14.02.2014

Каждому овощу — свой луч

Технический прогресс шагнул так далеко, что сегодня при выращивании овощей и фруктов мы перестали зависеть не только от поры года, но и от времени суток. На овощных фабриках круглый год выращивают продукцию, а для увеличения длительности светового дня досвечивают растения электрическими лампами. Но и самые совершенные из них дают больше тепла, чем света, и требуют частой замены. Революцию в этой области обещают новые источники света — светодиодные.

Изучением таких светильников и занимаются в лаборатории биофизики и биохимии растительной клетки Института биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси. Моими экспертами согласились стать старшие научные сотрудники лаборатории кандидаты биологических наук Николай Козел и Владимир Доманский, а также аспирант Евгений Вязов. Главная задача лаборатории сегодня — теоретически обоснованный выбор светодиодов с различными спектральными характеристиками для выращивания разных видов растений.

Первый светодиод, появившийся в 1962 году, был настолько крохотный, что его создателю и в голову не могло прийти использовать его для освещения. Долгое время светодиоды использовали просто в качестве индикаторных лампочек, сегодня же они обещают в корне изменить растениеводство.

Радуга света

Свет — обязательная составляющая жизни растений. Они преобразуют энергию света в свою энергию за счет процесса фотосинтеза. Солнечный свет содержит в своем составе частоты разных длин волн, от красного до фиолетового (вспомните школьную физику — «каждый охотник желает знать, где сидит фазан»). А кроме того, и невидимые для человеческого глаза излучения — инфракрасное и ультрафиолетовое. Но, как оказалось, для фотосинтеза требуется не весь спектр солнечного света, а лишь его часть с длиной волны 380-710 нм. Управление фотосинтезом — эффективный путь воздействия на продуктивность и урожайность культур. На свету из углекислого газа и воды образуются углеводы, из которых затем синтезируются белки, жиры и биологически активные вещества. И чем фотосинтез активнее, тем выше урожайность.

В свое время К. А. Тимирязев доказал, что источником энергии для фотосинтеза служит преимущественно длинноволновая часть спектра (красные лучи) солнечного света, а влияние коротковолновой части (сине–зеленой) не так уж и существенно. Но это если судить о процессе, так сказать, «по валу». Свет из других областей спектра может выполнять важные функции: заставлять растения поворачиваться, вызывать цветение, способствовать созреванию плодов и т. д.

Выше — ниже

Спектр естественного солнечного света меняется в течение дня и во многом зависит от состояния атмосферы. С увеличением высоты стояния солнца увеличивается количество ультрафиолетовых лучей и снижается число инфракрасных. А когда Солнце встает над горизонтом, в его лучах еще нет спектра от синего до ультрафиолетового света.

Овощные культуры, где бы они ни росли (в теплице или в открытом грунте), испытывают на себе постоянно меняющийся количественно и качественно спектральный состав света. Более полный во всех отношениях свет получают культуры открытого грунта. В теплицах света на 30 процентов меньше из–за ограждающих материалов, их состава и степени чистоты. Через стекло не проходят лучи с длиной волны менее 340 нм, а полиэтиленовая пленка пропускает и длинноволновые инфракрасные лучи.

У растений за поглощение света отвечают специальные пигменты. Основные из них — хлорофиллы a и b, а также каротиноиды. Хлорофиллы поглощают свет синего и красного диапазонов, а каротиноиды — только синего.

«Цветное» солнце

У каждого участка спектра света своя роль в жизнедеятельности растений. Как вы думаете, почему листья зеленые? Потому что ЗЕЛЕНЫЕ лучи практически проходят через листовые пластинки. Листья становятся очень тонкими, а их осевые органы вытягиваются. Зеленая часть спектра полезна для фотосинтеза плотных листьев и листьев нижних ярусов, куда синие и красные лучи почти не доходят.

УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ излучение с длиной волны менее 280 нм губительно для растений. За 10-15 минут такого воздействия растительные белки теряют свою структуру, и клетки прекращают делиться. Листья желтеют и скручиваются, стебли загибаются, точка роста отмирает. Но, к счастью, такой спектр практически невозможен: жесткий ультрафиолет не достигает земной поверхности, его задерживает озоновый слой атмосферы.

Средние ультрафиолетовые лучи (280-315 нм) действуют наподобие пониженных температур, закаляя растения и повышая их холодостойкость. На хлорофилл ультрафиолетовые лучи практически не влияют.

Длинные ультрафиолетовые лучи (315-380 нм) необходимы для обмена веществ и роста растений. Они задерживают вытягивание стеблей, увеличивают содержание витаминов, в том числе и аскорбиновой кислоты.

ФИОЛЕТОВЫЕ И СИНИЕ лучи благодаря наличию в клетках растений пигментов фототропинов участвуют в таких процессах, как фототропизм побега, движение хлоропластов, устьичные движения. Эти лучи стимулируют образование белков, регулируют скорость развития, приближая наступление периода цветения растений короткого дня и замедляя развитие длиннодневных культур.

Под воздействием синего света растение закладывает больше цветков. В одном из экспериментов, проведенных в лаборатории, огурец дал 30 бутонов. Столько и не надо: культура все равно сбросит лишнюю завязь. Тем не менее эксперимент себя оправдал. Синий свет управляет изгибом ростка и стебля. Со стороны источника синего света рост клеток тормозится, поэтому стебель и изгибается. Вот вам и объяснение, почему рассада вечно клонится в сторону окна. Она «идет» на этот свет.

Сине–фиолетовая часть спектра света почти полностью поглощается хлорофиллом, что создает условия для максимальной интенсивности фотосинтеза. Отсюда — увеличение зеленой массы.

Ученые установили, что активнее всего на физиологические процессы, происходящие в растениях, воздействуют КРАСНЫЕ лучи. Они в сочетании с оранжевыми представляют собой основной вид энергии для фотосинтеза. Красный свет хорошо поглощается хлорофиллом. Активнее всего, как показали опыты, такие лучи воздействуют на томаты и огурцы в теплицах. При облучении этих культур в вечерние часы они быстрее росли и лучше плодоносили.

Красный свет ускоряет цветение растений длинного дня (пшеница, салат, редис, шпинат) и задерживает цветение культур короткого дня (фасоль, огурец, некоторые сорта томатов, баклажан, перец). Такой свет необходим для развития корневой системы, созревания плодов и цветения. Но сильная «накачка» красным, наоборот, приводит к излишнему росту вегетативных органов (то есть зеленой массы) в ущерб генеративным (цветам и плодам).

ИНФРАКРАСНЫЕ лучи также по–разному воздействуют на растения. На инфракрасный свет с длиной волны до 1100 нм томаты реагируют слабо, а вот огурцы — очень сильно. Этот диапазон света растягивает подсемядольное колено, стебли и побеги. Более длинные лучи только повышают температуру листа, который от этого начинает вянуть. А вслед за ним погибает и все растение.

В некоторых исследованиях было показано, что в оптимальном по составу для многих растений освещении должно быть примерно 30 процентов синего, 20 процентов зеленого и 50 процентов красного света. Тогда урожайность значительно выше, чем при традиционном освещении. При этом время на рост и вызревание урожая сокращается в два раза! Хороший результат также получен при использовании красных ламп с 14–процентной добавкой синего света. Плоды были хорошо сформированы и созревали на несколько дней раньше, чем под зеленым и синим светом.

Вот и получается, что каждая из трех основных составляющих спектра солнечного света (синяя, зеленая и красная), взятая в отдельности, малопригодна для выращивания растений.

Рассадный вопрос

Подав тепличному растению так называемый концентрированный пучок полезного света, можно значительно ускорить его рост и созревание. На этом и основан принцип конструирования светодиодных осветителей, позволяющий исключить ненужные цвета для растений, увеличив при этом интенсивность красного и синего света. Двойной, а то и тройной урожай некоторых культур за сезон — это не фантастика, а грамотное и эффективное освещение. Важен и сам световой спектр, который в различные периоды роста растения нужен разный.

При выращивании рассады предпочтение следует отдать лампам с более высоким содержанием синих и фиолетовых лучей, которые задерживают растяжение клеток, и рассада не вытягивается. Растения, выращенные при таком освещении, более компактные, с укороченными междоузлиями.

Если нет светодиодов, можно использовать энергосберегающие люминесцентные лампы. Они экономичны. Да и их световой поток близок к солнечному свету.

Чем крупнее растение, тем большее количество света ему требуется. При его недостатке любая культура перестает расти, независимо от других, самых лучших условий.

Подсвечивать — это не значит светить круглые сутки. Непрерывное освещение (24 часа) растениям не нужно. Для фотосинтеза необходима и темнота, во время которой «переваривается» накопленная за день энергия. Непрерывный свет вызывает у растений, особенно у томата, многочисленные физиологические расстройства. И в первую очередь хлороз. Так, время работы ламп над огурцами не должно превышать 16-18 часов, для томата — 14-16 часов, а для перца — 20 часов.

Альтернативы нет

Можно ли прикрыть люстру белого света цветной пленкой или фильтром, чтобы получить цветной поток света? Можно. Но зачем? Такой прием ничего не даст растениям. Дело в том, что сама пленка или фильтр света не производят, а лишь отфильтровывают ее лишний спектр. Приложив красное стеклышко, мы получим поток света, окрашенный в красный цвет. Но красного света в нем будет не больше, чем в привычном белом. Просто синего и зеленого будет меньше. На этом, кстати, отчасти спекулируют продавцы, продавая цветную пленку.

К тому же таким приемом мы вообще снизим интенсивность светового потока. А ведь растениям он нужен в полном объеме: вредного света для них не существует. Разве только свет высокой интенсивности, от которого культуры погибают. Также бесполезно применение люминесцентных ламп с окрашенным баллоном (такие лампы применялись для декоративного освещения витрин). Сейчас выпускают люминесцентные лампы с маркой FLUORA специально для выращивания растений. Но они себя не оправдывают. Да, в их спектре нет зеленого света. Зато выход свечения у этих ламп ниже, чем у обычных, а конечный результат ничтожен (если он вообще есть). Да и стоят они очень дорого.

Энергоэффективность современных светодиодов уже значительно превзошла этот показатель люминесцентных ламп и продолжает расти. А стоимость — падает. Поэтому нет оснований сомневаться, что в недалеком будущем светодиоды вытеснят традиционные источники света и в растениеводстве.

Наталья Тышкевич

Источники:

1. sb.by