ГЛАВА I ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУБСТРАТОВ ПРИ ГИДРОПОННОМ СПОСОБЕ ВЫРАЩИВАНИЯ
Исторически переход от почвогрунтов к заменителям почвы растительного происхождения и искусственным инертным субстратам произошел на рубеже 70-х – 80-х гг. XX века в связи с ухудшением физических и химических свойств, большой зараженности патогенной микрофлорой и болезнями, высоких затрат на поддержание плодородия [16]. В отличие от почвы, которая является природным образованием (состоит из генетически связанных почвенных горизонтов, формирующихся в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под воздействием воды, воздуха и живых организмов) и обладает плодородием (позволяет ей участвовать в воспроизводстве биомассы, в том числе урожая сельскохозяйственных культур) [12] субстратами называют твердофазные среды для роста организма [4]. Субстраты для гидропонного метода выращивания не обладают собственным плодородием в силу своих физических и химических свойств.
Основными функциями субстрата являются: удержание растения в вертикальном состоянии и создание благоприятных водно-воздушных условий для развития корневой системы растения.
Субстрат должен отвечать следующим требованиям: быть долговечными, безопасными для окружающей среды при изготовлении, применении и утилизации, пригодными для стерилизации, инертными, с хорошим соотношением воздуха, воды. Субстрат должен обладать достаточной влагоемкостью, не засоляться и легко промываться от избытка солей. Кроме того, он должен быть дешевым и не требующим высоких затрат на эксплуатацию.
В современных тепличных комбинатах в основном используют искусственные инертные субстраты (минеральная вата) и заменители почвы растительного происхождения (коковит, верховой торф и его смеси с перлитом, вермикулитом) [19, 21, 22, 25]. Основными физическими характеристиками, определяющими водно-воздушный режим субстратов, являются объемная масса, пористость, наименьшая влагоемкость (таблица 1). Рассмотрим проблемы и перспективы использования субстратов при гидропонном способе выращивания растений в защищенном грунте.
Таблица 1 – Основные физические характеристики используемых субстратов по [4]
Наименование субстрата Объемная масса, г/см3 Пористость, % объема Наименьшая влагоемкость, % объема
Торф верховой 0,11 91 53
Вермикулит 1,10 80 72
Минеральная вата 0,09 97 75
1.1. Верховой торф.
Россия обладает огромными, уникальными запасами сырья органического происхождения для производства органических удобрений, обеспечивающих повышение биологической и энергетической емкости агроценозов, воспроизводство органического вещества почв, дополнительное поступление элементов питания. Наибольший удельный вес по содержанию органического вещества и элементов питания занимают торфяные ресурсы.
Торфяники выполняют многочисленные экологические функции, они участвуют в регулировании водного, теплового, углеродного и всего геохимического режима планеты, в глобальном и местных круговоротах биогенных веществ. Разнообразие типового, видового, химического состава и свойств торфа позволяет получать из него не только экологически чистые удобрения, но и многие другие ценные продукты, а также конкурентоспособную торфяную продукцию для народного хозяйства. При этом до 70 % добываемого в мире торфа и продуктов его переработки потребляется сельским хозяйством.
В Российской Федерации болота и заболоченные земли с наличием торфа занимают 21 % территории страны. Ресурсы торфа размещены на 57,4 тыс. месторождений с общей площадью 50,8 млн. га и оцениваются по различным источникам до 170 млрд. т [7]
Использование торфа для малообъемной гидропоники целесообразно по следующим причинам:
-запасы сырья практически не ограничены.
-торфяные субстраты являются экологически чистым продуктом, после использования в теплицах их можно применять для улучшения почвы сельскохозяйственных угодий.
-торфяные субстраты значительно дешевле минеральной ваты.
Требования, предъявляемые к торфу, должны отвечать следующим положениям:
• Продукция при обычном применении не дол¬жна содержать химических соединений, губитель¬ных для растений.
• Можно применять только фитосанитарно чи¬стые материалы. Такие материалы должны быть свободными от болезнетворных микроорганизмов (нематод, грибов, бактерий, вирусов, насекомых), если другое не указано в требованиях, предъявляе¬мых к продукту.
•Торф не должен содержать любые семена (сор¬ных растений), способные к прорастанию, если дру¬гое не указано в требованиях, предъявляемых к продукту.
•Торф не должен содержать живые корни или зеленые части растений.
•Торф не должен быть смешанным с нежелатель¬ными материалами, как камень, стекло или древе¬сина.
•Торф не должен быть радиоактивно заражен¬ным, 370бк (Cs134+Cs137).
Дополнительные требования: содержание вла¬ги: < 80% по весу, органическое вещество: > 90% по весу, содержание воды:> 3,5 г сухого вещества, исключая замороженный черный торф и прессован¬ный торф.[14]
Благодаря низкой объемной массе, высокой пористости и значительной емкости поглощения, торф с успехом используется для малообъемного способа выращивания растений в теплицах. Преимущества торфа перед минеральной ватой (особенно одногодичного срока использования) следующие: сравнительная дешевизна, наличие биостимулирующих свойств, выделение большого количества СО2, простота утилизации.
При использовании торфа, особенно верхового, в теплицах происходит быстрый процесс его разложения, при этом уменьшается размер частиц, снижается пористость и запас воздуха, в то время как объемная масса и объем воды увеличивается. Торф высокой степени разложения (больше 25 %) не следует применять для малообъемного способа выращивания, так как для этой технологии очень важно достаточное содержание воздуха в субстрате. Водно-воздушный режим в торфяном субстрате определяется размером пор. Тонкие, мелкие поры чаще всего заполнены водой, крупные – воздухом. Размеры пор в большей степени зависят от размера частиц торфа. Чем меньше частицы торфа, тем неблагоприятнее для растений водно-воздушный баланс.
Содержание твердой фазы в верховом торфе составляет 3-10% объема, при этом поры занимают 80-97% объема. При наименьшей влагоемкости запас воздуха не убывает ниже 35%. При выращивании в малом объеме очень важно, чтобы растения имели хорошо развитую корневую систему, для этого содержание водной и воздушной фаз в торфяном субстрате должно быть 1:1.
При выращивании растений на торфе по малообъемной технологии с капельным поливом могут использоваться полиэтиленовые мешки с прорезями и полипропиленовые лотки. И в том и в другом случае необходимо, чтобы слой торфа был не меньше 12 см, так как иначе трудно создать оптимальные водно-воздушные условия. В полиэтиленовых мешках создается замкнутое пространство, а это приводит к быстрому уменьшению содержания кислорода в почвенном воздухе. При обильных поливах и недостаточном стоке дренажных вод очень быстро возникают анаэробные условия, в торфе возрастает содержание аммиачного азота, нитратов, что, в свою очередь, препятствием поступлению кальция в растения и может привести к развитию на томатах вершинной гнили, поэтому столь важно количество и качество дренажных разрезов в мешках.
Очень часто на торфяных субстратах в зимний период наблюдается недостаток воды, что может привести к развитию вершинной гнили на томатах. В апреле, мае, наоборот, часто наблюдается переувлажнение субстрата. Чтобы не ошибиться в поливных нормах на торфе, следует очень тщательно следить за дренажом. Наличие дренажа говорит о том, что субстрат предельно заполнен водой. Зимой дренаж может составлять 3-5% от поливной нормы. Весной и летом постепенно количество дренажа может достигать 10-25% и более. Конечно, большой объем дренажа приводит к перерасходу минеральных удобрений, но это необходимо для сбалансированного питания растений, иначе произойдет засоление субстрата. Для увеличения воздухоемкости торфа часто используют смесь торфа с перлитом, вермикулитом в соотношении 50-70%:50-30%.
1.2. Вермикулит.
Вермикулит – это вторичный минерал из группы гидрослюд, представляющий собой пластинчатый слюдоподобный материал бронзово-желтого, золотисто-бурого и реже – бурого цвета, имеющий определенный химический состав и только ему присущую кристаллическую структуру. Он образуется в результате предельной вермикулитизации флогопита и биотита. Размер кристаллов варьируется от нескольких десятков сантиметров до микрона. Плотность в зависимости от состава колеблется от 2.3 до 2.6 г/см3. Формула вермикулита – Mg0.5(MgFe)3(Si,Al)4О10(OH)24H2O.
Химический состав вермикулита может изменяться, что определяется в основном характером исходной слюды и геохимическими условиями процесса ее гидратации . В конце 50-х годов прошлого столетия в пределах Ковдорского массива Мурманской области было открыто Ковдорское вермикулитовое месторождение – самое крупное в России и одно из крупнейших в мире. Запасы вермикулита в нем измеряются десятками миллионов тонн и составляют 80 % от мировых запасов/
Использование вермикулита в растениеводстве определяется специфическими свойствами этого минерала, и в первую очередь, способностью к вспучиванию под воздействием высоких температур.
Процессы, вызывающие вспучивание вермикулита, т.е. расслоение его чешуек перпендикулярно к плоскостям спайности под действием высоких температур, обусловлены в основном наличием воды на спайных поверхностях пакетов вермикулита и в межатомных промежутках кристаллической решетки.
В настоящее время наиболее широко в гидропонике используются такие субстраты почвозаменители, как верховой сфагновый торф и минеральная вата. Однако эти субстраты имеют низкую удерживающую способность в отношении питательного раствора, слабую буферность, сравнительно низкую общую порозность, приводящую к недостаточной аэрации и тенденцию к быстрому засолению.
Меры, предпринимаемые для устранения перечисленных выше основных недостатков почвозаменителей, – 4-5-кратное на протяжении суток смачивание их химическим раствором, частая корректировка рН, химическое рассоление после очередной уборки растений. Это значительно удорожает гидропонный метод выращивания растений на данных наполнителях.
Вермикулитовый субстрат лишен многих из этих недостатков. Однако в отношении пригодности ковдорского вермикулита для гидропонного выращивания растений мнения исследователей противоречивы
Вермикулит добавляют к субстратам в основном для увеличения их буферной способности и улучшения физических свойств. Применяют также как вспомогательный продукт для покрытия семян при выращивании на минеральной вате, для зеленого черенкования. Доступная вода удерживается между неровностями поверхности гранул и внутри их. Грубая внешняя поверхность гранул в основном отвечает за существенное капиллярное притяжение, которым вермикулит обладает по отношению к воде.
В чистом виде в качестве субстрата для выращивания овощных культур его практически не используют, так как он обладает способностью удерживать определенные катионы, нарушая баланс элементов питания в зоне корней и разрушаться со временем [8].
1.3. Минеральная вата.
Минеральная вата – это смесь трех минералов (базальта, известняка и кокса), сплавленных при высокой температуре (1600°С), где кокс играет роль топлива. Для получения минеральной ваты используют связывающее вещество, которое помогает держать волокна друг от друга на некотором расстоянии. С одной стороны, это предупреждает уплотнение, и полученная продукция сохраняет стабильную форму ваты на протяжении длительного времени, а с другой – повышает ее капиллярные свойства, пористость и влагоемкость. В расплавленном состоянии из смеси скручиваются волокна, которым придается либо какая-то форма (кубики, пробки, маты, блоки и т. д.), либо они используются в бесформенном виде (такой вариант чаще используется для строительных целей).
Выращивание растений на минеральной вате началось в Дании в 70-х годах XX века. Сейчас этот субстрат производят во многих странах, в том числе и в России.
Получила широкое распространение как субстрат благодаря многим положительным свойствам. Поскольку при изготовлении ваты добавляют известковые материалы, субстрат в начальной фазе выращивания растений обладает щелочной реакцией. Поэтому при первоначальном использовании ваты ее иногда промывают водой (особенно для сеянцев), питательный раствор при насыщении должен иметь pH 5,2...5,5. Раствор с pH ниже 4,8 не только отрицательно воздействует на корневую систему растущих растений, но и способствует разрушению структуры и сокращению срока использования ваты. Минеральную вату в зависимости от ее свойств и характеристики используют в течение 1...3лет (обязательна стерилизация или смена культуры после эксплуатации ваты в течение 1 года), а для культуры роз – до 5 лет.
Минераловатные плиты очень сильно могут различаться по плотности и по расположению волокон. От этих свойств зависят их влагоемкость, воздухоемкость и долговечность. Плотность может составлять 40...70 кг/м3. Волокна могут располагаться вертикально, горизонтально (при горизонтальном расположении волокон по слоям может быть разная плотность – верхний плотный, нижний рыхлый).
Минераловатные блоки стандартной плотности сохраняют соответствующую структуру в течении 4-х лет или больше для одной культуры длительного выращивания, как розы, или выдерживают повторное использование по меньшей мере для трех однолетних культур со стерилизацией паром перед каждой новой культурой. Блоки с пониженной плотностью имеют более короткий эксплуатационный период, но даже их можно стерилизовать и постоянно использовать, по меньшей мере, еще раз, если они хорошего качества. В производстве в настоящее время используют минераловатные блоки с разными свойствами, различных торговых марок.
Минеральную вату можно повторно использовать для второго урожая, а ино¬гда даже для третьего. Если первый урожай не пострадал от патогенов, то и нет необходимости делать стерилизацию или санацию. Хорошая доза энзима с промывкой - и всё можно повторить. Если в первом урожае были корневые патогены, то не стоит применять минеральную вату повторно. После трех урожаев плиты теряют физические свойства.
Минеральная вата имеет ряд преимуществ в сравнение с торфом;
-обладает высокой порозностью для воздуха и воды;
-поддерживает хорошее соотношение содержания воздуха и воды;
-химически инертна;
-структурно стабильна и имеет постоянство качества;
-не содержит патогенов;
-ее можно стерилизовать паром, химически и использовать повторно несколько оборотов.[27].
Однако минеральная вата обладает рядом недостатков:
-усадка – в процессе выращивания минеральная вата частично усаживается, особенно маты с горизонтальным направлением волокон, которые теряют до 30% от первоначальной высоты. Маты с комбинированным направлением волокон или утолщенными волокнами усаживаются меньше. Это приводит к ухудшению водно-воздушного режима и затруднению развития корневой системы;
-отсутствие запаса ионов. Восполнение запаса элементов питания в минераловатном блоке с помощью подачи питательного раствора создает большую нагрузку на систему орошения, особенно в летние месяцы, когда за сутки осуществляется 20-25 циклов подачи питательного раствора. При дефиците элементов питания последует снижение урожайности и ослабление иммунитета растений, поэтому требуется пристальный контроль за состоянием растений и хорошее знание технологии выращивания.
-утилизация минеральной ваты требует дополнительных затрат, так как базальтовые волокна и пластиковая пленка мата практически не разлагаются, загрязняя окружающую среду. Однако некоторые компании, например, GRODAN, предоставляют услуги по переработке использованных матов в сырье для производства [2, 8, 16].
1.4. Полимерный пленочный субстрат
Представляет собой мембрану на основе целлюлозы и ее ацетилированных производных с нанесенным на нее гидрогелем на базе поливинилового спирта (рис. 1). Размер пор селективного слоя составляет не более 0,45 мкм.
Рисунок 1 – Иллюстрация основной концепции изготавливаемых полимерных пленочных субстратов [9].
Концепция ПС заключается в том, что мембрана обеспечивает механическую прочность и предотвращает контакт растений с патогенами, возможно находящимися в питательных растворах, а гидрогель, сформированный со стороны пальцеобразных пор подложки, связанный с подложкой силами межмолекулярного взаимодействия или ковалентными химическими связями обеспечивает возможность закрепления корневых систем растений [9].
Технология производства плодоовощной продукции на гидро-мембране Imec® позволяет выращивать овощи на мембране без использования какого-либо субстрата, на любых поверхностях, с минимальным количеством воды. Многочисленные нанопоры гидро-мембраны Imec® пропускают только молекулы воды и питательного раствора, блокируя при этом вирусы и бактерии, а технология гидрогеля минимизирует потребление воды. В результате растение накапливает питательные вещества в концентрированном количестве, что приводит к исключительным вкусовым характеристикам плода, не имеющим аналогов среди существующих сортов. Следующим шагом разработки является тестирование лекарственных растений на гидро-мембране Imec®.
Анализ многочисленных исследований отечественных и зарубежных ученых по технике и технологии применения гидрогелей в овощеводстве, виноградарстве, декоративном садоводстве и др. отраслях сельского хозяйства показал, что данный агроприем недостаточно проработан, особенно применительно к полевым севооборотам и культурам [28]. Одна из причин – отсутствие научно обоснованных рекомендаций и оценок эффективности данной технологии в различных почвенноклиматических зонах.
Из вышеописанного можно заключить, что универсального, по своим характеристикам, субстрата не существует. Наличие света, воды, элементов минерального питания и благоприятный температурно-влажностный режим в теплицах способствует развитию водорослей как на органических субстратах (верховой торф) так и на искусственных инертных субстратах (минеральная вата), что приводит к повышению расхода удобрений и снижению доступа кислорода к корневой системе, возможности вторичного заражения растений грибными болезнями [23]. Утилизация большего объема минераловатного субстрата связана с дополнительными расходами и риском загрязнения окружающей среды при ее складировании на мусорных полигонах.
На сегодняшний день стоит цель создания субстрата, который был бы лишен ряда недостатков существующих субстратов и отвечал необходимым требованиям тепличного производства, поэтому разработка и агротехническая оценка полимерного пленочного субстрата с селективным слоем, безопасного для окружающей среды, простого и дешевого является в высшей мере актуальной.
?
ГЛАВА II ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводились в фитотроне ФГБОУ ВО СПбГАУ. Проращивание семян осуществлялось в климатостате при температуре 23 0С и относительной влажности воздуха – 90%. В период вегетации температура поддерживалась днем – 23 0С, ночью – 20 0С, относительная влажность воздуха составила 55-65%. Фотопериод составил 16 ч день, 8 ч ночь. Плотность фотосинтетического фотонного потока (ПФФП) – 98±10 мкмоль/с/м2. Соотношение ПФФП пиковых по поглощению длин волн в синем (450 нм) и красном (660 нм) диапазонах спектра света составляет 1:1.
График 1 Спектрограмма источника освещения .
Выращивание растений происходило гидропонным методом способом водной культуры. Состав питательного раствора, %: N – 18, P2O5 – 6, K2O – 18; микроэлементы (в сульфатной форме) Zn, Cu, В – 0,01, Mn – 0,1, Mo – 0,001.[28] Электропроводность питательного раствора составила 2,2 мСм/см, рН – 6,4. Для раскисления питательного раствора добавляли NaOH – 4 мл/л. Питательный раствор менялся один раз в два дня.
Пленочные субстраты-ПС были натянуты на поддерживающие стеклянные кольца диаметром 5 см; полимерно-пленочный субстрат-ППС Мебиол был натянут поддерживающие пластиковые кольца диаметром 9 см.
Целью настоящего исследования является агротехническая оценка полимерных пленочных субстратов при салат посевной (Lactuca sativa L.) сорта Азарт, базилик овощной (Ocimum basillicum L.) сорта Дженовизе и горчица сарептская (салатная) (Brassica juncea L.) сорта Фрили ред в условиях гидропонной системы питания .
Для решения поставленной цели решались следующие задачи:
- проведения фенологических наблюдений за развитием растений салата посевного;
- проведение биометрических измерений роста растений салата посевного;
- учёт общей биомассы и повреждений растений салата посевного;
- оценка состояния полимерного пленочного субстрата.
Объектами исследования являлись салат посевной (Lactuca sativa L.) сорта Азарт, базилик овощной (Ocimum basillicum L.) сорта Дженовизе и горчица сарептская (салатная) (Brassica juncea L.) сорта Фрили ред. и полимерные пленочные субстраты (4 варианта по 2 экземпляра представлены ООО «Эс энд Ар Системы», 1 вариант представлен Mebiol Inc.).
Для агротехнической оценки представлено 4 варианта ПС и 1 вариант пленочного субстрата Мебиол (таблица 2).
?
Таблица 2 – Описание полученных образцов полимерных пленочных субстратов по [9]
№ Вариант ППС Материал подложки Сшивающий агент
1 ПС-1 Ацетат целлюлозы ПП-1 (Концентрация 0,4613 моль –NCO/л)
2 ПС-2 Ацетат целлюлозы ПП-2(Концентрация 2,7675 моль –NCO/л)
3 ПС-3 Регенерированная целлюлоза ПП-1 (Концентрация 0,4613 моль –NCO/л)
4 ПС-4 Регенерированная целлюлоза ПП-2 (Концентрация 2,7675 моль –NCO/л)
5 Мебиол Поливиниловый спирт Коммерческая тайна-
Схема опыта включает в себя следующие варианты:
1. Торф+вермикулит (1:1) – контроль
2. Минеральная вата – контроль
3. ПС (варианты исполнения 1, 2, 3, 4)
4. Мебиол
Размещение вариантов в опыте систематическое, опыт проводился в 2-3 кратной аналитической повторности. Учёт проводился в 6-10 кратной биологической повторности.
В качестве контрольных вариантов выбраны минераловатный субстрат в форме пробок диаметром 2 см и смесь верхового торфа и вермикулита в соотношении 1:1.
Для агротехнической оценки проведены фенологические наблюдения (всхожесть семян, отмечались даты посева, массовых всходов, двух настоящих листьев), биометрические измерения (длина листьев, количество листьев). При проведении исследований руководствовались методическими указаниями: «Методические указания по изучению коллекции капусты и листовых зеленных культур (салат, шпинат, укроп)» [10] и «Методика полевого опыта в овощеводстве» [11].
Статистическую обработку экспериментальных данных по общей биомассе проводили методом дисперсионного анализа по t-критерию Стьюдента (оценка значимости разности между средними осуществлялась по НСР0,05) с использованием прикладных программ Microsoft Excel.
2.1. Полимерно пленочный субстрат Mebiol
Корнеобитаемые среды в закрытом грунте называют субстратами (грунтами), так как они отличаются от почв естественного происхождения. Субстраты делятся на:
• собственно почвы (хорошо удобряемые естественные почвы);
• почвосмеси, которые состоят из различных компонентов в основном органического происхождения с добавлением минеральных удобрений;
• заменители почвы органического происхождения (торф, солома, опилки);
• искусственные субстраты, предсплнетавляющие собой инертные материалы (гравий, керамзит, песок и т. д.
• полимерно пленочные субстраты (синтезированные на основе ацетат циллюлозы )
Полимерно-пленочный субстрат Mebiol Imec ® - это изобретение доктора Юичи Мори (бывшего приглашенного профессора из университета Васэда), который имеет более чем 30-летний опыт разработки передовых мембран и гидрогелей для использования в медицинских продуктах, таких как гемодиализ, сосудистые трансплантаты и катетеры.
Доктор Мори основал Mebiol, Inc. в 1995 году с целью применения медицинских мембранных и гидрогелевых технологий в сельском хозяйстве, решая проблемы, связанные с глобальным дефицитом продуктов питания и безопасностью, вызванными нехваткой воды и деградацией почвы в результате глобального потепления.
Доктор Мори продолжает продвигать ИМЕК ® соответствующие технологии для регенерации сельскохозяйственных земель серьезно пострадали от гигантского цунами в Японии и создать производственные базы высококачественных продуктов в бесплодных землях за рубежом.
Mebiol Inc - Пленка поливинилового спирта (ПВС) компании Mebiol Inc. хорошо поглощает и пропускает воду или питательный раствор, что достигается путем обеспечения равновесной степени набухания пленки ПВС в диапазоне от 125 до 250%. Вязкоупругое свойство пленки поливинилового спирта (ПВС) демонстрирует превосходную прочность, подходящую для выращивания растений.
Хотелось бы отметить, что ППС это отечественная разработка, которая может стать аналогом японской разработки Mebiol, которая активно используется на современных тепличных комплексах.
Система выращивания растений содержит: пленку поливинилового спирта (ПВС) для выращивания на ней растений, средство удержания питательного раствора, находящееся в контакте с нижней поверхностью пленки ПВС и систему подачи питательного раствора, находящуюся под пленкой ПВС (рис. 2).
Пленка ПВС представляет собой двухосно ориентированную пленку толщиной от 5 до 100 мкм [24].
