Уже первые опыты, проведенные более 20 лет назад, показали, что люминесцентные лампы – достаточно хороший источник искусственного излучения для выращивания растений. Под люминесцентными лампами, как правило, вырастают прямостоячие крепкие растения с короткими междоузлиями и толстыми стеблями.
Влияние излучения различных источников на рост растений

Культура

Высота, см

Длина междо­узлий, см

Диаметр стебля, мм

люминесцент­ные лампы

лампы нака­ливания

люминесцент­ные лампы

лампы нака­ливания

люминесцент­ные лампы

лампы нака­ливания

Огурцы Неросимые

6,0

14,3

2,4

6,2

5,4

4,2

Фасоль Сакса без волокна

46,5

98,3

3,6

13,4

5,1

4,6

Фасоль Латвия-800

30,5

95,7

4,5

16,8

5,2

3,9

Томаты Лучший из всех

44,6

96,4

2,4

4,9

10,5

6,9

Базилик евгенольный

36,0

50,0

1,5

2,5

5,5

3,9

Листья растений имеют нормальную форму и размеры, сильно пигментированы – имеют темно-зеленый цвет, а в стеблях томатов много антоциана. При облучении с помощью ламп накаливания или естественном в зимнее время в теплице при той же температуре антоциан почти не образуется. Растения, выращенные под неоновыми (НД-2) или ртутными (ИГАР-2) лампами, значительно слабее, чем под люминесцентными.

Незначительный нагрев люминесцентных ламп позволяет помещать их в непосредственной близости от растений. Эту их особенность используют для выращивания витаминного зеленого корма для молодых животных и птиц зимой. Этот корм выращивают в противнях, которые размещают в многоэтажной этажерке на расстоянии 30 см один от другого. Над каждым противнем находятся люминесцентные лампы.

Несмотря на успешное выращивание различных растений под люминесцентными лампами, многие исследователи отмечали, что из-за малой доли оранжево-красной части спектра в их излучении сильно задерживается рост осевых органов растений (стебли и черешки листьев) и накопление сухого вещества, а у отдельных растений замедляется репродуктивное развитие.

Чтобы устранить перечисленные недостатки, в отдельных исследовательских учреждениях и хозяйствах применяют совместное облучение растений люминесцентными лампами и лампами накаливания. Оба типа ламп в большинстве случаев работают в независимых электрических схемах, причем лампы накаливания используют только для увеличения общего лучистого потока и обогащения его длинноволновым излучением. При боковом облучении растений люминесцентными лампами типа ЛД (300 Вт/м²) сверху добавляют излучение небольших ламп накаливания (40-60 Вт/м²).

Лучшие по всем показателям результаты получают в варианте, где соотношение мощности люминесцентных ламп и ламп накаливания будет равно 3,4: 1. Такое же соотношение ЛЛ : ЛН – 3:1 теперь принято в большинстве фитотронов и в камерах для выращивания растений.

Рентабельность светокультуры под люминесцентными лампами можно повысить различными путями:

  1. Созданием специальных «фитоламп», спектр излучения которых совпадал бы со спектром поглощения зеленым листом. Ранее уже упоминалось о создании специальных люминесцентных ламп для выращивания растений. Опыты, проведенные в камере без естественного излучения, показали высокую эффективность фитоламп. Огуречная рассада под лампами ЛФ-40-1 значительно крупнее, чем выращенная под лампами ЛД: выше стебель (на 33%), больше число и площадь (на 25%) листьев, усилена динамика накопления сухого вещества за сутки (на 51%). Урожай томатов в теплице при дополнительной установочной мощности ламп ЛФ-40-2 в 600 Вт/м² был на 45% выше, чем под лампами ЛБ-40 той же мощности.
  2. Использованием облучательных установок, работающих на повышенной частоте.
  3. Импульсным облучением растений.

Помимо светотехнических приемов, усилить эффективность действия излучения и уменьшить энергетические затраты при выращивании растений можно путем повышения жизнедеятельности растений и более полно используя их физиологические особенности.

Так, многие физиологические процессы у растений подчиняются определенным ритмам во времени (сезонным, суточным или даже часовым, минутным, секундным). Чтобы проверить это, были поставлены опыты с переменным (прерывистым) облучением.

Исследования, проведенные ранее физиологами над водорослями, высечками листьев высших растений и целыми растениями, показали положительное влияние прерывистого облучения на фотосинтез, рост, накопление сухого вещества и другие физиологические процессы в растениях. Для повышения коэффициента использования лучистой энергии овощную рассаду облучают люминесцентными лампами, движущимися вперед и назад над верхушками растений.

Схема движения облучательной установки с люминесцентными лампами

Схема движения облучательной установки с люминесцентными лампами: I-XII - ряды растений; l, 2l, 3l-путь движения рам

Облучение растений медленно движущимися лампами накаливания применялось в теплицах и раньше. Но эти лампы давали конусообразные пучки света, которые на уровне растений перекрывали друг друга и создавали постоянную облученность интенсивностью в несколько тысяч люкс. Лампы передвигали главным образом для того, чтобы избежать перегрева или ожога растений.

Установки же с люминесцентными лампами представляют собой большие прямоугольные плоскости, которые создают достаточную облученность в зоне листьев. При движении их над растениями последние периодически (каждые 5-7 с) попадают то в условия достаточного облучения (24 Вт/м² – 6000 лк), когда все физиологические процессы идут нормально, то очень слабого (0,16-0,24 Вт/м² – 40-60 лк), когда физиологические процессы или значительно ослабевают, или прекращаются вовсе. Частота смены «светлого» и «сумеречного» периодов и продолжительность каждого из них определяются шириной рамы, расстоянием между ними и скоростью движения установки.

Многократно повторенные опыты показывают, что растения под движущимися рамами (при прочих равных условиях) по высоте, числу и площади листьев, а главное по энергии накопления сухого вещества превосходят растения, выращиваемые при постоянном облучении.

Салат Московский парниковый

Салат Московский парниковый (слева направо): верхний ряд - растения, выращенные под движущейся установкой с удельной мощностью ламп 240 и 120 Вт/м²; нижний ряд - под стационарной установкой с той же мощностью

В таблице представлены средние величины для каждого варианта облучения. При стационарном облучении размеры отдельных растений мало отличаются от приведенных в таблице. При переменном облучении положение иное: каждая рама облучает двойную или тройную площадь стеллажа с растениями. Крайние ряды растений с обоих концов получают лучистой энергии значительно меньше, чем средние. При тройном ходе рамы (3l) она облучает растение не в четырех рядах (I-IV), как при стационарном облучении, а в 12 рядах на стеллаже (I-VI и VII-XII).

Редис Сакса

Редис Сакса (слева направо): верхний ряд - растения, выращенные под движущейся установкой с удельной мощностью ламп 240 и 120 Вт/м²; нижний ряд - растения, выращенные под стационарной установкой с той же мощностью

Середина пространства, облучаемого движущейся рамой, лежит между 6-м и 7-м рядами (VI-VII). Условия облучения каждого из двух рядов, находящихся на равном расстоянии от центра, одинаковы (VI и VII; V и VIII И т. д.).

Размеры растений при постоянном и переменном облучении (удельная мощность 240 Вт/м2, скорость движения рамы 9 м/мин. путь движения 2l)

Культуры

Высота, см

Площадь листьев, см

Сырой вес, г

Сухой вес, г

постоян- ное

перемен- ное

постоян- ное

перемен- ное

постоян- ное

перемен- ное

постоян- ное

перемен- ное

Огурцы

5,3

6,8

75

71

3,670

4,280

0,260

0,400

Помидоры

27,4

35,2

69

81

22,900

25000

1,500

1 ,670

Редиc

35

64

5,500

10200

0,420

1,070

Как можно видеть из данных таблицы, растения первых двух рядов значительно уступают по числу и площади листьев, а также весу средним и контрольным растениям.

В то же время растения четырех следующих рядов значительно превосходят контрольные по ряду показателей. Сухой вес одного растения превосходил вес контрольных растений в среднем на 38%. Столь энергичное накопление органического вещества можно объяснить высокой интенсивностью физиологических процессов у этих растений. Так, например, интенсивность фотосинтеза у них выше в 2,5 раза, дыхание – в 2 и образование хлорофилла – в 1,5 раза по сравнению с растениями, выросшими под стационарными установками такого же типа и мощности.

При облучении двойной площади стеллажа (2l) на образование рассадой огурцов 500 мг сухого вещества затрачивается 700 клк ч, а при стационарном – 1460 клк ч, т. е. световая экспозиция вдвое больше. Расход электроэнергии на образование единицы веса сухого вещества при переменном облучении снижается почти вдвое по сравнению с постоянным.

Эффективность использования электроэнергии при различных режимах облучения

Облучение

Удельная мощность, Вт/м

Накопление сухого вещества, %

огурцы

томаты

редис

Постоянное

480

100

100

100

Переменное

480

216

150

174

Постоянное

240

100

100

100

Переменное

240

182

195

240

При переменном облучении репродуктивные органы образуются раньше. У томатов (сорт Лучший из всех) при переменном облучении заложение первой цветочной кисти отмечается после 8-го листа, а при постоянном – после 9-го. Бутонизация на 30-й день после всходов составляет (в усл. ед.) 8 при переменном и 3 при постоянном облучении. У огурцов (сорт Неросимые) число цветков и бутонов опытных растений на 40% больше, чем в контроле. Под переменным облучением наблюдается больший вес корнеплодов у редиса и большее число листьев у салата.

Применение передвижных установок в несколько раз сокращает затраты на приобретение ламп, монтаж облучательных установок и расход электроэнергии на единицу выращиваемой продукции. Стоимость оборудования теплицы передвижной установкой, способной передвигать 15-20 рам, не превышает затрат на оборудование одной стационарной рамы, при этом каждая движущаяся рама будет облучать двойную или даже тройную площадь стеллажа.

Количество лучистой энергии на отдельных участках стеллажа с растениями

Совмещенное движение. Количество лучистой энергии на отдельных участках стеллажа с растениями

Можно предположить, что больший рост растений и более интенсивное накопление органического вещества при применении движущихся ламп объясняются как лучшими условиями облучения растений и снабжения их углекислотой, так и реакцией хлоропластов на периодическое облучение. Вместе с тем быстрое движение рам непосредственно над растениями вызывает значительное перемешивание воздуха.

Большое значение имеет изменение физиологической активности хлоропластов, вызываемое ритмическим раздражением их переменным облучением. При периодической смене слабого и сильного облучения у хлоропластов периоды малой активности – как бы отдыха или «покоя» – сменяются периодами сильного возбуждения, высокой активности, когда видимое излучение действует не только как источник энергии, но и как раздражитель, значительно повышающий способность хлоропластов к поглощению и усвоению лучистой энергии.

При выращивании растений под движущимися рамами разработан метод «совмещенного движения», при котором все рамы составляют общую систему возвратно-поступательного движения вдоль оси стеллажа. Расположенные рядом рамы размещены таким образом, чтобы каждая из них при движении в одну сторону проходила над 1/3 площади, облучаемой соседней рамой. Таким образом, большинство участков стеллажа облучается поочередно двумя рамами. При тройном ходе каждой рамы (3l) и большой скорости совмещенное движение нескольких рам позволяет создать равномерное облучение по всей площади. Соотношение темного и светлого периодов было 1 : 1 при общей продолжительности каждого периода 6 с. Измерение количества лучистой энергии, падающей на отдельные участки стеллажа, подтвердило, что на всех участках (б и в) оно было практически одинаково.

Число участков, на которых создаются равные условия облучения, можно подсчитать по формуле

A=2n – 1,

где А – число участков стеллажа, получающих оптимальные условия облучения, n – число рам с люминесцентными лампами, каждая из которых проходит путь, равный ее тройной длине (3l).

Чем больше рам участвует в совмещенном движении, тем большая площадь будет получать оптимальное облучение. Так, при пяти рамах оптимальное облучение получит 180% площади (от всей площади рам, участвующих в движении), при 10 рамах будет уже 190, при 20- 195%, т. е. практически двойная площадь. Для передвижения 10 или 20 рам вполне достаточно одного электродвижения мощностью 0,5 кВт.

Другим примером активизации жизнедеятельности растений могут служить опыты по облучению растений источниками с разным спектром.

В современной светокультуре обычно применяют однотипные источники излучения на протяжении всего периода выращивания растений. Между тем известно, что требовательность растений к условиям внешней среды-(температуре, влажности, продолжительности ежесуточного облучения и проч.) не остается постоянной, но изменяется в связи с прохождением растениями различных этапов онтогенетического развития. Естественно предположить, что изменяется также требовательность растений к спектральному составу поглощаемого ими излучения. В условиях сезонных и суточных изменений спектрального состава естественного излучения растения встречают все необходимые для них сочетания излучений. Но при искусственном облучении спектром постоянного и притом относительно обедненного состава такие возможности очень ограничены. Спектральный состав излучения, удовлетворяя потребности онтогенеза на одном этапе развития, может не удовлетворять на другом.

Подтверждением служат данные Г. В. Артемьева по выращиванию томатов в теплицах Института сельского хозяйства Крайнего Севера (г. Норильск). Рассаду томатов культивировали при люминесцентных лампах до образования 4-го настоящего листа, совпадающего с началом дифференциации конуса нарастания. Затем растения были перенесены под лампы накаливания, где половина их оставалась до посадки. Другая часть растений (в период видимого обособления первой цветочной кисти) была возвращена под люминесцентные лампы. Аналогичная перестановка была проделана с рассадой, выращивавшейся с самого начала под лампами накаливания.

В результате кратковременного изменения спектрального состава излучения (усиления его красной части) урожай с 1 м² полезной площади увеличился вдвое по сравнению с растениями, оставшимися под люминесцентными лампами. Растения, вовремя получавшие излучение от ламп накаливания, дали урожай на 40% ниже, чем под люминесцентными лампами.

В другом случае (Леман и др.) растения в разные фазы роста переводили с облучения люминесцентными лампами (ЛД) на облучение ксеноновыми лампами (ДКСТВ-6000) и наоборот. Сроки перестановки определялись появлением одного или двух очередных листьев. Чтобы оценить влияние этого приема на состояние растений, контрольные экземпляры постоянно росли либо под ксеноновыми, либо под люминесцентными лампами. Изменение источника излучения наиболее четко оказалось на высоте растений. Степень растяжения стебля сильно варьировала в разные фазы онтогенеза. Она значительно ослабевала с возрастом растений. Например, высота стебля огурцов, переставленных из-под люминесцентных ламп под ксеноновые в фазе одного листа, превышала высоту контрольных растений (под люминесцентными лампами) в 3,5 раза; в фазе двух листьев – в 2,8 раза, а в фазе 4-5 листьев – только в 1,5 раза. У томатов эта закономерность проявилась значительно слабее. Обратная картина наблюдалась при перестановке растений из-под ксеноновых ламп под люминесцентные.

Другие показатели (число листьев, вес сухого вещества) изменялись менее значительно. Однако под ксеноновыми лампами органическое вещество накапливалось всегда энергичнее, чем под люминесцентными лампами. Наибольший вес сухого вещества был у растений, которые переставили из-под люминесцентных ламп под ксеноновые. Так, при перестановке в фазе 3-го листа вес сухого вещества растений огурцов составлял 124%), а в фазе 5-го листа 148% от контроля, росшего все время под ксеноновыми лампами; у томатов – соответственно 113 и 115% от контроля. Видимо, целесообразно при выращивании рассады огурцов сначала использовать люминесцентные лампы, а затем (в фазе 2-3-го листьев) ксеноновые.

Томаты можно все время выращивать под ксеноновыми лампами, так как их реакция на спектральный состав света значительно слабее.

Результаты, полученные при выращивании растений под люминесцентными лампами, а также данные литературы позволяют сделать следующие выводы:

  1. Люминесцентные лампы типа ЛД, ЛБ или ЛФ достаточно надежный источник излучения для выращивания любых растений в помещениях без естественного излучения.
  2. Недостаток длинноволнового излучения и малая мощность люминесцентных ламп вынуждают добавлять к ним небольшое количество ламп накаливания. Соотношение обеих мощностей этих типов ламп должно быть не меньше, чем 3:1. При большей доле излучения от ламп накаливания качество растений резко ухудшается.
  3. При недостаточном количестве люминесцентных ламп или при специальных физиологических исследованиях можно рекомендовать использование движущихся рам с люминесцентными лампами для создания режима переменного облучения.