Световой режим
Свет необходим растениям как источник энергии для фотосинтеза и накопления органического вещества. Зеленые растения, содержащие хлорофилл, способны при помощи лучистой энергии синтезировать и накапливать органические вещества и образовывать плоды. От интенсивности освещения и его спектрального состава зависит образование хлорофилла, витаминов, ферментов и других веществ, играющих важную роль в жизни растений. Особенно важна для растений видимая область спектра солнечной радиации, которую называют фото-синтетически активной радиацией. В ее составе наибольшее влияние на растения имеют красные, оранжевые, синие и фиолетовые лучи. Именно интенсивность активной радиации и определяет урожайность овощных культур.
Солнечный свет состоит из видимых и невидимых лучей. Особенно большое значение имеют видимые лучи, которые принимают участие в фотосинтезе, фотопериодических реакциях, передвижении веществ в процессе роста и развития растений. Большую часть энергии, необходимой для протекания фотосинтеза, обеспечивают красные и оранжевые лучи. Синие и фиолетовые участвуют в фотосинтезе, но больше стимулируют переход растений короткого дня к цветению и замедляют развитие растений длинного дня. Желтые и зеленые лучи обладают меньшей физиологической активностью. Короткие инфракрасные лучи увеличивают энергию фотосинтеза, а также оказывают влияние на рост, развитие и другие физиологические процессы, протекающие в растениях. Длинные ультрафиолетовые лучи обладают формативным действием, задерживают ветвление растений, повышают содержание в овощной продукции синтезируемых веществ, особенно аскорбиновой кислоты, способствуют повышению холодостойкости растений.
Овощные растения неодинаково реагируют : интенсивность света, его спектральный состав, продолжительность дневного освещения. С увеличением интенсивности освещения усиливаются фотосинтез и накопление органического вещества, ускоряется развитие растений, в пасмурную погоду, напротив, плохо накапливаются сахара и сухие вещества. Для большинства растений оптимальная освещенность составляет около 20—30 тысяч люкс.
В открытом грунте для своего роста и развития растения используют только солнечную энергию. В защищенном грунте растения иногда выращивают с досвечиванием или полностью при искусственном освещении.
Наиболее требовательны к интенсивности света плодовые культуры семейств тыквенных, пасленовых, бобовых; менее требовательны — капустные, корнеплоды, луковые и зеленные культуры.
По требовательности к интенсивности освещения, достаточной для образования продуктивных органов, овощные растения подразделяются на три следующие группы:
— сильнотребовательные к свету — помидор, перец, баклажан, огурец, кукуруза, фасоль, горох, дыня, арбуз, тыква;
— среднетребователъные к свету — чеснок, лук, капуста, корнеплодные овощные культуры, шпинат, многолетние культуры; — малотребовательные к свету — выгоночные культуры: лук, петрушка, сельдерей, щавель, спаржа, цикорий, салат, у которых листья образуются даже при очень небольшой освещенности за счет запаса питательных веществ, находящихся в подземной части растения (луковицах, корнеплодах, корневищах).
Менее требовательные к освещенности культуры могут страдать от чрезмерного воздействия тепловых лучей в составе спектра, вследствие чего ослабляется ассимиляция и ухудшается качество продукции. Для повышения качества иногда затемняют отдельные органы растений: у цветной капусты — головку, у спаржи и лука-порея окучивают продуктивные органы.
Овощные растения, формирующие вегетативные продуктивные органы в виде корнеплода, корневища, луковицы, при выращивании из них семян нуждаются в хорошем освещении, а при выгонке зимой могут произрастать при недостатке света, иногда и совсем без него.
Соотношение времени, в течение которого растение получает солнечную энергию (день) и перерабатывает ее (ночь), называется фотопериодом. К длине дня овощные культуры относятся неодинаково. Для овощных растений имеет большое значение продолжительность освещения. По реакции на длину дня овощные растения делятся на три группы:
1. Растения длинного дня (длиннодневные) — капуста (виды), пастернак, брюква, редька, редис, морковь, петрушка, лук, салат, щавель, шпинат, укроп, овощной горох, свекла, репа — сорта северного происхождения, в условиях продолжительного светового дня они быстрее переходят к образованию генеративных органов, начинают раньше цвести и плодоносить.
2. Растения короткого дня (короткодневные) — тыква, огурец, перец, баклажан, сорта помидора, кукуруза, кабачок, патиссон, фасоль. Фактор темноты необходим в начале их жизни (вегетации), а в дальнейшем они могут успешно развиваться и плодоносить в условиях длинного дня.
3. Нейтральные к длине дня растения — арбуз, спаржа, некоторые сорта помидора, огурца, гороха, фасоли, выведенные в умеренных и северных широтах страны. Эти культуры не реагируют на изменение длины дня, то есть периода получения растением солнечной энергии.
Регулируя длину светового дня, можно оказывать необходимое воздействие на культуры. Удлиняя или укорачивая световой день, можно менять сроки цветения овощных культур и получать более высокие урожаи. Так, чтобы не было стрелкования и цветения, для редиса, салата, шпината, лука, выращиваемого на зелень в открытом грунте, искусственно создают более короткий день. Для этого на грядах устанавливают легкие каркасы из проволоки или тонких деревянных реек и в определенные часы прикрепляют на них материал, не пропускающий света, создавая таким образом подобие ширмы.
Для укорачивания светового дня растения на грядках закрывают обычно с 20 до 8 часов следующего дня. Утром материал снимают с каркаса и растение из затенения переходит в полное солнечное освещение. При позднелетнем посеве, когда продолжительность дня уменьшается, салат, редис, лук на зеленый лист не зацветают и дают хорошие урожаи.
Свет является наиболее труднорегулируемым фактором в комплексе главных условий роста растений. Световой режим на участке можно регулировать соблюдением сроков посева, его оптимальной густотой, своевременными прополками сорняков и прореживанием растений в гнезде, так как неблагоприятные условия освещения могут создаваться при большом загущении растений и при затенении их сорняками. Чем выше температура воздуха, тем растения быстрее реагируют на недостаток света. Для максимального использования солнечной энергии при выращивании овощных культур гряды по возможности следует размещать в наиболее освещенных южной и юго-западной частях участка.
В защищенном грунте вполне возможно регулировать световой режим. При недостатке освещения используют досвечивание с помощью различных источников света или для создания укороченного дня растения затеняют в определенные часы суток. Кроме того, возможно выращивание растений полностью при искусственном освещении. Особенно внимательно надо следить за световым режимом при выращивании рассады в закрытом грунте. Слабая освещенность при высокой температуре воздуха действует на растения отрицательно: уменьшается степень ассимиляции, увеличивается расход пластических веществ на дыхание, в результате качество рассады, особенно у светолюбивых растений, снижается, она становится бледной, вытянутой.
Чрезмерная загущенность посевов уменьшает их освещенность, что пагубно отражается на развитии растений, а затем и на урожае овощей и на скорости поступления продукции.
Период после появления всходов — самый ответственный момент при выращивании рассады в защищенном грунте. Именно в это время вследствие израсходования питательных веществ семени у растений проявляется наибольшая потребность в свете. Недостаточность освещения влияет также на корневую систему: у затененных растений она развивается хуже, чем у растений, получающих достаточно света.
Чтобы максимально использовать солнечную энергию при выращивании овощей в защищенном грунте, парники ставят на южном склоне участка.
Источник
Требования овощных растений к свету.
Свет имеет важное значение в жизни растений, являясь источником энергии для фотосинтеза. Все овощные растения требовательны к свету. Особенно высокую требовательность к свету растения проявляют в начальные фазы развития, при появлении всходов, когда запасы питательных веществ семени бывают израсходованы и развитие растений идет за счет продуктов ассимиляции. Недостаток освещенности в этот период вызывает вытягивание всходов и ослабление растений. Очень требовательны к интенсивности освещения плодовые культуры — дыня, арбуз, тыква, перец баклажаны, томат; капустные, а также кукуруза, фасоль, салат. Несколько меньшие требования к свету предъявляют огурец, шпинат, морковь, укроп, петрушка, сельдерей, ревень, щавель, лук. Незначительные требования к свету предъявляют выгоночные культуры — лук на зелень, петрушка, сельдерей, свекла, мангольд, щавель, которые выращивают на зелень в теплицах в периоды недостаточной естественной освещенности.
Большое значение в жизни овощных растений имеет также продолжительность освещения. По отношению к продолжительности освещения овощные растения делятся на три группы:
1 группа. Растения длинного дня. Сюда относятся холодостойкие овощные культуры: редис, шпинат, укроп, корнеплоды, луки и др. Успешное выращивание их возможно при продолжительности освещения не менее 14-16 часов в сутки. При сокращении светового дня цветение и плодоношение этих растений сильно задерживается.
2 группа. Растения короткого дня. Период освещенности для них составляет 8-12 часов в сутки. Сюда относятся теплолюбивые растения: огурец, баклажаны, перец и др.
3 группа. Растения не реагирующие на изменения длины дня. Эти растения называются еще нейтральными. Световая стадия их завершается как при длинном, так и при коротком дне. К таким растениям относятся арбуз, спаржа, большинство сортов томата.
В открытом грунте управление световым режимом осуществляется правильным размещением растений на площади. Важное значение для улучшения световых условий растений, особенно чувствительных к недостатку освещения в раннем возрасте, имеет своевременное прореживание растений и уничтожение сорняков. В защищенном грунте применяется светокультура, т. е. электродосвечивание овощных растений.
Требования к воде и водный режим овощных растений.
Вода является важнейшим фактором жизни растения. Овощные растения содержат большое количество воды — от 60 до 97% и являются очень требовательными к влаге. Требования овощных растений к влаге определяются биологическими особенностями, величиной и характером листовой поверхности, мощностью и расположением в почве корневой системы, продолжительностью вегетационного периода. По способности извлекать из почвы влагу овощные культуры можно разделить на четыре группы.
1 группа. Растения, хорошо добывающие воду и интенсивно расходующие её — столовая свекла.
2 группа. Растения, хорошо добывающие воду из почвы, но экономно расходующие её — арбуз, тыква, дыня, овощная кукуруза, морковь, петрушка, томат, перец, фасоль.
3 группа. Растения, плохо добывающие влагу и расходующие её неэкономно — капуста, баклажан, огурец, редис, редька, репа, брюква, салат, шпинат.
4 группа. Растения со слабой способностью извлекать воду из почвы, но экономно расходующие её — лук репчатый, чеснок.
Более требовательны к орошению растения третьей и четвертой групп. Наименее требовательны к орошению и лучше других мирятся с недостатком почвенной влаги растения второй группы. Для овощных культур влажность почвы в активном, т. е. корнеобитаемом слое не должна опускаться ниже 70-85% НВ. Кроме водного режима почвы, для нормального роста и развития растений большое значение имеет относительная влажность воздуха.
Для листовых овощей — салата, шпината, для овощей капустной группы и огурца необходима высокая влажность воздуха (80-95%). Томат и другие паслёновые лучше всего развиваются и плодоносят при умеренной влажности воздуха (50-60%). При низкой относительной влажности воздуха (30-40%) лучше всего развиваются и плодоносят, давая продукцию высокого качества, арбуз, дыня, тыква.
Создание благоприятного водного режима — залог получения высоких урожаев овощных культур.
Дата добавления: 2018-11-24 ; просмотров: 476 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник
Спектры в агрофотонике
Выращивание овощей и фруктов в искусственных условиях не является принципиально новой технологией. Однако, интенсивный рост населения планеты в последние годы приводит к повышению уровня потребления продуктов. Это делает актуальными вопросы повышения производительности и эффективности систем искусственного выращивания растений.
Введение
Производительность всей системы выращивания определяет количественный критерий оценки – например, полезная масса сухого вещества или объем целевого экстракта из листьев/корней. Для качественной оценки можно анализировать химический состав растений и морфология (отклонение формы и размеров стебля/листьев/плода).
Для большинства культур лучший урожай и качество продукции могут быть получены при обеспечении растениям комфортных условий, где все основные физиологические потребности максимально приближены к естественным уровням.
Таким образом, в большинстве практических задач за эталон для сравнения и оценки результатов искусственного выращивания можно брать растение, выращенное в естественных условиях. Естественные условия для конкретной культуры, как правило, соответствуют климату в регионе его изначального происхождения.
Основы
Рассматривая процесс выращивания растений как замкнутую систему, можно выделить следующие основные факторы, влияющие на результат (см. рис. 1):
— солнечный свет, основной источник энергии
— содержание диоксид углерода (СО2) в воздухе (углерод — основной элемент, используемый для формирования новых клеток)
— вода, в основном, как источник кислорода, входящего в ее состав, необходимого для реакции фотосинтеза
— температура окружающего воздуха.
Оптимальная температура фотосинтеза для большинства растений средней полосы составляет примерно 20—25°С. Например, для подсолнечника повышение температуры в интервале от 9 до 19°С увеличивает интенсивность фотосинтеза в 2,5 раза. [1]
Так, при фотосинтезе за счет энергии света происходит образование органических веществ (углеводов) при участии хлорофилла. Хлорофилл (от греч. χλωρός, «зелёный» и φύλλον, «лист») — зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет [1].
Таким образом, количество света является важным фактором, влияющим на интенсивность роста растений. [2]
Также на протяжении многих лет эволюции этот процесс адаптировался к суточному циклу “день/ночь”. Днем под воздействием света вода разделяется на кислород и водород, а растение запасает энергию и питательные вещества. Ночью, в темноте углекислый газ под воздействием запасенной энергии соединяется с водородом, образуя молекулы углеводов, т.е. происходит собственно рост культуры.
Таким образом, при искусственном выращивании растений важно обеспечить не только высокую освещенность, но и правильную цикличность включения света, чтобы получить лучший результат.
О спектрах
Современные светодиодные технологии позволяют форматировать сложные спектры освещения растений. Рассмотрим, каким образом спектр влияет на процесс роста.
На рис. 2 детально показаны энергетические спектры поглощения базовых пигментов растения.
Видно, что помимо традиционно упоминаемых пигментов хлорофилла с пиками поглощения в диапазоне 400-500 нм и 650-700 нм, на процессы роста также влияют вспомогательные пигменты из семейства светособирающих фикобилипротеинов.
В некоторых исследованиях спектры поглощения основных пигментов суммируются для формирования “универсального” спектра, форма которого показана на рис. 3.
Для количественной оценки светового воздействия на растения используется фотосинтетически активная радиация (ФАР). В англоязычной литературе — Photosynthetic Photon Flux (PPF). Поток ФАР/PPF измеряется как число фотонов, излучаемых источником света, которые могут быть поглощены растением при фотосинтезе (диапазон длин волн от 400 до 700 нм).
Величина PPF рассчитывается без учета неравномерного поглощения растением различных энергии различных длин волн. Поэтому в дополнение к PPF иногда используется величина YPF – Yield Photon Flux — т.н. усваиваемый растением поток фотонов. Для расчета YPF используется взвешенное значение ФАР и спектр эффективности фотосинтеза как весовые коэффициенты.
Спектр эффективности фотосинтеза показан на рис. 4.
Кривая весового коэффициента для фотонов (Photon-weighted) позволяет перевести PPFD в YPF; кривая весового коэффициента энергии (energy-weighted) позволяет сделать то же самое для ФАР, выраженной в ваттах или джоулях.
Рассмотрим подробнее, как влияет на растения излучение в различных участках этого диапазона.
Ультрафиолет C (280 — 315 нм)
Облучение растений таким излучением имеет негативные последствия, может приводить к гибели клеток и обесцвечиванию листьев/плодов.
Ультрафиолет B (315- 380 нм)
Это излучение не имеет видимого эффекта на растения.
Ультрафиолет A (380 — 430 нм)
Передозировка ультрафиолетового излучения может быть опасна для листвы, однако малые дозы излучения поглощаются в процессе цветения и созревания плодов и влияют на цвет и биохимический состав (вкус). Как правило, дозы, получаемые растением под воздействием естественного света, достаточны для поддержания этих процессов.
Синий свет (430-450 нм)
Как показано выше, эта часть спектра хорошо поглощается большинством основных пигментов растения. Эта часть спектра может влиять на морфологию растения: размер и форму куста/листьев, длину стебля. Ряд исследований показывает лучшую эффективность синего цвета на раннем этапе развития растения (вегетативная фаза).
Синий свет способствует открытию устьиц, увеличению количества белка, синтезу хлорофилла, делению и функционированию хлоропластов, сдерживанию роста стебля.
Зеленый свет (500-550 нм)
Значительная часть этого диапазона отражается от листьев, однако нельзя недооценивать роль и этого участка спектра на полноценное развитие растений. Так, например зеленое излучение, отражаясь от верхних листьев растения, обладает лучшей проникающей способностью и способствует более равномерному развитию листьев, на нижних уровнях, находящихся в тени более крупных соседей (рис. 5) [5].
Также, управление уровнем зеленого в спектре облучения позволяет контролировать время наступления и длительность фаз прорастания и цветения.
Оранжевый свет (550-610 нм)
С точки зрения рассмотренных выше спектров поглощения хлорофиллов, этот диапазон имеет незначительный уровень отклик. Однако, успешный опыт применения натриевых ламп, излучение которых в основном лежит в этом диапазоне, подтверждает, что фактически растения способны развиваться даже при не оптимальном спектральном составе освещения.
Красный (610-720 нм)
Наиболее эффективный диапазон, с точки зрения количества фотонов, поглощаемых растением в процессе на всех этапах развития.
Красный свет способствует цветению, прорастанию почек, росту стеблевых листьев, опадению листьев, спячке почек, этиоляции и т.д.
Дальний красный (720-1000 нм)
Несмотря на незначительный отклик в спектрах поглощения основных пигментов, дальний красный диапазон выполняет своего рода “сигнальную” функцию – как и в случае с зеленым цветом, корректировка уровня дальнего красного позволяет повлиять на время наступления и длительность фазы цветения и плодоношения.
Инфракрасный (1000 нм и выше)
Все излучение в этом диапазоне конвертируется в тепло, дополнительно влияющее на температуру растения.
Следует помнить, что для естественного солнечного света более 50% энергии излучается именно в инфракрасном диапазоне. Если растение в искусственных условиях облучается только в диапазоне 400-700 нм, то нужно дополнительно предусмотреть запас мощности в системе отопления для поддержания комфортной температуры.
Потребности растения на разных этапах роста
Как было отмечено выше, свет является не только источником энергии, контролирующим фотосинтез. Различные участки спектра воспринимается растением как сигналы, влияющие на многие аспекты роста и развития (прорастания, деэтиоляция) Изменения в развитии растений, связанные со светом являются результатом фотоморфогенеза.
На схеме на рис.6 показаны основные эффекты, стимулируемые различными цветами на протяжении жизненного цикла растения.
Рассмотрим более подробно влияние света на различных этапах
Синтез хлорофилла
Самое большое количество хлорофилла вырабатывается при синем свете, меньшее – при белом и красном, самое меньшее — при зеленом свете и в тени. При разном свете, соотношение хлорофилла A и B также не одинаковое. Самая большая разница в соотношении А и B при желтом и синем свете. Красный свет способствует большой выработке хлорофилла типа A.
Для светолюбивых растений подходит синий свет, для тенелюбивых растений подходит красный свет.
Цветение
Соотношение между длительностью светового периода и периода темноты называется фотопериодом. Общая протяженность суток – 24 часа, однако в зависимости от разной широты и времени года, протяженность дня и ночи неодинаковая. В зависимости от разных климатических условий и места произрастания, фотопериод у разных растений неодинаков. Цветение, опадение листьев, спячка почек – всё это является реакцией растения на изменение фотопериода.
Растения, которые готовы начать цвести, зацветут при наступлении подходящего фотопериода. Количество дней до начала цветения определяется возрастом растения. Чем старше растение, тем оно быстрее зацветет. Под воздействием фотопериода оказываются листья растений. Чувствительность листьев к изменению фотопериода связана с возрастом растения. Чувствительность старых листьев и молодых листьев неодинаковая. Наиболее чувствительными к изменению фотопериода являются растущие листья.
Накопление питательных веществ и рост растений регулируются излучением в красном и дальним красном диапазоне. Размножение определяется, синим светом. Фитохром, содержащийся в листьях, может принимать сигналы красного света и дальнего света. Растение готовое к цветению, зацветет, если последнее излучение будет красным дальним светом.
На рис. 7 показаны спектры поглощения растений при синтезе хлорофилла, фотосинтезе и фотоморфогенезе.
Светодиоды
Современные мощные светодиоды, применяемые в искусственном освещении растений, позволяют сформировать монохромное излучение фактически в любой части спектра, рассмотренной выше.
Примеры спектров светодиодов показаны на рис. 8
Стоит отметить светодиоды с длиной волны 450 нм (“глубокий синий”) и 660 нм (“дальний красный”), как составляющие, совпадающие с пиками поглощения хлорофиллов. Как было отмечено выше, наличие светодиодов пиком излучения в других частях спектра, позволяет дополнительно стимулировать другие участки спектра поглощения. Белые люминофорные светодиоды (серая кривая на рис. 8) имеют в составе своего спектра относительно широкую область излучения люминофора, а также синий пик непоглощенного люминофором излучения синего кристалла.
Комбинация светодиодов различных цветов в одном светильнике с возможностью независимого управления позволяет сформировать фактически любой спектр для конкретной культуры и фазы ее развития.
Примеры спектров, используемых в различных сценариях освещения растений,показаны на рис. 9
Отдельно стоит рассмотреть спектр облучения, получаемый растением, когда на него воздействует одновременно естественное излучение и излучение системы светодиодной досветки.
Предположим. что в светильнике для досветки используются синие и красные светодиоды в соотношении примерно 1:2 (по уровню энергии), для стимуляции хлорофиллов на стадии вегетативного роста.
Пример такого спектра показан на рис. 10
В реальности же на листья растений будет также воздействовать спектр солнечной радиации, и суммарный спектр облучения будет выглядеть следующим образом (рис. 11).
Видно, что в этом случае растение монохромная досветка в сочетании с широкополосным естественны излучением дает спектр, стимулирующий все основные зоны поглощения растений. Результирующий спектр по форме близок к суммарному спектру поглощения всех основных пигментов растения, рассмотренному выше.
Заключение
Подводя итоги данного обзора можно отметить следующее:
Спектральный состав света является важным фактором для продуктивного выращивания культур в искусственных условия, однако, не первичным. Получить прирост урожая за счет оптимизации спектра можно при обеспечении растению достаточного уровня базовых потребностей (температура, вода, CO2, вентиляция). Количество света также является более приоритетным параметром по сравнению с его спектральным составом.
Современные светодиоды позволяют эффективно сформировать излучение в спектральном диапазоне поглощения растений. Причем возможно применение т.н. монохромных светодиодов с различными цветами (длиной волны излучения) и традиционных белых “люминофорных” светодиодов, обеспечивающих равномерное широкополосное излучение.
Наличие в светильнике светодиодов с различными цветами и технологии независимого управления ими позволяет исследовать влияние спектра на эффективность выращивание отдельно взятой культуры в конкретных условиях и выработать оптимальный баланс цветов для лучшей урожайности.
Список литературы
Физиология растений. Н.И. Якушкина. Издательство: «Владос». Год: 2004
Исследования над образованием хлорофилла у растений. Монтеверде Н. А., Любименко В. Н. Известия Императорской Академии наук. VII серия. — СПБ., 1913. — Т. VII, № 17. — С. 1007–1028.
Создание эффективных светодиодных фитосветильников. Cакен Юсупов, Михаил Червинский, Екатерина Ильина, Владимир Смолянский. Полупроводниковая светотехника N6’2013
Contributions of green light to plant growth and development. Wang, Y. & Folta, K. M. Am. J. Bot. 100, 70-78 (2013).
Источник