Исследование растения wageninge n c02 в тепличном садоводстве

Углекислый газ (CO2) и вода (H2O) – основание всех органических составов. Растения поглощают CO2 через устьица в листьях. Тогда вода и углекислый газ превращаются в сахар (C6H12O6) в зеленых листьях. Этот процесс производит кислород (O2). Этот конверсионный процесс происходит с помощью от энергии, обеспеченной (солнечным) светом. Полный процесс преобразования световой энергии в химическую энергию (сахар) называется фотосинтезом. Формула ниже показывает этот процесс очень упрощенным способом (слева направо):

Производство энергетически богатого сахара часто называется ассимиляцией. Сахар используется, чтобы произвести новый материал растений и как источник энергии. Химическая энергия сохраняется в сахаре. Эта энергия выпускается, когда сахар сломан. Это часто неправильно называют 'сгоранием'. Эта энергия необходима для производства других веществ, таких как белки и жиры. Люди и животные не могут производить химическую энергию самостоятельно, так как это делают растения. Они нуждаются в растениях для обеспечения энергетически богатого питания.

Следующие условия являются существенными для фотосинтеза:

1. 
   Должны быть доступны вода и углекислый газ.
   
2. 
   Растение должно иметь зеленые части.
   
3. 
   Зеленые части растения должны поглощать свет.
   

На фотосинтез может влиять климат теплицы. Этот раздел включает краткое описание влияния света, CO2 и температуры. Отношения между водой, фотосинтезом и поглощением CO2 описаны в разделе 2.3.

Дыхание включает поглощение кислорода и выпуск углекислого газа. Химически, этот процесс является противоположным фотосинтезу, то есть происходит с права на лево в формуле 1.

Цифра 2 Фотосинтез увеличивается по мере того, как увеличивается интенсивность света. С высокой концентрацией CO2 фотосинтез увеличивается больше, чем с низкими уровнями CO2.

Цифра 3 Фотосинтез увеличивается по мере того, как повышается концентрация CO2. При высокой интенсивности света фотосинтез увеличивается больше, чем при низкой интенсивности света.

результат, фотореспирация уменьшает эффективность фотосинтеза. Фотореспирация увеличивается с высокой интенсивностью света, высокими температурами или низкой концентрацией CO2.

Есть множество существенных различий между растениями C3 и C4, которые имеют отношение в особенности к использованию CO2. Растения C4 очень эффективно используют CO2. Устьица обычно меньше, это позволяет растениям C4 значительно уменьшать испарение. Точка компенсации CO2 обычно также ниже. Точка компенсации объясняется при фотосинтезе и углекислом газе. C4 растения или вообще не имеют фотореспирацию или имеют бедную фотореспирацию. C4 растения часто растут в сушилке, более горячих территориях, где эти характеристики очень полезны.

C4 и CAM фотосинтез используют больше энергии, и растения CAM также нуждаются в большем количестве биохимических 'аппаратных средств'. Именно поэтому большинство растений, включая почти все тепличные культуры, использует фотосинтез C3.

Поглощение CO2 - самый простой элемент для измерения в полном процессе фотосинтеза. Оно показывает чистый фотосинтез, то есть фотосинтез минус респирация. Оно часто измеряется на одном листе. Это – не хороший индикатор для поглощения CO2 и потребления полного урожая. Фактическое потребление CO2 урожая всегда ниже, чем может быть рассчитано на основе количества индивидуальных листьев. Это – вследствие того, что растение имеет большое количество частей, которые дышат, но не могут сгущать CO2. Тени, брошенные листьями выше или на соседних растениях, также имеют эффект уменьшения фотосинтеза, в то время как лист, который находится в тени, продолжает дышать. Вообще, чем больше масса растения, то есть старший • урожай, тем больше воздействие от респирации. Эффективность урожая снижается, по мере того, как он становится старше.

Количество сгущенного CO2 или сухого материала на растении может только увеличиться, если фотосинтез сгущает больше CO2, чем растение вдыхает в период 24 часов. Это также относится к росту растения и, следовательно, к урожаю. С низкой световой интенсивностью, урожай с большим количеством листьев растет меньше, чем молодой урожай с несколькими листьями.
Фотосинтез и свет

Фотосинтез не происходит в темноте. Фотосинтез начинается, как только становится светло (цифра 2). Фотосинтез увеличивается по мере того, как повышается интенсивность света. Даже при высшей интенсивности света, норма выравнивается по мере того, как был достигнут уровень насыщенности. Другие факторы (углекислый газ, вода), размер фотохимических аппаратных средств ('завод'), или выпуск и обработка произведенного сахара производят ограничивающий эффект.

При определенной интенсивности света, количество CO2, поглощенное для ассимиляции, равно количеству CO2, выпущенного во время респирации. Это называется точкой компенсации света. Точка компенсации света является отличной для каждого типа растения. Выше этой интенсивности света, поглощается больше CO2 чем, выпускается.

Растения, которые любят тень – это растения, которые естественно развиваются в условиях тени. Они имеют более низкую точку компенсации света чем, растения, любящие свет. Уровень насыщенности обычно ниже для растения, любящих тень, чем растений, любящих свет.

Состав света и спектра также влияют на фотосинтез, но здесь это не будет обсуждаться.

Фотосинтез и углекислый газ

CO2 также имеет точку компенсации. Эта точка компенсации CO2 – это концентрация CO2, при которой поглощенное количество CO2 равняется выпущенному количеству. Фактически количество CO2 на растении не изменяется. Это значит, что не добавляются ассимиляции, и растение не может расти. Если концентрация CO2 вне растения увеличивается (например, из-за дозирования), растение может поглотить больше CO2 и, следовательно, произвести больше сахара (см. цифру 3). Точка компенсации CO2 повышается, если температура воздуха поднимается и падает при более высокой интенсивности света. Плоды на растении также увеличивают точку компенсации CO2. Точка компенсации – это индикатор для эффективности поглощения CO2. Чем ниже точка компенсации, тем больше эффективность. Эффективность указывает процент от поглощенного CO2, который остается в растении.

Фотосинтез увеличивается с повышением концентрация CO2, пока не будет достигнут уровень насыщенности. Это случается раньше при низкой интенсивности света, чем при высокой интенсивности света, как показано в цифре 3.

Фотосинтез и температура

Фотосинтез медленен в низких температурах. Фотосинтез увеличивается по мере того, как повышается температура, пока не будет достигнуто оптимального уровня, выше которого уменьшается чистый фотосинтез. Это – также результат увеличивающейся респирации, что уменьшает эффективность фотосинтеза. Оптимальная температура изменяется в соответствии с интенсивностью света. Она выше при высокой интенсивности света, чем при низкой интенсивности света. Температура имеет исключительно несущественный эффект на фотосинтез, так как в теплице нет никаких чрезвычайных температур.

Цифра 5 Излучение и поглощение CO2 в пасмурный день

Дозирование CO2 полезно в солнечные дни. Обычно воздушные вентиляционные отверстия открыты, поэтому CO2 улетучивается из теплицы. Следовательно, количество CO2 для дозирования часто также ограничивается. Это ставит вопрос следующего плана: сколько CO2 и когда должно быть введено в теплицу. Это зависит от реакции растения и градуса вентиляции. Станция Исследования в Naaldwijk выполнила обширные измерения на фотосинтезе помидоров, перцев и огурцов. Фотосинтез может быть измерен, используя поглощение CO2 урожая. Это – единственная правильная мера для активности урожая. С научной точки зрения, это выражено как цто1 СО2 на м2 листа в секунду, но в садоводстве является более практическим использовать 'грамм на квадратный метр в час' (г/м2/час). Это потому, что дозирование рассчитано в весе.

Поглощение CO2 было измерено при изменяющихся условиях во многие весенние и осенние дни. К сожалению, это не было возможно в течение лета по техническим причинам. Фотосинтез бежал параллельно с излучением во все дни, в которые были проведены измерения. Цифры 4 и 5 еще раз иллюстрируют это для светлого и пасмурного дня. Фотосинтез часто значительно уменьшается в конце дня, вызывая повышение концентрации CO2 в теплице. Это часто приписывается насыщенности урожая сахаром и крахмалом, или предполагается, что урожай разрушится. Однако обычно есть намного более простое объяснение. Излучение уменьшения в конце дня. Как результат происходит сокращение фотосинтеза и поглощение CO2. Есть также меньше вентиляции и поэтому меньше утечки CO2 наружу. Эти два процесса (уменьшающийся фотосинтез и закрывающиеся вентили)

вызывают повышение концентрации CO2 в теплице, если норма дозировки остается такой же. Уменьшение испарения в конце дня – также является результатом снижения интенсивности света и не связано с разрушающимися растениями, обеспечивая поддержку правильной влажности. Температура, влажность и концентрация CO2 часто отличны утром и вечером. Это делает весьма трудным сравнение активности урожая. Обширные данные измерения демонстрируют, однако, что, при подобных условиях, фотосинтез фактически такой же утром и днем. Нет никакого признака того, что овощные культуры утром функционируют лучше, чем днем.

Увеличенная вентиляция заканчивается большим количеством CO2, который вытекает из теплицы. Всегда необходимо взвесить, открыть вентили не так широко, чтобы экономить CO2, или открыть вентили широко, чтобы выпустить избыточное тепло и/или влажность.

Утром в теплице все еще прохладно. После дня солнечного света теплица значительно нагреется. Если точка установки для вентиляции не отрегулирована, вентили обычно открываются шире днем, чем утром, если количество света остается тем же. Однако в течение лета лучше увеличить вентиляцию утром, понижая линию вентиляции утром близко к линии нагревания, или установив минимальное количество воздуха. Это стимулирует испарение и уменьшает риск грибковой болезни. Днем вентиляция может часто ограничиваться до некоторой степени.
Дневное дозирование

Пока нагревание активно в течение дня, приемлемо дозирование для требуемой концентрации CO2 в теплице. Как только исчезает требование тепла в течение дня, дозирование должно быть отрегулировано. В этом случае количество доступного CO2 ограничено и должно быть правильно распределено в течение дня. Самый простой метод состоит в том, чтобы применить ту же целевую ценность в течение дня, то есть поддерживать внешнюю концентрацию. Однако, это – не самый лучший подход. Лучше распределить ограниченное количество CO2 в течение дня для того, чтобы получить максимальную выгоду для растения и, следовательно, для производства. Лучшее решение состоит в том, чтобы разделить день на четыре периода:

1 - утром, с увеличивающимся светом и относительно низким уровнем вентиляции;

2 - середина дня, самый легкий интенсивный период с высоким уровнем вентиляции;

3 - день с уменьшающимся светом и высоким уровнем вентиляции;

4 - (ранний) вечер, относительно низкая интенсивность света и немного воздуха.

При высшей концентрации CO2 испарение иногда тормозится, потому что устьица частично закрываются. Почему тогда дозирование CO2 продолжает стимулировать рост? Нет простого ответа на этот вопрос. Чтобы отвечать на него, нужно обратиться к трем областям:

1 как далеко закрываются устьица под влиянием увеличенного CO2?

2 как это влияет на испарение?

3 какой эффект производит все это на фотосинтез?

Устьица

Устьица – это поры на поверхности листьев. Влажность выходит, и CO2 входит в лист через эти поры. Устьица способны закрыться почти полностью в течение ночи, например. Они действуют как блок к испарению и поглощению CO2. Когда устьица широко открыты, сопротивление к испарению и поглощение CO2 низкое. Любое количество открывшихся положений является возможным в промежутке. Открытие и закрытие происходит постепенно, но, если необходимо, растение может закрыть устьица очень быстро.

Свет – самый важный фактор намного в управлении устьицами. Растения стремятся сохранять достаточный CO2 в их полости устьиц, чтобы поддерживать фотосинтез. По мере того, как увеличивается свет, растение должно позволить большему количеству CO2 войти через устьица для фотосинтеза. В результате, устьица откроются шире, если интенсивность света выше. Частично в течение дня устьица часто начинают закрываться в результате снижения излучения.

Второй самый важный фактор – подача воды и влажность. Если растение испытывает недостаток в воде, или воздух становится более сухим, открытие устьица уменьшается в размере, чтобы защитить растение от иссушивания. Кроме того, устьица могут частично закрыться из-за чрезмерно высокой температуры листа, старения, высокой концентрации CO2, загрязнения воздуха или когда были применены определенные пестициды. Устьица открываются широко, когда интенсивность света высокая, когда лист получает достаточно воды, когда влажность высокая и концентрация CO2 низкая.

Концентрация CO2 в воздухе имеет меньше влияние на открытие устьиц, чем свет и влажность. По мере того, как в окружающей среде увеличивается CO2, он более легко проникает в растение. В этом случае поглощение CO2 остается адекватным, даже если открытие устьиц является маленьким. Устьица закроются дальше по мере того, как будет повышаться концентрация CO2. Этот процесс начинается при низком уровне CO2, и продолжается к относительно высокому уровню CO2 (приблизительно 2000 ppm). Выше этого предела, устьица закроются полностью. На еще высших уровнях (тысячи ppm), устьица могут потерять их способность реагировать. Они могут открыться в несоответствующее время, позволяя влажности выходить слишком быстро и позволяя проникновение загрязнения воздуха. Эти очень высокие концентрации действительно все еще происходят в течение зимы в культурах горячего воздуха, где нет извлечения дымоходного газа. Устьица, открывающиеся на перцах, помидорах, огурцах и баклажанах в 350 и 700 ppm CO2 соответственно были измерены при различных условиях на Станции Исследования в Naaldwijk. Результаты можно подытожить следующим образом.

По мере того, как увеличивается содержание CO2, устьица закрываются далее. В результате испарение уменьшается. Из-за снижения испарения в воздух попадает меньше влажности, и в результате влажность уменьшается. Более низкий уровень влажности приводит к тому, что устьица закрываться даже больше. Иногда устьица закрываются на 40 %. Это было вызвано не только высоким уровнем CO2, но также и изменением влажности.

Сколько фактически вызвано CO2, могло бы быть измерено, если влажность и температура листа могли бы быть устойчивыми. Это не возможно, но может быть рассчитан фактический эффект CO2 на устьица. Для помидоров, огурцов и перцев это было приблизительно 10 %, закрытых в 700 ppm относительно 350 ppm. Это – приблизительно 3 % для каждых 100 ppm увеличения CO2. Баклажаны реагируют в три раза сильнее на увеличенный CO2. Устьица на некоторых листьях баклажана иногда почти полностью закрыты в полдень.

Чем больше сахара производит растение, тем больше и тяжелее оно станет. Растение может также произвести больше плодов и/или более тяжелые плоды. В результате увеличивается производство растения. Эффект CO2 на рост и производство – не одинаковый для каждой культуры. Средний эффект CO2 на производство может быть иллюстрирован широкой изогнутой линией, кривая CO2 (см. цифру 6). Эта кривая применяется ко многим культурам. Эта диаграмма был произведена в 1987 от результатов голландского и международного исследований относительно CO2 в растительных и декоративных культурах растения, и приспособился к овощным культурам в 1994. Большая часть исследования была выполнена при условиях низкой интенсивности света (зима/весна).

Производство в 340 ppm было установлено в 100 %. Вокруг внешней ценности, и это также применяется к текущей внешней ценности 360 ppm, концентрация играет важную роль в определении производства. Более низкая концентрация в теплице, которая скоро происходит в течение дня, если нет дозирования, имеет главное воздействие на производство.

Увеличение концентрации теплицы чуть-чуть выше внешней ценности быстро приводит к существенным увеличениям производства. По мере того, как концентрация в теплице повышается, дополнительные увеличения постепенно приводит к более низким увеличениям производства.

Общая директива или правило большого пальца, чтобы оценить средний эффект CO2 на производство просто и быстро, была разработана в 1994 на основе результатов исследования. Общая директива используется, чтобы оценить эффект дозирования CO2, подобно общей директиве для света. Эффект света на производство оценен, используя 1%-ое правило, то есть "1% света = 1% производства". Это правило было применено с начала восьмидесятых и до сих пор столь же эффективно, как когда-либо. Как и со всеми общими директивами, есть всегда исключения к правилу. Но это идеальный способ сделать быструю оценку глобального эффекта сокращения или увеличения интенсивности света.

Большое количество данных фотосинтеза использовалось, чтобы определить общую директиву для эффекта CO2. Предположение такое, что эффект CO2 главным образом является эффектом CO2 на фотосинтез. В зависимости от условий, эффект CO2 на производство в действительности может несколько отклоняться.