РАСТЕНИЕВОДСТВО И СЕЛЕКЦИЯ

УДК 621.38.635

DOI: 30.31857/2500-2082/2022/5/36-41, EDN: JZAJFJ

«СВЕТОДИОДНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ» И НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕТОКУЛЬТУРЫ РАСТЕНИЙ

Георгий Валентинович Боос^{1, 2}, кандидат технических наук

Леонид Борисович Прикупец³, кандидат технических наук

Владимир Иванович Трухачёв⁴, академик РАН

Иван Германович Тараканов⁴, доктор биологических наук, профессор

Владислав Геннадьевич Терехов³, кандидат технических наук

¹НИУ «Московский энергетический институт», г. Москва, Россия

²ООО МСК «БЛ ГРУПП», г. Москва, Россия

³Всесоюзный научно-исследовательский светотехнический институт имени С.И. Вавилова, г. Москва, Россия

⁴Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, г. Москва, Россия

E-mail: ivatar@yandex.ru

Аннотация. В статье приведен анализ радикальных преобразований в секторе растениеводства защищенного грунта агропрома

России, связанных не только с резким увеличением масштабов использования технологий светокультуры растений, но и возрас-

тающим применением фитооблучателей на основе светодиодов. Показано, что внедрение последних привело к трансформации

основных представлений о возможностях искусственного освещения при светокультуре в промышленных теплицах и во многом

способствовало созданию принципиально новых многоярусных автоматизированных систем управляемого выращивания растений.

С использованием возможностей светодиодов на основе детальных фотобиологических исследований практического направления,

выполненных авторами, впервые сформулированы обоснованные требования к оптимальным светотехническим характеристикам

облучательных установок для светокультуры салата и базилика. Апробированная оригинальная методика может помочь

в решении аналогичных задач оптимального выращивания других видов растений. В статье приводятся материалы о создан-

ной нормативной и метрологической базе для светодиодного фитоосвещения, предлагаются необходимые меры для ускорения

массового внедрения светодиодных систем в современные теплицы со светокультурой растений.

Ключевые слова: теплицы, растениеводство защищенного грунта, светокультура, светодиоды, облучательные установки,

натриевые лампы высокого давления, фитооблучатели, вертикальные теплицы

“LED REVOLUTION” AND NEW OPPORTUNITIES

TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF PLANT LIGHT CULTURE

G.V. Boos^1,2, PhD in Engineering Sciences

L.B. Prikupets³, PhD in Engineering Sciences

V.I. Trukhachev⁴, Academician of the RAS

I.G. Tarakanov⁴, Grand PhD in Biological Sciences, Professor

V.G. Terekhov³, PhD in Engineering Sciences

¹NRU «Moscow Energy Institute», Moscow, Russia

²LLC MSK “BL GROUP”, Moscow, Russia

³S.I. Vavilov All-Union Scientific Research Lighting Engineering Institute, Moscow, Russia

⁴Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy, Moscow, Russia

E-mail: ivatar@yandex.ru

Abstract. An analysis of radical developments in the greenhouse crop production in Russia is presented; it is based both on the increase

of horticultural lighting technologies application and LED systems implementation. The latter resulted in the transformation of our basic

ideas about the possibilities of artificial lighting in the industrial greenhouses and triggered creation of the new generation of vertical

farming systems for the controlled environment agriculture. The advantages of LEDs application were studied in the series of photobi-

ological experiments; as the result, the light protocols for the lettuce and sweet basil plants production were developed for the first time.

The approved original methodology of such studies can be used to solve similar problems of optimal cultivation in other crops. The article

also reports on the development of metrological base for LED plant artificial lighting. The necessary measures to accelerate the mass

implementation of LED systems in modern greenhouses with horticultural lighting are suggested.

Keywords: greenhouses, crop production, protected soil, horticultural lighting, LEDs, irradiation installations, sodium lamps, phyto-

emitters, vertical farms

Динамичное развитие светодиодных систем ос-

боры со светодиодами (СД) значительно энергоэф-

вещения, получившее название «светодиодная рево-

фективнее своих предшественников, имеют срок

люция», привело в последнее десятилетие к быстрой

службы, исчисляемый десятками тысяч часов, обла-

замене традиционных световых приборов с лампами

дают высоким экологическим качеством.

накаливания и газоразрядными лампами на новые с

Современное растениеводство защищенного грун-

твердотельными источниками света. Световые при- та, базирующееся на использовании искусственного

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ НАУКИ • № 5-2022

РАСТЕНИЕВОДСТВО И СЕЛЕКЦИЯ

освещения (светокультура) - одна из приоритетных

областей применения светодиодных облучателей.

В настоящее время в стране продолжается период

активного строительства новых теплиц, оснащенных

современным оборудованием и технологиями. На

начало 2021 года общая площадь теплиц в России до-

стигла 3,0 тыс. га, а доля новых теплиц выросла до 60%.

[10] Особенность происходящих радикальных преоб-

разований в тепличном секторе - постепенное нарас-

тание доли теплиц со светокультурой в новых объектах

до 100%.

Тенденция перехода к круглогодичному выра-

щиванию овощей в теплицах в условиях светокуль-

туры характерна для всего мира. С 2016 до 2022 года

глобальный рынок тепличного освещения должен

увеличиться на 30%. [11] В России площади теплиц

Рис. 1. Динамика роста площади теплиц со светокультурой

со светокультурой за неполный указанный период

в России.

по нашим оценкам выросли более чем в три раза

(рис. 1). Пропорционально быстрому увеличению

СД-фитооблучатели отличаются высоким сроком

площадей со светокультурой становится больше

службы (до 50 000 ч) и стабильностью излучательных

облучателей в теплицах (световые точки) и растет

характеристик. В результате продолжающихся во

потребление электроэнергии. Количество фитооблу-

ВНИСИ имени С.И. Вавилова испытаний установ-

чателей с натриевыми лампами высокого давления

лено, что спад фотосинтетического фотонного пото-

(НЛВД) мощностью 600 и 1000 Вт с 2016 по 2020 год

ка (PPF) красно-синих (R - B) облучателей к 30 тыс.

в стране удвоилось и превысило 2 млн шт.

ч горения не превысил 10%.

Промышленное растениеводство в России пред-

Существует три направления конструирования

ставляет собой самый энергоемкий и энергоэф-

СД-фитооблучателей и эксплуатации ОУ свето-

фективный сектор применения светотехнического

культуры растений в сооружениях защищенного

оборудования. Основные характеристики совре-

грунта: для традиционного верхнего (top), между-

менной светокультуры растений: удельная элек-

рядного (interlighting) освещения и освещения

трическая мощность (Р₁)облучательных установок

многоярусных фитоустановок (вертикальные те-

(ОУ) с НЛВД -до 250 Вт/м², уровень освещенности

плицы). Все три типа СД-фитооблучателей с па-

(облученность) - Е = 10…30 клк (плотность потока

раметрами соответствующими мировому уровню

фотонов - 130…400 мкмоль/м²·с), среднегодовой

разработаны ВНИСИ имени С.И. Вавилова со-

расход электроэнергии на 1 кг продукции до 15 кВт·ч,

вместно с МСК «БЛ ГРУПП» и внедрены в серий-

время работы ОУ в год - до 5000 ч. Количество

ное производство.

электроэнергии, потребляемой на технологическое

освещение теплиц с 2010 года к началу 2021 увели-

Многоярусная автоматизированная фитоуста-

чилось не менее чем в три раза до уровня 6,0 млрд

новка (МАФУ).

кВт·ч/год. Чтобы подчеркнуть уникальность энер-

Появление и быстрое распространение МАФУ

гоемкости светокультуры в масштабе всей страны

(вертикальная ферма или сити-ферма) связано

отметим, что на площади сооружений защищенно-

с СД-излучателями, не имеющими конкуренции

го грунта 3,7×3,7 км² расходуется электроэнергии

в таких установках. Ртутьсодержащие люминес-

почти столько же, сколько в наружном освещении

центные лампы нельзя использовать в МАФУ по

городов России.

экологическим соображениям, а НЛВД - из-за

большой концентрации мощности и высокой тем-

Светодиодное фитоосвещение и новые возможности

пературы на колбе лампы.

светокультуры растений.

Как прообраз будущих полностью автоматизи-

Радикальные изменения на рынке тепличного

рованных фабрик растений, МАФУ разрабатывают

освещения происходят на фоне быстрого разви-

с учетом последних достижений в светофизиологии

тия СД-источников излучения и постепенного

растений и светотехники. Возможности создания

замещения ими облучателей с НЛВД в теплицах. [6]

особого спектра в области ФАР при высоком энер-

Данные рисунка 2 характеризуют динамику ро-

гетическом уровне излучения, простое и эффектив-

ста эффективности представляющих интерес для

ное регулирование спектра и управления уровнем

светокультуры цветных (R - красный, G - зе-

облученности в ОУ обеспечивают хорошие пер-

леный и B - синий), а также белых СД ведущих

спективы для инновационных систем выращивания

зарубежных фирм. В нашей стране начато серий-

растений. Применение МАФУ помогло максимально

ное производство первых отечественных СД для

приблизить продукцию к потребителю. Вначале на

фитооблучателей в ООО МСК «БЛ ГРУПП». По

них выращивали салатные растения, позднее стали

эффективности светодиодные облучатели значи-

осваивать производство ягодных культур, томатов,

тельно превосходят традиционные с НЛВД, за-

огурцов, перцев, баклажанов, лекарственных рас-

мена которых в ОУ теплиц способна обеспечить

тений и даже саженцев древесных культур. Кро-

экономию электроэнергии на 40…50% (рис. 3),

ме крупных сельскохозяйственных предприятий

что в масштабе всего сектора теплиц России мо-

принцип вертикального земледелия (локальные

жет составить 2,5…3,0 млрд кВт·ч/год.

МАФУ) используют в супермаркетах, ресторанах,

РАСТЕНИЕВОДСТВО И СЕЛЕКЦИЯ

Во всем мире МАФУ рассматривается как ин-

теллектуальная инновация, на платформе которой

возможно апробировать роботизированное сель-

скохозяйственное производство будущего с ком-

пьютерным управлением IoT (интернет вещей),

сбором данных в условиях реального времени о со-

стоянии растений и параметрах среды, передачей

их в «центральный облачный мозг» и после соот-

ветствующей обработки обеспечением оптимиза-

ции процесса выращивания растений с помощью

«искусственного интеллекта».

СД-фитооблучатели в теплицах.

Несмотря на заметные объемы внедрения СД в

тепличные ОУ (с 2017 года в отечественных теплицах

Рис. 2. Динамика роста эффективности цветных

эксплуатируется около 400 тыс. СД-облучателей)

и белых светодиодов ведущих мировых производителей

этот процесс находится в начальной стадии. СД-

(2008-2020 годы). Серый столбец - белые СД.

облучатели установлены на части площадей лишь

в десяти крупных тепличных комбинатах страны.

Основной сдерживающий фактор - их высокая

стоимость по сравнению с натриевыми светильни-

ками. Технико-экономический анализ показывает,

что окупаемость затрат на ОУ с СД-облучателями

возможна не ранее шести-семи лет эксплуатации. [9]

Для продвижения СД в теплице можно рассмо-

треть гибридные (НЛВД + СД) облучательные уста-

новки, при этом СД-облучатели чаще используют

для междурядного освещения растений. С учетом

преимуществ по энергоэффективности СД-решений

возможны два основных принципа конструирова-

ния указанных гибридных ОУ: 1) обеспечение пря-

мой экономии электроэнергии на уровне 30…50%

при постоянной и соответствующей ОУ с НЛВД об-

лученности; 2) сохранение постоянными и соответ-

ствующими ОУ с НЛВД затрат на электроэнергию

Рис. 3. Эффективность искусственного освещения

при увеличении уровня облученности и продуктив-

при светокультуре растений.

ности растений.

С учетом того, что массовое использование СД-

медицинских станциях, дошкольных учреждениях

облучателей в промышленных теплицах помогает ре-

и так далее.

шать задачи крупномасштабного энергосбережения

Во ВНИСИ на МАФУ с 2019 года средняя уро-

важно разработать эффективные меры стимулирова-

жайность салата составила 0,15 кг/м² в день или

ния процесса замены натриевых облучателей на свето-

55 кг/м² в год, что на 30% выше, чем в теплице. При

диодные.

этом затраты электроэнергии на 1 кг - 9,6 кВт·ч.

С учетом достижимой в условиях фитотрона

Вопросы стандартизации и фотометрии в СД-

продуктивности пшеницы 150 кг/м² в год [3], весь

освещении.

ее годовой урожай в России (90 млн т) может быть

Для развития светокультуры и СД-освещения

выращен на фабрике с десятью технологическими

необходима соответствующая нормативная база.

ярусами на площади основания в виде условного

В связи с созданием и появлением в теплицах

квадрата со стороной 15 км. [8]

и других культивационных сооружениях разноспек-

Рис. 4. «Световые кривые» продуктивности для растений салата Ландау (а) и базилика Русский гигант (б).

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ НАУКИ • № 5-2022

РАСТЕНИЕВОДСТВО И СЕЛЕКЦИЯ

Благодаря стандартам [1, 2, 4, 5], в отечественную

скую коррекцию параметров освещения во время

практику тепличного освещения введена новая систе-

вегетации растений. Необходимы принципиально

ма фотосинтетических фотонных величин, получены

новые подходы, основанные на возможности эф-

необходимые интегральные соотношения, устанав-

фективного регулирования их фотосинтетической

ливающие связь между энергетическими, световыми

активности и продукционного процесса, широком

и фотонными величинами при фотометрических из-

использовании современных цифровых техноло-

мерениях в ОУ для светокультуры растений.

гий (компьютерное зрение и машинное обучение,

искусственный интеллект, интернет вещей). Соз-

Фотобиологические исследования (ФБИ) с ис-

дание, практическое применение комплекса про-

пользованием СД-облучателей для оптимизации све-

граммно-аппаратных решений и роботизирован-

тотехнических параметров ОУ.

ных интеллектуальных подходов для выращивания

Широкие возможности вариации спектральных

сельскохозяйственных растений в закрытых систе-

характеристик СД стимулировали ФБИ во всем мире.

мах («умные теплицы»), которые могут значитель-

Уже получены интересные результаты о влиянии

но снизить производственные затраты и повысить

спектра ФАР, уровня облученности и фотопериода

производительность труда, - одно из ключевых

на продуктивность и синтез важнейших соедине-

направлений в развитии передовых технологий

ний химического состава у растений.

растениеводства. В РГАУ-МСХА, НЦМУ «Агро-

Представлены методика и результаты выпол-

технологии будущего» в содружестве с ВНИСИ

ненных авторами настоящей статьи исследова-

имени С.И. Вавилова, а также созданным на его

ний на салатно-зеленных культурах в условиях

базе НПЦ «Светокультура» проводятся исследова-

фитотрона Лаборатории искусственного климата

ния в рамках проекта «Разработка наукоемких тех-

РГАУ-МСХА. [7] Для растений указанного класса

нологий интенсивного культивирования растений

(салат Ландау и базилик Русский гигант) в широком

(«умная» сити-ферма). [13]

диапазоне облученности - 70…250 мкмоль/с·м²

Продолжение исследований предполагает на-

получены «световые кривые» продуктивности для

копление данных по фенотипированию целе-

излучения основных диапазонов ФАР, подтверж-

вых культур на анализирующих фонах (световые

дающие приоритетное значение красного диапазо-

режимы), а также разработку адаптированной

на (рис. 4).

к системам интенсивного культивирования про-

Реакция растений (продуктивность) неадди-

граммы изучения растений и посевов на основе

тивно меняется от спектрального состава и облу-

методов анализа изображений с использованием

ченности. Спектр действия продуктивности, даже

подходов компьютерного зрения и машинного

для вегетативных растений, зависит от уровня об-

обучения (виртуальная сити-ферма, управляю-

лученности и должен оцениваться по двухмерным

щая реальной).

шкалам (λ, E) (рис. 5). Инвариантного спектра

действия продуктивности культур (аналогично

Заключение. Для решения указанных задач

спектру действия фотосинтеза по McCree [12]) не

важна поддержка междисциплинарного научно-

существует.

технического сотрудничества, которая позволила

Большая часть проведенных ФБИ посвящена

авторам настоящей статьи апробировать новые ме-

задаче определения оптимальной с точки зрения

тодики, создать технические средства и получить

продуктивности растений спектральных RB (красно-

результаты, имеющие фундаментальное, теорети-

синяя) и RGB (красно-зелено-синяя) комбинаций

ческое и практическое значение.

ФАР. [8] Результаты исследований на основе боль-

Следующий этап после проведенных фотобио-

шого числа экспериментальных данных позволи-

логических исследований в фитотроне - пилотные

ли определить по три спектральные комбинации

испытания СД-систем фитооблучения в теплицах.

для каждой культуры с однозначным приоритетом

С учетом большого потенциала и высокого

красного диапазона ФАР для салата и более сбалан-

экологического эффекта, достигаемого при заме-

сированного спектрального распределения ФАР

не существующих систем фитооблучения с НЛВД

с обязательным добавлением синего и даже зелено-

на светодиодные, необходимо рассмотреть на фе-

го для базилика (рис. 6).

деральном и региональном уровнях возможность

В связи с тем, что физические принципы СД-

стимуляции процесса перехода на светодиод-

техники позволяют реализовать выявленные на ос-

ное освещение в теплицах, в том числе, начиная

нове детальных ФБИ требования не только к благо-

с гибридных облучательных установок. Важное

приятному спектру, но и уровню облученности [7],

значение может иметь освоение производства

можно создавать светотехническую технологию,

отечественных фитосветодиодов, как основного

как важнейший элемент макротехнологии свето-

фактора снижения себестоимости облучателей

культуры конкретных растений, с компьютерным

и импортозамещения зарубежных аналогов.

управлением их хозяйственного выращивания

На наш взгляд, комплекс научно-исследова-

(cyber-agriculture). При этом подбор оптимальных

тельских и опытно-конструкторских работ по обе-

световых режимов («световые рецепты») - одно из

спечению инновационных междисциплинарных

важнейших направлений исследований в области

исследований, созданию высокоэффективных све-

интеллектуальных технологий интенсивного выра-

тотехнических средств для светокультуры растений

щивания растений.

и продвижению их на рынок отечественных соору-

Дальнейшее развитие систем СД-освещения

жений защищенного грунта может найти отраже-

связано с разработкой протоколов управления,

ние в Федеральной программе развития сельского

обеспечивающих точную настройку и автоматиче-

хозяйства России на 2019-2025 годы.

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ НАУКИ • № 5-2022

РАСТЕНИЕВОДСТВО И СЕЛЕКЦИЯ

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

REFERENCES

1. ГОСТ Р 57671-2017. Приборы облучательные со све-

1. GOST R 57671-2017. Pribory obluchatel’nye so svetodiod-

тодиодными источниками света для теплиц. Общие

nymi istochnikami sveta dlya teplic. Obshchie tekhnichesk-

технические условия. Введ. 2017-12-01. М.: Стандар-

ie usloviya. Vved. 2017-12-01. M.: Standartinform, 2017.

тинформ, 2017.

2. GOST R 58461-2019. Osveshchenie rastenij v sooruzheni-

2. ГОСТ Р 58461-2019. Освещение растений в сооруже-

yah zashchishchennogo grunta. Terminy i opredeleniya.

ниях защищенного грунта. Термины и определения.

Vved. 2020-01-01. - M.: Standartinform, 2019.

Введ. 2020-01-01. М.: Стандартинформ, 2019.

3. Lisovskij G.M., Dolgushev V.A. Ocherki chastnoj sveto-

3. Лисовский Г.М., Долгушев В.А. Очерки частной свето-

kul’tury rastenij. Novosibirsk: Izd. «Nauka», 1986.

культуры растений. Новосибирск: Изд. «Наука», 1986.

4. PNST 211-2017. Obluchenie rastenij svetodiodnymi is-

4. ПНСТ 211-2017. Облучение растений светодиодными

tochnikami sveta. Metody izmerenij. Vved. 2017-12-01.

источниками света. Методы измерений. Введ. 2017-

M.: Standartinform, 2017.

12-01. М.: Стандартинформ, 2017.

5. PNST 410-2020. Svetokul’tura rastenij. Normy iskusstven-

5. ПНСТ 410-2020. Светокультура растений. Нормы ис-

nogo osveshcheniya dlya zelennyh kul’tur. Vved. 2021-01-

кусственного освещения для зеленных культур. Введ.

01. M.: Standartinform, 2020.

2021-01-01. М.: Стандартинформ, 2020.

6. Prikupets L.B. Svetodiody v teplichnom osveshchenii: voz-

6. Прикупец Л.Б. Светодиоды в тепличном освещении:

mozhnosti i real’nost’ // Svetotekhnika. 2019. Special’nyj

возможности и реальность // Светотехника. 2019. Спе-

vypusk. Tema nomera: «Mezhdunarodnaya nauchno-tekh-

циальный выпуск. Тема номера: «Международная на-

nicheskaya konferenciya po primeneniyu svetodiodnyh fi-

учно-техническая конференция по применению све-

toobluchatelej». S. 8-12.

тодиодных фитооблучателей». С. 8-12.

7. Prikupets L.B., Boos G.V., Terekhov V.G., Tarakanov I.G.

7. Прикупец Л.Б., Боос Г.В., Терехов В.Г., Тараканов

Issledovanie vliyaniya izlucheniya v razlichnyh diapazo-

И.Г. Исследование влияния излучения в различных

nah oblasti FAR na produktivnost’ i biohimicheskij sostav

диапазонах области ФАР на продуктивность и био-

biomassy salatno-zelennyh kul’tur // Svetotekhnika. 2018.

химический состав биомассы салатно-зеленных куль-

№ 5. S. 6-12.

тур // Светотехника. 2018. № 5. С. 6-12.

8. Prikupets L.B., Boos G.V., Terekhov V.G., Tarakanov

8. Прикупец Л.Б., Боос Г.В., Терехов В.Г., Тараканов И.Г.

I.G. Optimizaciya svetotekhnicheskih parametrov pri

Оптимизация светотехнических параметров при свето-

svetokul’ture salatno-zelennyh rastenij s ispol’zovaniem

культуре салатно-зеленных растений с использованием

svetodiodnyh izluchatelej // Svetotekhnika. 2019. № 4.

светодиодных излучателей // Светотехника. 2019. № 4.

S. 6-13.

С. 6-13.

9. Pchelin V.M., Makarova I.E. Ocenka sostoyaniya i

9. Пчелин В.М., Макарова И.Е. Оценка состояния и пер-

perspektiv razvitiya sistem oblucheniya v sovremennyh

спектив развития систем облучения в современных те-

teplichnyh kompleksah // Svetotekhnika. 2018. № 1.

пличных комплексах // Светотехника. 2018. № 1. С. 23-27.

S. 23-27.

10. Ситников А.В. Основные итоги и перспективы раз-

10. Sitnikov A.V. Osnovnye itogi i perspektivy razvitiya

вития защищенного грунта // Теплицы России. 2021.

zashchishchennogo grunta // Teplicy Rossii. 2021. № 1

№ 1. С. 9-13.

S. 9-13.

11. Smallwood P. Tracking the Horticulture SSL Market and

Technology // Horticultural Lightning Conference - USA.

Denver, Colorado. 2017.

12. McCree K.J. The action spectrum, absorbance and quan-

tum yield of photosynthesis in crop plants // Agric. Mete-

orology. 1972. P. 192-216.

13. Tarakanov I.G., Tovstyko D.A., Lomakin M.P. et al. Effects

13. Tarakanov I.G., Tovstyko D.A., Lomakin M.P. et al. Ef-

of light spectral quality on the photosynthetic activity, bio-

fects of light spectral quality on the photosynthetic activ-

mass production, and carbon isotope fractionation in lettuce,

ity, biomass production, and carbon isotope fractionation

Lactuca sativa L., plants. // Plants. 2021. 10/x. https://doi.

in lettuce, Lactuca sativa L., plants. // Plants. 2021. 10/x.

org/10.3390/

https://doi.org/10.3390/