Исследование: оптимизация светодиодного освещения для урожайности клубники в контролируемых условиях.

Для достижения наивысшей урожайности необходимо учитывать не только интенсивность свечения и спектральное разнообразие, но также равномерное распределение фотосинтетически активного излучения (PAR) по всей площади растительного участка.

Однородность освещения оказывает прямое влияние на процесс фотосинтеза, последовательность роста и, в итоге, на экономическую выгоду от выращивания таких культур, как земляника садовая - клубника.

Неравномерное распределение света часто приводит к местным затененным участкам или излишнему воздействию, что вызывает неравномерный рост и неэффективное использование ресурсов энергии.

Хотя большое внимание уделяется спектральным настройкам для стимулирования роста растений, не так много исследований посвящено оптимизации пространственного распределения источников света для сокращения потребления энергии без ущерба для качества урожая.

Настройка компоновки светодиодных систем освещения представляет собой перспективный метод сокращения числа ламп или общего светового потока при сохранении необходимой однородности. Путем обеспечения более равномерного освещения производители могут достичь эквивалентной или даже улучшенной физиологической продуктивности, потребляя меньше энергии. Этот подход соответствует общему стремлению к устойчивому сельскому хозяйству - максимизации производительности при минимизации воздействия на окружающую среду и эксплуатационных расходах.

Современные достижения в области светодиодного освещения оказывают ключевое влияние на оптимизацию производственных процессов сельскохозяйственных культур, особенно в условиях контролируемой среды, таких как теплицы и растениеводческие заводы.

Исследования показывают, что изменение спектра света, особенно путем использования красных и синих длин волн, способно значительно улучшить процессы физиологии при выращивании клубники.

Комбинированное использование красного и синего света не только повышает эффективность фотосинтеза, но также способствует желаемым морфологическим характеристикам, включая увеличенное содержание хлорофилла и накопление биомассы.

Известно, что красный свет стимулирует удлинение стеблей и способствует разнообразным путям развития, тогда как синий свет способствует компактному росту и стимулирует фотоморфогенез, оба необходимы для максимизации урожайности в системах с высокой плотностью насаждения.

Более того, важность качества света выходит далеко за рамки фотосинтеза; оно также играет ключевую роль в регуляции цветения и общей структуре растения. Было отмечено, что определенные спектральные комбинации способствуют цветению клубники за счет модуляции фитогормональных сигнальных путей, контролирующих репродуктивное развитие. Учитывая, что качество света оказывает непосредственное воздействие на ключевые метаболические процессы, такие как синтез пигмента и абсорбция питательных веществ, светодиодные системы, спроектированные для обеспечения оптимальных спектральных характеристик, являются эффективными инструментами для улучшения производства клубники. Помимо спектральных аспектов, все большее внимание привлекает и пространственная конфигурация осветительных систем.

Неэффективное распределение света часто приводит к повышенному энергопотреблению без соответствующего увеличения роста растений или урожайности. Это приводит не только к росту операционных издержек, но и ограничивает экономическую устойчивость вертикальных систем сельского хозяйства.

Равномерное распределение света играет критически важную роль в плотных насаждениях, где затенение внутри площади может привести к неравномерному росту и снижению эффективности фотосинтеза.

Исследователи изучают передовые конструкции освещения, такие как подвижные или регулируемые по высоте светодиодные матрицы, которые улучшают проникновение света и гарантируют, что нижние слои получают достаточное освещение. Эти системы способствуют эффективности поглощения света и общей продуктивности урожая, а также устраняют ограничения фиксированных источников, которые не всегда учитывают изменения высоты, плотности или архитектуры растений.

Параллельно с этим применение функционально-структурных моделей растений (FSPM) становится обещающим методом для моделирования взаимодействия света с растениями и оптимизации стратегий освещения как на уровне органов, так и на уровне площади.

FSPM - это вычислительные модели, которые имитируют рост и развитие растений, охватывая как физиологические, так и структурные аспекты. Эти модели играют важную роль в улучшении сельскохозяйственных систем, позволяя моделировать реакцию растений на различные окружающие условия, такие как освещенность, что критически значимо для увеличения урожайности в контролируемых средах, включая вертикальное земледелие.

Интеграция оптимизированного спектрального качества и равномерного распределения в светодиодных системах освещения представляет собой перспективное направление для улучшения выращивания клубники в контролируемых условиях. С применением этих достижений производители могут повысить производительность использования ресурсов, улучшая как урожайность, так и качество плодов.

Данное исследование проведено в Шанхае, регионе с часто пасмурной погодой и недостатком дневного света в течение года. Негативное воздействие недостаточной освещенности на рост и производство клубники или других растений документировано. Низкая световая интенсивность приводит к снижению фотосинтеза, что ограничивает способность растений к образованию энергии, необходимой для роста и размножения.

В новой вертикальной системе земледелия, предназначенной для городского сельского хозяйства, клубнику выращивали в условиях, когда интенсивность фотосинтетически активного излучения (PPFD) часто оставалась ниже 20 мкмоль·м -2 ·с, что значительно ниже рекомендуемого уровня для плодоносящих растений.

Для оптимального роста и урожайности клубнике требуется уровень PPFD от 150 до 250 мкмоль·м -2 ·с, в то время как при 20 мкмоль·м -2 ·с световая интенсивность недостаточна для запуска фотосинтетических процессов, необходимых для здорового плодоношения и роста растений.

Для преодоления этого ограничения была разработана стратегия искусственного освещения, обеспечивающая необходимое освещение для роста растений. Эта система, основанная на светодиодах и специальном алгоритме, отличается высокой однородностью света и низким энергопотреблением, специально адаптирована к физиологическим потребностям клубники.

В сравнении с предыдущими подходами, система освещения из данного исследования объединяет оптимизацию частиц (particle swarm optimization, PSO) для проектирования компоновки.

PSO - это вычислительный метод, вдохновленный социальным поведением стай птиц и рыб. Он используется для поиска оптимальных решений сложных задач оптимизации путем моделирования популяции возможных решений, называемых частицами, которые итеративно перемещаются в пространстве решений на основе своего собственного опыта и опыта соседей.

Особый светодиодный источник света длиной 3 м устанавливался на высоте 30 см над участком посадки площадью 3,0 м × 0,3 м для равномерного освещения зоны. Система освещения, объединяющая красные (655–665 нм) и белые светодиоды полного спектра, была оптимизирована с применением алгоритма оптимизации роя частиц (PSO) для улучшения равномерности светового покрытия.

Равномерность плотности потока фотонов фотосинтеза (PPFD) повысилась с 71% до 85%, а стандартное отклонение снизилось с 75 до 15. При оптимизированном 16-часовом режиме освещения растения клубники продемонстрировали увеличение высоты на 55% по сравнению с контрольной группой без дополнительного освещения, рост ширины листьев на 40% и увеличение веса плодов на 36% (69,76 г на растение) по сравнению с 12-часовой группой дополнительного освещения. Система работает при потреблении мощности на уровне светильника всего 160 Вт, а спектральный выход соответствует потребностям в поглощении света листвой и плодами клубники. Эти результаты свидетельствуют о том, что управляемая алгоритмом система освещения способна значительно улучшить как вегетативную, так и репродуктивную производительность в вертикальном растениеводстве клубники, сохраняя высокий уровень энергоэффективности.

По материалам статьи 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.

Фотография: Медведева Анна, AgroXXI.ru.