Физиологические основы выращивания растений при искусственном освещении

Можно ли выращивать растения при искусственном освещении?

Растения могут расти при искусственном освещении, но искусственный свет не такой интенсивный, как солнечный свет, и имеет меньше красного и синего света, чем солнечный свет. Светодиодные фонари, используемые в специальных комнатных камерах для выращивания, уменьшают разницу между искусственным светом и солнечным светом, что может помочь растениям лучше расти.

У растений есть суперсила — фотосинтез — который позволяет им создавать пищу с нуля. Все, что им нужно, это углекислый газ и немного воды. Чтобы подпитывать процесс приготовления пищи, растению нужна энергия, которую оно получает от солнца.

К сожалению, не во всех уголках планеты солнце светит ярко круглый год. На крайних полюсах Земли, в таких странах, как Исландия и Финляндия на севере или Антарктида на юге, присутствие солнца сокращается до менее 8 часов в день.

Помимо сезонных изменений, города и их бетонные джунгли представляют проблему для домашних растений. Высотные здания и небоскребы могут блокировать попадание солнечного света во многие жилые дома. Что же тогда делать тем из нас, кто занимается садоводством?

Ну, конечно, включить свет!

На самом деле неверно утверждать, что растениям нужно солнце для фотосинтеза. Слово «фотосинтез» происходит от греческих корней; «фото» относится к свету, а «синтез» — к соединению. Другими словами, растениям для фотосинтеза действительно нужен свет, а не солнечный свет.

Точнее, им нужны фотоны.

Фотоны — это частицы, из которых состоит свет, и каждый фотон имеет определенное количество энергии, называемое энергией фотона. Когда фотон попадает в объект, например, в растение, он передает свою энергию этому объекту при попадании в него.

Солнечные лучи — это бесплатный источник фотонов, который существует с тех пор, как зародилась жизнь. В конце концов, жизни удалось эволюционировать, чтобы использовать этот богатый источник энергии для выживания; растения являются одними из тех организмов, которые произошли от ранних фотосинтетических водорослей.

Много миллиардов лет спустя, после того, как появились первые фотосинтетические формы жизни, на сцену вышли люди, и мы выяснили, как сделать наш собственный свет. Сначала появился огонь, а затем (спустя очень долгое время) — лампы накаливания.

Физика не различает, создается ли свет термоядерным синтезом или химическим веществом; весь свет состоит из фотонов. Таким образом, искусственное освещение всё равно позволит вашим растениям расти!

Солнечный свет против искусственного света

Хотя искусственный свет подойдет вашим растениям, между светом солнца и светом искусственной лампочки есть несколько ключевых отличий.

Длина волны света — мы узнали, что белый свет состоит из всех цветов света, но даже в пределах белого света существуют тонкие различия в составе длин волн. В искусственном свете не так много красного и синего света, как у солнца. Фотоны с разной длиной волны света имеют разное количество энергии. Зеленые растения больше всего поглощают энергию света красного и синего длин волн, отражая большую часть зеленого и желтого света (поэтому растения кажутся зелеными).

Интенсивность света — солнечный свет более интенсивен, чем любой искусственный свет. К этой более высокой интенсивности солнца растения лучше всего приспособлены. Более высокая интенсивность также означает, что растение получает больше фотонов и, следовательно, может более эффективно фотосинтезировать.

Спектр поглощения молекулы хлорофилла, который позволяет растениям использовать энергию солнца. На графике показаны две разные молекулы хлорофилла с немного разными химическими структурами. Пики поглощения находятся в красной и синей областях видимого спектра.

Технологии спешат на помощь

Необходимость — мать всех изобретений, и именно это мы наблюдаем в этой области. Искусственное освещение теперь специально разработано, чтобы помочь растениям расти так же хорошо, как если бы они грелись на солнце.

Среди разновидностей искусственного света лучшими являются светодиоды (сокращенно от Light Emitting Diodes). Они наиболее эффективно излучают свет в красной и синей части спектра и имеют более высокую интенсивность, чем люминесцентные лампы. Что еще более важно, они также более энергоэффективны.

Это важный фактор для исследований и растениеводства. В условиях воздействия изменения климата и увеличения численности населения в сельском хозяйстве рост комнатных растений становится все более важным для устойчивого производства продуктов питания.

Воздействие искусственного света на растения

Фотосинтетически искусственное освещение может удовлетворять потребности растения, но растения также используют световые сигналы для контроля за их функционированием и ростом.

У растений, как и у животных, есть внутренние биологические часы, которые отсчитывают время в соответствии с движением солнца в течение дня. Эти биологические часы отвечают за то, чтобы подсолнухи следовали за солнцем в течение дня, а также за то, когда цветут цветы и как растут высокие и длинные растения.

Исследования салата-латука показали, что при выращивании под красным светодиодом, стебель салата-латука был более продолговатым, чем при выращивании в белом свете. Рост стебля — это светозависимый процесс. Исследователи также обнаружили, что добавление голубого света предотвращает слишком сильное удлинение стебля.

Кроме роста, молекулы, которые растениям необходимо фотосинтезировать, также подвержены воздействию искусственного света. Хлорофилл является основной молекулой, которую растения используют для улавливания энергии фотонов, и его накопление в клетке зависит от света. Исследования показали, что хлорофилл накапливается медленно под белым светодиодным светом и красным светодиодным светом, но не под синим светодиодным светом, где производство хлорофилла не затронуто.

Помимо хлорофилла, другие молекулы в растении, которые не участвуют в фотосинтезе, также страдают. Эти молекулы производятся растением для различных других функций, таких как антиоксиданты или гормоны. Эти молекулы, называемые вторичными метаболитами растений, часто являются важными элементами питания животных.

Исследования лекарственного растения под названием «Почечный чай» (Orthosiphon stamineus) показали, что когда растение подвергалось воздействию искусственного света с высокой степенью освещенности (мера того, сколько энергии излучает свет), происходило снижение количества важных вторичных метаболитов. Это говорит о том, что освещенность может быть важным фактором, который следует учитывать.

Заключение

Исследования делают успехи в понимании того, как светодиоды влияют на рост растений. Можно надеяться, что это лучшее понимание приведет к созданию более совершенных технологий, которые однажды помогут решить наши продовольственные проблемы.

Для тех из нас, кто живет в квартирах, которые не получают много солнечного света, есть доступные и небольшие камеры для выращивания, которые должны работать так же хорошо, как и солнце. Только убедитесь, что свет не включен постоянно, так как слишком много света вредно для растения!

Даже при таких искусственных вариантах солнечный свет остается лучшим источником света для растений. Поэтому, если вы можете, выносите растения на день для принятия солнечных ванн!

Источник

Выращивание растений при искусственном облучении (светокультура)

В настоящее время растения можно вырастить в любых условиях (под землей в шахтах, подводной лодке, за Полярным кругом, космосе и т.д.). Агротехника выращивания при искусственном облучении (Иск О) разработана. Главная трудность – разработка ламп, дающих свет.

Главное условие, чтобы соблюдалось равенство:

ИскО + ЕО = 100 % потребности

растений в свете. ЕО – естественное облучение. Растения требуют больше света, чем человек. Лучше: 16 часов свет и 8 темнота.

Требования к источникам света.

Должны давать свет по спектральному составу близкий к естественному;

Иметь низкий тепловой эффект и больше световой.

Им больше удовлетворяют лампы дневного света (металлогалогенные). Сейчас разрабатываются на диодной основе с заданным спектральным составом. Наиболее распространена лампа РДЛФ-400.

Температура. Фотосинтез возможен в широком диапазоне значений температуры: от минус 5 до + 50˚С. Влияние температуры на фотосинтез бывает обратимым и необратимым. Обратимое: не выходит за пределы устойчивости отдельных звеньев фотосинтеза определяемых генотипом. Для большинства растений оно находится в диапозоне температуры от 5 до 35˚С, где скорость реакций световой фазы независима от температуры, а скорость реакций темновой фазы отличается высокой температурной активностью с Q₁₀ 2-3 (т.е. на каждые 10˚ ИФ ↑ в 2-3 раза).

Влияние температуры на иф и ид (дыхания)

В пределах оптимальных значений для фотосинтеза температур, ИФ в 2-3 раза выше ИД: вектор АВ (ИФ) при 30˚ больше ВС (ИД) в 3 раза. При более высоких температурах ИФ ↓, а ИД ↑ и в точке Д кривые пересекаются: ИФ=ИД. Это температурная компенсационная точка, т.е. температура, при которой ИФ=ИД и не наблюдается прирост биомассы растений. При температуре 40˚С и выше ИФ равна 0, а ИД возрастает и достигает максимума при температуре 53-55˚ (FK). Растение расходует накопленное сухое вещество и «худеет» на корню. Существует правило: чем меньше получает растение света, тем ниже должна быть температура. При температуре за пределами устойчивости физиологических систем листа наблюдается необратимая потеря фотосинтетической активности.

В умеренной зоне tmin= 0˚, opt. 25-30˚ и max. более 35-40˚. Температурный оптимум зависит от вида растений, например, С₃ и С₄ (у С₄ он больше), от интенсивности света (рис.3), концентрации СО₂ (чем меньше СО₂, тем должна быть меньше температура).

При фотосинтезе используется всего лишь около 1 % поглощенной воды, но ее дефицит в растении очень сильно влияет на фотосинтез. ИФ максимальна не при 100 % насыщенности растений Н₂О, а при водном дефиците (ВД), до 5 % (рис. 4). Увеличение ВД до 28-30 % приводит к резкому снижению ИФ и ЧПФ (чистая продуктивность фотосинтеза) равна 0. Не наблюдается прироста биомассы. ВД около 40 % приводит к прекращению фотосинтеза.

Минеральное питание (МП).

Регулирование МП является наиболее мощным фактором упарвления фотосинтеза. ЭМП (элементы МП) могут влиять на ИФ прямо или косвенно, через обмен веществ и рост. Прямое действие ЭМП связано с их участием в фотосинтетических структурах и системах, осуществляющих фотосинтез. Так, N (азот) и Mg входят в состав хлорофилла, фосфор необходим при фотосинтетическом фосфорилировании, калий способствует оттоку ассимилятов из листьев, микроэлементы (Fe, Zn, Cu…….) содержатся в различных ферментах, Mn учствует при фотолизе, без Fe и Сu не образуется хлорофилл и растения болеют хлорозом.

Более подробно в разделе «Минеральное питание».

Любое заболевание растений, вызванное или грибными патогенами, или бактериальной инфекцией приводит к нарушению фотосинтетического аппарата и снижает ИФ.

Содержание СО₂ в атмосфере 0,03 %. Зависимость ИФ от СО₂ в воздухе выражается углекислотной кривой фотосинтеза, имеющей вид прямоугольной гиперболы для С₄-растений и непрямоугольной формы для С₃. Углекислотное насыщение фотосинтеза у С₄, имеющих механизм концентрирования СО₂, происходит при содержании СО₂ близком к естественному (0,035-0,055 %). Его дальнейшее повышение не увеличивает ИФ в отличие от С₃-видов, у которых ИФ значительно возрастает (оптимальная температура СО₂ для С₃ растений около 0,1 %).

Углекислотный компенсационный пункт (УКП), т.е. концентрация СО₂, при которой ИФ=ИД для С₄ значительно ниже (0,0005 %), чем для С₃ (0,005 %). С увеличением концентрации О₂ выше атмосферного ИФ подавляется в результате активации фотодыхания.

Несмотря на то, что прямой физиологический эффект обогащения СО₂ благоприятствует больше С₃, учет взаимодействия основных факторов в конечном итоге может дать преимущество посевам С₄-культур.

Т.о., повышение содержания СО₂ в атмосфере и в растениях будет способствовать повышению ИФ.

Содержание СО₂ на уровне растения и в системе почва-растение-атмосфера неравномерно. Например,

Рис. 5 Необходимо создавать хорошо продуваемые посевы для движения СО₂

Основным источником СО₂ в атмосфере явялется почвенное дыхание микроорганизмов, процессы разложения органических остатков. Следовательно, для увеличения СО₂ надо обогащать почву органическим веществом, поддерживать в рыхлом и влажном состоянии.

В парниках ставят ведра с перегноем и водой, в междурядьях раскладывают навоз и т.д.

Дополнительное повышение СО₂ эффективно при усилении света.

Взаимодействие факторов при фотосинтезе.

В естественных условиях факторы внешней среды действуют совместно. Поэтому газообмен растения отражает взаимодействие всех внутренних и внешних факторов. Согласно концепции лимитирующих факторов г. Блэкмана, ИФ лимитируется тем фактором или процесом, которые находятся в минимуме.

Свет и температура. Чем больше света получает растения, тем ниже должна быть температура;

Дневной ход фотосинтеза.

Сложный характер взаимодействия факторов, их динамичность влияют и на ход Фс.

Фс начинается у растений с восходом солнца и возрастает, достигая максимума в полуденные часы. Однако даже в умеренной зоне может наблюдаться т.н. полуденная депрессия фотосинтеза. Ее причины:

Перенаполнение хлоропластов продуктами Фс;

Низкая скорость поступления СО₂;

Большая часть продуктов Фс образуется в первой половине дня.

Кривые, отражающие ход Фс в умеренном и жарком климате, имеют следующий вид:

Источник

Искусственное освещение растений. Зачем это нужно и как реализовать

Для того чтобы цветы радовали глаз круглый год, необходимо оптимальное количество света, тепла, влаги, удобрений. Но иногда свету не придают должного значения, а между тем надежное, экономичное и эффективное освещение теплиц, зимних садов и оранжерей способно творить настоящие чудеса. С этой целью обязательно для досветки используется искусственное освещение для растений, о чем и пойдет сейчас речь.

Свет и фотосинтез растений

Процесс фотосинтеза – образование органических веществ из воды и углекислого газа – играет одну из важнейших ролей в жизни растений. Возможен он только при наличии солнечного или искусственного света. У растений фотосинтез происходит с участием хлорофилла – фотосинтетического пигмента, через который поглощается световая энергия. И чем лучше освещение, тем активнее продвигается этот процесс, тем лучше чувствуют себя растительные культуры, активнее их рост, цветение, плодоношение. Конечным этапом фотосинтеза является выделение кислорода.

Но чтобы растение нормально росло, важна не только энергия света сама по себе, спектр тоже играет большую роль. Дело в том, что по спектральному составу свет не однороден.

Человеческому глазу это не видно, но приборы показывают, что световые лучи имеют разную длину электромагнитной волны (измеряется в нанометрах – нм) и разный цвет.

Оранжевые и красные лучи – важней всех остальных для растений, длины их волн составляют 620-595 нм и 720-600 нм соответственно. Лучи этих спектров поставляют энергию для фотосинтеза и несут ответственность за скорость роста, развитие корней, цветение, созревание плодов.

Кроме оранжевых и красных участвуют в фотосинтезе фиолетовые и синие лучи (490-380 нм), в функции которых входят регулировка скорости роста и стимуляция синтеза белков. Пигменты растений, поглощающие в основном энергию синего спектра, отвечают непосредственно за рост листвы. Недостаток синего заставляет растения тянуться за ним вверх, делаясь более тонкими и высокими.

Лучи с волнами 315-380 нм отвечают за производство витаминов и не позволяют стеблю слишком вытягиваться, ультрафиолет с длиной 280-315 нм повышает устойчивость к холодам — таким образом, у каждого спектра есть свое предназначение в развитии растительных культур.

Лампа для выращивания зелени

Эти знания широко используются при выращивании растений при искусственном освещении в теплицах, зимних садах, квартирах с учетом потребностей растений в отдельном световом спектре. Так, например, некоторым из них на стадии вегетативного роста нужен холодный белый свет фитоламп, на стадиях цветения, плодоношения, они больше нуждаются в теплом световом спектре.

Как определить недостаток или избыток освещения для растений

Свет нужен всем растениям, но одни могут прекрасно существовать при его недостатке, в то время как другие в таких условиях долго не проживут. Условно растительные культуры делятся по степени своей потребности в световой энергии на три основные группы:

• светолюбивые – требуют хорошего освещения, без него плохо растут, могут погибнуть;
• теневыносливые – способны выносить небольшое притенение, расти и развиваться на небольшом отдалении от источника света;
• тенеиндифферентные (тенелюбивые) – нуждающиеся в свете гораздо в меньших количествах, чем первые две группы.

Определить недостаток света у растения легко – это сразу начинает отражаться на внешнем виде: зелень листьев тускнеет, стебель начинает вытягиваться, цветоносы отпадают, декоративность комнатных цветов теряется. Адаптируясь к недостаточному количеству света, листья отдельных растений могут не только побледнеть, но и приобрести темно-зеленый оттенок, увеличиться или, наоборот, уменьшиться. Междоузлия вытягиваются, становясь менее прочными. Без достаточного освещения домашних растений светолюбивые цветущие растения перестают цвести.

Все эти явления являются ничем иным как следствием недостаточного фотосинтеза.

Признаки недостатка света

Но переизбыток света тоже вреден для растений. Он может являться причиной разрушения хлорофилла. Это явление можно отследить по желто-зеленому или бронзовому оттенкам листьев, которые при этом становятся короче и шире, чем были раньше, и по более коротким междоузлиям. Само растение становится более приземистым.

Признаки избытка света

Создание искусственного освещения

Для того чтобы создать для растительных культур наиболее благоприятные световые условия с учетом их индивидуальных потребностей, разработаны специальные фитолампы. Пользоваться обычными лампами накаливания в этом случае нельзя: слишком сильно нагреваясь, они могут причинить ущерб растениям, и к тому же, выделяя тепло, они меняют температурный режим помещения.

Выбор специализированного фито освещения для растений сегодня огромен: галогенные, натриевые, энергосберегающие, светодиодные — иногда их комбинируют. Например, галогенные лампы чаще всего используют на этапе вегетативного роста растений – они дают синий и желтый цвета. Натриевые используются на репродуктивной фазе — их излучение красноватого оттенка способствует цветению и плодообразованию, о чем читайте здесь.

Люминесцентные лампы, очень популярные до недавнего времени, из-за постепенного ослабевания светового потока и недолговечности постепенно отходят на второй план. Об их применении в теплицах читайте тут.

Подсветка рассады люминесцентными лампами

Есть наиболее экономичные и долговечные, создающие синие, красные лучи светодиодные лампы, которые хорошо себя зарекомендовали в разных условиях выращивания растений. Они удовлетворяют не только потребность в определенном количестве света, но и в световом спектре, протяженности светового дня. Как подобрать светодиоды для освещения растений, подскажет эта статья.

С помощью таких ламп можно управлять фазами роста, регулировать время, когда растение отдыхает или бодрствует. Многие ошибочно считают, что чем дольше горит свет, тем лучше для растений, но это в большинстве случаев не так: им также, как и людям, нужно время для сна и желательно в одном режиме. Лампы led освещения для растений выпускаются с длиной волн 400 нм, 430 нм, 660 нм, 730 нм.

Такое искусственное освещение улучшает поглощение хлорофилла, ускоряет обменные процессы, содействует росту корней, стимулирует защитные функции.

«Растительная» специфика подразумевает следующие типы освещения:

• постоянное – например, для овощных культур, которые лучше всего растут при естественном дневном свете, им в качестве постоянного освещения подходят спектральные галогенные, люминесцентные лампы;
• периодическое – может применяться в определенный период года (зимой, осенью, ранней весной) в целях поддержания растений, когда световой день становится для них слишком коротким;
• циклическое – обмен веществ у растений имеет циклический характер, поэтому освещение может быть настроено в соответствии с этими циклами, оно должно включаться/выключаться с помощью таймера-реле и зависит от предпочтений растения (короткие дни и длинные ночи или наоборот);
• краткосрочное – досветка в определенные часы, соблюдать спектр не обязательно;
• декоративное – контурная или подсветка снизу для придания растению или группе растений наибольшего декоративного эффекта.

Расстановка источников света в теплице, зимнем саду и для комнатных растений

При расстановке фитосветильников необходимо учитывать следующие показатели:

• размер площади;
• длительность освещение;
• цикличность освещения;
• необходимый световой спектр;
• безопасность расстояния от ламп до растений (не менее 20 см от верхнего листа);
• возможность сокращать/увеличивать расстояние от лампы до растения по мере необходимости;
• угол светового излучения.

Для начала необходимо провести тщательную сортировку растений по видам, их индивидуальным особенностям и периоду вегетации, продумать компактное, удобное размещение растений и лампы – оно не должно мешать перемещению людей, домашних питомцев, техники (если это производство), требуется также соблюдение правил пожарной безопасности.

По отношению к растительным культурам фитолампа может устанавливаться по-разному – это зависит от того, является цель освещения декоративной или имеет вспомогательную функцию.

Искусственное освещение для комнатных растений, размещенных на маленькой площади, и имеющих одинаковую высоту формируется компактными лампами, для высоких растений-одиночек — прожектора одиночного типа. Для растений, стоящих на стеллажах, подставках, подоконниках — светодиодные или компактные лампы, могут также быть использованы и удлиненные люминесцентные с рефлекторами. В больших зимних садах, теплицах и оранжереях целесообразно устанавливать потолочные светильники с мощными газоразрядными лампами.

Источник