/ Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений. Светокультура растений

Светокультура сельскохозяйственных растений

1. Источники облучения

Светокультура растений изучает теоретические основы и методы выращивания растений с помощью искусственного облучения. В этом случае растения трансформируют лучистую энергию ламп в химическую энергию растений.

Искусственное облучение широко применяется в тепличных хозяйствах, особенно в северных регионах страны, для выращивания овощей, а также для ускорения выведения новых сортов, теоретических исследований по биологическим наукам и других целей. Источниками излучения в светокультуре растений служат электрические лампы различных типов. Они должны удовлетворять следующим требованиям.

Спектральный состав излучения ламп должен в наибольшей степени способствовать осуществлению основных физиологических процессов. Для этого необходимо, чтобы в спектре были все участки видимого излучения с преобладанием красных, синих и фиолетовых лучей, а также небольшая доля длинного УФ и короткого ИК излучения. Излучение с длиной волны менее 290 им не должно попадать на растения.
Лампы не должны излучать большое количество теплоты, так как это нарушает нормальный обмен веществ в растениях, приводит к преждевременному цветению, плодоношению и, как правило, снижению урожая.
Лампы должны быть экономичными, т. е. создавать достаточную фотосинтетическую облученность при возможно меньшем потреблении электроэнергии и выдерживать продолжительную эксплуатацию.

В настоящее время наиболее широкое применение нашли газоразрядные лампы и в меньшей степени - лампы накаливания. Источник лучистой энергии в газоразрядных лампах- излучение газов или паров металлов, возникающее при газовом разряде. В лампах накаливания, отличающихся невысокой стоимостью, простотой в обращении и высокой мощностью лучистого потока, источником излучения служит раскаленная вольфрамовая нить.

Ксеноновые лампы (ДКСТ-5000, ДКСТВ-6000, ДКСТ-20000) из производимых промышленностью газоразрядных источников искусственного света по спектральной характеристике в области ФАР наиболее близки к солнечному спектру. Растения разных видов, выращенные с применением этих типов ксеноновых ламп, имели при коротком вегетационном периоде продуктивность значительно выше, чем в поле. Однако низкий КПД этих источников (12-13 %) и сложность эксплуатации препятствуют их широкому применению в светокультуре Растений.

При этом установлены следующие соотношения между единицами измерения световых характеристик (табл.). Например, для лампы ДКСТ-5000 отношение общей освещенности в люксах (лк) к фотосинтетически активной радиации в мкмоль/(м2 с) или ФАР(к) равно 74,2, отношение ФАР(к) к суммарной облученности в Вт/м2 (СР) - 3,16 и отношение ФАР(к) к ФАР, выраженной в Вт/м2, или ФАР(э)- 4,46. Таким образом, измерив освещенность в люксах, можно легко рассчитать облученность в Вт/м2 (ФАР или общую) или поток квантов в области ФАР в мкмоль/(м2·с).

Световые характеристики основных типов ламп (Н. Н. Протасова, Дж. М. Уеллс, М. В. Добровольский, Л. Н Цоглин, 1990)

Тип лампы	ЛК /ФАР(к)	ФАР(к)/СР	ФАР(к)/ ФАР(э)	КПД ФАР, %
ДКСТ-5000	74,2	3,16	4,46	12-13
ДРЛФ-400	76,7	3,03	4,54	12
ДНаТ-400	116	2.90	3.72	28-30
ДМ4-6000	118	2,45	3.00	28-30
ДРИ-2000-6	84,1	2,90	4.11	29-30
ДРОТ-2000	108	2,69	3,37	25

ДРЛФ-400 - дуговые ртутно-люминесцентные фотолампы мошностью 400 Вт. Из-за отсутствия к спектре этих ламп излучения в красной (640-680 нм) области спектра они непригодны для выращивания растений при полном искусственном освещении: наблюдается пустозерница у зерновых, плохо растут плодоносящие томат_ перец и другие овощные. Досвечивание лампами ДНаТ-400 может существенно «улучшить» спектр. Вместе с тем лампы ДРЛФ-400 также используют для досвечивания рассады огурца и томатов в теплицах как источник сине-фиолетовой радиации, которой недостаточно в солнечном спектре в зимнее время.

ДНаТ-400 - натриевые лампы высокого давления мощностью 400 Вт. Лампы имеют высокий КПД ФАР, но неполноценный по спектру. Для его «исправления» необходимо добавить излучение в синей области и в красном спектральном диапазоне 660-680 нм. Эти лампы эффективны при досвечивании рассады, но менее приемлемы в генеративной фазе при полном искусственном освещении.

Металлогалогенные лампы(МГЛ). Выпускаются с добавками йодидов метилов, более перспективны в сравнении с вышеперечисленными лампами, так как обладают высоким КПД (25-30 %) и относительно полным спектром.

ДМ4-6000 - это трехфазная МГЛ мощностью 6 кВт с наполнением йодилом натрия и скандия и с достаточно длительным сроком службы. Основной недостаток лампы - неполноценность спектра, обусловленная снижением доли излучения в синей и красной областях.

ДРИ-2000-6 - МГЛ мощностью 2 кВт с наполнением йодидом натрия и скандия. По КПД и спектральным характеристикам эта лампа является лучшей среди МГЛ, применяемых для выращивания растений.

ДРФ-1000 - МГЛ-светильник мощностью 1 кВт с йодидом натрия и скандия в качестве наполнителей, широко применяют для выращивания рассады огурца и томата. Для «улучшения» спектрального состава света необходимо добавить излучение в красной области - 650-680 нм.

Хороший результат по «исправлению» спектрального состава света при выращивании растений дает комбинирование этих источников с люминесцентными лампами красного света ЛК-65 или сочетание последних с лампами накаливания с отношением мощностей 3-4:1.

studfiles.net

Интенсивная светокультура растений – альтернативная система жизнеобеспечения человека

viesh.ru

Интенсивная светокультура, это совершенно новый подход к выявлению и практической реализации генетически заложенной потенциальной продуктивности в растениях. Он основан на полном искусственном удовлетворении всех потребностей растений и снятии при этом ограничивающих и стрессовых факторов их роста и развития. Это практическая реализация в растительном мире известного лозунга: «Каждому по потребностям, от каждого по возможностям!» Интенсивная светокультура растений открывает новые перспективы, особенно для Северных и Восточных регионов страны, в сельскохозяйственном производстве, которое ограничено или вообще невозможно по климатическим условиям в виду кратковременности теплого вегетационного периода. А использование тепличного производства убыточно из-за огромных энергетических и прочих расходов.

Для осуществления сельскохозяйственного производства на основе интенсивной светокультуры можно использовать любые приспособленные помещения – подвалы, комнаты или чердаки домов, дачи, сараи, ангары, хранилища, бывшие животноводческие помещения и т.д. Основные требования к помещениям – теплоизолированность в зимнее время, наличие электроэнергии, воды и вентиляция. Высота потолков не менее 2 метров.

Для технической реализации интенсивной светокультуры нами разработаны простые и высокоэффективные модули, получившие название «Гидропонная осветительная установка для выращивания растений Ильина» (ГОУВРИ), автоматизированы производственные процессы выращивания, причем как для промышленных, так и для любительских условий.

Для оптимизации питания растений за основу была принята гидропонная система выращивания растений на нейтральном субстрате – керамзите, с подачей питательного раствора в нужные растению сроки, и установленной концентрацией необходимых солей, кислотностью раствора, его температурой и т.д. А для оптимизации светового режима растений отработаны параметры актиноритмов, облученности, позволяющие удовлетворить все потребности растений. Оптимальная облученность растений на уровне верхнего яруса порядка 120-140 ватт/м2 достигается уже при расходе электроэнергии порядка 0,25- 0,4 квт.час/м2, что позволяет минимально расходовать электроэнергию, причем в ночное, наименее нагруженное, время суток. Такая облученность получена за счет применения отечественных ламп ДНаТ-250 или ДНаТ-400 с отражателями собственной конструкции, позволяющими почти 70% светового потока ламп преобразовывать в поляризованное объемное бестеневое освещение с наилучшим для растений спектром. Срок службы ламп позволяет им работать бессменно в течении 3 — 4 лет.

В основу разрабатываемых технологий выращивания растений положена теория ритмичности всех биологических процессов, протекающих в растении, при оптимальном подборе режимов питания, температуры, влажности субстрата и воздуха, продолжительности актиноритмов и облученности растений во время их светлого цикла, сочетания всех условий этих циклов по фазам развития растений.

Наукоемкие, энергосберегающие, безотходные, экологически чистые технологии для круглогодичного выращивания диетических и лечебных овощных, пряно-вкусовых, эфиромасличных, лекарственных, ягодных, декоративных и прочих растений в любых климатических зонах, в любых приспособленных помещениях, призваны устранить известный дефицит в растительной продукции в самые сжатые сроки, причем с высокой экономической эффективностью.

Расчеты и практика показывают, что окупаемость капвложений в интенсивную светокультуру составляет от 1 месяца до 1 года, что весьма трудно достижимо в условиях сельскохозяйственного производства открытого или, тем более, защищенного грунтов, как в России, так и за границей.

Так, разработанные технологии производства сельскохозяйственной продукции позволяют при еженедельной срезке зеленой массы получать по 4 — 8 кг/м2 в месяц диетической свежей зелени петрушки, сельдерея, кинзы, базилика, укропа и других зеленных культур, салатов листовых и кочанных, крессов, мангольда, редиса и т.д. За год возможно получать до 8 урожаев спелых диетических плодов томатов, их урожай достигает 350 кг/м2 за год при выращивании на многоярусном модуле установки ГОУВРИ-1,5 «Елочка».

Разработанные технологии позволяют получать качественную рассаду амаранта, высадка которой в открытый грунт почти на месяц раздвигает сроки вегетации растения и гарантирует получение рекордных урожаев высокомасличных и высокобелковых семян этого растения и его зеленой массы.

Рассада капуст разных видов, свеклы, кукурузы и др. со светоустановки позволяет получать богатые урожаи этих культур в открытом грунте.

Рассада – усы земляники с отличной корневой системой может выращиваться все лето до позднеосенних сроков высадки на плантации, окупая за это время все производственные и эксплуатационные расходы почти трижды.

При выращивании на светоустановках ГОУВРИ декоративно-цветочной продукции выход срезки цветов экстра-класса – гвоздики, астры, и др. – достигает 2,5 тыс. шт/м2 за год, что в 15 — 20 раз производительнее тепличного цветоводства, при лучшем качестве цветков и снижении их себестоимости.

Большинство различных видов редких лекарственных растений, особенно ценных как источники лекарственного сырья, в основном происходят из тропических и субтропических регионов. На территории России эти растения имеют весьма ограниченный ареал возделывания или не имеют его вообще. Ряд растений, хотя и могут возделываться, но при этом теряют свои лечебные свойства из-за несоответствия климатических условий. Выращивание их в тепличных условиях весьма энерго- и трудоемко, неэкологично. Приходится закупать сырье этих растений за границей, что делает лекарства из них дорогими, малодоступными для населения. Интенсивная светокультура позволяет выращивать эти растения на высшем пределе их генетически заложенной продуктивности, экологически чистыми, с повышенными полезными для человека качествами.

Например, стахис. Нами отработана технология получения 6 урожаев в год при урожайности 5 кг/м2 за урожай, при полной экологической чистоте и удвоенном содержании стахиазы в клубнях, против продукции открытого грунта, т.е. годовой выход стахиазы увеличивается в 6 раз.

Почвенно-поглощающий комплекс находится в известном симбиозе с растением и поставляет ему элементы питания в наиболее приемлемых для растения формах, причем самому растению зачастую совершенно не обязательно получать и иметь эти элементы для нормального функционирования в органической форме, оно может получать их и в минеральной форме. Отсутствие почвенно-поглощающего комплекса в гидропонной системе питания интенсивной светокультуры заставляет растение иначе реагировать на элементы питания, которые ему дает человек. В этом случае растение вынуждено по-разному относиться к тем или иным поступающим к его корням соединениям этих элементов, забирая и накапливая впрок одни из них в минеральной форме, а другие – в виде органически связанных соединений. Здесь важно, изучив механизм поступления и накопления растением различных солей, дать ему нужные элементы в таких соединениях, чтобы растение образовало и накопило в своих тканях именно то, что нужно человеку. И тут оказывается, что человек еще не совсем определился в вопросе, какие органически связанные комплексы вещества ему конкретно нужны от возделываемых растений. Рассмотрим некоторые из них.

Йод. Дефицит его по территории России общеизвестен и недостаток йода в щитовидной железе человека приводит к целому комплексу нарушений его здоровья. Йод, поступающий в организм в минеральной форме, начинает выводиться с потом или с мочой уже через 1 — 2 часа, а органически связанный йод, особенно в нужных человеку формах, задерживается в щитовидной железе на полгода и больше, являясь основным катализатором и составной частью необходимых человеку и вырабатываемых щитовидной железой гормонов.

Огромные усилия тратятся на получение йодированной соли, муки и др. продуктов только для того, чтобы через 2 часа этот дефицитнейший продукт ушел в «туалет» и никому в голову не приходит дать человеку йод в таких формах, чтобы он надолго остался в организме и работал на его благо. А вот некоторые растения «думают» об этом больше, чем мы сами, получая и накапливая в своих тканях такие органически связанные формы йода, которые быстро вылечивают болезни человека, если он употребит это растение в пищу.

Железо. Основное поступление его в организм человека происходит в трехвалентной форме, имеющей наибольшую константу стабильности комплексов с органическими лигандами и практически нерастворимых. В то же время давно определено, что основная форма железа, необходимая для построения молекулы гемоглобина крови человека – двухвалентная. Если по каким — либо причинам кроветворные органы человека выходят из строя, развивается анемия и человек погибает. Но если в это время дать человеку определенные формы органически связанного двухвалентного железа, то оно формирует молекулы гемоглобина, минуя пораженные органы, а активно работающая кровь помогает быстро восстановить утраченные функции этих кроветворных органов и восстановить деятельность организма в целом.

Фтор. Это активнейший элемент, уже микродозы которого в минеральных формах вредны для здоровья человека, а вот в органически связанных формах он не только безвреден, но и даже весьма полезен, особенно для пожилых людей, так как необходим для усвоения человеком поступающего в организм кальция. Без помощи фтористых соединений кальций транзитом удаляется из организма, приводя к болезням костей, зубов и т.д.

Селен. Опаснейший элемент для человека. Уже микродозы его минеральных соединений в организме человека приводят к утоньшению стенок кровеносных сосудов и массовой смертности от инсультов. В то же время определенные органически связанные формы селена оказывают обратное действие и способствуют восстановлению здоровья человека.

Кадмий. Тяжелый металл, его соли, попадая в организм человека, приводят к интоксикациям. Однако установлено, что если в определенных органически связанных формах кадмий находится в почках, то организм самостоятельно избавляется от злокачественных новообразований любой этиологии и на любых стадиях.

Таких примеров много. Получать такие формы органических соединений микроэлементов стало возможным через «братскую» помощь наших зеленых друзей – растений.

Сегодня нам известен целый ряд таких овощных растений и соединений микроэлементов, накапливаемых в этих растениях при определенных условиях их выращивания, которые крайне необходимы для здоровья человека. Эти технологии мы продолжаем отрабатывать.

Крайне важным, фактически определяющим, условием является экологическая чистота продукции светокультуры. Сам факт полной гармонии световых и прочих условий выращивания растений делает невозможным накопление в них нитритов и нитратов в свободных и избыточных формах. Нейтральность субстрата и чистота применяемых для питательного раствора воды и минеральных солей исключают избыточное, более ПДК, содержание тяжелых металлов или радионуклидов. Оптимальное сочетание всех факторов роста и развития растений делают продукцию диетической. В ней значительно повышается содержание гликозидов, сахара, витаминов, сухого вещества, эфирных масел и других, крайне полезных для человека составляющих. Многочисленные, на разных растениях и в различных организациях, проводимые биохимические анализы однозначно подтверждают диетическую ценность и экологическую чистоту продукции интенсивной светокультуры, ее неоценимую полезность для человека.

Эффективное внедрение разработанных технологий возможно в любых регионах России, малопригодных для сельскохозяйственного производства в открытом или защищенном грунтах, что в сочетании с полной экологической чистотой продукции делает интенсивную светокультуру незаменимой.

Олег Ильин, академик МАГЕН и АБОП

Татьяна Ильина

Практическая светокультура на «Фитопирамидах» в светонепроницаемых помещениях-термосах.

Рис.1. Вертикальная ферма

Вертикальную ферму можно поставить в большом городе, и за счет значительного уплотнения посадок растений на единице площади, снижения транспортных затрат и других особенностей вертикальных ферм, такое производство становится высокорентабельным. Выращивание растений в ней не будет зависеть от капризов погоды и такая ферма, будет давать несколько урожаев в год, что дополнительно увеличивает эффективность производства.

Рис.2. Растения в искусственных условиях

Растения, в таких культивационных сооружениях, будут выращиваться в условиях светокультуры, то есть в условиях, где все факторы внешней среды, в том числе и освещенность, создаются и регулируются человеком. Именно в таких условиях раскрываются биологические и хозяйственные особенности растений и создаются невиданные урожаи.

Многоярусные вегетационные гидропонные установки Лобашева-Селянского «Фитопирамида» как нельзя лучше подходят к применению на вертикальных фермах.

Растения на «Фитопирамидах» выращиваются аэроводным методом в вегетационных трубах. По определенной программе организуется их периодическое затопление. Происходит прилив-отлив питательного раствора, и растения получают сбалансированное минеральное и воздушное корневое питание. Какой-либо субстрат в данной технологии отсутствует. Корневая система растений находится в перфорированных стаканчиках-контейнерах и имеет возможность свободно развиваться в идеальных условиях аэрации. Вегетационные трубы размещены на нескольких уровнях по высоте, благодаря чему в объеме культивационного сооружения располагаются сразу несколько плодоносящих ярусов. Каждый плодоносящий ярус соответственно имеет собственную корневую систему и ассимиляционный аппарат.

У низкорослых растений пути доставки питательных веществ и оттока ассимилянтов очень короткие, скорость физиологических процессов происходящих в растении и их напряженность очень высокая. Растения, находясь в комфортных условиях, очень быстро растут, развиваются, активно и дружно плодоносят (фото1-2). Отсутствие каких-либо субстратов является значительным конкурентным преимуществом вегетационных установок «Фитопирамида».

Простота конструкции вегетационных установок «Фитопирамида», простота ведения процесса, и высокая эффективность позволит применять их на вертикальных фермах.

Фото 1. «Фитопирамида»

При такой комбинации, многоэтажность вертикальных ферм будет сочетаться с многоярусностью вегетационных установок «Фитопирамида», что умножит возможности площадей, занятых под подобными культивационными сооружениями.

Фото 2. «Фитопирамиды»

Основным недостатком многоэтажных вертикальных ферм является недостаточное естественное освещение, особенно, растений находящихся в глубине помещений. Поэтому, в таких сооружениях будет применяться электрическое освещение.

При выращивании растений полностью в искусственных условиях, вне зависимости от естественных изменчивых внешних факторов (географических, почвенных и др.), долгое время самой сложной проблемой был свет. Ещё совсем недавно считалось, что на электрическом освещении нельзя получить нормальных урожаев и что этот свет никогда не обеспечит высокой продуктивности растений. Но теперь, на основе теоретических знаний, выводов из экспериментов ведущих специалистов в области светокультуры растений, а так же нашего собственного практического опыта складывается обратное представление: только в условиях искусственного электрического освещения, можно добиться получения очень высоких урожаев, которые никогда не были получены на изменчивом солнечном освещении.

Конечно, спектр солнца значительно богаче спектра электрического источника, но, не весь спектр солнечных лучей необходим растению для фотосинтеза.

Основная энергетика солнца в видимом диапазоне спектра лежит в области 300-700 нанометров, но, для растения не весь этот диапазон одинаково необходим. Зеленые лучи не является абсолютно необходимыми для обеспечения фотосинтеза растений. Значение синих лучей более важно для растений, но в основном они играют фоторегуляторную роль. Максимум фотосинтеза находится в лучах красно-оранжевого спектра.

Учитывая эти особенности, мировые светотехнические гранды, такие как Филипс, Дженерал-Электрик и другие ведущие производители, создали достаточно эффективные источники света со спектральной кривой приближенной к «комфортной» для большинства хозяйственно значимых растений. В настоящее время идет работа над совершенствованием существующих источников света и созданием новых, достаточно мощных и экономичных, копирующих диапазон фотосинтетически активной радиации, как в спектральном, так и в энергетическом отношении.

Современные источники света уже сейчас широко применяются при достветке растений, в условиях недостатка солнечного света, что позволяет значительно повысить эффективность выращивания тепличных растений.

Выращивание растений в полностью изолированных помещениях на электрическом освещении (светокультура растений) позволяет исключить влияние внешних факторов и круглогодично выращивать различные растения в самых комфортных для них условиях, а значит получать от растений высокую отдачу при высоком качестве продукции. Светокультура растений становится актуальной в связи с быстро нарастающим изменением климата, в отдаленных регионах с неблагоприятными и экстремальными климатическими условиями, и в связи с быстрорастущими затратами на логистику.

Светокультура предоставляет уникальные возможности по избирательному применению источников света различного спектра. Комбинируя источники света с различными спектральными особенностями, можно управлять ростом и развитием растений.

Светокультура в светонепоницаемых помещениях предоставляет широкие возможности еще и по управлению ростом растений путем изменения фотопериода, т.е., изменением длины «дня» и «ночи». Известно, что различные растения по-разному воспринимают соотношение светового и темнового периодов. Управляя этими инструментами, можно выстраивать различные комбинации, тем самым влиять на рост и развитие растений, значительно повышая их продуктивность. Этой уникальной возможности лишены традиционные теплицы.

В летний солнечный полдень, уровень освещенности доходит до 100клк и более. Но не все растения хорошо переносят высокие уровни облученности (освещенности). Так, предел насыщения фотосинтеза у томата лежит на уровне 30клк, а уровень 50клк вызывает угнетение фотосинтеза. Вот и получается, что часть светового дня растения находятся в стрессовом и постстрессовом состоянии, при котором, фотосинтез угнетен.

В условиях светонепроницаемых помещений, под электрическим светом фотосинтез может проходить на максимуме или оптимуме в течение всего светового периода, а для некоторых видов растений можно организовать и круглосуточное освещение, что сокращает сроки вегетации.

Бытует мнение, что солнце бесплатное. Вот только, за бесплатное солнце приходится дорого платить!

В стеклянных теплицах зимой тепловые потери очень велики. В теплотехническом отношении такие теплицы являются «дырой» в космос и нужно тратить большие средства на поддержание комфортной температуры для растений.

В летний же период, растения в стеклянных и полимерных теплицах находятся в очень жестких условиях из-за жары. В таких условиях происходит угнетение растений и как следствие, снижение продуктивности. Для того чтобы хоть как-то снизить температуру в теплицах, кроме вентиляции, применяют светозащитные экраны, дождевание, забеливают прозрачные поверхности. Но все эти мероприятия требуют немалых затрат.

Бесплатное солнце, – основное преимущество традиционных теплиц, оказывается не таким уж и дешевым, если учесть, сколько нужно затратить на отопление в холодный период, сколько нужно дополнительно затратить на электро досветку в периоды, когда день короткий или солнечного света недостаточно для нормального фотосинтеза, сколько нужно затратить на то, чтобы спасти растения от перегрева летом и какие потери урожая несут хозяйства от летней жары и зимнего экстремального холода.

В светонепроницаемых зданиях тепловые потери несоизмеримо меньше, а значит, расходы на отопление будут гораздо ниже. Боле того, при определенных условиях тепловыделений от источников света, может быть достаточно для компенсации тепловых потерь даже в зимний период, а это значит, что в помещении может вообще отсутствовать традиционная система отопления, и соответственно - отпадает необходимость в дорогостоящей котельной!

В осенне-весенний период при необходимости избыточное тепло из теплицы-термоса можно направлять в примыкающую стеклянную или полимерную теплицу. Такая комбинация дополнительно позволит получать продукцию с минимальными затратами.

Применение технологии полной светокультуры растений даст возможность строить или приспосабливать уже существующие, в том числе и брошенные помещения, под культивационные сооружения модульного типа, которые могут иметь многоэтажную планировку. В этом случае значительно возрастает эффективность единицы площади помещения.

В настоящее время за рубежом появились светонепроницаемые культивационные сооружения различных типов. Растения в таких «темницах» выращиваются в самых разнообразных установках, от простых поддонов, до совершенно экзотических конструкций. По-разному организовано и освещение в таких устройствах.

В нашем же случае, вертикальные или наклонные плоскости выращивания на «Фитопирамидах» организованы по обе стороны технологического прохода (Фото 1,2(авторские снимки), что дает возможность располагать по оси прохода мощные источники света. Газоразрядные лампы высокого давления обеспечивают высокие уровни освещенности, что позволяет варьировать ассортимент выращиваемых видов растений.

Фото 1,2 «Фитопирамиды» в светонепрозрачном помещении

При такой организации освещения, растения получают, в том числе и боковое освещение, которое эффективнее, чем освещение сверху. Оно более объемно и лучше распределяется по ассимилирующей поверхности ценоза. Это благоприятно влияет на показатели фотосинтеза, и скорость роста растений.

Доступ к растениям на «Фитопирамидах» значительно удобнее, чем на стеллажах, что делает обслуживание их гораздо проще, а система становится технологичнее.

Растения на «Фитопирамидах» значительно лучше проветриваются, чем на многоярусных стеллажах. На «Фитопирамидах», зоне растений гораздо проще обеспечить необходимый температурно-влажностный режим, что исключает или значительно снижает возможное появление грибковых заболеваний.

Уникальные возможности аэроводного метода (прилив-отлив), реализованного на МВТУ «Фитопирамида» в условиях полной светокультуры, позволяют получать высокие урожаи на минимальных площадях с экономически целесообразными затратами и очень высокого качества.

Аэроводный способ выращивания (субирригационная аэропоника), исключает условия накопления избыточного количества солей в прикорневой зоне, позволяет легко осуществлять контроль и управление питанием, при этом корни растений находятся в идеальных условиях аэрации, что в итоге, способствует значительному улучшению пищевого достоинства продукции.

В лаборатории СЭС мы проверяли растения листового салата (Фото 3,4(авторские снимки), выращенного на установках «Фитопирамида» в светонепроницаемом помещении-термосе на электрическом свете.

При ПДК 3000мг/кг, содержание нитратов в нашем случае составило 201,4мг/кг, что почти в пятнадцать раз ниже «нормы»!!!

Фото 3. Салат (гидропоника, светокультура)

Фото 4. Товарный салат (гидропоника, светокультура)

В настоящее время мы расширяем площади для экспериментов по светокультуре растений. Эта опытно-промышленная «теплица-темница» возможно, послужит прообразом будущих растениеводческих фабрик как основного звена индустриального растениеводства.

Наши наработки в области светокультуры растений в помещениях-термосах (Фото 5-7(авторские снимки), могут стать основой для создания производственных модулей в отдаленных районах, в регионах с неблагоприятным и экстремальным климатом.

Фото 5. Рассадная установка.

Фото 6. «Фитопирамида».

Фото 7. Растение салата.

Преимущество многоярусного способа выращивания растений на ограниченной площади,- очевидно. Аэроводный метод, в силу своей эффективности, простоты и дешевизны, если не единственный, то один из немногих методов, которые позволяют реализовать идею многоярусности. А многоярусные вегетационные трубные установки «Фитопирамида» – это ключевое звено, которое даст возможность объединить и взаимно усилить такие возможности.

Если говорить об экономике обсуждаемой темы, то по нашему мнению, неоспоримыми преимуществами обладает вариант светокультуры растений на вегетационных установках «Фитопирамида», такими как:

компактность производственных площадей;
высокая плотность посадки;
возможность размещения производственных модулей непосредственно в городах, что сокращает затраты на логистику;
возможность приспосабливать неиспользуемые, брошенные здания, в том числе и многоэтажные, что значительно удешевляет проект и сокращает сроки окупаемости;
высокая продуктивность единицы площади культивационного сооружения;
возможность круглогодичного использования, особенно, в неблагоприятных климатических условиях;
возможность получать продукцию в периоды высокой цены реализации;
низкие энергозатараты. Затраты (на освещение плюс отопление) в светонепрозрачных помещениях значительно ниже, чем энергетические затраты (на отопление плюс достветка) в стеклянных или полимерных теплицах;
отсутствие субстрата;
низкая себестоимость продукции.

На «Фитопирамидах» применен бессубстратный метод выращивания, что является конкурентным преимуществом нашей технологии. В этом случае нет необходимости закупать, доставлять и утилизировать отработанный субстрат. Это особенно актуально в отдаленных регионах, где затраты на логистику расходных материалов могут стать определяющими.

Светокультура растений с применением МВТУ «Фитопирамида» очень гармонично вписывается в современную концепцию «Вертикальной или городской фермы». Ввиду компактности таких теплиц, их размещение возможно как в пригородной зоне, так и на свободных площадках в черте города, на крышах жилых домов и промышленных зданий. Особенно, такие фермы могут быть востребованы в российских регионах с неблагоприятным и экстремальным климатом: в городах Сибири и Дальнего Востока, Кольского полуострова и крайнего Севера, на протяжении Северного морского пути.

Рис.3,4. Вертикальные фермы будущего.

По нашему мнению, вертикальные фермы в недалеком будущем, станут основной частью сельского хозяйства, и даже если они не полностью заменят традиционные способы, то есть множество потенциальных рынков, где вертикальные системы могут иметь значительный успех!

А.Селянский

Е. Лобашев

www.fitopiramida.com

fitopiramida.com

Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений.

Н. Н. ПРОТАСОВА

Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева Академии наук

СССР, Москва

Применяемые сокращения:

КПД лампы - отношение энергии ФАР ко всей потребляемой энергии, Кхоз - отношение полезной части урожая к обшей биомассе, МГЛ(ДРИ) - металлогалогенные лампы, ДНаТ - дуговые натриевые трубчатые лампы, ФАР- фотосинтетически активная радиация - излучение в области 380—720 нм, Хл - хлорофилл.

Исследовали рост, фотосинтез и продуктивность растении (салат, редис, подсолнечник, перец, левзея сафлоровидная) при выращивании их на свету различной интенсивности и спектрального состава в условиях фитотрона. Показано, что световое насыщение процессов роста наступает при более низкой интенсивности света, чем фотосинтез. Наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растении являются интенсивности ФАР в пределах 150—220 Вт/м2. Синий свет вызывает торможение роста стебля и поверхности листьев, при этом формируются листья с большей удельной плотностью. На синем свету наблюдался самый высокий фотосинтез в расчете на единицу площади листа. Красная область спектра способствовала интенсивному росту площади листьев и вытягиванию осевых органов. В зеленой области спектра формировались тонкие листья с меньшим числом клеток и хлоропластов в 1 см2 листа и регистрировался самый низкий фотосинтез на единицу площади листа, но самый высокий - в расчете на хлоропласт. Используя ксеноновые и металлогалогенные лампы в условиях фитрона, получены урожаи в несколько раз более высокие, чем в теплицах и в поле в 1,5—2 раза более короткие сроки. Сделан вывод, что соотношение энергии по спектру ФАР в растениеводческих лампах желательно иметь следующее: 25-30% - в синей (лампы ДРИ), 20% - в зеленой, 50%- в красной области (лампы ДНаТ). Светокультура - интенсивность и спектр света - фотосинтез - урожай.

Светокультура растений находит все более широкое применение в сельскохозяйственном производстве для досвечивания рассады овощных и декоративных культур и при выращивании растений при полном искусственном освещении в теплицах, на селекционных станциях и фитотронах.

В естественных условиях в период вегетации растения редко испытывают острый недостаток солнечной радиации, который приводил бы к их гибели. ФАР имеет особую значимость в условиях защищенного грунта, где из-за низкой облученности и короткой длины дня в осенне-зимние месяцы выращивание полноценных растений возможно только с применением источников искусственного света [1-3].

В связи с необходимостью расширения площадей под светокультурой растений значительно увеличивается потребность в источниках излучения, имеющих высокую биологическую эффективность. Для выполнения этой задачи необходим выпуск растениеводческих ламп, имеющих не только высокий КПД, но и благоприятный для растений спектральный состав. Высокая биологическая и энергетическая эффективность источников искусственного света в конечном счете определит экономический эффект

светокультуры растений и возможность более широкого ее использования в тепличных хозяйствах нашей страны.

В связи с тем, что до настоящего времени в нашей стране нет полноценного растениеводческого источника света, создание такого источника является важной задачей для дальнейшего развития светокультуры растении. В этом плане представляют интерес работы по изучению спектрального состава света, наиболее эффективного для выращивания растений.

Перед нами стояли задачи выяснить:

1) какие интенсивности белого света в условиях фитотрона являются оптимальными и минимально допустимыми для выращивания растений;

2) какова специфичность действия на рост и фотосинтез трех основных областей ФАР - синей, красной и зеленой;

3) как меняется продуктивность растений в зависимости от спектрального состава света;

4) какое распределение энергии по спектру ФАР желательно иметь в источнике света для светокультуры растений.

Учитывая то обстоятельство, что в естественных условиях произрастания растения никогда не получают чисто красный, чисто синий или чисто зеленый свет, а получают их сумму с разными максимумами излучения в зависимости от плотности посева и географической широты места, мы использовали источники, имеющие максимум излучения в той или другой области спектра, - цветные люминесцентные лампы.

При определении биологической эффективности источника искусственного света или отдельных областей спектра в качестве основных критериев оценки мы брали показатели интенсивности фотосинтеза и скорости роста — основные физиологические процессы, определяющие продуктивность растений.

Методика

Опыты проводили в кондиционированных камерах фитотрона Института физиологии растений АН СССР. В качестве опытных растений были взяты: салат (ЬасШса заНуа Ь), редис (КарЬапиз зайуиз Ь., уаг. ттог), перец сладкий (Сарзюит аппиит Ь), подсолнечник. (НеНапШиз аппииз Ь.) и левзея сафлоровидная (КИаропНсит сагШатоЫез 'МЫ I). Растения выращивали в почвенной культуре при 23° днем и 20° ночью, влажности воздуха 75—80% при различной интенсивности ФАР и световом дне 16 ч. Интенсивность света (облученность) измерялась в Вт/м2 ФАР.

Источником света служили ксеноновые лампы мощностью 20 кВт марки ДКСТ-20 000 с водным экраном. Ксеноновые лампы по спектральной характеристике в области ФАР близки к солнечному спектру. Большая мощность ламп позволила получать облученность, равную максимальной солнечной - 500 Вт/м2 ФАР (~100 тыс. лк). Использовали также цветные люминесцентные лампы с максимумом излучения в красной, синей или зеленой областях спектра: лампы красного света ЛК-65, излучение в области 600-710 нм с максимумом при 640-660 нм плюс 14% излучения в синей области; лампы синего света ЛС-150, излучение в области 380-600 нм с максимумом при 440-460 нм; лампы зеленого света ЛЗ-150, излучение в области 490-605 нм с максимумом при 520-550 нм; фитолампы ЛФР-150, излучение в области 590-720 нм с максимумом при 600-620 мм (лампы красного света с добавкой 25% синего).

Свет был выравнен по числу падающих квантов и составлял 19,69*1015 квант* см-2* с-1 (65-83 Вт/м2 ФАР). Экстракцию хлорофиллов проводили с применением охлажденного 85%-ного ацетона. Интенсивность фотосинтеза определяли по изменению концентрации СО2 в замкнутой системе, соединенной с инфракрасным газоанализатором «1пГга1у1-3» («1ипка1ог», ГДР). Определения проводили на листьях, не отделенных от растений с использованием камеры-щипцов. Световые кривые фотосинтеза получали при 0,04% СО2 , потенциальный фотосинтез - при облученности 500 Вт/м- ФАР и 0,08% СО2 . Площадь листьев определяли весовым методом. Поглощение и отражение ФАР листом определяли на спектрофотометре СФ-14 (СССР). В таблицах и на рисунках приведены средние арифметические из 4-5 биологических повторностей и их стандартные ошибки.

Рис. 1. Суточное усвоение СО2 (в расчете на кв.м площади листьев) у растений подсолнечника, выращенных на свету ксеноновых ламп (1) и при естественном освещении (2). Рис. 2. Зависимость фотосинтеза (1) и роста площади листьев (2) от интенсивности света у растений редиса. Заштрихованная область - диапазон интенсивностей, наиболее благоприятных для выращивания светолюбивых растений

Результаты и обсуждения

Заслуживает внимания тот факт, что в условиях фитотрона, когда подобран комплекс оптимальных факторов (световой и температурные режимы, минеральное питание и пр.), растения имеют высокий уровень фотосинтеза в течение всего светового дня без спадов и полуденных депрессий (рис. 1). На рис. 1 показан дневной ход фотосинтеза растений подсолнечника, выращенных в условиях искусственного и естественного освещения. На графике видно, что суточное усвоение углекислоты в расчете на 1 м2 листа у растений под солнечным светом почти вдвое меньше, чем под светом ксеноновых ламп.Экспериментальные исследования, проведенные в условиях фитотрона [5, 6], позволили установить, что при длительном выращивании растений на различных интепснвностях света вплоть до насыщающих, равных максимальным солнечным -500 Вт/м2 ФАР, при 16-ч фотопериоде по мере возрастания интенсивности света увеличиваются скорость фотосинтеза и размер листовой поверхности (рис. 2). Однако при интенсивностях, превышающих 250 Вт/м2 ФАР, тормозится рост площади листьев и подавляется рост стебля (рис. 2). При этом свет высоких интенсивностей (свыше 400 Вт/м2 ФАР) настолько подавляет рост растении, что в этих условиях вырастают растения карликовой формы. В отличие от генетических карликов мы их назвали «световые карлики». Эти световые, или физиологические, карлики имели значительно меньшую биомассу по сравнению с растениями, выращенными при оптимальных интенсивностях света.

Рис. 3. Растения салата, выращенные при интенсивностях света (Вт/м2 ФАР): 30 (1), 80 (2), 200 (3) и 420 (4)

Торможение ростовых процессов светом высоких интенсивностей наблюдалось как у светолюбивых (подсолнечник, редис и др.) так и у тенелюбивых растений (салат Московский парниковый). Световое насыщение фотосинтеза у светолюбивых растений при длительном выращивании на высокоинтенсивном свету наступало при интенсивности ФАР свыше 420 Вт/м2. У теневыносливых растений ингибирование фотосинтеза наблюдалось при облученностях около 400 Вт/м2, оно являлось следствием разрушения Хл, а при интенсивностях свыше 420 Вт/м2 ФАР - также и деструкции пластид [6].

Рис. 4. Зависимость образования веса корнеплода (1) и площади листьев (2) растенийредиса от интенсивности света.

В качестве иллюстрации приводятся фотографии растений, выращенных при низких, оптимальных и насыщающих интенсивностях ФАР. На рис. 3 показан внешний вид растений салата в возрасте 20 дней, выращенных под светом ксеноновых ламп при разных интенсивностях света. Видно, что для растений, выращенных при низких интенсивностях света, характерны длинные черешки, тонкие вытянутые листья. При оптимальных интенсивностях света (около 200 Вт/м2 ФАР) растения имели не только достаточную площадь листьев, но и высокий фотосинтез с единицы ее поверхности, т. с. фотосинтез и рост были хорошо сбалансированы.

Рис. 5. Суточный прирост диаметра корнеплода у растений редиса от интенсивности света (ксеноновые лампы) I - 50, II - 140, III - 325, IV - 410 Вт/м2

Были проведены также опыты, в которых ежедневно измерялся диаметр корнеплода у растений редиса, растущих при высоких и низких интенсивностях света ксеноновых ламп. Максимальный прирост диаметра корнеплода наблюдался при интенсивности ФАР 325 Вт/м2 (рис. 5).

Следует отметить, что при высоком уровне облученности интенсивный рост корнеплода начинался уже с 6-дневного возраста, в то время как при низкой облученности заметный прирост наблюдался только с 14-дневного возраста. Однако при более высокой интенсивности света (410 Вт/м2 ФАР) у растений с 16-дневного возраста начинали желтеть и отмирать нижние листья, а к 20 дню прирост корнеплода практически прекращался - наступало очень раннее старение растений. При сильном загущении посева уровень светового насыщения по росту и фотосинтезу можно поднять [9]. В этом случае верхние листья служат защитным экраном от чрезмерно высокого уровня облученности. В вариантах с интенсивностью ФАР 320 и 410 Вт/м2 высокая продуктивность- растений была получена только при условии применения повышенных доз азота и магния (три нормы по Кнопу). Подкормка растений в почвенной культуре проводилась 2 раза в неделю.

На рис. 6 показаны растения подсолнечника сорта Передовик (высокорослый сорт), выращенные при двух интенсивностях ФАР: 250-300 и 130 Вт/м2. Растения варианта 250300 Вт/м2 имели в 2 раза меньшую высоту стебля, меньшую площадь листьев, но значительно более высокий фотосинтез (табл. 1). Расчеты по суточному усвоению СО2 показали, что относительно небольшая площадь листьев у растений подсолнечника на высоких интенсивностях ФАР компенсировалась высоким уровнем ассимиляции СО2 .

Рис. 6. Реакция ингибирований роста стебля подсолнечника (сорт Передовик) светом высокой интенсивности (Вт/м2 ФАР) 1 - 250-300, 2 - 130.

Низкая интенсивность ФАР (минимально допустимая) - диапазон интенсивностей, при котором рост вегетативных органов происходит, но не образуются полноценные генеративные органы. При этом фотосинтез имеет низкие показатели. Для светолюбивых растений это интенсивности в диапазоне 15-30 Вт/м2.
Оптимальная интенсивность ФА Р - диапазон интенсивностей, при котором наблюдается максимальное накопление биомассы в единицу времени. При этом Кхоз составляет 50-70%. Фотосинтез и рост хорошо сбалансированы. Для светолюбивых растений это диапазон ФАР 150-220 Вт/м2.

Насыщающая интенсивность ФАР - максимальная интенсивность света, при которой достигается выход фотосинтеза на плато светового насыщения, т. е. максимальный фотосинтез. При этом, наблюдается торможение роста стебля и других осевых органов - растения приобретают низкорослую форму. Кхоз высокий, но общей биомассы накапливается меньше, чем при оптимальной интенсивности, так как рост заторможен (400 Вт и более)

Показатели	Интенсивность света Вт/м.кв ФАР
Показатели	250 - 300	130
Высота растений см	74 ± 2,730	154,6 ± 3,07
Интенсивность фотосинтеза мг СО2 /дм *ч	56 ± 2,047	25,5 ±1,682
Число листьев	24,5 ± 0,5	25,6 ± 0,3
Плотность листьев, дм2	52,2 ± 1,365	121,6 ± 3,07
Диаметр корзинки, см	25,6 ± 0,443	14,8м ± 0,0512
Масса выполненных семянок на растение, г	86,3 ± 3,024	61,2 ± 1,365
Сухая биомасса растения, г	383,6 ± 6,731	565,3 ± 9,0706

Таблица 1. Характеристика растений подсолнечника в возрасте 60 дней, выращенных при разных интенсивностях света ксеноновых ламп.

Ранее нами было показано, что свет высоких (насыщающих) интенсивностей вызывает снижение содержания в растениях фитогормонов и накопление фравоноидных соединений и природных ингибиторов роста [5, 6]. При этом меняется скорость роста и продуктивность растений. При оптимальных интенсивностях света соотношение ингибиторов роста и фитогормонов хорошо сбалансировано - происходит оптимальная саморегуляция ростовых процессов.

Длительное выращивание растений при высоких или низких интенсивностях света обеспечивает развитие компенсаторных механизмов, носящих адаптивный характер. Так, высокие интенсивности ФАР вызывают резкое торможение роста осевых органов, при этом включаются специфические иигибиторные механизмы, проявление которых на слабых интенсивностях не наблюдалось [5, 6, 12]. Таковы закономерности, полученные для растений, выращивание которых проводилось в светокультуре под белым светом по спектральной характеристике в области ФАР, близкой к солнечному спектру (ксеноновые лампы).

Какова же ответная реакция растений на облучение их тремя основными областями ФАР - синей, красной или зеленой? Этот вопрос важен для светокультуры растений в связи с разработкой новых растениеводческих источников света, он представляет также и теоретический интерес, поскольку у всех высших растений имеются различные фоторецепторы, обеспечивающие поглощение энергии по всей области ФАР.

В настоящее время для целей светокультуры выпускают различные типы МГЛ, которые, к сожалению, имеют не сплошной, а линейчатый спектр и недостаточное излучение (кроме лампы ДРОТ) в красной области спектра 660-680 нм. Тем не менее МГЛ являются наиболее перспективными, так как имеют значительно более высокий КПД (~30%) по сравнению с ксеноновыми лампами (КПД которых равен 12%).

Цветные люминисцен тные лампы	Сырая биомасса				Общая сырая биомасса одного растени г.	Хл (a+b), мг*дм-2	Поглощение СО2 мгдм-2ч-1
Цветные люминисцен тные лампы	Листья	Стебли и черешк	Корни	Плоды	Общая сырая биомасса одного растени г.	Хл (a+b), мг*дм-2	Поглощение СО2 мгдм-2ч-1
Синего света ЛС-150	31,66±2,38	29,33±1,706	10,02±0,682	133,3±4,095	204,33±3,341	8,078±0,31	24,5±1,36
Красного света ЛК-65	55,0±2,68	42,16±1,365	13,66±1,023	186,1±3,071	296,83±4,436	5,6±0,09	20,3±1,25
Белого света ЛХБ-150	39,66±3,07	31,66±1,706	8,3±0,375	99,33±6,143	178,95±8,156	5,01±0,06	18,2±1,45
ЛФР-150	48,0±1,36	40,66±1,365	18,0±0,682	216,0±5,119	322,6±4,778	5,78±0,2	22,4±1,01
Белого света ЛХБ-150	42,2±3,87	34,4±1,91	12,1±1,22	156,7±4,88	245,4±6,68	5,9±0,22	21,7±1,2

Таблица 2. Характеристика растений перца сорта Вини-пух, выращенных под излучением цветных люминисцентных ламп.

ФАР выравнена по числу падающих квантов и равна 19,7*1015 квант*см-2*с-1, возраст растений 80 дней.

На основании этих опытов можно сделать вывод о том, что перец сладкий (С. аппиит Ь.) относится к числу растений, для которых максимум излучения в источнике должен быть в красной области спектра. Следует отметить, что растения перца, выращенные при невысокой интенсивности ФАР, содержали на 50-60% больше Хл, чем при 200 Вт/м2 ФАР. Коэффициент поглощения ФАР у этих растений, выращенных под люминесцентными лампами, составлял 90-95%. Перец - очень пластичное растение с хорошей адаптацией к условиям выращивания и благодаря этому относительно теневыносливо. Однако наиболее высокие урожаи плодов в наших опытах были получены при уровнях облученности, равных примерно половине от максимальных солнечных 200- 250 Вт/м2 ФАР (было получено 360-380 г с растения). Возник вопрос, какова причина столь низкой фотосинтетической активности листьев растений, выращенных под зеленым светом? Почему у растений, длительно адаптированных к синему свету, наблюдалось самое высокое поглощение СО2 с единицы площади листа? Для ответа на эти вопросы была проведена серия опытов с левзеей сафлоровидной [14]. Левзея - дикорастущее растение, которое широко распространено в Сибири, Алтайском крае, встречается оно и в средней полосе нашей страны. Это растение интересно по двум показателям. Во-первых, в клетках столбчатой и губчатой паренхимы ее листьев содержится относительно небольшое число хлоропластов - 30-40 (у большинства культурных растений 100-150), что облегчает проведение анализа в расчете на хлоропласт. И во-вторых, как все дикорастущие растения, оно имеет более устойчивую наследственную основу по сравнению с культурными растениями. Перед нами стояла задача выяснить особенности адаптации фотосинтетического аппарата дикорастущего растения к качеству света. В этих опытах было показано, что на зеленом свету формируется вполне активный хлоропласт, он также интенсивно фиксирует СО2 , как и хлоропласт на синем свету [14]. Однако число клеток и хлоропластов в единице площади листа, сформированного на зеленом свету, было на 5060% меньше, чем на синем свету, что, вероятно, и послужило причиной низкого фотосинтеза на единицу площади листа.

На синем свету число клеток и хлоропластов в 1 см2 листа было значительно больше, чем на красном и зеленом свету, и наблюдался самый высокий фотосинтез на единицу площади листа [14]. Для листьев растений, выращенных на синем свету, был характерен и наиболее высокий уровень светового насыщения фотосинтеза [15], что, возможно, объясняется наличием наибольшего числа хлоропластов, приходящихся на единицу площади листа, а также особенностями внутренней организации хлоропласта и активацией под влиянием синего света биосинтеза ферментов фотосинтетического метаболизма углерода и реакций цепи переноса электронов [16]. На синем свету в листьях образуется значительно большее количество ингибиторов роста (абсцизовой кислоты, оксикоричных кислот и др.) по сравнению с растениями, выращенными на красном и тем более на зеленом свету [6], что приводит к формированию укороченных стеблей и более толстых листьев.

Рис. 7. Растения подсолнечника (сорт Передовик), выращенные на синем (С) и на красном (К), содержавшем 14% синего (К), свету. Черешки листьев изогнуты книзу - реакция эпинастии на красный свет.

В опытах с другими растениями синий свет также вызывал торможение роста стебля и площади листьев. На рис, 7 показаны растения подсолнечника, выращенные на синем и на красном свету. Растения на красном свету имели почти в 3 раза большую площадь листьев - 79 дм2 по сравнению с вариантом на синем свету (27 дм2). Более высокий фотосинтез, наблюдаемый обычно на синем свету, не мог компенсировать дефицит площади листьев у этих растений, что приводило к снижению продуктивности. У растений подсолнечника на'красном свету наблюдался избыточный «балластный» рост площади листьев в ущерб росту репродуктивных органов.

Итак, красный свет с максимумом излучения 640-670 нм способствует интенсивному росту листьев и осевых органов. На красном свету мы наблюдали самый высокий ростовой эффект, стимулированный, вероятно, и фоторецептором красного света - фитохромом.

Синий свет тормозит рост стебля и площадь листьев, что приводит к формированию растений с низкой продуктивностью. В зеленой области спектра (максимум излучения 520-550 нм) формировались тонкие листья с меньшим числом клеток и хлоропластов и самым низким фотосинтезом на единицу площади листа, но самым высоким фотосинтезом в расчете на хлоропласт; продуктивность растений была низкой.

Таким образом» каждая из трех основных областей ФАР (синяя, зеленая и красная), взятая в отдельности, мало пригодна для выращивания растений и только излучение, взятое в определенном соотношении энергии по всему спектру, может обеспечить выращивание полноценных растений. Сильное нарушение этого соотношения, например, когда растения получают максимум излучения только в синей области спектра, приводит к формированию низкорослых растений с высоким фотосинтезом, но низкой продуктивностью. Сильный «перекос» по спектру в красную область спектра, наоборот, приводит к излишнему росту вегетативных органов в ущерб генеративным.

Таким образом, спектральный состав света, так же как и его интенсивность, является сильным морфогенетическим фактором, регулирующим как ростовые, так и фотосинтетические реакции в системе целого растения. При этом желательно иметь следующее соотношение энергии по спектру ФАР в растениеводческих лампах для многих сельскохозяйственных растений: 25-30%-в синей области (380-490 нм), 20% в зеленой (490-590 нм) и 50% - в красной области (600-700 нм).

Ниже приводятся максимальные показатели продуктивности растений, получаемые в условиях фитотрона при оптимальных световых режимах (с соблюдением комплекса других факторов). В этих условиях фотосинтез поддерживался в течение всего светового дня без полуденных депрессий, суточное усвоение СО2 было значительно выше, чем при солнечном освещении, фотосинтез и рост были хорошо сбалансированы. В итоге получены урожаи с 1 м2 площади значительно более высокие, чем в поле, при сокращенном вегетационном периоде: пшеница - 2,2- 2,7 кг зерна за 75 дней (от посева), огурцы - 24 кг плодов за 76 дней (от посева), томаты - 27 кг плодов за 70 дней (от посева).

Результаты этой работы показали, что растения обладают большим генетическим потенциалом, который обычно не реализуется полностью в полевых условиях, где фотосинтез и рост трудно сбалансировать.

Литература

Клешнин А. Ф., Лебедева Е. В., Протасова Н. Н. и др. Выращивание растений при искусственном освещении. М.: Сельхозгиз, 1959. 128 с.
Машков Б. С. Выращивание растений при искусственном освещении. Л. Колос, 1966.287 с.
Ломан В. М. Курс светокультуры растений. Изд. 2-е. М: Высш. школа, 1976. 272 с.
Нишпорович А. А. Фотосинтетическая деятельность растений и пути повышения их продуктивности. Теоретические основы фотосинтетической продуктивности. М.: Наука, 1972. С. 511.
Протасова Н. Н., Кефели В. И., Коф Э. М. и др. Фотосинтетическая активность, рост и уровень природных регуляторов у растений, выращенных на свету различной интенсивиости. Теоретические основы фотосинтетической продуктивности. М.: Наука, 1972. С. 385.
Протасова Н. Н., Кефели В. И. Фотосинтез и рост высших растений, их взаимосвязь и корреляции. Физиология фотосинтеза. М.: Наука, 1982. С. 251.
Куперман И. А. Физиологические механизмы адаптации и устойчивости растений. Новосибирск: Наука, 1972. С. 5.
Цельникер Ю. Л. Физиологические основы теневыносливости древесных растений. М.: Наука, 1978. 212 с.
Тихомиров А. А., Сидько Ф. Я. Состояние пигментного аппарата и формирование структуры ценозов редиса в связи с их продуктивностью при различной интенсивности и спектре излучения. Физиология растений. 1982. Т. 29. Вып. 3. С. 457.
Мокроносов А. Т. Эндогенная регуляция фотосинтеза в целом растений. Физиология растений. 1978. Т. 25. Вып. 5. С. 938.
Кефели В. И. Природные ингибиторы роста и фитогормоны. М.: Наука, 1974. 247 с.
Протасова Н. Н., Ложникова В, Н., Ничипорович А. А. и др. Рост, активность фитогормонов и ингибиторов и фотосинтез у карликовых мутантов гороха в разных условиях светового режима. Изв. АН СССР. Сер- биол., 1980., № 1. С. 94.
МсСгее К. J. The action spectrum, absorplance and quantum yield of photosynthesis in crop plants. Agric. Meteoroi. 1972. V. 9. P. 192.
Карначук Р. А., Протасова Н. Н„ Добровольский М. В. и др. Физиологическая адаптация листа левзеи к спектральному составу света. Физиология растений. 1987. Т. 34. Вып. 4. С. 51.
Тихомиров А. А., Сидько Ф. Я., Лисовский Т. /VI. и др. Проблема оптимизации спектральных и энергетических характеристик излучения растениеводческих ламп. Красноярск. Ротапринт. 1983. 47 с.
Воскресенская Н. П. Фоторегуляторные аспекты метаболизма растений: 38-е Тимиряз. чт. М: Наука, 1979. 48 с.

Дата: Понедельник, 26 Сентября 2011

growhobby.ru

Какие преимущества даёт светокультура. | Компания Alecon

Освещение растений. Самой актуальной проблемой тепличников является необходимость выращивания цветов и овощей , которое можно осуществить лишь при круглогодичном подсвечивании помещения. В зимнее и осеннее время является обязательным использование электроподсвечивания.Выращивание наиболее популярных овощей, таких как огурцы и помидоры, становится практически невозможным без наличия дополнительного света. С этим неудобством сталкиваются жители большинства регионов России. Уровень фотосинтетической радиации с января по декабрь достигает критических показателей. Если учитывать суммарные показатели по месяцам, то территорию страны можно образно разделить на семь зон. Территория Московской области находится в 3 световой зоне.

Компания «Алекон» — организатор конференции Agro-Business 2017 приглашает специалистов в Израиль на практическую конференцию по вопросам клубники и тепличного бизнеса. Agro-Business 2017— это единственное мероприятие на русском языке, дающая возможность получение ответов на все вопросы связанные с разведением клубники, ирригацией, орошением и разведением клубники в теплицах. На Agro-Business 2017 русскоговорящие специалисты ознакомятся с передовыми израильскими технологиями и получат практические советы по теме растениеводство.

Для получения подробной информации о конференции Agro-Business 2017

Постоянный процесс выращивания культур, без перерывов на зимнее время, представляет собой технологию светокультуры. Специальные лампы, установленные в теплицах, сопутствуют круглосуточному процессу фотосинтеза растений. Благодаря правильному оборудованию теплицы, с расчётом площади и количества ламп, даёт возможность аграрию выращивать культуры круглогодично. Это приносит урожайность, которая превышает в 2,5 раза норму с одно квадратного метра за год.Внедрение подобных технологий обеспечило повышение урожая, количества культур с 27 килограмм на квадратный метр, теперь составляет целых 70.При помощи агрономических расчётов был установлен уровень света в тепличных помещениях. Его минимальные показатели должны соответствовать 6v7 кЛк. При расчёте необходимого количества ламп, учитывается площадь помещения, высота, на которой будут размещены светильники и мощность каждой лампы.Каждая культура требует определённого количества света, поэтому, уровень освещённости определяется исходя из вида растений, которые будут выращиваться. Чтоб достичь минимальной степени освещённости рекомендуется использовать светильник имеющий мощность от 50 до 100 Вт/м2. Более подробные расчёты проводятся при детальном знакомстве с особенностями помещений. Уровень света от 10 до 12 кЛк станет гарантией хорошего урожая. При использовании освещённости более 20 кЛк количество продукта собранного с участка увеличивается в несколько раз. Для этого необходима установка большего числа мощных ламп, при этом расход электроэнергии значительно возрастёт.Использование светокультуры в процессе выращивания формирует цену на продукцию, устанавливает её себестоимость. Даёт возможность получить большую экономию при отказе от отопления. Однако приводит к использованию дорогостоящего оборудования. Внедрение механизма светокультур является первым этапом к перемене всей структуры тепличного хозяйства. Изменению подлежат и технологии по выращиванию, которые основываются на особенностях каждого гибрида. Урожай огурцов и помидоров можно снимать на протяжении всего года. Нет необходимости останавливать процесс роста с ноября по февраль. Цена по которой производится реализация продукции полностью окупает затраты на выращивание и приносит хорошую прибыль.Культивационные строения по всему миру разработаны таким образом, чтоб максимально использовать солнечную радиацию. Она выступает основным фактором, который определяет климатические условия местности. Именно от количества радиации зависит вид и тип сооружений для культивации, а также сорта и время, которое будет потрачено на их выращивание.Все, выше перечисленные факторы, предоставляют аграриям уникальную возможность проводить высадку растений раньше положенного срока.

Статьи по теме теплицы

Бизнес предложения на тему Сельское Хозяйство :

тепличный комплекс Компания строит тепличные комплексы «под ключ» по уникальной израильской технологии. Теплицы отлично функционируют при экстремальных температурах . Под каждого конкретного клиента подбирается оптимальное технологичное решение, культура, дающая максимальную прибыль в данном районе. Израильская компания дает комплексное решение от проектирования тепличного комплекса, производства и монтажа теплиц, поставка необходимого оборудования и до полного обучения клиента. Смотреть бизнес предложение

Капельное орошение Израильская компания устанавливает ирригационные системы «под ключ» по уникальной израильской технологии. Компания предоставляет комплексный подход, состоящий из планирования, установку, проверку, запуск и эксплуатацию всех систем. Смотреть бизнес предложение

производство козьего молока Израильская компания построит «под ключ» козеферму по производству козьего молока и сыров» по инновационной технологии.Компания предлагает строительство фермы для выращивания коз, комбикормового завода и создание молочного завода для переработки полученного козьего молока. Смотреть бизнес предложение

Израильская компания строит птицекомплексы «под ключ» по израильской технологии. Компания предоставляет комплексный подход, состоящий из планирования, строительства, установку, проверку, запуск и эксплуатацию всех систем, элементов и промышленных объектов птицекомплекса, в соответствие с принятыми международными нормами и стандартами. Предлагает выращивание индейки, бройлерных кур и других птиц. Смотреть бизнес предложение

выращивание рыбы Компания предлагает построить «под ключ» комплекс по выращиванию рыбы . Уникальная технология, подходит как для пресной, так и для морской рыбы. Метод выращивания рыбы, с самым низким потреблением воды, в то же время гарантирует достижение высоких и постоянных урожаев. Смотреть бизнес предложение

переработка Твердых Бытовых Отходов (ТБО) Израильская компания предлагает строительство гидро-механических сортирующих ТБО заводов .На переработку поступают не сортированные бытовые отходы и при этом полностью перерабатываются до 85% отходов. По соседству с сортировочным заводом , очень выгодно построить теплицы по выращиванию овощей, зелени или цветов. Преимущества этого, что компост, тепло, био-газ, вода, электроэнергия и CO2 поставляются напрямую в теплицы с ТБО перерабатывающего завода. Смотреть бизнес предложение

alecon.co.il

Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений

Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений.

Н. Н. ПРОТАСОВА

Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева Академии наук СССР, Москва

Применяемые сокращения: Исследовали рост, фотосинтез и продуктивность растении (салат, редис, подсолнечник, перец, левзея сафлоровидная) при выращивании их на свету различной интенсивности и спектрального состава в условиях фитотрона. Показано, что световое насыщение процессов роста наступает при более низкой интенсивности света, чем фотосинтез. Наиболее благоприятными для выращивания светолюбивых растении являются интенсивности ФАР в пределах 150—220 Вт/м2. Синий свет вызывает торможение роста стебля и поверхности листьев, при этом формируются листья с большей удельной плотностью. На синем свету наблюдался самый высокий фотосинтез в расчете на единицу площади листа. Красная область спектра способствовала интенсивному росту площади листьев и вытягиванию осевых органов. В зеленой области спектра формировались тонкие листья с меньшим числом клеток и хлоропластов в 1 см2 листа и регистрировался самый низкий фотосинтез на единицу площади листа, но самый высокий - в расчете на хлоропласт. Используя ксеноновые и металлогалогенные лампы в условиях фитрона, получены урожаи в несколько раз более высокие, чем в теплицах и в поле в 1,5—2 раза более короткие сроки. Сделан вывод, что соотношение энергии по спектру ФАР в растениеводческих лампах желательно иметь следующее: 25-30% - в синей, 20% - в зеленой, 50%- в красной области. Светокультура - интенсивность и спектр света - фотосинтез - урожай. Светокультура растений находит все более широкое применение в сельскохозяйственном производстве для досвечивания рассады овощных и декоративных культур и при выращивании растений при полном искусственном освещении в теплицах, на селекционных станциях и фитотронах. В естественных условиях в период вегетации растения редко испытывают острый недостаток солнечной радиации, который приводил бы к их гибели. ФАР имеет особую значимость в условиях защищенного грунта, где из-за низкой облученности и короткой длины дня в осенне-зимние месяцы выращивание полноценных растений возможно только с применением источников искусственного света [1-3]. В связи с необходимостью расширения площадей под светокультурой растений значительно увеличивается потребность в источниках излучения, имеющих высокую биологическую эффективность. Для выполнения этой задачи необходим выпуск растениеводческих ламп, имеющих не только высокий КПД, но и благоприятный для растений спектральный состав. Высокая биологическая и энергетическая эффективность источников искусственного света в конечном счете определит экономический эффект светокультуры растений и возможность более широкого ее использования в тепличных хозяйствах нашей страны. В связи с тем, что до настоящего времени в нашей стране нет полноценного растениеводческого источника света, создание такого источника является важной задачей для дальнейшего развития светокультуры растении. В этом плане представляют интерес работы по изучению спектрального состава света, наиболее эффективного для выращивания растений. Перед нами стояли задачи выяснить: 1) какие интенсивности белого света в условиях фитотрона являются оптимальными и минимально допустимыми для выращивания растений; 2) какова специфичность действия на рост и фотосинтез трех основных областей ФАР - синей, красной и зеленой; 3) как меняется продуктивность растений в зависимости от спектрального состава света; 4) какое распределение энергии по спектру ФАР желательно иметь в источнике света для светокультуры растений. Учитывая то обстоятельство, что в естественных условиях произрастания растения никогда не получают чисто красный, чисто синий или чисто зеленый свет, а получают их сумму с разными максимумами излучения в зависимости от плотности посева и географической широты места, мы использовали источники, имеющие максимум излучения в той или другой области спектра, - цветные люминесцентные лампы. При определении биологической эффективности источника искусственного света или отдельных областей спектра в качестве основных критериев оценки мы брали показатели интенсивности фотосинтеза и скорости роста — основные физиологические процессы, определяющие продуктивность растений.

Методика

Опыты проводили в кондиционированных камерах фитотрона Института физиологии растений АН СССР. В качестве опытных растений были взяты: салат (Lactuca saliva L.), редис (Raphanus sativus L., var. minor), перец сладкий (Capsicum annuum L.), подсолнечник. (Helianthus annuus L.) и левзея сафлоровидная (Rliaponlicum cariliamoides Wild I). Растения выращивали в почвенной культуре при 23° днем и 20° ночью, влажности воздуха 75—80% при различной интенсивности ФАР и световом дне 16 ч. Интенсивность света (облученность) измерялась в Вт/м2 ФАР. Источником света служили ксеноновые лампы мощностью 20 кВт марки ДКСТ-20 000 с водным экраном. Ксеноновые лампы по спектральной характеристике в области ФАР близки к солнечному спектру. Большая мощность ламп позволила получать облученность, равную максимальной солнечной - 500 Вт/м2 ФАР (~100 тыс. лк). Использовали также цветные люминесцентные лампы с максимумом излучения в красной, синей или зеленой областях спектра: лампы красного света ЛК-65, излучение в области 600-710 нм с максимумом при 640-660 нм плюс 14% излучения в синей области; лампы синего света ЛС-150, излучение в области 380-600 нм с максимумом при 440-460 нм; лампы зеленого света ЛЗ-150, излучение в области 490-605 нм с максимумом при 520-550 нм; фитолампы ЛФР-150, излучение в области 590-720 нм с максимумом при 600-620 мм (лампы красного света с добавкой 25% синего). Свет был выравнен по числу падающих квантов и составлял 19,69*1015 квант*см-2*с-1 (65-83 Вт/м2 ФАР). Экстракцию хлорофиллов проводили с применением охлажденного 85%-ного ацетона. Интенсивность фотосинтеза определяли по изменению концентрации СО2 в замкнутой системе, соединенной с инфракрасным газоанализатором «Infralyt-3» («Junkalor», ГДР). Определения проводили на листьях, не отделенных от растений с использованием камеры-щипцов. Световые кривые фотосинтеза получали при 0,04% СО2 , потенциальный фотосинтез - при облученности 500 Вт/м- ФАР и 0,08% СО2 . Площадь листьев определяли весовым методом. Поглощение и отражение ФАР листом определяли на спектрофотометре СФ-14 (СССР). В таблицах и на рисунках приведены средние арифметические из 4-5 биологических повторностей и их стандартные ошибки.

Результаты и обсуждения

Фотосинтез и рост - два основных процесса жизнедеятельности растений, от сбалансированности которых зависит конечный урожай растений [4]. Оба эти процесса в свою очередь находятся в тесной зависимости от интенсивности и спектрального состава света [5, 6]. Известно, что в благоприятных условиях освещения и минерального питания у растений формируется листовая поверхность, фотосинтетическая деятельность которой способна полностью обеспечить ростовую функцию и репродуктивные процессы, закодированные в геноме. В неблагоприятных световых условиях у растений в процессе эволюции выработались компенсаторные механизмы, восполняющие недостаток одного параметра другим [7, 8]. Так, при низких интенсивностях света невысокий фотосинтез частично компенсируется усиленным ростом площади листьев, в то время как при высоких интенсивностях света меньшая листовая поверхность может компенсироваться повышенной скоростью ассимиляции СО2 . В итоге относительно улучшается количественный баланс поглощенной энергии как у теневых, так и у световых растений. Заслуживает внимания тот факт, что в условиях фитотрона, когда подобран комплекс оптимальных факторов (световой и температурные режимы, минеральное питание и пр.), растения имеют высокий уровень фотосинтеза в течение всего светового дня без спадов и полуденных депрессий (рис. 1). На рис. 1 показан дневной ход фотосинтеза растений подсолнечника, выращенных в условиях искусственного и естественного освещения. На графике видно, что суточное усвоение углекислоты в расчете на 1 м2 листа у растений под солнечным светом почти вдвое меньше, чем под светом ксеноновых ламп. Экспериментальные исследования, проведенные в условиях фитотрона [5, 6], позволили установить, что при длительном выращивании растений на различных интепснвностях света вплоть до насыщающих, равных максимальным солнечным -500 Вт/м2 ФАР, при 16-ч фотопериоде по мере возрастания интенсивности света увеличиваются скорость фотосинтеза и размер листовой поверхности (рис. 2). Однако при интенсивностях, превышающих 250 Вт/м2 ФАР, тормозится рост площади листьев и подавляется рост стебля (рис. 2). При этом свет высоких интенсивностей (свыше 400 Вт/м2 ФАР) настолько подавляет рост растении, что в этих условиях вырастают растения карликовой формы. В отличие от генетических карликов мы их назвали «световые карлики». Эти световые, или физиологические, карлики имели значительно меньшую биомассу по сравнению с растениями, выращенными при оптимальных интенсивностях света.

Рис. 3. Растения салата, выращенные при интенсивностях света (Вт/м2 ФАР): 30 (1), 80 (2), 200 (3) и 420 (4)

Рис. 4. Зависимость образования веса корнеплода (1) и площади листьев (2) растений редиса от интенсивности света.

Таким образом, исследования по изучению процессов роста и фотосинтеза растений, выращенных при различных (вплоть до насыщающих) интенсивностях света, позволили установить, что световое насыщение процессов роста наступает при более иизких уровнях облученности, чем фотосинтез [5, 6]. В качестве иллюстрации приводятся фотографии растений, выращенных при низких, оптимальных и насыщающих интенсивностях ФАР. На рис. 3 показан внешний вид растений салата в возрасте 20 дней, выращенных под светом ксеноновых ламп при разных интенсивностях света. Видно, что для растений, выращенных при низких интенсивностях света, характерны длинные черешки, тонкие вытянутые листья. При оптимальных интенсивностях света (около 200 Вт/м2 ФАР) растения имели не только достаточную площадь листьев, но и высокий фотосинтез с единицы ее поверхности, т. с. фотосинтез и рост были хорошо сбалансированы.

На рис. 4 показана зависимость роста корнеплода и листьев редиса от интенсивности ФАР. Можно видеть, что по мере увеличения интенсивности света вес корнеплода растет, а площадь листьев уменьшается. Были проведены также опыты, в которых ежедневно измерялся диаметр корнеплода у растений редиса, растущих при высоких и низких интенсивностях света ксеноновых ламп. Максимальный прирост диаметра корнеплода наблюдался при интенсивности ФАР 325 Вт/м2 (рис. 5). Следует отметить, что при высоком уровне облученности интенсивный рост корнеплода начинался уже с 6-дневного возраста, в то время как при низкой облученности заметный прирост наблюдался только с 14-дневного возраста. Однако при более высокой интенсивности света (410 Вт/м2 ФАР) у растений с 16-дневного возраста начинали желтеть и отмирать нижние листья, а к 20 дню прирост корнеплода практически прекращался - наступало очень раннее старение растений. При сильном загущении посева уровень светового насыщения по росту и фотосинтезу можно поднять [9]. В этом случае верхние листья служат защитным экраном от чрезмерно высокого уровня облученности. В вариантах с интенсивностью ФАР 320 и 410 Вт/м2 высокая продуктивность- растений была получена только при условии применения повышенных доз азота и магния (три нормы по Кнопу). Подкормка растений в почвенной культуре проводилась 2 раза в неделю. На рис. 6 показаны растения подсолнечника сорта Передовик (высокорослый сорт), выращенные при двух интенсивностях ФАР: 250-300 и 130 Вт/м2. Растения варианта 250-300 Вт/м2 имели в 2 раза меньшую высоту стебля, меньшую площадь листьев, но значительно более высокий фотосинтез (табл. 1). Расчеты по суточному усвоению СО2 показали, что относительно небольшая площадь листьев у растений подсолнечника на высоких интенсивностях ФАР компенсировалась высоким уровнем ассимиляции СО2 .

В этом опыте в обоих вариантах распределение ассимилятов по органам было различным: при низкой облученности основная масса ассимилятов использовалась на рост вегетативных органов - листьев, стебля, а при высокой интенсивности ФАР ассимиляты в значительной степени использовались на рост репродуктивных органов - корзинки с большим содержанием в ней выполненных семянок (рис. 6). Для удобства оценки и стандартизации получаемых результатов для условий светокультуры на основании наших экспериментальных данных можно дать следующие определения трем основным диапазонам применяемых интеисивностей ФАР. 1. Низкая интенсивность ФАР (минимально допустимая) - диапазон интенсивностей, при котором рост вегетативных органов происходит, но не образуются полноценные генеративные органы. При этом фотосинтез имеет низкие показатели. Для светолюбивых растений это интенсивности в диапазоне 15-30 Вт/м2. 2. Оптимальная интенсивность ФА Р - диапазон интенсивностей, при котором наблюдается максимальное накопление биомассы в единицу времени. При этом Кхоз составляет 50-70%. Фотосинтез и рост хорошо сбалансированы. Для светолюбивых растений это диапазон ФАР 150-220 Вт/м2. 3. Насыщающая интенсивность ФАР - максимальная интенсивность света, при которой достигается выход фотосинтеза на плато светового насыщения, т. е. максимальный фотосинтез. При этом, наблюдается торможение роста стебля и других осевых органов - растения приобретают низкорослую форму. Кхоз высокий, но общей биомассы накапливается меньше, чем при оптимальной интенсивности, так как рост заторможен (400 Вт и более) .

Показатели	Интенсивность света Вт/м2 ФАР
Показатели	250 - 300	130
Высота растений см	74 ± 2,730	154,6 ± 3,07
Интенсивность фотосинтеза мг СО2 /дм2*ч	56 ± 2,047	25,5 ±1,682
Число листьев	24,5 ± 0,5	25,6 ± 0,3
Плотность листьев, дм2	52,2 ± 1,365	121,6 ± 3,07
Диаметр корзинки, см	25,6 ± 0,443	14,8м ± 0,0512
Масса выполненных семянок на растение, г	86,3 ± 3,024	61,2 ± 1,365
Сухая биомасса растения, г	383,6 ± 6,731	565,3 ± 9,0706

Известно, что фотосинтез так же, как и рост, находится под гормональноингибиторным контролем [10], а хлоропласта являются местом синтеза не только некоторых фенолов, но также гиббереллинов и абсцизовой кислоты [11]. В свою очередь биосинтез этих веществ находится под прямым генетическим контролем, с одной стороны, и под воздействием внешних факторов (свет, соотношение элементов минерального питания) -с другой. Ранее нами было показано, что свет высоких (насыщающих) интенсивностей вызывает снижение содержания в растениях фитогормонов и накопление фравоноидных соединений и природных ингибиторов роста [5, 6]. При этом меняется скорость роста и продуктивность растений. При оптимальных интенсивностях света соотношение ингибиторов роста и фитогормонов хорошо сбалансировано - происходит оптимальная саморегуляция ростовых процессов. Длительное выращивание растений при высоких или низких интенсивностях света обеспечивает развитие компенсаторных механизмов, носящих адаптивный характер. Так, высокие интенсивности ФАР вызывают резкое торможение роста осевых органов, при этом включаются специфические иигибиторные механизмы, проявление которых на слабых интенсивностях не наблюдалось [5, 6, 12]. Таковы закономерности, полученные для растений, выращивание которых проводилось в светокультуре под белым светом по спектральной характеристике в области ФАР, близкой к солнечному спектру (ксеноновые лампы). Какова же ответная реакция растений на облучение их тремя основными областями ФАР - синей, красной или зеленой? Этот вопрос важен для светокультуры растений в связи с разработкой новых растениеводческих источников света, он представляет также и теоретический интерес, поскольку у всех высших растений имеются различные фоторецепторы, обеспечивающие поглощение энергии по всей области ФАР. В настоящее время для целей светокультуры выпускают различные типы МГЛ, которые, к сожалению, имеют не сплошной, а линейчатый спектр и недостаточное излучение (кроме лампы ДРОТ) в красной области спектра 660-680 нм. Тем не менее МГЛ являются наиболее перспективными, так как имеют значительно более высокий КПД (~30%) по сравнению с ксеноновыми лампами (КПД которых равен 12%).

Цветные люминисцентные лампы	Сырая биомасса					Общая сырая биомасса одного растения, г.		Хл (a+b), мг*дм-2		Поглощение СО2 мг*дм-2хч-1
	Листья	Стебли и черешки	Корни	Плоды
Синего света ЛС-150	31,66±2,38	29,33±1,706	10,02±0,682	133,3±4,095	204,33±3,341		8,078±0,31		24,5±1,36
Красного света ЛК-65	55,0±2,68	42,16±1,365	13,66±1,023	186,1±3,071	296,83±4,436		5,6±0,09		20,3±1,25
Зеленого света ЛЗ-150	39,66±3,07	31,66±1,706	8,3±0,375	99,33±6,143	178,95±8,156		5,01±0,06		18,2±1,45
ЛФР-150	48,0±1,36	40,66±1,365	18,0±0,682	216,0±5,119	322,6±4,778		5,78±0,2		22,4±1,01
Белого света ЛХБ-150	42,2±3,87	34,4±1,91	12,1±1,22	156,7±4,88	245,4±6,68		5,9±0,22		21,7±1,2

ФАР выравнена по числу падающих квантов и равна 19,7*1015 квант*см-2*с-1, возраст растений 80 дней.

Исследования по оценке действия света прямого спектрального состава на фотосинтез, рост и продуктивность растений мы проводили при длительном выращивании растений под источниками света, имеющими максимум излучения в красной, синей или зеленой области спектра. Световые кривые фотосинтеза получали на белом свету. Существует и другой метод оценки спектрального состава света при кратковременном его воздействии, например, при изучении спектров действия фотосинтеза, когда растения выращивают под белым светом, а фотосинтез определяют в разных участках спектра [13]. Однако этот второй метод оценки качества света мало пригоден для целей светокультуры, где у растений при длительной адаптации к определенному спектру наблюдаются изменения не только в скорости ассимиляции СО2 , но и в морфологическом и анатомическом строении растений [14] и в размерах урожая. В качестве примера такой адаптации можно привести результаты опытов с растениями перца. Лучшие результаты были получены под излучением фитоламп ЛФР-150, у которых к красному свету было добавлено 25% излучения в синей области (табл. 2). В этом варианте растения были правильно сформированы и имели наибольшую массу плодов. Хороший результат был получен также под излучением красных ламп с добавкой 14% синего света, где всегда наблюдался интенсивный рост площади листьев, плоды были хорошо сформированы и созревали на несколько дней раньше, чем под зеленым и синим светом. Наименьший урожай был получен под зеленым светом. Эти растения имели тонкие листья с низкой удельной и оптической плотностью, меньшим содержанием Хл (a+b) и худшими показателями интенсивности фотосинтеза в пересчете на. единицу площади листа. У растений на синем свету, наоборот, наблюдался заторможенный рост листьев и осевых органов. Удельная плотность листьев, содержание в них пигментов, интенсивность фотосинтеза имели при этом максимальные показатели, а площадь листьев была наименьшей. По массе плодов растения значительно уступали варианту на красном свету. На белом свету (лампы ЛХБ-150) растения имели лучшие показатели, чем под синим и зеленым, но худшие, чем под излучением красных ламп, так как у белых ламп излучение в красной области составляет всего 22-26%. На основании этих опытов можно сделать вывод о том, что перец сладкий (С. аппиит L.) относится к числу растений, для которых максимум излучения в источнике должен быть в красной области спектра. Следует отметить, что растения перца, выращенные при невысокой интенсивности ФАР, содержали на 50-60% больше Хл, чем при 200 Вт/м2 ФАР. Коэффициент поглощения ФАР у этих растений, выращенных под люминесцентными лампами, составлял 90-95%. Перец - очень пластичное растение с хорошей адаптацией к условиям выращивания и благодаря этому относительно теневыносливо. Однако наиболее высокие урожаи плодов в наших опытах были получены при уровнях облученности, равных примерно половине от максимальных солнечных 200- 250 Вт/м2 ФАР (было получено 360-380 г с растения). Возник вопрос, какова причина столь низкой фотосинтетической активности листьев растений, выращенных под зеленым светом? Почему у растений, длительно адаптированных к синему свету, наблюдалось самое высокое поглощение СО2 с единицы площади листа? Для ответа на эти вопросы была проведена серия опытов с левзеей сафлоровидной [14]. Левзея - дикорастущее растение, которое широко распространено в Сибири, Алтайском крае, встречается оно и в средней полосе нашей страны. Это растение интересно по двум показателям. Во-первых, в клетках столбчатой и губчатой паренхимы ее листьев содержится относительно небольшое число хлоропластов - 30-40 (у большинства культурных растений 100-150), что облегчает проведение анализа в расчете на хлоропласт. И во-вторых, как все дикорастущие растения, оно имеет более устойчивую наследственную основу по сравнению с культурными растениями. Перед нами стояла задача выяснить особенности адаптации фотосинтетического аппарата дикорастущего растения к качеству света. В этих опытах было показано, что на зеленом свету формируется вполне активный хлоропласт, он также интенсивно фиксирует СО2 , как и хлоропласт на синем свету [14]. Однако число клеток и хлоропластов в единице площади листа, сформированного на зеленом свету, было на 50-60% меньше, чем на синем свету, что, вероятно, и послужило причиной низкого фотосинтеза на единицу площади листа. На синем свету число клеток и хлоропластов в 1 см2 листа было значительно больше, чем на красном и зеленом свету, и наблюдался самый высокий фотосинтез на единицу площади листа [14]. Для листьев растений, выращенных на синем свету, был характерен и наиболее высокий уровень светового насыщения фотосинтеза [15], что, возможно, объясняется наличием наибольшего числа хлоропластов, приходящихся на единицу площади листа, а также особенностями внутренней организации хлоропласта и активацией под влиянием синего света биосинтеза ферментов фотосинтетического метаболизма углерода и реакций цепи переноса электронов [16]. На синем свету в листьях образуется значительно большее количество ингибиторов роста (абсцизовой кислоты, оксикоричных кислот и др.) по сравнению с растениями, выращенными на красном и тем более на зеленом свету [6], что приводит к формированию укороченных стеблей и более толстых листьев.

studfiles.net

Светокультура. Рациональный подход к выбору системы освещения |

Едва ли найдется в отечественной экономике отрасль, кроме тепличного растениеводства, которая на ближайшие 4-5 лет ставила бы перед собой столь «дерзкие» планы развития. До 2020 года предполагается построить около 1500 га новых теплиц, оснащенных самым современным оборудованием и использующих высокоэффективные технологии.

Одной из них является технология светокультуры, позволяющая даже в самые холодные и темные зимние месяцы заменить импортные тепличные овощи с сомнительным пищевым качеством свежей и богатой витаминами экологически чистой отечественной овощной продукцией. При, практически, круглогодичном выращивании, с использованием искусственного освещения в течение 6-7 месяцев в году, в отечественных теплицах уже достигнут и превзойден уровень урожайности основной тепличной культуры, огурца, – 100 кг/м2. Цена, которую за это приходится платить, связана с ростом энергозатрат с (60÷70)∙103 кВт∙ч на 1 га в традиционных теплицах с кратковременным электрическим освещением только в рассадных отделениях до (40÷70)∙105 кВт∙ч при светокультуре, то есть энергозатраты на 1 га возрастают примерно в 60÷100 раз (!). Доля затрат на электроэнергию в себестоимости тепличной продукции может достигать 30÷50%, определяя тем самым особый уровень требований к энергоэффективности используемого в теплицах светотехнического оборудования.

Средняя световая отдача современных тепличных светильников достигает 120÷130 люмен/Вт, в то время как у световых приборов для уличного освещения она находится на уровне 70÷75 лм/Вт, светильников для общественных зданий – ~ 50 лм/Вт, а для бытовых светильников – 20÷25 лм/Вт.

На рис. 1 показана динамика ввода в России за последние годы новых площадей современных теплиц с технологией светокультуры. По итогам 2015 года площадь теплиц со светокультурой достигла, по нашим оценкам, 360 га; хотелось бы надеяться, что прогноз на 2016 год будет реализован и каждый год в последующие 4-5 лет этот показатель будет только расти.

СВЕТОКУЛЬТУРА. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ

Рис. 1. Строительство овощных теплиц со светокультурой

В настоящее время в российских овощных и цветочных теплицах установлено и эксплуатируется порядка 850 тыс. светильников, это значит, что уже в этом году в осветительных установках теплиц заработает миллионный светильник и число световых точек в теплицах составит 20% от общего числа светильников с натриевыми лампами высокого давления (НЛВД), эксплуатируемых в осветительных установках России.

На рынке тепличного освещения в России и за рубежом в настоящее время монопольное положение занимают светильники с НЛВД с электромагнитными и электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭмПРА и ЭПРА). Несмотря на успехи светодиодной светотехники и наличие большого числа предложений по светодиодным фитооблучателям, последние в ближайшие годы не смогут оказать серьезную конкуренцию светильникам с НЛВД и будут иметь лишь крайне ограниченное применение.

Казалось бы, особенности и основные параметры тепличных НЛВД-светильников с ЭмПРА и ЭПРА известны, хорошо изучены и рассмотрены в [1]. Несмотря на это, с учетом нынешней экономической ситуации и намечаемого «взрывного» характера развития потребностей в тепличных светильниках, мы решили еще раз вернуться к этому вопросу.

Разумеется, одним из важнейших параметров конкурирующих типов светильников является их энергоэффективность.

Примечание: световая отдача светильников с зеркальными лампами типа «Рефлакс» на 5÷6 % выше.

СВЕТОКУЛЬТУРА. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ

Рис. 2. Энергоэффективность светильников мощностью 250÷1000 Вт

На рис. 2 представлены световые отдачи всего ряда тепличных светильников мощностью 250÷1000 Вт. Как видно, для самого массового тепличного светильника мощностью 600 Вт, независимо от типа используемого ПРА, энергоэффективность, практически, одинакова. Это означает, что при заданной установленной мощности осветительной установки, потребляемая мощность и достигаемый уровень освещенности у светильников с ЭмПРА и ЭПРА будут также одинаковы.

В случае применения ЭмПРА, независимо от напряжения питающей сети (220 или 380 В) отклонения от номинального значения в большую или меньшую сторону приводят к изменению электрических параметров лампы и светильника. Характерные зависимости приведены на рис. 3 для светильника 600Вт/380В.

СВЕТОКУЛЬТУРА. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ

Рис. 3. Зависимость электрических параметров светильника мощностью 600 Вт/380 В с ЭмПРА от напряжения сети

Достаточно сильный характер имеет зависимость мощности лампы от напряжения сети, при изменении последнего на ± 5%, соответственно, ~ на ± 11% изменится энергетическая мощность лампы. За уменьшением или увеличением мощности лампы следует вариация светового потока светильников и, следовательно, уровня освещенности в теплице. Эту закономерность поясняет рис. 4, на котором при выборе условного номинального уровня освещенности в теплице Е=15 клк показано, что понижение Uсети, например до 360В, приводит к снижению освещенности до 13,5 клк, равно как и увеличение Uсети до 400В – к росту освещенности до 16,5 клк. В принципе, имея возможность варьировать выходным напряжением питающего трансформатора, этим можно пользоваться для изменения, в ту или другую сторону, электрической мощности и уровня освещенности в теплице.

СВЕТОКУЛЬТУРА. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ

Рис. 4. Зависимость освещенности от напряжения сети для светильника с ЭмПРА 600Вт/380В

У тепличных светильников с ЭПРА мощность и световой поток, а, следовательно, и уровень освещенности в теплице при изменении Uсети в пределах ± 10% остаются, практически, стабильными. Преимуществом светильников с ЭПРА является возможность плавного регулирования мощности и светового потока в пределах – до 50% от номинала с помощью специального блока управления.

Компанией ООО «БЛ Групп» созданы системы группового регулирования мощности и светового потока так же для светильников с ЭмПРА, однако из-за высокой стоимости их применение в теплицах в настоящее время пока не рентабельно.

Важными параметрами для тепличного светильника, безусловно, являются срок службы и эксплуатационная надежность. На рис. 5 приведены полученные немецкими светотехниками данные по среднему сроку службы основных элементов светильников с ЭмПРА и ЭПРА.

СВЕТОКУЛЬТУРА. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ

Рис. 5. Срок службы основных элементов светильника с НЛВД.

Эти данные наглядно показывают, что срок службы светильников с ЭмПРА может в несколько раз превышать срок службы светильника с ЭПРА, поскольку ресурс лишь одного из критических элементов последнего, электролитического конденсатора, в среднем, рассчитан на 5÷6 лет эксплуатации и определяет срок службы всего ЭПРА. Многолетняя эксплуатация светильников с ЭмПРА показывает, что при замене, по необходимости, комплектующего конденсатора и ИЗУ срок службы изделия превышает 10-12 лет.

С учетом изложенного гарантийный срок на светильник с ЭмПРА выше, чем для светильника с ЭПРА.

Высокая надежность и большой срок службы для тепличных светильников особенно важны для нашей страны с учетом, как правило, значительной удаленности объектов производства и потребления друг от друга.

К числу основных характеристик тепличного светильника относится его вес. Вес светильника 600Вт/380В с ЭмПРА находится на уровне ~ 9 кг, а его аналоги с ЭПРА - ~ 4 кг. При удельной электрической мощности осветительной установки Р1=100 Вт/м2 средняя нагрузка на конструкции теплиц составит 1,5 кг/м2, а при Р1=200 Вт/м2 – 3,0 кг/м2, что в несколько раз меньше допустимых нагрузок для теплиц ООО «Агрисовгаз». Отметим также, что «Галад» (ОАО «КЭТЗ») выпускает тепличные светильники с независимым ЭмПРА; в этом случае вес светильника не превышает 1 кг.

Как показал практический опыт последнего времени, с учетом гигантских значений потребляемой электрической мощности в теплицах со светокультурой (до 2 МВт и даже более на 1 га) необходимо самым серьезным образом относиться к проблемам, связанным с возможными гармоническими искажениями в питающей сети.

Если светильник с ЭмПРА является линейной нагрузкой и не вызывает искажений синусоидальной формы питающего напряжения, то, напротив, светильник с ЭПРА может являться источником образования гармоник, поступающих в сеть. В этом случае важнейшей задачей является разработка практических мер по снижению гармонических искажений до уровней, допустимых по ГОСТ 13109-97.

Отметим также, что светильник с ЭПРА чувствителен к помехам из сети, в том числе, и из-за собственных гармонических искажений, напротив, светильник с ЭмПРА к ним, практически, не восприимчив.

Большие объемы потребления светильников при светокультуре требуют учета экологических качеств изделий. Укажем в связи с этим, что утилизация отработавших свой ресурс ЭмПРА (сдача для вторичного использования меди и электротехнической стали) способно вернуть потребителю 10÷15% первоначальных затрат на закупку светильников, в то время как утилизация ЭПРА, в принципе, убыточна.

К настоящему времени более десятка фирм предлагает тепличному сообществу светодиодные фитооблучатели, в большинстве случаев с излучением в синем и красном диапазонах ФАР. Изделия, как правило, отличаются достаточно высоким профессиональным уровнем качества и дизайна. В них используются, как правило, цветные светодиоды или модули лучших зарубежных производителей, облучатели обладают высокой энергоэффективностью. Впрочем, последнее требует пояснений.

Световая система величин, которая используется для измерения излучательных характеристик светильников с НЛВД, не применима для красно-синих светодиодных облучателей. В данном случае пользуются фотонной фотосинтезной системой величин, которая в России пока не стандартизована. Это, разумеется, не мешает экспериментам и пилотным проектам с использованием светодиодных облучателей, однако при выполнении договорных обязательств по поставкам изделий в производственную теплицу способно вызвать юридические сложности.

На практике, для перехода от световых величин к фотонным фотосинтезным пользуются соотношением

Е, лк = (72÷76)∙ЕФ, мкмоль/м2∙с

Это означает, что величина освещенности Е = 22 клк, часто используемая на практике у нас в стране при светокультуре огурца с НЛВД, эквивалентна, примерно, 300 мкмоль/м2∙с.

При использовании для этой цели красно-синих светодиодных облучателей необходимый уровень облученности может быть несколько ниже. Насколько – это должно быть установлено экспериментами. Для салатных культур такие данные получены. [2]

Светодиодный облучатель достаточно тяжелый световой прибор. Для сравниваемых мощностей его вес будет существенно превышать вес светильника с ЭмПРА. Количественные данные приведены на рис. 6.

СВЕТОКУЛЬТУРА. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ

Рис. 6. Вес тепличных светильников с НЛВД и светодиодами.

Но основной причиной, которая препятствует внедрению светодиодных облучателей в производственные теплицы, является, как известно, ценовой фактор. На рис.7 приведены средние оптовые стоимости светодиодных облучателей в зависимости от мощности в течение последних лет. Для сравнения приведены также средние цены 2016 г. светильников «Галад» с ЭмПРА и ЭПРА мощностью 600 Вт. Многократная разница в ценах на светодиодные и натриевые облучатели и выполненные технико-экономические оценки позволяет утверждать, что замена традиционных светильников с НЛВД на светодиодные в настоящее время нерентабельна.

СВЕТОКУЛЬТУРА. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ

Рис. 7. Цены на тепличные светодиодные облучатели в России.

Проведенный в статье анализ характеристик конкурирующих типов тепличных светильников подтверждает высокий «рейтинг» конструкций с ЭмПРА. Наиболее востребованным на рынке типопредставителем светильников этого вида является ЖСП30-600-013 на напряжение 380В. Ряд тепличных комбинатов успешно применили этот светильник в 2015 году, предполагается его использование в ряде новых или развивающихся тепличных комбинатах со светокультурой в 2016 году.

Завод-изготовитель тепличных светильников «Галад», ОАО «КЭТЗ», проводит модернизацию светильника ЖСП30-600-013. С 2016 года в его конструкции будет использоваться новый компенсирующий конденсатор со сроком службы до 10 лет и гарантией на 3 года.

В настоящее время разница в оптовых ценах светильника «Галад» мощностью 600 Вт с ЭПРА, в конструкции которого 100% радиоэлементов зарубежного происхождения и его аналога с ЭмПРА, в котором лишь один элемент, ИЗУ, импортный (ф. Vossloh Schwabe, Германия) составляет 40÷50% в пользу последнего.

С учетом изложенного, использование эффективного и надежного светильника с ЭмПРА на настоящем этапе развития теплиц со светокультурой следует считать рациональным подходом.

На рис. 8 приведены фото основных типов тепличных светильников «Галад», все типы светильников, кроме светильника мощностью 1000 Вт, выпускаются в модификациях с трубчатыми НЛВД или зеркальными НЛВД «Рефлакс».

СВЕТОКУЛЬТУРА. РАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ СИСТЕМЫ ОСВЕЩЕНИЯ

Рис. 8. Светильники Galad с ЭмПРА и ЭПРА.

Подробная информация содержится в каталоге «Тепличное освещение» Galad или на сайте www.galad.ru. На сайте размещен удобный для практики калькулятор ориентировочного расчета осветительной установки для разных типов теплиц и светильников.

Л.Б.Прикупец, зав. лаб. ООО «ВНИСИ им. С.И. Вавилова,вед. консультант ООО «БЛ ТРЕЙД», г. Москва

Литература.

Л.Б. Прикупец «Высокоэффективное светотехническое оборудование для теплиц. Теплицы России», №2, 2007, с. 45-47.
Л.Б. Прикупец, А.А. Емелин, И.Г. Тараканов. Светодиодные облучатели: из фитотрона в теплицу. «Теплицы России», №2, 2015, с. 52-56.

Поделиться ссылкой:

Похожее

rusteplica.ru

Сведения об образовательной организации

Полезные ссылки

Безопасность

Противодействие коррупции

Доступная среда

Карта сайта

НСОКО

/ Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений. Светокультура растений

Светокультура сельскохозяйственных растений

Источники облучения

Интенсивная светокультура растений – альтернативная система жизнеобеспечения человека

Практическая светокультура на «Фитопирамидах» в светонепроницаемых помещениях-термосах.

Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений.

Какие преимущества даёт светокультура. | Компания Alecon

Статьи по теме теплицы

Бизнес предложения на тему Сельское Хозяйство :

Светокультура как способ выявления потенциальной продуктивности растений

Светокультура. Рациональный подход к выбору системы освещения |

Поделиться ссылкой:

Похожее

Смотрите также