Салат под светодиодами против ДНаЗ: разбор публикации 2022 года

Что это за работа и почему на неё стоит смотреть

Статья «Технико-экономическая эффективность применения светодиодных светильников на зеленных культурах» вышла в 2022 году в журнале Amazonia Investiga (т. 11, № 53, с. 336–347), DOI 10.34069/AI/2022.53.05.33. Автор — Д. Ю. Каракайтис, научный сотрудник Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН.

Ценность работы прежде всего в методике: в статье названы модели счётчиков и спектрорадиометра, число растений в выборке, режим сушки образцов и способ изоляции опытных делянок. По такому описанию опыт можно повторить на своём объекте и сверить результат — это и делает цифры проверяемыми.

Опыт поставлен не на стенде, а в производственных условиях сельскохозяйственного предприятия ООО «Труженик» в Пермском крае, на конвейерной культуре салата Lactuca sativa L. с плановым оборотом около 45 суток. Растения росли в горшках с торфяной смесью на проливной гидропонике при температуре 24 ± 2 °C и содержании CO₂ около 400 ppm — то есть в том же режиме, в каком хозяйство работает каждый день.

Журнал открытого доступа, статьи выходят под лицензией CC BY 4.0, поэтому полный текст можно и прочитать по ссылке DOI, и скачать у нас: PDF статьи, 378 КБ. Ниже — разбор того, что в ней измеряли и что получилось.

Как поставлен опыт: два варианта и раздельные счётчики

Сравнивали два способа досветки одной и той же культуры при одинаковой агротехнике.

• Вариант 1 — полная светодиодная досветка: 12 приборов ECOLED-BIO-112-185W-D120 UniversaLED, расставленных тремя рядами по четыре.
• Вариант 2 — газоразрядные лампы типа ДНаЗ «Reflux S400» мощностью 400 Вт с добавлением естественного света, доля которого зависела от погоды в течение цикла.

Три детали методики, которые делают результат проверяемым:

1. Делянки изолированы от постороннего света. Без этого светодиодный участок подсвечивался бы соседними натриевыми лампами, и разница в потреблении потеряла бы смысл. Тот же приём — плёночную штору между пролётами — мы применяли на салатной линии ТК «Завьяловский».
2. Электроэнергию считали приборами учёта, а не по паспортной мощности: на каждом участке стоял счётчик «Меркурий 230 ART-01-RN». Разница между расчётной и фактической экономией на натриевых лампах существенна — у них есть пускорегулирующая аппаратура, которая тоже потребляет.
3. Спектр снимали прибором — портативным спектрорадиометром UPRtek MK350S и радиометром ТКА-ПКМ, с регистрацией суточных изменений светового потока к ценозу.

Ростовые показатели снимали по 20 случайно отобранным растениям каждого варианта: делили на надземную и подземную части, взвешивали и высушивали при 70 °C. Коэффициент вариации светового потока от светодиодных приборов не превысил 20 % — то есть ценоз сформировался ровным по высоте и плотности, а не пятнами.

Спектр: рост потока 9,6 %, рост рабочих фотонов 3,75 раза

Самая интересная таблица в статье — не про урожай и не про деньги, а про свет. Она объясняет, почему сравнивать источники света в люксах бессмысленно.

Суммарная освещённость у двух вариантов оказалась почти одинаковой: 7080 лк под натриевыми лампами против 7757 лк под светодиодами — прирост всего 9,6 %. А вот активный фотонный поток в синей и красной областях спектра различался кардинально: 1420 против 5330 условных единиц, то есть в 3,75 раза.

Причина в том, куда уходит энергия натриевой лампы. Большая её часть приходится на инфракрасное излучение, то есть на тепло, и на жёлто-зелёную часть спектра — ту самую, к которой максимально чувствителен человеческий глаз и почти нечувствительны хлорофиллы. Люксметр меряет именно её. Поэтому две лампы с одинаковыми показаниями люксметра могут давать растению совершенно разное количество полезных фотонов.

Это ровно то, о чём мы пишем в статье мкмоль, ватты и люмены: люмен — фотометрическая величина, построенная на кривой чувствительности глаза, и к фотосинтезу отношения не имеет. Здесь эта разница измерена приборно в производственной теплице, а не выведена из теории.

Электроэнергия: 2087,7 кВт·ч, или 60,3 % за период опыта

Главная цифра работы снята счётчиками за весь период опыта.

• участок под ДНаЗ «Reflux S400» — 3460,8 кВт·ч;
• участок под ECOLED-BIO-112-185W-D120 UniversaLED — 1373,1 кВт·ч;
• разница — 2087,7 кВт·ч, то есть 60,3 %.

Отдельно автор фиксирует то, что важнее процентов для проектировщика: замена шла один к одному. Светодиодный прибор мощностью 185 Вт встал на место натриевой лампы 400 Вт в существующей точке подвеса — без изменения схемы расстановки, без досверливания конструкций и без пересчёта числа приборов. Как считать такую замену на своём объекте, разобрано в статье замена ДНаТ на светодиоды.

Чего в этой цифре нет: ни стоимости оборудования, ни срока окупаемости. Статья считает киловатт-часы, а не деньги. Тариф, режим досвечивания, доля ночного потребления и цена приборов у каждого хозяйства свои, поэтому 60,3 % — это результат конкретного опыта, а не обещание вашей экономии. Переносить его на свой объект без расчёта нельзя.

Урожай и качество: прибавка 8,4 % и почему она такая

По массе и размеру растений разница между вариантами измерялась единицами процентов.

• средняя масса растения вместе с горшком — 136,6 г под ДНаЗ против 142,4 г под светодиодами, прибавка 5,8 г, или 4,2 %;
• средняя длина надземной части — 17,8 против 18,5 см, прибавка 0,7 см, или 4 %;
• средняя масса надземной части — 64,7 против 70,1 г, прибавка 5,4 г, или 8,4 %.

Последняя цифра — самая важная с товарной точки зрения: покупатель платит именно за надземную часть. Урожайность салата в опыте составила около 4,2 кг/м², листовой индекс — около 6 (нормальный агрономический показатель, при котором ценоз поглощает до 95 % падающего света), высота ценоза к уборке — около 23 см. Доля корневой системы не превышала 5 % надземной части.

Здесь возникает главный вопрос работы: почему при почти четырёхкратной разнице в количестве полезных фотонов прибавка массы измеряется единицами процентов? Готового ответа статья не даёт — сформулировано направление дальнейших исследований: программируемое изменение спектра на разных стадиях морфогенеза. Отмечено также, что под традиционными лампами растения росли медленнее в первой половине 45-суточного оборота и чуть быстрее во второй.

Практический вывод из этого несовпадения такой: свет перестаёт быть ограничивающим фактором раньше, чем заканчивается возможность его добавить. После некоторого уровня облучённости прибавку урожая начинают ограничивать питание, температура, CO₂ и генетика гибрида, а не количество фотонов. Поэтому светодиодная досветка окупается прежде всего экономией электроэнергии, а прибавка урожая — приятное, но не главное следствие.

По качеству продукции: содержание нитратов в биомассе салата под светодиодами составило в среднем 3740 мг/кг — почти на 17 % ниже предельно допустимого уровня. Физико-химический состав урожая под традиционными лампами оказался сопоставимым: агротехника не менялась, варьировало только освещение. Весь урожай надземной части был продан на потребительском рынке Пермского края по сложившейся рыночной цене.