книги из ГПНТБ / Бобов С.С. Физика в сельском хозяйстве

скому истолкованию явлений фотосинтеза. Методом меченых атомов профессор А. А. Ничипорович обнару­ жил новые, ранее неизвестные стороны фотосинтеза: образование в листьях растений не только углеводов, но и белков. Ученому удалось выяснить, как изменяет­ ся состав продуктов фотосинтеза в зависимости от ви­ дов, возраста растений и физических условий окружа­ ющей среды. Меченые атомы помогли ему установить роль отдельных областей видимого света в процессе образования продуктов фотосинтеза. Как оказалось, красно-желтые лучи синтезируют главным образом углеводы, а синие — белки.

Эти открытия имеют большое практическое значе­ ние. Они позволят управлять ходом фотосинтеза пу­ тем создания необходимого светового режима или из­ менений растительного организма. Первый путь осу­ ществляется в условиях растениеводства закрытого грунта при светокультуре, но пока невозможен при выращивании растений в поле. Второй путь измене­ ния свойств самих растений возможен и в полевых ус­ ловиях. Так, влияя на окраску листьев возделываемой культуры, можно в значительной мере изменять по­ глощение света растениями. Например, при повышен­ ном внесении азотных удобрений окраска листьев ра­ стений становится темно-зеленой и растения значи­ тельно интенсивнее поглощают лучистую энергию. По­ севы той же культуры, не получавшие азота, имеют более светлые листья и меньше поглощают энергии.

Практическое значение имеют и условия, при ко­ торых растения получают лучистую энергию. На ход фотосинтеза влияет интенсивность освещенности и продолжительность действия света. Известно, что по-

20

глощенңе растениями солнечной радиации зависит от угла, под которым луч света падает на поверхность листьев. Растения с вертикальным расположением листьев способны полнее использовать солнечную ра­ диацию утренних и вечерних часов, а с горизонталь­ ным, наоборот, лучше поглощают радиацию дневных часов. Урожай пшеницы, например, в основном опре­ деляется дневным освещением и мало зависит от ут­ реннего и вечернего.

В зависимости от влияния интенсивности освеще­ ния на фотосинтез растения разделяют на светолюби­ вые и тенелюбивые. Овощеводам хорошо известно от­ ношение разных овощных культур к интенсивности ос­ вещения при выращивании их в теплицах.

Как показала практика, учет влияния освещения на фотосинтез может создать новое направление в се­ лекционной работе. У диких предшественников сахар­ ной свеклы розетка листьев стлалась по земле. Такие растения имели очень низкую урожайность, и они ока­ зались непригодными для возделывания. Несколько десятилетий селекционеры кропотливо отбирали наи­ более сахаристые экземпляры растений, и в резуль­ тате им удалось вывести сорта свеклы с мощными корнями и более высокой воронкообразной розеткой листьев. На поле растения окультуренной свеклы не затеняют друг друга, их можно больше разместить на гектаре. Возрастает общая поверхность листьев, изме­ няются условия для фотосинтеза, в результате чего увеличивается урожайность. Селекционеры, сами того не подозревая, вели отбор растений, способных лучше поглощать лучистую энергию. Успех в повышении про­ дуктивности фотосинтеза определяется глубиной про­

21

никновения науки в тайны самого процесса. Только на основе более полных представлений о нем возмож­ но высокоэффективное воздействие на растения и фи­ зические условия внешней среды, определяющие ин­ тенсивность фотосинтеза, производительность зеленых растений.

Светокультура

Не одну тысячу лет труд земледельца зависит от погодных условий. Хотя в современном сельскохозяй­ ственном производстве высокая агротехника позво­ ляет вести успешную борьбу за урожаи в самых не­ благоприятных метеорологических условиях, однако природа не отказывается от своего влияния.

Одной из первых проблем, поставленных агрофи­ зикой, является создание таких условий для жизни растений, которые не зависели бы от случайных изме­ нений погоды. Получение высоких урожаев растений, выращиваемых в контролируемых условиях, потребо­ вало прежде всего замены естественной солнечной ра­ диации светом от искусственных источников. Так воз­ никло одно из основных направлений в агрофизике — светокультура, т.е. выращивание высоких урожаев с применением искусственных источников света.

Светокультура создает совершенно новое направ­ ление в растениеводстве защищенного грунта, которое можно назвать электрическим. Практическое значе­ ние светокультуры значительно возрастает при соче­ тании ее с другим новым методом выращивания ра­ стений — гидропоникой. Производство зеленых вита-

22

вания урожаев остается еще пока мало изученной про­ блемой.

Искусственное световое воздействие в сочетании с температурой воздуха и почвы, влажностью и други­ ми физическими факторами внешней среды создают при светокультуре оптимальные условия повышения урожая и ускорения его созревания. В естественных условиях необычайно трудно определить требования, предъявляемые растениями к условиям внешней сре­ ды. Почти невозможно получить от растений ответа на то, как свет, тепло и влага влияют на урожай­ ность и скороспелость растений. Постоянные колеба­ ния температуры воздуха и освещенности растений, изменения в количестве осадков и другие погодные условия почти исключают возможность получения ис­ следователями одинаковых ответов на поставленные вопросы.

Совершенно по-иному можно проводить экспери­ менты в условиях светокультуры. В установках с ис­ кусственными «солнцами» основные факторы внешней среды в жизни растений возможно сохранять посто­ янными в течение заданного времени или изменять по намеченной программе эксперимента. Агрофизиками уже созданы первые камеры микрофитатроны с авто­ матическим сохранением в них физических условий по заданной программе.

Проводимые опыты по светокультуре привели к значительным изменениям в ранее установившихся представлениях физиологии растений. В дополнение к классическим исследованиям К. А. Тимирязева о значении для растений красно-оранжевой части спек­ тра светокультурой установлено очень важное поло­

24

жение о невозможности нормального развития расте­ ний без участия желто-зеленых лучей, преобладающей части солнечного спектра, с которой связана большая часть энергии видимого излучения.

По-новому решает светокультура вопросы сочета­ ния интенсивного освещения растений и температуры воздуха. Например, оказалось, что растения огурцов и томатов в условиях интенсивного освещения плохо переносят температуру выше 25°, в то время как при слабом освещении они требуют высокой температуры воздуха. Светокультурой существенно изменено пони­ мание фотопериодизма растений. Необычным оказа­ лось открытие того, что фотопериодическую реакцию определяет в основном темнота, а не свет. Как уста­ новлено, растения более чувствительны к нарушениям темноты, чем светового дня.

Опыты со светокультурой привели к выводам о возможности управлять скоростью роста растений, сти­ мулировать развитие отдельных его органов путем подбора необходимого для каждой сельскохозяйствен­ ной культуры фотопериодизма.

Светокультура создала благоприятные условия для изучения основных жизненных процессов растения: фотосинтеза и дыхания. В естественных условиях ин­ тенсивность фотосинтеза резко колеблется в течение дня. При светокультуре он протекает более стабильно, особенно под люминесцентными лампами.

Интенсивность фотосинтеза при искусственной ра­

25

слабая — при зеленом. Дыхание растений под люмине­ сцентными лампами значительно выше, чем под лам­ пами накаливания. Однако это не ведет к истощению растений. Между интенсивностью дыхания и фотосин­ тезом создаются благоприятные для растений соот­ ношения. Потеря растениями органических веществ при дыхании значительно перекрывается интенсивно идущим фотосинтезом.

У растений под искусственной радиацией и при естественном свете по-разному идет образование хло­ рофилла. О значении его в жизни растений К. А. Ти­ мирязев говорил: «Что бы ни производил сельский хо­ зяин или лесовод, он прежде всего производит хлоро­ филл и уже через посредство хлорофилла получает зерно, волокно, древесину и т. д.»1. С повышением в листьях содержания хлорофилла усиливается погло­ щение лучистой энергии, интенсивность фотосинтеза и ряда других физиологических процессов. Опытами установлено, что под люминесцентным светом хло­ рофилла образуется в 1,5—3 раза больше, чем под лампами накаливания, или столько же, как в расте­ ниях летнего периода.

Светокультура позволяет направленно изменять анатомическую структуру растений, строение стеблей, листьев и корневой системы. Толщина листовой пла­ стинки определяется не только интенсивностью радиа­ ции, но и ее спектральным составом. Так, при равной интенсивности физиологической радиации наиболее толстые, с плотной тканью листья формируются под люминесцентными лампами.

1 К. А. Тимирязев. Солнце, жизнь и хлорофилл. М., Сельхозгиз, 1956.

26

По' анатомическим и физиологическим признакам эти листья близки к группе световых. Но подобно теневым они имеют повышенное содержание хлоро­ филла и способны улавливать сравнительно слабую радиацию. Под лампами накаливания формируются листья, близкие к теневым.

У томатов, фасоли и других растений, выращенных зимой в теплицах, корневая система лучше развива­ ется под люминесцентными лампами.

Применение искусственной радиации в селекцион­ ной работе началось еще в 20-х годах нашего столе­ тия. Однако только после появления люминесцентных ламп, позволяющих создавать режимы облучения, близкие к естественным, светокультура смогла войти в селекцию. Сочетанием выращивания растений при естественной и искусственной радиации удается полу­ чить в течение одного года урожаи от нескольких сле­ дующих друг за другом поколений. Такой метод намного сокращает сроки проведения опытов.

Успехи светокультуры в значительной мере опре­ деляются правильным выбором источников света, спо­ собных заменять солнце как по спектральному соста­ ву излучения, так и по получаемой растениями мощности потока лучистой энергии. Широкие возмож­ ности открылись после создания советскими физиками люминесцентных ламп дневного света, приближающих условия искусственной радиации к естественному сол­ нечному свету.

Под лучами этих ламп хорошо развиваются многие растения, у них формируются плотные листья темнозеленого цвета и наращивается большая масса. Однако показатели урожайности и скороспелости остаются не­

27

высокими. Лампы дневного света в основном получа­ ют применение при выращивании зеленой массы ра­ стений на корм животным или выгонке рассады.

В последние годы агрофизики успешно применяют зеркальные лампы накаливания. Зеркальная поверх­ ность верхней части колбы такой лампы отбрасывает в сторону освещаемых растений ту часть светового по­ тока, которая рассеивается в обычной лампе накали­ вания. В результате при той же мощности ламп ра­ стения получают значительно больше света, а расход электроэнергии на килограмм овощей и плодов сни­ жается. Для светолюбивых растений установки с зер­

фракрасного излучения ламп приносит только вред: вызывает перегрев растений и ожоги листьев. Следо­ вательно, допускать к растениям всю тепловую радиа­ цию опасно. Агрофизики применили фильтры из проточной воды, поглощающие и отводящие избыток теплового излучения. Пройдя через водяной фильтр, излучение зеркальных ламп накаливания по своему спектральному составу оказывается оптимальным для выращивания растений.

Если в естественных условиях на 1 м2 можно выра­ щивать 4—6 растений томатов, то в условиях свето­ культуры—36 и более. Растения отличаются рекордной скороспелостью и высокой урожайностью. В Агрофизи-

28