Солнечный свет у поверхности земли в вертикальном направлении имеет одинаковую интенсивность.
Поэтому любые растения, не исключая и самых высоких деревьев, если они растут на открытом месте, находятся сверху донизу в лучистом потоке равной мощности. Это равенство световых условий возрастает еще больше, если нет прямого солнечного излучения и наблюдается только рассеянная и отраженная солнечная радиация.
При склонении солнца к горизонту и при изменении его положения на небе, от востока к западу прямые солнечные лучи освещают высокие растения уже не равномерно, а лишь с одной стороны. Другая их сторона освещается в это время только рассеянной и отраженной радиацией.
Из-за одностороннего облучения деревьев зимой в умеренных широтах часто наблюдаются обычно с южной стороны ствола так называемые морозобоины (растрескивания коры). Причина данного явления — оттаивание нагретых солнцем участков ствола и затем их новое замерзание. На стороне ствола, обращенной на север, морозобоин не наблюдается.
Особенно неравномерно (односторонне) прямыми солнечными лучами освещаются растения в утренние и вечерние часы. Аналогичные явления наблюдаются в течение всего дня в высоких северных и южных широтах, где солнце всегда стоит низко над горизонтом. В этих случаях мощность прямого солнечного излучения более высокая на стороне, обращенной к солнцу.
Постоянное одностороннее освещение, например деревьев на опушке леса, приводит к тому, что они нагибаются в сторону света, как принято говорить, тянутся к свету, приобретая особую форму роста.
В процессе длительной эволюции у растительных организмов возник ряд приспособлении, к самопроизвольному регулированию собственного светового режима. Это такие биологические явления, как движение листьев и цветков, изменяющее их положение в пространстве и позволяющее растениям следовать за лучистым потоком или, наоборот, уходить от него. Известно также, что многие растения, особенно тропических широт, в полуденные часы располагают свои листья перпендикулярно к горизонту и параллельно солнечным лучам, которые благодаря этому не попадают на листовые пластинки.
Многие виды растений имеют листья, расположенные почти под прямым углом к горизонту, что приводит к весьма незначительному использованию ими лучистого потока солнца, находящегося около зенита в полуденные часы летнего полугодия. К таким растениям относятся прежде всего многие представители класса однодольных, например луки, нарциссы, ландыши, ирисы, а также отчасти злаковые, осоковые и т. д.
У луков, нарциссов, ирисов и многих других подобных им видов листья с самого начала растут почти вертикально вверх и поэтому, вероятно, мало используют прямую полуденную солнечную радиацию.
Злаки и осоки в первый период жизни, во время кущения, способны хорошо усваивать лучистую энергию солнца, стоящего высоко над горизонтом, но по мере роста листья их все больше располагаются в вертикальной плоскости и должны все хуже использовать отвесные и близкие к ним солнечные лучи.
Возможно, что для этой группы растений наиболее полезно освещение солнцем, приближающимся к горизонту. Лучи солнца, стоящего под значительным углом к горизонту, падают на листья злаков под наиболее прямым углом и должны лучше всего поглощаться ими. В густых травостоях приход таких лучей к листьям затрудняется и рост растений должен ухудшаться. Вероятно, именно поэтому любые растения, и особенно культурные злаки, например пшеница и кукуруза, дают гораздо большую органическую массу и урожай зерна, если они находятся в. разреженных посевах или их выращивают отдельно друг от друга.
Неравнозначность использования полуденного и вечернего освещения пшеницей была показана в специальных опытах автора еще в 1947—1948 гг. Объектом исследования служила яровая пшеница сорта Память Урала. Семена были высеяны на опытном участке в Лесном (Ленинград) на делянках площадью 1 м2. Контрольные делянки в течение всего вегетационного периода находились в обычных условиях освещения. На опытных делянках растения пшеницы в солнечные дни лишали света на 3 ч: в первом варианте — с 6 до 9 ч, во втором варианте — с 10 ч 30 мин до 13 ч 30 мин и в третьем варианте — с 17 до 20 ч.
Для выключения света на делянки с опытными растениями надвигали светонепроницаемые фотопериодические кабинки, которые после трехчасового периода снова раздвигали, и опытные растения оказывались на свету. В пасмурные дни кабинки не закрывали.
Основными показателями состояния растений в различных вариантах данного опыта служили масса и состояние зерна в 100 средних колосьях пшеницы после полного созревания.
Масса зерен в 100 колосьях контрольных растений, т. е. не лишавшихся света, была равна 140 г, или составляла 100%. Выключение света в дневные часы привело к незначительному сокращению этого показателя: во 2-м варианте масса зерна достигла 110 г, т. е. была меньше по сравнению с контролем только на 18 %. Близкие данные оказались и по 1-му варианту, где растения лишались утреннего освещения. Зато урожай зерна пшеницы резко снизился в том случае, когда растения не получали прямого солнечного света в вечерние часы. В этом варианте масса зерна, находившегося в 100 средних колосьях, составляла всего 70 г, т. е. была в 2 раза меньше, чем в контроле. Кроме того, зерна отличались щуплостью, а также меньшей длиной и средним диаметром.
В основе данного явления может лежать только различное использование листьями пшеницы утреннего, дневного и вечернего освещения.
Днем солнце находится под наибольшим углом к горизонту и ближе всего к зениту. В это время растения пшеницы и многих других однодольных используют его свет незначительно, так как лучи падают на листья под небольшим углом, из-за чего мало поглощаются их тканями. Напротив, в вечерние часы солнечные лучи падают на листья пшеницы под углом, наиболее близким к прямому, что способствует высокому поглощению радиации. В данное время, т. е. в послеполуденные часы, обычно наблюдается достаточно высокая температура воздуха, также способствующая наиболее полному усвоению поглощенной лучистой энергии. Вследствие сочетания благоприятных факторов вечернее освещение оказывается весьма полезным для растений пшеницы.
В утренние часы большей частью наблюдается недостаточно высокая температура воздуха, а это мешает растениям хорошо использовать падающую на них лучистую энергию.
Можно считать несомненным, что в северных широтах пшеницы и подобные им растения полнее всего усваивают прямой солнечный свет в послеполуденные и вечерние часы.
Для более полного доказательства наилучшего использования растениями пшеницы бокового освещения были проведены лабораторные опыты с электрическим освещением. Источником радиации служили как мелкие лампы накаливания (21, 6 или 12 Вт), так и особенно удобные для этих опытов люминесцентные лампы.
Для каждого источника радиации (лампы накаливания и люминесцентные) установили три варианта освещения: в первом варианте растения освещались только сверху; во втором — с двух сторон (двойное боковое освещение); в третьем — с одной стороны (одностороннее боковое освещение).
Количество электроэнергии, затраченное на выращивание растений при верхнем и боковом одностороннем освещении, было одинаковым. При боковом освещении с двух сторон затраты электроэнергии в приводимом ниже опыте были двойными. В других же опытах при боковом освещении с двух сторон, но с затратой энергии, как при верхнем освещении, результаты изменялись в очень слабой степени.
В опыте, продолжавшемся 35 сут, исследовали яровую ветвистую пшеницу сорта Кахетинская. Как и следовало ожидать, наибольшее количество сухой растительной массы образовалось у пшеницы при боковом освещении, особенно с двух сторон. Однако даже и при одностороннем боковом освещении люминесцентными лампами сухой растительной массы пшеницы было в 3,5 раза больше, чем при верхнем освещении.
Такая же закономерность в использовании верхнего и бокового освещения наблюдалась и при выращивании ветвистой пшеницы в лучистом потоке мелких ламп накаливания без водяного фильтра. В последнем случае растительной массы образовалось меньше, что, однако, не мешало более быстрому репродуктивному развитию пшеницы.
При освещении люминесцентными лампами, даже двустороннем и непрерывном, пшеница развивалась медленнее, чем при использовании ламп накаливания.
Сопоставление результатов лабораторных и полевых опытов, относящихся к яровым пшеницам, с полной очевидностью показывает, что злаки используют боковое освещение значительно лучше, чем верхнее. Именно поэтому пшеничные растения особенно отрицательно реагируют на лишение их света в послеполуденные часы.
Еще большее значение боковое освещение должно иметь для таких растений, как лук. Чтобы установить это, с луком был проведен специальный лабораторный опыт при искусственном освещении.
Сеянцы лука начиная с появления всходов выращивали при непрерывном люминесцентном освещении, верхнем и боковом. В обоих случаях использовали по шесть люминесцентных трубок. В одном варианте они составляли общий светящийся потолок, а в другом — два боковых «забора», каждый из трех трубок. Электрические мощности в установках были равными.
В результате за 30 сут сеянцы лука при верхнем освещении образовали только 40 г сухого вещества, а сеянцы в условиях бокового освещения—110 г сухой массы, т. е. почти в 3 раза больше.
При верхнем люминесцентном освещении, длившемся около 3 месяцев, сеянцы лука так и не сформировали луковиц, тогда как при боковом освещении луковицы начали образовываться в двухмесячном возрасте.
Использование двустороннего бокового освещения люминесцентными трубками позволяет выращивать лук при искусственном освещении. Понятно, что для таких растений, как лук, нужны небольшие мощности лучистого потока, характерные для рассеянного освещения.
Очевидно, что для многих однодольных растений искусственное освещение следует делать не верхним, а боковым. В данном случае не только улучшается их рост, но и удваивается использование лучистого потока люминесцентных трубок, так как освещение ими становится двусторонним вместо одностороннего при верхнем расположении трубок. Поэтому люминесцентные трубки особенно пригодны для бокового освещения.
Естественно, что те растительные виды (а их большинство), у которых листья расположены в горизонтальной плоскости, в искусственных условиях должны освещаться сверху. Таковы томаты, земляника, хризантемы, огурцы, фасоль и др.
В природных условиях все растения используют и рассеянный и прямой солнечный свет как в полуденные, так и в другие часы дня, так как их листья в большинстве случаев не остаются все время в одном положении. Положения листьев изменяются как благодаря их автономному движению, так и под влиянием перемещающихся масс воздуха.
В условиях защищенного грунта или тем более в лабораторных условиях, где нет факторов, вызывающих механические колебания листьев, виды с горизонтально расположенными листьями значительно лучше растут при верхнем освещении. Одно боковое освещение по сравнению с верхним понижает их общую продуктивность. Вместе с тем введение в осветительные установки с верхним расположением ламп дополнительного бокового освещения или даже просто хорошо отражающих свет боковых экранов улучшает световой режим растений, делая его более равномерным.
Так, в одном из наших опытов были использованы осветительные установки, имеющие верхнее расположение ламп накаливания, горевших над водяным экраном. В одном варианте (контрольные условия) боковые стенки установки были сделаны из простого оконного стекла, а в другом варианте для боковых стен использовали зеркала, обращенные внутрь установки. Следовательно, в последнем варианте растения получали одновременно и верхнее освещение от светящегося потолка установки и боковое в виде отраженного зеркалами верхнего освещения. Обычные стекла в контрольной установке не отражали верхнего света и их основным назначением было поддержание температуры и влажности воздуха на том же уровне, что и в зеркальных установках. Мощность лучистого потока верхнего прямого излучения и в опытах и в контроле равнялась 200—250 Вт/м2.
Один из опытов в этих осветительных установках провели с огурцами (сорт Клинские). Проростки их в состоянии неразвернувшихся семядолей были посажены в вегетационные сосуды и поставлены в камеры. Температура воздуха в камерах поддерживалась во время горения ламп на уровне 25—27 °С и в темноте около 22—24 °С. Влажность воздуха была 70—75%. Ежесуточное освещение составляло 18 ч. Опыт продолжался 15 сут.
В камерах, где боковыми стенками было простое стекло, растения имели вытянутые междоузлия и более бледную окраску листьев. Растения в камерах с зеркальными стеклами оказались в 2 раза ниже при том же числе междоузлий, листья у них были крупные. Эти растения ничем не отличались по внешним признакам от тех, которые выросли в естественных условиях при прямом солнечном освещении.
Аналогичные результаты получились и в опыте с растениями томатов, выращиваемых в описанных выше камерах до плодоношения. Проростки томатов сорта Пушкинский в состоянии нераспустившихся семядолей были высажены в сосуды с 3 кг почвы и поставлены в зеркальную и стеклянную камеры на 18-часовой световой режим. Растения, росшие в осветительной установке с зеркальными стеклами, были приземисты, имели меньшую высоту, более темную окраску листьев и, что особенно интересно, сохраняли к уборке урожая зелеными не только все листья, но даже и семядоли, тогда как у контрольных растений к этому времени жизнеспособными остались лишь три листа.
Цветение и созревание плодов в разных вариантах происходило одновременно, однако объемное освещение (в камерах с зеркальными стенками) заметно сказалось на урожае томатных растений. Если у контрольных растений было по 7 плодов с общей массой 310 г, то растения, росшие в осветительных установках с зеркальными боковыми стенками, дали вдвое больше плодов (14 шт.) с общей массой до 560 г.
Приведенные материалы о значении отраженного от зеркал света в установках с верхним освещением имеют большое практическое значение и лишний раз свидетельствуют о пользе объемного освещения растений.
Таким образом, при решении вопроса о том, каким способом следует освещать растения, надо прежде всего исходить из особенностей их листорасположения в пространстве, имея в виду, что выгоднее всего лучистый поток направлять на листья растений под прямым углом или с не очень большим отклонением от него.
В условиях искусственного освещения нужно добиваться наиболее равномерного и рационального освещения растений, что будет способствовать значительному увеличению урожая и снижению затрат электроэнергии на единицу растительной продукции.