Единицы измерения света в теплице

1 марта 2023

Когда растениям не хватает естественного света, агрономы прибегают к использованию искусственного освещения. Установка и использование ламп стоит денег, поэтому важно иметь четкое представление, когда применять досвечивание и в каком количестве. Для этого важно правильно считать свет. В статье предложены примеры пересчета суммарной освещенности в количество света ФАР в моль/м².

Тепличный агрономический мир «стоит на трех китах»: питание, технология и климат. Ранее мы рассматривали некоторые вопросы питания и технологии (Лии, Ильвачев 2014; Захаренко, 2020), сегодня затронем третью составляющую – климат и расскажем, как правильно учитывать свет и переводить единицы измерения.

Авторы:

Анастасия Борзова, технический консультант Grodan.
Андрей Захаренко, технический консультант Grodan к. б. н.
Даниил Федоров, технический консультант Grodan к. с.-х. н.

Урожай напрямую зависит от количества света. Так, план сбора урожая строится из ожидания прихода света, поэтому к измерению освещенности важно подходить с умом. Когда агрономы сравнивают урожаи, в разговоре всегда упоминается световая зона или звучит: «у вас досветка мощнее», поэтому от сравнения килограмм агрономы переходят к сравнению количества света.

Когда растениям не хватает естественного света, агрономы прибегают к использованию искусственного освещения. Установка и использование ламп стоит денег, поэтому важно иметь четкое представление, когда применять досвечивание и в каком количестве. Для этого важно правильно считать свет.

Фотоны, участвующие в фотосинтезе, имеют длину волны 400–700 нм. Эту часть излучения называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР). На долю ФАР в солнечном излучении приходится 45–50%, еще 50% приходится на тепловое излучение и немного на ультрафиолет (Nederhoff, Marcelis, 2010).

Видимый для человека спектр света находится в диапазоне 380–760 нм, что очень близко к ФАР, поэтому кажется разумным всё измерять люксметром, прибором с диапазоном измерения близкому к человеческому глазу. Однако растения и глаз имеют разную чувствительность в диапазоне видимого света. Хорошо видимый глазу свет не эффективен для фотосинтеза на единицу энергии, и наоборот, эффективный для растений свет едва различим человеком. Поэтому неправильно использовать люксметр для описания освещённости растений в теплице.

Интенсивность и сумма света

Разберёмся с интенсивностью и суммой света. Интенсивность света – это количество света в определенный момент, обычно её выражают в Вт/м². Вообще, правильнее называть эту величину энергетической освещённостью, что явно указывает на энергетическую природу измеряемой величины. Сумма освещенности – это количество света за определенный период – Дж/см². Если интенсивность умножить на время получим сумму света: 1 Вт/м² * с = 1 Дж/м² = 0,0001 Дж/см²

Представим, интенсивность света была 100 Вт/м² в течение 3 часов. Для расчёта суммы света, умножим интенсивность на количество секунд в периоде:

100 Вт/м² * 60 с/мин * 60 мин/час * 3 час = 1080000 Дж/м².

Получилось громоздкое число, с ним неудобно работать, поэтому принято сумму света выражать не на м², а на см²:

1080000 Дж/м² : 10000 см²/м² = 108 Дж/см²

Таким образом, сумма света за 3 часа составит 108 Дж/см².

Соляриметр и ФАР-сенсор

Современные теплицы оборудованы метеостанцией. В её состав входит прибор для измерения солнечного излучения – соляриметр, расположенный на мачте над теплицей. Соляриметр измеряет излучение в Вт/м2, а климатический компьютер суммирует эти показания в Дж/см2, как мы это сделали выше, и отображает на привычных графиках климатического компьютера.

Солнце и лампы дают разное количество фотосинтетически активной радиации. Одинаковое количество энергии – Джоулей от Солнца, натриевых ламп и светодиодных установок дадут разное ФАР и разную урожайность. В отличие от джоулей, моли – единицы количества вещества дают представление о количестве фотосинтеза, доступном для растений, а значит, точнее предскажут урожай. Количество ФАР можно измерить при помощи ФАР-сенсора (рис. 1). Интенсивность света (фотосинтетическая фотонная облученность, PPFD) – измеряют в мкмоль/м2/с, а сумму света (фотосинтетическую фотонную экспозицию) – в моль/с*м2. (Прикупец, Боос, 2023).

2024-06-03 GRDN 128
Рисунок 1. ФАР-сенсор

Датчик ФАР может быть установлен как внутри теплицы, над шторой, так и снаружи, рядом с соляриметром. Такое расположение даёт возможность замерять светопропускание теплицы. На основании разности показаний датчика внутри и снаружи можно взвешенно принимать решение, например, о помывке стекла. Чувствительность приборов вы можете видеть на рис. 2. (priva.com).

2024-06-03 GRDN 129
Рисунок 2. Чувствительность хлорофилла и приборов для измерения света

Светопропускание

Процентную долю света, проникающую сквозь конструкции теплицы, называют светопропусканием. Для высокой стеклянной теплицы светопропускание, в среднем, составляет 70%, в то время как для плёночной – около 50%. При этом важно понимать, что на светопропускание влияет материал и покрытие кровли, степень загрязнения, конструкция теплицы. Например, чем больше ламп, тем больше тени он создают, поэтому разместить меньше ламп мощностью 1000 Вт выгоднее, чем больше – 400 Вт. Количество света внутри теплицы можно оценивать при помощи приведённых выше цифр, однако для точной оценки следует замерять свет непосредственно в теплице.

Пересчёты из энергии в ФАР

Разберём, как преобразовать из джоулей в микромоль ФАР или наоборот. Расчёты различаются в зависимости от источника света.

В условиях рассеянного дневного света 1 Дж = 4,6 мкмоль. Только 50% от этого света – ФАР, а светопропускание примем 70%, получается внутрь попадает:

1 Дж = 4,6 мкмоль*0,7*0,5=1,61 микромоль ФАР

Лампы в зависимости от мощности имеют различную эффективность (табл.1)

Таблица 1. Сравнение эффективности различных ламп (рефлакс.рф).

Мощность лампы, Вт	Световой поток, мкмоль ФАР*сек	Эффективность, мкмоль ФАР/Дж
1000	1800	1,80
600	1180	1,61
400	620	1,55

Эффективность ламп разных производителей отличается, при этом лампы теряют приблизительно 5% светового потока в год, но и это значение может быть разным. Уточните световой поток у своего поставщика и регулярно проверяйте световой поток в теплице.

В литературе можно встретить эффективность ДНАТ ламп выше 4 ммоль/Дж (Nederhoff, Marcelis, 2010). Такая эффективность учитывает все моли: и света, тепловые, испускаемые лампой, а значит для учёта фотосинтеза они должны быть дополнены коэффициентом доли света во всём излучении лампы. Можно принять, что ФАР света от общего около 36%.

Рассчитаем эффективность использования света для среднеплодного огурца. По данным селекционеров (Цыдендамбаев, Нестеров, 2013) требуется 3000 Дж/см² солнечного света на килограмм огурца. Речь идёт о свете, замеренном снаружи обычным соляриметром. Тогда: 3000 Дж/см² *0,5*0,7=1050 Дж/см² ФАР внутри теплицы.

Приведём энергию в единицы количества вещества и переведём мкмоль в моль, а см² в м²:

1050 Дж/см² * 4,6 мкмоль/Дж = 4830 мкмоль/см² = 48,3 моль/м²

Обычно, эффективность использования света выражают в обратных единицах, г/моль, поэтому разделим 1000 грамм огурца на полученную цифру: 1000 гр. : 48,3 моль/м² ~ 20 г/моль/м². Так, каждый моль света даст 20 г/м² огурца.

На основе данных о свете можно прогнозировать урожай:

За неделю сумма естественного света составила 7000 Дж/см². Переведём в моли:

7000 Дж/см²*4,6 мкмоль/Дж*0,5*0,7 = 11270 мкмоль/см² ~ 113 моль/м²

Кроме того, каждый день 18 часов работали лампы, суммарной мощностью 200 Вт/м², каждая мощностью 1000 Вт. Лампы меняли год назад, поэтому за неделю сумма света составит: 200 Вт/м²/сек *60с/мин * 60мин/час *18 часов * 7 дней= 9 072 Дж/см² от ламп в неделю. Тоже переведём в моли, учитывая деградацию ламп:

9 072 Дж/см² * 1,8 мкмоль/Дж *(1–0,05) = 15 513 мкмоль/см² ~ 155 моль/м²

Итого сумма света составит: 113 + 155 = 268 моль/м².

Что даёт потенциал урожайности в 268 моль/м² * 20 г/моль = 5 360 г/м².

Ниже для примера мы разместили таблицу, утоняющую прогноз урожая огурца для разных источников света:

Таблица 2. Уточнение прогноза урожая для разных источников света.

Источник света	Сумма света, Дж/см²	Прогноз урожая, г/м²	Сумма света ФАР, моль/м²	Уточнённый прогноз, г/м²
Солнце	3000	1000	48,3	966
ДНАТ 1000 Вт	3000	1000	54,6	1092
ДНАТ 600 Вт	3000	1000	48,3	966
ДНАТ 400 Вт	3000	1000	46,5	930

Как видите, разница может составить более 10%, даже без учёта износа ламп, зашторивания и других неточностей. Поэтому важно точно измерять свет, доступный растениям.

Поливы по молям

Кроме расчёта урожая сумма света важна для построения поливной стратегии. Как мы писали ранее (Захаренко, grodanrus.ru) можно поливать растения каждые 100 Дж/см² дозой 3 мл/м² на каждый Дж/см², где 2 мл – это водопотребление растений, а 1 мл – это дренаж. Если перевести свет в ФАР с учётом источника, становится видно, что под разными источниками света растения выпивают разное количество воды на единицу света (табл. 3).

Таблица 3. Водопотребление растений под разными источниками света.

	Сумма света, Дж/см²	Сумма света ФАР, моль/м²	Выпито растением*, мл/м²	Отношение выпито к свету мл/Дж	Отношение выпито к свету мл/моль
Солнце	3000	48	6000	2	125
ДНАТ 1000 Вт	3000	55	6000	2	109
ДНАТ 600 Вт	3000	47	6000	2	127
Среднее				2	120

Если урожай следует прогнозировать с учётом ФАР, то не стоит ли перейти на оценку вылитого раствора по соотношению мл/моль? Нет, не стоит.

Ведь растения осуществляет транспирацию не только из-за фотосинтетически активной радиации, но и за счёт тепловой части света. Тепловая энергия не влияет на фотосинтез, но влияет на транспирацию. Поэтому поливы следует привязывать к данным соляриметра.

Заключение

Используйте данные ФАР для расчёта урожайности, в качестве единиц измерения используйте моль/м2 ФАР. Для полива используйте данные соляриметра, в Дж/см2 и Вт/м2. Эта статья написана консультантами компании Grodan – лидера в России и мире по производству субстратов из каменной ваты. Компания стремится помочь своим клиентам получить максимальный урожай с минимальными затратами.

Список литературы

Nederhoff E., Marcelis L. Calculating Light and Lighting //Practical Hydroponics and Greenhouses. – 2010. – №. 112. – С. 43–51
Захаренко А. И., Улучшение качества плодов томата //Perfect agriculture №3/2020.
Лии А., Ильвачев Ю. Управление влажностью и ЕС субстрата при выращивании растений по малообъемной технологии // Гавриш. – 2014. – №. 1. – С. 16–21.
Цыдендамбаев А. Д., Нестеров С. Ю. // Современные тепличные технологии. – 2013. – С.6
Рефлакс. Рф [Электронный ресурс] / https://рефлакс.рф/en/catalog/glighting/lampsh/ (дата обращения: 25.07.2023)
Grodanrus.ru [Электронный ресурс] https://grodanrus.ru/articles/ (дата обращения: 25.07.2023, статья «Поливы на светокультуре»)
Priva.com [Электронный ресурс] https://support.priva.com/hc/en-us/articles/360019407880-What-is-sunlight