Влияние света как абиотического фактора на рост и развитие растений

Муниципальное  бюджетное общеобразовательное учреждение

г. Иркутска  лицей - интернат №1

Влияние света как абиотического фактора на рост и развитие растений

Исследовательский проект

Выполнил: Краморов Андрей Сергеевич,

 ученик 10 б класса МБОУ г. Иркутска лицея-интерната№1

Руководитель: Мамонтова Татьяна Владимировна, учитель биологии МБОУ

г. Иркутска лицея-интерната№1

Иркутск, 2019 год

Оглавление

Введение

Свет является одним из основных абиотических факторов, влияющих на жизнедеятельность растений, ведь он запускает процесс фотосинтеза, а также регулирует их рост и развитие. Но в наших краях длина светового дня очень мала, поэтому для повышения эффективности роста растений используется дополнительное освещение.

 Раздел экологии:        Общая экология: аутэкология (организм и среда)

 Актуальность:

Во все времена повышение эффективности роста растений для получения большего урожая было одной из главных целей земледелия. Использование дополнительного освещения позволяет выращивать растения в неподходящих для них климатических условиях, а также увеличить урожайность культур и эффективность использования природных и человеческих ресурсов.

Снижение экологически рисков:

При повышении эффективности роста растений снижается использование природных ресурсов, а также уменьшается площадь, занятая посевами, что ведет к снижению экологических рисков.

Гипотеза: Если использовать дополнительное освещение в пределах фотосинтетически активной радиации, это благотворно повлияет на рост и развитие растений. 

 Объект исследования: Изучение влияния фотосинтетически активной радиации на развитие растений.

 Предмет исследования: растения семейства крестоцветных: руккола и редис

 Масштаб исследования: Изучены 3 выборки (две экспериментальных и одна контрольная), проведено сравнение, эксперимент проводился в течение месяца. 

 Цель работы: изучить влияние на рост и развитие растений дополнительного освещения на примере растений семейства капустных.

Задачи:

1. Изучить литературу по теме исследования;
2. Выяснить влияние интенсивности света и его спектра на рост и развитие растений, поставив эксперимент с использованием дополнительного освещения;
3.  Объяснить результаты эксперимента, сделать выводы и дать рекомендации по использованию дополнительного освещения растений.

Практическая значимость

Использование дополнительного освещения позволяет сократить расходы на выращивание и увеличить урожайность культур, что позволяет повысить качество продукции и снизить цену на сельскохозяйственную продукцию, а также уменьшить площадь, занимаемую полями.

Новизна

Прочитав литературу по данной теме и проанализировав результаты моего исследования, я изучил подробно строение листа растения, процессы, происходящие в нем при фотосинтезе и их механизм. Это позволило мне выдвинуть рекомендации по использованию дополнительного освещения для повышения урожайности растений. Также, я узнал спектральный состав солнечного света и распределение энергий фотонов по спектру.

Литературный обзор

Фотосинтез

Фотосинтез разделяют на 2 фазы: световую и темновую.

В световую фазу происходит улавливание квантов света  светочувствительными пигментами. Светочувствительные пигменты разделяются на 2 типа: основные  и вспомогательные. К основным относится хлорофилл a, представленный в форме 2 пигментов- p680 и p700.

Стоит добавить, что разные растения имеют разные пигменты а, следовательно, и другие спектры поглощения.

К вспомогательным относят хлорофилл b, c, d и остальные формы хлорофилла a.  Основные пигменты входят в состав фотосистемы I, которая поглощает свет длиной волны 680-700нм (p680 и p700 поглощают свет длиной волны 680 и 700 нм).

Кванты света переводят электроны в молекуле хлорофилла   на более высокий энергетический уровень. После этого этот электрон передается по цепи переносчиков электронов расходуется на фотолиз воды, в результате чего выделившийся кислород выбрасывается в атмосферу, а водород сохраняется для следующей фазы фотосинтеза.

Энергия также расходуется на фосфорилирование АДФ до АТФ и  на восстановление НАДФ+ до НАДФ+H.

Фотосистема 2 состоит из вспомогательных пигментов. Она имеет максимум поглощения в синей части спектра (450-500 нм) и оранжевой(640-670нм)

 (из-за каротиноидов). Фотосистема 2 передает электроны фотосистеме 1,откуда они передаются дальше.

В темновую фазу фотосинтеза происходит синтез глюкозы из углекислого газа и воды с использованием энергии АТФ и водорода, запасенного в НАДФ+H.Уравнение реакции имеет вид: 6СО2 + 6Н2О ----> С6Н12О6 + 6О2[3]

Что такое свет?

Свет — электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380—780 нм [2]

Спектр — распределение интенсивности электромагнитного излучения по частотам или по длинам волн.

Количество освещения, необходимого растениям.

Немаловажно и то, что разным растениям требуется разное количество света.

Существуют светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые растения.

Светолюбивые растения должны произрастать на открытом пространстве, в условия сильной освещенности (до 15000 люкс).

Теневыносливые растения могу произрастать в затененных местах, освещённость порядка 7500 люкс.

Тенелюбивые растения-могут произрастать только в условиях низкой освещенности.

Кроме того, на разных этапах роста растениям требуется разное количество света (во времена прорастания требуется меньше света, во времена цветения-больше)

Стоит добавить, что существуют растения длинного светового дня (требуется 12-16 часов), короткого светового дня(8-10часов) и нейтральные (длина светового дня не оказывает существенного влияния на процесс роста) [4]

Искусственные источники света

Чтобы выбрать оптимальный источник света, необходимо изучить их виды и особенности. Они оформлены в виде таблицы, представленной ниже [1]

Материал и методы

Исследовательская работа

Я провел эксперимент по выращиванию растений с применением дополнительного освещения лампами разного спектра и сравнения их с контрольной группой (без искусственного освещения).

Используемые растения

Ру́ккола, или Гу́сеничник посевно́й, однолетнее травянистое растение, вид рода Индау (Eruca) семейства Капустные (Brassicaceae).

Реди́с — однолетнее травянистое растение, из рода Редька (Raphanus sativus) семейства Капустные. (Brassicaceae).

Это растения длинного светового дня.

Различают растения длинного светового дня (12-16 ч), короткого (8-12ч) и нейтральные (у которых нет четкой зависимости от длины светового дня))

Для своего эксперимента использовал Фито-лампу:

3 красный светодиода и 1 синий, а также люминесцентную лампу белого света (Ce:YAG):максимум приходится на желтую часть спектра.

Применены лампы одинаковой мощности, установлены на равных расстояниях от рассады. Лампы без рефлектора.

Использовал одинаковую почву «Биогумус», оптимальную для выращивания используемых растений.

Включал освещение на равные промежутки времени в одно и то же время суток, рассада находилась на одной и той же стороне дома.

В качестве показателя эффективности роста растений я измерял следующие параметры: ширину листа (что позволяет оценить площадь), длину стебля, окраску листьев, продегустировал плоды после того, как растения выросли.

Наилучшие результаты получены при использовании лампы красного спектра. Зеленая масса растения получилась больше, чем у контрольной группы.

При освещении лампой белого света мы наблюдаем значительное удлинение стеблей, обесцвечивание окраски листьев, а также то, что растения повернуты в сторону окна, т.е. к солнцу.

Спектр светодиодной люминесцентной лампы имеет максимум излучения в желтой и красной части спектра, а это значит, что синяя часть спектра важна для растений, поскольку выполняет функцию определения направления к солнцу. В спектре солнца присутствует синий свет, поэтому растения тянутся к окну.

Растения, освещаемые лампой белого света значительно вытянуты, что затрудняет транспорт питательных веществ из корней к листьям и из листьев в стебель, этим можно объяснить уменьшение зеленой массы растения, а также тем, что в листе недостаточно хлоропластов для обеспечения растения необходимыми питательными веществами (т.к. видно обесцвечивание листа).

Еще один эксперимент был проведен для того, чтобы изучить влияние интенсивности освещения на рост растения. Высадил рукколу и редис   в условиях одинаковых условиях (почва, влажность, мощность ламп и их спектр, а также длина светового дня), но закрепил лампы на разном расстоянии от растения.

В качестве показателя эффективности роста растений я использовал те же критерии, что и в предыдущем эксперименте. Результаты приведены в таблице:

Из таблицы следует, что чем меньше расстояние от светильника до растения, а значит и больше мощность светового потока, ведь мощность светового потока убывает пропорционально квадрату расстояния, тем больше эффективность роста растений.

Стоит отметить, что в разные периоды роста им может быть необходима разная мощность светового потока: (например, для цветения и плодоношения растениям нужно больше света), а также то, что у растений существует предел освещенности, при достижении которого не происходит дальнейшего увеличения эффективности роста.

Результаты и обсуждения:

1)   Больше всего растения поглощают лучи красной (680-720 нм) и синей (380-450нм) части спектра;

2)  От интенсивности освещения зависит и интенсивность фотосинтеза: чем больше освещенность, тем выше эффективность фотосинтеза;

3) Синий свет участвует в ориентации растения к источнику освещения;

4) Наиболее эффективно использовать лампы с максимумами излучения в красной и синей части спектра;

Выводы

      Обобщив результаты эксперимента и знания, полученные при изучении литературных источников, я могу сделать выводы и рекомендации по использованию дополнительного освещения растений:    

1. Наиболее эффективным источником освещения является светодиодная фито-лампа, состоящая из 3-6 светодиодов с длиной волны 680-720 нм,2-3 с длиной 640-680, а также из 1 светодиода с длиной волны 450-500 нм. Менее эффективными, но более дешевыми источниками света являются натриевая ни либо металл гибридная газоразрядные лампы, поскольку  спектры их излучения лежат в пределах 400-750 нм, а максимумы излучения лежат в красной части спектра;[3]
2. Еще одним вариантом является использование люминесцентных ламп

 (с использованием люминофора, имеющего максимум излучения в красной части спектра в сочетании со светодиодными лампами с длиной волны 700 нм);[1]

3. Наименее эффективное решение-использование ламп накаливания, поскольку большая часть энергии излучается в инфракрасном  диапазоне;
4. Лампы следует закреплять как можно ближе к растениям, на расстоянии, где излучение лампы не будет повреждать лист растения (последнее относится только к  газоразрядным лампам);
5. Эффективно использование рефлекторов;
6. Во избежание вытягивания рассады, следует освещать ее синим светом;
7. Нельзя слишком сильно увеличивать длину светового дня и мощность освещения, т.к. каждое растение имеет свое оптимальное значение каждого из этих параметров (т.к. темновая фаза фотосинтеза так же важна, как и световая).

Рекомендации могут быть использованы для выращивания любых растений, как в промышленных масштабах, так и многими мелкими фермерскими хозяйствами или самостоятельными фермерами.

При использовании дополнительного освещения значительно увеличивается урожайность и скорость роста растений. Хорошего урожая!

Источники информации

1. Виды источников света. Сравнительный анализ: [Электронный ресурс] / http://www.ledsvet.ru/articles/vidy-istochnikov-sveta-sravnitelnyy-analiz/ 
2. ГОСТ 7601-78. Физическая оптика. Термины, буквенные обозначения и определения основных величин: [Электронный ресурс] / https://standartgost.ru/g/ГОСТ_7601-78
3. Грин, Н. Биология [Текст]: В 3-х т. Т. 1.: Пер. с англ./Под ред. Р Сопера. – М.: Мир, 1990. – 325 с.
4. Рувинский А.О. и др. Общая биология 10-11 кл.- М.Просвещение,1993.- с 69.
5.  Реймерс Н.Ф. Популярный биологический словарь. -М.: Наука, 1991. — 544 с.
6. Чернова Н.М. и др. Общая экология 10-11 кл. -М: Дрофа, 2005.

Приложение: Словарь терминов

Фотосинтез— сложный химический процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов.

Аутэкология — раздел экологии, изучающий взаимоотношения организма с окружающей средой.

Свет — в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом.

Спектр света —распределение интенсивности электромагнитного излучения по частотам или по длинам волн.

Фотосистема представляет собой функциональную и структурную единицу белковых комплексов, которые осуществляют первичные фотохимические реакции фотосинтеза: поглощение света, преобразование энергии и перенос электронов.

Хлорофилл— зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет.

Хлоропласты — зелёные пластиды, которые встречаются в клетках фотосинтезирующих эукариот. С их помощью происходит фотосинтез.