Урожайность салатной линии при использовании светодиодных светильников в зимних теплицах на Севере

К руглогодичное обеспечение населения свежими овощами и зеленной продукцией является важной социально-экономической задачей. Её решение возможно путем развития современного агропромышленного производства на базе защищенного грунта. На мировом рынке доля всей тепличной продукции ежегодно увеличивается на 10%. В последнее время наблюдается также значительное ускорение темпов развития отечественного тепличного сектора. По данным Министерства сельского хозяйства РФ, площадь зимних теплиц в России к началу 2015 года достигла 2.9 тыс. га, а средняя урожайность валового производства овощей защищенного грунта составила 24 кг/м² [1].

Для повышения эффективности производства защищенного грунта, продуктивности и качества урожая особое значение имеют вопросы оптимизации светового режима овощных культур. Наиболее остро эта проблема стоит перед тепличными хозяйствами, расположенными в северных регионах РФ, где в осенне-зимний период приход естественной фотосинтетически активной радиации (ФАР) крайне мал [2]. Правильный выбор режима досвечивания с учетом биологических потребностей растений является ключевым элементом интенсификации технологии светокультуры, получения качественной растительной продукции, устранения дефицита производства полноценной экологически безопасной продукции. Вместе с тем, максимальное удовлетворение потребности растений в лучистой энергии, что способствует повышению урожайности, может привести к удорожанию продукции и потере рентабельности. В этом смысле актуальным остается известный афоризм знаменитого отечественного овощевода В.И. Эдельштейна (1881-1965): «Агротехника без биологии слепа, без механизации мертва, но все решает неумолимая экономика». Как известно, значительная доля затрат (30-40%) при производстве овощной продукции, особенно в зимнее время, приходится на оплату электроэнергии для обеспечения растений светом. Поэтому тепличные комплексы нуждаются в оснащении современными и экономичными системами досвечивания, без чего практически невозможно получение товарной продукции.

Еще недавно в производственных теплицах использовали преимущественно осветительные системы на базе натриевых и/или ртутных ламп с максимумами излучения в области 550-600 и 450 нм. Сегодня все больший интерес проявляется к внедрению систем, выполненных на основе светоизлучающих диодов, обладающих огромным потенциалом в качестве дополнительного или единственного источника освещения. Для выращивания салатно-зеленных культур предлагаются облучатели с комбинацией красных и синих светодиодов, причём доля излучения в красной части спектра (630-690 нм) составляет 65-95%, а в синей (430-470 нм) – остальные 5-35% [3, 4].

Использование в растениеводстве светоизлучающих диодов с высоким уровнем светоиспускания и разного спектрального состава выявило разнообразную и не всегда однозначную реакцию видов и сортов растений на узкополосное облучение. Светодиоды могут модулировать рост, развитие и морфогенез растений, влияют на структуру и активность фотосинтетического аппарата, общий метаболизм, накопление и состав биомассы [3-8].

Салат (Lactuca sativa L.) – широко распространенная и любимая населением овощная культура. В настоящее время различные виды салата культивируются на всех континентах. По данным FAOSTAT , мировое производство салата в 2014 году составило 25 млн т, а посевы салата занимали свыше 1 млн га. Лидером по производству салата является Китай (54% от мирового объема производства), в США сосредоточено 16% мирового производства, а в Западной Европе – около 12%. В скандинавских странах значительное количество салатной продукции получают в защищенном грунте с применением источников искусственного освещения. Ранее на основе многолетних наблюдений, учета урожая и опытов с разными режимами освещения нами были определены оптимальные параметры досвечивания листового салата натриевыми лампами высокого давления (ДНаЗ), обеспечивающими получение товарной продукции в разные сезоны года на Севере [9].

Целью данной работы было исследовать возможность использования осветительной системы на основе светодиодных светильников для культивирования листового салата в зимнем обороте.

Методика

Опыты проводили в производственной теплице ООО «Пригородный» (г. Сыктывкар, 61°40 ´ 35 ˝ с.ш., 50°48 ´ 35 ˝ в.д.) в ноябре-январе 2016-2017 годов. Регион относится к первой световой зоне. Поступление ФАР в декабре составляет в среднем 110 кал/см², продолжительность светового дня не превышает 6 ч. Растения салата выращивали конвейерным способом на проточной линии в горшочках с известкованным торфом при температуре воздуха 18-22 °С и относительной влажности воздуха 5560%. Содержание СО₂ в воздухе составляло около 550 ppm.

Светодиодные светильники «ECO-LED-BIO-112-185W-D120 UniversaLED» (ООО ГК СЭТ, г. Пермь) мощностью 185 Вт в количестве 20 штук были предоставлены производителем и установлены на высоте 1.5 м над столами для выращивания растений на площади 64 м2. Лампы данного типа включают комплекс светоизлучательных диодов и характеризуются узкополосным спектром с выделенными пиками излучения при 445, 633, 668 и 739 нм. Величина соотношения интенсивности излучения в красной и синей области спектра равнялась 3.4. Это примерно вдвое больше, чем у используемых в хозяйстве натриевых ламп высокого давления типа ДНаЗ-600Вт/REFLUX. Светодиодные светильники включались автоматически в 5 ч утра, продолжительность досвечи-вания составляла 16 ч. Освещенность растений в разные часы суток определяли с помощью квантового датчика LI-190 SA и регистрирующей системы Data Logger Li-1400 (Licor Inc, США). В течение оборота контролировали рост и развитие растений, накопление биомассы. В конце оборота перед уборкой урожая отбирали образцы растений для определения химического состава биомассы.

Результаты исследований

Одним из решающих факторов, влияющих на урожай в условиях защищенного грунта, является световой режим. На практике уровень падающей ФАР для культивирования зеленных культур, в том числе и салата, составляет не менее 200300 мкмоль/м2с, а величины около 70 мкмоль/м2с считаются низкоинтенсивным [2, 7]. Повышение интенсивности потока ФАР от источников освещения разного типа увеличивает урожай салата до 5 кг/м2 и более [4, 9, 10].

В нашем опыте интенсивность ФАР на уровне растений в декабре составляла 80-90 мкмоль квантов/м2с. Расположение светильников обеспечивало равномерное распределение света над поверхностью ценоза. Об этом свидетельствует величина коэффициента вариации, которая не превышала 20%.

В декабре за оборот растения под светодиодными светильниками получали 240 моль квантов/м2, что эквивалентно 54 МДж/м2 световой энергии, что было достаточно для поддержания необходимых темпов роста и формирования урожая салата только в первой половине цикла выращивания, во второй половине оборота темпы роста растений были снижены. При этом черешки листьев были сильно вытянуты. Урожай растений салата составил 2.3 кг/м2 (табл.).

В январе с увеличением инсоляции, в полуденные солнечные часы освещение могло достигать 120-130 мкмоль кван-тов/м2с ФАР, что привело к нормализации скорости роста и улучшению качества урожая салата. Сформированные

Рис. Растения салата сорта Афицион, выращенные под светодиодными светильниками «ECOLED-BIO-112-185W-D120 UniversaLED» (31.01.2017 года).

Таблица. Показатели продуктивности салата сорта Афицион под светодиодными светильниками в зимний период

Оборот	Сырая масса надземной части, г/упаковка	Сырая масса подземной части, г/упаковка	Урожайность (надземная часть), кг/м2
Ноябрь - декабрь	66 ± 3	3 ± 0.1	2.3 ± 0.1
Декабрь - январь	69 ± 5	не определяли	2.4 ± 0.2

ценозы салата (рис.) имели листовой индекс около 6 м2/м2. Такая площадь листьев способна перехватывать 9095% падающего света. Листовые пластинки салата имели нормальную форму, плотность и размеры. Надземная масса свежесобранного салата в каждой поступающей в продажу упаковке (горшочек с тремя растениями) составила в среднем около 70 г. Доля корневой системы не превышала 5 % от надземной части. Урожай растений салата составил 2.4 кг/м2 (табл.).

Качество и биологическую ценность произведенной салатной продукции оценивали по накоплению органических веществ и минеральных элементов. В сырых листьях салата превалировали растворимые сахара (275 мг/100 г сырой массы). В листе присутствовали вещества, обладающие антиоксидантными свойствами – полифенолы (24 мг/100 г), β-каротин, лютеин и зеаксантин (3 мг/100 г). Из минеральных элементов в значительных количествах накапливались калий (344 мг/100 г), кальций (47 мг/100 г), фосфор (34 мг/100 г). Весьма заметно накопление микроэлементов – магния (14 мг/100 г) и марганца (0.7 мг/100 г). Расчеты показали, что порция салата весом 100 г обеспечивает до 30 % суточной потребности человека в каротиноидах, 5-10 % минеральных элементов и фенольных соединений [11].

Важной характеристикой овощной продукции является содержание в ней нитратов. Согласно нормативам [12] допускается содержание нитратов в количестве 4500 мг/кг в свежем салате латуке, культивируемом в защищенном грунте с 1 октября по 31 марта. Содержание нитратов в биомассе растений, выращенных под светодиодными светильниками, в декабре практически не превышала ПДК, а в январе составляла 360 мг/100 г сырой массы, что на 20% ниже ПДК.

Хотя эксперименты показали возможность получения товарной продукции салата в зимнее время при выращивании под светодиодными светильниками, урожайность салатной линии в обоих оборотах была в 1.5-2 раза ниже, получаемой в хозяйстве по стандартной технологии под натриевыми лампами высокого давления [9]. Основной причиной наблюдаемых различий явилось то, что интенсивность ФАР под лампами ДНаЗ была выше (не менее 150 моль квантов/м2). В результате растения получили за оборот на 40% больше ФАР (около 80 МДж/м2), чем при культивировании под светодиодными светильниками. О том, что растения под СД светильниками при заданном режиме досвечи-вания испытывали дефицит лучистой энергии, свидетельствует также сравнительно низкое содержание растворимых углеводов в их листьях. По нашим данным, содержание углеводов в сырой биомассе листьев растений, культивируемых под лампами ДНаЗ, достигало 750 мг/100 г [13], тогда как в опытах с использованием СД системы с низко интенсивным режимом освещения было почти втрое меньше. В то же время, использование разных источников освещения в зимнем обороте значимо не повиляло на накопление листьями салата β-каротина, лютеина, зеаксанти-на. Салатная продукция в условиях разного освещения практически не отличалась по накоплению минеральных элементов [13]. Количество фенольных соединений в листьях растений, освещаемых светодиодами, увеличивалось на 30%. Сравнительный анализ динамики ростовых показателей растений в опытах с СД и ДНаЗ осветительной системами показал, что поступающей от СД светильников ФАР было достаточно для поддержания требуемых темпов роста и формирования урожая в первые три недели культивирования. Во второй половине оборота различия в нарастании площади листовой поверхности и накоплении надземной массы между вариантами становятся статистически значимыми. Растения под светодиодными светильниками существенно замедляли темпы роста и накопления биомассы. Снижение урожайности салата в опыте со светодиодными светильниками составило около 40%, что примерно соответствовало количеству недополученной световой энергии. В практических руководствах по защищенному грунту утверждается, что повышение освещенности на 1% позволяет повысить урожайность культуры на 1%. Наши опыты и расчеты показали справедливость данного соотношения для производства салатной продукции в осенне-зимний период на Севере.

В процессе эксплуатации источников освещения в теплицах энергопотребле- ние от 20 СД светильников «ECOLED-BIO-112-185W-D120 UniversaLED» на 1 м2 в обороте составило 0.062 кВт/час. За 16 часов освещения лампами растений на площади 64 м2 было израсходовано около 63 кВт электроэнергии на сумму 310 руб. Энергопотребление светильников с натриевыми лампами ДНаЗ-600Вт/REFLUX с электронным ЭПРА на 1 м2 составило 0.118 кВт/час м2 из расчета размещения 252 светильников на площади теплицы 1382 м2. За 16 часов освещения растений на площади 64 м2 было израсходовано около 120 кВт электроэнергии на сумму 590 руб. В расчете на единицу площади освещаемой поверхности энергопотребление ламп ДНАЗ-600 было в два раза выше, чем у светодиодных светильников «ECOLED-BIO-112-185W-D120 UniversaLED».

Итак, результаты опытов показали возможность получения продукции салатной линии в первой световой зоне РФ в ноябре-январе при использовании в качестве светильников светодиодных ламп «ECOLED-BIO-112-185W-D120 UniversaLED». Для получения урожая приемлемого количества и качества необходимо, чтобы приход ФАР к растениям за оборот был не ниже 80 МДж/м2. Это можно обеспечить за счет увеличения продолжительности досвечивания в течение суток вплоть до круглосуточного. Энергозатраты при 24 часовом режиме досветки светодиодными СД составят 7.3 руб/м2, что на 20% ниже по сравнению 16-часовым освещением натриевыми лампами. Повысить интенсивность падающей ФАР до 150 моль квантов/м2 можно за счет увеличения плотности установки светильников и уменьшения высоты их подвеса. Такого же результата позволит добиться сочетание обоих вариантов – увеличение продолжительности досвечи-вания растений до 20 ч в сутки и подвес светильников на высоте около 1 м над ценозом. Расчеты показывают, что при дифференцированном учете электроэнергии в течение суток с более низким тарифом в ночной период увеличение продолжительности досвечивания наиболее рентабельно.

Работа выполнена в рамках НИР «Оценка продуктивности и качества листового салата ( Lactuca sativa L.), выращенного с использованием светодиодных светильников «ECOLED-BIO-112-185W-D120 UNIVERSALED» (ООО «ГК «СЭТ», г. Пермь)» (2016 г.).