Гидропонное выращивание подсолнечника в фитотронно-тепличных условиях

Введение. Подсолнечник – важная и маржинальная культура, играющая значительную роль в развитии сельскохозяйственной экономики. По объему производства подсолнечник занимает 5-е место среди масличных культур в мире и 1-е место в России. В условиях колебаний цен на сырьевые материалы и энергоресурсы экономическая эффективность производства семян подсолнечника может оставаться достаточно высокой лишь при условии увеличения урожайности, совершенствования биохимического состава семян и оптимизации затрат на выращивание данной культуры.

Селекционная работа включает в себя множество этапов, начиная от сбора и изучения генетического материала до проведения полевых испытаний и оценки хозяйственной ценности новых сортов и гибридов. Селекция подсолнечника осложняется тем, что при ее проведении необходим контроль более чем по 30 признакам [1–3].

Главным затруднением в селекционном процессе является продолжительный срок создания новых линий, сортов и гибридов. Фитотронные установки предоставляют уникальную возможность круглогодичного выращивания нескольких поколений растений, предназначенных для коммерческого и селекционно-семеноводческого использования [4]. В осенне-зимний период эти установки позволяют проводить гибридизацию, а также оценивать устойчивость селекционного материала к болезням и неблагоприятным факторам окружающей среды. Выращивание растений в защищенных условиях может комбинироваться с другими биотехнологическими методами (эмбриокультурой in vitro, маркерной селекцией), что способствует повышению эффективности селекции и сокращению ее продолжительности [5; 8]. В промышленных масштабах используется гидропоника в фитотронном выращивании многих овощных культур, однако для подсолнечника существует очевидный пробел в подобных исследованиях.

В мировой и отечественной научной литературе есть примеры выращивания подсолнечника в условиях искусственного климата, но чаще всего по-прежнему растения размещают в сосудах с почвой или гидропонных установках проточного типа, наполненных керамзитом или иным субстратом [6]. В последнее время особый интерес вызывает опыт выращивания растений подсолнечника в малообъемных кубиках и матах из минеральной ваты [7]. Этот метод позволяет снизить расход воды, точнее изучить и контролировать состав питательного раствора в зависимости от фазы роста растений. Важнейшей проблемой выращивания подсолнечника в условиях фитотрона является продолжительность, интенсивность и спектральный состав света. Расходы на электроэнергию в закрытых условиях искусственного климата составляют основную статью затрат на содержание такого сооружения. Фито-тронно-тепличные комплексы позволяют уменьшить эти расходы за счет частичного использования естественного освещения. Полностью оценить потребность в различных ресурсах при выращивании подсолнечника еще предстоит в дальнейшем, для этого необходимо накопить опыт полного цикла культивации растений, управления фазами вегетации и продукционным процессом.

В учебно-научно-производственном комплексе «Агроцентр» ФГБОУ ВО Вавиловский университет в 2023 г. создана Уникальная научная установка «Фито-тронно-тепличный интеллектуальный комплекс» (ФТИК). Отличительной особенностью ФТИК является площадь научного сооружения (0,5 га) и модульная конструкция, что позволяет моделировать различные условия выращивания сельскохозяйственных культур и создает вариативность выбираемых параметров. Модуль интеллектуального управления агросистемами обеспечивает настройку точных значений таких параметров среды, как температура воздуха (рабочий диапазон от +5 до +45 ℃), воды (рабочий диапазон от +5 до +35 ℃) и почвы (рабочий диапазон от +5 до +65 ℃), относительная влажность воздуха (рабочий диапазон от 25 до 100 %), интенсивность и спектральный состав света (рабочий диапазон освещенности от 0 до 100 тыс. лк, полный спектр, включая возможность управления ИК и УФ частями спектра), режимы полива и фертигации растений (50 независимых зон). В настоящее время оборудование установки позволяет использовать методы ускоренной селекции и семеноводства, такие как круглогодичное выращивание культур и получение 3–6 генераций в год, автоматизированное и роботизированное фенотипирование, «цифровая» селекция. Данные приемы увеличивают скорость создания и внедрения новых сортов сельскохозяйственных культур в 4–5 раз.

Цель данного исследования – изучение особенностей выращивания селекционных образцов подсолнечника в условиях фитотронно-тепличного комплекса на гидропонной установке.

Материалы и методы. В исследовании использовали 11 линий подсолнечника из коллекции исходного материала кафедры растениеводства, селекции и генетики ФГБОУ ВО Вавиловский университет. Линии относятся к скороспелым, раннеспелым и среднеранним группам спелости.

Перед закладкой опытов проведена подготовка бокса ФТИК путем механической очистки помещений и оборудования, обработки дезинфицирующим раствором поверхностей и озонирования. Измерение освещенности во всех опытных вариантах проводилось посредством люксметра модели НР 320. Обеспечение благоприятного микроклимата для выращивания подсолнечника в контролируемых условиях достигалось использованием систем кондиционирования воздуха. Субстратом служили маты и кубики, изготовленные из минеральной ваты марки SPELAND MID (ТЕХНОНИКОЛЬ, Россия). Подача питания растениям обеспечивалась специализированной поливной установкой, включавшей растворный узел, емкости для хранения и смешивания растворов, насосы и магистрали для доставки питательных смесей через капельницы.

Эксперименты по выращиванию подсолнечника проводили дважды в период сентябрь – декабрь в 2024–2025 гг. и 2025– 2026 гг. Посев семян осуществляли в третьей декаде августа в минеральноватные кубики, всходы коллекционных сортооб-разцов отмечены через 5–6 дней. Расстановку кубиков с проростками на маты в блоках с гидропоникой выполняли через 2–3 суток после появления семядолей до фазы первой пары настоящих листьев. Созревание семян наблюдалось в интервале с 10 ноября по 25 декабря. Уборка и обмолот проводились в период с 28 декабря по 15 января.

Исходной питательной основой служил состав для овощных культур на базе раствора Кнопа, который модифицировали по содержанию макро- и микроэлементов, учитывая реакцию исследуемых растений. Питательный раствор включал химические элементы: N (154 мг/л), P (56 мг/л), K (167 мг/л), Ca (170 мг/л), Fe (2,5 мг/л), Mn (0,77мг/л), Zn (0,33 мг/л), B (0,5 мг/л), Cu (0,063 мг/л), Mo (0,063 мг/л), Co (0,02 мг/л) и Se (0,015 мг/л). Обязательный контроль качества питательных растворов во все фазы вегетации подсолнечника при гидропонике включал мониторинг доступных показателей, таких как pH и EC. Измерения pH и EC проводили при помощи многофункционального тестера EZ-9908 в приготовленных растворах, субстрате и дренаже. Температура раствора поддерживалась на уровне 20 °C, электропроводность (ЕC) – 3,0 мСм/см; кислотность (рН) – 5,5 ед.

Продолжительность светового дня составляла 16 часов, ночи – 8 часов. Дополнительно к естественному освещению использовали искусственное светодиодными фитолампами модели «ECOLED BIO-240 W-D 120-K 3 RING» (фотонный поток 505 Μmol/c) (38 шт.) и «ECOLED-60 LX Fito IP 65» (фотонный поток 80 Μmol/c) (96 шт.). Спектр излучения – 450–730 нм.

В процессе выращивания отмечали наступление фенологических фаз. На этапе созревания семян проводили оценку по комплексу морфологических признаков. Для оценки растений опирались на методику государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур¹. Для каждого варианта генотипа измеряли 20 растений. Полученные данные подвергали дисперсионному анализу на 95%-ном уровне значимости ( р ≤ 0,05) с использованием программного пакета STATISTICA 10 (StatSoft, США).

Результаты и обсуждение. Выращивание сортообразцов подсолнечника на гидропонной установке в кубиках из минеральной ваты с капельной подачей питательного раствора позволило растениям пройти все фазы развития от всходов до созревания семян (рис. 1). Темпы роста растений зависели от особенностей генотипов.

На рисунке 2 приведены примеры наступления различных фаз вегетации у растений подсолнечника. Всходы у всех выращиваемых генотипов появились к 6-м суткам после посева. Продолжительность интенсивного роста от всходов до начала бутонизации значительно различалась – от 19 до 39 суток. Фаза бутонизации у всех сортообразцов проходила за 6–9 суток. Продолжительность цветения различалась, но в среднем у генотипов с большим вегетационным периодом она увеличивалась по сравнению со скороспелыми формами на неделю. На прохождение межфазного периода всходы – цветение растениям требовалось от 43 до 64 суток. Наиболее продолжительной фазой вегетации для всех генотипов было созревание семян – от 35 до 65 суток, в среднем более 50 суток. От всходов до полного созревания семян в зависимости от генотипа сортообразцам требовалось от 85 до 128 суток.

А                              Б                              В

Рисунок 1 – Выращивание подсолнечника на гидропонной установке в фитотронно-тепличных условиях: а – получение проростков; б – растения в фазе бутонизации; в – цветение растений

Fig. 1 – Sunflower cultivation in a hydroponic phytotron-greenhouse complex: A – getting sprouts; B – plants at the budding stage; C – flowering plants

Рисунок 2 – Продолжительность фаз вегетации у сортообразцов подсолнечника

Fig. 2 – Duration of vegetation stages of sunflower variety samples

Морфометрические признаки у растений подсолнечника зависели от генотипических особенностей (таблица). Высота растений варьировала от 61,4 до 134,3 см, диаметр стебля у основания – от 5,8 до 10,2 мм, количество листьев на стебле – от 17 до 30 шт. Все растения зацвели и сформировали корзинки диаметром от 3,9 до 6,9 см. У всех изученных сортообразцов завязались семена в условиях фитотронно-тепличного комплекса. Семенная продуктивность растений сильно варьировала – от 21 до 203 шт. семян в корзинке, при этом размах варьирования массы семян с корзинки у разных генотипов составлял от 0,6 до 5,5 г. Масса 1000 семян у сортооб-разцов также значительно различалась – от 15 до 46,6 г.

В целом у скороспелых сортообразцов ФТК-2025-7, ФТК-2025-10 и ФТК-2025-11, с продолжительностью вегетации до 100 суток, растения имели меньшую высоту, формировали до 23 листьев, и масса семян с корзинки составляла не более 2,1 г. У сортообразцов с продолжительностью вегетации 120 суток более четких различий по морфологическим признакам не установлено. Выделились образцы ФТК-2025-6 и ФТК-2025-5 с большим диаметром корзинки и количеством семян в ней (таблица).

Семенная продуктивность у растений в условиях фитотронно-тепличного комплекса была невысокая, что отмечалось ранее другими авторами [6; 9], но достаточная для получения следующего поколения.

Выращивание подсолнечника в гидропонных условиях может преследовать различные цели: от изучения влияния отдельных элементов питания на физиолого-биохимические процессы [10] до коммерческого получения декоративной продукции [11]. В этом исследовании получены данные о возможности оптимизации селекционного процесса за счет ускоренного получения поколений подсолнечника. С учетом продолжительности вегетации различных сортообразцов за год можно получать от 2 до 4 поколений, что позволяет существенно ускорить процесс создания константных линий из расщепляющихся популяций или переноса ценных генов от донорных форм к реципиентным.

Таблица

Морфологические признаки и элементы структуры урожая у сортообразцов подсолнечника

Table

Morphological traits and elements of yield structure in sunflower variety samples

Сортообразец	Высота растений, см	Диаметр стебля, мм	Количество листьев на растении, шт.	Диаметр корзинки, см	Количество семян с корзинки, шт.	Масса семян с корзинки, г	Масса 1000 семян, г
ФТК-2025-7	84,3	5,8	17	5,4	141	2,1	15,0
ФТК-2025-10	61,4	8,6	18	3,0	30	0,7	24,4
ФТК-2025-11	100,2	6,3	23	3,9	21	0,6	29,0
ФТК-2025-2	122,4	8,6	26	5,0	79	3,8	41,2
ФТК-2025-3	134,3	10,2	26	5,9	85	3,2	37,5
ФТК-2025-4	109,0	7,9	28	3,9	92	3,3	24,9
ФТК-2025-6	93,9	8,1	20	6,9	203	5,5	26,9
ФТК-2025-8	131,2	9,5	24	4,6	61	1,9	30,8
ФТК-2025-5	109,6	9,4	21	5,4	126	4,0	32,0
ФТК-2025-1	124,6	8,8	22	3,9	51	1,9	37,5
ФТК-2025-9	120,1	7,9	21	3,4	56	2,6	46,6
НСР 0,05	9,9	0,9	1,5	0,3	24	0,9	4,2

Заключение. Проведенные исследования показали, что растения подсолнечника могут успешно выращиваться в ФТИК на малообъемной гидропонной установке с капельным способом подачи питательного раствора. Досветка растений в осенне-зимний период светодиодными лампами ECOLED BIO достаточна для нормального развития растений подсолнечника и формирования семян. Установлено, что в условиях ФТИК продолжительность вегетации сортообразцов скороспелых и среднеспелых групп спелости составила около 100–120 суток, что позволяет получать не менее трех поколений за год. Выделены образцы ФТК-2025-6 и ФТК-2025-5 с высокой продуктивностью семян. Такой подход может применяться для ускорения селекционного процесса или проведения испытаний по интересующим признакам, например, на устойчивость к абиотическим или биотическим стрессам. Разработка метода круглогодичного выращивания подсолнечника с сокращенным сроком вегетации позволит существенно сократить селекционный процесс подсолнечника и повысить его эффективность.