книги из ГПНТБ / Бобов С.С. Физика в сельском хозяйстве
.pdfскому истолкованию явлений фотосинтеза. Методом меченых атомов профессор А. А. Ничипорович обнару жил новые, ранее неизвестные стороны фотосинтеза: образование в листьях растений не только углеводов, но и белков. Ученому удалось выяснить, как изменяет ся состав продуктов фотосинтеза в зависимости от ви дов, возраста растений и физических условий окружа ющей среды. Меченые атомы помогли ему установить роль отдельных областей видимого света в процессе образования продуктов фотосинтеза. Как оказалось, красно-желтые лучи синтезируют главным образом углеводы, а синие — белки.
Эти открытия имеют большое практическое значе ние. Они позволят управлять ходом фотосинтеза пу тем создания необходимого светового режима или из менений растительного организма. Первый путь осу ществляется в условиях растениеводства закрытого грунта при светокультуре, но пока невозможен при выращивании растений в поле. Второй путь измене ния свойств самих растений возможен и в полевых ус ловиях. Так, влияя на окраску листьев возделываемой культуры, можно в значительной мере изменять по глощение света растениями. Например, при повышен ном внесении азотных удобрений окраска листьев ра стений становится темно-зеленой и растения значи тельно интенсивнее поглощают лучистую энергию. По севы той же культуры, не получавшие азота, имеют более светлые листья и меньше поглощают энергии.
Практическое значение имеют и условия, при ко торых растения получают лучистую энергию. На ход фотосинтеза влияет интенсивность освещенности и продолжительность действия света. Известно, что по-
20
глощенңе растениями солнечной радиации зависит от угла, под которым луч света падает на поверхность листьев. Растения с вертикальным расположением листьев способны полнее использовать солнечную ра диацию утренних и вечерних часов, а с горизонталь ным, наоборот, лучше поглощают радиацию дневных часов. Урожай пшеницы, например, в основном опре деляется дневным освещением и мало зависит от ут реннего и вечернего.
В зависимости от влияния интенсивности освеще ния на фотосинтез растения разделяют на светолюби вые и тенелюбивые. Овощеводам хорошо известно от ношение разных овощных культур к интенсивности ос вещения при выращивании их в теплицах.
Как показала практика, учет влияния освещения на фотосинтез может создать новое направление в се лекционной работе. У диких предшественников сахар ной свеклы розетка листьев стлалась по земле. Такие растения имели очень низкую урожайность, и они ока зались непригодными для возделывания. Несколько десятилетий селекционеры кропотливо отбирали наи более сахаристые экземпляры растений, и в резуль тате им удалось вывести сорта свеклы с мощными корнями и более высокой воронкообразной розеткой листьев. На поле растения окультуренной свеклы не затеняют друг друга, их можно больше разместить на гектаре. Возрастает общая поверхность листьев, изме няются условия для фотосинтеза, в результате чего увеличивается урожайность. Селекционеры, сами того не подозревая, вели отбор растений, способных лучше поглощать лучистую энергию. Успех в повышении про дуктивности фотосинтеза определяется глубиной про
21
никновения науки в тайны самого процесса. Только на основе более полных представлений о нем возмож но высокоэффективное воздействие на растения и фи зические условия внешней среды, определяющие ин тенсивность фотосинтеза, производительность зеленых растений.
Светокультура
Не одну тысячу лет труд земледельца зависит от погодных условий. Хотя в современном сельскохозяй ственном производстве высокая агротехника позво ляет вести успешную борьбу за урожаи в самых не благоприятных метеорологических условиях, однако природа не отказывается от своего влияния.
Одной из первых проблем, поставленных агрофи зикой, является создание таких условий для жизни растений, которые не зависели бы от случайных изме нений погоды. Получение высоких урожаев растений, выращиваемых в контролируемых условиях, потребо вало прежде всего замены естественной солнечной ра диации светом от искусственных источников. Так воз никло одно из основных направлений в агрофизике — светокультура, т.е. выращивание высоких урожаев с применением искусственных источников света.
Светокультура создает совершенно новое направ ление в растениеводстве защищенного грунта, которое можно назвать электрическим. Практическое значе ние светокультуры значительно возрастает при соче тании ее с другим новым методом выращивания ра стений — гидропоникой. Производство зеленых вита-
22
минных кормов гидропон ным методом в камерах с участием искусственного света получит широкое распространение в сель ском хозяйстве. Первые тысячи таких камер ра ботают в Белоруссии.
Быстрый рост произ водства дешевой электро энергии в нашей стране, а также значительные до стижения агрофизиков в увеличении продуктивно сти электрических фаб рик овощей и плодов по зволяют считать свето культуру земледелием близкого будущего.
Светокультура допол няет собой работу селек ционеров. Повышение урожайности растений и их скороспелости явля лось и является основной задачей теории и прак тики растениеводства. Если в практике повыше ние урожайности получа
ет |
успешное разрешение |
|
с |
возникновением |
селек |
ции, то ускорение |
созре- |
вания урожаев остается еще пока мало изученной про блемой.
Искусственное световое воздействие в сочетании с температурой воздуха и почвы, влажностью и други ми физическими факторами внешней среды создают при светокультуре оптимальные условия повышения урожая и ускорения его созревания. В естественных условиях необычайно трудно определить требования, предъявляемые растениями к условиям внешней сре ды. Почти невозможно получить от растений ответа на то, как свет, тепло и влага влияют на урожай ность и скороспелость растений. Постоянные колеба ния температуры воздуха и освещенности растений, изменения в количестве осадков и другие погодные условия почти исключают возможность получения ис следователями одинаковых ответов на поставленные вопросы.
Совершенно по-иному можно проводить экспери менты в условиях светокультуры. В установках с ис кусственными «солнцами» основные факторы внешней среды в жизни растений возможно сохранять посто янными в течение заданного времени или изменять по намеченной программе эксперимента. Агрофизиками уже созданы первые камеры микрофитатроны с авто матическим сохранением в них физических условий по заданной программе.
Проводимые опыты по светокультуре привели к значительным изменениям в ранее установившихся представлениях физиологии растений. В дополнение к классическим исследованиям К. А. Тимирязева о значении для растений красно-оранжевой части спек тра светокультурой установлено очень важное поло
24
жение о невозможности нормального развития расте ний без участия желто-зеленых лучей, преобладающей части солнечного спектра, с которой связана большая часть энергии видимого излучения.
По-новому решает светокультура вопросы сочета ния интенсивного освещения растений и температуры воздуха. Например, оказалось, что растения огурцов и томатов в условиях интенсивного освещения плохо переносят температуру выше 25°, в то время как при слабом освещении они требуют высокой температуры воздуха. Светокультурой существенно изменено пони мание фотопериодизма растений. Необычным оказа лось открытие того, что фотопериодическую реакцию определяет в основном темнота, а не свет. Как уста новлено, растения более чувствительны к нарушениям темноты, чем светового дня.
Опыты со светокультурой привели к выводам о возможности управлять скоростью роста растений, сти мулировать развитие отдельных его органов путем подбора необходимого для каждой сельскохозяйствен ной культуры фотопериодизма.
Светокультура создала благоприятные условия для изучения основных жизненных процессов растения: фотосинтеза и дыхания. В естественных условиях ин тенсивность фотосинтеза резко колеблется в течение дня. При светокультуре он протекает более стабильно, особенно под люминесцентными лампами.
Интенсивность фотосинтеза при искусственной ра
диации не уступает по количеству |
поглощенной ра |
|
стениями углекислоты полному летнему |
освещению. |
|
Наибольшая интенсивность наблюдается |
при белом |
|
свете, несколько меньшая — при |
красном и самая |
25
слабая — при зеленом. Дыхание растений под люмине сцентными лампами значительно выше, чем под лам пами накаливания. Однако это не ведет к истощению растений. Между интенсивностью дыхания и фотосин тезом создаются благоприятные для растений соот ношения. Потеря растениями органических веществ при дыхании значительно перекрывается интенсивно идущим фотосинтезом.
У растений под искусственной радиацией и при естественном свете по-разному идет образование хло рофилла. О значении его в жизни растений К. А. Ти мирязев говорил: «Что бы ни производил сельский хо зяин или лесовод, он прежде всего производит хлоро филл и уже через посредство хлорофилла получает зерно, волокно, древесину и т. д.»1. С повышением в листьях содержания хлорофилла усиливается погло щение лучистой энергии, интенсивность фотосинтеза и ряда других физиологических процессов. Опытами установлено, что под люминесцентным светом хло рофилла образуется в 1,5—3 раза больше, чем под лампами накаливания, или столько же, как в расте ниях летнего периода.
Светокультура позволяет направленно изменять анатомическую структуру растений, строение стеблей, листьев и корневой системы. Толщина листовой пла стинки определяется не только интенсивностью радиа ции, но и ее спектральным составом. Так, при равной интенсивности физиологической радиации наиболее толстые, с плотной тканью листья формируются под люминесцентными лампами.
1 К. А. Тимирязев. Солнце, жизнь и хлорофилл. М., Сельхозгиз, 1956.
26
По' анатомическим и физиологическим признакам эти листья близки к группе световых. Но подобно теневым они имеют повышенное содержание хлоро филла и способны улавливать сравнительно слабую радиацию. Под лампами накаливания формируются листья, близкие к теневым.
У томатов, фасоли и других растений, выращенных зимой в теплицах, корневая система лучше развива ется под люминесцентными лампами.
Применение искусственной радиации в селекцион ной работе началось еще в 20-х годах нашего столе тия. Однако только после появления люминесцентных ламп, позволяющих создавать режимы облучения, близкие к естественным, светокультура смогла войти в селекцию. Сочетанием выращивания растений при естественной и искусственной радиации удается полу чить в течение одного года урожаи от нескольких сле дующих друг за другом поколений. Такой метод намного сокращает сроки проведения опытов.
Успехи светокультуры в значительной мере опре деляются правильным выбором источников света, спо собных заменять солнце как по спектральному соста ву излучения, так и по получаемой растениями мощности потока лучистой энергии. Широкие возмож ности открылись после создания советскими физиками люминесцентных ламп дневного света, приближающих условия искусственной радиации к естественному сол нечному свету.
Под лучами этих ламп хорошо развиваются многие растения, у них формируются плотные листья темнозеленого цвета и наращивается большая масса. Однако показатели урожайности и скороспелости остаются не
27
высокими. Лампы дневного света в основном получа ют применение при выращивании зеленой массы ра стений на корм животным или выгонке рассады.
В последние годы агрофизики успешно применяют зеркальные лампы накаливания. Зеркальная поверх ность верхней части колбы такой лампы отбрасывает в сторону освещаемых растений ту часть светового по тока, которая рассеивается в обычной лампе накали вания. В результате при той же мощности ламп ра стения получают значительно больше света, а расход электроэнергии на килограмм овощей и плодов сни жается. Для светолюбивых растений установки с зер
кальными |
лампами расходуют 4,8 кет на |
1 м2 осве |
||||
щаемой поверхности. |
|
|
|
|
|
|
Основная часть потока лучистой энергии зеркаль |
||||||
ных ламп |
приходится |
на тепловую |
радиацию — ин |
|||
фракрасные лучи. Из них |
только |
коротковолновое |
||||
излучение, |
близкое к видимым красным |
лучам, |
не |
|||
обходимо |
растениям. |
Вся |
же остальная |
масса |
ин |
фракрасного излучения ламп приносит только вред: вызывает перегрев растений и ожоги листьев. Следо вательно, допускать к растениям всю тепловую радиа цию опасно. Агрофизики применили фильтры из проточной воды, поглощающие и отводящие избыток теплового излучения. Пройдя через водяной фильтр, излучение зеркальных ламп накаливания по своему спектральному составу оказывается оптимальным для выращивания растений.
Если в естественных условиях на 1 м2 можно выра щивать 4—6 растений томатов, то в условиях свето культуры—36 и более. Растения отличаются рекордной скороспелостью и высокой урожайностью. В Агрофизи-
28
ческом институте созревание томатов сократили до 30 дней. Если в теплице с 1 ж2 за 5—б месяцев удает ся собрать 8—12 кг томатов, то на установке свето культуры за 2 месяца — 18—20 кг. В год с каждой установки получают до 6 урожаев. Значит, с 1 м2 мож но собрать уже сейчас 100 кг томатов в год, что соот ветствует урожаю 10 тыс. ц/га. Характерно, что «электрические» томаты содержат значительно боль ше витаминов и сахаристых веществ, чем лучшие южные сорта страны.
Опыты со светокультурой проводятся с нескольки ми сотнями различных растений. Многие из них дают высокие урожаи в самые короткие сроки, примерно в