CC BY
152
УДК 635.032/.034:635.012
ОСОБЕННОСТИ УДОБРЕНИЯ КУЛЬТУР В ТЕХНОЛОГИЯХ ГИДРО- И АЭРОПОНИКИ
А.А. Ветчинников, к.с.-х.н., Д.В. Анциферова, А.Ю. Тесленко, Е.В. Кечкова
Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, e-mail: [email protected]
Проблема рационального и безопасного использования водных и земельных ресурсов, минеральных удобрений и средств защиты растений привела к развитию интенсивных технологий производства овощей в условиях защищенного грунта. Перспективной технологией на настоящий момент является аэропоника - способ выращивания растений без использования почвы и субстратов. Развитие данной технологии предполагает изучение наиболее эффективных питательных растворов и режимов их подачи. Для подобных исследований была сконструирована аэропонная установка, позволяющая проводить эксперименты на трех вариантах в трехкратной повторности. Основной целью исследований было определение оптимального интервала подачи питательного раствора при выращивании шнитт-лука для получения максимального и качественного урожая. Установлено, что увеличение времени между периодами подачи питательного раствора с 20 до 40 мин. приводит к достоверному снижению вегетативной массы растений на 10%, при этом расход питательного раствора сокращается на 20%. Анализ содержания витамина С показал, что с увеличением времени между поливами происходит его достоверное увеличение на 30%. Оптимальным режимом подачи питательного раствора является интервал между поливами в 30 минут с продолжительностью 10 секунд, позволяющий получать достоверные прибавки как вегетативной массы, так и содержания в ней витамина С.
Ключевые слова: гидропоника, аэропоника, питательный раствор, удобрения, шнитт-лук биомасса, витамин С.
FEATURES OF FERTILIZERS APPLICATION FOR CROPS CULTIVATION IN HYDRO- AND AEROPONICS TECHNOLOGIES
Ph. D. A.A. Vetchinnikov, D.V. Antsiferova, A.Yu. Teslenko, E.V. Kechkova
Nizhniy Novgorod State Agricultural Academy, e-mail: [email protected]
The problem of rational and safe use of water and land resources, mineral fertilizers and plant protection products has led to the development of intensive vegetable production technologies in the protected ground conditions. The most promising technology at present is aeroponics - a method of growing plants without using soil and substrates. The development of this technology involves the study of the most effective nutritional solutions and modes of supply. Aeroponic model has been designed to carry out such studies, allowing to carry out experiments in three variants in three replications. The main aim of the present study was to determine the optimal interval delivery nutrient solution for growing chives to produce high yield and quality. The conducted study allowed to conclude that the increase in the time periods between delivery of the nutrient solution from 20 to 40 minutes resulted in a significant reduction in vegetative mass by 10%, while the nutrient solution consumption is reduced by 20%. Analysis of the content of vitamin C showed that with increasing time between waterings is its significant increase of 30%. The optimal regime of delivery of the nutrient solution is the interval between waterings in 30 minutes with a duration of 10 seconds, allows one to obtain significant increase in the vegetative mass and the content of vitamin C.
Keywords: hydroponics, aeroponics, nutrient solution, fertilizer, chives, biomass, vitamin C.
В связи с высокой скоростью роста населения в мире среднемировая обеспеченность пашней составляет менее 0,2 га/чел., а через пару десятилетий данный показатель сократиться почти на четверть. Ситуация с доступом к чистой пресной воде еще более сложная. В подобных условиях увеличение производства продовольствия без нанесения значи-
тельного ущерба окружающей среде и поддержание курса устойчивого развития общества становится невыполнимой задачей. Технология гидропоники в данном контексте позволит удовлетворить растущий спрос на свежие овощи и фрукты не только в странах с дефицитом сельскохозяйственных земель и пресной воды, но и получать высоко-
качественное сырье для перерабатывающей и фармацевтической промышленности в экономически развитых регионах мира [1].
Понятие «гидропоника» ввел в конце 20-х годов XX в. профессор Калифорнийского Университета Уильям Ф. Герик, понимая его как выращивание растений с помощью воды с растворенными в ней элементами питания [2]. Однако в России растения, выращенные на питательных растворах без использования почвы, были продемонстрированы уже в 1896 г. в Нижнем Новгороде на Первой Всероссийской выставке сельского хозяйства и промышленности К.А. Тимирязевым, который представил т.н. «водную культуру» кукурузы, подсолнечника и гречихи. С тех пор данная технология шагнула далеко вперед и стала доминирующей в условиях защищенного грунта [3, 4].
Отличительной чертой гидропоники служит отсутствие почвы в технологическом процессе выращивания сельскохозяйственных культур. Питательные элементы растения получают посредством автоматизированных систем, подающих питательный раствор (воду с растворенными в ней минеральными компонентами) непосредственно к корневой системе [5]. Данный факт вносит существенные коррективы в систему применения удобрений. При возделывании культур на грунтах растения получают основную массу элементов питания из почвы, а с удобрениями поступают дополнительные их количества. В случае же с гидропоникой удобрения служат единственным источником питательных элементов, а следовательно, начинают играть решающую роль свойства компонентов питательного раствора оставаться в доступном для усвоения растворенном виде максимально долгое время. И если с основными макроэлементами проблема была решена довольно быстро, то с микроэлементами дело обстояло иначе - они долгое время могли присутствовать в составе питательных смесей только в виде сульфатов [6]. Ситуация изменилась, когда в составе питательных смесей появились хелаты, что дало новый
толчок в развитии гидропоники. Особенностью хелатов является их способность удерживать в своем составе катионы микроэлементов, не давая им вступать в реакции с другими солями и «выпускать» их в раствор тогда, когда их концентрация в нем снижается [7]. В связи с этим удобрения, применяемые при гидропонных технологиях выращивания растений, значительно дороже удобрений, применяемых в традиционном растениеводстве и соответственно требуют более рачительного использования.
Гидропоника имеет значительное число вариаций технологии, которые отличаются друг от друга различными способами подачи удобрений к растениям. Наиболее передовой вариант технологии гидропоники - аэропоника, которая позволяет эффективно решить проблему аэрации корневой системы растений и экономии удобрений [8].
Главным отличием гидропоники от аэропоники служит тот факт, что корни растений находятся в питательном растворе не постоянно, а периодически им опрыскиваются. При этом, чем чаще происходит подача питательного раствора к корневой системе, тем для растений лучше. Однако частые и длительные периоды опрыскиваний приводят к значительным попутным потерям питательного раствора, а также существенно снижают технический ресурс оборудования, что приводит к снижению экономической эффективности технологии [9]. В связи с этим, прежде чем приступить к изучению эффективности применения различных питательных растворов, необходимо подобрать оптимальные режимы их подачи к корневой системе [10].
Цель исследований - определение оптимальной продолжительности поливов и их периодичности, позволяющей растениям не испытывать дефицита воды и элементов питания, формировать высокий и качественный урожай, не приводя при этом к излишним потерям питательного раствора и нагрузкам на оборудование.
Методика. Исследования проводили в лаборатории кафедры агрохимии и агроэкологии Нижегородской ГСХА. Для выполнения поставленных целей по определению эффективности выращивания овощных и зеленных культур методом аэропоники была собрана экспериментальная модель установки. Установка состоит из девяти параллельно расположенных лотков, объединенных в три группы по три лотка (рис. 1). В каждом лотке имеется посадочное место для 10 горшочков. Каждая группа лотков запитана
гч ! У
—» -
• ( » . 1 . 1 ■ • 1 » - *
Рис. 1. Внешний вид аэропонной установки
1. Схема эксперимента
Вариант Продолжительность Периодичность
полива, сек. поливов, мин.
1. Период 20 мин 10 20
2. Период 30 мин 10 30
3. Период 40 мин 10 40
отдельным питательным раствором из собственного бака. Система полностью замкнутая, т.е. сток дренажных вод отсутствует. Из бака раствор минеральных удобрений засасывается насосной станцией и подается в соответствующие лотки, где посредством форсунок, расположенных на дне лотков, он распыляется в корневой зоне растений и затем стекает самотеком в исходный бак. Управление продолжительностью и частотой поливов осуществляется в автоматическом режиме контроллером JuniorMax и электромагнитными клапанами. Система досвечивания в конструкции установки не предусмотрена. Для предотвращения развития микробной массы в баках с питательной смесью предусматривалось ежедневное облучение питательного раствора кварцевой лампой - время экспозиции составляло 1 час. Установка позволяет в трехкратной повторности изучать действие трех различных питательных растворов.
Для определения оптимальной частоты поливов необходима была культура с относительно коротким вегетационным периодом и невысокими требованиями к условиям освещенности. Данным условиям вполне удовлетворяла культура шнитт-лука (Allium schoenoprasum L.).
В условиях эксперимента было выбрано три режима подачи питательного раствора. Продолжительность полива составляла по 10 сек., а время между поливами различалось на 10 мин. (табл. 1).
Посев лука проводили 2 апреля 2016 г. в перфорированные горшочки, заполненные кусочками минеральной ваты. В каждый горшочек высевали по 3 растения. До появления всходов горшочки находились в поддоне, в котором поддерживался уровень высоты питательного раствора в 0,5 см. После появления всходов провели выравнивание количества растений в горшочках (оставили по 1 растению) и размещение в аэропонной установке. Таким образом, в каждом повторении было 10 горшочков по 1 растению. Общий вид растений шнитт-лука перед уборкой представлен на рисунке
2. Длина вегетации составила 55 дней, после чего урожай был собран и учтен.
Результаты исследований. Установлено, что наиболее экономичным вариантом, с точки зрения расхода питательного раствора, был вариант с периодичностью орошения, равным 40 мин. При максимальном периоде орошения за вегетационный период было израсходовано 67 л питательного раствора. Сокращение периодичности поливов до 30 мин. привело к 13%-ному перерасходу питательного раствора, а 20 мин. перерыв приводил уже к 20%-ному перерасходу. Кроме расхода питательного раствора изменение периодичности опрыскивания корневой системы оказало влияние не только на общую урожайность шнитт-лука, но и на изменение структуры урожая (табл. 2).
По ходу эксперимента можно было наблюдать, что во всех вариантах растения развивались достаточно синхронно, существенных отставаний в росте большинства растений не было. Корневая система лука была хорошо развита. Однако в конечном итоге учет отдельных элементов биомассы шнитт-лука показал, что в опыте имеются достоверные различия
Рис. 2. Шнитт-лук, выращенный методом аэропоники
2. Структура биомассы лука, выращенного методом аэропоники
Вариант Масса корневой системы Масса луковицы Масса листьев
масса, г ± к контролю масса, г ± к контролю масса, г ± к контролю
г % г % г %
1. Период 20 мин 0,34 - - 1,57 - - 1,67 - -
2. Период 30 мин 0,30 -0,03 -10 1,63 +0,06 +4 1,61 -0,06 -4
3. Период 40 мин 0,29 -0,05 -14 1,46 -0,11 -7 1,46 -0,21 -13
НСР05 0,31 9 0,09 6 0,13 8
3. Изменение общей биомассы шнитт-лука и содержания витамина С в вегетативной массе
Вариант Биомасса, г/растение Витамин С, мг%
г ± к контролю мг% ± к контролю
г % мг% %
1. Период 20 мин 3,58 - - 77 - -
2. Период 30 мин 3,54 0,04 1 95 18 24
3. Период 40 мин 3,21 0,37 10 99 23 30
НСР05 0,18 5 17 19
между отдельными вариантами. Так, увеличение интервала между поливами вдвое (с 20 до 40 мин.) приводило к достоверному снижению массы корневой системы (на 14%), хотя существенных различий между вариантами не наблюдалось.
При учете итоговой массы луковиц была выявлена иная тенденция. Сокращение межполивного интервала с 20 до 30 мин. привело к увеличению средней массы луковицы на 4%, однако данная прибавка оказалась недостоверной, в отличие от третьего варианта, где увеличение времени между поливами до 40 мин. привело к достоверному снижению средней массы луковицы на 7%. Сходная картина наблюдалась и в изменении массы листьев. Максимальный урожай был получен в первом варианте и составил в среднем 1,67 г/растение. Увеличение времени между поливами на 10 мин. привело к снижению урожайности листьев на 0,06 г/растение, а на 20 мин. - на 0,21 г/растение, или на 13%.
Анализ общей биомассы шнитт-лука позволил констатировать наличие существенных различий между вариантами (табл. 3). Увеличение продолжительности времени между поливами с 20 до 40 мин. привело к снижению общей массы одного растения на 0,37 г. Наибольшее (99 мг%) содержа-
ние витамина С получено в варианте с максимальным периодом между поливами. Сокращение времени между поливами с 20 до 30 мин. также дает достоверное увеличение содержания витамина С (с 77 до 95 мг%).
Таким образом, в модельном опыте по определению оптимального режима подачи питательного раствора к растениям, выращиваемым методом аэропоники, можно констатировать, что наиболее экономичным был режим с периодом 40 мин. между поливами, позволяющий на 20% снизить расход питательного раствора и получить высокое содержание витамина С в вегетативной массе. Однако данный режим приводит к достоверному снижению как общей биомассы шнитт-лука, так и ее основных компонентов (корневая система, луковица и листовой аппарат). Анализируя данные, полученные в ходе экспериментов, следует признать, что оптимальным режимом подачи питательного раствора является цикличный интервал между поливами, равный 30 мин., позволяющий получать достаточную биомассу шнитт-лука при оптимальном ее качестве.
Литература
1. Bugbee B. Nutrient management in recirculating hydroponic culture // Acta Hort., 648, 2004. - P. 99-112.
2. Gericke W.F. Hydroponics - crop production in liquid culture media // Science 85: 1937. - P. 177-178.
3. Вахмистров Д.А. Растения без почвы. - М.: «Молодая гвардия», 1965. - 109 с.
4. Госсе Д.Д., Васенев В.И., Афонина А.К. Развитие технологий выращивания растений в вертикальной плоскости // Агроэкология, 2015, № 4. - С. 40-44.
5. Arteca R.N., Arteca J.M. A novel method for growing Arabidopsis thaliana plants hydroponically // Physiol. Plant, 108: 2000. - P. 188-193.
6. Schwarza D., Groscha R., Grossb W., Hoffmann-Hergartenc S. Water quality assessment of different reservoir types in relation to nutrient solution use in hydroponics // Agric. Water Manage, 71: 2005. - P. 145-166.
7. Resh H.M. Hydroponic food production: a definitive guidebook of soilless food growing methods // 6th ed. Woodbridge Press Publishing Company, 2001. - P. 210-499.
8. Nhut D.T., Nguyen N.H., Thuy D.T. A novel in vitro hydroponic culture system for potato (Solanum tuberosum L.) mi-crotuber production // Sci. Horti., 110: 2006. - Р. 230-234.
9. Benton J.J. Hydroponics. A practical guide for the soilless grower // 2nd edition, CRC Press, 2004. - P. 35-150.
10. Lennard W.A., Leonard B.V. A comparison of three different hydroponic subsystems (gravel bed, floating and nutrient film technique) in an Aquaponic test system // Aquacult. Int., 14: 2006. - P. 539-550.
