Влияние различных источников освещения на рост растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Департамент образования г.Москвы

Государственное бюджетное общеобразовательное

учреждение города Москвы

школа № 2115

Исследовательская работа

на тему: Влияние различных источников освещения на рост растений

Работу выполнили:

Алешин Иван - 6»Л» класс

Барфильд Артем- 6 «Л» класс

Руководитель проекта:

учитель биологии ГБОУ школа 2115

Виноградова И.В.

Введение

Актуальность:

Любой живой организм на планете Земля является открытой системой, обменивающейся с окружающей средой веществом и энергией. Основным источником энергии для всех живых существ, которые населяют нашу планету, служит энергия солнечного света. Однако, непосредственно ее используют только клетки зеленых растений и некоторых одноклеточных организмов. Содержащийся в клетках этих организмов хлорофилл поглощает солнечную энергию, которая расходуется на создание органических веществ - углеводов, белков, жиров и нуклеиновых кислот. Таким образом, растения являются источников органических веществ для всех живых организмов. Для человека растительная пища - необходимый компонент питания.

Выращивание растений с помощью дополнительного освещения для быстроты роста является необходимым в 21 веке, сейчас не одна страна в агропромышленном хозяйстве не обходится без использования этого метода выращивания растений , так как это позволяет получить больший объем выращиваемой продукции за меньший промежуток времени без добавления других стимуляторов роста и в любое время года.

Поскольку в нашей стране холодное время года преобладает и световой день короткий, особенно актуальным становится разработка и внедрение новых эффективных методов быстрого выращивания растений, чтобы в первую очередь оптимально удовлетворять потребности населения. В последнее время в продаже появилось большое количество новых вариантов электрических ламп и мы предположили, что

Гипотеза: под светодиодными лампами (Фитолампа "GARDENSHOW"), излучающими световые волны с определенной длиной волны, растения вырастут быстрее, чем при другом искусственном и естественном освещении. рост растение освещение искусственный

Цель: Выяснить, как влияют на рост растений различные источники искусственного освещения.

Задачи:

1) Изучить литературу по данной теме

2)Прорастить семена

3)Создать условия для дальнейшего опыта

4)Поставить опыты

5)Проанализировать результаты полученного опыта

6) Сделать выводы

Объекты наблюдения:

1) семена кресс -салата так как оно рекомендовано для выращивания в течении всего года.

Предмет наблюдения:рост растений под различными видами искусственного освещения - лампы накаливания, светодиодная лампа, Фитолампа "GARDENSHOW" на базе LED-технологий и естественным освещением ( контроль) на окне.

Методы исследования: опыт, наблюдение, измерение, анализ.

Место проведения опыта:

Кабинет биологии (лаборантская) ГБОУ школа №2115, ЮЗАО г.Москвы

План работы:

1. Основная часть. Естественный процесс фотосинтеза в природе

Процесс фотосинтеза - образование органических веществ из воды и углекислого газа - играет одну из важнейших ролей в жизни растений. Возможен он только при наличии солнечного или искусственного света. У растений фотосинтез происходит с участием хлорофилла - фотосинтетического пигмента, с помощью которого поглощается световая энергия. И чем лучше освещение, тем активнее протекает этот процесс, тем лучше чувствуют себя растительные культуры, активнее их рост, цветение, плодоношение. Конечным этапом фотосинтеза является рост и накопление органических веществ.

Фотосинтез - это фотохимический процесс, при котором энергия света поглощается хлорофиллом и каротиноидами в листьях. Эта энергия используется для выработки сахарозы из углекислого газа (CO 2 и воды ), которые поглощаются листьями. Данный процесс можно представить следующим образом:

6 CO 2 + 6 H 2 O + световая энергия -> C 6 H 12 O 6 + 6 O 2

углекислый газ + вода + световая энергия приводят к образованию сахарозы + кислорода

Растения фотосинтезирует, когда необходимое количество света, становится доступным, чтобы улавливаться фотосинтетическими клетками. Ночью, растения останавливают фотосинтез, и опять начинают при дневном свете. Интенсивность и продолжительность светового периода - факторы, которые затрагивают уровень фотосинтеза. В природе большинство тропических растений испытывает приблизительно 12 часов солнечного света в сутки. В течение дня изменяется интенсивность света. В зависимости от места растения и затенения, освещение является самым сильным в открытых областях, во время полудня. Скорость фотосинтеза, прямо пропорционально интенсивности света, улавливаемого растениями, пока уровень света не достигнет точки насыщения. Медленно растущие растения, которые живут в природе, в затененных областях, могут испытать сложности в условиях яркого света. Эти растения, будут ассимилировать питательные вещества и углекислый газ при более низком уровне, таким образом, увеличение фотосинтеза, стимулируемого ярким светом, может вызвать дефицит питательных веществ в окружении растения, даже когда большое количество питательных веществ доступно в окружающей среде.

Но чтобы растение нормально росло, важна не только энергия света сама по себе, но и спектр тоже играет большую роль. Дело в том, что по спектральному составу свет не однороден. Человеческому глазу это не видно, но приборы показывают, что световые лучи имеют разную длину электромагнитной волны (измеряется в нанометрах - нм) и разный цвет. Оранжевые и красные лучи - важнее всех остальных для растений, длины их волн составляют 620-595 нм и 720-600 нм соответственно. Лучи этих спектров поставляют энергию для фотосинтеза и несут ответственность за скорость роста, развитие корней, цветение, созревание плодов. Кроме оранжевых и красных участвуют в фотосинтезе фиолетовые и синие лучи (490-380 нм), в функции которых входят регулировка скорости роста и стимуляция синтеза белков. Пигменты растений, поглощающие в основном энергию синего спектра, отвечают непосредственно за рост листвы. Недостаток синего заставляет растения тянуться за ним вверх, делаясь более тонкими и высокими. Лучи с волнами 315-380 нм отвечают за производство витаминов и не позволяют стеблю слишком вытягиваться, ультрафиолет с длиной 280-315 нм повышает устойчивость к холодам -- таким образом, у каждого спектра есть свое предназначение в развитии растительных культур. Ненужный растениям свет приводит к их чрезмерному перегреву и обезвоживанию, и они, большую часть полученной от света энергии начинают тратить на свое водоснабжение. В светодиодныхфитосветильниках, кроме отсутствия волн с длиной, соответствующей зеленому цвету, также отсутствуют инфракрасные и ультрафиолетовые составляющие, что позволяет растениям весь полученный свет использовать только для своего роста. Светодиодные лампы для растений способствуют не только укреплению стебля и росту плотных листьев, но и повышению содержания биологически активных веществ и витаминов в плодахрастений.

2. Искусственное освещение и фотосинтез растений

Какой свет нужен растениям?Ответ на этот вопрос кажется очевидным. Растениям нужен солнечный свет, а если это искусственный свет, то, наверное, спектр излучения "хорошей" лампы должен быть как можно ближе к солнечному. Так ли это?

Лучевая энергия солнца, которая доходит до поверхности земли, состоит из ультрафиолетового излучения (длина волны короче 380 нм), видимого света (от 380 нм до 780 нм) и инфракрасного, т.е. теплового излучения (длина волны больше 780 нм). Пик солнечного света лежит в голубой части спектра при 475 нм.

Глаз человека не воспринимает ни ультрафиолетовые, ни инфракрасные волны, а из видимого спектра наиболее чувствителен к желто-зеленому (555 нм) свету. Красный свет (650 нм) человеческий глаз чувствует в 10 раз хуже, т.е. нужно в 10 раз больше красного света, чем зеленого, чтобы человек воспринял оба света как равные по интенсивности.

А к какому свету более всего чувствителен "глаз" растения, т.е. хлорофилл и другие пигменты, улавливающие свет для фотосинтеза? Наиболее активно фотосинтез идет под действием оранжево- красного света (610-700 нм) с максимумом в красной зоне (675 нм). Второй пик активности находится в сине-голубой части спектра (400-510 нм). Рост растений обеспечивается фотосинтезом, значит, растениям в первую очередь требуется свет, обогащенный теми длинами волн, которые нужны для фотосинтеза.

Таким образом, лампа для освещения рассады совсем не обязательно должна имитировать солнечный свет. Желательно использовать более экономичные лампы, спектр излучения которых обогащен красным и синим светом.

Оценка эффективности электрических ламп

При оценке эффективности лампы, прежде всего надо узнать, какая часть потребляемой электроэнергии превращается в видимый свет.

Обычно учитывается не все видимое излучение (380-780 нм), а излучение в диапазоне длин волн от 400 нм.до 700 нм. Область 400-700 нм.называется областью ФАР, т.е. областью фотосинтетически активной радиации. Излучение в области ФАР, как и потребляемая лампой электроэнергия, измеряется в ваттах.

Доля потребляемой электроэнергии, которая переходит в видимый свет в области ФАР, у разных ламп отличается в несколько раз, но даже у самых экономичных она составляет не более 30%. Остальное -- тепловые потери и инфракрасное излучение ламп.

По этой характеристике меньше всего для освещения рассады подходят обычные лампочки накаливания с вольфрамовой нитью. Видимый свет составляет незначительную часть их спектра, а остальное -- это инфракрасное, т.е. тепловое излучение.

Львиная доля потребляемой электроэнергии в лампочках накаливания расходуется на ненужное, более того, на вредное для растений излучение. Особенно неблагоприятное физиологическое воздействие на рассаду имеет излучение с длинами волн 700-1000 нм. Эти лучи вызывают вытягивание стебля.

Значительно выше доля электроэнергии, переходящей в видимый свет, у разрядных ламп. Для освещения растений применяют разрядные лампы различного типа. В рассадных теплицах часто применяют ртутные лампы высокого давления ДРЛФ 250 и ДРЛФ 400. Эти лампы имеют самый низкий КПД ФАР из всех разрядных ламп (10-12%).

Характеристика ламп, используемых в эксперименте.

Фитолампа "GARDENSHOW" на базе LED-технологий- специально подобранный спектр для поддержания фотобиологических процессов в растении,

- Количество ультроярких светодиодов (LED): 7 шт. (4 красных, 3 белых),

- Длина волны LED: 640 нм (красный),

- Цветовая температура белого LED: 6500 К,

- Комбинация в светильнике диодов обоих типов позволяет получить наиболее полезный для растений свет и эффективный расход энергии,

- Рекомендуемое расстояние от фитолампы до растений: 20 - 100 см,

- Эффективная мощность: 7 Вт,

Для проведения экспериментальной части работы мы использовали Фитолампу "GARDENSHOW" на базе LED-технологий. Со слов производителя -удобный способ для успешного выращивания рассады и досветки растений в условиях недостаточной освещенности, особенно внутри помещений. Растения "изготавливают еду" для себя путем фотосинтеза, поэтому длительность освещения должна составлять 12-16 часов в сутки, в зависимости от вида растений. Слабый свет нельзя заменить длинным световым днем, а много света в комнатных условиях не бывает. Светодиодныефитолампы успешно справятся с этой задачей.

Фитолампы "GARDENSHOW":

- Имеют идеальный для эффективного поглощения растениями спектр света, что обеспечивает максимальную энергию для их роста.

- Светодиодные лампы не содержат вредных веществ, не имеют побочного ультрафиолетового излучения и почти не нагреваются.

- Их можно размещать вплотную к растениям, не боясь, что они получат ожоги.

- Экономичны: вырабатывают минимальный уровень отводимого тепла и потребляют значительно меньше энергии по сравнению с прочими системами освещения, что позволяет значительно снизить затраты на электроэнергию.

Фитолампы оптимизированы по спектрам излучения для досвечивания растений, но и одновременно максимально приближены по спектру к привычному для человека освещению. Это позволяет применять их в квартирах, а также теплицах, оранжереях, коттеджах, загородных домах, зимних садах и т.д.

3. Практическая часть

Для выполнения эксперимента мы выбрали три разных источника света:

1. Лампа светодиодная для выращивания растений -Фитолампа "GARDENSHOW" на базе LED-технологий 7

2. Лампа светодиодная ,EcolaLED 5.4WG405 лм. 2700К, Zeon, 5.7w

3. Лампа накаливания, 60w

Лапмы разместили на специальных стеллажах над растениями. Растения - выращены в одинаковых условиях в четырех контейнерах, по одному под каждую лампу и 1 - контрольный, выставлен на подоконник, освещенность естественная.

Высота растений на начало эксперимента составляет -0 см.

Начало эксперимента 7 ноября.

Результаты эксперимента:

Эксперимент №1.

Таблица № 1. Начало эксперимента 1 декабря. Семена проросли к 3 декабря.

*1 лампа накаливания

2- светодиодная

3- фито - лампа

4- дневной свет - подоконник

Поскольку эксперимент №1 не подтвердил нашу гипотезу мы решили провести второй эксперимент для уточнения результатов.

Таблица № 2. Эксперимент № 2.

Выводы

- растениям для фотосинтеза необходима световая энергия

- растения поглощают лишь часть спектрального диапазона светового излучения с длиной волны 400-700 нм, но при этом ультрафиолетовое (коротковолновое) и инфракрасное (длинноволновое) излучения тоже оказывают влияние на рост растений;

- Выращивание растений с помощью дополнительного освещения для быстроты роста является необходимым в 21 веке, сейчас не одна страна в агропромышленном хозяйстве не обходится без использования этого метода выращивания растений , так как это позволяет получить больший объем выращиваемой продукции за меньший промежуток времени без добавления других стимуляторов роста.

- Наиболее активно фотосинтез идет под действием оранжево- красного света (610-700 нм) с максимумом в красной зоне (675 нм). Второй пик активности находится в сине-голубой части спектра (400-510 нм). Рост растений обеспечивается фотосинтезом, значит, растениям в первую очередь требуется свет, обогащенный теми длинами волн, которые нужны для фотосинтеза.

- чаще всего в тепличном освещении применяются натриевые лампы высокого давления, однако они не всегда являются оптимальным вариантом подсветки для растений. В отдельных случаях в качестве ламп для растений используются и другие источники света, что зависит от поставленных задач и растительной культуры

- наиболее оптимальным источником искусственного освещения для роста кресс - салата в результате нашего исследования оказалась светодиодная лампа которая излучает свет в диапазоне 440 -510 нм. Что соответствует сине-голубой части спектра которая так же является пиковой для фотосинтеза. Поскольку светоотдача светодиодной лампы на много выше этим, видимо, и объясняется более интенсивный рост кресс-салата под ней.

Таким образом наш эксперимент подтвердил наибольшую эффективность ФАР для растений в двух диапазона световых волн: 400-510 и 610-700.

1. Растениям для фотосинтеза необходима солнечная энергия

2. Растения поглощают лишь часть спектрального диапазона светового излучения с длиной волны 400-700 нм, но при этом ультрафиолетовое (коротковолновое) и инфракрасное (длинноволновое) излучения тоже оказывают влияние на рост растений;

3. Выращивание растений с помощью дополнительного освещения для быстроты роста является необходимым в 21 веке, сейчас ни одна страна в агропромышленном хозяйстве не обходится без использования этого метода выращивания растений, так как это позволяет получить больший объем выращиваемой продукции за меньший промежуток времени без добавления других стимуляторов роста.

4. Наиболее активно фотосинтез идет под действием оранжево- красного света (610-700 нм) с максимумом в красной зоне (675 нм). Второй пик активности находится в сине-голубой части спектра (400-510 нм). Рост растений обеспечивается фотосинтезом, значит, растениям в первую очередь требуется свет, обогащенный теми длинами волн, которые нужны для фотосинтеза.

5. Чаще всего в тепличном освещении применяются натриевые лампы высокого давления, однако они не всегда являются оптимальным вариантом подсветки для растений. В отдельных случаях в качестве ламп для растений используются и другие источники света, что зависит от поставленных задач и растительной культуры;

4. Наиболее оптимальным источником искусственного освещения для роста растений в результате нашего исследования оказалась Ла

5. лампа светодиодная EcolaLED 5.4WG405 лм. 2700К, Zeon, 5.7w также хорошие результаты показала илампа светодиодная для выращивания растений -Фитолампа "GARDENSHOW" на базе LED-технологий, менее пригодной для выращивания в условиях искусственного освещения -оказалась лампа накаливания.

Таким образом, наша гипотеза подтвердилась, под светодиодными лампами, излучающими световые волны от 400 700 нм растения вырастут быстрее, чем при другом искусственном и неравномерном естественном освещении.

Список использованных источников

1. Медведев С. С. «Физиология растений» -- СПб,: СПбГУ, 2004.

2. Сергеев И. И. «История фотосинтеза». - М.: Наука, 1989.

3. Холл Д., Рао К. «Фотосинтез»: Пер. с англ. -- М.: Мир, 1983. под ред. проф. Ермакова И. П. «Физиология растений» -- М.: Академия, 2007.

4. http://step2nature.ru/wiki/articles/spektr_sveta_neobkhodimyy_rasteniyam.html

5. http://rassadnik.com/sozdanie-uslovij-dlya-kvartiryi/elektrodosvechivanie-rassadyi/kakoj-svet-nuzhen-rassade/oczenka-effektivnosti-lampyi.html

Приложение

Лампы применяемые для освещения растений

* ФАР -- видимый свет в области от 400 до 700 нм (фотосинтетически активная радиация).

** КПД -- коэффициент полезного действия.

*** КПД оптики -- доля общего светового потока, направленная на растения. Зависит от конструкции лампы, светильника и отражателя.

Результаты эксперимента

Размещено на Allbest.ru