Зависимость интенсивности фотосинтеза от температуры воздуха и уровня освещенности

Интенсивность света, Вт/м2	Температура воздуха, °С	Интенсивность фотосинтеза, г/час м2
20 100 200 400	10 16 23 35	0,3 1,2 2.7 4,1

При определенном уровне температуры воздуха и почвы растение имеет предел возможностей, превысить который оно не может, какая бы интенсив­ность света не подавалась. При низких температурах ограничивается интенсив­ность обменных процессов в растении и соответственно темп фотосинтеза. При высоких — фотосинтез ограничивается из-за нарушения необходимого баланса с другими процессами.

В солнечную погоду в теплице целесообразно поддерживать более высокую температуру, что достигается дополнительным обогревом или уменьшением вен­тиляции. В пасмурные дни температура должна быть снижена. В ночное время температуру поддерживают на достаточно высоком уровне — для повышения интенсивности жизненных процессов в растениях.

На практике задание нужных параметров микроклимата производится с уче­том графиков зависимости температуры, интенсивности света, концентрации уг­лекислого газа, а также использованием коэффициента коррекции в процессе повышения температуры воздуха в теплице при повышении освещенности.

При ручном способе управления микроклиматом оператор не в состоя­нии постоянно отслеживать колебания уровня солнечной радиации и опера­тивно вносить изменения в температурный режим. В лучшем случае здесь корректируется лишь превышение дневной температуры над ночной для учета погоды в текущий день. Автоматические системы управления позволяют опе­ративно и точно отрабатывать необходимую тактику управления микрокли­матом. При применении дополнительного освещения в теплице необходимо обеспечивать соответствующее повышение температуры. Выбирая наиболее эффективный для растений температурный режим, необходимо помнить, что и без света процессы жизнедеятельности растений продолжаются. После сол­нечных дней в них накапливаются углеводы, последующие преобразования которых продолжаются в течении 72 часов. Для повышения темпов роста эастений на определенных фазах развития повышают ночную температуру

воздуха — в соответствии с количеством солнечной энергии, которую полу­чило растение на прошедший световой день.

Переход от одних значений температуры к другим должен осуществлять­ся постепенно, чтобы не возникало большого перепада между температура­ми воздуха и самих растений. Скорость изменения температуры при перехо­де от дня к ночи (и наоборот) должна составлять не более 5—6 "С.

Таким образом, повышение урожайности тепличных культур возможно лишь на основе постоянного контроля микроклимата культивационных соо­ружений и сбалансированного управления им.

Рассмотрим более подробно влияние основных факторов и режимов мик­роклимата на рост, развитие, плодоношение и урожайность овощных культур.

СВЕТОВОЙ РЕЖИМ

Для нормального роста и развития растения необходим свет определенного спектрального состава, достаточной интенсивности на протяжении определенного времени. От этого зависит питание растений, их рост, развитие и урожайность.

Только на свету в зеленых листьях осуществляется важнейший физиологи­ческий процесс — фотосинтез, в процессе которого создается около 95% органи­ческой массы урожая и аккумулируется вся энергия, накапливаемая в организме.

Влияние света на урожай наиболее значимо. Компенсация недостатка освещенности по экономическим причинам более проблематична по сравне­нию с компенсацией недостатка других факторов.

В большинстве случаев для оценки интенсивности роста растений ис­пользуют показатели интенсивности фотосинтеза, мерой которого является количество углекислого газа, поглощенного растениями в единицу времени на единице площади — г/час м². Характеристикой света служит его интен­сивность, измеряемая, в Вт/м². Зависимость интенсивности фотосинтеза от интенсивности света предоставлена на рис. 3.3.

Характер кривой показывает, что темпы фотосинтеза возрастают при увеличении интенсивности света. Это особенно ярко проявляется при низ­ких уровнях освещенности в зимний период (до 200 Вт\м²). В этом случае двукратное увеличение светового по­тока приводит к аналогичному уве­личению темпов фотосинтеза.

В начале развития растений, когда площадь листьев небольшая, повыше­ние темпа фотосинтеза происходит при более низких уровнях освещенности, чем при развитом листовом покрове взрослых растений. Поэтому на общем слабом световом фоне даже незначительное дополнительное освещение — досвечивание рассады — дает ощутимый эффект.

В летнее время при высоком общем свето­вом фоне его небольшое снижение не ока­зывает значительного влияния на интен­сивность фотосинтеза. В то же время не­большое снижение светового уровня, осо­бенно в красной части спектра, позволяет снизить перегрев растений, сбалансиро­вать тепловой и водный режимы и тем са­мым не просто сохранить исходный, но и получить более высокий уровень интен­сивности фотосинтеза. В связи с этим в летнее время целесообразно применение специальных экранов.

Спектральный состав света также очень важен для растений. Ультрафи­олетовые лучи (длина волн — 380—400 нм) благоприятны для рассады и нежелательны в период активной вегетации и плодоношения. Оранжево-красные лучи (595—750 нм) способствуют интенсивному накоплению био­массы и раннему цветению. При преобладании в спектре сине-фиолетовых лучей (400—490 нм) активизируются процессы плодоношения. Желто-зеле­ные лучи наименее поглощаемы растениями, под их влиянием увеличивает­ся расход энергии на дыхание. Наименее благоприятна для растений инф­ракрасная радиация (750 нм), вызывающая перегрев и иссушение растений.

Общеизвестно, что лучистая энергия Солнца улавливается листом не пол­ностью. Часть энергии проходит мимо листа, естественно теряясь для фотосин­теза. Из энергии, падающей на лист, 15% отражается в окружающую среду, 10% проходит сквозь лист, потому что лист очень тонок и 75% поглощается листом. Всего лишь около 15% общего количества лучистой энергии используется для фотосинтеза, а 70% или еще больше превращается в тепло, г

Листья растений в солнечную погоду значительно теплее окружающего воздуха и поэтому они излучают тепло вследствие разности температур.

Таким образом, отводится около 20% поглощенной энергии, а остальные 50% используются для транспирации, поскольку для этого требуется очень много тепла (рис. 3.5).

При достаточном количестве солнеч­ного излучения фотосинтез в растении про­исходит во много раз интенсивнее, чем ды­хание, поэтому в них накапливаются орга­нические вещества. По мере уменьшения интенсивности излучения процесс фото­синтеза ослабевает, и наконец, наступает такой момент, когда интенсивность фото­синтеза и дыхания одинаковы. Такое сос­тояние равновесия, как известно, называ­ется компенсационной точкой. При даль­нейшем уменьшении интенсивности излучения начинает преобладать процесс дыхания над процессом фотосинтеза и расте-

ния вместо накопления органических веществ расходует их, вследствие чего у них сначала прекращается рост и опадают листья, а затем они погибают. Повышенная температура в культивационных сооружениях при недостатке света ускоряет дыхание растений.

В различных географических широтах условия естественного освещения различны. Летом день на юге короче, на севере длиннее. Солнце на юге высоко стоит над горизонтом, поэтому воздействует на растения иначе, чем на севере.

Астрономическая продолжительность дня зависит от географической ши­роты и времени года. На юге она колеблется от 10 до 14 ч, а в средней полосе летом достигает 16—17 ч, зимой уменьшается до 6—7 ч. Однако продолжи­тельность дня, используемая растением для накопления органических ве­ществ в процессе фотосинтеза, значительно меньше астрономической. Ле­том она составляет 14 ч, а зимой не более 3 ч в сутки. Понятие "солнечный день" зимой и летом неоднозначные: зимой поступает 200—240 дж/см² в сутки, летом — 2000 дж/см² и более.

Помимо продолжительности периода суток, на интенсивность естествен­ного освещения растений влияют облачность, дожди, загрязнение воздуха ды­мом и пылью. Даже при ясной погоде часть солнечной радиации перехватыва­ется атмосферой. При облачной погоде много солнечных лучей отражается в пространство или поглощается облаками. Даже малая облачность ослабляет лучистый поток в 2—4 раза, а дождевые облака — в 5—8 раз и более.

Повышенная температура в культивационных сооружениях при недостат­ке света ускоряет дыхание растений.

Большинство тепличных растений, в зависимости от своих физиологических особенностей, растут и плодоносят при освещенности 8—12 тыс. люксов. Такой мощности поток наблюдается в конце февраля и в сентябре. Зимой освещен­ность на поверхности Земли в полдень на открытом месте достигает около 4—5 тыс. люксов, что примерно в 15 раз меньше освещенности в эти же часы летом. Еще меньше лучистой энергии поступает на Землю в утренние и послеполуден­ные часы. Освещенность культивационных сооружений в это время совсем низ­кая. Вследствие отражения и поглощения света стеклом она уменьшается при­мерно на половину по сравнению с освещенностью на открытом месте, так как

около 10% падающего света от­ражается стеклом, 10% поглоща­ется конструкцией теплиц. При 30% потере света вследствие заг­рязнения кровли теплиц общие потери составляют 50%. Если на почву поступает 20% света, то на долю растения остается все­го 30% (рис. 3.6)

Важное значение для про­цессов развития растений име­ет спектральный состав радиа­ции. Солнечные лучи представ­ляют собой электромагнитные излучения с волнами различой

длины. Красные (720—620 нм) и оранжевые (620—595 нм) лучи — основной вид энергии для фотосинтеза, они задерживают переход растений к цветению;

синие и фиолетовые (490—380 нм) участвуют в фотосинтезе, стимулируют образование белков и переход к цветению растений короткого дня, замедляя развитие растений длинного дня. Длинные ультрафиолетовые лучи (315—380 нм) задерживают вытягивание стебля, повышают содержание некоторых ви­таминов, а средние ультрафиолетовые (250—315 нм) увеличивают холодостой­кость растений, способствуют их закаливанию. Желтые (595—565 нм) и зеле­ные (565—490 нм) лучи минимально физиологически активны. Ближние инф­ракрасные лучи (780—1100 нм) несут в основном тепловую энергию.

Наиболее важной для жизни растений является видимая часть оптического излучения (380—710 нм), которая воспринимается человеческим глазом как свет. Ее часто называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР), поскольку мно­гие физиологические процессы не могут проходить без видимого излучения света,

Различают прямую и рассеянную солнечную радиацию. Интенсивность ее зависит от высоты стояния солнца, чистоты атмосферы. Сумму энергии прямой и рассеянной солнечной радиации называют суммарной радиацией. Соотноше­ние прямой и рассеянной радиации зависит от времени года и географической широты местности. Осенью и зимой преобладает рассеянная радиация.

Приход радиации в декабре-январе определяет возможность начала культу­ры огурца и томата, и характер использования теплиц. В связи с этим вся терри­тория бывшего СССР по приходу суммарной солнечной радиации на открытую горизонтальную поверхность и фотосинтетически активной радиации в тепли­цах за декабрь-январь (кДж/см²) разделена на 8 световых зон, которые обозна­чены цифрами от 0 (Крайний Север) до 7 (по Ващенко) (табл. 3.3).

Таблица 3.2

Приток суммарного интегрального оптического излучения (СИОН) на открытую горизонтальную поверхность и ФАР теплицы в декабре и январе, МДж/м² в месяц (ОКТП-СХ 10-85)

Свет. зона	Город	Широта	СИОН в зоне	ФАР в теплице
декабрь	январь	декабрь	январь
IV	Берегово (Закарпатская обл.)	48°20-	67,0	108,9	20,1	33,5
IV	Ботпево (Запорожская обл.)	46°40'	75,42	104,8	22,6	32,7
IV	Донецк	48-00'	79,6	108,9	23,9	33,5
IV	Киев	50°30'	67,0	96,4	20,1	29,3
IV	Конотоп (Сумская обл.)	51°10'	58,7	88,0	17,6	26,8
IV	Ковель (Волынская обл.)	51°10'	62,8	92,2	18,9	28,1
IV	Харьков	50°00'	67,0	96,4	20,1	29,3
V	Одесса	45°40'	100,6	117,3	30,2	36,4
V	Херсон	46°-37'	96,4	113,1	28,9	35,2
VI	Симферополь	45°00'	113,1	129,9	33,9	40,2
VI	Евпатория	45°'15'	117,3	142,5	35,2	44,4

Примечание: суточный минимум ФАР для культуры огуриа по периодам вегетации (МДж/м²) при посадке — 0,42—0,50, при росте и образовании плодов — 1,17; для томата соответственно 1,01—1,15 и 1,59.

Приведем некоторые населенные пункты Украины, расположенные в соответствующих световых зонах в табл. 3.2.

Таблица 3.3 Суммарная солнечная радиация в световых зонах СНГ в МДж/м²

Световая зона	Суммарная солнечная радиация	Приход ФАР в теплицах
	0,4-1,3	0,08-0,21
	1,7-5,0	0,46-1,34
	5,9-8,8	1,47-2,43
	9,2-13,4	2.56-4,07
	13,9—19,3	4,2-5,79
	19,7-22,7	6,34-7,14
	22,7-31,1	7,27—9,66
	31,5—54,6 и выше	9,78—16,17 и выше

Условия освещенности растений в сооружениях защищенного грунта за­висят от многих факторов, в частности от выбора участка, размещения соору­жений, угла наклона кровли, качества стекла, его загрязнения, размещения растений в теплицах и т. п. Загрязнение стекла может снизить освещенность на 50% и более. Против загрязнения применяют предупредительные меры. Грязь устраняют мойкой кровли специальными моющими средствами. При­нято считать, что увеличение освещенности теплиц на 1% приводит к повы­шению урожая овощных культур на 1%.

Для более рационального использования лучистой энергии Солнца рас­тениями в теплицах применяют оптимальные схемы посадки, способы фор­мирования растений, шпалерный способ ведения культуры.

Немаловажное значение для проникновения лучистой энергии в тепли­цы имеет угол наклона кровли. Конструкция теплиц должна быть рассчита­на на наиболее темный период и рассеянное излучение. Угол наклона кров­ли 25—30° обеспечивает наилучшую освещенность в течение года. Увеличе­ние угла наклона кровли более 30° нежелательно. При этом образуется тень, и, кроме того, для таких теплиц требуется больше строительного материала и они обходятся дороже. Кровля теплиц должна быть "ажурной" и не притенять растений.

Большое значение для освещенности теплиц имеет качество стекла и пленки. Обычное оконное стекло пропускает преимущественно длинновол­новое излучение — красное и желтое, но значительно больше задерживает ультрафиолетовое излучение. Полиэтиленовая и поливинилхлоридная плен­ка по светопроницаемости имеет преимущество перед стеклом только по пропусканию, ультрафиолетового излучения.

Требовательность к свету тепличных культур различна. Она может изме­няться у одной и той же культуры в зависимости от способа выращивания (посев семян, рассадный способ или способы, основанные на использова­нии органов запаса пластических материалов, — выгонка, доращивание и др. табл. 12).

Таблица 3.4