/
Автор: Лисовский Г.М. Тихомиров А.А. Шарупич В.П.
Теги: физиология растений освещение светотехника ботаника растения фауна растениеводство учебное пособие
ISBN: 5-7692-0286-6
Год: 2000
Текст
УДК 581.14.035.4:628.98
ББК 28.57 + 40.1 + 31.294-5
Т46
Светокультура растений: биофизические и биотехнологиче-
ские основы. Учеб, пособие. / Тихомиров А. А., Шарупич В. П., Ли-
совский Г. М. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Россий-
ской Академии наук, 2000. - 213 с.
ISBN 5-7692-0286-6
Изложены биофизические, физиологические, светотехнические и техноло-
гические основы светокультуры растений. Сделана попытка комплексного
рассмотрения вопросов, от которых зависит цельное восприятие предмета и
успешное практическое использование светокультуры. Книга предназначена
для студентов - будущих специалистов тепличных хозяйств, как в области
растениеводства, так и инженерного профиля. Пособие может оказаться по-
лезным физиологам растений, фотобиологам, светотехникам, занимающимся
вопросами светокультуры растений, руководителям предприятий, где исполь-
зуется промышленная светокультура растений, а также широкому кругу чита-
телей, интересующихся выращиванием растений в контролируемых условиях
среды.
Пособие подготовлено в рамках проекта № 162 «Исследовательская ка-
федра биофизики» Федеральной целевой программы «Интеграция высшего
образования и фундаментальной науки».
Рецензенты:
Кафедра энергообеспечения производств в АПК
Санкт-Петербургского государственного агроуниверситета
(зав. кафедрой - доктор технических наук проф. В. Н. Карпов);
доктор сельскохозяйственных наук акад. РАСХН, проф. И. А. Сурин
(Научно-исследовательский институт сельского хозяйства СО РАСХН).
Утверждено к печати
Институтом биофизики СО РАИ
© А. А Тихомиров. В. П. Шарупич, Г. М. Лисовский. 2000
ISBN 5- 7642 0286-6
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ................................................ 6
ГЛАВА ]. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ
СВЕТОКУЛЬТУРЫ РАСТЕНИЙ.................................9
Контрольные вопросы к главе I .........................11
ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
И ЕГО ДЕЙСТВИЕ НА РАСТЕНИЕ............................12
2.1. Диапазоны естественного оптического излучения
и его действие на растения.......................12
2.2. Роль интенсивности света в светокультуре растений.12
2.3. Оптические свойства растений и фитоценозов.
Формирование радиационного режима
растительного покрова..........................23
2.4. Искусственный свет и фоторегуляторные эффекты.....30
2.5. Методы оценки эффективности излучения
в светокультуре растений....................... 34
2.6. Спектральная эффективность действия
излучения ламп на растения........................41
Контрольные вопросы к главе 2.................... 48
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В
УСЛОВИЯХ СВЕТОКУЛЬТУРЫ.........................49
3.1. Физические единицы измерения лучистой энергии.49
3.2. Эффективные единицы измерения лучистого потока,
используемые в условиях светокультуры............53
3.3. Приборы для измерения оптического излучения
в условиях светокультуры....................... 55
3.4. Особенности радиационных измерений
в светокультуре..................................61
Контрольные вопросы к главе 3......................65
ГЛАВА 4. ИСТОЧНИКИ СВЕТА И ВОЗМОЖНОСТИ
ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В СВЕТОКУЛЬТУРЕ РАСТЕНИЙ.......................67
4.1. Лампы накаливания.............................67
4.2. Газоразрядные лампы...........................69
4.2.1. Газоразрядные лампы низкого давления....69
4.2.2. Газоразрядные лампы высокого давления...72
4.4. Металлогалогенные растениеводческие лампы.....75
4.5. Лампы специального назначения.................78
Контрольные вопросы к главе 4.................... 83
3
ГЛАВА 5 СВЕТОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
И КУЛЬТИВАЦИОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ
ДЛЯ СВЕТОКУЛЬТУРЫ РАСТЕНИЙ............... 84
5.1. Облучатели................................84
5.2. Установки для облучения растений..........89
5.3. Культивационные соор>'жения
для выращивания растений.......................96
Контрольные вопросы к главе 5.................108
ГЛАВА 6 ВЫБОР РАДИАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ
ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ РАСТЕНИЙ
В УСЛОВИЯХ СВЕТОКУЛЬТУРЫ..................110
6.1. Специфика видовых реакций растений
на спектр излучения и уровень облучённости.....110
6.2. Реакция растений на длину светового дня
(фотопериодизм)................................114
6.3. Основные требования к радиационному режиму
при выращивании рассады растений...............119
6.4. Требования к радиационному режиму
при выращивании растений на продукцию
при полном искусственном облучении........121
6.5. Требования к радиационному режиму
при выращивании растений на урожай
при совместном искусственном
и естественном облучении......................123
6.6. Требования к радиационному режиму
при выращивании растений в селекционных целях.124
Контрольные вопросы к главе 6.................130
ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ВЫРАЩИВАНИЯ
РАСТЕНИЙ В ИСКУССТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ.............131
7 1 Почвенная культура растений............ 131
7.2. Гидропонная культура растений................133
7.3. Обеспечение водного и минерального режимов
выращивания растений........................ 137
7.4. Формирование структуры ценозов
в условиях светокультуры......................140
Контрольные вопросы к главе 7.................144
4
ГЛАВА 8. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ЧАСТНОЙ СВЕТОКУЛЬТУРЫ РАСТЕНИЙ.........................145
8 1. Овощные культуры (огурец и томат)..........145
8.1.1. Общие сведения.........................145
8.1.2. Требования к световым режимам
при выращивании огурца и томата на продукцию
в условиях зимней светокультуры..............147
8.1.3. Требования к световым режимам при выращивании
рассады огурца и томата в теплицах для последующего
доращивания в условиях зимней светокультуры....150
8.1.4. Рекомендации по выбору, приобретению
и размещению основного технологического
оборудования для выращивания огурца и томата
в условиях светокультуры......................151
8.1.5. Основные параметры окружающей среды
для культивирования огурца и томата
в условиях светокультуры.................... 153
8.2. Зеленные и пряные культуры...................154
8.3. Выращивание цветов...........................159
8.4. Селекция полевых культур.....................164
8.5. Лекарственные растения.......................169
8.6. Древесные и кустарниковые растения...........175
8.7. Интенсивная светокультура растений
как область биотехнологии.........................180
Контрольные вопросы к главе 8......................185
ГЛАВА 9. ВОЗМОЖНЫЕ ПОДХОДЫ К РАЦИОНАЛИЗАЦИИ
СВЕТОКУЛЬТУРЫ РАСТЕНИЙ..................................186
9.1. Основные критерии по принятию решения
о производстве растительной продукции
в условиях светокультуры......................186
9.2. Выбор источника света
из предлагаемого ассортимента.....................187
9.3. Выбор облучателей и облучательных установок
для культивирования растений......................192
9.4. Выбор установок для выращивания растений.....194
9.5. Выбор субстрата для выращивания растений.....195
9.6. Некоторые подходы к оценке
экономических показателей зимней светокультуры.197
Контрольные вопросы к главе 9......................198
ЛИТЕРАТУРА..............................................200
5
ВВЕДЕНИЕ
Одной из особенностей интенсивного развития науки в XX в. стало
появление множества комплексных научных дисциплин Именно такой
научной дисциплиной является светокультура растений, которая синте-
зирует в себе достижения различных разделов физики (электричество,
оптика, фотометрия и др ), технических наук (светотехника, автоматика
и др.), биологических наук (физиология растений, растениеводство,
селекция растений и др ), а также и других областей знаний.
Предметом исследования светокультуры как научной дисциплины
являются растительные организмы или их сообщества — фитоценозы,
выращенные при искусственном освещении, целью светокультуры —
разработка методов выращивания растений с помощью искусственно-
го облучения для получения научных знаний о растениях и хозяйст-
венно полезной продукции.
Для реализации своей цели светокультура должна опираться на
теоретические основы различных естественнонаучных дисциплин
физического и биологического профилей и на опыт практического
выращивания растений.
Выращивание растений с применением светокультуры возможно
как при досветке растений искусственным светом, который использу-
ется в качестве добавки к недостаточному фону естественного света,
так и полностью на искусственном свету.
В современной светокультуре растений большинство параметров
окружающей среды (минеральное питание, газовый состав атмосфе-
ры, температура, водный режим и т. д) выводятся на уровни, не ли-
митирующие жизненные процессы у растений. Как правило, основ-
ным фактором управления жизнедеятельностью растений в условиях
светокультуры является световой фактор. Лучистая энергия, получае-
мая с помощью искусственных источников света, - одна из наиболее
затратных статей расходов на выращивание растений в условиях све-
токультуры. Поэтому эффективное использование световой энергии
имеет для экономики светокультуры важное значение. В то же время
интенсивность и спектральный состав света, его периодичность явля-
ются мощным фактором управления различными сторонами жизне-
деятельности растений. В первую очередь здесь важно отметить про-
блемы повышения продуктивности.
Свету, как основному фактору управления жизнедеятельностью
растений, в светокультуре уделяется первостепенное значение. Абсо-
лютное большинство основных разделов учебников и монографий по
светокультуре растений в большей или меньшей степени подчинены
этому обстоятельству.
6
Последнее учебное пособие по светокультуре растений для вузов
(Леман, 1976) вышло более 20 лет назад и, естественно, не отражает в
достаточной степени современное состояние вопроса. Кроме того,
вышедшая по светокультуре учебная и монографическая литература
представляет собой, как правило, хотя и весьма детальное, но одно-
стороннее освещение тех или иных вопросов такой комплексной дис-
циплины, как светокультура растений. Традиционно глубоко и под-
робно в этой литературе освещаются физиологические основы свето-
культуры растений (Клешнин, 1954; Мошков, 1966; Леман, 1971; Ле-
ман, 1976). С начала 80-х гг. и по настоящее время вышло лишь три
книги монографического характера, посвящённых вопросам свето-
культуры (Рождественский, Клешнин, 1980, Лисовский, Долгушев,
1986; Тихомиров, Лисовский, Сидько, 1991).
Вопросы технического обеспечения светокультуры растений,
имеющие важное значение для эффективного использования лучистой
энергии для культивирования растений, в литературе представлены
крайне недостаточно. Как правило, это учебные пособия общего ха-
рактера (Живописцев, Косицин, 1990). В то же время учебной литера-
туры, где комплексно и взаимосвязанно излагаются различные аспек-
ты светокультуры, в последние 20 лет не было.
К сожалению, у студентов, изучающих эту дисциплину, биологов,
работающих с искусственным климатом, и у многих специалистов
тепличных хозяйств, где используется светокультура, нет комплекс-
ного системного представления о взаимосвязи биологических особен-
ностей разных видов растений и биотехнологических процессов с па-
раметрами оптимальных световых режимов и светотехнической аппа-
ратурой, способной их обеспечить. Как следствие этого можно встре-
тить физиологически необоснованные нормы на установленную элек-
трическую мощность для размещения в теплицах ламп с различными
светотехническими характеристиками, что приводит к недобору уро-
жая в условиях светокультуры. Инженерные службы нередко слабо
ориентируются в выборе оптимальных для тех или иных условий све-
токультуры источников света, целесообразности выбора единиц изме-
рения лучистой энергии в условиях светокультуры, необходимой из-
мерительной аппаратуры и т. д. С другой стороны, агрономы и расте-
ниеводы, работающие в условиях светокультуры, как правило, слабо
ориентируются в оптимальных сочетаниях спектральных и энергети-
ческих характеристик искусственного излучения для выращивания
растений на рассаду или продукцию, для условий полной светокуль-
туры или при искусственной досветке, в зависимости от видовых осо-
бенностей растений и т. д.
Поэтому структура изложения данного пособия нацелена на уст-
ранение этих и других пробелов в знаниях, как у студентов, так и спе-
7
щ/алистов, работающих в этой области. Авторы книги попытались
П(рказать связь между биофизическими, физиологическими и техниче-
скими аспектами светокультуры растений.
Основное содержание книги было апробировано при чтении лек-
ций по светокультуре, фотобиологии и фотобиофизике студентам
К расноярского государственного университета, Красноярского агро-
у^зиверситета в 1980 1999 г.
Авторы с благодарностью примут замечания и пожелания читате-
лей, ознакомившихся с данным учебным пособием.
Участие авторов в написании книги определилось следующим
0 бразом:
д-р биол. наук, проф. А. А. Тихомиров - введение, гл. 1-9;
д-р техн, наук В. П. Шарупич - гл. 4; 5; 9;
д-р биол. наук, проф. Г. М. Лисовский — гл. 5-9.
8
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ
СВЕТОКУЛЬТУРЫ РАСТЕНИИ
Первые отмеченные в литературе попытки выращивания растений
с использованием искусственного света относятся ко второй половине
XIX в В качестве источников света использовали керосиновые лам-
пы, газовые горелки, угольные дуги и маломощные лампы накалива-
ния. Световые потоки, получаемые от таких источников, были низки-
ми и не обеспечивали полноценный рост и развитие растений; поэто-
му речь могла идти об использовании искусственного света лишь как
небольшой добавки к естественному. Это были редкие опыты, кото-
рые не выходили за рамки лабораторных экспериментов учёных и
отдельных энтузиастов-исследователей. Тем не менее, на этом перво-
начальном этапе зарождения светокультуры был сделан важный вывод:
искусственный свет не является вредным для растений, более того, при
его добавке к слабому естественному свету растения выглядят лучше,
их окраска становится более зелёной, а листья крупнее. Разумеется, эти
эффекты искусственного света проявлялись лишь тогда, когда естест-
венное освещение было слабо, например, в зимний период.
Этот этап развития светокультуры занимает промежуток времени
1865-1922 гг.; его границы определяются первым упоминанием в
литературе об использовании искусственного света для освещения
растений (1865 г.) и проведением успешных опытов по выращиванию
растений полностью на искусственном свету в 1922 г.
Второй этап имеет примерные границы 1922-1940 гг.; его отличи-
тельной чертой является доказательство возможности выращивания
растений полностью на искусственном свету «от семени до семени».
Впервые экспериментально показать это удалось в 1922 г. американ-
скому исследователю Гарвею, а в 1925 г. независимо от него совет-
скому учёному Максимову, и стало возможным благодаря появлению
мощных ламп накаливания, которые способны давать световые пото-
ки, достаточные для выращивания растений полностью на искусст-
венном свету. Таким образом, появилась научная основа для практи-
ческого использования светокультуры растений. В то же время возник
ряд вопросов, которые необходимо было решить до широкого приме-
нения светокультуры в народном хозяйстве.
Искусственный свет всё шире стали применять для выращивания
растений. Правда, из-за весьма низких в тот период времени эксплуа-
тационных качеств мощных ламп накаливания искусственный свет в
основном использовали как досветку к естественному в теплицах.
Выращивание растений на полном искусственном свету проводили,
как правило, в научных целях.
9
Тем не менее, использование искусственного света в качестве до
светки позволило существенно уменьшить сроки выгонки рассады и
улучшить её качество, в более ранние сроки начать получение овощ-
ной продукции в теплицах, организовать выгонку некоторых цветоч-
ных культур зимой. Искусственный свет селекционеры стали исполь-
зовать для ускорения селекции растений.
Таким образом, на втором этапе развития светокультуры были за-
ложены основы её практического использования.
Третий этап определяют с 1940 г. по настоящее время. Начало его
связывают с появлением нового типа источников света — газоразряд-
ных ламп. В отличие от ламп накаливания, газоразрядные лампы при
таком же потреблении электроэнергии имели больший диапазон мощ-
ностей, давали в 2-3 раза большее количество света и возможность
варьирования его спектрального состава.
Стало возможным ввести в светокультуру, при необходимости,
практически любые виды растений, независимо от степени их светолю-
бия. Широко стали использоваться режимы «полной светокультуры»,
когда растения выращиваются полностью на искусственном свету. Это
позволило «продвинуть» светокультуру в северные регионы, где в пе-
риод длительных полярных ночей стало возможным выращивать в теп-
лицах овощную продукцию, цветы полностью на искусственном свету.
Таким образом, главной особенностью третьего этапа является вы-
ход светокультуры на промышленную основу. В этой связи появился
термин «промышленная светокультура растений».
Еще одним важным направлением в развитии светокультуры яви-
лась селекция растений, а также их ускоренное размножение в зимний
период. За счет возможности круглогодичного выращивания растений
в условиях светокультуры появилась возможность получать несколь-
ко поколений растений в год, что невозможно в полевых условиях для
нашей страны. Это позволило интенсифицировать процесс селекции
растений на определенные признаки в несколько раз и тем самым со-
кратить выведение сортов растений с 10-15 лет при использовании
традиционных полевых условий до 5-7 лет, если применяются усло-
вия светокультуры.
Развитие светокультуры шло быстрыми темпами в СССР в 50—80
годах, когда стоимость электроэнергии была невысока. При резком
повышении стоимости электроэнергии с начала 90-х гг. массовое раз-
витие промышленной светокультуры, базировавшейся, в основном, на
выращивании овощных растений, стало для многих предприятий и
тепличных комплексов экономически невыгодным. Оправданным
выращивание растительной продукции в условиях полной светокуль-
туры сейчас представляется лишь в северных регионах при условии
высококвалифицированного использования современных технологий.
10
В средних широтах экономически оправдано в настоящее время
использование в теплицах искусственного света как добавки к естест-
венному при выращивании растительной продукции.
Из сказанного, однако, не следует, что светокультура потеряла
свою актуальность. В начале 90-х годов нашего века акценты в разви-
тии светокультуры стали меняться. Одно из новых применений свето-
культуры связано с общим ухудшением экологической ситуации на
планете. В этой связи светокультуру стали рассматривать как один из
возможных методов получения гарантированно экологически чистых
продуктов питания. Такое питание предназначено для больниц и дет-
ских учреждений, особенно для регионов с неблагополучной экологи-
ческой обстановкой. Разработана интенсивная безотходная техноло-
гия выращивания зерновых, овощных, зеленных, ягодных, цветочных,
лекарственных и технических культур, позволяющих использовать её
в промышленном и селекционном процессе. Объёмы производства
данной продукции весьма ограничены. Попытки движения в этом на-
правлении предпринимались в ряде стран, например в США.
С начала 70-х годов успешно разрабатываются проблемы космиче-
ского растениеводства, когда растения необходимо выращивать в усло-
виях полной светокультуры. Разработки основ космического растение-
водства применительно, в частности, к будущим стационарным косми-
ческим станциям на Луне и, возможно, на Марсе проводятся в искусст-
венных системах жизнеобеспечения, где растения являются поставщи-
ками растительной пищи, воды и регенераторами атмосферы, обеспе-
чивая «космонавтов» кислородом и поглощая углекислоту, а также ряд
вредных газообразных примесей. Приоритетные результаты мирового
уровня в этом направлении достигнуты в России в Институте биофизи-
ки СО РАН, Институте медико-биологических проблем М3 РФ.
Таким образом, в настоящее время точки приложения светокуль-
туры как метода выращивания растений весьма разнообразны.
Как в дальнейшем будут расставлены акценты в развитии этих на-
правлений, покажет время. Ясно одно - актуальность светокультуры в
будущем, в том или ином проявлении, сохранится.
Контрольные вопросы к главе 1
1. Какие основные этапы развития светокультуры вы знаете? Охарак-
теризуйте основные черты каждого этапа.
2. Как изменились акценты в развитии светокультуры в настоящее
время в сравнении с предшествующим периодом?
3. Чем, на ваш взгляд, отличается применение светокультуры в север-
ных регионах страны от её использования в средней полосе России?
4. В чём вы видите перспективы светокультуры в XXI в.?
11
ГЛАВА 2. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
И ЕГО ДЕЙСТВИЕ НА РАСТЕНИЕ
2.1. Диапазоны естественного оптического излучения
и его действие на растения
Основным источником естественного оптического излучения, при-
емлемого для жизнедеятельности растений, является Солнце. Оптиче-
ское излучение Солнца находится в очень широком интервале длин
волн. Будем использовать для измерения длины волны (X) нанометры
(нм), составляющие 10“9 м. Тогда волновой диапазон солнечной энер-
гии, достигающей поверхности Земли, можно представить схематиче-
ски (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Спектральный диапазон оптического излучения
(логарифмический масштаб)
Воздействие излучения различных участков спектра на раститель-
ный организм определяется энергией, которую имеет элементарный
носитель этой энергии - квант. Энергия кванта излучения Е зависит
от его длины волны X и определяется по формуле:
£ = сЛ/Х, (2.1)
где с — скорость света в вакууме, h - постоянная Планка.
Часто энергию кванта записывают, используя вместо длины волны
частоту излучения v, которые связаны друг с другом обратным соот-
ношением:
X = c/v. (2.2)
Из рис. 2.1 и формулы (2.1) видно, что энергия кванта излучения
максимальна у космических лучей и минимальна у радиоволн. Что
12
касается растений, то энергия квантов космических лучей, у-излучения,
рентгеновского излучения и коротковолновой части ультрафиолетового
(УФ) излучения настолько велика, что разрывает химические связи в
молекулярных растительных структурах и поэтому действует на расте-
ния разрушительным образом. В солнечной радиации, достигающей
поверхности Земли, эти виды излучений почти полностью отсутствуют,
так как поглощаются в верхних слоях атмосферы.
Длинноволновое («мягкое») УФ-излучение и видимое излучение
хорошо поглощаются растениями. Энергия квантов этих участков спек-
тра недостаточна для разрушения химических связей, однако способна
обеспечить ряд внутренних перестроек у атомов и молекул растений,
что вызывает химические реакции, лежащие в основе жизненно важных
процессов - фотосинтеза, дыхания, роста, фотопериодизма и др.
Энергия квантов большей части инфракрасного (с к > 4000 нм) на-
столько слаба, что не способна инициировать ход указанных выше
химических реакций. Правда, некоторые области инфракрасной ра-
диации хорошо поглощаются водой, которая содержится в растениях,
и, таким образом, могут повышать температуру растений, что вызыва-
ет, в свою очередь, ряд физиологических реакций как положительно-
го, так и отрицательного характера. Поэтому принято считать, что
инфракрасная радиация может оказывать на растение не прямое, а
опосредованное воздействие.
Солнечную радиацию, приходящую к поверхности Земли, принято
разделять на два больших диапазона: 300—4000 нм и более 4000 нм.
Первый диапазон содержит около 99 % энергии приходящей солнеч-
ной радиации. Излучение, заключённое в этом диапазоне, получило
название коротковолновой радиации. Второй диапазон излучения, с
длинами волн к > 4000 нм, называется диапазоном тепловой длинно-
волновой радиации. С точки зрения действия излучения различного
спектрального состава на растения такое деление оптического излуче-
ния нельзя назвать удачным, поскольку оно не отражает особенности
его физиологического воздействия. Эти особенности связаны, в пер-
вую очередь, с учётом двух типов воздействия лучистых потоков на
растительный организм: субстратного и регуляторного.
Субстратная роль света основана на использовании энергии свега в
процессе фотосинтеза на образование химических связей, то есть на
синтез биомассы растений. Регуляторная роль света связана с запус-
ком тех или иных механизмов, которые «открывают» или «закрыва-
ют» возможности протекания различных физиологических процессов,
например, направленность биохимических синтезов (углеводная или
белковая), открытие или закрытие устьиц, движение органов растений
под действием света (фототропизм), начало зацветания растений и др.
13
Энергетические затраты на обеспечение регуляторных процессов
намного ниже, чем на субстратные потребности, обеспечивающие
растения энергией для построения органической биомассы. Различия
в этих затратах могут достигать 100-1000 раз и более.
По современным представлениям, диапазон оптического излуче-
ния, имеющий у растений основное субстратно-регуляторное значе-
ние, имеет примерные границы 280-750 нм. Внутри этих границ вы-
делены спектральные диапазоны, имеющие следующее физиологиче-
ское значение:
— 280-320 нм - оказывает, как правило, вредное воздействие на рост
и развитие растений. Однако для некоторых растений (например,
Solanaceae) требуется небольшое количество (~3 Вт/м2) излучения
этого спектрального диапазона для нормального развития;
- 320-400 нм - играет регуляторную роль в развитии растений, по-
этому целесообразно присутствие этого излучения в небольших коли-
чествах (несколько процентов) в общем лучистом потоке;
- 400-500 нм («синий») — обладает как субстратным, так и регуля-
торным воздействием, должен входить в состав спектра излучения
фотосинтетически активной радиации для выращивания растений;
- 500-600 нм («зелёный») - не является абсолютно необходимым
для обеспечения фотосинтеза растений, но, благодаря своей высокой
проникающей способности, полезен для обеспечения фотосинтеза
оптически плотных листьев и густых посевов растений;
- 600-700 нм («красный») — обладает ярко выраженным субстрат-
ным и регуляторным воздействием. Должен входить в состав общего
излучения для обеспечения высокого фотосинтеза. Но монохромати-
ческий красный свет может приводить к аномальному росту и разви-
тию, а в ряде случаев и к гибели некоторых видов растений;
- 700-750 нм («дальний красный») — обладает ярко выраженным
регуляторным действием. В небольших количествах (несколько про-
центов) должен входить в состав общего излучения.
Спектральный диапазон 400-700 нм, являющийся основным для
обеспечения процесса фотосинтеза, получил название фотосинтетиче-
ски активной радиации (ФАР).
Очевидно, что все указанные спектральные диапазоны входят в
состав солнечного излучения, приходящего к земной поверхности, в
допустимых для жизнедеятельности растений сочетаниях. В то же
время в условиях искусственного облучения растений, когда естест-
вен1гый свет отсутствует, обеспечение оптимального присутствия вы-
шеуказанных спектральных диапазонов в излучении источников света
является, как правило, весьма проблематичным. В этой связи чрезвы-
чайно важное значение приобретает знание спектральных и энергети-
14
веских характеристик лучистого потока ламп при их выборе как ис-
точника излучения для светокультуры растений. Кроме этого, необхо-
димо знание видовых особенностей растений, их оптических свойств,
а также структурных особенностей посевов растений - фитоценозов,
где формируется реальный урожай.
2.2. Роль интенсивности света в светокультуре растений
Скорость фотосинтеза, а следовательно и накопление биомассы
растений, зависят от количества энергии, трансформируемой в био-
химические связи. Поскольку трансформация энергии света в энергию
химических связей при фотосинтезе есть следствие поглощения кван-
тов света, то можно полагать, что чем больше квантов содержит лучи-
стый поток, тем выше может быть фотосинтез растений.
Количество квантов света в лучистых потоках одного и того же
спектрального состава имеет линейную связь с интенсивностью излу-
чения, которая характеризует мощность лучистого потока. Если лучи-
стые потоки имеют различный спектральный состав, то поток излуче-
ния с меньшим количеством квантов может иметь большую интен-
сивность, чем поток излучения, где квантов больше, но в энергетиче-
ском отношении они более «мелкие». Так, например, кванты синего
света, согласно формуле (2.1), в энергетическом отношении более
«крупные», чем кванты красного света. Поэтому при равном количе-
стве квантов интенсивность синего света будет выше, чем красного.
Параллельно с термином «интенсивность» часто используется термин
«облученность». В светокультуре эти два термина обычно используют
как синонимы.
Между интенсивностью света и видимым фотосинтезом (далее по
тексту просто «фотосинтезом») существует зависимость, которая час-
то изображается графически в виде световой кривой фотосинтеза
(рис. 2.2). Видим, что связь между фотосинтезом и интенсивностью
света может сильно различаться в зависимости от величины послед-
ней. Различают несколько участков кривой, характеризующих такую
зависимость.
Рассмотрим наиболее важные участки этой кривой.
При низкой интенсивности света суммарной энергии квантов света
недостаточно, чтобы процесс фотосинтеза обеспечил энергетические
потребности жизнедеятельности растений. В этих условиях основная
энергия для поддержания жизнедеятельности растений черпается за
счет распада ранее синтезированных веществ. Этот процесс называет-
ся дыханием.
15
Рис. 2.2. Типовая световая кривая видимого фотосинтеза. Пояснения в тексте.
Условно принято считать, что поскольку при дыхании энергия для
растений расходуется путём разрушения (деструкции) части синтези-
рованных ранее за счет фотосинтеза соединений, а при фотосинтезе
энергия накапливается в процессе синтеза органических соединений,
то эти процессы для баланса энергии имеют противоположные знаки
— положительный для фотосинтеза и отрицательный для дыхания. В
этой связи иногда употребляют термин «отрицательный фотосинтез»,
когда речь идет о выделении энергии при дыхании. Этот «отрица-
тельный фотосинтез» соответствует на рис. 2.2 участку кривой АК и
диапазону интенсивностей света от 0 до некоторого значения К. Точка
К часто называется световой компенсационной точкой фотосинтеза.
Особенность этой точки связана с тем, что процессы фотосинтеза
уравновешиваются дыхательными процессами.
С дальнейшим ростом количества квантов света в потоке излуче-
ния интенсивность света возрастает, увеличивается фотосинтез, а зна-
чит, и накопление биомассы растений. Основная энергия, расходуемая
на обеспечение жизнедеятельности растений, поступает уже за счет
процесса фотосинтеза, иными словами, видимый фотосинтез стано-
вится положительным. Поначалу этот процесс имеет линейную зави-
симость. Она сохраняется до тех пор, пока увеличение квантов света в
лучистом потоке сопровождается таким же увеличением использова-
ния их энергии на построение биомассы растением. Соответствующий
этому участок световой кривой фотосинтеза обозначен на рис. 2.2 как
отрезок КМ.
16
Однако резервы усвоения растением энергии на фотосинтез за счет
увеличения количества поглощенных квантов света не безграничны.
Эти резервы постепенно исчерпываются, что характеризуется участ-
ком нелинейной зависимости фотосинтеза растений от интенсивности
света (рис. 2.2, отрезок МП).
Когда усвоение энергии дополнительных квантов света на фотосин-
тез прекращается, наступает стадия светового насыщения На рис. 2.2
ей соответствует озрезок NP, называемый «плато насыщения». Здесь
рост интенсивности света не меняет величины фотосинтеза.
Если продолжать увеличивать интенсивность света, то, начиная с ее
определенного значения, избыточное количество квантов света оказы-
вает прогрессирующий повреждающий эффект на фотосинтетический
аппарат, в результате чего фотосинтез растений снижается. Этот уча-
сток световой кривой фотосинтеза часто называют участком «светового
ингибирования фотосинтеза». На рис. 2.2 он показан пунктиром.
В условиях светокультуры интенсивность света является одним из
наиболее доступных в практическом плане способов светового управ-
ления величиной и качеством урожая растений. Однако даже при бла-
гоприятном спектральном составе света правильный выбор его интен-
сивности может сыграть решающую роль в количестве и качестве по-
лучаемой растительной продукции. Дело в том, что интенсивность
света играет в жизнедеятельности растений двоякую роль. С одной
стороны, изменение интенсивности света играет субстратную роль,
увеличивая или уменьшая световое питание растений. С другой сто-
роны, в процессе изменения интенсивности света меняется качествен-
ная направленность многих физиологических процессов: роста, био-
химических синтезов, закладки репродуктивных органов и др. Из-
вестно, что при использовании в светокультуре низких уровней облу-
ченности часто формируются вытянутые растения, у корнеплодных
форм, например редиса, корнеплоды образуются плохо, растения
формируют цветоносные стебли, а у таких плодоносящих растений,
как томаты и огурец, многие цветы опадают, образующиеся плоды
невелики, их вкусовые качества низкие. В то же время использование
достаточно высоких уровней облученности позволяет не только уве-
личить урожай, но и получать крупные плоды высокого качества на
фоне значительного снижения сроков вегетации растений.
По степени важности после фотосинтеза для жизнедеятельности
растений часто отмечают ростовые процессы. Под ростовыми процес-
сами понимают увеличение линейных размеров растений, скорость
накопления биомассы. Поэтому скоординировать оптимальным обра-
зом фотосинтез и рост - одно из главных условий получения хороше-
го урожая. В этой связи интенсивность света играет ключевую роль в
обеспечении такой скоординированности.
17
Рис. 2.3. Световые кривые фотосинтеза (1) и роста площади листьев (2)
растений редиса (Протасова, Кефели, 1982). Пояснения в тексте.
На рис. 2.3 показаны принципиальные различия в зависимости
скорости фотосинтеза и скорости роста площади листьев растений от
интенсивности света. Как правило, световое насыщение ростовых
процессов наступает быстрее, чем процессов фотосинтеза (Протасова,
Кефели, 1982).
Таким образом, использование достаточно высоких облученностей
в условиях светокультуры может в ряде случаев оказаться полезным.
Однако подобный подход не является единым для всех видов расте-
ний, выращиваемых в условиях светокультуры. Например, для зелен-
ных культур, у которых в пищу может употребляться вся надземная
биомасса, использование высоких облученностей даст только отрица-
тельный эффект, так как рост листовой поверхности замедлится, ли-
стья в значительной степени утратят необходимые для употребления в
пищу качества (появятся жесткие желтоватые листья вместо нежно-
зеленых и сочных листьев при пониженных облученностях).
Важным моментом в правильном выборе интенсивности искусст-
венного света является учет естественной составляющей солнечного
света. Эта ситуация должна учитываться в теплицах средней и южной
географических широт страны. С этой целью территория страны ус-
ловно разбита на 8 световых зон, в зависимости от средней величины
приходящей естественной радиации (рис. 2.4). С учетом такой клас-
сификации формулируются рекомендации по установке источников
света определенной мощности и их размещению внутри теплиц в за-
висимости от световой зоны, где они находятся.
18
Рис. 2.4. Схема условного разделения территории бывшего СССР на световые зоны.
Пояснение в тексте.
Величина интенсивности облучения растений в теплице складыва-
ется из двух составляющих: естественной и искусственной. В тепли-
цах, расположенных в южных регионах страны, вклад естественной
составляющей будет выше, чем для теплиц, расположенных в средней
полосе России, а тем более в ее северных регионах. Поэтому возникла
необходимость систематизации данных о соотношении естественной
и искусственной составляющих при облучении растений в теплицах.
Такая информация важна, прежде всего, в силу дефицита электро-
энергии и высокой стоимости источников искусственного света и об-
лучательной техники. Кроме того, неправильно подобранные свето-
вые режимы облучения могут привести к недобору урожая растений
при недостатке искусственного света либо к необоснованному удоро-
жанию себестоимости растительной продукции при его избытке. Для
решения этой проблемы было предложено зонирование территории
страны по суммам приходящей ФАР за месяцы с наименьшей облу-
ченностью, то есть за декабрь и январь (Овощеводство закрытого
грунта, 1984). Вся территория страны была условно разделена на 8
световых зон: от 0 до VII (рис. 2.4). На основании такого зонирования
можно было определить, необходимо ли досвечивание рассады или
растений, выращиваемых в теплице в зимний период, находящейся в
Данной световой зоне. Для проведения такого анализа были предло-
жены минимальные нормируемые уровни приходящей (естественной
19
11 искусственной) световой энергии рассады и взрослых растений. В то
же время выяснилось, что недостаточно знать только нормируемые
уровни приходящей энергии. Необходимо знать также минимально
допустимые уровни облученности ФАР и длительность облучения
растений. Например, если уровень облученности для выращивания
рассады удовлетворяет заданному значению, но продолжительность
его суточного воздействия на растения недостаточна, то рассада фор-
мируется ослабленной. Такая ситуация особенно характерна для юж-
ных регионов страны (VII световая зона). В этой связи Институтом
Гипронисельпром (В. П. Шарупич) было предложено учитывать как
контрольные значения интенсивности облучения растений, так и кон-
трольные значения длительности фотопериода. Фактически было
предложено учитывать контрольные значения множителей, произве-
дение которых составляет количество приходящей к растениям энер-
гии в области ФАР, то есть дозы облучения растений. Под дозой об-
лучения растений в данном случае понимают произведение величины
интенсивности ФАР на длительность ее воздействия. Таким образом,
значение дозы (D) представляется как
D-1-t,
где / — интенсивность ФАР, / - время ее воздействия на растение.
Поскольку в тепличном растениеводстве интенсивность ФАР час-
то измеряют в Вт/м2, а время облучения растений в течение фотопе-
риода - в часах, то размерность дозы в данном случае будет Втч/м2.
Следует иметь в виду, что одинаковые дозы еще не означают рав-
ные световые условия для выращивания растений. В количественном
отношении доза облучения растений, соответствующая их высокой
продуктивности при правильно выбранных интенсивности и продол-
жительности облучения, может быть получена и иным путем. Так,
одинаковые дозы облучения растений можно, например, получить при
низких уровнях облученности, соответствующих слабому фотосинте-
зу и продолжительному фотопериоду или, наоборот, при высоких об-
лученностях и очень коротком фотопериоде. Понятно, что во всех
этих случаях одинаковые дозы облучения растений соответствуют
совершенно различным величинам их продуктивности. Поэтому вы-
бор интенсивности света и продолжительности фотопериода должны
находиться в определенных диапазонах. Согласно разработкам Ин-
ститута Гипронисельпром оптимальная нормируемая облученность в
теплице при выращивании рассады равна 40 Вт/м2 ФАР с фотопе-
риодом 14 часов, а для выращивания растений на продукцию - 100
Вт/м2 ФАР с фотопериодом 16 часов. В этом случае оптимальное
суточное количество облучения (доза) для рассады составит 560
Вт-ч/м2, а для выращивания растений на продукцию - 1600 Вт ч/м2
20
Таблица 2.1
Зонирование территории страны по географической широте (через 4°)
по критерию выбора либо естественного режима облучения (Е),
либо совместного режима облучения (С), для рассады (данные числителя)
Примечания: расчеты выполнены исходя из нормативных показателей Института Ги-
проиисельпром для суточного количества приходящей ФАР для рассады - 400 Вт ч/м2,
для взрослой культуры — 900 Втч/м2; зона выращивания рассады при естественном
облучении показана сплошной линией, а взрослой культуры - штриховой.
ФАР. Допускаются отклонения от этих оптимальных значений для
рассады до 400-250 Вт ч/м2 ФАР при колебаниях продолжительности
облучения рассады в 0—III световых зонах не менее 12-16 часов в су-
' тки и не менее 12 часов в IV-VI световых зонах, а для овощных куль-
' тур в период плодоношения до 900 Втч/м2 ФАР при колебании про-
должительности фотопериода в диапазоне 12-16 часов.
С учетом этого Институтом Гипронисельпром предложен усовер-
шенствованный подход в разделении территории страны на различ-
ные световые зоны с учетом, как интенсивности, так и продолжитель-
21
ности облучения растений для любого месяца в год (табл. 2.1). На ос-
новании данных этой таблицы может быть получена информация по
выбору режима облучения (совместное облучение или только естест-
венный свет) для теплиц, расположенных на различной географиче-
ской широте. По данным этой таблицы видно, на какой географиче-
ской широте в определенное время года возможно производство рас-
сады или овощей только на естественном свету или необходимо до-
полнительное искусственное облучение. Данные табл. 2.1 могут быть
использованы и для типового проектирования теплиц, с учетом раз-
мещения в них облучательных устройств с заданными светотехниче-
скими характеристиками.
Таким образом, нет однозначного подхода в выборе интенсивно-
сти света для выращивания растений в условиях светокультуры. Вы-
бор зависит от вида растений, целей их выращивания, а также от ряда
других факторов, среди которых большую роль играют оптические
свойства растений.
22
2.3. Оптические своиства растений и фитоценозов.
Формирование радиационного режима растительного покрова
Ключевым моментом взаимодействия растения со световым пото-
ком является процесс поглощения последнего Только поглощённая
энергия способна запасаться в растении в виде химических связей, что
и определяет формирование урожая. Эффективность утилизации лу-
чистой энергии сильно зависит от оптических свойств растительного
организма.
Основными фитоэлементами, поглощающими лучистую энергию, яв-
ляются листья. В меньшей степени, чем листья, лучистую энергию спо-
собны поглощать, а тем более утилизировать, стебли растений, а в ряде
случаев - хозяйственно-полезные органы: плоды, колосья, ягоды и т д.
Основными пигментами высших растений, обеспечивающими по-
глощение лучистой энергии и её использование на построение био-
массы, являются зелёные пигменты — хлорофиллы а и Ь. Менее эф-
фективную роль в поглощении и преобразовании энергии на фотосин-
тез играют жёлтые пигменты - каротиноиды. Хлорофиллы поглощают
в основном в синей (400 -500 нм) и красной (600-700 нм) областях
спектра (рис. 2.5), каротиноиды преимущественно в синей области
спектра (рис. 2.6). На этих рисунках спектры поглощения пигментов
представлены в «чистом» виде, после выделения из зелёных листьев.
В нативном состоянии, то есть при естественной агрегации внутри
листа, эти пигменты играют основную роль в селективном поглоще-
нии света листовой пластинкой. Сейчас накоплены многочисленные
данные по спектрам поглощения света листьями различных растений.
Обобщение этих данных позволяет говорить о спекзральной кривой
поглощения «среднего» зелёного листа.
Кривая спектра поглощения такого листа представлена на рис. 2.7.
Из этого рисунка видно, что в УФ области спектра (300 ^400 нм) по-
глощение лучистой энергии очень высоко и достигает 90-99 %. Оно
обусловлено тем, что основные клеточные структуры: протоплазма и
клеточная оболочка - сильно поглощают в этой области спектра.
Именно поэтому поглощение ультрафиолетовых лучей практически
одинаково для листьев различных видов растений. В области ФАР
поглощение света весьма велико и имеет два чётких максимума - в
синей (400-500 нм) и красной (600-700 нм) областях. Эти максиму-
мы обусловлены, в первую очередь, содержанием в листьях хлоро-
филлов а и Ь. «Размытость» максимумов поглощения у зелёного листа
(рис. 2.7) в сравнении с максимумами поглощения выделенных в чис-
том виде хлорофиллов (рис. 2.5) связана с сильным рассеянием света в
толще листа. В среднем в синей и красной областях спектра поглоща-
ется около 80-90 % падающего излучения.
23
Рис 2.5. Спектры поглощения хлорофиллов а и Ь, растворённых в диэтиловом эфире.
Длина волны, мкм
Рис. 2.7. Поглощение лучистой энергии «средним» листом
в области 0,3-2,5 мкм (300-2500 нм).
24
Максимумы поглощения зелёных листьев в синей и красной об-
ластях спектра долгое время являлись основанием того, что в услови-
ях светокультуры считались необходимыми режимы облучения рас-
тений, при которых в излучении либо вообще не содержалось зелёных
лучей, либо их содержание старались свести к минимуму. Позже эта
точка зрения подверглась коррекции. Зелёные лучи, обладая высокой
проникающей способностью, обеспечивают световой энергией листья
более низкорасположенных ярусов, куда синие и красные лучи почти
не проникают. Поэтому поглощательная способность листа не только
в синей и красной, но и в зелёной области спектра несёт определён-
ную функциональную нагрузку и имеет свой биологический смысл.
При переходе в инфракрасную область спектра поглощение листа
вначале резко уменьшается, а затем, начиная примерно с 1200 нм,
сильно возрастает в колебательном режиме (рис. 2.7). Возникающие
пики поглощения связаны с поглощением водой, содержание которой
в листьях может достигать 90 %, а иногда и выше. Начиная примерно
с 2000 нм, поглощение радиации становится практически неселек-
тивным и достигает 96-98 % (Шульгин, 1973).
Таким образом, фактически все рассмотренные спектральные диа-
пазоны оптического излучения хорошо поглощаются листьями расте-
ний. Однако возможное использование поглощённой энергии на раз-
личные процессы жизнедеятельности растений крайне неравноценно
и определяется конкретным спектральным диапазоном. Так, в УФ
области спектра (300-400 нм) поглощённая энергия нужна для обес-
печения в основном регуляторных процессов; поэтому она требуется в
небольших количествах. Особенно это касается коротковолновой час-
ти этой области спектра. Для естественных условий произрастания
растений это положение выполняется за счёт незначительного содер-
жания лучей коротковолновой части УФ диапазона в солнечном излу-
чении, а биологический смысл высокой поглощательной способности
листа связан, вероятно, с необходимостью более полного улавливания
этих небольших количеств энергии. При использовании искусствен-
ного облучения растений в условиях светокультуры ситуация резко
меняется. Искусственные источники света позволяют создавать высо-
коинтенсивные потоки лучистой энергии, как в длинноволновой, так и
в коротковолновой областях УФ радиации. В последнем случае за
счёт высокой поглощательной способности листа в этой области спек-
тра произойдёт быстрое разрушение его структуры. Поэтому для ус-
ловий светокультуры источники света не должны содержать больше
нескольких процентов коротковолнового УФ излучения от интеграль-
ного лучистого потока.
Как отмечалось выше, поглошательная способность листа в види-
мой области спектра сильно зависит от содержания хлорофиллов.
25
Очевидно, что светло-зелёные листья будут поглощать меньше свето-
вой энергии, чем тёмно-зелёные. Однако существуют пороговые кон-
центрации хлорофиллов в расчете на единицу поверхности листа, на-
чиная с которых коэффициенты поглощения излучения в видимой
области спектра практически не меняются Для листьев ряда расте-
ний, сформировавшихся в условиях светокультуры, было показано,
что для белого света (400--700 нм) коэффициент поглощения А не за-
висит от содержания хлорофиллов, начиная с величины 3-3,5 мг/дм“,
а для сильно поглощаемых пигментами листа синих и красных лучей
- начиная с 2,5-3 мг/дм2. По данным И. А. Шульгина (1973), для зелё-
ных лучей пороговая концентрация хлорофиллов составляет 3-
3,5 мг/дм2. Им же показано, что для относительно слабо поглощаемых
зелёных лучей коэффициент А не зависит от толщины листа, начиная
с толщины 120-180 мкм. Следует полагать, что для сильно поглощае-
мых синих и красных лучей такие пороговые значения толщины ли-
стьев ещё меньше. Важно, что большинство видов растений имеют
толщину листьев, превышающую эти пороговые значения.
Ещё одним важным показателем, способным ослабить сильное
влияние на поглощательную способность листьев, является их овод-
нённость. И. А. Шульгиным показано, что увеличение содержания
воды в листьях более 70 % способствует уменьшению их поглоща-
тельной способности, так как структура листа становится более рых-
лой, а «проскок» квантов света без взаимодействия со структурой
листа — более вероятным Интересно, что достижение рассмотренных
предельных значений концентрации хлорофиллов, толщины листьев и
содержания в них воды ограничивают рост поглощения света средним
листом в области ФАР величиной 80—85 %.
В условиях светокультуры используемые интенсивности и спек-
тральный состав света могут оказывать сильное воздействие на опти-
ческие свойства листьев, изменяя их поглощательную способность.
При использовании уровней облучённости порядка ЮОВт/м2 ФАР,
соответствующей усреднённой в течение суток естественной интен-
сивности света, зависимость поглощательной способности листа от
различных вариаций синих, зелёных и красных лучей в общем потоке
ФАР является незначительной. В то же время такая зависимость ста-
новится существенной, когда используются высокоинтенсивные по-
токи ФАР. В этом случае листья сохраняют высокую поглощательную
способность, если излучение содержит повышенную долю синих лу-
чей. В инфракрасной области спектра интенсивность поглощения
энергии листом определяется, как отмечалось выше, в первую очередь
содержанием воды. В природных условиях доля инфракрасной радиа-
ции Солнца по отношению к видимому излучению колеблется в пре-
делах'50-85 % и зависит от угла падения солнечных лучей и состоя-
ния атмосферы. Эти показатели для большинства источников света,
используемых в светокультуре, колеблются в основном в таких же
пределах. Поэтому существенных противоречий в энергетическом
балансе листа при его выращивании в условиях искусственного облу-
чения по сравнению с естественными условиями произрастания, как
правило, не возникает.
В условиях светокультуры чаще приходится иметь дело не с от-
дельными растениями, а с фитоценозами Поэтому важную роль при-
обретает понимание не только прихода, но и распределения радиации
внутри фитоценоза, что в свою очередь зависит не только от оптиче-
ских свойств листьев и других фитоэлементов, но и от архитектоники
ценоза как сложной фотосинтезирующей системы. Направленность
падающего и прошедшего сквозь ценоз излучения может сильно ме-
няться. В лучистом потоке, прошедшем внутрь фитоценоза, присутст-
вует как прямая, так и рассеянная фитоэлементами радиация. При ис-
пользовании искусственных источников света в радиации, проходя-
щей сквозь верхний листовой слой, преобладают потоки, в которых
прямые лучи имеют часто большую долю, чем рассеянные, и направ-
ление максимальной яркости находится в прямой зависимости от рас-
положения источников излучения. Однако в некоторых точках листо-
вых ярусов, расположенных внутри ценоза, где прямое излучение от
источника экранируется листьями, значительную долю составляет
рассеянная радиация. Прямая радиация теряет своё первоначальное
направление и приближается к диффузной при не менее чем двукрат-
ном прохождении через лист.
Ценозы салатных овощных культур образуют низкорослые посе-
вы, листовую структуру которых можно принять за одноярусную.
Радиация после взаимодействия с такими ценозами в целом сохраняет
первоначальную направленность, так как в ней преобладают прямые
потоки и потоки, прошедшие в основном сквозь один лист. Для мно-
гоярусных ценозов (например, ценозов огурца) в средних и особенно
нижних слоях рассеянная радиация играет доминирующую роль, по-
скольку оптический путь светового луча, упавшего на такой ценоз,
связан с прохождением через несколько листьев. Это подтверждают
Данные рис. 2.8, где показано, что лучистый поток, прошедший один
лист, становится размытым, а поток, прошедший через две листовые
пластинки, приближается к диффузному, практически теряя свою
первоначальную направленность.
Одним из методов повышения продуктивности растений за счёт
более полного поглощения излучения листьями растений в условиях
искусственного освещения является изменение структуры падающего
светового потока. Так, в ряде работ отмечено, что растения с верти-
кальной ориентацией листьев имеют более высокие показатели про-
27
26
дуктивности при боковом освещении, чем при облучении сверху
(Шульгин, 1973; Леман, 1976). В связи с этим интересен эффект, по-
казывающий, что освещение обеих сторон листа половинной от на-
сыщающей фотосинтез интенсивностью света вызвало почти такой же
фотосинтез у листа, как и насыщающая интенсивность, падающая на
одну сторону листа Это означает, что высокие скорости фотосинтеза
можно получить при относительно невысоких облучённостях, одно-
временно освещая обе поверхности листа.
Однако выигрыш в урожае, полученный в работе Лемана (1976),
указывает, что в реальных ценозах боковое освещение более эффек-
тивно, чем освещение сверху при одинаковых мощностях лучистых
потоков, поскольку оно более объёмно и лучше распределяется по
ассимилирующей поверхности ценоза. Указанные факты на практике
далеко не всегда принимаются во внимание и в условиях светокуль-
туры растения часто облучаются лучистыми потоками, приходящими
из околовертикальных направлений, независимо от интенсивности
используемого излучения. При этом неоднородность внутреннего ра-
диационного поля в ценозе сильно возрастает. В качестве примера на
рис. 2.9 показано изменение яркости в различных участках под листо-
вым слоем ценоза редиса. Видно, что вклад вертикальных лучистых
потоков в формирование внутреннего радиационного поля более чем
на порядок превышает вклад лучистых потоков, приходящих из ос-
тальных угловых диапазонов. Примерно такая же картина наблюдает-
ся и для ценозов пшеницы. Несомненно, что такой способ облучения
ценозов в условиях светокультуры не может быть признан рациональ-
ным. Источники излучения целесообразней располагать так, чтобы
излучение падало под определёнными углами на ценозы.
Установлено, что у растений так располагаются листья в простран-
стве, чтобы при дефиците света максимально поглощать падающую
энергию, а при избытке - уменьшать световое поглощение. Это осо-
бенно наглядно видно для растений, образующих ценозы. Например,
у ценозов пшеницы верхние листья, получающие много света, имеют
ориентацию, близкую к вертикальной, а листья средних и нижних
ярусов, получающие меньшее количество световой энергии, имеют
более горизонтальную ориентацию. Такая регуляция оптической
структуры сформировалась у растений в процессе их филогенетиче-
ского развития с учетом движения Солнца по небосклону.(Тооминг,
1984). В условиях искусственного облучения растений, когда источ-
ники света расположены, как правило, неподвижно относительно рас-
тений, правильный выбор углов падения световых лучей на ценоз мо-
жет оказать большое влияние на рациональное использование искус-
ственного излучения в светокультуре растений.
28
Рис. 2.8. Диаграмма распределения яркостей для лучистого потока в ценозах редиса.
I - лучистый поток (£), упавший на ценоз редиса, прошедший
одну (2) и две (3) листовых пластинки. Возраст ценоза 24 суток.
направлением
измерений
Рис.2.9. Яркость в различных участках под листовым слоем ценоза редиса
при облучении нормально падающими на поверхность ценоза лучами
источника искусственного освещения. Объяснения в тексте.
2.4. Искусственный свет и фоторегуляторцые эффекты
В настоящее время установлено, что процессы фоторегуляции
жизнедеятельности растений контролируются излучением в ближней
ультрафиолетовой, синей и красной областях спектра. Присутствие в
лучистом потоке небольшого количества этих лучей часто способно
инициировать или изменить ход важных физиологических процессов
в растении, вызвать начало цветения или, наоборот, опадание соцве-
тий (от чего сильно зависит величина будущего урожая), усилить или
затормозить ростовые процессы и т. д.
Процесс фоторегуляции у растений запускается фоторецептором.
Как правило, это вещество белковой природы, имеющее фотопрнём-
ную поверхность за счёт наличия специального светопоглощающего
соединения - пигмента. Кванты света, поглощённые этим пигментом,
инициируют целый ряд биофизических, биохимических и физиологи-
ческих превращений.
К настоящему времени установлен и достаточно хорошо изучен
один такой фоторецептор - фитохром. Фитохром состоит из двух
частей - хромофора, поглощающего свет, и белковой основы. Фито-
хром может находиться в активном и неактивном физиологическом
состоянии и, соответственно этому, запускать либо блокировать те
или иные физиологические процессы. Установлено, что фитохром
регулирует процесс цветения у растений, прорастание семян, направ-
ленность различных биосинтезов и т. д. Фитохром в неактивном со-
стоянии имеет максимум поглощения на длине волны X = 660 нм, а в
активном - при X = 730 нм. Эти формы легко переходят друг в друга.
Так, при освещении светом с X = 660 нм, неактивная форма фитохро-
ма (Фббо) переходит в активную форму с максимумом поглощения
X = 730 нм (Ф?зо), а при освещении активной формы фитохрома излу-
чением с Х = 730 нм наблюдается обратный процесс. Таким образом,
для фитохрома характерна обратимая реакция: Ф«о <=> Ф730.
Активная и неактивная формы фитохрома несколько отличаются
по своим спектральным характеристикам. На рис. 2.10 приведены
спектры поглощения этих форм фитохрома.
Видно, что спектры поглощения форм фитохрома сильно перекры-
ваются. Однако есть ряд важных особенностей. Установлено, что при
облучении светом с X = 660 нм образуется около 75 % Ф730 и 25 %
Ф6бо- Это связано с тем, что неактивная форма фитохрома имеет более
интенсивное и более селективное поглощение на Х = 660 нм, чем
форма Ф730 (рис. 2.10), поэтому выход активной формы существенно
выше. При облучении светом Х=730 нм образуется около 2 % Ф73О и
98 % Фббо-
30
Длина волны,нм
Рис. 2.10. Спектр поглощения активной (Ф7л>) и неактивной (Ф</л) форм фитохрома
(пояснения в тексте).
Образование незначительного количества Ф73О в этом случае свя-
зано с очень низким поглощением лучей на X = 730 нм у формы Фево-
Другой важной особенностью фитохрома является наличие у него
поглощательной способности не только в красной, но и в сине-
фиолетовой области спектра, хотя эффективность поглощения синих
лучей ниже, чем у красных. Даже в зелёной области (500-600 нм),
согласно данным рис. 2.10, имеется некоторое поглощение энергии, а
это указывает на то, что в этой области спектра могут проявляться
(хотя и предположительно) фитохромные эффекты.
Рассмотренные спектральные свойства фитохрома дают основания
считать, что фитохромные эффекты фоторегуляции могут происхо-
дить при облучении растений в широком диапазоне видимого облуче-
ния. Для условий светокультуры это весьма важный вывод, так как
все серийные источники искусственного света, используемые в свето-
культуре, имеют излучение в широком спектральном диапазоне ви-
димого излучения.
При прорастании в грунте проростков растений (из семян или
клубней), происходящем, как правило, в темноте, вначале синтезиру-
ется форма Ф66о. Согласно данным рис. 2.10, любое облучение такого
проростка светом способствует синтезу активной формы Ф730. Поэто-
му можно утверждать, что в условиях искусственного облучения рас-
тения имеют активную форму фитохрома и система фоторегуляции,
за которую ответствен фитохром, влияет на рост и развитие растений
в условиях светокультуры.
Разумеется, при естественном освещении у растений также имеется
активная форма фитохрома. Установлено, что в этом случае соотноше-
31
ние Фвбо-Фтзо может меняться в зависимости от соотношения различных
спектральных областей в потоке излучения источников света.
Нередко для учёта фитохромного эффекта того или иного источ-
ника света оценивается соотношение потока излучения в красной об-
ласти спектра 600-700 нм (R) к потоку в ближней инфракрасной об-
ласти спектра 700-800 нм (FR). Считается, что соотношение R/FR
должно быть в диапазоне 1,05-1,25, что соответствует естественной
радиации (Smith, 1994). В этом случае доля активной формы фито-
хрома Ф730 в общем пуле активной и неактивной форм (Ф730 + Фвбо)
должна быть больше половины, то есть Ф7зо/(Ф?зо + Фббо) > 0.5- Со-
гласно рис. 2.11, это соотношение связано с R/FR асимптотической
зависимостью (асимптота кривой примерно соответствует 0,8) даже
при очень высоких значениях R/FR. Для дневного света это соотно-
шение колеблется в пределах 1,05-1,25 и может меняться в различных
экологических нишах (рис. 2.11). Существует точка зрения, что чем
лучше источник искусственного света удовлетворяет этим требовани-
ям (оцениваемым по соотношению R/FR), тем более он считается
«благоприятным» в отношении обеспечения оптимизации фитохром-
ного эффекта. Такая точка зрения является дискуссионной в приложе-
нии к светокультуре растений, поскольку не учитывает многогранного
действия светового фактора (в частности субстратной и регуляторной
роли света) на продукционный процесс растений в условиях искусст-
венного освещения.
Если бы фитохром был единственным фоторецептом у растений,
то тогда все фоторегуляторные реакции в красных лучах усиливались
бы в сравнении с синими лучами. Однако ряд физиологических реак-
ций растений усиливается при облучении синим светом в сравнении с
красным. Поэтому возникло предположение, что наряду с фитохромом
имеется ещё, как минимум, один фоторегуляторный пигмент, который
условно назван «рецептор синего света». Этот рецептор влияет на мно-
жество физиологических процессов, таких, например, как движение
устьиц, состояние цитоплазмы в клетках и другие процессы.
Таким образом, с точки зрения обеспечения в условиях свето-
культуры всего разнообразия фоторегуляторных реакций, в падаю-
щем на растения потоке излучения обязательно должны присутство-
вать синие и красные лучи. Прямая потребность в зелёных лучах из
современных представлений о фоторегуляторных механизмах у рас-
тений не вытекает.
Однако необходимо помнить, что, помимо обеспечения нормаль-
ного протекания фоторегуляторных процессов, необходимо обеспе-
чить достаточный уровень светового питания растений, то есть учи-
тывать субстратную роль света. Это накладывает свои особенности на
соотношение спектральных потоков излучения в ФАР, оптимальное
32
0.8
Отношение R/FR
Рис. 2.11. Зависимость между соотношениями R/FR и Фпо/Фьш (Smith, 1994).
Пояснения в тексте.
для различных видов растений и условий их вырашивания. В частно-
сти, с учётом всего комплекса этих условий в ряде случаев эффектив-
ным оказывается достаточно значительное содержание зелёных лучей
в общем светопотоке. Кроме того, необходимо иметь в виду, что для
обеспечения фоторегуляторных эффектов, как отмечалось выше, доста-
точно использовать низкие интенсивности света, которые могут быть
на один-два порядка ниже, чем интенсивности света, необходимые для
обеспечения субстратной роли света. Поэтому, если речь идёт только об
обеспечении фоторегуляторного эффекта, требуется крайне незначи-
тельное количество энергии той или иной длины волны. В таком коли-
честве видимое излучение, как фоновое, присутствует в современных
источниках света на протяжении всего видимого диапазона спектра.
Как правило, потребность в излучении тех или иных участков спектра
Диктуется обеспечением как субстратной, так и регуляторной функций
света в жизнедеятельности растений, а их оптимальное сочетание дос-
тигается выбором определённого соотношения между излучением от-
дельных спектральных областей в обшем потоке ФАР.
33
2.5. Методы оценки эффективности излучения
в светокультуре растений
В историческом плане развитие светокультуры тесно связано с
прогрессом в области создания источников света. Длительное время
эффективность использования искусственных источников света в ус-
ловиях светокультуры определялась исключительно тем, насколько
удачно светотехнические характеристики применяемых ламп, создан-
ных для промышленных и бытовых целей, удовлетворяют физиологи-
ческим потребностям растений. Вплоть до начала 60-х годов XX в.
источники света специально для светокультуры не создавались. Ос-
новной причиной такого положения было отсутствие чётко сформу-
лированных требований к растениеводческой лампе. Главная задача
состояла в том, чтобы выяснить, какой по интенсивности и спек-
тральному составу должен быть поток излучения, падающий на рас-
тения, чтобы быть наиболее эффективным.
Под величиной эффективности использования излучения в про-
дукционном процессе понимают эффективность использования излу-
чения ФАР того или иного спектрального состава и интенсивности на
построение общей или хозяйственно полезной биомассы растений.
Для вычисления коэффициента эффективности использования из-
лучения в продукционном процессе т| часто применяют формулу:
qY
Л = ——
где q — калорийность растений (ккал/г); Y — сухая биомасса растений
(общая или хозяйственно-полезная), накопленная за вегетационный
период с единицы площади (г/м2); - сумма фотосинтетически
активной радиации за рассматриваемый вегетационный период (ккал)
в расчёте на единицу площади фитоценоза (м2).
Чем выше г|, тем эффективнее используется свет растениями.
В данной интерпретации формула (2.3) носит достаточно общий
характер. Применительно к светокультуре растений коэффициент ц
часто называют коэффициентом энергетической эффективности фи-
тоценоза (Ничипорович, 1956) или КПД фитоценоза (Тооминг,1977).
Этот показатель очень важен для светокультуры растений, так как
позволяет определить экономичность использования излучения ФАР с
различными спектральными и энергетическими характеристиками в
продукционном процессе. В практике светокультуры расчеты г] ве-
дутся как на поглощенную, так и на падающую на ценоз ФАР. По-
следний вариант используется чаще, так как световые измерения в
этом случае значительно проще. Однако в научном плане иногда це-
(2-3)
34
лесообразнее оценивать т| в расчете на поглощенную энергию, по-
скольку именно за счет поглощенной энергии формируется величина У.
Кроме энергетической эффективности излучения для светокульту-
ры растений важное значение имеет понятие относительной спек-
тральной эффективности излучения. Здесь под спектральной эффек-
тивностью D излучения следует понимать величину, характеризую-
щую отношение интенсивности процесса накопления биомассы рас-
тений /ДХ| в исследуемой области спектра ЛХ1 к интенсивности этого
процесса /дх, при излучении в сравниваемой (контрольной) области
спектра ДХ2 (Тихомиров и др., 1991):
D = . (2.4)
Лх2
К настоящему времени высказано две точки зрения по оценке
спектральной эффективности ФАР для выращивания растений в усло-
виях искусственного освещения.
Первая из них базируется на том, что «белый» солнечный свет яв-
ляется лучшим для растений, поскольку филогенетическое развитие
растений происходило при нём, а следовательно, растение к нему
наиболее приспособлено (Тихомиров и др., 1991). Отсюда следует,
что чем ближе к естественному солнечному свету спектральный со-
став используемого в светокультуре излучения, тем эффективнее это
излучение для выращивания растений.
Однако в рамках такой концепции не учитывается, что многие рас-
тения адаптированы не просто к солнечному свету, а к тому спек-
тральному составу света, который доходит до них в условиях их эко-
логической ниши (Тихомиров и др., 1991). Действительно, в естест-
венной обстановке, когда имеется единственный источник света -
Солнце, для огромного множества растений, произрастающих при
различных температурных режимах, влагообеспеченности и плодоро-
дии почвы, на открытых пространствах и под пологом леса, в горных
условиях и в долинах, в морях и на суше, создаются условия освеще-
ния, существенно различающиеся как по интенсивности, так и по
спектральному составу света. Хорошо известно, например, что в ФАР,
проникшей в глубь прозрачной океанской воды, доминируют синие
лучи, а ФАР в горных районах обогащена сине-фиолетовыми лучами.
Зелёная область спектра существенна для освещения растений, оби-
тающих под пологом леса.
Таким образом, близкое к равноэнергетическому распределение
энергии в солнечном излучении скорее всего можно признать как
наиболее универсальное для энергетического обеспечения различных
видов растений в разных экологических нишах. Однако принцип уни-
35
версализации не соответствует принципу максимальной эффективно-
сти, и поэтому вполне понятно, что «белый» свет не может быть при-
знан максимально эффективным по своему спектральному составу для
обеспечения наивысшей продукционной деятельности любых растений.
Вторая точка зрения основана на поиске и установлении эффек-
тивных потоков излучения для различных видов растений.
Принцип оценки спектральной эффективности излучения зародил-
ся и получил своё развитие в физике и успешно использовался для
оценки спектральных характеристик физических приёмников оптиче-
ского излучения. В биологии этот принцип был успешно использован
при изучении глаза как приёмника оптического излучения и разработ-
ки в связи с этим методов опенки спектральной эффективности излу-
чения для человеческого глаза.
Прежде чем перейти к обсуждению возможностей использования
принципов оценки спектральной эффективности ФАР для растений,
напомним основные физические характеристики, которые для этого
потребуются.
Так как у нас приёмником излучения является биологический объ-
ект растительного происхождения, то мы должны ввести понятие
спектральной чувствительности такого биологического приёмника gx:
~ ----- >
' dF\ 4\dk
(2.5)
где Ф, - эффективно преобразованный биологическим приёмником
монохроматический лучистый поток с длиной волны X (то есть тот
поток излучения, энергия которого затрачена растительным организ-
мом на многогранные процессы жизнедеятельности, в том числе на
фотосинтез, рост, развитие, формирование урожая и т. д); — моно-
хроматический лучистый поток, падающий на биологический приём-
ник от источника света; 'Р, - спектральная плотность падающего мо-
нохроматического лучистого потока в интервале длин волн сГ/..
Тогда, если известно спектральное распределение энергии в пото-
ке излучения источника света Ч'(Х), можно определить эффективный
поток излучения как
^2
Ф= jT(X)g(X)dX, (2.6)
м
где Х| и Х2 - границы участка спектра, в пределах которого заключён
поток излучения, падающего на биологический приёмник излучения.
Попытка использовать понятия эффективного потока для оценки
спектральной эффективности ФАР при выращивании растений изло-
36
жена в работе И. И. Свентицкого (1982). Суть её сводится к тому, что
для искусственного излучения, используемого для выращивания рас-
тений, как на общую биомассу, так и на хозяйственно-полезный уро-
жай, существует универсальный спектр ФАР, наиболее благоприят-
ный для фотосинтеза абсолютного большинства зелёных растений.
Исходя из этого, формула (2.6) применительно к растительным ор-
ганизмам может быть записана в следующем виде:
7 = 700
ф= (2.7)
Х-400
где Ф — эффективный (фотосинтезный) поток излучения. Остальные
обозначения совпадают с (2.6). Функция g(X) в данной формуле основа-
на на кривой спектра действия фотосинтеза зелёного листа (рис. 2.12).
Наиболее привлекательным в этом подходе по оценке спектраль-
ной эффективности ФАР является его универсальность, из которой
следует наличие единого эффективного потока излучения, то есть из-
лучения ФАР, спектральное распределение энергии, которой наиболее
оптимально для всех видов растений и условий их выращивания. Ра-
зумеется, что несомненное достоинство такого подхода в его практи-
ческой реализации. Однако постановка вопроса о практической реали-
зации такого подхода правомерна лишь тогда, когда проведён науч-
ный анализ обоснованности наличия универсального эффективного
потока излучения при выращивании растений в условиях искусствен-
ного освещения.
В этой связи выявлены обстоятельства, которые указывают на науч-
ную некорректность введения фотосинтезного потока, определяемого
Длина волны, нм
Рис. 2 12. Усреднённая кривая спектра действия фотосинтеза зелёного листа
(по данным МсСгес, 1972).
37
формулой (2.7) для оценки эффективности излучения в светокультуре.
Так, при введении эффективного «фотосинтезного» потока оценка
разноспектральных потоков основана на измерении не реального фо-
тосинтеза, имеющего место при длительном выращивании растений
при излучении того или иного спектрального состава, а «потенциаль-
ного», который измеряется при кратковременной (2—3 мин.) экспози-
ции на монохроматическом потоке того или иного участка ФАР с от-
носительно низкой (15—ЗОВт/м2) облучённостью.
Разумеется, что в условиях выращивания растений при искусст-
венном освещении такая оценка эффективности разноспектральных
потоков ФАР предполагает наличие тесной корреляции между вели-
чиной отмеченного выше «потенциального» фотосинтеза и продук-
тивностью растений. Необходимость такого сопоставления диктуется
жёстким требованием: конечная цель выращивания растений в свето-
культуре - это формирование урожая растений.
Поэтому, хотя в основу понятия эффективного фотосинтезного по-
тока положена величина «потенциального» фотосинтеза, реально
сравнение разноспектральных потоков ФАР ведётся на основе данных
по накоплению хозяйственно полезной биомассы растений.
Известно, что фотосинтез и накопление хозяйственно полезной
биомассы при длительном воздействии излучения смешанного спек-
трального состава коррелирует далеко не всегда. Что же касается «по-
тенциального» фотосинтеза, то обсуждение его корреляции с накоп-
лением биомассы, которое происходит лишь при достаточно длитель-
ном воздействии света на растения, даёт отрицательные выводы, по-
скольку в этом случае приходится сопоставлять кратковременный
минутный эффект (фотосинтез) и длительный многосуточный эффект,
оцениваемый по конечному результату (накоплению биомассы). Даже
в рамках одного процесса - фотосинтеза кратковременное и длитель-
ное воздействие спектрального состава света на растительный орга-
низм может оказаться несовпадающим. Так, например, действие крас-
ного света на лист огурца при кратковременном воздействии даёт
максимальный фотосинтез по сравнению с синими и зелёными луча-
ми, а при длительном воздействии приводит зелёный лист к гибели.
Последнее обстоятельство экспериментально доказывает, что чёткой
и устойчивой корреляции между «потенциальным» фотосинтезом и
приростом биомассы растений может не быть.
Другим недостатком введения рассматриваемого фотосинтезного
потока для оценки эффективности излучения в светокультуре расте-
ний является игнорирование адаптационных эффектов растительного
организма к длительному воздействию излучения определённого
спектрального состава.
38
Известно, например, что при длительном пребывании на свету,
лишённом синего компонента ФАР, листья ряда растений, как био-
логические приёмники излучения, могут вообще прекратить своё
существование. Таким образом, адаптация листа к разноспектраль-
ным потокам ФАР при введении эффективного фотосинтезного по-
тока не учитывалась.
Следующим недостатком обсуждаемого подхода в оценке эффек-
тивности излучения являются условия определения функции спек-
тральной чувствительности g(X). Эта функция определена для отдель-
ных листьев при облучённостях £=10-30 Вт/м2 и ЛХ = 20нм. Если
использовать формулу (2.6) для оценки эффективного потока ФАР в
реальных условиях выращивания растений на урожай, как это имеет
место в условиях интенсивной светокультуры, то целесообразно ис-
пользовать уровни облучённости £ = 100-150 Вг/м2 ФАР. Иными сло-
вами, «работоспособность» формулы (2 7) нужно проверять в услови-
ях интенсивной светокультуры. Известно, что спектральная эффек-
тивность действия излучения ФАР сильно зависит от её интенсивно-
сти. Общей тенденцией, как это показано в ряде исследований, явля-
ется усиление эффективности синих лучей и ослабление эффективно-
сти красных лучей с ростом уровня облучённости ФАР. Этот факт
указывает, что универсальность эффективного фотосинтезного потока
для разных уровней облучённости отсутствует.
Проведённые экспериментальные исследования подтвердили на-
личие указанных выше недостатков формулы (2.7). Результаты иссле-
дований по фотосинтезу и продуктивности растений, проведённые на
ценозах при использовании различного спектрального состава и ин-
тенсивности ФАР показывают, что у растений разных видов различны
требования к оптимальному сочетанию спектральных и энергетиче-
ских характеристик светового режима их выращивания. Это вносит
ряд существенных усложняющих особенностей при введении и ис-
пользовании основных терминов, необходимых для корректного оп-
ределения самого понятия эффективного потока ФАР применительно
к реальным условиям выращивания при искусственном освещении.
Среди этих терминов исключительно важное значение имеет функция
спектральной чувствительности растения. Здесь следует отметить, что
вводить такую функцию наиболее корректно для ценоза растений, а
не отдельно взятого зелёного листа. Это связано с тем, что всевоз-
можные характеристики, снятые на листовом и ценотическом уровне,
могут существенно разниться. Ценотическое взаимодействие расте-
ний в посеве оказывает большое влияние на формирование урожая.
Сам урожай растений есть результат сложного взаимодействия раз-
личных процессов в растительных организмах, начиная с фотофизи-
ческих и кончая биохимическими. С учётом 'вышеизложенного логи-
39
чески правильным будет ввести понятие функции спектральной чув-
ствительности биосинтеза ценоза растений, которая зависит не только
от спектрального состава излучения, но и от другого светового факто-
ра - уровня облучённости Е. Функцию спектральной чувствительно-
сти фитоценоза как приёмника оптического излучения о можно пред-
ставить в виде
о =/[£(Х); Л], (2.8)
где Л - множество, состоящее из всех длин волн X, принадлежащих
пектральному диапазону ФАР (400-700 нм).
Тогда по аналогии с формулой (2.7) и подставляя значение функ-
ции о в формулу (2.7), получим следующее выражение для эффектив-
ного потока Ft
Х=70Р«лг
F = Jo[£(X);A]q>(X)<7X, (2.9)
Х=400н.и
где <р(Х) - функция распределения энергии в спектре излучения ис-
точника света.
Разумеется, на практике вместо X приходится использовать опре-
делённые спектральные интервалы АХ. Тогда в (2.9) знак интеграла
необходимо заменить на знак суммы. Именно на основании такого
подхода были определены эффективные потоки излучения для цено-
зов огурца и томата и созданы образцы высокоэффективных специа-
лизированных ламп. Исследования в этом направлении, проведённые
в Институте биофизики СО РАН совместно с ВНИСИ (г. Москва) и
Гипронисельпромом (г. Орёл), показали, что поиск функций спек-
тральной чувствительности для каждого вида растений не имеет
смысла, так как многие виды растений имеют близкие требования к
спектру и интенсивности ФАР. Поэтому для целых групп культур
функции спектральной чувствительности не будут иметь достоверных
различий. В этой связи важно выбрать критерий, классифицирующий
растения на разные группы. Показано, что в качестве такого критерия
может быть принята чувствительность к красному свету. В этом слу-
чае виды растений, выращиваемых в условиях светокультуры, можно
условно разделить на три группы: растения, погибающие при дли-
тельном воздействии красного света (например, огурец), в связи с чем
необходимо ограничение в светопотоке доли красных лучей; расте-
ния, активно растущие и плодоносящие в красных лучах (например,
томат); растения, наиболее активно растущие на белом свету (Тихо-
миров и др., 1991).
Учитывая эти особенности реакции растений на красный свет, ста-
новится возможным разработать методы оценки эффективности излу-
40
чения для растений. В результате такой оценки исследуемые растения
попадают в одну из указанных выше групп.
Это даёт основание говорить, по крайней мере, о трёх типах эф-
фективных потоков с ограниченным содержанием красных лучей:
первый - до 50 % в области ФАР, второй - до 75 % в области ФАР,
третий - равноэнергетическое излучение в области ФАР.
При необходимости более точной оценки в отношении спек-
трального состава эффективного потока можно воспользоваться
формулой (2.9).
Подчеркнём, что все вышеизложенное касается методов оценки
эффективности излучения для условий полной светокультуры, то есть
при отсутствии естественного света и достаточно высокой интенсив-
ности искусственного света. Если растения выращиваются на естест-
венном свету с искусственной подсветкой, то строгость выбора спек-
трального состава искусственного света в значительной мере теряет
актуальность, так как фон солнечного света «размывает» структуру
спектра суммарного потока излучения, падающего на растения.
2.6. Спектральная эффективность
действия излучения ламп на растения
При оценке фотобиологического действия излучения ламп на рас-
тения принято учитывать роль ультрафиолетовой, видимой и инфра-
красной областей спектра.
Что касается УФ-радиации, то её содержание в оптическом излу-
чении может также существенно влиять на продуктивность растений.
Однако, поскольку колбы современных металлогалогенных ламп
имеют близкие границы пропускания незначительных количеств ко-
ротковолнового излучения УФ-области спектра, соответствующие
примерно 210-215 нм, то влияние последней на продуктивность рас-
тений в светокультуре мы здесь не рассматриваем. УФ-радиация яв-
ляется предметом будущих специальных исследований и может также
рассматриваться как резерв в дальнейшем повышении продуктивно-
сти растений.
В настоящее время ближайшей, а поэтому наиболее реальной пер-
спективой повышения эффективности излучения ламп, используемых
в светокультуре, является оптимизация спектрального состава их
ФАР. Это связано, с одной стороны, с достаточно высоким уровнем
светотехнических разработок, позволяющих варьировать спектр излу-
чения ФАР различных по мощности источников света в весьма широ-
ких пределах, а с другой, - с накоплением фактического материала по
физиологическому воздействию излучения различных участков ФАР
на разнообразные стороны жизнедеятельности высших растений,
включая продукционный процесс, исследованный на ценотическом
41
уровне. Именно исследования на ценотическом уровне являются не-
обходимым заключительным звеном, позволяющим перейти к форму-
лировке физиологически обоснованных требований по спектральному
составу ФАР растениеводческих ламп.
При оценке степени пригодности источника света для выращива-
ния растений важным является определение соотношения физиологи-
чески значимых областей ФАР в видимом излучении.
В качестве практической реализации данного подхода рассмотрим
возможности оценки эффективного потока ламп. Для этого использу-
ем способ, в основе которого лежит спектрозональный метод, доста-
точно широко применяемый в светотехнике для оценки цветопереда-
чи источников света. Используя такой метод для оценки эффективно-
го потока растениеводческих ламп, необходимо, разумеется, учиты-
вать те особенности растений, которые у них проявляются при адап-
тации к длительному воздействию спектра и интенсивности ФАР. С
учётом этого доля / эффективного потока для каждой спектральной
зоны излучения ФАР растениеводческих ламп может быть представ-
лена следующим образом:
|ф(Х)£(£,; EXJdX
’ <21°)
|ф(Х)£(£х;ЕХ;)<Л
Z=400hm
где Ф(Х) — относительная спектральная плотность энергетической ве-
личины излучения растениеводческой лампы; £(£,; ЕХ,) — относитель-
ная функция спектральной чувствительности того биологического
процесса, который является целью выращивания растений (общий
урожай, хозяйственно полезный урожай, фотосинтез и т. д.); X,' и Х;" -
длины волн, соответствующие границам /-той спектральной зоны.
Поскольку в (2.10) в числителе фактически стоит значение эффек-
тивного потока Ф, в спектральном диапазоне, ограниченном длинами
волн X,' и Л/’, в знаменателе — значение эффекзивного потока Ф для
всего спектрального диапазона ФАР, а Ф, и Ф связаны соотношением
Ф = £ф,, (2.11)
i=i
томожно определить как
^=Ф,/Ф. (2.12)
Таким образом, предлагаемый метод оценки спектральных харак-
теристик растениеводческих ламп включает в себя оценку эффектив-
ности потока этих ламп в соответствии с требованиями, предъявляе-
мыми к спектру излучения того или иного типа растениеводческой
лампы. Несомненно, такой метод оценки спектральных характеристик
растениеводческих ламп должен базироваться на физиологически обос-
нованных данных. Поэтому в качестве примеров рассмотрим, как мож-
но использовать такой метод для оценки спектральных характеристик
источников света, предназначенных для выращивания огурца и томата.
В первую очередь необходимо определить относительное распре-
деление эффективного потока по спектральным зонам ФАР. Для рас-
тениеводческих ламп здесь нужно основываться на наличии, как ми-
нимум, трёх физиологически значимых участков спектра: «синем»
(400—500 нм), «зелёном» (500-600 нм) и «красном» (600-700 нм).
Разумеется, что при этом физиологически значимые области спектра
могут быть разбиты на более узкие спектральные зоны. Однако такое
сужение спектральных диапазонов приводит к ряду трудностей био-
логического и технического характера, связанных с оценкой в реаль-
ных условиях эффективности излучения этих участков в формирова-
нии урожая растений (Тихомиров и др., 1991). Поэтому, пока эти
трудности не преодолены, представляется целесообразным ограни-
читься разбиением спектрального диапазона ФАР на три вышеуказан-
ных участка. Тогда долю / (в процентах) эффективного потока для
каждого такого участка спектра можно определить, пользуясь форму-
лой (2.10) и заменяя интегрирование суммированием:
1? ( з А
£>(Х)В£ДХ1;ХДХ, АХ,
= x=7oL Г "з \ *100%> <213>
X Ф(Х)В £м,;£аХ, Д\
1=400 пт \ /=] J
где Ф(Х) - те же, что и в (2.10), £(£>.; ЕХ;) - относительная функция
спектральной чувствительности по хозяйственно-полезному урожаю;
1, 2, 3; ДА; = 100 нм, EXj = 400-700 нм; X/ и X/’ - длины волн, соот-
ветствующие границам /-той спектральной зоны, где при /= 1
V = 400 нм, Xi" = 500 нм; при /=2, X/ = 500 нм, Х," = 600 нм; при
'= 3, X/ = 600 нм, X" = 700 нм.
Таким же образом можно конкретизировать формулу (2.10) для за-
писи эффективных потоков Ф, в каждой спектральной зоне. Эталон-
•п* значения /, согласно физиологическим исследованиям
(Тихомиров и др., 1991), составляют для огурца: f =20%, f2 = 40 %,
fi ~ 40 %, а для томата [\ = 20 °/o,f2 = 15 °/o,f2 = 65 %.
Особое значение при выращивании огурца и томата на урожай
следует придавать величинам^. Колебания f3 как в сторону уменыпе-
42
43
ния, так и в сторону увеличения более существенно, чем колебания f
wfi, влияют на продуктивность растений. В частности, при/, » 40 %
для огурца может не только резко снизиться величина урожая, но и
наступить гибель растений (Тихомиров и др.,1991).
Для выявления особенностей действия видимого излучения ламп
на растения необходим также учёт структуры их спектра.
Современные источники света, используемые для выращивания
растений, в своём большинстве имеют не сплошной, а линейчатый
спектр излучения. Сплошной поток излучения источника света можно
представить в виде
^2
Fc = , (2.14)
х,
где Fc - поток излучения со сплошным спектром; Х2 - границы об-
ласти ФАР; Ф(Х) — спектральная плотность излучения. Для источника
света с линейчатым спектром поток излучения записывается как
т
ГЛ=£ф'(Х)ДЛ;, (2.15)
где Дл - поток излучения с линейчатым спектром; Ф'(А.) - спектраль-
ная плотность излучения отдельной Л,-той резонансной линии, т -
количество резонансных линий.
С учётом линейчатости спектра излучения, плотности потоков из-
лучения Ф'(Х) для отдельных длин волн X; могут быть весьма велики,
даже соответствовать не только насыщению, но и ингибированию
отдельных фотобиологических процессов, фоторецепторы которых
имеют максимум поглощения на данной длине волны. В принципе,
такая ситуация может иметь место и в том случае, когда общий лучи-
стый поток ФАР данного источника света по своей величине ещё не
достигает насыщающих значений по фотосинтезу или продуктивно-
сти. Действительно, если, пользуясь формулами (2.14) и (2.15), такой
поток со сплошным спектром излучения Fc сравнить с потоком с ли-
нейчатым спектром ДЛ, то можно записать три следующих случая при
1) Ф'М » Ф(Х);
2) Ф'(Х) > Ф(Х); (2.16)
3) Ф’(Х) « Ф(Х).
Эффект насыщения или перенасыщения может наблюдаться для
отдельных длин волн при использовании линейчатого спектра в пер-
44
вом и втором случае, что в целом может снижать урожаи растений
(Тихомиров и др., 1991).
Это даёт основание считать, что формирование урожая в разно-
спектральных потоках ФАР есть результат работы комплекса фоторе-
акций и фотопроцессов, возможная нелинейность световых кривых
для некоторых из них указывает на отсутствие оптимального единого
спектрального распределения ФАР, обеспечивающего максимальный
выход по нужному биологическому продукту (общая биомасса, уро-
жай, биологически ценные вещества и т. д.).
Рассмотренный материал выявляет ряд особенностей воздействия
искусственного излучения на растения. Они носят общий характер и
не относятся конкретно к тому или иному источнику света. Тем не
менее, при анализе спектров излучения конкретных источников света
на них необходимо обращать внимание. Это особенно важно, если
спектр излучения лампы в области ФАР имеет линейчатую структуру
с редко расположнными резонансными линиями излучения.
Влияние различных диапазонов инфракрасной радиации (ИКР) на
формирование урожая растений еще недостаточно изучено. Поэтому
существуют разные взгляды на целесообразность присутствия раз-
личной по спектру и интенсивности излучения ИКР в интегральном
излучении искусственных источников света для условий светокульту-
ры. Так, например, по данным Рождественского и Клешнина (1980),
ИКР желательно полностью удалить при работе с искусственной ра-
диацией. По данным Мошкова (1966) и Шахова с соавторами (1961),
присутствие ИКР в потоке излучения положительно действует на
процессы роста и развития растений. Имеются данные о том, что из-
менение ближней ИКР в потоке излучения влияет на видимый фото-
синтез растений (Одуманова-Дунаева, 1977).
Отсутствие четких представлений о роли ИКР в жизнедеятельно-
сти растений связано с недостатком систематических исследований по
данному вопросу. В настоящее время исследования в этом направле-
нии часто ограничиваются анализом фотобиологической эффективно-
сти источников света с различным содержанием ИКР в их лучистом
потоке, и на основании этого делаются определенные выводы о роли
различного количества ИКР в жизнедеятельности растений.
Для условий светокультуры весьма актуальным является вопрос, —
каким должно быть оптимальное соотношение ФАР/ИКР для обеспе-
чения максимальной продуктивности по хозяйственно полезной био-
массе прн тех или иных условиях выращивания растений. При этом
часто упускается из виду, что различия по интенсивности и спектру в
области ФАР у таких источников света искажают истинное фотобио-
логическое воздействие изучаемых потоков ИКР на растения (Волко-
ва и др., 1982). С другой стороны, фотобиологическая эффективность
45
Таблнца 2.2
Влияние излучения ламп ДРФ-1000 и ДКсТВ-6000 на урожай корнеплодов редиса,
облученность 100 Вт/м’ ФАР
Тип лампы Доля ИКР в излучении лампы, % Сухая биомасса корнеплодов, г/м’
ДРФ-1000 40 375 ±31
75 215 ± 17
ДКсТВ-6000 60 250+ 18
40 330 + 27
20 380 ± 28
ФАР для различных источников света должна проводиться при вы-
равнивании доли ИКР в общем излучении. Это подтверждается дан-
ными табл. 2.2.
Из табл. 2.2 видно, что истинное воздействие отдельных участков
ФАР на жизнедеятельность растений также может маскироваться раз-
личным присутствием доли ИКР в излучении. Поэтому при сравнении
эффективности излучения различных источников света в области
ФАР необходимо выравнивать долю ИКР у этих источников света.
Влияние различной доли ИКР в искусственном излучении на продук-
тивность растений показано на рис. 2.13.
Из рисунка видно, что в пределах 20—50 % от общего излучения
ИКР не влияла существенным образом на урожай зерна, а лишь силь-
но изменяла сроки вегетации. Наиболее рациональным для данного
Доля ИКР в интегральном
потоке излучения, %
Рис.2.13. Влияние различной доли ИКР в лучистом потоке
на сроки созревания (кривая 1) и урожай зерна пшеницы (кривая 2)
при облученности 150 Вт/мг ФАР.
46
светового режима является 50-60 % ИКР в обшем излучении. В этом
случае при сохранении наиболее высокого выхода зерна сроки вегета-
ции минимальные. Дальнейший рост доли ИКР значительно умень-
шает продуктивность, а уменьшение доли ИКР сильно удлиняет сроки
вегетации. В применении к светокультуре эти данные могут быть уч-
тены, например, при селекции растений в искусственных условиях
(см. далее раздел 9.4).
С точки зрения получения высоких значений продуктивности, су-
ществует несомненная взаимосвязь между долей ИКР и интенсивно-
стью ФАР. Вполне вероятно, что при уровне облученности ФАР, от-
личном от приведенного на рис. 2.13, оптимальное соотношение
ФАР/ИКР может измениться. Как правило, с ростом уровня облучен-
ности долю ИКР в лучистом потоке целесообразно уменьшать, по-
скольку ее абсолютный рост усиливает негативные процессы, связан-
ные с перегревом фотосинтетического аппарата, ухудшением водного
режима растений из-за изменения транспирации, н это никак не может
быть скомпенсировано ростом излучения в видимой области спектра.
То есть для каждого уровня облученности ФАР существует, вероятно,
оптимальная доля ИКР в отношении максимальной величины урожая.
Это подтверждается данными табл. 2.2. Видно, что рост доли ИКР в
излучении лампы ДКсТВ-6000 снижает урожай корнеплодов.
Если сопоставить данные табл. 2.2 и рис. 2.13, можно заключить,
что присутствие ИКР в общем лучистом потоке искусственных ис-
точников света может быть вполне оправданным, а ее оптимальная
доля в излучении сильно зависит от видовых особенностей растений и
уровня облучённости ФАР.
Кратко остановимся на спектральном составе ИКР и необходимости
его учета в светокультуре растений. Известно, что ближнее инфракрас-
ное излучение (750-1200 нм) слабо поглощается водой и тканями листа.
Традиционно считается, что такая ИКР не играет существенной роли в
жизнедеятельности растений. Для области X > 1200 нм характерно
сильное поглощение излучения водой, а, следовательно, и тканями лис-
та, и при большой интенсивности тепловой радиации последняя может
оказать отрицательное воздействие на формирование урожая. Возмож-
но, что именно из-за этого наблюдается снижение продуктивности с
Ростом доли ИКР в общем излучении, представленное на рис. 2.13.
Проблема воздействия ИКР с Х> 1200 нм на жизнедеятельность
Растений имеет непосредственное значение для условий светокульту-
ры. Это связано с тем, что в отличие от ламп, для охлаждения которых
Используется вода, например ламп ДКсТВ-6000, все «сухие» лампы,
многие из которых по своим светотехническим и эксплуатационным
характеристикам превосходят ксеноновые лампы ДКсТВ-6000, имеют
в своем излучении существенную долю сильно поглощаемую водой
47
ИКР с X > 1200 нм. Поэтому исследование вопроса о воздействии теп-
ловой радиации с X > 1200 нм на растения весьма актуально.
Таким образом, выбор наиболее оптимального источника искусст-
венного излучения для выращивания растений должен обязательно
учитывать не только соотношение ФАР/ИКР, но и соотношение
ИКРд>12оо нм/ИКР х<|2<ю нм- В общем случае можно считать, что чем
выше уровни облученности, необходимые для выращивания растений,
тем меньше должно быть это соотношение.
Контрольные вопросы к главе 2
I. Охарактеризуйте спектральный диапазон оптического излучения и
определите в нём место видимого излучения.
2. Что означают термины «субстратное» и «регуляторное» действие
света?
3. Какие вы знаете спектральные диапазоны ультрафиолетового, ви-
димого и инфракрасного излучения, учёт которых важен в свето-
культуре растений? Какие из них обладают субстратным, а какие -
регуляторным действием и почему?
4. Какие биологические структуры ответственны за поглощение све-
та растением и как зависит их поглошательная способность от
длины волны света?
5. Что означает понятие «средний» зелёный лист? От чего зависит
его спектр поглощения?
6. Каковы особенности распределения света внутри ценоза?
7. Какая направленность излучения более эффективна для облучения
ценоза растений?
8. Что такое фитохром и какова его роль в растении?
9. На чем основано утверждение, что фитохром не является единст-
венным рецептором фоторегуляции у растений? Какова роль дру-
гих фоторецепторов в фоторегуляции у растений?
10. Как определяется коэффициент эффективности использования излу-
чения в продукционном процессе и за счёт чего его можно повысить?
11. Почему спектральный состав естественного света нельзя априори
признать максимально эффективным для светокультуры любых
растений?
12. Что такое эффективный поток излучения и в чём биологический
смысл его введения для светокультуры растений?
13. В чём разница подходов при определении эффективных потоков
излучения на основании спектров действия фотосинтеза листа и на
основании данных по длительному воздействию света на ценозы
растений?
14. Как влияет различная доля ИКР на эффективность излучения ис-
точников света в светокультуре растений?
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В УСЛОВИЯХ СВЕТОКУЛЬТУРЫ
Важнейшим условием рационального выращивания растений в ус-
ловиях светокультуры является оптимизация их светового обеспече-
ния, когда выбранные характеристики радиационного режима обеспе-
чивают максимальную эффективность использования падающей лу-
чистой энергии. При этом существенное значение имеет правильный
выбор единиц измерения излучения искусственных источников света.
Измерения, сделанные разными приборами, в различных единицах,
часто делали невозможным объективное сопоставление условий вы-
ращивания растений, а, следовательно, успешное использование и
рвспространение световых технологий в тепличных хозяйствах. Осо-
бенно большие трудности вызывало сопоставление единиц измерения
оптического излучения, так как связь между ними работникам теп-
личных хозяйств в доступной литературе найти весьма непросто.
С учётом этих проблем рассмотрим последовательно принципы
измерения лучистой энергии для условий светокультуры.
3.1. Физические единицы измерения лучистой энергии
Физические величины измерения радиации в условиях светокуль-
туры характеризуют количество энергии, приходящей к растению в
том или ином диапазоне длин волн. Это может быть УФ-диапазон,
диапазоны ФАР, ИКР или какие-либо их части. В этом случае не рас-
сматриваются особенности взаимодействия излучения с растением, не
принимается во внимание реакция растений на те или иные длины
волн. Поэтому приходящая к растениям лучистая энергия оценивается
объективно: с помощью прибора регистрируется вся радиация, прихо-
дящая к растению в том или ином волновом диапазоне. Отсюда физи-
ческие единицы часто называют объективными или энергетическими.
Энергетические единицы часто выражают в Вт/м2. Известно, что в
ваттах (Вт) измеряют мощность. Для условий светокультуры Вт/м2 —
это мощность лучистого потока, приходящего на площадь поверхно-
сти 1 м2. Поскольку мощность - это количество энергии, затрачивае-
мое в единицу времени, то можно записать:
Вт/м2 = Дж/(м2-с),
где Дж — джоуль (единица измерения энергии в СИ); с — секунда.
В Вт/м2 удобно измерять видимый диапазон оптического излуче-
ния, практически совпадающего с областью ФАР. В этом случае ре-
жимы облучения в светокультуре могут составлять десятки, а иногда
и сотни Вт/м2 ФАР. Примерно таких же величин в условиях свето-
48
49
культуры может достигать энергия в ПК-области спектра, поэтом}
здесь также широко используются измерения в Вт/м".
Доля излучения в УФ-области спектра для условий светокульту-
ры обычно невелика и составляет, как правило, несколько процентов
от интегрального лучистого потока. В основном это длинноволно-
вый («мягкий») ультрафиолет. Однако в ряде случаев некоторые
источники света необходимо контролировать по доле испускаемого
жёсткого ультрафиолета с длиной волны 290-280 нм и менее. В этих
случаях величины измерения лучистой энергии могут составлять
сотые доли процента Вт/м2. Чтобы избежать дробей в записи малых
величин энергии в УФ-области спектра, иногда используют уста-
ревшие (не вошедшие в СИ) единицы измерения лучистой энергии в
эрг/(см2 с); известно, что Дж=107эрг. Поэтому Вт/м2 = Дж/(м2-с) =-
= 10 эрг/(104 см2 с) = 103 эрг/(см2 с).
В старой и некоторой современной литературе измерения в
эрг/(см2-с) встречаются и для видимого спектрального диапазона.
В последние годы в практике измерения лучистой энергии всё ча-
ще стали использоваться физические величины измерения, когда оце-
нивается количество квантов падающего на растения излучения.
Введение системы измерений в квантовых потоках основано на
использовании закона Гротгуса. Согласно этому закону падающий па
вещество квант света способен инициировать только одну фотохими-
ческую реакцию, то есть потенциально количество фотореакций зави-
сит от количества падающих квантов света.
Разумеется, совершенно необязательно, чтобы каждый квант света
непременно инициировал фотохимическую реакцию, но более одной
такой реакции он вызвать не может. Поэтому, зная количество кван-
тов света, падающих на растительный организм, можно предположить
предельно возможное число фотореакций. С другой стороны, возник-
новение фотореакции изначально связано с переходом в возбуждён-
ное состояние молекулы вещества. Если речь идёт о фотосинтезе, то
такой молекулой может быть молекула хлорофилла или каротиноида.
Следовательно, в идеальном случае каждый упавший на растение
квант света потенциально способен перевести в возбуждённое состоя-
ние молекулу пигмента.
В связи с этим можно говорить о некоем соответствии количества
падающих квантов количеству молекул вещества, способных их вос-
принять. Чтобы установить стандарт такого соответствия, удобно
воспользоваться числом Авогадро. Известно, что число Авогадро -
это количество молекул вещества в одном моле вещества. Эта вели-
чина постоянная (правда, это в полной мере справедливо для газооб-
разных веществ) и равна 6,02-1023 молекул в моле вещества. В идеаль-
ном случае моль вещества полностью прореагирует с лучистым пото-
ком, если на него упадёт количество квантов, равное числу Авогадро.
Отсюда следует, что число квантов, равное числу Авогадро, может
быть принято как определенный стандарт или единица квантового
потока, получившая название Эйнштейн (Э) Нередко вместо названия
Эйнштейн используют термин «моль квантов», что в данном случае
является синонимом 1 Э. Таким образом, 1 Э = 6,02-10ъ квантов (моль
квантов) —это внесистемная физическая единица измерения квантово-
го потока. В светокультуре эта единица имеет ограниченное исполь-
зование, но в настоящее время встречается всё чаше, особенно в зару-
бежной литературе. Поэтому 1 Э - это единица измерения энергии
лучистого потока, и по аналогии с 1 Дж и 1 эрг измерение в этих еди-
ницах ведут в расчёте на единицу площади в единицу времени. Э/м2-с.
На практике для удобства часто используют микроэйнштейны (мкЭ).
Необходимо иметь в виду, что равные квантовые лучистые потоки
дают разные значения величины энергии в различных спектральных
интервалах. Это связано с тем, что энергия квантов отдельных участ-
ков спектра различна согласно формуле (2.1). Согласно этой формуле,
чем больше длина волны излучения, тем менее «энергоёмкими» кван-
тами оно представлено. Отсюда также следует, что у равных в энерге-
тическом отношении лучистых потоков (оцениваемых, например, в
Вт/м ) может быть разное количество квантов. Так, синий свет в этом
случае содержит меньше квантов, чем красный свет, поскольку его
кванты в энергетическом отношении более «крупные». Отношение
энергий «синего» и «красного» квантов легко определить, используя
формулу
EJEKp — /?сХкр/(/гсЛс) — ЛКр/Хс. (3.1)
Взяв Хкр=650 нм, а Л.с=450 нм, что соответствует длинам волн, на-
ходящихся в средней части «красного» (600-700 нм) и «синего» (400-
500 нм) участков спектра, получим; Ес/Екр ® 1,56.
Таким образом, «синий» квант с длиной волны Л = 450 нм имеет в
1,56 большую энергию, чем «красный» квант с Л = 650 нм.
Из фотобиологии известно, что для инициации различных фото-
химических процессов должен быть преодолён определенный энерге-
тический барьер. При этом, чем выше энергетический барьер, тем бо-
лее энергоёмким должен быть квант света, способный «запустить»
Данный фотобиологический процесс. Поэтому, если лучистой энергии
много, но она представлена низкоэнергетическими квантами, некото-
рые фотобиологические эффекты возникнуть не могут. В то же время,
еслИ общая величина энергии относительно невелика, но представле-
«Крупными» в энергетическом отношении квантами, такие фото-
нологические эффекты возникают В этой связи важно знать не толь-
50
51
Таблица 3 1
Энергия излучения в видимой области спектра (Хит, 1988)
Длина волны, нм Цвет Энергия в расчете на 1 моль Энергия I кванта, 1 эВ
Дж ккал
700 Красный 17,10 10' 40,87 1,77
650 Оранжево- красный 18,40 104 43,98 1,91
600 желтый 19,95-10' 47,68 2,07
500 Синий 23,95 104 57,24 2,48
400 Фиолетовый 29,93-10' 71,53 з.ю
ко общую энергию излучения, но и каким количеством квантов энер-
гия представлена. Важное значение имеет также энергия квантов.
В светокультуре, как правило, используются лучистые потоки все-
го спектрального диапазона ФАР, в которых представлены кванты
света различных длин волн. Это обеспечивает ход всего многообразия
фотобиологических процессов, присущих растительным организмам.
Поэтому неслучайно, что в условиях светокультуры высокие уро-
жаи получают при использовании ФАР, которая по спектру близка к
равноэнергетическому. Поток равноэнергетического излучения со-
держит различное количество квантов света в синей, зелёной и крас-
ной областях спектра.
Однако не все кванты света (фотоны) вызывают фотобиологиче-
ские эффекты. Отношение числа фотонов, прореагировавших с веще-
ством, к числу поглощённых фотонов называют квантовой эффектив-
ностью процесса
^=м/р, (3-2)
где м — число прореагировавших фотонов; р — число поглощенных
фотонов.
Из рассмотренных энергетических величин каждая имеет предпоч-
тения при определённых условиях. При измерениях лучистых потоков
в научно-исследовательских целях предпочтение нередко отдаётся
квантовым единицам, Э (Эйнштейнам). Измерения лучистой энергии
при реализации различных световых технологий выращивания расте-
ний лучше проводить в Вт/м2, так как в данном случае проще оценить
затраты электроэнергии на единицу производимой продукции, по-
скольку цены и тарифы на электроэнергию приведены к 1 Вт.
В принципе возможны пересчёты Э/м2с в Вт/м2 и другие энерге-
тические величины. Для этого полезно использовать соотношения,
приведённые в табл. 3.1.
у_2. Эффективные единицы измерения лучистого потока,
используемые в условиях светокультуры
Прежде чем перейти к рассмотрению эффективных единиц лучисто-
го потока, остановимся на понятии «эффективный поток излучения».
Пусть Е - количество энергии, падающее на растение, а Е- коли-
чество энергии, затраченное на какую-либо полезную реакцию. Для
светокультуры в качестве полезной реакции наиболее актуально отме-
тить синтез биомассы, витаминов, ценных биохимических соединений
и т. Д- Поскольку эффективность использования лучистой энергии
растением всегда меньше 100%, то F < Е. Поэтому всегда можно го-
ворить о части потока лучистой энергии (ЛЕ), которая не использует-
ся полезным образом для растения. То есть имеет место соотношение
ДЕ = Е - F. (3.3)
Поток Е получил название эффективного потока. Поскольку при
выращивании растений используется излучение смешанного спек-
трального состава, то общий эффективный поток будет складываться
из эффективных потоков на отдельных длинах волн:
F = ]F(k)dE, (3.4)
где Xi, Х„ - границы спектрального интервала; F(l) - эффективный
поток на данной длине волны.
Возникает вопрос, как зависит величина эффективного потока от
длины волны 1? Такая зависимость будет различной для монохрома-
тических эффективных потоков, обеспечивающих энергией ход той
или иной полезной реакции.
На отдельных длинах волн эффективность усвоения лучистой
энергии для обеспечения той или иной полезной реакции будет высо-
кой, а на других длинах волн, наоборот - очень низкой. Поэтому эф-
фективные потоки на одних длинах волн будут больше, чем на дру-
гих. Всегда найдётся такое значение эффективного потока Е(1тах) на
определённой длине волны Х^, которое будет больше, чем на любой
Другой длине волны X, из всего рассматриваемого спектрального диа-
пазона излучения ФАР. То есть будет выполняться следующее соот-
ношение:
1.
При выборе единицы измерения эффективного потока обычно ру-
ководствуются нахождением F(Xniax). За единицу эффективного пото-
ка берётся величина F(Xmax), равная 1 Вт. Тогда все остальные значе-
ния F(Ei) будут меньше 1 Вт. Следовательно, смысл введения эффек-
53
52
тивного потока заключается в том. чтобы сосредоточить энергию на
«максимально полезных» длинах волн. Предполагается, что в этом
случае лучистая энергия будет наиболее эффективно использована на
данную полезную реакцию. Графически спектральное распределение
эффективных потоков можно представить как функцию, имеющую
определённый пик или несколько различных пиков.
К сожалению, эффективных общепринятых единиц для оценки лу-
чистых потоков специально для светокультуры растений до сих пор
не выработано, хотя попытки в этом направлении предпринимались.
В результате одной из них в своё время была временно введена еди-
ница эффективного потока излучения для выращивания растений,
которая получила название «фит» (сокращённое обозначение - фт) и
иногда встречается в литературе. Рассмотрим в качестве примера к
иллюстрации изложенного выше материала введение эффективной
единицы фт,
Фт - это единица эффективного потока, равная 1 Вт на длине волны
680 нм. Эффективный поток, определяемый таким образом, называется
эффективным фотосинтезным потоком. Распределение энергии по дли
нам волн для фотосинтезного потока показано на рис. 3.1 (кривая 1).
Другим примером использования эффективных единиц для изме-
рений светового потока в условиях светокультуры является люмен,
который в расчёте на 1 м2 получил название люкса. Эффективный
Длина волны, нм
Рис. 3.1. Некоторые стандартизованные функции
относительной спектральной эффективности фотобиологических воздействий
(Живописцев, Косицин, 1990)
Кривые - функции спектральной чувствительности /г(1.)-
t - фотосинтеза зеленого листа; 2 - зрения (для глаза человека).
поток, измеряемый в этих величинах, изначально был разработан для
оптимизации освещения производственных и бытовых помещений
применительно к человеку. Поэтому за основу разработки такого ос-
вещения была взята чувствительность человеческого глаза к спек-
тральному составу света, которая имеет максимум в зелёной области
спектра на длине волны X = 550 нм (рис. 3.1, кривая 2). Хотя такой
максимум спектральной чувствительности не имеет отношения к рас-
тениям, однако измерения в люксах широко применяются в свето-
культуре растений. Это связано с определённой доступностью и рас-
пространённостью приборов (люксметров) для использования.
С учётом изложенного, из этого рисунка следует, что люмен — по-
ток излучения, равный I Вт на длине волны 550 нм.
Большим недостатком в использовании люксов как эффективных
единиц при измерениях интенсивности света в условиях светокульту-
ры является низкая чувствительность к синим и красным лучам, при-
сутствие которых в общем светопотоке необходимо для нормального
роста' и развития растений. В то же время зелёный свет, имеющий
меньшую физиологическую значимость для растений, чем синий и
красный, представляется в световой системе единиц как наиболее
важный. Таким образом, измерения в люксах «занижают» долю энер-
гии, излучаемую в «синей» и «красной» областях спектра. Чтобы
скомпенсировать эти искажения, приходится вводить специальные
поправочные коэффициенты.
3.3. Приборы для измерения оптического излучения
в условиях светокультуры
Приборы для измерения искусственного излучения в светокульту-
ре растений условно можно разделить на две группы: измеряющие
лучистую энергию в физических единицах; измеряющие лучистую
энергию в эффективных единицах.
Среди приборов, измеряющих излучение в физических единицах,
широкое распространение получили пиранометры различных моди-
фикаций. Наиболее известным в нашей стране является фитопирано-
метр Янишевского (рис. 3.2). Этот прибор позволяет измерять радиа-
цию в диапазоне 400—4000 нм, то есть весь видимый спектр излучения
и Обширную область инфракрасного диапазона. Для выделения облас-
ти ФАР используются специальные фильтры. Приёмная световая по-
верхность пиранометра Янишевского представляет собой чередование
белых н чёрных квадратов (рис. 3.2). Белые и чёрные квадраты соеди-
невдг и образуют две группы контрастно окрашенных участков свето-
приёмной поверхности. Для их соединения использована манганино-
константановая проволока, обладающая свойствами термопары. Кон-
Цы такой проволоки нагреваются неравномерно, так как соединены с
54
55
Рис 3.2, Внешний вид пиранометра
Янишевского (пояснения в тексте)
чёрными или белыми квадратами. За счёт разности температур на
концах термопары возникает разность потенциалов. Чем выше темпе-
ратурный нагрев, тем больше разность потенциалов. В свою очередь,
величина температурного нагрева зависит от интенсивности излуче-
ния. Таким образом, можно записать:
Е = ki^t = к}к2А<р = АДф, (3.5)
где Е - величина энергии лучистого потока; Аг - разность температур
нагрева чёрных и белых участков поверхности фитопиранометра; А<р
- разность потенциалов, возникающая на концах термопары; Аь к2 и к
- коэффициенты пропорциональности, причём к - к\к2.
Таким образом, между интенсивностью лучистого потока Е и раз-
ностью потенциалов Дер существует линейная зависимость. Чтобы
измерить разность потенциалов в паре с пиранометром Янишевского,
используется микровольтметр. Для определения к проводят контроль-
ные измерения, когда используют заведомо известную интенсивность
света £ и по формуле (3.5) определяют А.
Так как пиранометр Янишевского измеряет излучение в объектив-
ных физических единицах, его чувствительность должна быть одина-
кова к различным длинам волн заданного оптического диапазона. По-
этому принято считать, что в видимой области спектра этот прибор
имеет неселектнвную чувствительность к излучению различных уча-
стков спектра, и эта зависимость представляет собой близкую к пря-
мой линию.
Другим прибором, измеряющим излучение в энергетических еди-
ницах, является квантометр, который измеряет количество квантов
света (фотонов), падающих на единицу площади в единицу времени-
В основу его работы положено использование законов фотоэффекта.
Известно, что падающий на поверхность вещества определённого хи-
мического состава квант света способен выбить один электрон. Если
на такую поверхность падает световой поток, то возникает поток
электронов, то есть электрический ток. Таким образом, можно вести
речь о существовании соотношения:
ff—ki, (3.6)
где ТУ — количество квантов света (фотонов), упавших на поверхность
фотоэлемента; i — возникающая сила тока; к — коэффициент пропор-
циональности (даётся заводом-изготовителем).
Из законов фотоэффекта также известно, что для того, чтобы вы-
бить электрон из вещества, квант света должен обладать определён-
ной пороговой энергией. Иными словами, кванты света с низкой энер-
гией (например, тепловые) могут и не вызвать появление электриче-
ского тока. Граница спектрального диапазона, определяющая воз-
можности кванта света выбить электрон, зависит от вещества, из ко-
торого изготовлен данный фотоэлемент. Поэтому у квантометров
спектральный диапазон измерений определяется химическим соста-
вом фотоэлемента. Для условий светокультуры наиболее подходящи-
ми являются квантометры, рассчитанные на видимый диапазон спек-
тра. Однако чувствительность внутри рабочего диапазона у кванто-
метра может оказаться неодинаковой к различным длинам волн. В
этом случае в инструкции к квантометру даётся поправочный коэф-
фициент на отдельные участки спектра.
Внешне квантометр представляет из себя небольшой фотоэлемент,
соединённый с регистрирующим устройством - микровольтметром
или микроамперметром, которые отградуированы либо в Эйн-
штейн/м2с (Э/м2с), либо просто в количестве квантов N, падающих на
единицу площади в единицу времени: ТУ/м2с.
В ряде случаев требуется определить распределение энергии в
спектре излучения ламп, используемых для выращивания растений.
Такая задача может возникнуть, если предлагается ассортимент ис-
точников света неизвестной модификации либо необходима точная
информация о спектральном составе света (например, при проведении
научно-исследовательских работ). Для решения таких вопросов ис-
пользуется специальный прибор, называемый спектрорадиометром.
Схеца работы такого прибора дана на рис. 3.3.
Основное назначение отдельных элементов спектрорадиометра,
представленных на рис. 3.3, следующее. Диафрагма 1 ограничивает
анализируемый световой пучок с тем, чтобы проходящий свет, со-
стоящий из параллельных лучей, попадал на поверхность собирающей
пинзы 2, котора%фокусирует прошедший через неё свет на призме 3.
Ризма разлагает прошедший через неё свет на отдельные монохро-
матические лучи, выходящие под разными углами. Призма за счёт
вращейия может менять угол по отношению к падающему на её по-
56
57
Рис. 3 3 Функциональная схема устройства спектрорадиометра (пояснения в тексте)
верхность световому потоку, что позволяет определённому монохро-
матическому лучу попадать в отверстие диафрагмы 4. Отверстие в
диафрагме 4 представляет узкую щель, что обеспечивает высокую из-
бирательность в прохождении отдельных монохроматических потоков.
Если ширину щели увеличить, то через неё будет проходить поток
излучения более широкого спектрального интервала и степень моно-
хроматичности проходящего луча уменьшится, что приведёт к сниже-
нию точности измерений. Прошедший через щель 4 спектральный
поток попадает на регистрирующее устройство 5. Таким устройством
чаще всего является либо чувствительный фотоэлемент (ФЭ), либо
фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), которые преобразуют световой
сигнал в электрический ток. Электрический сигнал после усиления
поступает на регистрирующий прибор 6, который может представлять
из себя самописец. В современных спектрорадиометрах в качестве
регистрирующего прибора используют компьютерный комплекс, ко-
торый выполняет роль не только показывающего прибора, но и опти-
мизирует и автоматизирует процессы снятия показаний. Внешний вид
одного из таких приборов показан на рис. 3.4.
С помощью спектрорадиометра можно точно определить, сколько
физиологически значимой радиации (в первую очередь, синих и крас-
ных лучей) содержится в излучении того или иного источника света.
Как правило, современный спектрорадиометр - это достаточно доро-
гой прибор и используется в основном при научных исследованиях, в
том числе и в светокультуре растений.
Другая группа измерительных приборов предназначена для оценки
лучистых потоков в эффективных единицах. Среди нйх наиболее рас-
пространённым является люксметр.
Люксметр состоит из двух основных частей: фотоэлемента, прес-о-
разующего световой поток в электрический сигнал и микроампермет
Рис. 3 4 Внешний вид портативного спектрорадиометра LI-1800
в комплекте с присоединяемыми устройствами
(по данным Н Н.Протасовой и др., 1990).
1 - спектрорадиометр LI-1800; 2 - волоконный оптический соединитель;
3 - дистанционный конусный датчик. 4 - внешняя интегрирующая сфера,
5 - батарея питания и зарядное устройство, б - плотер/принтер,
7 портативный терминал, 8 - портативный компьютер NEC PC-82I0A,
9 - выносной переключатель каналов ввола/вывода.
ра, Отградуированного в единицах освещённости — люксах. Как отме-
чалось выше, измерения в люксах «занижают» энергию в синей и
красной областях спектра, поэтому люксметр обычно калибруют под
излучение лампы с тем или иным распределением энергии в видимой
области спектра. Суть такой калибровки связана с определением ко-
эффициента перевода люксов (лк) в Вт/м2. К сожалению, каждый тип
источника света имеет свой специальный коэффициент. Поэтому су-
ществуют таблицы с коэффициентами пересчёта лк в Вт/м2 и обратно
Для Наиболее распространённых типов источников света, используе-
мых в условиях светокультуры (табл.3.2).
Достоинством измерений с помощью люксметра является его чув-
^вительиость только к видимому излучению, что фактически совпа-
ДЛСТ со спектральным диапазоном ФАР. Поэтому отпадает необходи-
мость1 использовать различные светофильтры, что облегчает процеду-
ру регистрации интенсивности потока ФАР.
Таким образом, люксметр в светокультуре фактически использует-
Для оценки излучения в объективных единицах путём пересчёта
хезаний в люксах в Вт/м2. Если такой пересчёт не производится, то
еРения в люксах всегда подразумевают под собой возможность их
58
59
Таблица 3 2
Поправочные множители для перехода от показаний облученности (Вт/м21
в области ФАР к показаниям освещенности (клк) (Геллер и др., 1981)
Источник излучения Поправочный множитель для перехода от облучённости ФАР, Вт-м"2клк_1
Лампа накаливания 4,4
Дневной свет (7ц - 6500 К) 3,9
ДРИ250 3,6
ДРЛФ1000 4,9
ДНаТ400 3,0
ДРЛФ400 3,9
ДБ 3,4
ЛФ-2 3,7
перевода в Вт/м2, для чего обязательно нужно указывать распределе-
ние энергии в спектре излучения или тип источника света. Если изме-
рения с помощью люксметра ведутся при одном и том же спектраль-
ном составе света, то нередко перевод лк —> Вт/м2 необязателен, по-
скольку относительные сравнения интенсивностей света можно про-
водить напрямую.
Одним из главных недостатков использования люксметра в усло-
виях светокультуры является необходимость применения различны*
коэффициентов пересчёта лк -> Вт/м2, если ведутся измерения раз-
личных спектральных потоков.
Специализированным для условий светокультуры прибором, из-
меряющим эффективные потоки, является фитофотометр конструк-
ции И. И. Свентицкого, который измеряет лучистую энергию в фт/м'.
Этот прибор без занижения может объективно оценивать излучение
лишь в красной области спектра (Л. = 680 нм), а энергия остальных
длин волн в разной степени занижается. Кривая спектральной чувст-
вительности такого прибора примерно соответствует стандартизиро-
ванной кривой спектра действия фотосинтеза зелёного листа (рис. 3.1
кривая I). Недостатки такого подхода обсуждались в разделе 3.2.
Как и люксметр, фитофотометр состоит из первичного преобразо-
вателя световой энергии - фотоэлемента с корректирующим свето-
фильтром и регистрирующего устройства - гальванометра, отградуи-
рованного в фт/м2.
Из-за неоднозначного отношения специалистов к обоснованности
введения и использования фт/м2 как эффективной единицы фитофото-
метр в практике светокультуры растений используется весьма редко.
3.4. Особенности радиационных измерений
в светокультуре
Ранее отмечалось, что для растений наиболее важной является об-
ласть ФАР в диапазоне 400 700 нм. Поэтому одним из главных пока-
зателей, который необходимо регистрировать в условиях светокуль-
туры - это величина поглощённой растениями ФАР. Для решения
этой задачи необходимо использовать достаточно простые и эффек-
тивные, но в то же время физически обоснованные методы измерения
энергии ФАР. При этом обычно используют следующие термины и
понятия:
- коэффициент поглощения лучистой энергии а, определяется по
формуле
а=Фп/Фо, (3.7)
где Фп - поглощённый лучистый поток, Фо - падающий на растение
лучистый поток;
- коэффициент отражения лучистой энергии г:
г=Фтр/Фо, (3.8)
где Фотр - отражённый лучистый поток;
— коэффициент пропускания лучистой энергии т:
т = Фпр/Ф0, (3.9)
где ФПр - прошедший сквозь объект лучистый поток.
По закону сохранения энергии
а+ г + т = 1, (3.10)
где. г + т = ае — коэффициент рассеяния света.
Растения, как живой организм, приспосабливаются к условиям
среды, и их оптические свойства, а следовательно, и рассмотренные
коэффициенты могут со временем изменяться.
В условиях светокультуры растения могут расти как в направлен-
ном, так и в диффузном световом потоке.
Направленным называется такое излучение, энергия которого со-
средоточена в ограниченном телесном угле Q, как правило, меньшем,
чем 2л. На рис. 3.5 представлено несколько принципов распростране-
ния энергии в различных телесных углах.
Диффузным называется излучение, энергия которого равномерно
Распределена по всей сфере излучения (Q - 4л), либо в одной из по-
лУСфер (Q = 2л). Иногда диффузное излучение называют объёмным. В
этом случае источник света удалён на очень большое расстояние от
измеряемой точки и излучает диффузный свет, либо имеется переиз-
учающая поверхность, преобразующая направленное излучение в
60
61
Рис.3.6 Угол падения v светового луча на лист.
Заштриховано схематическое изображение профиля поверхности листа,
стрелкой показано направление светового луча,
пунктир -перпендикуляр к поверхности листа;
остальные пояснения - в тексте.
Рис. 3.5. Распространение энергии в различных телесных углах Q.
диффузное (например, равномерное облачное небо в естественных
условиях или матовое стекло для искусственного света).
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 интен-
сивное облучение с изменённой пространственной структурой и спек-
тральным составом. Облученность листа меняется в зависимости от
угла падения v на него светового луча (рис.3.6).
Таким образом, чем больше угол падения светового луча на лист,
тем меньше его облученность. Поэтому листья верхних ярусов расте-
ний, которые получают много световой энергии, имеют, как отмеча-
лось ранее, более близкое к вертикальному расположение, чем листья
ниже расположенных ярусов, ориентация которых в пространстве ~--------
более горизонтальная. _ _Д° Растений> почти всегда содержатся световые лучи раз-
Угол падения v определяется как угол между перпендикуляром к
плоскости, на которую падает световой луч, и направлением луча
(рис. 3.6). Исходя из этого определения, если луч света падает на по-
верхность нормально (перпендикулярно), то угол v = 0, а если парал-
лельно плоскости, то угол v = 90°. С учетом этого для наклонных лу-
чей вводится так называемая косинусная поправка, которая определя-
ется следующей формулой:
£ = jEoCOSV, (3.11)
где а - угол падения светового луча; Ео - облученность поверхностг
при нормальном падении световых лучей, Е - облученность поверх-
ности при наклонном падении световых лучей.
Теперь перейдем от поверхности листа, который является биоло-
гическим приемником оптического излучения, к поверхности физиче-
ского приемника оптического излучения — необходимой составной
части светоизмерительных приборов. Исходя из изложенного выше, f
принципе, не имеет значения, что меняется — угол наклона светопрО'
емноЙ Поверхности или угол падения на такую поверхность светового
луча. Ясно, что при их взаимном отклонении от нормального взаимо-
положения облученность Е светоприемной поверхности будет умень-
шатьсяЪогласно формуле (3.11). Чтобы определить все приходящие
из верхней полусферы лучистые потоки необходимо учесть косинус-
ную.Дрлравку, вычислив Ео по формуле (3.11).
Такие образом, если плоский приемник излучения расположен под
углоКг к'падающему лучистому потоку, то он будет занижать его об-
щую величину. Поскольку на практике в потоке искусственного света
от ламп (а также и в потоке естественной составляющей для теплиц),
личной направленности, то измерения излучения в светокультуре с
полфщью плоского приемника оптического излучения влекут за со-
бой, как правило, значительные искажения. Эти искажения часто
трудно учесть, даже используя косинусную поправку по формуле
(3.12^, так как нереально определить множество различных углов па-
ДеНЩ цветовых лучей, из которых состоит общий лучистый поток,
ИРЗДРДЯЦИЙ от искусственных источников света.
Црэтому при измерениях лучистой энергии в светокультуре нельзя
П0ДЙЯ®аться только плоскими приёмниками излучения. Подобные
нрвв^дащси показывают лишь облучённость в той плоскости, в кото-
«Ш расположены, но не общую насыщенность пространства лу-
чисЖэнеРгией, а именно последняя определяет основной радиаци-
Нф.,режим пространственных биологических объектов. Общую
оттт»,..-
О]
------- -- vn VJ1V1 m wnflA CJVDCniVil. VUiljyHJ
Нас*9ренность
пространства энергией оптических излучений проще
“^ЛтеМожно установить сферическими приёмниками, обладающими
f этически одинаковой чувствительностью к излучению, приходя-
63
62
Рис. 3.7. Схематическое изображение некоторых типов поверхностей
приёмников оптического излучения
I — плоская прозрачная поверхность; 2 - плоская матовая поверхность^ - прозрачная сферическая
поверхность с равномерно нанесённым светочувствительным слоем; 4 — прозрачная полусфериче-
ская поверхность; 5 - матовая сферическая поверхность с точечным светочувствительным элемен-
том в центре сферы; а - угол падения светового луча; стрелками показано схематическое изобра-
жение светового луча.
щему с любого направления. Такие приёмники реагируют на величи-
ну, называемую пространственной (диффузной) облучённостью.
Понятие пространственной облучённости впервые было введено
немецким учёным Вебером и определяется как лучистый поток, про-
ходящий со всех направлений через сферу с центром в данной точке.
Важнейшее свойство пространственной облучённости в том, что она -
однозначная функция точки в отличие от обычной облучённости на
плоскости, являющейся функцией точки и направления. К сожалению,
сферические и полусферические приемники излучения на практике
встречаются весьма редко. Чаще встречаются различные варианты
плоских приемников оптического излучения. Некоторые из таких ва-
риантов приёмной поверхности показаны на рис. 3.7.
Сферические приёмники оптического излучения (то есть измерите-
ли пространственной облучённости) преимущественно должны приме-
няться не при изучении радиационного режима отдельных растений, а
при световых измерениях внутри фитоценозов, когда важно оценить
световую энергию, приходящую в данную точку со всех сторон.
Чтобы найти коэффициент поглощения света посевом растений,
необходимо с помощью полусферического приёмника (в переверну-
том к растениям светоприемной частью) измерить отражение света от
посева в нескольких точках пространства, а затем пропускание света
посевом, передвигая приёмник по горизонтали под листовым слоем
посева и набирая статистику измерений. Получается очень неравно-
мерная картина (см. рис. 2.8), которая характеризуется тем, что в го-
ризонтальном направлении радиационный режим внутри ценоза
крайне неоднороден и характеризуется резкими перепадами световых
бликов, тенен и полутеней. Такую картину легко себе представить,
если вспомнить проникновение света под полог леса. Гуляя в лесу,
можно часто наблюдать как ярко освещенные солнцем площадки, так
и в различной степени затененные места. Нечто подобное наблюдает-
ся и внутри фитоценоза. Внутри бликов интенсивность суммарной
ФАР на несколько порядков выше в направлении луча от источника
света по сравнению с любым другим направлением внутри ценоза.
Из-за сложности оценки поглощённой растением энергии излуче-
ния в светокультуре, как правило, ограничиваются измерениями па-
дающего на верхнем уровне растения потока радиации и стараются
поддерживать величину этого потока постоянной во времени за счёт
либо опускания поддонов с растениями в процессе их роста, либо
поднятием источников света.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Контрольные вопросы к главе 3
Что такое физические величины измерения лучистой энергии?
На основании каких принципов взаимодействия излучения с веще-
ством вводится единица квантового потока — Эйнштейн?
В каком случае и почему равноквантовые потоки в энергетическом
отношении различны?
Как определяется единица измерения эффективного потока?
Что означает единица эффективного потока фит и на основании
каких принципов она вводится?
На основании каких представлений водится единица эффективного
иотока люмен и в чём недостатки её использования для условий
светокультуры?
Объясните принцип работы фитопиранометра Янишевского.
На каком явлении основан принцип работы квантометра?
Каково назначение спектрорадиометра и для чего он может быть
Ю использован в условиях светокультуры?
' Почему с помощью люксметра нельзя напрямую сравнить интенсив-
11 П*СТЬИЗЛУЧСНИЯ ламп с различным спектральным составом ФАР?
•» чём особенности работы фитофотометра?
65
64
12. Что такое направленное и диффузное излучение? Как это следует
учитывать при измерении излучения в условиях светокультуры?
13. Какие Вы знаете типы поверхностей у физических приёмников
оптического излучения? Как это связано с особенностями их ис-
пользования в светокультуре растений?
66
ГЛАВА 4. ИСТОЧНИКИ СВЕТА
И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
В СВЕТОКУЛЬТУРЕ РАСТЕНИЙ
Разнообразие источников искусственного излучения может быть
оценено по следующим признакам:
а) по природе физического явления, лежащего в основе излучения:
температурные (лампы накаливания), газосветные (ртутные, натрие-
вые и т. Д-), люминесцентные;
б) по энергетическому КПД источника света, то есть по доле элек-
трической энергии, преобразованной в ФАР и измеряемой в процентах;
а) по светоотдаче источника света, то есть части электрической
энергии, преобразованной в световой поток, выраженный в люменах
на Ватт электрической мощности (лм/Вт);
г) по спектру излучения (сплошной, линейчатый и т. д.);
д) по размерам относительной рабочей поверхности (точечные,
протяжённые, светящиеся поверхности), по форме (шаровые, трубча-
тые, грушевидные и т. д.).
4.1. Лампы накаливания
Это наиболее распространённый промышленный источник искус-
ственного излучения. Лампы накаливания (ЛН) являются источником
главным образом инфракрасных лучей - до 80-90 % всего излучения.
Обычные лампы накаливания бедны ультрафиолетовым излучением
(менее 1 %). Срок службы ламп не менее 1 тыс. ч. Установленная
электрическая мощность при использовании в светокультуре обычно
составляет от 500 до 1000 Вт/м2 и более, при этом облучённость ко-
леблется от 40 до 70 Вт/м2 ФАР и выше. В климатических камерах
установленная мощность достигает 4800- 8000 Вт/м2. Светоотдача
вольфрама при температуре плавления составляет 53 лм/Вт, что на
практике в лампах ещё не достигнуто, то есть имеется потенциальная
возможность увеличения световой отдачи. Эта задача частично реше-
на в лампах накаливания нового поколения с йодно-вольфрамовым
Циклом (галогенных) типа КГ-220-1000. Их светоотдача составляет
22 лм/Вт, а продолжительность горения 2-3 тыс. ч. Галогенные лампы
Ц^я^ивания имеют единичную мощность от 1,0 до 5,0 кВт и, благо-
даря Небольшим размерам и высокой плотности излучения, они по-
звояжют получать облучённости до 300 Вт/м2 ФАР. Их спектр анало-
ги’*й обычным лампам накаливания, но несколько сдвинут в корот-
к°"ФШоную область спектра, поэтому содержание УФ-лучей у них
вьпДе, чем у обычных ламп. По сравнению с зеркальными лампами,
колбы которых имеют внутреннее отражающее покрытие, галогенные
Ла*®Ш значительно дороже и требуют специальной арматуры для ус-
67
Длина волны, нм
Рис.4,1. Распределение энергии в спектре излучения лампы накаливания
(температура вольфрамовой нити 3000 К).
тановки. Лампы накаливания имеют сплошной спектр излучения
(рис. 4.1). При их изготовлении практически отсутствуют ограниче-
ния в варьировании мощности и напряжения. Световые характеристи-
ки ламп не зависят от колебания параметров окружающей среды в
широких диапазонах (прежде всего температуры) и не требуют специ-
альной пускорегулирующей аппаратуры.
Для целей облучения растений нашли ограниченное применение
зеркальные лампы накаливания мощностью 300 и 500 Вт и галоген-
ные лампы в кварцевой трубчатой колбе типа КИ мощностью 1,0 кВт.
В облучательных установках, где используются лампы накалива-
ния, обязательно использование водяного экрана, чтобы снизить до
приемлемых для растений значений долю тепловых лучей в инте-
гральном излучении.
Для ламп КИ в Агрофизическом институте РАСХН разработан ло-
кальный теплозащитный экран-светофильтр (ТЗС), позволяющий ис-
ключить применение сплошного водяного экрана. Охлаждающая вода
не соприкасается с колбой лампы, а циркулирует в двойном стеклян-
ном цилиндре, охватывающем колбу. Облучательные модули на базе
ламп КИ с ТЗС могут быть использованы в производственной и ис-
следовательской практике.
При невысоких облучённостях для досвечивания рассады в тепли-
цах иногда используют лампы накаливания в сочетании с люминес-
центными лампами, например, установки комбинированного облуче-
ния при соотношении мощностей 1:3.
В производственной практике лампы накаливания иногда приме-
няются при небольших удельных мощностях, когда не требуются вы-
сокие облучённости, например, при выращивании цветов или продле-
дЛИ светового дня. В этих целях облучательные установки с лампами
накаливания используются в теплицах Голландии, Франции, ФРГ,
АНГЛИИ- Лампы этого типа просты и удобны в эксплуатации, однако,
несмотря на имеющиеся положительные качества, из-за низкого энер-
гетического КПД в области ФАР (до 2-4 % для обычных ЛН и около
8 % для галогенных ЛН) они не получили широкого распространения
В растениеводстве. Наличие в их спектре излучения большого количе-
ства красных и инфракрасных лучей вызывает ненормальное вытяги-
вание стеблей, деформацию листьев и перегрев растений. В настоящее
время лампы накаливания практически не применяются в промыш-
ленной Светокультуре растений.
4.2. Газоразрядные лампы
•''Газоразрядные лампы — это источники света, в которых излуче-
НЙ^'НЙникает в результате электрического разряда в атмосфере
ий^тйтх газов, паров металлов или их смесей. Газоразрядные лам-
пЙр.Ъб&цают падающей вольтамперной характеристикой. Поэтому
дЙЩйййпинства ламп необходимо токоограничивающее устройство
- вфййстное сопротивление: индуктивное, ёмкостное, индуктивно-
бмЙоетное или активное.
w* газоразрядные источники делятся на источники высокого и
нкжбго давления. Источники низкого давления: люминесцентные
лййы; натриевые, дуговые паросветные, дуговые газосветные. Ис-
тсйЦЙки высокого давления: дуговые ртутные с добавками йодидов
мёфйюв, дуговые ртутно-вольфрамовые, ксеноновые (газосветные),
нвдМыые лампы.
4.2.1. Газоразрядные лампы низкого давления
•$0эрелки ламп низкого давления содержат пары различных метал-
WTyni, натрия, цезия, рубидия, калия, цинка, кадмия, таллия. Га-
ЭДЙЙНые лампы содержат инертные газы: неон, ксенон, гелий и т. д.
'-'^являются источниками линейчатого спектра и применяются в
°Ч^ЙЛенном количестве в специальных исследованиях в фотобиоло-
лампы имеют небольшие мощности и невысокую светоотда-
7^ЭД?вДи ламп низкого давления следует выделить группу люминес-
ламп, которая характеризуется в основном благоприятным
^^^стений спектром излучения. В спектре многих люминесцентных
„^-Умало красных и ближних инфракрасных лучей, поэтому такие
облучательных установках применяются в комбинации с
Л1**П*МД накаливания.
У Светоотдача газоразрядных ламп зависит от их типа и мощности.
Лв*1п с исправленной цветопередачей (увеличено излучение в крас-
68
69
ной области спектра) и меньшей мощностью она ниже. Срок службы
газоразрядных ламп может доходить до 10-12 тыс. ч. Зажигание и
нормальный режим работы лампы обеспечивается пускорегулирую-
щей аппаратурой. Лампы чувствительны к колебаниям температуры и
влажности наружного воздуха, эксплуатируются при температуре оз
+5 до +35 °C и влажности до 65 %.
Натриевые лампы низкого давления. Натриевые лампы низкого
давления, например ДНАО-140, имеют почти монохроматическое из-
лучение в зоне 589,6 нм. Мощность таких ламп 140 Вт, светоотдача
около 70 лм/Вт.
В светокультуре натриевые лампы низкого давления не нашли ши-
рокого применения из-за резко выраженного квазимонохроматпческо-
го спектра излучения и низкой интенсивности света.
Люминесцентные лампы (ЛЛ). Эти лампы широко используются
для освещения бытовых и производственных помещений. Однако их
спектр удовлетворяет требованиям растений (рис. 4.2). Среди таких
ламп в светокультуре в 50-70-е годы нашли достаточно широкое при-
менение лампы ЛДД, ЛВ, ЛТБ мощностью 40 и 80 Вт. Специальные
ЛЛ для облучения растений (ЛФ-40-1, ЛФ-40-2) имеют светоотдачу на
40-50 % выше, чем обычные, мощностью 40 Вт. Температура колбы
лампы при 15-20 часах горения не превышает 45-50 °C, что позволяет
приближать их к растениям.
Теоретическая световая отдача ЛЛ может достигать 60-70 лм/Вт
при сроке службы 5 тыс. ч. ЛЛ имеют ряд положительных сторон,
работа практически при любых внешних условиях, больший (пример-
но в 3-4 раза), чем у ЛН, энергетический КПД (9-12 %) в области
ФАР, благоприятное воздействие на растение, низкая температура
колбы и долгий срок службы, удобство использования при ограни-
ченных высотах подвески. Наряду с этим лампы имеют ПР А, их необ-
ходимо удалять при агротехническом уходе. Затенение ценоза, возни-
кающее при совмещённом (естественном и искусственном) облучении
в теплицах, низкая облучённость, необходимость их размещения в
зоне обслуживания персонала ограничивают применение в светокуль-
туре источников данного типа.
Успешно в светокультуре используются люминесцентные лампы
ЛФР-150, в спектре которых преобладает оранжево-красная радиация
(рис. 4.3). За счет повышенной единичной мощности, создаваемой
рефлекторным слоем в верхней части колбы, который перераспределяет
световой поток в нижнюю полусферу, этот тип ламп позволяет полу-
чать облучённости до 150 Вт/м2 ФАР. Срок службы ламп 5,0 тыс. ч.
Длина волны, нм
Длина волны, нм
Рис.4.2. Интенсивность распределения энергии />. в спектрах излучения
люминесцентных ламп различных типов.
а) ЛБ-40; 6) ЛДЦ-40; в) ЛЕЦ-40, г) ЛХЕЦ-40.
Однако в целом единичная мощность этих ламп, как и других ти-
пе» ЛЛ, остается очень низкой в сравнении с газоразрядными лампа-
ми высокого давления. Из-за этого недостатка, а также больших габа-
ритов в настоящее время применение этого типа люминесцентных
ламц$,светокультуре растений невелико.
выращивания растений в теплицах на грядках, стеллажах и в
камерах в США в основном применяются люминесцентные лампы
“Lucalox” мощностью от 40 до 215 Вт, разработанные специально для
облучения растений. В странах Западной Европы люминесцентные
распространены значительно меньше. Лучший эффект исполь-
Рис. 4.3. Распределение
энергии света по спектру
люминесцентной лампы
ЛФР-150.
400 500 600 700 800 900 1000
Длина волны, нм
70
зования специальных люминесцентных ламп получен на низкорослых
культурах: салате, редисе, луке, рассаде овошных культур, цветах. В
этом случае удаётся наиболее полно реализовать преимущества этих
ламп, обеспечить высокую равномерность облучения
4.2.2. Газоразрядные лампы высокого давления
Дуговые ртутно-люминесцентные лампы (ДРЛ). Лампы имею,
излучение, почти полностью лежащее в области ФАР. До сих пор г.
светокультуре широко используется фитола.мпа ДРЛФ-400, входящая
в тепличный облучатель ОТ-400, которая аналогична лампе ДРЛ-400.
но имеет внутренний отражатель и колбу из термостойкого стекла.
Лампы ДРЛ, ДРЛФ включаюз в сеть через пускорегулирующие
аппараты, стоимость которых составляет от 50 до 250 % от стоимости
лампы, при этом они имеют вес от 10,5 до 52 кг на кВ г мощности, что
увеличивает нагрузки на конструкции теплин (рис. 4.4).
К сожалению, несмотря на эти и другие недостатки этих ламп, они
по-прежнему широко используются при облучении растений. Это свя-
зано с тем, что в настоящее время все типовые проекты теплиц запро-
ектированы на лампах ДРЛФ-400. Лампы ДРЛ и ДРЛФ используются
в вегетационных облучательных установках, установках типа свето-
трон, в облучателях объединённой серии «Фотос», ОТ-400, РСП-15-
2000. При использовании ламп ДРЛ при облучённостях выше
150 Вт/м2 ФАР необходима принудительная вентиляция и кондицио-
нирование, устраняющие перегрев растений. Для этого лампы разме-
Рис. 4.4. Расположение ламп ДРЛФ
с пускорегулнрующими аппаратами внутри теплиц (пояснения в тексте).
щают в специальных продуваемых отсеках, отделённых от основного
(ростового) объёма камеры. В настоящее время предпринимаются
попытки для повышения эффективности использования облучатель-
ной техники, оснащенной лампами ДРЛ и ДРЛФ мощностью 400 Вт.
Для этого эти типы ламп заменяют на более экономичные лампы той
же мощности, например, на натриевые лампы высокого давления типа
дНаТ-400, либо зарубежные натриевые лампы типа SR35O или
SR 350-1 (см. раздел 5).
Натриевые лампы высокого давления. Лампы имеют высокую све-
тоотдачу порядка 130 лм/Вт и срок службы до 15 тыс. ч.
Лампы высокого давления ДНаТ-400 имеют светоотдачу
100 лм/Вт. Срок службы 10 тыс. ч. Лампы высокого давления имеют
боЛее размытый спектр в области ФАР. Энергетический КПД ламп
24-26%, срок службы у отечественных составляет 6,5-10,0 тыс. ч., у
зарубежных - до 15 тыс. ч. За рубежом находят применение натрие-
вке лампы низкого и высокого давления в сочетании с металлогало-
геиными и ртутными лампами. Использование натриевых ламп высо-
кой),давления, дающих жёлто-оранжевый свет (рис. 4.5), с металлога-
логенными лампами, дающими преимущественно сине-зелёные лучи
в Соотношении 3:1 и 5:1 значительно повысило продуктивность ово-
щей при искусственном облучении. Параметры натриевых ламп высо-
кого давления стабильны в широком диапазоне внешних условий.
Имея, благоприятный спектр для ряда культур, эти лампы с успехом
испрДьзуются в овощеводстве, цветоводстве, селекции, в исследова-
телк^крй практике.
{$ампы связанного излучения. Лампы представляют соединение
ртутной лампы и лампы накаливания. Отечественная лампа ДРВ-750
вставляет совокупность газоразрядной лампы мощностью 400 Вт и
ла$ПЫ накаливания. Этот тип ламп не получил широкого распростра-
в светокультуре растений, так как практически все недостатки
Длина волны, нм
Рис. 4 5. Распределение
энергии света по спектру
лампы ДНаТ-400
72
73
ламп накаливания присущи и этим лампам.
Ксеноновые лампы. Спектр излучения таких ламп близок к сол-
нечному, что позволяет успешно использовать их в зимней светокуль-
туре овощных растений и при селекции растений с применением ис-
кусственного освещения (см. раздел 9.4).
Лампы обладают непрерывным спектром излучения в диапазоне от
200 до 1300 нм, светоотдача 33 лм/Вт при сроке службы до 1,5 тыс
часов (рис. 4.6). Однако излучение в области около 200 нм и около
900 нм значительно превосходит солнечное, что требует зашиты от
этих излучений (вода, светофильтры, легирование кварцевой горел-
ки). Лампы изготовляются мощностью 5-50 кВт.
Лампы с легированным кварцем и воздушным охлаждением типа
ДКсТЛ (например, ДКсТЛ-5000 и ДКсТЛ-10000) могут работать при
отклонениях от горизонтального положения на +30 °C, лампы водяно-
го охлаждения ДКсТВ (например, ДКсТВ-6000) - при любом положе-
нии. На практике при стабилизации напряжения в пределах ±2 % срок
службы ксеноновых ламп может быть увеличен до 3,0 тыс. ч. При
использовании ламп можно получать облучённости ФАР, превы-
шающие в 4-5 раз полуденные солнечные. Это позволяет выявлять
потенциально возможные значения продуктивности ценозов растений
в условиях светокультуры (Полонский, Лисовский, 1978), что может,
в частности, найти применение для космического растениеводства.
При использовании таких высоких облученностей ФАР излучение
ксеноновых ламп пропускают через водяные фильтры для снятия из-
лишней тепловой радиации. В этой связи более удобными в примене-
нии являются ксеноновые лампы с водяным охлаждением (например,
лампа ДКсТВ-6000), в сравнении с ксеноновыми лампами воздушною
охлаждения, хотя характер распределения энергии в области ФАР у
всех типов ксеноновых ламп практически одинаковый. Лампы с водя-
ным охлаждением пропускают меньше тепловой радиации, оказы-
400 500 600 700 800 900 1000
Рис. 4.6. Распределение
энергии света по спектр}
лампы ДКсТ-5000.
Длина волны, нм
вдошей негативное воздействие на растения. Кроме того, внешнюю
колбу таких ламп подбирают так, чтобы она не пропускала губитель-
ное ДЛЯ растений спектральный диапазон УФ-излучения. Легирован-
ий# кварц ксеноновых ламп с воздушным охлаждением недостаточно
шпежно защищает растения от такого УФ-излучения. Поэтому ис-
пгйдзование ксеноновых ламп с воздушным охлаждением без допол-
нительной защиты растений имеет ограниченный характер для свето-
культуры. Для выращивания растений лучше других модификаций
зарекомендовал и себя трубчатые лампы мощностью 6кВт с водяным
охлаждением - ДКсТВ-6000. Лампами с водяным охлаждением уком-
плектованы облучательные установки типа УВР, ФОУ, установки с
импульсной лампой типа ДПКс-1500, которые предназначены для
научно-исследовательской и селекционной работы.
К общим положительным качествам ксеноновых ламп можно от-
нее?я: близкий к солнечному спектр излучения в области ФАР, кото-
рый.благоприятен для роста растений; отсутствие дросселя и необхо-
димости демонтажа при агротехническом уходе за счёт значительной
выб0тЬ1 подвеса; экологическую чистоту газового разряда; малый ко-
эффициент затенения. Основным общим недостатком различных ти-
пов ксеноновых ламп является необходимость использования импуль-
са Высокого напряжения (20 кВт) для поджига лампы с соответст-
вующим приборным и кабельным обеспечением, сравнительно невы-
соких^—17 %) энергетический КПД и ряд других неудобств.
4.4, Металлогалогенные растениеводческие лампы
меских работах наибольший интерес представляет спек-
и энергетическая эффективность ФАР в продуктивности
х широко используемых в светокультуре ценозов томата,
гперца.
с этим предпринимаются попытки на базе ртутных ламп вы-
Щрления создать специализированные растениеводческие лампы,
иые лампы высокого давления с добавками йодидов металлов
«, ДРОТ, ДМ имеют светоотдачу в 1,5—2,0 раза выше, чем
^PJL Разработаны лампы с единичной мощностью 2,0-6,0 кВт.
~ тчиков растениеводческих ламп серия металлогалогенных
едставляет особый интерес в связи с возможностью варьиро-
f широких диапазонах спектра излучения в различных областях
введении определенных солей металлов внутрь горелок.
за счет введения в горелку лампы наполнения из солей олова
^усилить интенсивность излучения в оранжево-красной области
“ (рис. 4.7) и создать лампу ДРОТ-2000, предназначенную для
Растений в условиях светокультуры. Энергетический КПД
^5*, составляет 26 %, световая отдача 60 лм/Вт, срок службы 2,0 тыс.
75
74
400 500 600 700 800 900 1000
Длина волны, нм
Рис 4 7 Распределение
энергии в спектре излучения
лампы ДРОТ-2000.
Рис. 4.8. Распределение
энергии света по спектру
для лампы ДРИ 2000-6.
Длина волны, нм
часов. Лампа предназначена для использования в составе тепличного
облучателя ОТ-2000 и имеет софитное (двухцокольное) исполнение.
Большей светоотдачей 65-80 лм/Вт обладают лампы ДРИ, у кото-
рых в ртутный разряд вводят добавки йодидов разных металлов, из-
лучающих дополнительные линии в различных частях спектра. Срок
службы таких ламп 1,5-3,0 тыс. часов. К положительным качествам
ртутно-дуговых ламп следует отнести: простоту монтажа (ОТ-400.
ОТ-ЮОО), высокую светоотдачу (ОТ-ЮОО), работу в тяжёлых темпе-
ратурных условиях, благоприятное воздействие на растение за счёт
повышения энергетической отдачи в области ФАР. Наряду с этим
имеются отрицательные моменты: наличие тяжёлой ПРА; большая
нагрузка на конструкции теплиц; большая неравномерность облуче-
ния (50-70 %) за счёт точечности источников при подвеске над огра-
ниченными площадями на высоте 0,3-0,8 м; потери оптического из-
лучения до 40% при высотах подвеса 1,5-2,0 м. Большинство этих
недостатков связаны с относительно невысокой единичной мощно-
стью этих ламп и может быть устранено при создании ламп ДРИ бо-
лее высокой мощности. К таким источникам света относится лампа
дрИ 2000-6, которая имеет линейчатый спектр излучения в области
фДР (рис. 4.8). Светоотдача этой лампы достигает 95 лм/Вт, срок
службы 2,0 тыс. часов и более. Лампа по эффективности излучения и
светотехническим характеристикам хорошо себя зарекомендовала в
условиях светокультуры.
Йбявление ламп ДРИ с наполнением, излучающим в узких участ-
ках^ёпектра (ртутно-таллиевые, ртутно-литиевые), создало реальную
возЙЬжность использования различных спектральных участков ФАР в
широком диапазоне интенсивностей (вплоть до насыщающих).
Особую группу представляют томатные и огуречные лампы на ба-
зе лШп типа ДРИ. Это лампа типа ДРИО-400 (ДРИФ-400-4) - для об-
лучЙШЯ культуры огурца и лампа типа ДРИТ-400 (ДРИФ-400-5) - для
облучения культуры томата
.‘Копредел ение энергии по отдельным областям ФАР для лампы
ДР0О-4ОО следующее:
^400-500 нм - (20 ± 5) %,
^ЮО-600 нм - (40 ± 5) %,
'^00-700 нм - (40 ± 5) %;
а да^дампы ДРИТ-400:
^jfop-500 нм - (15 ± 5) %,
.^500 600 нм - (25 ± 5) %,
^Ю-700 нм ~ (60 ± 5) %-
ф
76
77
Аналогичный спектральный состав ФАР имеют более мошные
трёхфазные металлогалогенные лампы с четырьмя основными элек-
тродами, образующими три последовательно расположенных разряд-
ных промежутка, создающими световой поток высокоинтенсивного
излучения с оптимизированным спектральным составом ФАР. Они
предназначены для выращивания культуры томата (ДМТ4-3000) и
огурца (ДМ04-3000) при интенсивной светокультуре. Эти лампы
применяются в составе установок типа УОРТУ2-3000-1 для облучения
растений в теплицах.
Лампы ДМТ4-3000 и ДМ04-3000 являются специальными расте-
ниеводческими лампами, отвечающими требованиям высокой фото-
синтетической и продукционной деятельности растений. Спектр из-
лучения этих ламп в области ФАР оптимизирован по специальной
методике, разработанной институтами биофизики СО РАН СССР (г.
Красноярск) и «Гипронисельпром» (г. Орёл). Физиологические обос-
нование спектрального состава излучения этих ламп дано на основа-
нии проведённых физиологических исследований (Тихомиров и др.,
1991). Применение этих ламп при выращивании огурца и томата в
условиях интенсивной светокультуры позволяет повысить урожай на
20-30 % в сравнении с использованием серийных источников света.
В настоящее время предпринимаются попытки создания экологи-
чески чистых безртутных растениеводческих ламп нового поколения.
Примером может служить металлогалогенная лампа ДМГФ-1000Э.
Она является экологически чистым источником света с оптимизиро-
ванным спектром излучения в области ФАР и предназначена для ис-
пользования в тепличных установках для облучения рассады и взрос-
лых растений огурца.
4.5. Лампы специального назначения
Микроволновые безэлектродные серные лампы. Микро-
волновые безэлектродные серные лампы созданы фирмой Fusion sys-
tems corporation (США) и представляют собой прозрачную кварцевую
колбу диаметром от 5 до 30 мм, содержащую дозированное количест-
во серы в атмосфере аргона. При помещении в поле микроволнового
излучения в лампе возникает разряд в виде плазмы в парах серы при
давлении в несколько атмосфер. Возникновение разряда сопровожда-
ется излучением преимущественно в видимой области с непрерывным
спектром. Для обеспечения работы этих ламп необходим генератор
микроволнового излучения (МВИ) с системой принудительного воз-
душного охлаждения магнетронов - специальных устройств для под-
вода и «закачки» МВИ в разрядный объём, а также защитная система
от проникновения МВИ в окружающую среду. Лампа требует интен-
сивного воздушного охлаждения, что достигается за счёт создания
78
интенсивных воздушных потоков на разрядную колбу лампы и её
вращения. За счёт этих дополнительных устройств лампа превращает-
ся в достаточно сложный агрегат, состоящий из нескольких блоков.
На рис. 4.10 показаны некоторые основные компоненты таких блоков,
а в собранном виде облучательное устройство на базе серной лампы
показано на рис. 4.1 ].
Современные модернизированные образцы ламп этого типа имеют
коэффициент преобразования энергии в видимое излучение около
35 %. Наиболее экономичные источники света, используемые в свето-
культуре (МГЛ), имеют КПД в этой области спектра около 25-28 %.
Срок службы «серных» ламп колеблется от 10 тыс. часов для ламп
Рис. 4.10. Компоненты микроволновой бсзэлектродной лампы
(MacLennan et al., 1994).
Устройство
Рис. 4.11. Схематическое изображение общего вида серной лампы
(MacLennan et al., 1994). .
79
Рис. 4.12 Спектр излучения
серных ламп в области ФАР
(по данным Рохлина, 1997)
мощностью 5-6 кВт до 45 тыс. часов у ламп мощностью несколько
более IkBt. По этому показателю «серные» лампы в 5-20 раз пере-
крывают современные серийные МГЛ.
Спектр излучения «серных» ламп представлен на рис. 4.12. Видно,
что, хотя этот спектр имеет размытый максимум в зелёной (500—
600 нм) области ФАР, его нельзя признать оптимальным для выращи-
вания растений. Тем не менее, доля излучения в синей и красной
областях спектра весьма высока.
Таким образом, основные достоинства «серных» ламп — это высо-
кий энергетический КПД и большой срок службы. В то же время гро
моздкость устройств, обеспечивающих работу таких ламп, необходи-
мость использования принудительного воздушного охлаждения коло
ламп делают нетехнологичным их массовое применение в светокуль-
туре растений.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по совершенство-
ванию «серных» ламп. За счёт введения добавочных наполнителей
спектр излучения ламп становится близким к солнечному (добавка
ксенона) или имеет максимум в красной области спектра (добавка
соединений лития), что делает спектр ламп более приемлемым для
светокультуры растений. У ламп с относительно невысокой мощно-
стью (1,4 кВт) удалось упростить воздушное охлаждение, отказав-
шись от вращения колбы; введен и ряд других усовершенствований. В
то же время существенный прогресс в некоторых характеристиках
«серных» ламп создал ряд конструкторско-технологических проблем,
а главное, пока не решен вопрос громоздкости всего светового прибо-
ра. Поэтому в настоящее время массовое использование этого типа
ламп в светокультуре пока преждевременно.
Светодиоды. До недавнего времени светодиоды использовались
только для дополнительного сигнального и рекламного освещения из-
за низкой интенсивности потока излучения. В 80-е годы появилось
новое поколение светодиодов, разработанных на базе новых типов
светоизлучающих полупроводниковых материалов, основанных на
галий-алюминий-арсениде (GaAlAs). Эти светодиоды дают значи-
тельно более высокие потоки излучения (несколько Вт/м2 ФАР), что
позволяет использовать блоки, состоящие из нескольких десятков та-
ких светодиодов для освещения растений. Светодиоды не превышают
по размерам обычные пальчиковые лампы накаливания, поэтому бло-
ки этих ламп весьма компактны. Образованная таким набором свето-
диодов светящаяся поверхность может давать облучённость около
100 Вт/м2 ФАР. Важной особенностью светодиодов является узко-
спекТральный поток излучения. В зависимости от используемого по-
лупроводникового материала поток излучения может находиться в
той или иной области ФАР. В настоящее время наиболее распростра-
нены светодиоды, изготовленные на базе галий-алюминий-арсенида
(GaAlAs) и излучающих в красной области спектра (рис. 4.13а). В по-
следние годы появились светодиоды на базе различных галий-
нитридных комплексов (GaN, JnGaN, AlGaN), дающие излучение в
синей области спектра (рис. 4.136). Разработаны также светодиоды,
излучающие в зелёной, жёлтой и оранжевой областях спектра. Однако
все ода дают менее интенсивный поток излучения, чем светодиоды,
излучающие в красной области спектра (рис.4.13а). Это объясняется
недостаточным совершенством полупроводниковых материалов. К
преимуществам светоизлучающих диодов можно отнести:
- достаточно длительный срок службы (10 тыс. часов и более);
- небольшие размеры и вес;
- быстрый поджиг;
- стабильный спектр излучения;
- низкая доля инфракрасной радиации.
В ТО же время использование светодиодов в условиях светокуль-
туры Жйеет и существенные недостатки:
О ограниченность уровня облучённости в пределах 100 Вт/м2 ФАР,
чТОие позволяет перейти к интенсивным световым технологиям,
ТМвующим более высоких уровней облучённости;
2) рсдайе ограничение спектрального диапазона излучения, не обес-
пЙИвающего нормального протекания всего разнообразия росто-
органообразовательных процессов у растений;
/ «иЛходимость использования блоков из светодиодов, светящиеся
"дархности которых должны находиться для обеспечения при-
е**те,<ых уровней облучённости на малом (несколько сантимет-
W>) расстоянии от растений, что ведет к экранированию доступа
®стественного света при выращивании растений в теплице с есте-
С1*енн°й подсветкой;
80
81
4) нетехнологичность применения блоков со светодиодами в тепли-
цах, так как при их близком расположении над растениями соз-
даются трудности доступа к растениям для проведения агротех-
нических работ;
Необходимость применения специальных регулирующих механи-
ческих устройств для поддержания блоков со светодиодами непосред-
ственно над растениями по мере их роста.
Таким образом, светодиоды могул иметь весьма ограниченное
применение в светокультуре растений. Их использование может быть
оправдано, например, при выращивании растений на небольших пло-
щадях в научно-исследовательских целях. В то же время для условий
промышленной светокультуры в теплицах на больших площадях при-
менение светодиодов как источников света, с одной стороны, нетех-
нологично, а с другой - не может обеспечить необходимое разнообра-
зие параметров световых режимов.
Рис 4 13 Спектры излучения светодиодов в зависимости от химического состава
' полупроводниковых материалов (Bula et al, 1994, (пояснения в тексте).
Контрольные вопросы к главе 4
1. Каким образом можно сделать сравнительную оценку степени
эффективности фотосинтетически активной радиации ламп для
светокультуры растений?
2. Как линейчатый спектр ламп может влиять на их фотобиологиче-
Скую эффективность?
3. EI чём заключаются положительные и отрицательные особенности
Применения ламп накаливания в условиях светокультуры?
4. Какие, на Ваш взгляд, характеристики люминесцентных ламп
ограничивают их использование в светокультуре растений?
5. В чём положительные качества ксеноновых ламп при их исполь-
эрвании в светокультуре растений?
6. Приему натриевые лампы высокого давления успешно использу-
ютея’ в светокультуре растений?
7. ’ мф Вы знаете специализированные металлогалогенные расте-
ниеводческие лампы? Каковы особенности их использования в
светокультуре растений?
Как работают микроволновые лампы? Как Вы оцениваете пер-
спективы их использования для светокультуры растений?
• В 4ем преимущества и недостатки современных светодиодов в
случае их использования для облучения растений?
82
83
ГЛАВА 5. СВЕТОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
И КУЛЬТИВАЦИОННЫЕ СООРУЖЕНИЯ
ДЛЯ СВЕТОКУЛЬТУРЫ РАСТЕНИЙ
5.1. Облучатели
Как правило, в современной светокультуре растений источники
света, используемые для выращивания растений, снабжаются специ-
альными отражателями, другой светотехнической арматурой, пуско-
регулирующим аппаратом (ПРА), патронами специальных конструк-
ций, поджигающим устройством и т. д В целом такая система пред-
ставляет собой облучательноеустройство или облучатель.
Эффективность работы облучательного устойства сильно зависит
от такой характеристики, как «КПД отражателя». Поскольку матери-
ал, из которого сделан отражатель, не обладает идеальными отра-
жающими свойствами, то его коэффициент отражения г меньше 1.
Поэтом)' чем хуже отражающие свойства материала отражателя, тем
ниже его КПД (г)):
г| = Л>б^л, (5-1)
где Гобл - лучистый поток от облучателя; Fn — поток от лампы.
Учитывая, что около половины потока излучения ламп распреде-
лится в нижнюю и верхнюю полусферы, после чего отраженный сг
облучателя поток излучения будет направлен в нижнюю полусферу,
можно записать:
Го6л = 0.5Гл + 0.5rF„. (5.2)
Подставляя (5.2) в (5.1), получим:
П =0,5Гл(1+г). (5.3)
Таким образом, зная поток излучения источника света и коэффици-
ент отражения материала, из которого изготовлено отражающее покры-
тие, можно оценить эффективность работы отражающего устройства.
Типы облучателей весьма разнообразны. Ниже рассмотрены неко-
торые из них.
Облучатель краевой - облучатель, включающий в комплект крае-
вую лампу (рис 5.1). Лампа краевая имеет колбу с отражающим по-
крытием, нанесённым на три четверти её внутренней поверхности
(рис. 5.2) таким образом, что световой поток в заданную сторону воз-
растает до 30 %. Краевые облучатели используют при освещении рас-
тений в крайних рядах. Непроизводительные потери светового потока
на технологические проходы и дорожки в теплицах при использова-
нии традиционных облучателей достигают 40-50 %. Для их снижения
и применяют краевые облучатели. В этом случае возможна экономия
Рис. 5.1. Краевая лампа (а)
и краевой облучатель (б).
1 - колба, 2 - отражающее покрытие;
3 - дроссель.
Рис. 5.2. Комплект «краевых» ламп
с различной конфигурацией отражающих
покрытий, а - «угол зрения» лампы.
части светового потока за счёт его перераспределения из «мёртвой»
зоны, где нет растений, в зону их произрастания.
Совокупность используемых определённым образом облучателей
представляет собой облучающую систему.
Если условия освещения требуют распределения света достаточно
узкими полосами (например, на грядки с растениями, которые огра-
ничены технологическими проходами), используют однорядную то-
чечную систему облучения. Это система расположена над ограничен-
ной поверхностью в горизонтальной плоскости. Точечные облучатели
представляют собой источники света, размеры излучающей поверхно-
сти которых намного меньше расстояния до облучаемой поверхности.
Если облучаемая поверхность имеет достаточно сложную конфигура-
цию (например, ограниченная технологическими проходами площадь
поверхности с растениями имеет форму неправильной плоской фигу-
ры), можно использовать однородную объемную точечную систему
облучения. Эта система включает точечные облучатели, располагае-
мые над ограниченной облучаемой поверхностью по расчётной кри-
вой, которая обеспечивает максимальную интенсивность и равномер-
ность облучения на заданной поверхности. В общем случае исполь-
зуют смешанную точечную систему облучения растений. Такая сис-
тема представляет собой совокупность точечных традиционных и
•фаевых облучателей, располагаемых в поперечном сечении по рас-
чётной кривой, причём краевые облучатели располагаются по пери-
метру облучаемой поверхности. Частным случаем расположения
•фаевых облучателей в смешанных системах является двухрядная сис-
ема облучения, когда все облучатели являются краевыми.
В светокультуре широкое распространение получили облучатели с
металлогалогенными лампами мощностью 2-3 кВт. В качестве примера
•«рис. 5.3 показан облучатель типа «Фотос» с лампой 3 кВт.
Наибольшее распространение из-за массового выпуска и широкой
ДОс1Упности получил облучатель ОТ-400Е(И), выполненный в виде
“еРТи*2Льно подвешенного ПРА с патроном Е40 в донном основании, в
84
85
Рис.5.3. Облучатель
типа «Фотос»
который ввинчивается дуговая ртутная лампа-светильник типа ДРЛФ-
400 (рис. 5.4). Это один из наиболее нерациональных облучателей, ко-
торый перегружает конструкции теплицы, не позволяет автоматизиро-
вать его работу по отношению к ценозу, не всегда удовлетворяет свето-
вым потребностям растений в отдельных географических регионах.
Современный период характеризуется изменением подхода к ор
ганизации архитектуры облучателя.
Современные типичные облучатели (светильники) для теплиц, те-
Рис. 5 4. Облучатель ОТ-400.
86
Рис. 5.5. Облучатель ОТ-1000.
пличных комбинатов, для ускоренного выращивания сельскохозяйст-
венных культур и размножения селекционного и посевного материа-
ла выпускаемые отечественной промышленностью на заводах АО
«Лисма» в настоящее время, приведены в табл. 5.1.
. фирмой «Рефлакс» предложен облучатель типа SR 350 и SR 350-
1 выполненный в виде лампы-светильника горизонтальной установки
на базе специальной натриевой лампы мощностью 350 Вт, который
позволяет производить прямую замену устаревших ламп ДРЛФ-400 в
тепличных облучателях ОТ-400МИ на современные высокоэффектив-
ные натриевые лампы SR 350 или SR 350-1. Отличительные особен-
нбсти этих ламп-облучателей следующие:
SR 350 имеет диффузионное отражающее покрытие, вертикаль-
ное положение горения, кругосимметричное светораспределение;
й'SR 350-1 имеет зеркальное отражающее покрытие, горизон-
< тальное положение горения (требуют изменения системы подве-
'са облучателя), несимметричное светораспределение, позво-
' ляющее увеличить высоту подвеса ламп до 1,8-2,2 м.
Замена ламп ДРЛФ-400 на лампы SR 350 и SR 350-1 позволяет:
повысить уровень облучённости в 2 раза при снижении потреб-
ления электроэнергии на 12 %;
.при сохранении прежнего уровня облучённости в 2 раза умень-
шить количество облучателей, ламп и расход электроэнергии;
-J,,. повысить стабильность светового потока в 2 раза.
Таблица 5.1
Технические характеристики некоторых современных облучателей,
‘ используемых в тепличных хозяйствах
—ч*— :*Тип сЫгпыьннка Тип ПРА Тип лампы Напряже- ние в сети, В Номи- нальный ток лампы, А Световой поток, кЛм Масса, кг
ГСП-49-1000- . 001 У5 1И1000Н51- 003.УХЛ1 ДРИ- 1000-6 380 4,7 100 3»
ГСП-30-2000- —ЖУ5__ 1И2000Н51- 003.УХЛ1 ДРИ- 2000-6 380 9,2 200 3,8*
ЖСП-49-400- — ЭД1У5 1И400ДНаТ52- 006.УХЛ1 ДНаТ- 400 220 4,6 50 1,44*
ЖСП-44- 1*400-001.У5 1И400ДНаТ52- 006.УХЛ1 ДНаТ- 400 220 4,6x2 50 3,1*
ЖСП-ЗОЧОО- 001.У5 —Й*флакс) Ш400ДНаТ (встроенный) Reflux (ДНаЗ)- 400 220 4,6 50 9,3
°Т-400МИ- и._045У5 1И400ДРЛ (встроенный) ДРЛФ- 400 220 3,2 18 7,9
"веса осветительной арматуры
87
Основная причина, создающая указанные преимущества, связана -
более высокими светотехническими характеристиками натриевы.'
ламп высокого давления в сравнении с лампами ДРЛФ.
Достаточно широкое распространение в теплицах получили облу-
чатели ОТ-1000. В конструктивном отношении они подобны облуча
телям ОТ-400, однако в них используются лампа и дроссель, рассчц.
тайные на мощность 1 кВт (рис 5.5).
В 1993 г. появились решения «мягких» облучателей приниипиальн;
нового типа, позволяющие улучшить параметры радиационного режц.
ма для выращивания растений по спектральному составу, интенсивно
сти и направленности светового потока. Наряду с этим появилась воз
можность резкого сокращения расхода мазериалов, в частности алюми
ния, снижения нагрузки на конструктивные элементы теплиц.
Основным элементом «мягкого» облучателя является металлизи-
рованная полиэтилентерефталатная или полиамидная плёнка толщи
ной 150-250 мкм, позволяющая изменять архитектуру и спектраль
ные характеристики отражающих элементов без изготовления слепи
альной оснастки.
Среди других типов мягких облучателей ОТ-400-ПОП-ДНаТ выгод
но отличается от аналогов не только конструктивными показателям!
но и базой данных, позволяющей получать высокую точность расчёта
и поддерживать световой режим в заданных пределах. Это обеспечит
егся наличием кривых пространственного светораспределения в трё
плоскостях — в продольной, диагональной под углом 45° и поперечной
Перспектива использования «мягких» облучателей позволяет раз
считывать на новое решение проблемы обеспечения нормируемы
световых режимов в селекции, рассадных комплексах, промышлег
ных сооружениях искусственного климата различного назначения.
Устройствами, влияющими на световой режим, но не имеющим!
собственных источников света, являются жалюзийные экран
(рис. 5.6). Эти экраны имеют набор узкополосных жалюзи, поэтом1
Рис. 5.6. Схема размещения жалюзийного узкополосного экрана
типаЖУЭ-0.65-11 в теплице.
они получили название узкополосных жалюзийных экранов (ЖУЭ).
Жалюзи могут иметь механическую систему ориентации в простран-
стве, что обеспечивает возможность регулирования пропускаемого
сквозь экран светового потока. ЖУЭ часто используют в сочетании с
различными облучателями, за счёт чего становится возможным плав-
ная регулировка падающего на растения светового потока. Такой
комплекс представляет систему автоматического регулирования об-
лучением растений в теплицах, в состав которой входит микропроцес-
сорный блок. Система может управлять различными типами облуча-
тельных установок и жалюзийных экранов. Программное обеспечение
имеет набор разнообразных программ.
5.2. Установки для облучения растений
^'последние десятилетия в нашей стране много внимания было
уделено разработке широкопрофильных многоцелевых установок для
облучения растений. Они включают в себя совокупность облучателей
и блок управления и производятся промышленностью в виде ком-
плексов оборудования, выпускаемого под ключ.
По отношению к биотехнологическим требованиям растений, инже-
нерам, конструктивным и объёмно-планировочным решениям теплил
можВО выделить 10 основных типов таких установок (табл. 5.2).
Рассмотрим некоторые из этих установок и их особенности.
Обяучательная установка типа СОРТ-1-10 Установка предназна-
чена Jbpix выращивания растений при отсутствии (0 световая зона) или
силырм дефиците (I световая зона) естественной освещенности в
зимний период. Установка оборудована самыми мощными серийными
источниками света, используемыми для условий светокультуры. Сис-
тему-пблучения составляет шесть светильников с лампами ДКсТ-10000,
объясненных в единый модуль с общим пультом управления. Пульт
управления обеспечивает одновременное включение всех светильни-
КОЧМ защиту электрической схемы модуля от аварийных режимов
работы. Данная установка предназначена для использования в круп-
ных .адгарных теплицах и оранжереях, в фитотронах. Один модуль
СОРТ-Ы0 в зависимости от вида выращиваемых растений, условий
*<ЗД(бЛывания и световой зоны может облучать от 60 до 200 м2 ра-
боче^ппощади теплицы. Светильники предназначены для стационар-
ной ЖОдаески
на высоте не менее 3,5 м над уровнем грунта (в зависи-
м°ств от световой зоны). Благодаря большой электрической мощно-
сти облучатели установки располагаются под коньком теплицы, что
и® создает помехи при уходе за растениями и не требует демонтажа
лУ***телей при проведении ремонтных и профилактических работ в
в летний период. Данный тип установок наиболее целесооб-
н но использовать для промышленной светокультуры растений в
птицах северных регионов страны.
89
88
Таблица 5 2
Типы об.'«учительных установок для выращивания сельскохозяйственных
растений в сооружениях искусственного климата
№ о п Тип установки Тип источника, облучателя Мощность, Вт Тип сооруже- ний- в которых может быть использована установка Назначение Определение
1 2 3 4 5 6
1. Светящий карниз ДРИ-2000, ДРВ-750, ДНаТ-400, ДРОТ-2000, ДМ4-3000, ДМ4-6000 Промышлен- ные. селекци- онные, вегета- ционные теп- лицы, боксы, камеры Промышленное выра- щивание рассады, овощей, цветов, селек- ция ит, п. Устройство для облучения растений, состоящее из источ- ников оптического излучения, которые расположены в два ряда вдоль краёв пролёта или в ’ подлотковой зоне, и системы светоотражающих экранов, устанавливаемых под углом или параллельно кровле тепли- 1 цы
2. Светотрон ДРИ-2000, ДМЗ-ЗООО, ДМ4-3000 Промышлен- ные теплицы, боксы Промышленное выращивание рассады, овощей, цветов Устройство для облучения растений, состоящее из источ- ников оптического излучения, которые расположены в один ряд в подконьковой зоне, и 4-6 светоотражающих жалюзийных экранов, устанавливаемых также в подконьковой зоне
Светотронный карниз ДРИ-2000, ДРВ-750, ДНаТ-400, ДРОТ-2000, ДМЗ-ЗООО, ДМ4-3000, ДМ4-6000 Промышлен- ные, селекци- онные и веге- тационные теплицы, бок- сы, камеры Промышленное выра- щивание рассады, овощей, цветов, селек- ция и т.п. Устройство для облучения растений, состоящее из источ- ников оптического излучения которые расположены в три ряда: один в подконьковой зоне и два ряда вдоль краёв пролёта или в подлотковой зоне, и сис- темы светоотражающих экра- нов, устанавливаемых в шатро- вой зоне теплицы
4. Светофизио- логическая i ОТ-400, ССПОЗ-750, ОТ-ЮОО, ДНаТ-400 Селекционные теплицы, бок- сы, камеры Селекция, НИР Совокупность облучателей, располагаемых над облучаемой поверхностью в порядке убы- вания (возрастания) удельной мощности
5. СОРТ-ЫО ДКсТЛ- 10000, от- 10000x6 Промышлен- ные теплицы северных ре- гионов Промышленное выращивание рас- сады н овощей, ЦВС'ГОВОДСТВО Устройство для облучения растений, состоящее из 6 облу- чателей ОТ-10000 с лампами ДКсТЛ-10000 н шкафа управ- ления, который расположен на удалении от облучателей
90
Окончание табл 5 2
1 СОРТ-2-2 м 3 ДРОТ- 2000, ОТ- 2000x6 4 Промышлен- ные, селекци- онные, вегета- ционные теп- лицы, боксы, камеры Промышленное вы- ращивание рассады, овощей, цветовод- ство, селекция 6 Устройство для облуче- ния растений, состоящее из 12 облучателей ОТ- 2000 с лампами типа ДРОТ-2000 и шкафов управления (6 шт.)
Плоский световод (модуль на 8 секций) ДРИ- 2000. ДНаТ- 400, ДМ4- 3000 Промышлен- ные, селекци- онные, вегета- ционные теп- лицы, боксы, камеры Промышленное выращивание ПЯГГЯП1Л ППП1ПРЙ нпртппппгт. во,селекция Устройство для облуче- ния растений, представ- ляет собой равномерно светящуюся поверхность, на которую световой поток передаётся от вы- несенных за её пределы источников оптического излучения с помощью вводных камер (2 штуки) и плоского светоотра- жающего и светорассеи- вающего экранов
Установка с cue- 1 темой регулиро- 1 вания облучённо- i сти и высоты подвеса ОТ-400, ССПОЗ- 750, ОТ- ЮОО Селекционные, вегетационные теплицы, бок- сы 3 и S 5 L Ф С Устройство для облуче- ния растений, состоящее из подъёмной панели с облучателями, системы контроля и регулирова- ния уровня облученности растений и высоты подъ- ема облучателей
УОРТ-1-6000 ОТ-бООО, ДМ4- 6000 Промышлен- ные, селекци- онные, вегета- ционные теп- лицы, боксы, камеры Промышленное вы- ращивание рассады, овощей, цветоводст- во, селекция и т.п. Устройство для облуче- ния растений, состоящее из одного облучателя ОТ- 6000 с лампой ДМЧ-6000 и шкафа управления
- t ФОУ-1-6 от- 6000x6, ДКсТВ- 6000 Селекционные теплицы, бок- сы, камеры Селекция, агрофи- зика. Физиология растений Устройство для облуче- ния растений, состоящее из 6 облучателей ОТ-бООО с лампами ДКсТВ-6000 и шкафа управления
91
Облучательные установки типа СОРТ-2 2-ЗТ и СОРТ-2-2-ЗК для
теплиц. Установки типа СОРТ-2-2-ЗТ и СОРТ-2-2-ЗК предназначены
для облучения растений в блочных и ангарных теплицах при отсутст-
вии или недостатке естественного света. Облучательные установки
типа СОРТ-2-2-ЗТ(ЗК) предусматривают использование высокоэф-
фективных ламп ДРОТ-2000, имеющих КПД в области ФАР 25 %
Спектр излучения этих ламп имеет два максимума в синей и красной
областях, что соответствует максимумам спектральной чувствитель-
ности фотосинтетической деятельности растений. Отличительной
особенностью данных установок является комплектность поставки
«под ключ», что снимает затраты на проектирование, комплектацию,
монтаж и эксплуатацию таких установок.
Установка СОРТ-2-2-ЗК представляет собой совокупность трёх
облучателей типа ОТ-ЗООО (КОРТ-ЗООО) на базе ламп ДРОТ-2000 и
шкафа управления. Установка имеет ЗИП, включающий 9 запасных
ламп типа ДРОТ-2000. Данное решение в отечественной практике
принято впервые. Оно позволяет устранить все узкие места в вопросе
замены и приобретения ламп, обеспечить бесперебойную работу ус-
тановок в течение 4-5 лет.
Установка обеспечивает удовлетворительную стабильность интен-
сивности, спектрального состава и равномерности облучения. В срав-
нении с широко распространёнными, но малоэффективными облуча-
телями ОТ-400 данная установка обеспечивает снижение удельной
мощности и расхода электроэнергии в 2,5 раза, нагрузки на конструк-
ции теплиц в 10 раз, сокращение количества облучателей в 10-12 раз.
расхода кабельной продукции в 3—4 раза, облегчает агротехнический
уход за растениями и обработку почвы, исключает необходимость
перестановки ящиков с рассадой по мере её роста, впервые позволяет
применять машинную уборку рассады, сократить срок созревания
рассады на 10-11 дней, увеличить выход рассады с 1 м2 от 25 шт. до
60 шт., уменьшить площади рассадных отделений в 1,5-2,0 раза.
Системы облучения растений могут представлять собой совокуп-
ность нескольких источников света, объединённых общей светоотра-
жающей поверхностью определённой конфигурации. Отечественной
промышленностью создан ряд оригинальных систем облучения такого
типа. Наибольший интерес среди них вызывают «плоский световод» н
«светящий карниз».
Облучателъная установка типа плоский световод. Эиа установка
представляет собой пространственную систему для облучения расте-
ний в виде равномерно светящейся плоской поверхности, на которую
световой поток передаётся от вынесенных за её пределы источников
оптического излучения, с помощью вводного устройства и плоского
светоотражающего экрана (рис. 5.7). Одним из основных недостатке?
92
1 7 4 5
Общий вид в камере
Рис 5 7. Облучагсльная установка типа «плоский световод».
, 1 - каркас; 2 - вводная камера, 3 - электротехнический блок, 4 - светоотражающий экран.
9 - светорассеиваюший экран, 6 - лампа: 7 - подвеска, 8 - соединительный кабель; 9 - растения;
10 - грядка. Правая и левая части светотрона зеркально симметричны.
1 светоотражающий экран; 2 - источник излучения-
поворотный механизм (а - угол поворота лампы); 4 - ценоз; 5 - питательная среда
данной облучательной установки является относительно невысокий
светотехнический КПД, который не превышает 50-65 %.
'Светящий карниз - пространственная система для облучения рас-
тевий, состоящая из источников оптического излучения, которые рас-
положены вдоль краёв пролёта и светоотражающих экранов, установ-
ленных под углом или параллельно кровле теплицы (рис. 5.8). Данная
°блучательная установка является конструктивным элементом тепли-
ЦМ.
так как кровля теплицы и светоотражающий экран служат свето-
техНИческой арматурой источников света. В установке могут быть
использованы различные типы современных источников света. В за-
®исимости от их типа используются соответствующие конструкции
Углов крепления ламп и отражателей к конструкциям теплицы.
93
Подобные установки могут быть использованы для промышленной
светокультуры, рассадных отделений тепличных комбинатов, селек-
ционных центров.
Эти две световые системы имеют целый ряд положительных осо-
бенностей для использования в условиях светокультуры. Отметим
некоторые из них:
- создаются, за счёт выноса ламп на периферию, зоны, свободные
от источников света, что улучшает условия для технологиче-
ских работ с растениями, повышает безопасность этих работ;
- источники света находятся в специальных зонах, где доступ к
ним ограничен, что повышает защиту их от случайных механи-
ческих и иных повреждений;
- за счёт рассеяния света растения получают диффузный лучи-
стый поток света, благоприятно влияющий на процессы их рос-
та и развития;
- за счёт специальной вентиляции эффективно удаляется излиш-
няя тепловая радиация;
- при техническом обслуживании и замене ламп уменьшена утро
за повреждения растительного покрова.
Облучательная установка типа светотрон. Эта установка пред-
ставляет совокупность узкополосных светоотражающих экранов, ус-
танавливаемых в подкровельном пространстве теплицы и источников
оптического излучения, которые расположены вдоль конькового эле-
мента теплицы. Изменения угла наклона таких экранов позволяет ме-
нять направленность светового потока и таким образом регулировать
уровень облученности растений. Главная идея создания такой конст-
рукции светотрона - по возможности устранить недостатки точечного
расположения источников света, связанные с неравномерностью све
тового поля над ценозами растений. Светотроны нашли применение г
теплицах при освещении протяженных ценозов растений. В этом ст-
чае источники света, как правило, находятся под коньком теплицы, а
светоотражающие экраны с регулируемым углом ориентации в про-
странстве расположены ниже (рис. 5.9). Светотроны, как и многие
другие установки, не лишены и ряда недостатков: не удалось устра-
нить затенение растений от естественного света конструктивными
элементами светотрона, значительны потери света и тепла через кров-
лю теплицы, из-за расположения узкополосных элементов экрана в
разных плоскостях затруднены возможности применения автоматизи-
рованной системы управления экранами. Тем не менее, создание про-
тяженных светотронов позволило значительно улучшить равномер-
ность освещения больших тепличных площадей, уменьшить количе-
ство источников света в расчете на единицу освещаемой площади в
сравнении с использованием точечных облучателей.
44
Рис 5.9. Протяженная облучательная
система типа «Светотрон»
(фрагмент).
Облучательная установка типа светотронный карниз. В созда-
нии данной установки были использованы принципы создания свето-
трона и светящего карниза. Основными элементами установки явля-
ются узкополосные экраны из металлизированной пленки, их привод,
позволяющий менять ориентацию в пространстве, источники света,
которые располагаются в три ряда - один ряд в зоне конька теплицы и
два на периферии (в зоне лотка теплицы). Экраны закрепляются на
едином профиле и имеют возможность поворота отдельных жалюзей
До полного перекрытия, то есть вплоть до полного перекрытия выход-
ного отверстия кровли. При этом каждый скат теплицы имеет авто-
номный привод экранов, что позволяет в случае необходимости ис-
пользовать их для снятия перегревов в периоды повышенной инсоля-
ЦИЯ, а также в качестве светоловушек в периоды недостатка естест-
венной радиации. Жалюзи могут прикрываться полностью или час-
ТИЧИО. В ночной период с целью уменьшения потерь тепла и света
хДЮозийные экраны могут быть,повернуты вплоть до полного взаим-
ного перекрытия. Угол поворота жалюзи может автоматически ме-
няться в зависимости от положения Солнца на небосводе, интенсив-
ности естественной радиации и ряда других условий. Пускорегули-
Рующие аппараты выносятся за пределы ростовой зоны и размещают-
ся в соединительных коридорах. Использование данной установки в
сравнении с точечными облучателями позволяет снизить нагрузки на
Фермы теплицы, уменьшить затенение растений, снизить световые
95
потери и потери тепла на 20-30 %, повысить технологичность и куль-
туру производства за счет устранения препятствий при агротехниче-
ском уходе за растениями (вспашка, полив, борьба с вредителями,
формирование растений, сбор урожая и т. д.).
Облучательная установка типа УОРТ-1-6000. В данной установке
используется трехфазная лампа ДМ4-6000. Установка предназначена
для выращивания рассады и растений на продукцию в теплицах блоч-
ного и ангарного типа со стеклянным и пленочным ограждением, в
светонепроницаемых теплицах при полном искусственном освещении
преимущественно в 0-11 световых зонах. В установке предусмотрена
система отключения при перекосе фаз, система аварийного отключе-
ния при механическом повреждении внешнего баллона лампы, воз-
можность дистанционного и местного управления. Практика приме-
нения облучательных установок УОРТ-1-6000 в первой световой зоне
показала, что при одинаковой установленной электрической мощно-
сти по сравнению с облучателями ОТ-400 интенсивность освещения
возрастает в 2 раза, равномерность облучения - в 1,6 раза, трудозатра-
ты на выращивание рассады за счет устранения необходимости де-
монтажа светотехнического оборудования — на 25 %, механические
нагрузки на конструкцию теплиц - в 5 раз, сроки получения рассады
для высадки в теплицы сокращаются в среднем на 10-11 суток.
Облучательная установка УОРТУ-2-ЗООО. В конструктивном от-
ношении подобна установке УОРТ-1-бООО, в отличие от которой
здесь использованы менее мощные лампы ДМ4-3000. Поэтому данная
установка предназначена для использования в рассадных отделениях
теплиц I—III световых зон, для выращивания растений на продукцию в
условиях светокультуры для теплиц II—IV световых зон. Установка
может быть использована в вариантах «светящий карниз» и «свето-
трон» с узкополосным экраном ЖУЭ-0,65-11 в блочных теплицах и в
традиционном варианте с блоком отражателей в ангарных теплицах.
5.3. Культивационные сооружения
для выращивания растений
К наиболее распространенным сооружениям, предназначенным
для выращивания растений с использованием искусственного света,
следует, прежде всего, отнести вегетационные камеры (закрытые
установки для выращивания растений), открытые установки, фито-
троны и теплицы.
Выращивание растений в условиях светокультуры может пресле-
довать весьма различные цели - получение научных данных о биоло-
гических особенностях различных растений, о действии различных
факторов среды на эти растения, получение хозяйственно полезной
продукции (зелень, плоды, семена и др.) в различное время года и в
96
разных климатических условиях и т. д. Естественно, что для достиже-
ния разных целей приходится создавать и использовать разное техни-
ческое оборудование - от маленьких лабораторных настольных уста-
Ирвок до тепличных комплексов и крупных исследовательских со-
оружений со сложными системами контроля и управления различны-
ми параметрами среды - фитотронов.
В послевоенные годы за рубежом и в нашей стране был построен
целый ряд фитотронов в научно-исследовательских учреждениях (Ка-
лифорнийский технологический институт в США, Институт физиоло-
растений им. К. А. Тимирязева АН СССР, Институт физиологии и
биохимии растений СО АН СССР в Иркутске и др ). Кроме того, во
Многих селекционных центрах нашей страны были построены селек-
донные тепличные комплексы. Технические описания этих сложных
Вооружений выходят рамки учебного пособия по светокультуре, их
цщжно найти в специальных публикациях. Рабочей же основой этих
Сложных сооружений служат, главным образом, встроенные в эти со-
^ужения различного рода климатические камеры, они же - ростовые
домеры, вегетационные шкафы, микрофитотроны и др. Обшим у та-
Йях устройств является их «закрытость» - ограничение рабочего объ-
ема стенами, полом и потолком. Отличаются они друг от друга раз-
НЫми размерами, перечнем контролируемых и регулируемых пара-
мЙров среды, диапазоном возможного изменения этих параметров.
Например, чтобы охарактеризовать совокупность растений (ценоз)
Ж фотосинтезирующую систему, недостаточно оценивать интенсив-
т> фотосинтеза в зависимости от тех или иных условий у отдель-
ййх листьев и даже у отдельных растений. Необходимо исследовать
гфюдукционный процесс у всей совокупности растений как единого
щЙюго. Для этих целей удобны герметизируемые камеры - микрофи-
Туфоны, в которых можно обеспечивать не только заданные свето-
вой, температурный, воздушный режимы и необходимое минеральное
путание для растений, но и постоянный контроль газообмена - глав-
ВДМ образом, концентрации СОг в микрофитотроне. Это позволяет
Оптативно оценивать интегральные реакции сообщества растений
(Йязоза) на те или иные изменения условий, не нарушая целостность
Рулений. Этот метод, начиная с 60-х годов, получил большое распро-
странение среди исследователей. Так, для изучения зависимости газо-
Су*еНа ценозов различных культур от сочетаний различных факторов
МВЯпней среды в Институте физики СО АН СССР были разработаны
уйбстроены несколько герметизируемых микрофитотронов с регули-
Р’гбйЫми и контролируемыми условиями роста растений. Посевная
Т^отцадь лабораторных микрофитотронов 1,5-2,1 м2, что позволяло
Одновременно выращивать, например, несколько сотен растений ре-
или несколько тысяч растений пшеницы. Объём ассимиляцион-
97
Рис. 5.10. Схема герметизируемого микрофитотроиа.
1 - камера микрофитотрона; 2 - часть камеры, заполненная субстратом; 3 - бак с питательным
раствором; 4 - насос для закачки питательного раствора; 5 - кондиционер со змеевиком водяного
охлаждения; 6 - вентилятор кондиционера, 7 - газоанализатор; 8 - источник света; 9 - прозрачный
потолок с проточной водой; 10 - герметизируемый люк.
ных камер от 2000 до 3100 л. Однотипность в основных чертах всех
использованных в опытах лабораторных микрофитотронов позволяет
привести их обобщённое описание (рис. 5.10).
Ассимиляционная камера микрофитотрона представляет собой
склеенный из оргстекла или сваренный из листовой нержавеющей
стали полый куб или параллелепипед со стеклянным потолком и с
герметизируемым люком в одной из стенок. Источники света - одна-
две шестикиловаттные ксеноновые лампы ДКсТВ-6000, или 4 лампы
йодного цикла КИ-220-1000, или 2-4 металлогалогенные лампы ши-
рокого назначения, или, наконец, специальные (литиевые, таллиевые,
индиевые и др.) лампы с излучением в разных областях спектра.
Между источниками света и растениями находится слой силикат-
ного стекла толщиной 6-8 мм и слой проточной воды 35-50 мм, по-
глощающий значительную часть инфракрасной радиации. Корнеобн-
таемая зона в варианте с гидропоникой представлена слоем керамзи га
толщиной до 20 см, в варианте с аэропоникой или воздушной субир-
ригационной культурой - не заполнена. Питательный раствор закачи-
вается в неё периодически из соединённого с ассимиляционной каме-
рой герметичного бака, в котором предусмотрена автоматическая ре-
гулировка температуры раствора. Для конденсации транспирационно?
влаги и поддержания заданной температуры .воздуха служит контД
^кондиционирования. Это соединённая с ассимиляционной камерой
винипластовая ёмкость, в которой вмонтированы, вентилятор для
прокачки воздуха, змеевик водяного холодильника и нагревательный
•элемент. Конденсат транспирационной влаги возвращается в пита-
тельный раствор.
К ассимиляционной камере подключен оптико-акустический газо-
.мнапизатор (АО-2209 или Infralit) с соответствующей задачам экспе-
римента шкалой от 0-0,1 % до 0-2,0 % СО2, непрерывно регистри-
рующий концентрацию углекислоты в установке. С помощью релей-
но-импульсной системы регулирования содержание углекислоты под-
Ябрживается в заданных пределах. Изменение давления воздуха в
ммкрофитотроне при добавке углекислоты уравновешивается компен-
-датором с переменным объёмом (на схеме не показан). Образующийся
входе фотосинтеза избыток кислорода удаляется один раз в несколь-
<ко суток разгерметизацией и проветриванием камеры. Освещённость
регулируется путём изменения напряжения на ксеноновых лампах с
помощью пускорегулирующего устройства или изменением числа
включённых ламп. Интенсивность лучистого потока регистрируется
непрерывно пиранометром Янишевского, сигнал которого выведен на
самопишущий прибор. Показания пиранометра сопоставляются с пе-
риодическими замерами освещённости люксметром Ю-16 в 16 точках
«^уровне верхушек растений и с замерами фотосинтетически актив-
ней радиации фитопиранометром Козырева.
^Максимальная и минимальная освещённости (при измерении в 16
точках) отличаются от средней на ±20 % при высоте растений до 30 см.
При высоте растений 70 см светораспределение в микрофитозронах с 2
югеноновыми лампами ухудшается, отклоняясь по отдельным точкам
да л-40...+65 % от средней освещённости. В микрофитотронах с че-
тырьмя и более лампами меньшей мощности этого не происходит.
^^Температура воздуха поддерживается с помощью контактного
термометра, установленного на выходе воздуха из ассимиляционной
к8Исры в контур кондиционирования. При нагреве воздуха выше за-
ДШйой температуры сигнал контактного термометра открывает пере-
*ИМное устройство, и холодная водопроводная вода поступает в во-
ддаой
холодильник кондиционера. Снижение температуры размыкает
контакты
термометра, и пережимное устройство прекращает подачу
В
холодильник. При выключенном освещении приток тепла в
мЧЙ>офитотрон обеспечивается постоянно включённым электрона-
Т^вателем воздуха. Принцип регулирования температуры воздуха
остаётся тем же. Система регистрации температуры воздуха незави-
сима от системы регулирования. Она состоит из термистора, введён-
ного в ток выходящего из ассимиляционной камеры воздуха, и прибо-
непрерывно записывающего сигнал термистора. Показания прибо-
99
98
ра периодически сверяются с показаниями сухого термометра пси-
хрометра, находящегося в микрофитотроне.
Температура корнеобитаемого слоя может поддерживаться в за-
данных пределах за счёт нагрева или охлаждения питательного pat-
твора, периодически закачиваемого в зону расположения корнеи.
Принципы регулирования температуры питательного раствора те же,
что и для воздуха. Однако в большинстве опытов не было необходи-
мости в специальном регулировании температуры корнеобитаемого
слоя, поскольку затенение корневой зоны самими растениями и сво-
бодное испарение с поверхности этого слоя обеспечивали достаточ-
ный (3—4 °C) отрицательный градиент температур между корнеобп-
таемым и надземным слоями.
Относительная влажность воздуха в микрофитотронах складыва-
лась в зависимости от заданной температуры воздуха, освещённости и
транспирационной мощности изучаемого посева. Обычно влажность
воздуха колебалась в пределах от 60 до 85 %. При устойчивом режиме
температуры и освещённости влажность воздуха отклонялась от сред-
ней величины не более чем на 5 %.
В описываемых микрофитотронах поддерживали (или по намечен-
ной программе изменяли) различные сочетания условий при возможно-
стях изменения каждого параметра среды в таких пределах: средняя
мощность лучистого потока от 20 до 150 Вт/м2 ФАР ± 10 % от заданной
величины; продолжительность освещения от 0 до 24 часов в сутки;
температура воздуха от 20 до 30 ± 1 °C; температура корнеобитаемого
слоя от 15 до 25 ± 2 °C; концентрация СО2 в воздухе от 0 до 2 %.
Такие микрофитотроны позволяют исследовать ценозы разных ви-
дов и сортов растений при различных комбинациях факторов среды и
получать интегральные характеристики энерго- и массообмена проду-
цирующего ценоза как целостной функциональной единицы.
Разумеется, для разных видов растений для решения разных, глав-
ным образом исследовательских задач, возможны самые широкие мо-
дификации таких микрофитотронов, фитокамер, вегетационных шка-
фов и т. д., но основные принципы их построения и эксплуатации дос-
таточно понятны из приведённого примера.
Для решения задач с ограниченным диапазоном подбора режимов
выращивания растений и тем более для масштабного воспроизведен ня
вполне определённых режимов выращивания (размножение селекци-
онного материала, выращивание товарной продукции овощей, цветов
и др.) нет необходимости в сложных по управлению и, соответствен-
но, дорогих камерах, шкафах, микрофитотронах. В этом случае широ-
ко используются различные устройства «открытого» типа — освещав'
100
- мые стеллажи, поддоны, установки ускоренного выращивания расте-
ний (УВР) и т. д.
В качестве примера открытой установки, пригодной для выполне-
Ния ряда исследовательских работ и для массового размножения се-
лекционного материала, можно привести установку ускоренного вы-
ращивания растений (УВР), предложенную Институтом физики СО
АН СССР. Промышленный образец установки был разработан Конст-
рукторским бюро источников высокоинтенсивного света и передан в
серийное производство (Лисовский, Булыков, 1973).
Установка УВР предназначена главным образом для ускоренного
размножения первых поколений гибридов, а также для выращивания
. растений родительских форм и проведения скрещиваний яровых
культур в период с осени до весны. Озимые на установке можно вы-
ращивать только после полной предварительной яровизации семян.
Установка включает в себя систему питания, зажигания, водо-
ЙЬдяного охлаждения, контроля и управления шестью лампами типа
ДКсТВ-6000, три секции с поддонами для субстрата (площадью 5 м2
каждая) и систему подачи питательного раствора.
Секции установки УВР могут размещаться, исходя из условий экс-
Пйуатации, на различных расстояниях друг от друга. Каждая из сек-
ций соединена со стойкой пульта управления с помощью электриче-
ских кабелей с разъёмами на обоих концах. Для подвода воды, охлаж-
дающей лампы, используют резиновые шланги. Каждая секция уста-
новки имеет два поддона размером 1670x1500x250 мм, заполняемых
керамзитом или другим субстратом, бак объёмом 300 л и насос для
йодачи питательного раствора, блоки зажигания ламп и два светиль-
ника с лампами ДКсТВ-6000.
. Питание установки осуществляется от трёхфазной четырёхпро-
Вбдной сети переменного тока напряжением 380/220 В, частотой
Я Гц. На лампы ДКсТВ-6000 подаётся переменный ток напряжением
120 В, частотой 50 Гц. Мощность, потребляемая установкой УВР от
при работе шести ламп (трёх секций) составляет не более 40 кВт.
*33 установке предусмотрены блокировки, обеспечивающие отклю-
электропитания ламп при повышении температуры охлаждаю-
йвуй дистиллированной воды свыше 45 °C, при уменьшении расхода
воды в случае разрыва рубашки охлаждения любой из шести ламп и
при выходе из строя или отключении электродвигателя подачи дис-
тиллированной воды, охлаждающей лампы. Насос питательного рас-
твора обеспечивает подачу 250-300 л раствора из бака поочерёдно в
каждый поддон за 7—10 мин. Раствор возвращается в бак самотёком за
12-15 мин. .
Светильник установки УВР представляет собой алюминиевый
сварной корпус, внутрь которого вставляется парабол оцилиндриче-
101
ский отражатель, изготовленный из альзакалюминия или полирован-
ной нержавеющей стали марки Х18Н9Т с коэффициентом отражения
не менее 0,8. Лампа типа ДКсТВ-6000 располагается таким образом,
что её ось совпадает с фокальной прямой отражателя.
Предусмотрена возможность вертикального перемещения светиль-
ника в пределах от 0,8 м до 2 м от поверхности субстрата и поворот в
вертикальной плоскости на угол +60с от номинального положения.
Освещённость на рабочей поверхности 15 м2 при высоте подвеса
светильников 1 м составляет около 20 клк при неравномерности не
более 15% от средней. Общие размеры каждой секции установки,
включая высоту штанг со светильниками, - 3840x1600x3250 mmj, раз-
меры пульта - 590x550x1500 мм3.
УВР предназначена для работы в помещении с вытяжной вентиля-
цией при температуре воздуха до +30 °C, относительной влажности до
75 % и нормальном атмосферном давлении. Для охлаждения ламп в бак
водо-водяного теплообменника заливают 60 л дистиллированной воды,
которую сменяют раз в несколько месяцев. Для охлаждения теплооб-
менника установки расходуется от 1,5 до 3,0 м3 в час проточной (водо-
проводной или технической) воды, в зависимости от её температуры.
В 70-80 гг. установка получила распространение в научно-иссле-
довательских учреждениях и селекционных центрах страны, где экс-
плуатировалась в закрытых помещениях в режиме полностью искус-
ственного освещения или, как во Всесоюзном НИИ зернового хозяй-
ства в 80-е годы, в теплицах при смешанном освещении (рис. 5.11).
Рис. 5.11. Установки УВР в теплице ВНИИ зернового хозяйства (80-е голы).
102
Развитием идеи установок стеллажного типа стали различные ва-
йрианты многоярусных стеллажных установок для выращивания рас-
Ега гьт растений и низкорослых культур как при полностью искусст-
венном освещении, так и при смешанном освещении в теплицах.
г; Институтом «Гипронисельпром» (г. Орёл) разработаны много-
Епусные узкостеллажные гидропонные установки, предлагаемые для
пыращивания растений методом многоярусной узкостеллажной гид-
ВДкч>ЛОНИКИ.
Растения выращивают в 4 возрастных этапа: всходы и сеянцы (до
.рикировки) - в пластмассовых кассетах объёмом от 18 до 65 cmj, об-
щий вид кассет приведён на рис. 5.12. Рассаду и взрослую культуру
Выращивают в пластмассовых горшочках объёмом 0,7 л.
Кассеты с сеянцами или горшочки с рассадой устанавливаются в
рассадные лотки шириной 220 мм в нижней части и 250 мм в верхней
части с высотой боковой стенки 36,0 мм. Схема размещения растений
Приведена на рис. 5.13.
Лотки в 5-6 ярусов, в зависимости от выращиваемой культуры, за-
креплены на наклонных опорах (пирамидах), шаг расстановки пира-
Тмид 2100 мм. Горшочки с растениями, выращиваемыми для плодоно-
Гшения, устанавливают в овощные лотки шириной 100 мм в нижней
&исти и 150 мм в верхней части, с высотой боковой стенки 70 мм.
Овощные лотки накрывают крышками. Длина крышек 1 м для удоб-
ства эксплуатации. Крышка выпуклого профиля с отверстиями
jjJOOxlOO мм с расстояниями по осям 200 мм.
Питательный раствор подаётся по магистрали из бака рабочего
Ластвора через коллектор по автономной радиальной системе в каж-
йый лоток. Лотки устанавливаются с уклоном 1° для сбора раствора.
даВутренняя сторона лотков должна иметь нейтральное покрытие, не
уступающее во взаимодействие с питательным раствором и нетоксич-
для растений.
Рис. 5.12. Кассеты для выращивания
сеянцев различных культур
методом многоярусной
узкостеллажной гидропоники
1,2- размером 200x200x57 мм5,
объём ячейки 65 см3,
используются при выращивании
рассады овощных культур
для теплиц и ранней высадки
в открытом грунте;
3 - размером 200x400x57 мм3,
объём ячейки 18 см3,
используется для выращивания рассады
поздней капусты в открытый грунт.
юз
Рис. 5.13. Схема размещения растений при выращивании рассады
методом многоярусной гидропоники.
1 - светильник УОРТ внешнего облучения с лампой мощностью 400-3000 Вт;
2 - светильник внутрипирамидного облучения с лампой ДНаТ
мощностью 125, 250 или 400 Вт.
Рис, 5.14. Схема размещения оборудования при переводе блочных теплиц пролетом
6,4 м на выращивание растений методом многоярусной узкостеллажной гидропоники
в экспериментальном тепличном хозяйстве института «Гипронисельпром», г. Орёл.
I - светильники ОТ-ЗООО с лампой ДМ4-3000 установки УОРТУ2-3000-1;
2 - светильники ОТ-400 с лампой ДНаТ-400 установки УОРТ15-ДНаТ-400
(на рисунке размеры даны в мм).
104
5.15. Слева - фрагмент устройства многоярусной узкостеллажной гидропонной
установки (МУРУ), справа - выращивание томатов на установке МУРУ
Sfia базе многоярусных узкостеллажных гидропонных установок
рработана теплица Т-100А.
[^Реконструкция существующего парка отечественных теплиц ан-
Юного и блочного типа возможна путём размещения в них много-
Иёных узкостеллажных гидропонных установок.
^.Пример реконструкции блочной теплицы пролётом 6,4 м (т.п. 810-
Я в экспериментальном тепличном хозяйстве института «Гипрони-
бйьпром» приведён на рис. 5.14 и 5.15. Разработаны варианты рекон-
СТОукции ангарных теплиц пролётом 14,0 м.
-Одним из вариантов реконструкции предусмотрен перевод на тех-
ЙЙлогию многоярусной узкостеллажной гидропоники теплиц площа-
12000 м2. Особенностью этого варианта является использование
движных многоярусных узкостеллажных гидропонных устано-
Расчётный выход продукции при этом увеличивается на 40 %, по
нению со стационарными установками.
! наиболее распространенным крупным культивационным соору-
ым для выращивания растений с использованием искусственного
чения относятся теплицы. В теплицах могут использоваться облу-
1и и облучательные установки, открытые и закрытые установки для
Щиг.ания растений, либо не содержать их. Тепличные условия для
Щипания растений с применением искусственного облучения, в
Циле можно создать в различных помещениях, где обеспечены
ЧИрбХодимые для этого условия. Главными среди них должны быть;
'^.•обеспечение теплом, электроэнергией;
наличие канализационной системы, водопровода, вентиляцион-
ной системы и т. д.
НИоэтому понятно, что далеко не каждое помещение подходит для
с^Окультуры растений.
Д£ Всему комплексу необходимых требований для выращивания рас-
в искусственных условиях (как при использовании искусственно-
105
го освещения, так и естественного света) отвечают специально созда-
ваемые для этого сооружения, которые принято называть теплицами.
В целом под теплицами следует понимать крупногабаритные по-
мещения для выращивания растений на рассаду или на продукцию,
которые имеют ограждение и светонепроницаемую или светопрони-
цаемую кровлю, способные функционировать в течение круглого года
либо весной летом и осенью.
Теплицы по эксплуатационному или экономическому подходу
принято разделять по следующим признакам:
1 - назначение: овощные (выгоночные), предназначенные для выра-
щивания овощей: рассадно-овощные - для выращивания рассады,
которую затем рассаживают и в другие (например, овощные) теп-
лицы; рассадные, в которых выращивают рассаду для последую-
щей высадки в открытый грунт;
2 - сроки сезонного использования: круглогодовые (зимние), весен-
не-летние (весенние);
3 — способ использования площадей: грунтовые, стеллажные (стел-
лажи заполняют почвогрунтом или нейтральным субстратом),
многоярусные узкостеллажные теплицы, в которых, как правило,
используют искусственный субстрат и автоматическую систему
управления (полива, облучения растений и т. д.);
4 — способ размещения растений: одноярусные, многоярусные, кон-
вейерные;
5 - способ корневого питания: почвенные, гидропонные;
6 - способ обогрева: солнечный (обычные теплицы и гелиотеплицы)
биологический (например, за счёт выпревания перегноя в грунто-
вых теплицах), технический (водотрубный принцип, сжигание га-
за внутри теплицы, электрические нагреватели без - или с прину-
дительным воздухообменом, теплогенераторы и др.);
7 — вид светового ограждения: остеклённые, плёночные, стеклопла-
стиковые, светонепроницаемые (для интенсивной светокультуры
растений).
Грунтовые теплицы всегда одноярусные, стеллажные могут быть
как одноярусными, так и многоярусными, конвейерные теплицы мо-
гут иметь либо горизонтальные, либо вертикальные конвейеры.
За исключением светонепроницаемых, указанные типы теплин
лучше всего подходят для реализации выращивания растений либо
при естественном освещении (в основном, с середины весны до осен-
них заморозков), либо при комбинированном (естественном и искус-
ственном облучении).
При полном искусственном облучении в зимний период (так назы-
ваемая «зимняя светокультура»), когда интенсивность естественного
света недостаточна для формирования у растений плодов и овощей.
106
54
50
46
40
Светонепроницаемые теплицы
Остекленные и светонепроницаемые теплицы
Остекленные теплицы
Рис. 5.16. Схема районирования различных типов культивационных сооружений
на территории бывшего СССР.
остеклённые теплицы наименее эффективны. В то же время зимнюю
светокультуру нередко пытаются реализовать в остеклённых тепли-
цах. Однако в экономическом отношении это не всегда оправдано, так
стеклянное покрытие плохо держит дефицитное для зимы тепло,
часто разрушается, что приводит к большим потерям энергии и удо-
рожанию растительной продукции. Кроме того, стеклянное покрытие
Вс^Вмний период даёт крайне мало света для растений и поэтому даже
в этом отношении неэффективно. В этой связи для северных регионов
страны, где зимний период весьма продолжителен, актуальным явля-
емся использование светонепроницаемых теплиц.
^Светонепроницаемые теплицы имеют собственные, отличные от
Других типов теплиц, инженерные системы и конструктивные реше-
Специально для светонепроницаемых теплиц, в частности, разра-
ОчГаны: комплекты светотехнического оборудования, комплект гид-
ропонного оборудования для автоматического полива растений, тех-
вические решения для систем отопления, вентиляции, СО2 -подкорм-
8811 Др. Эти разработки способствуют тому, что светонепроницаемые
Теплицы становятся наиболее продуктивными и энергоэкономичными
для северных регионов страны. Схема районирования различных ти-
пов теплин (рис. 5.16) предложена головным институтом по проекти-
рованию в России теплин - «Гипронисельпромом» (г. Орел), на осно-
вании учёта географического положения и потребности в овощной
продукции для районов Сибири, Крайнего Севера и Дальнего Восто-
ка. При обосновании строительства светонепроницаемых теплиц учи-
тывается комплекс метеорологических факторов, среди которых при-
нимаются во внимание следующие:
- температура и количество наиболее холодных суток в году,
— снеговая нагрузка, кг/м2;
— скоростной напор ветра, кг/м".
С учётом этих требований по данным института «Гипрониселыь
ром» потребность в светонепроницаемых теплицах в стране составля-
ет около 790 га.
В настоящее время парк теплиц состоит в основном из светопро-
зрачных (остекленных) теплиц. В конструктивном и функциональном
отношениях остекленные теплицы можно разбить на две большие
группы: для крупных теплично-овощных или рассадно-овощных ком-
бинатов; для подсобных хозяйств промышленных предприятий, фер-
мерских, приусадебных хозяйств и других локальных применений.
Остекленные теплицы делятся на блочные, или многопролетные, и
ангарные, или однопролетные. Среди остекленных теплиц доля ан-
гарных невелика (около 12,4 %), остальные - блочные.
Тепличные комбинаты, имеющие в своем составе ангарные тепли-
цы, располагаются, как правило, в более северных регионах страны,
блочные теплицы расположены преимущественно в центральных,
южных районах и на европейском севере страны.
Контрольные вопросы к главе 5
1. Что представляет собой облучательное устройство (облучатель),
используемое в светокультуре растений?
2. Что такое «краевой» облучатель и какова его роль?
3. По каким признакам предлагается классифицировать облучатели?
4. Что такое «мягкий» облучатель?
5. Какова роль жалюзийных экранов в теплицах?
6. Чем отличаются установки для облучения растений от облучателей?
7. Приведите пример одной из современных установок для свето-
культуры растений и охарактеризуйте её основные параметры.
8. Что лежит в основе систематизации и унификации светотехниче-
ского оборудования для выращивания растений с использованием
искусственного света?
108
_ Как Вы понимаете реализацию тех или иных задач по учёту раз-
личных биотехнологических и инженерных требований к облуча-
телям и установкам в светокультуре растений.
• Почему для светокультуры растений необходимы специальные
.сооружения?
,По каким признакам подразделяют теплицы?
Почему экономически нецелесообразно в северных регионах эксплуа-
тировать остеклённые теплицы в режиме зимней светокультуры?
fe каких географических регионах и почему выгодно использовать
под светокультуру светонепроницаемые сооружения?
109
ГЛАВА 6. ВЫБОР РАДИАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ
ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ РАСТЕНИЙ
В УСЛОВИЯХ СВЕТОКУЛЬТУРЫ
6.1. Специфика видовых реакций растений
на спектр излучения и уровень облучённости
Опыт использования искусственной ФАР различного спектрально-
го состава для выращивания растений показал неоднозначность влия-
ния спектра как на накопление общей биомассы, так и на формирова-
ние хозяйственно-полезного урожая.
Контрастной может оказаться специфика реакций растений разных
видов на излучение красной области спектра при формировании уро-
жая. Например, при длительном выращивании растений огурца в
красных лучах через 20-30 суток наступала их гибель. В то же время
растения томатов способны давать достаточно высокий урожай в
красных лучах (Тихомиров и др., 1991).
В литературе, посвящённой оценке эффективности ФАР в свето-
культуре, иногда встречаются рекомендации по неограниченному
увеличению доли красных лучей в ФАР в целях повышения эффек-
тивности использования искусственного света для выращивания рас-
тений (Свентицкий, 1982). К сожалению, такие рекомендации основа-
ны на результатах высокой эффективности красного света в кратко-
временных (3-5 мин.) экспериментах по оценке фотосинтеза листьев
растений. Этот результат всегда однозначен: фотосинтез зелёного
листа максимален в красных лучах, что и нашло своё отражение в
спектрах действия фотосинтеза, которые имеют максимум в красной
области ФАР независимо от вида зелёного растения и спектрального
режима предварительного выращивания. Это вполне объяснимо, если
учесть, что при длительном воздействии излучения определённого
спектрального состава и интенсивности в фотосинтезе участвуют как
единое целое совокупность и быстро, и медленно протекающих во вре-
мени фоторегуляторных механизмов. А именно эта совокупность ре-
шающим образом определяет специфику растений в их реакции на свет
разного спектрального состава и интенсивности. Если исключить влия-
ние этих эффектов, вычленив лишь чисто фотосинтетический кратко-
временный ответ на излучение данного спектрального состава, то сле-
дует ожидать получение близких по структуре кривых спектров дейст-
вия фотосинтеза зелёных листьев различных видов растений, что и бы-
ло получено в ряде работ зарубежных и отечественных исследователей.
Таким образом, длительное воздействие излучения определённого
спектрального состава и интенсивности на растения, затрагивающее
структуру и функцию фотосинтетического аппарата может изменить п
саму спектральную эффективность фотосинтеза. В то же время такие
изменения, затрагивающие структуру и функцию фотосинтетического
ПО
церата, не реализуются при кратковременном воздействии излуче-
С определенного спектрального состава.
Ь* щенка кратковременного воздействия излучения различного
Ерктрального состава на фотосинтез зелёного листа в виде спектра
•Рстиия фотосинтеза отражает универсальные характеристики фото-
(уггетического аппарата, присущие зелёным листьям независимо от
Твидовой принадлежности. Под такими универсальными характери-
[рксМИ понимают наличие одних и тех же зелёных пигментов, опре-
шеших сходство в спектрах поглощения энергии листом, общих
ЙЙшомерностей миграции энергии к реакционным центрам, единых
Йнципов работы фотосистем и ряд других общих черт строения и
иикционирования фотосинтетического аппарата, вследствие которых
[вникают быстротекущие реакции фоторегуляции. Однако энергети-
|ское обеспечение продукционного процесса в условиях искусствен-
но освещения связано с длительным воздействием излучения опре-
снённого спектрального состава на ценозы растений. Здесь, как еди-
мг целое, участвует совокупность быстрых и медленно протекающих
^времени фоторегуляторных механизмов. Именно последние в су-
[Ьсгченной степени обусловливают особенности в направленности
►^синтеза, ведущие к глубоким структурным изменениям фотосин-
ргического аппарата, которые проявляются в особенностях морфоге-
Ка и определяют фотосинтез растений.
^Результаты наших исследований по длительному воздействию из-
учения красной области спектра на ценозы различных видов расте-
|й (табл. 6.1) позволяют предположить существование двух групп
Чтений, различающихся по реакции на «чистый» красный свет: пер-
Я группа характеризуется нарушением метаболизма и падением
Таблица 6.1
Общая сухая биомасса (в граммах) я расчёте иа 1 растение,
сформировавшееся в ценозе при облучённости 100 Вт/м2
в «синих», С (400-500 им), и «красных», К (600-700 нм) лучах
|г Вид растений Возраст, сут. Общая сухая биомасса 1 растения
С К CZK
Огурец «Московский к;;. . тепличный» 30 4,01 1,2* 3,34
Е^Редис «Вировский белый» 20 1,61 0,75* 2,15
Подсолнечник «Енисей» 20 12,1** 7,14** 1,7
fe' Кукуруза «Минусинка» 20 2,8* 6,4** 0,44
Пшеница 232 30 0,25 0,25 1,00
1оматы «Старфайер» 30 0,95 1,63 0,56
• /ДСЫ1ПГ1 VrlUlViM IjOipaLUUDflnnll |J<1V I Vrfr*?i 11UV 1 t.
“До конца вегетации растения не выращивали.
111
продуктивности; вторая группа — отсутствием аномальных изменений
в метаболизме и достаточно хорошей прЬдуктивностью.
В этой связи возникает необходимость установить те предельные
значения доли красного света в ФАР, которые соответствовали бы
максимальной продукционной деятельности фитоценозов. Несомнен-
но, что такие предельные значения красного компонента в оптималь-
ном спектре ФАР будут различаться для разных культур. В практиче-
ском плане такое подразделение растений на две группы по реакции
на красный свет предполагает, что растения второй группы для обес-
печения эффективного продукционного процесса должны выращи-
ваться при излучении ФАР с более высоким содержанием красных
лучей, нежели растения первой группы. Например, для обеспечения
наибольшей продукционной деятельности томатов в условиях интен-
сивной светокультуры (Е = 100-150 Вт/м2 ФАР) доля красных лучей
должна составлять 65-75 %, а для огурца только 40-50 % (но не менее
35—40 %) (Тихомиров и др., 1991).
Что касается зелёных лучей, то их воздействие на формирование
продукционного процесса в качественном отношении сходно с дейст-
вием красной области спектра. Для зелёных лучей, как и для красных,
характерно либо негативное воздействие на формирование фотосинте-
тического аппарата, приводящее к гибели те или иные виды растений,
что и при красном свете, либо положительное, обеспечивающее воз-
можность получения хозяйственно-полезного урожая (например, тома-
ты), который в большинстве случаев ниже, чем под красным светом.
Излучение синей области спектра, в отличие от зелёной и красной,
обеспечивает, как правило, накопление общей биомассы на протяже-
нии всего Периода вегетации для различных видов культур. В то же
время не все культуры в синих лучах формируют хозяйственно-
полезный урожай, или величина его весьма низка.
Как известно, наибольшую физиологическую активность имеют
синяя и красная области спектра, поэтому выявление реакций расте-
ний на спектр излучения ФАР должно включать оценки действия на
них, в первую очередь, излучений этих областей, и основное внима-
ние следует обращать на соотношение этих областей ФАР.
Эффективность излучения отдельных спектральных областей в
формировании урожая растений сильно зависит от интенсивности
света. Согласно результатам систематических исследований в этом
направлении (Тихомиров и др., 1991) с ростом интенсивности излуче-
ний возрастает спектральная эффективность (но не КПД фотосинте-
за!) синих лучей в сравнении с красными в формировании урожая.
Однако увеличение эффективности синих лучей в продуктивности
растений разных видов неодинаково и имеет видовую специфику.
112.
«разумеется, что в условиях светокультуры обычно используют ис-
Ецики света, имеюшие смешанный спектральный состав ФАР, в
к.ром синие, зелёные или красные лучи находятся либо в попар-
ij, либо в тройном сочетаниях. Однако при доминировании какого-
Ь из этих участков спектра в интегральном потоке ФАР, его роль
tx-стом его доли) всё более напоминает его фотобиологическое воз-
|сгвие в чистом виде. Поэтому знание воздействия отдельных уча-
грв спектра на формирование урожая растений нередко позволяет
jjpaTb примерный прогноз фотобиологического действия излучения,
Ьсильно доминирует одна из спектральных областей, на величину
шах. Это также позволяет ориентироваться при подборе того или
Йр источника света в предлагаемом ассортименте.
ТТри использовании смешанного потока ФАР, в котором представ-
вы в тех или иных пропорциях синяя, зелёная и красная области,
пирование урожая сельскохозяйственных культур более эффек-
тно, чем при излучении той же интенсивности, сосредоточенном в
ий или двух из названных спектральных областей. Таким образом,
Ьсмальный для продукционного процесса спектр ФАР зависит от
Ьряя облучённости, с одной стороны, и вида используемой культу-
с другой. Поэтому выбор спектральных и энергетических режи-
облучения растений необходимо вести с учётом конкретно по-
зленной задачи. Например, с точки зрения оптимального использо-
|ил излучения при выгонке рассады огурцов оптимальным будет,
&асно нашим данным, уровень облучённости 50-60 Вт/м2 ФАР, в
же время для формирования хозяйственно-полезного урожая (на-
Ьмер, пшеницы) уровни облучённости должны находиться в диапа-
!с 100-200 Вт/м2 ФАР. При выращивании растений в условиях,
fXa энергетические затраты не являются лимитирующим фактором,
кно искать оптимум по продуктивности, например, для решения
рпю-исследовательских задач, при весьма высоких облучённостях,
Йдка солнечной и выше. При столь разных уровнях облучённости
финальный спектр ФАР для продуктивности одних и тех же расте-
может оказаться разным.
другой стороны, при одинаковых уровнях облучённости ФАР
«ценозов различных культур оптимальный спектр излучения тоже
кет оказаться разным. Исследования показали, что распределение
(ргни в спектре ФАР интенсивностью 100 Вт/м2 для ценозов реди-
Огурца и томатов, обеспечивающее их максимальную продуктив-
кь, различно. Так, например, необходимая доля синих лучей, обес-
Инающая при облучённости 100 Вт/м2 ФАР оптимум по продук-
«ости, выше для ценоза редиса, но ниже для ценоза огурца. Суще-
•нную роль играет в оптимальном спектре ФАР зелёный компо-
ст излучения, как это было показано, например, на ценозах огурца.
113
Однако варьирование синим и зелёным компонентами ФАР для обес-
печения высокой продукционной деятельности фитоценоза с учётом
его оптической плотности и вида растений может быть успешным
лишь на фоне достаточного обеспечения красным светом. На основа-
нии анализа собственного материала и литературных данных нам
представляется, что наращивание доли излучения красной области
ФАР для обеспечения максимальной продуктивности ценоза растений
должно быть увязано со знанием потребностей такого ценоза в синих
и зелёных лучах. Чрезмерное увеличение в ФАР доли красных лучей
(вплоть до «чистого» красного света) может привести к гибели неко-
торых видов. В то же время резкое уменьшение или полное исключе-
ние красных лучей из ФАР никогда не вызывает гибели ценозов рас-
тений, хотя и может существенно снизить их продуктивность.
Таким образом, рассмотренный материал по изучению роли от-
дельных областей спектра и их сочетаний в общем излучении ФАР
показывает достаточную сложность и неоднозначность их влияния,
как в качественном, так и в количественном отношениях на повыше-
ние продуктивности ценозов растений разных видов.
Поэтому в зависимости от вида растений и задач их выращивания
в светокультуре разработаны определённые световые режимы с ре-
комендуемыми спектральными и энергетическими характеристика-
ми. Рассмотрению наиболее актуальных для светокультуры режимов
выращивания ряда овощных растений посвящены последующие раз-
делы этой главы.
6.2. Реакция растений на длину светового дня
(фотопериодизм)
Освещение необходимо растениям, чтобы осуществлять накопле-
ние энергии посредством первичного фотосинтеза в хлоропластах
листа. Эти процессы могут протекать непрерывно (круглосуточно).
Но, кроме субстратно-энергетической функции света, реализуемой в
фотосинтезе, свет выполняет целый ряд важных регуляторных функ-
ций. Они реализуются на уровне процессов, характерных для целост-
ного растения, — осевой рост органов, формирование специальных
запасающих органов (корнеплоды, клубни и др.), переход к цветению
и плодоношению и т. д. В этом плане в качестве одного из регулято-
ров роста и развития растений может выступать смена света и темно-
ты, дня и ночи, то есть суточные ритмы освещения (фотопериоды).
В ходе эволюции у разных видов растений, формировавшихся в
разных географических широтах, выработалась неодинаковая реакция
на суточные ритмы естественного освещения, а в ходе селекции, осу-
ществляемой человеком, сформировались различия по отношению к
суточным ритмам у разных сортов в пределах одного и того же вида.
114
го явление было открыто в 20-е годы Гарнером и Аллардом и полу-
yio название фотопериодизма. В самом грубом приближении расте-
Н делят на длиннодневные (пшеница, редис, свекла и многие дру-
jp), у которых удлинение светового периода, вплоть до круглосуточ-
но освещения, ускоряет развитие и сокращает период вегетации, и
роткодневные (соя, кукуруза, томаты и многие другие), которым
IX нормального развития необходимы в течение всей вегетации или
Определённого отрезка суточные ритмы света и темноты с продол-
(гтсльностью темнового периода не менее 10-12 часов в сутки, и,
рсонец, нейтральные по отношению к длине дня (гречиха, горох и
l), развитие которых возможно при различных фотопериодах. Регу-
|1ия фотопериодической реакции носит гормональный характер.
Йрвичным акцептором фотопериодических реакций является фито-
рм, индуцирующий через свою сигнальную систему в листьях рас-
ций последующий транспорт гормонов к точкам роста растений.
(В условиях интенсивной светокультуры многие длиннодневные
|Ц)1 растений можно выращивать на непрерывном освещении в лю-
й период вегетации и даже в течение всей вегетации (Максимов,
Е5, 1965; Мошков, 1966, 1974). Интенсивность видимого фотосин-
J;' длиннодневных растений в расчёте на час светового времени
Ьктически одинакова и на коротком, и на длинном (непрерывном)
fc. Но непрерывное освещение в тех многих случаях, когда оно не
1етивопоказано для растений, имеет в светокультуре ряд преиму-
ктв перед режимом со сменой дня и ночи.
ГВо-первых, непрерывное освещение у длиннодневных растений
йетно сокращает длину вегетационного периода и позволяет за счёт
Коренной «ротации» культур рациональнее использовать площади
Ььтивационных сооружений, а в селекционной работе получить
льшее число поколений размножаемого материала за период с осе-
' До весны.
; Во-вторых, непрерывным освещением увеличивается соотношение
Ййу накоплением в процессе фотосинтеза на свету веществ и их
СХодованием в процессе дыхания в ночные часы. Это можно проил-
гстрировать результатами экспериментов с пшеницей (Лисовский,
шгушев, 1986). В герметизируемом фитотроне был исследован ви-
Ьмй фотосинтез ценоза пшеницы при непрерывном освещении 80-
Вт/м2 ФАР, а также видимый фотосинтез и темновое дыхание та-
ft) же ценоза, выращиваемого при фотопериоде 16 часов света и 8
5ов темноты. Интенсивность видимого фотосинтеза за единицу све-
&ого времени (л СО2/м2ч) в наиболее активном возрасте растений
ла весьма близкой (рис. 6.1). Но в ночные часы вариант с фотопе-
ОДОм интенсивно выделял СО2, то есть расходовал часть накоплен-
ие днём продуктов фотосинтеза на ночное дыхание. В результате
115
Рис. 6.1. Интенсивность ассимиляции СО3
ценозом пшеницы в расчёте на световой час
(Лисовский, Долгушев, 1986).
I - при непрерывном облучении;
2 - при 16 часовом дне; 3 - средняя интенсивность
в расчете на час выделения СО2 ценозом
за 8-часовую ночь.
Рис. 6.2. Суммарная ассимиляция СО.
ценозом пшеницы за 1 сутки
(Лисовский, Долгушев, 1986).
1 - при непрерывном облучении;
2 - за 16 световых часов (без учёта ночного
дыхания); 3 - при 16-часовом световом дне
(с учётом ночного дыхания).
общее среднесуточное поглощение СО2 ценозом на непрерывном ос-
вещении достигало 33,8-35,6 л/м2сутки, тогда как в варианте с фото-
периодом лишь 19,6-21,0 л/м2сутки (рис. 6.2). Таким образом, 16-
часовой фотопериод ежедневно приводил к «вынужденному про-
стою» фотосинтезирующего аппарата и нерациональным для ценоза
затратам ранее синтезированных веществ на дыхание.
В-третьих, более высокая среднесуточная продуктивность растении
с единицы площади, обеспечиваемая непрерывным освещением и, со-
ответственно, непрерывным фотосинтезом, позволяет сократить зани-
маемые растениями в культивационных сооружениях площади и объе-
мы и упростить техническое обслуживание за счёт уменьшения числа
необходимых светильников, исключения управляющих таймеров и др.
Таким образом, можно утверждать, что при выращивании в искус-
ственных условиях длиннодневных культур нет оснований опасаться
непрерывного освещения. Напротив, по многим параметрам для этих
культур оно эффективнее, чем регулярная смена света и темноты.
Вместе с тем, следует иметь в виду, что это утверждение справедливо
только для достаточно интенсивного светового режима с уровнем об-
лучения не ниже 50-60 Вт/м2 ФАР. При низких уровнях непрерывно-
го облучения ускоренное развитие длиннодневных растений как бы
опережает ростовые процессы, замедленно идущие из-за лимитируе-
мого недостатком света фотосинтеза. В результате формируются бы-
стро развивающиеся, но медленно накапливающие фитомассу расте-
ния с чертами эфемерности. Непрерывное освещение обеспечивает
П6
-шую продуктивность только в сочетании с высокой интенсивно-
j облучения и плотным, полнопоглошающим свет ценозом.
1рерывание непрерывного освещения у длмннодневных растений
ериод от 1-2 часов до 1-2 суток (например, из-за аварий в системе
тения) приостановит на это время фотосинтез и несколько за-
|ИТ рост и развитие растений, но не вызовет необратимых измене-
Однако более длительные (3 и более суток) периоды непрерыв-
темноты чреваты для растений серьёзными нарушениями, осо-
[O в репродуктивной сфере. Для предупреждения таких наруше-
потребуются специальные меры, например, определённое пони-
зе температуры окружающей среды.
юроткодневные культуры для полноценного роста и развития ну-
ится в смене короткого (10-14 часов) дня и длинной (10-14 ча-
ночи. Многосуточное непрерывное освещение вызывает у корот-
евных культур пожелтение листьев, осыпание завязей (томаты),
(ение наступления бутонизации и цветения, перехода к образо-
семян (кукуруза, соя и др.), формированию клубней (карто-
.) и т. д. Но укороченный день для многих из этих растений (как и
нннй день для многих длиннодневных) нужен не в течение всей
етации, а в течение нескольких десятков дней, а иногда и несколь-
дней. В дальнейшем их нормальный рост и развитие могут проте-
> при иной длине дня. Это даёт физиологам растений основание
чрить об определённой световой стадии в жизненном цикле расте-
во время которой и реализуются соответствующие реакции на
<у дня.
Угсутствие темновых периодов в течение двух-трех суток не вызы-
у короткодневных растений сколько-нибудь существенных или
>ратимых изменений в росте и развитии. Но следует учитывать, что
>ходимые короткодневным растениям 10-14-часовые периоды тем-
I не должны прерываться, особенно в середине ночи, даже корот-
и (30-60 мин.) промежутками освещения. Прерванная светом ночь
Ыполняет тех регуляторных функций у короткодневных растений,
>рые им необходимы, и в этом смысле может быть приравнена к
Хгрывному освещению (Мошков, 1973). В то же время длинные
прерванные темнотой на короткий срок, не нарушают нормальную
апериодическую реакцию у дтипнодневных растений.
Для обеспечения фотопериодической реакции у растений достато-
сравнительно слабый лучистый поток (4-5 Вт/м2 ФАР). Для пре-
ания темнового периода наиболее эффективен красный свет (640-
нм), тогда как дальний красный свет (730-750 нм) снимает эф-
т красного света. Эти разнонаправленные процессы реализуются
ствием особого пигмента - фитохрома, способного обратимо при-
ять, в зависимости от качества света, две формы, отличающиеся
117
друг от друга максимумами поглощения в красной (660 нм) или
дальней красной (730 нм) областях (“см. раздел 2.4).
Существенное влияние на реализацию растениями фотопериодиче.
ской реакции могут оказывать такие условия, как температура среды,
газовый состав атмосферы, обработка некоторыми гормонами и т. д.
Выращивание растений с прикладными целями в светокультуре
вовсе не обязательно предполагает использование для длиннодневных
растений длинного дня, а для короткодневных - короткого. Для дос-
тижения хозяйственно ценного результата нередко нужен противопо-
ложный подход. Например, скороспелые длиннодневные сорта редиса
на длинном, а тем более на непрерывном, дне настолько ускоряют
развитие, что образуют цветоносный побег и зацветают, не успевая
сформировать корнеплод. Напротив, на коротком (12-14 часов) дне
при достаточно интенсивном облучении они дают хороший урожай
полноценных корнеплодов.
В целом, способность растений переносить в условиях светокуль-
туры световые режимы, существенно отличающиеся от естественных
ритмов, весьма высока. Можно в качестве подтверждения этой пози-
ции привести данные ряда экспериментов, выполненных физиологами
растений. Выращивание длиннодневного растения абиссинской ка-
пусты в трёх вариантах с 30-, 60- и 120-минутной сменой света и тем-
ноты (Мошков, 1973) показало, что растения растут и переходят к
бутонизации даже при таких необычных фотопериодах, хотя темпы
их развития несколько замедляются по сравнению с непрерывным
освещением.
Проф. В. П. Дадыкин (1976) показал, что выращивание редиса и
салатной листовой капусты в течение всей вегетации при «фотопе-
риоде спутника на низкой орбите» (60 мин. света и 30 мин. темноты)
дало практически тот же результат, что и выращивание при том же
количестве световой энергии, но с обычным земным фотопериодом 16
часов света и 8 часов темноты.
В Институте физики СО АН СССР в 70-е годы были разработаны
для предполагаемой лунной базы технологии выращивания ряда расте-
ний (пшеница, ячмень, свекла, морковь и др.) в условиях ритмов сол-
нечного освещения на Луне со сменой 15-суточных периодов непре-
рывного света и таких же периодов непрерывной темноты (Терсков и
др., 1978). При этом растения давали близкий к контролю (непрерывное
освещение в течение всей вегетации) урожай нормального качества.
Этих примеров достаточно, чтобы представить потенциал адапта-
ционных возможностей многих высших растений к различным искус-
ственным периодам смены света и темноты в условиях управляемых
режимов светокультуры.
118
6.3. Основные требования к радиационному режиму
при выращивании рассады растений
Как правило, рассаду растений готовят для ее последующей вы-
ки либо в открытый грунт (преимущественно рассаду капусты),
в зимнюю теплицу для дальнейшего выращивания растений на
дукцию в зимний период в условиях полной светокультуры (пре-
шественно рассаду огурца и томата).
При выращивании рассады в теплице для последующей высадки в
ытый грунт начало выращивания зависит от световой зоны. В
вых районах страны (VII световая зона), где высадка растений в
1ытый грунт возможна уже в начале - середине марта, начало вы-
ивания рассады в теплице приходится на первую декаду января,
средней полосы России рассаду начинают высаживать в откры-
грунт на 1,5-2 месяца позже, с соответствующим сдвигом посад-
ассады в теплице. Даже при таком выращивании рассады в тепли-
:елательно использовать искусственный свет, особенно на первых
зх ее выгонки. В это время солнечного света для активного роста
ений недостаточно, нередки пасмурные дни, поэтому без досвет-
скусственным светом рассада растет ослабленной. Чтобы рассада
янулась и была полноценной, общий уровень облученности, полу-
1Ый за счет естественной и искусственной составляющих светово-
отока, должен быть равен примерно 50 Вт/м2 ФАР. Как правило,
I искусственного света в этом случае составляет в среднем не ме-
50 %. Это означает, что источники искусственного света должны
:печивать облученность над растениями в среднем около 25 Вт/м2
< Это невысокие облученности и для их создания не нужны мощ-
источники света. Вполне достаточно использовать лампы мощно-
> 250-400 Вт. Среди таких ламп предпочтение следует отдать лам-
ДНаТ-400, которые имеют высокий энергетический КПД надежны
сплуатации и вполне доступны (используются в уличном освеще-
). Расчеты показывают, что в этом случае установленная электриче-
мощность для натриевых ламп не превышает 200 Вт/м2, то есть
>й лампы хватает на 2 м2 освещаемой площади. Подходят также
hi мощностью 250 Вт типа ДРЛ и других модификаций. В этих
аях из-за более низкого, чем у натриевых ламп, энергетического
( установленная электрическая мощность возрастает примерно до
•300 Вт/м2 (примерно одна лампа на 1 м2 посевной площади).
Так как лампы используются для досветки к дневному свету, тре-
ания к спектральному составу ФАР в этом случае не являются же-
ими. Желательно, чтобы лампы имели излучение в оранжево-
сной области спектра. Отсутствие или недостаточность длинно-
новых лучей в видимом излучении ламп частично компенсируется
119
за счет присутствия красных лучей в естественном компоненте свего-
вого режима.
Длительность облучения рассады не должна быть меньше д.щ.
тельности светового дня, что составляет в среднем 10-12 часов. Г1рц
более длительном использовании искусственного света его интенсив-
ности (из-за отсутствия естественной составляющей) будет недоста-
точно для полноценного роста рассады либо потребуется увеличить
уровень облученности фактически в 2 раза, что может оказаться эко-
номически невыгодным.
При выгонке рассады в теплице в осенний период для последую-
щего выращивания растений в зимней светокультуре на продукцию
закладка рассады приходится на сентябрь, с тем, чтобы в «мертвый
сезон» (вторая половина ноября - февраль), когда ощущается дефицит
свежей растительной продукции, получать урожаи плодов и овощей.
В этом случае при выборе режима облучения рассады необходимо
иметь в виду, что длина естественного светового дня по мере выра-
щивания рассады будет убывать, а роль искусственного компонента в
общем излучении - возрастать. Хотя требования к общей облученно-
сти ФАР такие же, как и в предыдущем случае (примерно 50 Вт/м2
ФАР), однако в связи с быстрым сокращением продолжительности
дня для поддержания требуемого уровня облученности доля искусст-
венной составляющей в общем лучистом потоке должна возрастать.
Поэтому нужно либо периодически опускать лампы ближе к растени-
ям, либо заранее установить более высокую удельную электрическую
мощность. По этой же причине большее внимание следует обращать и
на спектральный состав света. Последнее особенно актуально для се-
верных регионов, где доля естественной составляющей несуществен-
на практически с самого начала выращивания рассады для зимней
светокультуры. В этих условиях расчет светового режима нужно вес-
ти исходя только из искусственного света, поэтому все энергозатраты
возрастут примерно в два раза в сравнении с таковыми при выгонке
рассады в теплицах для посадки в открытый грунт. Кроме того, длина
светового дня обеспечивается только за счет искусственного света,
так как роль естественной составляющей несущественна. В среднем
длина фотопериода в таких условиях выращивания рассады должна
составлять не менее 12 часов, а для более быстрого выращивания рас-
сады можно использовать и круглосуточное облучение. В последнем
случае необходимо учитывать, что некоторые культуры (например,
томаты) критичны к круглосуточному облучению и для их нормаль-
ного роста и развития требуется темновой период.
120
6.4. Требования к радиационному режиму
при выращивании растений на продукцию
при полном искусственном облучении
В нашей стране при полном искусственном облучении обычно
йинято выращивать на урожай в зимний период такие культуры, как
урец, томат, реже выращивают зимой в светокультуре сладкий пе-
д. Все эти культуры являются светолюбивыми, и для их выращива-
> в искусственных условиях требуются облученности порядка 100—
Ю Вт/м2 ФАР. Именно в этом диапазоне облученностей достигается
Ейсимальная энергетическая эффективность использования ФАР
Нм и культурами. Томат и сладкий перец являются более светолюби-
|Йи, чем огурец, и ежесуточные затраты электроэнергии на их вы-
живание выше (примерно на 20-30 %). Кроме того, продолжитель-
сть вегетации у них больше, чем у огурца, на 15-20 суток. Поэтому
^.стоимость томата и перца, выращенных в условиях светокульту-
ь выше, чем огурца. Наиболее распространенным для зимней свето-
Ььтуры является выращивание огурца, который занимает более
% площадей зимних теплиц.
^Выращивание растений в условиях зимней светокультуры начи-
ЮТ с высадки рассады, которая подготовлена в искусственных све-
вых условиях, описанных в разделе 6.3. Уровень облученности, в
Ьгсимости от вида растений, поддерживают в диапазоне 100-
( Вт/м2 ФАР. Такой уровень облученности способствует, с одной
троны, ускоренному росту растений, а с другой - обеспечивает
решный переход к генеративному развитию, завершающемуся
ссовым плодоношением. Если уровни облученности будут ниже, то
Стения (такие, например, как огурец, томат, сладкий перец) будут
Гги медленнее и дадут более низкий урожай, а при существенном
йжении облученности (до 50 Вт/м2 ФАР) могут не перейти к
геративному развитию и плодоношения не будет.
Для обеспечения приемлемых уровней облученности в условиях
иней светокультуры лучше всего подходят источники света мощно-
io 2-6 кВт, которые обычно располагают в верхней части (под
Ньком) теплицы в одну или несколько «ниток». Чем мощнее лампа,
i меньше нужно таких «ниток». Установленная электрическая
Шность источников света должна составлять 0,8-1,2 кВт/м2.
Большое значение имеет спектральный состав света. Наиболее эф-
ктивным в этом случае является спектральный состав света либо
нзкий к солнечному, либо с доминированием красных лучей. В то
время доля красных лучей должна колебаться с учетом видовой
Ядифики отношения растений к спектру ФАР (об этом говорилось в
щеле 6.1). В ряде случаев необходимо обращать внимание на со-
121
держание доли зеленых лучей в потоке ФАР. Это особенно важно п 6.5. Требования к радиационному режиму
выращивании растений, образующих плотный многоярусный цене при выращивании растений иа урожай
где лист каждого яруса ответствен за образование плода К таким рас ЯР» совместном искусственном и естественном облучении
тениям относится огурец. Листья средних и нижних ярусов ценозе. Комбинированное искусственное и естественное облучение расте-
огурца могут оказаться затененными, и при нехватке света плод, иИв является наиболее распространенным приемом выращивания рас-
огурца в пазухах этих листьев не образуются либо быстро прекращу теяий в теплицах средней полосы России в зимне-весенний период,
ют налив. В этом случае наличие необходимого количества зелены чтот способ выращивания реализуется в остекленных теплицах, со-
лучеи (обычно до 40 % от общего излучения ФАР), обладающих по стЯляюших подавляющую часть тепличных комплексов. Комбиниро-
вышеннои проникающей способностью, предотвращают наступлени ва*яое искусственное и естественное облучение растении получило
указанного светового дефицита и способствуют нормальному формв название совмещенного облучения.
рованию плодов в средних и отчасти нижних ярусах растений огурца В зависимости от световой зоны и времени года в режиме совме-
Что касается растений томата или сладкого перца, то их интенсип ш«»ого облучения растений доминирующую роль играет либо есте-
f я'л пл2°Д°ношение на фоне необходимой облученности (окол< сточный либо искусственный свет. В целях экономии электроэнер-
0-180 Вт/м ФАР) обеспечивается при доминировании красных л\ [-(«радиационные режимы выращивания растений (в первую очередь
чей в общем светопотоке, поскольку они не имеют такой, как у огур or*wa и томата) часто строят на совмещении искусственного и есте-
ца, зависимости плодоношения от ярусности листа. * ственного света. При таком режиме выращивания целесообразно вы-
При выращивании растений на продукцию в зимний период хоро делить некоторые особенности последовательного во времени изме-
ню себя зарекомендовало излучение ламп ДРИ2000-6, ДКсТВ-6000 н«ия параметров радиационного режима:
ламп типа ДМ и ряда других. Для огурца и томата созданы специалм- - ^пользование преимущественно искусственного света. На этом
зированные растениеводческие лампы (см. раздел 4.4) позволяющие 'ГВтапе выращивают рассаду и молодые растения, когда наблюдает-
получать величины продуктивности на 20-30 % выше, чем при ис- <МЯ дефицит естественного света. Для средней полосы России такой
пользовании серийных источников света. ’ .этап выращивания продолжается обычно с октября до конца фев-
Кроме выращивания в условиях зимней светокультуры светолю- («аля - начала марта;
бивых растений иногда практикуют культивирование зеленных куль- -'^Использование смешанного искусственного и естественного света,
тур (петрушка, укроп, сельдерей, кинза, кориандр и т. д) Зеленные Jfiiia этом этапе как искусственный, так и естественный свет состав-
растения как самоцель в зимней светокультуре выращивают доста- т примерно равные доли в создании уровня облученности. На-
точно редко. Обычно их используют как своеобразный «уплотни- Зиример, в начале этого этапа выращивания растении в весенн
тель», временно занимая посевные площади между крупными овощ -Sq>иод искусственный свет целесообразно на 1-2 часа включать
ными культурами, пока посев последних не сомкнул листву и не зате- «раньше, а выключать позже по отношению к дневному периоду
нил посевную площадь. Для зеленных культур, выращиваемых на зе- Жуток, чтобы продлить световой период выращивания растении,
леную массу, достаточно уровней облученности в 2-3 раза ниже чем Shan продолжается примерно в течение марта;
Для огурца или томата. Более подробно вопросы выращивания зелен- чБиюльзование в основном естественного света, если его интен-
ных культур при использовании искусственного облучения оассмот- Живность и продолжительность действия достаточны для нормаль-
рены в разделе 8.2. йвого роста и плодоношения растений. В пасмурные дни естествен-
Фотопериод при выращивании растений на продукцию может ко- №то света может оказаться недостаточно, и в этом случае требует-
лебаться от 12 до 18 часов и зависит от видовых особенностей расте- ₽* периодическое включение ламп для досветки растений.
ний (см. раздел 6.2). Для таких культур как огурец и томаты темновой «Поскольку при совмещенном режиме облучения растении доля ис-
период обязателен, в противном случае репродуктивная фаза у них виненного света в общем излучении существенно изменяется, то
будет нарушена, что приведет к резкому снижению урожая а в неко- WM всего использовать достаточно мощные (2-э кВт) источники
торых случаях и к гибели растений. В ТО же время доеденных куль- К с изменяемой высотой подвеса. Возможнг> также выборочное
тур, выращиваемых на вегетативную биомассу, возможно и кпуглоо- вьючение таких ламп по мере уменьшения необходимости у
точное облучение, которое, наоборот, будет способствовать ускоре- •»ном свете. В то же время стартовое количество и размещение
нию роста и увеличению продуктивности надземной биомассы .7Ч
122
таких ламп должно обеспечивать режимы облучения, соответствую,
щие зимней светокультуре (см. раздел 6.4). Режим комбинированного
облучения растений позволяет длительное время эксплуатировать
теплицу и создает возможности реализации различных задач выраищ.
вания растений в искусственных условиях.
6.6. Требования к радиационному режиму
при вырашивании растений в селекционных целях
Сразу же после первых удачных опытов по светокультуре, завер.
шившихся получением зрелых семян нескольких видов растений в ус-
ловиях полного искусственного освещения, профессор (впоследствии
академик) Н. А. Максимов (1925) писал: «Культура на искусственном
свете может быть с успехом применяема при селекционных работах в
целях их ускорения» (1925, 1965). В последующие годы сам
Н. А. Максимов (1955), селекционер В. Е. Писарев, биолог В. П. Маль-
чевский (1938) и другие многое сделали для показа возможностей ус-
корения селекции растений методами светокультуры. Но в довоенные
годы технический уровень этой науки ещё не позволял успешно при-
менять её в практических целях. Лишь в 50-60 годы были разработа-
ны и стали использоваться новые, достаточно эффективные источни-
ки света, открывшие путь для использования возможностей свето-
культуры на различных этапах селекционного процесса.
В полевых условиях от начала селекционной работы до передачи
сорта в производство проходит у однолетних культур примерно 10
лет, а у многолетних и того больше. Прямым путём к сокращению
сроков выведения новых сортов служит выращивание в светокультуре
нескольких поколений растений в один год, особенно на ранних эта-
пах селекционного процесса, когда селекционер имеет дело с ограни-
ченным числом растений. Такими этапами может быть гибридизация
материала, размножение первых поколений гибридов и мутантов,
первичная оценка отобранных семей и т. д. Эти работы позволяют
сэкономить при выведении сортов от 2 до 5 лет по сравнению с обыч-
ной полевой схемой селекционного процесса, а значит, и на столько
же раньше получить экономический эффект от новых сортов. Кроме
того, размноженные в светокультуре гибридные семена, например
пшеницы, ячменя, от исходных нескольких десятков штук до 10-15
тыс. семян второго поколения освобождают селекционеров от боль-
шого объёма ручных полевых работ на малых делянках и позволяют
использовать механизированный посев, уборку и т. д.
При выращивании в светокультуре селекционного материала раз-
личных растений определяющую роль играет выбор радиационного
режима, разумеется, с учётом других факторов среды (температура
воздуха и корнеобитаемого субстрата, обеспеченность водой, мине-
124
^ьным и углекислотным питанием и т. д.). Прежде всего, радиаци-
РКмй режим должен соответствовать биологически обусловленным
Крайностям выращиваемых культур, которые различны не только у
разных растений, как пшеница и кукуруза, просо и горох, но и
Крсдко в пределах одной культуры у сортов из разных экологических
Купи. Эти биологические особенности культур и экологических
Кулп сортов являются предметом рассмотрения частной светокуль-
KUju растений (см. гл. 8). Здесь же в качестве общего подхода следует
Кшетить, что оптимизация радиационных режимов выращивания раз-
Е|чных культур и сортов должна иметь свои разумные границы, по-
Кшльку сам поиск «персонального» режима для каждого сорта до-
К^ьно сложен и дорог, а реализация «персональных» режимов при
доте селекционера с множеством экологически различающихся
Вдом практически неосуществима.
Общие подходы к выбору радиационных режимов при выращива-
Ки растений в селекционных целях определяются конкретными зада-
Кми, которые ставит перед собой селекционер, используя светокуль-
Ж; у в своей работе. В качестве примера задач, требующих различных
ежимов выращивания растений, можно рассмотреть следующие:
Е, увеличение числа поколений (за год или за период с осени до весны);
Е увеличение урожая семян с единицы площади;
Е высокий выход семян на единицу затраченной энергии;
Е выявление внутренней биологической неоднородности сорта, об-
Е разца;
Е сохранение полноты генофонда размножаемых гибридов, полу-
F ченных от скрещивания резко различающихся родителей.
Е Решение задачи увеличения числа поколений напрямую связано с
Е кращением сроков селекции растений. Определяющим элементом
Еа- иационного режима, влияющим на продолжительность вегетации
Еастений в светокультуре (при оптимизации других условий среды)
кчяется выбор фотопериода. Для длиннодневных растений это глав-
р< ;м образом использование непрерывного 24-часового дня. Эффек-
Кс-ность этого приёма на примере пшеницы была показана ещё в
Конце 30-х годов В. П. Мальчевским (1938). Он выращивал ряд сортов
рри круглосуточном освещении лампами накаливания при освещён-
Риости 4—8 тыс. люксов (20-40 Вт/м2 ФАР) и показал, что по количест-
ву зерен в колосе растения не уступали полевым результатам, полу-
Гченным в государственном сортоиспытании, а продолжительность
тюгетации была на 30—49 дней короче, чем в поле (табл. 6.2), и для
разных сортов не превышала 68 дней. Это значит, что в период с
осенней уборки до весенней посевной можно в светокультуре вырас-
тить два и даже три поколения растений. Многочисленные опыты ря-
да других исследователей (Мошков, 1966, 1973, 1987; Лисовский,
125
Таблица 6 j
Вегетационный период и озсрнённость колосьев пшеницы
в светокультуре при непрерывном освещении и в поле
Сорт Вегетация, дни Число зерен в колосе
Светокультура Поле Светокультура Поле
Цезиум 111 53-62 90 15 11,9 '
Лютесценс 62 68 102 20 12,0 ~
Мелянопус 69 60-66 112 21 17,5
Мильтурум 321 56-59 108 16 13,9
Долгушев, 1986) показали, что сокращение фотопериода до 18 20 и
даже 14-16 часов не препятствует переходу растений к цветению, но
заметно удлиняет продолжительность вегетации и, следовательно, не
способствует решению задачи - увеличить число поколений в период
от полевой осенней уборки до весенней посевной.
Существенное укорочение вегетационного периода за счёт исполь-
зования непрерывного облучения растений можно подтвердить на
примере длиннодневного многолетнего растения - люцерны. В поле-
вых условиях средних широт люцерна далеко не всегда даёт семена в
первый год жизни, несмотря на длину естественного летнего дня 16-
18 часов. Но на 24-часовом дне в светокультуре созревание семян уда-
валось получить через 90 дней после посева (Лисовский, Долгушев,
1986), то есть люцерна с осени до весны успевала дать два поколения,
для чего в поле селекционеру надо было бы потратить в лучшем слу-
чае два-три года.
У короткодневных растений (просо, кукуруза и др.) непрерывное
освещение значительно (на 15-30 дней) удлиняет вегетацию. Но уко-
роченный в течение всей вегетации день, ускоряя развитие растений,
угнетает их рост и отрицательно сказывается на последующем уро-
жае. В экспериментах с просом, например, наиболее удачным оказы-
вался компромиссный режим облучения растений с 14-16-часовым
днём в первые 3-4 недели вегетации, когда успевала завершиться све-
товая стадия развития растений, и с непрерывным днём в последую-
щий период вплоть до созревания растений.
Если мощность лучистого потока достаточна для нормального роста
растений (50-100 Вт/м2 ФАР), то дальнейшее её увеличение прямого
влияния на сокращение сроков вегетации растений, по-видимому, не
оказывает. При высоких уровнях облучения ФАР (300-700 Вт/м2 и бо-
лее) происходит некоторое ускорение развития, но можно предполо-
жить, что это вызывается повышенной температурой растений за счёт
пропорционального возрастания, одновременно с потоком фотосинте-
тически активной радиации, потока инфракрасной радиации.
126
Таблица 6 3
юлжитсльность вегетации и число продуктивных стеблей у пшеницы при
облучении 100 Вт/м1 ФАР комбинированного спектрального состава
(Определение энергии в области ФАР, % Вегетация, дни Число продуктивных стеблей
ЙСиний-34, зе.тёный-33. красный-33 80 1,0
йСиний-75, зеленый-25 85 1,0
'Синий-75, красный-25 83 1,о
Зеленый-75, синий-25 83 1,0
Красный-75, синий-25 78 1,4
г Красный-85, зелёный-15 75 1,4
Спектральный состав лучистого потока заметно влияет на длину
«тационного периода, хотя и не так сильно, как фотопериод. На-
ямер, пшеница яровая, при выращивании от всходов до созрева-
я на синем, зелёном или красном свете при 100 и при 600 Вт/мI, 2
iP, только на синем свете запаздывала с созреванием на 5 дней,
и выращивании пшеницы под излучением с комбинированным
•ктральным составом (100 Вт/м2 ФАР) получены результаты, по-
анные в табл. 6.3.
Как видно из данных табл. 6.3, преобладание в лучистом потоке
юй области спектра несколько удлиняло вегетацию растений в
мнении с «равноэнергетическим» спектром, а преобладание крас-
й области - настолько же сокращало.
Селекционеры вряд ли будут иметь возможность в своей практи-
ской работе ориентироваться на «чистые» области спектра (синий,
тёный, красный). Поэтому существенно оценить влияние на длину
гетационного периода растений не только отдельных областей
ектра, а лучистого потока различных серийных источников света.
ногочисленные опыты по сравнению роста и развития ряда культур
'Д
ксеноновыми
лампами
ДКсТВ-6000
и металлогалогенными лам-
пи ДМ-3-3000 и ДРИ 2000-6 (Лисовский, Долгушев, 1986) показа-
I, что излучение ксеноновых ламп в сравнении с металлегалогенны-
। обеспечивает сокращение вегетации у пшеницы на 5-14 дней, у
меня на 8-14 дней, у рапса ярового на 8-14 дней. Таким образом,
ст и развитие растений под излучением этих типов ламп могут зна-
ггельно различаться (рис. 6.3). Однако у авторов нет уверенности в
1М, что этот эффект был вызван различиями в спектре только фото-
штетически активной радиации, поскольку у этих ламп существенно
сличается и спектр ИК-радиации.
127
Рис. 6.3. Рапс в 35-лневном возрасте при непрерывном облучении:
слева - лампами ДКсТВ-6000; справа - ДМ-З-ЗООО.
128
Таблица 6.4
1исимость урожая пшеницы и затрат лучистой энергии на единицу продукции
от интенсивности облучения растений (Полонский и др., 1977)
ййнтенси в ность ^облучения по Ккпам .вегетаци и, Вт/м2 ФАР Число продуктивных стеблей на 1 растении Число зёрен в главном колосе Урожай абсолютно сухого зерна, кг/м2 Относительные затраты лучистой энергии на единицу массы зерна
^ToO-l 50-200 1,05 23,8 1.65 1.0
[^0-700-700 1,81 30,5 2,56 2.55
^800-1200-1200 2,12 38,8 3,30 3,11
► В целом, для ускорения развития растений радиационный режим
вино корректировать, главным образом, путём подбора соответст-
•ощего фотопериода. Меньший эффект даёт подбор источников из-
рения по спектральному составу и ещё меньший — увеличение
Ьшности лучистого потока. В тех нередких случаях, когда селекцио-
|рц в первую очередь интересует увеличение общего урожая семян и
иивидуальной продуктивности растений, нужен иной подход к вы-
Й'У радиационного режима. Наиболее действенным в таких случаях
Взывается увеличение мощности падающего на посев лучистого
рока, что повышает интенсивность фотосинтетического процесса и
нций урожай. Но при этом значительно возрастают затраты лучи-
рй энергии на единицу продукции. Например, существенное увели-
чив облучённости посева пшеницы (табл. 6.4) увеличило индивиду-
Ьную продуктивность растений, о чём можно судить по числу про-
ективных стеблей на растении и числу зёрен в главном колосе, а
|оке общий урожай зерна. Но затраты лучистой энергии на единицу
Индукции оказались при этом в 2,5—3 раза большими, чем при менее
|цряжённом режиме облучения растений.
Другой путь к увеличению общего урожая семян и индивидуаль-
jfi продуктивности растений может быть связан с изменением фото-
диода в сторону удлинения сроков вегетации растений. В этом слу-
р многие (но не все) виды и сорта растений успевают сформировать
townee число побегов, завязей и тем самым увеличить урожай семян
Единицы площади. Кстати, сходный эффект может дать изменение
I радиационного, а температурного режима, когда некоторое пони-
йпге температуры воздуха может замедлять темпы развития, не за-
рмаживая процессов накопленья биомассы.
Кроме таких неоднозначно решаемых задач, как увеличение числа
'Колений за год, увеличение урожая семян, экономичный расход
чистой энергии, перед селекционерами встают и другие, например
►вышение индивидуального коэффициента размножения при огра-
ненном количестве имеющихся семян, создание провокационных
129
условий для проявления тех или иных болезней и отбора на этом фоце
устойчивых растений, выявление внутренней биологической неодно-
родности сорта, образца и т д. Решение каждой из этих задач выдв,
гает свои критерии оптимизации радиационного режима выращива-
ния растений. Поэтому выбор конкретного режима должен опреде-
ляться и уточняться с учётом конкретных селекционных задач и с
учётом специфических биологических особенностей различных видов
и сортов растений (см. главу 8).
Контрольные вопросы к главе 6
1. В чём заключается специфика видовых реакций растений на спектр
ФАР и какое это имеет значение для светокультуры растений?
2. Какие видовые особенности растений необходимо учитывать при
введении круглосуточного облучения в условиях светокультуры?
3. Что происходит при прерывании темнового периода светом у ко-
роткодневных растений?
4. Для каких целей и когда ведётся выращивание рассады в теплицах?
5. В чём сходства и различия в требованиях к радиационным режи-
мам при выгонке рассады в весенний и осенний периоды?
6. Источники света какой электрической мощности лучше всего ис-
пользовать для выращивания растений на продукцию в зимний
период? Почему?
7. Какие требования к спектральному составу света необходимо вы-
полнять при выращивании растений полностью на искусственном
свету? Как они зависят от вида растений?
8. Почему совмещённое облучение растений в теплицах получило
широкое распространение?
9. Как меняется соотношение между естественной и искусственной
составляющей в процессе выращивания растений на продукцию
при совмещённом облучении?
10. Какие требования предъявляются к светотехническому оборудо-
ванию при совмещённом облучении?
11. Какие задачи учитываются при выборе параметров радиационных
режимов для выращивания растений в селекционных целях?
12. Какой из параметров радиационного режима - интенсивность
света, его спектральный состав или фотопериод дают максималь-
ный эффект в ускорении развития растений?
130
ГЛАВА 7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ
ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ
В ИСКУССТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ
7.1. Почвенная культура растений
Зо многих тепличных хозяйствах большинство теплиц являются
нтовыми. Хотя грунтовые теплицы в настоящее время уступают по
ей производительности и экономичности более современным ти-
I теплиц, тем не менее из-за отсутствия средств на реконструкцию
других трудностей финансового и иного характера многие теплич-
е комбинаты вынуждены эксплуатировать грунтовые теплицы в
ювиях светокультуры. Поэтому знание особенностей использова-
з грунтов для успешного выращивания растений является актуаль-
м.
Состав и качество грунтов зависит и от искусственных компонен-
। - органических и минеральных, и от состава естественных почв
: основы применяемых грунтов. Лучше всего для этих целей подхо-
средне- и легкосуглинистые почвы. Прежде всего, это связано с
I, что в светокультуре, в сравнении с открытым грунтом, применя-
более частые и обильные поливы, которые на тяжелых почвах мо-
создавать застой воды, а следовательно, и недостаток кислорода
I корневой системы растений. Застой влаги, создавая анаэробные
ювия в почве, может также способствовать образованию токсичных
я растений сероводорода и аммиака. В тяжелосуглинистых почвах
охо развиваются корни растений. Среднесуглинистый механиче-
ий состав почвогрунтов характеризуется содержанием глины и пес-
в примерном соотношении 35 % и 65 % соответственно, а легко-
глинистый - 20-30 % и 70-80 %.
В состав органического вещества почвогрунтов входят раститель-
4е неразложившиеся (корешки, опавшие листья, стебли) и раздо-
ившиеся остатки, а также гумус, представляющий ряд азотсодержа-
их органических соединений кислотного характера. Большая часть
t связана с минеральным составом почвы. Основные гумусовые ве-
ества - гуминовые кислоты, фульвокислоты, гумины. Они состав-
пот 80-90 % почвенного гумуса, в состав которого входят также
:лки, углеводы, липиды, лигнин, смола, дубильные вещества. Гумус
нимает особое место в плодородии почв. От его содержания в поч-
IX зависит их поглотительная способность, прочность структуры,
биологическая активность и ряд других важных свойств. Большое
>начение гумус имеет в качестве запасного фонда питательных ве-
деств для растений, в первую очередь азота, фосфора, калия, кальция
< некоторых других элементов. Поэтому внесение в почву органиче-
131
ских удобрений имеет важное значение для сохранения ее плодоро-
дия. Тепличные почвогрунты содержат, как правило, от 20 до 50 %
органического вещества.
Основные требования к почвенным грунтам включают следующие
показатели - общая реакция почвенного раствора должна быть слабо-
кислой или нейтральной (pH « 6,5-7). В тепличном грунте должны
содержаться все необходимые минеральные элементы питания, но
содержание водорастворимых солей не должно быть высоким. Важно
обеспечить необходимый микробиологический фон в почве для раз-
ложения органических веществ и угнетения болезнетворных почвен-
ных грибов.
Согласно рекомендациям Научно-исследовательского института
овощного хозяйства (НИИОХ) грунты должны обладать рядом стан-
дартных показателей, среди которых отметим следующие: содержа-
ние органических веществ - 20-30 %, плотность 0,4-0,6 г/см3 и рят
других показателей.
Как правило, органическую основу тепличных грунтов составляю!
дерновая почва, перепревший навоз, низинный торф.
Если в местности, где находится грунтовая теплица, дерновая поч-
ва отсутствует, то используют заменители дёрна. Так, согласно дан-
ным Г. 3. Берсона и Ю. С. Кудряшова (1990), в условиях Крайнего
Севера хорошие результаты даёт тепличный грунт, состоящий из 25 %
перепревшего навоза, 30 % ила и 45 % мелкого речного песка. По
данным этих же авторов, в Якутии широкое распространение получил
тепличный грунт следующего состава: торф — 55 %, биотермически
обеззараженный навоз - 25 %, речной песок или криолитовая крошка
диаметром 1-3 мм - до 20 %. Толщина слоя этих грунтов обычно со-
ставляет 25-30 см.
При приготовлении грунтов необходимо обращать внимание на
обеспечение в них нормального водовоздушного режима. Именно из
этих соображений не рекомендуется, например, использование в каче-
стве грунта только торфа. При длительной эксплуатации такого грунта
происходит его минерализация, уплотнение, нарушение аэрации почвы
Однако даже на правильно подобранных по составляющим компо-
нентам почвах при длительной эксплуатации могут появляться при-
знаки засоления. В этом случае необходимо снимать верхний слой
толщиной 5-10 см и вносить в грунт песок, торф и опилки, а также
применять обильное промывание. Чтобы не допустить засоления, в
грунты после трех лет эксплуатации рекомендуется добавлять 25-
50 % опилок перед сезонной вспашкой и внесением минеральных удоб-
рений. Вместо опилок допускается внесение других компонентов,
например, компосты из коры хвойных деревьев до 30-40 кг/м2.
132
7.2. Гидропонная культура растений
Г Использование искусственного света для выращивания растений
Ьбует довольно значительных затрат на электроэнергию и источни-
КСвета, которые сейчас растут в цене. Поэтому в светокультуре це-
кхчЧЗразно попытаться снять все, кроме светового, внешние лимиты
jpj и развития растений (водный, минеральный, газовый, темпера-
Кный и другие режимы), чтобы полнее раскрыть биологический
«Генциал растений с целью оптимизации выхода полезной продук-
Ш. Это, в первую очередь, предполагает переход от применения
»чвы к использованию гидропонного метода культивирования рас-
фий. В гидропонике корнеобитасмой средой являются различные
Ценители почвы, а питание растений осуществляется при помощи
пных растворов минеральных солей. Существует несколько разно-
Ь Носте й гидропоники, отличающихся системой питания, физико-
Ьическими свойствами корнеобитаемой среды, различным конст-
ясгивным решением технологического оборудования: водная куль-
та, агрегатопоника, ионитопоника, аэропоника и др Из всех разно-
Кностей гидропоники реально промышленное применение получи-
гагрегатопоника, то есть культивирование растений на твёрдых суб-
ратах типа щебня, гравия, керамзита, крупного песка, перлита, вер-
Кнулита и др. При этом методе выращивания растений сокращаются,
j сравнению с культурой на почве, затраты труда, так как исключа-
ли ряд трудоёмких процессов, связанных с использованием и перио-
кеской заменой тепличных грунтов; упрощается борьба с болезня-
ги вредителями; создаются условия для применения автоматики;
|учшаются гигиена труда и культура производства; повышается
К'жайность и снижается себестоимость растительной продукции.
* дует отметить и недостатки метода агрегатопоники, заключаю-
тся в повышенных на 25—40 % первоначальных ка питал овложени-
I и отсутствии серийного оборудования. В целом, использование
ф; опонного метода выращивания растений даёт возможность повы-
tr продуктивность растений на 20-40 % в сравнении с использова-
|ем обычного грунта, как субстрата. Однако такая прибавка к про-
Астивности растений может быть реализована на фоне оптимального
|етивого режима. Эти два момента - рациональное использование
йропонного метода выращивания растений и выбор рациональной
ел .вой технологии выращивания растений - являются основными в
Стокультуре растений.
В гидропонике с твёрдым субстратом подача питательного раство-
i к корневой системе растений производится с помощью периодиче-
Мх полива и подтопления или за счет использования капельных уст-
>йств. Раствор обычно подаётся с помощью насоса непосредственно
133
в вегетационный поддон из бака, расположенного ниже уровня под.
дона (так называемая субирригационная культура).
Для корневой системы растений создаются благоприятные условия
водно-воздушного режима благодаря тому, что в крупных порах суб-
страта содержится воздух, а на поверхности его частичек - пленка
питательного раствора, образуемая после увлажнения.
Подавать раствор необходимо одновременно по всему поддону,
так как в противном случае в одних местах субстрат будет переув-
лажняться, а в других останется недоувлажненным. Точно так же за
время слива раствор должен равномерно и быстро стекать в накопи-
тельный резервуар.
Чтобы обеспечить нормальный рост и развитие растений, субстрат
должен обладать определенными качествами:
- во-первых, не содержать каких-либо ядовитых веществ, быть
химически инертным и нейтральным, чтобы не изменять хими-
ческих и физико-химических свойств питательного раствора.
- во-вторых, обладать водоудерживаюшей способностью и быть
хорошо аэрируемым. Эти его свойства в большей степени зави-
сят от размера частиц. С увеличением размера частиц резко
снижается водоудерживающая способность субстрата и увели-
чивается его скважность, то есть доля воздушного пространства
в объеме, занимаемом субстратом.
- в-третьих, быть достаточно прочным.
При использовании гидропоники в светокультуре в качестве твер-
дого субстрата нередко используют керамзит. Керамзит — это субстрат
пористого строения, получаемый из глинистых пород путем вспучи-
вания их и обжига при температуре 1150-1250 °C. Этот субстрат об-
ладает хорошими теплоизоляционными и воздухоудерживающими
свойствами. Влагоемкость его может колебаться от 2 до 80 % к сухо-
му весу. По физико-химическим свойствам это инертный материал.
Он не изменяет pH питательного раствора, не обладает поглотитель-
ной способностью в отношении катионов, не поглощает фосфат-
ионов. Однако при длительном использовании этого субстрата на его
поверхности откладываются фосфаты кальция, алюминия и железа.
Керамзит является достаточно доступным для приобретения мате-
риалом, так как широко используется в строительстве. Важно, чтобы
керамзит состоял из частиц определенных размеров. Он должен иметь
гранулы размером 3-15 мм, с соотношением мелкой и крупной фрак-
ций 1:1. Наличие в керамзите мелких пылевидных частиц ухудшает
аэрированность субстрата, затрудняет наполнение поддонов пита-
тельным раствором, забивает систему водоводов, насосы. Мелкие час-
тицы. обычно удаляют путем пересева и промывания субстрата. После
засыпки субстрата в поддон нужно определить его pH, химический
134
Ьстав и инертность. Для этого промытую навеску субстрата весом
коло 500 г заливают 500 мл питательного раствора, у которого пред-
Йи ительно определены концентрации питательных элементов и реак-
№я среды. Примерно через 8 часов раствор фильтруют и снова анали-
fcj уют. Если субстрат не изменил свойства питательного раствора, то
№ пригоден для выращивания растений. Если же субстрат сильно
йодшелашивает раствор и вызвает выпадение фосфора, магния и дру-
их элементов, то такой субстрат без предварительной подготовки ис-
кщьзовать нельзя. Пригодность субстрата для выращивания растений
йржно также определить и другими методами, например, с помощью
К>ляной кислоты. Для этого промытую дистиллированной водой навес-
К субстрата (125 г) заливают 250 мл 2 % раствора соляной кислоты и
(грез 18 часов определяют состав кислотной вытяжки. Если в 1 л такой
Йдтяжки Са++ содержится не больше 40-50 мг, Mg44 - 20-25, Na+ - 8-10
р, то субстрат пригоден для выращивания растений.
В тех случаях, когда субстрат имеет щелочную реакцию и изменя-
п химический состав питательного раствора, для связывания карбо-
натных соединений кальция субстрат заливают 2 % раствором супер-
фосфатной вытяжки (20 кг суперфосфата на 1 mj воды) или 0,15-0,2 %
Ьствором ортофосфорной кислоты (1,5-2,0 л на 1 м3 воды) и выдер-
(швают в них 24 часа, после чего субстрат промывают водой.
Урожай растений в гидропонике зависит от физико-химических
даойств субстрата. По мере старения субстрата продуктивность расте-
ний падает. Для восстановления первоначальных свойств субстраты
щин раз в год подвергают химической обработке. В этом отношении
!орошо себя зарекомендовали: 2 % растворы серной или соляной ки-
!лоты, 0.3 % раствор перекиси водорода, 0,15-0,2 % раствор едкого
алия. При обработке этими растворами токсические вещества в no-
tax и на поверхности субстратов разлагаются и удаляются при про-
мывке водой. Такая обработка временно подавляет активность пара-
итических грибов. Во время химической обработки субстрата могут
юстворяться его частицы, а если они содержат гуминовые соедине-
ны, то последние могут коагулировать и выпадать в осадок. Поэтому
Используемые химические растворы необходимо подбирать с учетом
войств обрабатываемых субстратов. Так, например, весьма эффек-
мвным способом восстановления исходных свойств керамзита явля-
[ется использование 0,15-0,2% раствора едкого калия. Достоинство
Ьтого метода регенерации состоит в том, что в щелочной среде актив-
Гно растворяются органо-минеральные пленки на поверхности частиц
^керамзита, становятся подвижными органические вещества, угнета-
гются патогенные грибы и различные возбудители болезней, а также
^Максимально удаляются другие вредные соединения. После щелочной
Г
135
регенерации керамзита урожай растений поднимается до первона-
чальных значений.
При круглогодичной эксплуатации субстрат необходимо ежегодно
регенерировать, что резко снижает поражаемость растений корневы-
ми гнилями и позволяет отказаться от применения пестицидов для
стерилизации почвозаменителей. Такую работу нужно проводить сра-
зу после окончания сезона работ (обычно перед летними отпусками)
Даже при двух-трех недельной задержке эффективность борьбы с
грибковыми болезнями падает на 90-95 %, так как образуются споры,
которые плохо уничтожаются при щелочной обработке субстрата.
Субстраты при длительном пользовании могут претерпевать глу-
бокие физико-химические изменения и подвергаться разрушению или
выветриванию. Происходит засоление, загрязнение субстратов орга-
ническими остатками и илистыми частицами, а также токсическими
продуктами гниения органических остатков, корневыми выделениями
и продуктами жизнедеятельности микрооганизмов. На засоленность
субстрата влияет концентрация питательного раствора, размер частиц
субстрата. Поверхностные слои субстрата засоляются значительно
сильнее, чем нижние. Повышенная температура воздуха, вентилиро-
вание помещений приводят к интенсивному засолению верхних слоев
субстрата. Накопившиеся на поверхности субстрата соли вызывают
растрескивание и гниение корневой шейки растений. Для уменьшения
засоления субстрат промывают во время замены питательного раство-
ра в течение двух-трех дней водой, подкисленной серной или орто-
фосфорной кислотой до pH 5,5. При этом удаляются в основном азот-
ные соединения и частично окись калия, магния, натрия, а фосфаты
кальция и железа вымываются плохо.
В качестве искусственного субстрата в ряде случаев рекомендует-
ся использовать ионитные почвы (Федюнькин и др., 1988). Такие ис-
кусственные субстраты имеют большой запас всех необходимых био-
генных элементов (около 10 % от общей массы), точный химический
состав, хорошие агрофизические свойства, отсутствие возбудителей
болезней растений. При эксплуатации такого субстрата достаточно
проводить полив растений, находящихся в ионитной почве, водопро-
водной водой. Все необходимые питательные вещества попадают в
воду и поглощаются корневой системой растений.
Однако ионитные почвы нашли ограниченное применение для ус-
ловий светокультуры. Главным их недостатком является истощение
питательных элементов через несколько месяцев эксплуатации. Для
восстановления первоначальных свойств ионитных почв требуется их
насыщение всеми необходимыми питательными веществами. Такая
процедура трудоемка и нетехнологична, если ионитные почвы ис-
пользовать в тепличных комплексах, где они занимают большие объ-
136
taa, поэтому для условий промышленной светокультуры неприемле-
к. В этой связи ионитные почвы нашли применение там, где исполь-
tavTCfl достаточно краткосрочные периоды выращивания растений в
(Йусственных условиях и на весьма ограниченных площадях (не-
Йльшие бытовые установки, мини-оранжереи, космические расте-
Йсводческие установки и т. д.).
ш 7.3. Обеспечение водного и минерального режимов
выращивания растений
L Оптимальное водообеспечение и минеральное питание растений
Ьи использовании гидропоники достигается той или иной частотой
Ьдива (подтопления, опрыскивания) питательным раствором. Часто-
ll подачи готового питательного раствора к растениям определяется в
рисимости от конкретных условий их выращивания, размеров час-
и субстрата, его пористости, толщины слоя, фазы роста растений,
нового и температурного режимов и т. д. Общая продолжитель-
Ьсп подачи и обратного слива раствора не должна превышать 30-
в-мин., так как в противном случае возможно кислородное голодание
изней. В то же время нельзя допускать очень быстрого заполнения
(бстрата раствором, так как могут повредиться корневые волоски.
|птимальная температура раствора, при которой жизнедеятельность
Ьрней идет наиболее активно, находится в пределах 15-20 °C.
ft Эмпирически установлено, что даже в жаркое летнее время в от-
бытой (вне помещения) гидропонике на керамзите или вермикулите
(р требуется более трех-четырех поливов в сутки. При работе в усло-
рях непрерывного освещения на гидропонике с керамзитом полив
|мых различных культур 2 раза в сутки в молодом возрасте (а также
^Период созревания злаков) и 4 раза в сутки в период интенсивного
Йста был вполне достаточным. Расчёт показывает, что при транспи-
Ьщионном коэффициенте 150-250 (отношение массы испарённой
Ьстснием влаги к приросту сухой биомассы) для обеспечения при-
лета сухой биомассы 40-50 г/м2-сут растениям потребуется от 6 до
2 л воды на 1 м2 посева. В герметизируемых фитотронах количество
Пяти, испаряемое растениями и частично с поверхности субстрата,
frxo поддаётся учёту. Многократные измерения показали, что обыч-
Ь 1 м2 посева разных культур в период интенсивного роста расходует
-сутки 6-8 л воды. Выращивание зеленных культур при 16-часовом
Не и лучистом потоке 40-50 Вт/м2 ФАР даёт меньшие величины
(инспирации - 1-4 л/м2 в сутки. Отсюда несложно подсчитать, какое
оличество воды нужно для компенсации испаренной влаги в зависи-
юсти от площади занимаемой растущими посевами при гидропонном
ежиме питания.
137
Водообмен растений при использовании гидропоники тесно связан
с их минеральным питанием. В научной и производственной литера-
туре описаны несколько сотен питательных сред, предназначенных
для использования в водных, гравийных, воздушных и др. культурах
самых различных видов растений. В большинстве случаев авторы пи-
тательных растворов стремились удовлетворить потребности различ-
ных видов растений в тех или иных компонентах, а также обеспечить
долгосрочность использования таких растворов, устойчивость их pH
во времени и т. д. Наиболее распространёнными и в какой-то мере
универсальными являются растворы, предложенные Кнопом, Хоглан-
дом, Чесноковым, Алиевым, рецептуру которых можно найти в руко-
водствах по физиологии растений, по овощеводству в защищённом
грунте и т. д.
В процессе эксплуатации в питательных растворах происходит
снижение концентраций одних элементов питания и возможное нако-
пление других. При этом нарушается соотношение между элемента-
ми, изменяется в ту или иную сторону pH раствора, нередко выходя за
пределы, допустимые для разных культур. Поэтому растворы необхо-
димо периодически либо полностью заменять, что экономически не-
выгодно, либо корректировать состав, компенсируя добавками те эле-
менты и их количества, которые потреблены растениями. Частота
смены питательного раствора или его коррекции зависит от соотно-
шения между посевной площадью растений, с учётом их продуктив-
ности, с одной стороны, и объёмом питательного раствора, обеспечи-
вающим эти растения, - с другой. При объёме питательного раствора
50-100 л на 1 м2 интенсивно растущих растений коррекция должна
проводиться не реже чем раз в 3 дня по результатам определения pH и
химического анализа на основные элементы, потребляемые растения-
ми. При хорошо организованном контроле и стабильно поддерживае-
мых режимах облучения и других условий роста, можно коррекцию
раствора проводить по расчётному графику с более редким (2-3 раза в
месяц) химическим контролем состава питательного раствора. В экс-
периментах с искусственной замкнутой системой длительного жизне-
обеспечения людей за счёт фотосинтеза набора растений, состоящего
из 8-12 видов, регулярная сбалансированная коррекция питательного
раствора и возврат в питательный раствор концентрата всей испаряе-
мой в системе влаги позволили использовать один и тот же объём не-
сменяемой воды в течение всех четырех-шести месяцев проведения
экспериментов. При этом аллелопатические явления в многовидовом
сообществе, культивируемом на общих растворах, замечены не были.
В растениях на долю элементов - органогенов (кислород, водо-
род, углерод, азот) приходится 95-96 % сухих веществ, остальное,
около 4 %, составляют минеральные вещества. Качественный и ко-
138
ветвенный состав минеральных веществ зависит от условий вы-
КиРания.
Б} состав питательного раствора должны входить все необходимые
Киенты минерального питания, потребляемые растениями как в
Кыпих, так и в малых количествах. Отдельные элементы (кобальт,
Ь) не оказывают влияния на урожай, но отсутствие их в продуктах
гания вызывает некоторые болезни человека. Эти элементы необ-
Ьрмо вносить в незначительных количествах. Питательные раство-
Б Должны содержать необходимые элементы в таких количествах и в
|гих соотношениях, которые обеспечивали бы нормальный рост,
Ьитие и высокую продуктивность растений. От концентрации и
йиошения питательных элементов в растворах зависят осмотиче-
Ь. давление раствора и поглощение растениями воды и элементов
far) ального питания. Одним из решающих показателей пригодно-
fc питательного раствора является оптимальная кислотность (pH),
Бюрая должна быть на определенном уровне в течение всего вегета-
Ьяного периода.
ЬПитание растений в значительной степени зависит:
№ от биологических особенностей культуры;
Ь от температурного режима;
г от уровня облученности растений;
L от фазы роста и развития растений.
вКак отмечалось выше, рецептов питательных растворов очень
ВЬгъ (более 400). В качестве примеров целесообразно привести два
ртеточно широко известных рецепта. Это раствор Кнопа и раствор
Скокова и Базыриной.
Г При приготовлении раствора Кнопа на 1 л воды вносят следующие
Ьичества солей:
h. Калий азотнокислый (KNO3) — 0,250 г.
Е. Калий фосфорнокислый (однозамещенный) (КН2РО4) - 0,250 г.
р. Кальций азотнокислый (Ca(NO3)2-4H2O) - 1,400 г.
‘ 4. Магний сернокислый (MgSO4-4H2O) - 0,250 г.
15. Добавка микроэлементов — 1—1,5 мл маточного раствора мик-
роэлементов.
‘ Маточный раствор микроэлементов готовят по следующему рецепту:
' 1. Борная кислота (Н3ВО3) - 3,200 г.
2. Медь сернокислая (CuSO4-5H2O) — 0,510 г.
3. Марганец хлористый (MgCl2-4H2O) - 0,250 г.
М. Цинк сернокислый (ZnSO4) - 0,250 г.
5. Молибденовокислый аммоний ((NH4)2MoO4) - 0.300 г.
6. Кобальт азотнокислый (Co(NO3)2) - 0,004 г.
В растворе Чеснокова и Базыриной источником макроэлементов
итяются обычные удобрения, применяемые для выращивания поле-
139
вых культур, а источником микроэлементов - химически чистые соли
На 1 л раствора вносят следующие соли:
I. Аммоний азотнокислый (NH4 NO3) - 0,2 г.
2. Калий азотнокислый (KNO3) - 0,5 г.
3. Суперфосфат (простой) - 0,55 г.
4. Магний сернокислый (MgSO4-4H2O) -0,3 г.
5. Железо лимонно-аммиачное - 0,0087 г.
6 Борная кислота (Н3ВО3) - 0,0029 г
7. Марганец сернокислый (MnSO4) - 0,0019 г.
8. Цинк сернокислый (ZnSO4) - 0,0002 г.
9. Медь сернокислая (CuSO45H2O) - 0,0002 г.
10. Серная кислота H2SO4 - 0,009 г.
При приготовлении питательных растворов необходимо учитывать
pH воды и содержание в ней солей. При необходимости раствор под-
кисляют, добавляя фосфорную, серную или азотную кислоту, а для
подщелачивания - раствор едкого калия. Следует строго соблюдать
очередность растворения солей. Несоблюдение этого правила приво-
дит к образованию нерастворимых солей. Концентрированную смесь
микроэлементов (из расчета 1 л концентрированного раствора на 10
м3 рабочего раствора) готовят отдельно. Сначала в кипящей воде рас-
творяют борную кислоту, затем в отдельности растворяют сернокис-
лый цинк, сернокислую медь и в указанной последовательности вли-
вают в перемешанный раствор борной кислоты. После добавления
каждого компонента раствор тщательно перемешивают. Правильно
приготовленный раствор должен быть прозрачным, без осадка. Рас-
твор хранят в темной бутыли.
7.4. Формирование структуры ценозов
в условиях светокультуры
В условиях светокультуры структура ценозов растений должна быть
так сформирована, чтобы при данных условиях освещения обеспечить
максимальный урожай за минимально возможные сроки вегетации.
Для этого необходимо световые потоки, падающие на ценоз, рас-
пределить таким образом, чтобы растения были обеспечены опти-
мальным количеством световой энергии с точки зрения максимизации
его продуктивности по хозяйственно-полезному урожаю. Это дости-
гается с одной стороны согласованием, интенсивности и спектрально-
го состава искусственной радиации, а с другой — оптимизацией опти-
ческой структуры ценоза растений. При этом следует обращать вни-
мание на характер распределения по растениям ценоза аттрагирую-
щих центров, где идёт формирование хозяйственно-полезных органов
Листовая поверхность, непосредственно поставляющая ассимиляты в
образующиеся репродуктивные органы, не должна испытывать лими-
140
в В световой энергии Существует четыре группы растений: 1) хозяй-
Ьенно-полезные органы формируются в верхней части стебля (на-
Кммер- пшеница); 2) плоды расположены вдоль стебля (например,
урец); 3) в пишу используются корнеплоды; 4) вся надземная листо-
Ь масса используется в пишу (зеленные культуры - салат, укроп,
К'и :ик и т. д.).
Е Структура ценоза растений должна быть так сформирована, чтобы
E-п я растений, дающие основной вклад в формирование хозяйст-
Ешо-полезных органов, не испытывали чрезмерного затенения. С
Ьугой стороны, при сильно разрежённом ценозе растений посевные
Ечпади используются неэффективно, а урожай с единицы площади
Ьлример, с 1 м2) падает. В этой связи в условиях светокультуры для
Ьшых видов растений существуют свои нормы высева. Интенсив-
Ксть и спектральный состав света должны быть подобраны так, что-
ш обеспечить оптимальный световой режим для нужных листьев.
К, Рассмотрим приёмы формирования структуры ценозов некоторых
шов растений, используемых для условий светокультуры.
В Огурец. Формирование ценозов огурца в условиях светокультуры
Ьшсит от уровня облучённости и количества растений на единице
ошади при обеспечении всех других факторов среды на нелимити-
Екших уровнях.
L При интенсивной светокультуре возможно несколько схем форми-
fct-ания ценозов огурца (рис. 7.1). По схеме 1 этого рисунка рассмат-
идается формирование растений в один стебель при густоте посадки
к> 20 шт/м2. По данным Института Гипронисельпром, при использо-
рнии такой схемы за один культурооборот возможно получение
в) кг/м2 и выше огурцов при формировании на каждом растении по 5—
[.плодов со средним весом 0,2 кг. По схемам 2 и 3 одновременно с
Вентральным стеблем могут формироваться по 3—4 дополнительных
Ьг-бега. Возможно также формирование структуры ценоза вначале в
Йин стебель согласно схеме 1, а затем с укоренением боковых побе-
» (рис. 7.1, схемы 4 и 5). В последних двух случаях достигается уве-
личение продуктивности отдельных растений за счёт плодоношения
(аждого дополнительного побега. При интенсивном облучении и гус-
ите до 20 растений на квадратный метр может быть использована
рсема 6, предполагающая выращивание растений в течение 50 суток
юз вмешательства в формирование его структуры. Ценоз огурца,
формированный по такой схеме, требует незначительного ухода на
ретяжении культурооборота.
Предпочтения в выборе той или иной схемы формирования ценоза
>гурца может быть связано с рядом конкретных обстоятельств. Так,
Хема 1, представленная на рис. 7.1, обеспечивает наиболее быструю
тдачу урожая за счёт уменьшения длительности культурооборота.
141
Рис. 7 ] Схемы формирования
растений огурца
I - в один стебель без боковых ги-бсг^
2 и 3 - формирование 4-х дополнитель
ных побегов без укоренения.
4 и 5 - формирование 4-х дополнитедь.
ных побегов с укоренением.
6 - выращивание в течение 50 суток
без вмешательства в формирование
структуры ценоза огурца
Эта схема рекомендуется к использованию, когда за сжатые сроки
(например, в конце зимнего сезона) необходимо получить урожай
плодов огурца в условиях интенсивной светокультуры. Это достига-
ется в связи с достаточно быстрой остановкой роста растений (при-
щипка боковых побегов и центрального стебля), в результате чего все
ассимиляты направляются на образование и налив плодов. При со-
блюдении необходимых агротехнических приёмов каждое растение
огурца к возрасту 80 суток (после высадки рассады) даёт по 8-10 пло-
дов огурца средним весом 150-200 г, то есть средний урожай огурца с
1 м2 посевной площади может достигать величины 20 кг. Таким обра-
зом, при планировании урожая огурца к конкретным датам (празд-
ничные даты, технологические перерывы и т. д ), до которых остаются
сжатые сроки, целесообразнее использовать схему 1. Её целесообраз-
но также использовать в тех участках теплиц, где высота растений
сильно ограничена (например, из-за низкого потолка в периферийных
частях ряда типов теплиц).
Томаты. Существует большое разнообразие сортов томатов, кото-
рые могут иметь резкие различия в габитусе растений. Так, сущест-
вуют высокорослые тепличные сорта томатов, которые используют
для выращивания в остеклённых теплицах при естественном освеще-
нии. Эти сорта рассчитаны на медленный рост и постепенную волно-
образную отдачу плодов. Период вегетации этих сортов томатов рас-
считан на 5—6 месяцев и более. В то же время задача выращивания
142
Ж. 7.2. Сверху - общий вид олностеблевых ценозов
гурца в теплице; справа- растение огурца, сформи-
, рованное в один стебель (фрагмент ценоза).
грастений в условиях зимней светокультуры - получить в максимально
[короткие сроки хозяйственно-полезную продукцию. Эти сроки со-
гставляют 3-4 месяца. Кроме того, интенсивное освещение растений
ромата, которое необходимо для зимней светокультуры, крайне не-
кудачно будет сочетаться с высокорослыми растениями томата, если в
«пом случае пользоваться тепличными сортами, недостаточно адапти-
рованными к повышенной облучённости. Поэтому при выборе сорта
Ьтоматов для его выращивания на продукцию в условиях зимней све-
[токультуры целесообразно отказаться от использования высокорос-
лых тепличных сортов. Более подходящими будут карликовые (де-
|'терминированные) сорта томата, например, как «Канада-80», «Стар-
файер», «Пламя» и др. Эти сорта имеют относительно короткий пери-
од вегетации (70-80 суток) и достаточно урожайны: 15-17 кг плодов с
»1 м2 за вегетацию.
Густота посадки детерминированных сортов томата составляет око-
ло 6 шт/м2 Растения формируют с двумя-тремя цветочными кистями.
Зеленные культуры. Выращивание зеленных растений (салат,
шпинат, базилик, укроп и т. д.) в условиях современной светокульту-
ры экономически невыгодно. Поэтому зеленные культуры как само-
стоятельные в условиях светокультуры выращивают редко. Чаще все-
го их возделывают как уплотняющие культуры при выращивании,
например, молодых растений огурца и томатов в зимне-весеннем обо-
роте, а при разрастании листовой поверхности последних, когда про-
исходит ее смыкание и освещение поверхности грунта сильно ослабе-
143
вает, зеленные культуры убирают. Зеленные культуры высевакл
междурядья 10—15 с.м, в ряду расстояния составляют 5—15 см.
Контрольные вопросы к главе 7
1. Какие основные требования предъявляются к показателям теп-
личных грунтов?
2. Какова основа тепличных грунтов, возможны ли замены её ком-
понентов?
3. Как предупредить засоление грунтов?
4. Что такое гидропоника и какие разновидности её вы знаете?
5. Как решаются вопросы водообеспечения растений при использо-
вании метода гидропоники?
6. Как поддерживается минеральное питание растений при гидро-
понике?
7. Какие общие принципы формирования светового режима необхо-
димо учитывать при формировании структуры ценозов растений в
условиях светокультуры?
8. В чем заключаются особенности формирования структуры цено-
зов огурца и томатов в условиях светокультуры?
144
ГЛАВА 8. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ЧАСТНОЙ СВЕТОКУЛЬТУРЫ РАСТЕНИЙ
8.1. Овощные культуры
(огурец и томат)
8.1.1. Общие сведения
Среди овощных культур, которые выращивают в России в тепли-
мое при искусственном освещении в зимний период, наибольшее рас-
ространение получило выращивание растений огурца и томата. С
1дной стороны, это связано с историческими традициями - огурец и
юмат издавна считаются в России основными овощными культурами,
1'С другой стороны - большим опытом выращивания этих культур в
^пличных условиях. Важную роль играет и то обстоятельство, что
Ifypeu и томат, в отличие от большинства других овощных культур,
Йособны дать наиболее высокий выход хозяйственно-полезной про-
екции с единицы площади в единицу времени при культивировании
। условиях искусственного освещения.
Тепличные сорта растений огурца происходят из тропических до-
левых лесов, поэтому они обладают повышенными требованиями к
емпературе и влагообеспеченности. В настоящее время среди теп-
ичных сортов этой культуры предпочтение отдают партенокарпиче-
ким (бессемянным) сортам. Эти сорта имеют выровненные по форме
лоды с тонкой кожицей. В зависимости от сорта вес плодов партено-
Ьрпиков. может колебаться от 150 до 600 г. В настоящее время пред-
пчтение зачастую отдают мелкоплодным партенокарпическим сор-
им, вес плодов которых не превышает 400 г. Для выращивания рас-
рний огурца на продукцию в зимний период в теплице лучше ис-
«щьзовать традиционные самоопыляющиеся сорта (партенокарпики):
Московский тепличный», ТСХА, «Дядя Стёпа», «Стелла» и другие.
1ри оптимальных режимах выращивания сроки вегетации этой куль-
уры составляют 60-70 суток, а урожай плодов до 25-30 кг/м2.
Содержание ценных веществ в плодах огурца невелико (табл. 8.1).
[енят огуречную продукцию главным образом за своеобразный вкус
аромат.
В то же время плоды томата по качеству не только не уступают, но
превосходят плоды огурца (табл. 8.2). Однако томат — более свето-
юбивая и дольше вегетирующая культура, чем огурец.
145
Таблица S ।
Среднее содержание некоторых веществ в тепличных огурцах
Содержание вешеств, % от сырого веса Содержание веществ, мг в 100 г сырого веса
Вода 96,3 Аскорбиновая кислота 9
Сырая клетчатка 0,32 Каротин 0.1
Сахар 1,7 Тиамин 0,02
Чистый белок 0,48 Лактофлавин 0.034
Сырой жир 0.11 Амид никотиновой кислоты 0,2
Зола 0,52 Кальций 26,0
Другие компоненты 0,57 Железо 0,22
Таблица S 2
Среднее содержание некоторых веществ в плодах тепличных томатов
Содержание вешеств, % от сырого веса Содержание вешеств, мг в 100 г сырого веса
Вода 94,3 Аскорбиновая кислота 18
Сырая клетчатка 0,73 Каротин 0,3
Сахар 2,4 Лактофлавин 0,04
Чистый белок 0,4 Аневрин (vit В,) 0,06
Сырой жир 0,33 Амид никотиновой кислоты 0,5
Другие компоненты 1,84 Кальций 26,0
Железо 0,32
Растения томата, как и огурца, являются выходцами из тропиков и
поэтому относятся к теплолюбивым растениям. Различают детерми-
нированные и индетерминированные сорта томатов. У первого типа
сортов (детерминированных) каждый побег заканчивается соцветием,
и поэтому образуется разветвленный куст небольшой высоты. У вто-
рого типа сортов (индетерминированных) каждый побег за счет высо-
кой скорости роста дает начало образованию новых побегов, каждый
из которых образует свои побеги, и т. д. Образуются высокорослые
растения томата. Эти сорта рассчитаны на медленный рост и посте-
пенную волнообразную отдачу плодов. Период вегетации этих сортов
томата рассчитан на 4 месяца и более. В то же время задача выращи-
вания растений в условиях зимней светокультуры — получить в мак-
симально короткие сроки хозяйственно-полезную продукцию. Эти
сроки составляют 3—4 месяца. Кроме того, при использовании в све-
токультуре высокорослых растений томата, их интенсивное освеще-
ние, которое необходимо для зимней светокультуры, крайне неудачно
будет сочетаться с высокорослыми растениями, которые, кстати, не-
достаточно адаптированы к повышенной облучённости и будут стра-
146
Йрть. Поэтому для условий зимней светокультуры более подходящими
Мудут карликовые (детерминированные) сорта «Канада-80», «Стар-
^файер». «Пламя» и др. При правильно подобранном световом режиме
^ги сорта имеют относительно короткий период вегетации (70-80 су-
|'.>гок) и достаточно урожайны: 15-17 кг плодов с 1 м2 за вегетацию.
8.1.2. Требования к световым режимам
при выращивании огурца и томата на продукцию
в условиях зимней светокультуры
У
Световое насыщение по основным физиологическим характери-
стикам, обеспечивающим наилучший урожай, выше для растений то-
мата, чем для растений огурца. Так, например, увеличение солнечного
.рвета, способствующее усилению фотосинтеза растений, для огурца
.•Ограничено облучённостью до 150 - 200 Вт/м2 ФАР, а для растений
^ромата - до 200 - 250 Вт/м2 ФАР. Однако максимальные значения
‘КПД ценозов этих культур в расчете на хозяйственно полезную био-
массу находятся в диапазонах более низких облученностей: для огур-
ца они составляют 100 - 150 Вт/м2, а для томата 150 — 180 Вт/м2 ФАР
(Мошков, 1966; Александрова, Клочкова, 1983).
Для вырашивания растений томата в условиях светокультуры не-
обходимы затраты электроэнергии на 40-50 % больше, чем огурца,
длительность вегетации для томата примерно на 30 % выше, а урожай
плодов ниже, чем у огурца, на 25-30 % с единицы площади теплицы.
В условиях светокультуры это приводит к увеличению себестоимости
томатной продукции в сравнении с огуречной в 1,5—2 раза. Последнее
и является основной причиной преимущественного выращивания
огурца в условиях светокультуры в сравнении с томатом.
Указанные выше довольно широкие диапазоны колебаний интен-
сивностей света для выращивания огурца и томата связаны с целым
рядом конкретных дополнительных обстоятельств, начиная от вы-
бранного сорта растений и кончая густотой посадки растений в грунт.
Чем больше густота посадки растений, тем более загущены листья
внутри такой посадки, а значит, световое насыщение по фотосинтезу
будет соответствовать более высоким интенсивностям света, чем для
ценоза с редкой посадкой растений.
Более сложная картина с требованиями растений огурца и томата к
спектральному составу света. Изучение роли излучения отдельных
областей ФАР в продукционном процессе показало неоднозначность
влияния разноспектральных потоков ФАР, как на накопление общей
биомассы этих растений, так и на формирование их хозяйственно-
полезного урожая. Излучение синей области спектра, в отличие от
зелёной и красной, обеспечивает накопление общей биомассы на про-
тяжении всего периода вегетации для обеих культур. В то же время
147
формирование хозяйственно-полезного урожая в синих лучах сильно
зависит от уровня облучённости, и абсолютные значения величин та-
кого урожая весьма низки. Установлена возрастающая эффективность
синих лучей в сравнении с красными в продукционном процессе для
обеих культур с ростом уровня облучённости (Тихомиров и др., 1991).
Контрастной является реакция растений этих видов на излучение
красной (600-700 нм) области спектра. Это проявилось в том, что при
длительном выращивании огурца в красных лучах через 20—30 суток
вегетации происходила их гибель. В то же время ценозы томата спо-
собны не только поддерживать структурную и функциональную ак-
тивность фотосинтетического аппарата, но и давать хозяйственно-
полезный урожай в красных лучах. В зелёных лучах растения огурца
погибают, не достигнув репродуктивной фазы, а томаты дают низкие
урожаи плодов (Тихомиров и др., 1987).
При использовании смешанного потока ФАР, в котором представ-
лены в тех или иных пропорциях синяя, зелёная и красная области,
формирование урожая огурца и томата более эффективно, чем при
излучении той же интенсивности, сосредоточенном в одной или двух
из названных спектральных областей.
При выращивании этих культур на продукцию в зимний период
при одинаковых уровнях облучённости ФАР оптимальный спектр
излучения может оказаться разным. Действительно, если сравнить
данные табл. 8.3 по оптимальному в накоплении урожая растений
распределению энергии в спектре ФАР интенсивностью 100 Вт/м2
ФАР для ценозов огурца и томата, то они различны. Существует
представление, что наилучшим для формирования урожая будет такой
спектральный состав света, который обеспечит в первую очередь мак-
симально возможный фотосинтез листьев, непосредственно питаю-
щих ассимилятами плоды (Тихомиров, 1989). С этой точки зрения,
ценоз огурца является многоярусной оптической системой, где лист
каждого яруса ответствен за формирование «своего» плода. В таких
световых условиях хорошо поглощаемые зелёным листом красные
лучи используются преимущественно верхними ярусами, зелёные
лучи - преимущественно средними и нижними ярусами, а синие лучи
играют в основном регуляторную роль, и их требуется относительно
небольшое количество. Таким образом, оптимальный спектральный
состав света для растений огурца должен содержать существенную
долю красных и зелёных лучей и небольшое количество синих лучей.
Это подтверждается данными табл. 8.3.
В то же время у растений томата плодоносящие органы сосредото-
чены в основном в верхней части растений. Кроме того, у этих расте-
ний ажурная крона и, в отличие от огурца, у ценозов томата проник-
новение прямых лучей к средним и нижним ярусам значительно вы-
148
Таблица 8 3
Продуктивность ценозов огурца сорта «Московский тепличный»
и томата сорта «Старфанер», сформировавшихся при облучённости 100 Вт/м2
различного спектра ФАР (Тихомиров и др., 1991)
Номер спектрального варианта Соотношение спектральных областей, ФАР Урожай плодов, кг/мг Продолжи- тельность вегетации Среднее уточная продуктивность в расчете на урожай плодов, г/мгсут
ОГУРЕЦ
1 С-20 3-40 К-40 27,5+1,3 70 392,9±22,9
2 С-34 3-33 К-33 22,7±1,9 75 300,0±29,3
3 С-30 3-20 К-50 22,1±1,5 75 299,7±20,0
4 С-40 3-20 К-40 20,8+1,6 80 260,0±20,0
5 С-60 3-20 К-20 16,1±1,3 90 178,8+14,4
ТОМАТ
1 С-60 3-20 К-20 13,2±0,9 130 101,5±6,9
2 С-20 3-60 К-20 11,1+0,7 120 92,5+5,8
3 С-20 3-20 К-60 16,9±1,2 100 169,0±12,0
4 С-40 3-20 К-40 15,7+1,0 120 130,8±8,3
5 С-20 3-40 К-40 15,5+0,9 ПО 140,0±8,2
6 С-34 3-33 К-33 15,4+1,1 110 140,0+10,0
7 С-10 3-15 К-75 18,5±1,2 100 185,0+12,0
ше. Эти два последних обстоятельства не требуют большого содержа-
ния в световом потоке зелёных лучей. Поэтому в общем излучении,
обеспечивающем высокую продуктивность томата, на фоне высокого
содержания красных лучей достаточно небольшого количества синих
и зелёных, что хорошо согласуется с данными табл. 8.3.
Таким образом, для ценозов огурца, выращиваемых в условиях ин-
тенсивной светокультуры, наиболее оптимальным является спектр
ФАР с высоким содержанием зелёных и красных лучей (по 40 %) и
0 % добавкой синих лучей (табл. 8.3). Разумеется, возможны некото-
рые отклонения от этих соотношений в отдельных областях ФАР. Так,
было показано, что увеличение доли красных лучей в ФАР без сниже-
1ия продуктивности растений ещё возможно до 50 %, а дальнейшее
наращивание красных лучей в ФАР ведёт к прогрессирующему паде-
нию продуктивности растений. Уменьшение доли красных лучей в
ФАР для ценозов огурцов ниже 40 % также ведёт к падению продук-
'ивности (Тихомиров и др., 1991).
149
Для томата оптимальным является спектр ФАР с ярко выраженным
максимумом в красной области (Тихомиров и др., 1991). Доля красных
лучей в ФАР может колебаться в диапазоне 60-70 %, с примерно рав-
ными дополнительными долями синих и зелёных лучей. С другой сто-
роны, незначительное уменьшение спектральной эффективности ФАР
для томата происходит при выравнивании доли красных и синих лучей
(по 40 %) без изменения доли зелёного излучения в ФАР, однако в по-
следнем случае удлиняются сроки вегетации (Тихомиров, Прикупец,
1992), что ведёт к падению величины продуктивности.
8.1.3. Требования к световым режимам
при выращивании рассады огурца и томата
в теплицах для последующего доращивания
в условиях зимней светокультуры
При выращивании огурца в условиях светокультуры возможно его
культивирование непосредственно из семян без пересадки рассады
либо путём выращивания рассады и её последующей высадки для по-
лучения огуречной продукции. Раздельное выращивание рассады и
растений огурца на продукцию является более распространённым.
Как правило, во всех грунтовых теплицах рассаду огурца выращивают
отдельно в рассадном отделении теплицы. Период выращивания рас-
сады для зимней светокультуры огурца обычно приходится на ноябрь
— начало декабря, когда естественного света для полноценного фор-
мирования растений не хватает. Поэтому для рассады обязательно
использование искусственного облучения. Необходимая интенсив-
ность света составляет около 50-60 Вт/м2 ФАР, фотопериод - 12-14
часов. Более подробно режимы облучения для выращивания рассады
описаны в разделе 6.2. При правильно выбранных режимах выращи-
вания рассада огурца заканчивает формирование в возрасте 30-35
суток. К этому времени растения должны иметь 4-6 настоящих листь-
ев, высоту 20-25 см, вес 20—30 г. Наиболее распространённым являет-
ся выращивание рассады в торфяных стаканчиках из расчета 20-25
растений на квадратный метр.
Для зимней светокультуры томатов в теплице также необходим*
предварительное выращивание растений в рассадном отделении. Др
этого высевают семена детерминированных сортов томатов в торф
ные горшочки с дальнейшей расстановкой 25-30 растений на 1 1
Ослабленные растения удаляют. Для получения качественной расса
необходим уровень облученности 50-70 Вт/м2 ФАР. Формироваг
рассады заканчивается через 25-30 суток.
Выбор схемы рассаживания рассады детерминированных сор
томата в теплице для последующего выращивания в условиях све
культуры так же, как и для огурца, зависит от целого набора фак
150
|еол. Поскольку кусты детерминированных сортов томата низкорос-
Ьие (высота до 50-80 см) и имеют компактный габитус, их рассаду
Бмредко высаживают в грунт, из расчёта 8-10 растений на 1 м'.
г1 8.1.4. Рекомендации по выбору, приобретению и размещению
•' основного технологического оборудования
₽ для выращивания огурца и томата в условиях светокультуры
Г- При выборе светотехнического оборудования для выращивания
йамстений огурца и томата в условиях светокультуры важно правильно
Ьщенить комплекс факторов, обеспечивающих его удачный выбор.
Идесь целесообразно выделить факторы, определяющие фотобиологи-
Ьескую эффективность облучательных установок, их техническое со-
вершенство, а также стоимость.
Е Фотобиологическая эффективность облучательной установки за-
Ьясит от её возможностей обеспечить оптимальный спектральный
и><тав и интенсивность лучистого потока в отношении формирования
Ьцзяйственно полезного урожая. Как следует из изложенного выше,
Ьль растений огурца и томата интенсивность облучения при выращи-
вании на продукцию в светокультуре в зимнее время лежит в диапа-
зоне 100-200 Вт/м2 ФАР. С точки зрения экономичности и техноло-
гичности в этом случае выгодно использовать облучатели с лампами
Ьощностью 2 кВт и более.
L Другим важным моментом является выбор облучательных устано-
Б»и.к, имеющих спектральный состав света, близкий к оптимальному
Ндх выращивания растений огурца и томата в условиях интенсивной
светокультуры. Как уже отмечалось (см. раздел 4.4), имеются специа-
лизированные лампы для выращивания огурца и томата на продук-
цию. Но пока они выпущены малой серией и не всегда доступны ши-
рокому потребителю. Поэтому необходимо иметь информацию о наи-
Км лее подходящих типах растениеводческих облучательных установ-
ках общего назначения, наиболее близко по своим светотехническим
Ьлрактеристикам отвечающим требованиям для выращивания огурца
ш томата. Важно знать, что поскольку никакая коррекция спектраль-
йюго состава света не сможет компенсировать низкие уровни облу-
чённости, выбор облучательных установок по критерию благоприят-
ного спектрального состава света нужно вести среди установок, уком-
плектованных лампами мощностью 2 кВт и более. С учётом опыта,
Накопленного в Институте биофизики СО РАН, для выращивания
растений огурца в условиях интенсивной светокультуры наиболее
подходящими являются облучательные установки, укомплектованные
шампами ДРИ-2000-6, а для растений томата - лампами типа ДМ,
мощностью 3 или 6 кВт. Для более конкретного выбора установок
^необходимо учитывать экономическую эффективность использования
151
в конкретных тепличных условиях облучательных установок, уком-
плектованных лампами типа ДРИ-2000-6 или ДМ.
Если планируется эксплуатация лишь части посевных тепличных
площадей для условий светокультуры, то с этой точки зрения для вы-
ращивания огурца зимой на продукцию перспективно использовать
облучатели «Фотос» с лампами ДРИ-2000-6. Это позволит обеспечить
для посевов огурца на выборочных площадях теплицы необходимый
световой режим. Аналогично можно использовать и другие облучате-
ли с лампами ДРИ-2000-6. Для светокультуры томата наиболее благо-
приятными по спектру и интенсивности ФАР являются лампы типа
ДМ, которыми укомплектованы установки УОРТ. Несколько менее
эффективными по фотобиологическому воздействию на растения то-
матов являются лампы ДРИ-2000-6, а следовательно, и облучатели и
установки, где они используются. Менее желательны, но также при-
емлемы облучатели ЖСП-18-400. Окончательный выбор типов облу-
чательных устройств из рекомендованной группы зависит от финан-
совых возможностей предприятия, наличия установок на заводе-
изготовителе и ряда других конкретных обстоятельств.
В этом отношении наиболее удобной оказывается процедура раз-
мещения в теплице установок типа УОРТ, которые изготавливаются
«под ключ». Размещают указанное светотехническое оборудование из
расчёта 0,7-0,9 кВт/м2 установленной электрической мощности.
Управляющие электрошкафы установок могут быть вынесены либо за
пределы внутреннего помещения теплицы, либо расположены вдоль
одной из стен внутри теплицы. Облучатели с лампами располагаются
«в строчки» над посевной площадью теплицы. Высота подвеса ламп с
отражателями должна обеспечить уровни облучённости для выращи-
вания огурца и томата в пределах 100-150 Вт/м2 ФАР. В этом случае
максимальная высота подвеса облучателей над верхушками растений
составляет для ламп типа ДМ мощностью 3 кВт около 2—2,5 м, а для
ламп мощностью 6 кВт - около 3,5-4 м. Таким образом, эти лампы, а
следовательно и установки УОРТ, необходимо размещать в достаточ-
но высоких теплицах, с учетом высоты подвески ламп плюс макси-
мальная высота взрослых растений (до 2 м для огурца). Поскольку
огурцы при высадке рассады имеют высоту до 0,5 м, желательно
иметь регулируемую высоту подвески ламп (с диапазоном регулиро-
вания 1,5-2 м).
При приобретении облучательных установок с лампами ДРИ-2000-6
последние размещают также с учётом создания вышеуказанных уров-
ней облучённости. Частота размещения определяется из расчёта 0,9-
1,2 кВт/м2 (так как энергетический КПД ламп ДРИ-2000-6 ниже, чем
ламп ДМ), высота подвеса отражателей с лампами над верхушками
растений примерно 1,7-2 м. Для невысоких теплиц возможна другая
152
схема размещения и подвески ламп. В случае вынужденного исполь-
зования облучателей небольшой мощности (менее 1 кВт) для зимней
^ветокультуры огурца и томата их размещают в теплице более плотно,
чем указанные выше типы облучателей. Если в таких облучателях
‘используются натриевые лампы ДНаТ-400, то облучатели располага-
'ют из расчета удельной электрической мощности около 0,6-
0,7 кВт/м2, поскольку эти лампы обладают более высоким
энергетическим КПД в сравнении с лампами ДМ и ДРИ-2000-6 (см.
'* раздел 4.4). Высота подвеса облучателей в этом случае составляет
около 1-1,5 м над растениями.
* Для выращивания рассады огурца и томата в рассадном отделении
’теплиц обычно используют облучательные установки с лампами мощ-
Гностью 0,4-1 кВт. Среди современных облучателей здесь, например,
$пкже подходят облучатели ЖСП-18-400 с установленной электриче-
Гской мощностью 0,25-0,3 кВт/м2 и другие облучательные установки в
Сказанном диапазоне мощностей. Если нет специально оборудованного
ГОассадного отделения, то рассаду огурца и томата можно выращивать
:;яа части площадей теплиц, оснащенных более мощным светотехниче-
ским оборудованием для зимней светокультуры этих растений. В этом
случае лампы можно включать выборочно для получения пониженных
Облученностей, приемлемых для выращивания рассады.
г 8.1.5. Основные параметры окружающей среды
для культивирования огурца и томата
i, в условиях светокультуры
К Температура. Все сорта тепличных огурцов, используемых для
выращивания в условиях светокультуры, теплолюбивы, для них необ-
ходима оптимальная температура воздуха днём 24-26 °C, ночью -
18 °C. Диапазон оптимальных температур корневой системы растений
огурца находится в пределах 23-27 °C. Для поддержания этих темпе-
ратур нередко используют дополнительный обогрев корневой систе-
мы растений за счёт размещения труб-обогревателей в почве, а если
['используется гидропонная система полива - то за счёт поддержания
ыгеобходимой температуры питательного раствора.
Г Наиболее благоприятная температура воздуха для роста и развития
Етоматов 25-28 °C днём и 18-20 °C - ночью. В области корневой сис-
(темы температура может колебаться в пределах 18-22 °C и поддержи-
ваться за счёт почвообогрева в грунтовых теплицах и подогрева пита-
‘тельного раствора при использовании гидропоники.
Впагообеспеченность. Тепличные огурцы требовательны к высо-
кой влажности воздуха. Поэтому для активного роста этих растений
относительная влажность воздуха должна быть не ниже 75-80 %. Па-
дение относительной влажности воздуха ниже 70 % отрицательно
153
сказывается на величине урожая. В теплицах, где выращивают огурцы
на продукцию, повышенную влажность воздуха создают за счёт пе-
риодического разбрызгивания в воздухе мелкодисперсной водяной
пыли. Для этой цели в тепличных хозяйствах можно использован,
специальную установку «туман» или другие приспособления, когда
вода разбрызгивается в воздушное пространство теплицы через спе-
циальные форсунки. Следует отметить, что общее потребление волы
растением огурца весьма велико и составляет около 600 л на одно рас-
тение за период вегетации. Поэтому при выращивании огурца в грун-
товых теплицах содержание воды в почвенном субстрате должно быть
не ниже 90 % от его полной влагоемкости. При использовании гидро-
поники подбирается такой режим полива растений, чтобы корни все-
гда были в увлажнённом питательным раствором субстрате. В то же
время застой воды в зоне корневой системы недопустим, так как
ухудшается аэрация корней, возникают корневые гнили.
Потребность в воде у томата ниже, чем у огурца. Так, в течение
месяца взрослое растение огурца расходует около 30 л воды. Наибо-
лее высока потребность в воде у томата в период образования плодов.
В этот период времени влажность почвы должна составлять 75-80 %
от ее полной влагоемкости, а относительная влажность воздуха 70-
75 %. В вегетативной фазе, предшествующей плодоношению, потреб-
ность в воде у томата ниже, поэтому поддерживают умеренную влаж-
ность почвы 65-70 % и воздуха 40-60 %.
Как для огурца, так и для томата эффективны минеральные под-
кормки (Овощеводство..., 1984) и подкормка углекислым газом до
концентрации в атмосфере теплицы 0,1-0,2 %.
8.2. Зеленные и пряные культуры
В условиях светокультуры зеленные и пряные растения выращи-
вают, как правило, в виде уплотнения на площадях, временно пус-
тующих при культивировании преимущественно таких культур, как
огурец и томат, которые занимают более 98 % площадей, освещаемых
искусственным светом. Тем не менее, выращивание зеленных и пря-
ных культур в качестве дополнительных к овощным весьма перспек-
тивно, так как продукция зеленных культур пользуется устойчивым
спросом в зимний период.
Рассмотрим кратко некоторые особенности выращивания в усло-
виях светокультуры ряда зеленных и пряных культур.
Салат. Это однолетнее растение. Выращивают листовой и кочан-
ный салат. Листовой салат является скороспелой культурой, при вы-
ращивании посевом семян уборка урожая наступает через 3CM0 су-
ток. Кочанный салат более позднеспелый, созревает за 55—75 суток,
выращивается рассадой и высевом на постоянное место. Это влаго-
154
дрюбивое растение, недостаток влаги сказывается на величине урожая,
Д^ызывает преждевременное стеблевание растений. Оптимальная тем-
пература Лля роста - 15-20 °C, pH питательного раствора 6-6,8. При
Кунсличении продолжительности светового дня больше 18 часов начи-
Ьнается быстрое формирование генеративных органов и цветение. Лис-
Ь/говой салат высевают с междурядьями 10-15 см, в ряду при прорежи-
Ерании оставляют между растениями 10-15 см. Уборка - в фазу начала
^стрелкования. Кочанный салат высаживается с площадью питания
(45x15 см2. Оптимальная длина дня 16-18 часов, облученность 60-
, 70 Вт/м2.
7 Шпинат — однолетнее растение. Это скороспелое холодостойкое
растение. При посеве семенами уборка наступает через 25-30 суток,
Оптимальная температура для роста и развития 18-20 °C. Культура
(Особо требовательна к влаге. Высокая температура воздуха и сухость,
а также длинный день способствуют преждевременному стеблеванию.
^Оптимальная pH питательного раствора 7-8, площадь питания: 8-
№10 см х 4-5 см. Оптимальная длина дня 16-18 часов, облученность
- 60-70 Вт/м2.
Пекинская салатная капуста. Это скороспелая культура, богатая
.витаминами, требовательная к влаге. Высаживается с площадью пита-
ния 10x10 см2. Убирают капусту, когда она достигает высоты не ме-
»нее 10-12 см, но допустимо проводить уборку растений и при высоте
30-35 см, когда они еще не теряют своих основных товарных и диети-
ческих качеств. Урожай с 1 м2 составляет 4-6 кг. Оптимальная темпе-
ратура выращивания 18-22 °C, pH питательного раствора 6-7. Длина
дня 16-18 часов, облученность 60-70 Вт/м2 ФАР.
Листовая горчица - скороспелая пряноовощная культура, богата
-аскорбиновой кислотой и другими витаминами, кальцием, железом,
фосфором. В пищу используются листья до начала выбрасывания
цветоносного стебля. К уборке урожая приступают через 18—20 суток.
Превышение длины дня свыше 16 часов, повышенные температуры
ускоряют стеблевание растений, ухудшают их товарные качества. Оп-
тимальная температура выращивания 18-20 °C, pH питательного рас-
твора 5,5-6,5. Площадь питания 5x5 см2.
Укроп. При выращивании на зелень укроп убирают, когда закла-
дывается соцветие, а у единичных растений наступает фаза бутониза-
ции, то есть в пазухе листа появляется соцветие. Растение в этот пе-
риод представляет собой розетку высотой 20-35 см, со стеблем дли-
ною 10-20 см. Температура воздуха 18-20 °C способствует активному
росту вегетативной биомассы. Укроп - растение длинного дня, поэто-
му сокращение длины дня до 8-10 часов замедляет развитие растений,
способствует образованию зелени. При низкой облученности 30-
40 Вт/м2 ФАР укроп практически не набирает биомассу, сильно
т/м’ ФАР укроп практически не набирает биомассу, сильно вытягива-
ется Для всходов благоприятная температура прорастания 18-20 °C.
появляются всходы через 18-25 дней, поэтому необходимо проводить
предпосевную обработку семян. Семена замачивают в горячей воде
(50 -60 °C), сливая отстоявшийся раствор 2-5 раз в сутки. Через 3-5
дней обработанные семена прорастают. Наиболее скороспелые сорта
Грабовский, Каспеленский готовы к уборке на 18-22-й день после
всходов, позднеспелые сорта Армянский 269, Узбекский 243 - на 38-40
сутки. Норма посева на 1 м2 1-2 г семян. Оптимальная температура на
уровне 20 °C. Длина дня 18-24 часа, облученность - 60-70 Вт/м2 ФАР.
Сельдерей. Это двулетнее растение. В первый год жизни образует
корни (у корнеплодных - корнеплод) и розетки листьев, во второй год
— стебли, листья, семена. Это высоковитаминная пряно-овощная куль-
тура. В пищу у растения используют листья и корни. Листовые формы
при редком стоянии образуют розетку листьев до 100 и более штук с
тонкими полыми черешками. Корневые формы образуют корнеплод и
розетку из 15-25 листьев. В условиях гидропоники с искусственным
освещением наиболее распространенный способ выращивания - вы-
гонка зелени из корнеплодов, выращенных в открытом грунте по спе-
циальной технологии на участках подготовки посадочного материала.
Через 30-35 суток после отрастания листьев растения убирают с кор-
нями и реализуют. Вес листьев при этом составляет 30-35 %. Можно
получать продукцию сельдерея из рассады, выращиваемой из семян в
поле, которую пикируют в ящики по схеме 5x5 и выращивают на при-
тепличном участке. С наступлением холодов рассаду консервируют в
подвале при низкой положительной температуре и используют для
высадки по мере потребности.
Листовые сорта сельдерея обязательно нужно выращивать через
рассаду. При посадке растений на доращивание на 1 м2 высаживают
35-50 растений, площадь питания 15x15 см2, при этом нужно следить
чтобы верхушечная почка не была погружена в субстрат, чтобы не
вызвать загнивания корневой шейки. Во время выгонки растений тем-
пературу поддерживать на уровне 18-22 °C, освещение - непрерыв-
ное, облученность - 60-70 Вт/м2.
Необходимо помнить, что усиленный рост листьев у сельдерея на-
блюдается в первые 25—35 суток, а в дальнейшем он замедляется, на-
чинается отмирание нижних листьев. Задержка с уборкой снижает
урожай. Так, промедление с уборкой на 10-15 суток приводит к поте-
рям урожая на 20-25 %. В конце выгонки резко изменяется химиче-
ский состав листьев и ухудшается их питательная ценность.
Петрушка. Растение относится к двулетним пряно-овошным куль-
турам с высоким содержанием витаминов. В первый год жизни обра-
156
гйует корни (у корневых сортов - корнеплоды) и розетки листьев, во
^второй — стебли, соцветия и семена. Петрушка - светолюбивое расте-
ние, оптимальная облученность 60-70 Вт/м2 ФАР, длина дня 18-24
Lpaca. При загущении рост растений резко замедляется. У корневых
^рортов розетки состоят из 11-40 листьев. У листовых сортов корне-
^.цлоды не образуются, корни их сильно разветвлены. Имеются обык-
новенные листовые и листовые кудрявые сорта, у которых края ли-
стьев гофрированы. Листовая обыкновенная петрушка образует до 50
(Листьев, листовая кудрявая - 15-30 штук. Листовая кудрявая петруш-
ка в срезанном виде долго не увядает, широко используется для
^оформления различных блюд. Петрушку выращиваю! посевом семян,
'^густота посадки 5x5 см'. Агротехника возделывания петрушки, ис-
пользуемой в качестве посадочного материала, аналогична сельдерею.
jj Щавель. Для выгонки зелени используют двух-трех летние корне-
вища растений, заготовленные с осени в полевых условиях. Перед
посадкой проводится тщательная сортировка. Высаживают корневища
рядами вплотную с междурядьями 10-12 см. На 1 м2 требуется 6-8 кг
.посадочного материала. После посадки поддерживают температуру 8—
10 °C, а с появлением настоящих листьев - 18-20 °C. Поливают ща-
вель обильно. Первую срезку проводят через 25—40 дней, последую-
щие - через 10-12 дней. Срезают щавель многократно при длине ли-
стьев не менее 10-12 см. Длина дня — от 14 до 24 часов, облученность
- от 30 -40 до 60—70 Вт/м2 ФАР.
Лук. Среди выгоночных культур преобладает выращивание лука
на перо. При искусственном освещении лук в качестве самостоятель-
ной культуры обычно не выращивают. Его используют как уплот-
няющую культуру на свободных пространствах в теплицах. Для вы-
гонки лучше использовать многозачатковые сорта лука-шалота с ко-
ротким периодом покоя , дающие большую массу зеленого пера. Для
выгонки лука на перо используют небольшие луковицы диаметром 3—
4 см. Перед посадкой у луковицы обрезают шейку и около суток вы-
держивают в теплой воде с температурой 30-35 °C, что стимулирует
начало роста. Обрезка ускоряет доступ кислорода внутрь луковицы,
ускоряет завершение покоя и начало роста листьев. Для лучшего про-
растания и обеззараживания от грибковых заболеваний перед посад-
кой луковицы намачивают в 2-3 % растворе марганцовокислого ка-
лия. В зависимости от размера луковиц на 1 м2 требуется 10-15 кг
посадочного материала. Посадку ведут вплотную - луковица к луко-
вице. После посадки обильно поливают теплой водой с температурой
25-30 °C. При температуре воздуха 22-25 °C, субстрата - на 2-3 °C
ниже лук будет готов к уборке через 20-25 дней. Выгонка лука на пе-
ро вначале ведется без включения света. Освещение растений необхо-
157
димо перед уборкой урожая за 3—4 дня, чтобы обеспечить синтез зе-
леных пигментов, витаминов и других полезных веществ. Облучен-
ность 7-10 Вт/м2 ФАР, длина дня 24 часа.
Для получения зеленого лука используют биологическую способ-
ность луковиц прерывать период покоя и трогаться в рост при благо-
приятных условиях температуры и влажности. При этом у луковиц
репчатого лука период покоя, в зависимости от сорта, может быть
коротким (сорта Каратальский, Мариманский южного происхожде-
ния) и более продолжительным - 3—4 месяца (многозачатковые сорта
Арзамасский, Бессоновский, Погарский, Ростовский, Уфимский). При
высадке луковиц, не прошедших периода покоя, они отрастают очень
медленно, недружно, а большинство луковиц вообще не отрастает,
что резко снижает урожай, поэтому сорта лука с продолжительным
периодом покоя до января месяца на выгонку зелени использовать не
рекомендуется.
Можно зеленый лук получать дешевле и быстрее при выгонке лу-
ка-батуна. Посадочный материал лука-батуна заготавливается осенью
с 2-3-летних плантаций. Перед выгонкой листья срезают. При уборке
батун подрезают скобами и выкапывают. Хранить материал можно в
необогреваемых помещениях. Период покоя у лука-батуна непродол-
жительный, всего 50-60 суток, поэтому можно высаживать заготов-
ленный с осени посадочный материал уже в ноябре-декабре. Перед
высадкой корни у луковиц не обрезают для лучшего и быстрого от-
растания пера. По истечении 25-30 дней после посадки начинается
уборка зеленого пера лука, урожай которого составляет 10-12 кг/м2.
Существует ряд общих положений по подготовке и выращиванию
рассмотренных выше зеленных культур. Отметим наиболее общие
моменты.
Такие зеленные и пряные культуры, как салат, шпинат, пекинская
капуста, листовая горчица, укроп, сельдерей, петрушка могут выра-
щиваться при использовании искусственного освещения высевом се-
менами на постоянном месте.
Необходимо сразу высевать семена на предварительно промарки-
рованную поверхность с заданной густотой стояния. В условиях све-
токультуры с гидропонным питанием важным является не площадь
питания корневой системы, а световое питание, чтобы растения не
затеняли друг друга.
Семена высевают в мелкий керамзит размером 3—5 мм на глубину
0,5—1 см в предварительно подготовленные бороздки и присыпают
мелким керамзитом. До появления всходов поливают водой сверху
через распылитель, при этом нужно следить, чтобы семена не вымы-
вались в более глубокие слои. С началом появления всходов образо-
вавшиеся корешки препятствуют проваливанию семян в глубину, и
158
ижно переходить на полив всходов питательным раствором, исполь-
насос. Начиная с появления всходов необходимо включать искус-
Квенный свет и в темное время суток снижать температуру до 15-
6 °C. Задержка включения света может привести к сильному
Ьитягиванию всходов, которые впоследствии приведут к полеганию и
Кезкому снижению урожая.
При выгонке зеленных культур нужно обращать внимание на ряд
Следующих профилактических мероприятий. Болезни и вредители с
fc, ком питательного раствора могут очень быстро распространяться по
Кеей площади посева растений. Одним из источников их появления
иогут быть: заготовленный материал для выгонки, непростерилизован-
Бг 1й субстрат, на котором раньше выращивали растения. После химиче-
ской стерилизации субстрат необходимо промывать водой 5-6 раз.
г После высадки сельдерея, петрушки, щавеля необходимо в первый
Едерпод, до образования корней и первых листьев, в течение 7-8 дней
Ьержать температуру воздуха и субстрата 5-7 °C, субстрат периодиче-
ски увлажнять питательным раствором. Повышение температуры в
ртот период приводит к большим выпадам из-за загнивания корневой
[системы. По мере роста растений температуру следует повысить до
□0-22 °C, а частоту полива - до трех-четырех раз в период освещения
^растений. При выгоночном выращивании из корнеплодов проводится
11-2 срезки, а затем - уборка корнеплодов и закладка новых. Увеличе-
ние числа срезок в этом случае дает продукцию с низкими биохими-
ческими показателями.
На зеленных культурах, листья которых используют в пищу в све-
дем виде, применение химических препаратов в борьбе с вредителя-
ми и болезнями запрещено. Основным средством борьбы является
соблюдение профилактических мероприятий.
8.3. Выращивание цветов
Разнообразие видов и сортов у декоративных растений выше, чем
у овощных. Неиссякаемая потребность людей в цветах в зимний пе-
риод обеспечивает устойчивый спрос и достаточно высокие цены на
эту продукцию, что позволяет рассматривать интенсивную светокуль-
туру в цветоводстве как одну из заслуживающих внимание областей
прикладной светокультуры растений.
Попытки выращивания различных цветов в зимние месяцы с ис-
пользованием искусственной досветки начались ещё в прошлом веке.
Долгое время основное внимание обращалось на выяснение возмож-
ности ускорить или затормозить к нужному сроку зацветание расте-
ний благодаря их фотопериодической реакции на регулирование дли-
ны дня с помощью искусственного освещения.. К середине двадцатого
века А. Ф. Клешнин (1954) систематизировал данные по использова-
159
нию искусственного освещения при выращивании самых различных
растений, в том числе более 120 видов цветочных растений. Однако
это были главным образом отрывочные сведения о возможностях ис-
пользования основных в первой половине XX в. источников света -
ламп накаливания для зимней досветки растений, выращиваемых в
теплицах с целью ускорения сроков их зацветания или для раннего
получения их рассады.
Начиная с 50-х годов XX в. широко стали испытываться, а затем и
использоваться в практике цветоводства более эффективные лампы -
люминесцентные и дуговые ртутно-люминесцентные. Исследования-
ми зарубежных и отечественных авторов (Кэнхем, 1967; Леман и др.,
1971) было показано, что под этими источниками света в принципе
можно получить цветущие растения различных видов в разное время
года. Но сроки и качество цветения, эффективность использования
электроэнергии и посевных площадей в сильной степени зависят от
биологических особенностей выращиваемых видов и сортов растений,
от особенностей источников света и выбранных режимов выращива-
ния, то есть от всего того, что является предметом частной светокуль-
туры растений.
Наиболее экономически эффективной является выгонка растений,
то есть использование выращенных на естественном освещении в
летне-осенний период рассады, луковиц, клубней, корневищ для по-
лучения цветов в период с глубокой осени до начала лета, когда за
счёт теплиц с естественным светом этого достичь не удаётся. Так,
В. М. Леманом (1971) показано, что возможна успешная выгонка зим-
него левкоя, выращенного с апреля до поздней осени в открытом
грунте. Подопытные растения были в конце ноября поставлены в теп-
лицу и в период с 27 ноября по 29 декабря получали дополнительное
освещение от люминесцентных ламп дневного света , ламп накалива-
ния, неоновых и ртутных с установленной электрической мощностью
250-300 Вт/м2 и облучением 20-22 Вт/м2 ФАР. Световой период со-
ставлял 16 часов в сутки. За время эксперимента контрольные растения,
получавшие только естественное освещение, и растения под ртутными
лампами не зацвели, тогда как остальные зацвели (табл. 8.4).
Аналогичный эксперимент (Леман, 1971), проведённый в тех же ус-
ловиях с гортензией с более длительным сроком выгонки (декабрь -
январь), показал, что, получая только естественное освещение, растения
образовали небольшие, диаметром 5,9 см соцветия, на которых цветки
ещё не начали раскрываться, тогда как все растения, получавшие дос-
ветку, зацвели. Особенно эффективной оказалась досветка люминес-
центными лампами, при которой раньше (19 января) наступило цвете-
ние и образовались самые большие, диаметром 17,9 см, соцветия со 145
раскрывшимися цветками при компактной форме растения (рис. 8.2).
160
Таблица 8.4
Влияние дополнительного освещения с 27/XI по 29/XII
ня размеры и цветение левкоя
Условия освещения Высота стебля, см Начало цветения Число бетонов Число цветков
Естественное 24,5 — 4 —
Люминесцентные лампы 29,8 25/XII 41 14,2
Лампы накаливания 46,0 22/XII 34 14,0
Неоновые лампы 36.0 23/XII 23 6,0
Ртутные лампы 28,0 - 12 -
Богатый экспериментальный материал по выгонке гладиолусов на-
коплен в главном ботаническом саду РАН (Быков, Райков и др., 1976).
„Эти растения с высокими декоративными качествами, с длительным
цветением срезанных соцветий обычно цветут в средних широтах в
'августе-сентябре. Используя досветку в теплицах, удаётся получать
из подготовленных, прошедших период покоя, клубнелуковиц цвету-
Тдие растения через 70-85 дней от посадки. Однако эффективность
‘досветки в значительной степени зависит от её продолжительности и
типа выбранных источников света. При использовании люминесцент-
ных ламп белого и тепло-белого света, ламп типа ДРЛ, зеркальных
ламп накаливания и ламп накаливания с йодным циклом типа КИ-
1000 лучший результат дали лампы КИ-1000. Но качество цветов,
.^процент зацветающих растений были ниже, чем в открытом грунте, а
продолжительность вегетации - больше. Значительное улучшение
Рис. 8.2. Гортензия Голиаф, выращенная в теплице в декабре-январе
при естественном освещении (1), под люминесцентными лампами (2),
под лампами накаливания (3), неоновыми (4) и ртутными (5).
161
этих показателей было получено при использовании мощных ксено-
новых ламп ДКсТВ-6000 и ДКсТЛ-10000.
Хотя при одинаковой удельной установленной мощности лампы
ДКсТВ-6000 обеспечивали лучшее освещение растений, авторы оста-
новили свой выбор на лампах ДКсТЛ-10000, которые, в отличие от
ДКсТВ-6000, не требуют трудно осуществимого в условиях промыш-
ленной эксплуатации охлаждения протоком дистиллированной воды
При высадке прошедших период покоя клубнелуковиц, например, в
конце ноября удавалось обеспечить массовое цветение гладиолусов к
8 марта, а при посадке в конце февраля - к 1 мая, и т. д. Искусствен-
ное освещение не менее 5 6 клк включали с 16 часов дня на 7-8 ча-
сов, чтобы общий световой день вместе с естественным освещением
составлял не менее 15-16 часов в сутки. Посадка клубнелуковиц с
площадью питания 20-25x5-8 см2 (60-100 шт./м2) позволяет получить
до 60-90 соцветий/м2 в один цикл, а при круглогодичном использова-
нии теплиц возможно осуществить до четырех-пяти циклов. Таким
образом, использование светокультуры позволяет иметь цветущие
гладиолусы в любое время года.
По сравнению с выгонкой из луковиц, клубней (тюльпаны, гладио-
лусы и др.), из заготовленных с лета вегетирующих растений (левкои,
хризантемы, розы) выращивание растений из семян (львиный зев, бар-
хатцы, астры и др.) требует более интенсивных световых режимов, так
как у семян очень малы запасы питательных веществ. Формирование
вегетативных и генеративных органов растений идёт за счёт фотосинте-
за, обеспечиваемого в зимний период, в основном, искусственным ос-
вещением. Реальные возможности выращивания из семян цветов одно-
летних растений при искусственном освещении можно показать (табл.
8.5) на примере астр (эксперименты Института биофизики СО РАН).
Астры ценятся за обильное цветение, богатство окрасок и форм
соцветий, за длительную сохраняемость в срезанном виде (до 2-3 не-
дель). Обычно астры цветут в августе-сентябре. В опытах астры вы-
ращивали на полностью искусственном освещении лампами ДКсТВ-
6000 (в установках УВР на керамзите) с интенсивностью непрерывно-
го облучения 60-80 Вт/м2 ФАР. Рассаду астр получали при высеве
1000-1200 семян на 1 м2. В возрасте 25-30 дней её пересаживали на
постоянное место с площадью питания растений 1 Ох 15 см (65 шт./м2)-
При различных сроках посева (с сентября по февраль) без доступа
естественного света удавалось получать обильно цветущие растения
разных сортов с периодом от посева семян до окончания срезки со-
цветий 105-125 дней и выходом соцветий 300-680 шт/м2 (табл. 8.5)
Затраты электроэнергии составляли для разных сортов от 8,8 до
19,7 кВт ч на соцветие.
162
Таблица 8 5
Результат опенки роста разных сортов аезр
в условиях интенсивной светокультуры
Основные показатели Воронежская розовая Пионовидная белая Американ- ская кустовая белая Антарктида белая Исполинская розовая
Дней от посева до полной срезки 78 78 85 85 85
Дней от посева до последней срезки 105 125 105 105 105
Число соцветий на одном растении 5,9 5,0 4,9 п,о 5,1
Средний диаметр соцветий, см 7,0 8,5 8,2 6,8 7,3
Длина цветоносов, см 30 50 50 45 55
Срезано соцветий, с 1 мг 369 311 307 684 320
Расход электроэнергии, кВт.ч на соцветие 16,4 19,4 19,7 8,8 18,9
Рис. 8.3. Астры, выращенные при полностью искусственном
круглосуточном освещении под лампами ДКсТВ-6000 и ДМ-3-3000.
163
Попытка выращивать эти же сорта астр на 18-часовом дне не при-
вели к экономии электроэнергии. Напротив, при одинаковой с непре-
рывным освещением длине вегетации, на 18-часовом дне уменьши-
лось на 38 % число соцветий на растении и, соответственно, число
срезанных соцветий на I м2. В результате затраты электроэнергии в
расчёте на одно срезанное соцветие на 18-часовом дне не уменьши
лись, а даже увеличились на 22 % (с 14,8 до 18,0 кВт.ч).
Использование для выращивания астр «сухих» ламп ДМ-3-3000.
ДРИ 2000-6 успеха не принесло. Астры зацветали под этими лампами
быстрее, чем под охлаждаемыми водой лампами ДКсТВ-6000, но цве-
тоносные побеги были резко укороченными, окраска и форма соцве-
тий ухудшились, в результате резко снижались товарные качества
цветов (рис. 8.3). Аналогичная картина наблюдалась и при зимней
выгонке роз. Это не означает, что «сухие» лампы не пригодны для
выращивания цветов вообще. Гладиолусы, бархатцы, львиный зев и
другие виды цветов нормально цвели и росли под лампами с воздуш-
ным охлаждением.
Таким образом, с учётом частных особенностей (фотопериодиче-
ская реакция, источники света и др.) можно в условиях интенсивной
светокультуры в любое время года получать практически любые цве-
ты, если экономические факторы этому не препятствуют.
8.4. Селекция полевых культур
При выведении новых сортов даже однолетних полевых культур
селекционеру в полевых условиях требуется 10-15 лет, а у двулетних
(сахарная свёкла, кормовые корнеплоды) и многолетних (кормовые
травы) и того больше. Поэтому во всём мире усиливается тенденция
максимально интенсифицировать селекционный процесс, сократить
время выведения новых сортов полевых культур до 5-7 лет и меньше.
Всё шире используются методы генной инженерии, экспресс-методы
полевой оценки селекционного материала по ведущим признакам. Но
особое значение придаётся практике получения нескольких поколе-
ний растений в год, благодаря чему достигается быстрое размножение
и доведение до константного состояния гибридного материала и ото-
бранных селекционных линий, ранняя их оценка. В некоторых стра-
нах северного полушария делаются попытки использовать для этих
целей размножение селекционного материала в тропических странах
или в южном полушарии. Однако сложности экологического, каран-
тинного и другого несоответствия природно-климатических условий
не позволяют так эффективно ускорять селекционный процесс, как
это может обеспечить управляемая интенсивная светокультура.
В различных селекционных центрах нашей страны в 70-80 гг. ши-
рокое распространение получило использование светокультуры для
164
вырашнвания в осенне-зимний период (с сентября-октября по март-
апрель) двух-трех поколений гибридного материала, а также начально-
го размножения отдельных отобранных семей таких культур, как яро-
вые и озимые зерновые, бобовые, масличные, некоторые кормовые
Разнообразие биологических требований столь различных культур по
отношению к радиационному режиму, к температурным условиям
культивирования, к водному режиму и т. д. уже предполагает неодно-
значность приёмов выращивания этих растений в светокультуре, то
есть предполагает наличие знаний по частной светокультуре растений.
Кроме того, к области частной светокультуры следует отнести и разра-
ботку режимов выращивания, учитывающих не только видовую специ-
фику выращивания растений, но и специфику селекционных задач, тех-
нических, экономических и других условий этого выращивания.
Например, если селекционера интересует увеличение коэффициен-
та размножения семян пшеницы или ячменя, имеющихся у него в ог-
раниченном количестве, то для этого необходимо соответственно за-
даче изменить режимы выращивания растений таким образом, чтобы
обеспечить их интенсивное кущение и получить от каждого растения
большее число колосьев, а следовательно, и зёрен. Этого можно до-
биться, изменив «индивидуальный» режим освещения каждого расте-
ния путём уменьшения густоты посева растений с обычных 500-
800 шт./м2 до 50-100 шт./м2 (рис. 8.4). При этом увеличивается продук-
тивная кустистость и другие элементы структуры урожая, а главное -
коэффициент размножения семян возрастает в 7-10 раз, правда, ценой
снижения общего урожая зерна с 1 м2 в 1,5-2,5 раза (табл. 8.6).
Возможен и другой подход к решению задачи повышения коэффи-
циента размножения семян - замедление темпов роста и развития рас-
тений путём понижения температуры воздуха, что также приводит к
интенсивному кущению и обычно к увеличению числа зёрен на одном
растении (то есть, к увеличению коэффициента размножения семян).
tB опытах с пшеницей (Мошков, Хованская, 1980), выращенной при
малой густоте посева, удалось поднять коэффициент размножения
семян до 937-1121, но ценой удлинения вегетации с 57-61 до 160-180
Дней (табл. 8.7), то есть за счёт получения при пониженных темпера-
турах в осенне-зимний период одного поколения вместо двух—трёх.
Следует попутно отметить, что уменьшение густоты стояния рас-
чтений в светокультуре сопровождается не только биологическими
|эффектами, но и должно быть серьёзно взвешено с экономической
[точки зрения, так как связано с использованием дополнительной до-
[рогостояшей площади светоустановок и с возможными масштабами
"селекционной проработки материала.
165
Рис. 8.4. Растения яровой пшеницы Омская-9, сформировавшиеся при разной густоте
посева: слева - под лампами ДКсТВ-6000, справа - под лампами ДМЗ-ЗООО.
Густота посева (от краев рисунка к центру):
800, 200 и 50 растений на I м2 через 40 дней после всходов
Таблица 8.6
Влияние густоты посева пшеницы сортов Скала и Омская 9 из урожай
и коэффициент размножения при непрерывном облучении лампами ДКсТВ-6000
(облучённость - 80 Вт/м2 ФАР)
Показатель При густоте посева, шт./м2
Сорт Скала Сорт Омская 9
800 200 50 800 200 50
Период всходы - восковая спелость, суг. 51 53 53 60 64 64
Продуктивная кустистость 1,1 2.9 5,7 1,0 2,6 7,0
Масса 1000 зерен, г 34,4 32,4 29,2 40,4 39,8 39,2
Урожай зерна, г/м2 476 357 185 510 450 333
Число зерен, тыс. шт/м2 13,7 11,0 6,3 12,6 11,3 8,5
Коэффициент размножения 17 55 126 16 57 170
166
Таблица 8 7
Влияние температурных условий выращивания на вегетационный период
и индивидуальную продуктивность яровой пшеницы (Мошков, Хованская, 1980).
Показатели 30 °C - вся вегетация Первые 30 дней 12 °C, затем 30 °C Вся вегетация 12DC
Сорт Снеге Церрос
Период всходы - восковая спелость, дн. 61 68 160
Продуктивных стеблей, ил ./растение 9 13 31
Масса зерна с растения, г 10,1 11,4 70,9
Число зерен с растения, шт. (коэффициент размножения) 310 340 1121
Сорт Кальян Сона
Период всходы - восковая спелость, дн. 57 72 180
Продуктивных стеблей, шт/растение 9 10 39
Масса зерна с растения, г 5,0 9,4 48,5
Число зерен с растения, шт. (коэффициент размножения) 136 225 937
Выращиваемые в светокультуре одни и те же растения могут фе-
нотипически сильно отличаться друг от друга, в зависимости от вы-
бранного варианта искусственного режима выращивания (рис. 8.4) а
также от выращенных в поле (по продолжительности вегетации, вы-
соте, кустистости, массе 1000 семян и т. д.). Но многочисленные ис-
следования, проведённые физиологами растений и селекционерами,
показали, что генетическая структура гибридных популяций обычно
сохраняется практически неизменной. Поэтому можно утверждать,
что выращивание одного или нескольких поколений гибридного ма-
териала или отселектированных линий размножаемых семенами рас-
тений в правильно подобранных условиях не оказывает влияния на их
наследственные свойства, проявляемые при последующем выращива-
нии в полевых условиях.
Вместе с тем размножать растения в крайне неблагоприятных или
экстремальных условиях светокультуры крайне рискованно. Это мо-
жет приводить к так называемому селективному эффекту на уровне
популяций, особенно в гибридных потомствах. Неодинаковая реакция
различных генотипов неоднородной популяции на отклонение усло-
вий выращивания от нормы может дифференцировать относительный
репродуктивный вклад каждой особи в потомство. Следствием этого
будет значительное увеличение в потомстве одних генотипов и
уменьшение (вплоть до полной утраты) других. Например, при раз-
167
множении гибридов яровых пшенин с озимыми приходится учиты-
вать особенности происхождения материала и направление селекци-
онной работы. Первое поколение таких гибридов развивается по яро-
вому типу. Второе, расщепляясь, даёт часть озимых форм, которые
выколашиваются очень поздно по сравнению с яровыми «выщепен-
цами» или не выколашиваются совсем. При создании яровых пшениц
такое расщепление в светокультуре даёт возможность выбраковки
озимых форм. При селекции на озимость тот же самый гибридный
материал потребует предварительной яровизации, иначе озимые фор-
мы будут утрачены.
Сходная ситуация может возникнуть при размножении гибридов
от скрещивания высокорослых пшениц с карликовыми. Расщепляю-
щаяся со второго поколения гибридная популяция может выращи-
ваться при большой густоте стояния растений (500-700 шт/м2), если
селекционера интересуют только высокорослые потомки. Если же
планируется отбор карликовых форм, то гибриды второго и после-
дующих поколений необходимо выращивать в разреженном посеве
(не более 200-300 шт./м2), иначе карлики будут угнетены или совсем
погибнут под плотным пологом высокорослой части популяции.
Важно понимать, что в большинстве случаев селекционер, исполь-
зуя селекционные теплицы, камеры, фитотроны, решает задачу созда-
ния сортов, приспособленных к тем или иным полевым условиям,
которые по многим параметрам и их сочетаниям существенно отли-
чаются от условий искусственного климата. Поэтому перед селекцио-
нером очень остро встаёт вопрос о возможности оценок селекционно-
го материала по различным признакам в искусственной среде и об их
адекватности оценкам, которые будут получены по этим же призна-
кам в той или иной полевой обстановке. Многочисленные исследова-
ния физиологов и селекционеров показали, что на этот вопрос нет
однозначного ответа.
В зависимости от условий выращивания растений, например от
интенсивности облучения, продолжительности светового дня, изме-
няются как сами признаки растений, так и дисперсия признаков, при-
чём изменения разных признаков под влиянием одного и того же фак-
тора могут быть неодинаковыми или даже разнонаправленными. Уже
по этой причине становится ясным, что далеко не всякие условия вы-
ращивания растений в искусственном климате пригодны для получе-
ния адекватных полевых оценок.
Немалое значение имеет характер самих оцениваемых признаков
(качественные или количественные, олиго- или полигонные). Так, вы-
явление гибридных и негибридных растений сои по проявлению ан-
тоциановой метки гипокотиля на 4-5 день после всходов давало оди-
наковый результат и в теплице, и в поле (Лыгина, Мякушко, 1976). В
168
этом случае за зимний период в условиях светокультуры удаётся оце-
нить несколько десятков тысяч растений от различных вариантов
опыления. В то же время другая генетическая метка - окраска опуше-
ния - в теплице проявлялась только после образования первого боба,
тогда как в поле при образовании 5-8 листьев.
Н. А. Кузьмин и А. Ф. Шумейко (1980) показали возможность про-
водить отбор яровой пшеницы в установке УВР по такому признаку,
как многокорешковость. В селекции кукурузы Спенсером и Геверсом
(1979) рекомендуется использовать искусственное освещение для
оценки и отбора материала на устранение фотопериодической реак-
ции даже на юге Африки.
В. Н. Мусич и А. К. Ляшок (1982), обобщив данные Института ис-
следования зерновых культур (ГДР) и Всесоюзного селекционно-
генетического института, пришли к выводу, что оценка и отбор расте-
ний пшеницы в фитотронах могут быть результативными по таким
признакам, как скороспелость, морозоустойчивость, масса 1000 зёрен
и некоторым другим. Отбор же и оценка по продуктивной кустисто-
сти, количеству зёрен в колосе, содержанию белка практически не-
возможны. Отсюда вытекает и невозможность адекватных полевым
опенок селекционного материала по урожайности или потенциальной
продуктивности.
Таким образом, использование светокультуры в селекции растений
открывает перед селекционерами широкие возможности по ускоре-
нию селекционного процесса путём получения в год нескольких по-
колений растений вместо одного в поле, путём оценки и отбора се-
лекционного материала по ряду признаков на специально создавае-
мых фонах независимо от сезона и погоды в полевых условиях. Вме-
сте с тем ясно, что эффективность применения светокультуры для
ускорения селекции в значительной мере будет зависеть от понимания
специалистом по светокультуре и селекционером далеко не простых
зависимостей между создаваемыми в светокультуре условиями роста
и развития растений, с одной стороны, с другой - репродуктивным
вкладом различных генотипов в потомство, фенотипическим проявле-
нием тех или иных признаков и, наконец, соответствием или несоот-
ветствием оценок в искусственных условиях оценкам того же мате-
риала в условиях поля.
8.5. Лекарственные растения
Целесообразность выращивания лекарственных растений в усло-
виях светокультуры обусловливают следующие факторы:
— создание семенного фонда ценных лекарственных растений;
— ускоренное получение лекарственного сырья ценных лекарст-
венных растений, медленно растущих в естественных условиях;
169
— ускоренная выгонка рассады ценных лекарственных растений
для последующего доращивания в культурных посадках;
— выращивание «от семени до семени» особо ценных лекарствен-
ных растений тропического происхождения, не способных к
многолетнему произрастанию в средних широтах России.
Таким образом, при выращивании лекарственных растений в усло-
виях светокультуры необходимо выбирать те виды, которые либо яв-
ляются редкими или исчезающими, либо относятся к субтропическим
или тропическим и представляют большую ценность как лекарствен-
ное сырьё. В этой связи рассмотрим возможности выращивания неко-
торых лекарственных растений в условиях светокультуры.
Родиола розовая (золотой корень) Rodiola rosea L. Родиола розо-
вая - многолетнее травянистое растение до 50 см высотой с мощным
клубневидным корневищем. Ареал обитания родиолы розовой не
представляет единого целого, так как занимает локальные арктиче-
ские и горные области в ряде районов Европы и Азии. В России прак-
тически нигде, кроме гор Алтая и отчасти Саян, не встречается в ко-
личествах, пригодных для промышленного сбора однако и здесь хищ-
нически истребляется. В 1975 г. родиола розовая занесена в Красную
книгу как исчезающее ценное растение.
Подземные органы родиолы розовой содержат главным образом
фенольные соединения: фенолспирты и их гликозиды (салицрозид);
флавоноиды (кверцитин, гиперозид, кемпферол, изокверцитин); ду-
бильные вещества пирогалловой группы (до 20 %); органические ки-
слоты, сахара, эфирное масло (до 1 %), липиды.
Родиола розовая, как ценнейшее и перспективное лекарственное
растение, к применению в медицинской практике официально разре-
шена с мая 1966 г. в виде жидкого экстракта на 40 %-ном спирте. Этот
препарат, а также препарат родозин применяют при нервных рас-
стройствах, физической и умственной работе, гипотонии, вегетатив-
но-сосудистой дистрофии, при импотенции, как стимулятор кроветво-
рения. Золотой корень способствует повышению защитных систем
организма, усиливает его сопротивление к неблагоприятным факто-
рам среды. В этом отношении он намного эффективнее, чем такие
известные адаптогены, как элеутерококк, женьшень, китайский ли-
монник, аралия маньчжурская, левзея.
Лечебные свойства препаратов из родиолы розовой показали их
исключительно важное адаптогенное действие в условиях экстре-
мальных климатических воздействий, что особенно характерно для
районов Сибири, Крайнего Севера, Дальнего Востока.
Для ускорения ростовых процессов при культивировании родиолы
розовой в теплицах в ряде случаев использовались источники допол-
нительного облучения. В таких экспериментах уровни облучённости
170
были невысоки и составляли от 15 до 30 Вт/м2. Для получения корне-
вища диаметром 1,5—2,2 см. массой 1,2-1.9 г период выращивания
растений составлял девять месяцев. Период выращивания сеянцев в
таких условиях составлял шесть месяцев.
В Институте биофизики СО РАН выращивание родиолы розовой из
семян проводили под лампами ДРИ 2000-6 и ДКсТВ-6000 и облучённо-
стях 70 и 100 Вт/м2 ФАР, что соотносится с диапазонами колебаний
средних суточных значений облучённости в местах её естественного
произрастания Фотопериод во всех вариантах был равен 16 часам,
дневная температура составляла 24±1 °C, ночная температура 14+1 °C.
Растения выращивали методом гидропоники. Наименьший период ак-
тивного роста побегов отмечен под лампой ДРИ 2000-6, при облучён-
ности 70 Вт/м2, продолжительность роста побегов в этом световом ва-
рианте составляет 42±7 суток. При облучённостях 100 Вт/м2 (лампа
ДРИ 2000-6) и 70 Вт/м2 (лампа ДКсТВ-6000) рост побегов продолжает-
ся ещё в течение 14-21 суток.
Наибольший период роста побегов, 70±7 суток, наблюдался под
лампой ДКсТВ-6000 при облучённости 100 Вт/м2. Время появления
ассимиляционных побегов II генерации было различным в зависимо-
сти от уровня облучённости, используемого в эксперименте. Так, при
облучённости 100 Вт/м2 ФАР начало появления побегов II генерации
фиксировали на 21 сутки, при облучённости 70 Вт/м2 - на 28 сутки.
Количество побегов II генерации увеличивается с увеличением об-
лучённости. Высота побегов (максимальное значение) колеблется в
диапазоне от 13 до 17,5 см. Период роста побегов II генерации был
более продолжителен, чем у побегов I генерации: на 7-14 суток при
облучённости 70 Вт/м2 и на 14-21 сутки при облучённости 100 Вт/м2.
Время появления III генерации ассимиляционных побегов и их ко-
личество значительно варьировало по световым вариантам. Здесь
можно выделить следующие закономерности: при облучённостях
70 Вт/м2 ФАР побеги III генерации появляются раньше, чем при облу-
чённости 100 Вт/м2. Под лампой ДКсТВ-6000 появление этих побегов
начинается параллельно с отмиранием побегов I генерации (облучён-
ность 70 Вт/м2). Под лампой ДРИ 2000-6 появление побегов III гене-
рации начинается на 28 сутки (70 Вт/м2) после начала отмирания по-
бегов I генерации. Можно предположить, что формирование III гене-
рации побегов под лампой ДКсТВ-6000 происходит значительно бы-
стрее, чем под лампой ДРИ 2000-6.
Усиление вегетативного роста родиолы розовой при использова-
нии лампы ДКсТВ-6000, по сравнению с лампой ДРИ 2000-6, которое
выразилось в увеличении побегов I и II генерации, более быстром по-
явлении III генерации побегов, мы связываем с.большей долей инфра-
171
красной радиации в излучении лампы ДКсТВ-6000, по сравнению с
лампой ДРИ 2000-6, а также с тем, что спектр излучения лампы ДКсТВ-
6000 более приближен к солнечному, чем у лампы ДРИ 2000-6.
Сравнение данных, полученных при облучённостях 70 и 100 Вт/м’
независимо от источника излучения, показывает, что «большее» коли-
чество ассимилятов, образующихся с увеличением облучённости, также
способствует усилению процессов вегетативного роста растений. Это
выражается в более раннем появлении побегов II генерации, увеличе-
нии их количества, высоты и продолжительности периода роста-
Появление первых ассимиляционных побегов (ювенильное возрас-
тное состояние) в условиях светокультуры наблюдается через 35-37
суток с момента прорастания семян, в полевых условиях через 40-57
суток, а в условиях высокогорья — на второй год вегетации. Появление
ассимиляционных побегов II и III генерации в условиях высокогорья
отмечается соответственно в третий и четвёртый вегетационные сезо-
ны, в условиях интродукции во второй вегетационный сезон (так как
возможны две генерации побегов), в условиях светокультуры отмеча-
ли появление побегов II генерации у 56-65-суточных растений и по-
явление побегов III генерации у 93-137-суточных растений. Установ-
лено также, что при использовании излучения ламп ДКсТВ-6000 и
ДРИ-2000-6 30-35 % растений родиолы розовой зацветают через 63-
77 суток после всходов. Излучение лампы ДРИ-2000-6 приводит к бо-
лее раннему зацветанию растений.
Таким образом, в условиях светокультуры время наступления ис-
следуемых возрастных состояний сдвигается на более ранние сроки
по сравнению с полевыми условиями и условиями высокогорья. В
числовом выражении ускорение в росте за период 135-137 суток в
условиях светокультуры составляет 3-4 вегетационных периода в
сравнении с условиями высокогорья и 1,5-2 периода в сравнении с
полевыми условиями.
Стевия («Медовая трава, Kao-Хе») Stevia reabudiana Berfoni. Сте-
вия - небольшое травянистое растение высотой около 80 см. Её ли-
стья очень сладкие на вкус. Родина стевии - Южная Америка. Заме-
чено, что листья стевии способны приостанавливать развитие грибко-
вых заболеваний. Водные экстракты листьев стевии, используемые
для подслащивания продуктов, оказывают положительное физиологи-
ческое и терапевтическое воздействие. Они обладают кардиотониче-
скими, контрацептивными и гипогликемическими свойствами. В кор-
невищах, стеблях и листьях содержатся гликозиды - стевиозид, ре-
баудиозиды Al, Bl, Cl, DI, Y; дулькозид А1, стевиолбиозид. Их со-
держание в листьях доходит до 6-6,5 % на сухое вещество, в стеблях
— до 0,3 %. Сладость стевиозида выше сладости сахарина, но в отли-
чие от последнего он совершенно не ядовит й любых дозах. Из всех
172
известных заменителей сахарозы стевиозид более всего близок к её
вкусу. По сладости стевиозид превосходит сахарозу в 250-300 раз и
не даёт побочных эффектов. Благодаря всем этим качествам стевиозид
является наиболее эффективным низкокалорийным заменителем са-
хара при сахарном диабете. Кроме того, за рубежом стевиозид ис-
пользуется для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, нарушения
обмена веществ, кариеса зубов и др. Доказана его эффективность для
вывода радионуклидов из организма.
В Японии, Корее, Китае, Индонезии, Таиланде, США, Парагвае
стевиозид используют как подсластитель пищи в виде сладкой обо-
лочки для кулинарных изделий, лекарственных пилюль, в напитках,
плодовоягодных консервах, а также в качестве добавки к другим про-
дуктам, предназначенным для больных сахарным диабетом. Так, в
Японии стевия используется как добавка в различных продуктах бо-
лее чем 60 наименований. Изготавливаются напитки, разнообразные
соки, соусы, приправы, различные сладкие продукты, пригодные для
больных сахарным диабетом. Маленький кусочек листа стевии добав-
ляют в пакетики с чаем, и он становится сладким и пригодным для
диабетиков.
Таким образом, стевия является лекарственным растением поли-
функционального действия, причём её использование во многих слу-
чаях не требует сложной биохимической или иной другой переработ-
ки, что резко облегчает её применение в разнообразных лечебных це-
лях. Последнее приобретает особую актуальность для отдалённых
регионов России (Сибирь, Крайний Север и др.), где из-за скудности
ассортимента свежей растительной продукции и ряда других специ-
фических условий использование препаратов из стевии может дать
большой лечебный и профилактический эффекты. В то же время ор-
ганизовать производство стевии в ограниченных масштабах на терри-
тории РФ и особенно Сибири можно лишь при использовании искус-
ственного освещения.
В различных НИИ России ведутся работы по выращиванию стевии
с использованием искусственного облучения (АФИ, Гипронисельп-
ром, ИБФ СО РАН и др.). Так, в Институте биофизики СО РАН рас-
тения выращивали на установках открытого типа под лампами ДРИ-
2000-6 и ДНаТ-400 при различных облучённостях ФАР. Субстратом
служил керамзит, метод выращивания - гидропонный.
Выращивание стевии начинали укоренением черенков в водной сре-
де с добавлением смеси Кнопа, разбавленной в четыре раза. Вегетаци-
онное размножение стевии очень эффективно. При окоренении черен-
ков наблюдалась 100 % приживаемость при переходе на керамзит.
Стевия является светолюбивым растением, и резко снижает про-
дуктивность при дефиците лучистой энергии. Так, при непрерывном
173
облучении 60-суточные посевы растений стевии, выращенные при
облучённостях 80, 60, 40 Вт/м2 ФАР, соответственно, давали урожай
зелёной массы 1628, 1272, и 681 г/м2.
С уменьшением уровня облучённости зависимость урожая стевии
от длины фотопериода сильно возрастает, а наиболее оптимальным
по длине является фотопериод 18 часов. По некоторым литератур,
ным данным величина оптимального фотопериода может составлять
16 часов.
Существенное значение в величине продуктивности имеет пра-
вильно выбранная густота посадки. По данным В. А. Долгушева, при
облучённости 60 Вт/м2 ФАР оптимальной является густота посадки
400 растений на квадратный метр.
Согласно данным работ, проведенных в Агрофизическом институ-
те РАСХН, благоприятное воздействие на растения стевии оказывает
спектральный состав ламп ДНаТ-400, причём световое насыщение по
продуктивности достигается при облучённости 100-120 Вт/м2 ФАР.
Катарантус розовый Cataranthus roseus. Содержит более 60 алка-
лоидов, относящихся к группе индольных алкалоидов (винбластин,
винкристин, лейрозин, лейрозидин, розидин, вирозин, перивин и др.).
По механизму биологического действия на клеточном уровне алка-
лоиды катарантуса розового (винбластин, винкристин, лейрозин и др.)
относятся к митозным ядам. Они останавливают размножение клеток,
воздействуя на структуру, обеспечивающую расхождение хромосом.
Поэтому препараты из катарантуса используют для приостановки он-
кологических заболеваний.
Катарантус относится к растениям тропического происхождения.
В светокультуре он может успешно размножаться вегетативно и се-
менами. Окоренение черенков при вегетативном размножении проис-
ходит в течение 25—30 суток при фотопериоде 16 часов. Семена мож-
но получить за 150 суток вегетации в количестве 16,7 г/м2, что соот-
ветствует 13 тыс. штук. Всхожесть семян составляет 60 % после двух
месяцев хранения. Рассада катарантуса, выращенная из семян, при-
годна к пикировке (при высадке в теплицы) через 30 суток.
Катарантус — светолюбивое растение. Уровни облучённости, обес-
печивающие его оптимальный рост и развитие, находятся в диапазоне
100-120 Вт/м2. При использовании лампы ДРИ-2000-6 за 50 суток
вегетации продуктивность зелёной массы составляет 9,4 кг/м2. Наи-
большую ценность в лекарственном отношении представляют листья,
доля которых в общем урожае зелёной массы составляет около 56 %.
Растения катарантуса имеют различную реакцию на спектральный
состав света. Наиболее благоприятное воздействие на рост и развитие
катарантуса оказывает белый свет.
174
8.6. Древесные и кустарниковые растения
Использование светокультуры для выращивания деревьев и кус-
тарников представляет интерес для решения научных вопросов, на-
правленных на изучение биологии этих растений в контролируемых и
управляемых условиях. Большие возможности есть у светокультуры в
решении задач в области генетики и селекции, учитывая то, что эти
растения многолетние и получение нескольких семенных поколений у
них в условиях естественного освещения растягивается на десятки и
даже сотни лет.
Пока что в светокультуре опыт работы как с лесными, так и с садо-
выми деревьями и кустарниками крайне невелик. Ограниченный объем
исследований в этой области обусловлен, по-видимому, тремя причи-
нами. Во-первых, длительный период индивидуального развития и
крупные размеры самих растений при длительном выращивании тре-
буют больших затрат времени, площади, электроэнергии, средств и т.
д., что ограничивает возможности исследователя в широкой постановке
опытов. Во-вторых, у многих биологов, особенно садоводов, работаю-
щих с многолетними вегетативно размножаемыми культурами, широко
распространено мнение о возможности стойких изменений фенотипи-
ческого проявления различных признаков, формирующихся под влия-
нием условий светокультуры и о возможном сохранении этих измене-
ний в вегетативном потомстве сеянцев. И, в-третьих, семена многих
плодовых и ягодных культур для прорастания нуждаются в специаль-
ной и часто довольно длительной (многомесячной) стратификации -
обработке набухших семян низкими или переменными температурами.
Потеря осенне-зимнего периода на подготовку свежесобранных семян к
прорастанию почти не оставляет времени на зимнее выращивание се-
янцев и, таким образом, резко снижает возможный эффект от свето-
культуры. Использование же семян предыдущего года сбора само по
себе уже снижает темп исследовательского процесса.
Большинство исследователей в работе с сеянцами древесных и
кустарниковых пород обращали внимание на ускорение их роста в
первый год жизни (Мошков, 1966; Леман, 1971). Последействие све-
токультуры на растения, высаженные в естественные условия, выра-
жалось в ускоренном их росте в последующие годы и в более раннем
вступлении некоторых видов растений в плодоношение. Так, у дуба,
например, выращенного в первый год жизни в светокультуре, плодо-
ношение отмечалось затем в возрасте 8 лет, вместо обычных 40—60.
Описанные в зарубежной литературе опыты с сеянцами берёзы по-
казали, что выращиваемые в течение 12 месяцев при естественном
длинном световом дне летом и непрерывном искусственном освещении
175
в теплице при 15-20 °C в остальное время сеянцы достигли высоты 1,9-
2,7 м, причем у половины из них начали формироваться серёжки.
Большой объём работ, направленных на ускорение роста и разви-
тия древесных и кустарниковых растений с использованием интен-
сивной светокультуры, был выполнен совместными усилиями Инсти-
тута биофизики СО АН СССР, Красноярского госуниверситета, Крас-
ноярской опытной станции плодоводства и др. (Лисовский, Долгушев.
1986). Например, в селекционной работе с кустарником - чёрной смо-
родиной - селекционеры в полевых условиях средних широт получа-
ют возможность дать первую оценку качества ягод на третий год, а в
условиях Сибири - на четвёртый-пятый. Поэтому сокращение сроков
вступления смородины в плодоношение до одного года позволило бы
существенно интенсифицировать работу селекционеров. Из работ
профессора Б. С. Мошкова (Агрофизический институт) было извест-
но, что непрерывное освещение в течение года от появления всходов
не вызывало цветения у сеянцев чёрной смородины.
В Институте биофизики СО АН СССР и Красноярском госунивер-
ситете (опыты В. В. Хохловой) в 80-е годы сеянцы чёрной смородины
из гибридных стратифицированных семян различных комбинаций
выращивали с ноября по май в небольших ящиках, наполненных ке-
рамзитом и установленных в поддон открытой установки ускоренного
выращивания растений (УВР). Густота стояния растений 25 шт. на 1
м2, интенсивность лучистого потока — 60-80 Вт/м2 ФАР. Температуру
воздуха в помещении при непрерывном освещении поддерживали на
уровне 23—25 С, а при создании темнового периода понижали её до
16-18 °C. Относительная влажность воздуха была 50-60 %. Керамзит
2-3 раза в сутки смачивали питательным раствором Кнопа с добавле-
нием цитрата железа и комплекса микроэлементов.
После 6-7 месяцев выращивания растений в светокультуре их вы-
саживали в селекционный питомник Красноярской опытной станции
плодоводства, где оценивали темпы роста растений, время вступления
в плодоношение, урожай ягод и т. д.
При непрерывном круглосуточном освещении на установках УВР
отмечался интенсивный рост сеянцев. За 2,0-2,5 месяца растения по
виду соответствовали двухлетним полевым сеянцам, а через 7 месяцев
от всходов имели в среднем 13-14 боковых побегов и высоту отдель-
ных побегов до 1,7-2,0 м. Но ускоренный рост не сопровождался
столь же быстрым развитием. К моменту весенней высадки в поле
растения с непрерывного освещения, как показал морфофизиологиче-
ский контроль, не имели репродуктивных почек.
Выращивание сеянцев черной смородины в течение 7 месяцев при
фотопериоде с 14-часовым днём сопровождалось медленным ростом и
слабым ветвлением до 3,0-3,5 месяцев; затем рост прекращался. И
176
верхушечная, и боковые почки растений переходили в покоящееся
состояние, а в некоторых начиналась закладка репродуктивных орга-
нов. Перед высадкой в поле общая длина побегов у этих растений бы-
ла в 8 раз меньше, чем при непрерывном освещении.
Оптимальным для ускорения плодоношения оказался компро-
миссный между двумя вышеописанными вариант со сменой светового
режима в ходе вегетации. Для интенсивного роста и формирования
достаточно мощного куста первые 3 месяца от всходов сеянцы выра-
щивали при непрерывном освещении. Затем для прекращения вегета-
тивного роста и закладки репродуктивных органов сеянцы на 4 месяца
переводили на укороченный 14-часовой день.
При непрерывном освещении у сеянцев в течение трех месяцев на-
растала вегетативная масса. При переводе их на 14-часовой световой
день рост прекратился через 7-14 дней, верхушечная почка ушла в
покой и началось формирование пазушных почек. Пазушные почки
увеличивались в размерах, но не раскрывались.
После весенней высадки сеянцев в поле их рост и развитие сильно
различались в зависимости от варианта выращивания в светокультуре.
Сеянцы, выращенные при непрерывном освещении, плохо перено-
сили пересадку в поле. За лето они почти не дали прироста, облист-
венность растений уменьшилась за счет опадания листьев. Цветения и
плодоношения в первом году не было; зацветали и образовывали яго-
ды они только на втором году жизни.
Сеянцы, выращенные 7 месяцев при 14-часовом дне, в первый же
год дали большой прирост и сформировали компактные кусты с хо-
рошей облиственностью. Четвертая часть растений зацвела в первый
же год, но ягоды образовались только у 14 % из них.
Хорошо перенесли пересадку в поле, дали большой прирост побе-
гов после высадки сеянцы, выращенные в светокультуре со сменой
светового дня. Почти 70 % из них зацвели в первое лето, то есть через
9 месяцев от посева стратифицированных семян, а 58 % — дали плоды.
Попытки сократить время выращивания растений при укорочен-
ном дне с четырех до двух-трех месяцев только ухудшали результаты.
Проведенные сравнения выращенных в светокультуре плодонося-
щих сеянцев с 3-5-летними полевыми и тоже вступившими в плодо-
ношение показали, что первые не уступают вторым по интенсивности
цветения, устойчивости к болезням и по зимостойкости.
Таким образом, используя светокультуру с учетом особенностей
роста и развития сеянцев черной смородины, можно на 2-3 года уско-
рить их цветение и плодоношение в сравнении с полевыми условия-
ми. Следовательно, на столько же можно сократить сроки оценки се-
лекционного материала по многим хозяйственно ценным признакам,
связанным с характером цветения и опыления, качеством ягод и т. д.
177
Однако световой режим, давший вполне удовлетворительные ре-
зультаты при выращивании сеянцев чёрной смородины, совсем не
обязательно будет приемлем при выращивании других культур. Под-
твердить это можно на примере облепихи, которая при посеве семе-
нами в саду вступает в плодоношение на третьем—шестом году жизни
(Лисовский, Долгушев, 1986). Использование в опытах Т. А. Коря-
новой для выращивания сеянцев облепихи непрерывного освещения,
фотопериода с 14-часовым днём и комбинированных режимов пока-
зало (табл. 8.8), что, во-первых, наиболее благоприятным для уско-
ренного развития является режим непрерывного освещения или ком-
бинированный, но такой, когда он завершается непрерывным освеще-
нием, а не 14-часовым фотопериодом, как у смородины; во-вторых,
зацветают в первый год жизни лишь немногие растения, и только на
третий год две трети сеянцев зацветает в лучших вариантах, а 14-
часовой фотопериод оказался вообще неэффективным как для ускоре-
ния роста, так и для ускорения развития.
Попытки ускорить рост и развитие сеянцев яблони, которая при
выращивании из семян в саду вступает в плодоношение обычно в воз-
расте 8-12 лет, редко на 4-й год, а иногда на 20-й и позже, пока позво-
лили интенсифицировать процессы роста, но не развития. Так, за 4,5
месяца выращивания сеянцев при наиболее благоприятном для яблонь
непрерывном освещении деревца достигали роста 120-180 см и пред-
ставляли собою (рис. 8.5) по виду двух-трёхлетние деревца с побегами
1-го и 2-го порядков, с листьями, имеющими морфологические при-
знаки (зазубренность, опушение, жилкование), характерные также для
двух-трёхлеток. Но цветения и плодоношения у этих сеянцев не было
ни в первый, ни во второй год жизни после высадки в сад.
В опыте с выращиванием гибридных сеянцев яблони с октября по
май (7,5 месяцев) выросли в высоту до 2,5-3,0 м (рис. 8.6). После вы-
садки весной в сад в первое лето они дали очень слабый прирост вет-
вей. Тем не менее, весной второго года около 30 % из них зацвели, хотя
ростовые процессы оставались замедленными и форма кроны из-за
длинного главного ствола была неудовлетворительной.
Таблица 8.8
Влияние разных режимов облучения сеянцев облепихи на рост в светокультуре
и ня переход растений к цветению при последующем выращивании в саду
Вариант опыта Высота растений в возрасте 6,5 мес., см Зацветания растений после высадки в сад, %
В 1 -й год Во 2-й год В 3-й год
Непрерывное освещение 6,5 мес. 175 14,3 33,3 66,7
Непрерывное освещение 3 мес. + фотопериод 3,5 мес. 166 6,0 10,5 12,5
Фотопериод 6,5 мес. 119 0,0 0,0 5,9
Фотопериод 3 мес. + непрерывное освещение 3,5 мес. 147 11,1 38,9 61,1 j
178
Рис. 8 5 Сеянец яблони сорта Уральское наливное в возрасте 4,5 месяцев,
выращенный в условиях светокультуры
при непрерывном облучении лампами ДМЭ-3000.
179
Рис. 8.6. Сеянцы яблонь, выращенные в течение 7,5 месяцев
при непрерывном облучении под лампами ДРИ 2000-6.
Приведённые примеры показывают некоторые возможности ис-
пользования светокультуры для ускорения роста и в меньшей степени
развития древесных и кустарниковых пород. Но, учитывая биологиче-
ское разнообразие лесных плодовых и ягодных деревьев и кустарни-
ков, необходим ещё большой объём исследований по частной свето-
культуре с тем, чтобы вооружить биологов и селекционеров надёжной
технологией ускорения роста и развития этих растений. Накопленный
к настоящему времени ограниченный опыт работы с отдельными
культурами можно рассматривать лишь как первые обнадёживающие
шаги в этом направлении.
8.7. Интенсивная светокультура растений
как область биотехнологии
Интенсивное культивирование не только растительных клеток и
тканей, но и интенсивная светокультура целых фотосинтезирующих
растений и их совокупностей (ценозов) в полностью искусственных
условиях, обеспечиваемых, контролируемых и управляемых техниче-
180
скими средствами, имеет все основания рассматриваться как одна из
развивающихся областей биотехнологии. Главной задачей такого
культивирования является достижение и поддержание нужных чело-
веку скоростей и направлений продукционного процесса, протекаю-
щего благодаря искусственному освещению в фотосинтезирующей
системе. Основным путём влияния на такой продукционный процесс
(помимо возможного генетического управления, выходящего за рамки
курса светокультуры растений) служит так называемое параметриче-
ское управление через регулирование физических, химических и не-
которых биологических факторов среды. Естественно, что в биотехно-
логии фотосинтезирующих организмов определяющими являются све-
товые параметры культивирования - интенсивность облучения, качест-
венный состав света, временная и пространственная структура светово-
го потока. Поддержание несветовых параметров среды, таких как тем-
пература среды, минеральное и углекислотное питание, водный режим
и др., на оптимальных, не лимитирующих фотосинтез уровнях позволя-
ет в продуцирующих системах получать в чистом виде светозависимые
характеристики фотосинтетической продуктивности.
Достаточно чётко такие зависимости были в 60-70-е годы оценены
на примере высокоинтенсивного культивирования одноклеточных
зелёных водорослей. Было показано, что разработанные в Институте
физики СО АН СССР, Институте медико-биологических проблем
Минздрава СССР техника и технология непрерывного культивирова-
ния водорослей позволяет управлять интенсивностью фотосинтеза и
обеспечивать его устойчивость с неменьшей точностью, чем, напри-
мер, в химической технологии.
Непрерывное искусственное облучение одноклеточной водоросли
хлореллы, равное летнему среднесуточному солнечному в средних
широтах страны (100-140 Вт/м2 ФАР), обеспечивает фотосинтетиче-
скую продуктивность 40-50 г/м2 сухой биомассы в сутки, то есть
втрое превышающую продуктивность водорослей в открытых уста-
новках при естественном освещении. КПД видимого фотосинтеза в
расчёте на ФАР, падающую на светоприёмную поверхность культива-
тора, достигает 9-12 %, а в расчёте на поглощённую культурой ФАР —
14-18 %. Увеличение облучённости культуры до максимальной полу-
денной солнечной (400-500 Вт/м2 ФАР) сопровождается дальнейшим
повышением продуктивности до 80-120 г сухой биомассы на 1 м2 в
сутки при постепенном снижении КПД фотосинтеза.
Создание высокопродуктивных фотосинтезирующих систем с од-
ноклеточными водорослями было в 60-70 гг. ориентировано на воз-
можное их использование как звена биологической регенерации сре-
ды в замкнутых системах длительного жизнеобеспечения человека. В
опытах с замкнутой системой «человек-водоросли» продолжительно-
181
стью от нескольких дней до нескольких месяцев была показана воз-
можность полной регенерации атмосферы и воды для человека управ-
ляемой интенсивной культурой водорослей (Гительзон и др., 1975).
Важно отметить, что продуктивность культуры в таких экспериментах
была весьма устойчивой во времени, а отдельные её отклонения вы-
зывались только техническими, но не биологическими причинами.
В целом, интенсивное непрерывное культивирование одноклеточ-
ных водорослей послужило хорошей моделью управляемой высоко-
продуктивной фотосинтезирующей системы в биотехнологии расте-
ний, а реализация экспериментальных замкнутых систем «человек-
водоросли» - свидетельством высокого уровня и надёжности разрабо-
танных технологий.
Значительно сложнее представляется управление фотосинтези-
рующими системами высших растений. Это вызвано тем, что высшие
растения имеют свои собственные системы управления (регуляции) на
надклеточном (организменном) и на надорганизменном (ценотиче-
ском) уровнях, которые эволюционно адаптированы к функциониро-
ванию в широком диапазоне условий внешней среды. Для эффектив-
ного управления фотосинтетическим и продукционным процессами у
высших растений необходимо чётко представлять, как зависят раз-
личные структуры, функции, характер и диапазон реакций различных
собственных систем управления растений на организменном и цено-
тическом уровнях от внешних факторов воздействия. Наши знания в
этой области всё ещё весьма ограничены, поэтому предстоит немалый
объём дальнейших исследований.
Разработка проблемы управляемого высокоинтенсивного продук-
ционного процесса у растений при полностью искусственном освеще-
нии в нашей стране экспериментально осуществлялась
Н. А. Максимовым, А. Ф. Клешниным, Б. С. Мошковым,
В. М. Леманом и др. Общую научную основу она получила в теории
фотосинтетической продуктивности растений А. А. Ничипоровича,
дальнейшее развитие которой стимулируется как научными, так и
практическими интересами. Уже накопленные знания позволяют с
достаточной точностью рассчитывать такие основные характеристики
продукционного процесса у растений в искусственных условиях, как
темпы прироста биомассы, репродукционного развития, конечную
продуктивность, энергоёмкость процесса и т. д.
В предыдущих главах и разделах этой книги есть немало примеров
разработанных биотехнологий с использованием интенсивной свето-
культуры, которые применяются в зимнем овощеводстве, цветоводст-
ве, ускорении селекционного процесса, в научно-исследовательских
работах по физиологии растений, генетике и т. д. Пожалуй, наиболее
сложной является биотехнология высокопродуктивного выращивания
182
многовидового сообщества высших растений, которая разрабатыва-
лась в последние десятилетия для использования в качестве фотосин-
тезирующего звена, регенерирующего среду обитания человека в ис-
кусственных замкнутых экологических системах (Гительзон и др.
1975; Замкнутая система... 1979 и др.). Выращивание растений в
замкнутой экологической системе должно отвечать таким требовани-
ям, как эффективное использование лучистой энергии, высокая про-
дуктивность с ограниченных площадей, согласованность интеграль-
ной (для всего звена растений) скорости фотосинтеза со скоростью
потребления О2 и выделения СО2 человеком и другими гетеротроф-
ными компонентами системы, соответствие биохимического состава
урожая потребностям человека в растительных компонентах пищи и
т. д. Вся технология должна обеспечивать длительную во времени (в
принципе, бесконечно длительную) устойчивость и повторяемость
всех процессов роста и развития растений.
Одним из примеров такой высокопродуктивной фотосинтезирую-
щей биотехнологической системы могут служить фитотроны экспе-
риментальной замкнутой системы «Биос-3», созданной в Красноярске
(рис. 8.7). В серии многочисленных экспериментов с замыканием сис-
темы «человек-высшие растения» выращивали наборы культур (пше-
Рис. 8.7. Внутреннее устройство установки «БИОС-3», вид сверху (макет)
I - бытовой отсек для 3 испытателей; 2 - два фитотрона с высшими растениями;
3 - отсек с водорослевыми культиваторами.
183
ница, чуфа, морковь, свекла, огурцы и др.) на непрерывном облучении
140-180 Вт/м2 ФАР, при воздушно-субирригационном (пшеница) или
гидропонном способе питания и замкнутом водообмене (главным об-
разом"за счёт конденсата транспирационной влаги). Каждая культура
была представлена конвейером из двух-десяти возрастов, что обеспе-
чивало равномерность интегрального фотосинтеза и сглаживало воз-
растные колебания интенсивности фотосинтеза разных культур. Об-
щая посевная площадь всех культур в двух фитотронах составляла
40 м2. Урожай культур в одном из экспериментов можно проиллюст-
рировать табл. 8.9. За 4 месяца эксперимента в замкнутой системе с
тремя испытателями различные виды растений прошли от 1,3 до че-
тырех полных вегетаций. Среднесуточная продуктивность всего звена
составляла 36,6 г/м2 общей сухой биомассы, в том числе 17,3 г/м2 съе-
добной. Средний за весь эксперимент коэффициент энергетической
эффективности звена (в расчёте от падающей на посевы ФАР) был
равен 4,4 %. Расчёты и эксперименты показали, что для непрерывного
обеспечения одного человека в замкнутой системе кислородом, водой
и 30-35 % пищи достаточно 13 м2 посевной площади растений. Для
полного обеспечения одного человека всей растительной пищей по-
требуется около 30 м2 посевной площади, но при этом нужно физико-
химическим или биологическим путём окислять внутри системы не-
съедобную биомассу растений, чтобы поддержать баланс СО? и О2.
Проведённые эксперименты, наряду с решением основной научной
задачи - доказательством возможности фотосинтетической регенера-
ции для человека в замкнутой системе всей атмосферы, воды и час-
тично растительной пищи - показали реальную управляемость и вы-
сокую устойчивость процессов роста и развития растений в искусст-
Таблица 8.9
Урожай (г/м1) и продуктивность (г/м1 в сут.) различных культур
в одном из экспериментов в замкнутой системе «человек - высшие растения»
Культура Период вегетации, сут. Урожай съедобной биомассы за вегетацию, г/м1 Продуктивность по съедобной биомассе, г/м1 сут. Съедобная биомасса в общем сухом урожае /Gol, %
сырой сухой сырой сухой
Пшеница 63 1124 967 17,8 15,4 30,0
Свекла 78 10577 1298 135,5 16,6 59,8
Морковь 78 14015 1770 179,6 22,7 48,3
Репа 52 13701 1097 263,5 21,1 37,6
Редис 26 3349 201 128,8 7,7 45,3
Огурцы 90 9900 397 110,0 4,4 17,6
Лук 90 7088 532 78,7 5,9 100,0
184
венных условиях, высокую продуктивность и высокую эффективность
по таким критериям, как качество продукции, оптимизация энергоза-
трат и т. д., практически полную независимость от сезонных, суточ-
ных и других естественных колебаний природных факторов.
Экспериментально реализованные биотехнологические возможно-
сти интенсивной светокультуры растений раскрывают её потенциал
как в различных областях хозяйственной деятельности (зимнее ово-
щеводство и цветоводство, ускорение селекции и т. д.), так и в качест-
ве. инструмента научного исследования и решения различных науч-
ных проблем в физиологии растений, генетике, экологии, космиче-
ской биологии.
Контрольные вопросы к главе 8
1. Что входит в понятие «частная светокультура растений»?
2. Какие основные требования необходимо выполнять при выборе
светотехнического оборудования для выращивания огурца и то-
мата на рассаду и на продукцию в условиях светокультуры? Ответ
обоснуйте.
3. Какие зеленные культуры вы знаете и каковы особенности их
культивирования в условиях светокультуры?
4. Почему при выращивании некоторых видов цветов в условиях
светокультуры необходимо учитывать долю ИКР в излучении ис-
точников света?
5. Почему по ряду признаков селекция растений в условиях свето-
культуры невозможна?
6. В чём заключается целесообразность выращивания определённых
видов лекарственных растений в условиях светокультуры?
7. Какие вы знаете особенности роста отдельных видов лекарствен-
ных растений в условиях светокультуры?
8. Какие задачи могут быть решены при выращивании древесных и
кустарниковых растений в условиях светокультуры?
Как может влиять фотопериодическое и непрерывное освещение
древесных и кустарниковых растений в светокультуре на их по-
следующий рост и развитие в полевых условиях? Проявляется ли
здесь видовая специфика?
10. Почему в замкнутых биологических системах жизнеобеспечения,
включающих человека, эффективное выращивание растений при
искусственном облучении играет одну из ключевых ролей в под-
держании устойчивости такой системы?
185
ГЛАВА 9. ВОЗМОЖНЫЕ ПОДХОДЫ
К РАЦИОНАЛИЗАЦИИ СВЕТОКУЛЬТУРЫ РАСТЕНИЙ
9.1. Основные критерии по принятию решения
о производстве растительной продукции
в условиях светокультуры
Выращивание растений в искусственных условиях, особенно в ре-
гионах с суровым климатом из-за своей внешней актуальности и эф-
фектности нередко привлекает внимание лиц, способных принимать
административные решения в плане внедрения светокультуры.
Практика показывает, что в этих случаях часто принимаются не-
обоснованные решения, которые приводят либо к нерентабельному
производству растительной продукции, либо начатые строительные
работы приостанавливаются из-за возникновения финансовых про-
блем, связанных с неудовлетворительным экономическим планирова-
нием проводимых работ.
В этой связи необходимо знать ряд первоначальных основопола-
гающих критериев, чтобы принять обоснованное решение для развёр-
тывания светокультуры растений.
Условно эти первоначальные критерии можно разделить на факторы
экономического, технического и социально-экономического характера.
Экономические факторы. Во-первых, необходимо определить по-
тенциальные рынки сбыта растительной продукции. Для этого необ-
ходимо провести соответствующий маркетинг, установить, какой вид
растительной продукции (овощные культуры, зелень, цветы и т. д.)
будет иметь спрос, определить цену, степень окупаемости произве-
дённых затрат и т. д.
Во-вторых, необходимо помнить, что основные первоначальные
затраты связаны с капитальными вложениями в строительство теплиц
и приобретение светотехнического оборудования. Эти статьи расхода
необходимо чётко рассчитать. В этой связи более выгодной является
ситуация, когда уже имеются тепличные помещения, которые требу-
ют переоснащения под светокультуру.
В-третьих, важно учитывать, что существенная статья расходов
связана со значительными затратами на электроэнергию и тепло, ко-
торые потребуют безусловного постоянного обеспечения на многоме-
сячный период выращивания растений (кроме летнего периода, когда
производство становится неконкурентоспособным из-за появления
растительной продукции, выращенной в естественных условиях ос-
вещения, и останавливается для профилактических работ).
Технические факторы. Одним из первых условий технического
характера является наличие мощной электрической подстанции. Для
186
нормального электрообеспечения интенсивной светокультуры расте-
ний установленная электрическая мощность в расчёте только на ис-
точники света составляет около 1 кВт/м2. Нетрудно посчитать, что для
теплицы площадью 800 м2 необходима суммарная электрическая
мощность около 1000 кВт (с учётом дополнительного потребления
электроэнергии подсобными механизмами и резервным запасом).
Другим важным моментом является требование к возможностям
монтажа силовых сетей внутри тепличного сооружения, где планиру-
ется интенсивная светокультура. Здесь имеется в виду не только не-
обходимая электробезопасность, но и достаточная механическая
прочность внутренних перекрытий, способных выдержать при необ-
ходимости достаточно массивные облучатели и дроссели.
Исключительно важное значение имеет наличие тепловых, водо-
проводных и канализационных сетей. Автономная тепловая сеть явля-
ется необходимой как источник терла в зимние месяцы, иочные часы
и в случае аварийного отключения электроэнергии в холодный период
времени. Канализационные системы должны быть приспособлены для
сбора отработанного питательного раствора, а также стока воды при
проведении различного рода подготовительных работ по промывке
субстрата, поддонов и т. д.
В целом следует отметить, что ведение указанных работ с «нулевого
цикла» в нынешней экономической ситуации в стране вряд ли оправда-
но, так как потребует очень крупных финансовых затрат для развёрты-
вания промышленной светокультуры. Наиболее реальным представля-
ется вариант, когда планируется переоборудовать или модернизировать
бездействующие тепличные комплексы, у которых не разрушена ин-
фраструктура, обеспечивающая необходимые условия для выращива-
ния растений (освещение, водоснабжение, отопление и др.).
Если указанные выше условия представляются решаемыми, то
встают более конкретные проблемы для развёртывания светокульту-
ры. Среди них рассмотрим следующие, на наш взгляд, наиболее важ-
ные вопросы: выбор источника света, облучательных устройств, суб-
страта для выращивания растений и культивационных сооружений, а
также подходы к расчетам некоторых экономических показателей для
светокультуры растений.
9.2. Выбор источника света
из предлагаемого ассортимента
Выбор источника света представляется особенно важным, так как
основные текущие финансовые расходы связаны с расходом электро-
энергии именно источниками света. К сожалению, ассортимент вы-
пускаемых источников света настолько разнороден, что неспециали-
сту зачастую нелегко сделать правильный выбор. В прилагаемых ин-
187
струкииях, как правило, отсутствует конкретная аргументированная
рекомендация для использования того или иного источника света для
светокультуры растений.
Имеется ряд соображений общего характера, что позволяет сде-
лать предварительный отбор источников света для светокультуры:
I) источник света не должен иметь жесткого ультрафиолетового
излучения, то есть его внешняя оболочка должна быть изготов-
лена из стекла, не пропускающего ультрафиолет с длиной волны
меньше 290 нм. Лампы, имеющие стеклянные колбы, как прави-
ло, удовлетворяют этим требованиям;
2) желательно, чтобы энергетический КПД источника света был не
ниже 20 %;
3) желательно, чтобы источник света имел в видимой области спек-
тра излучение во всех физиологически значимых областях спек-
тра, в первую очередь в синей и красной, а также в зелёной, осо-
бенно когда выращиваются растения, образующие плотные мно-
гоярусные посевы (например, огурцы);
4) отсутствие красных лучей сильно снижает фотобиологическую
эффективность источника света. Наименее эффективны лампы,
имеющие преимущественное излучение в зелёной области спек-
тра на фоне слабого фона синего света и полного отсутствия
красных лучей;
5) доля инфракрасных (тепловых) лучей не должна быть более по-
ловины от интегрального излучения;
6) как правило, мощность лампы для полной светокультуры расте-
ний должна составлять 1-3 кВт, допустимо 6 кВт. Натриевые
лампы высокого давления (ДНаТ-400) здесь также допустимо
использовать из-за их высокого энергетического КПД (около
25 %). В то же время для досветки наиболее подходящими счи-
таются лампы мощностью 0,4-1 кВт;
7) гарантированный заводом ресурс работы ламп не должен быть
ниже 2000 ч.
Если предстоит выбор ламп со сходными характеристиками, а су-
щественные различия связаны лишь со спектральным составом света,
то при отсутствии необходимого опыта часто возникают затруднения,
какому источнику света отдать предпочтение. В таком случае можно
воспользоваться предлагаемым ниже алгоритмом в выборе лампы. В
такой алгоритм заложены данные, учитывающие зависимость урожая
растений от спектрального состава света. Примеры расчётов даны для
растений огурца и томата, которые занимают более 95 % площадей
теплиц, используемых под светокультуру растений.
Для оценки сравнительной эффективности источников света с учё-
том совместного воздействия всех трёх рассматриваемых спектраль-
188
ных областей в обшем потоке ФАР этих источников света предлагает-
ся для культуры огурца следующее выражение:
(9.1)
где Э - величина отклонения эффективности излучения сравниваемо-
го источника света от эталонного источника; п — количество оцени-
ваемых областей (ФАР); — условная относительная эффектив-
ность излучения в области АХ] для исследуемого источника света
применительно к данной культуре; Q'- то же для эталонного излу-
чения, имеющего оптимальный спектр для данного растения.
Величина Q^, может быть определена из выражения
(9-2)
где/дх; ~ Доля потока для области спектра АХ,, сравниваемого источ-
ника света;/дх; ~ то же Для эталонного источника света относительно
данной культуры; 1=1, 2, 3, что означает разбиение области ФАР на
три части: АХ] = 400-500 нм («синяя» область спектра); АХ2 = 500-
600 нм («зелёная» область спектра); АХ3 = 600-700 нм («красная» об-
ласть спектра).
Для культуры огурца экспериментально установлены примерные
эталонные значения fAX :
/4. = 0,2;/'°^ = 0,4;/'°ЛХз = 0,4, (9.3)
а для томата эти значения:
/'4 = 0,15;/'4 = 0,20;/'Тдхз = 0,65. (9.4)
С учётом (9.3) и (9.4), формулы (9.1) и (9.2) приобретают конкрет-
ные значения. Согласно формуле (9.2) Q'^ = 1>ав формуле (9.1)
и — 3. С учётом этого формулу (9.1) для растений огурца можно запи-
сать в виде
Э°
з
1(64-D,
(9-5)
3
где 2°ДХ1 =41/0,2; б°ДХ2 = 4.2/0,4; ^°ДКз = 43/0,4, а для растений
томата по аналогии можно записать:
1 -3
эт=|Е(е4 -о
(9-6)
189
где Q\kl = Ах,/0,15; 2taZ2 =/дл/0,2; Отд;3 =/лх-/0,65.
В качестве примера в табл. 9.1 представлены расчёты фотобиоло-
гической эффективности некоторых серийных отечественных ламп
типа ДНаТ-400. ДРЛФ-400, ДРИ-400. ДРИ-2000-6, ДМ4-3000, зару-
бежных серийных ламп HPY-380, NaV-T-400, SON-T-400, SON-380,
SON-H, НОС-1, НОС-2, а также ламп типа ДРИО 2000 и ДМО-4-ЗООО,
которые предназначены для светокультуры огурца и имеют спектр
излучения в области ФАР, приближенный к эталонному, согласно
формуле (9.5), ламп типа ДМТ4-3000, предназначенных для свето-
культуры томата и имеющих спектр, который приближен к эталонно-
му, согласно формуле (9.6).
Физический смысл выражений (9.5) и (9.6) заключается в следую-
щем: чем больше отклонение Э° или Э1 от нуля, тем менее эффектив-
на лампа для данного вида культуры.
Полученные по этим формулам величины представлены в
табл. 9.1. Как видим, максимальные отклонения Э° от эталонных зна-
чений для культуры огурца составляют 0,55, а для культуры томата
Эт = 1,24 и соответствуют лампе ДРЛФ-400.
Анализ табл. 9.1 показывает, что ни одна из рассматриваемых се-
рийных отечественных и зарубежных ламп не удовлетворяет эталон-
ным требованиям к спектру ФАР для светокультуры огурца и томата.
Наиболее близки к ним экспериментальные образцы ламп ДРИО-2000,
ДМ04-3000 и ДМТ4-3000 со специальным спектральным наполнением,
учитывающим требования к эталонным спектрам для светокультуры
огурца и томата. Использование этих источников света для выращива-
ния огурца и томата дало увеличение продуктивности по хозяйственно
полезному урожаю на 20-30 % в сравнении с использованием серийных
источников света ДРИ 2000-6 и ДМ4-3000. На основании данных табл.
9.1 из серийных ламп для светокультуры огурца больше всего по сво-
ему спектральному составу подходят лампы типа ДМ (в частности,
ДМ4-3000) и натриевые лампы, а для светокультуры томата - эти же
лампы, но с обратным приоритетом. К сожалению, специализирован- !
ные растениеводческие лампы, имеющие максимальную эффектив- ‘
ность для выращивания рассматриваемых культур, пока серийно не
выпускаются, а изготавливаются по спецзаказам.
Спявинтел!
190
Таблица 9 I
технические и фотобиологические характеристики источников света для интенсивной светокультуры огурца
и томата в светонепроницаемых культивационных сооружениях пояснения в тексте
Культура томата Г> о 0,62 0,53 | 0,26 I t-6'О 1 91'1 0,68 I 2 1,24 1,16 сю с’ о' 1 0,94 1 0,72 0,81 О
<J 0,62 о. 0,57 0,85 ч. 0,22 o' 0,25 81'0 11'0 0,69 0,55 [ 0,55 U‘0 89'0 0,65
Q дх.2 О. о 2,35 l32_ 2.65 2,20 сч 2,90 3,10 2,50 I 2,80 I 2,85 2,25 2,50 2,60
< О) 1,33 о. 1,07 1,07 £ 1,40 0,40 1,67 2,0 09'1 I 0,33 0,53 | 0,47 О 0,40 О сГ
Культура огурца Г) о 0,46 0,15 с" о О С О 0,44 0,55 0,47 0,38 0,37 о' оо © 0,35 С5
о. £9'1 0,93 ос 0.60 ! 0,35 1,25 0,40 0,30 0,35 £1'1 0,90 | 0,90 SZ'1 01*1 1,05
о. 0,50 оо 1,08 ОС 1,33 1,65 О оо 1,45 1,55 1,25 П О I 1’43 S2 1,25 0£‘1
о. сэ 0,80 0,80 о £ О 0,30 1,25 О ГЧ^ гч о” о" ££*0 | <5 0,30 0,30
Доля излучения в отдельных | областях спектра, % ьг с 3 £ сч 21 о О гч «гх S СП я 5 гч
со о о гч £ -? ГЧ In 8 5 Оз оо S О 40 о гч
О о vn 4D чо я я гч о VT еч о 21 ОО 30 40
с « с« Ьс S с V S с X Эталонный спектр для культуры огурца Эталонный спектр для культуры томата ДРИО 2000 (специально для огурца) ДМО-4-ЗООО (специально лля огурца) ДМТ4-3000 (специально для томата) 8 О § ДРИ-2000-6 ДНаТ-400 | ДРИ-400 ДРЛФ-400 HPY-38O NaV-T-400 SON-T-400 о со Z о H-NOS НОС-1 НОС-2
2 — гч т чэ Г- об Оз О - с4 СП W1 40 £
191
В дополнение к практическим рекомендациям по оценке сравни-
тельной эффективности источников света в светокультуре огурца и
томата следует отметить, что спектральный состав ФАР для выращи-
вания этих культур в светонепроницаемых теплицах при облучённо-
сти 100-150 Вт/м2 ФАР отвечает эталонным требованиям, если сум-
марная разница в оценке источников света, определяемая по форму-
лам (9.5) и (9.6), не отличается от эталона более чем на 20 %. Разница
в 20 % взята из соображений, что разброс по получаемым данным,
вносимый биологическими различиями растений, может достигать
величины до 20 %.
Следует иметь в виду, что предложенный метод носит лишь при-
ближенный характер и не имеет жесткой корреляции с продуктивно-
стью растений. Он позволяет лишь определить группу потенциально
эффективных источников света. Окончательный ответ могут дать
лишь сравнительные фотобиологические исследования в конкретных
условиях выращивания растений.
9.3. Выбор облучателей и облучательных установок
для культивирования растений
Облучатели и облучательные установки - очень важные в плане
экономичности использования искусственного света светотехниче-
ские устройства. Кроме того, это весьма дорогостоящее изделие. По-
этому выбору наиболее подходящего облучательного устройства и
(или) установок для облучения растений необходимо уделять особое
внимание.
Промышленностью выпускается достаточно большой ассортимент
различных облучательных устройств и установок (см. гл. 5, раздел
5.1). При выборе этих изделий целесообразно учитывать следующие
обстоятельства:
- цель выращивания растительной продукции;
— тип и габариты теплицы, ее конструктивные особенности;
— расположение теплицы в той или иной световой зоне.
Рассмотрим последовательно роль этих обстоятельств в выборе
обсуждаемых светотехнических изделий. В первую очередь, необхо-
димо четко определить цели выращивания растений, среди которых
могут быть три основных задачи:
а) выращивание рассады растений;
б) выращивание на продукцию при полном искусственном облуче-
нии;
в) выращивание растений на продукцию при комбинированном ис-
кусственном и естественном облучении.
Когда четко определена цель выращивания растений с использова-
нием искусственного облучения, становится ясным, какой мощности
192
источники света необходимо использовать (см. гл. 6, разделы 6.3-6.5).
Под определенный диапазон мощностей источников света можно по-
добрать те или иные облучатели или установки для освещения расте-
ний. В табл 5.1 и 5.2 даны технические характеристики некоторых
современных облучателей и установок для выращивания растений. В
этих таблицах приведено несколько типов таких изделий с примерно
одинаковой электрической мощностью. Чтобы выбрать среди них
наиболее подходящие, необходимо также учесть конструктивные осо-
бенности теплицы, а также размеры посевных площадей под растения.
Так, например, из табл. 5.1 следует, что масса осветительной аппара-
туры для облучателей мощностью 400 Вт (наиболее подходящих для
выращивания рассады) может различаться в 6,5 раза. Если выращи-
ваемые растения образуют в теплице посевы большой протяженности,
то целесообразно использовать не точечные облучатели, а протяжен-
ные светотехнические устройства типа светотрона, светящего карниза
и т. д. Для общей ориентации данные по использованию этих уст-
ройств приведены в табл. 5.2.
Чем большую энергию потребляет облучатель или установка, тем
она, как правило, дороже. Кроме того, сроки службы ламп уменьша-
ются с ростом их электрической мощности. Необходимо помнить, что
основная доля эксплуатационных расходов этих изделий связана с
заменой ламп, которые весьма дороги. Все это указывает на то, что с
особой тщательностью необходимо проводить анализ и выбор мощ-
ных облучательных устройств. Первое, что в данном случае необхо-
димо учитывать, — это обоснованность приобретения такого устройст-
ва. Как правило, такой выбор оправдан при промышленном выращи-
вании растений в светокультуре в северных регионах страны, когда
используются современные светонепроницаемые теплицы, при этом
представляется обоснованным выбор облучательных устройств с лам-
пами мощностью до 6 кВт.
В средней полосе России, где для выращивания растений, как пра-
вило, используют остекленные теплицы, целесообразно использовать
облучательные устройства и установки с лампами мощностью 1-3 кВт.
Часто при оснащении теплицы светотехническим оборудованием
возникает вопрос о том, что лучше приобретать - облучатели или ус-,
тановки для облучения растений?
Приобретение облучателей существенно дешевле, чем установок.
Однако к облучателю необходим монтаж электрошкафа и проведение
ряда других дополнительных работ. Для этого требуется инженерно-
технический персонал и определенные дополнительные финансовые
затраты. В то же время установка для выращивания растений делает-
ся, как правило, «под ключ» и не требует монтажа дополнительного
светотехнического оборудования.
193
Поэтому если организация, оборудующая теплицу этими светотех-
ническими устройствами, имеет квалифицированный инженерно-
технический персонал и необходимые дополнительные светотехниче-
ские изделия (электрошкафы, кабели и т. д.), то можно ограничиться
приобретением облучателей. В противном случае лучше приобретать
облучательные установки, что упрощает все подготовительные рабо-
ты, связанные с облучением растений.
9.4. Выбор установок для выращивания растений
Выращивание (культивирование) растений обычно осуществляют
в установках открытого или закрытого типа. .
Установки закрытого типа представляют собой, как правило, ка-
меры, изолированные от внешней среды, где возможно выращивание
растений в закрытых объемах. Как правило, такие установки исполь-
зуют в научно-исследовательских целях, и в данном разделе мы их
рассматривать не будем.
Описание установок такого типа дано в гл. 5, разделе 5.2. Габари-
ты установок выбираются с учетом габаритов помещений, приспособ-
ленных под светокультуру. Типы источников света и облучателей
подбирают согласно рекомендациям, данным в разделах 9.2 и 9.3.
При этом необходимо иметь в виду, что при выращивании высоко-
рослых ценозов (например, огурец, высокорослые сорта томата и
сладкого перца) размеры посевной площади открытой установки
должны быть не меньше нескольких квадратных метров, чтобы сфор-
мировать полноценный ценоз растений. При выращивании зеленных
растений (петрушка, сельдерей, базилик и др.) размеры посевных
площадей могут быть и меньше.
Установки открытого типа могут быть стационарными или пере-
движными. При временном использовании помещений под светокуль-
туру целесообразнее использовать передвижные установки. В этом слу-
чае следует избегать приобретения и использование источников света,
требующих стационарных условий эксплуатации (наличие водяного
охлаждения, громоздкой пускорегулирующей аппаратуры и т. д.).
Решение о приобретении тех или иных типов установок открытого
типа для выращивания растений в условиях светокультуры требует
оснащения достаточно мощными источниками света (как правило, не
менее 0,4 кВт каждый). Поэтому установки, оборудованные люминес-
центными лампами, могут оказаться в этом случае неэффективными.
Исключение составляют многостеллажные установки с люминесцент-
ными лампами, если на них предполагается выращивание теневынос-
ливых низкорослых растений, как правило, некоторых видов зелен-
ных растений. Однако необходимо оценить возможности использова-
ния конструктивных особенностей таких установок для применения
194
метода гидропоники. Нередко бывает, что эти установки конструк-
тивно спланированы для выращивания растений в колбах, горшочках
и других отдельных сосудах. Такие способы выращивания неэффек-
тивны для массового получения растительной продукции в условиях
светокультуры. В этом случае необходимо оценить, допускает ли кон-
струкция установки выращивание растений в виде посева на опреде-
ленном субстрате с использованием гидропоники или нет. При поло-
жительном решении такие установки должны быть доукомплектованы
насосом, баком с питательным раствором, поддонами из нержавею-
щей стали, куда насыпается нейтральный субстрат, и высаживаются
растения. Конструкция установки должна иметь необходимый запас
прочности, чтобы выдержать существенное увеличение нагрузки за
счет дополнительного оборудования.
Не рекомендуется использование установок, имеющих иные на-
значения (например, бактерицидные установки). В этих случаях за-
траты на переоборудование, как правило, не окупаются.
В целом, следует отдавать предпочтения установкам с источника-
ми света, мощностью 0.4-2,0 кВт, которые имеют универсальные воз-
можности для выращивания как зеленных, так и овощных культур.
9.5. Выбор субстрата для выращивания растений
При выборе субстрата для выращивания растений обычно следует
исходить из трех вариантов: либо почва, либо нейтральный субстрат,
либо бессубстратная технология. Использование обычной почвы в
качестве субстрата характерно для устаревших технологий выращи-
вания растений в условиях светокультуры. Использование почвы не
позволяет в достаточной степени контролировать состояние корне-
обитаемой зоны растений; возникают проблемы борьбы с болезнями
корней, с неоптимальным минеральным питанием, с недостатком по-
ступления кислорода к корням (плохой аэрацией корней).
Однако нередко предприятия, организующие у себя светокультуру,
располагают именно теплицами с почвенным покрытием, а финансо-
вых средств для перехода на использование современного нейтраль-
ного субстрата не имеется. В этом случае приходится работать с поч-
венным субстратом, основные принципы использования которого из-
ложены в разделе 7.1.
Более эффективным, чем обычная почва, является использование
торфа в качестве субстрата. Торф нельзя отнести в полной мере к ней-
тральным субстратам, так как он обладает определенными бактери-
цидными свойствами. В отличие от обычной почвы, он обеспечивает
хорошую аэрацию корневой системы растений, а его дезинфицирую-
щие свойства предохраняют корневую систему от многих болезней.
Поэтому торф часто используют как субстрат для выращивания рас-
195
тений, а в качестве питательного раствора применяют химические
растворы как в обычной гидропонике. Торф практически не поддается
регенерации, поэтому его заменяют на новый через несколько месяцев
эксплуатации. Использование торфа как субстрата имеет смысл обыч-
но там, где имеются его природные запасы.
Несомненно прогрессивным является переход на использование
нейтрального субстрата. Как отмечалось ранее, под нейтральным по-
нимается субстрат, который не выделяет и не поглощает химические
соединения. Он служил в качестве механической основы для крепле-
ния корневой системы растений и позволяет использовать в качестве
питательной среды специальные химические растворы (гл. 7, раздел
7.2). Такой принцип выращивания растений, называемый гидропони-
кой, лишен тех недостатков, которые присущи почве и о которых го-
ворилось выше. Поэтому при прочих равных условиях окружающей
среды (свет, температура, влажность воздуха и т.п.) продуктивность
растений в условиях гидропоники в среднем на 40 % выше, чем при
выращивании растений на почве. Поэтому, если стоит вопрос выбора,
то предпочтение следует отдавать использованию нейтрального суб-
страта в сравнении с почвой.
В качестве нейтрального субстрата используют самые различные
материалы: керамзит, гальку, стекловату, химически нейтральную
гранулированную пластмассу и т. д. Следует иметь в виду, что ней-
тральный субстрат не вечен. Некоторые виды нейтрального субстрата
подлежат нескольким регенерациям после определенного срока экс-
плуатации (например, керамзит, галька и др.), а некоторые не подле-
жат регенерации (например, стекловата), и их необходимо периодиче-
ски заменять. Поэтому выбор нейтрального субстрата зависит от его
доступности для конкретной организации и сложившейся цены.
Необходимость регенерации, а впоследствии и замены является не-
достатком нейтрального субстрата. Особенно это сказывается на круп-
ных тепличных комплексах, когда такую работу приходится вести с
десятками тонн отработанного субстрата. Поэтому в настоящее время в
достаточно крупных современных тепличных хозяйствах переходят на
бес субстратную технологию выращивания растений. В этом случае
корневая система растений находится в воздушной среде и периодиче-
ски смачивается питательным раствором. Однако такой способ выра-
щивания растений требует очень строгого соблюдения технологической
дисциплины. Так, полив корневой системы должен осуществляться 2-3
раза в час. Чтобы избежать отложения минеральных солей на корнях и
нижней части стеблей растений, они должны периодически промывать-
ся обычной водой. Несоблюдение этих и ряда других правил может
привести к гибели растения. Обеспечить эти технологические процессы
можно только за счет надежно работающей автоматики. Поэтому бес-
196
субстратный способ выращивания растений обычно оправдывает себя
при широкомасштабном выращивании растительной продукции, а так-
же при ведении определенных научно-исследовательских работ. Этот
способ используют также на специальных небольших автоматизиро-
ванных установках по выращиванию растений.
9.6. Некоторые подходы к оценке экономических показателен
зимней светокультуры
Создание и эксплуатация тепличных установок с интенсивным ис-
кусственным облучением растений и применением гидропоники тре-
бует значительных первоначальных и последующих эксплуатацион-
ных затрат.
Первоначальные затраты (не считая стоимости самой теплицы) в
основном включают оплату проектных работ; приобретение электро-
технического (трансформаторные подстанции, кабельное хозяйство,
пускорегулирующие устройства), светотехнического (осветители, ис-
ходное количество ламп), технического (подвеска ламп с регулируе-
мой высотой, поддоны для корнеобитаемого субстрата, баки для рас-
творов и др.) оборудования; оплату монтажных и наладочных работ.
В настоящий период хронической инфляции, плавающих договор-
ных цен в оплате материалов, оборудования и труда конкретно оценить
в рублях сумму первоначальных затрат не представляется возможным.
Эксплуатационные затраты (в дополнение к обычной теплице),
помимо амортизационных отчислений, будут в основном определять-
"ся затратами на электроэнергию, лампы и увеличение оплаты труда
обслуживающего персонала в связи с повышенными квалификацион-
ными требованиями к тепличницам и необходимостью в электрике.
Поскольку стоимостное выражение всех составляющих эксплуатаци-
онных затрат тоже непрерывно меняется (как и реализационная цена
получаемой продукции), для ориентировочной оценки этих затрат
можно использовать относительные показатели в виде удельных за-
трат электроэнергии и ламп на единицу продукции. Исходя из вели-
чин удельной мощности устанавливаемых источников света, их срока
службы, продолжительности вегетации культур, их ожидаемой уро-
жайности и др., удельные затраты электроэнергии и ламп при выра-
щивании огурцов и помидор на полностью искусственном освещении
будут следующими:
Лампы ДМЗ-ЗООО Лампы ДРИ-2000-6
Огурцы: Электроэнергия кВтч/кг 60-65 65-75
Лампы ШТ./КГ 0,015 0,017
Томаты: Электроэнергия кВтч/кг 90-100 100-115
Лампы шт./кг 0,022 0,025
197
Примерно те же показатели будут и при использовании многостел-
лажных установок с люминесцентными лампами для выращивания зе-
леных овощей: удельные затраты электроэнергии составят =65 кВт ч/кг.
а расход люминесцентных ламп - около 0,13 шт./кг продукции
На середину 1999 г. стоимость одного киловатт-часа электроэнер-
гии по разным регионам страны и по разным группам потребителей
была настолько различной (от 0,1 до 0,9 руб.), что только из-за оплаты
электроэнергии производство овощной продукции при полностью
искусственном освещении в зимний период может оказаться в диапа-
зоне от вполне рентабельного до совершенно убыточного. Поэтому
возможности использования зимней светокультуры будут в первую
очередь определяться местными экономическими факторами, включая
и местные сезонные цены на получаемую продукцию.
Вместе с тем необходимо иметь в виду, что промышленная свето-
культура овощных растений в зимний период должна оцениваться не
только и, может быть, даже не столько по экономическому эффекту,
сколько по социальному. Постоянное наличие свежих овощей в зим-
нем рационе самих трудящихся и их детей (в детсадах, школах) ока-
зывает благотворное влияние и на физическое, и на моральное со-
стояние людей, а в конечном счете — на производительность и закреп-
ление кадров на предприятии. Учитывая социальный эффект зимнего
обеспечения трудящихся свежими овощами и небольшой удельный
вес затрат на это хозяйство в обшем обороте средств предприятия,
можно считать целесообразным использование установок искусствен-
ного облучения овощных культур даже в случае необходимости неко-
торой дотации на эту отрасль производства.
Контрольные вопросы к главе 9
I. Какие экономические факторы следует в первую очередь учиты-
вать при организации промышленной светокультуры?
2. Какое техническое обеспечение требуется при организации работы
теплицы?
3. Какими критериями следует руководствоваться при анализе харак-
теристик источников света неизвестного типа, планируемых к ис-
пользованию для светокультуры?
4. Что необходимо знать для количественной оценки сравнительной
эффективности источника света к эталонному спектру для данной
культуры?
5 Какие условия определяют практический выбор установок для
светокультуры растений?
6. Почему при выборе субстрата для выращивания растений в усло-
виях светокультуры целесообразно использование гидропонного
метода?
198
7. По каким критериям можно вести расчеты эксплуатационных затрат
для светокультуры растений в условиях резкого колебания цен?
8. Что следует понимать под социальным эффектом от использова-
ния светокультуры?
199
ЛИТЕРАТУРА
Александрова Л. С., Клочкова М. П. Зависимость продуктивности томатов
от интенсивности излучения газоразрядных ламп // Светотехника. 1983.
№2 С. 10-11.
Берсон Г. 3., Кудряшов Ю. С. Полярное овощеводство. М.,: Агропромиздат,
1990. 157 с.
Былов В. Н., Райков Н. И., Михайлов Г. А. и др. Опыт выращивания гла-
диолусов на установке УВР И Бюлл. Главного ботанического сада АН
СССР. 1974. № 94. С. 80-85.
Волкова Е. Б., Золотухин И. Г., Лисовский I'. М. и др. Фотобиологическая
эффективность некоторых источников света в условиях светокультуры И
Светотехника. 1982. №9. С. 1-3.
Гительзон И. И., Ковров Б. Г., Лисовский Г. М. и др. Экспериментальные
экологические системы, включающие человека. «Проблемы космической
биологии». Т. 28. М.: Наука, 1975. 312 с.
Дадыкин В. П. Некоторые малоразработанные вопросы космического расте-
ниеводства, поставленные К. Э. Циолковским. «Труды девятых чтений,
посвященных развитию идей К. Э. Циолковского». М.: ИНЕТ АН СССР,
1976. С. 173-186.
Живописцев Е. Н., Косицин О. А. Электротехнология и электрическое ос-
вещение. М.: Агропромиздат, 1990. 303 с.
Замкнутая система: человек - высшие растения. Новосибирск: Наука,
1979.160 с.
Кенхем А. Э. Электрификация теплиц. М.: Колос, 1967. 224 с.
Клешнин А. Ф. Растение и свет. М.: Изд-во АН СССР, 1954. 456 с.
Кузьмин Н. А., Шумейко А. Ф. Изучение признаков корневой системы яро-
вой пшеницы в связи с селекцией на продуктивность // Научные труды
НИИСХ ЦЧО, 1980. Т. 17. № 3. С. 24-34.
Леман В. М. Культура растений при электрическом свете. М.: Колос, 1971. 320 с.
Леман В. М. Курс светокультуры растений. 2-е изд., перераб. и доп. М.:
Высш, шк., 1976. 272 с.
Леопольд А. Рост и развитие растений. М.: Мир, 1968. 494 с.
Лисовский Г. М., Булыков В. И. Установка для ускоренного размножения
селекционного материала//Селекция и семеноводство. 1973 № 2. С. 27—30.
Лисовский Г. М., Долгушев В. А. Очерки частной светокультуры растений.
Новосибирск: Наука, Сиб. Отд-ние, 1986. 128 с.
Лыгииа Л. М., Мякушко Ю. П. Ранняя диагностика гибридных растений И
Селекция и семеноводство. 1976. № 4. С. 39-41.
Максимов Н. А. Биологическая основа светокультуры растений И Тр. Ин-та
физиол. растений АН СССР. М., 1955. Т. 10. С. 7-16.
200
Максимов Н. А. Культура растений на электрическом свете и применение её
для семенного контроля и селекции // Науч.-агр. жури., 1925. Т. 2, № 7-8.
С. 395—404
Мальчевский В. П. Применение искусственного света для повышения уро-
жайности. И Докл. ВАСХНИЛ. 1938. Вып. 1-2 (10-11). С. 70-74
Мошков Б. С. Актиноритмия растений. М. Агропромиздат, 1987. 272 с.
Мошков Б. С. Выращивание растений при искусственном освещении. Л :
Колос, 1966. 287 с.
Мошков Б. С. Роль лучистой энергии в выявлении потенциальной продук-
тивности растений. М.: Наука, 1973. 60 с
Мошков Б. С., Хованская Н. В. Влияние температуры на развитие продук-
тивности яровых пшениц. И Докл. ВАСХНИЛ. 1980. № 1. С. 5-8.
Муспч В. Н., Ляшок А. К. Использование сооружений искусственного кли-
мата для ускорения селекции озимой пшеницы И Вестник с.-х. нау-
ки.. 1982. № 6. С. 40—47.
Ничнпорович А. А. Фотосинтез и теория получения высоких урожаев.
И Тимирязевское чтение. М., Изд-во АН СССР. 1956. С. 1-93.
Овощеводство защищенного грунта. / С. Ф. Ващенко, 3. И. Чекунова,
Н. И. Савинова и др. - М.: Колос, 1984.
Одуманова-Дунаева Г. А. Влияние ближней инфракрасной радиации на фо-
тосинтез растений в условиях светокультуры И Ботанический журн. 1977.
Т. 62. №6. С. 811-819.
Полонский В. И., Лисовский Г. М. Анатомо-морфологическая характери-
стика растений пшеницы при высоких интенсивностях фотосинтетически
активной радиации (ФАР) в светокультуре И Ботанический журн. 1978.
Т. 63, № 2. С. 263-269.
Полонский В. И., Лисовский Г. М., Трубачев И. Н. Оптимизация интенсив-
ности ФАР в течение вегетационного периода для ценоза пшеницы. Ин-
тенсивная светокультура растений. Красноярск, Институт физики СО АН
СССР. 1977. С. 14-34.
Протасова Н. Н., Кефели В. И. Фотосинтез и рост высших растений, их
взаимосвязи и корреляции. «Физиология фотосинтеза». М.: Наука, 1982.
С. 251-270.
Протасова Н. Н., Уеллс Дж. М., Добровольский М. В. и др. Спектральные
характеристики источников света и особенности роста растений в услови-
ях искусственного освещения. // Физиология растений. 1990. Т. 37. Вып. 2.
С. 386-396.
Рождественский В. И., Клешнин А. Л. Управляемое культивирование рас-
тений в искусственной среде. М.: Наука, 1980. 199 с.
Рохлин Г. Н. О характеристиках новых безэлектродиых серных ламп И Све-
тотехника. 1997. № 4. С. 19-23.
Свентинкин И. И. Экологическая биоэнергетика растений и сельскохозяйст-
венное производство. Пущино: Изд-во ОНТИ НЦБА АЛ СССР, 1982. 222 с.
201
Скрнпчинскпй В. В. Фотопериодизм, сто происхождение и эволюция. Л.,
Наука. 1975. 300 с.
Терское И. А., Лисовский Г. М., Ушакова С. А. и др. Возможность исполь-
зования высших растений в системе жизнеобеспечения на Луне. // Косми
веская биология и авиакосмическая медицина 1978 Т. 12, №3 С. 63-66
Тихомиров А. А., Лисовский Г. М., Сидько Ф. Я. Спектральный состав
света и продуктивность растений. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние.
1991.168 с.
Тооминг X. Г. Солнечная радиация и формирование урожая. Л.: Гидрометео-
издат, 1977. 200 с.
Тооминг X. Г. Экологические принципы максимальной продуктивности. Л.:
Г идрометеоиздат, 1984. 264 с.
Федюиькип Д. В., Головнева Н. Б., Кошелева Л. Л., Бахнова К. В. Интен-
сивная культура растений в искусственных условиях. Минск: Наука и
техника, 1988 214 с.
Шахов А. А., Хазанов В. С., Станко С. А. Об истинных спектральных свой-
ствах растений // Ботанический жури. 1961. Т. 46. № 2.
Шульгин И. А. Растение и солнце. Л : Гидрометеоиздат, 1973. 252 с.
Bula R., Tennesson D. J., Morrow R. C., Tibbitts T. W. Light Emitting Diodes
as a Plant Lighting Source. Proceedings International Lighting in Controlled
Environments Workshop. NASA antes Research Center. Moffett Field, CA
94035-1000. P. 255-267.
Harvey R. B. Growth of plants in artificial light from seed to seed // Science, 1922.
- V. 56, no. 1448 - P. 366-367.
MacLennan D. A., Turnur В. P., Dolan J. T. et al. Efficient, Full-Spectrum,
Long-Lived, Non-Toxic Microwave Lamp for Plant Growth. Proceedings Inter-
national Lighting in Controlled Environments Workshop. NASA Ames Re-
search Center. Moffett Field, CA 94035-1000. P. 243-254.
McCree K. J. The Action Spectrum, Absorptance and Quantum Yield of Photo-
synthesis in Crop Plants. // Agriculture meteorology, 1972. V. 9. — P. 191-216.
Smith H. Phytochrome - Mediated Responses Implications for Controlled Envi-
ronment Research Facilities. Proceedings International Lighting in Controlled
Environments Workshop. NASA Ames Research Center. Moffett Field
CA 94035-1000 P. 57-67.
202
Учебное издание
Тихомиров Александр Апполинарьевич
Шарупич Вадим Павлович
Лисовский Генрих Михайлович
СВЕТОКУЛЬТУРА
РАСТЕНИЙ:
биофизические
и биотехнологические
основы
Редактор А. А. Назимова
Корректор Т. Е. Бастрыгина
ЛР№ 020909 от 01.09.99.
Сдано в набор 19.11.99. Подписано в печать 21.02.00.
Формат 60x84/16 Гарнитура Таймс Уч. изд. л. 13.0.
____________Усл. печ л. 12 8. Тираж 100. Заказ №22,__________
Издательство Сибирского отделения Российской Академии наук.
630090, Новосибирск, Морской пр., 2.
Отпечатано в типографии Института физики СО РАН
660036, Красноярск, Академгородок