Светлое будущее

Существует шесть основных факторов роста и развития растения: температура, питание, кислород, углекислый газ, водоснабжение и освещение.

Не секрет, что томат — светолюбивое растение, отчасти это можно объяснить его происхождением.

 По мнению Н.И. Вавилова и других исследователей, томат появился в Южноамериканском центре происхождения культурных растений, а точнее, ближайшие дикие родственники культурного вида из секции Lycopersicon произрастают на западном склоне горной цепи Анд в сухих пустынях или близких к пустынным условиях.

Отношение к приходу солнечной радиации светолюбивых растений, в частности томата, хорошо описывает кривая светового насыщения, где по оси абсцисс отложена освещенность (интенсивность света), а по оси ординат — скорость фотосинтеза (рис. 1). 

На графике видно, что в первой части кривая имеет вид прямолинейной функции, то есть рост освещенности прямо пропорционален росту фотосинтеза; потом кривая выходит на плато, скорость фотосинтеза не увеличивается, она достигает Ртах — максимально возможной скорости фотосинтеза организма. Далее, по мере критического увеличения радиации, происходит падение скорости фотосинтеза за счет сбоя работы и повреждения фотосинтетического аппарата клеток. Такое явление называют фотоингибированием. Данная кривая описывает эмпирический закон и понятна интуитивно. Задача агронома состоит в том, чтобы с помощью досвечивания растений увеличивать скорость их фотосинтеза и вместе с ней урожайность, а за счет притенения теплиц не допускать фотоингибирования.

Прежде чем продолжить разговор об отношении томата к свету, поговорим об основных характеристиках самого света и его источников. 

Свет в физической оптике — это видимый спектр электромагнитного излучения, воспринимаемый человеческим глазом, с длиной волны от 400 до 700 нм. Этот же спектр использует и растение для фотосинтеза, роста и развития, и называется подобное излучение фотосинтетически активной радиацией (ФАР) (рис. 2). 

Выдающийся российский ботаник и физиолог растений К.А. Тимирязев в 1871—1875 годах установил, что зеленые растения наиболее интенсивно поглощают лучи красной и синей частей солнечного спектра. На данный момент известны спектры поглощения основных пигментов растений (табл. 1).

Что же такое спектральное распределение? Спектральное распределение излучения/поглощения — это распределение потока излучения/поглощения по длинам волн или частотам. 

На рисунке 2 указана еще кривая распределения К. J. МсСгее (1972), описывающая спектр действия фотосинтеза, полученная in vitro с использованием достаточно сложной оптики на отдельных листьях растений при низких уровнях облучения. Эта кривая указывает, что для полноценного развития, а не внешне достаточного, растение использует ультрафиолетовое (УФ), а также инфракрасное (ИК) излучения.

ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПЕКТРОВ НА РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ

Ультрафиолет В (315-380 нм) не имеет видимого действия на растения. Ультрафиолет А (380-430 нм) — излучения этого спектра поглощаются в процессе цветения и созревания плодов и влияют на их цвет и биохимический состав. Синий свет (430-450 нм) влияет на морфологию растений (размер и форму куста/листьев, длину стебля), способствует открытию устьиц, увеличению количества белка, синтезу хлорофилла, делению и функционированию хлоропластов, сдерживанию роста стебля.

Зеленый свет (500-600 нм) — только 10-50% спектра в зеленой области отражается хлоропластами. Остальная энергия усваивается в процессе фотосинтеза и передается дальше — на нижние ярусы растения, которые обычно затенены. Управление уровнем зеленого в спектре облучения позволяет контролировать время наступления и длительность фаз прорастания и цветения.

Красный свет (610-720 нм) — наиболее эффективный диапазон с точки зрения количества фотонов, поглощаемых растением на всех этапах развития. Красный свет способствует цветению, прорастанию почек, росту стеблевых листьев, опадению листьев, спячке почек, этиоляции и т. д.

Дальний красный (720-1000 нм) выполняет своего рода сигнальную функцию. Как и в случае с зеленым цветом, корректировка уровня дальнего красного позволяет повлиять на время наступления и длительность фаз цветения и плодоношения.

Инфракрасный (1000 нм и выше) — все излучение в этом диапазоне конвертируется в тепло, дополнительно влияющее на температуру растения (рис. 3).

Цветовая температура определяется как температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. Измеряется в градусах Кельвина (К). 

Если объяснить проще — до какой температуры надо раскалить объект, чтобы он светился тем или иным цветом: от темно-красного раскаленного тела (800 К) до свечения темного безоблачного неба на северной стороне перед восходом солнца (9500 К) (рис. 3). Данная характеристика не обозначает интенсивности свечения (цветовая температура не сильно влияет на значение светового потока), но дает понять преобладание того или иного спектра излучения: в теплом диапазоне — красного спектра, в холодном — синего. Так, в безоблачную погоду цветовая температура светимости солнечного излучения составляет 5245 К, а в облачную — 6000 К, причем спектральный баланс не сильно изменяется, но все же синего становится больше (с 18,8 возрастает до 22,2%), а красного и дальнего красного меньше (с ЗО до 28,1% и с 23 до 20,1% соответственно) (рис. 4).

Освещенность — отношение светового потока, падающего на элемент поверхности, содержащий рассматриваемую точку, к площади этого элемента, измеряется в люксах (лк). Измерение в люксах для объективной оценки тепличных источников света некорректно, поскольку эта единица ориентирована на особенности человеческого зрения и относится по определению к характеристикам освещенного пространства, а не осветительного устройства (ОУ) и влиянию его на фитоценоз.

Световой поток излучателя — величина, образуемая от потока излучения (мощность, излучаемая устройством в виде излучения, Вт), при оценке его действия на стандартного фотометрического наблюдателя Международной комиссии по освещению. Измеряется в люменах (лм). Данный параметр используют для расчета освещенности любого помещения и для сравнения эффективности однотипных ОУ.

Есть две схожие метрики, оценивающие эффективность фитосвета ОУ:

• Фотосинтетический фотонный поток (PPF, Photosynthetic Photon Flux) — общее количество света из области ФАР, которое излучает ОУ в секунду, измеряется в мкмоль/Дж. Если этот показатель разделить на мощность ОУ, получим PPF/W, то есть количество квантов на 1 Дж, потраченный ОУ;

• Продуктивный фотонный поток (YPF, Yeild Photon Flux) — тоже, что и первый показатель, только с учетом множителя кривой МсСгее.

PPF всегда получается немного выше, чем YPF, поэтому первую метрику выгодно использовать продавцам светильников. Вторую метрику выгоднее использовать покупателям, так как она более адекватно оценивает энергетическую эффективность.

В сооружениях защищенного грунта в основном используют два типа осветительных устройств в качестве верхнего освещения (Top Lightning): газоразрядные (чаще всего ДНаТ) и светодиодные.

 Газоразрядные — это проверенное прошлое, уверенное настоящее и сбавляющее обороты будущее; светодиоды — тренд современности и однозначное будущее. В промежутке находит себя совместное решение — гибридное освещение.

ДНаТ (дуговые натриевые трубчатые) — часть осветительного устройства, лампа высокого давления, светящимся телом которого служат пары натрия с газовым разрядом в них. Также распространены и зеркальные ОУ (ДНаЗ), где отражатель нанесен на верхнюю часть внутренней поверхности лампы. В любом случае это проверенный способ облучения, с помощью которого добиваются высокой урожайности, особенно в зимний период. Установочная мощность в тепличных комплексах РФ для культуры томата составляет 160-180-200 Вт/м2.

В светокультуре за год только с верхним светом возможно получить урожайность среднеплодных томатов 120 кг/м2, сливовидных — 65 кг/м2, вишневидных — 35 кг/м2. Преимущество такого света — низкие капитальные затраты.

Если рассматривать перечисленные выше характеристики, то натриевые лампы имеют теплый яркий свет, цветовая температура 2000 К. Спектр не поддается изменениям, и пики излучения не соответствуют пикам поглощения растением. Световой поток от 90 000 до 155 000 лкуламп мощностью 600-1000 Вт.

Только около 35% от номинальной мощности лампы идет на излучение, то есть лампа мощностью 600 Вт излучает энергии немногим больше 200 Вт, остальное идет на конвекцию (10%) и инфракрасное излучение (55%), что, очевидно, положительно влияет на растения в холодный период и негативно — в жаркое время. Значение PPF у ДНаТ мощностью 600 Вт составляет 1100-1200 мкмоль/с, уДНаТ 1000 Вт - 2000-2100 мкмоль/с. Эффективность натриевого светильника сильно зависит от мощности и достигает максимума при 600 Вт. Характерное оптимистичное значение YPF/W для натриевого светильника 600- 1000 Вт составляет 1,5 эфф. мкмоль/Дж, PPF/W — около 2 мкмоль/Дж. Эффективность натриевых светильников 70-150 Вт в 1,5 раза ниже (рис. 5).

У натриевых ламп практически отсутствует дальний красный свет, который необходим для увеличения энергии всхожести и для вытягивания и роста растений. Однако для получения рассады хорошего качества это может быть преимуществом. 

Согласно разработкам Института Гипронисельпрома уровень облучения в 40 Вт/м2 с фотопериодом 14 часов — оптимальная норма облученности в теплице для выращивания рассады, хотя в рассадных теплицах установочная мощность обычно достигает 80 Вт/м2, что соответствует освещенности в 10 000 лк (70% от идеального значения). 

Рекомендуется соблюдать следующую схему досвечивания: 2-3 дня после появления всходов рассаду подсвечивают 24 часа в сутки; до 30 суток — не меньше 16 часов; после 30 и до переноса на постоянное место досвечивают 14 часов.

Светодиод — полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световой поток. 

Светодиодные ОУ (LED, Light-emitting diode) для теплиц сконструированы из совокупности различных диодов, которые излучают в одном (условно) спектре: красные, синие, белые, темно-красные, дальние красные (табл. 2).

Рассмотрим два основных преимущества светодиодных фитосветильников. 

Первое: при достаточно высоких капитальных затратах по сравнению с ДНаТ у них достаточно низкие эксплуатационные затраты и более долгий срок службы. Так, LED имеют заявленный срок службы более 35 000 ч, тогда как ДНаТ — около 12 000 ч. LED-светильники, которые предлагают в качестве конструктивно-прямой замены ДНаТ, менее мощные (меньшее потребление), чуть более 500 Вт, но значение фотосинтетического светового потока (PPL) у них до 1800 мкмоль/с, следовательно, эффективность светового потока (PPP/W) равна 3,4 мкмоль/Дж, что на 40% больше натриевых; а у LED-светильников, которые идут в качестве отдельного решения, мощность около 300 Вт (значительная разница), PPL — до 1000 мкмоль/с, PPP/W - 3,3 мкмоль/Дж.

Второе преимущество — возможность создавать светильники с идеальным спектром излучения для томата. Под идеальным имеется в виду тот, который будет оказывать максимальный положительный эффект на рост, урожайность, повышение питательных свойств и т. д. Только вот, по мнению экспертов, мы еще далеки от понимания, какой спектр можно считать идеальным. Современные LED-светильники конструируются исходя из вышеописанных принципов для растений в целом, а не для отдельных культур. Но светодиоды — основной инструмент, с помощью которого продолжают поиски ответа на этот вопрос.

Далее перечислю несколько исследований, которые были проделаны в данном направлении. В работе 2018 года «Реакция листового аппарата томата на различное светодиодное освещение относительно фотосинтетической способности» растения были облучены белым, красным, синим, фиолетовым светом и их комбинацией. Было отмечено, что растения, выращенные под синим и фиолетовым светом, имели достоверно большую высоту и компактность, однако именно в этих вариантах опыта было отмечено значительное снижение эффективности фотосинтеза.

Ху-Джи Ким (2018) с соавторами выяснили следующее: 

1) светоиндуцированное распределение биомассы происходит между вегетативной и генеративной частью растения; 

2) LED-освещение дает накопление большей биомассы, чем ДНаТ; 

3) досвечивание ДНаТ способствует накоплению биомассы в вегетативной части растения; 

4) дальний красный свет смещает накопление биомассы в плоды; 

5) дальний красный свет увеличивает эффективность фотосинтеза и экономию воды.

В достаточно специфической работе, опубликованной в 2018 году под названием «Оценка стабильности развития растений томата в светокультуре по флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков листа», были исследованы анатомические признаки листа растений одного и того же сорта под натриевым и светодиодным облучением. И был сделан вывод об отсутствии значимых отличий средних измеренных биометрических параметров.

В урожайном на работы 2018 году была опубликована и интересная работа А.А. Смирнова «Зависимость биосинтеза пигментов и продуктивности томата от спектрального состава излучения». В этом исследовании было четыре основных варианта опыта: 

1) выращивание под LED-1, светодиодный излучатель со сбалансированным спектром (наличие белых светодиодов); 

2) выращивание под ДНаТ; 

3) под гибридным освещением; 

4) под LED-2, биколорные светодиоды (красные и синие, с малым излучением в зеленом спектре). 

В результате лучшая продуктивность была у LED-1 и ДНаТ, наименьшая у LED-2. Наибольшая средняя масса плода в варианте с ДНаТ, что противоречит результатам Ху-Джи Кима. Разница в содержании сухих веществ, моносахаров, нитратов в плодах во всех вариантах опыта незначительна, но в варианте с LED-1 было отмечено наибольшее содержание аскорбиновой кислоты.

Полагаю, сложилось понимание того, что мы еще далеки от какой-либо ясности, и ситуация за 3-4 года не сильно изменилась. Остается лишь каждому продолжать двигаться в своем направлении: ученым исследовать влияние света на томаты, селекционерам выводить гибриды для всех типов светокультуры, а тем, кто выращивает томаты, сделать выбор в пользу какого-то варианта светокультуры, исходя из своих условий, возможностей и желаний.

Никита Коломин, м. н. с.

Фото: архивы компании «Гавриш», Елена Аль-Шимари