Светокультура сельскохозяйственных растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФГБОУ ВО

«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФАКУЛЬТЕТ АГРОБИЗНЕСА И ЭКОЛОГИИ

КАФЕДРА РАСТЕНИЕВОДСТВА

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Светокультура сельскохозяйственных растений»

Исполнитель: студент Орлов В. П..

ОРЁЛ 2016



Содержание

Введение

1. Светокультура растений

2. Влияние спектрального состава света на фотосинтез и продуктивность растений

3. Требования к искусственным источникам излучения

4. Типы ламп

4.1 Лампы накаливания

4.2 Люминесцентные лампы общего назначения

4.3 Люминесцентные лампы специального назначения

4.4 Компактные люминесцентные лампы

4.5 Газоразрядные лампы

4.6 Ртутные лампы

4.7 Натриевые лампы высокого давления

4.8 Металлогалоидные лампы

5. Влияние искусственных источников излучения на анатомо-физиологические показатели растений

6. Использование технологии светокультуры для выращивания овощных и декоративных культур в теплицах

Заключение

Список использованных источников



Введение

Усиленный рост городов в средних и северных широтах России, происходящий в последние десятилетия, весьма остро поставил вопрос о снабжении их населения свежими, овощами. Наряду со снабжением из южных районов, началось массовое строительство теплиц в совхозах и колхозах. свет излучение растение теплица

Однако малая интенсивность естественного освещения в теплицах и короткий зимний день не удовлетворяли потребность растений в лучистой энергии. Поэтому, несмотря на полную обеспеченность теплом, влагой и корневым питанием, овощные растения в теплицах зимой росли плохо. Для того чтобы получить-раннюю овощную рассаду хорошего качества или вырастить зимой плодоносящие растения огурцов и томатов, необходимо было к зимнему естественному: свету добавлять искусственное освещение (облучение).

Первые систематические опыты по изучению действия искусственного освещения на растения были проведены в Рос-сии 150 лет тому назад (Фаминицын, 1866). Однако серьезное научное и практическое значение выращивания растений при искусственном свете (светокультура растений) получило лишь с половины двадцатого века. В результате исследований Гар-вея (1922), Максимова (1925--1952), Королькова (1929), Артемьева 1936), Мальчевского (1938, 1946), Дагеевон (1944--1964), Роденбурга (1930--1960), Клешнина (1947--1964), Мошкова (1950--1963), Лемана (19ад--1965), Протасовой (1953--1959), Артемьева (1956--1963), Соколовой (1957-- 1960), Вента (1957), Шульгина (1957--1965) и многих других советских и иностранных исследователей и практиков, были получены данные, позволяющие предложить искусственное освещение растений-в качестве нового агротехнического приема. При этом необходимо отметить, что работы советских ученых занимали и занимают ведущее место в мировой литературе как по широте затронутых проблем, так и по количеству проведенных исследований.

В тоже время, несмотря на определённые успехи исследователей и положительный исследований (1945--50 гг.) не имела еще должного признания и распространения в народном хозяйстве страны.

Причинами такого положения были, недостаточные знания физиологических процессов в растениях при искусственном освещении и, как следствие, использование неподходящих, малопродуктивных и неэкономичных источников искусственного освещения. В течение многих лет основным типом ламп, используемых в светокультуре растений, были лампы накаливания, имеющие спектр излучения, мало соответствующий потребностям растений и незначительный коэффициент полезного действия. В отдельных случаях исследователями использовались неоновые, ртутные и натриевые лампы малой мощности.

Люминесцентные лампы, преимущества которых были четко показаны в работах Найлора (1940), Клешнина (1947), Лоу (1948) и других, были встречены весьма скептически и долгое время не получали достаточного распространения.

Введение в строй большого количества электростанций и быстрое развитие светотехнической промышленности создали материальную основу для широкого развития и внедрения методов светокультуры растений в тепличные хозяйства.

Приступая к исследованиям в области светокультуры растений мы должны были решить следующие задачи:

1. Изучить понятие «светокультура растений».

2. Рассмотреть влияние спектрального состава света на фотосинтез и продуктивность растений.

3. Изучить требования к искусственным источникам излучения и типы ламп.

4. Рассмотреть влияние искусственных источников излучения на анатомо-физиологические показатели растений.

5. Изучить использование технологии светокультуры для выращивания овощных и декоративных культур в теплицах.



1. Светокультура растений

Светокультура растений изучает теоретические основы и методу выращивания растений с помощью искусственного облучения. Искусственное облучение широко применяется в тепличных хозяйствах, а также при теоретических исследованиях по физиологии растений, биофизике, генетике, селекции и другим наукам, занимающимся изучением различных представителей растительного мира.

Для того чтобы вырастить полноценные растения зимой, в закрытых помещениях или хорошую рассаду весной необходимо к естественному излучению добавлять искусственное.

За последние годы знания по светофизиологии растений значительно расширились и биологи теперь уже имеют достаточно данных, чтобы составлять технические задания на изготовление специальных видов ламп для облучения растений, так называемых фитоламп. В настоящее время наблюдается постепенный переход от использования ламп, созданных светотехниками для разных целей, к лампам и облучателям, имеющим оптические и технические параметры, соответствующие требованиям растений.

Говоря о возможностях светокультуры, необходимо подчеркнуть, что искусственное облучение растений не может быть заменено каким-либо другим приёмом или способом выращивания, так как нормальное углеродное питание и формирование растений под действием оптического излучения - одна из основ их существования и получения урожая. Так, например, применение дополнительного освещения рассады огурцов и томатов сокращает сроки созревания до 15-20 дней. В тоже время светокультура может повысить эффективность других агротехнических приёмов, например гидропоники, создающей лучшие условия для корневого питания.

Краткий обзор современного состояния проблемы искусственного облучения растений показывает, что среди биологических и сельскохозяйственных наук светокультура растений занимает теперь прочные позиции и как теоретическая дисциплина, и как прогрессивный агротехнический приём. Использование искусственного облучения не только даёт «два колоса там, где рос один», но и позволяет собирать урожай там, где

Наиболее актуально применение дополнительного освещения для жителей городских квартир, Сибири, районов Крайнего Севера, тепличных хозяйств и т.д.

В настоящее время самыми современными источниками дополнительного излучения являются светодиодные фитолампы. Но к сожалению, не многие из них отличаются хорошим качеством изготовления и правильно настроенным спектром излучения.



2. Влияние спектрального состава света на фотосинтез и продуктивность растений

Зависимость фотосинтеза от лучистой энергии является наиболее очевидной и существенной. Уже в ранних работах К. А. Тимирязева и других исследователей установлено отсутствие линейной зависимости между активностью процесса фотосинтеза и напряженностью действующего фактора. Зависимость активности фотосинтеза от интенсивности света -- световая кривая фотосинтеза -- имеет форму логарифмической кривой. Прямая зависимость скорости процесса от притока энергии имеет место только при низких интенсивностях света. В области насыщающих интенсивностей света дальнейшее увеличение освещенности не увеличивает скорость фотосинтеза.

Эти данные послужили основанием для представлений о включении в процесс фотосинтеза наряду с фотохимическими, световыми реакциями также темновых, энзиматических реакций, ограничивающее действие которых начинает проявляться особенно заметно при высоких, насьпдающих интенсивностях света. Результаты опытов А. А. Рихтера и Р. Эмерсона с прерывистым светом позволили оценить скорость световых и темновых реакций фотосинтеза: соответственно 10-5 и 10-2 с. Эти значения были полностью подтверждены в лаборатории Х.Витта (Witt, 1966) с использованием высокочувствительных методов импульсной спектрофотометрии.

При проведении физиологических исследований анализ световой кривой фотосинтеза дает информацию о характере работы фотохимических систем и ферментативного аппарата. Угол наклона кривой характеризует скорость фотохимических реакций: чем он больше, тем активнее система использует энергию света. По углу наклона линейного участка можно вести приближенные расчеты расхода квантов на восстановление моля С02. Скорость фотосинтеза в области насыщающей интенсивности света характеризует мощность систем поглощения и восстановления С02 и в значительной мере определяется концентрацией углекислоты в среде. Чем выше расположена кривая в области насыщающих интенсивностей света, тем более мощным аппаратом поглощения и восстановления углекислоты обладает система.

Минимальная интенсивность света, при которой возможен фотосинтез, различна у разных групп растений. Определенное практическое значение имеет световой компенсационный пункт (СКП) -- уровень освещения, когда интенсивности газообмена в процессах фотосинтеза и дыхания равны. Только при интенсивности света свыше СКП устанавливается положительный баланс углерода. Положение светового компенсационного пункта определяется генотипом растения и зависит от соотношения фотосинтеза и темнового дыхания. Любое усиление темнового дыхания, например при повышении температуры, увеличивает значение СКП. У С4-растений световой компенсационный пункт расположен выше, чем у С3-растений, у теневыносливых растений он ниже, чем у светолюбивых.

Повышение интенсивности света до определенного уровня действует в первую очередь на фотохимические реакции хлоропластов. При освещении сначала включается нециклический транспорт электронов. По мере увеличения скорости электронного потока и насыщения электронных пулов часть электронов переключается на образование циклических потоков. Переключение связано с восстановлением переносчиков, занимающих ключевое положение в ЭТЦ (к ним относятся пул пластохинонов, ферредоксин), и изменением конформации редокс-агентов. В условиях избыточной освещенности циклический транспорт электронов может играть защититную роль в хлоропластах, а также служить источником энергии для дополнительного синтеза АТФ и таким образом способствовать активации процессов ассимиляции углерода в хлоропластах и адаптационных процессов в растении.

При увеличении интенсивности светового потока и скорости транспорта электронов возрастает активность фотовосстановления НАДФ+ и синтеза АТФ. Скорость образования восстановленных коферментов активируется в большей степени, чем синтез АТФ, что приводит к некоторому снижению отношения АТФ/НАДФН при увеличении интенсивности света. Изменение соотношения энергетического и восстановительного потенциалов является одним из факторов, определяющих зависимость от интенсивности освещения характера метаболизма углерода и соотношение продуктов фотосинтеза. При низком уровне освещения (около 2000 люкс) образуются главным образом вещества неуглеводной природы (аминокислоты, органические кислоты), при высокой интенсивности света главную часть конечных продуктов фотосинтеза составляют углеводы (сахароза и др.). Интенсивность освещения определяет характер формирующихся фотосинтезируюших структур. В условиях интенсивного освещения формируется большое число более мелких фотосинтетических единиц что характерно для высокоактивных систем, увеличивается отношение хлорофиллов а/b.

С3- и С4-группы растений существенно различаются по зависимости процесса фотосинтеза от интенсивности света. Сравнение хода кривых показывает, что высокий уровень фотосинтеза, свойственный С4-растениям, проявляется главным образом при высоких уровнях освещенности.

Спектральный состав света. Помимо интенсивности существенное значение для фотосинтеза имеет спектральный состав света. Основные закономерности действия на фотосинтез лучей разных длин волн были установлены К. А. Тимирязевым. Дальнейшие исследования показали, что интенсивность фотосинтеза в участках спектра, выровненных по количеству энергии, различна: наиболее высокая интенсивность фотосинтеза отмечена в красных лучах (O.Warburg, Е.Negelein, 1923; Е.Gabrielsen, 1935, и др.).

Спектр действия фотосинтеза (кривая его зависимости от длины волны падающего света) при выровненном числе квантов имеет два четко выраженных максимума -- в красной и синей части спектра, аналогичных максимумам поглощения хлорофилла. Следовательно, красные и синие лучи наиболее эффективны в фотосинтезе. Анализ кривой квантового выхода фотосинтеза в зависимости от длины волны показывает, что он имеет близкие значения в диапазоне длин волн 580 -- 680 нм (около 0,11). В сине-фиолетовой части спектра (400 -- 490 нм), поглощаемой наряду с хлорофиллами также и каротиноидами, квантовый выход снижается (до 0,06), что связывают с менее продуктивным использованием энергии, поглощаемой каротиноидами. В дальней красной области спектра (более 680 нм) наблюдается резкое снижение квантового выхода. Явление «красного падения» фотосинтеза и последующие опыты Р. Эмерсона, показавшие усиление фотосинтеза при дополнительном освещении коротковолновым светом («эффект усиления»), привели к одному из фундаментальных положений современного фотосинтеза о последовательном функционировании двух фотосистем.

Качество света, как показали многолетние исследования Н. П. Воскресенской (1965--1989), оказывает сложное и разностороннее влияние на фотосинтез. Синий свет по сравнению с красным (выравненный по числу квантов) оказывает специфическое действие на фотосинтетический аппарат растений. На синем свету более активна общая ассимиляция С02, что обусловлено активирующим действием синего света на процессы электронного транспорта и на реакции углеродного цикла. В системе, где донором электронов служила вода, синий свет повышал активность фотовосстановления НАДФ+ почти в два раза по сравнению с активностью этой реакции у растений на красном свету. Спектральный состав света определяет состав продуктов, синтезируемых при фотосинтезе: на синем свету преимущественно синтезируются органические кислоты и аминокислоты, а позднее -- белки, тогда как красный свет индуцировал синтез растворимых углеводов, а со временем -- крахмала. Отмечено регулирующее действие синего света на активность ферментов фотосинтетического превращения углерода. У растений, выращенных на синем свету, обнаружена более высокая активность РуБФ-карбоксилазы, глицеральдегидфосфатдегидрогеназы, гликолатоксидазы, глиоксилатаминотрансферазы. Отмеченные в работе изменения активности ферментов связаны с активирующим действием синего света на синтез белков de novo. Вопрос о природе фоторецепторов синего света остается неясным. В качестве возможных акцепторов предполагаются флавины, каротиноиды, фитохромная система.

Для светокультуры растений необходимо знание теоретических основ и методов выращивания растений с помощью искусственного облучения. Источниками излучения в светокультуре растений служат электрические лампы различных типов. Необходимо, чтобы в их спектре были все участки видимого излучения с преобладанием красных, зеленых, синих и фиолетовых лучей, а также небольшая доля длинного ультрафиолетового и короткого инфракрасного света. Известно различное действие красного, синего или зеленого света на морфогенетические и метаболические процессы растений (Клешнин А. Ф., 1959.). В растениях, выращенных под красным или синим светом, обнаруживаются изменения метаболизма углерода, происходящие уже за секундные экспозиции. При этом синий свет активирует включение СО2 в амино- и органические кислоты, а красный - в углеводы и, в особенности, в крахмал (Ничипорович А. А.,1972). Известно, что присутствие синего света в светопотоке предохраняет аппарат фотосинтеза от преждевременного старения, что благоприятно сказывается на биологическом и хозяйственном урожае (Ничипорович А. А.,1972). Детальные исследования роли красных лучей в излучении ФАР показывают, что их доля должна обосновываться с учетом видовой специфики растений. Так для обеспечения наибольшей продукционной деятельности томатов предельная доза красных лучей должна быть выше, чем для огурца (Протасова Н. Н.,1982). Приводятся данные, что для выращивания растений в закрытом грунте наиболее эффективным является следующее соотношение отдельных участков спектра в излучении ламп: 25-30 % в синей области (380-490 нм), 20 % в зеленой (490-590 нм) и 50 % - в красной (600-700 нм), которое обеспечивает оптимальные условия развития аппарата фотосинтеза, рост, морфогенез и продуктивность растений (Куперман И. А., 1972).

В настоящее время для освещения рассадных компонентов теплиц и светокультуры растений все более широко используются светильники с высокоэффективными газоразрядными лампами высокого давления (металлогалогеновыми - МГЛ и натриевыми - ДНаТ) мощностью 400-200 Вт. Только оптимальное соотношение спектральных участков ФАР в общем светопотоке, наряду с другими факторами, может определять максимальную фотосинтетическую продуктивность растений.



3. Требования к искусственным источникам излучения

Различные виды растений и одни и те же виды на разных возрастных этапах могут иметь весьма контрастные требования к спектру ФАР для максимизации продукционной деятельности. Эти требования могут существенно зависеть и от уровня облученности в области как ФАР, так и ИКР. Разумеется, что ИКР оказывает определенное влияние на ход продукционного процесса, влияя на него через морфогенез и ряд регуляторных механизмов (фитохром, гормональная регуляция и др.) [84].

Действие дополнительного облучения на цветочные культуры в СССР изучал Н.П. Красинский (1937). Пользуясь лампами накаливания и искусственно повышая содержание углекислоты в воздухе, он нашел новые пути в совершенствовании технологии выращивания цветов зимой.

С появлением нового типа источников света - газоразрядных ламп - связывают наступление нового этапа развития светокультуры.

В 1947-1948гг. изучение поведения растений в условиях люминесцентного освещения начато А.Ф. Клешниным под руководством Н.А. Максимова.

Действие спектрального состава света на растение рассмотрено в монографии Клешнина (1954). Действию качества света на фотосинтез в ней уделено небольшое внимание.

Не одинакова в различных областях ФАР спектральная эффективность интенсивного излучения при небольшом времени адаптации к нему фотосинтетического листа, что было показано в исследованиях В.М. Гольд и Н. П. Воскресенской.

В 1966 году Б.С. Мошков разрабатывал методы быстрого (за 60 дней) выращивания томатов в установке с водяными фильтрами, изучал действие инфракрасного излучения и описал опыты о возможностях увеличения продуктивности растений и ускорения созревания их урожая.

Роль спектрального состава света для фотосинтеза весьма и весьма существенна. Физико-биохимические эффекты, вызываемые воздействием красного или синего света или даже простым изменением соотношения красных и синих лучей в источниках света, настолько существенны, что становиться актуальной регуляция фотосинтетической деятельности растения с помощью изменения спектрального состава света.

Для более точной оценки оптического излучения его делят на отдельные участки, оказывающие различное физиологическое воздействие:

280-320 нм - влияет, чаще всего, вредным образом на рост и развитие растений. А все же малое количество такого воздействия некоторым растениям требуется для нормального развития.

320-400 нм - оказывает воздействие на регуляторные процессы в развитии растений. Благодаря этому включение в состав лучистого потока небольшого количества такого излучения вполне целесообразно;

400-500 нм ("синий") - поглощение желтыми пигментами, второй пик абсорбации хлорофиллом, второй пик фотосинтеза, играет важную роль, должен входить для обеспечения фотосинтеза и регуляции;

500-600 нм ("зеленый") - обладает высокой проникающей способностью, полезен для фотосинтеза оптически плотных листьев, листьев нижних ярусов, густых посевов, наименьшая физиологическая реакция.

600-700 ("красный") - зона максимального фотосинтетического эффекта синтеза хлорофилла, наиболее важный участок для обеспечения развития и регуляции процессов. Обязателен в лучистом потоке для обеспечения высокого фотосинтеза. Однако монохроматический красный свет может привести к ненормальному развитию или к гибели растения;

700-750 ("дальний красный") - в основном эффект вытягивания стебля, ярко выраженное регуляторное действие, достаточно несколько процентов в общем спектре.

Часть доходящей до растений солнечной радиации в спектральном диапазоне 400--700 нм, используемая для процесса фотосинтеза, получила название фотосинтетически активной радиации (ФАР)

Несомненно, что все перечисленные спектральные диапазоны присутствуют в солнечном излучении, в допустимых для развития растений количествах. Однако, в искусственных условиях, когда естественное облучение отсутствует, обеспечение наиболее благоприятного сочетания вышеперечисленных спектральных диапазонов в светильниках является проблематичным. Поэтому необходимо знание спектрального состава света, излучаемых искусственными источниками света.

В натриевых лампах низкого давления оранжево-красный спектр излучения в области ФАР на одной длине волны 587 нм.

Лампы накаливания имеют низкий световой КПД (менее 3,5%), сплошное излучение в оранжево-красной и инфракрасной областях спектра

В начале 50-х годов стали широко использоваться люминесцентные лампы, которые за счет введения в них определенных типов люминофоров дали возможность варьировать спектральный состав излучения этих источников света в очень широких пределах. Однако серийные промышленные образцы имели лишь несколько градаций по спектру. Ограниченная мощность люминесцентных ламп в большинстве случаев не позволяла работать с уровнями облученности выше 50-60 Вт/м² ФАР.

В конце 50-х - начале 60-х годов начали успешно пользоваться для выращивания растений ксеноновые лампы. В излучении ксеноновых ламп замечается близость в спектре к естественному в видимой области и присутствием значительной инфракрасной составляющей, а также высокая интенсивность лучистых потоков.

В начале 60-х годов появление мощных ртутных ламп высокого давления произвело новый этап в развитии исследований по влиянию спектрального состава света на продукционный процесс. Такие лампы давали высокоинтенсивное излучение преимущественно в синей и зеленой областях ФАР.

Разработка на базе ртутных ламп высокого давления металлогалогенных ламп с добавками иодидов или бромидов позволила изменять спектральный состав излучения.

Успешное внедрение получили натриевые лампы высокого давления (ДНаТ-400).

Любой источник света, и Солнце, и лампа, характеризуется переносом определенного количества энергии, заключенного в каждом пучке его лучей. Такая энергия, соотнесенная ко времени, образует меру интенсивности пучка. Интенсивность характеризуется мощностью, переносимую волной в направлении распространения через единичную площадку, и выражается в Вт/м2.

Интересно коснуться вопроса о значении для фотосинтеза крайних областей спектра видимой радиации, лучи которых, хотя и поглощаются хлорофиллом, но оказываются мало эффективными для фотосинтеза. Это касается областей спектра ниже 380 нм и выше 700нм. Интенсивность фотосинтеза в этих областях составляет ничтожную долю по сравнению с фотосинтезом в области от 400 до 680 нм. Однако коротковолновая область интересна в связи с выяснением возможного использования в фотосинтезе ближних (л>360нм) ультрафиолетовых лучей, которые содержаться в естественном излучении на больших высотах. Этот вопрос представляет интерес также при выборе источников освещения для светокультуры растений, так как длинноволновый ультрафиолет имеет существенное значение для жизнедеятельности растений (Гурский и др, 1961; Дубров, 1963).

Содержание в оптическом излучении ультрафиолетовой радиации, как известно, может существенно влиять на продуктивность растений. Свойства ультрафиолетового излучения зависят от длины волны и подразделяются на три условных поддиапазона: область А - длинноволновое ультрафиолетовое излучение (320...380 нм), область В - средневолновое ультрафиолетовое излучение (275...320 нм) и область С - короткое ультрафиолетовое излучение (200...275 нм).

Ультрафиолетовое излучение (область В) вызывает при больших дозах разрушение белковых веществ в растениях.

При коротком ультрафиолетовом излучении (область С) - растения быстро гибнут.

Коротковолновой границей спектра для фотосинтеза зеленых растений можно, по-видимому, считать участок спектра около 330нм. Более далекая область 260-320 нм является уже областью резкого подавления фотосинтеза. Так, спектральная кривая эффективности подавления фотосинтеза ультрафиолетовым облучением у хлореллы имеет максимум в области 250 нм. При 265нм подавление составляет около 50%, а при 320 нм падает почти до нуля (Белл, Меринова, 1961). Действие ультрафиолета (254 нм) вызывает явление хлороза у молодых листьев ячменя. Предполагают, что ультрафиолет нарушает синтез хлорофилла.

Обнаружено (McLeod, Kanwisher, 1962), что квантовая эффективность ниже 350нм быстро падает. Ниже 270 нм выделение кислорода не происходит.

Различия в интенсивности ФАР особенно велики в многоярусном фитоценозе. Светолюбивость видов значительно определяется расположением в отдельном ярусе. В нижних ярусах фитоценоза интенсивность ФАР недостаточна для того, чтобы листья могли фотосинтезировать с максимальной продуктивностью.

Долгое время полагали, что свет не имеет серьезного значения для прохождения стадии яровизации - первой стадии развития растений. Т.Д. Лысенко в первой половине ХХ века первым обратил внимание на то, что для успешного прохождения яровизации требуются помимо других факторов жизни, ещё и специфические условия солнечного освещения. В 1958г.

Н.Р. Трусова проращивала семена проса, овса и суданской травы в растильнях при свете синих и красных люминесцентных ламп; в контроле семена проращивали в темноте. Наблюдения показали, что облучения светом разного качества даже в первые дни жизни растений, было достаточно, чтобы ускорить на 4-11 дней образование генеративных побегов - выметывание метелок. Для проса и суданской травы (растения "короткого" дня") более благоприятен синий свет, а для растений овса(растение "длинного дня") - красный.

Опыты Шаина и др. показали, что многие растений "длинного дня" для своего развития первоначально требуют относительно малой интенсивности света, обилие длинноволновых лучей при отсутствии или малом количестве коротковолновых. В последующем же, летом, наоборот, коротковолновая солнечная радиация, большая интенсивность света ускоряют цветение и плодообразование "длиннодневных" растений. Многим растениям "короткого дня" для более быстрого прохождения стадий яровизации и световой требуется коротковолновое солнечное освещение. Отсутствие его сильно задерживает развитие. Но в последствии наличие длинноволновых лучей хотя бы при слабом коротковолновом освещении даже ускоряет стадийное развитие некоторых растений.

Процессы, возникающие в листе определенные эффекты, может вызвать только поглощенный свет. В какой момент или какие пигменты поглощают свет в различных участках спектра, возникает понятие о спектре действия реакции. Спектр действия фотосинтеза - кривая, изображающая зависимость интенсивности фотосинтеза от длины падающего света (Gaffon, 1960; Белл, 1964).

Фитохром - фотоактивная система, важная для общего обмена и морфогенеза растений, - имеет спектр действия с максимумами в области 660-730нм. Маскируется спектром поглощения хлорофилла.

Спектр действия фотосинтеза имеет всегда максимум в красной области и затем менее ярко выраженный - в синей. Иногда у высших растений наблюдается пологое падение фотосинтеза от красной области к синей, без появления второго максимума.

Значительные исследования спектральной эффективности фотосинтеза были проведены в 70-е годы XX века Маккри и Инада. В этих работах на листьях растений различных систематических групп были получены примерно одинаковые по структуре спектры действия фотосинтеза. Четкий методический подход и достаточно высокий уровень экспериментальной техники окончательно подтвердили мнение о том, что у зеленых листьев растений различных видов структура спектра действия фотосинтеза листа может быть принята как универсальная.

В работах Ф.Ф. Литвина и Хэ-И-Таня [1967], а также Г.А. Санадзе и Д.И. Баазов [1982] показана универсальность структуры и функции фотохимических пигментов систем у высших растений и водорослей.

Попытка оценить спектральную эффективность фотосинтеза листа при длительном пребывании на высокоинтенсивном красном и синем свету была предпринята в исследованиях Н.П. Воскресенской [1965]. В этой работе показано, что наиболее эффективным может быть как красный, так и синий свет в зависимости от вида растений.

В.М. Леман (1971) провел ряд исследований по изучению фотосинтеза листа при излучении различных источников света, которые приведены в его монографии. Измеренные им значения фотосинтеза листьев растений, длительно выращиваемых под люминесцентными, неоновыми, ртутными, ксеноновыми лампами и лампами накаливания, показали, что наиболее высокие значения фотосинтеза дают ксеноновые лампы, несколько хуже - люминесцентные и лампы ДРЛ, а остальные источники света дают значительно худшие результаты (Леман, 1971).

В работе Н.Н. Протасовой (1987) на растениях перца оценивалась эффективность в фотосинтезе излучения синих, зеленых, красных, синекрасных и белых люминесцентных ламп. Такие измерения показали максимальный фотосинтез для листьев, выращенных на синем свету, с последовательным его уменьшением после выращивания на сине-красном (25% синего света), белом, красном и зеленом свету.

В работе Н.Н. Протасовой, Дж. М. Уэллс, М.В. Добровольского, Л.Н. Цоглина (1990) приведены результаты исследований по выращиванию растений в фактеростатных условиях с освещением от источников с различными спектральными характеристиками. В исследованиях рассмотрено действие отдельных областей ФАР на рост и продуктивность растений. Показано, что для получения полноценных растений при выращивании в условиях искусственного освещения необходимо определенное энергетическое соотношения энергии по спектру ФАР в растениеводческих лампах: 20-25% в синей (380-490 нм), 20-25% в зеленой (490-600) и 60-50% в красной области (600-700 нм).



4. Типы ламп

Лампы для освещения растений бывают двух видов - лампы накаливания, в которых есть спираль, и газоразрядные лампы, где свет генерируется при электрическом разряде в смеси газов. Лампы накаливания могут прямо включаться в розетку. Газоразрядные лампы требуют специальной пускорегулирующей аппаратуры (называемой также балластом) - эти лампы нельзя включать в розетку, несмотря на то, что некоторые из них своими цоколями напоминают лампы накаливания. Только новые компактные люминесцентные лампы со встроенным балластом можно вкручивать в патрон.

4.1 Лампы накаливания

К этим лампам, помимо обычных ламп накаливания, которые вкручиваются в люстру на потолке, относятся и некоторые другие лампы:

- галогенные лампы, в которых внутри колбы находится смесь газов, позволяющая увеличить яркость и срок службы ламп. Не путайте эти лампы с газоразрядными металлогалоидными, которые часто называют металлогалогенными. В новых лампах используется смесь газов криптона и ксенона, за счет этого яркость свечения спирали еще выше.

- неодимовые лампы, колбы которых изготовлены из стекла с примесью неодима (Chromalux Neodym, Eurostar Neodymium). Это стекло поглощает желто-зеленую часть спектра, и освещаемые объекты визуально кажутся ярче. В действительности лампа дает не больше света, чем обычная.

Лампы накаливания не стоит использовать для подсветки растений. Они не подходят по двум причинам - в их спектре отсутствуют синие цвета, и у них малая светоотдача (17-25 Лм/Вт). Все лампы накаливания сильно греются, поэтому их нельзя размещать вплотную к растениям - иначе растения получат ожоги. А размещение этих ламп на расстоянии более одного метра от растений практически ничего им не дает. Поэтому в комнатном цветоводстве такие лампы применяются исключительно для подогрева воздуха в тепличках и оранжереях. Другое применение лампы накаливания - совместно с люминесцентной лампой, в спектре которой мало красного света. Например, комбинация лампы холодного света и лампы накаливания обладает достаточно хорошим спектром. Тем не менее, лучше использовать натриевую лампу вместо лампы накаливания.

В последнее время в продаже появились специальные лампы для подсветки растений, например OSRAM Conсentra Spot Natura со встроенным рефлектором. Эти лампы отличаются от обычных ценой (около 80-100 рублей в Москве за лампу мощностью 75-100 Вт). Но принцип действия, а, следовательно, и эффективность этих ламп такая же, как и у обычных ламп накаливания.

4.2 Люминесцентные лампы общего назначения

Лампы этого типа известны каждому - это стандартные источники света в помещениях. Люминесцентные лампы более приспособлены для подсветки растений, чем лампы накаливания. Из "плюсов" можно отметить высокую светоотдачу (50-70 Лм/Вт), низкое тепловое излучение и большой срок службы. Недостатком таких ламп является то, что их спектр не совсем эффективен для подсветки растений. Тем не менее, если света достаточно, то спектр не столь уж важен. Для работы этих ламп требуются светильники со специальной пускорегулирующей аппаратурой (ПРА, балласт). Эта аппаратура бывает двух типов - электромагнитная (ЭМПРА - дроссель со стартером) и электронная (ЭПРА, электронный балласт). Вторая много лучше - лампы не мерцают при включении и работе, увеличивается срок службы ламп и количество света, излучаемое лампой. Некоторые электронные балласты позволяют регулировать яркость свечения ламп, например, от внешнего датчика освещенности. Проблема только в одном: если простейший дроссель стоит в Москве около 200 рублей, то цены на электронные балласты начинаются от 900 рублей, а регулируемые электронные балласты стоят более 2000 рублей без регулирующего устройства, которое стоит еще от $70 до $90 (одно такое устройство может обслуживать много светильников).

Мощность лампы зависит от ее длины. Более длинные лампы дают больше света. Применять следует, по возможности, более длинные и мощные лампы, поскольку у них выше светоотдача. Иными словами, 2 лампы по 36 Вт лучше, чем 4 лампы по 18 Вт.

Лампы должны быть расположены не выше полуметра от растений. Оптимальное применение люминесцентных ламп - полки с примерно одинаковыми по высоте растениями. Лампы крепятся на расстоянии до 15 см для светолюбивых растений, и на расстоянии 15-50 см для предпочитающих полутень. При этом подсветка монтируется по всей длине полки или стеллажа.

4.3 Люминесцентные лампы специального назначения

Эти лампы отличаются от ламп общего назначения только покрытием на стеклянной колбе. За счет этого спектр этих ламп приближен к спектру, который требуется растениям. В Москве можно найти лампы таких производителей как OSRAM-Sylvania, Philips, GE и т.д. Ламп российского производства с оптимизированным для подсветки растений спектром пока не существует.

Цены на специальные лампы, как минимум, вдвое выше, чем на лампы общего назначения, но иногда это себя оправдывает. В качестве примера - личный опыт одного из авторов (А. Литовкин): "Когда к моим растениям подкралась первая зима, я заметил, что они стали если не чахнуть, то уж явно остановились в развитии. Решено было их подсвечивать: приобретён светильник на две лампы (1200 мм). В нем сначала были установлены лампы отечественного производства с холодным белым светом. Растения заметно оживились, но в рост трогаться не торопились. Затем (примерно через месяц) лампы общего назначения были заменены на OSRAM Fluora. И после этого растения, как говорится, "попёрли".

Если вы устанавливаете лампу вместо старой, то имеет смысл использовать специализированную лампу для растений, поскольку при одинаковой мощности такая лампа дает больше "полезного" для растений света. Но при установке новой системы лучше поставить более мощные обычные лампы (лучше всего компактные люминесцентные большой мощности), поскольку они дают больше света, что более важно для растений, чем спектр.

4.4 Компактные люминесцентные лампы

Эти лампы бывают как со встроенным балластом, так и без него. В Москве представлены лампы ведущих мировых производителей и лампы отечественного производства (МЭЛЗ), по характеристикам почти не уступающие зарубежным аналогам, а по цене существенно дешевле.

Лампы со встроенным балластом отличаются от протяженных люминесцентных ламп общего назначения только меньшими габаритами и простотой использования - их можно вкручивать в обычный патрон. К сожалению, такие лампы выпускаются для замены ламп накаливания при освещении помещений, и их спектр похож на спектр ламп накаливания, что не оптимально для растений.

Лучше всего эти лампы использовать для подсветки нескольких компактно стоящих растений. Для получения нормального светового потока мощность ламп должна быть не менее 20 Вт (аналог 100 Вт для лампы накаливания), а расстояние до растений не более 30-40 сантиметров.

В настоящее время в продаже есть компактные люминесцентные лампы большой мощности - от 36 до 55 Вт. Эти лампы отличаются повышенной светоотдачей (на 20%-30%) по сравнению с обычными люминесцентными лампами, долгим сроком службы, отличной цветопередачей (CRI>90) и широким спектром, в котором есть необходимые растениям красные и синие цвета. Компактность позволяет эффективно использовать лампы вместе с рефлектором, что немаловажно. Эти лампы являются оптимальным выбором для освещения растений при небольшой мощности осветительной системы (до 200 Вт суммарной мощности). Недостатком является дороговизна и необходимость использования электронного балласта для ламп большой мощности.

4.5 Газоразрядные лампы

На сегодняшний день, газоразрядные лампы - самый яркий источник света. Они компактны по размерам; их высокая светоотдача позволяет осветить одной лампой растения, занимающие большую площадь. Вместе с этими лампами необходимо использовать специальные балласты. Следует отметить, что такие лампы имеет смысл использовать, если вам необходимо много света; при суммарной мощности менее 200-300 Вт лучшее решение - использование компактных люминесцентных ламп.

Для освещения растений используются три типа ламп: ртутные, натриевые и металлогалоидные, иногда называемые металлогалогенными.

4.6 Ртутные лампы

Это наиболее исторически старый тип из всех газоразрядных ламп. Бывают лампы без покрытия, которые обладают низким коэффициентом цветопередачи (под светом этих ламп всё кажется мертвенно-синим), и более новые лампы с покрытием, которое улучшает спектральные характеристики. Светоотдача этих ламп невелика. Некоторые фирмы выпускают светильники для растений с использованием ртутных ламп, например, OSRAM Floraset. Если вы проектируете новую систему освещения, то лучше воздержаться от ртутных ламп.

4.7 Натриевые лампы высокого давления

Это один из наиболее эффективных, с точки зрения светоотдачи, источников света. Спектр этих ламп воздействует преимущественно на пигменты растений красной зоны спектра, отвечающие за корнеобразование и цветение. Из того, что предлагается в продаже, предпочтительнее всего лампы Рефлакс ООО "Светотехника" серии ДнаТ. Эти лампы изготовлены со встроенным отражателем, допускают эксплуатацию в светильниках без защитного стекла (в отличие от других натриевых ламп), имеют весьма значительный ресурс (12-20 тыс. часов). Натриевые лампы дают большое количество света, поэтому потолочным светильником большой мощности (250 Вт и выше) можно осветить сразу большую площадь - наилучшее решение для подсветки зимних садов и больших коллекций растений. Правда, в таких случаях их рекомендуется чередовать с ртутными или металлогалоидными лампами для балансировки спектра излучения.

4.8 Металлогалоидные лампы

Это наиболее совершенные лампы для подсветки растений - высокая мощность, большой ресурс, оптимальный спектр излучения. К сожалению, эти лампы, особенно с улучшенным спектром излучения, дороже других ламп. В продаже есть новые лампы с керамической горелкой производства Philips (CDM), OSRAM (HCI) с повышенным коэффициентом цветопередачи (CRI=80-95). Отечественная промышленность выпускает лампы серии ДРИ. Область применения - та же, что и для натриевых ламп высокого давления.

Несмотря на то, что цоколь металлогалоидной лампы похож на цоколь лампы накаливания, для нее нужен специальный патрон.

5. Влияние искусственных источников излучения на анатомо-физиологические показатели растений

Анатомическое строение листьев и стеблей служит важным биологическим показателем условий облучения, выращивания и физиологического состояния растении. Так, палисадная и губчатая паренхима наиболее развита у листьев под люминесцентными и ксеноновыми лампами, в результате чего удельная поверхностная плотность оказывается больше, чем под другими типами ламп. По анатомическим характеристикам листья под люминесцентными лампами можно отнести к группе световых, а под лампами накаливания, неоновыми, ртутными или не облучавшиеся дополнительно зимой в теплице - к группе теневых.

При длинноволновом излучении под лампами накаливания н ксеноновыми стебли обычно вытягиваются, при коротковолновом под люминесцентными лампами и лампами ДРЛ, наоборот, наблюдается сильное сокращение междоузлий. В последнем случае лучше дифференцируются проводящие пучки, хорошо развиваются механические ткани и образуется наибольшее количество камбиальных клеток.

Хорошо развитый пигментный аппарат листьев под этими лампами приводит к длительному сохранению фотосинтетической функции и соответственно к существенному увеличению урожая у овощных и других культур.

При облучении растений неоновыми, ртутными и ртутно-вольфрамовыми лампами ИФ значительно ниже, а дыхание - выше, что снижает продуктивность растений в сравнении с люминесцентными лампами, ДРЛ и ДРИ.

Важное значение в продукционном процессе имеют процессы фотоморфогенеза, т. е. изменение форм, размеров растений, а также динамика прохождения отдельных этапов органогенеза под влиянием излучения разного качества и разной интенсивности. Например, ускорение развития растений томата при выращивании их под ксеноновыми лампами по сравнению с люминесцентными происходит за счет более быстрого прохождения 2 этапа-образования кисти; условия выращивания растений в конце 2 - начале 4 этапа определяют число цветков в кисти.

Таким образом, анатомическая структура листьев, накопление пигментов, усвоение лучистой энергии, фотосинтез и фотоморфогенез - лабильные физиологические процессы. Основным фактором, вызывающим изменчивость указанных процессов при прочих равных условиях, является спектральный состав излучения ламп.



6. Использование технологии светокультуры для выращивания овощных и декоративных культур в теплицах

Малая интенсивность естественного света и короткий день в течение многих осенне-зимних месяцев не позволяют выращивать в теплицах овощные и декоративные растения без дополнительного электрического освещения. В настоящее время искусственное освещение (светокультура растений) широко применяется в средней и северной частях России и СНГ при выращивании рассады огурца и томата.

Для досвечивания овощных и декоративных растений используют люминесцентные трубки (ЛЛ) мощностью 40 или 80 Вт марок ЛДЦ (дневного света) или ЛБ (белого света) и лампы ДРЛ мощностью 250, 400, 500 и 1000 вm. На базе этих ламп начали изготовлять специальные лампы для выращивания растений («фитолампы»), к. п. д. которых на 15--20% выше стандарта.

Пользоваться лампами накаливания в качестве источника света или для замены ими дросселей у люминесцентных ламп или у ламп ДРЛ не рекомендуется.

Лампы накаливания имеют очень низкий коэффициент полезного действия: в световое излучение у них превращается менее 10% расходуемой энергии. Они излучают много оранжевых, красных и инфракрасных лучей, что вызывает ненормальное вытягивание стеблей, деформацию листьев, перегрев и ожоги растений. Кроме того, значительно увеличивается расход электроэнергии на единицу продукции.

Поэтому теперь их практически не применяют для выращивания рассады или получения плодов томата или огурца. Исключением является выгонка лука, петрушки и других зеленных культур. В этом случае допустимо использование ламп накаливания мощностью 100, 150 вт; установленная мощность может быть порядка 200 вт на 1 м2 досвечиваемой площади. Высота подвеса над растениями 50--60 см, продолжительность досвечивания в сутки -- минимум 6, максимум 18 (при отсутствии естественного света) часов. При выращивании растений огурца и томата с досвечиванием перепад температуры воздуха между светлым и темным периодом суток -- порядка 6--8°.

Одновременное выращивание в одной теплице рассады огурца и томата не рекомендуется из-за разных требований этих растений к температуре и влажности воздуха.

При использовании ЛЛ и ДРЛ в 2 смены в одном помещении, при освещении каждой половины в течение суток по 12 часов весьма желательно освещенную и темную части теплицы разделять плотным занавесом, обеспечивающим растениям нужный перепад температуры и несколько часов абсолютной темноты, необходимой для прохождения нормальных физиологических процессов у растений. В противном случае наблюдается отставание в развитии и опадение первых цветков.

Люминесцентные трубки (ЛЛ) монтируют в прямоугольные рамы, сделанные из дюралевого или железного уголка, металлических трубок или деревянных планок. Рамы подвешивают горизонтально (над рассадой) или вертикально (между взрослыми, плодоносящими растениями) на блоках, шарнирах или роликах, позволяющих изменять высоту их подвеса. Дроссели монтируют в огдельные пакеты в металлическом, хорошо вентилируемом каркасе. Эти пакеты помещают или в стороне от рам, предохраняя их от сырости и перегревания, или на самой раме над трубками.

В пасмурные дни или в темные часы суток на рамы с ЛЛ помещают экраны на расстоянии 3--4 см выше трубок. Экраны делают из полированного алюминия, жести, железа или фанеры, окрашенных сернокислым барием, окисью магния, мелом, известью или масляной краской. Можно применять металлизированную пленку с высоким коэффициентом отражения. Такие экраны увеличивают освещенность растений на 15--25% . Под рамами с экраном температура воздуха повышается на 3--5° в зависимости от отражающего покрытия.

Лампы ДРЛ монтируют либо вертикально в стандартной осветительной арматуре, либо горизонтально в прямоугольной, корытообразной арматуре из металла с отражающим внутренним слоем и вентиляционными отверстиями. Эти лампы используют как в стационарных, так и в подвижных установках с поступательно-возвратным движением.

В небольших теплицах лампы ДРЛ можно периодически передвигать вручную, подвесив их на тросе, натянутом по оси стеллажа. Передвижение осуществляется по мере надобности, в зависимости от состояния растений.

Эффективность освещения рассады люминесцентными трубками или лампами ДРЛ практически одинакова.

Дополнительное освещение необходимо применять сразу после появления всходов и не допускать перерыва между естественным и искусственным освещением. Суммарное освещение в течение суток (естественное и искусственное) не должно превышать для огурца 12 часов, для томата 16--18 часов.

Дополнительное освещение рассады огурца и томата почти вдвое сокращает время, необходимое для ее выращивания.

Весьма способствует повышению урожая (на 30--50%) добавление в воздух теплицы углекислоты из расчета 0,2--0,3% к объему помещения.

Высокое качество рассады, выращенной под ЛЛ или ДРЛ, позволяет получить первые плоды на 20--25 дней раньше, чем без досвечивания. Общий урожай за вегетационный период увеличивается на 25--30%. Себестоимость овощей, несмотря на дополнительные затраты, снижается на 15--20%.

Затраты на осветительные установки окупаются за 1--2 года.

Величину дополнительных затрат на одно растение при выращивании рассады огурца или томата с дополнительным освещением можно определить по следующей формуле:

X = Q+R+(V*Kp)-S

где Q -- величина амортизационных отчислений электрооборудования на 1 м2 освещаемой площади (средний срок амортизации 10 лет); иногда при выращивании рассады эта площадь используется 2--3 раза;

R -- амортизационные отчисления электроламп, установленных на 1 м2 (среднее время горения ламп 5000 часов);

V -- стоимость 1 квт*Ч;

К -- количество часов досвечивания за весь период;

р -- суммарная установленная мощность ламп на 1 м2 в квт;

S -- стоимость сэкономленного топлива;

W -- деловой выход рассады c 1 м2 в шт. (огурца 80--100, томата 70--80 шт.).

Дополнительное освещение взрослых растений ЛЛ или ДРЛ для получения зимой зрелых томатов и огурцов вполне возможно, хотя экономически пока не всегда выгодно. В этом случае установленную мощность светильников надо значительно повысить, а общую продолжительность досвечивания довести до 70-- 100 дней в зависимости от культуры. Затрата электроэнергии на 1 кг продукции достигает 150--200 квт*ч.

Весьма перспективны для выращивания рассады и плодоносящих растений в теплицах ксеноновые лампы с водяным охлаждением.

При определенной системе-подвески ксеноновых ламп каждая из них освещает рассаду на площади 15--20 м². При этом лампы не загораживают солнечный свет, не мешают агротехническому уходу и не требуют уборки их весной и подвеса осенью.



Заключение

В курсовой работе нами были рассмотрены все вопросы и задачи, поставленные во введении к данной работе.

Использование мощных сверх-ярких светодиодов для освещения теплицы открывает путь к действительно независимому от окружающей среды (температуры, освещенности) и экономически выгодному выращиванию продуктов питания. Возможно, для нормального роста растений придется применять светодиоды с различным цветом, но эта трудность не является принципиальной.

Искусственное освещение - это, безусловно, удобная и безопасная альтернатива естественному освещению, однако стоит помнить, каким путём оно добывается и какой вред наносит окружающему миру. Я думаю, что используя рационально дары природы вкупе с неисчерпаемыми возможностями человеческого мозга и трезвым расчётом, можно добиться высоких показателей производительности человеческого труда, без оказания пагубного влияния на экосистему в целом и «ночную» жизнь в частности.

...