Физиологи растений, агрономы, селекционеры всего мира давно изучают фотосинтез, так, как этот процесс непосредственно связан с ростом и, следовательно, повышением урожая растений. КПД фотосинтеза очень низок - используется не более 3 процентов световой энергии, падающей на растения. (Об этом подробно рассказано в статье «Солнце, растение и математика». См. № 7, 1973 год.) В лаборатории электрификации овощеводства защищенного грунта Всесоюзного научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) подсчитали, что у поверхности земли теоретически максимально возможное значение эффективности естественного света для фотосинтеза колеблется (в зависимости от высоты солнца) от 16 до 24 процентов. Создан специальный прибор - фитофотометр, позволяющий определять долю солнечной энергии, пригодную для фотосинтеза.
Наш корреспондент обратился к старшему научному сотруднику Института, кандидату технических наук И. Свентицкому, и попросил рассказать о возможных путях повышения урожая, базирующихся на работах, проведенных в лаборатории.
Какие имеются возможности для повышения энергетического КПД растений'
Большинство известных способов повышения урожая в, какой-то мере связано с увеличением КПД фотосинтеза. Но достигается это увеличение чаще всего косвенным путем совершенствованием обмена веществ либо изменением наследственных свойств растений. Наши усилия были направлены на разработку методов, непосредственно связанных с улучшением обмена энергии между растительными организмами и окружающей средой.
Сельское хозяйство с точки зрения энергетики производит в основном химическую энергию, запасенную в продуктах урожая. Первичный источник энергии - солнечное излучение, а ее преобразователи - молекулы хлорофилла.
Несмотря на большие успехи в изучении фотосинтеза, растения, как приемники, и преобразователи энергии изучены пока еще очень слабо. Это отчасти можно объяснить ошибочным, но широко распространенным мнением о том, что в естественных условиях растения никогда не испытывают недостатка света.
Усвоение растениями солнечной энергии при фотосинтезе зависит не только от общего ее количества, но и от равномерности ее поступления к растениям, и от температуры окружающего воздуха (рост растений возможен лишь при температурах от +5 до +45 градусов). Приток света в течение дня, как известно, изменяется в широких пределах от нескольких ватт на квадратный метр утром и вечером до половины киловатта на каждый квадратный метр в полдень. Не остается постоянной ни температура, ни влажность воздуха.
Специальными опытами установлено, что для каждого значения облученности растений имеется своя оптимальная температура. Так, в солнечный, очень жаркий день фотосинтез достигает максимума в 7 - 8 часов утра, а затем резко падает (см. график слева). Во второй половине дня по мере уменьшения светового потока, которое часто сопровождается, и снижением температуры воздуха, скорость накопления энергии вновь начинает возрастать и вечером (19 - 20 часов) достигает своего второго максимума.
Полуденную депрессию фотосинтеза многие объясняли внутренними, физиологическими ритмами растений. Считалось, что с ней нельзя бороться. Однако в пасмурные, прохладные дни именно в середине дня фотосинтез у растений достигает максимума, а депрессия вообще не наблюдается. Не обнаружена она, и в районах высоких широт, где никогда не бывает больших температур. Отсюда можно сделал. заключение, что дневное падение интенсивности фотосинтеза вызывается лишь перегревом и иссушением растений. И если, каким-либо путем их защитить от высоких температур, то процент использования солнечной энергии и, следовательно, накопление органических веществ значительно возрастут.
Один из возможных методов такой защиты - дождевание растений. Отечественными, и зарубежными учеными давно было замечено, что при одном и том же расходе воды на орошение, при дождевании урожайность выше, чем при других способах полива. Мельчайшие капли воды смачивают листья и, испаряясь, понижают их температуру.
Советские ученые Г. В. Лебедев, 3. Н. Акулова, и др. проводили опыты по импульсному дождеванию чайных плантаций, капусты, картофеля и ряда других культур. По сравнению с обычными методами полива при одинаковом расходе воды увеличение урожая в различные годы варьировало от 1,4 до 1,9 раза. (Режим дождевания определяется опытным путем.) Результативность охладительного орошения, как показали исследования, можно увеличить, уточняя режим дождевания. При этом необходимо учитывать температурные оптимумы фотосинтеза, и тепловое воздействие излучения на растения. Для разных культур эти значения будут варьировать.
Еще более эффективным, вероятно, должен стать аэрозольный метод. (Подробнее смотри «Наука и жизнь» № 4, 1971 год.)
Имеются, и иные способы снижения перегрева растений и депрессии фотосинтеза специальное формирование крон деревьев, благоприятная ориентация рядков, и посевов по странам света.
Интересные опыты провел советский биофизик А. Б. Брандт совместно с учеными Кубы. Кукуруза была посажена чаще, чем обычно, и за счет загущенное™, затенения посевов полуденная депрессия уменьшилась, а выход товарного зерна возрос на 50 - 60 процентов.
Ваша лаборатория непосредственно занимается вопросами овощеводства защищенного грунта. Есть ли возможность повысить урожай овощей зимой в теплицах!
В средней, и северной зонах даже при благоприятной температуре и полноценном минеральном питании в теплицах растения плохо растут, и развиваются из-за недостатка света. Урожай зимой в теплицах очень низкий. Есть два пути его повышения освещение растений электрическими лампами и создание условий для более полного использования солнечной энергии. То есть нужна полная согласованность с условиями освещения всех других (температуры, влажности, минерального питания).
У защищенного грунта ость принципиальные отличия от полеводства. Под открытым небом главные затраты на производство урожая составляют закупка семян, обработка почвы, полив, уход за растениями, и сбор урожая. В защищенном грунте эти расходы уменьшаются, но появляются новые. Больше всего средств тратится на обогрев, и освещение растений в осеннее, зимнее, и весеннее время.
До недавнего времени электрические лампы разрабатывались, исходя из свойств, присущих человеческому глазу. А ведь его реакция на излучения с разными длинами волн резко отличается от спектральной чувствительности растений. Глаз лучше всего видит зеленые лучи, и в спектре большинства осветительных ламп их много. Эффективность же зеленой части спектра для фотосинтеза почти в два с половиной раза меньше, чем у красных лучей. Поэтому КПД осветительных ламп в отношении фотосинтеза невелик - всею 4 - 8 процентов от электрической мощности лампы. Отсюда потребность в большой мощности осветительных установок и, следовательно, высокие затраты на облучение растений. Только затраты на оборудование лампами одного квадратною метра теплиц достигают 70, и более рублей.
В большинстве тепличных хозяйств для освещения рассады используются люминесцентные лампы дневного, и белого света мощностью сорок ватт. У них температура колбы не превышает сорок - сорок пять градусов. Даже находясь у самой поверхности трубок, листья растений не повреждаются. Сравнительно большая активная поверхность этих ламп позволяет равномерно освещать растения. Но спектр у распространенных марок люминесцентных ламп мало приспособлен для растений.
Было много попыток создать специальные лампы для облучения растений, но они длительное время не имели успеха. Из-за отсутствия методики, и приборов для количественной оценки фотосинтетической эффективности излучения исследования проводились практически вслепую. Невозможно было предсказать заранее КПД лампы в отношении фотосинтеза, и контролировать его в процессе разработки. О пригодности нового источника света для облучения растений можно было судить только по результатам опытов с растениями. Поэтому особенно много сил, и средств тратилось на длительное испытание новых ламп.
Метод количественной оценки эффективности излучения в отношении фотосинтеза, разработанный в нашей лаборатории, позволил заранее предсказывать возможные увеличения полезной отдачи источника света. Пользуясь этим методом, контролируя спектр излучения отдельных люминофоров, можно предвидеть возможное изменение КПД источника или применение нового люминофора.
Совместно с Всесоюзным светотехническим институтом за короткий срок удалось разработать люминесцентные лампы (ЛФ-40). Их КПД почти в полтора раза больше, чем у обычных ламп дневного, и белого света. Мощность осветительных установок с лампами ЛФ-40 в теплицах и, следовательно, затраты энергии уменьшатся на треть.
У люминесцентных ламп имеются недостатки. Основной - небольшая мощность. На каждый квадратный метр монтируется 5 - 7 ламп. Поэтому для вновь строящихся тепличных хозяйств сейчас специально разрабатываются газоразрядные лампы высокого давления, и мощностью до 2 киловатт.
У ртутных ламп высокого давления (ЛОР), созданных совместно с Всесоюзным институтом источников света (Саранск), доля лучей, участвующих в фотосинтезе, увеличена в два раза по сравнению с аналогичными осветительными лампами. (Большая часть лучей этих ламп сосредоточена в красней, и синей областях спектра.) Опытной проверкой выявлено, что такой состав достаточно благоприятен для роста, и развития растений.
Перейдем к рассмотрению второй возможности повышения урожая зимой в теплицах - улучшению использования энергии естественного излучения.
До сих пор в теплицах весь светлый период температура поддерживается на одном, и том же уровне. Интенсивность солнечного света за это же время изменяется в широких пределах. Специальными опытами с огурцами, и томатами выяснена зависимость оптимальной температуры воздуха внутри теплиц от фотосинтетической, и тепловой облученности растений.
В ВИЭСХе разработана специальная система автоматического регулирования температуры в теплице. В любой момент холодного периода времени температура поддерживается на требуемом уровне. Подобное регулирование в 1,5 раза улучшает использование солнечной энергии для фотосинтеза. В летнее время из-за отсутствия систем охлаждения невозможно в жаркие дни поддерживать температуру на требуемом уровне, но в зимнее время эта система дает возможность повысить урожай.
При решении, каких других сельскохозяйственных задач могут быть использованы выявленные вашей лабораторией общие биоэнергетические закономерности развития растений!
В связи с новым биоэнергетическим подходом при решении задач в растениеводстве имеет смысл пересмотреть принципы районирования, и экономической оценки сельскохозяйственных угодий.
Известно, что при одинаковом обеспечении растений питанием, и влагой земельный участок в южной зоне может дать больший урожай, чем подобный участок в более северных районах. Но насколько южный участок лучше северного, современная агроклиматология ответить не может.
Основными критериями оценки энергетических природных факторов пока является сумма температур и общий приход энергии излучения ни фотосинтетичэссая, ни тепловая эффективность не учитывались, не принимается во внимание, и благоприятность совпадения во времени температуры, и интенсивности света.
Например, в зонах с резким континентальным климатом в солнечный день температура воздуха, и влажность могут быть выше, чем в пасмурный. Растения, следовательно, либо перегреваются, либо переохлаждаются. Их энергетический КПД будет снижен. Максимальное плодородие, следовательно, в этой зоне будет меньше, чем в районах с более мягким климатом. Например, на Камчатке и Сахалине суммарный приход солнечной энергии в 1,3 - 1,5 раза меньше, чем в Крыму или Средней Азии. Меньше, и сумма температур. Но сочетание во времени солнечного света, влажности, и температуры на Дальнем Востоке более благоприятное, чем в южных районах. Именно этим можно объяснить необычно бурный рост растений на Камчатке и Сахалине.
Новый метод учитывает раздельно фотосинтетическую, и тепловую эффективность солнечного света. Принимается во внимание, насколько благоприятно сочетается приток энергии излучений с температурой в каждый момент времени. Разработан специальный прибор - энергетический классификатор плодородия. С его помощью автоматически можно измерять эффективную для фотосинтеза часть солнечной энергии и в зависимости от тепловой облученности определять ту часть приходящей энергии солнечного излучения, которая может быть усвоена растениями на образование урожая.
