В последние годы технология светодиодов (LED) стала преобладающим решением для искусственного освещения в контролируемой среде сельского хозяйства благодаря своей высокой энергоэффективности, длительному сроку службы и настраиваемым возможностям длины волны. Сегодня контроль качества света вышел далеко за пределы простого фотосинтеза.
Достижение оптимальной урожайности зависит не только от интенсивности света или спектрального состава; она также в значительной степени зависит от пространственного распределения фотосинтетически активного излучения (photosynthetically active radiation (PAR)) по всему растительному пологу.
Равномерность распределения света напрямую влияет на эффективность фотосинтеза, последовательность роста и, в конечном итоге, на экономическую урожайность культур, таких как земляника садовая - клубника.
Плохая однородность часто приводит к локальному затенению или чрезмерному воздействию, что приводит к неоднородному росту и неэффективному использованию энергии.
Хотя многие исследования были сосредоточены на спектральной настройке для содействия росту растений, меньшее количество исследований рассматривало пространственную оптимизацию систем освещения для снижения потребления энергии без ущерба для качества урожая.
Оптимизация компоновки систем светодиодного освещения представляет собой многообещающий путь к уменьшению количества светильников или общего требуемого светового потока при сохранении желаемых уровней однородности. Обеспечивая более равномерное распределение света, производители могут достичь эквивалентной или даже улучшенной физиологической производительности, используя меньше энергетических ресурсов. Этот подход соответствует более широким целям устойчивого садоводства - максимизации производительности при минимизации воздействия на окружающую среду и эксплуатационных расходов.
Недавние достижения в стратегиях светодиодного освещения оказались решающими для оптимизации производительности сельскохозяйственных культур, особенно в контролируемых средах, таких как теплицы и фабрики по производству растений.
Исследования показывают, что модуляция спектров света - в частности, посредством целевого использования красных и синих длин волн - может значительно улучшить физиологические процессы при выращивании клубники.
Так, сочетание красного и синего света не только повышает эффективность фотосинтеза, но и способствует желаемым морфологическим признакам, включая повышенное содержание хлорофилла и накопление биомассы.
Известно, что красный свет влияет на удлинение побегов и различные пути развития, тогда как синий свет усиливает компактный рост и стимулирует фотоморфогенез, оба из которых необходимы для максимизации урожайности в системах выращивания с высокой плотностью.
Более того, контроль качества света выходит за рамки фотосинтеза; он также играет ключевую роль в регуляции цветения и общей архитектуре растения. Сообщалось, что определенные спектральные комбинации ускоряют цветение клубники путем модуляции фитогормональных сигнальных путей, которые управляют репродуктивным развитием. Учитывая, что качество света напрямую влияет на ключевые метаболические процессы, такие как биосинтез пигмента и усвоение питательных веществ, светодиодные системы, разработанные для обеспечения оптимальных спектральных профилей, считаются эффективными инструментами для улучшения производства клубники. В дополнение к спектральным соображениям все большее внимание привлекает пространственная конфигурация систем освещения.
Неэффективное распределение света часто приводит к более высокому потреблению энергии без соответствующего улучшения роста растений или урожайности. Это не только увеличивает эксплуатационные расходы, но и ограничивает экономическую устойчивость вертикальных систем земледелия.
Равномерное распределение света имеет жизненно важное значение в густо засаженных системах, где затенение внутри полога может привести к неравномерному росту и снижению эффективности фотосинтеза.
Исследователи изучили передовые конструкции освещения, включая подвижные или регулируемые по высоте светодиодные матрицы, которые улучшают проникновение света и гарантируют, что нижние слои полога получают достаточное освещение. Эти системы могут повысить эффективность поглощения света и общую производительность урожая, а также устраняют ограничения фиксированных установок освещения, которые часто не учитывают изменения высоты, плотности или архитектуры растений с течением времени.
Параллельно с этим применение функционально-структурных моделей растений (functional–structural plant models, FSPM) стало многообещающим инструментом для моделирования взаимодействия света и растений и уточнения стратегий освещения как на уровне органов, так и на уровне полога.
FSPM — это вычислительные модели, которые имитируют рост и развитие растений, включая как физиологические процессы, так и структурные аспекты растений. Эти модели очень важны для оптимизации сельскохозяйственных систем, поскольку они помогают имитировать реакцию растений на различные условия окружающей среды, такие как распределение света, что имеет решающее значение для повышения урожайности в контролируемых средах, таких как вертикальное земледелие.
Интеграция оптимизированного спектрального качества и пространственного распределения в системах светодиодного освещения представляет собой многообещающее направление для улучшения выращивания клубники в контролируемых условиях. Используя эти достижения, производители могут повысить эффективность использования ресурсов, одновременно улучшая как урожайность, так и качество плодов.
Это исследование было проведено в Шанхае, регионе, характеризующемся частой пасмурной погодой и низкой доступностью естественного света в течение года. Отрицательное влияние слабого освещения на рост и производство клубники или растений в целом хорошо документировано. Недостаточная интенсивность света приводит к снижению фотосинтеза, что ограничивает способность растения вырабатывать энергию, необходимую для роста и размножения.
В новой вертикальной системе земледелия, разработанной для местного городского сельского хозяйства, клубнику выращивали в условиях, когда плотность потока фотосинтетических фотонов (photosynthetic photon flux density, PPFD) часто оставалась ниже 20 мкмоль·м 2 ·с, что намного ниже оптимального порога для плодоносящих культур.
Для идеального роста и урожайности клубнике требуется диапазон PPFD 150–250 мкмоль·м 2 ·с, а при 20 мкмоль·м 2 ·с интенсивность света недостаточна для запуска фотосинтетических процессов, необходимых для здорового производства фруктов, что приводит к неоптимальному росту и снижению урожайности.
Для устранения этого ограничения была реализована стратегия искусственного освещения, обеспечивающая адекватное освещение для развития растений. Основанная на светодиодах и спецалгоритме, эта система отличается высокой однородностью света и низким энергопотреблением, специально разработанная с учетом физиологических потребностей клубники.
По сравнению с предыдущими подходами, система освещения, разработанная в этом исследовании, интегрирует оптимизацию роя частиц (particle swarm optimization, PSO) для проектирования макета.
PSO - это вычислительный метод, вдохновленный социальным поведением стай птиц или косяков рыб. Он используется для поиска оптимальных решений сложных задач оптимизации путем моделирования популяции возможных решений, называемых частицами, которые итеративно перемещаются по пространству решений на основе собственного опыта и опыта своих соседей.
Специальный светодиодный светильник длиной 3 м был подвешен на высоте 30 см над пологом для равномерного освещения зоны посадки размером 3,0 м × 0,3 м. Система освещения, которая сочетает красные (655–665 нм) и белые светодиоды полного спектра, была оптимизирована с использованием алгоритма оптимизации роя частиц (PSO) для улучшения пространственного распределения света.
Равномерность плотности потока фотонных фотонов фотосинтеза (PPFD) улучшилась с 71% до 85%, а стандартное отклонение снизилось с 75 до 15. При 16-часовом оптимизированном режиме освещения растения клубники показали 55%-ное увеличение высоты по сравнению с контрольной группой без дополнительного освещения (группа D), 40%-ное увеличение ширины листьев и 36%-ное увеличение веса плодов (69,76 г на растение) по сравнению с 12-часовой группой дополнительного освещения (группа A). Система работает при потребляемой мощности на уровне светильника всего 160 Вт, а ее спектральный выход соответствует характеристикам поглощения листвы и плодов клубники. Эти результаты показывают, что управляемая алгоритмом схема освещения может значительно улучшить как вегетативную, так и репродуктивную производительность в вертикальном фермерстве клубники, сохраняя при этом высокую энергоэффективность.
По статье группы авторов (Цзюнь Цзоу, Зихан Ван, Хайтун Хуан, Сяохуа Хуан, Минмин Ши; Научный колледж Шанхайского технологического института), опубликованной в журнале Agronomy 2025 на портале www.mdpi.com.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.