Augalų apšvietimas nėra nauja idėja, tačiau LED iš esmės keičia šią sritį: augintojai gali derinti ir koreguoti skirtingų spektro dalių intensyvumą taip, kaip ankstesnėmis technologijomis buvo neįmanoma.
Tačiau technologijai tobulėjant, ar rodikliai, kuriais pristatomi ir lyginami gaminiai, veda augintojus teisinga kryptimi?
Augalų auginimo apšvietimo rinka sparčiai auga: kai kurių ekspertų prognozėmis, iki 2023 m. ji pasieks 4,85 mlrd. £. Dideli apšvietimo projektai vykdomi tiek Jungtinėje Karalystėje, tiek tarptautinėse rinkose, ypač Liudinovo šiltnamių projektas Rusijoje, kuriame užbaigus bus naudojama apie 240 000 šviestuvų.
Įrodyta, kad LED apšvietimas bet kokio dydžio projektuose:
- didina derlių;
- gerina pasėlių stabilumą ir atsparumą aplinkos poveikiui;
- leidžia tiksliau numatyti auginimo trukmę;
- taupo energiją ir
- mažina išlaidas.
Pastebėta ir kokybinė nauda, pavyzdžiui, intensyvesnė spalvinė pigmentacija ir pakitęs skonis. Tobulėjanti LED technologija leidžia dar tiksliau parinkti spektrą ir nuolat didina efektyvumą, todėl atotrūkis tarp LED ir ankstesnių technologijų vis didėja.
Kaip šiuo metu matuojamas augalų apšvietimas?
Fotosintezei augalai naudoja tam tikros elektromagnetinio spektro srities šviesą, vadinamą fotosintetiškai aktyviąja spinduliuote (PAR). PAR apima regimosios šviesos bangų ilgius nuo 400 iki 700 nm, ir būtent pagal tai apibrėžiami mūsų matavimai.
Pagrindinis šviesos srauto rodiklis ir faktinis pramonės standartas yra fotosintetinis fotonų srautas (PPF), tiesiog nurodantis, kiek PAR fotonų išspinduliuojama per sekundę.
Paskutinis šiandien naudojamas svarbus rodiklis yra fotosintetinio fotonų srauto tankis (PPFD): PAR fotonų, per sekundę krintančių į kvadratinį metrą, skaičius. Šias sąvokas gana lengva susieti su apšvietimo inžinieriaus žiniomis:
- PAR apytiksliai atitinka regimąją elektromagnetinio spektro dalį;
- PPF susijęs su spinduliuotės galia (nuo 400 iki 700 nm);
- PPFD apytiksliai atitinka apšvietą, tik be V(λ) svertinės funkcijos.
PAR apibrėžia mus dominančią šviesą, PPF yra tos šviesos kiekis, sklindantis iš šviesos šaltinio, o PPFD yra tos šviesos kiekis, tenkantis kvadratiniam metrui auginimo paviršiaus.
Kodėl PPF kaip rodiklį reikia vertinti atsargiai?
PPF kaip matavimo vienetas turi privalumų: jį paprasta suprasti, lengva išmatuoti ir jis labai plačiai naudojamas. Tačiau jis turi ir trūkumų:
matuojamas tik šviesos kiekis, o ne jos rūšisar kokybė
Vis aiškiau matyti, kad šviesos kokybė yra svarbus veiksnys auginant bet kokius augalus, o kiekis yra tik dalis visumos. Absorbcijos greitis, fotosintezės atsakas ir nefotosintetiniai atsakai šiuo metu gali būti neįvertinami.
Nors pramonė sutelkia dėmesį į PPF vienam vatui, manome, kad tai gali ne padėti, o pakenkti augimo spartai.
Galima teigti, kad projektuotojai, pasirinkimo kriterijumi laikantys PPF/W, daro įtaką naujų šviestuvų kūrimui, skatindami gamintojus naudoti daugiau raudonos šviesos, nes raudonam fotonui sukurti reikia mažiau energijos nei mėlynam.
Visuotinai pripažįstama, kad vien raudonos šviesos šaltinis, nepaisant labai didelio PPF/W, lemtų labai prastą augimą, o tai įrodo, kad PPF/W rodiklio nepakanka gaminių charakteristikoms palyginti ir jis gali trukdyti pasirinkti tinkamesnį gaminį.
Kai PPF nurodomas kaip pagrindinis įrenginio šviesos srauto rodiklis, šviesos šaltinio naudingumas pateikiamas klaidingai. Nepaisant tikrųjų augalų poreikių, LED įrenginys gali atrodyti labai efektyvus, nors, palyginti su tiksliau pritaikytu šviestuvu, užtikrina mažesnį realų augimą.
Palyginimas su mityba
PPF trūkumas, kad jis neatsižvelgia į šviesos kokybę, panašus į kalorijų trūkumą: jos nerodo, ar mityba sveika. Jei du žmonės suvalgytų maisto po 2 000 kalorijų, pagal kaloringumą abu gautų tiek pat energijos.
Tačiau jei vienas žmogus šias 2 000 gautų iš subalansuotos mitybos, o kitas valgydamas vieną produktą (pavyzdžiui, sviestą), maistinė vertė, gebėjimas pasisavinti energiją ir galiausiai žmogaus sveikata abiem atvejais labai skirtųsi.
Laikyti abi mitybas vienodomis akivaizdžiai būtų neteisinga ir klaidinanti, tačiau būtent taip nutinka, kai renkantis šviestuvus dėmesys sutelkiamas į PPF rodiklį.
Geresnio rodiklio paieška
Augintojai gali naudoti ir kitus rodiklius, geriau atspindinčius augalo fotosintetinį jautrumą.
Vienas iš tokių rodiklių yra derlingumo fotonų srautas (YPF)
YPF yra svertinė sistema, vertinanti tam tikro bangos ilgio šviesą pagal tikėtiną augalų fotosintezės atsaką. PPF visi fotonai laikomi lygiaverčiais, o YPF atsižvelgia į santykinį skirtingų bangos ilgių šviesos fotosintetinį efektyvumą ir mažiau naudingai šviesai suteikia mažesnį svorį.
S/P santykių sąvoka, remdamasi tuo pačiu svertiniu principu, parodo, kiek naudingas šviesos šaltinis skirtingomis apšvietimo sąlygomis. Žmogaus akis turi dvi jautrio kreives: vieną fotopiniam (V(λ)), arba dieniniam, regėjimui, kitą skotopiniam (V'(λ)), arba naktiniam, regėjimui; S/P santykiai įvertina atsaką į šias skirtingas šviesos rūšis ir leidžia nustatyti, kiek šaltinis naudingas skirtingoms reikmėms.
Gaminys, užtikrinantis gerą apšvietimo lygį fotopinėmis sąlygomis, gali jo neužtikrinti skotopinėmis sąlygomis, ir atvirkščiai. Lygiai taip pat gaminio PPF atsakas gali būti geras, o YPF atsakas prastas, nes šių dviejų rodiklių atsako kreivės skiriasi.
PPF matuoja fotonus PAR srityje, t. y. nuo 400 iki 700 nm bangos ilgių, o YPF apima platesnį diapazoną ir įvertina šaltinio spinduliuotę nuo 360 nm (sodriai mėlyna) iki 760 nm (tolimoji raudona). Šie papildomi bangos ilgiai apima šviesą, kuri pastebimai veikia augalų augimą: nedideli kiekiai ilgesnių nei 700 nm bangų naudojami aukštesniems augalams išauginti ir prieblandos sąlygoms imituoti, kuriomis nustatomi cirkadiniai ritmai, o kai kuriems augalams tai suteikia pageidaujamų savybių.
Gamtoje pavėsyje augantis augalas gauna daugiau tolimosios raudonos šviesos ir, reaguodamas į šį dirgiklį, keičia augimą. Kai kurie augalai, natūraliai augantys po kitų augalų lajomis, tikisi didesnio nei vidutinio tolimosios raudonos ir raudonos šviesos santykio ir neigiamai reaguoja į spektrą, kuriame tolimosios raudonos šviesos nepakanka.
Kai kurie pavėsio vengimo sindromo atsakai augintojams naudingi: didesniais kiekiais ilgesnių nei 700 nm bangų šviesa gali būti naudojama tyčia sukelti pavėsio vengimo sindromą, kuris kai kuriems augalams paskatina greitą žydėjimą ir kompaktiškesnį augimą, o kartu gali padidinti jų atsparumą.
PPF, vertindamas tik PAR srities šviesą, praleidžia šių augalų atsakų niuansus ir vienas negali parodyti visos situacijos. Platesnius augalo vystymosi reguliavimo procesus, vadinamus fotomorfogeneze, veikia bangos ilgiai nuo 300 nm iki 800 nm (tai rodo McCree kreivė), ir YPF jų apima daugiau.
Visapusiškas požiūris
Žinoma, YPF negali būti vertinamas atskirai. YPF tinka kaip pagrindinis rodiklis apytiksliai įvertinti charakteristikas arba apytiksliai parinkti tinkamą gaminį ir šviesos srautą tikslinei dienos šviesos sumai (DLI) pasiekti. PPF naudojamas kaip pagrindinis rodiklis, tačiau jis visiškai neatsižvelgia į tai, kad skirtingi bangos ilgiai gali labiau paveikti augimą.
Monochromatiniai LED šį rodiklį iškreipia dar labiau: daugelis mėlynų ir raudonų lustų skirti konkrečiam siauram bangos ilgių diapazonui. Nors taip galima pasiekti didelį PPF, tai gali pakenkti apšvietimo kokybei, nes nevienoda skirtingų šaltinių degradacija laikui bėgant keičia gaunamą spektrą.
Šią riziką galima sumažinti naudojant plataus spektro LED su liuminoforu, nes LED degradaciją lemia tik mėlynasis spinduolis. Svarbiausia, plataus spektro šviestuvai užpildo tarpą tarp mėlynosios ir raudonosios spektro dalių, todėl jų šviesa artimesnė natūraliai saulės šviesai. Saulės šviesoje yra įvairių bangos ilgių visame regimajame spektre, ir jie greičiausiai atlieka įvairias funkcijas, kurių dar iki galo nesuprantame.
YPF turi trūkumų, nes pradinis rodiklis grindžiamas matavimais, atliktais su atskiromis lapų dalimis kontroliuojamomis sąlygomis. Realiomis sąlygomis pro lapą prasiskverbianti šviesa vis tiek gali būti naudinga žemiau esančioms augalo dalims, todėl vertinant tik atskirą lapo dalį prasiskverbianti šviesa ignoruojama.
Vis dėlto tai geriau nei visiškai į tai neatsižvelgti. Kadangi PPF nepaiso bangos ilgių skirtumų, šis empirinis rodiklis turi erzinančią savybę: didesnis PPF nebūtinai reiškia geresnį šviestuvą.
Svarbiausia yra užsakovo ir LED apšvietimo gamintojo ar tiekėjo bendradarbiavimas
Didelė atsakomybės dalis tenka projektuotojams: ankstyvuose projekto etapuose reikia tyrimų ir planavimo, kad būtų nustatyta, kokį poveikį apšvietimas turi daryti galutiniam produktui. Svarbu atsižvelgti į detales: renkantis apšvietimą reikia įvertinti augalų rūšį ir siekiamą atsaką. Lankstus gamintojas turėtų noriai bendradarbiauti su augintojais, kad nustatytų ir sukurtų jų augalams ir siekiamam rezultatui pritaikytą spektrą.
Lyginant gaminius YPF yra geresnis atspirties taškas nei PPF, tačiau šviesos srautas turėtų būti tik vienas iš visapusiško požiūrio veiksnių, tarp kurių yra platus ar siauras spektras, fotoperiodas, kokybinė nauda, pavyzdžiui, skonis ar spalva, ir už PAR ribų esančių bangos ilgių įvertinimas.
Dar daug ko nežinome apie augalų atsakus ir idealią spektro sudėtį skirtingiems augalams ir norimiems rezultatams. Atotrūkį tarp gaminio brošiūros ir optimalaus spektro tiekėjas ir užsakovas turėtų mažinti kartu, tačiau tinkamas rodiklis padeda projektuotojams priartėti prie jų poreikius geriausiai atitinkančio gaminio.
Sužinokite apie INDO LED viršutinio apšvietimo sistemą >
Straipsnio autorius Toby Penter, bendrovės INDO verslo plėtros skyrius
Šaltiniai:
(1) Worldwide Horticulture Lighting Market [by segments (Hardware, Software, Services); by Deployment (Turnkey, Retrofit); by Environment (Indoor, Vertical, Greenhouse, Research); by Crop Type; by Regions]: Market Sizes and Forecasts (2018-2023)
(2) Ashdown, I 2018. ‘Far-Red Lighting and the Phytochromes’. MAXIMUM YIELD USA, Oct 2018, p. 60-66.
(3) Shinkle, J 2016. ‘BASIC PHOTOMORPHOGENESIS’. photobiology.info. Department of Biology, Trinity University, San Antonio. Available online: http://photobiology.info/Shinkle.html
(4) Nelson, J. A., & Bugbee, B. (2014). Economic Analysis of Greenhouse Lighting: Light Emitting Diodes vs. High Intensity Discharge Fixtures. PLoS ONE, 9(6), e99010. http://doi.org/10.1371/journal.pone.0099010
(5) (Nelson, JA. 2014)
