Зачем растению свет
Растение использует свет для двух разных процессов:
- Фотосинтез — превращение CO₂ и воды в углеводы; для него важно количество фотонов в диапазоне 400–700 нм.
- Фотоморфогенез — управление формой и развитием: компактность, вытягивание, цветение; за него отвечают отдельные диапазоны (синий, красный, дальний красный, UV-A) и их соотношения.
Поэтому «сколько света» и «какой свет» — два разных вопроса, и у каждого своя единица измерения.
Ключевые параметры
| Параметр | Что описывает | Единица | Аналог для человека |
|---|---|---|---|
| PAR, ФАР | Диапазон длин волн 400–700 нм, в котором идёт фотосинтез | нм | видимый диапазон 380–780 нм |
| PPF | Фотонный поток светильника во всём диапазоне ФАР | мкмоль/с | световой поток, лм |
| PPFD | Плотность фотонного потока на поверхности растений | мкмоль/(м²·с) | освещённость, лк |
| DLI | Суммарное число фотонов ФАР за сутки | моль/(м²·сут) | — |
| PPE | Фотонная эффективность светильника: PPF на 1 Вт потребляемой мощности | мкмоль/Дж | светоотдача, лм/Вт |
Люксы для растений не работают
Люкс и люмен взвешены по чувствительности человеческого глаза, у которого пик в зелёной области (555 нм). Красный свет 660 нм для глаза тусклый, а для фотосинтеза — один из самых эффективных. Два светильника с одинаковыми люменами могут давать в два раза разный PPF.
DLI — дневная световая доза
DLI = PPFD × часы × 0,0036
Пример: 300 мкмоль/(м²·с) в течение 16 часов дают 300 × 16 × 0,0036 = 17,3 моль/(м²·сут). Одна и та же доза достижима разными сочетаниями: 200 мкмоль/(м²·с) за 24 часа или 600 за 8 — но растению не всё равно, поэтому фотопериод задают отдельно.
Если солнечный свет и диммирование меняются в течение дня, DLI считают как интеграл измеренного PPFD, а не как среднее значение, умноженное на условные часы.
Энергетические и фотонные единицы
Российские документы задают облучение растений в ваттах ФАР на квадратный метр. Для солнечного спектра 1 Вт/м² ФАР соответствует примерно 4,6 мкмоль/(м²·с); для красных светодиодов 660 нм коэффициент выше (около 5,5), для белых — 4,6–4,8. Так минимальные 70 Вт/м² ФАР для овощных теплиц по РД-АПК 1.10.09.01-14 (п. 6.1.3) — это около 320 мкмоль/(м²·с), а рекомендованные при искусственном облучении 80–160 Вт/м² (п. 6.1.4) — 370–740 мкмоль/(м²·с). Подробно о российской нормативной базе — в статье Требования к освещению теплиц.
Спектр и фотосинтез
Кривая МакКри
В 1972 году Кейт МакКри измерил относительную квантовую эффективность фотосинтеза для листьев разных культур по длинам волн. Ориентировочная картина по диапазонам:
| Диапазон | Относительная эффективность | Цвет |
|---|---|---|
| 400–450 нм | 0,65–0,75 | фиолетовый, синий |
| 450–500 нм | 0,70–0,80 | синий |
| 500–550 нм | 0,75–0,85 | зелёный |
| 550–600 нм | 0,85–0,95 | жёлто-зелёный |
| 600–650 нм | 0,95–1,00 | оранжевый, красный |
| 650–700 нм | 0,95 у 650 нм, спад до 0,60 к 700 нм | красный |
Два вывода. Первый: красный диапазон — самый эффективный на фотон, поэтому в фитосветильниках его много. Второй: зелёный свет отнюдь не бесполезен — его эффективность 0,75–0,85, и он глубже проникает в полог, питая нижние листья, которые не видят красного.
Роль диапазонов
| Диапазон | Длины волн | Влияние на растение |
|---|---|---|
| UV-A | 315–400 нм | Синтез защитных пигментов и антиоксидантов, компактность |
| Синий | 400–500 нм | Фотоморфогенез: открытие устьиц, компактный рост, ориентация листа |
| Зелёный | 500–600 нм | Фотосинтез нижних ярусов, визуальный контроль растений |
| Красный | 600–700 нм | Максимальный фотосинтез, регуляция цветения |
| Дальний красный | 700–750 нм | Фитохромная система: вытягивание, реакция затенения, цветение |
Исследования 2020-х годов показали, что фотоны дальнего красного 700–750 нм повышают эффективность фотосинтеза в сочетании с ФАР (расширенный диапазон ePAR, Zhen и Bugbee, 2020). Это не означает, что каждому светильнику нужен дальний красный: его добавляют под конкретную задачу, а в паспорте отдельно указывают, включён ли он в PPF.
Ориентиры PPFD и DLI
Цифры ниже — сводные агрономические ориентиры из практики защищённого грунта, а не нормы. Для конкретного сорта, стадии, температуры и концентрации CO₂ их уточняет агроном и фиксирует в задании:
| Культура | PPFD, мкмоль/(м²·с) | DLI, моль/(м²·сут) |
|---|---|---|
| Салат листовой | 200–300 | 12–17 |
| Зелень (укроп, петрушка) | 200–300 | 12–15 |
| Рассада овощей | 150–250 | 10–15 |
| Томат (плодоношение) | 300–600 | 20–30 |
| Огурец | 250–500 | 18–25 |
| Перец | 300–500 | 18–25 |
| Клубника | 200–400 | 15–20 |
| Декоративные цветы | 150–400 | 10–20 |
По стадиям развития:
| Стадия | PPFD, мкмоль/(м²·с) | Спектр |
|---|---|---|
| Проращивание | 100–200 | Больше синего для компактных сеянцев |
| Рассада | 150–300 | Сбалансированный, доля синего 15–25 % |
| Вегетация | 300–500 | Сбалансированный |
| Цветение | 400–600 | Больше красного, при необходимости дальний красный |
| Плодоношение | 400–600 | Больше красного |
Свет выше потребности культуры не ускоряет рост пропорционально: при избытке фотосинтез насыщается, растёт нагрев листа, а киловатт-часы тратятся впустую. Верхнюю границу задают вместе с температурой и CO₂.
Типы источников света
Красно-синие (биколорные)
Красные светодиоды 660 нм и синие 450 нм в соотношении обычно от 3:1 до 5:1. Максимум фотонов на ватт, минимум нагрева. Недостатки: розово-фиолетовый свет мешает визуальному контролю растений и некомфортен для персонала, часть морфологических реакций без зелёного и дальнего красного выражена иначе. Применение — промышленные теплицы и вертикальные фермы, где контроль ведут приборами.
Полный спектр
Белые светодиоды с добавлением красных, иногда UV-A и дальнего красного. Естественный вид растений, комфорт персонала, проще заметить болезни. Часть энергии уходит в зелёный диапазон, поэтому фотонная эффективность обычно ниже, чем у биколора той же серии. Применение — теплицы с ручными операциями, рассадные комплексы, малые фермы.
ДНаТ
Натриевые лампы высокого давления: спектр с преобладанием жёлто-оранжевого (590–620 нм), мало синего, сильное тепловое излучение, которое в холодных теплицах частично полезно. Фотонная эффективность по паспортам 1,6–2,0 мкмоль/Дж против 2,5–3,5 у современных LED, ресурс ламп 10–24 тысячи часов со снижением потока, диммирование ограничено. Для новых проектов ДНаТ рассматривают только при очень дешёвой энергии и потребности в обогреве.
Предварительный расчёт
N = (PPFD × S) / (PPF × UF × MF)
- PPFD — целевая плотность потока, мкмоль/(м²·с);
- S — площадь посадки, м²;
- PPF — фотонный поток одного светильника по паспорту, мкмоль/с;
- UF — доля фотонов, попадающих на полезную площадь (0,8–0,9 по фотонной карте производителя);
- MF — запас на загрязнение, деградацию и температуру (0,85–0,9).
Пример: салат на стеллаже 100 м², целевой PPFD 250 мкмоль/(м²·с), светильник с PPF 800 мкмоль/с при 300 Вт (PPE 2,7 мкмоль/Дж), UF 0,85, MF 0,9:
N = (250 × 100) / (800 × 0,85 × 0,9) = 25 000 / 612 = 40,8 → 41 светильник
Мощность: 41 × 300 Вт = 12,3 кВт, или 123 Вт/м²
Высота подвеса и закон обратных квадратов
Производители указывают PPFD на определённой высоте, обычно 30–50 см. Для одного небольшого светильника плотность потока падает примерно пропорционально квадрату расстояния: вдвое выше — вчетверо меньше. Для протяжённого массива над сплошным пологом это правило не работает — соседние приборы перекрывают друг друга. Считайте массив по фотонной карте, а не по таблице «мощность — высота».
Фотопериод
- Нейтральные к длине дня (томат, огурец, перец): 14–18 часов света, обязательный тёмный период.
- Длиннодневные (салат, шпинат, редис): 14–16 часов для вегетации; чтобы не спровоцировать стрелкование — не удлинять день сверх необходимого и следить за температурой.
- Короткодневные (хризантема, пуансеттия, каланхоэ): 14–16 часов в вегетации, 8–10 часов для цветения — ночное освещение даже малой интенсивности срывает закладку бутонов.
- Рассада по РД-АПК 1.10.09.01-14 (табл. 13): всходы — 24 часа 2–3 дня, сеянцы томата — 16 часов 10–12 дней, рассада до расстановки — 16 часов, после расстановки — 14, затем 12 часов.
Измерение PPFD
| Прибор | Точность | Для чего |
|---|---|---|
| Квантовый датчик с косинусной коррекцией | ±5 % | Приёмка установки, карта PPFD |
| Бюджетный PPFD-метр | ±10–15 % | Текущий контроль |
| Спектрометр | по спектру | Проверка спектрального состава и доли дальнего красного |
| Люксметр с пересчётом | ±30–50 % и хуже | Только грубая оценка при известном спектре |
Приближённые коэффициенты для пересчёта люксов, если ничего другого нет:
| Источник | 1 лк ≈ |
|---|---|
| Солнце | 0,018–0,020 мкмоль/(м²·с) |
| Белый LED | 0,014–0,017 мкмоль/(м²·с) |
| ДНаТ | 0,012–0,014 мкмоль/(м²·с) |
| Красно-синий LED | пересчёт неприменим |
Измеряют сетку точек на высоте верхушек растений: центр, края, углы; фиксируют высоту, включённые каналы, мощность, солнечные условия. Карта одного светильника в лаборатории не заменяет измерение массива в теплице.
Заключение
- Считайте фотоны, а не люмены: PPF для светильника, PPFD и DLI для растений.
- Российские рекомендации задают Вт/м² ФАР — пересчитывайте через коэффициент 4,6 мкмоль/Дж и спектр прибора.
- Целевые PPFD и DLI по культуре — ориентиры из таблиц, точные значения — по агрономическому заданию.
- Спектр выбирайте под задачу: красно-синий для эффективности, полный для контроля и комфорта, дальний красный и UV — под конкретную реакцию культуры.
- Проверяйте измерением квантовым датчиком на высоте полога.
Как выбрать конкретный прибор по PPF, PPE и условиям теплицы — в статье Фитосветильники: как выбрать для теплицы.