doi: 10.15389/agrobiology.2024.5.869rus
УДК 631.95:631.544.4
СВЕТОКУЛЬТУРА РАСТЕНИЙ В СОВРЕМЕННЫХ СООРУЖЕНИЯХ ИСКУССТВЕННОГО КЛИМАТА (обзор)
Н.Г. СИНЯВИНА ✉, Г.Г. ПАНОВА, Т.Э. КУЛЕШОВА, Ю.В. ЧЕСНОКОВ
Светокультура растений как процесс выращивания под искусственным светом возникла в XIX веке (F.H. Besthorn, 2013; J. Kleszcz с соавт., 2020). В России научные исследования в области светокультуры начали активно развиваться в первой половине ХХ века (В.М. Леман, 1976; А.М. Глобус, 2007; Е.И. Ермаков, 2009; I.G. Tarakanov с соавт., 2022). В настоящее время изучение различных аспектов выращивания растений в контролируемых условиях среды проводится в ряде ведущих научных учреждений Российской Федерации и Республики Беларусь, а также коллективами исследователей из стран Европы, Азии, США, Канады и Австралии. Значительный интерес к этой области растениеводства подтверждается резко увеличившимся в последние годы количеством публикаций по указанной тематике (A. Dsouza с соавт., 2023). Светокультура реализована в современных сооружениях искусственного климата (controlled environment agriculturee, СЕА), оборудованных, как правило, многоярусными стеллажными системами для выращивания растений и осветительным оборудованием и служащих альтернативой традиционному аграрному производству (T. Kozai с соавт., 2020). Такие сооружения (растительные фабрики, вертикальные фермы, сити-фермы, фитотехкомплексы) применяются для производства растительной продукции в густонаселенных городских районах и регионах с экстремальными погодными условиями, то есть там, где они имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционным сельским хозяйством (N. Didenko с соавт., 2021; D.L. Friedrich, 2021; G.G. Panova с соавт., 2023). К основным достоинствам сооружений искусственного климата относятся возможность круглогодичного производства вне зависимости от сезона и погодных условий, высокое качество продукции, ее близость к потребителю. Многие исследователи отмечают также более высокий выход товарной продукции с 1 м2 за счет применения многоуровневых систем выращивания, а также экономию ресурсов благодаря использованию современных гидропонных и аэропонных технологий выращивания и замкнутых циклов (C.E. Wong с соавт., 2020; N. Engler с соавт., 2021; K. Al-Kodmany, 2024). Выбор растений для производства в СЕА определяется прежде всего рентабельностью, поэтому в настоящее время выращивают в основном быстрорастущие культуры с компактным габитусом — листовые овощи, пряно-ароматические растения, микрозелень. При этом сообщается о необходимости расширения ассортимента продукции и селекции новых сортов, предназначенных для контролируемых условий выращивания (K.M. Folta, 2019; M. SharathKumar, 2020; С.Е. Wong с соавт., 2020; A. Dsouza с соавт., 2023). Основным объектом исследований в СЕАв настоящее время служит световая среда, поскольку от ее состава зависят фотосинтез, рост и морфогенез растений, их биохимический состав, накопление ценных метаболитов и в конечном итоге оптимизация технологий выращивания, эффективность использования ресурсов и рентабельность производства (A. Dsouza с соавт., 2023). В настоящей статье рассмотрена роль спектрального состава света, интенсивности и равномерности излучения, фотопериода в формировании растений, оценено влияние каждой из этих составляющих световой среды на урожай и качественный состав растительной продукции. Показано, что при помощи варьирования спектрального состава света можно управлять архитектоникой растений, регулировать накопление первичных и вторичных метаболитов (G.C. Modarelli с соавт., 2022; K. Zhang с соавт., 2023; K. Rosniza с соавт., 2023). Отражены генетически обусловленные различия в требованиях ряда культур к составу световой среды, в том числе обсуждается возможность существования сортовой специфичности в реакции образцов внутри культуры на формируемые условия выращивания. Также идет речь о применяемых в СЕА технологиях и используемых культурах, кратко отражены последние результаты в области селекции для светокультуры и указаны перспективы дальнейших исследований.
Ключевые слова: светокультура, агропроизводство в контролируемых условиях, СЕА, световая среда, светодиодные светильники, растения, урожай, качество, селекция.
ARTIFICIAL LIGHT CULTURE OF PLANTS IN MODERN ARTIFICIAL CLIMATE FACILITIES (review)
N.G. Sinyavina ✉, G.G. Panova, T.E. Kuleshova, Yu.V. Chesnokov
Intense light culture of plants as a process of plant growing under artificial light emerged in the 19th century (F.H. Besthorn, 2013; J. Kleszcz et al., 2020). In Russia, scientific research in the field of plants light culture began to actively develop in the first half of the 20th century (V.M. Lehman, 1976; A.M. Globus, 2007; E.I. Ermakov, 2009; I.G. Tarakanov et al., 2022). Currently, the study of various aspects of growing plants under controlled environmental conditions is carried out in a number of leading scientific institutions of the Russian Federation and the Republic of Belarus, as well as by research teams from Europe, Asia, the USA, Canada and Australia. Significant interest in this area of plant cultivation is confirmed by the sharply increased number of publications on this topic in recent years (A. Dsouza et al., 2023). Light culture is implemented in modern artificial climate facilities (controlled environment agriculture, CEA), that are usually equipped with multi-level systems for growing plants and lighting sources, and serving as an alternative to traditional agricultural production (T. Kozai et al., 2020). Such facilities (plant factories, vertical farms, city farms, phytotech complexes) are used to produce vegetables in densely populated urban areas and regions with extreme weather conditions, that is, in locations where they have a number of advantages over traditional agriculture (N. Didenko et al., 2021; D.L. Friedrich, 2021; G.G. Panova et al., 2023). The main advantages of artificial climate facilities include the possibility of year-round production regardless of the season and weather conditions; high quality, and closeness to the consumer. Many researchers also note a higher yield of marketable products per 1 m2 due to the use of multi-level growing systems, as well as resource savings due to the applying of modern hydroponic and aeroponic growing technologies and closed cycles (C.E. Wong et al., 2020; N. Engler et al., 2021; K. Al-Kodmany, 2024). The choice of plants for production in the CEA is determined primarily by profitability; therefore, currently there are mainly fast-growing crops with a compact habit (leafy vegetables, spicy and aromatic plants, microgreens). At the same time, there is a need to expand the range of products and breed new varieties intended for controlled growing conditions (K.M. Folta, 2019; M. SharathKumar, 2020; C.E. Wong et al., 2020; A. Dsouza et al., 2023). The main object of research in CEA is now the light environment, since most important processes in plants depend on it: photosynthesis, growth and morphogenesis, biochemical composition, accumulation of valuable metabolites, and, ultimately, optimization of cultivation technologies, resource use efficiency and production profitability (A. Dsouza et al., 2023). This article considers the role of the spectral composition of light, intensity and uniformity of irradiation, photoperiod in the plant growth and metabolism, after that, it assesses the influence of each of such components on the yield and quality of plant products. It is shown that by varying the spectral composition of light, it is possible to control the plant architectonics, and regulate the accumulation of primary and secondary metabolites (G.C. Modarelli et al., 2022; K. Zhang et al., 2023; K. Rosniza et al., 2023). The genetically determined differences in the requirements of a number of crops for the composition of the light environment are reflected, including a discussion of the possibility of the existence of varietal specificity in the reaction of accessions within a crop to the formed growing conditions. The technologies and crops applied in CEA are also discussed; the latest results in the field of breeding program for the light conditions are briefly reflected, and prospects for further research are indicated.
Keywords: light culture, agricultural production under controlled conditions (CEA), light environment, LEDs, plants, crop, quality, breeding.
ФГБНУ Агрофизический научно-исследовательский |
Поступила в редакцию |
