Важные характеристики света для растений (люмены, люксы, Вт ФАР и др)
После того, как важность использования искусственного освещения при выращивании растений была обоснована научно, производство специальных ламп для садоводов и фермеров было начато с широким размахом. В
Той статье будут обсуждаться различные типы освещения, широко применяемые в технологии выращивания растений и гидропонике. Тип освещения — один из основных факторов, влияющих на результат роста. Остальные — это уровень углекислого газа, вода, минеральные удобрения, экология и качество света. Приведенные ниже сведения будут полезны для создания и наладки своего освещения, используя стандартную классификацию типов электрического освещения.
В последнее время использование искусственного света становится все более и более экономически выгодным. Стоимость покупки и обслуживания ламп становится все ниже, а источники освещения все более мощными. Все это, вкупе с возможностью транспортировки представителей флоры, а также развитием рынка специальных гидропонных продуктов, делает возможным выращивание растений вообще без почвы.
Искусственное освещение может использоваться в садоводстве и фермерстве в трех случаях:
Для полного обеспечения получения света, в котором нуждается растение.
Для дополнения солнечного света, в котором нуждаются растения. Особенно актуально это в зимние месяцы — период сокращения часов светового дня.
Для увеличения продолжительности светового дня. Актуально для достижения специального эффекта роста или цветения.
Фотосинтетически активная радиация, кривая восприятия растений
Подобно тому как люди нуждаются в сбалансированной диете, растения также ощущают потребность в сбалансированном полноспектральном освещении. Качество света не менее важно, чем количество. Растения восприимчивы к свету примерно в том же диапазоне, что и человеческий глаз. Эта порция светового спектра соотносится с фотосинтетически активной радиацией (ФАР) в спектральном диапазоне 400-700 нм. Тем не менее, восприятие растений внутри этого участка отлично от аналогичного у человека.
Человек имеет пиковое восприятие желто-зеленой части спектра (около 550 нм). Эта «оптическая желтизна» используется для восприятия отлично видимых явлений и объектов. Растения же значительно более эффективно воспринимают красный и синий цвета, причем пик находится в районе 630 нм. Графики ниже демонстрируют кривые восприятия растений и людей. Обратите внимание на различия линий.
Равнозначно тому как для человека наилучшим источником калорий является жир, для растений лучшая пища — это красный свет. Однако, растения освещаемые исключительно красным и оранжевым светом большей частью не вырастут должным образом. Причина этого в том, что для полноценного роста листвы (особенно важно для овощей) и массы крайне важен синий свет. Многие другие комплексные процессы зависят и от других спектральных диапазонов. Определение правильной спектрально порции света зависит от вида растения. Принятие решения о количестве необходимого света также должно учитывать части спектра уже задействованные при освещении. При подборе освещения для растений не могут применяться те же стандарты, что и при выборе источника света для людей. Некоторые принципы соответствия и различий могут быть использованы для определения необходимой меры света в гидропонике.
Измерение уровня освещения для людей. Люмен (лм) и Люкс (лк)
Свет, взятый из источника, распространяется по всему помещению для создания освещаемого пространства. Уровень освещения определяется единицей измерения «люкс», которая показывает как много люменов приходится на один квадратный метр пространства. Освещение в 1000 лк означает, что 1000 лм приходится на каждый квадратный метр площади.
Аналогично «люмен на квадратный фут (лм/фут²)» — единица измерения, которая показывает количество люменов на один квадратный фут.
Как бы то ни было, и люмен, и люкс отображает исключительно человеческое восприятие светового спектра, потому как растения воспринимают все совершенно иначе.
Уровень Ватт фотосинтетически активной радиации.
Ватт — объективная мера для измерения количества энергии, выделяемой лампой ежесекундно.
Энергия в свободном состоянии измеряется в Джоулях, и один Джоуль в секунду называется Ватт.
Многие газозарядные лампы, например, натриевые газозарядные лампы или металлогалогенные лампы значительно более эффективны по сравнению с лампами накаливания, потому как, соответственно, 30 и 40 % выделяемой энергии преобразуют в свет.
Исходящие 400 Вт лампы накаливания равнозначны 25 Вт света, а из 400 Вт энергии, излучаемой металлогалогенной лампой, около 140 Вт приходятся на свет. Если принять во внимание тот факт, что на ФАР приходится основная «видимая» часть спектра, то логичным заключением будет то, что металлогалогенная лампа производит 140 Вт ФАР. Газозарядные лампы имеют несколько меньший показатель: 120-128 Вт, потому что свет желтый и содержит большее количество люменов.
«Освещенность» измеряется в Вт ФАР на метр квадратный, однако это не совсем верное понятие для определения эффективности света при выращивании растений, поэтому в садоводстве чаще используется термин «облученность», измеряемая в Вт/м2 или Ватт на метр квадратный.
Следующий важный принцип, который следует понять для того, чтобы определить точное количество света, необходимое растениям — это осознание того, что свет распространяется не чем-то цельным, но пучками, именуемыми «фотонами». Эти пучки являются минимальными носителями энергии, путем которой свет и передается. Поскольку реакция фотосинтеза протекает путем поглощения атома фотона, то целесообразно будет подсчитать их количество, которое ежесекундно принимает на себя растение.
Поскольку только фотоны света ФАР участка спектра являются активатором реакции фотосинтеза, то имеет смысл измерить только их количество. Теоретически лампы могли бы быть настроены на количество фотонов, излучаемых ежесекундно, но на сегодняшний день такие лампы не производятся.
Биологи-исследователи говорят о фотонном потоке, которым облучается поверхность, — важной части исследуемого вопроса, обозначаемой ФФП ФАР (Photosynthetic Photon Flux, PPF), где ФФП не что иное, как фотосинтетический фотонный поток—величина, показывающее количество фотонов приземляющееся ежесекундно на 1 квадратный метр облучаемой поверхности.
Другая важная величина — конверсия фотонного потока (YPF PAR or Yield Photon Flux). Этот показатель явственно демонстрирует нам насколько эффективно растение использует полученный фотонный «капитал». Поскольку «красные» цвета более активно способствуют запуску фотосинтеза, данные измерения уделяют внимание прежде всего подсчету именно их.
Поскольку фотоны крайне малы по своим габаритам, то в науке, вместо чисел вида 1 000 000 000 000 000 000, используется обозначение «1.7 микромоль фотонов» ( знак µмоль). Микромоль содержит в себе 6 x 1017 фотонов, а 1 моль 6 x 1023 фотонов.
Освещенность (или «облученность») измеряется количеством Ватт на квадратный метр или количеством микромоль на квадратный метр.
Несмотря на то, что все три величины (Ватт на метр квадратный, фотосинтетический фотонный поток, конверсия фотонного потока) позволяют измерить количество света, которое получают растения, человеческий глаз не способен воспринять кривую спектра ФАР — 400-700 нм. Следует заметить, что некоторые ученые предлагают иные показатели: 350-750 нм. но принципиальной разницы для садоводов любителей в этом нет.
Фотосинтез и фотоморфогенез
Растения получающие недостаточно света, производят слабые, вытянутые листья и страдают общим недостатком массы. Другие же растения, наоборот, получающие чрезмерное количество света, выглядят исушенно-безжизненно и имеют обесцвеченную листву из-за разрушения хлорофилла.
Также растения могут быть повреждены избыточной ультрафиолетовой радиацией
Однако, внутри допустимой нормы растения прекрасно откликаются на нужную дозировку света, показывая хорошие результаты в росте и наборе массы. А относительная квантовая эффективность является той мерой, которая демонстрирует максимальную работу каждого фотона.
Кривая зависимости относительной квантовой эффективности от длины волны называется кривой реакции растений к фотосинтезу, о чем было сказано ранее.
Также предоставляется возможным построить график, демонстрирующий эффективность определенных участков спектра на осуществление реакции фотосинтеза. Факт того, что фотоны синего света производят больше энергии, чем фотоны красного цвета обязательно должен быть принят во внимание, и тогда кривая может быть запрограммирована на измерение исключительно «люменов растений» или «люменов человека». Это и должно произойти в обозримом будущем. Например, уже сегодня компания Venture Lighting International предлагают установленные Вт ФАР счетчики на серии ламп Sunmaster, предназначенных специально для рынка растениеводческих технологий.
Главной составной частью растений, обеспечивающей фотосинтез является хлорофилл. Некоторые ученые извлекали его из растений для определения реакции на световое излучение различной длины волн и спектральной частотности, ожидая, что его реакция будет аналогичной реакции фотосинтеза растений. Однако, исследования показали, что реакция других компонентов (в частности, каротиноидов и фикобилинов) не менее важна для протекания нормальной реакции фотосинтеза. Таким образом, кривая отклика растений представляет собой собирательную величину, состоящую из значений реакций всех необходимых пигментов, и характерную для большинства растений (хоть и не для всех, т.к. разница, порой, достигает 25 %). Хотя в газозарядных лампах и лампах накаливания спектральная величина излучаемого света остается неизменной, металлогаллогенные лампы предоставляют возможность выбора температуры и спектрального диапазона освещения.
В дополнение к фотосинтезу, который имеет следствием материальный рост, другие функции (прорастание, цветение и пр) вызваны наличием или отсутствием света. Эти процессы называются фотоморфогенезом и зависят не столько от интенсивности света, сколько от облучения в строго классифицированных спектральных рамках (синий, дальний красный или просто красный), а также от действия специальных рецепторов (фитохромы и криптохромы).
Растения «видят» свет иначе, чем люди. Именно поэтому люмены, люксы и футсвечи не всегда являются величинами, показывающими достаточный уровень освещенности, так как это меры, прежде всего всего отображающие уровень видимости. В случае с растениями лучше использовать значения Вт ФАР, фотосинтетического фотонного потока и конверсию фотонного потока.
Кроме того, важным является не только количество, но и качество света.
Проектируем простой осветительный макет.
Шаг 1. Определяем уровень освещенности в Вт ФАР/метр квадратный.
Так как лампы отличаются друг от друга, то и соответственно отличаются настройки, применяемые к ним, поэтому точный расчет настроек обязателен для каждого отдельного устройства.
Например, специальная техническая брошюра рекомендует Вам ППФ ФАР в размере 400 µмоль на метр квадратный. Таблица ниже рекомендует Вам 85 Вт ФАР на метр квадратный. Коэффиценты конверсии между ППФ ФАР, Вт ФАР зависят от источника света. Например, 400 Вт лампа накаливания излучает больше люменов, чем 400 Вт металлогалогенная лампа, но меньше Вт ФАР. Также значение имеет цветовая температура. Таблица ниже поможет Вам в настройках металлогалогенных ламп.
Типичный уровень света
Вт ФАР на метр квадратный
Микромоль на метр квадратный
Люкс (количество люменов на метр квадратный)
Оценить PPFD при освещении растения белыми светодиодами просто: 1000 лк = 15 мкмоль/с/м2
Статья «Освещение растений белыми светодиодами» вызывала живое обсуждение практических задач, и стало ясно — методы нужно упрощать.
Как элементарно пересчитать освещенность в единицы фотосинтетической активной радиации: PPFD, YPFD и радиометрическую плотность мощности? И что из этого действительно нужно?
Измерение и запись параметров осветительной установки
На заглавной фотографии показана построенная детьми осветительная установка, для которой, в отличие от многих коммерческих решений, известен полный набор параметров: <0,3 м 2 ; 50 Вт; 11000 лк; 3000 К; Ra = 98; 165 мкмоль/с/м 2 ; 24×7>. Параметры могут быть не оптимальны, но их запись позволяет решение обсуждать, перенимать опыт, предлагать и пробовать другие варианты. Не делать такие записи в образовательном проекте некорректно и непедагогично.
Когда белый свет не только оправдан, но и желателен
Под белым светом растения эволюционировали всю историю жизни на Земле, хорошо растут под ним и в искусственной среде. Эффективность современных белых светодиодных светильников, выраженная в мкмоль/Дж в актуальном диапазоне 400…700 нм, примерно соответствует лучшим специализированным ДНаТ и незначительно уступает светодиодным фитосветильникам с обедненным спектром [1]. Что делает использование белого света энергетически оправданным.
Проект Фитекс представил результаты эксперимента по выращиванию различных культур в одинаковых условиях, но под светом различного спектра. Эксперимент показал, что спектр на параметры урожая влияет. Чрезвычайно любопытно сравнить растения, выросшие под белым светом, под светом ДНаТ и узкополосным розовым (рис. 2).
Рис. 2 Салат, выращенный в одинаковых условиях, но под светом различного спектра. Изображения из видеозаписи, опубликованной проектом «Фитэкс» в материалах конференции «Технологии Агрофотоники» в марте 2018г.
По численным показателям первое место занял уникальный небелый спектр под коммерческим названием Rose, который по форме не сильно отличается от испытываемого теплого белого света высокой цветопередачи Ra=90. Сюрпризом оказалось, что еще меньше он отличается от спектра теплого белого света экстравысокой цветопередачи Ra=98 (того самого, что использован детьми в осветительной системе на заглавной фотографии). Основное различие в том, что у Rose небольшая доля энергии из центральной части удалена (перераспределена к краям):
Перераспределение энергии излучения из центра спектра к краям либо ни к чему не приводит, либо снижает эффективность фотосинтеза листьев нижнего яруса [2]. Зато свет становится розовым.
Розовый свет или желтый свет ДНаТ может быть использован в промышленных теплицах. Но когда люди делят общее с растениями помещение необходим белый свет. К примеру, в образовательных проектах растения должны быть наблюдаемы постоянно и нет альтернативы белому свету высокой цветопередачи, обеспечивающему зрительный комфорт человека и хорошие условия для развития растения [1].
Сравнение различных вариантов спектров для освещения растений
Прямое сравнение спектров источников света (рис. 3) показывает, что свет самых распространенных белых светодиодов 4000 К / Ra=80 богаче спектра ДНаТ и несколько уступает по содержанию красной компоненты типичному спектру розового света для освещения растений с прижившимся, но явно некорректным коммерческим названием «grow light full spectrum». Белый свет высокой цветопередачи по спектральному составу богаче остальных вариантов и ближе к сплошному спектру естественного света.
Рис. 3 Сравнение спектров белого светодиодного света и основных вариантов специализированного света для выращивания растений
По графикам видно, что рост цветопередачи белого света приводит к росту доли бесполезного для фотосинтеза света с длиной волны больше 700 нм. Но эта доля не превышает нескольких процентов и не выше, чем у «grow light full spectrum».
Спектральные составляющие, выполняющие только сигнальную функцию, и не входящие в спектр белого светодиодного света – прежде всего 400 нм и 730 нм, могут быть добавлены к белому свету с использованием отдельных светильников с узкополосными светодиодами. Проверка целесообразности такой добавки и определение ее оптимальной интенсивности для каждой выращиваемой культуры достаточно проста. Но первым делом должна быть удовлетворена основная потребность растения в свете – энергетическая.
LER: Luminaire Efficacy Rating
Параметр LER[лм/Вт] имеет ту же размерность, что и световая отдача η[лм/Вт], характеризующая светильник, но обозначает световой поток в люменах, соответствующий одному ватту радиометрической мощности излучения.
LER слабо зависит от цветовой температуры КЦТ, и имеет значимый разброс при фиксированной цветопередаче Ra (рис. 4). В качестве оценки LER можно пользоваться округленным значением LER = 300 лм/Вт.
Рис. 4 Зависимость LER белого светодиодного света от общего индекса цветопередачи
Зная величину LER, легко посчитать радиометрическую мощность по формуле W = F / LER и плотность радиометрической мощности W / S = E / LER, где W[Вт] — радиометрическая мощность, F [лм] — световой поток, S[м 2 ] — площадь, на которую падает световой поток, E[лк] — освещенность.
Если необходимо максимизировать радиометрическую мощность при заданном энергопотреблении, светильник может быть выбран по критерию максимального энергетического КПД, который рассчитывается по формуле: КПД = 100% · η / LER, где η[лм/Вт] — световая отдача светильника.
Радиометрическая плотность светового потока редко используется в рекомендациях по освещению растений. Оценка LER полезна пониманием, что радиометрическая плотность потока пропорциональна освещенности в люксах, а спектральными параметрами белого света в первом приближении можно пренебречь. Также оценка LER позволяет оценить КПД осветительной установки в целом по формуле КПД = 100% · E ·S / LER / P, где E[лк] — фактическая измеренная освещенность, создаваемая на площади S[м 2 ] осветительной установкой, потребляющей мощность P[Вт]. КПД — важный интегральный параметр контроля эффективности.
Энергетическая ценность единицы света
Энергетическая ценность света для растения определяется величиной PPF (Photosynthetic Photon Flux) в микромолях в секунду в диапазоне 400…700 нм, или более точно величиной YPF (Yield Photon Flux) с учетом поправки на кривую McCree 1972 [4]. Большинство приводимых в научной литературе данных, на которые приходится опираться при оценке осветительной системы оперируют значениями PPF, и это делает интересным анализ соотношения PPF и YPF.
Для белого света между PPF и YPF зависимость достаточно тесна, слабо зависит от цветопередачи и определяется цветовой температурой (рис. 5).
Рис. 5 Зависимость соотношения между PPF и YPF от цветовой температуры белого цвета
Для практических целей достаточно учесть, что зависимость почти линейна и PPF для 3000 К больше YPF примерно на 10%, а для 5000 К — на 15%. Что означает примерно на 5% большую энергетическую ценность для растения теплого света по сравнению с холодным при равной освещенности в люксах.
PPF и PPFD
Для типовых значений спектральных параметров PPF и PPFD получаются следующими:
Видно, что несколько большую энергетическую ценность для растения при равной освещенности имеет теплый свет и свет с высокой цветопередачей.
Оценка коэффициента использования светового потока
Коэффициентом использования светового потока k называется доля светового потока от осветительной установки, падающая на листья растений. Это значение может быть использовано, например, для оценки PPFD по формуле: PPFD[мкмоль/с/м 2 ] = k·15·F[клм]/S[м 2 ], где F — световой поток в килолюменах, S — освещаемая площадь в квадратных метрах.
Неопределенность величины k увеличивает ошибку оценки. Рассмотрим возможные значения k для основных типов осветительных систем:
1) Точечные и линейные источники
Освещенность, создаваемая точечным источником на локальном участке, падает обратно пропорционально квадрату расстояния между этим участком и источником. Освещенность, создаваемая линейными протяженными источниками над узкими грядками, падает обратно пропорционально расстоянию.
Падение освещенности происходит не из-за того, что свет «слабеет» с расстоянием, а из-за того, что с увеличением расстояния все большая доля света попадает не на листья. Это делает крайне невыгодным освещение одиночных растений или одиночных протяженных грядок высоко подвешенными светильниками. Сужающая световой поток оптика позволяет направить на растение большую долю светового потока, но в общем случае неизвестно какую.
Сильная зависимость освещенности от расстояния и неопределенность эффекта применения оптики не позволяют определить коэффициент использования k в общем случае.
2) Отражающие поверхности
При использовании закрытых объемов с идеально отражающими стенками весь световой поток попадает на растение. Однако реальный коэффициент отражения зеркальных или белых поверхностей меньше единицы. И это приводит к тому, что от отражательных свойств поверхностей и геометрии объема доля светового потока, падающего на растения, все же зависит. И определить k в общем случае невозможно.
3) Большие массивы источников над большими посадочными площадями
Большие массивы точечных или линейных светильников над большими площадями посадок энергетически выгодны. Квант, излученный в любом направлении, на какой-то лист да попадет, коэффициент k близок к единице.
К примеру, «детская» осветительная система на заглавной фотографии сочетает преимущества большого массива источников света (закрепленные на гладкой основе канцелярским скотчем светодиодные ленты) и отражающих поверхностей (покрашенные белой водно-дисперсионной краской стенки), фактическое значение коэффициента использования светового потока для него k>0,9.
Промежуточный вывод: для всех рассмотренных геометрий осветительной установки неопределенность доли света, идущего на растения, выше разницы между PPFD и YPFD, и выше погрешности, определяемой неизвестностью цветовой температуры и цветопередачи. Следовательно, для практической оценки интенсивности фотосинтетически активной радиации целесообразно выбирать достаточно грубую методику оценки освещенности, не учитывающую эти нюансы. И при возможности замерять фактическую освещенность люксметром.
Ошибка измерения освещенности
При прямых измерениях необходимо принять во внимание неравномерность освещенности, создаваемой осветительной установкой. Характерный пример: стандарт EN 12464-1 «The Lighting of Workplaces» требует отношение минимальной освещенности к средней не более 0,7. Что на практике означает разницу освещенностей различных участков до 30% и значимую ошибку средней величины при небольшом количестве измерений.
Кроме того, на несколько процентов от истинных значений могут отличаться показания люксметра в соответствии с его классом точности. Так ГОСТ 24940-2016 «Здания и сооружения. Методы измерения освещенности» требует использовать люксметры с погрешностью не более 10%, а наиболее распространенные в РФ модели люксметров «еЛайт02» и «ТКА-ПКМ» имеют погрешность 8%.
Влияние ошибки в значении PPFD на результат
Таким образом, ситуация значимого влияния уровня PPFD на урожайность сама по себе является признаком недостаточности уровня освещенности. Достаточное количество света нивелирует значимость ошибки в определении уровня освещенности и делает неоправданным использование высокоточных оценок.
Заключение
Благодарности
Автор выражает благодарность за помощь в подготовке статьи сотруднику ГНЦ РФ-ИМБП РАН к.б.н. Ирине О. Коноваловой; техническому директору Gorshkoff.ru Николаю Н. Слепцову; специалисту компании CREE Михаилу Червинскому; светотехнику Анне Г. Савицкой; старшему научному сотруднику ИРЭ РАН к.ф.-м.н. Александру А. Шаракшанэ, ведущему сотруднику ИРЭ РАН и профессору МГМУ им И.М. Сеченова д.ф.-м.н. Андрею А. Аносову.
Этот пост является адаптированным авторским переводом статьи «An easy estimate of the PFDD for a plant illuminated with white LEDs: 1000 lx = 15 μmol/s/m 2 «. Методы и подробности вычислений на русский язык не переводились. Но язык проще, добавлены примеры и картинки.
