Тепличные технологии

Технологии для огорода и теплиц TOPSY TURYY и SKY PLANTER

0

технологии Topsy Turvy и SKY PLANTER


Характеристика технологий Topsy Turvy и SKY PLANTER


технологии Topsy Turvy и SKY PLANTER


технологии Topsy Turvy и SKY PLANTER для клубники


технологии Topsy Turvy и SKY PLANTER для цуккини


технологии Topsy Turvy и SKY PLANTER


технологии Topsy Turvy и SKY PLANTER


технологии Topsy Turvy и SKY PLANTER


технологии Topsy Turvy и SKY PLANTER


Гелеотропизм


Эксперимент с геотропизмом растений


Эксперимент Найта Т.Э.


влияние невесомости на растения


клиностата Сакса-Пфеффера


Модуль-центрифуга


влияние невесомости на растения


влияние невесомости на растения


влияние невесомости на растения


влияние невесомости на растения


Теплица башенного типа

 

Теплица башенного типа


Теплица башенного типа

Солнечная теплица для приусадебных участков

0

Научный обзор по способам создания переменного облучения растений

0

Установлено, что общепринятое понятие облучательной установки подразумевает наличие источника оптической энергии и сопутствующее светотехническое оборудование. На самом деле связь между источником излучения и биологическим объектом осуществляется при помощи технических средств (устройств, механизмов, конструкций и т.д.) и положения рабочей поверхности относительно источника излучения (различные виды стеллажей). Следовательно, установка переменного облучения – это комплексное понятие, которое включает в себя технические средства, меняющие параметры переменного облучения во времени и формирующие поток оптического излучения в объеме теплицы. Остановимся подробнее на каждом из способов создания облучения (рис. 1).

5

Рисунок 1. Способы переменного облучения

Постоянный способ облучения предполагает наличие стационарных ламп, не изменяющих свое положение в пространстве. Это достаточно распространенный и технически простой способ, при котором создается сплошной светящийся потолок над облучаемой поверхностью. При регулировании освещенности в вегетационных климатических установках и теплицах применяются включение и отключение групп источников, перераспределение светового потока за счет изменения фотометрических характеристик облучателей и другие способы. Недостатком большинства способов является ступенчатость регулирования освещенности с одновременным нарушением равномерности освещения, что ведет к изменению фотометрических характеристик светового поля. Не учитывается освещенность в зоне растения, т.е. одностороннее воздействие на биообъект. С нашей точки зрения, данный способ облучения самый энергоемкий, это обусловливается наличием большого количества источников и светотехнического оборудования, необходимостью затрат на их покупку, установку, обслуживание, замену и т.д.

1

Прерывистый способ облучения предполагает дискретное (ступенчатое) изменение параметров потока оптического излучения. Данный способ облучения в основном применялся для лабораторных исследований, и рассматривается здесь как один из способов изменения интенсивности и длительности воздействия потока оптического излучения.

В 1905 году английский физиолог растений Ф.Ф. Блекмэн, интерпретируя форму кривой светового насыщения фотосинтеза, высказал предположение, что фотосинтез представляет собой двухстадийный процесс, включающий фотохимическую, т.е. светочувствительную реакцию, и нефотохимическую, т.е. темновую реакцию. Световую и темновую реакции можно разделить, используя вспышки света, длящиеся краткие доли секунды. Вспышки света длительностью меньше одной миллисекунды можно получить либо электрически заряженным конденсатором, разряжая его через вакуумную или газоразрядную лампу, либо с помощью механического приспособления, поставив на пути пучка постоянного света вращающийся диск со щелью, либо движущейся ширмы перед источником света. Скорость движения данных устройств задает ритм воздействия энергии оптического излучения на объект.

Опыты Варбурга О. (30-е гг... XX в.) со вспышками света имели большое значение для развития представлений о механизме фотосинтеза. Проведенные им исследования показали ингибирующее действие высоких концентраций кислорода на фотосинтез, что впоследствии получило название «эффекта Варбурга». В 1914…1919 гг. А.А. Рихтером, О. Варбургом было установлено, что прерывистое освещение некоторых растений приводит к значительному повышению скорости фотосинтеза. О. Варбург установил, что прерывистый свет усиливает интенсивность фотосинтеза. Усиление это тем значительнее, чем быстрее совершается смена света и темноты. Так, если свет и темнота сменяют друг друга 8000 раз в минуту, то интенсивность фотосинтеза возрастает на 100 %; при смене, равной 4 раза в минуту, увеличение составляет всего 10 %. Такой эффект наблюдается, однако, только при высокой интенсивности света. При слабом свете прерывистый режим освещения не вызывает усиления фотосинтеза. На основании этих опытов О. Варбург пришел к выводу, что в темноте наступает реакция, которая входит в цепь реакций фотосинтеза. Вещества, являющиеся продуктом этой реакции, также участвуют в фотосинтезе, причем прерывистый свет способствует повышению концентрации их к концу темных периодов по сравнению с концентрацией, которая получается при непрерывном свете. Слабый свет недостаточно быстро разлагает эти вещества, в результате чего прерывистое освещение в этом случае не дает положительного эффекта. Создавая режим переменного освещения, можно получить высокие величины фотосинтеза (80…90 мг  на 1 дм2 в 1 ч), близкие к потенциально возможным при солнечном освещении. Последующие работы А.А. Рихтера, Р. Эмерсона и А. Арнольда с прерывистым светом показали, что фотосинтез включает быстрые фотохимические реакции и медленные энзиматические. Таким образом, эти два типа реакций удалось разделить во времени, что имело большое значение для изучения их природы. Опыты с прерывистым светом и работы В.Н. Любименко (1935) по определению ассимиляционного числа легли в основу современной концепции о «фотосинтетической единице».

В настоящее время ученые Л.М. Шульгина, В.И. Атаманов, М.А. Цеханский (2002) применили прерывистое облучение растений при помощи устройства из источника света и расположенного над ним фокусирующего зеркального отражателя.

2

Переменный способ облучения предполагает плавное (постепенное) изменение интенсивности потока оптического излучения. Переменный способ облучения создается при помощи движущихся источников излучения: возвратно-поступательное движение источников (горизонтальное или вертикальное), вращательное, колебательное, прецессионное движения облучателей, отражателей, светильников.

Суточный ход фотосинтеза растений в естественных и искусственных условиях характеризуется значительной неравномерностью. Такое колебание нельзя отнести только на счет изменений внешних условий, решающее значение в этом процессе принадлежит внутренним факторам жизнедеятельности растений. Колебание дневного хода фотосинтеза связано с процессом, в котором более высокая интенсивность фотосинтеза затем сменяется глубокой депрессией. В период спада интенсивности фотосинтеза бесполезно и не безвредно для растения поддерживать высокий уровень облученности, при котором достигается максимальное значение этого показателя. Исходя из этого, необходимо осуществлять постоянное регулирование уровня облученности сообразно с ходом фотосинтеза. Использование низкой облученности в период спада интенсивности фотосинтеза приведет к оправданному снижению расхода электроэнергии. Таким образом, сущность способа переменного облучения заключается в периодическом воздействии на растения высокой облученностью на фоне постоянного действия относительно низкой.

Впервые обратил внимание на значение переменного облучения еще Ж.Б. Буссенго, отметивший начало фотосинтеза одновременно с появлением света и прекращение его при затемнении растения. А.А. Рихтер нашел, что при переменном облучении интенсивность фотосинтеза выше, чем при непрерывном. Е.Р. Гюббенет показала преимущество влияния переменного облучения на процесс зеленения этиолированных растений. Продолжая эти исследования, И.Е. Вавилин определил содержание хлорофилла в листьях при различных режимах искусственного переменного облучения. В этих опытах объектами исследования были огурцы и томаты. Растения получали заданный режим сразу же после всходов. Выращивали растения под люминесцентными лампами типа ЛДЦ при интенсивности физиологической радиации от 8000 до 36000 эрг/с·см2 и общей продолжительности цикла свет–темнота 12 с. Режимы чередования света и темноты соответственно были следующими: 1,5 и 10,5 с; 3 и 9 с; 4,5 и 7,5 с; 5 и 7 с; 6 и 6 с. Кроме того, был режим 15 и 15 с. Контрольные растения освещали непрерывно по 16 ч в сутки. Для количественного определения хлорофилла пробы брали 5 раз в сутки (в 8, 11, 14, 17 и 20 ч). Содержание хлорофилла начинали определять после того, как растения образовали 5 настоящих листьев. Пробы брали только у листьев 2-го и 3-го ярусов. Одним из результатов исследования было установлено следующее: наибольшее содержание пигментов наблюдается при продолжительности светлых и темных периодов в 5…6 с. Как увеличение, так и уменьшение этих промежутков ведет к снижению содержания хлорофилла.

Аналогичные данные приводит Bonde в опытах с томатами. Представленные результаты могут быть объяснены некоторым соответствием промежутков освещения данной продолжительности внутреннему ритму растения, проявляющемуся в синтезе хлоропластов. Под стационарными рамами с люминесцентными лампами все растения облучаются почти равномерно. Но уже в 15 см от края рамы, имеющей боковые экраны, интенсивность физиологической радиации уменьшается почти в 100 раз, снижаясь от 25…30 тыс. до 200…300 эрг/с·см2. Такое резкое разграничение по площади физиологической радиации позволило использовать рамы с люминесцентными лампами для создания переменного освещения растений.

В опытах Лемана В.М., Богачева И.И. (1959) растения выращивали в камерах без естественного освещения. Источником переменного искусственного освещения служили квадратные светильники, т.е. рамы с люминесцентными лампами (0,8 м2), которые по 16 ч в сутки двигались вперед и назад над опытными растениями. Частота смены светлого (6000 лк) и темного (60 лк) периодов и продолжительность каждого из них зависели от ширины каждой рамы, расстояния между отдельными рамами и скорости их движения. Лучшие результаты были получены при продолжительности каждого периода около 6…7 с. Таким образом, не нарушая фотопериодического режима, выращивали растения при постоянной смене света по интенсивности, что оказывало сильное действие на рост растений и различные физиологические процессы.

Мошков Б.С. и Ковальчук А.М. (1966) провели опыт с молодыми растениями огурцов и томатов, где в течение 15…30 дней при 18-ти часовом дне через час чередовали относительно сильный свет 700 Вт/м2 с относительно слабым 100 Вт/м2, созданный лампами накаливания, контролем служили растения, которые получали только сильный или только слабый свет. В результате опыта выявилось, что самыми лучшими растениями стали те, которые получали чередующуюся мощность потока излучения.

Отдельно необходимо поговорить о книге Лемана В.М. «Курс светокультуры растений» / В.М. Леман. – Москва: Высшая школа, 1976. – 272 с. Первое ее издание было в 1961 г. Книга очень интересная с точки зрения описания и проведения научных экспериментов, связанных с растениями и различными способами освещения. Именно Леман В.М. применил термин переменное освещение и использовал движущуюся облучательную установку для выращивания растений.

В исследовательских целях В.М. Леман (1976) использовал горизонтальные рамы с люминесцентными лампами, которые монтировались на постоянно движущиеся каретки над растениями вперед и назад со скоростью 10…15 м/мин. Было установлено, что переменное облучение способствует росту и активизации физиологических процессов растений. При одинаковой интенсивности и равной затрате лучистой энергии и электроэнергии растения под движущимися установками имели больше листьев с большей ассимиляционной поверхностью и, главное, образовывали больше сухого вещества. Необходимо отметить, что при стационарном освещении люминесцентными лампами размеры отдельных растений мало отличаются. При переменном освещении положение иное. В то же время растения средних рядов значительно превосходят контроль по ряду показателей, в том числе и по весу сухого вещества. Средний вес одного растения на 38 % превышает средний вес контрольных. Расход электроэнергии на образование единицы веса сухого вещества при переменном освещении снижается почти вдвое по сравнению с постоянным. Такого же порядка экономия лучистой энергии на образование равного количества сухого вещества. Для образования растениями огурцов 500 мг сухого вещества при постоянном освещении затрачивается 1460 тыс. лк·ч, а при двойном ходе рамы – 700 тыс. лк·ч, т.е. в 2 раза меньше. Желая детальнее убедиться в эффективности переменного освещения, были выращены растения под газоразрядными лампами других типов – неоновыми и ртутными. При затрате равного количества лучистой энергии вес сухого вещества растений, выращенных при синем свете (подвижная ртутная лампа), в 2…3 раза, а площадь листьев в 3 раза превышали контроль. При красном свете (подвижная неоновая лампа) эффект был несколько слабее: вес сухого вещества опытных растений превышал контроль на 36 %, а площадь листьев – в 2 с лишним раза. Расчет эффективности переменного режима освещения по накоплению сухого вещества на единицу площади листьев (г/м2) показал значительное преимущество переменного освещения: белый свет – 175 %, красный – 254 %, синий – 120 %. Данные, полученные при разном спектральном составе освещения, подтвердили положительный биологический эффект переменного освещения.

В опытах, проведенных А.Г. Молчановым (1985), чередовались относительно низкая и относительно высокая облученность. Разработанная технология включала в себя несколько циклов, при этом фотопериод начинался с низкой, а затем менялся на высокую облученность каждые четыре часа. Световой день был разбит так, чтобы растения перед темным периодом суток получали относительно высокую облученность. Исследования, проведенные А.Г. Молчановым (1985) в области применения переменного облучения для выращивания рассады огурцов в защищенном грунте, заслуживают внимания с точки зрения решения вопроса о выборе интенсивности облучения и продолжительности работы источника света. В данных исследованиях использовались натриевые лампы высокого давления с мощность  400 Вт – ДНаТ 400. Переменное облучение создавалось периодическим чередованием интенсивностей, т.е. низкая интенсивность сменялась ступенчато высокой и наоборот. Переменное облучение создавали перестановкой сосудов с растениями из одного варианта в другой. Контроль – растения, выращенные при неизменном облучении. Концентрация основных фотосинтезирующих пигментов являлась критерием качества и количества облучения. Концентрацию хлорофилла определяли каждые два часа после перестановки вегетационных сосудов в течение шести часов. По всем вариантам наблюдалась общая закономерность в изменении накопления пигмента: у растений, переставленных под более высокий уровень облученности, концентрация хлорофилла уменьшалась, а у переставленных в вариант с низкой – возрастала по сравнению с контролем. Этот процесс приспособления пигментной системы зеленого листа к вновь созданным световым условиям наиболее энергично происходил в первые четыре часа. Чередование относительно низкой и относительно высокой освещенностью создавало переменное облучение. Фотопериод начинался с низкого значения, затем цикл менялся каждые четыре часа, ускоряя рост и развитие рассады в 1,5…2 раза. Это позволило получить высококачественную рассаду огурцов за 19 дней с одновременной экономией электроэнергии до 28…30 % по сравнению с традиционным постоянным облучением. Влияние переменного облучения на растения не ограничивалось непосредственно действием в рассадный период и сохранялось до плодоношения. Качественная хорошо развитая рассада, обладающая большой ассимилирующей резервностью, толстыми стеблями, мощной корневой системой, предопределяла в дальнейшем опережающие темпы роста и развития растений в естественных световых условиях. Цветение и первый сбор огурцов, рассада которых была выращена при переменном облучении, наступили на 11 дней раньше контрольного варианта.

Переменное облучение, на большие преимущества которого указывали исследователи В.П. Мальчевский (1946), Б.С. Мошков (1950), В.И. Леман (1976), Л.Г. Прищеп (1980), А.Г. Молчанов (1985), В.А. Козинский (1991), В.П. Шарупич (1993), В.В. Малышев (2000), В.А. Андрийчук (2003) и другие, до конца не изучено. Но попытки выращивания растений с помощью чередующихся по интенсивности уровней облученности в течение светлого периода суток показали, что урожайность достигает тех величин, что и при постоянном облучении, а расход электроэнергии на единицу продукции намного меньше.

Обзор литературных источников по использованию переменного облучения показал, что у исследователей нет единого мнения о параметрах режима такого воздействия на растения. Например, чередование низкой и высокой облученности происходило следующим образом:

  • «световые удары» Мальчевского В.П. (1938) – каждые три часа по 5…20 мин;
  • в опытах Любименко В.Н. и Мецкова Ф.Ф. (1949) – с двухчасовым интервалом смены интенсивностей;
  • в опытах Мошкова Б.С. и Ковальчука А.М. (1966) – облучение меняло интенсивность каждый час;
  • Леман В.М. (1976) предлагает максимальный уровень облученности над растениями менять через каждые 5…7 с на фоне умеренного естественного облучения и т.д.
  • Молчанов А.Г. (1985) предлагает изменять режим облучения через каждые 4 ч.

Такое разногласие авторов по поводу продолжительности и интенсивности воздействия, по-видимому, связано с тем, что в разных опытах использовались разные виды и сорта растений, а также источники оптического излучения с неодинаковой спектральной характеристикой, с различным уровнем интенсивности. Но заслуживает внимания факт, что каким бы путем  не было достигнуто создание переменного режима освещения, продуктивность фотосинтеза растений увеличивалась.

Одни из первых промышленных установок с применением переменного облучения были разработаны Леманом В.М. (1976). В многостеллажной установке использовалось стационарное размещение рам из люминесцентных ламп, находящихся над растениями в каждом ярусе стеллажа. Следующий вариант располагал над однорядным стеллажом рамы из люминесцентных ламп, которые двигались возвратно-поступательно. Мобильный вариант установки состоял из тележки с закрепленными на ней рамами из люминесцентных ламп, которая двигалась вдоль стеллажей по рельсам. Каждый вариант был довольно громоздким и затратным, нерационально использовалось естественное освещение, поступающее в теплицу, из-за конструкции облучателей.

Одновременно подобные установки были предложены для промышленного использования Козинским Б.А. (1971), а затем Прищепом Л.Г. (1976, 1980) и другими. Все они в качестве источника оптического излучения использовали люминесцентные лампы, смонтированные в блоки. Такое техническое решение, как правило, требовало больших начальных капитальных затрат, использование сплошных светящихся потолков увеличивало стоимость и усложняло эксплуатацию установок. Надежность работы подобных систем была невелика, т.е. схема электропитания содержала большое количество соединений и включала в себя специальную пускорегулирующую аппаратуру (ПРА). Вместе с тем, отключение части ламп могло привести к росту неравномерности распределения лучистой энергии, что неизбежно приводит к снижению качества облучаемых объектов. При этом доля использования естественной радиации была невысока. Но для своего времени такие установки были достаточно прогрессивными и широко использовались в практике овощеводства защищенного грунта.

Представители Международной исследовательской группы Эп Хеувелинк, Вагенингенского университета Нидерландов Л. Марселис, Т. Дуеск в статье, представленной в электронной версии журнала «Гавриш» (на сайте www.greenhouses.ru), говорят о том, что в настоящее время передвижные лампы активно используют в теплицах Голландии в течение последних  10 лет, и они считаются весьма эффективными. В существующих осветительных системах лампы перемещаются по рельсам назад и вперед на расстоянии друг от друга от 2…4 (близкий свет) до 25 м (дальний свет). При одинаковой мощности ламп продуктивность растений, выращиваемых с использованием мобильных и стационарных осветительных систем, существенно не различалась, более того при использовании дальнего света результаты были хуже, чем в случае фиксированных ламп, эксплуатация которых обходилась дешевле. Однако системы дальнего света могут быть оправданы в том случае, когда требуется низкий уровень освещенности, для чего используют небольшое число ламп. Очевидно, что фиксированный источник света не может равномерно освещать всю теплицу, поэтому перемещающиеся лампы получают определенные преимущества.

Козинский В.А. (1966), Лычкин В.В., Османов С.С. (1978), Прищеп Л.Г. (1980) разработали промышленные установки переменного облучения, в которых использовалось вращение источников излучения, так называемые карусельные установки.

4

Экспериментальными исследованиями было установлено, что карусельные установки с лампами дневного света и с лампами типа ДРЛ позволяют при выращивании огурцов и томатов сократить потребление электроэнергии в несколько раз по сравнению с неподвижными установками такой же мощности. Лампы в таких установках вращаются с небольшой скоростью над растениями и тем самым создают режим облучения с переменной интенсивностью. Длина крыльев таких установок 10 м и 3 м. Перепад освещенности составлял в среднем . Момент максимальной освещенности наступает через каждые 7 с.

Известна работа профессора Андрийчук В.А. (2003) (Харьковская академия городского хозяйства) по созданию облучательной установки, в которой использовались переменные световые поля, создаваемые при колебательном движении облучателей. В данной установке использовались разноспектральные источники излучения, а именно лампы ДНаТ-400 с увеличенной долей красных лучей в спектре и лампы ДРИ-250-5 с увеличенной долей синих лучей. Разработаны научно-технические основы построения средств создания переменных световых полей с широким диапазоном изменения параметров, изготовлены и апробированы в производственных условиях их экспериментальные образцы. Профессором Андрийчук В.А. в разное время были изготовлены и испытаны несколько типов конструкций облучательных приборов для создания переменных световых полей: с вращением облучателя или его отражательного элемента вокруг одной или двух осей; с прецессионным движением облучателя вокруг вертикальной оси; с возвратно-поступательным движением облучателя и колебательным движением облучателя.

3

В продолжение данной темы выполнена работа в Тернопольском национальном педагогическом университете имени В. Гнатюка. Герц А.И. (2009) выращивал растения в вегетационно-климатических камерах при круглосуточном искусственном облучении. Переменное облучение обеспечивалось посредством установки с колебательным движением облучателя (Андрийчук В.А., 2003). Необходимый уровень облучения (40…80 Вт/м2) задавался высотой облучателя относительно растений. Использовались лампы ДНаТ-250 (натриевые лампы, Полтавский завод «Центр», Украина) и лампы ДРИ-250-5 (металлогалогенные лампы, Полтавский завод ГРЛ, Украина). Была доказана эффективность применения переменного облучения с точки зрения повышения продуктивности фотосинтеза и уменьшения энергозатрат на облучение растений.

Заслуживает внимания работа Костик Л.М. (2008), проведенная в Тернопольском государственном техническом университете им. Ивана Пулюя. Работа посвящена моделированию облучательных установок для светокультуры растений и оценке их эффективности. Предложена математическая модель и конструкция облучательного прибора переменного облучения с обратно-поступательным движением облучателя. Разработаны математические модели облучательных приборов с круглосимметричным и несимметричным световым распределением, особенностью которых является взаимосвязь их трех структурных элементов – источника излучения, приемника облучения и посевного участка.

Переменный режим облучения можно формировать при помощи движущихся рабочих поверхностей, подвергающихся облучению, при этом создается световой режим, переменный по интенсивности, с различным ритмом облучения. Канадскими учеными R. Guay, R. Theriault (1990) разработана и испытана двухуровневая теплица, в которой используется естественное освещение на верхнем уровне и искусственное освещение – на нижнем уровне. Применение тросовой тяги через определенный интервал времени меняет положение уровней.

Импульсный и комбинированный способ облучения предполагает кратковременное (импульсное) изменение параметров потока оптического излучения. Это направление подразумевает использование коротких импульсов света повышенной мощности, полученных от различных источников, импульсных разрядных ламп, лазеров, а также фокусировкой солнечного излучения. В 60-е годы Шаховым А.А. и Станко С.А. изучено воздействие концентрированного солнечного света на процессы в растениях. Экспериментатор пользовался известным в ту пору у гелиотехников рефлектором Бухмана. Был открыт эффект прерывающегося луча. Первая научная публикация об открытии светоимпульсного эффекта в литературе появилась в 1962 году. Она послужила основанием для развития новейшего научного направления – фотоэнергетики растений.

При изучении спектральных свойств растений учеными Шаховым А.А., Станко С.А., Шищенко С.В., Хазановым В.С. (1974) опыты по дополнительному освещению растений инфракрасным (лампами накаливания) и ультрафиолетовым (бактерицидные и эритемные лампы) облучением привели к выводу об эффективности использования квантов фотосинтетически неактивного света в различных процессах жизнедеятельности. Из фактов о зависимости от более широкого участка спектра, чем дает ФАР, а также о сильном влиянии концентрированного солнечного света на нефотосинтезирующие органы, сделано заключение о нефотосинтетическим использовании и запасании световой энергии растениями с увеличением их энергетического потенциала. Шахов А.А., по сути, является основателем нового научного направления – фотоэнергетика растений, основными задачами которого являются изучение проблем преобразования и использования энергии света растениями на клеточном, мембранном, молекулярном и организменном уровнях.

Была выдвинута концепция о том, что за трансформацию поглощенных квантов света и запасание его энергии в растениях ответственны не только хлорофилл и хлоропласты, а вся клетка; концепция о глубокой взаимосвязи фотосинтетических и световых нефотосинтетических процессов, первичных и вторичных генераторов энергии, что определяет биоэнергетическую направленность исследований. Такой способ воздействия света на растения может осуществляться дополнительно к постоянному непрерывному освещению, либо независимо от него. Сообщается, что светоимпульсное воздействие на рассаду, вегетирующие растения может стимулировать процессы фотосинтеза и увеличивать продуктивность растений.

Данные, полученные Шаховым А.А., дали толчок к развитию импульсного облучения в светокультуре. Отмечается, что в этом режиме растения более эффективно используют энергию оптического излучения, т.е. КПД фотосинтеза выше по сравнению с непрерывным. Облучательные установки, которые используют импульсный и комбинированный способы облучения, создают световой режим, использующий световой и темновой периоды фотосинтеза, свойственные растениям.

Достаточно апробировано применение импульсного облучения в светокультуре исследователями: Корж Б.В. (1978), Большина Н.П. (1985),  Козинский В.А. (1991), Овчукова С.А. (2001) и другие. Отмечается, что в этом режиме растения более эффективно используют энергию оптического излучения, т.е. КПД фотосинтеза выше по сравнению с непрерывным. К недостаткам импульсного способа облучения растений с неподвижными источниками излучения относятся необходимость подбора длительности светового импульса и темнового периода конкретно для каждой культуры. Возникает необходимость в дополнительной разработке схем, дающих импульсный режим работы лампы. Создается дополнительная нагрузка питающей сети из-за скачков, которые происходят при постоянном включении и выключении лампы. Также не решается вопрос равномерного облучения технологической поверхности. Не все растения могут длительно переносить импульсное облучение, т.к. наблюдается недостаточное синтезирование основного энергоносителя аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), осуществляющей дальнейший перенос энергии и аккумулирующей ее в фотосинтетических центрах (ФСЦ). Генерирование АТФ возможно при облучении растений со значительно меньшим уровнем, чем требуется для протекания процесса фотосинтеза. АТФ снимает переизбыток энергии. Если количество недостаточно, то получается, что канал закрыт, и энергия накопления в ФСЦ деградирует в тепло, вызывая ожоговые явления в растениях.

Для решения этой проблемы Кондратьева Н.П. (2003) предлагает комбинированный режим облучения растений, т.е. режим, в котором чередуются постоянный и импульсный способы облучения. Она предлагает разработанные электрические схемы, позволяющие обеспечить комбинированный режим для ламп как низкого, так и высокого давления. При чередовании  30-секундного импульсного облучения с 15-секундным непрерывным облучением не происходят изменения стационарного -газообмена по сравнению с непрерывным облучением.

При этом целесообразно поддерживать длительность непрерывного облучения – не менее половины длительности импульсного. Благодаря сочетанию импульсного и непрерывного облучения этот режим назван комбинированным. Поэтому, основываясь на рекомендациях Коржа В.Б. (1978) и результатах исследований Большиной Н.П. (1985) был проведен эксперимент Кондратьевой Н.П. (2004) (Большиной Н.П.) по сравнению влияния непрерывного, импульсного и комбинированного режимов облучения. Опыты проводились в фитотроне кафедры электротехнологии МИИСП им. Горячкина на меристемных растениях. По результатам исследования видно, что наиболее эффективно растения используют энергию оптического излучения при комбинированном облучении, т.к. при фактически одинаковой скорости нарастания ассимиляционной поверхности листьев и одинаковой биомассе расход электроэнергии на единицу сырой массы в этом режиме на 30 % меньше, чем при непрерывном. При всей своей привлекательности комбинированный режим облучения сохраняет некоторые недостатки, свойственные импульсному режиму облучения, а также одностороннее воздействие на биообъект, и не до конца решенный вопрос обеспечения равномерности облучения.

Разноспектральный (разноэнергичный) способ облучения предполагает использование в одной облучательной установке ламп с различным спектральным составом. Они могут работать одновременно и создавать единый световой поток, или попеременно, через определенный временной промежуток включается лампа сначала одного спектрального состава, а затем другого спектрального состава. В той или иной степени при изучении влияния интенсивности, спектрального состава, длительности воздействия на растения оптического излучения применялись различные способы облучения (постоянный, прерывистый, переменный и т.д.). Данной теме посвящены работы Воскресенской Н.П. (1965, 1975, 1988), Золотухина И.Г. (1980),  Протасовой Н.Н. (1988), Тихомирова А.А. (2001) и других.

Объектами исследования Астафурова Т.П. (2001) служили растения огурца (Cucumis sativus L). Растения выращивали до 28-дневного возраста под комбинированными светильниками, состоящими из одной лампы типа ДРЛФ-400 и четырех ламп красного света ЛК-40. Контролем служили растения, выращенные под лампами ДРЛФ-400. Интенсивность света во всех вариантах составляла 30 Вт/м2, продолжительность освещения 16 ч. Светотехнический расчет комбинированной облучательной установки (опыт) показал, что в смешанном светопотоке получается следующие соотношение спектральных участков: синий:зеленый:красный 0,4:1,0:0,5, в то время как у ламп ДРЛФ-400 это соотношение 0,39:1,0:0,33 (контроль).

Богатыревым С.Д. (2002) разработана комбинированная облучательная установка с облучательными приборами 0Т-400 МЕ-046-У5 и 0Т-400 МИ-050-У5. Данная установка позволяет облучать рассаду при ее минимальном затенении от естественного излучения. Установленная мощность установки уменьшена на 21 % при одновременном увеличении облученности рассады на 20 %. Средний коэффициент неравномерности распределения облученности по рабочей поверхности составляет 1,072. Выявлено, что полный урожай комбинированной облучательной установки существенно превышает контроль на 16…17 %, а начало сбора урожая с комбинированной облучательной установки опережает контроль на 2 дня.

Из анализа существующих облучательных установок, использующих источники света с различным спектральным составом, для создания светового режима применяют либо прерывистый (дискретный), либо переменный (плавный) способ облучения. Например, один из вариантов работы такой установки – формирование светового режима с одновременным включением (выключением) разноспектральных источников облучения. Другой вариант, когда лампа определенного спектрального качества плавно изменяет интенсивность облучения, при этом вторая лампа с другим спектральным составом медленно увеличивает свою яркость. Таким образом, может создаваться световой режим с различным ритмом облучения растений. Следующим примером активизации физиологических процессов у растений могут служить опыты по освещению растений в разные периоды онтогенеза радиацией разного спектрального состава. Разработка и реализация облучательных установок такого типа, создающих различные световые режимы как по спектру, так и по интенсивности, стала возможной с появлением светодиодных ламп.

В исследованиях, проведенных Тихомировым А.А. (1991), по выявлению эффективности использования фитоценозами излучения ФАР различного спектрального состава и интенсивности (КПД фитоценозов) анализируется зависимость на примере ценозов, выращенных при режимах облучения, различающихся плавным изменением спектральных характеристик облучения. В качестве таких режимов представляют двухкомпонентные сочетания излучения отдельных спектральных областей ФАР; в некоторых происходит плавный переход от излучения, где доминирует одна из двух спектральных областей, к излучению, где доминирует другая спектральная область ФАР. Существенную роль в изменении эффективности использования падающей на ценоз энергии играют различия как в ее спектральном составе, так и в используемых уровнях облученности. По сути это переменный способ облучения. Максимальные значения таких КПД при сине-красном и зелено-красном излучении, когда используются облученности 100 Вт/м2 ФАР, более чем в 5…6 раз превосходят максимальные значения КПД при облученности 600 Вт/м2 ФАР для тех же комбинаций отдельных областей ФАР. В рамках данной задачи была установлена зависимость урожая от спектра и интенсивности. Выявлено, что с ростом уровня облученности ФАР усиливается эффективность синих лучей и ослабевает красных.

Рыбаковой Г.Р., Тихомировым А.А., Чепелевой Г.Г. (2002) изучен способ выращивания растений в условиях светокультуры с применением постоянного и переменных спектральных режимов облучения с целью установления влияния на накопление вторичных метаболитов. При создании стрессовых условий для растений при смене одного спектрального режима облучения другим наблюдалось увеличение накопления биомассы и усиление вторичного метаболизма, что дает возможность накапливать наиболее ценные вещества, свойственные определенному растению. Создается перспектива регулировать в растениях не только увеличение биомассы, но и выращивать растения с определенным набором необходимых веществ, тем самым повышая качество конечной продукции.

Исследование Дойко И.В. (2003) посвящено влиянию различных спектральных режимов облучения на накопление биологически активных веществ в биомассе Echinacea purpurea L. Moench и Rudbeckia hirta L. при выращивании в условиях светокультуры. Экспериментально установлено, что по относительному и абсолютному содержанию биологически активных веществ наиболее эффективным оказалось выращивание в режиме перестановки с белого на «голубой» свет. Перестановка с белого на «голубой» свет способствовала более интенсивному, чем в контроле (белый свет) накоплению в изучаемых видах растений гидроксикоричных кислот (в 1,3 раза), аскорбиновой кислоты и каротиноидов (в 1,2 раза), без достоверных различий в содержании водорастворимых сахаров.

Способ облучения по градиенту (направленности) воздействия на растения предполагает использование взаимного положения источника излучения и рабочей поверхности. В настоящее время реализованы два варианта. Первый, когда регулируется положение источника излучения относительно растения, фитоценоза. Несомненно, такую возможность дает переменный способ облучения при движении источника света. Второй, когда относительно стационарного источника излучения меняет свое положение рабочая поверхность с облучаемыми растениями. Примером такой технологии является разработанная и изученная канадскими учеными R. Guay, R. Theriault (1990) конструкция двухуровневой теплицы, в которой через определенное время перемещаются в пространстве, меняя свое положение, верхний и нижний стеллажи. Но возможен и третий вариант (в перспективном будущем), когда взаимосвязано относительно друг друга перемещаются в пространстве источник излучения и рабочая поверхность (например, меняя угол наклона). Предполагается подстраивать структуру агрофитоценоза под светототехнические характеристики источника света и создаваемого им светораспределения в пространстве и по рабочей (облучаемой) поверхности.

Из проведенного анализа выявлено, что переменный способ облучения имеет ряд преимуществ, в отличи от остальных способов создания облучения:

  • движение облучателей создает переменный световой режим, не приводящий к нарушениям физиологических функций растений, что обусловлено их способностью, сохранять относительно стабильное состояние при плавных изменениях интенсивности облучения. Резкие и длительные воздействия приводят к нарушению многих функций растения и к его гибели;
  • повышается равномерность облучения, создается эффект объемного, рассеивающего, диффузного облучения, более благоприятного для растений;
  • снижается тепловое давление на растения, поскольку в спектре излучения разрядных источников высокого давления значительную часть составляет тепловое излучение;
  • применяя движущие облучатели, можно сократить количество ламп и сопутствующего светотехнического оборудования и т.д., тем самым сократить энергозатраты на облучение растений и затраты на технологическое обслуживание;
  • отсутствуют дополнительные электросхемы, регулирующие режим работы ламп, тем самым упрощается обслуживание и эксплуатация;
  • отсутствуют частые включения и выключения ламп, что положительно влияет на срок службы и качество работы в течение всего времени эксплуатации.
Вверх