Предварительное исследование теории искусственного освещения в садоводческом производстве на производственных площадках

Об авторе: Ли Тао (1985-), мужчина, из Шанлуо, провинция Шэньси, кандидат наук, направление исследований: фотобиология защищенного садоводства.

Прогностические модели и теоретический анализ показывают, что нынешнее значительное увеличение урожайности сельскохозяйственных культур может быть достигнуто только за счет повышения фотосинтетической способности и эффективности, поскольку увеличение урожайности за счет увеличения водоснабжения и внесения удобрений достигло своего предела [1], особенно в области промышленного садоводства. В течение многих лет специалисты промышленного садоводства сосредотачивали свои основные усилия на управлении водными ресурсами и внесением удобрений, инновациях в моделях выращивания и улучшении структуры теплиц и т. д., чтобы оптимизировать условия роста растений с помощью этих средств, тем самым косвенно повышая фотосинтетическую способность растений и, следовательно, увеличивая урожайность. Свет, как наиболее важный фактор окружающей среды, влияющий на рост растений, регулирует рост и развитие растений, влияя на фотосинтез и фотоморфогенез. Долгое время рост и развитие сельскохозяйственных культур промышленного садоводства ограничивались такими факторами, как технология и стоимость. Выращивание сельскохозяйственных культур в основном зависит от солнечной радиации. Из-за таких факторов, как различные климатические зоны, географическое положение или сезонные изменения, культуры неизбежно сталкиваются с условиями слабого освещения. Длительное слабое освещение может привести к ослаблению вегетативных частей растений, сильному опаданию цветков и плодов, замедлению роста и развития растений, снижению урожайности и ухудшению качества [2-4]. С широким применением современных технологий комнатного садоводства во всем мире влияние световой среды в помещениях на продуктивность садовых культур привлекает все больше внимания, и искусственное освещение стало одной из ключевых технологий в комнатном садоводстве [5]. Чтобы помочь специалистам в области комнатного садоводства в Китае быстрее и правильнее понять и освоить технологию искусственного освещения, в данной статье дается теоретическое объяснение фотосинтетических характеристик растений в помещениях, характеристик световой среды в помещениях, влияния света на продуктивность сельскохозяйственных культур, суточной солнечной радиации в Китае и идей искусственного освещения, чтобы предоставить полезную информацию для применения искусственного освещения в комнатном садоводстве.

Анализ механизмов фотосинтеза у тепличных растений.

Фотосинтез — это процесс, посредством которого растения используют световую энергию для усвоения CO2 и воды с целью получения органического вещества и выделения кислорода. Фотосинтез является не только важнейшей жизнедеятельностью растений, но и важнейшим химическим процессом на Земле. Практически всё органическое вещество на Земле прямо или косвенно происходит от фотосинтеза. Вещества, синтезируемые посредством фотосинтеза, являются не только основным источником энергии для растений, позволяющим синтезировать их структурные вещества и поддерживать жизнедеятельность, но и основным источником структурных и энергетических веществ для других живых организмов [6-7].
Фотосинтез уже давно находится в центре внимания и является актуальной темой в агрономических и биологических исследованиях. В области защищенного садоводства используются различные искусственные методы для создания оптимальных условий для растений с целью улучшения фотосинтетической активности и, следовательно, увеличения урожайности. На фотосинтез растений влияет множество факторов, среди которых главным образом внешние: свет, CO2, температура, влажность, минеральные элементы и вода. В настоящее время такие факторы, как вода, удобрения, температура, влажность и CO2 в защищенных условиях, в значительной степени регулируются и контролируются. В этих условиях фотосинтез растений полностью зависит от влияния световой среды. Поэтому улучшение световой среды для увеличения урожайности стало одним из ключевых методов, который нельзя игнорировать в защищенном садоводстве.

Как правило, при обсуждении фотосинтеза в первую очередь рассматривается скорость фотосинтеза отдельного листа, в то время как скорость фотосинтеза всего растительного покрова часто упускается из виду. Скорость фотосинтеза отдельного листа описывает лишь адаптационные и ответные характеристики фотосинтеза листа к окружающей среде в конкретных условиях и не указывает на фотосинтетическую способность растительного покрова. Другими словами, высокая скорость фотосинтеза отдельного листа не обязательно означает высокую фотосинтетическую способность растительного покрова, поскольку фотосинтетическая способность растительного покрова зависит не только от фотосинтетической способности отдельных листьев, но и от таких факторов, как способность растительного покрова перехватывать свет и распределение света в растительном покрове. Скорость фотосинтеза всего растительного покрова напрямую влияет на биомассу и урожайность сельскохозяйственных культур. Поэтому выяснение механизмов фотосинтеза отдельного листа и растительного покрова имеет решающее значение для теоретических исследований в области искусственного освещения.

Скорость фотосинтеза — это количество CO2, усваиваемого на единицу фотона на квадратный метр листа в секунду. Свет, используемый растениями для фотосинтеза, называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР, мкмоль/(м²·с)), которая составляет около 50% от общего солнечного излучения. Как показано на рисунке 1, кривая световой реакции листьев растений на фотосинтез имеет несколько важных узлов. Когда ФАР равна 0 мкмоль/(м²·с) (т.е. в темноте, А), растения осуществляют только дыхание, то есть потребляют органическое вещество и выделяют CO2. Когда интенсивность света увеличивается до определенной точки, узел, где количество CO2, усваиваемого в процессе фотосинтеза, равно количеству CO2, выделяемого в процессе дыхания, является точкой световой компенсации (В), а интенсивность света в этой точке — интенсивностью света световой компенсации. Когда интенсивность света выше интенсивности компенсационного света, количество CO2, усваиваемого в процессе фотосинтеза, превышает количество CO2, выделяемого в процессе дыхания, и скорость фотосинтеза увеличивается с увеличением интенсивности света. На этом этапе скорость фотосинтеза линейно зависит от интенсивности света (C), а её наклон отражает эффективность использования световой энергии в процессе фотосинтеза. На этом этапе скорость использования световой энергии является максимальной на всей кривой светового отклика фотосинтеза. Поэтому в практическом применении искусственного дополнительного освещения следует выбирать подходящую интенсивность дополнительного света на этом этапе. Когда интенсивность света достигает определенного уровня, увеличение скорости фотосинтеза листьев замедляется до стабилизации, то есть фотосинтез достигает своего максимального значения. Эта точка называется точкой насыщения светом (D), а интенсивность света, вызывающая точку насыщения фотосинтеза, называется интенсивностью насыщения света. Для растительного покрова скорость фотосинтеза непрерывно увеличивается с увеличением интенсивности света, и точка насыщения фотосинтеза достигается с трудом (сплошная линия на рисунке 1). Это явление в основном обусловлено неравномерным распределением света внутри растительного покрова. При высокой интенсивности света, даже если верхние листья достигают точки светового насыщения, листья в средней и нижней частях покрова все еще находятся в условиях слабого освещения. Поэтому при практическом применении искусственного дополнительного освещения необходимо всесторонне учитывать интенсивность света дополнительных светильников и место их установки (например, сочетание дополнительного освещения верхних листьев с дополнительным освещением растительного покрова) на основе фотосинтетических характеристик отдельных листьев и растительного покрова, чтобы добиться наилучшего эффекта дополнительного освещения.

Интенсивность света в условиях теплицы значительно ниже, чем интенсивность света на улице. С учетом экономических факторов, более 95% теплиц в Китае используют полиэтиленовую пленку в качестве укрывного материала. Светопропускание полиэтиленовых теплиц может достигать 70%, а может и быть менее 50% [3]. В качестве примера можно привести теплицы в Нидерландах, где в многопролетных теплицах, покрытых стекловолокном с светопропусканием более 90%, светопропускание обычно составляет около 70%. Существует множество факторов, приводящих к низкому светопропусканию в теплицах, таких как поглощение и отражение света самим укрывным материалом, затенение каркаса и оборудования теплицы, внешнее пылеобразование и внутренняя конденсация. Поэтому для большинства садовых культур с высокими требованиями к освещению, таких как фрукты, овощи и срезанные цветы, существующее светопропускание в теплицах в основном не может удовлетворить оптимальные потребности в росте растений, особенно зимой и весной, в дождливую погоду, когда естественного света трудно обеспечить нормальный рост и развитие культур.
Кроме того, распределение интенсивности света в условиях теплицы крайне неравномерно. Под воздействием динамических изменений каркаса теплицы, структуры растительного покрова и угла высоты солнца, растительный покров демонстрирует многочисленные и постоянно меняющиеся световые пятна. Из-за влияния фотосинтетической индукции эти непрерывные динамические изменения света ограничивают увеличение скорости фотосинтеза растений [8-9]. Ли и др. [10-11] обнаружили, что динамические изменения световой среды в условиях теплицы привели к снижению примерно на 8% скорости использования световой энергии у горшечных антуриумов в течение их вегетационного периода. Внутри растительного покрова неравномерность распределения света еще более выражена. [12] провели систематическое измерение светового режима томатного покрова в теплице. В теплице было выбрано шесть рядов растений, каждый ряд длиной 5 м. В этом диапазоне интенсивность света измерялась в 120 точках на расстоянии 50 см от верхушки листового покрова (т.е., средней и верхней части листового покрова). Распределение интенсивности света в горизонтальной плоскости листового покрова показано на рисунке 2. Как видно на рисунке, из-за взаимного затенения структурой листового покрова распределение света в горизонтальном направлении очень неравномерное. В вертикальном направлении листового покрова интенсивность света измерялась каждые 25 см от верхушки листового покрова, и одновременно измерялась площадь листьев на соответствующей высоте листового покрова, что показано на рисунке 3. Как видно на рисунке, в вертикальном направлении интенсивность света, получаемая листьями листового покрова, экспоненциально уменьшалась с увеличением индекса листовой поверхности (т.е., с уменьшением высоты растения). Учитывая, что скорость фотосинтеза листьев растений имеет нелинейную зависимость от интенсивности света (рис. 1), неравномерное распределение света в растительном покрове снижает эффективность использования световой энергии. В целом, при практическом применении искусственного дополнительного освещения для максимизации эффективности использования световой энергии необходимо всесторонне учитывать интенсивность дополнительного света и характеристики его распределения.

Обзор суточной солнечной радиации в Китае

Сунь Юпин и др. [14] использовали данные о горизонтальной солнечной радиации, полученные с 45 метеорологических станций наблюдения в Китае с 1973 по 2002 год, для создания карты солнечной радиации Китая. На этой карте зафиксирована среднемесячная солнечная радиация, получаемая каждым регионом в каждом месяце. Ее можно резюмировать следующим образом: в декабре каждого года солнечная радиация в северном регионе самая низкая, 5–10 моль/(м²·сут); однако с мая по июль каждого года солнечная радиация в северо-западном регионе самая высокая, 45–50 моль/(м²·сут). С октября по март следующего года солнечная радиация примерно распределена в виде горизонтальных полос в восточно-западном направлении. С мая по август каждого года распределение солнечной радиации в восточном и западном регионах Китая значительно различается. Наибольшие изменения солнечной радиации происходят во время весеннего и осеннего равноденствий каждого года. Ежегодно с 21 марта по 21 сентября в северных регионах Китая наблюдается более длительный период солнечной радиации, но при этом меньший максимальный поток фотонов; напротив, в южных регионах период солнечной радиации короче, но при этом меньший максимальный поток фотонов. Очевидно, что количество солнечной радиации значительно варьируется в разных регионах и сезонах. При применении искусственного освещения в каждом регионе следует в полной мере учитывать местную солнечную радиацию и местные климатические условия.

Кроме того, в последние годы быстрая индустриализация Китая привела к сильному загрязнению воздуха и частому смогу, особенно в северных регионах. Частицы смога снижают пропускание солнечной радиации, тем самым уменьшая суточную солнечную радиацию и серьезно влияя на рост сельскохозяйственных культур. На рисунке 4 сравнивается суточная солнечная радиация в Вагенингене (Нидерланды) и Пекине (Китай) за тот же период 2015 года. Из-за широты и климатических факторов суточная солнечная радиация в Пекине была значительно выше, чем в Вагенингене. Однако из-за устойчивого экстремального смога в Северном Китае в ноябре суточная солнечная радиация в Пекине в этом месяце была такой же низкой, как и в Нидерландах (рисунок 4, пунктирная рамка), а именно ниже 10 моль/(м²·сут). Под влиянием материалов и конструкций теплиц фактическая суточная солнечная радиация, достигающая растительного покрова, была ниже 6 моль/(м²·сут), что недостаточно для роста фруктов и овощей. Таким образом, смог оказывает значительное влияние на суточную солнечную радиацию в Китае. Искусственное освещение — хороший способ решения проблем, которые создает сильный смог для роста тепличных культур.

[1] Murchie EH, Pinto M, Horton P. Сельское хозяйство и новые вызовы для исследований фотосинтеза [J]. New Phytologist, 2009(181):532-552.

[2] Цао Ян. Влияние дополнительного освещения в теплицах зимой на рост и развитие плодовых и овощных культур [J]. Сельскохозяйственные науки провинции Хэбэй, 2009, 13(3):10-12.

[3] Ван Вэйвэй, Ма Цзюньгуй. Применение дополнительного освещения в теплицах [J]. Сельскохозяйственная инженерия, 2014, 4(6): 47-50.

[4] Линь Яньдань. Влияние дополнительного освещения на рост овощных культур [J]. Китайские осветительные приборы, 2006(3):12-15.

[5] Хёвелинк Э., Баккер М.Дж., Хогендонк Л. и др. Садовое освещение в Нидерландах: новые разработки [J]. Acta Horticulturae, 2006(711):25-33.

[6] Сюй Дацюань. Фотосинтез [М]. Пекин: Science Press, 2013.

[7] У Вэйхуа. Физиология растений [М]. Пекин: Научное издательство, 2003.

[8] Пирси Р.В., Кралл Дж.П., Сассенрат-Коул Г.Ф. Фотосинтез в условиях флуктуирующего освещения. В: Нил Р. Бейкер (ред.),

Фотосинтез и окружающая среда [D]. Springer, Нидерланды, 2004:321-346.

[9] Пирси Р. У. Солнечные пятна и фотосинтез в растительных покровах [J]. Ежегодный обзор биологии растений, 1990(41):421-453.

[10] Ли Т., Хеувелинк Э., Ван Ноорт Ф. и др. Реакции двух сортов антуриума на высокие суточные интегралы рассеянного света[J]. Scientia

Horticulturae, 2014(179): 306-313.

[11] Ли Т., Кромдейк Й., Хеувелинк Э. и др. Влияние рассеянного света на эффективность использования излучения двумя сортами антуриума зависит от

динамическая реакция устьичной проводимости на интенсивность света[J]. Frontiers in Plant Science, 2016(7):56.

[12] Ли Т., Хеувелинк Э., Дьюк Т.А. и др. Усиление фотосинтеза сельскохозяйственных культур рассеянным светом: количественная оценка факторов, способствующих этому[J]. Анналы ботаники, 2014, 114 (1): 145-156.

[13] Марселис Л.Ф.М., Брукхёйсен А.Г.М., Мейнен Э. и др. Количественная оценка реакции роста на количество света у выращиваемых в теплице культур [J]. Acta Horticulturae, 2006(711):97-104.

[14] Сунь Юпин, Сунь Ибин, Сунь Чжэнчунь и др. Исследование карты распределения суточной солнечной радиации в Китае [J]. Хунаньская лесная наука и технология, 2015, 42(4): 43-47.