Агробиологическая оценка возделывания салата посевного (Latuca sativa L.) при использовании органоминеральных наполнителей субстратов в условиях малообъемной гидропоники

Введение. Выращивание сельскохозяйственных культур методом гидропоники с использованием комплекса химии, биологии и электроники, разработка инновационных технологий и инженерно-технического обеспечения – одно из важнейших направлений тепличного производства в настоящее время [1].

В современном мире широко распространено выращивание зеленых и овощных культур на малообъемных субстратах. В Скандинавских странах на новые технологии выращивания овощных культур переведено более 80 % от общей площади теплиц. В стране классического земледелия – Нидерландах, предпочитающей выращивание на естественных почвах, под ма- лообъемную технологию выделено более 50 % пахотных земель. Не меньшее распространение данная технология получила в тропических и субтропических зонах земного шара, вытесняя старые способы выращивания. Статистические данные показывают, что с конца прошлого века (1975 г.) по настоящее время годовые объемы строительства гидропонных теплиц с малообъемными технологиями субстратного выращивания составляют в развитых странах (США, Испания, Италия, Израиль и др.) уже десятки тысяч гектар [2].

Основная причина широкого распространения этой технологии – высокая экономическая эффективность, включающая не только рентабельность производства путем повышения урожайности, но и значительную экономию ресурсного потенциала [3, 4].

При использовании малообъемной технологии тепличные культуры выращивают без почвы, на искусственных субстратах – с использованием готовых питательных сред (растворов). При этом все необходимые питательные вещества в нужных количествах и точных пропорциях (что почти невозможно осуществить при почвенном выращивании) растение получает из раствора [1].

Субстраты являются опорными средствами для роста растений, заменителями грунта. Наряду с традиционным (дерновая земля, перегной, навоз) все большее количество хозяйств осваивает технологию выращивания овощных растений на искусственных субстратах – органических и минеральных. В качестве органических субстратов используют торф, мох (сфагнум), древесную кору, опилки и подобные материалы [4, 5].

Однако использование вышеперечисленных субстратов в гидропонном способе выращивания имеет и ряд существенных недостатков. Например, многократное использование минеральной ваты неприемлемо, а ее утилизация весьма проблематична. Кроме того, минеральная вата, торф и кокосовая стружка – импортируемые материалы, их стоимость и затраты по транспортировке накладываются на себестоимость продукции. Поэтому возникла необходимость поиска наиболее дешевых субстратов и их наполнителей предпочтительно из местного сырья. В этом случае в качестве основного субстрата фиксирующего растения можно использовать поролон. Такой субстрат безопасен не только для человека, но и для окружающей среды. Пенополиуретан разлагается, находясь в почве, достаточно длительное время, но при этом он не оказывает негативного влияния на растения. Соответственно данный заменитель субстрата значительно снижает затраты на получение готовой продукции и может быть безопасно и эффективно утилизирован после его использования. А для повышения его эффективности можно и нужно использовать различные наполнители богатые макро- и микроэлементами (рисовая шелуха, ламинария японская), наиболее доступные для региона [6].

Приморский край является одним из дальневосточных регионов, в котором выращивают культуру риса, а в акватории Японского моря произрастает морская водоросль ламинария японская ( Laminaria japonica Aresch.). Производство риса дает практически нигде не используемые отходы – рисовую шелуху, а из водоросли получают биологически чистую добавку в качестве биомелиоранта. Поэтому поиск подходящих для роста зеленных культур, в том числе салата посевного (Lactuca sativa L .) , наполнителей субстратов из местного сырья, является весьма актуальной задачей в овощеводстве региона.

Цель исследования. Дать агробиологическую оценку салата посевного ( Lactuca sativa L.) при использовании органоминеральных наполнителей субстратов на основе рисовой шелухи и ламинарии японской в условиях малообъемной гидропоники ФГБОУ ВО Приморская ГСХА.

Задачи исследования: 1) изучить агрохимическую природу наполнителей субстратов, полученных из местного сырья на основе рисовой шелухи и ламинарии японской; 2) проанализировать влияние органоминеральных наполнителей субстратов на формирование элементов архитектоники вегетативной системы растений салата, выращенных гидропонным способом; 3) провести анализ урожайности салата посевного.

Материалы и методы исследования. В 2018 г. на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Приморская государственная сельскохозяйственная академия» (далее ФГБОУ ВО Приморская ГСХА) в лаборатории биотехнологии нами проведена работа по агробиологической оценке салата посевного к условиям выращивания – применения наполнителей субстрата различной биологической и агрохимической природы в виде продуктов вторичной переработки сельскохозяйственных культур и растительных организмов. В качестве наполнителей субстратов применяли сухие вещества ламинарии и рисовой шелухи. Ламинарин как биологически активная добавка является природным источником йода и характеризуется богатейшим химическим составом (табл. 1).

Таблица 1

Покказатель

Cl

Ca

Na

Mg

Si

P

I

K

Fe

Zn

V

Mn

Ni

Co

Mo

Сухое вещество, мг/100 г

co CO CD x—

LD OO co

CM co

co cn x—

LD CD

X— CD

LD CN CD

CM cn CD

CM CD

CM CD CD CD

CO CD CD CD

CD CD CD

o'

co CD CD CD CD

CO CD CD CD CD CD

Примечание : таблица составлена по литературным данным [7, 8].

Химический состав ламинарии японской

Использование производных водоросли в качестве удобрений для выращивания культур в почвенных субстратах весьма эффективно. В них весьма высокое содержание макро- и микроэлементов, необходимых для сельскохозяйственных культур, в первую очередь таких как калий, азот, фосфор, йод, марганец, молибден, бор и др. Водорослевые полисахариды, вступая в контакт с почвенными субстратами, способствуют улучшению их химического состава, а витамины и аминокислоты, содержащиеся в водорослях, улучшают условия питания растений через корневую систему и благоприятствуют их росту и развитию. Вопрос о применении производных водоросли в качестве наполнителя субстрата в гидропонике остается открытым [5].

При измельчении ламинарии японской получается продукт в виде аморфного порошка свет- ло-бежевого оттенка с соленым привкусом и специфическим ароматом – ламинарин. Порошок водоросли растворим в воде и глицерине.

Рисовая шелуха является не только мульчирующим материалом для почвенного субстрата, но и органическим удобрением, содержащим не менее 82 % органического вещества. Кроме того, при разложении шелуха образует не менее ценные гуминовые кислоты, или БАДы, которые являются не только регуляторами роста, но и обладают фунгицидным действием. Однако данное органическое удобрение при его использовании в закрытом грунте может быть источником бактериальных и вирусных болезней. Это связано с тем, что в период вегетации растения риса могут поражаться различными болезнями, которые сохраняются в рисовой шелухе [9]. Органический состав рисовой шелухи представлен в таблице 2.

Состав рисовой шелухи

Таблица 2

Показатель	Содержание, % масс
Влага	8,47–11
Зола	15,68–18,59
Сырой белок	2,94–3,62
Экстракт, растворимый в эфире	0,82–1,2
Сырое волокно	19,05–42,9
SiO 2	18,17

Примечание : таблица составлена по литературным данным [10].

Благодаря высокому содержанию кремнезема рисовая шелуха оказывает благотворное влияние на рост и развитие сельскохозяйственных культур, улучшает агрохимическое состояние питательного раствора и способствует лучшему обмену в тканях растений азота и фосфора.

Кроме обычной, существует экспондирован-ная рисовая шелуха, т.е. шелуха, прошедшая термическую обработку под высоким давлением. Ее преимущество заключается в значительном снижении рисков возникновения очагов па- тогенных болезней при ее использовании в качестве удобрения в тепличных комплексах. Но при этом сохраняются все макро- и микроэлементы, содержащиеся в шелухе. Химический состав представлен в таблице 3.

Исследования проводились в условиях малообъемной гидропонной теплицы стационарного типа, установленной в специальном помещении лаборатории биотехнологий ФГБОУ ВО Приморская ГСХА.

Таблица 3

Сырье	CaO	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	MgO	SO 3	Na 2 O	K 2 O
Рисовая шелуха	0,61	15,64	0,24	0,12	0,45	0,18	0,48	0,28

Примечание : таблица составлена по литературным данным [10].

Химический состав рисовой шелухи (лузги), %

В марте 2018 г. на базе Приморской ГСХА в рамках исследовательского российско-японского проекта «The future agriculture with Russia» был произведен монтаж и введен в эксплуатацию автоматический тепличный комплекс, который представлен в формате малообъемной климатической камеры «Agricultural cultivation test equipment» фирмы «CEM Corporation» (Япония). Система работает по схеме проточной гидропоники, с технологией стеллажного выращивания растений на пластиковых (пенопластовых) поддонах, с применением многоразовых кассет-вкладышей на 26 и 6 ячеек, с размером кассет-вкладышей 0,35×0,58×0,025 м. Опыт заложен в 4 повторностях по каждому из вариантов. Общая учетная площадь размещения растений в каждом варианте равна 1,1 м2, освещение искусственное в бело-красном спектре [11].

Выполнение научной работы состояло из следующих этапов: выбор сорта салата посевного; выращивание посадочного материала; выбор и обоснование агрохимического состава питательного раствора для культивирования растений; подбор органоминеральных наполнителей субстратов; изучение агробиологических особенностей возделывания салата посевного при использовании органоминеральных наполнителей субстратов.

В качестве питательного раствора, применяемого в гидропонике при возделывании культуры салата посевного, нами использована среда Woody Plant Medium (далее по тексту – WPM), которая по своему агрохимическому составу соответствует требованиям салата посевного. Агрохимический состав среды представлен в таблице 4.

Таблица 4

Компонент среды	Концентрация компонентов, мл/л
NH 4 NO 3	400
MgSO 4 ∙7H 2 O	370
Ca(NO 3 ) 2 ∙4H 2 O	556,0
CaCI 2	96,6
KН 2 РО 4	170,0
Na 2 – EDTA	37,3
Na 2 MoO 4 ∙2H 2 O	0,25
FeSO 4 ∙7H 2 O	27,8
MnSO 4 ∙H 2 O	22,3
ZnSO 4 ∙7H 2 O	8,6
K 2 SO 4	990,0
H 3 BO 3	6,2
CuSO 4 ∙5H 2 O	0,25
Витаминный комплекс:
PP 1	0,5
B 1	0,5
B 6	0,5
C	1,0

Агрохимический состав питательного раствора WPM

Дальнейшие исследования были продолжены в рамках подготовки органоминеральных наполнителей субстратов на основе их агрохимических характеристик.

Опыт проведен по следующей схеме:

контроль – питательный раствор по прописи WPM + фиксирующий субстрат (поролон);

I вариант – питательный раствор WPM + фиксирующий субстрат с наполнителем (сухое вещество ламинарии японской (порошкообразное, мелкодисперсное));

II вариант – питательный раствор WPM + фиксирующий субстрат с наполнителем (сухое вещество рисовой шелухи (порошкообразное, крупнодисперсное)).

Наполнитель объемом 0,5 см3 помещали в центре поролоновой основы для фиксации будущих растений на кассете-вкладыше.

Затем в подготовленные субстраты произвели пикировку рассадного материала в возрасте 7 дней и распределили его на платформах (расстояние между растениями 15х15 см. 4 сентября 2018 г. платформы с растениями салата «Ку-черявец одесский» поместили в гидропонную теплицу проточного типа.

В рамках данного исследования были отобраны отечественные сорта салата: Кучерявец одесский – сорт среднеспелый, 68–75 дней от всходов до уборки, массой до 200 г, диаметром 24–32 см и Московский парниковый – сорт раннеспелый 50–65 дней от всходов до уборки, массой до 200 г, диаметром 22–27 см.

Морфометрические показатели агробиологических особенностей развития растений салата посевного фиксировали 1 раз в 7 дней. Учитывая биологические особенности вызревания отобранных сортов салата посевного в условиях открытого грунта, наблюдения за морфофизиологическим развитием растений в гидропонной теплице проводили в течение 8 недель (56 суток). Для измерения биометрических показателей использовали электронный штангенциркуль.

Наблюдения за формированием культур салата посевного сопровождались составлением фото-слайдов и фиксированием данных по количеству, размерам и числу адаптированных к используемым средам растений.

Результаты и их обсуждение. Согласно результатам опыта по определению лабораторной схожести, установлено, что всхожесть семян салата посевного сорта Кучерявец одесский на 34 % выше всхожести семян салата сорта Московский парниковый. На основании этого, даль- нейшие исследования проводили с сортом Ку-черявец одесский (далее по тексту – КО).

Продолжительность периода вегетации является важнейшим биологическим свойством, в значительной степени определяющим возможность возделывания того или иного вида в конкретных условиях [4].

Анализ динамики формирования растений салата сорта Кучерявец одесский в контрольном варианте в период с 04.09 по 15.09.2018 г. показал активное развитие растений. Количество сформированных листьев составляло 5–6 и 8–9 штук у одного взрослого растения в период второй части опыта (с 17.09 по 30.09.2018 г.). Часть растений в фазе 2–3 листьев «тормозили» в развитии, некоторые экземпляры растений при остановке в росте в фазе 2–3 листьев погибли.

В варианте с субстратом из сухого вещества ламинарии отмечено явление гибели растений салата в период с 17.09.2018 г. и полная гибель к 30.09.2018 г. В результате наблюдений за развитием растений салата посевного нами установлено, что порошок ламинарии после увлажнения поролоновой основы питательным раствором способствовал образованию гелеобразной (желеобразной) подушки, с последующим аллелопатическим (угнетающим) действием на рост и развитие розетки. Уже на стадии 2–3 листьев растения проявляли признаки повреждения и погибали.

Анализ литературных данных [7, 8] позволил установить, что альгинаты (в составе ламина-рина) образуют вязкие растворы, что было подтверждено экспериментально. Кроме того, нами также отмечено, что при использовании лами-нарина происходит процесс активного роста корневой системы растений.

Возникшие неблагоприятные условия для развития растений салата посевного сказались на жизненно важных параметрах. К моменту завершения опыта мы наблюдали отсутствие вегетирующей зеленой массы и наличие корневой системы, нехарактерной для салата посевного (удлиненный главный корень), длина которого, согласно замерам, составляет от 11,5–13,5 до 18,5 см. Корневая система была развита даже у растений, погибших в первую половину опыта (до 17.09.2018 г.).

Систематизированные данные динамики формирования весовых показателей розетки салата с корнем и без корня по вариантам предложенных органоминеральных наполнителей субстратов представлены в таблицах 5, 6 .

Таблица 5

Масса розеток салата Кучерявец одесский с корнем и без корня (контроль), г

Номер повторности	С корнем				Без корня
	7 дн.	28 дн.	35 дн.	56 дн.	7 дн.	28 дн.	35 дн.	56 дн.
1	6,5	30,0	81,5	152,4	4,2	22,5	68,3	130,4
2	11,5	46,0	96,6	171,2	7,0	38,5	78,6	154,6
3	10,5	33,0	93,4	168,6	20,5	23,8	72,0	149,4
4	11,5	31,0	86,7	157,3	10,5	24,5	66,7	138,7
Итого	40,0	140,0	358,2	649,5	42,2	109,3	285,6	573,1
Средняя	10,0	35,0	89,6	162,4	10,6	27,3	71,4	143,3

Минимальная масса розетки салата в кон- дукции в среднем всего на 13 % ниже общей трольном варианте составила 130,4 г, макси- массы растений салата.

мальная 154,6 г. Масса чистой товарной про-

Таблица 6

Масса розеток салата Кучерявец одесский с корнем и без корня (II вариант), г

Номер повторности	С корнем				Без корня
	7 дн.	28 дн.	35 дн.	56 дн.	7 дн.	28 дн.	35 дн.	56 дн.
1	9,0	41,5	121,4	211,6	7,0	37,8	106,4	194,2
2	16,0	47,5	117,5	203,6	12,2	41,0	98,3	188,0
3	16,5	48,8	131,0	217,3	12,3	33,0	92,2	209,6
4	16,0	36,3	128,7	213,5	13,0	31,5	86,5	205,9
Итого	57,5	174,1	498,6	846,0	44,5	143,3	383,4	797,7
Средняя	14,4	43,5	124,7	211,5	11,1	35,8	95,9	199,4

Средняя масса розетки салата во II варианте (с рисовой шелухой) составила 199.4 г, т.е. на 28 % выше, чем в контрольном варианте. Максимальное накопление биомассы растений салата наблюдали с 35 по 56-й день.

Площадь листовой поверхности является показателем, тесно связанным с величиною формируемого урожая. На рисунке 1 отражены результаты измерений площади листовой пластинки по вариантам на момент переноса растений в гидропонную установку.

Контроль

2,2-2,5-2,8-3,0

I – Ламинарин 0,3-0,5-0,7-1,0-1,1

Рис. 1. Замеры площади листовой пластинки опытных образцов

II – Рисовая шелуха

2,3-2,6-3,0-3,2-4,0

Биометрические измерения показателей растений салата на среде с добавлением ламинари-на не проводились в связи с полной гибелью растений на ранних этапах своего морфофизиологи-

ческого развития. Результаты развития розетки салата в контрольном варианте и с наполнителем (рисовая шелуха) отражены в таблице 7.

Таблица 7

Диаметр розеток салата Кучерявец одесский, см

Номер повторности	Контроль				III вариант (рисовая шелуха)
	7 дн.	28 дн.	35 дн.	56 дн.	7 дн.	28 дн.	35 дн.	56 дн.
1	6,5	12,0	16,0	20,5	8,0	14,0	19,5	25,5
2	6,0	14,5	16,5	21,5	8,0	17,5	20,0	28,5
3	7,5	18,0	17,0	22,6	9,5	18,0	24,5	31,5
4	7,0	17,5	16,5	24,0	7,5	17,5	21,0	30,0
Итого	27,0	62,0	66,0	88,6	33,0	67,0	85,0	115,5
Средняя	6,8	15,5	16,5	22,2	8,3	16,8	21,3	28,9

Анализ биометрических данных растений салата посевного показывает, что средний размер розетки салата в варианте с наполнителем (рисовая шелуха) на 23 % превышает аналогичный показатель в контроле. Розетка салата имеет вид рыхлого открытого кочана, листья правильной формы, светло-зеленого цвета, цельнокройные, веерооб- разные, пузырчатые. Максимальный диаметр в зависимости от условий выращивания 22,6– 31,5 см, минимальный 20,5–25,5 см. Что соответствует биометрическим показателям по сорту.

Размеры листа салата посевного в контрольном варианте варьировали по длине – от 3,0 до 11,5 см, по ширине – от 2,00 до 7,5 см (рис. 2).

Рис. 2. Биометрические показатели салата посевного на субстрате с наполнителем (контроль)

Согласно биометрическим показателям, растения салата, выращенные на субстрате с наполнителем (рисовая шелуха), показали высокую отзывчивость на его присутствие в субстрате. Сформировавшиеся розетки салата имели следующие показатели: по длине листа – от 7,0 до 15,5 см и по ширине листа – от 3,0 до 8,5 см (рис. 2). Наивысшую активность роста и набора зеленой массы растения выявили в промежутке с 35 по 56-й день.

Анализ данных позволяет сделать заключение о всплеске активности по набору зеленой массы в фазу 6–8 листьев и в интервале с 5-й по 8-ю неделю.

Выводы. Согласно приведенным данным агробиологической оценки салата посевного сорта Кучерявец одесский при использовании органоминеральных субстратов, можно заключить, что наиболее эффективным наполнителем для субстрата является рисовая шелуха. В среднем пока- затели у салата, выращенного на субстрате, дополненном рисовой шелухой, превышают аналогичные показатели в контроле по массе на 28 % (56,1 г) и по диаметру розетки на 23 % (6,7 см).

Предложенная технология выращивания салата посевного на субстратах с органоминеральными наполнителями отличается от традиционной – проточной, поскольку позволяет сократить срок вегетации растений. Результаты опыта показали, что полный цикл выращивания салата сорта Кучерявец одесский составляет 56 дней. За данный период в условиях гидропонной теплицы средний вес товарной продукции салата составляет 199,4 г при среднем диаметре розетки 28,9 см. Полученные данные согласуются с биометрическими показателями исследуемого сорта по массе на 99,7 %, по диаметру розетки на 90,3 %. Данная технология возделывания позволяет сократить сроки вегетационного периода по изучаемому сорту на 12–19 дней.