Результаты применения светодиодных ламп в выращивании зеленных культур под искусственным освещением при решении экологических задач

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВНИИГиМ

РГАТУ

«ВНИИ Агроэкоинформ»

Результаты применения светодиодных ламп в выращивании зеленных культур под искусственным освещением при решении экологических задач

Сельмен В.Н.

Ильинский А.В.

Виноградов Д.В.

Гогмачадзе Г.Д.

Аннотация

Для уменьшения негативной антропогенной нагрузки на природу, освоения перспективных северо-восточных регионов нашей страны, уменьшения рисков техногенных и природных катастроф следует активизировать поисковые работы по выращиванию растениеводческой продукции под искусственным освещением в закрытых помещениях. Требуется создание современных технологий круглогодичного, конвейерного, многоярусного производства. В работе изучено влияние интенсивности освещения и спектра светодиодных ламп на биометрию и накопление фитомассы растений редиса и кресс-салата. Экспериментальные исследования показали, что интенсивность искусственного освещения светодиодными лампами с установочной мощностью 20,5 Вт/м² недостаточна и значительно уступает контролю с естественным освещением. Освещение с установочной мощностью 41 Вт/м² для редиса несколько уступает, а для кресс-салата соответствует контролю по выходу биомассы. Освещение с установочной мощностью 61,5 Вт/м² значительно превосходило контроль. По спектру излучения наилучшие результаты показывают светодиодные фитолампы, за ними следуют светодиодные лампы теплого излучения, лампы холодного излучения дают самые низкие показатели.

Ключевые слова: антропогенная нагрузка, конвейерное производство, освоение арктических земель, растениеводство, светокультура, светодиодные лампы, спектр излучения, техногенные загрязнения, экология

Введение

Существование традиционного сельскохозяйственного производства оказывает значительное воздействие на окружающую среду. На обжитых территориях основная масса населения сосредоточена в городах, между которыми расположены сельскохозяйственные угодья. Площади естественных биогеоценозов, за исключением парков и заповедников, неуклонно сокращаются 1-4. В силу природных и антропогенных факторов для территорий традиционного сельскохозяйственного производства существует потенциальная опасность накопления в почвах, а в последующем и в сельскохозяйственной продукции, поллютантов в количествах, представляющих угрозу для жизни людей и компонентов природной среды 5-9. Также серьезную потенциальную угрозу для сельского хозяйства нашей страны представляют природные и техногенные катастрофы, последствия загрязнения окружающей среды радиоактивными элементами 10-14. Одним из путей решения обозначенных проблем является проведение поисковой научно-исследовательской работы по созданию принципиально новых способов производства продовольствия в искусственных условиях 15-18. Становится очевидным, что в современных макроэкономических условиях Российской Федерации необходимо осваивать северные и восточные регионы, где находятся основные запасы природных ископаемых и главного ресурса будущего развития - пресной воды. Заселение северо-востока потребует создания продовольственной базы, но активно развивать традиционное сельское хозяйство на большинстве этих территорий невозможно из-за неблагоприятных климатических условий и наличия тундры, тайги, гор, болот и вечной мерзлоты. Традиционное сельскохозяйственное производство находится под угрозой военных конфликтов с применением оружия массового поражения, техногенного загрязнения окружающей среды, крупных природных и антропогенных катастроф 1, 3, 19-22.

Указанные выше причины требуют активных поисковых научно-исследовательских работ по нетрадиционным способам получения продовольствия и, в частности, по выращиванию растений под искусственным освещением в закрытых помещениях. По этой тематике в нашей стране работают Институт биофизики СО РАН ФГБНУ, факультет агрономии и биотехнологии Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева, Агрофизический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург. Научно-исследовательскую работу по этой тематике также выполняет Мещерский филиал ФГБНУ «ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова», в котором была разработана и изготовлена многоярусная конвейерная светоустановка, получен патент на её конструкцию 23. Мы провели теоретические расчёты и сделали вывод, что введение в технологию производства растениеводческой продукции дорогой в энергетическом и экономическом смысле операции искусственного освещения взамен бесплатного солнечного может окупиться только при организации круглогодичного, конвейерного, многоярусного производства. Его следует совместить с местами работы или проживания людей. Снижение количества используемой техники, сокращение амортизационных отчислений, затрат и оплаты ручного труда, расходов на вентиляцию и отопление позволят новой технологии компенсировать дорогостоящие затраты на искусственное освещение [15-19, 23]. Продукция растениеводства должна поступать не с единицы посевной площади, а с единицы объёма помещения.

Основная часть

В Мещерском филиале ВНИИГиМ на трехъярусной конвейерной светоустановке, оснащённой светодиодными лампами, соответствующими по размеру и цоколю Е27 традиционным лампам накаливания, проводились опыты с различными культурами. Выращивались: зелёный лук, рассада белокочанной капусты Слава 1305, цветной капусты Дачница, рассада томатов Белый налив 241 и Розовый фламинго, рассада сладкого перца сортов Богатырь, Подарок Молдовы, Зерто F1, рассада огурца Клавдия F1 и Герман F1 [19]. Также выращивались на рассаду однолетний репчатый лук сорта Эксибишен и свёкла Бордо. Из зеленных культур выращивали рукколу сорта Красотка, листовую горчицу и укроп. В пластмассовые стаканчики с землёй поместили черенки винограда сортов «Изабелла» и «Белый жемчуг», они укоренились и начали расти. После меристемного размножения в пробирках на светоустановке для последующей высадки в поле выращивалась рассада картофеля сортов Бронницкий, Жуковский ранний, Лорх, Луговской, Никулинский, Пушкинец, Юбилей Жукова [19, 23]. Было замечено, что рассада сортов сладкого перца на светоустановке значительно превосходила выращенную на окне, рассада цветной капусты на светоустановке превосходила рассаду белокочанной капусты. Пшеница, укроп, редис сорта Заря сильно вытянулись, света им не хватало. В связи с этим весной 2018 года поставлен опыт по определению оптимального режима искусственного освещения. Изучали влияние разной интенсивности освещения и спектра светодиодных ламп на образование фитомассы растений. Для опыта световые каналы конвейерной светоустановки были разделены на отдельные камеры зеркальными перегородками, в каждой камере свой набор светодиодных ламп разного спектра, количества и их сочетания.

Все использованные в опыте светодиодные лампы имели одинаковую мощность - 9 Вт. По спектру использовались лампы Camelion для тёплого (3000 К) и холодного (4500 К) свечения, фитолампы марки JassWay с розовым свечением, соответствующие красному пику фотосинтеза (длина волны у лампы 450 нм) и синему пику (длина волны у лампы 650 нм). Стоимость светодиодных ламп тёплого и холодного свечения в Рязани в марте 2018 года составляла 110 рублей, а светодиодных фитоламп - 576 рублей за штуку. Размеры световой камеры - 0,75 х 0,58 метра, площадь - 0,44 квадратного метра. Одна светодиодная лампа давала в камере установочную мощность осветительного оборудования - 20,5 Вт/м²; две светодиодных лампы - 41 Вт/м²; три светодиодных лампы - 61,5 Вт/м². Световой день - продолжительностью 16 часов. Опыты по интенсивности и спектру излучения проводили с редисом сорта Заря, чётко показавшим требования к лучшему освещению. Ёмкости для посева семян размером 49 х 49 см, посевная площадь - 0,24 м², высота борта - 6 см, объём загружаемого субстрата - до 14,5 литров. Почвенный субстрат брался с гряды в открытом грунте, где впоследствии был посеян контрольный вариант.

В эксперименте исследовались 13 вариантов разной интенсивности и спектра искусственного освещения, в качестве контроля - естественное освещение в открытом грунте. Закладка опыта - 5 мая 2018 года. Схема посева семян редиса сорта Заря - 5 х 5 см, в варианте 100 семян, глубина посева - 2 см. Контроль - гряда в открытом грунте, посев по схеме 5 х 5 см, глубина - 2 см. Единичные всходы - 6 мая, массовые всходы - 7 мая по всем вариантам. 17 мая был проведён биометрический замер ширины семядольных листьев, учитывали появление первого и второго настоящего листа. 5 июня провели учёт биомассы и площади листьев. На 5 типичных растениях каждого из вариантов палеткой замерялась площадь листьев, вычислялась средняя площадь листьев одного растения и общая площадь листьев варианта к моменту уборки.

Аналогичный по используемому оборудованию, схеме и методике опыт был проведён с 14 июня по 17 июля 2018 года с кресс-салатом сорта Дукат. Кресс-салат рекомендуется и для выращивания в помещениях, поэтому контрольная ёмкость стояла на окне. В закладке опытов, проведении биометрических наблюдений и учётов активно участвовали студенты факультета ветеринарной медицины и биотехнологий Рязанского государственного агротехнологического университета Лёвин Я.А., Мишунин С.Е., Серова Т.А., проходившие в это время практику в Мещерском филиале ВНИИГиМ. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблицах 1-3.

Таблица 1. Ширина семядольных листьев, появление первого и второго настоящего листа редиса сорта Заря

Из данных таблицы 1 видно, что варианты с использованием для освещения одной светодиодной лампы уступали контролю. Варианты с двумя и тремя светодиодными лампами превосходили контроль по ширине семядольных листьев и по появлению первого и второго настоящего листа. Отмечается преимущество фитоламп над лампами тёплого и холодного свечения.

Таблица 2. Биомасса и площадь листьев редиса сорта Заря

Показатель интенсивности освещения для редиса сорта Заря

При использовании одной лампы с установочной мощностью 20,5 Вт/м² (варианты 1-3) общая масса листьев составила в среднем 74,6 г, или 62% к контролю, при выращивании в открытом грунте; общая площадь листьев в среднем - 998 см², или 30% к контролю. При использовании двух светодиодных ламп с установочной мощностью 41 Вт/м² (варианты 4-9) общая масса листьев составила в среднем 113,4 г, или 94% к контролю; общая площадь листьев - 2370 см², или 72% к контролю. С тремя светодиодными лампами с установочной мощностью 61,5 Вт/м² (варианты 10-13) общая масса листьев составила в среднем 148,0 г, или 122% к контролю; общая площадь листьев - 5017 см², или 153% к контролю.

Показатель спектра ламп для редиса сорта Заря

Для ламп тёплого свечения (варианты 1, 4, 10) общая масса листьев составила в среднем 112,1 г, или 93% к контролю; общая площадь листьев в среднем - 2653 см², или 81% к контролю. Для ламп холодного свечения (варианты 2, 5, 11) общая масса листьев в среднем 96,4 г, или 80% к контролю; общая площадь листьев в среднем - 2663 см², или 81% к контролю. Для фитоламп (варианты 3, 6, 12) общая масса листьев в среднем - 135,9 г, или 112% к контролю; общая площадь листьев в среднем - 2810 см², или 86% к контролю.

Сочетание теплой и холодной ламп (вариант 7) значительно уступало по массе использованию отдельных двух тёплых или холодных ламп и незначительно уступало им по площади листьев. Сочетание тёплых и холодных ламп с фитолампой (варианты 8, 9, 13) дало заметную прибавку по массе и площади листьев, но уступало вариантам использования одних фитоламп.

Таблица 3. Биомасса и площадь листьев кресс-салата сорта Дукат

Показатель интенсивности освещения для кресс-салата сорта Дукат

При использовании одной лампы с установочной мощностью 20,5 Вт/м² (варианты 1-3) общая масса листьев составила в среднем 14,2 г, или 57% к контролю на окне; общая площадь листьев в среднем - 213 см², или 42% к контролю. При использовании двух светодиодных ламп с установочной мощностью 41 Вт/м² (варианты 4-9) общая масса листьев составила в среднем 25,4 г, или 102% к контролю; общая площадь листьев в среднем - 243 см², или 48% к контролю.

С тремя светодиодными лампами с установочной мощностью 61,5 Вт/м² (варианты 10-13) общая масса листьев составила в среднем 76,6 г, или 306% к контролю; общая площадь листьев - 782 см², или 154% к контролю.

Показатель спектра ламп для кресс-салата сорта Дукат

Для ламп тёплого свечения (варианты 1, 4, 10) общая масса листьев составила в среднем 33,1 г, или 132% к контролю; общая площадь листьев в среднем - 320 см², или 63% к контролю. Для ламп холодного свечения (варианты 2, 5, 11) общая масса листьев в среднем - 28,1 г, или 112% к контролю; общая площадь листьев в среднем - 353 см², или 70% к контролю. Для фитоламп (варианты 3, 6, 12) общая масса листьев в среднем - 50,9 г, или 203% к контролю; общая площадь листьев в среднем - 502 см², или 99% к контролю.

Сочетание теплой и холодной ламп (вариант 7) значительно уступало по массе и по площади листьев использованию отдельных двух тёплых или холодных ламп. Сочетание тёплых и холодных ламп с фитолампой (варианты 8, 9, 13) дало заметную прибавку по массе и площади листьев, но уступало вариантам использования одних фитоламп.

Результаты и выводы

Представленные в таблицах 1-3 данные о влиянии вариантов освещения на биометрию, замеры биомассы и площади листьев редиса сорта Заря и кресс-салата сорта Дукат позволяют сделать следующие выводы:

1. Интенсивность искусственного освещения светодиодными лампами с установочной мощностью 20,5 Вт/м² недостаточна и значительно уступает контролю с естественным освещением. Освещение с установочной мощностью 41 Вт/м² для редиса несколько уступает, а для кресс-салата соответствует контролю по выходу биомассы. Освещение с установочной мощностью 61,5 Вт/м² значительно превосходило контроль.

2. По спектру излучения наилучшие результаты по биомассе и площади листьев показывают светодиодные фитолампы, за ними следуют светодиодные лампы теплого излучения, светодиодные лампы холодного излучения дают самые низкие показатели. Сочетание фитолампы с тёплой и холодной светодиодной лампой дало существенную прибавку в накоплении биомассы и площади листьев, но уступало использованию одних фитоламп. Самый низкий результат получен при сочетании теплой и холодной ламп.

3. Из экономических соображений, учитывая пятикратную разницу в стоимости фитоламп и светодиодных ламп тёплого и холодного свечения, комплектовать создаваемые установки искусственного освещения следует лампами тёплого свечения.

Список использованных источников

светодиодный лампа редис салат

1. Виноградов Д.В., Ильинский А.В., Данчеев Д.В. Экологические аспекты охраны окружающей среды и рационального природопользования: учебное пособие. - Рязань: ФГБОУ ВО РГАТУ. - 2017. - 128 с.

2. Гогмачадзе Г.Д. Агроэкологический мониторинг почв и земельных ресурсов Российской Федерации. Учебное пособие. - Москва. - 2010. - 592 с.

3. Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Данчеев Д.В. Экологические основы природопользования: учебное пособие. - Рязань: ФГБОУ ВО РГАТУ. - 2017. - 128 с.

4. Сельмен В.Н. Выращивание растениеводческой продукции в помещениях под искусственным освещением на территориях не пригодных для сельского хзяйства

 // Современные тенденции развития аграрного комплекса материалы международной научно-практической конференции. ФГБНУ «Прикаспийский научно-исследовательский институт аридного земледелия», Региональный Фонд «Аграрный университетский комплекс». - 2016. - С. 213-217.

5. Ильинский А.В., Кирейчева Л.В., Виноградов Д.В., Московкина Л.И. К вопросу детоксикации загрязнённого мышьяком оподзоленного чернозёма с помощью комбинированного мелиоранта на основе диатомита и голубой глины // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2015, №3 (27). - С. 9-13.

6. Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Гогмачадзе Г.Д. К вопросу повышения эффективности проведения работ по реабилитации техногенно загрязнённых земель с помощью внедрения современной системы комплексного контроля // АгроЭкоИнфо. - 2016, №3. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2016/3/st_320.doc.

7. Ильинский А.В., Виноградов Д.В. К вопросу толерантности ярового ячменя при выращивании на почве, загрязнённой комплексом тяжёлых металлов // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2016, №2 (30). - С. 23-28.

8. Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Балабко П.Н. Некоторые аспекты обоснования системы комплексного контроля при проведении мероприятий по реабилитации техногенно загрязнённых земель // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. - 2015, №4 (28). - С. 10-15.

9. Евсенкин К.Н., Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Гогмачадзе Г.Д. Экологические аспекты повышения устойчивости и восстановления плодородия деградированных осушенных земель // АгроЭкоИнфо. - 2018, №2. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/2/st_260.doc

10. Ильинский А.В., Кирейчева Л.В., Виноградов Д.В. Биоремедиация загрязнённых нефтепродуктами почв при помощи карбонатного сапропеля и биопрепарата «Нафтокс» // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2016, №2 (30). - С. 28-35.

11. Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Гогмачадзе Г.Д., Лупова Е.И. Экологические особенности реабилитации подверженных техногенному загрязнению почв в условиях южной части Нечерноземной зоны России // АгроЭкоИнфо. - 2018, №3. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/3/st_351.doc.

12. Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Побединская Г.В., Данчеев Д.В., Гогмачадзе Г.Д. Результаты экологической оценки остаточной токсичности загрязненной нефтепродуктами почвы при проведении реабилитационных мероприятий // АгроЭкоИнфо. - 2018, №3. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/3/st_350.doc.

13. Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Абрамов В.В., Вегерин А.В., Гогмачадзе Г.Д. Экологические особенности биологической очистки почвогрунтов от застарелой загрязненности нефтепродуктами // АгроЭкоИнфо. - 2018, №1. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/1/st_124.doc.

14. Ильинский А.В., Виноградов Д.В., Гогмачадзе Г.Д. Экологическое обоснование способа агрохимической мелиорации почв в условиях техногенеза // АгроЭкоИнфо. - 2018, №1. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/1/st_123.doc.

15. Сельмен В.Н. Оценка возможности альтернативных технологий производства сельскохозяйственной продукции // Комплексные мелиорации - средство повышения продуктивности сельскохозяйственных земель. Материалы юбилейной международной научной конференции. - М.: Изд. ВНИИА. - 2014. - С. 431-435.

16. Ильинский А.В., Сельмен В.Н. К решению вопроса круглогодичного производства растениеводческой продукции при обеспечении национальных интересов России // Научно-практические пути повышения экологической устойчивости и социально-экономическое обеспечение сельскохозяйственного производства. Материалы международной научно-практической конференции, посвящённой году экологии в России. Составители Н.А. Щербакова, А.П. Селиверстова. - 2017. - С. 159-164.

17. Ильинский А.В., Сельмен В.Н. Актуальные аспекты круглогодичного выращивания экологически безопасной растениеводческой продукции в условиях техногенеза с использованием защищенного грунта // Современное экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты рационального природопользования. II Международная научно-практическая Интернет-конференция / Составление Н.А. Щербакова / ФГБНУ «Прикаспийский научно-исследовательский институт аридного земледелия». - с. Соленое Займище. - 2017. - С. 70-75.

18. Пыленок П.И., Сельмен В.Н., Родькина В.Н., Ершова Г.И. Доля масличных культур в энергетическом балансе страны // Научно-практические аспекты технологий возделывания и переработки масличных и эфиромасличных культур: материалы Международной научно-практической конференции, РГАТУ, Рязань, 3-4 марта 2016. - Рязань: РГАТУ. - 2016. - С. 211-218.

19. Сельмен В.Н., Ильинский А.В., Виноградов Д.В. Обоснование круглогодичного производства растениеводческой продукции при освоении Арктики и других перспективных территорий России // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2017, №3 (35). - С. 68-73.

20. Щур А.В., Виноградов Д.В., Валько В.П. Нитрификационная активность почв при различных уровнях агротехнического воздействия // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. - 2015, №2 (26). - С. 21-26.

21. Щур А.В., Виноградов Д.В., Валько В.П. Влияние различных уровней агроэкологических нагрузок на биохимические характеристики почвы // Юг России: экология, развитие. - 2016, т. 11, №4. - С. 139-148.

22. Фадькин Г.Н., Виноградов Д.В. Зависимость баланса элементов питания в системе «Почва - удобрение - растение» от форм азотных удобрений в условиях юга Нечерноземья // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. - 2015, №6 (105). - С. 13-18.

23. Пат. 2258352, Российская Федерация, МПК A 01 G 9/24, A 01 G 31/02. Многоярусная светоустановка для выращивания предбазисного оздоровленного семенного картофеля и другой сельскохозяйственной продукции / Сельмен В.Н., Поляков А.В., Пыленок П.И., Сидоров И.В.; заявитель и патентообладатель Сельмен В.Н., Поляков А.В., Пыленок П.И., Сидоров И.В. - №2003119943/12; заявл. 04.07.03; опубл. 20.08.05, Бюл. №23. - 10 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru