Какой цвет света нужен для роста растений. Как выбрать правильные светодиоды для растений

Свет солнечный или от специальных ламп, применяемых для выращивания овощей, не является однородной субстанцией, а представляет собой соединение электромагнитных волн с различной длиной, плавно переходящих друг в друга. Соединение это носит название спектра света, а составляющие - спектральные части.
На растения свет воздействует прямо или косвенно всеми частями спектра - видимыми глазом и невидимыми. Видимый свет носит название белого, а невидимые составляют инфракрасную и ультрафиолетовую части. Весь видимый свет с ближними отрезками считается физиологически (или фотосинтетически) активной радиацией (ФАР).
Каждая часть солнечного спектра имеет свою длину волны, которая измеряется в миллимикронах, или нанометрах (нм). Ультрафиолетовая часть лежит ниже 380 нм, фиолетовая - в зоне 380-430 нм, синяя - 430-490 нм, зеленая - 490-570 нм, желтая - 570-600 нм, красная - 600-780 нм, инфракрасная - выше 780 нм. Кроме видимой части (380-780 нм) на рост и развитие растений оказывают существенное влияние ультрафиолет до 295 нм и инфракрасные лучи до 2500 нм.
С увеличением высоты Солнца происходят изменения в процентном отношении отдельных составляющих спектра. Так, увеличивается количество лучей ультрафиолетовых и снижается количество инфракрасных. В видимом свете все части растут, а красная часть резко сокращается. В начальной стадии подъема Солнца над горизонтом в его лучах отсутствует свет от синего до ультрафиолетового.
Овощные растения в любом месте возделывания испытывают на себе постоянно меняющийся спектральный количественный и качественный состав света. Более полный свет во всех отношениях получают культуры в открытом грунте. В теплицах света по количеству может быть до 30% меньше, из-за ограждающих материалов и степени их чистоты. Через стекло не проходят лучи с длиной волны менее 340 нм, а пленка пропускает длинноволновые инфракрасные лучи.
Попытки улучшить световые условия под пленками выражались созданием специальных материалов, окрашенных в синий и красный цвета. Широкого применения такие пленки не нашли.
Затруднительно точно спрогнозировать урожаи разных культур от получаемого ими света. Это связано с постоянно меняющимися по интенсивности и спектру его характеристиками. Если одну и ту же овощную культуру выращивать в разных условиях среды, то минимальный урожай будет в открытом грунте. Здесь, кроме резких изменений освещенности, накладываются дополнительно и не менее резкие колебания температуры, влажности, скорости ветра. В теплицах урожаи всегда будут выше, так как можно отчасти регулировать другие параметры микроклимата, хотя и при общем ослаблении освещенности. На максимально возможные урожаи можно рассчитывать только в специальных камерах искусственного климата, где в течение светового дня стабильны интенсивность освещения и спектр света растениеводческих ламп. К этому добавляется ежесуточная однотипность других показателей среды.
Камеры для овощей не нашли до сих пор распространения в силу не только дорогостоящего по сравнению с любыми теплицами оборудования, но и потому, что даже самые эффективные лампы имеют КПД не более 40%, а остальная электроэнергия не преобразуется в световой поток, а теряется в оборудовании. Кроме того, требуется дополнительно тратить энергию на понижение температуры от нагревательного действия ламп.
Спектр естественного света изменяется не только в течение дня, но и от разной облачности. Свет, проходящий через легкие облака, бывает беден ультрафиолетовой, сине-фиолетовой и инфракрасной радиацией. В рассеянном свете гораздо больше, чем в прямом, оранжево-красных лучей. Такой свет является более полезным для фотосинтеза растений.
Для тепличных огурцов в целом свет более благоприятен от южных районов к северным. Именно в северной зоне, включая приполярную, теоретически и практически возможно получение более высоких урожаев огурцов.
Это объясняется тем, что в северных широтах преобладает свет рассеянный. Хотя его количество составляет одну десятую часть интенсивности прямых солнечных лучей, зато он поглощается растениями почти полностью. От такого света нет перегрева листьев, стабильны фотосинтез, дыхание и транспирация растений.
Каждому участку спектра света предназначена своя роль в жизнедеятельности растений.
Ультрафиолетовое излучение менее 280 нм является гибельным для растений. От 10-15 мин такого воздействия теряют структуру растительные белки и прекращают деятельность клетки. Внешне это проявляется в пожелтении и побурении листьев, скручивании стеблей и отмирании точек роста. Но солнечная часть жесткого ультрафиолета не достигает земной поверхности, задерживаясь озоновым слоем. Такое облучение растения могут получить только от треснувших облучательных ламп.
Длинные ультрафиолетовые лучи (315-380 нм) необходимы для обмена веществ и роста растений. Они задерживают вытягивание стеблей, повышают содержание витамина C и других. Средние лучи (280-315 нм) действуют наподобие пониженных температур, способствуя процессу закаливания растений и повышая их холодостойкость. На хлорофилл ультрафиолетовые лучи практически не действуют, но у растений, перемещенных из темноты на свет (этиолированных), он интенсивно образуется.
Лучи фиолетовые и синие тормозят рост стеблей, листовых черешков и пластинок, формируют компактные растения и более толстые листья, позволяющие лучше поглощать и использовать свет в целом. Эти лучи стимулируют образование белков, органосинтез растений, переход к цветению короткодневных растений, замедляют развитие растений длиннодневных. Сине-фиолетовая часть спектра света почти полностью поглощается хлорофиллом, что создает условия для максимальной интенсивности фотосинтеза.
Зеленые лучи практически проходят через листовые пластинки, не поглощаясь ими. Последние под их действием становятся очень тонкими, а осевые органы растений вытягиваются. Уровень фотосинтеза - самый низкий.
Красные лучи в сочетании с оранжевыми представляют собой основной вид энергии для фотосинтеза. Наиболее важной является область 625-680 нм, способствующая интенсивному росту листьев и осевых органов растений. Этот свет очень полно поглощается хлорофиллом и увеличивает образование углеводов при фотосинтезе. Зона красно-оранжевого света имеет решающее значение для всех физиологических процессов в растениях.
Ученые установили особенность красных лучей (600-690 нм) низкой интенсивности (не выше 620 лк) активно воздействовать на физиологические процессы в растениях, чувствительных к смене света темнотой и обратно (фотопериодических). Это в первую очередь относится к тепличным томатам и огурцам. При облучении их в вечерние сумеречные часы указанным светом специальных ламп был получен эффект ускорения развития, усиления ростовых процессов и повышения урожайности.
Инфракрасные лучи различно воздействуют на растения. На ближний инфракрасный свет (до 1100 нм) слабо реагируют томаты и довольно сильно огурцы. Этот диапазон света действует на растяжение подсемядольного колена, стеблей и побегов. Ближнее излучение при низких температурах может частично поглощаться хлорофиллом и не перегревать лист, что будет полезно для фотосинтеза. Более длинные лучи только повышают температуру листа. По мере возрастания их длины лист начинает завядать с конечным результатом его гибели, как и всего растения.
Точно зная действие каждого участка солнечного спектра на овощные и другие культуры, ученые создают растениеводческие лампы с оптимизированным светом для выращивания рассады в теплицах и культур в условиях камер.

Спектр дневного света

Из школьного курса физики известно, что знаменитая формула: Каждый Охотник Желает Знать - Где Сидит Фазан описывает очередность расположения в спектре белого цвета семи основных цветов, если перечислять их в обратной последовательности (справа - налево).

В нанометрах (нм).

Количественно цвет или спектральная составляющая характеризуется длиной волны, которая измеряется в нанометрах (нм). Белый свет занимает область длин волн от 400 до 800 нм. При этом фиолетовый расположен в левой (короткие волны) части (400 нм), а красный - в правой (длинные волны)части диапазона (800 нм).
В левой части - переход в область ультрафиолетового излучения, в правой - в область инфракрасного (теплового) излучения.
Замечу сразу, что применительно к жизни растений принято красный свет делить на просто красный (660 нм) и дальний красный (730 нм). В чем их разница - об этом чуть ниже. Но это очень важные участки спектра.

Совсем детский вопрос: почему днем свет - белый, а окружающий нас мир - цветной? Почему какие-то поверхности, предметы, объекты имеют тот или иной цвет?
Ответ прост: если поверхность непрозрачного предмета (частицы, его составляющие) отражает, например, красную часть спектра, а остальные - поглощает, то мы будем видеть ее тоже красной. Аналогично и с другими цветами или их комбинациями.

Фотосинтез

Представим себе уже достаточно взрослое растущее зеленое растение.
Главные условия его жизни: солнце, воздух и вода (плюс минеральное питание из почвы). Солнечный свет - источник энергии, диоксид углерода (углекислый газ) воздуха - источник углерода (главного строительного материала) и вода - источник кислорода, входящего в ее состав (на молекулярном уровне).
И все эти три жизненные силы объединены процессом фотосинтеза, при котором происходит образование органических веществ (углеводов) благодаря энергии света при участии фотосинтезирующего пигмента - хлорофилла.
Днем, на свету вода разделяется на кислород и водород и запасается энергия. Ночью, в темноте углекислый газ соединяется благодаря запасенной энергии с водородом, и образуются молекулы углеводов.
Заметим, что выделяющимся в результате световой фазы фотосинтеза кислородом дышит все живое на Земле.

Как же влияет на фотосинтез спектральный состав солнечного или иного света?
Давайте вспомним - почему лист растения зеленый? Правильно, именно потому, что его поверхность отражает (а значит - не поглощает) зеленый свет. А это свойство объясняется именно присутствием в зеленом листе пигмента хлорофилла. И поглощает хлорофилл свет (а значит и энергию) из красной и синей областей спектра дневного света.
Отсюда вывод применительно к фотосинтезу: желто-зеленая составляющая дневного света практически бесполезна для роста и жизни растения, а нужен ему - красный и синий свет.

Но давайте все же не забывать, что все сказанное про фотосинтез относится к взрослому (или достаточно подросшему) растению. А нас интересуют особенно первые дни или даже часы жизни растения, прорастающего из семени.

И оказывается, что здесь есть свои законы, возможно даже более сложные, чем процессы фотосинтеза. Который не происходит по той простой причине, что в проростке пока еще нет хлорофилла, без которого фотосинтез, а значит, рост и сама жизнь растения - невозможны. Как же разорвать этот порочный круг?
И тут появляется новое понятие - фотоморфогенез.

Фотоморфогенез

Фотоморфогенез - это процессы, происходящие в растении под влиянием света различного спектрального состава и интенсивности. В них свет выступает не как первичный источник энергии, а как сигнальное средство, регулирующее процессы роста и развития растения. Можно провести некую аналогию с уличным светофором, автоматически регулирующим дорожное движение. Только для управления природа выбрала не "красный - желтый -зеленый", а другой набор цветов: "синий - красный - дальний красный".

И первое проявление фотоморфогенеза возникает в момент прорастания семени.
Про строение семени и особенности прорастания я уже рассказывал в статье про рассаду. Но там были опущены подробности, связанные с сигнальным действием света.Восполним же этот пробел.

Итак, семя проснулось от спячки и начало прорастать, находясь при этом под слоем почвогрунта, т.е в темноте. Замечу сразу, что мелкие семена, посеянные поверхностно и не присыпанные ничем, тоже прорастают в темноте ночью.
Кстати, по наблюдениям, вообще вся раасада, стоящая в светлом месте, прорастает ночью и увидеть массовые всходы можно утром.
Но вернемся к нашему несчастному проклюнувшемуся семени. Проблема заключается в том, что даже появившись на поверхность почвы, росток об этом не знает и продолжает активно расти, тянуться к свету, к жизни, пока не получит специального сигнала: стоп, можно дальше не спешить, ты уже на свободе и будешь жить. (Мне кажется, люди не сами придумали красный стоп-сигнал для водителей, а украли его у природы...:-).
И такой синал он получает не от воздуха, не от влаги, не от механического воздействия, а от кратковременного светового излучения, содержащего красную часть спектра.
А до получения такого сигнала проросток находится в так называемом этиолированном состоянии. В котором он имеет бледный вид и крючковатую согбенную форму. Крючок - это вышедший наружу эпикотиль или гипокотиль, нужный для защиты почечки (точки роста) при продирании через тернии к звездам, и он сохранится, если рост продолжится в темноте и растение будет оставаться в этом этиолированном состоянии.

Для вывода растения из такого состояния достаточно ежедневного кратковременного освещения продолжительностью от 5 до 10 минут.

Красный свет

Почему это происходит - еще немного теории. Оказывается, кроме хлорофилла, в любом растении есть еще один замечательный пигмент, имеющий название - фитохром. (Пигмент - это белок, имеющий избирательную чувствительность к определенному участку спектра белого света).
Особенность фитохрома заключается в том, что он может принимать две формы с разными свойствами под воздействием красного света (660 нм) и дальнего красного света (730 нм), т.е. он обладает способностью к фотопревращению. Причем поочередное кратковременное освещение тем или другим красным светом аналогично манипулированию любым выключателем, имеющим положение "ВКЛ-ВЫКЛ", т.е. всегда сохраняется результат последнего воздействия.
Это свойство фитохрома обеспечивает слежение за временем суток (утро-вечер), управляя периодичностью жизнедеятельности растения. Более того, светолюбивость или теневыносливость того или иного растения также зависит от особенностей имеющихся в нем фитохромов. И, наконец, самое главное - цветением растений также управляет... фитохром! Но об этом - в следующий раз.

А пока вернемся все же к нашему проростку (ну почему ему так не везет...) Фитохром, в отличие от хлорофилла, есть не только в листьях, но и в семени. Участие фитохрома в процессе прорастания семян для некоторых видов растений таково: просто красный свет стимулирует процессы прорастания семян, а дальний красный - подавляет прорастание семян. (Возможно, что именно поэтому семена и прорастают ночью). Хотя, это и не является закономерностью для всех растений. Но в любом случае, красный спект более полезен (он стимулирует), чем дальний красный, который подавляет активность жизненных процессов.

Но предположим, что нашему семечку повезло и оно проросло, появившись на поверхности в этиолированном виде. Теперь достаточно кратковременного освещения проростка, чтобы запустить процесс деэтиоляции: скорость роста стебля снижается, крючок распрямляется, начинается синтез хлорофилла, семядоли начинают зеленеть.
И все это, благодаря красному свету. В солнечном дневном свете обычных красных лучей больше, чем дальних красных, поэтому днем высока активность растения, а ночью оно переходит в неактивную форму.

Как же различить эти два близких участка спектра "на глаз" для источника искуственного освещения? Если вспомнить, что красный участок граничит с инфракрасным, т.е. тепловым излучением, то можно предположить, что чем теплее "на ощупь" излучение, тем больше в нем инфракрасных лучей, а значит и дальнего красного света. Подставьте руку под обычную лампочку накаливания или под люминесцентную лампу дневного света - и почувствуете разницу.

Синий свет

Ну вот, с красным светом немного разобрались. А теперь вернемся к нашим баранам, точнее - фазанам из знаменитой формулы, которые олицетворяют собой фиолетово-синюю область спектра. И попытаемся разобраться, как же влияет на жизнь проростка синий свет. Заметим, что желто-зеленая часть спектра практически никак не влияет: ни холодно от него - ни жарко.

Итак, синий свет - чем же он хорош или плох. На самом деле - синий цвет играет также важную роль в жизни растений, благодаря другому пигменту - криптохрому, который реагирует на синий свет в диапазоне от 400 до 500 нм.
Для взрослых растений синий цвет, в частности, регулирует ширину устьиц листьев, управляет движением листьев за солнцем, угнетает рост стеблей.

Применительно к прорастающему растению очень важна роль синего света в сдерживании роста стебля и гипокотиля, т.е. в ограничении "вытягивания" рассады. Синий свет также угнетает прорастание семян.
Кроме того, синий свет управляет изгибом проростка и стебля: со стороны источника синего света рост клеток тормозится, поэтому стебль изгибается в сторону источника света. Наверное, все наблюдали рассаду, согнутую в сторону окна - это из-за синего света. Название этого явления - фототропизм.
Синий свет (а к нему можно отнести и ультра-фиолетовую часть спектра) стимулирует деление клеток, но тормозит их растяжение. Кстати, именно поэтому для альпийских растений, растущих на высокогорных лугах с большим процентом ультрафиолета, характерна розеточная, низкорослая форма. А при недостатке синего света (например, в загущенных посадках или под стеклом) растения вытягиваются.

Москитная сетка на двери на магнитах.

Практические выводы

Можно ли из всего сказанного выше сделать какие-то практические выводы применительно к выращиванию рассады? Давайте попробуем.

При этом нас будет интересовать выращивание рассады ранней весной в квартире в условиях короткого светового дня, требующего применения источников искусственного освещения. Здесь рассаду поджидает много неприятностей, связанных с особенностями освещения, поэтому вмешательство человека и его правильное поведение чрезвычайно важны. Гораздо проще дело обстоит в более поздее время года и в условиях открытого воздуха (в саду) - там регулирующую роль берет на себя солнце.

Первый вопрос - где лучше проращивать рассаду: на свету или в темноте?

На свету, на подоконнике.
Положительная сторона - сразу же после прорастания проростки гарантированно получат дозу света, тот самый сигнал, который выведет их из состояния прорастания. Отрицательная сторона - возможно тормозящее, угнетающее воздействие красных и синих лучей на прорастание семян.

В темноте или закрытом от света месте.
Положительная сторона - больше шансов на прорастание, т.к. исключено угнетающее действие света.
Отрицательная сторона - если вовремя не отреагировать на появившиеся всходы, то велика вероятность получения вытянутой рассады.

Из практических соображений первый вариант более предпочтителен в тех случаях, когда не всегда есть возможность регулярного контроля за состоянием рассады.
Но мне кажется, что возможен еще и компромиссный, хотя и менее удобный вариант: днем плошки с посеянными семенами держать в темном месте, а на ночь выставлять их на подоконник к свету. Тогда и волки сыты будут и овцы - целы... Семена ночью прорастут, а утром - солнышко вот оно.
Ну и самый экзотический вариант (когда погода пасмурная или окна северные)- утром, обнаружив проростки, в течениие 10 минут светить на них достаточно ярким белым светом с помощью какого-либо светильника.

Второй вопрос - чем подсвечивать взошедшую, уже растущую рассаду?
При выборе светильника в первую очередь нужно обращать внимание на его спектральную характеристику. При этом яркость и мощность решающего значения не имеют.
К сожалению, информация о спектре большинства бытовых светильников отсутствует, поскольку не входит категорию нормируемых параметров. А приводимая иногда в рекламе информация с трудом поддается проверке из-за сложности спектральных измерений, к тому же требующих специальных измерительных приборов.
Замечу, что речь не идет о специальных профессиональных светильниках, а лишь только о бытовой осветительной продукции.

Тем не менее, минимальная информация качественного характера общеизвестна и из ее анализа можно сделать какие-то предположения.
Обычные лампы накаливания не годятся, т.к. в их спектре много желтого и инфракрасного излучения, но мало синего света.
Более удачно применение люминесцентных светильников дневного света, спектр свечения которых более равномерен и не содержит инфракрасных (тепловых) лучей.
И хотя в нем есть какая-то доля излучения желто-зеленой части спектра, но она, хотя и не дает пользы, но и вреда особого не приносит, т.к. хлорофилл просто-напросто отражает этот свет. В то же время присутствие синей составляющей в их излучении будет способствовать торможению роста стеблей, тем самым препятствуя вытягиванию рассады.
Естественно, любые искусственные светильники разумно использовать только в вечерние и ранне-утренние часы, днем лучше пользоваться естественным освещением от окна.

И в заключение - немного собственного опыта (совсем свежего).
В этом году появилось желание сдвинуть посевную кампанию на месяц-полтора в более раннюю сторону (январь-февраль) с тем, чтобы освободить апрель для аналогичной деятельности в саду в открытом грунте.
Сказано - сделано. И в середине-конце января с интервалом в неделю было засеяно семенами некоторое количество плошек. Ну, а дальше события развивались по сценарию, описанному выше. Единственной проблемой было только то обстоятельство, что эту вот статью я тогда еще не успел прочитать, по той простой причине, что еще не написал ее. Поэтому все делалось практически вслепую.
И тем не менее сейчас (в начале апреля) на подоконнике днем, и на столе под лампой - вечером красуется примерно 20-30 плошек с неплохо выглядящей цветочной рассадой. А шесть штучек пеларгоний (по UNWINS"овской терминологии - гераней) чернолистных уже стоят распикированными в горшочки и уже с фигурными листьями (правда, пока еще не черными).

Но оставим хвастовство и вернемся к лампе. Это просто настольная лампа дневного света, по всей видимости - люминесцентная, но бездроссельная, а потому - совершенно бесшумная. Куплена в обычном магазине, торгующем бытовыми светильниками.
Лампа имеет массивное основание, на котором крепится кронштейн со светильником. Светильник - прямоугольной (овальной) формы, лампа - U-образная трубка люминесцентная. У кронштейна очень много степеней свободы, поэтому светильник легко и просто перемещается в пространстве и принимает любое положение. Освещает достаточно равномерно и без подогрева площадь примерно в половину квадратного метра. Прошлой весной такой одной лампы хватило, чтобы вырастить с добрую сотню видов растений рассадой. Ну а в межсезонье ее можно использовать по прямому назначению.
В частности, для экрана компьютера нужен полумрак, а при работе с бумажными текстами очень помогает такая настольная лампа, в том числе и для написания статьи про неё саму.