Кактусы и искусственное освещение
Световое излучение является необходимым условием существования
зеленых растений. Они снабжены сложным фотосинтетическим аппаратом, при помощи
которого могут поглощать энергию светового излучения и превращать ее в
энергию химических связей органических соединений. Под влиянием света в
растениях протекают и такие процессы, как, например, фототропизм,
фотоморфогенез, фотопериодизм. Для того чтобы растения могли расти, им
требуются вода, углекислый газ, питательные вещества, определенное количество
тепла и светового излучения. При исследовании недостаточного или дефектного
роста и развития растений в искусственных условиях, имитирующих природные,
было установлено, что причиной обычно является недостаток светового
излучения нужного спектрального состава, потому что требования отдельных
видов растений к влажности, теплу и т. д. обеспечить значительно
легче.
Из всего спектра солнечного излучения для фотосинтеза растений
реальное значение имеет лишь узкая полоса от 400 до 800 нм,
что приблизительно соответствует интервалу длин волн, которые воспринимаются
человеческим глазом как видимое излучение — свет.
В настоящее время для оценки влияния излучения на растения в литературе
по биологии растений используются такие фотометрические понятия, как свет,
интенсивность освещения и др. Однако нужно подчеркнуть, что эти понятия
вытекают из оценки излучения человеческим глазом, тогда как растения
«оценивают» излучение совершенно иным способом.
На рис. 1 пунктирная кривая показывает относительную интенсивность
светового действия на человеческий глаз (V(л)), a сплошная кривая —
относительную интенсивность спектрального действия при фотосинтезе (F(л)).
Из сравнения кривых очевидно, что употребление фотометрических понятий
совершенно неуместно. Там, где человеческий глаз имеет наибольшую
чувствительность, кривая фотосинтеза проходит через минимум. В связи с этим
был введен термин «фотосинтетически активная радиация» (ФАР).
При замене одного источника излучения другим, имеющим иной спектральный состав,
нужно подбирать параметры излучения так, чтобы был достигнут тот же эффект
ФАР.
При фотосинтетических процессах потребляются значительные количества
ФАР, составляющие 60-120 вт/м2, а в
случае кактусов и больше (опыт показал, что некоторым видам «не мешает»
и 200 вт/м2). Следует напомнить, что здесь речь
идет об энергии ФАР, а не о мощности светового источника.
Установлено, что растения, освещенные солнцем, поглощают около 85%,
энергии падающего светового излучения и 25% падающего инфракрасного излучения.
Из этого количества при фотосинтезе потребляется приблизительно 1%, остальные
99% затрачиваются на испарение воды для поддержания теплового равновесия и
на различные химические превращения при метаболизме.
Фотосинтез
Фотосинтез протекает при всех длинах волн видимого излучения, но
особенно интенсивно в интервалах 510-400 нм (сине-фиолетовая
область) и 720-610 нм (красно-оранжевая область). На
рис. 2 сопоставлены кривые относительной интенсивности
спектрального действия при фотосинтезе (сплошная линия) и относительной
интенсивности абсорбции хлорофиллом (пунктирная линия).
Излучение, которое падает на растение, частью отражается, частью
поглощается и частью пропускается растением. Поглощенное излучение проникает во
внутренние ткани, к отдельным клеткам. Зеленые растения имеют клетки, содержащие
зеленый краситель — хлорофилл, который у высших растений бывает
в двух формах («а» и «в»). В клетках хлорофилл не распределяется
равномерно, а сосредоточен в так называемых хлоропластах — тельцах
размером около 5 микрометров, имеющих форму линзы. И здесь зеленый
краситель не распределяется равномерно, а образует мельчайшие крупинки,
находящиеся в бесцветной жидкости — клеточном соке, и все это
заключено в оболочку. Количество хлоропластов в отдельных клетках изменяется
в зависимости от рода (семейства) растения. Хлорофилльные тельца в
действительности являются сложной химической «мастерской», где
протекают процессы, которые мы называем фотосинтезом или ассимиляцией.
С химической точки зрения фотосинтез — это ряд химических реакций,
в результате которых из неорганических веществ образуются
органические — сахар (прежде всего глюкоза). Эти реакции протекают
в присутствии катализаторов (энзимов) и только при участии видимого излучения.
С физической точки зрения хлоропласты превращают энергию излучения в
химическую.
Фотосинтез слагается из двух процессов: первичной реакции, которая может
протекать только под влиянием света нужного спектрального состава и вторичной
(темновой) реакции, которая состоит в восстановлении углекислого газа
водородом, образовавшимся при разложении воды. Эта реакция может протекать
и в темноте.
Действенность и результат фотосинтеза зависят от целого ряда условий
и обстоятельств, например, от cутроения устьиц, возраста растения, количества
питательных веществ, температуры окружающей среды, количества воды, но
прежде всего от количества падающей на растение фотосинтетически активной
радиации. Однако существует определенная граница освещенности —
точка насыщения, при которой дальнейшее увеличение инсоляции растения не
приводит к повышению интенсивности фотосинтеза. В противоположном случае,
когда степень инсоляции близка к нижней границе, при которой фотосинтез еще
возможен, растения деформируются, вытягиваются, приобретают желтоватую
окраску. Такие растения называются этиолированными.
Требования к осветителям для растений
В культуре и в селекционной практике инсоляция растений
искусственным освещением проводится для того, чтобы оказать влияние на
фотосинтез, фотопериодизм или одновременно на оба процесса. Эта задача и
определяет технические параметры источников света, к которым относятся
следующие:
- эффективность источника (количество лучистой энергии с
фотосинтетическим и фотопериодическим действием, приходящееся на
единицу мощности);
- цена источника;
- светоотдача выпускаемых источников (световые потоки);
- устойчивость излучаемого спектра в зависимости от срока эксплуатации;
- зависимость интенсивности светового потока от напряжения и срока
эксплуатации;
- сложность электромонтажа (дроссель, стартер).
Источники излучения
Лампа накаливания. В спектре лампы
накаливания мощностью 60 вт. интенсивность излучения в
УФ-области совершенно незначительна и наибольшая часть энергии
приходится на ИК-излучение, большие количества которого вредны
для растений. С энергетической точки зрения спектр ламп накаливания неблагоприятен
для выращивания растений. В ФАР превращается приблизительно 4,5% мощности
рассматриваемой лампы. Светоотдача ламп накаливания изменяется приблизительно
от 8 лм/вт (лампа 25 вт) до 14 лм/вт
(лампа 200 вт).
Люминесцентные лампы еще недавно
считались одним из наилучших источников искусственного освещения для
выращивания растений. Они имеют низкую температуру поверхности, практически
не излучают в УФ и ИК областях спектра. Их спектр относительно легко
приспособить к требованиям фотосинтеза и с их помощью можно достигнуть
равномерного освещения растений. В ФАР превращается 12-20%
мощности (в зависимости от вида и типа люминесцентной лампы).
Отрицательным свойством люминесцентных ламп является малая плотность
излучаемого светового потока. Для достижения более высоких интенсивностей
освещения требуется большое количество люминесцентных ламп на
1 м2 освещаемой поверхности.
Максимальная освещенность, которую можно достигнуть с помощью этих ламп,
составляет приблизительно 5000 люкс.
Ртутные газоразрядные лампы высокого
давления. Спектр имеет значительные полосы в синей области,
красная область представлена сравнительно хуже. В ФАР превращается около
18% мощности. Светоотдаче, составляет приблизительно 58 лм/вт.
Недостатком ламп этого типа является меньшая энергия излучения в красной
области спектра и довольно высокая температура поверхности.
Галогенные газоразрядные лампы
представляют новое поколение газоразрядных ламп высокого давления.
Подходящим подбором галогенов некоторых металлов можно изменить
спектральное распределение излучения. В ФАР превращается 15-25%
мощности в зависимости от типа и вида лампы. Светоотдача достигает
75 лм/вт. Недостатком является более сложный электромонтаж и
высокая температура поверхности лампы.
Натриевые газоразрядные лампы высокого давления в
настоящее время представляют наиболее эффективные световые источники,
выпускаемые в ЧССР. В ФАР превращается 33% мощности. Излучаемый спектр
очень богат в области 600-700 нм. Сравнительно хуже представлена
коротковолновая УФ область. Светоотдача превышает 100 лм/вт.
Благодаря малой интенсивности излучения в УФ области эти лампы в настоящее
время являются наиболее подходящими световыми источниками для целей
фотосинтеза. Они имеют большую светоотдачу и наиболее благоприятное
спектральное распределение излучаемой энергии. Позволяют достигнуть
освещенности 50-70 тысяч люкс. Недостатком является сложный
монтаж, высокая температура поверхности лампы и сравнительно более высокая
цена.
Фитотроны
Поскольку электропроводка для освещения оранжереи требует больших
денежных затрат, кактусовод обычно обзаводится фитотроном, который
представляет маленькую тепличку с собственным микроклиматом. Фитотрон
имеет то преимущество, что его можно поместить в любом месте, т. к.
площадь его основания обычно не превышает 1 м2.
Для поддержания нужной температуры он содержит электрический нагреватель, а
освещение обычно реализуется посредством трубчатых люминесцентных ламп.
Следует подчеркнуть, что с помощью люминесцентных ламп можно
достигнуть освещенности около 5000 люкс, если они помещены одна
возле другой. Расходы на создание фитотрона для кактусовода вполне приемлемы.
Высший уровень освещенности в фитотроне можно достигнуть, например,
использованием натриевых газоразрядных ламп. Для площади около
0,6 м2 и высоты подвеса лампы
0,5 м достаточно одной лампы мощностью 250 вт.
Неравномерность освещенности при этом будет составлять 1:2, а средняя
интенсивность освещения достигнет 10000 люкс. Затраты на
приобретение светового источника в этом случае больше, чем в случае
освещения люминесцентными лампами.
Из практики
Теория освещения искусственным светом при селекции хлебных злаков,
выращивании овощей и некоторых декоративных цветочных растений уже в
значительной степени разработана, поэтому для некоторых растений известны:
- кривые относительного спектрального действия при фотосинтезе и кривые
поглощения хлорофиллом;
- зависимость интенсивности фотопериодических реакций от спектрального
состава падающего излучения;
- спектральные кривые чувствительности каждой формы фитохромов.
О кактусах в этом отношении неизвестно почти ничего. Только в
последнее время, когда многие виды кактусов полностью или почти полностью
истреблены на своей родине, мы начинаем заботиться о сохранении вида и его
размножении. Для увеличения эффективности человеческой деятельности здесь
служат различные современные средства, в том числе и искусственное
освещение.
Уже многие прогрессивные кактусоводы используют искусственное
освещение при посевах. Результаты получаются различные, но в большинстве
случаев положительные. Эти результаты не имеют научного значения, потому
что мало кто проводит одновременно контрольные посевы при обычных,
общепринятых условиях. Собственно практически это и невозможно,
т. к. «посевы с использованием искусственного
освещения» обычно проводят в ноябре-марте, а контрольный посев в это
время не имеет смысла. Во многих случаях этому препятствуют и технические
условия, и отсутствие достаточного количества семян.
Чтобы воспрепятствовать заболеваниям следует заботиться о
максимальной стерильности, использовать стерилизованные субстраты,
дезинфицировать посевные плошки и семена раствором пермарганата калия,
а перед посевом протравливать семена порошкообразным Бенлайтом. В большинстве
случаев это имеет успех. Затруднения бывают преимущественно с семенами,
которые в результате неправильного хранения или несвоевременного сбора поражены
устойчивыми плесенями либо оказываются невсхожими.
Испытывались многие способы посева: в т. ч. в
герметические банки для консервирования, в сосуды из синтетических материалов
с крышками и открытые, при освещении люминесцентными лампами различных типов
и в последнее время — при освещении газоразрядной натриевой
лампой высокого давления типа SHC мощностью 250 вт. В некоторых
опытах с освещением фитотрон делили на две части:
- одна часть освещалась газоразрядной натриевой лампой типа SHC
мощностью 250 вт;
- другая часть — шестью двадцативаттными люминесцентными лампами
(2 — типа «Планта», 3 лампы
белого света и 1 — ЛДС).
К такой комбинации ламп привели следующие соображения: лампа типа
«Планта» дает приблизительно на 1/8 меньший световой
поток, чем лампа белого света или ЛДС. Лампа белого света обогащает зеленую
часть спектра, а ЛДС — синюю. Таким образом, комбинация
приводит к улучшению спектра и повышению интенсивности светового потока.
При опытах фитотрон с двойным освещением помещался в квартире, где
температура бывает приблизительно 20°C. Он не имел специального
электрического нагревателя, потому что, благодаря теплоте от световых
источников, под люминесцентными лампами поддерживается температура
20-35°C, а под натриевой лампой —
25-45°C. Ту часть, где температура 45°C,
не использовали для посевов, они находятся в части с люминесцентными лампами.
Расстояние посевной площади от источников света составляет 25 см
(может быть уменьшено), вся освещаемая площадь равна
60Х60 см2,
а освещенность, измеренная люксметром, колеблется между 2800 и
3200 люкс. Там, где осветителем является натриевая газоразрядна
лампа, освещаемая площадь равна 80Х80 см2,
освещенность на этой площади лежит в интервале 9000-15000 люкс
при расстоянии от источника света 80 см. В этой части фитотрона
выделили еще одну маленькую опытную площадь с освещенностью
22000-27000 люкс и температурой 45°C,
удаленную от лампы на расстояние 30-50 см.
Однако возвратимся к посевам. Здесь прежде всего возникает вопрос
о том, какими лампами целесообразнее пользоваться —
люминесцентными или натриевыми. Оказалось, что каждая из них имеет свои плюсы
и минусы. Если говорить о спектральном составе света, то он оптимален у
люминесцентных ламп типа «Планта». При этом желательно, чтобы на
пути светового потока не было оптических препятствий (фильтров), которыми
могут служить, например, прозрачный футляр лампы, крышка посевного сосуда.
Каждое такое препятствие на пути светового потока действует как селективный
фильтр, т. е. неравномерно отфильтровывает определенную часть
спектра, соответственно своим оптическим свойствам.
С этой точки зрения, наименее благоприятен посев в стеклянные банки
для консервирования, которые имеют толстые стенки и сделаны из очень плохого
(в оптическом смысле) стекла. Поглощение лучистой энергии здесь может достигать
50%, а селективное пропускание такого стекла приводит к значительному
ухудшению спектра в более коротковолновой (синей) области спектра.
Наиболее подходящие сосуды из синтетических материалов, которые
обладают менее селективным пропусканием, чем стекло, а некоторые пропускают и
часть УФ излучения, которое в малых дозах играет довольно значительную роль.
Из опытов и наблюдений видно, что посевы, стоящие под голыми люминесцентными
лампами типа «Планта», значительно меньше страдают от плесени, чем
посевы, проведенные в тех же условиях, но находящиеся под теми же лампами с
фильтрами или под другими световыми источниками. Очевидно,
люминесцентные лампы излучают очень малое количество УФ излучения,
которое не удается определить обычными приборами, оно не оказывает заметного
влияния на прорастание семян, но достаточно для предотвращения плесени и не
вредит самим сеянцам.
Другим преимуществом люминесцентных ламп является невысокая
температура их поверхности, благодаря чему можно избежать ожогов растений
даже при минимальном удалении от источника излучения. Расстояние сеянцев от
источника света, безусловно, зависит от микроклимата в фитотроне. В хорошо
проветриваемом пространстве с достаточно низкой температурой верхушки
растений могут находиться на расстоянии 4-7 см. При плохом
проветривании это расстояние должно быть увеличено даже до 15 см.
Недостатком этих ламп является малая плотность светового потока, о которо
говорилось выше. В результате этого сеянцы некоторых растений непомерно
вытягиваются, что затрудняет пикирование, а главное сопряжено с потерями при
пикировании.
Суммируя результаты опытов с посевами под люминесцентными лампами,
можно констатировать, что все семена за малым исключением всходили хорошо, а
сеянцы хорошо развивались и росли. Некоторые сеянцы начинали быстро и
непомерно вытягиваться, но это всегда случалось с видами, происходящими из
областей с очень интенсивной солнечной радиацией, например, с кактусами
высокогорий или пустынь. Этот недостаток устраним, если поместить сеянцы
после пикирования в самую светлую часть фитотрона, освещаемую натриевой
лампой.
Почти трехлетний опыт использования натриевых газоразрядных ламп
привел к выводу, что использование их для освещения прорастающих семян
и всходов оказывается благоприятным не для всех родов кактусов (во всяком случае
при освещенности 10000 люкс, которая создавалась в опытах на
фитотроне).
Примером могут послужить опыты с посевами гимнокалициумов, которые
проводились при освещении люминесцентными лампами типа «Планта» и
натриевыми лампами. В опыте использовали большое количество всхожих семян
многих видов Gymnocalycium. После обычных процедур посеяли их в
коробочки с крышками из синтетического материала в стерильную землю. Под
натриевой газоразрядной лампой не взошло почти ничего, тогда как под
люминесцентными лампами «Планта» всхожесть тех же семян была
удовлетворительной (в среднем 70%). После первого пикирования
разделили сеянцы на две части. Одну часть оставили под люминесцентными лампами,
а другую поместили под натриевую лампу, туда, где освещенность минимальна
(около 9000 люкс).
Эти сеянцы очень хорошо развивались, росли больше в ширину, чем в высоту,
окраска их эпидермиса соответствовала окраске зрелых растений, выращенных
в оранжерее, а колючки были более мощными, чем бывают обычно у экземпляров,
выращенных в оранжерее. Сеянцы октябрьского посева, которые в мае перенесли
в оранжерею, имели диаметр от 5 до 10 мм (в зависимости от вида),
а их высота не превышала 5 мм.
Та часть сеянцев, которая оставалась под люминесцентными лампами,
начала тянуться вверх, их окраска оставалась светло-зеленой, а колючки были
более короткими и развивались хуже. В мае эти сеянцы были выше, чем сеянцы,
росшие под натриевой лампой, некоторые сильно вытянулись (Gymn.
gibbosum), но имели почти такой же объем. При опытах старались
выдерживать постоянными все условия роста, за исключением освещения.
Из других родов, которые сеяли при освещении натриевой лампой, были
успешными посевы Ariocarpus, Bartschella, Discocactus,
Ferocactus, Reicheocactus, неуспешными — посевы
Notocactus, Parodia, Rebutia. Отлично прошли посевы
Astrophytum, Krainzia, Melocactus, Lithops,
Euphorbia obesa. В случае лофофор, так же, как и в случае
гимнокалициумов, для прорастания семян более благоприятным оказалось освещение
люминесцентными лампами. Некоторые виды Mammillaria успешно прорастали
од натриевыми лампами, некоторые — нет. Во всех приведенных
случаях семена были здоровыми и всхожими. Часть фитотрона, освещаемую
натриевой лампой, использовали для зимнего размещения мелокактусов и
диско-кактусов. Эти условия вполне удовлетворяют требованиям роста, так
что всю зиму кактусы находятся в состоянии вегетации.
Сеянцы мелокактусов, посеянные в октябре 1977 г., в мае
1979 г. имели диаметр 6 см. Euphorbia
obesa, посеянная в то же время, в январе 1979 г.
начала цвести (тычиночные цветки), диаметр растений составлял 4-6 см
при высоте 1,5 см. Эти растения вместе с некоторыми видами
Melocactus и Oroya во вторую зиму своей жизни были помещены
на площадку, где освещенность составляет 25000 люкс, а температура
45°C. Очевидно, что такие условия благоприятны этим видам.
Мелокактусы и Оройи имели красивые колючки, и удалось заставить Оройи расти
в ширину, а не в высоту.
Пробовали оставлять на зимовку под натриевой лампой
1-3-летние сеянцы многих видов кактусов. Такая зимовка оказалась
очень благоприятной для растений родов Islaya, Lophophora,
Pseudolobivia, Ariocarpus, Solisia,
Mammiliaria, Ferocactus, Gymnocalycium,
Reicheocactus. У всех растений наблюдались такие же признаки,
какие описаны раньше для гимнокалициумов. Потерь практически не было:
в процентном отношении они составляли десятые доли. По наблюдениям, зимовка
сеянцев под натриевой лампой очень содействует здоровому развитию кактусов в
их «детские годы», когда они склонны к различного рода заболеваниям
и часто погибают. Думается, что это более целесообразный путь, чем прививки
кактусов и их повторное укоренение.
Может быть та часть, где приведены указанные выше опыты, должна быть
более обширной, с более подробным описанием всех условий. Но у каждого
кактусовода условия настолько специфичны, что каждый должен сам найти оптимум
в своих условиях. |
