Влияние гибридной системы облучения на рост, развитие и продукционный процесс у культуры томата

Оригинальная статья / Original article УДК: 635.64:581.1.043

Вопросы внедрения в производство светодиодных источников облучения растений в защищен- ном грунте вызывают большой интерес

Энергетическая эффективность светодиодов суще- ственно выше в сравнении с натриевыми источниками освещения и составляют 3,2-3,7 мкмоль/ (м2с) против 1,8-2,0 мкмоль/(м2с) [1,2,3]. В большинстве светодиодных светильников наиболее распространено использование синего и красного диапазонов спектра [4]. Однако, большинство исследователей считают, что растениям необходим полный спектр излучения [4,5,6], именно такой светодиодный светильник мы и использовали в своих экспериментах. Но несмотря на более высокую их эффективность, светодиодные светильники не нашли сегодня достаточно широкого распространения в тепличных комбинатах России. Причин тому несколько, но основная – отсутствие значительной прибавки урожая. Достаточно быстро стало понят- но, что для успешного применения светодиодных источников освещения нужна корректировка всех элементов технологии выращивания, таких как микроклимат, минеральное питание, формирование растений и др. [7,8].

В настоящий момент в открытом доступе отсутствует систематизированная исследовательская база, на основе которой можно построить аргументированные предположения о связи урожайности с использованием различного типа систем освещения.

Применение светодиодных светильников не исключает использование традиционных натриевых ламп [8]. Однако, прямое внедрение светодиодных источников света взамен натриевых не имеет перспектив.В первую очередь, это касается продуктивности растений. Мы считаем, что прежде, чем активно внедрять непосредственно светодиодные источники освещения растений, следует изучить гибридную систему освещения, в которой используется сочетание традиционных натриевых и светодиодных источников облучения. С этой целью на базе одного из тепличных комбинатов мы провели экспериментальное фенологическое исследование по теме «Влияние типа освещения на продуктивность выращивания культуры томата F 1 Боунтис DR в продленном обороте защищенного грунта». Наша задача заключалась в том, чтобы установить соотношения урожайности, а также других биологических показателей культур, выращиваемых в защищенном грунте, с выбором определенной системы освещения.

Материал и методика

В данном эксперименте речь идет только о верхнем освещении без применения внутриценозного освещения. Для проведения исследования выбраны идентичные по микроклимату и технологии выращивания культуры томата две экспериментальные площадки, равные по площади, но с разными системами освещения (Рис.1,2), и отделенные друг от друга на один пролет:

Рис.1.Источники облучения растений,используемые при проведении эксперимента.

Fig.1.Plantirradiation sources used during the experiment.

Рис.2.«Натриевая» и «гибридная» экспериментальные площадки

Fig.2.“Sodium” and “hybrid” experimentalsites

• 1.    Площадка с традиционной натриевой системой освещения с использованием 100 % светильников ЖСП25 Рефлакс с электронным пускорегулирующим аппаратом (ЭПРА) в комплекте зеркальными лампами ДНаЗ/Reflux Ag 600/400 («натриевая площадка»).

• 2.    Площадка с гибридной системой освещения, где каждый второй натриевый светильник ЖСП25 Рефлакс с ЭПРА с зеркальными лампами ДНаЗ/Reflux Ag 600/400 заменяется на LED Grow Light. Светильники располагаются в шахматном порядке что в итоге дает соотношение HPS и LED 50/50 («гибридная площадка»).

Площадь учетной делянки составила 326 м2. Установленная мощность 200 Вт/м2. Для фенологических наблюдений и учёта урожая в центре натриевой и гибридной экспериментальных площадок были выделе- ны учетные участки (2-ой, 3-ий и 4-ый ряды полусекции), с одинаковым количеством растений. Эксперимент был начат 11 октября 2022 года.

Измерения проводили многоцелевым мини-спектрометром PG 200N фирмы UPRtek (Тайвань) в более широком диапазоне, раскладывая излучение по спектральным характеристикам на диапазоны: 400-500 нм, 500-600 нм, 600-700 нм (в области ФАР), а также 700800 нм (дальнее красное излучение) [1, 9].

Результаты исследований и их обсуждение

В результате под натриевыми лампами суммарная освещенность в области ФАР (400-700 нм) составила 344,4 мкмоль/(м2с), а под гибридной системой облучения растений – 480,3 мкмоль/(м2с), что выше на 40% (табл. 1). При использовании гибридной системы облу-

Таблица 1. Результаты измерений уровня облученности растений при использовании натриевых и гибридных систем облучения (2022-2023 годы) Table 1. Results of measurements of the level of plant irradiation using sodium and hybrid irradiation systems (2022-2023)

Системы освещения суммарное Излучение в области ФАР (400-700 нм) Дальнее красное излучение 700-800 нм Суммарная облученность PPFD 400-500 нм 500-600 нм 600-700 нм Мкмоль/ (м2*с) % Мкмоль/ (м2*с) % Мкмоль/ (м2*с) % Мкмоль/ (м2*с) % Мкмоль/ (м2*с) % Мкмоль/ (м2*с) % Натриевое ДНаЗ 100% (St) 344,4 87,5 12,7 3,2 156,9 39,9 174,8 44,4 49,0 12,5 393,4 100 Гибридное ДНаЗ+LED 480,3 92,5 30,7 5,9 83,8 16,1 365,8 70,5 38,8 7,5 519,1 100 ДНаЗ (50%) 162,1 86,3 6,2 3,3 66,4 35,3 89,5 47,6 25,8 13,8 187,9 100 LED (50%) 343,6 95,9 31,5 8,8 20,1 5,6 292,0 81,5 14,5 4,1 358,1 100 чения только за счет светодиодных светильников было получено 343,61 мкмоль/(м2с) освещенности. Это сравнимо с общим уровнем облученности под натрием (344,4 мкмоль/(м2с).

Суммарная освещенность в диапазоне 400-800 нм (с учетом дальнего красного излучения) под натриевыми лампами составила 393,4 мкмоль/(м2с), а под гибридной системой облучения растений – 519,1 мкмоль/(м2с), что выше на 32% (табл.1).

По спектральному составу более 70% (365,8 мкмоль/(м2с) представлено в красном диапазоне с длиной волны 600-700нм при использовании гибридной системы облучения, а при использовании натриевого света – только 44% или 174,8 мкмоль/(м2с) (табл.1). А по дальнему красному свету с длиной волны 700-800нм натриевые лампы превосходят гибридную систему облучения почти вдвое.

Таким образом, при использовании гибридной системы суммарная освещенность в области ФАР повышается на 40% по сравнению с натриевой системой освещения, и следовало бы ожидать, что и урожайность культуры томата изменится таким же образом. Однако, несмотря на то что показатели горизонтальной облученности в мкмоль/(м2с) при использовании гибридной установки на 40% превысили установки на базе зеркальных натриевых ламп, прибавки урожая на 40% при этом не наблюдается. Это говорит о том, что важен не просто свет как таковой, важно правильно оценивать его продуктивность и спектральный состав [7]. Проблема оценки освещенности с учетом реального взаимодействия света с растением существует, и ее надо решать. Непосредственно в ходе процесса фотосинтеза используется лишь 1-3% поглощенной солнеч- ной энергии (ФАР), а теоретически возможный – 5-6% [10,11,12]. Остальная поглощенная энергия (95-98%) расходуется в основном на транспирацию [13]. Так, по данным А. А. Ничипоровича, коэффициент использования ФАР томатными растениями в расчете на общий урожай составил 1,06% [12]. Таким образом, простое попадание большого количества света на растение не всегда приводит к такому же повышению урожайности. У тепличных растений с высоким листовым индексом многие листья находятся в условиях недостаточного освещения из-за взаимного затенения. Однако, чем больше урожайность, при прочих равных условиях, тем более оптимальна деятельность агрофитоценоза [14,15].

Мы проверили реакцию томатного растения гибрида F1 Боунтис при выращивании в условиях натриевой и гибридной систем облучения. Эксперимент длился 98 суток, т.е. в самые темные зимние месяцы года. На начало проведения эксперимента (11.10.2022) длина главного стебля была практически одинакова и составила 405 и 410 см. А за весь период проведения эксперимента прирост длины главного стебля при использовании натриевой системы освещения составил 427 см, что на 63 см (или 15%) больше, чем при использовании гибридной системы освещения – 364 см (табл.2). Среднесуточный прирост главного стебля составил 4,4 см при использовании натриевой системы освещения и 3,7 см при использовании гибридного освещения. Это можно объяснить большей облученностью, полученной при использовании гибридного освещения.А в случае более интенсивного света рост стеблей уменьшается, что доказывает задерживающее влияние света на рост растений [13]. Кроме того, при использовании

Таблица 2. Рост и развитие растений у гибрида томата F 1 Боунтис при использовании натриевых и гибридных систем освещения (2022-2023 годы) Table 2. Plant growth and development in the tomato hybrid F 1 Bountis using sodium and hybrid lighting systems (2022-2023)

Системы освещения Даты проведения измерений Главный стебель Количество листьев Средняя длина листа, см Площадь листьев 1 растения, дм2 ИЛП длина, см прирост в сутки, см всего, шт. рабочие, шт. 11.10.2022 405 - 40 13 39 69,73 2,44 Натриевое: 02.11.2022 501 4,2 53 17 37 81,79 2,86 ДНаЗ 100% 07.12.2022 652 2,9 71 18 36 81,81 2,86 17.01.2023 832 4,4 88 19 32 67,65 2,37 Результаты 98 дней 427 4,4 88 17 36 75,25 2,63 11.10.2022 410 - 42 16 40 90,46 3,17 Гибридное: 02.11.2022 483 3,2 61 19 37 91,71 3,21 ДНаЗ+LED 07.12.2022 609 3,6 68 18 35 77,17 2,70 17.01.2023 774 4,0 86 20 30 62,08 2,17 Результаты 98 дней 364 3,7 86 18 35 80,36 2,81 гибридного освещения на растениях сформировалось на два листа меньше (86 шт.), чем при использовании натриевого освещения (88 шт.), а средняя длина листа меньше на 1 см (табл.2).

При этом количество заложившихся соцветий составило соответственно 25,4 и 24,1 шт. Таким образом, при использовании гибридной системы освещения несколько снижаются ростовые процессы, уменьшается средняя длина листа, а, соответственно, площадь листьев и индекс листовой поверхности. Снижение ростовых процессов также приводит к уменьшению количества заложившихся соцветий на 5% в варианте с гибридным освещением.

Всего (за 98 дней)	Натриевая система освещения	Гибридная система освещения
Количество заложившихся соцветий, шт.	25,4	24,1
%	100	95

Лист имеет ограниченный рост и характерное для данного гибрида строение. А толщина листа тесно коррелирует с интенсивностью света, при которой он развивается. Кроме того, установлена положительная корреляция между интенсивностью фотосинтеза и массой единицы площади листа [13]. В нашем эксперименте свет большей интенсивности мы имеем при использовании гибридной системы освещения. Толщина листовой пластинки в этом варианте составляет 0,59 мкм, что на 20% больше, чем при использовании натриевого освещения (табл.3). Благодаря большой поверхности и определенному размещению листьев в пространстве растение может использовать как прямой, так и рассе- янный свет, падающий под разными углами. В связи с этим большое значение для эффективного использования света имеет архитектоника растений, под которой понимают пространственное расположение листьев [13,15].

Таблица 3. Размеры листовой пластины у гибрида томата F 1 Боунтис при использовании натриевых и гибридных систем освещения (2022-2023 годы)

Table 3. Dimensions of the leaf plate of the tomato hybrid F 1 Bountis when using sodium and hybrid lighting systems (2022-2023)

Системы освещения	Средняя длина листа, см	Толщина листовой пластины
		мкм	%
Натриевое: ДНаЗ 100%	36	0,49	100
Гибридное: ДНаЗ (50%)+LED (50%)	35	0,59	120

Значительное влияние на использование объема теплиц гибридами томата оказывает длина стебля, которая складывается из длин междоузлий [16,17]. Томат относится к растениям со смешанным типом ветвления: моно – и симподиальным. На моноподиаль-ном побеге, с которого начинает свой рост томатное растение, формируется 9-12 листьев и заканчивает его формированием соцветия. Это первое соцветие на растении. Далее рост растения продолжает уже побег первого порядка, формирующийся в пазухе верхнего листа. Это уже симподиальный побег. У индетерми-нантных гибридов томата рост растений не прекращается в течение всей вегетации, при этом формируются все новые и новые симподиальные побеги [16,17]. На каждом симподиальном побеге фомируются в среднем три листа, и он заканчивается соцветием (рис.3).

Рис.3.Строение симподиального побега у гибрида томата

Fig.3.Structure ofa sympodial shootin a tomato hybrid

Практически у всех индетерминантных гибридов томата длина третьего междоузлия в симподиальном побеге наибольшая. А изменение длины симподиального побега в большей степени связано с увеличением длины именно третьего междоузлия, на котором располагается соцветие (рис.3), и в меньшей степени с изменением длины первых двух междоузлий [16,17]. Мы изучали длину первых 25 симподиальных побегов (рис. 4,5). В связи с тем, что в эксперименте до 15 октября 2022 года в обоих вариантах использовали только натриевое освещение, то различия между вариантами наблюдаются только через 4 недели, т.е. начиная с 8–9 -го симподиального побега. Средняя длина симподиальных побегов составила 31,5 см в варианте с использованием натриевого света и 27,5 в варианте с использованием гибридного освещения, что на 13% меньше (рис. 4). Средняя длина третьего междоузлия в симподиальных побегах гибрида томата F1 Боунтис составила 14,9 см при использовании натриевого освещения и 12,9 см – при использовании гибридного освещения, это на те же 13% меньше (рис.5). Таким образом, увеличение длины главного стебля у растений томата целиком связано с увеличением длины третьего междоузлия в симподи-альных побегах. А мы знаем, что при более интенсивном освещении рост стебля у растений уменьшается [6,13], что связано с задерживающим влиянием света на ростовые процессы.

Кроме того, все факторы внешней среды действуют на растение совместно. Согласно концепции лимитирующих факторов интенсивность фотосинтеза лимитируется тем фактором, который находится в минимуме [13]. К примеру, с увеличением освещенности в культивационном помещении температура воздуха повышается на несколько градусов. В нашем случае оба варианта эксперимента расположены в одной теплице и поддерживать в них разную температуру не представляется возможным. А поскольку светодиодные светильники при работе выделяют меньше тепла, чем натриевые лампы, то в варианте с гибридным освещением в период вегетации температура воздуха

Рис.5.Средняя длина третьего междоузлия в симподиальных побегах гибрида томата F 1 Боунтис при использовании натриевых и гибридных систем освещения (2022-2023 годы) Fig.5.Average length ofthe third internode in sympodialshoots ofthe F 1 Bountis tomato hybrid using sodium and hybrid lighting systems (2022-2023)

была в среднем на 1oС ниже. Такое понижение температуры могло отрицательным образом повлиять на ростовые процессы растений томата.

Масса плодов у томата в большей степени влияет на урожайность, чем их количество. В течение всей вегетации (с октября по апрель) мы определяли среднюю массу плодов при каждом сборе урожая. Разница между вариантами наблюдается только через 4 недели, что связано с длительным наливом плодов у томата. И уже начиная с первой декады декабря средняя масса плодов в варианте с использованием гибридной системы освещения выше, чем в варианте с использованием натриевого освещения (рис. 6). Разница по средней массе плодов составляет почти 7 г, или 4,6%. Это совсем не много, учитывая, что освещенность в варианте с использованием гибридного освещения была выше на 32%.

Если средняя масса плодов в варианте с гибридным освещением стабильно была выше на протяжении всей вегетации (рис. 6), то о полученных результатах по дина- мике урожайности такого сказать нельзя. Урожайность была значительно выше при гибридном освещении только в январе-начале февраля (рис. 7). В целом, за весь период проведения эксперимента урожайность в условиях гибридного освещения выше на 3,0 кг/м2 или 5,5% и составила 58,25 кг/м2, а при натриевом освещении – 55,22 кг/м2. Такое повышение урожайности (на 5,5%) сопоставимо с увеличением средней массы плодов (4,6%).

Анализ качественного состава урожая также не показал значительного преимущества гибридного освещения. Урожайность плодов высшего сорта выше на 5% в условиях натриевого освещения. Урожайность плодов первого сорта было выше на 8% в условиях использования гибридного освещения (табл. 4). Плодов второго сорта собрано на 3% больше при использовании натриевого освещения. В варианте с использованием гибридной системы освещения окраска плодов была ярче, а содержание растворимых сахаров (Брикс) в обоих вариантах составило 4,0 единицы.

Рис.6.Динамика изменения массы плода у гибрида томата F 1 Боунтис при использовании натриевых и гибридных систем освещения (2022-2023 годы

Fig.6.Dynamics ofchanges in fruitweightin the F 1 Bountis tomato hybrid using sodium and hybrid lighting systems (2022-2023)

Рис.7.Динамика урожайности у гибрида томата F 1 Боунтис при использовании натриевых и гибридных систем освещения (2022-2023 годы)

Таблица 4. Урожайность с разбивкой по сортам и количество плодов у гибрида томата F 1 Боунтис при использовании натриевых и гибридных систем освещения (2022-2023 годы)

Table 4. Productivity by variety and number of fruits for the F 1 Bountis tomato hybrid using sodium and hybrid lighting systems (2022-2023)

	Натриевая система освещения					Гибридная система освещения
Единица измерения	всего		в том	числе		всего		в том	числе
		высший сорт	1-ый сорт	2-ой сорт	3-ий сорт		высший сорт	1-ый сорт	2-ой сорт	3-ий сорт

Урожайность

кг/м2	55,22	39,26	12,66	3,00	0,30	58,25	38,20	17,51	1,73	0,31
%	100	71	22	6	1	100	66	30	3	1

Заключение

Таким образом, использование гибридной системы облучения растений увеличивает суммарную освещенность в диапазоне ФАР – на 40% в сравнении с натриевой системой освещения. Однако, полученная прибавка урожая не пропорциональна повышению облученности и составила всего 5,5%. Причины такого положения дел пока не до конца ясны. Одна из причин, которая нуждается в дополнительной проверке, что показатели горизонтальной облученности, измеренные в мкмоль/(м2с), связаны с урожайностью не напрямую. А другая причина в том, что увеличение освещенности при использовании гибридной системы облучения растений влечет за собой изменение других факторов роста и развития растений, которые не были учтены в нашем эксперименте.

Vladimir M. Pchelin – Cand. Sci. (Engineering),

General Director of LLC Reflax

ISSN 2618-7132 (Online) Овощи России №3 2024      [ 52 ] Vegetable crops of Russia №3 2024 ISSN 2072-9146 (Print)