Что такое коэффициент полезного действия фар

Фотосинтетически активная радиация, или, сокращённо, ФАР — часть доходящей до биоценозов солнечной радиации в диапазоне от 400 до 700 нм, используемая растениями для фотосинтеза. Этот участок спектра более или менее соответствует области видимого излучения. Фотоны с более короткой длиной волны несут слишком много энергии, поэтому могут повредить клетки, но они по большей части отфильтровываются озоновым слоем в стратосфере. Кванты с большими длинами волн несут недостаточно энергии и поэтому не используются для фотосинтеза большинством организмов.

Некоторые организмы, такие как цианобактерии, пурпурные бактерии и гелиобактерии всё же могут использовать энергию света с большей длиной волны, чем 700 нм (ближняя инфракрасная область). Эти бактерии обитают в местах с пониженной освещённостью: на дне застойных прудов, в осадках или океанских глубинах. Благодаря своим пигментам они образуют разноцветные бактериальные маты зелёного, красного и пурпурного цвета.

Самый многочисленный пигмент — хлорофилл — наиболее эффективно поглощает красный и синий свет. Вспомогательные пигменты такие как каротиноиды и ксантофиллы поглощают некоторое количество зелёного и синего цвета и передают его в реакционный центр фотосинтеза, однако большая часть зелёного цвета отражается и придает листьям их характерный цвет.

Измерения ФАР используются в сельском хозяйстве, лесоводстве и океанографии. Одно из требований к продуктивному участку земли — адекватное значения ФАР, то есть этот параметр можно использовать для оценки потенциальной производительности участка. Сенсоры ФАР, расположенные на разных уровнях под навесом леса позволяют измерить доступную для утилизации экосистемой ФАР. Измерения этого параметра также используются для определения эвтрофической зоны океана. Для оценки применяется интеграл дневного освещения — количество фотосинтетически активной радиации, которую растение получает в течение дня.

Единицы измерения[править | править код]

Обычно ФАР измеряется в мкмоль фотонов м−2с−1, что обозначают как плотность фотосинтетического фотонного потока англ. photosynthetic photon flux density, PPFD. Фотосинтетический фотонный поток — суммарное число фотонов, излучаемых в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм (мкмоль/с). Иногда эту величину выражают в эйнштейнах, то есть, мкЭ м−2 с−1, хотя эта единица не является стандартной и её использование часто неоднозначно. ФАР можно выражать в единицах энергии (интенсивность излучения, Ватт/м2); это актуально при рассмотрении баланса энергии фотосинтезирующих организмов, но, поскольку фотосинтез является квантовым процессом, то в физиологии растений ФАР чаще всего выражают в единицах PPFD.

Коэффициенты перевода из ФАР в энергетических единицах в ФАР в молях фотонов зависят от спектра излучения источника света (см. эффективность фотосинтеза). В нижележащей таблице приведены коэффициенты перевода из Ваттов в фотоны спектра абсолютно чёрного тела, усечённого до диапазона 400—700 нм. В ней также приведены единицы измерения световой отдачи для каждого из источников света, а также той части спектра абсолютно чёрного тела, которая соответствует ФАР.

T (K)	η_v (лм/Вт*)	η_фотоны (мкмоль/Дж* или мкмоль с−1Вт*−1)	η_фотоны (моль в день−1 Вт*−1)	η_ФАР (Вт*/Вт)
3000 (тёплый белый)	269	4,98	0,43	0,0809
4000	277	4,78	0,413	0,208
5800 (дневной)	265	4,56	0,394	0,368
Примечание: Вт* и Дж* соответствую ваттам и джоулям ФАР (400—700 нм).

Например, источник света в 1000 люменов при температуре 5800 K будет излучать приблизительно 1000/265 = 3,8 Вт ФАР, что эквивалентно 3,8*4,56 = 17,3 мкмоль/с. Для абсолютно чёрного источника света при 5800 K, каковым приблизительно является солнце, в виде ФАР излучается 0,368 от его общего излучения. Для искусственных источников света, которые обычно не обладают спектром абсолютно чёрного тела, эти коэффициенты перевода являются приблизительными.

Значения в таблице рассчитаны как

,
,
,

где — спектр излучения чёрного тела в соответствии с формулой Планка, — стандартная спектральная световая эффективность монохроматического излучения, обозначают длины волн диапазона ФАР (400 и 700 нм), a — число Авогадро.

Усваиваемый растением поток фотонов[править | править код]

Весовой коэффициент фотосинтеза. Кривая весового коэффициента фотонов позволяет перевести PPFD в YPF; кривая весового коэффициента энергии позволяет сделать то же самое для ФАР, выраженной в ваттах или джоулях.

Как уже упоминалось выше, значение ФАР не учитывает разницу между разными длинами волн в диапазоне 400—700 нм. Кроме того, используется приближение, что волны за пределами этого диапазона имеют нулевую фотосинтетическую активность. Если известен точный спектр излучения, то фотосинтетический фотонный поток в мкмоль/с можно модифицировать, используя весовые коэффициенты для каждой длины волны. Этот параметр, представляет собой ФАР, взвешенную в соответствии с эффективностью фотосинтеза по каждой длине волны. Он носит название «усваиваемый растением поток фотонов» англ. yield photon flux (YPF)[1]. Красная кривая на графике показывает, что фотоны с длиной волны около 610 нм (оранжево-красный) обладают максимальной фотосинтетической активностью в расчёте на один фотон, поскольку коротковолновые фотоны несут больше энергии на один фотон. А вот максимум фотосинтеза в расчёте на одну единицу энергии находится при большей длине волны, около 650 нм (тёмно-красный).

Существует типичное заблуждение относительно влияния качества света на рост растений, поскольку многие производители утверждают, что можно значительно улучшить показатели роста изменив спектральное распределение или иначе говоря соотношение цветов в падающем свете[2]. Этот утверждение базируется на широко распространённой оценке влияния качества света на фотосинтез, полученного на основе кривой усваиваемого растением потока фотонов или YPF-кривой, в соответствии с которой оранжевые и красные фотоны с длиной волны 600—630 нм дают на 20—30 % больше фотосинтеза чем голубые и циановые фотоны с длиной волны 400—540 нм[3]. Следует помнить, что кривая YPF была построена на основе коротких измерений фотосинтеза в одном листе при низком освещении. Некоторые более длительные исследования, в которых использовались цельные растения при сильном освещении, указывают на то, что, по-видимому, качество света значительно меньше влияет на рост растений, чем его количество[4].

В случае объединения световой среды человека и растения предпочтительным является свет, обеспечивающий не только потребности растения, но и зрительный комфорт человека, т. е. белый свет высокой цветопередачи. Светодиодный белый свет по эффективности в мкмоль/Дж не уступает светильникам ДНаТ 600—1000 Вт, используемых в промышленных теплицах, и незначительно уступает узкополосным светодиодным источникам[5][6][7]. Существует упрощённый способ оценки ФАР для белого светодиодного света: световой поток 1000 Лм соответствует фотосинтетическому фотонному потоку PPF=15 мкмоль/с, а освещенность 1000 лк соответствует плотности фотосинтетического фотонного потока PPFD=15 мкмоль/с/м2[8][9].

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

Gates, David M. (1980). Biophysical Ecology, Springer-Verlag, New York, 611 p.
McCree, Keith J. (1972a). «The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants». Agricultural and Forest Meteorology 9:191-216.
McCree, Keith J. (1972b). «Test of current definitions of photosynthetically active radiation against leaf photosynthesis data». Agricultural and Forest Meteorology 10:443-453.
McCree, Keith J. (1981). «Photosynthetically active radiation». In: Encyclopedia of Plant Physiology, vol. 12A. Springer-Verlag, Berlin, pp. 41–55.

Внешние ссылки[править | править код]

The Photosynthetic Process
Comparison of Quantum (PAR) Sensors with Different Spectral Sensitivities
What is PAR?

Источник

Страница 5 из 6

IV.2.3. БИОМАССА, СТРУКТУРА УРОЖАЯ И КПД ФАР
Накопление биомассы растений отражает суммарный эффект многих факторов — как внешних, так и обусловленных природой самого растения. К числу последних относятся такие, как сила роста куста, плодоносность побегов, нагрузка побегами и гроздями и др.
Данные табл. 17 показывают, что в расчете на один ряд более высокую биологическую продуктивность имеют насаждения с кордонными формировками. За ними следуют насаждения с веерной формировкой кустов в порядке, обратном количеству кустов в ряду: уменьшение площади питания при одновременном увеличении числа растений в ряду ведет к снижению продуктивности одного ряда. В пересчете на 1 га при увеличении числа рядов биологическая продуктивность насаждения с относительно густой посадкой кустов повышается до уровня продуктивности насаждения с редкой посадкой (Шабаш) или даже может превысить ее (Рислинг).
Таким образом, хотя относительно густые посадки имеют на 1 га более высокий листовой потенциал, в результате снижения ЧПФ фотосинтетическая мощность этих насаждений реализуется не в полной мере, что проявляется в относительном снижении Убиол. Следовательно, для повышения биологической продуктивности и полного использования потенциала насаждений с относительно густой посадкой необходимы мероприятия, направленные на повышение ЧПФ. Напротив, рост биологической продуктивности насаждений с редкой посадкой может идти за счет увеличения ФП при условии сохранения ЧПФ на достаточно высоком уровне или во всяком случае без существенного его снижения. Значения КПД падающей ФАР за период вегетации, равные 0,28—0,66%, характеризуют исследованные виноградники как агроценозы относительно низкой продуктивности.

Таблица 18
Фактические уровни использования падающей ФАР виноградниками в разных зонах страны

Территория	Условия культуры	Сорт	Количество кустов на 1 га	Сырой урожай гроздей, тга	Убиол т,га	Л, тыс. м2..га	КПД ФАР,	Автор
Молдавия	Богара	Алиготе	2555	26	13,0	18	1,3	Библина [50]
Рислинг	2555	18	9,0	19	0,9
Одесская область	Богара	Алиготе	2000	9	4,6	18	0,5	Плакида [280]
Крымская область	Орошение	Бастардо магарачский	2670	17	8,6	28	0,9	Рыбин [316]
Ростовская область	Орошение	Мускат венгерский	6666 2670	12 13	6,0 6,6	32 14	0,6 0,7	Писахов [279]
Кумшацкий	2670	17	8,6	29	0,9
Плавай	2670	19	9,6	22	1,0
Армения	Орошение	Ркацители	5000	18	9,0	29	0,9	Мнацаканян [213]
Лалвари	2940	16	8,0	32	0,8
Дагестан	Орошение	Агадаи	3333	18	9,0	24	0,9	Гаджиев [85]
Азербайджан	Богара	Баян ширей	4000	11	5,6	12	0,6	Мехтизаде [203]
Узбекистан	Орошение	Баян ширей	—	35	17,6	58	1,3	Переверзева [277]

Примечание. Убиол и КПД ФАР рассчитаны нами.

В табл. 18 приведены рассчитанные нами фактические КПД падающей ФАР виноградников в разных зонах виноградарства страны. В основу расчетов положены данные сырого урожая гроздей, полученные разными авторами. Биологические урожаи определены при следующих условиях: содержание сухого вещества в ягодах — 25%, Кхоз = 0,5, средняя величина падающей ФАР за период вегетации для Европейской территории страны— 4 млрд. ккал/га, для Азиатской — 5,5 млрд. ккал/га.
Сопоставление фактических КПД с теоретически возможными показывает, что даже при очень высоких урожаях, приближающихся к рекордным (26 и 35 т/га), уровни КПД характеризуют виноградники как РП низкой продуктивности. Обращают на себя внимание относительно малые размеры листовой поверхности виноградников во всех зонах (исключая Среднюю Азию) даже в условиях орошения.
Причины относительно низких КПД ФАР виноградников становятся понятны, если рассмотреть во взаимосвязи климатические и агробиологические факторы формирования урожая винограда. Для подавляющей части зон виноградарства страны это касается прежде всего естественной влагообеспеченности. Применительно к условиям Крыма такой анализ дает следующую картину.
При обычно наблюдаемых уровнях использования на фотосинтез поглощенной ФАР (около 1%) ТК имеют величину порядка 600—700 [261]. Средняя многолетняя годовая норма осадков в степном Крыму и на Южном берегу Крыма соответственно 440 и 557 мм (4400 и 5570 м3/га). Если даже допустить, что вся эта влага используется растениями на транспирацию (что далеко не соответствует действительности), то за счет осадков может быть получено около 6 и 8 т сухой биомассы, в которой аккумулированно 24 —32 млн. ккал энергии. Приход ФАР на широте Крыма за потенциальный период вегетации, ограниченный средней суточной температурой воздуха выше 10° С, составляет около 4,6 млрд. ккал/га. При этих условиях КПД падающей ФАР составляет 0,5—0,7%. Таким образом, одной из причин низких КПД ФАР в рассматриваемых природных зонах является несоответствие между высокими абсолютными приходами ФАР и уровнем обеспеченности насаждений влагой.
Немаловажное значение имеет также возможность использования энергии солнечной радиации растениями на протяжении вегетационного периода. Из рис. 33 видно, что лучшая естественная влагообеспеченность приходится на начало вегетации, когда происходит еще рост площади листьев. Максимального развития площадь листьев достигает только в конце июля, поступление же ФАР к этому времени от момента начала вегетации составляет около половины общего количества ФАР, приходящей, за период, вегетации. В результате часть поступающей ФАР остается неиспользованной. Последующие периоды вегетации характеризуются относительно высокими уровнями приходов ФАР, однако возможности увеличения площади листьев ограничиваются запасами продуктивной влаги, которые в этот период резко уменьшаются.

Рис. 33. Условия использования энергии ФАР виноградниками за потенциальный период вегетации на Южном берегу Крыма tii и в степной зоне Крыма п2.
1 — рост площади листьев (тыс. м2/га), 2— месячные приходы ФАР на Южном берегу Крыма (млн. ккал/га), 3 — то же для степной зоны, 4—запасы продуктивной шаги в метровом слое почвой W (мм) на Южном берегу Крыма (Ялта, средине на 1954—1971 гг.), о — то же для степной зоны (Джанкой, средние за 1957— 1970 гг.). Сорта: а — раннего, Л — среднего, в — позднего, ii — очень позднего срока созревания.

Неполное использование поступающей ФАР виноградником обусловлено еще и тем, что фактический период формирования урожая винограда в рассматриваемых зонах Крыма значительно меньше потенциального периода вегетации. Особенно заметно недоиспользование энергии в осенние месяцы для сортов раннего и среднего периода созревания (рис. 33). Урожай у этой группы сортов созревает соответственно в августе и в середине сентября, в то время как средняя многолетняя дата перехода средней суточной температуры воздуха через 10° С на Южном берегу Крыма 8 ноября, а в степной зоне — 30 октября. Неиспользованной остается примерно пятая часть поступающей за период вегетации ФАР.
Таким образом, можно выделить следующие «внешние» и «внутренние» факторы, определяющие относительно низкие уровни использования энергии солнечной радиации виноградниками в рассматриваемых зонах Крыма: высокие абсолютные приходы солнечной радиации, несбалансированные с естественной влагообеспеченностью почвы в период вегетации; несоответствие (отставание) хода роста листовой поверхности виноградника приходу солнечной радиации в начале вегетации; несоответствие между фактическим периодом формирования урожая винограда и потенциальным периодом вегетации; малые абсолютные размеры листовой поверхности, обусловленные структурой виноградника.
Для рассматриваемых условий мероприятия, имеющие целью повысить КПД падающей ФАР, в общем виде могут быть сформулированы следующим образом,
1. Повышение общего уровня водообеспечения растений, особенно во второй половине вегетации. При реализации этого условия следует иметь в виду, что на некотором этапе использование энергии ФАР может лимитироваться не водообеспеченностью или плодородием почвы, а структурой самого насаждения, определяющей возможность увеличения числа побегов на 1 га.
2. Создание структуры насаждения, обеспечивающей увеличение площади листьев на единице площади насаждения и быстрейшее заполнение листьями плоскости шпалеры, особенно в начальный период вегетации. При ограниченных возможностях размещения побегов в вертикальной или продольной плоскости шпалеры увеличение фитомассы может осуществляться за счет более эффективного использования горизонтального пространства насаждения.
3. Более полное использование потенциального периода вегетации за счет подбора сортов с оптимальными параметрами ФД и агробиологическими характеристиками.
На протяжении вегетационного периода использование ФАР виноградником не остается постоянным. График на рис, 34 позволяет судить о процессе продуцирования биомассы винограда во времени.
В начале вегетации КПД низкие (до 0,2%), хотя значения ЧПФ наибольшие (до 9 г/(м2-сутки)). Основным фактором, ограничивающим продуктивность насаждения в этот период, является малая величина листовой поверхности. С увеличением площади листьев виноградника наблюдается почти пропорциональное увеличение декадных приростов биомассы и КПД ФАР. Первый максимум КПД наблюдается в июне (0,95%), когда приходы ФАР сохраняются на уровне 300 ккал/га за декаду, а декадная продуктивность С имеет максимальные значения (8 ц/га). В последующие периоды вегетации при относительно выровненных приходах ФАР (до середины августа) отмечается
падение продуктивности и пропорциональное снижение пф до 0,55% Во второй половине вегетации значения КПД вновь повышаются, однако причиной этого является не повышение продуктивности виноградника (декадные приросты биомассы удерживаются на уровне 4 ц/га, снижается ЧПФ, уменьшается площадь листьев виноградника), а уменьшение абсолютных приходов ФАР.

Рис. 34. Характер процесса продуцирования биомассы винограда
в период вегетации. 1 — ЧПФ, 2 — площадь листьев виноградника, 3—накопление биомассы на 1 га, 1— декадные приходы ФАР, 5 — декадные приросты биомассы, 6 — КПД падающей ФАР.

Таким образом, при средних за период вегетации значениях порядка 0,4—0,7% в отдельные периоды вегетации т]ф достигает 1,2% в расчете на продукцию биомассы. Основная причина низких КПД ФАР по периодам вегетации — малые декадные приросты биомассы.
Как известно, растения и ценозы должны не только осуществлять большую фотосинтетическую работу, но и эффективно использовать продукты фотосинтеза на формирование хозяйственной части урожая.

Как уже отмечалось, у винограда структура урожая определяется как внешними факторами (обеспеченность водой, почвенное плодородие и др.), так и факторами, обусловленными природой самого растения: силой роста кустов, плодоносностью и др. Показано, например, что в условиях юга Украины в зависимости от площади питания у сорта Алиготе Кхоз изменяется от 0,45 до 0,57, а у сорта Карабурну — от 0,60 до 0,67 [280]. У сорта Болгар в зависимости от высоты штамба Кхоз варьирует от 0,48 (приземная формировка) до 0,71 (высота штамба 1,5 м) [271] и от 0,56 до 0,66 [39]. У сорта Ркацители в приземной культуре Кхоз составил 0,45, а при штамбовой культуре 0,73 при близких значениях Убиол (1338 и 1382 г/куст) [337].

Таблица 19
Показатели плодоносности и урожая1 (западная степная прибрежная зона Крыма)

Формировка, система ведения кустов	Площадь питания куста, м	Число побегов на кусте	Средняя масса грозди, г	Урожай гроздей, Ц/га	Сахаристость сока ягод, %
Сорт Шабаш (средние за 1969 — 1971 гг.)
Веерная	2,5X2,5	27	1,2	226	125	!6,5
Веерная	2,5X1,5	18	1,0	211	104	16,9
Веерная	1,5X1,0	10	0,9	142	84	17,5
Кордонная на Т-образной шпалере	3,0X1,0	20	0,8	196	101	15,9
Кордонная двухъярусная	2,0X1,5	30	0,8	171	121	16,1
Сорт Рислинг рейнский (средние			за 1970—1972 гг.)
Веерная	2,5X2,5	30	2,8	66	104	18,0
Веерная	1,5X1,0	13	1,7	64	100	18,1
Веерная	1,5X0,75	12	1,8	57	116	17,6
Кордонная на Т-образ-	3,0×1,0	20	2,3	71	124	17,1
ной шпалере
Кордонная двухъярусная	2,5X1,0	25	1,7	65	125	16,6
Кордонная со свободным размещением по бегов	3,0X2,5	29	2,5	67	67	16,7

1 Данные по урожаям получены совместно с В. Ф. Рыбиным.

В наших исследованиях на Южном берегу Крыма [21] у сортов Пино гри, Мускат белый и Хиндогны средние за пять лет (1966—1970) показатели Кхоз составили соответственно 0,30, 0,47 и 0,36 при минимальных значениях 0,21 (Пино гри) и максимальных — 0,65 (Мускат белый). В насаждениях с веерными формировками по мере уменьшения площади питания куста Кхоз снижается, хотя и не пропорционально уменьшению площади питания (см. табл. 17). Анализ данных показывает (табл. 19), что связано это с уменьшением показателей плодоносности: коэффициента плодоношения Кпп. и средней массы грозди.

Источник