Определение вклада люминесцентного излучения полиэтиленовых пленокс фотолюминофорами на основе соединений европия в увеличение продуктивности растений в защищенном грунте

Минич А. С.; Минич И. Б.; Зеленьчукова Н. С.; Иваницкий А. Е.; Райда В. С.

УДК 581.1.03; 581.14; 633/635:58

А. С. Минич, И. Б. Минич, Н. С. Зеленьчукова, А. Е. Иваницкий, В. С. Райда

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВКЛАДА ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛИЭТИЛЕНОВЫХ ПЛЕНОК С ФОТОЛЮМИНОФОРАМИ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ ЕВРОПИЯ В УВЕЛИЧЕНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ

Исследуется влияние люминесцентного излучения фотолюминесцентных пленок на увеличение продуктивности растений в защищенном грунте, а также отраженного, поглощенного и рассеянного частицами фотолюминофора в пленках солнечного света. Экспериментально установлено, что основной вклад в повышение продуктивности растений в защищенном грунте под фотолюминесцентными пленками вносит люминесцентное излучение, генерируемое пленками. Продуктивность также определяется соотношением падающих на растение прямых и рассеянных лучей.

Ключевые слова: защищенный грунт, солнечный свет, фотолюминесцентная пленка, люминесцентное излучение, продуктивность.

В совокупности биологических процессов, зависящих от света и регулируемыгс лучистой энергией (морфогенезе), реализуется важнейшее проявление жизнедеятельности зеленого растения - превращение энергии и развитие формы [1]. В ходе естественного отбора преимущества для сохранения как вида получали растительные организмы, у которых формировался оптимальный процесс энергетической адаптации к солнечной радиации, благодаря чему достигалось наибольшее поглощение приходящей энергии, быстрое развитие и наибольшая продуктивность [24]. Для человека фотоморфообразование растений особенно важно в сельском хозяйстве, так как максимизирование урожая (как чистой, так и валовой продукции) является первостепенным [5].

В настоящее время в сельском хозяйстве для покрытия сооружений защищенного грунта применяют фотолюминесцентные (светокорректирующие) пленки [6-12]. Такие пленки за счет вводимыгс в их состав фотолюминофоров поглощают часть УФ излучения и трансформируют его в красную область спектра, что способствует ускорению процессов роста и увеличению продуктивности под ними многих сельскохозяйственных и декоративных культур. Однако частицы фотолюминофоров в пленках не только поглощают и преобразуют часть УФ-А излучения, уменьшая его долю в световом потоке, но и рассеивают и отражают солнечные лучи [13-15]. Хотя интегральное светопропускание пленок при этом может не меняться, внутри теплиц изменяется соотношение прямых солнечных лучей и рассеянного света, попадающего на растение [14,15]. Это может оказывать влияние на продуктивность растений, выращиваемых в сооружениях защищенного грунта под фотолюми-несцентными пленками.

Цель работы - выяснение вклада люминесцентного излучения фотолюминесцентных полиэтиленовых пленок в увеличение продуктивности растений в защищенном грунте.

Методика. Объектами исследований служили растения белокочанной капусты сорта Надежда. Испытания проводили в течение 6 лет в мае на агробиологической станции Томского государственного педагогического университета (ТГПУ) путем определения морфометрических и биохимических показателей растений, выращиваемых в сооружениях закрытого грунта, укрытых испытуемыми пленками (опыт) и немодифицированными полиэтиленовыми пленками (контроль). На протяжении всего периода роста (30 сут) измеряли высоту растений, толщину стебля, число и площадь листьев, сырую и сухую массу рассады, определяли содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений [16]. Все измерения были выполнены на 30 растениях в 5 повторностях. Статистическую обработку результатов проводили с помощью специализированного пакета «Statistica for Windows» (программа «Excel») с доверительным интервалом 0.95.

Использованы сооружения защищенного грунта арочного типа размером 1x1 м, высотой 0.5 м, в качестве грунта - смесь равных количеств чернозема, перегноя и торфа.

Полимерные композиции для изготовления пленок получены методом сухого смешения гранул ПЭВД марки 15303-020 с порошкообразными люминофорами по технологии [17]. Образцы рукавных пленок толщиной 0.120 мм и шириной 2х500 мм изготовлены методом экструзии с раздувом на пленочной линии «Сильвер» ГТ 45/25 на ООО «Томскнефтехим».

В качестве модифицирующих добавок использованы комплекс нитрата европия с 1,10-фенантроли-ном - Eu(NO3)3 х 2Фен (ФЕ) [18] и комплекс нитрата лантана с 1,10-фенатролином - La(NO3)3 х 2Фен (ЛА). При равном содержании обоих соединений в пленках последние имеют одинаковые сечения, перекрываемые частицами, вследствие этого - одинаковые значения поглощения, отражения и рассеивания солнечного света (табл. 1).

Фотофизические свойства полиэтиленовых пленок, определенные на спектрофотомере

с интегрирующей сферой

Характеристики Полиэтиленовая пленка

контроль ЛА ФЕ

Содержание добавки в пленке, % масс. нет 0.05 0.05

Интегральное светопропускание, % 90.6 90.3 90.3

Рассеяние света, % 12.0 12.8 12.8

Отражение света, % 9.40 9.70 9.70

Пропускание прямого излучения, % 78.6 77.5 77.5

Количество частиц на 1 м2 пленки, шт. 1 х 10-6 - 2.10 2.10

Площадь сечения пленки, перекрываемая частицами м2 1 х 10-3 - 1.40 1.40

% - 0.14 0.14

Интенсивность УФ излучения, поглощенного добавкой, Вт/м2 - 0.014 0.014

Интенсивность УФ излучения, трансформированного добавкой Вт/м2 - - 0.007

отн. ед. - - 74.5

Интенсивность вторичного излучения, попадающего на почву Вт/м2 - - 0.0035

% от ФАР - - 0.0014

Отличие фото физических свойств обеих пленок заключается в отсутствии люминесцентных свойств у полиэтиленовой пленки, содержащей в своем составе ЛА, так как он часть поглощенного УФ-А излучения солнца преобразует только в тепло. Вследствие того, что кристаллы ФЕ являются изоморфными кристаллам ЛА, пленки с ФЕ поглощают такое же количество УФ-А излучения, как и пленки ЛА, но преобразуют его как в тепло, так и в красный свет с максимумом 615 нм. Таким образом, сходные по всем фотофизическим свойствам пленки ФЕ и ЛА отличаются отсутствием у последней люминесценции в красной области спектра. Сравнение морфометрических параметров рассады капусты, выращенных под обеими пленками, позволит определить вклад в увеличение продуктивности растений вторичного люминесцентного излучения люминофора в фотолюминесцен-тной пленке, а также изменения соотношения прямых солнечных лучей и рассеянного света, падающих на растение, за счет поглощения, отражения и рассеивания солнечного излучения частицами люминофора в пленке.

Результаты и обсуждение. Исследования показали, что использование пленки ЛА в качестве укрытий теплиц в метеоусловиях, неблагоприятных для роста и развития растений, не оказывает влияния на продуктивность рассады капусты (рис. 1). Морфометрические показатели растений, выращенных в защищенном грунте в контроле под немодифицированной пленкой, под пленками ЛА и ФЕ, достоверно не отличаются. Это указывает на то, что при неблагоприятном состоянии атмосферы интенсивности солнечного света (прежде всего в областях ФАР и УФ-А излучения) недостаточно для изменения модифицированными пленками светового режима внутри сооружений защищенного грунта, которые могли бы

120 100 80 60 40 — , 20 — 0

площадь число диаметр высота поверхности листьев стебля листьев

□ ЛА □ ФЕ

сухая сырая

масса масса

вещества

Рис. 1. Морфометрические показатели 30-суточной рассады капусты сорта Надежда, выращенной в защищенном грунте под пленками ЛА и ФЕ в мае (среднее значение 3 лет) в неблагоприятных метеоусловиях

инициировать протекание ростовых реакций в растениях [19].

Иные результаты получены в метеоусловиях, благоприятных для роста и развития растений, - отметили значительное изменение продуктивности растений под модифицированными пленками (рис. 2).

Солнечный свет, прошедший через пленки ЛА и ФЕ, по сравнению с контролем способствует лучшему развитию листовых пластин, но величина ответных ростовых реакций растений различна и зависит от особенностей фотофизических свойств модифицированных пленок. Под пленкой ЛА по отношению к контролю увеличение общей ассимилирующей поверхности и сырой массы растений составило 116.2 и 116.7 % соответственно, а под пленкой ФЕ - 163.4 и 165.9 %, т. е. в 4 раза больше. По сравнению с контрольными у опытных растений под пленкой ЛА число листьев, диаметр стебля и сухая масса вещества достоверно не изменились, а под пленкой ФЕ увеличились в 3-8 раз.

200

ь 100

& 150

::ifM

ri~l

J

__rt

I

Повышение продуктивности растений в защищенном грунте под модифицированными пленками не сопровождается изменениями в содержании фотосин-тетических пигментов в листьях растений (рис. 3).

площадь число диаметр высота сухая сырая

поверхности листьев листьев масса масса

листьев вещества

□ ЛА □ ФЕ

Рис. 2. Морфометрические показатели 30-суточной рассады капусты сорта Надежда, выращенной в защищенном грунте под пленками ЛА и ФЕ в мае (среднее значение 3 лет) в благоприятных метеоусловиях

Увеличение продуктивности растений под пленкой ЛА по сравнению с растениями, выращенными под немодифицированной пленкой (не содержащей каких-либо гетерогенных включений), может происходить по двум причинам. Во-первых, изменяется общая светопроницаемость пленки ЛА из-за отражения части ФАР частицами комплекса, содержащимися в пленке. Во-вторых, частицы ЛА в пленке отражают и рассеивают ФАР, изменяя соотношение прямых и рассеянных солнечных лучей внутри сооружений защищенного грунта, а также частично поглощают УФ-А излучение, уменьшая его долю в световом потоке. Аналогичные изменения с солнечным светом по сравнению с контролем происходят при его прохождении через пленку ФЕ, только добавляется наличие красного люминесцентного излучения, генерируемого люминофором ФЕ. Вследствие этого различия в продуктивности рассады капусты, выращенной под пленками ФЕ и ЛА, определяются только воздействием на растения вторичного люминесцентного излучения фотолюминесцентной пленки.

Сопоставительный анализ увеличения продуктивности растений капусты, выращенных под фотолю-минесцентной пленкой ФЕ и ЛА, показывает, что под пленкой ФЕ продуктивность рассады в 4 раза выше, чем под пленкой ЛА. Из этого следует, что на 75 % увеличение продуктивности определяется люминесцентным излучением пленок, а на 25 % - рассеиванием, отражением и поглощением солнечного света частицами люминофора, т. е. изменением соотношения попадающих на растение прямых и рассеянных лучей. Таким образом, основной вклад в повышение продуктивности растений в защищенном грунте под фотолюминесцентными пленками вносит вторичное люминесцентное излучение, генерируемое пленками.

2.5

я 1.5

0.5

хлорофилл а хлорофилл b

хлорофилл а + b

□ контроль ДА ■ ФЕ

каротиноиды

Рис. 3. Содержание фотосинтетических пигментов в листьях

30-суточной рассады капусты сорта Надежда, выращенной в защищенном грунте под немодифицированной пленкой (контроль) и пленками ЛА и ФЕ в мае (среднее значение 6 лет)

Это указывает на то, что растения внутри сооружений защищенного грунта получают достаточно ФАР для нормального протекания процесса фотосинтеза. Полученный нами результат подтверждается данными, представленными в [6, 8, 11] об оптимальной работе фотосинтетического аппарата растений и оптимальном накоплении растениями пигментов в пластидах при выращивании под фотолюминесцентными пленками. По нашему мнению, прошедший через фотолюминес-центную пленку солнечный свет влияет на продуктивность капусты, вероятнее всего, за счет изменения протекания низкоэнергетических реакций, отвечающих за индивидуальное развитие растений, на что указывают фотофизические свойства пленок [20, 21].

Заключение. Исследования роста и развития белокочанной капусты в защищенном грунте с использованием трех видов пленок (модифицированной пленки ЛА, фотолюминесцентной пленки ФЕ и немоди-фицированной пленки) показали, что на увеличение продуктивности растений под фотолюминесцентны-ми пленками влияет их люминесцентное излучение и изменение ими соотношения рассеянного и прямого солнечного света, падающего на растение. Основной вклад в изменение продуктивности растений под фо-толюминесцентными пленками по отношению к контролю вносит генерируемое ими люминесцентное излучение низкой интенсивности, при этом не происходит изменений уровня накопления фотосинтетических пигментов в листьях растений.

3

2

0

Список литературы

1. Шульгин И. А. Растение и солнце. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 252 с.

2. Розен Р Принципы оптимальности в биологии. М.: Мир, 1969. 116 с.

3. Шульгин И. А. Солнечная радиация и фотоморфогенез зеленого растения: автореф. ... дис. докт. биол. наук. Л., 1970. 43 с.

4. Тооминг X. Г. Солнечная радиация и формирование урожая. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 199 с.

5. Devlin P. F. et al. Many hands make light work // J. of Experimental Botany. 2007. Vol. 58 (12). P. 3071-3077.

6. Kusnetsov S. I., Leplianin S. V., Murinov U. I., et al. «Polisvetan», a high performance material for cladding greenhouses // Plasticulture. 1989. № 3. Vol. 83. P. 13-20.

7. Карасев В. E. Полисветаны - новые полимерные светотрансформирующие материалы для сельского хозяйства // Вестн. Дальневост. отд-я. РАН. 1995. № 2. С. 66-73.

8. Щелоков Р Н. Полисветаны и полисветановый эффект // Изв. РАН. Серия хим. 1996. № 6. С. 50-55.

9. Минич А. С., Минич И. Б., Райда В. С.и др. Биологическое тестирование светокорректирующих пленок в условиях закрытого грунта при выращивании белокочанной капусты // Сельскохоз. биология. 2003. № 3. С. 112-115.

10. Минич А. С., Минич И. Б., Шайтарова О. В. и др. Использование фотолюминесцентной и гидрофильной пленок для повышения продуктивности огурца посевного в защищенном грунте // Изв. Самарского научного центра РАН. 2009. № 1(2). Т. 11. С. 97-101.

11. Астафурова Т. П., Верхотурова Г. С., Зайцева Т. А. и др. Особенности роста и развития растений огурца при выращивании под светокорректирующими пленками // Сельскохоз. биология. 2003. № 5. С. 44-48.

12. Головацкая И. Ф., Райда В. С., Лещук Р И. и др. Физиолого-биохимические особенности роста и продуктивности овощных культур при выращивании под светокорректирующими пленками // Сельскохоз. биология. 2002. № 5. С. 47-51.

13. Райда В. С., Коваль E. О., Минич А. С. и др. Поглощение УФ-излучения полиэтиленовыми пленками с добавками фотолюминофоров на основе соединений европия // Пласт. массы. 2001. № 3. С. 31-32.

14. Райда В. С., Коваль E. О., Иваницкий А. E. и др. Особенности люминесцентных свойств полиэтиленовых пленок с добавками фотолюминофоров на основе соединений европия // Пласт. массы. 2001. № 12. С. 39-41.

15. Райда B. C., Иваницкий А. E., Бушков А. В. и др. Исследование особенностей преобразования излучения солнца УФ и видимого диапазонов светокорректирующими пленками с люминофорами на основе соединений европия // Оптика атмосферы и океана. 2003. № 12. Вып. 16. С. 1126-1132.

16. Шлык А. А. Биосинтез хлорофилла и формирование фотосинтетических систем // Теоретические основы фотосинтетической продуктивности: сб. М.: Наука, 1972. 460 с.

17. Райда В. С., Минич А. С., Коваль E. О. и др. Технология производства светокорректирующих полиэтиленовых пленок для сельского хозяйства // Хим. пром-ть. 1999. № 10 (661). С. 56-58.

18. Melbi L. R., Rose N. J., Abramson E., Caris J. C. Sinthesis and Fluorescence of Some Trivalent Lanthanide Complexes // J. of the American ^emical Society. 1964. № 86. Vol. 23. Р 5117-5125.

19. Минич А. С., Минич И. Б., Зеленьчукова Н. С. и др. Влияние метеорологических условий на эффективность использования светокорректирующих пленок для ограждения закрытого грунта при выращивании растений в условиях региона г. Томска // Вестн. ТГПУ. 2003. Вып. 4 (36). С. 39-44.

20. Красновский А. А. Фоторецепторы растительной клетки и пути светового регулирования // Фоторегуляция метаболизма и морфогенеза растений / под ред. А. Л. Курсанова, Н. П. Воскресенской. М.: Наука, 1975. С. 5-15.

21. Воскресенская Н. П. Фоторегуляторные реакции и активность фотосинтетического аппарата // Физиол. растений. 1987. Т. 34. С. 669683.

Минич А. С., кандидат химических наук, доцент.

Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, г. Томск, Томская область, Россия, 634061.

E-mail: minich@tspu.edu.ru

Минич И. Б., кандидат биологических наук, доцент.

Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, г. Томск, Томская область, Россия, 634061.

E-mail: minich@tspu.edu.ru

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Зеленьчукова Н. С., кандидат биологических наук, ст. преподаватель.

Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, г. Томск, Томская область, Россия, 634061.

E-mail: bhf@tspu.edu.ru

Иваницкий А. Е., кандидат технических наук, доцент Томский государственный педагогический университет.

Ул. Киевская, 60, г. Томск, Томская область, Россия, 634061.

E-mail: minich@tspu.edu.ru

Райда В. С., кандидат химических наук, доцент.

Томский государственный педагогический университет.

ул. Киевская, 60, г. Томск, Томская область, Россия, 634061.

E-mail: minich@tspu.edu.ru

Материал поступил в редакцию 09.02.2010

A. S. Minich, I. B. Minich, N. S. Zelenchukova, A. E. Ivanitskiy, V S. Raida

DEFINITION OF THE CONTRIBUTION OF LUMINESCENT RADIATION OF POLYETHYLENE FILMS WITH PHOTOLUMINOPHORS ON THE BASIS OF EUROPIUM COMPOUNDS IN AUGMENTATION OF PRODUCTIVITY

OF PLANTS IN THE GREENHOUSES

The article studied the influence of luminiscent radiation of photoluminescent films on augmentation of productivity of plants in a greenhouses, and also the reflected, absorbed and dissipated solar light photoluminophore particles in films.

It is experimentally erected, that the basic contribution to augmentation of productivity of plants to a greenhouses under photoluminescent films imports the luminescent radiance generated by films. Productivity also is spotted by a relation getting on a plant direct and a diffused light.

Keywords: a greenhouse, a solar light, a photoluminescent film, luminescent radiation, productivity.

Minich A. S.

Tomsk State Pedagogical University.