Определение оптимального спектрального состава излучения светодиодной фитолампы для стимуляции развития семян моркови и томата

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. 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. 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. 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.

1. Spalding 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.x

2. О 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.

3. 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.122.1.147

4. The 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/EIConRus49466.2020.9039256

5. 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.2015.7102224

6. Study 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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-x

11. Significant 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.2014.06.002

12. 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, № 3. P. 351-357.

13. 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/erm130

14. Leaf 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.2012.12063

15. Wang 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.1200354