XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ВЛИЯНИЕ РАЗНЫХ ВИДОВ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ НА РАСТЕНИЯ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Цель моего исследования: Понять, почему под одним освещением растения растут быстрее и крепче, а под другим хуже.
Методы исследования: работа с источниками информации; подбор предметов и объектов исследования; наблюдение; фиксирование результатов; выводы.
Гипотеза: Я предполагаю, что скорость прорастания, рост и развитие надземной части растений зависит от спектра и интенсивности освещения
Практическая значимость: Результаты исследования могут помочь популяризировать применение современных светотехнических технологий для выращивания вкусных и полезных овощей, красивых растений в местах недостаточного количества или полного отсутствия солнечного света.
В ходе исследования мной были сделаны следующие выводы:
Результаты данного этапа эксперимента подтверждают моё предположение, о том, что для каждого растения можно подобрать отдельный спектр дополнительного освещения, который позволил бы иметь быстрый и качественный рост с частичным или полным отсутствием солнечного света. Главное, что свет не должен быть включен постоянно, так как слишком много света, вредно для растения!
Опытным путем доказала влияние светодиодных фитоламп на интенсивность прорастания семян, роста и развития надземной части растений. Продолжительность прорастания семян и их дальнейший рост под светодиодными фитолампами с красно-синим и полным спектром свечения отличается.
Вот только необходимость энергии на разных цветах у разных растений не равноценна. И если одной и той же лампой засвечивать разные растения, то результаты могут быть совершенно разные. Для одного растения, для его быстрого роста нужен один спектр, а для укрепления наземной части другой, для другого растения, может быть совершенно наоборот. И выявить подходящий спектр для определенного растения легко можно опытным путём.
ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
1.1 Современные виды источников искусственного света
В 1868 году впервые для выращивания растений применил керосиновые лампы русский ботаник Андрей Фаминцын.
Далее стали появляться разные виды ламп. Самая распространенная лампа накаливания, но самая старая технология. Лампа накаливания «отдает» нам в виде света не более 10—15% потребляемой энергии, а остальные 90—85% энергии преобразуются в тепло. Далее появились энергосберегающие лампы. Их КПД примерно в 4 раза выше (рис.1), чем у обычных, но она содержит ртуть. Самая инновационная и обладающая наибольшим количеством преимуществ по сравнению с другими лампами — светодиодная лампа. Она отличается наибольшим сроком службы — до 25 тысяч часов, высокой энергоэффективностью — может экономить до 85% расходов на освещение — и отсутствием теплового, ИК и УФ излучений.
1.2 Важность света в жизни растений.
Для роста и развития растения получают все необходимые вещества из окружающей среды: углекислый газ - из воздуха, воду и питательные вещества - из почвы. Также они нуждаются в энергии, которую получают из солнечных лучей. Эта энергия запускает определенные химические реакции, во время которых углекислый газ и вода превращаются в глюкозу (питание) и кислород.
На самом деле неверно утверждать, что растениям нужно солнце для фотосинтеза. Для фотосинтеза действительно нужен свет и это не обязательно солнечный свет.
Точнее, им нужны фотоны. Фотоны - это частицы, из которых состоит свет, и каждый фотон имеет определенное количество энергии, называемое энергией фотона. Когда фотон попадает в объект, например, в растение, он передает свою энергию этому объекту при попадании в него. Солнечные лучи - это бесплатный источник фотонов, который существует с тех пор, как зародилась жизнь. В конце концов, жизни удалось эволюционировать, чтобы использовать этот богатый источник энергии для выживания.
Альтернативой солнечному свету могут служить фитолампы. Самое важное в лампе это их спектр и насколько он отличается от естественного солнечного излучения. Ведь именно к нему привыкли все цветы, овощи, фрукты, ягоды.
Что же прячется за таким научным названием как спектр излучения? Чтобы понять это, придется вспомнить что такое свет? А свет — это не что иное, как электромагнитная волна (рис.2).
Причем каждый цвет имеет определенную длину волны, отсюда и получается радуга. Однако разная длина означает не только разный цвет, но самое главное — разное количество энергии. Волны с меньшей длиной содержат в себе больше энергии (рис 2). Если все цвета условно представить не в виде привычной прямой линии, а в виде шариков, то синий шарик будет самым большим по размеру. Зеленый поменьше, а красный окажется самым маленьким (рис.3).
Все цвета всегда упрощают именно до этих трех видов R-G-B: красный, зеленый, синий.
Почему синий шарик окажется самым объемным? Потому что длина его волны самая маленькая. Она меньше чем у зеленого цвета. А у зеленого в свою очередь, меньше чем у красного. В итоге и получается, что красный цвет несет в себе меньше энергии, а синий больше всего (рис.4).
И тут у многих может возникнуть логичный вопрос: "А есть ли разница в том, каким именно спектром освещать растения?" И если есть, можно ли эти знания как-то применить с пользой для дела?
Ведь если какой-то цвет окажется более эффективным, то нет ничего проще, как направить всю энергию на растение только от него. Если синий цвет самый "жирный", достаточно засвечивать растения только им и получать шикарный урожай круглый год.
Однако все оказывается не так просто. Здесь нужно учитывать еще одну характеристику света - его качественный или спектральный состав.
Кроме правильно подобранного спектра, важную роль играет еще два параметра - время и ритм освещения.
Все растения изначально произрастали на улице при естественном солнце. А солнце как известно не висит в зените 24 часа в сутки. Утром всходит, а вечером заходит. То есть естественная интенсивность освещения сначала постепенно растет, а во второй половине дня, достигнув своего пика, начинает падать.
Это и есть так называемый ритм. И растения его хорошо чувствуют. Измените ритм, не меняя ничего другого, и ваши овощи могут начать болеть, почувствовав себя "не в своей тарелке".
Выделины три группы растений - короткого, длинного и нейтрального дня. Длинный день - это когда интенсивность света наблюдается более 13 часов. Короткий - до 12 часов. Растениям для нейтрального дня все равно когда созревать, хоть при коротком, хоть при длинном. Не будете соблюдать заданный природой цикл и у вас упадет урожайность. Сами растения будут какими-то карликовыми.
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА ВЛИЯНИЕМ РАЗНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИСКУССТВЕННОГО СВЕТА НА РАСТЕНИЯ
2.1 Ход эксперимента
Я решила поставить эксперимент и понять, какие лампы эффективнее и для каких растений какой свет подходит больше. Чем они отличаются и есть ли смысл переплачивать за фитолампы или достаточно простой светодиодной лампы.
Мной были посажены 4 февраля 2022 года 4 вида растений по трем разным поддонам: бархатцы, цинния, астра и микрозелень. Каждый лоток был поставлен под разную светодиодную лампу для дополнительного освещения. Режим включения ламп во всех лотках был одинаковый в 7.30-8.00 включение и в 21.30-22.00 выключение (рис.5).
Лоток №1 был поставлен в закрытый ящик полностью без доступа солнечного света. Использовалась лампа для растений А60 AGRO серия PPG. Цвет свечения: красный 650 нм, синий 450 нм. (соотношение красного и синего спектра 5:1), мощностью 9 Ватт (рис.6).
Лоток №2 находился на открытой полке с небольшим доступом естественного освещения. Использовалась лампа для растений мощностью 10 Ватт . Цвет свечения: белый (полный спектр)(рис.7).
Лоток №3 так же расположен на открытой полке с небольшим доступом естественного освещения. Использовалась лампа для растений сине-красного спектра свечения, мощность 9 ватт. Спектр свечения синий от 320-560, пик 440; красный от 560-800, пик 680 (рис.8).
2.2 Результаты наблюдения.
Самые первые ростки появились уже на второй день исследования. Первыми дали ростки бархатцы в лотке №1 (рис.9). Далее на четвертый день в лотке №2 проросли астры и микрозелень (рис.10). Только потом на пятый день в лотке №3 дали свои ростки циния и микрозелень (рис.11),(рис.12).
Спустя восемь дней после посадки в лотке №1 взошли и дали хороший рост все растения, кроме астры (астра там так и не взошла)(рис.13). Ростки имеют темно зеленый окрас. В лотке №2 проросли и дали рост все растения, но окрас растений немного светлей, чем в лотке №1 (рис.14). Бархатцы более пышные, чем в №1. В лотке №3 взошли и дали рост циния, микрозелень и астра, бархатцы начали прорастать только на десятый день после посадки (рис.15). Окрас растения имеют светло-зелёный. побеги менее пышные.
Спустя 3,5 месяца после посадки растения высадили в сад у бабушки. Все растения дали хороший рост и перестали чем то отличаться. Бархатцы из лотка №3 догнали по росту и пышности остальные растения спустя 2 недели после высадки в грунт (рис.16), (рис.17).
2.3 Дополнительный эксперимент.
Далее я решила провести дополнительный эксперимент и сравнить уже разницу всходов и роста растений при абсолютно одинаковых условиях, единственное отличие в том, что спектр свечения ламп был разный. Для высадки я взяла семена растений: огурцы домашние, помидоры желтые и цветы пеларгония (рис. 18). Высадила их в 2 одинаковых лотка и поместили оба в закрытые шкафы без доступа естественного освещения. В лоток №1 я поместила лампу сине-красного спектра, в лоток №2 лампа полного спектра свечения. Обе лампы одинакового производителя и одинаковой мощности. Дополнительная подкормка грунта не использовалась. Режим работы ламп и полив растений одинаковый в обоих лотках.
На третий день после посадки появились ростки огурцов в обоих лотках, но в лотке № 1 они были больше (рис. 19) (рис. 20). Помидоры взошли на 4 день в лотке №1, а в лотке №2 только на 5 (рис.21). Так же на 5 день в лотке №1 взошла пеларгония, в лотке №2 она так и не взошла. К 12 дню огурцы стали достаточно большими и в маленькой ячейки лотка им стало тесно. Я приняла решение рассадить их в более объемные горшки для рассады (рис. 22, рис.23). К 20 дню у огурцов уже появились маленькие усики и огурцы активно продолжали свой рост в обоих шкафах (рис. 24, рис. 25).
По итогу второй части эксперимента визуально и по результатам замеров я поняла, что в лотке №1 с лампой сине-красного спектра помидоры выросли с более крепким стеблем (5мм), но меньше ростом (4см), огурцы наоборот имеют более длинный и тонкий стебель (20см; 4мм). Пеларгония в лотке №1 взошла и выросла до 3см к 20 дню после посадки. В лотке №2 с лампой полного спектра свечения помидоры выросли с более тонким стеблем (3мм), но больше ростом (6см), огурцы, же имеют менее длинный, но более крепкий стебель (15см; 6мм), пеларгония даже не взошла.
Далее мной планируется перенос растений в более просторное закрытое пространство с сохранением тех же условий и ламп для продолжения наблюдения за экспериментом. Буду дожидаться появления плодов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходеисследования мной были сделаны следующие выводы:
Результаты данного этапа эксперимента подтверждают моё предположение, о том, что для каждого растения можно подобрать отдельный спектр дополнительного освещения, который позволил бы иметь быстрый и качественный рост с частичным или полным отсутствием солнечного света. Главное, что свет не должен быть включен постоянно, так как слишком много света, вредно для растения!
Опытным путем доказала влияние светодиодных фитоламп на интенсивность прорастания семян, роста и развития надземной части растений. Продолжительность прорастания семян и их дальнейший рост под светодиодными фитолампами с красно-синим и полным спектром свечения отличается.
Вот только необходимость энергии на разных цветах у разных растений не равноценна. И если одной и той же лампой засвечивать разные растения, то результаты могут быть совершенно разные. Для одного растения для его быстрого роста нужен один спектр, а для укрепления наземной части другой, для другого растения, может быть совершенно наоборот. И выявить подходящий спектр для определенного растения легко можно опытным путём.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
История развития искусственного освещения: [статья]. URL: https://colorleds.ru/stati/istoriya-razvitiya-iskusstvennogo-osveshcheniya.html (дата публикации 07.11.2015)
Современный словарь иностранных слов ОК 20 000 слов –М.: русский язык, 1993 г.
Ожегов С.И. –Словарь русского языка изд. 2-е испр. и дополнен 52 000 слов –М.: 1952г.
Рождественский В.И., Клешин А.Ф. «Управляемое культивирование растений в искусственной среде»
Освещение для растений - все что нужно знать простыми словами [статья]. URL: https://svetosmotr.ru/osveshhenie-dlya-rastenij-vse-chto-nuzhno-znat-prostymi-slovami/ (дата публикации 26.05.2018)
Искусственные источники света//Материал из Википедии — свободной энциклопедии [сайт]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Искусственные_источники_света
https://ru.wikipedia.org/wiki/Искусственное_освещение_растений
ПРИЛОЖЕНИЯ
Иллюстрации к практической части
Рис.1 КПД разных видов ламп
Рис.2 Электромагнитная волна
Рис.3 Цветовой шар
Рис.4 Диапазон энергии фотонов по цветам
Рис.5 Высадка растений по лоткам
Рис.6 Светодиодная для растений А60 AGRO серия PPG
Рис.7 Светодиодная лампа полного спектра сечения,10 Ватт
Рис. 8 Светодиодная лампа сине-красного спектра свечения, мощность 9 ватт
Рис.9 День 2 лоток №1
Рис.10 День 4 лоток №2
Рис.11 День 4 лоток №2
Рис.12 День 5 лоток №3
Рис.13 День 10 лоток №1
Рис.14 День 10 лоток №2
Рис.15 День 10 лоток №3
Рис.16 День 150 бархатцы из лотка №1,2
Рис.17 День 150 бархатцы из лотка №3
Рис.18 Семена для дополнительного эксперимента
Рис.19 День 4 лоток №1
Рис.20 День 4 лоток №2
Рис.21 День 5 лоток №2
Рис.22 День 12 лоток №1
Рис.23 День 12 лоток №2
Рис.24 День 20 лоток №1
Рис.25 День 20 лоток №2