Фитотерапия — светодиодная связь с растениями

«Главный враг знания – не невежество, а иллюзия знания», – так говорил один из величайших умов нашего времени, который знал, как популяризировать фундаментальную науку. Абсолютная на сегодняшний день terra incognita – агрофотоника – в популяризации не нуждается, но явно страдает от иллюзий и заблуждений.

В попытке уйти от эпистемологии и чуть-чуть развеять эти иллюзии проект «Фитэкс» обнародовал результаты эксперимента под названием «Спектральные предпочтения зеленых культур». Никакой теории – только практика. В поисках спектра, применение которого станет во всех вопросах максимально целесообразным, для проведения испытаний были отобраны пять вариантов спектральных решений: белые светодиоды с цветовой температурой 3000 К и CRI 90; узкополосные светодиоды в популярной комбинации Royal Blue/Deep Red/FarRed, а также несколько вариантов полного спектра: ROSE, экспериментальный ROSE+UV, собранный по заказу в лаборатории Lumileds (Сан-Хосе), и F‑White+R‑White с добавленным пиком в области синего. В качестве образца для сравнения использовалась лампа ДНаТ. Роли испытуемых сыграли наиболее коммерчески успешные культуры: салат сорта «Афицион» и LolloRossa и базилик с красным листом. Почему именно они? Во‑первых, это именно те растения, которые можно встретить в каждом тепличном хозяйстве. Во‑вторых, при очень скромной маржинальности «травы и зелень» обеспечивают довольно высокую оборачиваемость вложений, гарантирующую стабильный приток денежных средств. В‑третьих, результаты влияния того или иного спектра быстрее всего проявляются именно при использовании этих культур. Заметим, что в настоящее время базилик является сложной и интересной агрономической головоломкой – добиться окрашивания листа в фиолетовый цвет не так просто. То же касается и появления аккуратного красного канта у салата Lollo Rossa.

Все культуры были высажены «плечом к плечу» в одинаковых климатических условиях и при идентичной схеме питания. Разница заключалась лишь в освещении. Поясним, что во избежание сравнения между собой светодиодов разных производителей использовались все комплектующие от одного поставщика. По этой же причине, учитывая разнородность комплектующих (CoB и дискретные светодиоды разной мощности), мы намеренно не приводим каких-либо данных по потреблению и эффективности светильников. Задача по обеспечению равномерной облученности на всей площади поверхности решалась с помощью вторичной оптики, путем изменения высоты подвеса и мощности светильника.

Эксперимент стартовал 18 января 2018 г. с момента высадки базилика – культуры с более длительным периодом культивации. Остальные культуры были высажены 7 февраля. На момент окончания эксперимента (12 марта) все растения имели возраст 33 дня.

LED тронулся

Результаты эксперимента были получены в ходе серии анализов по определению товарно-качественных характеристик полученной продукции. В силу разнородного характера анализов полную картину можно получить только в их комплексе. В первую очередь проводится весовой анализ. Его суть проста: чем больше масса основной продукции, тем больше ее стоимость. Иными словами, «больше зелени – больше денег». Результатами именно этого анализа руководствуются агрономы, принимая решение о реконструкции или внедрении нового освещения на территории тепличного комбината. Нюанс заключается в том, что измерения осуществляются с использованием не только основной, но и побочной продукции, чтобы установить соотношение зеленой и корневой массы.

Таблица 1. Весовой анализ. Салат «Афицион»

По салату «Афицион» в тройку лидеров вошли: спектр F‑White + R‑White (самый большой выход зеленой массы при минимальном объеме побочной продукции); спектр ROSE (при почти таком же хорошем выходе зеленой массы, как в первом случае; получилось и чуть больше побочной продукции); результат применения спектра ROSE+UV совместно с белыми светодиодами с цветовой температурой 3000 К оказался средним. Абсолютными аутсайдерами стала лампа ДНаТ (побочная продукция превысила на 62% зеленую массу) и узкополосный биколорный спектр (побочной продукции оказалось на 50% больше, чем зеленой массы, которая сформировалась очень маленькой и компактной).

По салату Lollo Rossa картина практически идентичная за исключением того, что лидером стал спектр ROSE. По результатам освещения базилика победил узкополосный биколорный спектр. Однако заметим, что несмотря на впечатляющий набор основной массы, были обнаружены многочисленные ожоги листьев, что полностью лишило продукцию товарного вида. Интересный результат продемонстрировало освещение на основе ДНаТ – растения набрали хорошую массу, но у них полностью обесцветились листья. Из фиолетового их цвет стал зеленым. Интересно, что и освещение белыми светодиодами с 3000 К привело к 100-% выбраковке – масса корней превысила основную в девять раз (см. табл. 1).

Следующим этапом является определение биометрических показателей растений. Данные этого анализа дают полную картину о формировании растения и его товарной пригодности. В ходе этой оценки измеряется индекс листовой поверхности, т. е. отношение площади листьев к площади посева. Спектр ROSE стал абсолютным чемпионом при освещении салата «Афицион» (растение получилось очень «мясистым») и базилика (с очень красивым контрастным темно-фиолетовым цветом). Выращивание салата Lollo Rossa сопряжено с такой специфической агрономической проблемой как кант. Себестоимость этого сорта превышает «Афицион» в разы, но гарантировать результат не представляется возможным. В эксперименте «Фитэкс» были получены очень разнородные результаты: кант проявлялся пятнами, не проявлялся вообще или был неочевидным. Таким образом, идеальный результат получен не был, но заметим, что эксперимент был завершен досрочно (см. табл. 2).

Интересным анализом является выявление чистой продуктивности фотосинтеза. Это ежедневный прирост сухой массы растения за счет поглощения углекислого газа. На основании данного нелинейного анализа строится и прогнозируется динамика развития растения. Высокий показатель частоты смен фаз (ЧСФ) говорит о том, что растение находится в фазе очень интенсивного роста. Примечательно, что сотрудники проекта отметили прямую взаимосвязь между количеством и частотой посещения лаборатории людьми и возрастанием ЧСФ. Это означает, что чем больше мы дышим, тем лучше растениям. Это также значит, что, к сожалению, далеко не все проблемы можно решить с помощью освещения (см. табл. 3).

Одним из самых важных коммерческих анализов является определение содержания нитратов. От них напрямую зависит товарная пригодность и безопасность употребления продукции. Нитраты – промежуточный продукт фотосинтетической реакции, т. е. это компоненты минеральных удобрений, которые не успели закончить переработку в сахара, а именно в глюкозу. Высокое содержание нитратов делает продукцию опасной для употребления. В то же время косвенно по низкому содержанию нитратов в образце можно сделать вывод о высоком содержании глюкозы. А это значит, что повышаются органолептические свойства продукции. Кроме того, поскольку глюкоза является естественным консервантом, такая продукция дольше хранится. Заметим, что у всех культур при освещении со всеми спектрами содержание нитратов не превысило предельно допустимой концентрации (см. табл. 4).

Таблица 2. Биометрические показатели растений

Таблица 3. Чистая продуктивность фотосинтеза

Таблица 4. Содержание нитратов

Завершающим этапом является анализ спектральных предпочтений – авторская методика проекта «Фитэкс». Основу анализа составляет оригинальная технология Тимирязевской академии по диагностике недостатка и избытка элементов питания, адаптированная под применение светодиодной светотехники. Полученные графики по потреблению азота (отвечает за фотосинтетические процессы, например, за набор массы) и по потреблению фосфора (генерация, цветение, плодоношение и другие химические реакции внутри растения) составляются в кривую, которая затем накладывается на спектр. Ни в коем случае ее не следует считать аналогом спектральной кривой. Наличие пиков в полученной кривой обязательно в досветке для того, чтобы та или иная культура чувствовала себя комфортно. В заключение заметим, что процентное соотношение разных компонентов спектра должно определяться агрономом в процессе выращивания растений в зависимости от того, какие агрономические задачи он решает. Исследования «Фитэкс» помогли существенно сократить период культивации (с 60 до 32–35 дней) и увеличить объемы продукции (173 г вместо 153). Лампа ДНаТ по-прежнему остается основным источником света в тепличных хозяйствах в силу своей доступности, низкой стоимости и отработанной технологии выращивания. В то же время другие спектры хорошо себя зарекомендовали с точки зрения энергетики или решения нестандартных задач.

Перед светотехниками стоит еще множество нерешенных проблем, начиная с определения идеального спектра и заканчивая его грамотным внедрением в объекты тепличных хозяйств. Время, когда необходимо не просто решать, но действовать, уже пришло!