ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΕ ΦΥΤΑ ΚΑΙ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ

ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΣΕ ΦΥΤΑ ΚΑΙ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ

2.1 Επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας σε φυτά και καλλιέργειες

Η ηλιακή ακτινοβολία είναι η πηγή ενέργειας που στηρίζει την οργανική ζωή στη γη. Η φυτική παραγωγή είναι στην πραγματικότητα η εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας.

Οι τρεις φασματικές περιοχές της ηλιακής ενέργειας που είναι σημαντικά για τη ζωή των φυτών περιγράφονται σε αυτή την ενότητα. Το μικρότερο φάσμα της ακτινοβολίας μήκους κύματος (UV) σε σχέση με το ορατό τμήμα ηλιακού φάσματος (<380nm) είναι χημικά πολύ ενεργό . Όταν τα φυτά εκτίθενται σε υπερβολικές ποσότητες αυτής της ακτινοβολίας, οι επιπτώσεις είναι συνήθως αρνητικές. Ωστόσο, η ατμόσφαιρα λειτουργεί ως ρυθμιστής σε αυτό το είδος της ηλιακής ακτινοβολίας, και κανένα φάσμα από τις κοσμικές ακτίνες γάμα (γ) και ακτίνες Χ δε φτάνει στην Γη (Evans, 1973). Η υπεριώδης ακτινοβολία (UV) του συγκεκριμένου τμήματος που φθάνει στην επιφάνεια της γης είναι πολύ χαμηλή και συνήθως σε ανεκτά επίπεδα για τα φυτά.

Η ηλιακή ακτινοβολία στο υψηλότερο τμήμα  του ορατού μήκους κύματος, που αναφέρεται ως υπέρυθρη ακτινοβολία, έχει θερμικές επιδράσεις στα φυτά. Λόγω της παρουσίας των υδρατμών, αυτή η ακτινοβολία δεν βλάπτει τα φυτά, και  προμηθεύει την απαραίτητη θερμική ενέργεια για το περιβάλλον.

Η τρίτη φασματική περιοχή, που εκτείνεται μεταξύ της υπεριώδους και της υπέρυθρης ακτινοβολίας, είναι το ορατό μέρος της ηλιακής ακτινοβολίας και αναφέρεται ως φως. Αυτό το τμήμα της ηλιακής ακτινοβολίας παίζει σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη των φυτών και την ανάπτυξη μέσω των διαδικασιών της σύνθεσης  της χλωροφύλλης της φωτοσύνθεση και μέσω των φωτοευαίσθητων ρυθμιστικών μηχανισμών όπως φωτοτροπισμός και η φωτοπεριοδική δραστηριότητα. Φως με τη σωστή ένταση, την κατάλληλη ποιότητα και την απαιτούμενη διάρκεια είναι απαραίτητο για τη φυσιολογική ανάπτυξη των φυτών. Η ελάχιστα διαθέσιμη ακτινοβολία είναι συχνά υπεύθυνη για ανωμαλίες και άλλες διαταραχές των φυτών. Στη πραγματικότητα όλα τα τμήματα των φυτών, άμεσα ή έμμεσα επηρεάζονται από αυτό το τμήμα του φάσματος. Επηρεάζεται η παραγωγή της καλλιέργειας, η σταθερότητα, η δύναμη, και το μήκος του φυτού, η απόδοση και το συνολικό βάρος  του φυτού , το μέγεθος των φύλλων και η ανάπτυξη ρίζας (Rodriguez et al, 1999.). Το μήκος της ημέρας ή η διάρκεια της περιόδου του φωτός καθορίζει την άνθηση και έχει μια βαθιά επίδραση στο περιεχόμενο των διαλυτών υδατανθράκων που περιέχονται στα φυτά. Η πλειοψηφία των ανθέων των φυτών αναπτύσσεται φυσιολογικά μόνο όταν εκτίθενται σε ορισμένες ειδικές φωτοπεριόδους. Έτσι με βάση αυτό το κριτήριο τα φυτά έχουν ταξινομηθεί ως μικρής ημέρας, μεγάλης ημέρας και ουδέτερα φυτά. Όταν οι άλλοι περιβαλλοντικοί παράγοντες δεν είναι περιοριστικοί, η φωτοσύνθεση αυξάνεται με την μεγαλύτερη διάρκεια της περιόδου του φωτός (Salisbury, 1981)

2.2 Ανάκλαση, διαπερατότητα και απορροφητικότητα των φύλλων

Η αντανάκλαση και η διαπερατότητα από τα φύλλα έχουν παρόμοια φασματική κατανομή, όπως φαίνεται στις εικόνες 5 και 6. Τα μέγιστα και για τις δύο είναι το πράσινο φως, καθώς και η υπέρυθρη περιοχή. Η εντύπωση του πράσινου χρώματος των φυτών εξαρτάται από την υψηλή ανακλαστικότητα, τη σχετικά υψηλή ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, και τη μεγαλύτερη ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού στο πράσινο φως. Η ισχυρή υπέρυθρη ανάκλαση από τα φυτά αποτελεί σημαντική φυσική άμυνα για την προστασία της ζωής των φυτών από τα καταστροφικά αποτελέσματα λόγω υπερθέρμανσης. Κατά μέσο όρο, η φυτοκόμη των φυτών απορροφά περίπου το 75% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, με το 15% περίπου να αντανακλάται και  10% να διαπερνάται από το φύλλωμα.

ΕΙΚΟΝΑ 5: Ένα γενικευμένο μοτίβο ανάκλασης, διαπερατότητας και απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας δια μέσου ενός πράσινου φύλλου

ΕΙΚΟΝΑ 6: Ένα γενικευμένο μοτίβο ανάκλασης, απορρόφησης, και η διαπερατότητα του φωτός μέσα   από ένα πράσινο φύλλο

Τα φυτά λόγω των χημικών συστατικών τους και των φυσικών δομών τους, απορροφούν επιλεκτικά σε συγκεκριμένα μήκη κύματος (ΕΙΚΟΝΑ 7). Η διαφανής επιδερμίδα που τα περιβάλει επιτρέπει στο φως του ήλιου να εισχωρήσει στο μεσόφυλλο, το οποίο αποτελείται από δύο στρώματα: (1) το παρέγχυμα και (2) το σπογγώδες παρέγχυμα των παράτυπων κύτταρων με το άφθονα διάκενα που γεμίζουν με αέρα. Και οι δύο τύποι κυττάρων του μεσόφυλλου περιέχουν χλωροφύλλη, η οποία αντανακλά μέρος του πράσινου μήκος κύματος απορροφά όλο το μπλε και το κόκκινο (σε ενέργεια) για τη φωτοσύνθεση (Sabins, 1997). Η απορρόφηση χλωροφύλλης είναι μέγιστη στο μπλε (0,45 μm.) και στις περιοχές κόκκινου (0,65 μm) (Πίνακας 2.7). Τα μεγαλύτερα μήκη κύματος της ενέργειας IR διεισδύουν στο σπογγώδες παρέγχυμα, όπου η ενέργεια διασκορπίζεται έντονα και εκφράζονται τα όρια μεταξύ του κυτταρικού τοιχώματος  και χώρους του αέρα.

Μπορεί να συνοψιστεί ότι το φύλλο των φυτών απορροφά έντονα στο μπλε και κόκκινο μήκος κύματος, λιγότερο έντονα απορροφά στο πράσινο, απορροφά πολύ ασθενώς στο εγγύς υπέρυθρο, και απορροφά έντονα και στο μακρινό-υπέρυθρο μήκος κύματος.

ΕΙΚΟΝΑ 7: Αλληλεπιδράσεις της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σε μια διατομή φύλλου.

2.3 Παράμετροι της ηλιακής ακτινοβολίας που επηρεάζουν τα φυτά

Τρεις παράμετροι της ηλιακής ακτινοβολίας είναι βιολογικά σημαντικές. Η πρώτη είναι η ένταση της ακτινοβολίας, δηλαδή το ποσό της ακτινοβολούμενης ενέργειας που προσπίπτει σε μια μοναδιαία επιφάνεια στη μονάδα του χρόνου. Η δεύτερη είναι η φασματική κατανομή της ακτινοβολίας που οδηγεί τη φωτοχημική διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Η τρίτη περίπτωση είναι η κατανομή της ακτινοβολίας στο χρόνο, που είναι σημαντική για το φαινόμενο της φωτοπεριόδου. Ο ποσοτικός προσδιορισμός της έντασης και της φασματικής κατανομής της ακτινοβολίας εντός της φυτοκόμης μιας καλλιέργειας  είναι σημαντικός λόγω του ελέγχου της φωτοσυνθετικής διαδικασίας καθώς και του μικροκλίματος επί του συνόλου των φυτών. Ο ρυθμός της φωτοσύνθεσης εξαρτάται από τη διαθεσιμότητα της φωτοσυνθετικά ενεργού ακτινοβολίας (Photosynthetically Active Radiation, PAR) που συλλαμβάνεται από τα φύλλα. Το ποσοστό της διαπνοής που θα πραγματοποιηθεί από το φυτό ελέγχεται σε μεγάλο βαθμό από την πυκνότητα της ροής της ακτινοβολίας. Επομένως, η γνώση της μετάδοσης ακτινοβολίας μέσω των στοιχείων μιας κοινότητας φυτών είναι απαραίτητη για να γνωρίζουμε την ποιότητα και την ποσότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται από τα φυτά.

2.4 Παράγοντες που επηρεάζουν την κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας στο εσωτερικό της καλλιέργειας φυτών.

Η κατανομή της ακτινοβολίας σε μια κοινότητα φυτών καθορίζεται από διάφορους παράγοντες, όπως: η απορροφητικότητα των φύλλων, η διάταξη των φύλλων, η κλίση, η πυκνότητα των φυτών, το ύψος των φυτών, και η γωνία του ήλιου (Vorasoot, Tienroj, και Apinakapong, 1996 Cohen et al, 1999, Courbaud, Coligny, και Cordonnier, 2003). Φύλλα από φυλλοβόλα δέντρα, βότανα και χόρτα (συμπεριλαμβανομένων των δημητριακών), έχουν απορροφητικότητα που κυμαίνονται από 5 έως 10 %. Τα πλατιά φύλλα των αειθαλών φυτών έχουν μια τιμή από 2 έως 8 %. Η απορροφητικότητα ποικίλει ελαφρώς με την ηλικία του φύλλου. Η απορροφητικότητα ενός νεαρού φύλλου είναι σχετικά υψηλή, με την ωρίμανση του φύλλου δεν μειώνεται αλλά αυξάνεται στη συνέχεια  όταν το φύλλο γίνεται κίτρινο.

Η διαπερατότητα ενός φύλλου είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη περιεκτικότητα του σε χλωροφύλλη. Ο λογάριθμος της διαπερατότητας μειώνεται γραμμικά με την αύξηση της περιεκτικότητας σε χλωροφύλλη. Αν τα φύλλα που μεταδίδουν το 10 % της ακτινοβολίας ήταν οριζόντια και εμφανίζονταν σε συνεχή στρώματα, μόνο το 1 % του φωτός, ως επί το πλείστον στην πράσινη περιοχή, θα μπορούσε να διαπεράσει τη δεύτερη στρώση. Ωστόσο, τα φύλλα σπάνια εμφανίζονται σε οριζόντια διάταξη. Η σχετική παρακράτηση φωτός της οριζόντιας σε σχέση με την όρθια κατανομή φυλλώματος υπολογίζεται σε αναλογία 1 προς 0,44. Ως εκ τούτου, η πραγματική κλίση φωτός στη καλλιέργεια δεν είναι τόσο απότομη, όπως η διαπερατότητα. Κατά μέσο όρο, όταν η συνολική επιφάνεια των φύλλων ισούται με την έκταση του εδάφους, η μέση διαπερατότητα είναι περίπου 75 % για τα κατακόρυφα φύλλα και 50 % για τα οριζόντια φύλλα. Σε ασθενής φωτισμό, οποιαδήποτε απόκλιση των φύλλων από την οριζόντια θέση μειώνει την φωτοσύνθεση. Σε πλήρη ηλιοφάνεια, η βέλτιστη κλίση του φυλλώματος για την αποτελεσματική χρήση φωτός είναι 81 (ΕΙΚΟΝΑ 8). Σε πλήρη ηλιοφάνεια, ένα φύλλο που τοποθετείται στη βέλτιστη κλίση είναι 4,5 φορές πιο αποδοτικό σε σχέση με τη χρήση φωτός σε οριζόντια φύλλα (ΕΙΚΟΝΑ 9). Για την πιο αποτελεσματική χρήση του φωτός, το ανώτερο φύλλο σε μια καλλιέργεια φυτών πρέπει να έχει ένα σχεδόν κατακόρυφο προσανατολισμό, ενώ το κατώτερο φύλλωμα θα πρέπει να είναι σχεδόν οριζόντιο. Μια ιδανική διάταξη των φυτών σε μια καλλιέργεια, είναι το λιγότερο 13% των φύλλων να προσανατολίζεται σε γωνία 0° έως το 30, 37% των φύλλων θα πρέπει να είναι στις 30° έως 60°, και περισσότερο από το 50% πρέπει να είναι 60° – 90° με την οριζόντια (Chang, 1968.).

Σε περίπτωση νέων ηλικιακά φυτών, το ποσοστό του φωτός που απαιτείται δεν είναι μόνο μικρό αλλά επίσης μεταβάλλεται με την ώρα της ημέρας. Πιο συγκεκριμένα είναι το ελάχιστο το μεσημέρι σε σχέση με το μέγιστο κατά τις πρωινές ώρες και το βράδυ. Όταν το φυτό αυξάνει σε ύψος, η ανάγκη του φωτός από τη καλλιέργεια αυξάνει επίσης, με μόνο μια μικρή παραλλαγή στις διαφορετικές χρονικές στιγμές της ημέρας.

ΕΙΚΟΝΑ 8 : Η ένταση του φωτός  και η γωνία φύλλου για βέλτιστη φωτοσύνθεση (Mavi, 1994.)

ΕΙΚΟΝΑ 9: Το ποσοστό της φωτοσύνθεσης ενός φύλλου από δύο διαφορετικές οπτικές γωνίες (Mavi 1994).

Πολυάριθμοι ερευνητές έχουν μελετήσει την κατανομή ακτινοβολίας σε μια καλλιέργεια φυτών και έχουν προτείνει εξισώσεις για τον προσδιορισμό του φωτός σε ένα συγκεκριμένο ύψος σε μια καλλιέργεια, (Monteith σε σχέση με το Elston, 1983,Kull σε σχέση με το Kruijt 1998, Mariscal, Orgaz σε σχέση με το Villalobos, 2000, Marques, Φίλιο , σε σχέση με το Dallarosa, 2000). Μέχρι στιγμής, η εξίσωση για τον νόμο του Beer πιστεύεται ότι είναι η πλέον πιο ενδεδειγμένη. Η εξίσωση του νόμου γράφεται ως

R=Roe-kLAI

(27)

όπου: R είναι η ένταση του φωτός σε ένα συγκεκριμένο ύψος στη καλλιέργεια, Ro είναι η ένταση του φωτός σε ένα συγκεκριμένο ύψος στη καλλιέργεια,  είναι η ένταση  στην κορυφή, k είναι ο συντελεστής απόσβεσης του φύλλου, και LAI  είναι o δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI),. Ο συντελεστής απόσβεσης μπορεί να οριστεί ως ο λόγος μεταξύ του φωτός που χάνεται από το φύλλωμα και του φωτός στο πάνω μέρος του φύλλου. Ο συντελεστής απόσβεσης ποικίλλει ανάλογα με τον προσανατολισμό του φύλλου.

Ο Roujean το (1999) από πραγματικές μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας σε μαύρο έλατο και σε μέρες καλοκαιριού, παρατήρησε ορισμένες αποκλίσεις από την το νόμο του Beer και τις ενέταξε  σε εποχιακές επιδράσεις, όπως η γωνία των ακτίνων του ήλιου.

Καθώς η ηλιακή ακτινοβολία διαπερνά τη φυτοκόμη, η ποιότητα της υποβάλλεται σε μετασχηματισμό σε διαφορετικά επίπεδα (Baumgartner, 1973). Μετά από κάθε ανάκλαση και μετάδοση, η ερυθρή και υπέρυθρη ακτινοβολία αυξάνει σε σχέση με τα άλλα μήκη κύματος. Στο εσωτερικό του θόλου υπάρχει μια σχετικά μεγαλύτερη μείωση του φωτός στις ζώνες απορρόφησης της χλωροφύλλης σε 0,45 m και 0,65 m, και μια σχετικά μικρή μείωση του πράσινου σε 0,55 m και το υπέρυθρο σε 0,80m. Σε λιγότερο ψηλές καλλιέργειες, όπως η μηδική, περίπου 30% της συνολικής ακτινοβολίας και το 20% του φωτός φτάνει στο έδαφος. Για ένα ψηλό φυτό όπως ο αραβόσιτος, η μετάδοση της υπέρυθρης ακτινοβολίας στο έδαφος είναι 30% έως 40%

Πνευματικά δικαιώματα © 2015 Ελένη Μπάρτσα, Γεωπόνος ΓΠΑ, Τομέας: Διαχείρησης υδάτινων πόρων

Πτυχιακή εργασία με τίτλο: Σχέση της φωτοσυνθετικά ενεργούς ακτινοβολίας και της αντίστοιχης εισερχόμενης ακτινοβολίας σε αστικό και υπαίθριο περιβάλλον