CC BY
42
Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2022. - N 3. -С. 55-61. - ISSN 2308-8583.
Proceedings of the State Agricultural Academy of Velikie Luki. 2022;(3):55-61. ISSN 2308-8583.
Научная статья УДК 628.95:635.4
DOI 10.56323/23088583_2022_03_55
Влияние интенсивности света на продуктивность зеленных культур при смешанном спектре (на примере кресс-салата)
1 7
Галина Сергеевна Корнилова , Максим Юрьевич Егоров
12 Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, Псковская область, Великие Луки, Россия [email protected] [email protected]
Аннотация. В статье представлены результаты исследования влияния интенсивности света на рост и развитие кресс-салата при фиксированном спектральном составе, включающем в себя 50 процентов красного излучения и 50 процентов синего излучения. Целью исследования является определение оптимального уровня фотосинтетически активной радиации (ФАР) при выращивании зеленных культур (на примере кресс-салата) при выбранном режиме искусственного освещения.
В качестве искусственного источника освещения используется установка для досве-чивания растений. В устройстве используются светодиоды красного и синего спектров излучения, длины волн которых равны 660 нм и 440 нм соответственно. Синий и красный спектры обладают как субстратным, так и регуляторным воздействием, причем монохроматический красный спектр может приводить к аномальному росту и развитию, а в ряде случаев и к гибели некоторых видов растений. Дополнительно продемонстрировано выращивание кресс-салата в условиях естественного освещения (на подоконнике).
Растения под установкой были расположены в три яруса по высоте для обеспечения необходимых уровней ФАР в рамках заданного спектра. Исследование показало, что интенсивность светодиодного досвечивания оказывала воздействие на высеянные культуры и на их урожайность в условиях полного отсутствия солнечного света. С точки зрения величины зеленой массы результаты на первом и третьем уровнях были неудовлетворительны. С учетом анализа полученной по ярусам величины зеленой массы растений при заданном режиме наиболее оптимальным значением интенсивности при выращивании кресс-салата является уровень ФАР, равный 17,2 Вт/м2 (на II ярусе).
Под влиянием изменения интенсивности света происходят закономерные изменения в строении кресс-салата: на III-м ярусе уменьшается его рост, увеличиваются размеры листьев. В то же время с усилением интенсивности спектрального состава света окраска листьев на верхнем ярусе становится темно-зеленой.
Ключевые слова: растение, кресс-салат, фотосинтез, ФАР, светодиоды, красный и синий спектры излучения
Для цитирования: Корнилова Г. С., Егоров М. Ю. Влияние интенсивности света на продуктивность зеленных культур при смешанном спектре (на примере кресс-салата) // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2022. - N 3. -С. 55-61. - DOI 10.56323/23088583 2022 03 55.
© Корнилова Г. С., Егоров М. Ю., 2022
Original article
The Effect of Light Intensity with a Mixed Spectrum on the Green Crops Productivity (at the Example of Watercress)
Galina S. Kornilova1, Maxim Yu. Egorov2
1,2 State Agricultural Academy of Velikie Luki, Pskov region, Velikie Luki, Russia [email protected]
л
Abstract. The article presents the results of a study of light intensity with a fixed spectral spectrum including 50 percent red light and 50 percent blue light on the growth and development of watercress. The aim of the study was to determine a certain level of photosynthetically active radiation (PAR) when growing green crops (watercress) under the selected artificial lighting mode.
An installation for supplementary illumination of plants was used as an artificial illumination source. Red and blue LEDs with wavelengths from 660 nm and 440 nm, respectively were applied. Blue and red spectra both have substrate and regulatory action while the monochromatic red spectrum can lead to abnormal growth and in certain cases to the death of some plant species. Additionally, the cultivation of watercress in natural light conditions (on the windowsill) was demonstrated.
Plants were placed in three tiered layers to get the required PAR levels within the given spectrum. The experiment showed that the intensity of LED supplementary illumination positively effected the sown crops and subsequently their harvest under conditions of complete lack of sunlight. As for the amount of green mass, the results in the first and second layers turned to be unsatisfactory. Analyzing the value of the green mass obtained in tiers under the given light regime, the optimum value for growing watercress was the level of PAR equal to 17.2 W/m2 (in the second tier).
Under the influence of changes in the light intensity, natural regular changes in the structure of watercress were observed: on the third tier, its growth decreased, the size of the leaves increased. At the same time, with increase of the spectral composition of light intensity, the leave color in the upper tier became dark green.
Keywords: plant, watercress, photosynthesis, PAR, LEDs, red and blue emission spectra For citation: Kornilova G. S., Egorov M. Yu. The Effect of Light Intensity with a Mixed Spectrum on the Green Crops Productivity (at the Example of Watercress). Proceedings of the State Agricultural Academy of Velikie Luki. 2022;(3):55-61. (In Russ.). DOI 10.56323/23088583_2022_03_55.
Введение
Свет играет важную роль в развитии растений. До поверхности Земли от Солнца доходит широкий диапазон длин волн, наиболее интенсивные из которых имеют длину от 380 нм до 800 нм. Но для фотосинтеза растениями используется лишь часть солнечной радиации (400-700 нм), которая называется фото-синтетически активной радиацией (ФАР). В Псковской области суммарная
л
ФАР составляет 110-220 ккал/см2 [1].
В области длин волн, относящихся к ФАР, поглощение света растениями весьма велико и имеет два чётких максимума - в синей (400-500 нм) и красной
(600-700 нм) областях. Эти пики обусловлены, в первую очередь, содержанием в листьях хлорофиллов а и Ь. Пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за увеличение зеленной массы, а в красной - за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение. Зеленая часть спектра излучения полезна для фотосинтеза плотных листьев, которые слабо поглощают синие и красные лучи. Остальные части спектра растениями практически не используются [2].
При искусственном освещении (досвечивании) растений стоит учитывать, что каждый тип любых культур требует различного сочетания интенсивностей и продолжительностей излучений. Поэтому для получения максимального урожая необходимо тщательно подбирать интенсивность и режим освещения (досвечивания) для каждого вида растений.
Целью исследования является определение оптимального уровня ФАР при выращивании зеленных культур (на примере кресс-салата) при выбранном режиме искусственного освещения.
Материалы и методы
Разработанная нами установка обеспечивает искусственное освещение растений с возможностью регулирования интенсивности светового потока све-тодиодов красного (660 нм) и синего (440 нм) спектров излучения в количестве 64 шт. и 48 шт. соответственно [3, 4]. Подобное соотношение между количествами указанных светодиодов выбрано для обеспечения равенства их суммарных световых потоков, так как мощность каждого из красных светодиодов меньше, чем у каждого из синих светодиодов. Научная новизна разработки подтверждается патентом [5].
На рисунке 1 представлена фотография данной установки с регулятором параметров оптического излучения.
Рисунок 1 - Установка для досвечивания растений и регулятор светового потока светодиодов
Возможны следующие режимы установки, которые переключаются вручную с помощью кнопок на панели управления:
1) совместное включение всех светодиодов на полную мощность;
2) включение только красных светодиодов с возможностью регулирования светового потока;
3) включение только синих светодиодов с возможностью регулирования светового потока;
4) совместное включение всех светодиодов с отрегулированными во втором и третьем режимах световыми потоками.
Исследование проходило на кафедре «Механизация животноводства и применение электрической энергии в сельском хозяйстве» ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА в июне 2022 года и выполнялось по следующим этапам.
I. Регулировался второй и третий режимы установки и производилось переключение на четвертый режим с помощью панели управления регулятора. С использованием спектрофотометра ТКА «Спектр» установили уровни ФАР на трёх ярусах: 4,0-4,7 Вт/м2, 16,5-17,2 Вт/м2 и 29,0-29,7 Вт/м2.
II. Двадцать четыре пластиковых стакана были заполнены готовым почвенным грунтом, который был слегка утрамбован и затем увлажнен. Использовался грунт «Помидорчик и перчик» с кислотностью 6-7 рН и содержанием 170-250 мг/кг азота, 340-420 водорастворимого фосфора и 360-440 мг/кг водорастворимого калия.
III. Объектом исследования был выбран кресс-салат сорта «Данский». Данная зеленная культура богата фолиевой кислотой и бета-каротином. Небольшое количество кресс-салата имеет суточную дозу витаминов С, А и К.
IV. Сухие семена засевались по 16 штук в увлажненный грунт, затем их присыпали слоем грунта толщиной 1-1,5 см. Освещение кресс-салата осуществлялось установкой круглосуточно в затемненных условиях, практически полностью лишенных солнечного света. Рассаду поливали вручную 4 раза в неделю, как рекомендовано производителем семян «PowerFood Микрогрин». Наблюдение за развитием растений проводили ежедневно. На протяжении всего эксперимента соблюдался заданный спектральный состав, фиксировался рост зелени.
Результаты и обсуждение
Спустя 2 недели после посева было осуществлено срезание пряной зелени ножницами. В результате взвешивания полученного урожая были получены значения величины зеленной массы, которые наряду с другими морфологическими параметрами растений помещены в таблицу 1.
С Ьго яруса было получено 7,26 г зеленной массы, со П-го - 10,34 г, с Ш-го - 5,37 г, а с контрольного варианта - 10 г.
Кресс-салат на контрольном варианте взошел на 3-й день, в то время как под установкой на ярусах ростки достигли длины в 0,2-0,5 см.
Таблица 1 - Влияние световых потоков фитосветодиодов на продуктивность кресс-салата
Вариант Уровень ФАР, Вт/м2 Рост, см Среднее значение роста, см Масса, г Среднее значение массы, г
I 4,0-4,7 7,5-8,0 7,75 0,97-1,35 1,21
II 16,5-17,2 4,0-6,5 5,65 0,85-2,72 1,72
III 29,0-29,7 4,0-5,0 4,35 0,71-1,33 0,90
Контроль 4,0-6,0 8,0-8,5 8,15 1,21-1,89 1,66
Образцы на III-м ярусе имели хорошо развитые листья, на II-м ярусе листья были чуть меньше развиты и наблюдалась тенденция к вытягиванию. То есть на III-м ярусе ростки не тянулись, а равномерно развивались (рисунок 2).
При фиксированном объеме полива всех ярусов обнаружился уровень влажности, при котором на определенной стадии развития растений наступает угнетение зелени (III ярус). Чрезмерная интенсивность освещения влияет на процессы фотосинтеза, что требует больше воды на рост и развитие растений (рисунок 3).
Рисунок 2 - Полученные образцы кресс-салата Рисунок 3 - Влияние интен-на 10-й день эксперимента сивности света на рост и раз-
витие кресс-салата
Если продолжать увеличивать интенсивность света, то, начиная с ее определенного значения, избыточное количество квантов света оказывает прогрессирующий повреждающий эффект на фотосинтетический аппарат, в результате чего фотосинтез растений снижается.
Заключение
В результате исследования выяснилось, что наиболее оптимальным условием для выращивания кресс-салата является интенсивность фотосинтетически активной радиации в пределах 16,5-17,2 Вт/м (на II ярусе). Критерием оптимальности является максимум зеленной массы, а морфологические признаки не учитывались. Согласно данному критерию, наибольшее значение зеленной массы было получено со второго яруса, поэтому уровень ФАР данного яруса был признан оптимальным. При этом состав излучения имеет следующее соотношение энергий по спектру: 50% в синей области (440 нм) и 50% в красной области (660 нм). С использованием такого искусственного освещения получены урожаи за более короткие сроки, чем при естественном освещении.
При благоприятном спектральном составе света правильный выбор его интенсивности может сыграть решающую роль в количестве и качестве получаемой растительной продукции. С одной стороны, изменение интенсивности света выполняет субстратную роль, увеличивая и уменьшая световое питание растений. С другой стороны, в процессе изменения интенсивности света меняется качественная направленность многих физиологических процессов: роста, биохимических синтезов и развития репродуктивных органов.
Список источников
1. Корнилова Г. С., Егоров М. Ю., Каунова Л. М. Применение светодиодного досвечива-ния при выращивании рассады в условиях закрытого грунта (на примере огурца) // Приоритетные направления развития АПК и сельских территорий : материалы науч.-практ. конф. (Великие Луки, 06 декабря 2021 г.). - Великие Луки : Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, 2021. - С. 61-64.
2. Егоров М. Ю., Корнилова Г. С. Анализ существующих устройств и технологий для дополнительного освещения рассады // Вестник НГИЭИ. - 2021. - № 11(126). - С. 17-27.
3. Корнилова Г. С., Карасева Т. Н. Применение светодиодного досвечивания для выращивания зелени в домашних условиях // Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве : материалы XVI Междунар. науч.-практ. конф. молодых учёных (Великие Луки, 08-09 апреля 2021 г.). - Великие Луки: Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, 2021. - С. 155-158.
4. Корнилова, Г. С. Влияние светодиодного досвечивания на рост и развитие зеленых культур / Г. С. Корнилова, О. А. Герасимова, Т. Н. Карасева // Молодежная наука - развитию агропромышленного комплекса : Материалы Всероссийской (национальной) науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (Курск, 03-04 декабря 2020 года). - Курск : Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова, 2020. -С. 242-245.
5. Патент на полезную модель № 201154 Ш Российская Федерация, МПК А0Ш 9/20, А0Ш 7/04. Устройство для досвечивания рассады: № 2020110412: заявл. 11.03.2020: опубл. 01.12.2020 / В. А. Шилин, О. А. Герасимова, С. В. Соловьев [и др.]; заявитель ФГБОУ ВО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия».
References
1. Kornilova G. S., Egorov M. Yu., Kaunova L. M. Primenenie svetodiodnogo dosvechiva-niya pri vy'rashhivanii rassady' v usloviyax zakry'togo grunta (na primere ogurcza) // Prioritetny'e napravleniya razvitiya APK i sel'skix territorij : materialy' nauch.-prakt. konf. (Velikie Luki, 06 dekabrya 2021 g.). - Velikie Luki : Velikolukskaya gosudarstvennaya sel'skoxozyajstvennaya akademiya, 2021. - S. 61-64.
2. Egorov M. Yu., Kornilova G. S. Analiz sushhestvuyushhix ustrojstv i texnologij dlya dopolnitel'nogo osveshheniya rassady' // Vestnik NGIE'I. - 2021. - № 11(126). -S. 17-27.
3. Kornilova G. S., Karaseva T. N. Primenenie svetodiodnogo dosvechivaniya dlya vy'rashhivaniya zeleni v domashnix usloviyax // Nauchno-texnicheskij progress v sel'skoxozyaj-stvennom proizvodstve : materialy' XVI Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. molody'x uchyony'x (Velikie Luki, 08-09 aprelya 2021 g.). -Velikie Luki: Velikolukskaya gosudarstvennaya sel'skoxozyajstvennaya akademiya, 2021. -S. 155-158.
4. Kornilova, G. S. Vliyanie svetodiodnogo dosvechivaniya na rost i razvitie zeleny'x kul'tur / G. S. Kornilova, O. A. Gerasimova, T. N. Karaseva // Molodezhnaya nauka - razvitiyu agropromy'shlennogo kompleksa : Materialy' Vserossijskoj (nacional'noj) nauch.-prakt. konf. studentov, aspirantov i molody'x ucheny'x (Kursk, 03-04 dekabrya 2020 goda). - Kursk : Kurskaya gosudarstvennaya sel'skoxozyajstvennaya akademiya imeni I.I. Ivanova, 2020. -S. 242-245.
5. Patent na poleznuyu model' № 201154 U1 Rossijskaya Federaciya, MPK A01G 9/20, A01G 7/04. Ustrojstvo dlya dosvechivaniya rassady': № 2020110412: zayavl. 11.03.2020: opubl. 01.12.2020 / V. A. Shilin, O. A. Gerasimova, S. V. Solov'ev [i dr.]; zayavitel' FGBOU VO «Velikolukskaya gosudarstvennaya sel'skoxozyajstvennaya akademiya».
Информация об авторах
Г. С. Корнилова - магистрант, преподаватель; М. Ю. Егоров - кандидат технических наук, доцент.
Information about the authors
G. S. Kornilova - master course student, teacher;
M. Yu. Egorov - Candidate of Technologies, associate professor.
Статья поступила в редакцию 20.07.2022; одобрена после рецензирования 09.09.2022; принята к публикации 26.09.2022.
The article was submitted 20.07.2022; approved after reviewing 09.09.2022; accepted for publication 26.09.2022.
