Фенологически пофазное цифровое управления ростом растений на примере шпината

Введение. Повышение продуктивности выращивания овощных культур в закрытых экосистемах в России выявило потребность создания новых интенсивных технологий, удовлетворяющих современным требованиям: сокращение сроков производства, устойчивость к заболеваниям, высокая продуктивность и товарные качества овощных культур.

Несмотря на возрастающие объемы производства овощных культур, промышленное производство в значительной степени сдерживается из-за отсутствия прогрессивных и инновационных отечественных овощеводческих комплексов закрытого типа.

Актуальные способы выращивания овощных растений основаны на интенсивной стерильной технологии в искусственно замкнутой экосистеме – специальных контейнерах с использованием растительных субстратов, следуя которой возможно получение обильного урожая с минимальными сроками вызревания. Не менее важной задачей является защита субстрата для получения овощных растений от объединения с посторонней микрофлорой при помощи экологически чистых биопрепаратов, не способных оказывать негативное влияние на окружающую среду и здоровье потребителя. Однако, применение этой технологии связано со значительными материальными и энергетическими затратами, включающими наличие специализированных бактериологических лабораторий и помещений для подготовки субстрата и выращивания овощных растений небольшими фирмами.

В связи с этим, важной задачей современной индустрии является создание новых технологий и устройств, позволяющих при незначительном повышении материальных затрат получить высокий урожай овощных культур.

Цель исследования. Повышение урожайности овощных культур на основе применения технологии цифрового фенологически пофазного управления ростом растений.

Материалы и методы. У каждого растения существует свой жизненный цикл с определенными фазами развития. Важно понимать, как протекает период вегетации у растений, чтобы своевременно и грамотно следить за посадками в саду и закрытом грунте.

Многие зачастую не видят разницы между понятиями период вегетации и вегетационный период. Однако они существенно отличаются. К первому термину относится определенный период для всех растений какой-то одной климатической зоны. Ко второму термину относятся растения определенного вида или сорта и период их активной жизнедеятельности.

Вегетационный период. Этот период будет разным для определенных видов и сортов растений. Чисто биологический термин, который характеризует каждое растение отдельно. Вегетационный период – это определенный временной промежуток, за который растение проходит активный период своего роста. Например, для раннеспелых огурцов вегетационный период, от сева до снятия урожая огурцов, составляет 95-110 дней [1].

Период вегетации. Этот термин охватывает все растения определенной климатической зоны. С начала декабря по конец января корни деревьев полностью неактивны. Годовой промежуток времени жизни многолетних растений можно разделить на четыре периода: вегетативный рост; переходной осенний; период относительного покоя; переходной весенний.

У растений можно выделить следующие фенологические фазы [3]: проращивание, формирование вегетативных побегов; бутонизация; цветение; плодоношение и обсеменение; вегетация после плодоношения; отмирание; состояние покоя.

Однако такое деление на фазы вносит полный беспорядок в определении стадий органогенеза, и в каждой стране процесс классификации вегетации определялся по-своему, что весьма затрудняло процесс общения и взаимопонимания между аграриями различных стран. Например, формирование вегетативных побегов для выращивания зелени и для получения семян для одного и того же растения, например шпината, будут иметь различные фенологические фазы.

Внедрения единой классификации по системе « BBCH » устранил эти недостатки [4].

Классификация по системе « BBCH » представляет собой определенную модель идентификации фенологического развития растений на различных этапах. Она была разработана для удобства и применяется не только в сельском хозяйстве, но и целом ряде других научных дисциплин (например, в страховании, селекции, энтомологии, фитопатологии и прочих направлениях деятельности человека).

Аббревиатура « BBCH » дословно означает «Федеральное агентство по вопросам окружающей среды и химической промышленности», а по неофициальной версии в ее основу легли заглавные буквы предприятий, которые финансировали разработку и внедрение данной системы, а именно компании: « Bayer», « Basf », « Ciba-Geigy » и « Hoechst ».

Данная классификация с точки зрения современной науки позволяет четко определять сроки биологических и технологических процессов при выращивании культур в различных фенологических фазах (рисунок 1).

Рисунок 1 - Фазы развития растений согласно « BBCH »

Принцип действия системы довольно простой: благодаря использованию десятичного кода, весь процесс вегетации подразделяется на десять основных и десять дополнительных фаз. В результате мы получаем сто различных ступеней развития растения, которые можно четко идентифицировать. Например, ноль – это стадия семени. Девяносто девять – это фаза вызревшей культуры. Агроном просто берет определенное количество растений, изучает их и затем по существующей шкале четко определяет фазу роста.

Благодаря использованию системы десятичных кодов модель или шкала «BBCH» позволяет четко классифицировать как основные, так и вторичные этапы органогенеза растений и в этом состоит ее основное преимущество.

Очевидно, что для различных растений фенологические фазы будут отличаться, тем более, если растения относятся к различным видам, родам семействам. Для шпината фенологические фазы приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Фенологические фазы для шпината

Фазы (стадии)	Название	Начало	Конец	Период, дней	Усл-е обознач.
Макростадия 0	Прорастание	Сухое семя	Прорастание семядоль	5	М – 0
Макростадия 1	Развитие листьев	Семядоли распущены	2 настоящих листа	8	М – 1
Макростадия 2	Развитие листьев	2 настоящих листа	6 настоящих листьев	5	М – 2
Макростадия 3	Развитие листьев	6 настоящих листа	10 настоящих листьев	8	М – 3
Макростадия 4	Развитие листьев	10 настоящих листьев	14 настоящих листьев	3	М – 4
Макростадия 5	Срелкование	Появление соцветий	Соцветия еще закрыты	Нет данных	М – 5

Макростадия 6	Начало цветения	Первый цветок	Конец цветения	Нет данных	М – 6
Макростадия 7	Развитие семян	Высохшие цветки отпали	Семена имеют сортотипичый размер	Нет данных	М – 7
Макростадия 8	Созревание семян	Начало созревания семян	Полная спелость семян	Нет данных	М – 8
Макростадия 9	Отмирание	Уборка семян	Растение отмерло	Нет данных	М – 9

Поскольку шпинат имеет два вида конечного продукта, то различают два вида вегетационного развития шпината и соответственно два набора его фенологических фаз: сбор урожая товарной зелени (после появления 14 настоящих листьев) фазы М – 0…М – 4, и выращивание семян фазы М – 0…М – 9. Мы рассматриваем рост шпината в целях получения урожая товарной зелени, поэтому далее мы ограничимся рассмотрением фенологически пофазного управления ростом шпината с помощью регулирования климатических и физиологических (экологофизиологических) факторов в первых пяти фазах.

Выделяют следующие экологофизиологические факторы влияющие на развитие растения для вегетационного периода:

• -    освещенность светового излучения (СИ),

• -    длительность светового дня;

• -    спектральный состав СИ;

• -    температура воздуха;

• -    влажность воздуха;

• -    температура субстрата;

• -    влажность субстрата;

• -    минерализация питательного раствора;

• -    рН питательного раствора; транспирация.

Из всех факторов среды обитания растений, в основном, изучаются лишь климатические. Однако это не означает, что другие факторы остаются вне поля зрения, поскольку все указанные факторы связаны друг с другом, можно утверждать, что при изучении климатических факторов определенным образом рассматриваются и прочие.

Результаты и их обсуждение. Идея управлять пофазно равными экологофизиологическими факторами в ходе всего вегетационного периода, таблица 2, а раздельно по каждой фенологической фазе, таблица 3, известна давно и, для некоторых культур,

Таблица 2

Управление

постоянными

экологофизиологическими факторами

Факторы Фенологические фазы М – 0    М – 1     М – 2    М – 3    М – 4 Освещенность СИ 20 клк. Спектральный   состав СИ 440…490 нм – 30% 630…680 нм – 70% Температура воздуха 15…180С Влажность воздуха 60…80% Температура субстрата 15-180С Влажность субстрата 50…60% Минерализация питательного раствора 1,8…2,3 мС/см рН       питательного раствора 6,6…7,0 Транспирация Данные отсутствуют в различных источниках приводятся рекомендации по применению числовых значений освещенности, спектрального состава, минерализации питательных растворов и т.д. (для искусственных экосистем на основе гидропоники) [2;3;5;6;7;8;9].

Таблица 3 - Фенологически пофазное управление

Факторы	Фенологические фазы
	М – 0	М – 1	М – 2	М – 3	М – 4
Освещенность СИ	Нет данных	Нет данных	Нет данных	20 клк
Спектральный состав СИ	440…490 нм – 20% 630…680 нм – 80%	440…490 нм – 80% 630…680 нм – 20%	440…490 нм – 57% 630…680 нм – 43%
Температура воздуха	40С	Нет данных	Нет данных	Нет данных	Нет данных
Влажность воздуха	93%	Нет данных	Нет данных	Нет данных	Нет данных
Температура субстрата	4-60С	Нет данных	Нет данных	Нет данных	Нет данных
Влажность субстрата	76-80%	Нет данных	Нет данных	Нет данных	Нет данных
Минерализация питательного раствора	0,2…,0,4 мС/см	0,8…1,2 мС/см	1,6…1,8 мС/см	1,8…2,2 мС/см
рН питательного раствора	6,0	Нет данных	Нет данных	Нет данных	7,0
Транспирация	Нет данных	Нет данных	Нет данных	Нет данных	Нет данных

Однако, идея не получила широкого распространения ввиду её малоизученности: сохраняется широкий круг культур, для которых не определены фенологические фазы, уже не говоря о числовых значениях экологофизиологических факторов в них, а для тех, где определено и то, и другое, числовые значения определены не для всех, например, температура и влажность субстрата, влажность окружающей среды и рН питательного раствора для шпината.

Логично предположить, что применение уточненных пофазных числовых значений факторов по таблице 3, отличающиеся от постоянных значений за весь вегетационный период, таблица 2, приведет к усилению воздействия экологофизиологических факторов на скорость фотосинтеза и на продуктивность.

Однако, это лишь предположение, и подтвердить эту гипотезу – есть цель научных исследований в этой мало изученной области знаний.

Выводы

• 1.    Шпинат имеет два вида конечного продукта и два вида вегетационного развития, что соответствует двум наборам его фенологических фаз: сбор урожая товарной зелени (после появления 14 настоящих листьев) фазы М – 0…М – 4, и выращивание семян фазы М – 0…М – 9.

• 2.    Мы рассматриваем рост шпината в целях получения урожая товарной зелени, поэтому для дальнейших исследований ограничимся рассмотрением фенологически пофазного управления ростом шпината с помощью регулирования климатических и физиологических (экологофизиологических) факторов в первых пяти фазах.

• 3.    Изучение литературных источников показало, что среди принятых к рассмотрению факторов управления ростом, только для двух (спектральный состав и минерализация) имеются полностью пофазные данные о числовых значениях этих факторов. Имеются также числовые данные для других факторов, но не для всех фаз. Отсутствующие данные требуется восполнить, выполнив соответствующие исследования.

• 4.    Ф енологически пофазное цифровое управление ростом растений – малоизученная область знаний и является новым направлением исследований в растениеводстве. Очевидно, что применение экологофизиологических факторов, способствующих росту растений, отдельно в каждой фазе, приведет к увеличению скорости фотосинтеза и продуктивности в целом.