Воздействие импульсного освещения растений на их продуктивность

УДК 631.81.036+631.547.03

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНОГО ОСВЕЩЕНИЯ  РАСТЕНИЙ

НА ИХ ПРОДУКТИВНОСТЬ

– магистрант 1 курса Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова.

– научный руководитель, кандидат физико-математических наук, доцент Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова.

Исследованы способы увеличения продуктивности культурных растений. Показано, что используемые в современном сельском хозяйстве способы химического воздействия и генной инженерии вызывают негативную реакцию человеческого сообщества и заставляют переходить на органическое земледелие. В работе определено, что наибольшую перспективу представляют методы физического воздействия на растения, являющиеся экологически чистыми. Поскольку, фундаментальной основой жизни растения является фотосинтез, то основное внимание уделяется оптимизации процесса и повышению его к. п.д.

Показаны некоторые опыты по использованию импульсного облучения и приведены результаты подобных экспериментов.

Рассмотрены общие принципы регулирования процесса освещения и сделан вывод о том, что одним из действенных факторов повышения фотосинтетической деятельности растений является воздействие на растения импульсным освещением. Рассмотрены различные способы создания импульсного освещения, изменение его параметров, регулирование фаз освещения и темновых фаз.

На основе проделанного анализа сделан вывод о необходимости выполнения исследований по определению наиболее эффективных способов светового воздействия. Предполагается варьировать временем воздействия, соотношением световых и темновых фаз, сменой фаз воздействия различной интенсивности и прочих.

Ключевые слова: импульсное освещение, растения, продуктивность, фотосинтез

ӨСІМДІКТЕРДІҢ ӨНІМДІЛІГІНЕ ИМПУЛЬСТЫҚ

ЖАРЫҚТАНДЫРУДЫҢ ӘСЕРІ

– А. Байтурсынов атындағы Қостанай мемлекеттік университетінің 1 курс магистранты

– ғылыми жетекші, физика - математика ғылымдарының кандидаты, А. Байтурсынов атындағы Қостанай мемлекеттік университетінің доценті

Мәдени өсімдіктердің өнімділігін арттыру әдістері зерттеледі.Қазіргі заманғы ауыл­шаруа­шылықта қолданылатын химиялық әсерлер мен гендік инженерия әдістері адам қоғамдастығына теріс реакция тудырады және органикалық егін шаруашылығына көшуге мәжбүрлейтіні көрсе­тіл­ген. Жұмысымызда экологиялық таза өсімдіктерге физикалық әсерлердіңәдістері үлкен перспек­ти­ваға ие болатыны анықталады. Дегенмен, өсімдіктің іргелі негізгі өмірі фотосинтез болып табылады, процесті оңтайландыру және оның ПӘК-ін арттыруға негізгі назар аударылады.

Импульстық жарықтандыруды қолдануда кейбір тәжірибелер көрсетілген және осындай эксперименттер нәтижесі жүргізілген.

Жарықтандырудың реттеу процесінің жалпы принципі қарастырылған және өсімдіктің фотосинтездік әрекетін арттыру факторының бірі өсімдікке импульстық жарықтандыру әсері болып табылатындығына қорытынды жасалды. Импульстық жарық жасау үшін әртүрлі әдістер, оның параметрлерінің өзгерісі, жарық және қараңғы фазасын реттеу қарастырылған.

       Осы талдаудың негізінде жарық әсердің ең тиімді жолдарын анықтау үшін зерттеулер жүргізу қажеттігі туралы қорытынды жасалды. Жарық және қараңғы фазалар қатынасымен, әртүрлі интенсивті өзгеретін фазалар әсерімен, әсерлесу уақытымен болжанады.

Тірек сөздер: импульстық жарықтандыру, өсімдіктер, өнімділік, фотосинтез

THE PULSED LIGHTING PLANTS FOR THEIR PRODUCTIVITY

Zhandarbekova A. M. - Master of 1 course of Kostanay State University named after A. Baitursynov.

Poezzhalov V. M. - scientific leader, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor Kostanay State University named after A. Baitursynov

To explore ways of increasing the productivity of crop plants. It is shown that, as used in modern agriculture methods of chemical exposure and genetic engineering cause a negative reaction of the human community and make the transition to organic farming. The paper identified that the greatest prospects are methods of physical effects on plants, which are environmentally friendly. Since the fundamental basis of life is to plant photosynthesis, the focus is on the optimization of the process and increase its efficiency.

       Showing some experiments on the use of pulsed radiation and the results of such experiments.

The general principles of regulation of lighting and concluded the process that one of the most effective factors to increase the photosynthetic activity of plants is the impact on plant pulsed light. Different ways to create a pulsed light, change its settings, regulation of light phases and dark phases.

On the basis of this analysis the conclusion about the need to conduct research to identify the most effective ways to light exposure. It is supposed to vary the exposure time, the ratio of light and dark phases, phase change impacts of different intensity and others.

Keywords: pulsed light, plants, productivity, photosynthesis

При оценке эффективности культурных видов и сортов растений необходимо учитывать как их потенциальную продуктивность, так и экологическую устойчивость. Под потенциальной продуктив­ностью растений обычно понимают их способность с наибольшей эффективностью использовать благоприятные факторы внешней среды. Изменяя внешние условия можно добиться максимального проявления потенциальных возможностей сельскохозяйственных растений, увеличения их продук­тив­нос­ти и, следовательно, возрастания урожайности. Примером этого влияния человека на продук­тивность растений являются применение в растениеводстве химических веществ–стимуля­торов рост, удобрений, гербицидов и пестицидов. Однако химическое воздействие на культурные растения привело к химическому загрязнению, как самой растительной продукции, так и окружающей среды. Вредность этого воздействия общеизвестна. Поэтому современное экологическое растениеводство требует минимального химического воздействия или даже полного отказа от него, путем внедрения органического земледелия.

Другой способ повышения урожайности, связанный с воздействием на генетический аппарат растений - генная инженерия - вызывает все больше и больше критики и, скорее всего, не может решить проблемы увеличения продуктивности сельского хозяйства.

Известно, что растения обладают значительным потенциалом продуктивности, которая может быть открыта только при специфических воздействиях на них. Если не использовать показанное ранее химическое и генное воздействие, то остается только физическое, обладающее абсолютной экологичностью, воздействие.

Фундаментальной основой жизни растения является фотосинтез, вокруг которого группируются все процессы метаболизма [1]. Познание механизмов формирования продуктивности растений непосредственно связано с изучением процесса фотосинтеза от стадии первичных реакций запасания световой энергии до его структурно-функциональной организации в растении и в агрофитоценозе [5]. Ключевым вопросом современных фотосинтетических исследований является изучение механизмов регуляции фотосинтеза. При исследовании механизмов формирования и функционирования всего фотосинтетического аппаратанаиболее актуальной является проблема взаимо­действия различных регуляторных систем жизнедеятельности растений. В течение длитель­ного времени предпринимались попытки решить проблему повышения урожайности путем интенси­фи­кации процессов фотосинтеза. Однако усилия в данном направлении не дали существенных результатов, поскольку фотосинтез как энергетический процесс выполняет в растении исполни­тельную функцию – отслеживает и обеспечивает потребность растения в ассимилятах [1, 5].

Новым перспективным подходом к решению проблемы повышения продуктивности растительной продукции является разработка способов, позволяющих оптимизировать структурно-функциональное состояние фотосинтетического аппарата, исходя из энергетических потребностей растений в изменяющихся условиях внешней среды.

Оптимизация фотосинтетических процессов требует выяснения закономерностей форми­ро­вания и функционирования фотосинтетического аппарата сельскохозяйственной продукции на разных уровнях системной организации и этапах онтогенетического развития (включая стадию прорастания семян) в норме и пристрессе. Таким образом, разработка способов оптимизации структурно-функционального состояния фотосинтетического аппарата растений является важным условием решения актуальной проблемы современного сельского хозяйства – повышения продуктивности сортов.

Выращивание растений в защищенном грунте является наиболее информативным методи­ческим приемом для изучения их физиологических реакций при воздействии оптического излучения. В настоящее время известен ряд приемов и методов искусственного облучения, к которым, прежде всего, следует отнести импульсное и переменное облучение [4]. В различных исследованиях под светоимпульсным облучением растений понимается прерывистое действие концентрированного солнечного или электрического света, сфокусированного на растительный объект. Причем свето­импульсное облучение производится либо дополнительно к естественному солнечному освещению, либо перемежается периодами интенсивного облучения с фазами полной темноты.

Целесообразность внедрения светоимпульсного облучения в растениеводство побуждают исследовать механизм действия фотоимпульсов на растения. Применение световых импульсов осуществлялось разными исследователями достаточно давно. Причем в некоторых опытах интервалы между импульсами были темновыми, а в других варьировалась только интенсивность света. Причем было показано, что при чередовании кратковременных периодов света и темноты об-лу­чение является перемежающимся и не обладает той эффективностью, какой отличается облучение импульсного концентрированного солнечного света (ИКСС) [4]. За время облучения, обычно составляющего в сумме несколько минут действия световых импульсов, биологический объект облучается относительно большим интегральным потоком лучистой энергии повышенной плотности. Фотобиофизические и фотобиохимические процессы, вызванные в растениях или на поверхности растительного объекта светоимпульсным облучением, не завершаются одновременно с окончанием облучения; они продолжаются, ослабляясь или усиливаясь, разное время в зависимости от органа растения и его физиолого-биохимической активности.

Освещение растений солнечным излучением повышенной плотности в импульсном режиме может увеличивать коэффициент использования растениями солнечной энергии. Для выявления скрытых возможностей увеличения степени использования растениями солнечного света был испытан сфокусированный рефлектором солнечный свет. Такой отраженный зеркальной вогнутой поверхностью свет является концентрированным и обладает в фокальном пятне повышенной плотностью, энергия которого превосходит плотность энергии прямого солнечного света в 10-, 20-, 50- раз и более. Концентрированный свет подается на растительные объекты прерывисто, импульсами, с постоянной частотой. Продолжительность импульса тоже постоянна и составляет от 1 до 0,001 сек. и меньше; пауза между импульсами - 0,1 - 0,02 сек. Плотность энергии ИКСС – десятки кал/см2, а плотность энергии одного импульса – 103-108 эрг/см2.

При увеличении интенсивности света скорость фотосинтеза возрастает только до опре­де­ленного порога. Изменяя продолжительность темновых интервалов при использовании насыщающего импульсного освещения, можно определить длительность работы темнового аппарата. Тогда можно подобрать такую интенсивность и время насыщающей вспышки, при которых все молекулы хлорофилла, непосредственно связанные с темновым аппаратом, будут однократно загружены (не сработают дважды) и каждая из них будет инициировать образование одной молекулы проме­жу­точ­но­го стабильного продукта. С учетом квантового расхода фотосинтеза почислу молекул конечного продукта (число выделенных молекул О2 или поглощенных молекул СО2) можно рассчитать число фо­то­химически активных молекул хлорофилла, сопряженных с темповыми реакциями. Таким спо­собом было рассчитано, что в фотосинтетическом аппарате на каждую активную молекулу хлоро­филла приходится (по данным Эмерсона и Арнольда) 2400 молекул фотохимически неактивного хлорофилла. Поболее поздним данным Шмида и Гаффрона, количество неактивных молекул хлорофилла в фотосинтетической единице в зависимости от физиологического состояния и освещения равно 300, 600, 1200, 2400, 4800. Импульсный способ освещенияпредполагает дискретное  изменение параметров потока оптического излучения. Данный способ освещения применялся для лабораторных исследований, и рассматривается как один из способов изменения интенсивности и длительности воздействия потока оптического излучения.

В 1905 году английский физиолог растений , интерпретируя форму кривой светового насыщения фотосинтеза, высказал предположение, что фотосинтез представляет собой двух стадийный 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 [4].

В сельском хозяйстве большие перспективы имеет электротехнология, т. к., во-первых, электроэнергия в будущем станет почти единственным источником энергетического обеспечения, а, во-вторых, из года в год увеличивается количество новых технологий, основанных на использовании электричества как источника энергии и как специфического источника электрофизиологического воздействия на рост растений [3].

В условиях рыночной экономики тенденция роста стоимости электроэнергии увеличивает себестоимость тепличного производства. Использование дополнительного облучения позволяет увеличить урожайность, получить тепличным хозяйствам дополнительную внесезонную прибыль, добиться более раннего поступления продукции потребителю.

В связи с этим перспективной является решение проблемы, направленной на сокращение затрат электроэнергии, базирующихся на знании биологических особенностей поглощения растениями энергии оптического излучения, увеличению выхода продукции в защищенном грунте.

Важно установить, какой из этих методов является наиболее эффективным, необходимо определить соотношение между фазами интенсивного освещения и фазами уменьшения его величины или фазами полного отсутствия света (темновыми фазами). Необходимо также определить и наиболее эффективный объект облучения, поскольку облучаемым объектом могут быть целое растение, семена, пыльца, клубни, цветки, метелки, колосья, черенки и т. д. Необходимо так же определить и оптимальное время облучения, обычно составляющее в сумме несколько минут действия световых импульсов, когда биологический объект облучается относительно большим интегральным потоком лучистой энергии повышенной плотности.

Для этого подготовлен фитотрон, в котором устанавливаются емкости с почвой. Почва во всех емкостях засыпается одинакового качества и одинаковой продуктивности. Емкости устанавливаются таким образом, что одна из емкостей находится в полной темноте, вторая и третья освещены естест­венным светом. Третья емкость не подвергается дополнительной подсветке и является контрольной. Над первой и второй емкостями устанавливаются импульсные осветители с отражателями, которые обеспечивают равномерное освещение емкостей с высаженными в них экспериментальными растениями.  Электронное устройство управления освещением позволяет в широких пределах регулироватькак длительность самого светового импульса, так и промежутки между ними.

Данное устройство позволяет производить досвечивание растений, находящихся как в условиях естественного освещения (емкость №2), так и освещение растений, находящихся в полной темноте (емкость №1). Поскольку для нормального развития растений требуются красно-синее освещение, то для досвечивания  растений выбираются лампы с соответствующими спектральными характеристиками. Возможно и применение светодиодных ламп повышенной яркости, если светотехнические и спектральные характеристики их будут соответствовать требованиям.

Литература:

1. Фотосинтез // Химическая энциклопедия. Т. 5. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. С. 175–179.

2. отосинтез. Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. 134 с.

3. , Электричество в жизни растений. – М.: Наука// Человек и окружающая среда. 1991, - 160 с.

4. Светоимпульсная стимуляция растений. – М.: Наука, 1971. – 375 с.

5. Кабашникова, аппарат и потенциал продуктивности хлебных злаков / . – Минск: Беларус. навука, 2011. – 327 с. – ISBN 978-985-08-1345-9.