radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-3-62-72radioelectronics-638Research ArticleРАДИОФОТОНИКАMICROWAVE PHOTONICSОпределение оптимального спектрального состава излучения светодиодной фитолампы для стимуляции развития семян моркови и томатаOptimal Spectral Radiation Composition of a LED Phytolapm for Stimulating Carrot and Tomato Seed DevelopmentГубинаА. А.GubinaA. A.

Губина Анастасия Анатольевна - бакалавр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2020), студент магистратуры 2-го года обучения.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Anastasia A. Gubina - Bachelor in "Electronics and Nanoelectronics" (2020), 2-year Master's student of Saint Petersburg Electrotechnical University.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.

gubina.anastasia2010@yandex.ruЛевинЕ. В.LevinE. V.

Левин Евгений Витальевич - бакалавр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2020), студент магистратуры 1-го года обучения.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Evgeniy V. Levin - Bachelor in "Electronics and Nanoelectronics" (2020), 1st year Master's student of Saint Petersburg Electrotechnical University.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.

zhenya081099@gmail.comРомановичМ. М.RomanovichM. M.

Романович Мария Михайловна - магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2019), аспирант 2-го года обучения.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Maria M. Romanovich - Master in "Electronics and Nanoelectronics" (2020), 2nd year Postgraduate Student of Saint Petersburg Electrotechnical University.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.

mmromanovich@etu.ruДегтеревА. Э.DegterevA. E.

Дегтерев Александр Эдуардович - магистр по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2020), аспирант 2-го года обучения.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Alexander E. Degterev - Master in "Electronics and Nanoelectronics" (2020), 2nd year Postgraduate Student of Saint Petersburg Electrotechnical University.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.

aedegterev@etu.ruПатоковН. О.PatokovN. O.

Патоков Никита Олегович - исследователь, преподаватель-исследователь по направлению "Фотоника, приборостроение, оптические и биотехнические системы и технологии" (2021).

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Nikita O. Patokov - Researcher, teacher-researcher in the field of "Photonics, instrumentation, optical and biotechnical systems and technologies" (2021).

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.

patocov@mail.ruЛамкинИ. А.LamkinI. A.

Ламкин Иван Анатольевич - кандидат технических наук (2015), доцент кафедры фотоники.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Ivan A. Lamkin - Cand. Sci. (Eng.) (2015), Associate Professor at the Department of Photonics of Saint Petersburg Electrotechnical University.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.

ialamkin@etu.ruТарасовС. А.TarasovS. A.

Тарасов Сергей Анатольевич - доктор технических наук (2016), заведующий кафедрой фотоники.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022.

Sergey A. Tarasov - Dr Sci. (Eng.) (2019), Head of the Department of Photonics of Saint Petersburg Electrotechnical University.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022.

satarasov@etu.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2022280620222536272Copyright © Губина А.А., Левин Е.В., Романович М.М., Дегтерев А.Э., Патоков Н.О., Ламкин И.А., Тарасов С.А., 20222022Губина А.А., Левин Е.В., Романович М.М., Дегтерев А.Э., Патоков Н.О., Ламкин И.А., Тарасов С.А.Gubina A.A., Levin E.V., Romanovich M.M., Degterev A.E., Patokov N.O., Lamkin I.A., Tarasov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/638Введение

Введение. В настоящее время светодиодное (СИД) освещение стало преобладающим во многих сферах деятельности человека, в том числе в сельском хозяйстве. С каждым годом все большей проблемой становится обеспечение населения достаточным количеством качественной продукции вследствие текущей экологической обстановки и активного роста городского населения. Для решения данной проблемы требуется разработка энергоэффективных оптических систем с целью создания оптимальных условий освещенности для ускорения роста различных типов растений и повышения качества продукции в автономных агропромышленных комплексах.

Цель работы

Цель работы. Определение оптимального спектрального состава излучения фитолампы, состоящей из СИД на основе AlGalnP (660 и 730 нм), на основе InGaN (440 нм) и "фитосветодиодов" (400 . .800 нм), для стимуляции роста и развития ростков томатов и моркови в стадии проращивания. Расчет оптической мощности СИД и плотности фотосинтетического фотонного потока (photosynthetic photon flux density, PPFD) на ее основе. Материалы и методы. Проведен ряд экспериментов, связанных с исследованием влияния различного качества и количества излучения видимого диапазона на параметры развития семян моркови и томатов, к которым относятся энергия прорастания, появление семядольных и первичных листьев, всхожесть семян, средняя длина гипокотиля и корня; выявление оптимального спектрального состава и мощности излучения для повышения скорости роста растений.

Результаты

Результаты. Показано, что досветка излучением 660 нм ростков томатов в стадии проращивания положительно влияет на всхожесть, среднюю длину ростка и корневое развитие. Наилучшие результаты всхожести и развития моркови достигаются при облучении светом коротковолнового диапазона (PPFD 243 мкмоль∙с-1 -м-2), для усиления вегетативного развития моркови подходит облучение ~170 мкмоль с-1 -м-2синего света и 86 мкмоль с-1 -м-2 красного.

Заключение

Заключение. Созданные программы освещения позволят варьировать спектральный состав излучения и PPFD на разных этапах роста и развития культур, тем самым увеличивая урожайность и снижая энергозатраты. В перспективе данная технология может быть использована в космосе, так как высокая энергоэффективность в данном сегменте является принципиальной.

Introduction

Introduction. Light-emitting diode (LED) irradiation is widely used in various spheres of human activity, including agriculture. Due to the growing urban population and aggravating environmental situation, the problem of high-quality food provision is increasingly attracting research attention. In this context, it is important to develop energy-efficient optical systems for ensuring optimal irradiation conditions for accelerating the growth of various types of plants and improving the quality of products in autonomous agro-industrial complexes.

Aim

Aim. Determination of an optimal spectral radiation composition of a phytolamp consisting of LEDs based on AlGalnP (660 and 730 nm) and InGaN (440 nm), as well as phyto-LEDs (400. _ .800 nm), to stimulate the growth and development of tomato and carrot sprouts at the germination stage. Calculation of the LED optical power and photosynthetic photon flux density (PPFD).

Materials and methods

Materials and methods. Experiments were carried out to study the influence of visible radiation of different quality and quantity on the development parameters of carrot and tomato seeds, including germination energy, the appearance of cotyledon and primary leaves, seed germination, average hypocotyl and root length. Optimal spectral composition and radiation power parameters ensuring effective growth of plants were determined.

Results

Results. Additional 660-nm irradiation of tomato sprouts at the germination stage was shown to exhibit a positive effect on germination, average sprout length and root development. The best results of carrot germination and development were achieved when irradiated with short-wavelength light (PPFD 243 µmol∙s–1∙m–2). Irradiation of ~ 170 µmol∙s–1∙m–2 blue and 86 µmol∙s–1∙m–2 red light was found to be effective for enhancing carrot cultivation.

Conclusion

Conclusion. The developed irradiation schemes can be used to vary the spectral radiation composition and PPFD at different stages of crop growth and development, thereby increasing yields and reducing energy costs. In the future, this technology can be used in space research, where high energy efficiency is fundamental.

светодиодфотосинтезфотоморфогенезхлорофиллплотность фотосинтетического потока фотоновспектральная характеристикаLEDphotosynthesisphotomorphogenesischlorophyllphotosynthetic photon flux densityspectral characteristicReferencesSpalding E. P., Folta K. M. Illuminating topics in plant photobiology // Plant, Cell and Environment. 2005. Vol. 28, № 1. P. 39-53. doi: 10.1111/j.1365-3040.2004.01282.xSpalding E. P., Folta K. M. Illuminating Topics in Plant Photobiology. Plant, Cell and Environment. 2005, vol. 28, no. 1, pp. 39-53. doi: 10.1111/j.1365-3040.2004.01282.xО разработке светодиодного светильника для тепличных комбинатов / С. Д. Богатырев, Д. С. Степунин, А. П. Какуркин, В. Н. Сафрончев // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики: сб. тр. конф., Саранск, Россия, 15-16 марта 2017. Саранск, 2017. С. 225-229.Bogatyrev S. D., Stepunin D. S., Kakurkin A. P., Safronchev V. N. O razrabotke svetodiodnogo svetil'nika dlya teplichnykh kombinatov [On the Development of an LED Lamp For Greenhouse Plants]. Problemy i perspektivy razvitiya otechestvennoi svetotekhniki, elektrotekhniki i energetiki [Problems and Prospects for the Development of Domestic Lighting, Electrical Engineering and Energy], Saransk, Russia, 15-16 March 2017, pp. 225-229. (In Russ.)Shinomura T., Uchida K., Furuya M. Elementary Processes of Photoperception by Phytochrome A for High-Irradiance Response of Hypocotyl Elongation in Arabidopsis // Plant Physiology. 2000. Vol. 122, № 1. P. 147-156. doi: 10.1104/pp.122.1.147Shinomura T., Uchida K., Furuya M. Elementary Processes of Photoperception by Phytochrome A for High-Irradiance Response of Hypocotyl Elongation in Arabidopsis. Plant Physiology. 2000, vol. 122, no. 1, pp. 147-156. doi: 10.1104/pp.122.1.147The Optoelectronic Semiconductor Device Based of the Leds to Improve Plant Growth / M. M. Romanovich, N. V. Roshina, A. A. Aleksandrova, S. A. Tarasov, I. A. Lamkin // IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), St Petersburg, Moscow, Russia, 27-30 Jan. 2020. IEEE, 2020. P. 1123-1125. doi: 10.1109/EIConRus49466.2020.9039256Romanovich M. M., Roshina N. V., Aleksandrova A. A., Tarasov S. A., Lamkin I. A. The Optoelectronic Semiconductor Device Based of the Leds to Improve Plant Growth. IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). St Petersburg, Moscow, Russia, 2730 Jan. 2020. IEEE, 2020, pp. 1123-1125. doi: 10.1109/EIConRus49466.2020.9039256.The efficiency of UV LEDs based on GaN/AlGaN heterostructures / A. S. Evseenkov, S. A. Tarasov, I.A. Lamkin, A. V. Solomonov, S. Y. Kurin // Proc. of the IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conf., St Petersburg, Russia, 02-04 Feb. 2015. IEEE, 2015. P. 27-29. doi: 10.1109/EIConRusNW.2015.7102224Evseenkov A. S., Tarasov S. A., Lamkin I. A., Solomonov A. V., Kurin S. Y. The Efficiency of UV LEDs Based on GaN/AlGaN Heterostructures. Proc. of the IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conf., St Petersburg, Russia, 02-04 Feb. 2015. IEEE, 2015, pp. 27-29. doi: 10.1109/EIConRusNW.2015.7102224Study of the characteristics of UVA LEDs grown by HVPE: active region thickness-dependent performance / E. A. Menkovich, S. A. Tarasov, I. A. Lamkin, A. V. Solomonov, S. Yu. Kurin, A. A. Antipov, I. S. Barash, A. D. Roenkov, Yu. N. Makarov, A. S. Usikov, H. I. Helava // J. of Physics: Conf. Series. 2014. Vol. 541, № 1. P. 012054.Menkovich E. A., Tarasov S. A., Lamkin I. A., Solomonov A. V., Kurin S. Yu., Antipov A. A., Barash I. S., Roenkov A. D., Makarov Yu. N., Usikov A. S., Helava H. I. Study of the Characteristics of UVA LEDs Grown by HVPE: Active Region Thickness-Dependent Performance. J. of Physics: Conf. Series. 2014, vol. 541, no. 1, p. 012054.Ракутько Е. Н., Ракутько С. А. Выращивание рассады томата под излучением светодиодов с различным соотношением красного и дальнекрасного потоков // Изв. СПбГАУ. 2016. № 44. С. 281-287.Rakutko E. N., Rakutko S. A. Growing Tomato Seedlings under the Radiation of LEDs with Different Ratios of Red and Far-Red Fluxes. Izv. SPbGAU. 2016, no. 44, pp. 281-287. (In Russ.)Влияние искусственного света на рост томатов / С. Н. Александрова, Ж. Д. Кудайбергенова, А. А. Рыбакова, Е. Г. Незнамова // Наука и современность. 2014. № 29. С. 141-144.Aleksandrova S. N., Kudaibergenova Zh. D., Rybakova A. A., Neznamova E. G. Influence of Artificial Light on the Growth of Tomatoes. Nauka i sovremennost' [Science and Modernity]. 2014, no. 29, pp. 141-144. (In Russ.)Oh S. I., Lee J. H., Lee A. K. Growth, antioxidant concentrations and activity in Sedum takesimense as affected by supplemental LED irradiation with light quality // Horticultural Science and Technology. 2019. Vol. 37, № 5. P. 589-597.Oh S. I., Lee J. H., Lee A. K. Growth, Antioxidant Concentrations and Activity in Sedum Takesimense as Affected by Supplemental LED Irradiation with Light Quality. Horticultural Science Technology. 2019, vol. 37, no. 5, pp. 589-597.LEDs for photons, physiology and food / P. M. Pattison, J. Y. Tsao, G. C. Brainard, B. Bugbee // Nature. 2018. Vol. 563. P. 493-500. doi: 10.1038/s41586-018-0706-xPattison P. M., Tsao J. Y., Brainard G. C., Bugbee B. LEDs for Photons, Physiology and Food Research Perspective. Nature. 2018, vol. 563, pp. 493500. doi: 10.1038/s41586-018-0706-xSignificant reduction in energy for plant-growth lighting in space using targeted LED lighting and spectral manipulation / L. Poulet, G. D. Massa, R. C. Morrow, C. M. Bourget, R. M. Wheeler, C. A. Mitchell // Life Science in Space Research. 2014. Vol. 2. P. 43-53. doi: 10.1016/j.lssr.2014.06.002Poulet L., Massa G. D., Morrow R. C., Bourget C. M., Wheeler R. M., Mitchell C. A. Significant Reduction in Energy for Plant-Growth Lighting in Space Using Targeted LED Lighting and Spectral Manipulation. Life Science in Space Research. 2014, vol. 2, pp. 43-53. doi: 10.1016/j.lssr.2014.06.002Hernandez R., Kubota C. Physiological, morphological, and energy-use efficiency comparisons of LED and HPS supplemental lighting for cucumber transplant production // HortScience. 2015. Vol. 50, № 3. P. 351-357.Hernandez R., Kubota C. Physiological, Morphological, and Energy-Use Efficiency Comparisons of LED and HPS Supplemental Lighting for Cucumber Transplant Production. HortScience. 2015, vol. 50, no. 3, pp. 351-357.Folta K. M., Maruhnich S. A. Green light: a signal to slow down or stop // J. of Experimental Botany. 2007. Vol. 58, № 12. P. 3099-3111. doi: 10.1093/jxb/erm130Folta K. M., Maruhnich S. A. Green Light: A Signal to Slow Down or Stop. J. of Experimental Botany. 2007, vol. 58, no. 12, pp. 3099-3111. doi: 10.1093/jxb/erm130Leaf shape index, growth, and phytochemicals in two leaf lettuce cultivars grown under monochromatic light emitting diodes / K.-H. Son, J.-H. Park, D. Kim, M.-M. Oh // Korean J. of Horticultural Science and Technology. 2012. Vol. 30, № 6. P. 664-672. doi: 10.7235/hort.2012.12063Son K.-H., Park J.-H., Kim D., Oh M.-M. Leaf Shape Index, Growth, and Phytochemicals in Two Leaf Lettuce Cultivars Grown Under Monochromatic Light Emitting Diodes. Korean J. of Horticultural Science and Technology. 2012, vol. 30, no. 6, pp. 664-672. doi: 10.7235/hort.2012.12063Wang Y., Folta K. M. Contributions of green light to plant growth and development // Americal J. of Botany. 2013. Vol. 100, № 1. P. 70-78. doi: 10.3732/ajb.1200354Wang Y., FoltaK.M. Contributions of Green Light to Plant Growth and Development. Americal J. of Botany. 2013, vol. 100, no. 1, pp. 70-78. doi: 10.3732/ajb.1200354

The authors declare that there are no conflicts of interest present.