Светодиоды динамического спектра: возможные плюсы и реальные минусы

Многие компании, производящие освещение для теплиц, в настоящее время предлагают светодиоды динамического (настраиваемого, регулируемого) спектра. В отличие от фиксированного, его можно менять с помощью специального программного обеспечения, предоставляющего «библиотеки» спектров. 

Динамические светодиоды обычно дороже либо сразу, либо из-за дополнительных ежегодных платежей за программное обеспечение. У них также значительно больше электроники внутри светильников, им нужно больше места, затраты на техническое обслуживание выше. Сторонники таких устройств утверждают, что окупаемость инвестиций, тем не менее, хорошая, поскольку благодаря возможности изменять спектр производитель может подобрать оптимальный для каждой культуры, что обеспечит такие преимущества, как повышение урожайности или улучшение качество продукции, в первую очередь за счет вкуса. Скептики полагают, что современная наука пока имеет не так много наработок о взаимосвязи развития растений и характеристик света, такое освещение обычно невыгодно, а эффективность производства продукции в первую очередь достигается за счет интенсивности света.

Рынок тепличной продукции является конкурентным, производители ищут стратегии улучшения качества и производительности за счет более эффективного использования ресурсов.

Качество спектра влияет как на развитие растений, так и на энергоэффективность освещения. Так, красные диоды имеют более высокую эффективность, чем синие (энергия квантов синего света больше, чем красного: один квант в области 400-500 нм будет вмещать в себя больше энергии, чем квант 600-700 нм, который соответствует красному спектру – п.п.).

Светодиоды можно производить с фиксированным, или статичным спектром, или же осветительное оборудование можно оснастить дополнительным аппаратным и программным обеспечением, позволяющим изменять спектр и обеспечивать настраиваемые или динамические спектры. Светодиоды с динамическим спектром рекламируются для улучшения здоровья растений и качества продукции, снижения затрат, обеспечения устойчивости хозяйственной деятельности. Фактически, исследования показывают, что каждая культура и даже сорт имеют «оптимальный» спектр, который меняется в зависимости от фазы развития растений. 

Проблема заключается в том, что понимание учеными «идеального» спектра очень ограничено и, вероятно, пробелы еще сохранятся в течение многих лет. Текущие исследования показывают, что наиболее выгодной стратегией является простое использование энергоэффективных светодиодов белого света или широкого спектра. Например, Yang et al. (2023) в опытах на баклажане изучили вопрос, лучше ли использовать специальные светодиодные светильники с определенными цветовыми комбинациями, чем обычные «белые» светодиоды. Белый свет был более сбалансирован между красным и синим (26% синего, 47% зеленого, 24% красного и 2% дальнего красного). Остальные четыре спектра в опыте имели либо более высокое, либо более низкое соотношение синего и красного, а в двух было небольшое количество УФ. Исследователи обнаружили, что наилучшие показатели по общей урожайности и урожайности на кВт*ч были достигнуты при использовании белых светодиодов.

Тем не менее, маловероятно, что этот конкретный «белый» спектр и в самом деле является оптимальным для баклажанов. Результаты означают, что он оказался лучшим из пяти протестированных в конкретных лабораторных условиях на конкретных сортах. Существует бесконечное количество других спектров, которые исследователи могли бы сравнить. Наиболее эффективный спектр будет меняться в зависимости от сорта. Более того, изменения факторов окружающей среды, таких как влажность и температура, также изменят реакцию растений на свет. Например, увеличение соотношения синего и красного приведет к открытию устьиц, что увеличит газообмен. Но относительная влажность также влияет на поведение устьиц. Другими словами, идеальный баланс синего/красного должен быть определен для каждого уровня относительной влажности.

Вероятно, не стоит категорично утверждать, что для растений существует идеальный спектр. Вместо этого стоит рассматривать оптимальный спектр для конкретного сорта, выращиваемого в определенных условиях. Можно попытаться представить, сколько времени потребуется на проверку всех этих комбинаций. Влияние конкретного спектра и эффекты взаимодействия между ним, другими входными данными и факторами среды настолько сложны, что даже после многих лет исследований поиск «универсального» спектра – практически сизифов труд. 

В настоящее время, однако, имеется четкое понимание связи между интенсивностью освещения, урожайностью и здоровьем растений. Проведено множество экспериментов, показывающих, что урожайность сельскохозяйственных культур и интенсивность освещения тесно связаны с точкой светового насыщения у растений (Marcelis et al. 2006). Фактически, на протяжении десятилетий с.-х. производители использовали «правило 1%», которое гласит, что увеличение (или уменьшение) интенсивности света на 1% увеличивает (или уменьшает) урожайность на 1%. 

Это подчеркивает ключевой риск, связанный с распространенным непониманием того, как работают светодиоды с динамическим спектром. Многие производители предполагают, что количество света (PPF, поток фотосинтетических фотонов), производимое светодиодом с динамическим спектром, всегда равно максимальному PPF, указанному в спецификации светильника. Другими словами, когда они меняют спектр, то предполагают, что PPF остается прежним, но на самом деле он может резко уменьшиться.

При разработке светодиода с динамическим спектром производится выбор одного спектра, который обеспечивает максимальный PPF. Допустим, это 10% синего, 15% зеленого, 70% красного, 5% дальнего красного с PPF 1700 мкмоль/с. Но предположим, что хозяйство желает обеспечить для культуры «более эффективный» спектр и поэтому решает увеличить соотношение синего и красного с 0,29 до 0,50. Для этого светодиоды не излучают больше синего света, вместо этого уменьшается свет от красных. Результатом в этом примере является уменьшение PPF примерно на 50%. По «правилу 1%» это также снизит и урожайность на 50%. Более того, известно, что дефицит света также увеличивает риск развития патогенов. Критический вопрос заключается в том, оправдает ли ожидаемое воздействие изменения спектра на развитие растений описанные риски? Учитывая, что у ученых до сих пор довольно мало материалов о том, как изменения в спектре влияют на прибыль, самый безопасный ответ, вероятно, «нет».

  

Несмотря на указанные проблемы использования светодиодов с динамическим спектром, область изучения спектра очень перспективна, ведутся активные исследования его влияния на различные характеристики растений. Но, вероятно, пройдут годы, прежде чем на основании экспериментов будут сформулированы действенные и прибыльные стратегии для с.-х. производителей. 

Сегодня светодиоды с динамическим спектром, хотя и интересны, но сложны и, вероятно, не оправдывают свою высокую стоимость для промышленных хозяйств. Путь к пониманию сложной взаимосвязи между спектром, микроклиматом и ростом растений долог и сложен. До тех пор, пока исследователи не дадут более четкие и точные рекомендации, хозяйствам проще использовать эффективные недорогие решения – освещение широкого спектра.