CC BY
97
СЕРИЯ «БИОЛОГИЧЕСКИЕ НА УКИ»
УДК [581.14+631.559]:635.64:58.035
Д.С. Мороз
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО РЕЖИМА ОСВЕЩЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НА РОСТ И ПРОДУКТИВНОСТЬ
РАСТЕНИЙ ТОМАТА
ГНУ «Институт экспериментальной ботаники имени В.Ф. Купревича НАН
Беларуси», Минск
Введение. В настоящее время все больше внимания уделяется проблеме экономии электроэнергии, в том числе и при освещении растений в условиях теплиц. Поиск рационального режима освещения позволит в значительной степени снизить затраты, а значит и себестоимость конечной продукции. Одним из возможных подходов к решению данного вопроса является замена традиционных источников света, таких как ДНаТ (натриевые лампы высокого давления), на светодиодные. Последние характеризуются высокой светоотдачей, длительностью эксплуатации, безопасностью для окружающей среды, узким спектром излучения [1, 2]. Благодаря этим свойствам можно создать спектр и режим работы светодиодных осветителей, которые позволят не только экономить энергию, но оптимизировать физиологические процессы растений. Ряд исследований подтвердили эффективность использования светодиодов при выращивании различных видов растений, таких как водоросли [3, 4], пекинская капуста, салат, шпинат [5, 6], перец [7], огурцы [8], томаты [9] и других.
Еще один способ снизить расход энергии заключается в освещении растений импульсным светом. Суть данного подхода состоит в том, что фотосинтез состоит из светозависимой и светонезависмой фаз, и разделение этих процессов во времени позволит фотосинтетическому аппарату работать более эффективно (первый эффект Эммерсона) [10]. Ранее было показано, что использование импульсного света позволяет снизить расход электроэнергии на получение конечной продукции [11, 12].
Целью данной работы является исследование воздействия импульсного источника света на основе светодиодных излучателей на физиологические процессы и продуктивность растений томата.
Материалы и методы исследования. В качестве объекта исследования были выбраны растения томата (Lycopersicon esculentum Mill.), гибрид «Жеронимо» голландской селекции. Растения выращивали в отдельных боксах площадью 2,2 м2 и высотой 3,5 м исключительно под светодиодными облучателями. Варианты освещения представлены в таблице 1. Режим питания всех растений был идентичен. Питательный раствор из двух двухсотлитровых емкостей поступал в смеситель и далее через проводящие раствор трубы и систему капельниц насосом подавался к корневой системе каждого растения.
81
Растения в свою очередь выращивали на минеральной вате, которая помещалась на поддоне специальной конструкции. В процессе выращивания растений поддерживали температуру воздуха 17°С (темнота) и 22°С (свет), влажность воздуха 60-70%, фотопериод 18 часов.
Таблица 1 - Варианты облучения томатов при исследовании импульсного
режима
Вар Место- расположение излучателей Режим освещения Спектр длины волн, нм Плотность потока фотонов по длине волны Плотность потока фотонов, мкмоль/м2с
1 Верхний Постоянный 440 28,5% 350
Боковой Постоянный 660 35,5%
2 Верхний Импульсный (4мкс 440 28,5% 245
Боковой свет:2мкс темнота) 660 35,5%
В опытах исследовали морфометрические показатели (диаметр стебля, длину, количество междоузлий, листьев, цветов, плодов до формирования полного габитуса взрослого растения).
Параметры водного обмена измеряли с помощью установки электронного мониторинга. В частности определяли время сохранения максимального тургора, скорость дегидратации на участках стабильного тургора ткани и от максимального тургора клеток до начала циторриза. По величине стартового участка кривой изменения объема ткани судили об уровне жизнеспособности растения. Чем более продолжителен стабильный отрезок начального участка кривой, тем выше жизнеспособность растения [13].
Пигментный состав определяли посредством экстракции хлорофиллов и каротиноидов из листьев 100%-ным ацетоном и регистрации спектров поглощения на спектрофотометре СФ-46 [14].
Скорость восстановления СО2 измеряли газоанализатором Testo-330-1LL для вариантов 2,4 и контроля. Для этого лист растения с верхнего яруса
-5
помещали в замкнутую камеру объемом 1,5 дм на расстоянии 60 см от облучателей, доводили концентрацию СО2 до 2000 ppm (насыщающая концентрация) и фиксировали изменение концентрации углекислоты в камере каждые 5 минут.
Продуктивность и энергетическую эффективность определяли по массе и количеству плодов, собранных с каждого растения
Результаты исследования и их обсуждение.
1.Морфометрические показатели. В исследованиях осуществлялся контроль следующих морфометрических показателей: длина и диаметр стебля, количество междоузлий, цветов и плодов. На начальных стадиях статистически значимых различий между этими показателями для вариантов с постоянным и импульсным освещением не выявлено. Однако, несколько позже у растений, выращиваемых под импульсным режимом освещения, значительно увеличилась длина стебля по сравнению с растениями варианта 1 (рисунок 1А). При этом количество междоузлий у растений статистически не различалось (рисунок 1 Б).
82
Рисунок 1 - Динамика роста стеблей растений томата, выращиваемых при постояном - вариант!, и импульсном освещении - вариант 2
Развитие генеративной фазы у обоих вариантов шло равномерно - первые цветы и завязь появились одновременно (через 5 недель после посева) . Статистических различий между количеством цветков и плодов выявлено не было, однако имеется некоторая тенденция к увеличению количества плодов в первом варианте по сравнению со вторым (рисунок 2).
А - количество цветков на растении; Б - количество плодов на растении Рисунок 2 - Динамика образования цветов и плодообразования у растений
томата при постоянном - вариант! и импульсном освещении - вариант 2
При импульсном освещении цветки развиваются также как при постоянном, однако, плодов завязывалось на 18% меньше.
2. Накопление пигментов листьями томатов. Общее количество пигментов в листьях растений томата представлено в таблице 2. Содержание хлорофиллов и каротиноидов несколько выше для второго варианта, однако, значимых отличий выявлено не было
Таблица 2- Пигментный состав листьев растений томата выращенных при постоянном и импульсном освещении____________________________________________________
Вариант Хл а, мг/г Хл b, мг/г Хл а+b, мг/г Хл а+b, мг/дм2 Кар, мг/г Кар, мг/дм2 хл а/ хл b
83
1 1,93±0,06 0,56±0,01 2,49±0,23 5,51±0,76 0,67±0,08 1,49±0,23 3,48
2 2,26±0,10 0,70±0,03 2,96±0,49 6,25±0,08 0,75±0,15 1,59±0,04 3,23
Из приведенных данных следует, что импульсное облучение не оказывает существенного воздействия на содержание пигментов в листьях.
3. Скорость поглощения СО2 листьями растений томата В рамках поставленной задачи исследовалась скорость фотосинтетического восстановления СО2. Результаты измерений представлены в таблице 3. Так у растений 1 варианта скорость восстановления СО2 составляла 1,74х10- мкмоль/(дм *мин) из расчета на площадь листа и 3,99х10-
-5
мкмоль/(мг*мин) на сухую массу листа. У растений 2 варианта - 1,80х10-мкмоль/(дм •мин) и 5,89х10- мкмоль/(мг*мин). Наши предыдущие опыты показали, что для растений, выращиваемых под люминесцентной лампой эти показатели составляют 1,42х10- мкмоль/(дм *мин) и 4,79х10- мкмоль/(мг*мин) соответственно [15].
Таблица 3 - Содержание пигментов и скорости поглощения CO2 в листьях растений томатов при постоянном и импульсном освещении______________________________
Показатель Вар 1 Вар 2
Скорость восстановления СО2 при расчете на площадь, мкмоль/(мин*дм2) 1,736х10"3±0,2 1,802х10"3±0,25
Скорость восстановления СО2 при расчете на сухую массу листа, мкмоль/(мин*мга) 3,997х10"3±0,01 5,894х10"3±0,03
Таким образом, скорость восстановления СО2 при импульсном и постоянном освещении CO2, рассчитанная на площадь листа, примерно одинаково, несмотря на то, что при импульсном освещении интегральная плотность потока фотонов меньше. Кроме того, следует отметить, что скорости поглощения CO2 выше при светодиодном освещении, чем при люминесцентном [15].
4. Параметры водообмена растений томата. Результаты опытов по параметрам водного обмена растений томата, выращиваемых в условиях постоянного и импульсного светодиодного освещения отображены в таблице 4.
Таблица 4 - Параметры водного обмена листьев растений томата на разных стадиях развития при постоянном и импульсном светодиодном освещении____________________
Показатель Вар 1 Вар 2
3 мес 4 мес 3 мес 4 мес
Скорость дегидратации на участке стабильного тургора по изменению объема, мкл /мин 0,444± 0,038 0,283± 0,003 0,363± 0,043 0,280± 0,001
Скорость дегидратации на участке от мах тургора до циторриза по изменению объема, мкл/мин 0,220± 0,043 0,100± 0,017 0,148± 0,042 0,103± 0,010
84
Скорость дегидратации на участке стабильного тургора по изменению веса, мг/мин 0,269± 0,009 0,109± 0,013 0,215± 0,007 0,047± 0,010
Время стабильного тургора, мин 5,45± 1,5 21,67± 2,9 7,27± 2,7 10±0,0
Согласно полученным данным, молодые растения обоих вариантов отличаются более высокими скоростями дегидратации и меньшим временем сохранения тургора по сравнению с более развитыми. У растений варианта с импульсным излучением эти показатели несколько выше, чем для первого варианта. Однако, через месяц скорости дегидратации уменьшаются, а время сохранения стабильного тургора для обоих вариантов увеличивается, причем для первого варианта в значительно большей степени. Это свидетельствует о том, что в боксе с постоянным облучением сформировался более жизнеспособный фенотип.
5. Урожайность растений томата при импульсном освещении. Созревание плодов шло интенсивнее в варианте с постоянным режимом освещения. Так через 2 месяца после посадки с растений первого варианта было снято 28 плодов общей массой 5,6 кг плодов, а с растений второго -только 3 плода общей массой 365 г (таблица 5).
Таблица 5 - Урожайность растений томата, выращиваемых при различном светодиодном освещении за 4 недели______________________________________________________
Вариант Масса плодов, г Средний вес плода, г Количество, шт
вар 1 (пост) 5581 199,3214 28
вар 2 (имп) 365 121,6667 3
Эти различия сохранились на весь период плодоношения. В таблице 6 приведены средние показатели урожайности за месяц, а также расход электроэнергии на получение конечной продукции в сравнении с растениями, выращенных в аналогичных условиях, но при использовании люминесцентных ламп[15].
Таблица 6 - Средняя урожайность растений томата и расход электроэнергии на получение конечной продукции при различных типах освещения___________________________________
Тип освещения Вариант 1 СД, постоянный Вариант 2 СД, импульсный Люминесцент- ный
Средняя урожайность с м2 за месяц, кг 5,9 3,7 3,0
Средний вес плода,г 148 111 147
Расход электроэнергии, кВт час/кг 38,6 43,0 84,1
Растения, выращенные под светодиодного освещения с боковой досветкой, превосходят по показателям урожайности растения, выращенные под люминесцентными лампами. Однако, при сравнении постоянного режима с
85
импульсным, последний проигрывает не только по урожайности, но и по расходу электроэнергии на получение конечной продукции.
Заключение. Таким образом, нами установлено, что импульсное светодиодное освещение позволяет растению сформировать такой же пигментный состав как при постоянном облучении и даже обеспечивает более высокие скорости фотосинтеза. Вместе с тем, адаптивный потенциал таких растений ниже, о чем свидетельствуют показатели водного обмена. Кроме того, развитие растений под импульсным освещением идет медленнее, что очевидно связано с меньшей интенсивностью света, а не импульсным режимом. Особенно это отражается на генеративной фазе, на таких процессах как формирование цветов, образование завязи и плодоношение. Возможно, это объясняет более низкие показатели урожайности по сравнению с постоянным режимом, хотя причина может также заключаться в неправильно подобранных длительности и соотношении импульса света и темноты. Вероятно, импульсное освещение оказывает ожидаемый эффект при насыщающих значениях интенсивности вспышек света. Ввиду выше сказанного, для решения вопроса о целесообразности использования импульсного режима освещения для тепличных культур исследования необходимо продолжить.
Литературные источники
1. Бахарев И., Прокофьев А., Туркин А., Яковлев А. // Современные технологии автоматизации. 2010. №2. С.76-82.
2. Zukausskas A., Shur M.S., Gaska. R. Introduction to solid-state lighting. NewYork. 2002, A Wiley-Interscience Publication. 207 р.
3. Mao A.J., Wang J., Lin X.Z., Meng J.W. // Guang Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi. 2008. V.28 (5). Р.991-994.
4. Das P., Lei W., Aziz S.S., Obbard J.P. // Bioresour Technol. 2011. V.102(4) Р. 3883-3887.
5. Bula R.J. [et al] // HortScience. 1991. Feb;26(2). Р.203-205
6. Barta D.J., Tibbitts T.W., Bula R.J., Morrow R.C. // Adv. in Space Research. 1992. V.12(5) P. 141-149
7. Schuerger А., Brown C.S., Stryjewski E.C. // Annals of Botany . 1997. V.79. P.273-282
8. Trouwborst [et. al] // Scientia Horticulturae. 2011. V.129(2) P.273-278
9. Keiko O-K, Kazuhiro F, Yoshikatsu K, Kenji K / Environ Control Biol. 2006. V.44(4). P.309-314
10. Медведев С.С. Физиология растений: Учебник. СПб. Изд-во С.-Петерб. ун-та. 2004. 336 с.
11. Большина Н.П., Овчукова С.А., Козинский В.Р. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1984, №10, с.55-57.
12. Корж В.Б. // «Фотоэнергетика растений». Тез. Докл. 5ой Всесоюз. Конф. По фотоэнергетике растений, Алма-Ата, 1978, с128-129.
13. Wettstein D. // Experimental Cell Research. 1957. V.12(3). P.427-489.
14. Телюк Н.А., Реуцкий В.Г, Родионов П.А. // Вес. нац. акад. навук Беларуси Сер. 6іял. навук. 1996. №4. С.38-42
15. Мороз, Д.С. // Ботаника (исследования): Минск. Право и экономика, 2010. С. 361-375.
D.S. Moroz
LED LIGHT PULSED IRRADIATION EFFECT ON TOMATO PLANT GROWTH
AND PRODUCING CAPACITY.
86
Institute of experimental botany, National academy of science, Minsk
Summary
This article considers light emitting diodes (LED) pulsed irradiation effect on tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) growth and yield. Plants were grown under LED irradiators with constant and pulsed lighting. It was shown, that pulsed LED irradiation provided normal pigment content, photosynthesis and water balance, but plant growth and crop-producing power decreased in such condition. Additional studies should be conducted to develop LED pulsed irradiation regime for plant growing.
87
