CC BY
69
19. Sazonova L.V. Vnutrividovaya klassifikaciya korneplodnyh form Raphanus L. [Intraspecific Classification of Raphanus Root Forms]. Trudy po prikladnoj botanike, genetike i selekcii.[ Works on applied botany, genetics
and selection]. Leningrad: VIR, 1971. Vol. 45. No. 1: 42-75. (In Russian) 20. Belousov L.V. Biologicheskij morfogenez [Biological morphogenesis]. Moscow: Moscow Univ, Publ. 1987: 239. (In Russian).
УДК 581.5: 582.98 DOI 10.24411/0131-5226-2019-10152
ОПТИМИЗАЦИЯ ФОТОННОЙ ОБЛУЧЕННОСТИ РАССАДЫ ТОМАТА (LYCOPERSICUM ESCULENTUM MILL.) ДЛЯ РАЗЛИЧНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЯ
С.А. Ракутько, д-р техн. наук; А.П. Мишанов;
А.Е. Маркова, канд. с.-х. наук; Е.Н. Ракутько
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Томат является одной из самых популярных и востребованных культур, как России, так и во всем мире. Выращивание качественной рассады томата является залогом получения конечного урожая плодов гарантированного качества. Для обеспечения круглогодичного производства во многих регионах томат выращивают в условиях светокультуры, что значительно повышает требования к энергоэкологичности производства. Целью данного исследования являлось выявление и количественная оценка эффекта от действия различной облученности от источников с различным содержанием синего излучения в спектре на рост и развитие рассады томата. Исследовали биометрические параметры 39-дневной рассады, выращенной под различными облучательными установками. Облучатели представляли комбинацию люминесцентных ламп различного спектрального состава и дополнительные светодиодные источники синего излучения. В качестве величины, характеризующей спектр излучения, принята доля потока синего излучения к потоку остальной части ФАР - RB (синее отношение). В эксперименте различие величины RB для вариантов опыта составило 10%: численное значение для спектра I равно 0,6 и для спектра II - 0,5 отн.ед. Растения выращивали с фотопериодом 16 ч при облученностях 100, 170 и 240 мкмольс-1.м-2. На основе экспериментальных данных произведено математическое описание основных биометрических параметров растений. Выявлена достаточная чувствительность этих параметров к различиям в синем диапазоне излучения. Найдены оптимумы энергоемкости преобразования потока излучения в сухое вещество листьев: для спектра I минимальное значение энергоемкости составляет 6,97 моль.г-1 при облученности 141,8 мкмольс-1.м-2. Для спектра II минимальное значение энергоемкости составляет 7,62 моль.г-1 при облученности 129,6 мкмольс-1.м-2.
Ключевые слова: светокультура, спектр, облученность, энергоэкологичность.
Для цитирования: Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н. Оптимизация фотонной облученности рассады томата (LYCOPERSICUM ESCULENTUM MILL.) для различного спектрального состава излучения // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 2 (99). С.85-100
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 19 Вып. 2(99)_
OPTIMIZATION OF PHOTON IRRADIANCE OF TOMATO TRANSPLANTS (LYCOPERSICUM ESCULENTUM MILL.) FOR DIFFERENT LIGHT QUALITY OF
RADIATION
S.A. Rakutko, DSc (Eng); A.P. Mishanov;
A.E. Markova, Cand. Sc (Agriculture); E.N. Rakutko
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
Tomato is one of the most popular and useful vegetables both in Russia and around the world. The quality of tomato seedlings is responsible for obtaining a high-quality tomato yields. In many regions tomatoes are grown under the indoor plant lighting that increases the requirements for energy and ecological compatibility of production. The purpose of this study was to identify and quantify the effect of various levels of blue radiation in the light source spectrum on the growth and development of tomato seedlings. The biometric parameters of 39-day-old seedlings grown under various irradiation facilities were considered. The irradiators were a combination of fluorescent lamps of different spectral composition and additional LED sources of blue radiation. The share of blue radiation flux in the rest part of PAR - RB (blue ratio) was taken as the value characterizing the light quality.
In the experiment, the difference in the RB value by the experiment variants was 10%: the numerical value for spectrum I was 0.6 relative units and for spectrum II - 0.5 relative units. The photoperiod of the plants growing was 16 h, with the irradiance of 100, 170, and 240 ^mol- s-1.m-2. The main biometric parameters of plants were described mathematically on the basis of experimental data. The sufficient sensitivity of these parameters to the differences in the blue radiation range was revealed. The optimum energy intensity for converting the radiation flux into the leaf dry matter was found: for spectrum I, the minimum value of energy intensity was 6,97 mol.g-1 under the irradiance of 141.8 цтоЬ s-1.m-2. For spectrum II, the minimum value of energy intensity was 7,62 mol.g-1 under the irradiance of 129.6 ^mol- s-1.m-2.
Keywords: indoor plant lighting, light quality, irradiance, energy and ecology compatibility.
For citation: Rakutko S.A., Markova A.E., Mishanov A.P., Rakutko E.N. Optimization of photon irradiance of tomato transplants (Lycopersicum Esculentum Mill.) for different light quality of radiation.
Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 2(99): 85-100 (In Russian)
Введение
Томат является одной из самых популярных и востребованных культур как России, так и во всем мире. Плоды томата содержат необходимые организму человека сахара, клетчатку, пектины, бета-каротин, витамины и минеральные вещества. Его широко используют как в свежем, так и переработанном виде. Качество посадочного материала является ключевым фактором, определяющим качество и количество урожая. Ряд регионов России расположен в
климатических условиях,
характеризующихся дефицитом
естественного солнечного света в течение значительной части года, поэтому выращивание производится в защищенном грунте в условиях светокультуры.
В тепличном производстве затраты энергии (отопление и освещение) составляют от 10 до 30% общих производственных затрат [1]. В настоящее время основным источником энергии, направляемой на производственные нужды, все еще является
ископаемое топливо. Его добыча, транспортировка и использование оказывает негативное воздействие на окружающую среду. Поэтому применение новых энергосберегающих технологий облучения имеет и экологический эффект, что позволяет говорить об актуальности проблемы повышении энергоэкологичности светокультуры в целом [2, 3].
Для получения рассады надлежащего качества решающее значение имеют условия ее выращивания. В связи со значительным сроком вегетационного периода, процесс получения рассады необходимо начинать зимой или ранней весной, в зависимости от культурооборота. Однако в это время в условиях северных широт доза естественной облученности (DLI, day light integral) невелика, что обусловлено сочетанием короткого светового дня и низкого уровня облучения. Рекомендуемые значения DLI для сеянцев томата составляют от 13 до 16 мольм-2д-1 [4, 5].
Требования к рассаде зависят от многих факторов [6]. Саженцы томатов должны быть однородными по размеру с хорошо развитыми листьями и корнями; прямые, не вытянутые, с толстыми стеблями, иметь темно-зеленые листья [7]. Это гарантирует оптимальное развитие растений после пересадки, и дает возможность получить ранний высококачественный урожай.
Для ускорения роста и обеспечения развития растений необходимо увеличение дозы излучения с помощью дополнительных источников. Априори, любой источник света, излучающий в диапазоне фотосинтетически активной радиации (ФАР, 400...700 нм) будет способствовать росту растений [8]. На основании этого для целей облучения растений широко применяют натриевые лампы, обладающие более низкой стоимостью, по сравнению с светодиодными облучателями (СД), несмотря на то, что максимум их излучения лежит в желтой
части спектра. Однако более эффективным является использование СД, допускающих гибкое управление спектром излучения.
Имеются данные о выращивании томатов под СД как единственными источниками [9, 10]. Исследования показали, что красный свет способствует увеличению сырой и сухой массы, удлинению стебля и увеличению площади листа [11, 12, 13], в то время как синий влияет на морфологию развития и производство биомассы в зависимости от вида растений и других условий окружающей среды [14].
Большинство исследований
свидетельствуют о необходимости сочетания синего и красного излучения для достижения наилучших результатов [15].
В случае использования СД как источников дополнительного излучения спектральные добавки могут быть не столь актуальными, поскольку Солнце излучает энергию во всех спектральных диапазонах. При полной светокультуре вся ответственность за формирование требуемых параметров радиационного режима лежит на применяемых источниках света. И если арсенал способов его оптимизации для традиционных источников достаточно ограничен [16, 17, 18], то применение современных СД позволяет обеспечить полное управление радиационной средой выращивания растений.
Цель настоящего исследования заключалась в выявлении и количественной оценке эффекта от действия различных уровней облученности при использовании облучателей с различной долей синего потока в их спектре на рост и развитие рассады томата.
Достижение данной цели производится путем натурного эксперимента с последующим математическим
моделированием, которое является важной составной частью энергоэкологии светокультуры. Полученные результаты
предполагается использовать при
последующей разработке методики выращивания рассады томатов в полностью искусственных условиях. Материалы и методы
Растительный материал и условия выращивания.
Семена томата (Lycopersicum Esculentum Mill.) сорта Благовест F1 в количестве 50 шт были посеяны в рассадный лоток 25.03.2019г., заполненный смесью агроторфа и субстрата «Живая земля» в пропорции 1:2. Показатель рН полученной смеси составил 6,1. Дополнительно вносили в смесь минеральные удобрения: MgSO4, K2SO4, Ca(NO3)2 и CuSO4. Готовая смесь имела следующие показатели, мг/кг: N-359, P-150, K-417, Ca-126, Mg-64, S-86. Полные всходы появились 29.03.2019г. После появления второго настоящего листа 09.04.2019г. сеянцы в количестве 36 штук были отобраны и пропикированы в контейнеры обьемом 1 л.
Эксперимент проводили в лабораторном помещении площадью 50 м2 без естественного освещения. Скорость движения воздуха 0,2-0,3 м.с-1 в зоне выращивания растений обеспечивали центробежным вентилятором, равномерно распределяя потоки воздуха через
T
перфорированный рукав. Фотопериод ( ФП) составлял 16 ч. Окончание опыта 06.05.2019г. на 39-й день после появления всходов (Т=39 дней). Температура воздуха поддерживалась на уровне 21±1,0оС, влажность - 65-70%. Поддержание параметров микроклимата осуществлялось в автоматическом режиме.
Контейнеры с растениями были расставлены на стеллажах с различными условиями облучения с применением рандомизации. В процессе выращивания контейнеры ежедневно случайным образом поворачивали и перемещали, чтобы минимизировать влияние местоположения в
пределах стеллажа. Производили необходимые подкормки и полив растений.
Облучательные установки и условия облучения
Эксперимент проводили на двух облучательных установках (рис. 1), обеспечивающих различные условия облучения.
Рис. 1. Общий вид облучательных установок
Каждая установка включает в себя каркас размерами 0,95 х 1,90 м с расположенными на нем источниками света и блоками питания, закрепленный с помощью фиксированных подвесов на высоте 1,68 м от пола. На независимых подвесах на высоте 1,56 м закреплена несущая рама размером 1,1 х 1,4 м. К раме крепятся три стеллажа с возможностью плавного изменения высоты их подвеса. Размер каждого стеллажа 0,1х1,0 м, что позволяет изначально разместить на них по 6 контейнеров обьемом 1 л с рассадой. Расстояние между проекциями центра стеллажей на горизонтальную плоскость составляет 0,3 м. Такая конструкция обеспечивает возможность одновременного проведения эксперимента с тремя различными уровнями облученности в диапазоне от 80 до 250 мкмольс-1.м-2 при одинаковом фотопериоде. Влияние соседнего облучателя было сведено к минимуму за счет использования светонепроницаемых штор между установками.
В качестве источников света в каждой облучательной установке использованы люминесцентные лампы марки OSRAM L58W/840 LUMILUX Cool White и OSRAM L58W/77 FLUORA, общим количеством 16 штук, размещенные поочередно в общем каркасе, с блоками питания HELVAR EL2x58 ngn. Различие установок заключается в том, что на одной из них дополнительно смонтированы светодиоды марки ARPL-Star-3W (RED) с длиной волны излучения 440 нм и полушириной пика 50 нм. СД излучатели размещены на четырех алюминиевых радиаторах, по 10 шт. на каждом. Радиаторы, в свою очередь, равномерно распределены среди люминесцентных ламп. Питание СД производилось от блока HTS-200M-12.
Спектры излучения облучателей показаны на рисунке 2.
отнесенных к общей энергии ФАР. Для
k
k
установки №1 kB =39,0%, G =30,9%, =30,1%, kFR =5,0%. Для установки №2
kR k
kG =34,6%, kR =34,0%,
kFR =5,3%.
=31,5%,
В качестве величины, характеризующей спектр излучения, принято «синее отношение» (blue ratio) - доля потока синего излучения к потоку остальной части ФАР.
Rb =
k„
kG + kR
Рис. 2. Спектры облучателей
(1)
Для условий эксперимента эта величина принимала значение 0,6 (спектр I) и 0,5 (спектр II) отн.ед., т.е. спектры отличались содержанием синего излучения на 10%.
По мере роста растений путем изменения высоты подвесов стеллажей поддерживали облученность на уровне их верхушек 100, 170 и 240 мкмольс-1.м-2 (соответственно DLI был равен 5,8; 9,8 и 13,8 мольм-2д-1).
Биометрические измерения
В процессе эксперимента еженедельно фиксировали динамику изменения высоты гипокотиля растений. По мере разрастания кроны растений для увеличения световой площади в стеллаже оставляли только 5 растений. По мере разрастания кроны растений для увеличения световой поверхности на стеллаже оставляли по 5 растений.
Неравномерность величины
облученности вдоль стеллажей,
характеризуемая коэффициентом
минимальной освещенность z=Eмах/Еср составляла порядка 20 %.
Спектральный состав потока излучения характеризовали соответствующими долями энергий, %, в отдельных спектральных
поддиапазонах: синем кв (400...500 нм),
k
kD
зеленом G (500.600 нм), красном kR и
дальнекрасном
(700.780
нм),
Рис. 3. Проведение биометрических измерений растений
Для каждого количество листьев
растения определяли N . Высоту от семядолей и L
до гипокотиля H и междоузлия 1 определяли с помощбю мерной линейки с
ценой деления 1 мм. Площадь листьев Sl определяли методом фотограмметрирования, путем фотографирования их камерой Xiaomi Mi A2 на плоскости вместе с масштабом площади. Площадь листовой поверхности
всего растения 0 вычисляли как сумму площадей отдельных листьев. Для образцов листьев с нижнего (3-го), среднего (6-го) и верхнего (8-го) ярусов растений с помощью хлорофиллметра CCM-200 измеряли индекс содержания хлорофилла (chlorophill content
C
index, CCI) 1. С помощью денситометра ДП-1М измеряли оптическую плотность
D D
рг =
этих листьев в, и и « в отдельных спектральных диапазонах (на группе светофильтров «А»). С помощью цифрового микрометра измеряли толщину листьев ^ и диаметр шейки стебля & с точностью до 0,01 мм.
О концентрации пигментов в 1 -ом спектральном диапазоне судили по относительной величине оптической плотности листа
А
ё . (2)
Содержание сухого вещества в свежем растительном материале определяли гравиметрическим методом путем высушивания при 105оС до постоянного веса. Анализ проводили отдельно для стебля, листьев и корневой системы, предварительно отмытой в воде. Взвешивание проводили на весах ВТЛ-500 с точностью ±10 мг. При статистической обработке результатов измерений зависимости диаметра стебля, высоты гипокотиля и средней длины междоузлия от облученности
апппроксимировали линейной функцией.
Зависимости суммарной площади листовой поверхности, общей сырой массы, массы составных частей растения и содержания в них сухого вещества аппроксимировали полиномом второй степени.
Для применяемых типов спектра находили свои наборы коэффициентов в полученных формулах. В предположении, что при переходе от одного типа спектра к другому соответствующие коэффициенты изменяются линейно, зависимости этих коэффициентов от спектра излучения, задаваемого величиной синего отношения ЯВ, описывали линейными выражениями.
Для характеристики
энергоэффективности процесса
преобразования вещества при фотосинтезе использовали величину энергоемкости фотосинтеза, моль.г-1. В соответствии с ее физическим смыслом как количества энергии, затрачиваемой на единицу массы синтезируемого сухого вещества, величина вычисляется по формуле:
s =
IM
E J S (t )dt
0_
T
J M (t )dt
3600 • E • T • ТфП • So
Mл У
100
. (3)
Данные обрабатывали методами математической статистики (p<0.05) с использованием программ Excel 2003 и Statistica 6.0.
Результаты и обсуждение Общие биометрические показатели
На рисунке 4 показан внешний вид растений томата (вид сбоку), выращенных при различном уровне облученности (слева направо - 100, 170 и 240 мкмоль с-1.м-2). Различия внешнего вида растений в зависимости от уровня облученности видны наглядно, причем данная тенденция наблюдалась при обоих типах спектра. При повышении уровня облученности
0
наблюдались снижение размера растения и повышение компактности кроны.
Влияние изменения высоты гипокотиля на различия величины «синего отношения» позволяет управлять развитием растения в зависимости от поставленной цели.
Например, увеличенная высота гипокотиля желательна для сортов подвоя, поскольку прививка в этом случае облегчается. Однако для обычных саженцев удлиненный гипокотиль не является положительной характеристикой, поскольку свидетельствует о слабой рассаде [19].
Рис. 4. Внешний вид растений томата (вид сбоку)
На рисунке 5 показан вид сверху кроны типичных растений.
Рис. 5. Вид кроны растений (вид сверху)
Средние значения биометрических показателей в конце эксперимента показаны в таблице 1.
Таблица 1
Значения биометрических показателей
Показатель Спектр I (Кв =0,6) Спектр II (Кв =0,5)
100 170 240 100 170 240
Кол-во листьев N , шт 12,0 11,8 11,6 11,4 12,2 12,0
Диаметр стебля &, мм 7,00 7,65 8,18 6,82 7,49 7,96
Кол-во кистей п , шт 1,0 2,0 1,8 1,6 2,6 2,2
Высота гипокотиля Н(), мм 331,6 266,2 232,4 354,8 276,4 245,2
Ср. длина междоузлия ^ср, мм 32,0 25,1 21,6 33,3 25,2 22,6
$ Площадь листьев 0, м2 0,0926 0,1018 0,0993 0,0981 0,1123 0,1029
Сырая масса, г.растение-1 49,24 71,74 82,89 49,40 72,57 74,78
м л в т.ч., листьев л 29,85 45,83 48,18 29,77 46,70 47,77
стебля М с 14,48 14,58 14,66 15,51 15,71 14,48
корня М к 4,91 11,32 20,06 4,12 10,16 12,53
Сод. сухого в-ва, %: в листьях 9,5 11,9 12,6 9,6 11,9 13,8
в стебле ^с 4,3 7,0 8,0 4,6 6,7 9,1
V в корне к 11,0 10,6 11,0 10,9 10,5 10,9
Различия в изменении биометрических показателей можно отнести к восприятию антагонистических сигналов, принимаемых различными фоторецепторами растений, выращиваемых в различных условиях радиационной среды.
Растения под спектром с большим
и
значением в при одинаковом уровне облученности имеют одинаковое количество листьев, больший диаметр стебля, однако меньшее количество кистей, высоту гипокотиля, среднюю длину междоузлия и площадь листовой поверхности. Масса корневой системы при этом спектре была значительно большей, особенно при высоком уровне облученности.
Имеется предположение, что высокий уровень облученности может частично компенсировать недостаток синего излучения в спектре [20]. Это означает, что при более высоких уровнях облученности разница в действии излучения с различным спектром меньше влияет на биометрию рассады.
В нашем эксперименте этот эффект нашел отражение в снижение величины различия для параметров: количества кистей - с минус 37,5% до минус 18,2%; высоты
гипокотиля - с минус 6,5% до минус 5,2% и площади листьев - с минус 5,5% до минус 3,6%).
Развитая и здоровая корневая система необходима для усвоения воды и питательных веществ и, следовательно, имеет решающее значение для правильного развития растений [21]. Особенно от качества корневой системы зависит способность рассады к дальнейшей быстрой приживаемости. В настоящем исследовании общий вес корней рассады был выше при использовании излучения с большей долей синего потока и увеличивался с повышением уровня облученности. Данный факт подтверждает влияние синей составляющей спектра на усиление развития вегетативных органов растения.
Найдены взаимосвязи между ростом растения и величиной облученности для двух вариантов спектрального состава излучения, характеризуемых различной величиной синего отношения. В таблице 2 представлены значения коэффициентов моделей отдельных параметров, а так же уравнения для зависимости коэффициентов в них от спектрального состава излучения.
Коэффициент Тип спектра Уравнение
I ( RB =0.6) II ( Rb =0.6)
™ « = ае 2+в Модель диаметра стебля 4 ' , мм
A 0,0085 0,0081 A = 0,004RB + 0,0061
B 6,1688 6,0398 B = 1,29 RB + 5,3948
™ н0(Е)=ае 2 + в Модель высоты гипокотиля 0 4 у , мм
A -0,7086 -0,7829 A = 0,743 RB - 1,1544
B 397,19 425,22 B = -280,3 RB + 565,37
а, - 4р (Е) = ае 2 + в Модель средней длины междоузлия , мм
A -0,0743 -0,0762 A = 0,019 RB - 0,0857
B 38,875 39,982 B = -11,07 RB + 45,517
Таблица 2
Значения коэффициентов в моделях биометрических параметров растения
продолжение табл. 2
ЛД - S0(E) = AE2 + B _ Модель суммарной площади листьев 0 v у , см2
A -0,012 -0,0242 A = 0,122 RB - 0,0852
B 4,542 8,5658 B = -40,238 RB + 28,685
C 591,93 365,68 y = 2262,5 RB - 765,57
™ « - - M0(E) = AE2 + BE + C Модель общей сырой массы 0 v 7 , г
A -0,0012 -0,0021 A = 0,009 RB - 0,0066
B 0,6338 0,9081 B = -2,743 RB + 2,2796
С - 2,5734 - 20,028 C = 174,55 RB - 107,3
Л, „ Мл (E) = AE2 + BE + C Модель сырой массы листьев л v у , г
A -0,0014 -0,0016 A = 0,002 RB - 0,0026
B 0,6042 0,6785 B = -0,743 RB + 1,05
C - 16,656 - 21,906 C = 52,5 RB - 48,156
ЛД - « Мс (E) = AE2 + BE + C Модель сырой массы стебля с v у , г
A 0.0000 -0,0001 A = 0,001 RB - 0,0006
B 0,0023 0,0421 B = -0,398 RB + 0,2411
С 14,279 12,757 C = 15,22 RB + 5,147
Л/Г - М (E) = AE2 + BE + C Модель сырой массы корня к v ' , г
A 0,0002 -0,0004 A = 0,006 RB - 0,0034
B 0,0273 0,1875 B = -1,602 RB + 0,9885
С - 0,197 - 10,878 C = 106,81 RB - 64,283
ЛД V (E) = AE2 + BE + C Модель содержания сухого вещества в листьях л v у , г
A -0,0002 0.0000 A = -0,002 RB + 0,001
B 0,0794 0,0426 B = 0,368 RB - 0,1414
С 3,2955 5,7562 C = -24,607 RB + 18,06
ЛД « V (E) = AE2 + BE + C Модель содержания сухого вещества в стебле с v у , г
A -0,0002 0.0000 A = -0,002 RB + 0,001
B 0,0833 0,0253 B = 0,58 RB - 0,2647
С - 2,3226 1,8631 C = -41,857 RB + 22,792
Л/Г v (E) = AE2 + BE + C Модель содержания сухого вещества в корнях к к J , г
A -0,0002 0.0000 A = -0,002 RB + 0,001
B 0,0833 0,0253 B = 0,58 RB - 0,2647
- 2,3226 1,8631 C = -41,857 RB + 22,792
Выявление связи между интенсивностью роста и параметрами облучения является важной проблемой. Классическая методика анализа включает вычисление ряда коэффициентов: относительного темпа роста (RGR), относительной площади листа (LAR) и других, с помощью которых далее устанавливают связи между интенсивностью облучения света и ростом растений [22]. В
нашем исследовании, ориетированном на оценку энергоэффективности светокультуры, применен метод прямой аппроксимации непосредственно измеряемых в
эксперименте параметров простыми математическими выражениями.
Полученная общая математическая модель для рассады томата состоит из набора частных математических моделей
(выражений), описывающих изменения отдельных биометрических параметров в завимости от заданных внешних условиях. Поскольку значения этих параметров являются отражением физиологических процессов в растении, полученные выражения так же имеют ценность для понимания интенсивности их протекания.
Оптические характеристики листьев и содержание хлорофилла
На физиологию растения влияет только та часть излучения, которая поглощается его тканями [23]. В свою очередь, параметры радиационного режима формируют определенную структуру
фотосинтетического аппарата и влияют на его функциональную активность.
При выращивании растений в естественных условиях происходит трансформация привнесенной извне энергии солнечного излучение в энергию химических связей в процессе фотосинтеза. В светокультуре тот же процесс происходит от искусственных источников, питаемых электрической энергией, для получения которой, как правило, необходимо использование запасов органического топлива. Эффективность этого процесса определяется как качеством света (его спектральным составом), так и оптической плотностью листьев, которая зависит от толщины листовой пластинки и концентрации пигментов [24].
Основными пигментами высших растений, обеспечивающими поглощение лучистой энергии и её использование на
построение биомассы, являются зелёные пигменты - хлорофиллы а и Ь. Максимум их поглощения лежит в синей и красной части спектра.
Это обстоятельство сформировало подход, в соответствии с которым для выращивания растений в условиях светокультуры рекомендовалось
использование источников, в которых либо вообще не содержалось излучения зеленого диапазона, либо его содержание сводилось к минимуму (так называемая марганцовка -легко распознаваемый красно-синий цвет излучения, некомфортный для глаза человека). В настоящее время это положение пересмотрено, поскольку выявлена субстратная роль зеленого диапазона, несущего определённую функциональную нагрузку и имеющего свой биологический смысл, прежде всего, обеспечение проникновения излучения в ценоз.
Для вычленения эффекта изменения оптической плотности листа от концентрации пигментов произведено нормирование этой величины на величину толщины листа (в соответствии с формулой 1). На рисунке 6 представлены зависимости полученных значений относительной оптической плотности.
Общей закономерностью является снижение этой величины во всех диапазонах при увеличении величины облученности и по мере снижения яруса листьев.
1 2
Облученность, ^.mols- .m-100
170
240
20
«15 чд
Я
10
о
^ 5 -II
0
15,7
14,7
□ I □ II
8,3
5,4
5,2
B G
о
20 15 10 5 0
□ I Ш1
10,6 11,3 m:
I
2 г
6,0
6,7
20 15
X
ё10
□ I □ II
1 8,97 1,3!
Ъ К 4,875,22 3,54 Ж/ S 6,99 Л/
B G
R
B G
о
s,
20 15 10 5 0
15,53 13,73
□ I □ II
8,63
5,74
5,08
V
63
m
20 15 10 5 0
□ I □ II
1,34
10,68
п
6,38 6,30
G R
G R
20 15
4 0}
5 10-1
о
5 -
0
II DII
10,3 □
11,5
5,8
6,8
Я
B G R
20 15
X
S 10
о
20 15
□ I □ II
8,8
I
I
4,6
4,9
B G
R
20 15
Я g 10
5 -|
0
□ I □ II
9,13
792 □
П
. ,,,5,36 3,49 4,35l_
шШ
B G
G R
Рис. 6. Оптические характеристики листьев
R
R
B
B
13 10
R
B
Хлорофилл является ключевым биохимическим компонентом молекулярного аппарата, обеспечивающего процесс фотосинтеза. Он определяет эффективность фотосинтеза, а так же рост растений и их приспособленность к условиям окружающей среды. Содержание хорофилла в листьях варьируется в зависимости от генетики растений, содержания минеральных элементов, факторов внешней среды и т.д. [25].
Содержание хлорофилла в листьях растений по ярусам показано в таблице 3.
Результаты нашей оценки содержания пигментов в листьях подтверждают исследования, показывающие усиленное
морфологическое развитие рассады томата при ее облучении потоком с увеличенной долей синего излучения [26].
Таблица 3
Содержание хлорофилла (индекс CCI ) в
листьях по ярусам
Ярус листьев Тип спектра Облученность, мкмольс-1.м-2
100 170 240
Верхн. I II 19,2 18,0 40,9 47,8 47,8 56,0
Средн. I II 22,3 24,3 43,4 43,7 48,0 56,8
Нижн. I II 22,1 24,9 39,1 36,3 44,6 50,3
В ср. I II 21,2 22,4 41,2 42,6 46,8 54,4
Энергоемкость фотосинтеза
В соответствии с формулой (3) построены зависимости энергоемкости фотосинтеза сухого вещества листьев в зависимости от уровня облученности для различных спектров (рис. 7).
7
я
со
100
200
300
Облученность, мкмольс-1м-2
Рис. 7. Зависимость энергоемкости фотосинтеза от величины облученности для излучения различного спектра
Методами дифференциального
исчисления найдено, что по критерию минимальной энергоемкости для спектра типа I оптимальное значение облученности
т^опт ^ ^ мин
1 = 141,8 мкмольс- .м- , при этом 1 =
опт
6,97 моль.г- ; для спектра типа II 1 = 129,6
= 7,62 моль.г-1. Полученные кривые позволяют выбрать энергосберегающий режим облучения в каждом конкретном случае.
1 2 £м""
мкмоль с- .м- , при этом 1
Заключение
Результаты экспериментов позволили выявить закономерности роста и энергетики процесса облучения для светокультуры рассады томата, выращиваемой в лабораторных условиях под различным спектром и интенсивностью облучения.
Применение дополнительных
светодиодов в комбинации с традиционными источниками позволит оптимизировать воздействие на рост и развитие растение за счет варьирования спектральным составом и интенсивностью облучения.
В работе предложен показатель спектрального состава излучения источников как отношение доли потока синего излучения к потоку остальной части ФАР, который предоставляет возможность
количественно охарактеризовать спектр излучения одним числом.
На основе экспериментальных данных произведено математическое описание основных биометрических параметров растений. Выявлена достаточная
чувствительность этих параметров от «синего отношения». Изменение доли синего излучения в составе ФАР на 10 % ведет к существенной разнице практически всех биометрических показателей растений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
9
8
6
0
1. Mitchell C.A., Both A.J., Bourget M.C, Burr J.F., Kubota C., Lopez R.G., Morrow R.C., Runkle E.S. LEDs: The future of greenhouse lighting! Chron. Hort. 2012. 52: 6-12.
2. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Оценка энергоэффективности источников оптического излучения для растений с позиций прикладной теории
энергосбережения // Известия Санкт-Петербургского государственного
аграрного университета. 2015. № 39. С. 359-366.
3. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Kaposhko D.A., Vaskin A.N. Monitoring technique of energy and ecological efficiency of indoor plant lighting. Proceedings of 15th International Scientific Conference
"Engineering for Rural Development". Jelgava, 2016. C. 95-101.
4. Fan X.-X., Xu Z.-G., Liu X.-Y., Tang CM., Wang L.-W., Han X.-I.. Effects of light intensity on the growth and leaf development of young tomato plants grown under a combination of red and blue light. 2013. Sci. Hort. 153:50-55.
5. Moe R., Grimstad SO., Gislerad H.R.. The use of artificial light in year round production of greenhouse crops in Norway. 2006. Acta Hort. 711:35-42
6. Chia P.-L., Kubota C. End-of-day farred light quality and dose requirements for tomato rootstock hypocotyl elongation. 2010. HortScience 45:1501-1506
7. Lee J.M., Kubota C., Tsao S.J., Bie Z., Hoyos Echevarria P., Morra L., Oda M.. Current status of vegetable grafting: Diffusion, grafting techniques, automation. Sci. Hort. 2010. 127:93-105.
8. McCree, K.J. The action spectrum absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants. Agr. Meteorol. 1972. 9:191-216.
9. Gomez Celina, Mitchell Cary A. Growth Responses of Tomato Seedlings to Different Spectra of Supplemental Lighting. HortScience 2015. 50(1):112-118.
10. Liu X.Y., Guo S R., Xu Z.G., Jiao X.L., Tezuka T.. Regulation of chloroplast ultrastructure, cross-section anatomy of leaves, and morphology of stomata of cherry tomato by different light irradiations of light emitting diodes. HortScience. 2011.46: 217221.
11. Heo, J.W., Kang D.H., Bang H.S., Hong S.G., Chun C., Kang K.K.. Early growth, pigmentation, protein content, and phenylalanine ammonia-lyase activity of red curled lettuces grown under different lighting conditions. Kor. J. Hort. Sci. Technol. 2012. .30: 6 -12
12. Johkan, M., Shoji K., Goto F., Hashida S., Yoshihara T.. Blue light-emitting diode light irradiation of seedlings improves seedling quality and growth after transplanting in red leaf lettuce. HortScience. 2010. 45: 18091814
13. Wu M.C., Hou C.Y., Jiang C.M., Wang Y.T., Wang C.Y., Chen H.H., Chang H.M.. A novel approach of LED light radiation improves the antioxidant activity of pea seedlings. Food Chem. 2007. 101: 1753-1758
14. Kigel J., Cosgrove D.J.. Photoinhibition of stem elongation by blue and red light: Effects and cell wall properties. Plant Physiol. 1991. 95: 1049-1056
15. Goins G.D., Yorio N.C., Sanwo-Lewandowski M.MBrown., C.S.. Life cycle experiments with Arabidopsis under red light-emitting diodes (LEDs). Life Support Biosph. Sci. 1998. 5: 143-149.
16. Ракутько С.А., Карпов ВН., Гулин С.В. Способ упорядоченной компоновки источников оптического излучения системы облучения растений в процессе их выращивания. Патент РФ № 2106778. Заявка №94028963/13. Заявл. 03.08.1994. Опубл. 20.03.1998
17. Ракутько С.А. Способ питания газоразрядных ламп при облучении растений. Патент РФ № 2073317. Заявка № 93028234/07. Заявл. 01.06.1993. Опубл. 10.02.1997.
18. Карпов ВН., Ракутько С.А., Шарупич В.П., Немцев Г.Г. Способ эксплуатации газоразрядных ламп в теплице. Патент РФ № 2115293. Заявка №92015195/13. Заявл. 28.12.1992. Опубл. 20.07.1998.
19. Jones, J.B., Jr. Tomato plant culture: In
19. Jones, J.B., Jr. Tomato plant culture: In the field, greenhouse, and home garden. 2nd Ed. CRC Press, Boca Raton, FL. 2008: 420.
20. Cope K.R., Bugbee B.. Spectral effects of three types of white light-emitting diodes on
plant growth and development: Absolute versus relative amounts of blue light. HortScience. 2013. 48: 504-509
21. Nicola, S. Understanding root systems to improve seedling quality. HortTechn. 1998. 8: 544-549.
22. Blackman G.E, Black J.N. Physiological and ecological studies in the analysis of plant environment. XI. A further assessment of the influence of shading on the growth of different species in the vegetative phase. Ann. Bot. N. S. 1959. 23: 51-63.
23. Тихомиров А.А., Шарупич В.П., Лисовский Г.М. Светокультура растений // Биофизические и технологические основы. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2000. - 213 с.
24. Зайцева, Т.А., Луговцева К.А. Формирование структуры и развитие
функциональной активности
фотосинтетического аппарата в клетках разных зон роста первичного листа пшеницы под влиянием света различного спектрального состава // Физиология и биохимия культурных растений. - 1994. - Т. 26. - С. 444-450.
25. Haboudane D., John R., Millera J.R., Tremblay N., Zarco Tejada P.J., Dextraze L. Integrated narrow-band vegetation indices for prediction of crop chlorophyll content for application to precision agriculture. Remote Sensing of Environment. 2002. 81: 416-426.
26. Nanya K., Ishigami Y., Hikosaka S., Goto E.. Effects of blue and red light on stem elongation and flowering of tomato seedlings. Acta Hort. 2012. 956: 264-266.
REFERENCES
1. Mitchell C.A., Both A.J., Bourget M.C, Burr J.F., Kubota C., Lopez R.G., Morrow R.C., Runkle E.S. LEDs: The future of greenhouse lighting! Chron. Hort. 2012. 52: 6-12.
2. Rakutko S.A., Rakutko E.N. Ocenka ehnergoehffektivnosti istochnikov opticheskogo izlucheniya dlya rastenij s pozicij prikladnoj teorii ehnergosberezheniya [Evaluation of the energy efficiency of optical radiation sources for plants from the standpoint of an applied theory of energy saving]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015. No. 39: 359-366. (In Russian)
3. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Kaposhko D.A., Vaskin A.N. Monitoring technique of energy and ecological efficiency of indoor plant lighting. Proceedings of 15th International Scientific Conference "Engineering for Rural Development". Jelgava, 2016: 95-101. (In English) 4. Fan X-
X., Xu Z.-G., Liu X.-Y., Tang C.-M., Wang L.-W., Han X.-I. Effects of light intensity on the growth and leaf development of young tomato plants grown under a combination of red and blue light. 2013. Sci. Hort. 153:50-55.
5. Moe R., Grimstad S.O., Gislerad H.R. The use of artificial light in year round production of greenhouse crops in Norway. 2006. Acta Hort. 711:35-42
6. Chia P.-L., Kubota C. End-of-day farred light quality and dose requirements for tomato rootstock hypocotyl elongation. 2010. HortScience 45:1501-1506
7. Lee J.M., Kubota C., Tsao S.J., Bie Z., Hoyos Echevarria P., Morra L., Oda M. Current status of vegetable grafting: Diffusion, grafting techniques, automation. Sci. Hort. 2010. 127:93-105.
8. McCree, K.J. The action spectrum absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants. Agr. Meteorol. 1972. 9:191-216.
9. Gomez Celina, Mitchell Cary A. Growth Responses of Tomato Seedlings to Different Spectra of Supplemental Lighting. HortScience 2015. 50(1):112-118.
10. Liu X.Y., Guo S R., Xu Z.G., Jiao X.L., Tezuka T. Regulation of chloroplast ultrastructure, cross-section anatomy of leaves, and morphology of stomata of cherry tomato by different light irradiations of light emitting diodes. HortScience. 2011.46: 217221.
11. Heo, J.W., Kang D.H., Bang H.S., Hong S.G., Chun C., Kang K.K. Early growth, pigmentation, protein content, and phenylalanine ammonia-lyase activity of red curled lettuces grown under different lighting conditions. Kor. J. Hort. Sci. Technol. 2012. .30: 6-12
12. Johkan, M., Shoji K., Goto F., Hashida S., Yoshihara T. Blue light-emitting diode light irradiation of seedlings improves seedling quality and growth after transplanting in red leaf lettuce. HortScience. 2010. 45: 18091814
13. Wu M.C., Hou C.Y., Jiang C.M., Wang Y.T., Wang C.Y., Chen H.H., Chang H.M. A novel approach of LED light radiation improves the antioxidant activity of pea seedlings. Food Chem. 2007. 101: 1753-1758
14. Kigel J., Cosgrove D.J. Photoinhibition of stem elongation by blue and red light: Effects and cell wall properties. Plant Physiol. 1991. 95: 1049-1056
15. Goins G.D., Yorio N.C., Sanwo-Lewandowski M.M., Brown., C.S. Life cycle experiments with Arabidopsis under red light-emitting diodes (LEDs). Life Support Biosph. Sci. 1998. 5: 143-149.
16. Rakutko S.A., Karpov V.N., Gulin S.V. Sposob uporyadochennoj komponovki istochnikov opticheskogo izlucheniya sistemy oblucheniya rastenij v processe ih vyrashchivaniya [The method of orderly
arrangement of optical radiation sources within the crop irradiation system in the growing process]. Patent of the Russian Federation No. 2106778. 1994. (In Russian)
17. Rakutko S.A. Sposob pitaniya gazorazryadnyh lamp pri obluchenii rastenij [The method of power supply of discharge lamps in crop inrrreadiation]. Patent of the Russian Federation No. 2073317. 1993. (In Russian)
18. Karpov V.N., Rakutko S.A., Sharupich V.P., Nemcev G.G. Sposob ekspluatacii gazorazryadnyh lamp v teplice. [The method of discharge lamps operation in the greenhouse] Patent of the Russian Federation No. 2115293. 1992. (In Russian)
19. Jones, J.B., Jr. Tomato plant culture: In the field, greenhouse, and home garden. 2nd Ed. CRC Press, Boca Raton, FL. 2008: 420.
20. Cope K.R., Bugbee B. Spectral effects of three types of white light-emitting diodes on plant growth and development: Absolute versus relative amounts of blue light. HortScience. 2013. 48: 504-509
21. Nicola, S. Understanding root systems to improve seedling quality. HortTechn. 1998. 8: 544-549.
22. Blackman G.E, Black J.N. Physiological and ecological studies in the analysis of plant environment. XI. A further assessment of the influence of shading on the growth of different species in the vegetative phase. Ann. Bot. N. S. 1959. 23: 51-63.
23. Tihomirov A.A., Sharupich V.P., Lisovskij G.M. Svetokul'tura rastenij [Indoor plant lighting]. Biofizicheskie i tekhnologicheskie osnovy [Biophysical technologicals fyndamentals]. Novosibirsk: Izd. SO RAN, 2000: 213. (In Russian)
24. Zajceva T.A., Lugovceva K.A. Formirovanie struktury i razvitie funkcional'noj aktivnosti fotosinteticheskogo apparata v kletkah raznyh zon rosta
pervichnogo lista pshenicy pod vliyaniem sveta razlichnogo spektral'nogo sostava [Formation of the structure and development of the functional activity of the photosynthetic apparatus in cells of different growth zones of the primary wheat leaf under the influence of light of different spectral composition]. Fiziologiya i biohimiya kul'turnyh rastenij. 1994. Vol. 26: 444-450. (In Russian)
25. Haboudane D., John R., Millera J.R., Tremblay N., Zarco Tejada P.J., Dextraze L. Integrated narrow-band vegetation indices for prediction of crop chlorophyll content for application to precision agriculture. Remote Sensing of Environment. 2002. 81: 416-426.
26. Nanya K., Ishigami Y., Hikosaka S., Goto E. Effects of blue and red light on stem elongation and flowering of tomato seedlings. Acta Hort. 2012. 956: 264-266
