Роль микроклимата в формировании урожая

Микроклимат — совокупность физических параметров воздушной и корнеобитаемой среды в отдельных культивационных сооруже­ниях.

Он создается действием всех систем технологического оборудования — отопительной, вентиляционной, поливной, системой питания, подкормки углекислым газом, искусственным освещением; на него оказывают также влияние климатические факторы и фитоценоза (фитоценоз — растительное сообщество, характеризующееся определенным составом и взаимоотноше­ниями между растениями и окружающей средой).

Хотя сооружения защищенного грунта отделены от наружного климата стекляным или полимерным покрытием, микроклимат сооружений в зна­чительной мере зависит от воздействий наружной среды. Факторы наружной среды — оптическое излучение, сила и направление ветра, температура и относительная влажность воздуха, а также осадки — влияют на микроклимат культивационных сооружений.

Оптическое излучение оказывает непосредственное воздействие на теп­ловой режим сооружений и является важным источником энергии в защи­щенном грунте, который необходимо учитывать в тепловом балансе соору­жений и растений. Можно сказать, что основным фактором микроклимата является оптическое излучение (солнечная радиация). Все режимы микрок­лимата — температурно-влажностный, поливной, углекислотный и питатель­ный — определяются в значительной мере радиационным режимом.

Кратность воздухообмена зависит от силы ветра, она отражается на мик-

роклимате и определяет степень открытия фрамуг. В зависимости от направ­ления ветра фрамуги открывают с подветренной стороны. Сила и направле­ние ветра существенно влияют на микроклимат даже при закрытых фраму­гах (форточках). Температура теплоносителя в системе обогрева регулирует­ся в зависимости от нужной температуры, а наружная относительная влаж­ность воздуха влияет при открытых фрамугах на внутреннюю относительную влажность воздуха в теплице. Например, сухой воздух в летнее время может действовать как фактор значительного снижения влажности воздуха в тепли­цах. При сильном дожде, штормовом ветре необходимо срочно закрыть фра­муги. Снегопад вызывает при таянии снега на кровле гораздо более значи­тельные теплопотери, чем, например, пониженная температура или силь­ный ветер.

Следовательно, создание и регулирование микроклимата теплиц невоз­можны без учета воздействия факторов наружного климата и погодных усло­вий. Современные системы управления микроклиматом работают с учетом параметров метеорологических (погодных) условий, поэтому команды для изменения заданных параметров в теплицах выполняются гораздо быстрее, чем в старых системах, где сигналы получали только после появления нару­шений микроклимата в культивационном сооружении.

Большое влияние на микроклимат оказывают также и сами растения. В объеме воздуха и почвы, занятом тепличной культурой, создается микрок­лимат зоны обитания растений — фитоклимат.

Закономерности изменения фитоклимата имеют свои особенности. Эти особенности тем значительнее, чем больше площадь теплицы и масса расте­ний. Уровень освещенности, температура, влажность, концентрация СО₂ ме­няются по ярусам внутри растительного ценоза.

В балансе тепловом, влажности воздуха и почвы, теплицы и растения играют важную роль. Например, основным фактором, определяющим влаж­ность воздуха теплицы, является интенсивность транспирации растений. Рас­тения влияют на микроклимат по разному, в зависимости от биологических особенностей, фаз роста и развития. Низкорослые растения или высокорос­лые, молодые или взрослые требуют различных параметров всех факторов микроклимата в теплицах.

Микроклимат в свою очередь определяет все процессы формирования урожая от прорастания семян до конца плодоношения. В связи с этим воз­никает необходимость дифференцировать режимы микроклимата: в течении суток, по фазам роста и развития, и в зависимости от состояния растений (возрастного, фитосанитарного, интенсивности роста и пр.). Режимы учиты­вают прежде всего особенности видов и сортов, технологий выращивания и периодов выращивания культур в течении года.

Дифференциация режимов в течении суток проводится в дневной пери­од, в зависимости от интенсивности освещенности, а в переходные периоды от ночного к дневному и от дневного к ночному — в связи с относительной влажностью воздуха. Особенно важное значение в переходные периоды име­ет предупреждение выпадения конденсата на растениях в утренние часы, так как конденсат вызывает нарушение плодообразования и заболевания.

Основная дифференциация по фазам роста и развития относится к рас-

садному периоду и периодам до и после начала плодоношения у взрослых растений. В периоды с неблагоприятными погодными условиями, когда воз­никают нарушения общего состояния растений (роста, плодоношения или фитосанитарного состояния), в режим микроклимата вносят изменения.

Длительный период пасмурной погоды может вызвать "изнеживание" и ослабление растений, ухудшение плодообразования, появление заболеваний. В такой период, с целью повышения мощности и устойчивости растений, усиливают движение воздуха в теплице путем вентилирования, при включе­нии системы надпочвенного обогрева.

При управлении формированием урожая тепличных культур необходимо обратить внимание на создание условий для оптимальной фотосинтетической деятельности растений. Важнейшей задачей регулирования условий микрок­лимата является обеспечение высокого уровня чистой продуктивности фото­синтеза. Чистая продуктивность фотосинтеза — это разница между погло­щенным и выделенным количеством СО₂ в единицу времени с площади ас­симиляционной поверхности растения. Чистая продуктивность фотосинтеза зависит от согласованности процессов фотосинтеза и дыхания.

Фотосинтез обеспечивает энергией растения в процессе их роста, а так­же поставляет сахара, необходимые для дыхания растений. Уравнение фото­синтеза представляется в следующем виде:

6СО₂ + 6Н₂О + свет = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Интенсивность фотосинтеза определяется как количество полученного в единицу времени фотосинтетического вещества — сахара и измеряется ко­личеством граммов сухого вещества, получаемого на 1 м² площади за сутки.

Фотосинтетические процессы можно регулировать целенаправленным влиянием на факторы, непосредственно участвующие в процессах роста, (ин­тенсивность света, концентрация углекислого газа, водоснабжение), и на па­раметры, создающие условия для роста (температура воздуха и почвы, ин­тенсивность воздухообмена в теплице).

Респирация (диссимиляция) — процесс дыхания растений, сопровожда­емый окислением углеводов и выделением углекислоты и паров воды. Ос­новной параметр, влияющий на интенсивность дыхания, — это температура.

Количество углекислого газа, поглощаемого при фотосинтезе, намного больше, чем выделение его при дыхании. Однако ночью фотосинтез прек­ращается из-за отсутствия света, тогда как процесс дыхания продолжается. В результате к утру в закрытом объеме теплицы наблюдается повышение концентрации СО₂ до 0,05%. Днем, за счет фотосинтеза, концентрация уг­лекислоты снижается до 0,01%, что вызывает необходимость принудитель­ной подачи в теплицу углекислого газа в количествах, зависящих от уровня освещенности и соответственно от интенсивности фотосинтеза.

В процессе выращивания, для оптимизации роста и развития растений, должно выдерживаться определенное соотношение между интенсивностью света, концентрацией СО₂, температурой и влажностью почвы и воздуха. При снижении температуры почвы относительно нормы замедляется погло­щение растениями питательных веществ и воды. При перемене солнечной

погоды на пасмурную возникает дефицит углеводов и задержка роста расте­ний из-за того, что в прогретой почве продолжаются активные процессы дыхания корней, а фотосинтез замедляется пропорционально снижению ос­вещенности. На процессы газового и теплового обмена окружающей среды с растениями существенное влияние оказывает также скорость движения воз­духа в теплице.

Транспирация — процесс испарения воды растениями через устьица на листьях. В результате транспирации происходит саморегуляция растением тем­пературы. Различные части растений содержат от 80 до 95% воды. Корневая система растений всасывает из почвы воду, которая по сосудам передается ко всем клеткам, создавая в них избыточное давление, благодаря которому лис­тья, стебли и плоды растений имеют свойственную им плотность и упругость. Вода также выполняет важнейшие функции охлаждения растений за счет тран­спирации. Интенсивность транспирации зависит от насыщенности растения водой, температуры и влажности воздуха, процессов газообмена. При резком перепаде температур испарение с поверхности листьев значительно увеличи­вается и может достигать 15 г/м² в минуту. Максимальный темп испарения ограничивается пропускной способностью сосудов растения и развитием кор­невой системы, поглощающей воду из почвы. Это может привести к перегреву растения, в то же время при высоком уровне транспирации возможно обезво­живание клеток и увядание. При недостаточной влажности почвы и высоком уровне других параметров темпы фотосинтеза практически не меняются, но замедляется процесс транспирации и темпы роста растений, что приводит к более раннему плодоношению. Низкий уровень солнечной радиации и не­достаток тепла уменьшают температуру растения, а также интенсивность про­цессов респирации и транспирации. В результате избыточных поливов проис­ходит переувлажнение окружающего воздуха, снижающее интенсивность тран­спирации. Это может привести к перегреву растений и снижению всасывания воды корнями за счет увеличения давления воды в сосудах растений. В резуль­тате возникает дефицит питательных веществ в клетках растений, которые быстро увеличиваются в размерах, но становятся восприимчивыми к болез­ням, ухудшается также качество и лежкость плодов.

Таким образом, оптимальными для растений являются те условия, когда факторы окружающей среды способствуют их развитию на протяжении все­го вегетационного периода. Следует учитывать различные потребности рас­тений в процессе увеличения вегетативной массы и накопления питатель­ных веществ в период плодоношения. При изменении одних параметров роста другие нужно как можно быстрее привести в соответствие с ними, с целью получения максимально возможного объема урожая хорошего качества.

Накопление сухого вещества в результате оптимальных уровней чистого фотосинтеза дает только исходный материал для роста. Основная забота при управлении микроклиматом должна быть направлена на оптимальное ис­пользование продуктов фотосинтеза для роста всех органов растений и глав­ным образом для гармоничного сочетания роста вегетативной массы и пло­дов. Основная цель управления микроклиматом — получение урожая про­дуктивных органов.

Наряду с дыханием тесно связан с фотосинтезом и процесс транспира-

ции. Если не обеспечены условия для транспирации, то закрываются устьи-цы листа и фотосинтез прекращается.

Процессами плодоношения и роста вегетативных органов растения мож­но управлять также с помощью микроклимата, особенно путем регулирова­ния ночных температур, которые определяют направление движения (отто­ка) ассимилятов: низкие температуры усиливают вегетативный рост, высо­кие — налив плодов.

Микроклимат определяет поступление воды и элементов питания из кор-необитаемой среды. Нельзя допускать повышения концентрации почвенно­го раствора выше нормы, охлаждения или заболачивания грунта, чтобы не ухудшать условия поступления воды и воздуха к корням. Обеспеченность корнеобитаемой среды водой и элементами минерального питания может быть использована лишь в случае, если созданы благоприятные условия для их усвоения. Знание требований растений к комплексу условий и непрерыв­ное удовлетворение этих требований путем целенаправленного регулирова­ния параметров микроклимата являются основой для управления формиро­ванием урожая тепличных культур.

При выращивании растений в защищенном грунте невозможно создавать и поддерживать оптимальные условия для их развития на протяжении всего периода вегетации, так как пока еще не все параметры микроклимата подда­ются управлению с помощью существующих технологических систем. Поэто­му необходимо установить, каким образом связаны между собой различные параметры микроклимата и как они в комплексе влияют на продуктивность культуры, чтобы в зависимости от изменения параметров, которые не подда­ются влиянию (например интенсивность солнечной радиации), управлять те­ми, которые можно регулировать. Учитывая высокую энергоемкость теплич­ного растениеводства, нерационально затрачивать энергию, например, на обог­рев, когда из-за ограниченности других факторов нельзя будет добиться повы­шения темпов роста и развития растений. Возникает задача по оптимизации: какой климатический режим необходимо поддерживать, чтобы получить мак­симально возможный урожай при минимальных затратах.

В пасмурную погоду при низком уров­не интенсивности света скорость потребле­ния растением углекислого газа ограничи­вается и искусственная подпитка углекис­лым газом не даст выигрыша в темпах фо­тосинтеза, поэтому оптимальной будет кон­центрация СО₂ не выше 400 ррт. Напро­тив, в солнечный день оптимальной будет концентрация СО₂ на уровне 800 ррт. За­висимость концентрации СО₂ от интенсив­ности света, определяющая оптимальное со­ответствие данных факторов, ведущее к максимально возможной продуктивности фотосинтеза, показано на рис. 3.2.

В теплицах, где используется искусст­венный свет, также следует анализировать

ситуацию, учитывая концентрацию углекислого газа, при недостатке кото­рого эффективность дополнительного освещения снижается. В условиях вы­сокой естественной освещенности и низкой концентрации СО₂ избыток све­та может привести к перегреву растений и интенсивному росту слабых побе­гов. Наблюдается четкая зависимость интенсивности фотосинтеза от темпе­ратуры и интенсивности освещения (табл. 3.1)

При определенном уровне температуры воздуха и почвы растение имеет предел возможностей, превысить который оно не может, какая бы интенсив­ность света не подавалась. При низких температурах ограничивается интенсив­ность обменных процессов в растении и соответственно темп фотосинтеза. При высоких — фотосинтез ограничивается из-за нарушения необходимого баланса с другими процессами.

В солнечную погоду в теплице целесообразно поддерживать более высокую температуру, что достигается дополнительным обогревом или уменьшением вен­тиляции. В пасмурные дни температура должна быть снижена. В ночное время температуру поддерживают на достаточно высоком уровне — для повышения интенсивности жизненных процессов в растениях.

На практике задание нужных параметров микроклимата производится с уче­том графиков зависимости температуры, интенсивности света, концентрации уг­лекислого газа, а также использованием коэффициента коррекции в процессе повышения температуры воздуха в теплице при повышении освещенности.

При ручном способе управления микроклиматом оператор не в состоя­нии постоянно отслеживать колебания уровня солнечной радиации и опера­тивно вносить изменения в температурный режим. В лучшем случае здесь корректируется лишь превышение дневной температуры над ночной для учета погоды в текущий день. Автоматические системы управления позволяют опе­ративно и точно отрабатывать необходимую тактику управления микрокли­матом. При применении дополнительного освещения в теплице необходимо обеспечивать соответствующее повышение температуры. Выбирая наиболее эффективный для растений температурный режим, необходимо помнить, что и без света процессы жизнедеятельности растений продолжаются. После сол­нечных дней в них накапливаются углеводы, последующие преобразования которых продолжаются в течении 72 часов. Для повышения темпов роста растений на определенных фазах развития повышают ночную температуру

воздуха — в соответствии с количеством солнечной энергии, которую полу­чило растение на прошедший световой день.

Переход от одних значений температуры к другим должен осуществлять­ся постепенно, чтобы не возникало большого перепада между температура­ми воздуха и самих растений. Скорость изменения температуры при перехо­де от дня к ночи (и наоборот) должна составлять не более 5—6°С.

Таким образом, повышение урожайности тепличных культур возможно лишь на основе постоянного контроля микроклимата культивационных соо­ружений и сбалансированного управления им.

Рассмотрим более подробно влияние основных факторов и режимов мик­роклимата на рост, развитие, плодоношение и урожайность овощных культур.