Научно-исследовательская работа "Влияние спектра освещения на развитие растений"

В настоящее время широкое распространение получил способ выращивания культурных растений в теплицах. Это позволяет получать плоды растениеводства круглый год в независимости от внешних условий. Однако указанный способ растениеводства является энергозатратным, так как требуется обогрев и искусственное освещение. Снижение энергозатрат на обогрев возможно путем выбора рациональной конструкции теплицы, использованием тепловых насосов, утилизацией попутного тепла ТЭС, ТЭЦ и т. д. Так как освещение осуществляется с помощью электричества, то снижение затрат на освещение возможно путем повышения эффективности преобразования электричества в свет, а также подбором его спектрального состава.

Меня заинтересовал вопрос — как спектральный состав света влияет на развитие растений и каким должен быть спектр освещения, позволяющий развиваться растениям при минимальных затратах энергии на освещение.

Мы решили провести опыт по выращиванию растений под освещением с различным спектральным составом. В качестве подопытного растения был выбран редис. Выбор редиса обусловлен коротким вегетационным периодом (6-7 недель) и компактностью, что позволило наблюдать развитие растений от появления ростков до развития корнеплода [10, 11].

Цель исследовательской работы: Исследование влияния спектра освещения на развитие растений на примере редиса.

Задачи, которые необходимо решить для достижения цели:

- сбор и изучение информации о влиянии спектра освещения на развитие растений;

- изготовление экспериментальной установки по выращиванию редиса под освещением с различным спектральным составом;

- выращивание редиса под освещением с различным спектральным составом (проведение эксперимента);

- оценка результатов эксперимента.

Методы исследования:

- изучение литературы;

- проведение эксперимента.

1. Теоретическая часть

Жизнедеятельность растения основывается на фотосинтезе. Фотосинтез позволяет преобразовывать углекислый газ с помощью энергии квантов света в органические вещества [3, 4, 16, 17]. Фотосинтез растений осуществляется в хлоропластах. Хлоропласты содержатся в клетках стеблей и плодов, однако основным органом фотосинтеза является лист. Основными фотосинтетическими пигментами, обеспечивающими фотосинтез, являются хлорофиллы и бета-каротин. Спектр поглощения указанных пигментов имеет сложный характер и содержит по два максимума, в синей и красной областях спектра [1, 2, 5]. Первый «синий» максимум приходится на длину волны ~450 нм, второй «красный» на длину волны ~700 нм. Спектры поглощения указанных фотосинтетических пигментов, а также интенсивность фотосинтеза показаны в приложении (рис. 1).

Впервые спектры поглощения хлорофилла были получены К. А. Тимирязевым [1, 2]. Сделано это было благодаря созданному им методу учета фотосинтеза по поглощению CO2. В ходе экспериментов по освещению растения светом различных длин (различного цвета) оказалось, что интенсивность фотосинтеза совпадает со спектром поглощения хлорофилла.

Из сложного характера спектров поглощения и интенсивности фотосинтеза можно предположить, что возможно подобрать спектр искусственного освещения таким образом, что продуктивность растений по отношению к потраченной энергии на освещение будет максимальной [6-8].

Как показывают практические измерения [18] растения в естественных условиях в среднем продуктивно используют не более 1-3% солнечного света (на отдельных этапах может достигать 4-6%).

В эксперименте в качестве источников света решено использовать цветные светодиоды. Они обладает по отношению к другим источником света высокой энегроэффективностью и узким спектром излучения. Это позволяет комбинированием различных светодиодов получить освещение требуемой интенсивности и спектрального состава [13-14].

2. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка по выращиванию редиса состоит из следующих основных частей:

- двух контейнеров, наполненных почвой;

- светодиодных светильников, расположенных в коробах из алюминиевой фольги;

- источника питания АТН-1131 позволяющего регулировать ток и как следствие освещенность.

2.1 Контейнеры

Контейнеры представляют собой пластиковые ящики с дренажом, наполненные на 2/3 почвой. Каждый ящик поделен светонепроницаемыми перегородками из алюминиевой фольги на четыре отсека. Размер каждого отсека 14х12 см. Таким образом можно исследовать восемь групп растений (по четыре в каждом контейнере). Фотография контейнеров представлена в приложении (рис. 2).

2.2 Светодиодные светильники

Светодиодные светильники смонтированы в коробах из алюминиевой фольги. Каждый короб разделен на четыре зоны. В зонах установлены светильники, каждый со своим спектром освещения. В первом из коробов установлено четыре светильника, во втором три, одна зона пустая. Короба со светильниками устанавливаются на контейнеры, таким образом, чтобы светильники осуществляли освещение только своей зоны.

2.3 Параметры светильников

Основные параметры светодиодов, на базе которых созданы светильники, представлены в приложении (таблице 1).

Параметры светильников, сделанных на базе указанных светодиодов приведены в приложении (таблице 2).

Фотографии светильников приведены в приложении (рис. 3).

Среднее значение освещенности выбиралось из средней освещенности летнего облачного светового дня (от восхода до заката) [9].

Общий вид установки выращивания редиса показан в приложении (рис. 4).

3. Описание хода эксперимента

Как ранее упоминалось, в качестве экспериментального растения был взят редис. Для ускорения эксперимента был выбран сорт раннего созревания.

3.1 Посадка

Для исключения посадки некачественных семян они были предварительно проращены. В каждом из восьми отсеков контейнеров было посажено по девять ямок (матрица 3х3). В каждую ямку было посажено по два пророщенных семя, чтобы в дальнейшем оставить наиболее сильные растения. Посадка осуществлялась во влажную почву. Фотографии взошедшего редиса показаны в приложении (рис. 5).

3.2 Выращивание редиса

После посадки контейнеры с посаженным редисом были установлены на лоджию.

Редис взошел на третий день после посадки. Все посаженные семена взошли практически в одно и то же время. После всхода семян и развития первых листочков на контейнеры были установлены светильники.

После того, как ростки подросли и окрепли, из каждой ямки было удалено по одному растению (как говорилось ранее, в каждую ямку было посажено по два растения, на случай если одно не взойдет).

Светильники ежедневно включались в 6-7 часов утра и выключались в 10 — 11 часов вечера, таким образом, общее суточное освещение составляло 15-17 часов.

Полив осуществлялся таким образом, чтобы почва была всегда влажная (редис влаголюбивое растение). В среднем получался один полив в два дня.

Через две недели после всходов была осуществлена подкормка растений комплексными удобрениями.

Спустя четыре недели эксперимент по выращиванию редиса под различным освещением был закончен. Растения заняли весь доступный для роста объем и стали упираться в светильники, что стало приводить к ожогу листьев и взаимному затенению растений.

С самого начала эксперимента было заметно, что спектр освещения существенным образом влияет на рост и развитие растений.

Наиболее интенсивный рост наблюдался у растений, находящихся под синим светом (отсек 3). Наименее интенсивный рост наблюдался у растений, находящихся под красным светом (отсек 1) - растения в данном отсеке после всхода прекратили свой рост.

Фотографии растений в конце эксперимента показаны в приложении (рис. 6, 7).

3.3 Результаты

Развитие растений оценивалось по следующим параметрам:

- скорость роста (растениям в каждом отсеке присваивается бал от 0 до 6, чем быстрее росли растения, тем больше бал);

- состояние стебля (растениям в каждом отсеке присваивается бал от 0 до 6, коренастым стеблям присваивается больший бал, чем тонким вытянутым);

- состояние листьев (растениям в каждом отсеке присваивается бал от 0 до 6, чем крупнее листья, тем больше);

- общий вес растений отсека;

- вес корнеплодов растений в отсеке;

- отношение веса растений к электрической мощности освещения;

- отношение веса растений к освещенности;

Полученные результаты эксперимента сведены в таблицу 3 в приложении к данной работе.

Выводы

1. Развитие растений существенным образом зависит от спектра освещения.

Наилучший результат был получен при освещении растений синим светом с максимальной интенсивностью на длине волны 470 нМ. Полученный результат для синего света полностью согласуется с теоретическими данными.

Растения, находящиеся под красным светом с максимальной интенсивностью на длине волны 620 нМ были наименее развиты, что плохо согласуется с теоретическими данными. Указанный результат объясняется существенным различием максимумов излучения (620 нМ) и поглощения (700 нМ) красного света.

Вторыми по продуктивности были растения, выращенные под сине-зеленым светом (максимум излучения зеленого света приходится на длину волны 500 нМ), что так же хорошо согласуется с теоретическими данными [12].

Полученные в эксперименте результаты хорошо согласуются с теоретическими данными, за исключением освещения с присутствием красного света, там результат получился хуже ожидаемого, что объясняется несоответствием длин волн излучения и поглощения.

2. Правильный выбор спектра искусственного освещения при выращивании растений в теплицах позволяет существенно экономить электроэнергию.

3. Необходимо продолжить экспериментальные исследования по данной теме со следующими изменениями:

- подобрать источник красного света с длинной волны, совпадающей с максимумом спектра поглощения в красной области;

- переделать экспериментальную установку таким образом, чтобы она позволяла вырастить полноценные корнеплоды редиса (увеличить расстояние между почвой и светодиодами, обеспечить качественную вентиляцию для оттока кислорода и притока углекислого газа необходимого для развития растений);

- добавить контрольную группу растений, выращиваемую при естественном освещении.

Список литературы

1. Тимирязьев К. А. Спектральный анализ хлорофилла. – САНКТ ПЕТЕРБУРГ : Типография товарищества «Общественная польза», 1871.

2. Тимирязьев К. А. Усвоение света растением. Критика и методы - С. Петербург: Тип. В. Димакова. Новый пер., п. №7, 1875.

3. Тимирязьев К. А. Жизнь растения. М.: ОАО «Типография Новости» совместно с Издательством МСХА, 2006.

4. Фотосинтез / Под ред. Говинджи. Москва: Мир, 1987. Т. 1

5. Воскресенская Н. П. Фотосинтез и спектральный состав света. М.: Наука, 1965.

6. Тихомиров А. А., Лисовский Г. М., Сидько Ф. Я. Спектральный состав света и продуктивность растений. Новосибирск: Наука, 1991.

7. Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Большой 7практикум по фотосинтезу. М.: Академия, 2003.

8. Лонг С. П., Холл Д. О., Гудсков Н. Л., Фотосинтез и биопродуктивность: методы определения. М.: ВО “Агропромиздат”. 1989.

9. Зверева С. В. В мире солнечного света. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

10. Маевская С. Н., Барабанщикова Н. С., Дроздова И. С. Эндогенная регуляция фотосинтеза у растений редиса при адаптации к непрерывному освещению // Физиология и биохимия культурных растений, 2003. Т.35.

11. Дроздова И. С., Маевская С. Н., Егорова Е. А., Барабанщикова Н. С., Джибладзе Т. Г., Бухов Н. Г. Временной ход фотосинтеза в процессе непрерывного освещения растений редиса. // Физиология растений. 2004, Т.51.

12. И. Ф. Головацкая, Р. А. Карначук. Роль зеленого света в жизнедеятельности растений // Физиология растений. 2015, Т.62.

13. Плотникова Л. Я., Самойлва В. Н. Перспективные направления повышения продуктивности растений в интенсивной светокультуре. //Научный альманах. 2015, №12-2.

14. Аверчева О. В., Беркович Ю. А., Ерохин А. Н., Жигалова Т. В., Погосян С. И., Смолянина С. О. Особенности роста и фотосинтеза растений китайской капусты при выращивании под светодиодными светильниками // Физиология растений. 2009. Т. 56.

15. Смолянина С. О., Беркович Ю. А., Жигалова Т. В., Аверчева О. В. Рост и фотосинтетическая активность растений китайской капусты при выращивании её под светодиодным светильником в прототипе космической оранжереи. // Материалы Международной конференции «Системы жизнеобеспечения как средство освоения человеком дальнего космоса», Москва, 2008 г.

16. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%B7

17. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%B8%D0%BB%D0%BB

18. http://agro-archive.ru/sistema-udobreniya/881-vliyanie-sveta-na-rost-rasteniy-i-effektivnost-udobreniy.html

Афонькин С. Ю. Приключения в капле воды

Астрономический календарь. Февраль, 2019

Сказка "Колосок"

Гном Гномыч и Изюмка. Агнеш Балинт

Финист - Ясный сокол