Исключительные возможности ксеноновых ламп (непрерывный спектр и высокая интенсивность лучистого потока) долгое время использовались исследователями только для кратковременных наблюдений над отдельными физиологическими процессами.

Первые опыты по выращиванию высших растений из семени до плодоношения при облучении только ксеноновьми лампами были проведены в 1959-1960 гг. в лаборатории искусственного климата ТСХА.

Под лампами типа ДКСТВ-6000 растения превосходят не только растения, облученные люминесцентными лампами, но и выращиваемые летом в теплице. Особенно хорошо под ксеноновыми лампами растут томаты.

Томаты Лучший из всех, выращенные под люминесцентными лампами (3), при естественном облучении (2) и под ксеноновой лампой (1)

Томаты Лучший из всех, выращенные под люминесцентными лампами (3), при естественном облучении (2) и под ксеноновой лампой (1)

Преимущество ксеноновых ламп очень четко проявляется при выращивании в камерах без естественного излучения томатов и кукурузы (до плодоношения). Томаты сорта Пушкинский дают урожай зрелых плодов через 58 дней после всходов. У отдельных растений урожай достигает 840 г.

Урожай томатов Пушкинский под разными лампами (на 1 м² размещено 25 растений)

Лампы

Среднее число пло­дов на растении

Вес плода, г

Средний урожай с растения, г

средний

наибольший

Ксеноновые типа ДКСТВ-6000 11 66 97 726
Люминесцентные типа ДС-30 7 51 72 357

Таким образом, при размещении на 1 м² 25 растений можно получить 18-20 кг плодов с 1 м², а если следовать более поздним рекомендациям Агрофизического института и на 1 м² размещать не 25, а 36 растений, то за два месяца можно получить 25-30 кг плодов, что позволит значительно снизить затраты электроэнергии на выращивание 1 кг зрелых плодов (75-100 кВт ч).

Под люминесцентными лампами плоды созревают на 12 дней позже, а урожай значительно ниже. Соответственно этому и расход электроэнергии на 1 кг зрелых плодов неодинаков: под ксеноновой лампой меньше 150 кВт ч, а под люминесцентными – более 200 кВт ч.

Надо отметить, что пока преждевременно делать пересчет данных, полученных на 1 м², на площади порядка гектаров и ожидать большого производственного эффекта, но полученные результаты интересны как реальные показатели потенциальной продуктивности растений.

Под ксеноновыми лампами успешно растет также кукуруза (сорт Миннесота 13 экстра). Растения уже через 15 дней после всходов обгоняют по размерам растения, растущие под люминесцентными лампами или при естественном облучении (в начале мая).

Кукуруза Миннесота 13 экстра

Кукуруза Миннесота 13 экстра, выращенная в камере с ксеноновой лампой (возраст 105 дней)

В другом опыте, начатом в конце октября, нам удалось получить под ксеноновыми лампами плодоносящие растения кукурузы в камере без естественного излучения. Растения выращивали в растворе Кнопа, в трехлитровых стеклянных сосудах. При высоте стебля 140-160 см через 45 дней после всходов началось цветение, а через 105-110 созрели початки. Чреззерницы не наблюдалось. Абсолютный вес 1000 зерен 341 г. Размер початков был невелик, что отчасти объясняется малым размером вегетационных сосудов, ограничивающих развитие корневой системы.

Початки и метелка кукурузы Миннесота 13 экстра

Початки и метелка кукурузы Миннесота 13 экстра, выращенной в камере с ксеноновой лампой (возраст 105 дней)

Результаты выращивания томатов, кукурузы и лука показывают, что ксеноновые лампы вполне пригодны для круглогодовой селекции этих культур. Об этом же свидетельствуют результаты, полученные в Институте физиологии растений АН, где под мощными ксеноновыми лампами при облучении растений по 18 ч в сутки получают урожаи моркови по 15 кг/м² за 65 дней и салатной капусты по 18-20 кг/м² за 35 дней.

Лук Ростовский, выращенный при естественном облучении (1), под ксеноновой лампой (2) и под люминесцентными лампами (3)

Лук Ростовский, выращенный при естественном облучении (1), под ксеноновой лампой (2) и под люминесцентными лампами (3)

В приведенных примерах коэффициенты использования физиологически активного излучения достигали 8, а в отдельных случаях и 12%, что значительно превосходит величины, наблюдаемые при естественном облучении (1-3%).

Чтобы проверить и подтвердить полученные выше результаты и определить реакцию различных сортов одной культуры на излучение ксеноновых ламп, в камере были выращены 14 разных сортов томатов. Растения росли под люминесцентными (ДС-30) и ксеноновыми лампами (ДКСТВ-6000) при одинаковой физиологически активной облученности. Часть сортов, кроме того, выращивали в теплице без дополнительного облучения. Опыт продолжался 34 дня: с 20 февраля по 26 марта, т. е. при достаточно высокой естественной облученности. Первые 11 дней все растения росли под люминесцентными лампами, а затем (с 3 марта) были расставлены по соответствующим вариантам.

Растения всех сортов в зоне излучения ксеноновых ламп росли успешно. В большинстве случаев они превосходили растения других вариантов облучения по высоте и диаметру стебля, накоплению органического вещества и срокам образования репродуктивных органов.

Многолетние исследования влияния излучения ксеноновых ламп на рост и формирование разных сельскохозяйственных культур показывают, что в формировании отдельных растений наблюдаются значительные различия. Например, у огурцов – основной производственной культуры закрытого грунта – отмечается сильное вытягивание осевых органов – стеблей и черешков листьев. Такое чрезмерное вытягивание подсемядольного колена и затем междоузлий вызвано избытком ближнего инфракрасного излучения (700-1100 нм), которое не поглощается полностью тонким (3-5 мм) слоем воды, омывающим разрядную трубку ламп ДКСТВ-6000.

Огурцы Неросимые, выращенные под ксеноновой лампой

Огурцы Неросимые (возраст 20 дней), выращенные под люминесцентными лампами (1), при естественном облучении летом (2) и под ксеноновой лампой (3)

По данным Института физиологии растений АН, под ксеноновыми лампами, отделенными от растений водяным фильтром толщиной 150-200 мм, растения огурцов формируются нормально. Но создание таких мощных водяных фильтров, так же как и сверхвысоких облученностей (150-300 Вт/м²) физиологически активного излучения, пока возможно только в специальных лабораториях или в фитотронах. В большинстве случаев для выращивания растений в исследовательских целях (а тем более в производственных условиях) применяют тонкие водяные фильтры и средние величины физиологической облученности – 30-50 Вт/м². Поэтому необходимо найти другие пути, позволяющие выращивать нормально сформированные растения.

К сожалению, данные современной физиологической литературы противоречивы и не позволяют получить определенного представления о действии ближнего инфракрасного излучения, с тем чтобы разработать практические рекомендации для светокультуры растений. Прежде всего необходимо отметить, что многие исследователи облучают растения в своих опытах не одновременно, а с разрывом во времени, причем инфракрасная облученность соответствует всего 2-3% от облученности в видимой части спектра. С другой стороны, область инфракрасного облучения избыточно широка (от 700 до 4000 нм), а участки физиологически активного излучения необоснованно узки (синее, зеленое, красное и т. п.). Наконец, очень часто объектом излучения служили не полноценные зеленые растения, а этиолированные проростки.

В результате проведенных экспериментов авторы по отдельным вопросам получали интересные данные, которые использовать в светокультуре растений можно далеко не всегда. Ослабить отрицательное формативное действие ближнего инфракрасного излучения при выращивании растений под ксеноновыми лампами можно несколькими путями: применением теплофильтров, добавлением коротковолнового излучения и изменением направления облученности

Применение описанных выше сухих интерференционных теплофильтров позволяет почти на 50% снизить интенсивность ближнего инфракрасного излучения в спектре излучения ксеноновых ламп типа ДКСТВ-6000, не изменяя потока физиологического излучения.

Однако не все растения одинаково реагируют на уменьшение доли инфракрасного излучения. Если у огурцов значительно сокращается длина стебля и несколько увеличивается его диаметр, то у томатов различия между вариантами значительно меньше, а растения подсолнечника практически одинаковы.

Растения, выращенные при различном соотношении ФАР и ИК

Культура

Высота, см

Средняя длина меж­доузлий, см

Диаметр стебля, мм

Вес сухого вещества, г

КС

КСф

КС

КСф

КС

КСф

КС

КСф

Огурцы 35,8 25,6 5,2 4,0 8,0 8,7 3,69 3,33
Томаты 17,7 14,6 2,6 2,0 5,4 5,0 1,48 1,38
Подсолнечник 45,4 45,2 3,8 3,7 7,3 7,9 2,10 2,80
  • КС – ксеноновая лампа без фильтра.
  • КСФ – ксеноновая лампа с теплофильтром.

Если сравнить растения, выращенные под ксеноновыми лампами без фильтра, с фильтром и под люминесцентными типа ДС, то по высоте и сухому весу они будут соответствовать количеству попавшего на них инфракрасного излучения.

Сравнение формативной реакции огурцов на фоне трех уровней облученности показывает, что размеры растений (общая высота и длина подсемядольного колена, диаметр стебля, листовая масса и образование органического вещества) определяются как спектральным составом излучения, так и уровнем облученности. При всех уровнях облученности размеры растений пропорциональны количеству инфракрасного излучения в интегральном потоке излучения.

Высота и вес сухого вещества растений при разной дозе инфракрасной радиации (%)

Культура

Высота

Вес сухого вещества

КСф

КС

КСф

КС

Огурцы 245 277 128 142
Томаты 146 158 203 217
Подсолнечник 280 281 151 162
  • Высота и вес сухого вещества растений под лампами ДС-30 приняты за 100%.

В вариантах КС и КСФ с уменьшением облученности пропорционально увеличивается высота растений и длина подсемядольного колена. В этих вариантах реакция растений аналогична наблюдаемой при ослаблении естественного излучения. По-иному реагируют растения на изменение облученности под люминесцентными лампами: с уменьшением облученности уменьшается и высота растений. Вместе с тем, независимо от источника облучения, высота растений пропорциональна количеству инфракрасного излучения: наибольшая под ксеноновыми лампами и наименьшая под люминесцентными лампами при равных уровнях облученности.

Влияние инфракрасного излучения на рост

Влияние инфракрасного излучения на рост: А - огурцов и Б -подсолнечника, выращенных под ксеноновой лампой (1), ксеноновой лампой с теплофильтром (2) и под люминесцентными лампами (3)

Иная закономерность наблюдается при измерении диаметра стебля, числа листьев, их площади и, наконец, общего веса растений. Все перечисленные показатели определяются в первую очередь уровнем физиологически активной облученности, а затем количеством инфракрасного облучения. При высокой интенсивности освещения (20 клк) действие инфракрасного излучения значительно ослабевает. Это позволяет предположить, что дальнейшее увеличение облученности способно уменьшить влияние инфракрасного излучения на формирование растений. Основанием для этого предположения могут служить результаты, полученные в ИФРе АН, где огурцы выращивались в специальной установке под ксеноновыми лампами мощностью 20 кВт при освещенности порядка 50 клк.

Как уже было сказано, для создания наиболее благоприятного по спектральному составу лучистого потока в практике светокультуры растений для облучения растений иногда используют одновременно два типа ламп. В излучении одних ламп, как правило, преобладает длинноволновая часть спектра (лампы накаливания или ксеноновые), в излучении других – коротковолновая (лампы люминесцентные или ДРЛ).

Добавление люминесцентных ламп к ксеноновым, конечно, возможно, но такая установка громоздка и может быть использована только на малых площадях. Поэтому для выращивания нормально сформированных растений их облучают различными лампами на разных этапах онтогенеза. В разные фазы роста растения переводят с облучения люминесцентными лампами на облучение ксеноновыми лампами и наоборот.

Третий способ более полного и рационального использования ксеноновых ламп основан на создании объемного облучения растений. Для этого обратимся к действию направленных лучистых потоков от мощных ксеноновых ламп на растения томатов в зависимости от облученности, создаваемой этими потоками, и их распределения в пространстве относительно растения. Понимание подобных зависимостей необходимо прежде всего для рациональной организации системы дополнительного облучения и для правильного расчета оптической системы самих ксеноновых или иных облучателей с тем, чтобы эффект облучения группой рассредоточенных мощных источников обеспечивал выращивание практически одинаково сформированных растений.

Примером могут быть опыты с двумя ксеноновыми лампами типа ДКСТВ-6000 в камере, в которых варианты облучения были следующие:

  1. лучистый поток направлен на растения только сверху;
  2. два лучистых потока направлены на растения с противоположных сторон под углом 45° к горизонту;
  3. три лучистых потока: два противоположных, как в предыдущем варианте, и один сверху.

Во всех вариантах облучения растений томатов с нескольких сторон накопление ими органического вещества положительно коррелировало с величиной горизонтальной облученности. Рост осевых органов (стеблей) в этих условиях зависел прежде всего от распределения лучистых потоков вокруг растения, причем два или более доминирующих потока, падающих на растение с разных сторон, тем благоприятнее влияют на формирование растения, чем более соизмеримые облученности они создают.

Следует отметить, что реакция растения расчленена по действующим факторам – облученности и распределению лучистых потоков – условно. Растения реагируют на изменение обоих факторов суммарно и с определенной корреляцией на их взаимное сочетание.

Сравнение по рядам основных усредненных показателей опытных растений (сухой вес, высота стебля) с соответствующими им условиями облучения (горизонтальная облученность, соотношение лучистых потоков) позволяет заключить, что зависимости, обнаруженные в реакции отдельно стоящих растений томатов на сочетание облученности лучистых потоков и распределение потоков вокруг растения в условиях сильно разреженной посадки, можно распространить и на растения, находящиеся в нормально загущенном ценозе.

Несколько по-иному на направление лучистого потока ДКСТВ-6000 реагируют злаки. У короткостебельной пшеницы (сорта Вердл Сидз, 1812) и карликовой пшеницы (Канада СВ-151), выращенных на гидропонике при вышеуказанных режимах облучения, наиболее четкие показатели реакции растений – число продуктивных стеблей, абсолютный вес зерна, а также сроки прохождения фенологических фаз и общая продолжительность вегетационного периода. При двустороннем облучении как у отдельных растений, так и в ценозе все эти показатели были значительно выше, чем при облучении только сверху. Высота же растений была практически одинаковой.

Эти примеры показывают, что реакция растений на направление лучистого потока весьма разнообразна. Можно предположить, что распределение излучения в пространстве действует как регулятор различных физиологических процессов. Кроме того, благоприятное для данного растения направление лучистого потока, по-видимому, может быть своеобразным компенсатором невысокой по сравнению с летней облученности, а может быть, и спектрального состава излучения.

Приведенный пример положительного действия объемного облучения показывает, что этот прием может уменьшить затраты электроэнергии на создание органического вещества и увеличить продуктивность растений.

Интересные результаты по выращиванию плодоносящих томатов при искусственном облучении высокой интенсивности были получены в лаборатории светофизиологии Агрофизического института. Растения помещались в установку АФИ, где их облучали по 16 ч в сутки. Мощность лучистого потока составляла 1/2 солнечного. Ранние сорта томатов зацветали в возрасте 20-22 дней и на 50-й день начиналось покраснение плодов. Отдельные растения за 60 дней давали по 800 г зрелых плодов. Общий урожай составил более 20 кг/м². По расчетам проф. Б. С. Мошкова, на 1 кг томатов затрачивается около 300 кВт ч электроэнергии.

Кроме томатов, в установках сверхвысокой облученности выращивают огурцы, землянику, хризантемы и другие растения.

Эффективность использования искусственного излучения растениями может быть повышена также различными агротехническими приемами. В качестве примера можно привести результаты выращивания различных сельскохозяйственных культур в камере под люминесцентными лампами методом гидропоники. Растения выращивали либо в сосудах с питательным раствором Кнопа (водная культура), либо в сосудах Митчерлиха, наполненных гранитной крошкой (гравийная культура). Питательный раствор каждые 4 ч автоматически продувался воздухом по 10 мин. В это же время в сосуды Митчерлиха через донные отверстия поступал раствор Кнопа из специального бака. Объектом исследования были салатная капуста (сорт Хибинская), томаты (сорт Лучший из всех) и огурцы (сорт Неросимые). Освещенность составляла около 9 клк, т. е. 36 Вт/м² физиологически активного излучения.

Капуста лучше всего росла при выращивании ее методом гидропоники.

Размеры растений салатной капусты, выращенных под люминесцентными лампами разным способом (возраст 30 дней)

Культура

Высота, см

Листья

Вес, кг

Накопление сухого веще­ства за сутки, мг

число

площадь,см2

сырое вещество

сухое вещество

Гравийная

41

28

4208

469

21

687

Водная

80

20

1601

181

7

234

Капуста Хибинская, выращенная под люминесцентными лампами в гравийной и водной культуре.

Капуста Хибинская, выращенная под люминесцентными лампами в гравийной (1) и водной (2) культуре. Возраст 30 дней

Под рамой с люминесцентными лампами площадью 0,81 м² было 9 сосудов Митчерлиха, следовательно, с 1 м² можно за месяц снять урожай более 5 кг. Затраты электроэнергии составили около 70-80 кВт ч на 1 кг продукции.

В гравийной культуре успешно росли томаты. Средний вес томатов, охранных с одного растения, составлял в гравийной культуре 170 г, в водной – 86 г.

Размеры растений томатов, выращенных под люминесцентными лампами разным способом (возраст 60 дней)

Культура

Высота, см

Листья

Вес, кг

Накопление сухого веще­ства за сутки, мг

число

площадь,см2

сырое вещество

сухое вещество

Гравийная

60

13,2

21,3

4883

553

56

Водная

70

11,0

19,0

4180

331

33

Особенно энергичное накопление органического вещества наблюдалось у огурцов.

Размеры растений огурцов, выращенных под люминесцентными лампами разным способом (возраст 50 дней)

Культура

Высота, см

Листья

Вес, кг

Накопление сухого веще­ства за сутки, мг

число

площадь,см2

сырое вещество

сухое вещество

Гравийная

107

13,2

17,3

6733

652

47,1

Водная

76

14,0

13,5

6455

398

31,0

В дальнейшем под люминесцентными лампами (900 Вт/м²) на площади около 10 м² получали урожаи зрелых томатов. Сорт Лучший из всех через 114 дней дал в гравийной культуре урожай 5390 г/м², а в водной -4270 г/м².

Таким образом, при выращивании растений методом гидропоники значительно повышается образование органического вещества и вместе с тем урожай и существенно снижаются затраты электроэнергии на единицу сельскохозяйственной продукции. Автоматическое управление режимами облучения, температурой воздуха и подачей питательного раствора к корневой системе растений позволяет намного уменьшить затраты труда.

Приведенные данные показывают различные возможности выращивания растений без естественного излучения, а также некоторые пути повышения эффективности светокультуры растений. В частности, соответствующий подбор сортов и создание новых агротехнических и светотехнических приемов значительно сократят время выращивания, расход электроэнергии на единицу продукции и повысят урожай.

Большую роль может сыграть создание оптимальной структуры фитоценозов, приспособленных к специфическим условиям искусственного облучения. Необходимо дальнейшее изучение наиболее благоприятных соотношений между режимом облучения (облученность и спектральный состав излучение) и действием минерального удобрения вообще и отдельных его элементов в частности. Наконец, еще раз подтвердилось, что разные растения и различные сорта одной культуры неодинаково реагируют на спектральный состав излучения.