Влияние освещенности на урожай

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 19.09.2024

В пособии изложены общие вопросы биологии овощных культур, приведены современные данные о состоянии отрасли в стране и за рубежом. В книге в полном объеме раскрыты вопросы о пищевом и лекарственном значении овощей. Подробно изложены биологические основы овощеводства: классификация овощных растений, центры их происхождения, особенности роста и развития овощных растений, зависящие от факторов внешней среды (тепло, свет, влага, питание и т. д.), которые обусловливают их жизнедеятельность.

Книга: Биологические основы получения высоких урожаев овощных культур

8.2. Световой режим

Солнечный свет является важным фактором в жизни растений. За счет солнечной энергии, углекислого газа, воды, элементов питания с помощью хлорофилла растения создают и накапливают органическое вещество (фотосинтез), осуществляют транспирацию, синтез витаминов, ферментов, хлорофилла и других веществ, в результате чего обеспечивают формирование урожая.

Световая энергия солнца поступает в виде прямой и рассеянной радиации. Прямая радиация попадает на растения в виде параллельных лучей главным образом на наружные листья и в часы полуденного солнцестояния и имеет меньшее значение для растений. Наибольшее значение в жизни растений имеет рассеянная радиация, образующаяся в результате преломления солнечных лучей от взвешенных в атмосфере паров воды, кристаллов льда, пыли и т. д.

Овощные растения произошли из разных районов земного шара, поэтому у них и различное отношение к спектральному составу, интенсивности освещения и продолжительности дня и ночи (фотопериодизм).

Лучистая энергия солнца состоит из видимых лучей — 44 % и невидимых лучей: инфракрасных — 54 % и ультрафиолетовых с длиной волны 280–380 нм — 2 %.

Внутри солнечного излучения можно выделить три диапазона, влияющие на продуктивность и морфогенез растений (возникновение и развитие органов, частей организма): длина волны до 380 нм — ультрафиолетовая (УФ), 380–750 нм — физиологическая или фотосинтетическая радиация (ФАР), 750–4000 нм — инфракрасная ближняя радиация (ИК). В среднем растения на фотосинтез используют 1–1,5 % радиации, теоретически возможно использование до 10 %.

Качество света. Инфракрасные лучи с длиной волны 750–4000 нм в пределах оптимальных температур обеспечивают в растениях нормальное течение всех физиологических процессов, в частности повышают энергию фото синтеза, влияют на морфогенез и фотопериодизм.

Видимые красные (720–620 нм) и оранжевые (620–595 нм) лучи — основной вид энергии, необходимой для фотосинтеза и морфогенеза (формирование органов) зеленых растений, их роста, цветения и плодоношения. Желтые (595–565 нм) и зеленые (565–490 нм) лучи мало влияют на физиологические процессы. Растения в этих лучах растут и развиваются медленно.

Синие (490–440 нм) лучи и фиолетовые (440–380 нм) обусловливают нормальный обмен веществ, стимулируют формирование побегов и листьев. Растения растут и развиваются нормально только при наличии всех видимых лучей. Ультрафиолетовые лучи — невидимые. Наиболее длинные из них (380–315 нм) задерживают вытягивание стебля, повышают содержание в овощах витаминов. В защищенном грунте эти лучи частично задерживаются стеклом. Витамина С в тепличных овощах на 20–30 % меньше, чем в овощах открытого грунта. Рассада, выращенная под стеклом, должна пройти световое закаливание в течение 10–15 дней перед высадкой ее в открытый грунт. Иначе она после высадки пострадает от ультрафиолетовой радиации. Ожоги листьев приводят к задержке роста, а иногда и к полной гибели растений. Растения высокогорья приспособились переносить больше ультрафиолетовых излучений, это сказывается на их карликовости. Однако эти же растения будут расти хорошо, а в некоторых случаях даже лучше без ультрафиолетового света.

Интенсивность солнечного света в течение суток меняется, достигая максимума около 12 часов дня, а минимума в утренние и вечерние часы. На интенсивность солнечного света влияет облачность и чистота воздуха (содержание пыли, дыма, водяных паров). Интенсивность освещения в насыщенной дымом атмосфере снижается более чем в 2 раза. Поэтому максимум солнечной радиации в промышленных центрах наступает не в полдень, когда в воздухе уже успевает накопиться больше пыли, а несколько раньше — к 11–12 часам, тогда как в сельской местности намного позже. Утренние и вечерние часы беднее ультрафиолетовыми и сине фиолетовыми лучами, чем полдень. Качественный состав света изменяется в зависимости от времени года и облачности. Содержание ультрафиолетовых лучей зимой в 20 раз меньше, чем летом, сине фиолетовых — в 5 раз. Все лучи этой части спектра летом имеют почти одинаковую интенсивность.

Интенсивность света. В северных районах и средней части России интенсивность и продолжительность солнечной радиации в зимние месяцы (ноябрь — декабрь — январь) снижается до такой степени, что успешное выращивание большинства овощных культур в защищенном грунте возможно и экономически целесообразно только при дополнительном искусственном освещении.

Радиация с длиной волны 380–750 нм (ФАР) является источником энергии фотосинтеза. Годовой приход ФАР зависит от географической широты территории. В связи с сезонными колебаниями длины дня и прихода ФАР в средних и высоких широтах световые условия не обеспечивают в осенне-зимние сроки возможности получения урожая светотребовательных культур (томат, огурец, редис и листовые выращиваемые из семян).

Снижение или увеличение интенсивности солнечной радиации находятся в зависимости от высоты солнца над горизонтом, а также от типа и степени облачности. Чем выше солнце над горизонтом, тем больше падает прямого солнечного света. До восхода солнца растения используют только рассеянную солнечную радиацию. С увеличением высоты солнца рассеянная солнечная радиация быстро уменьшается, а количество прямой солнечной радиации увеличивается. Соотношение между прямой и рассеянной солнечной радиацией находится в зависимости не только от высоты солнца над горизонтом, но и от состояния погоды, точнее — от типа и степени облачности. Мощные облака снижают интенсивность до 80 %.

Для большинства овощных растений оптимальная освещенность — 20000–40000 лк. Повышение яркости света свыше 70000 лк часто подавляет фотосинтез и рост растений, вызывает хлороз и ожоги тканей.

Уровень освещенности влияет на скорость развития растений. Например, у томата, огурца, перца с улучшением освещенности наблюдается ускорение начала цветения, у томата — сроков заложения первой кисти и уменьшения числа листьев, расположенных до нее, более быстрое формирование плодов.

Реакция растений на недостаточную освещенность проявляется в многократном снижении темпов накопления биомассы, задержке развития растений, нарушении формирования репродуктивных органов и т. п.

При слабой освещенности в общей биомассе возрастает удельный вес стеблей, уменьшается размер листьев и плодов. В анатомическом строении листа наблюдается уменьшение количества устьиц на единицу поверхности. Низкая освещенность способствует накоплению нитратов и снижению содержания витамина С. Зимой в теплицах при слабой освещенности (нарушение сроков посадки, длительная пасмурная погода, грязная кровля) у растений томата часто отмечается остановка развития первой кисти, опадание цветков. Это связано с недостаточным обеспечением репродуктивных органов продуктами фотосинтеза.

Требовательность к интенсивности освещенности у овощных культур различна и может меняться в зависимости от фазы роста и развития, способов выращивания.

Особенно высокую требовательность к свету растения предъявляют в начальные фазы развития, при появлении всходов, когда запасы питательных веществ семени бывают израсходованы и дальнейшее развитие растений идет за счет продуктов ассимиляции. Недостаток освещения в этот период создается за счет загущенных посевов при нарушении норм высева семян, обилия сорняков, загрязнения стекла и пленки в защищенном грунте. Это ведет к вытягиванию всходов, ослаблению растений, повреждению вредителями и грибковыми заболеваниями. В следующие фазы роста и развития требования овощных растений к интенсивности освещения могут меняться.

По требовательности к интенсивности света, обеспечивающей оптимальные условия для фотосинтеза и органогенеза, овощные культуры ориентировочно делятся на три группы.

1. Наиболее требовательные. Это растения, выращиваемые для получения плодов: арбуз, дыня, тыква, огурец, томат, перец, баклажан, фасоль, горох, кукуруза, бамия, капуста кочанная.

2. Среднетребовательные: капуста цветная, кольраби, лук репчатый, чеснок, свекла, морковь, редька, салат, картофель.

3. Малотребовательные: укроп, сельдерей, петрушка, шпинат, щавель, ревень, лук порей, спаржа, многолетний лук.

При ограниченном освещении в сочетании с низкой температурой (+4…+8 °C) можно временно хранить рассаду томата, цветной капусты, сельдерея (метод консервации).

Наименее требовательные к свету выгоночные культуры, формирование продуктовых органов у которых идет за счет запасных питательных веществ луковиц, корнеплодов, корневищ: лук, чеснок, петрушка, сельдерей, свекла, мангольд, щавель, ревень, которые выращивают для получения свежей листовой массы в теплицах в периоды недостаточной освещенности. Листья салатного цикория и ревеня при выгонке из корнеплодов и корневищ выращивают при полном отсутствии света, что улучшает вкусовые качества. Без света или при ограниченной освещенности доращивают цветную капусту, формирование головки которой идет за счет питательных веществ, отложенных в листьях и стебле, у лука порея утолщение ложной белой луковицы тоже происходит за счет оттока питательных веществ из листьев.

В защищенном грунте в период недостаточной естественной освещенности применяется электродосвечивание рассады для зимне-весеннего выращивания светолюбивых культур, и электросветокультура: выращивание скороспелых листовых (салат, укроп, петрушка, базилик) при полном искусственном освещении.

Фотопериодизм. Большое значение для овощных растений имеет продолжительность освещения. В зависимости от продолжительности дня происходит ускорение или замедление развития растений. Это явление называется фотопериодизмом. Реакция растений на длину дня связана с их географическим происхождением.

Для перехода этих растений к цветению в дополнение к продолжительности длины светового дня им необходим период яровизации низкой температурой. Искусственное охлаждение в специальных камерах вызывает цветение растений в первый год, при условии, что за этой обработкой следует длинный день.

Растения короткого дня произошли из тропиков и субтропиков. Для образования репродуктивных органов (цветков, плодов) им необходима продолжительность светового дня 10–12 часов. К этой группе относятся плодовые овощные: огурец, дыня, томат, перец, баклажан, бамия, фасоль, кукуруза; клубнеплодные: картофель, батат.

Растениям короткого дня фактор темноты необходим в начале их жизни, после чего они успешно могут развиваться в условиях длинного дня. Поэтому при выращивании томата, огурца и др. плодовых культур в зимнее весенний период в защищенном грунте режим досвечивания рассады не круглосуточный и составляет 10–12 часов.

Некоторые овощные культуры не реагируют на изменение длины дня и являются с точки зрения фотопериодизма нейтральными растениями. К ним относятся арбуз, спаржа, некоторые виды и сорта томата, огурца, картофеля.

Фотопериодизмом можно управлять, используя достижения селекции и различный спектральный состав света в разное время суток. Например, образование клубней у картофеля — процесс, для которого необходим короткий день. В современных линиях картофеля эта потребность в коротком дне устранена путем селекции. В умеренном климате с длиной дня более 12 часов важно, чтобы образование клубней происходило и в период длинного дня. У салата и шпината (растений длинного дня) есть линии, которые более или менее нейтральны к свету. То же самое можно сказать о томате, некоторых сортах редиса и т. д. Кратковременное освещение некоторых растений, чувствительных к фотопериоду во время длинной ночи, т. е. прерывание периода темноты с использованием красного света, позволяет превратить короткий день в длинный. При дневном досвечивании отдельных растений эффект длинного дня зависит от синего и инфракрасного излучения, а красный и зеленый спектры дают эффект короткого дня.

Для улучшения светового режима необходимо не допускать загущения и затенения. Для этого следует:

Световой режим — совокупность процессов поглощения и превращения растениями световой энергии.

Относится к космическим факторам жизни растений.

Роль света в жизни растений

Зеленые растения — единственные живые организмы на Земле, способные превращать световую энергию солнечного света в химическую энергию органических соединений. Этот процесс происходит благодаря хлорофиллу, содержащемуся в листьях (и других зеленых частях) растений и называется фотосинтезом.

К.А. Тимирязев установил: фотосинтез — это преимущественно процесс связывания и сохранения солнечной энергии. Согласно расчетным данным, в 1 кг сухого органического вещества должно аккумулироваться 16752 кДж энергии. Учитывая объем земной биомассы растений, количество связанной и запасенной энергии в виде органического вещества огромно.

Процесс фотосинтеза представляет из себя взаимодействие углекислого газа и воды под действием молекулы хлорофилла и квантов света с образованием молекул глюкозы и кислорода. Химическое уравнение реакции можно представить следующим образом:

Участвуя в других биохимических реакциях, глюкоза трансформируется в более сложные сахара (крахмал, целлюлозу, лигнин и др.) и органические соединения. Скорость процесса равна образованию 1 грамма органического вещества на суммарной поверхности листьев 1 м 2 за 1 ч. При этом количество воздуха, содержащего углекислый газ и пропущенного через устьица листьев, должно составить 2 м 2 . Для оценки: на 1 м 2 посевов озимой пшеницы площадь листовой поверхности составляет 17-20 м 2 , кукурузы, свеклы, картофеля — 3-8; клевера и люцерны — 24-37 м 2 .

Свет оказывает значительное влияние на качество продукции. В сене и зерне при недостатке света уменьшается количество белка, у сахарной свеклы снижается сахаристость, у картофеля — крахмалистость, у подсолнечника — содержание масла.

Недостаток света приводит к появлению бледной окраски листьев и их слабому развитию, утоньшению и вытягиванию стеблей, цветение и плодоношение задерживаются или не происходят. У зерновых культур уменьшается кустистость, листья становятся узкими, узел кущения закладывается возле самой поверхности, вытягиваются стебли, ослабевают междоузлия, зерно не вызревает или получается низкого качества, возможно полегание растений.

Фотопериодизм — свойство растений реагировать на продолжительность освещения в течение дня. Фотопериодические реакция определяют наступление фаз роста и развития. В зависимости от продолжительности освещения растения подразделяются на длинного дня с периодом освещения не менее 12ч, короткого — менее 12 ч, и нейтрального дня.

К растениям короткого дня относятся растения, происходящие из субтропиков и тропиков: кукуруза, рис, просо, соя, фасоль, хлопчатник и др. При удлинении светового дня происходит удлинение вегетационного периода.

Солнечная энергия оказывает влияние на плодородие почвы. Экспериментально установлено: на облучаемой солнечным светом почве урожайность ячменя выше, чем находившейся в темноте, что связано с большим количеством элементов питания в верхних слоях.

Под действием солнечного света изменяется активность микробиологических, биологических, ферментных, нитрифицирующих процессов, усиливается окисление гумуса. Солнечный свет является факторов плодородия почвы, однако научных данных в этом направлении недостаточно.

24.05.2018

Среди множества факторов, оказывающих влияние на жизнедеятельность всех растительных организмов и сельскохозяйственных культур в частности, одним из первоочередных по значимости является солнечная энергия. Питательные вещества, достаточное количество воздуха и влаги не могут в полной мере обеспечить гармоничное развитие растений. Именно фотоны, частицы света, являются энергетическим источником осуществления фотосинтеза – наиважнейшего процесса, происходящего в растениях, в результате которого из углекислого газа, воды и минеральных веществ образуются органические соединения.

Кроме того, растения используют солнечный свет как источник информации. Так, соотношение продолжительности ночного и дневного периода служит для большинства растительных организмов ориентиром в этапах их развития (начало вегетации, цветения, периода покоя и т. п.). Такая реакция растений на длину дня и ночи, известная как фотопериодизм, позволяет культурам выбирать наиболее оптимальное время для осуществления каждой фазы своей жизнедеятельности. Правильно используя в агротехнологиях эту особенность, можно регулировать начало некоторых стадий (например, цветения) с целью их ускорения или отсрочки, в зависимости от требуемых обстоятельств.

Недостаточность или отсутствие освещения очень пагубно сказываются на развитии культур по причине деактивации процесса фотосинтеза и, как следствие, ограниченного образования органических веществ. В результате растения вырастают слабыми, и у них наблюдаются различные дефекты роста и развития: вытянутость побегов и междоузлий, бледная окраска зеленой массы, уменьшение размеров листьев, скудность цветообразования или полное отсутствие цветения, пожелтение и опадание нижних листьев и т. д. Хронический дефицит солнечной энергии приводит к гибели растений.

Культуры могут испытывать недостаток света при короткой продолжительности светового дня, а также при недостаточной интенсивности самого освещения. По требовательности к освещению растения делятся на светолюбивые (гелиофиты), теневыносливые (сциогелиофиты) и тенелюбивые (сциофиты). К первой группе относятся культуры, которые хорошо растут и развиваются под действием прямых солнечных лучей или яркого рассеянного света, а на уменьшение продолжительности и интенсивности освещения реагируют негативно. Как правило, это растения южных регионов, где солнечная активность позволяет им получать не менее 10 – 12 тысяч люксов за год. В эту категорию входят большинство огородных культур и плодоносящих деревьев, цитрусовые, пальмы, суккуленты, бугенвиллия, жасмин, гибискус, гардения, пассифлора, розы и пр.

Часть растений, приспособленных как к рассеянному освещению, так и к периодическому или частичному затенению, образуют группу теневыносливых культур. Их потребность в свете находится в диапазоне от 5 тыс. до 10 тыс. люксов. К теневыносливым относятся многие плодово-ягодные кустарники, а также фенхель, хрен, эстрагон, мята перечная, розмарин, базилик и др. Тенелюбивые – это нетребовательные к освещению растения, предпочитающие затененные участки и болезненно реагирующие на прямые солнечные лучи. Необходимое количество солнечного света для них ограничивается 2,5 тыс. – 4 тыс. люксов в год. К представителям тенелюбивых культур причисляют лимонник, актинидию коломикту, некоторые сорта земляники садовой, салата, мяты, ландыш, барвинок и др.

Не только интенсивность светового потока оказывает огромное влияние на жизнедеятельность растений. Также культуры очень чувствительны и к продолжительности освещения. В зависимости от этой реакции различают растения длинного дня, для которых требуется световой период не менее 12 – 18 часов в сутки (пшеница, рожь, лен, ячмень, овес, чечевица, горох, мак, свекла и др.) и растения короткого дня, довольствующиеся солнечным светом в течение 8 – 12 часов (кукуруза, просо, соя, фасоль, табак, хлопчатник и пр.). С помощью укорачивания или удлинения осветительного периода можно регулировать начало и продолжительность фаз жизнедеятельности (вегетацию, цветение, плодоношение) растений. У культур, входящих в группу растений короткого дня, сокращение осветительного периода вызывает ускорение перехода от вегетативной стадии развития к репродуктивной. Обратная реакция наблюдается у растений длинного дня: более продолжительный осветительный период стимулирует более раннее вступление в фазу цветения.

Путем длительных экспериментов и наблюдений ученым удалось установить, что определенные диапазоны солнечного спектра по-разному воздействуют на растения, а с помощью правильно подобранного спектрального освещения можно стимулировать увеличение урожайности культур на 30%. Для определения качества света, получаемого растениями, необходимо знать и его спектральный состав, т. е. соотношение лучей с разной длиной волны.

Наименьшую роль в жизнедеятельности культур играют лучи желтого (длина волн 490 – 565 нм) и зеленого (длина волн 565 – 600 нм) спектра, что учитывается при выращивании урожаев в условиях искусственной освещенности (в теплицах, оранжереях, зимних садах и пр.).

2019-05-13

Красный, белый, голубой синий? Выбирай себе любой!

Как растения реагируют на разный спектр света и какое освещение действительно улучшает фотосинтез и плодоношение растений. В этой статье мы разберем ключевые особенности влияния света на растения.

Фотосинтез и свет

Солнечный свет необходим для растений на любой стадии развития. Основными характеристиками света являются его спектральный состав, интенсивность, суточная и сезонная динамика. Недостаток света – сокращение продолжительности светового дня и малая интенсивность освещения – приводят к гибели растения. Свет – единственный источник энергии, обеспечивающий функции и потребности зеленого организма. Для восполнения недостатка солнечного света применяется досветка растений. Наиболее распространенные инструменты – лампы ДНаТ и светодиодные светильники.

Фотосинтез – основа жизни растения. Энергия квантов света преобразует получаемые растением неорганические вещества в органические.

Свет разных длин волн по-разному влияет на интенсивность фотосинтеза. Первые исследования на эту тему были проведены еще в 1836 г. В. Добени. Физик пришел к выводу, что интенсивность фотосинтеза пропорциональна яркости света. Наиболее яркими лучами в то время считались желтые. Выдающийся российский ботаник и физиолог растений К.А. Тимирязев в 1871–1875 гг. установил, что зеленые растения наиболее интенсивно поглощают лучи красной и синей части солнечного спектра, а не желтые, как это считалось ранее. Поглощая красную и синюю часть спектра, хлорофилл отражает зеленые лучи, из-за чего и кажется зеленым. На основании этих данных немецкий физиолог растений Т. В. Энгельман в 1883 г. разработал бактериальный метод изучения ассимиляции углекислого газа растениями, который подтвердил, что разложение углекислого газа, (а, значит, и выделение кислорода) у зеленых растений наблюдается в дополнительных к основной окраске (т.е. зеленой) лучах – красных и синих. Данные, полученные на современном оборудовании, полностью подтверждают результаты, полученные Энгельманом более 130 лет назад.

Рис.1 – Зависимость интенсивности фотосинтеза зеленых растений от длины световой волны

Максимальная интенсивность фотосинтеза – под красным светом, но одного красного спектра недостаточно для гармоничного развития растения. Исследования показывают, что салат, выращенный под красным светом, имеет большую зеленую массу, чем салат, выращенный под комбинированным красно-синим освещением, но в его листьях значительно меньше хлорофилла, полифенолов и антиоксидантов.

ФАР и ее производные

Фотосинтетически активная радиация (ФАР, PPF - Photosynthetic Photon Flux) – та часть доходящей до растений солнечной радиации, которая используется ими для фотосинтеза. Измеряется в мкмоль/Дж. ФАР можно выражать в единицах энергии (интенсивность излучения, Ватт/м 2 ).

Фотосинтетический фотонный поток (PPFD - Photosynthetic Photon Flux Density) - суммарное число фотонов, излучаемых в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм (мкмоль/с).

Значение ФАР не учитывает разницу между разными длинами волн в диапазоне 400 - 700 нм. Кроме того, используется приближение, что волны за пределами этого диапазона имеют нулевую фотосинтетическую активность.

Если известен точный спектр излучения, можно оценить усваиваемый растением поток фотонов (YPF - Yield Photon Flux), представляющий собой ФАР, взвешенную в соответствии с эффективностью фотосинтеза по каждой длине волны. YPF всегда несколько меньше PPF, но позволяет более адекватно оценивать энергетическую эффективность источника света.

Для практических целей достаточно учесть, что зависимость почти линейна и PPF для 3000 К больше YPF примерно на 10%, а для 5000 К - на 15%. Что означает примерно на 5% большую энергетическую ценность для растения теплого света по сравнению с холодным при равной освещенности в люксах.

Эффективность белых светодиодов

Выделенный и очищенный хлорофилл invitro поглощает только красный и синий свет. В живой же клетке пигменты поглощают свет во всем диапазоне 400–700 нм и передают его энергию хлорофиллу.

Несколько фактов о белых светодиодах:

1. В спектре всех белых светодиодов, даже с низкой цветовой температурой и с максимальной цветопередачей, как и у натриевых ламп, очень мало дальнего красного (рис. 2).

Рис. 2. Спектр белого светодиодного (LED 4000K Ra = 90) и натриевого света (HPS)

в сравнении со спектральными функциями восприимчивости растения к синему (B),

красному (Ar) и дальнему красному свету (Afr)

Рис. 3. Фототропизм - разворот листьев и цветов, вытягивание стеблей

на синюю компоненту белого света

В одном ватте потока белого светодиодного света 2700К фитоактивной синей компоненты вдвое больше, чем в одном ватте натриевого света. Причем доля фитоактивного синего в белом свете растет пропорционально цветовой температуре. Если разместить рядом с растением лампу с интенсивным холодным светом – оно развернет соцветия в сторону лампы.

3. Энергетическая ценность света определяется цветовой температурой и цветопередачей и с точностью 5% может быть определена по формуле:

[эфф.мкмоль/Дж],
где η – светоотдача [Лм/Вт],

Ra – индекс цветопередачи,

CCT – коррелированная цветовая температура [К]

Эта формула может быть использована для расчета освещенности, чтобы при заданной цветопередаче и цветовой температуре обеспечить требуемое значение YPF , например, 300 эфф.мкмоль/с/м 2 :

Читайте также: