Padoms profesionālim. LED apgaismojuma īpatnības siltumnīcā

Kaut gan LED lampas ielu apgaismojumam tiek izmantotas vairākus gadu desmitus, siltumnīcās augu papildapgaismojumam tās sāka izmantot 2008.gadā Nīderlandē kādā no tomātu audzēšanas saimniecībām. Kopš tā brīža pētnieki vairākās valstīs mācās audzēt augus zem dažādu firmu, dažādu spektru diožu lampām.

Vienlaikus LED lampas tika izmēģinātas vairākās saimniecībās dažādās valstīs. Tās pierādīja sevi kā daudzsološas, bet drīz vien tapa skaidrs, ka augi zem šīm lampām uzvedas ļoti nepierasti.

Pagāja laiks, un 2017. gadā Latvijā tika atvērta pasaulē pirmā Full-LED siltumnīca SIA "Getliņi Eko". Praktiskā komerciālā audzēšana ļoti lielā mērā atšķīrās no pētnieku eksperimentiem. Zinātnē arī negatīvs rezultāts ir rezultāts, bet komerciālajā audzēšanā negatīvs rezultāts nozīmē ekonomisku zaudējumu. Itin drīz tapa skaidrs, ka lielu lomu spēlē mikroklimata apstākļi, kas būtiski atšķiras atkarībā no siltumnīcas lieluma.

Mikroklimata apstākļu ietekme

Mikroklimata apstākļus siltumnīcā nodrošina gan dabas faktori, proti, saule, gan tehniskās iespējas – apsilde, vēdināšana, gaisa mitrināšana vai nosusināšana, ekrānu izmantošana –, gan arī paši augi. Jo lielāka lapu virsma, jo lielāka transpirācija, jo vairāk mitruma iztvaiko augu transpirācijas un elpošanas procesā. 

Zīmīgi, ka Nīderlandes zinātnieki sāka pētīt augu audzēšanas īpatnības Full-LED apstākļos pavisam nesen, kad sakarā ar energoresursu cenu kāpumu arvien vairāk saimniecību sāka aizvietot nātrija augstspiediena spuldzes ar dažādu firmu LED lampām, jo pēdējām elektroenerģijas patēriņš ir būtiski mazāks.

No pēdējo trīsdesmit gadu laikā pierastajām nātrija lampām LED atšķiras ar gaismas spektru un būtiski mazāku siltuma emisiju. Jaunāko paaudžu LED moduļi ir dimmējami, to darbību ir iespējams saskaņot ne tikai ar dabīgo apgaismojumu, bet arī ar mainīgiem diennakts tarifiem vai pieejamo CO2 daudzumu. 

LED moduļi ieslēdzas un izslēdzas straujāk nekā nātrija lampām, kurām parasti ir nepieciešamas 20 minūtes, lai ieslēgtos. 

Dinamiskā dimmēšana ietekmē fotosintēzes procesu, tātad asimilātu veidošanos un visbeidzot – fotosintēzes efektivitāti (saražotas sausnas daudzumu uz gaismas vienību). Vairs nav korekti agrāk noteiktie aprēķini, cik daudz gaismas džoulu ir nepieciešams viena tomāta ķekara izveidei ar noteiktu augu biezību.

Nīderlandē eksperimentālajā tomātu siltumnīcā Tomatoworld firmas Plant Lighting speciālists Sanders Hogevonings pēdējos gados veica vairākus pētījumus ar LED lampu izmantošanu. Viņš piedāvā jau ierastās gaismas un temperatūras proporcijas vietā izmantot temperatūras un saražoto asimilātu proporciju. 

Šī firma ir radījusi vairākus matemātiskus modeļus, ar kuru palīdzību ir iespējams aprēķināt asimilātu sintēzi dažādiem augiem. Ja šādus modeļus salāgo ar siltumnīcas klimata datoru, ir iespējams spert nākamo soli precīzā audzēšanā.

Auga vadība ar gaismu

Kā zināms, gaisma ir vajadzīga augiem gan fotosintēzei, gan vairāku bioloģisko procesu vadībai. 

Līdz nesenam laikam LED lampas tika veidotas tikai no sarkanām un zilām diodēm, jo tieši šīs spektra daļas augi visefektīvāk izmanto fotosintēzei. Tomēr fotosintēzei ir nepieciešami arī citi saules spektra viļņi, proti, pilns spektrs. 

Kaut arī sarkanie viļņi ir visefektīvākie, savu lomu spēlē zilā un zaļā gaisma, kā arī tālā sarkanā. Daži pētnieki pat uzskata, ka ir pienācis laiks ieskaitīt daļu tālās sarkanās gaismas FAR spektrā.

Gaismas spektrs spēlē lielu lomu auga vadībā (līdz šim to izmantojā tikai zemeņu audzēšanā, tagad to cenšas lietot arī citu sugu audzēšanā). Pateicoties fitoreceptoriem, gaismas spektrs ietekmē hormonu bilanci augā, kas savukārt ietekmē vairāku procesu norisi augā – lapas un stublāja morfoloģiju, asimilātu sadali starp dažādiem auga orgāniem, atvārsnīšu atvēršanos un augļu nogatavošanās ātrumu.

Pēc Hogevoninga vārdiem, izvēloties LED lampas, vispirms jāpievērš uzmanība to efektivitātei, proti, cik daudz mikromolu FAR tas saražo no viena vata elektroenerģijas, jo enerģija ir dārga. 

Sarkanās gaismas ražošana ir enerģētiski visefektīvākā, bet tās nepieciešamais daudzums ir atkarīgs no auga sugas un vajadzības pēc citām saules spektra daļām jeb noteikta garuma viļņiem. 

Vadoties tikai pēc energoefektivitātes, var viegli kļūdīties. Piemēram, gurķi var ļoti izteikti reaģēt uz dažu viļņu trūkumu.

Siltuma enerģija un transpirācija

Svarīgi saprast – kaut ekonomiski ir izdevīgi izvēlēties LED lampas ar mazāku vatu patēriņu uz vienu gaismas mikromolu, arī šim kokam ir divi gali.

 Jo mazāk vatu no lampām nonāk siltumnīcā, jo vairāk tiek ietekmēta tās enerģētiskā bilance. Siltumnīcā ienākošā enerģija ietekmē mitruma iztvaikošanu (transpirāciju) no augiem. Jo mazāk enerģijas, jo zemāka iztvaikošanas intensitāte, un tieši tas notiek zem LED lampām. 

Piemēram, pēc Nīderlandes pētnieku datiem, mūsdienu nātrija augstspiediena lampas, kas izstaro gan FAR, gan arī tuvo infrasarkano gaismu, ar 100 mikromoliem FAR gaismas izstaro 41 W/m2 siltuma. Turpretī LED ar tādu pašu jaudu izstaro tikai 19 W/m2 siltuma, kas ir būtiski mazāk. Un šeit ir jautājums, cik efektīvi augs izmanto šo enerģiju vai atstaro to. Daļa atstarotās enerģijas nonāk uz siltumnīcas konstrukcijām un betona celiņa, uzsildot tos, un netiešā veidā konvekcijas siltums atgriežas pie augiem.

Zem LED lampām augs maina lapu fomu, kātiņa garumu, kā arī transpirācijas intensitāti.

Foto: Autores foto / Latvijas Mediji

Tāpat ir svarīga enerģijas sadale starp atsevišķām auga daļām. Piemēram, augšējās lapas spēlē lielu lomu augšanas pumpura nodrošinājumā ar kalciju, kas novērš lapas malas iedegas rašanos uz augšējām lapām un nodrošina galotnes pumpura attīstību. 

Šis ir ļoti svarīgs moments, kas daļēji skaidro gurķu lapu kupolveida formu un dažkārt augšanas pumpura pazušanu.

Latvijas Dārzkopības institūta pētnieku (Dr. biol. Līga Lepse ar kolēģiem) projekta Dārzeņu audzēšanas augsto tehnoloģiju ieviešana modernajās siltumnīcās  ietvaros Mārupes siltumnīcās veiktie mērījumi parādīja, ka zem augstspiediena nātrija lampām gaisa temperatūra auga galotnes līmenī būtiski atšķiras atkarībā no tā, vai galotne atrodas tieši zem lampas vai starp tām. 

Tieši zem 1000 W lampas gaisa temperatūra sasniedza pat 50 oC, bet starp lampām bija nedaudz virs 30 oC. Jāteic, ka nātrija lampas izstaro gaismu (un siltumu) platākā leņķī nekā LED lampas, tāpēc gaismas un temperatūras lauks zem tām ir izlīdzinātāks nekā zem LED lampām. Tas ir sevišķi svarīgi, izvēloties LED moduļus, jo līnijveida moduļi virs augu rindām nodrošina vienmērīgāku gaismas un temperatūras sadali nekā tā sauktās LED kastes. 

Veicot nātrija lampu nomaiņu pret LED lampām, kastes šķiet pievilcīgākas, jo tās ir tehniski vienkāršāk ievietot siltumnīcā. (Nātrija lampas izņem no kontaktligzdām un to vietā iesprauž LED kastes.) 

Savukārt, ņemot vērā būtiski zemāku siltuma izstarošanu no LED moduļiem, var gadīties, ka atsevišķām galotnēm starp tiem var pietrūkt siltuma transpirācijas nodrošināšanai.

Fotosintēzē piedalās arī zemākās lapas, tāpēc svarīgi, cik daudz gaismas un enerģijas tām tiek.

Gaismas absorbcija

Holandiešu pētījumi rāda, ka gaismas radiācijas absorbcija augu lapās atšķiras starp nātrija un LED lampām. Tuvā infrasarkanā gaisma no nātrija lampām tiek mazāka mērā absorbēta nekā FAR, savukārt LED lampas izstaro tikai FAR. Pašlaik pētnieki jau ir noskaidrojuši, cik efektīvi lapa izmanto dažāda garuma viļņus no FAR diapazona un cik absorbē tuvo infrasarkano gaismu. 

Zinot, cik daudz un kāda radiācija ir pieejama, ir iespējams aprēķināt, cik daudz enerģijas augs ir uzņēmis.

Firmas Plant Lighting veiktajos pētījumos ar gurķiem ir noskaidrots, ka zem nātrija augstspiediena lampām aptuveni 61% enerģijas absorbē augšējā lapa un pārējā gaisma tiek atstarota. Daļa no tās nonāk zemāk izvietotajās lapās, tāpēc kopējā gaismas absorbcija sasniedz 79%.

Zem sarkanzilajām LED lampām gaisma tiek labāk absorbēta tieši augšējās lapās, proti, 95%, bet kopējā gaismas absorbcija augā sasniedz 97%. Papildus tam pati instalācija izdala siltumu ar infrasarkanu radiāciju un konvekciju.

Ņemot vērā jau minētā matemātiskā modeļa aprēķinus, sanāk, ka nātrija augstspiediena lampas ar katriem 100 mikromoliem uz 1 m2 izstaro 32 W siltuma, turpretī LED lampas tikai 24 W/m2. 

Tātad starpība starp abiem gaismas avotiem sasniedz 8 W/m2 augu galotnes līmenī un visam augam sastāda 15 W/m2. Ja lampas deg 18 stundu diennaktī, augs zem LED lampām iztvaiko par 430 ml/m2 mazāk ūdens nekā augs zem nātrija lampām, pieņemot, ka katram gramam iztvaikota ūdens tiek patērēti 2257 džouli.

Tātad ir svarīgi sekot tam, lai atsevišķos brīžos transpirācija nekļūtu par vāju veselīga auga vajadzībām. Var palīdzēt papildu pasākumi enerģijas zudumu mazināšanai, piemēram, ekrānu lietošana. 

Tāpat ir efektīva gaisa nosusināšana ar rekuperāciju. (Holandiešu secinājumus apstiprina arī "Getliņi Eko" siltumnīcā gūtā pieredze.) 

No otras puses, transpirācijas samazināšanās nozīmē, ka jāsamazina arī laistīšanas deva, lai novērstu neracionālu enerģijas patēriņu gaisa nosusināšanai. Neaizmirsīsim, ka augam jāsaņem noteikta barības elementu deva, – tātad, samazinot ūdens daudzumu, jāpaceļ kopējā sāļu koncentrācija (EC), bet tas ir iespējams tikai līdz zināmai robežai. 

Tāpat, ja praktiski visa LED lampu izstarotā gaisma nonāk augšējās lapās, ir iespējams samazināt kopējo lapu virsmu, vairāk izņemot apakšējās lapas, vai arī daļa LED moduļu jānovieto starp augiem.

Optimālā līdzsvara sasniegšana starp energoefektivitāti un audzēšanas problēmām kļūst par īstu izaicinājumu. Diemžēl gatavo recepšu nav un nevar būt, jo atšķiras dažādu ražotāju LED lampu spektri un jauda, kā arī gaisa apjoms katrā siltumnīcā. Līdz šim agronomi uzskaitīja lapu skaitu un kopējo virsmu, aprēķinot tā saukto lapu virsmas indeksu (lapu virsma uz 1 m2 siltumnīcas grīdas). Pašlaik šķiet, ka svarīgāks rādītājs ir lapu virsma pret kopējo gaisa apjomu siltumnīcā (m2/m3).