CC BY
18
2. ЕКОЛОГШ ДОВК1ЛЛЯ
УДК 630*[627.3+907.2] Проф. Л.1. Котй, д-р с.-г. наук; а^р. О.1. Озаркв;
доц. 1.П. Тереля, канд. с.-г. наук - НЛТУ Украши, м. Львiв
ФОТОБ1ОЛОГ1ЧНА Д1Я СОНЯЧНОГО ВИПРОМ1НЮВАННЯ НА Л1СОВ1 НАСАДЖЕННЯ
Розглянуто основнi властивостi Сонця як природного джерела випромшюван-ня. Наведено класифжащю електромагнiтного випромiнювання i його вплив на нав-колишне середовище. Описано вплив сонячно! енерги на фотосинтез.
Ключовг слова: сонце, джерело випромшювання, навколишне середовище, фотосинтез, хвиля, стан рослин, освiтленiсть, смуги поглинання, ефективнiсть випромi-нювання.
Потж променево! енергп, що потрапляе на листя рослин, частково вщ-биваеться, а решту !! поглинае речовина листюв, а деяка !! частина, залежно вщ !х товщини, проникае наскр1зь. Баланс розподшу променево! енергп в рослиш е дуже складним 1 представляе штерес для бюлопв 1 люниюв. Вш дае змогу робити висновки щодо умов життя рослин. Особливо важливо знати про розподш вщбито! та поглинуто! енергп за спектром, тобто як в ультрафь олетовш 1 видимш, так 1 в ближнш шфрачервонш обласл спектра. Наприк-лад, завдяки такому характеру вщбивання променево! енергп на 1Ч (шфра-червоних)-фотограф1ях, зроблених !з допомогою червоного фшьтра, який не пропускае видиме випромшювання (X = 0,40...0,76 мкм), рослинна зелень виглядае свгглою або бшою. Складов! видимого випромшювання, зпдно з [1], мае так! д!апазони довжин хвиль: !нфрачервона - 0,76.0,62 мкм; оранжева - 0,62.0,59 мкм; жовта - 0,59.0,56 мкм; зелена - 0,56.0,50 мкм; голуба - 0,50 мкм; синя - 0,48.0,46 ! фюлетова - 0,45.0,40 мкм.
1нфрачервону область спектра прийнято дшити на чотири частини, а саме: ближню - Х=0,76.3,0 мкм, середню - Х=3.6 мкм, далеку -Х=6.15 мкм ! дуже далеку - Х=15.1000 мкм. Лопка такого дшення пов'яза-на з !снуванням так званих "атмосферних в!кон" [2]. Ультраф!олетове випромшювання характеризуеться довжинами хвиль, розташованими в д!апазош 0,005.0,40 мкм (5.400 нм, 1 нанометр = 10-9 м).
Р!зш види ! стани рослин створюють на 1Ч-фотограф!ях зображення р!зш за тональн!стю, що дае можливють для наукового анал!зу. Зауважимо, що зелен! водоросп, в!зуально однокол!рш з надземними рослинами, що мю-тять хлороф!л, на 1Ч-фотограф!ях е темними. Це означае, що Ш-фоторгафто можна устшно використовувати для еколопчних досл!джень, тобто вщно-шення рослин до умов !х !снування на певних Грунтах. Зокрема встановлено [1-6], що трави високо! життездатност! дуже добре вщбивають шфрачервоне випром!нювання. Водночас велик! за розм!ром трав'ян! рослини вщбивають 1Ч-випром!нювання. Аналог!чно молод! рослини вщбивають 1Ч-випромшю-вання краще, шж дозр!л!. Усе це створюе вщповщш зображення на фотогра-ф!ях ! дае змогу зд!йснювати еколог!чний анал!з.
Науковий вкник Н.1Т У Украши. - 2G12. - Вип. 22.5
Ha цьому бaзyeтьcя вивчення i дiaгноcтикa хвоpоб pоcлин, y пpоцеci яких пеpевaжно змiнюeгьcя пiгментaцiя клiтинного мaтеpiaлy (зокpемa вини-кae pyйнyвaння хлоpофiлy шкiдникaми aбо виcихaнням). Ha IЧ-фотогpaфiï вpaженi дiлянки чiтко видимi як бшьш темнi нa cвiтломy фош, тодi як нa зви-чaйнiй фотогpaфiï вони не пpоявляютьcя. Цей ^инцип мae пpaктичне зacтоcy-вaння тд чac доcлiдження лicових мacивiв i3 допомогою aеpофотозйомки (мь шaний лю, cфотогpaфовaний нa звичaйних мaтеpiaлaх, виглядae одномaнiтно темним, тодi як та IЧ-фотогpaфiях чiтко вiдpiзняютьcя piзнi поpоди деpев), i нa оcновi цього можта cклaдaти плaни лicоcтaнiв i виpiшyвaти зaвдaння лicовоï тaкcaцiï. Якщо pобити повiтpянy тa коcмiчнy зйомку земноï повеpхнi з допомогою диcтaнцiйних Ш-методiв, то потpiбно вpaховyвaти оcобливоcтi, що впливaють нa темпеpaтypнi хapaктеpиcтики окpемих елементiв лaндшaфтy.
Зелену повеpхню нaгpiвae Сонце до темпеpaтypи, близькоï до темпе -paтypи ^иземних шapiв повiтpя. Темпеpaтypнi контpacти cпоcтеpiгaють че-pез змiни оcвiтленоcтi вщ Сонця (га^иЕ^д, piзниця темпеpaтypи оcвiтлено-го i тiньового cхилiв cтaновить 1G.15 К), змiни вологоcтi повпря (внacлiдок ïï збiльшеннi вiд 0,80 % до 2G % поглитання тоналного випpомiнювaння зpоcтae нa 14 %), вiдмiнноcтi теплофiзичних влacтивоcтей земних покpивiв, вмicтy оpгaнiчних pечовин, ^явноои pоcлинноcтi тощо. Гycтинa ви^ом^ю-вaння елементiв лaндшaфтy визнaчaeтьcя не тшьки ïх темпеpaтypою, aле i зтаченням коефiцieнтa випpомiнювaння Е (Т) ~ 1 (piдко менше нiж G,9G). Haпpиклaд, лиcтя зеленi cвiжi мaють Е ~ G,95.. ,G,98. Спектpaльний мaкcимyм випpомiнювaння звичaйних елементiв лaндшaфтy 3a t = 2G.3G °С лежить y дiaпaзонi хвиль ÀHaxc = 9 мкм, a в aномaльних об'eктiв ÀHaxc = 6...7 мкм.
Спектp випpомiнювaння Сонця 3a межaми земноï aтмоcфеpи ^иблиз-но збiгaeтьcя 3i cпектpом випpомiнювaння Чоpного тiлa, що мae темпеpaтypy 6000 К, a енеpгетичнa оcвiтленicть cтaновить 6,2 • 1G7 Вт/м2. До повеpхнi Зем-лi вiд Сонця чеpез aтмоcфеpy доходить пеpевaжно випpомiнювaння в дiaпa-зонi хвиль À = G,3G.3,G мкм i3 cмyгaми поглинaння, що визнaчaютьcя cмyгa-ми поглитння пapiв води, вyглекиcлого ra3y й озону [3]. Зокpемa, вщношо cильнi cмyги поглинaння IЧ-випpомiнювaння в^повдають тaким iнтеpвaлaм довжин хвиль (мкм):
• для пapiв води - 0,498.0,5114; 0,542.0,5478; 0,567.0,578; 0,586.0,606;
0,682.0,7304; 0,926.0,978; 1,095.1,165; 1,319.1,948; 1,762.1,977;
2,52 .2,845; 4,24.4,40; 5,25.7,50;
• для вуглекиелого ray - 1,38.1,50; 1,52.1,67; 1,92.2,10; 2,64.2,87;
4,63.4,95; 5,05.5,35; 12,5.16,4;
• для озону - 0,60; 4,63.4,95; 8,3.10,6; 12,1.16,40.
Влacне випpомiнювaння Землi e поpiвняним зa зтченням iз вiдбитим cонячним випpомiнювaнням та довжинaх хвиль бiльше нiж 3.4 мкм. Зта-чення коефiцieнтa вiдбивaння для Землi змiнюeгьcя в дiaпaзонi RÀ = G,1G.G,8G. Тaкий дiaпaзон змiни коефiцieнтa вiдбивaння пояcнюють piзними метеоyмовaми нa окpемих дiлянкaх земноï повеpхнi тa piзними yмовaми ïх оcвiтлення Сонцем (оcеpеднe знaчення коефщенга вiдбивaння пpиймaють G,39). Спектp влacного випpомiнювaння Землi вiдповiдae випpомiнювaнню aбcолютно чоpного тiлa з темпеpaтypою 3GG К.
Haземнi yтвоpи, тобто лaндшaфт, мaють здебiльшого одномaнiтний фон, нa якому cпоcтеpiгaють зa доcлiджyвaними об'eктaми. Випpомiнювaння лaндшaфтy зaлежить вiд його хapaктеpy повеpхнi, хмapноcтi. Темпеpaтypa бiльшоcтi земних покpивiв e не що iнше, як функщя темпеpaтypи тавко-лишнього повiтpя, a зтачення iнтегpaльних коефiцieнтiв випpомiнювaння земних покpивiв e в межaх 0,85.0,97. Ha пpaктицi хapaктеp влacного ви^о-мiнювaння земних покpивiв ввaжaють дифузним i пpиймaють, що земнa по-веpхня випpомiнюe як cipе тшо i коефiцieнтом випpомiнювaння Е = 0,35 у ви-димiй облacтi i Е = G,9G в IЧ-облacтi. Для довжин хвиль À > 4 мкм ви^ом^ю-вaння бaгaтьох пpиpодних покpивiв (rpyнтy, pоcлинноcтi) пpиймaють piвним випpомiнювaння Чоpного пта зa тieï ж темпеpaтypи. Коефiцieнт вiдбивaння бiльшоcтi земних покpить змию^^я в дiaпaзонi 0,15.0,20 i лише в дiaпaзо-нi хвиль À = 0,70.. .1,0 мкм доходить до 0,70.0,80.
Розciяне cвiтло яcного œ6a cтвоpюe нa земнiй повеpхнi оcвiтленicть, що cтaновить 20. 3G % вщ оcвiтленоcтi пpямого cонячного cвiтлa. Вночi, коли pозciяного cонячного cвiтлa немae, випpомiнювaння небa визнaчaeтьcя влacним випpомiнювaнням пapiв тa гaзiв, що cклaдaють aтмоcфеpy. Maß^-мум випpомiнювaння пiд чac cпоcтеpеження iз Землi знaходитьcя в облacтi À ~ 1G,5 мкм, a шектр нiчного небa aнaлогiчний до c^^pa випpомiнювaння чоpного тiлa зa темпеpaтypи aтмоcфеpи (для дiлянок небa, близьких до гсфи-зонту). Випpомiнювaння хмapного небa cклaдaeтьcя iз вiдбитого (пеpевaжae в облacтi хвиль À < G,3G мкм i доpiвнюe в дiaпaзонi хвиль 0,30.2,30 мкм R = 0,007, хочa мaкcимyм його зтачення може доcягaти 0,45.0,78) i влacне вип-pомiнювaння хмap ^acœ випpомiнювaння доcить потужних хмap можта pозpaховyвaти як випpомiнювaння чоpного lira з темпеpaтypою 200.220 К).
Сонячне випpомiнювaння мae великий вплив та ^оцеш фотобюлопч-ноï дiï, тобто фотохiмiчнi pеaкцiï, яю вiдбyвaютьcя у бшкових pечовинaх клiтин внacлiдок поглитання ними випpомiнювaння iз довжиною хвиль À < 0,40 мкм. ^оцеш хiмiчних пеpетвоpень у живому оpгaнiзмi вiдбyвaютьcя iз безжюе-pедньою yчacтю феpментiв (тiл бiлковоï пpиpоди), яю вiдiгpaють вaжливy pоль в обмш pечовин. Iнaкше кaжyчи, пpоцеcи обм^ pечовин, яю безпеpеpвно пpоходять в бшкових pечовинaх живого оpгaнiзмy, вiдpiзняe живу пpиpодy вiд неживоï. Витоку бiологiчнy aктивнicть мaють yльтpaфiолетовi випpомiнювaння (УФ-випpомiнювaння) iз квaнтaми великоï енеpгiï, що здaтнi змiнити хiмiчнy cтpyктypy окpемих клiтин i ткaнин (cпектp УФ-випpомiнювaння À = 0,010.0,40 мкм можта pоздiлити нa тpи облacтi: УФ - С - À= 0,200.0,280 мкм, УФ - В - À= 0,280 .0,315 мкм, УФ - А - À=0,315.0,400) [4].
Фото^ш^ e cклaдною бaгaтоcтyпiнчacтою фотохiмiчною pеaкцieю. Уci дшянки cпектpa поглинaння cонячного випpомiнювaння pоcлиною в дь aпaзонi хвиль 0,3.0,70 мкм, тобто в УФ-облacтi тa ближнiй IЧ-облacтi шек-тpa, вiдiгpaють дуже вaжливy pоль в житп pоcлин. Адже pоcлинa, як живий оpгaнiзм, хapaктеpизyeтьcя cпецифiчними влacтивоcтями, та яю icтотно впливaють випpомiнювaння таведених вище облacтей cпектpa. Зокpемa оpaн-жево-чеpвонi випpомiнювaння (À= 0,б0.0,б7 мкм) e мaкcимaльно aктивними в ^оцеш фотоcинтезy i пpиcкоpюють pозвиток pоcлини тa пеpехiд ïï до цвь
Науковий вкник НЛТУ УкраТни. - 2012. - Вип. 22.5
т1ння, а згодом 1 цвтння, а дал1 1 до плодоношення, сприяючи при цьому скороченню вегетативного перюду. Синьо-червот випромшювання (1= 0,40.0,50 мкм) сприяють синтезу бшюв, затримуючи при цьому цвтння рослин, 1 формують х1м1чний склад рослин.
Р1вняння фотосинтезу в загальному вид1 виражаеться [5]: 6СО2 + 6-Н2О + п-к- V + хлорофш ^ СбН12Об + 6-О2 + хлорофш, де: п - кшьюсть фотошв одного випромшювання, що впало за 1 с на одини-цю площ1 листка; к - постшна Планка, квант ди (к = 6,626-10-34 Дж-с); V - частота хвил1 випромшювання (V = с/1, с = 2,998-108 м/с).
Як показали дослщження багатьох учених [5-7], фотосинтез практично не виникае тд час опромшення рослин 1з довжиною хвил1 1 > 0,75 мкм. Це також можна тдтвердити кривими спектрально! ефективност основних ф1зюлопчних процеЫв, що вщбуваеться в рослинах (рис. 1). 1з цих кривих видно, що наявшсть максимум1в ефективност вЫх основних функцш в зот оранжево-червоного спектра (1 = 0,67...0,67 мкм) сприяе утворенню хлорофь лу, який забезпечуе нормальний розвиток рослин.
Рис. 1. Спектральш характеристики ефективностi фiзiологiчних процеЫв рослин
0,4 0,5 0,6 Довжниа хвшл, мкм
Рис. 2. Спектральна крива ефективностiрослин
На рис. 2 наведено характеристику поглинання сонячного випромшювання зеленим листком рослини, отриману А.Ф. Клешншим [6] шляхом усе-реднення функцш коефщента поглинання (крива 1). Ця крива дае змогу виз-
начити спектральну ефективнiсть рослини, оцiнюючи 11 кшьюстю поглине-них фотонiв на одиницю енергй випромiнювання, що потрапляе на поверхню листка рослини. Зокрема, прийнявши значення довжини хвилi монохрома-тичного випромшювання к = 0,66 мкм, можна визначити вщносну спектральну ефектившсть рослини за формулою
Л Пк(Л)
уф(л) =
0,66
(1)
пк,Л=0,66
де: а (к) - спектральний коефiцiент поглинання СО2; Пк (к) - квантовий вихiд фотосинтезу (вш не е постiйним, тому що знижуеться в дiапазонi хвилi 0,44...0,52 мкм i в област 0,67...0,75 мкм).
Користуючись отриманою кривою спектрально! ефективносл, можна визначити фотоактившсть будь-якого випромiнювання, тобто ефективнiсть дй випромiнювання на рослину. Тобто
а = _±_ = • Уф(х) • а (Л)___Фетал
■Детая ¡реталл) • Уф(л) • с1(л) $ фетал(л) • Уф(л) • а (Л) ' ' '
де: ф (к), фетал(к) - вiдповiдно спектрaльнi густини випромшювання: заданого i еталонного (Тц = 2854 К); Ф, Фетал - свiтловi потоки заданого та еталонного випромiнювaння.
Наприклад, прийнявши як еталонне випромiнювaння iз спектральною температурою Тц = 2854 К i значенш фотоaктивностi цього випромiнювaння Аетал = 1,78, значення вщносно! фотоактивност визначимо за формулою [5]
: \<м) • Уф(л) • а л '• ф
Наведений вище метод розрахунку не враховуе вщмшносп коефь цiентiв поглинання листкiв рослин, що може привести до ютотних вщмшнос-тей мiж реальним (фактичним) i розрахунковим значеннями ефективност фотосинтезу рослин. Адже похибки значно зростатимуть в умовах розрахун-кового зютавлення ефективност процесу фотосинтезу рослин з ютотно рiз-ними коефiцiентaми вiдбивaння випромшювання листюв i вiдмiннiстю спек-трiв випромiнювaння. Як показали дослiдження (рис. 3), освгглення, яке не-обхщне для нормального процесу цвiтiння та плодоношення, е неоднаковим для рiзних рослин.
^ 2,4
а = 0,56
(3)
10 20 30 40 50 60 70x103 Осв1тлен1сть листа, лк
Рис. 3. Залежшсть поглинання СО2 вiд освiтленостi Е для рослин
Науковий вкник Н.1Т У Укра'1'ни. - 2012. - Вип. 22.5
Для бшьшосп рослин продуктившсть фотосинтезу за даними В.В. Мешкова [5] дорiвнюe 1.2 г СО2 в годину на загальну площу листкiв 1 м2 Це означае, що для фотосинтезу, який вщповщае 2 г СО2 необхiдно буде використати енергiю
2. 9711101 я 4440^-^^ = (4)
44 моль моль
де: 44 - молекулярна маса СО2.
Оскiльки осереднений iнтегральний коефiцiент поглинання сонячного
випромшювання дорiвнюе ае = 0,50, а в процеш фотосинтезу використо-
вуеться лише до 25 % вше! поглинено! енергп хлорофшом (решта енергп пе-
ретворюеться в тепло, а також шфрачервоне випромшювання не бере участ
у фотосинтез^ й становить 60 %), то необхщна густина опромiнення освiт-
лення рослини становитиме
dQ 44-103 Вт
Ее =—?=— =-= 244—, (5)
dFопр 0,50-0,40-0,25-3600 м2
де: dQ - свиловий потж; dFопр - площа освилено! поверхнi.
Для складного випромiнювання освгглешсть визначимо:
0,78
Е = 680- | ееЛ(Л)- Ул(Л)^Л, (6)
0,38
а для монохроматичного випромiнювання:
dEл = 680- вея-уя^1, (7)
де: еех - спектральна густина опромiненостi, Вт/м2-мкм; Ух - вiдносна свiтлова ефективнють.
Свiтлову ефективнiсть випромiнювання (лм/Вт) iз заданим спектраль-ним складом фе (X) визначимо за формулою
0,78
680- | ре(Л)- ¥(Л) - d(Л)
К = =-038-, (8)
йе Л
] ре(Л)- dЛ
Л1
де фе(Х) - спектральна густина потоку випромшювання, Вт/мкм.
Це означае, що за свггаово! ефективност сонячного випромшювання К=70 лм/Вт освiтленiсть рослини становитиме
Е = 70-Ее «17-103 лк
За даними А.Ф. Клешнша [6], для нормального розвитку бiльшостi рослинам необхiдна освггаешсть, що дорiвнюе 8.12 клк.
Л1тература
1. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники / Л.З. Криксунов. - М. : Изд-во "Сов. радио", 1978. - 400 с.
2. Зуев В.Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере / В.Е. Зуев. -М. : Изд-во "Сов. радио", 1978. - 496 с.
3. Застосування сонячно! енергп у житловому господарст та деревообробцi : наук. ви-дання / 1.М. Озаркiв та ш. - Львiв : НВФ "Украшсью технологи", 2012. - 338 с.
4. Излучение ультрафиолетовое. Величины и единицы. Термины и определения. Руководящий технический материал. РТМ. 3-381-73, 1974. - 37 с.
5. Мешков В.В. Основа светотехники / В.В. Мешков. - М. : Изд-во "Енергия", 1979. -
368 с.
6. Клешинин А.Ф. Растения и свет / А.Ф. Клешинин. - М.-Л. : Изд-во АН СРСР, 1954. - С.
7. Свенцицкий И.И. Использование образцовых ламп силы света для градуировки фито-фотометров / И.И. Свенцицкий, Д.Н. Четвергов // Свето-техника. - 1972. - № 9. - С. 14-15.
Копий Л.И., Озаркив О.И., Тереля И.П. Фотобиологические действие солнечного излучения на лесные насаждения
Раскрыты основные свойства Солнца как естественного источника излучения. Дана классификация электромагнитного излучения и его воздействие на окружающую среду. Описано влияние солнечной энергии на фотосинтез.
Ключевые слова: солнце, источник излучения, окружающая среда, фотосинтез, волна, состояние растений, освещенность, полосы поглощения, эффективность излучения.
Kopiy L.I., Ozarkiv O.I., Terelya I.P. Photobiology effect of sunlight on forest plantations
This paper examines the basic properties of the sun as a natural source of radiation. Given the classification of electromagnetic radiation and its impact on the environment. We describe the impact of solar energy in photosynthesis.
Keywords: sun, the source of radiation, environment, photosynthesis, wave condition of plants, light, absorption, emission efficiency.
УДК 630*[11+114.33] Зав. лаб. С.П. Распотна, канд. с.-г. наук -
УкрНДЫГА м. Г.М. Висоцького
Д1АГНОСТИЧН1 ПОКАЗНИКИ ДЛЯ ОЦ1НЮВАННЯ Л1СОРОСЛИННОГО ПОТЕНЦ1АЛУ П1ЩАНИХ ЗЕМЕЛЬ УКРА1НИ
Розглянуто проблему класифжаци шщаних Грунпв за рiвнем продуктивности Показано, що нашнформатившшим шдикатором !х люорослинного потенщалу е гра-нулометричний склад. Визначено параметри гранулометричного складу шщаних земель Украши для рiзних тишв люорослинних умов та розроблено систему дiагнос-тичних показнигав для оцшювання !х люорослинного потенщалу.
Ключовг слова: шщаш Грунти, гранулометричний склад, дiагностичнi показни-ки, люорослинний потенщал.
Люорозведення на основ1 науково-практичних розробок, яю максимально враховують потенщал земель, забезпечуе високу приживлювашсть та життездатшсть люових культур, !х адаптованють до навколишнього середо-вища. Питання з оцшювання люорослинного потенщалу земель набувають особливо! актуальност в умовах великомасштабних завдань, викладених у Концепцп реформування й розвитку люового господарства щодо тдвищення темтв люорозведення з метою досягнення оптимального р1вня люистосп Ук-ра!ни (20 %), за рахунок залюнення малопродуктивних земель (зокрема шщаних), виведених 1з сшьськогосподарського обиу.
Стан питання. На тепер найбшьш уживаною люотиполопчною сис-тематизащею шщаних земель Укра!ни е класифжащя А. С. 1ванова - М.М. Дрю-
