XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Энергия света используется растениями для фотосинтеза и регуляции своего развития (прорастание, цветение, плодоношение). При этом на регуляцию требуется в 100-1000 раз меньше энергии, чем на фотосинтез [1].

Лучистая энергия Солнца – один из важнейших факторов, обеспечивающих жизнедеятельность растений в естественных условиях. Приходящая на Землю её часть представляет собой энергию электромагнитных колебаний, охватывающую область длины волн от 300 до 400 нм. В свою очередь это интегральное солнечное излучение состоит из следующих трех основных диапазонов:

λ < 400 нм – ультрафиолетовая радиация (УФ);

λ = 400 – 750 – физиологическая радиация (ФР);

λ > 750 нм – инфракрасная радиация (ИК).

В жизнедеятельности растений наиболее важное значение имеет область физиологической радиации, активно влияющей на процессы их фотосинтеза,роста и формирования [2].

Инициативу перехода от понятия физиологически активной радиации к фотосинтетически активной не следует считать удачной, так как излучения в этом диапазоне длины волн определяют характер не только фотосинтеза, но и других процессов жизнедеятельности растений. На рисунке 1 представлены спектральные характеристики активности фотобиологических процессов растений.

Баланс приходящей к растениям физиологической радиации распределяется следующим образом: поглощается растениями ~80%, отражается ~10%, пропускается ~10%.

Из всей поглощенной части только около 5% идет на фотосинтез и другие физиологические процессы в растениях. Остальные (~ 95 %) расходуются на теплопередачу и транспирацию [1].

Влияние лучистого потока на жизнедеятельность растений можно характеризовать его субстратной и регулирующей ролями.

Рисунок 1 – Спектральные характеристики активности фотобиологических процессов растений

Рисунок 2 - Световая кривая фотосинтеза растений [1]

Субстратная роль физиологически активной радиации, поглощенной растениями, осуществляется в процессе фотосинтеза. В растениях в процессе фотосинтеза создаются сложные органические соединения и накапливается растительная масса урожая. При прочих равных условиях интенсивность фотосинтеза определяется как величиной облучённости, так и ее спектральным составом. Зависимость образования сухой биомассы растений в процессе фотосинтеза от интенсивности облучения потока характеризуется «световой» кривой, которая представлена на рисунке 2. Угол наклона кривой определяет эффективность использования лучистой энергии для фотосинтеза, уровень плато – максимальную для данных условий интенсивность фотосинтеза. Зависимость фотосинтеза от спектрального состава поглощенной растениями характеризуется кривой спектров действия фотосинтеза (рис.1). Как показывает эта кривая, максимальная величина спектральной интенсивности фотосинтеза соответствует излучению в области 650-700 нм.

Спектральные диапазоны света имеют следующие физиологические значения:

280-320 нм: оказывает вредное воздействие;

320-400 нм: регуляторная роль, необходимо несколько процентов;

400-500 нм («синий»): необходим для фотосинтеза и регуляции;

500-600 нм («зеленый»): полезен для фотосинтеза оптически плотных листьев, листьев нижних ярусов, густых посевов растений благодаря высокой проникающей способности;

600-700 нм («красный»): ярко выраженное действие на фотосинтез, развитие и регуляцию процессов;

700-750 нм («дальний красный»): ярко выраженное регуляторное действие, достаточно несколько процентов в общем спектре.

1200-1600 нм: поглощается внутри- и межклеточной водой, увеличивает скорость тепловых биохимических реакций.

Соотношение ИК и ФАР — 50-85% в зависимости от угла падения солнечных лучей и состояния атмосферы.

Рисунок 3 – Спектральный диапазон света

Интенсивность света влияет на скорость фотосинтеза. При низкой интенсивности света преобладают процессы дыхания растений (энергия для жизнедеятельности черпается за счет распада ранее синтезированных веществ). При повышении интенсивности света линейно увеличивается фотосинтез. При дальнейшем росте интенсивности фотосинтез увеличивается медленнее, потом не увеличивается, наступает «фаза насыщения». Если продолжать увеличивать интенсивность света фотосинтез начинает снижаться.

Интенсивный свет позволяет увеличить урожай, получать крупные плоды высокого качества, значительно снизить сроки вегетации. Диффузный свет более эффективен, чем прямой, т.к. лучше распределяется в ценозе. Интенсивность вертикального света резко падает после прохождения света через лист. Верхний лист получает 100% света, следующий за ним - 20%, третий лист - только 4%. Обеднение спектрального состава света еще более существенно. При искусственном освещении целесообразно располагать источники излучения так, чтобы излучение падало на ценозы под определенными углами.

Фоторегуляция. Процессы фоторегуляции запускаются фоторецепторами. Фитохром — рецептор красного света, существует в двух состояниях — активном Ф730 и неактивном Ф660. Соотношение Ф730/Ф660 на дневном свете 1,05-1,25, в сумерках 0,65-1,15, в тени растений 0,05-1,15 .

Каротин и ксантофилл — рецептор синего света.

Для фоторегуляции требуется весьма незначительное количество энергии синих и красных лучей.

Световое питание растений (субстратная роль света). Интенсивность субстратного света на 1-2 порядка выше, чем фоторегуляторного. Большое значение имеет свет зеленого (500-600 нм) диапазона.

Влияние ИК радиации (ИКР). В пределах 20-50% от общего излучения ИКР не влияет существенно на урожай, но сильно изменяет сроки вегетации.

50-60% ИКР повышают выход урожая при минимальных сроках вегетации. Превышение доли ИКР выше 60% снижает урожайность, а снижение ниже 20% сильно удлиняет сроки вегетации. С ростом уровня облученности ФАР рекомендуется снижать долю ИКР [3].

Спектральный состав ИКР. Ближнее ИК излучение (750-1200нм) слабо поглощается водой и тканями листа. Излучение 1200-1600 нм сильно поглощается водой, а следовательно и тканями листа.

Измерение светового потока. Большим недостатком люксов является их привязка к зеленому диапазону (550 нм) в меньшим физиологическим значением. Необходимы поправочные коэффициенты [3].

Рисунок 6 - Относительная спектральная эффективность фотосинтеза зеленого листа

Растения, как живой организм, приспосабливаются к условиям среды, и их оптические свойства могут со временем меняться.

В условиях светокультуры растения могут расти как в направленном, так и в диффузном световом потоке. Диффузное излучение называют объемным (например, свет при равномерном облачном небе или свет через матовое стекло). Для получения диффузного света используют переизлучающую или рассеивающую поверхность [2].

У растений чувствительны к свету не только листья, но и стебли. Листья верхних ярусов получают прямой свет, а листья внутри ценоза находятся частично или полностью в тени и получают менее интенсивное диффузное облучение с измененным спектральным составом (меньше синих и красных лучей и больше зеленых).

Более высокая эффективность рассеянного света по сравнению с направленным требует устанавливать в теплицах с искусственным освещением специальных рассеивающих отражателей и экраном для распределения света по всему ценозу. В парниках для этого используют диффузные пленки со светорассеивающими добавками. Люминофоры также служат этой цели.

Таким образом, физиологически активная радиация, попадая на растения и вызывая изменения в ходе процессов жизнедеятельности, является мощным фактором их фотосинтетической продуктивности, роста и развития.

Литература

Рождественский В.И., Клешнин А.Ф. Управляемое культивирование растений в искусственной среде. – М.: Наука, 1980. – 190 с..

Выращивание растений при искусственном облучении (светокукльтура) [Электронный ресурс]. – URL: https://studfiles.net/preview/5615097/page:8/ (дата обращения: 04.12.18)

Воскресенская Н.П. Фотосинтез и спектральный состав света. М., "Н­аука", 1965.

Автоматизация и электрификация защищенного грунта / под редакцией Л.Г. Прищепа. - М.: Колос, 1976. — 300 с

Код для цитирования: Скопировать