Специалист по фито-свету
Я хорошо разбираюсь в том, сколько света и в каком количестве нужно обеспечить растениям, если они выращиваются в помещении - обычно это бывает на этапе рассады перед дачным сезоном. Дело в том, что если выращивать рассаду на подоконнике, то она неизбежно начнёт вытягиваться и поворачиваться в сторону окна. Это происходит из-за недостатка света, который нужен растениям для роста. Такие вытянувшиеся растения к моменту высадки в открытый грунт будут ослаблены и им потребуется время, чтобы набраться сил и перейти к дальнейшему росту и плодоношению. И то время, которое было выиграно у природы за счёт выращивания в тёплых домашних условиях, будет потрачено на адаптацию. В таком случае часто лучше вообще не заниматься рассадой, а сразу сажать семена в грунт.
А вот если дать растениям дополнительный свет, то раннее выращивание рассады имеет смысл - к высадке растения подойдут здоровыми и крепкими. А, значит, порадуют ранним и хорошим урожаем.
С чего всё начиналось
Несколько лет назад в России началась светодиодная революция - люди начали менять обычные лампы на светодиодные. И я собирался вписаться в эту волну - планировали с приятелем создать магазин по продаже светодиодных ламп. А отличием этого магазина от остальных была бы световая лаборатория, которая позволяла тестировать все типы ламп и продавать только те, которые действительно эффективны и не вредны для зрения.
Начали мы как раз с создания лаборатории. Отремонтировали небольшое помещение, сконструировали самодельный гониометр и спектрометр.
Гониометр совместно с люксметром позволяет измерять освещённость, создаваемую лампой при разных углах освещения. Чем больше угол освещения, тем, как правило, лучше.
А спекрометр позволяет проверить спектр лампы. Чем плавнее переход от однного цвета к другому - тем лучше для глаз.
Подобные картинки мы оцифровывали через специальным образом созданную мной программу и приходили к таким характеристикам ламп:
И всё бы хорошо, да как раз в тот момент (2014 год) резко упал курс рубля, и покупать светодиодные лампы большинству россиян стало не на что. Так что бизнес мы забросили едва начав, но знания про свет остались.
Как подобрать лампы для досветки растений
Но вернёмся к рассаде. Освещение лампами растений называется досвечиванием - в том случае, если часть дня на растения также падает естественный свет - из-за окна. Если окна нет, то тогда говорят, что растения выращиваются в условиях полной светокультуры. Разница в том, что из окна на растения падает некоторое количество "бесплатного" света. Соответственно, чтобы вырастить хорошую рассаду, используя искусственное освещение, необходимо ответить на следующие вопросы:
- сколько света у нас уже есть
- сколько нужно добавить
- какая лампа даст нужное количество и качество света
При этом нужно ещё не перегреть и не пересушить растения.
Определяем уровень естественного освещения
Уровень освещённости определяется в люксах. Вообще-то для растений этот показатель не самым лучшим образом подходит, но об этом позже. Зато в люксах легко измерить, насколько ярко светит солнце из-за окна. Для этого нужен специальный прибор - люксметр. Или всего лишь обычный смартфон. У любого смартфона есть датчик освещённости, который определяет требуемый уровень экспозиции перед тем, как Вы что-то сфотографируете. Можно установить приложение "luxmeter", и тогда смартфон покажет Вам уровень освещённости в люксах. Правда, показания смартфонов обладают довольно большой погрешностью.
Впрочем, примерную уровень освещённости можно определить и математическим путём. Наука, которая этим занимается, называется актинометрия. Так вот, зная широту своего местоположения, можно вычислить угол солнца над горизонтом в любой момент времени.
А зная угол солнца над горизонтом и соотношение пасмурных и ясных дней, можно узнать средний уровень освещённости в каждый месяц года, или даже подекадно:
Учтём ещё потери освещённости при прохождении через окно и то, на какую сторону света ориентировано окно и узнаем, когда сколько "бесплатного" света смогут получить растения:
Кстати говоря, чем ближе угол падения лучей света на листья растений к 90 градусам, тем лучше. Так что в последние недели зимы и в начале весны выгодно устанавливать рассаду под углом к стеклу:
Вычисляем, какого количества света не хватает
Рассаду обычно начинают выращивать в феврале-марте, некоторые растения даже в апреле. В зоне рискованного земледелия, к которой относится бОльшая часть России, в это время года естественного освещения недостаточно для выращивания нормальной рассады. Поэтому прежде чем покупать лампы для досветки, необходимо определить, сколько же света следует добавить.
Для начала нужно узнать, а сколько вообще рассаде нужно света. Каждому растению требуется свой уровень освещённости в течение разного времени. Например, томаты, перцы и огурцы следует освещать около 14 часов в сутки. А траве вроде сельдерея, петрушки и укропа период отдыха практически не нужен - можно хоть круглосуточно светить.
Кстати, когда разговор заходит о растениях, то вместо слова "освещённость" используют "облучённость", хотя для обывателя по сути разница небольшая. А для измерения облучённости используют не люксы, а микромоли (какое-то количество фотонов света), падающие на площадь в 1 м2 за 1 секунду (для краткости - просто микромоли). Поэтому в таблице выше указаны именно микромоли, а не люксы.
Проблема, однако, в том, что нельзя с помощью одного математического действия перевести люксы в микромоли и обратно (как например метры в километры). Коэффициент для перевода зависит от спектра излучения лампы (или солнца). Спектр, напомню, - это зависимость интенсивности облучения от длины волны. Таким образом, разные лампы (накаливания, светодиодные, люминесцентные) дающие одинаковое количество люкс на самом деле будут давать разное количество микромолей, так что пользуюясь только люксметром (смартфоном) можно недодать света растениям.
Чтобы избежать подобной проблемы, нужно, во-первых, знать спектр своего источника освещения (лампы):
Во-вторых, кривую чувствительности люксметра:
И, в-третьих, требуется рассчитать коэффициенты перевода с применением разных сложных формул, в том числе пользуясь интегральными вычислениями.
Я в своё время проделал эту работу для наиболее распространённых типов ламп и свёл всё в одну таблицу. Погрешность расчёта коэффициентов перевода люксов в микромоли и обратно не превышает 6%.
Таким образом, зная, что у соседа рассада томатов хорошо себя чувствует под холодными люминесцентными лампами, дающими 22000 люкс, Вы можете добиться тех же результатов, установив полноспектральные светодиодные, дающие уровень освещённости 9500 люкс.
Растения усваивают свет с разными длинами волн с разной эффективностью
Впрочем, на этом наука фито-света не заканчивается. Выше мы говорили лишь о том свете, что падает на поверхность листьев. Но в процессе фотосинтеза часть упавшего на листья света пропадает и лишь часть действительно усваивается и обеспечивает рост растению. Уровень потерь зависит от того, какой спектр имеет источник освещения.
Учёные пока ещё не пришли к единому мнению, какой спектр освещения лучше всего - высказываются различные соображения об эффективности усвоения фотонов с разными длинами волн. Кто-то считает, что основной фактор - поглощение фотонов пигментами фотосинтеза, кто-то ориентируется на скорость фотосинтеза (измеряя уровень выделения кислорода). Можно также учесть скорость синтеза хлорофилла и прочих процессов фотоморфогенеза. Если объединить все эти факторы, то получится следующая кривая "идеального" спектра облучения растений:
Если лампа будет светить со спектром, обозначенным зелёной кривой, то потерь света при поглощении фотонов не будет. Для сравнения на этом же графике приведён спектр излучения солнца. Видно, что далеко не весь солнечный свет нужен растениям.
На этом факте основано применение специальных растительных ламп старых поколений и светодиодов. До сих пор во многих тепличных хозяйствах в основном используются оранжевые лампы ДнаТ:
В домашних условиях их почти не применяют - лампы выделяют слишком много тепла. По этой же причине не используют обычные лампы накаливания. Они потребляют слишком много электричества и излучают слишком много света на ненужных длинах волн.
Чаще всего начинающие агрономы для досветки используют люминесцентные лампы - они более экономичные и не такие горячие.
Можно использовать либо обычные спиральные ртутные лампы, либо "трубки":
Впрочем, спектр таких ламп также не самый эффективный - ведь они сконструированы для людей, а не для растений. Разве что специальная растительная лампа "fluora" показывает лучшую эффективность. Но и стоит она неоправдано дорого.
Светодиодные лампы экономичнее других и не выделяют так много тепла. Но спектр простых белых светодиодов всё ещё не настолько приближен к "идеальному":
Поэтому в последнее время всё более широкое распространение получает организация досветки с использованием монохромных или полноспектральных светодиодов. Монохромные светят только одним цветом - чаще всего используются синие и красные, причём с пиками излучения на определённых длинах волн (440 и 660 нм). Простые синие и красные светодиоды от ёлочной гирлянды не подойдут. Иногда для повышения вкусовых качеств, стимуляции процессов цветения и плодоношения к синим и красным монохромным светодиодам добавляют небольшое количество монохромных светодиодов других цветов - жёлтого, зелёного. А также устанавливают светодиоды с излучением в ультрафиолетовом (внимание, опасно для здоровья!) и инфракрасном диапазонах. Например, без ультрафиолета аромат пряных трав будет минимальным.
Решения с применением монохромных светодиодов - самые эффективные, но не самые простые. Синий, красный и дополнительные цвета должны "перемешаться" перед тем, как попасть на листья. Это означает, что светодиоды придётся повесить выше, чем было бы можно. И потеряется большое преимущество светодиодов - низкая температура и высокая интенсивность облучения вблизи источника света (чем ближе к лампе, чем гораздо больше света!).
Поэтому применяются также так называемые "полноспектральные" светодиоды (светят фиолетово-сиреневым цветом). Один такой светодиод излучает на разных длинах волн - в основном в синей и красной части спектра, но также немного в промежуточной жёлто-зелной и даже в инфракрасной. При этом отсутствует проблема с перемешиванием цветов - растения можно подставить буквально вплотную к светодиодам (1-3 см) и получить фантастический уровень освещённости. Правда, при этом несколько падает энергоэффективность - полноспектральные светодиоды покрыты люминофором, съедающим часть энергии.
Сравнение спеткров монохромных и полноспектральных светодиодов с "идеальным" спектром поглощения:
Можно математически оценить степень близости спектра излучения лампы и "идеальный" спектр:
Как видно, ближе всех к "идеальному" спектру полноспектральные светодиоды и растительные люминесцентные лампы "fluora".
Выбираем тип и количество ламп
Теперь можно перейти к выбору типа лампы. Если Вы собираетесь выращивать исключительно рассаду, а цвести и плодоносить Ваши растения будут на даче, то тогда хорошим вариантом будет выбор монохромных сине-красных ламп. В ином случае лучше взять полноспектральные светодиоды. При этом нужно понимать, что светодиоды энергоэффективны лишь в период эксплуатации. А сами лампы (покупные или самодельные) довольно дороги. Цены на светодиоды сейчас постепенно снижаются. Тем не менее, поскольку им требуется хороший теплоотвод, затраты на радиаторы из алюминия всё ещё высоки и не имеют тенденции к снижению стоимости.
Поэтому если у Вас нет желания вкладывать большие средства в светодиоды (оборудование площади досветки в 1 квадратный метр может обойтись в 10-15000 рублей без учёта стоимости работы!), можно использовать и люминесцентные лампы. Они значительно дешевле, для их установки достаточно купить либо обычные патроны (для спиральных), либо светильники (для трубок). Но при этом будет тратиться больше электричества, а растениям будет жарко - нужно будет организовывать систему теплоотвода, например, устанавливая вентиляторы:
Установив лампы выбранного типа и определив, сколько люкс они дают (плюс освещённость из окна), можно пересчитать люксы в моли и сравнить полученное значение с нормами для растений. Например, для огурца:
Если люксметр (смартфон) показывает меньшее значение, значит, нужно увеличивать количество или мощность ламп.
От отдельной лампы к гроубоксу
Для выращивания хорошей рассады нужно организовать достаточную и качественную досветку. Но одного света недостаточно. Рассада также будет сильно тянуться от высокой температуры (нередко в квартирах под лампами температура превышает 25 и даже 30 градусов). Листья будут сохнуть от невысокой влажности. Для многих растений оптимальная температура выращивания на этапе рассады - всего 15 градусов, влажность - 70-80%. Конечно, зимой и весной можно постоянно держать открытым окно, но в таком помещении вряд ли будет комфортно людям. Да и постоянные сквозняки на растения влияют негативно. Поэтому более предпочтительный вариант - выращивание рассады в неотапливаемом помещении, на застеклённом или даже незастеклённом балконе или лоджии.
В таком случае мы сразу же решаем вопрос с нужной влажностью - на улице она как раз та, к которой генетически приспособлены растения. И, вроде бы, решаем вопрос с перегревом - излишняя температура от ламп будет компенсироваться холодным уличным воздухом. Но в конце зимы и в начале весны температурная компенсация может получиться слишком уж большой - тепловой мощности ламп не хватит для обогрева. Поэтому сооружают специальные утеплённые гроубоксы (шкафы для рассады), в которых устанавливают регулируемую систему дополнительного обогрева.
Проще всего организовать обгрев с помощью гибких нагревательных лент - они маломощные (как раз то что нужно), гибкие и влагозащищённые - их можно класть прямо в поддон с горшками, они не боятся воды в нём.
Интенсивность дополнительного подогрева можно регулировать с помощью простейшего регулятора напряжения. Чем меньше нужен подогрев, тем сильнее нужно снизить напряжение.
Контролировать итоговую температуру в гроубоксе можно с помощью термометров с выносными датчиками
Такая система позволяет поддерживать комфортную двадцатиградусную температуру в гроубоксе, установленном на незастеклённом балконе, даже если на улице -20 градусов.
Нужен пример?
В 2017 году я выращивал рассаду земляники в гроубоксе на балконе под полноспектральными светодиодами. Посев - в конце января, высадка рассады - в начале февраля. Температура поддерживалась на уровне 15-18 градусов.
К началу марта:
Середина марта:
В апреле рассада уже была готова к высадке в грунт, но аномально холодная весна не позволила высадить землянику раньше мая. К этому времени она уже вовсю цвела, а отдельные растения под полноспектральными светодиодами даже плодоносили.
Последний урожай с растений, выращенных таким образом, я собрал в начале октября:
