18:00 до 6:00)

Все обработки имели одинаковый DLI, равный 10 моль/m^2/день. Освещение начиналось в ноябре, и светильники работали независимо от солнечного излучения, чтобы обеспечить одинаковый DLI для всех режимов освещения.

Результаты:

Все растения, выращенные при 24-часовом освещении, имели более высокое содержание хлорофилла в листьях по сравнению с 16-часовым фотопериодом, но другие различия в росте или урожайности между методами не наблюдались. Однако 24-часовые режимы освещения имели экономическое преимущество перед коротким периодом освещения, достигая одинакового DLI с меньшим количеством светильников и переносом некоторого потребления электроэнергии на ночные часы, когда цены обычно низкие в Онтарио.

Схемы освещения для перца:

Недавняя статья, опубликованная в 2022 году Lanoue и др., исследовала использование дальнего красного света в 24-часовой схеме освещения для растений болгарского перца (Lanoue и др., 2022a). Включено было пять методов:

• * 6 часов белого света (400-700 нм).
• * 24 часа белого света.
• * 24 часа чередование белого света (в течение 16 часов) и синего света (400-500 нм, в течение восьми часов).
• * 24 часа чередование белого света (в течение 16 часов) и совмещение синего света и дальнего красного света (700-800 нм, в течение восьми часов).

Динамические схемы освещения для различных растений

Схемы освещения для перца (продолжение):

* 24 часа чередование белого света (в течение 16 часов) и дальнего красного света (в течение восьми часов).

Экспериментальные данные:

Были проведены два эксперимента с вышеуказанными методами освещения. Первый эксперимент имел PAR DLI в 13 моль/m^2/день и дальнего красного света DLI от 1,3 до 1,5 моль/m^2/день, второй эксперимент имел PAR DLI от 10 до 11 моль/m^2/день и дальнего красного света DLI от 1,0 до 1,1 моль/m^2/день (Таблица 3).

Результаты для:

Урожай и размер плодов были схожими при всех методах, за исключением растений при 24 часах белого света, у которых было меньше плодов и меньший вес плодов, чем при всех других методах. 

Оба метода освещения, включая ночное освещение дальним красным светом, привели к улучшению архитектуры кроны: растения были на 54-63% выше и с увеличенной длиной междоузлий, что предотвратило перекладывание плодов. Это наблюдалось регулярно как в начальный, так и в конечный периоды производства.

Схемы освещения для микрозелени:

В другой недавней публикации 2022 года Lanoue и др. исследовали воздействие 24-часового белого света на рост четырех видов микрозелени: амарант, коллард, зеленый базилик и пурпурный базилик (Lanoue и др., 2022b). Эксперименты проводились в камерах роста, так что они больше подходят для вертикальных фермеров, чем для производителей теплиц.

Результаты:

Отмечено увеличение урожайности (свежего веса) для всех видов микрозелени: на 93% для амаранта, на 46% для пурпурного базилика, на 43% для зеленого базилика и на 21% для колларда, когда фотопериод увеличивался с 16 до 24 часов при одинаковой интенсивности света. 

Качество продукции, измеряемое содержанием антиоксидантов, фенолов, антоцианов и хлорофилла, обычно не менялось или увеличивалось при 24 часах освещения. Кроме того, стоимость электроэнергии на единицу свежей биомассы снизилась на 8-38% у всех видов микрозелени, когда они выращивались при 24-часовом освещении, так как некоторые потребности в электроэнергии переносились с дорогих дневных часов на дешевые ночные часы.

- - - 

Мы желаем вам отменных урожаев с профессиональными семенами «Гавриш». Купить профсемена «Гавриш» вы можете 24/7 в нашем официальном магазине «Гавриш Шоп» с доставкой по России. Также в нашем магазине доступны средства биологической защиты растений от зарекомендовавших себя российских производителей.