Курс светокультуры растений В.М. Леман (1976), краткая история светокультуры растений

! компилировано посредством ЭВМ, возможно несоответсвие оригиналу или опечатки.





Краткая история светокультуры растений

 Историю светокультуры растений можно разделить на два периода. Первый период продолжался с 1865г. до середины 60-х годов нашего столетия. Особенность этого периода — относительно малое знание потребности ра­стений в излучении (его спектральном составе, величи­не облученности и продолжительности облучения в тече­ние дня) и отсюда в значительной степени эмпирический подход к решению вопросов, связанных с искусственным облучением. Как логическое следствие такого положения долгое время развитие и прогресс светокультуры расте­ний определялись в основном развитием физики и про­грессом в светотехнической промышленности.

 Первый период создания и развития светокультуры растений, в свою очередь, можно разделить на три этапа в зависимости от применяемых источников искусствен­ного излучения.

 На первом этапе (1865—1922) источниками искус­ственного излучения были керосиновые лампы, газовые горелки, угольные дуги и небольшие лампы накаливания. Такие несовершенные источники искусственного излуче­ния позволяли изучать только отдельные физиологиче­ские процессы у низших и высших растений в лабора­торных условиях и выращивать растения в небольших экспериментальных установках..

 На втором этапе (1922—1940), когда для облучения растений стали пользоваться мощными лампами накали­вания (Гарвей, 1922; Максимов, 1925) и некоторыми ти­пами небольших газоразрядных ламп (ртутных, неоно­вых, натриевых), светокультура растений вышла за пре­делы исследовательских учреждений и стала применять­ся (правда, еще очень ограниченно) в производственных теплицах.

 Третий этап начался в 1940 г. с применения газораз­рядных ламп. Эти лампы позволили выращивать расте­ния в любое время года не только в лабораториях, но и в тепличных хозяйствах колхозов и совхозов.

 За последние годы знания по светофизиологии расте­ний значительно расширились и биологи теперь уже име­ют достаточно данных, чтобы составлять технические за­дания на изготовление специальных видов ламп для об­лучения растений, так называемых фитоламп. В настоя­щее время наблюдается постепенный переход от использования ламп, созданных светотехниками для раз­ных целей, к лампам и облучателям, имеющим оптиче­ские и технические параметры, соответствующие требо­ваниям растений. Таким образом, в развитии светокуль­туры растений с середины 60-х годов XX в. начался но­вый период, характерная особенность которого — более детальное знание потребностей растения в лучистой энер­гии и тесная связь физиологии и агрономии с физикой и светотехникой.

 Первые систематические опыты по изучению действия искусственного излучения на растения были проведены свыше 100 лет назад (1865) русскими ботаниками А. С. Фаминциным и И. П. Бородиным. Источником из­лучения им служили керосиновые лампы, смонтирован­ные в специальный прибор, имеющий рефлектор и линзу. Несмотря на низкую облученность, они изучили ряд фи­зиологических процессов, происходящих в растениях под действием облучения (образование крахмала, рост про­ростков и выделение углекислоты листьями высших ра­стений). Впервые было показано, что для растений от­сутствует принципиальная разница между искусственным и естественным излучением.

 Позднее данное положение четко сформулировал К. А. Тимирязев. В статье «Возможна ли культура при электрическом свете»1, он указал, что коренного, каче­ственного различия между действием электрического и солнечного света не существует.

 В развитие этой идеи инженер Сименс (1881—1882) провел ряд успешных опытов по выращиванию зимой го­роха, малины, земляники и винограда. Все эти культуры росли в теплице, где днем было естественное освещение, а ночью только излучение двух дуговых фонарей. Корот­коволновое ультрафиолетовое излучение устранялось экраном из стекла. По размерам, вкусу, окраске и аро­мату плоды этих культур превосходили те, которые были получены в теплице без дополнительного облучения.

 Несколько позже (1895) электрическая дуга была с успехом использована известным французским ботани­ком Боннье. Он проращивал семена, корневища и клубни травянистых растений, а также культивировал горшеч­ные экземпляры древесных пород. Часть растений облу­чалась круглосуточно, а другие только 12 ч (с 6 ч утра до 6 ч вечера). Наблюдая строение органов и тканей у различных растений, Боннье впервые установил явление «зеленой этиоляции», т. е. такое упрощенное развитие органов тканей, которое обычно характеризует растения, выращенные в темноте.

 В конце прошлого века при лабораторных исследова­ниях фотосинтеза во многих случаях применялась газо­вая горелка Ауэра. В настоящее время некоторые иссле­дователи вновь возвращаются к мысли об использовании газа, предполагая, что одновременно с облучением расте­ния будут снабжаться добавочной углекислотой. Однако практически это выполнить очень сложно, так как, поми­мо трудностей, возникающих при создании излучения высокой интенсивности и необходимого спектрального состава, нужно еще решить проблему очистки воздуха от вредных газовых примесей, которые вызывают нарушение физиологических процессов и ненормальное разра­стание отдельных органов.

 В начале 20-х годов нашего века Р. Гарвей, О. Мунератти и Н. А. Максимов впервые вырастили в темной камере, без доступа естественного излучения растения «от семени до семени». Источником излучения были воль­фрамовые лампы накаливания. При круглосуточном об­лучении были получены зрелые семена пшеницы, ржи, овса, льна и гречихи. Более светолюбивые культуры — тыква, томаты и картофель — развивались только до цве­тения.

 Глубокие многолетние исследования, начатые во Все­союзном институте растениеводства, явились основой широкого применения искусственного облучения как при теоретических исследованиях без естественного света, так и в сельскохозяйственной практике (Максимов, 1925, 1933, 1934, 1935).

 Предложение Н. А. Максимова (1933, 1934) приме­нять искусственное облучение на контрольно-семенных станциях для ускоренного выращивания сельскохозяйст­венных культур широко использовали и используют как в СССР, так и за рубежом. В дальнейшем Н. А. Макси­мов приложил много труда для развития светокультуры древесных растений и организации станций искусствен­ного климата, где растения выращивают без естественно­го излучения при определенных, заранее намеченных па­раметрах облучения (Максимов, Леман, 1946; Максимов, 1955).

 Вскоре после классических опытов Н. А. Максимова в электротехнической лаборатории Сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева (ТСХА) под руководст­вом Н. А. Артемьева и при участии Е. Д. Королькова, М. С. Калинина и Н. И. Гаврилова были выполнены ис­следования по выращиванию растений при искусствен­ном облучении. Растения выращивали в специальных камерах, названных авторами люминостатами. Источни­ком излучения служили 500-ваттные лампы накаливания. Температуру воздуха регулировали при помощи автомо­бильных радиаторов, через которые протекала холодная вода. Люминостаты, где выращивали от семени до плодо­ношения огурцы, овес, вику и многие другие сельскохо­зяйственные растения, можно считать непосредственными предшественниками современных лабораторий искусст­венного климата и фитотронов, число которых быстро увеличивается как в СССР, так и в других странах.

 Немного позднее искусственное излучение начали при­менять и в теплицах. Так, на Овощной опытной станции ТСХА дополнительное облучение растений лампами на­каливания позволило изучить фотопериодическую реак­цию у салата, редиса и шпината, фотосинтез у цветной капусты, а также ускорить выращивание ранней расса­ды, огурцов и томатов. Урожай томатов и огурцов при дополнительном облучении растений в осенне-зимние ме­сяцы значительно повышался.

 В 1929 г. по светокультуре растений была выпущена большая монография шведского исследователя С. Одена. В этой работе были сопоставлены данные об естествен­ном излучении, искусственных источниках света и мето­дах измерения их излучения для биологических целей. Применяя различные лампы и изменяя напряжение то­ка, Оден сделал попытку изучить влияние спектрального состава излучения на биохимический состав растений. При этом он измерял интегральную облученность с по­мощью пиранометра и выражал ее в энергетических еди­ницах. Долгое время этот способ измерения не применя­ли. Только в последние годы физиологи растений опять начали измерять лучистую энергию в абсолютных еди­ницах с учетом спектрального состава излучения.

 С 1932 г. под руководством Н. А. Максимова нача­лись опыты В. П. Мальчевского по светокультуре в Физи­ко-агрономическом (ныне Агрофизическом) институте ВАСХНИЛ в Ленинграде. Пользуясь исключительно ис­кусственным облучением (лампы накаливания и неоно­вые), он изучил возможности выращивания 165 сортов различных сельскохозяйственных культур. Большинство из них сократили вегетационный период на 25—50%, со­хранив или даже повысив урожаи. Пользуясь этим мето­дом, можно получать за год 6—7 урожаев яровой пшени­цы, 4—5.— льна, 3 — томатов, 4 — проса, 7 — гречихи и т. п. Особенно эффективно действовало непрерывное облучение на древесные породы — лиственницу, ель и березу. В. П. Мальчевский предложил методику «свето­вых» ударов, т. е. периодического кратковременного об­лучения растений сильным светом (до 20 клк). Однако несмотря на благоприятные результаты первых опытов, этот прием пока не получил распространения.

 С послевоенных лет этой лабораторией руководит Б. С. Мошков, который привлек к исследованиям по све­токультуре, кроме биологов и агрономов, физиков и ин­женеров (Мошков, 1966).

 В лаборатории разрабатываются методы- быстрого (за 60 дней) выращивания томатов в установке с водяны­ми фильтрами, новые способы измерения температуры листьев и транспирации, изучается действие инфракрас­ного излучения, актиноритмическая реакция разных ра­стений и другие вопросы светофизиологии.

 Действие дополнительного облучения на цветочные культуры в СССР изучал Н. П. Красинский (1937). Пользуясь лампами накаливания и искусственно повы­шая содержание углекислоты в воздухе, он нашел новые пути в совершенствовании технологии выращивания цве­тов зимой. Многие промышленные цветочные культуры в его опытах цвели на 3—4 месяца раньше обычного, т. е. в декабре вместо марта—апреля. Сократились сроки вы­гонки цветов, что позволило в несколько раз увеличить пропускную способность оранжерей. Резко повысилось качество продукции.

 В послевоенное время большие опыты с новыми источ­никами излучения были проведены в Измайловском цве­точном комбинате (Москва) Е. В. Лебедевой (1956). В настоящее время светокультура цветочных растений успешно исследуется в секторе зеленого строительства Академии коммунального хозяйства Т. М. Алейниковой (1973).

 В СССР в послевоенный период благодаря совмест­ным усилиям С. И. Вавилова и Н. А. Максимова опыты с люминесцентными лампами были поставлены А. Ф. Клеш- ниным в Институте физиологии растений АН СССР. Его дальнейшие эксперименты и теоретические исследования дали большой материал для физиологических основ све­токультуры растений. В обширной монографии «Расте­ние и свет» (1954) А. Ф. Клешнин рассмотрел и обобщил литературу по разным вопросам светокультуры, а также привел результаты собственных исследований. В этой работе дана подробная физиологическая характеристика различных источников излучения, предложены методы измерения и расчета интенсивности физиологически ак­тивного излучения и измерения температуры листьев. В последующие годы им изучались оптические свойства листьев растений и были даны некоторые рекомендации сельскому хозяйству.

 После долгого перерыва, в 1944 г., под руководством Н. А. Максимова были возобновлены исследования по светокультуре растений в ТСХА. На кафедре физиологии растений выращивали различные древесные растения при круглосуточном облучении лампами накаливания, что значительно ускорило их рост и наступление физио­логической зрелости (Леман, 1946—1950).

 С организацией в ТСХА в конце 1950 г. лаборатории искусственного климата, руководимой И. И. Гунаром, начались планомерные исследования по созданию опти­мальных условий искусственного облучения растений в теплицах. Основным объектом изучения стали овощные культуры — томаты, огурцы, салат, редис и др. Было изучено действие большинства современных электриче­ских ламп и рекомендованы новые источники излучения как для исследовательских целей, так и для производст­венных теплиц (люминесцентные лампы, ДРЛ, ДРЛФ, ксеноновые и др.). При этом были исследованы анатоми­ческие, морфологические, фенологические и физиологиче­ские показатели растений как однократно, так и в дина­мике. Особое внимание было обращено на фотосинтез, дыхание, накопление пигментов и поглощение искусствен­ного излучения листьями разных культур в процессе онто­генеза (Леман и др., 1950—1974).

 Высокая эффективность дополнительного облучения рассады овощей установлена многочисленными исследо­ваниями, проведенными в производственных теплицах. Еще Е. Д. Корольков (1929) и Н. П. Родников (1929), а затем В. М. Марков (1936) установили прямую зависи­мость между величиной искусственной облученности рас­сады и величиной урожая. В 1932—1934 гг. В. А. Брызга­лов и М. И. Русин отметили более раннее плодоношение огурцов при дополнительном облучении их рассады.

 В дальнейшем рентабельность этого нового агротех­нического приема подтвердилась рядом исследований. Используя разнообразные источники и приемы искусст­венного облучения, удалось создать новую агротехнику и новую технологию выращивания овощных культур в закрытом грунте, а также внести большой вклад не толь­ко в практику, но и в теорию светокультуры растений.

 Искусственное облучение растений получило широ­кое применение при теоретических исследованиях по раз­личным разделам физиологии растений. За последние годы в СССР и других странах было опубликовано много работ, позволяющих приступить к разработке теории све­токультуры. В первую очередь к ним относятся исследо­вания по фотосинтезу, образованию пигментов, поглоще­нию лучистой энергии, морфологии, органогенезу и дру­гим проблемам фотофизиологии растений.

 Говоря о возможностях светокультуры, необходимо подчеркнуть, что искусственное облучение растений не может быть заменено каким-либо другим приемом или способом выращивания, так как нормальное углеродное питание и формирование растений под действием опти­ческого излучения — одна из основ их существования и получения урожая. В то же время светокультура может повысить эффективность других агротехнических прие­мов, например гидропоники, создающей лучшие условия корневого питания. Сочетание светокультуры и гидро­поники позволяет создать новую, индустриальную техно­логию выращивания овощей с применением автоматики и практически без повседневного участия человека.

 Введение в строй большого количества электростан­ций и быстрое развитие светотехнической промышленно­сти создают материальную основу для широкого разви­тия исследований и внедрения методов светокультуры ра­стений в различные области народного хозяйства.

 В настоящее время проблемы светокультуры и свето- физиологии растений исследуются во многих научных центрах. В СССР — в Институте физиологии растений АН СССР, Институте биофизики АН СССР, Институте фотосинтеза АН СССР, Агрофизическом институте ВАСХНИЛ, ТСХА, МИИСП, МГУ, Всесоюзном инсти­туте электрификации сельского хозяйства ВАСХНИЛ, Институте сельского хозяйства Крайнего Севера, Инсти­туте физики СО АН СССР и ряде других научных уч­реждений.

 В США — это опытный центр в Белтсфилде, фитотрон в Пасадене, климатрон в Сан-Луисе, биатрон в Чикаго; во Франции — фитотрон в Жив-сюр-Иветт; в Голландии лаборатория фирмы Филипс и фитотроны в Вагенинге- не; в Бельгии — Льежский фитотрон; в ГДР — Институт овощного хозяйства в Гроссбиирне; в Швеции — Упсаль- ский университет; в Англии — университет и опытная станция Исследовательской электрической ассоциации в Ридинге и многие другие.

 Хорошо известно успешное применение дополнитель­ного облучения овощей в совхозах «Московский», «Мар­фино», «Тепличный», «Белая дача» (Московская об­ласть); в хозяйствах фирмы «Лето» (Ленинград); в Риж­ском, Минском, Челябинском, Воркутинском, Мурман­ском и других теплично-парниковых комбинатах, а также во многих колхозных и совхозных теплицах нашей стра­ны.

 С 1952 г. регулярно созываются совещания по свето­культуре растений как в СССР, так и за рубежом. В СССР Первое всесоюзное совещание по светокультуре растений было в начале 1952 г. по инициативе Института физиологии растений АН СССР и Министерства сельско­го хозяйства СССР.

 Вопросы светокультуры растений детально обсужда­лись и на неспециальных совещаниях: Второй всесоюзной конференции по фотосинтезу (1957), Совещании по воп­росам измерения оптического излучения для целей агро­метеорологии, физиологии и экологии растений (I960), Первом всесоюзном совещании по выращиванию расте­ний без почвы (1963), Совещании по фотосинтезу при ВАСХНИЛ (1967), Конференции по фотоэнергетике ра­стений (1974) и др.

 Наконец, отдельные доклады по искусственному об­лучению растений были на международных конгрессах по фотобиологии, садоводству и ботанике. Исследования по светокультуре включены в Международную биологи­ческую программу.

 Краткий обзор современного состояния проблемы ис­кусственного облучения растений показывает, что среди биологических и сельскохозяйственных наук светокульту­ра растений занимает теперь прочные позиции и как тео­ретическая дисциплина, и как прогрессивный агротехни­ческий прием, способствующий дальнейшей интенсифи­кации сельского хозяйства. Использование искусственно­го облучения не только дает «два колоса там, где рос один», но и позволяет собрать урожай там, где не росло ничего.