Выращивание растений при искусственном облучении (светокультура)

В настоящее время растения можно вырастить в любых условиях (под землей в шахтах, подводной лодке, за Полярным кругом, космосе и т.д.). Агротехника выращивания при искусственном облучении (Иск О) разработана. Главная трудность – разработка ламп, дающих свет.

Главное условие, чтобы соблюдалось равенство:

ИскО + ЕО = 100 % потребности

растений в свете. ЕО – естественное облучение. Растения требуют больше света, чем человек. Лучше: 16 часов свет и 8 темнота.

Требования к источникам света.

1. Должны давать свет по спектральному составу близкий к естественному;

2. Иметь низкий тепловой эффект и больше световой.

Им больше удовлетворяют лампы дневного света (металлогалогенные). Сейчас разрабатываются на диодной основе с заданным спектральным составом. Наиболее распространена лампа РДЛФ-400.

2. Температура. Фотосинтез возможен в широком диапазоне значений температуры: от минус 5 до + 50˚С. Влияние температуры на фотосинтез бывает обратимым и необратимым. Обратимое: не выходит за пределы устойчивости отдельных звеньев фотосинтеза определяемых генотипом. Для большинства растений оно находится в диапозоне температуры от 5 до 35˚С, где скорость реакций световой фазы независима от температуры, а скорость реакций темновой фазы отличается высокой температурной активностью с Q₁₀ 2-3 (т.е. на каждые 10˚ ИФ ↑ в 2-3 раза).

Влияние температуры на иф и ид (дыхания)

В пределах оптимальных значений для фотосинтеза температур, ИФ в 2-3 раза выше ИД: вектор АВ (ИФ) при 30˚ больше ВС (ИД) в 3 раза. При более высоких температурах ИФ ↓, а ИД ↑ и в точке Д кривые пересекаются: ИФ=ИД. Это температурная компенсационная точка, т.е. температура, при которой ИФ=ИД и не наблюдается прирост биомассы растений. При температуре 40˚С и выше ИФ равна 0, а ИД возрастает и достигает максимума при температуре 53-55˚ (FK). Растение расходует накопленное сухое вещество и «худеет» на корню. Существует правило: чем меньше получает растение света, тем ниже должна быть температура. При температуре за пределами устойчивости физиологических систем листа наблюдается необратимая потеря фотосинтетической активности.

В умеренной зоне tmin= 0˚, opt. 25-30˚ и max. более 35-40˚. Температурный оптимум зависит от вида растений, например, С₃ и С₄ (у С₄ он больше), от интенсивности света (рис.3), концентрации СО₂ (чем меньше СО₂, тем должна быть меньше температура).

2. Водный режим.

При фотосинтезе используется всего лишь около 1 % поглощенной воды, но ее дефицит в растении очень сильно влияет на фотосинтез. ИФ максимальна не при 100 % насыщенности растений Н₂О, а при водном дефиците (ВД), до 5 % (рис. 4). Увеличение ВД до 28-30 % приводит к резкому снижению ИФ и ЧПФ (чистая продуктивность фотосинтеза) равна 0. Не наблюдается прироста биомассы. ВД около 40 % приводит к прекращению фотосинтеза.

2. Минеральное питание (МП).

Регулирование МП является наиболее мощным фактором упарвления фотосинтеза. ЭМП (элементы МП) могут влиять на ИФ прямо или косвенно, через обмен веществ и рост. Прямое действие ЭМП связано с их участием в фотосинтетических структурах и системах, осуществляющих фотосинтез. Так, N (азот) и Mg входят в состав хлорофилла, фосфор необходим при фотосинтетическом фосфорилировании, калий способствует оттоку ассимилятов из листьев, микроэлементы (Fe, Zn, Cu…….) содержатся в различных ферментах, Mn учствует при фотолизе, без Fe и Сu не образуется хлорофилл и растения болеют хлорозом.

Более подробно в разделе «Минеральное питание».

2. Болезни растений.

Любое заболевание растений, вызванное или грибными патогенами, или бактериальной инфекцией приводит к нарушению фотосинтетического аппарата и снижает ИФ.

2. Концентрация СО₂ и О_2.

Содержание СО₂ в атмосфере 0,03 %. Зависимость ИФ от СО₂ в воздухе выражается углекислотной кривой фотосинтеза, имеющей вид прямоугольной гиперболы для С₄-растений и непрямоугольной формы для С₃. Углекислотное насыщение фотосинтеза у С₄, имеющих механизм концентрирования СО₂, происходит при содержании СО₂ близком к естественному (0,035-0,055 %). Его дальнейшее повышение не увеличивает ИФ в отличие от С₃-видов, у которых ИФ значительно возрастает (оптимальная температура СО₂ для С₃ растений около 0,1 %).

Углекислотный компенсационный пункт (УКП), т.е. концентрация СО₂, при которой ИФ=ИД для С₄ значительно ниже (0,0005 %), чем для С₃ (0,005 %). С увеличением концентрации О₂ выше атмосферного ИФ подавляется в результате активации фотодыхания.

Несмотря на то, что прямой физиологический эффект обогащения СО₂ благоприятствует больше С₃, учет взаимодействия основных факторов в конечном итоге может дать преимущество посевам С₄-культур.

Т.о., повышение содержания СО₂ в атмосфере и в растениях будет способствовать повышению ИФ.

Пути регулирования СО₂.

1. Содержание СО₂ на уровне растения и в системе почва-растение-атмосфера неравномерно. Например,

Рис. 5 Необходимо создавать хорошо продуваемые посевы для движения СО₂

2. Основным источником СО₂ в атмосфере явялется почвенное дыхание микроорганизмов, процессы разложения органических остатков. Следовательно, для увеличения СО₂ надо обогащать почву органическим веществом, поддерживать в рыхлом и влажном состоянии.

3. В парниках ставят ведра с перегноем и водой, в междурядьях раскладывают навоз и т.д.

Дополнительное повышение СО₂ эффективно при усилении света.

2. Взаимодействие факторов при фотосинтезе.

В естественных условиях факторы внешней среды действуют совместно. Поэтому газообмен растения отражает взаимодействие всех внутренних и внешних факторов. Согласно концепции лимитирующих факторов г. Блэкмана, ИФ лимитируется тем фактором или процесом, которые находятся в минимуме.

Примеры взаимодействия.

1. Свет и температура. Чем больше света получает растения, тем ниже должна быть температура;

2. СО₂ и свет (см. п. 2.6);

3. Дневной ход фотосинтеза.

Сложный характер взаимодействия факторов, их динамичность влияют и на ход Фс.

Фс начинается у растений с восходом солнца и возрастает, достигая максимума в полуденные часы. Однако даже в умеренной зоне может наблюдаться т.н. полуденная депрессия фотосинтеза. Ее причины:

1. Перенаполнение хлоропластов продуктами Фс;

2. Низкая скорость поступления СО₂;

3. Закрытие устьиц.

Большая часть продуктов Фс образуется в первой половине дня.

Кривые, отражающие ход Фс в умеренном и жарком климате, имеют следующий вид:

Умеренный климат Жаркий климат