Малообъемная и тонкослойная панопоника в интенсивной светокультуре огурца: основы и результаты применения

Forcitations: Udalova O.R., Anikina L.M., Mirskaya G.V., Kononchuk P.Yu., Panova G.G. Low-volume and thin-layer panoponics in intensive artificial-light culture of cucumber: basics and results of application. Vegetable crops of Russia. 2021;(2):39-44. (In Russ.)

В настоящее время круглогодичное обеспечение нашей страны свежей высококачественной овощной продукцией остаётся весьма актуальным. В связи с этим перспективно создание и широкое внедрение высокоэффективных фитотехкомплексов различного типа по производству растительной продукции многоцелевого назначения при полностью искусственном свете, на основе ресурсосберегающих фитобиотехнологий, включающих приёмы организации корнеобитаемой среды и обеспечения растений элементами минерального питания.

Оптимизация жизнеобеспечения корней в системе «корнеобитаемая среда – растение», в частности их водно-воздушного режима, является непременным условием интенсификации продукционного процесса и получения высоких урожаев тепличных культур в сооружениях защищённого грунта.

До сих пор в большинстве российских современных тепличных комплексах доминируют голландские автоматизированные гидропонные технологии выращивания растений на малообъёмных субстратах с системой обеспечения питательным раствором методом капельного полива. Эти технологии на практике не позволяют достичь качественного и количественного максимума реализации продукционного потенциала растений [1].

В ФГБНУ АФИ в результате обобщения знаний о закономерностях и механизмах взаимодействия растений со средой обитания в условиях интенсивной светокультуры разработана уникальная система культивирования растений – панопоника, предусматривающая использование созданных малообъёмных и/или тонкослойных аналогов почвы с обеспечение корней питательным раствором по плоским щелевым капиллярам [2]. Цель данной работы – оценка влияния условий корнеобитаемой среды, включающих малообъёмный и тонкослойный аналоги почв с различными способами подачи питательного раствора к корням растений на продукционный процесс гибрида огурца Тристан F 1 в регулируемых условиях интенсивной светокультуры.

Методы

Исследования проводили в регулируемых условиях интенсивной светокультуры на базе биополигона ФБГНУ АФИ.

Объектом исследования служил партенокарпический среднеплодный гибрид огурца ( Сucumis sativus L.) Тристан F 1 (селекция компании ENZA ZADEN, Голландия), предназначенный для всесезонного выращивания в культивационных сооружениях различного типа, в том числе, с использованием светокультуры.

Гибрид характеризуется высокой выравненностью и товарностью, с максимальной отдачей урожая со среднего яруса, на высоте 100-120 см, что определило стратегию выбора данного огурца для интенсивной светокультуры.

Растения гибрида огурца Тристан F1 выращивали в вегетационных светоустановках (ВСУ), оснащённых световыми блоками с вертикальным расположением ламп, а также пускорегулирующей аппаратурой, включающей и выключающей осветительные приборы, и системой подачи питательного раствора (ПР) в зависимости от заданных режимов. Источниками света служили натрие- вые лампы ДНаТ-400 (ООО Рефлакс, РФ). Интенсивность света в области ФАР составлял 70-75 Вт/м2. Продолжительность светового периода – 14 час/сутки. Температуру воздуха поддерживали в пределах +22…24°С днём и +18…20°С ночью, относительную влажность воздуха – 65-70%.

Для оценки влияния условий корнеобитаемой среды на продукционный процесс гибрида огурца Тристан F 1 растения выращивали методом малообъёмной и тонкослойной панопоники [3].

В качестве корнеобитаемых сред использовали органоминеральный аналог почвы (МАП) Агрофит и тонкослойный аналог почвы (ТАП) в виде пористой гидрофильной ткани с нанесением на неё суспензии на основе кембрийской глины [3].

Применение МАП Агрофит, с объёмной массой 0,160,18 г/см3, обеспечивает поддержание благоприятного для корневых систем соотношения жидкой и воздушной фаз [4], в то время как ТАП на основе суспензии кембрийской глины способствует увеличению удельной поверхности корнеобитаемой среды, обеспечивая условия взаимодействия корневой системы растений с КС, близкие к природным [5]. Кроме того, введение в состав данных КС кембрийской глины и других минеральных элементов дополнительно обогащает трофическую среду растений физиологически активными питательными веществами, способствуя повышению их продуктивности [5,6].

Для минерального питания растений огурца применяли раствор Кнопа. Подачу питательного раствора осуществляли автоматически от 2-х до 6-ти раз в сутки, в зависимости от возраста растений огурца. Поступление ПР к корням растений происходило двумя способами: по щелевому капилляру (ЩК) гидрофильной ткани (ГТ) и методом капельного полива (КП).

Для выращивания растений огурца Тристан F 1 были использованы следующие варианты корнеобитаемых сред и способов подачи питательного раствора в зону роста корней:

Вариант 1. МАП + КП – субстрат «Агрофит»объёмом 6 л/растение, подача ПР методом капельного полива – контроль;

Вариант 2. ГТ + МАП + ЩК – гидрофильная ткань + субстрат «Агрофит» объёмом 3л/растение, подача ПР по щелевому капилляру;

Вариант 3. ГТ + ТАП + ЩК– гидрофильная ткань с суспензией на основе кембрийской глины, подача ПР по щелевому капилляру;

Выбор варианта №1 в качестве контроля основан на моделировании условий в данной корнеобитаемой среде, наиболее приближенных к условиям при производстве огурца в сооружениях защищённого грунта, на малообъемных субстратах с капельном поливом.

Огурец Тристан F 1 высаживали в лотки размером 60х18х14 см,пророщенными в чашках Петри семенами, сразу на постоянное место в ВСУ. Количество растений огурца составляло 2 штуки на лоток, 8 штук на квадратный метр полезной площади ВСУ. Повторность 12 растений в варианте опыта. Вегетационные эксперименты проводили дважды.

Огурец формировали в один стебель с ослеплением пазух нижних пяти листьев. По достижении верха ВСУ плети прищипывали (длина плети 2 метра). Сбор плодов проводили регулярно, не допуская их перерастания (длина плода не превышала 22-25 см).

Вегетационный период во всех вариантах составлял 60 дней от посева. При полной уборке учитывали суммарно число и массу плодов с растения и с квад-ратногометра ВСУ, число листьев, сырую и сухую массу листьев, процент сухого вещества. Площадь листовой поверхности, листовой индекс, удельную поверхностную площадь листа (УППЛ), обводнённость листьев определяли по методикам [3,7]. Биохимический и химический состав плодов определяли в испытательной лаборатории ФБГНУ АФИ по стандартным методикам.

Статистическая обработка данных выполнена с помощью программного обеспечения Excel 2010 и Statistica 8. В тексте и таблицах приведены средние арифметические значения параметров и их доверительные интервалы при 95%-ном уровне вероятности по t-критерию. Достоверность различий между вариантами оценивали методом параметрической статистики (t-критерий Стьюдента). Различия между вариантами считали достоверными при р≤0,05.

Результаты и обсуждение

Проведённые исследования показали, что условия корнеобитаемой среды оказали значимое влияние на продукционный процесс гибрида огурца Тристан F 1 , в том числе на скорость развития растений и сроки начала отдачи урожая (табл.1).

Установлено, что при выращивании гибрида Тристан F 1 на ГТ+МАП+ЩК (вариант2) и ГТ+ТАП+ЩК (вариант 3) с подачей питательного раствора к корням растений по щелевому капилляру, наблюдалась положительная тенденция к ускорению развития огурца с момента наступления стадии «4-го листа». В дальнейшем тенденция сохранилась, а в варианте 3 (ГТ+ТАП+ЩК) сроки наступления цветения и «начала сбора плодов» были достоверно более ранними, чем в контрольном варианте.

Данное обстоятельство свидетельствует о создании наиболее благоприятных условий в системе «корнеобитаемая среда – растения» в исследуемых вариантах 2 (ГТ+МАП+ЩК) и 3 (ГТ+ТАП+ЩК).

В варианте 2(ГТ+МАП+ЩК) сочетание тонкослойной панопоники с аналогом высокоплодородных почв – «Агрофит», представляющее собой, усовершенствованную и воплощённую в малообъёмном исполнении геопо- нику нового типа, создаёт разумный баланс между количеством влаги, поступающей к корням растений и воздуха в корнеобитаемой среде [8].

Применяемая для выращивания растений тонкослойная КС в варианте 3 (ГТ+ТАП+ЩК), как саморегулирующаяся система, позволяет постоянно поддерживать водно-воздушные условия, соответствующие узкому диапазону оптимальных значений влажности в корнеобитаемой среде [4]. Кроме того, позитивное воздействие ТАП на основе суспензии кембрийской глины, обусловлено созданием донорно-акцепторных центров на уровне корни – КС, обеспечивая обогащение дополнительным минеральным питанием [2].

Замедление развития растений в контрольном варианте 1 (МАП+КП) вероятно обусловлено нарушением баланса между водой и воздухом в КС, вследствие особенностей водного режима при капельном поливе, связанного с наличием контура локального увлажнения. При этом присутствует неравномерность распределения влаги в данном объёме корнеобитаемой среды, характеризующейся делением контура локального увлажнения на зоны с различным уровнем влагосодержания. Такое состояние может привести к нарушениям водно-минерального обмена в системе «корнеобитаемая среда – растение», и,как следствие, – к снижению продуктивности [9].

При сравнении показателей продуктивности гибрида огурца Тристан F 1 , выращенного в исследуемых условиях КС, наибольшее её значение установлено в вариантах 2 (ГТ+МАП+ЩК) и 3 (ГТ+ТАП+ЩК), что согласуется с отмеченными выше сроками развития растений и началом отдачи урожая (табл. 2).

Выявлено, что в условиях корнеобитаемой среды с поступлением питательного раствора к корням растений по щелевому капилляру (варианты 2 и 3) достоверно увеличивалось число плодов с растения на 38-43%, и масса плодов с растения – на 52-53% относительно контроля. При этом показатель «масса одного плода» в обоих вариантах 2(ГТ+МАП+ЩК) и 3(ГТ+ТАП+ЩК) имел только слабую положительную тенденцию к увеличению.

С учётом того, что в интенсивной светокультуре при выращивании растений полностью при искусственном освещении вегетационный период, с экономической точки зрения, ограничен темпами роста наиболее быстро развивающихся растений, во всех исследуемых

Таблица 1. Сроки развития растений огурца гибрида Тристан F 1 при выращивании в различных условиях корнеобитаемой среды в интенсивной светокультуре Table 1. Time of development of the cucumber plants hybrid Tristan F 1 when grown in various conditions of the root environment n intensive artificial-light culture

Вариант опыта**	Дни от посева
	Всходы	4-й лист	Цветение	Начало сбора	Полная уборка
МАП +КП контроль	3±1	20±1	38±1	49±1	60
ГТ+МАП + ЩК	3±1	18±1	36±1	47±1	60
ГТ+ТАП + ЩК	3±1	19±1	35±1*	45±1*	60

Примечание: * значение достоверно отличается от контрольного на 5%-ном уровне значимости; **- названия вариантов указаны в разделе «методы»

Таблица 2. Показатели продуктивности гибрида огурца Тристан F 1 при выращивании в различных условиях корнеобитаемой среды в интенсивной светокультуре Table 2. Productivity indicators of the cucumber plants hybrid Tristan F 1 when grown in various conditions of the root environment in intensive artificial-light culture

Вариант опыта **	Масса 1 плода, г	Число плодов шт./раст.	Масса плодов г/раст.	Масса плодов кг/м2
МАП+КП (контроль)	246.2±30	10,0±1,0	2462,0±300,0	19,7±2,4
ГТ+МАП+ ЩК	263.5±42.2	14,3±0,5*	3768,1±603,5*	30,1±4,8*
ГТ+ТАП+ ЩК	271,3±50,4	13,8±0,6*	3743,9±695,5*	29,9±5,6*

Примечание: *значение достоверно отличается от контрольного на 5%-ном уровне значимости; ** - названия вариантов указаны в разделе «методы».

вариантах полную ликвидацию культуры производили на 60-й день от посева. К этому времени с растений гибрида огурца Тристан F 1 в вариантах 2(ГТ+МАП+ЩК) и 3(ГТ+ТАП+ЩК) все плоды были убраны, а в варианте 1 – (МАП+КП)часть плодов оставалась на стадии начала налива.

Таким образом, продуктивность, как интегральный показатель, отражает условия, создаваемые в корнеобитаемой среде. Вместе с тем существует прямая связь между водно-воздушным режимом, корневым питанием растений и фотосинтезом [10].

Элементы корневого питания могут эффективно использоваться растениями лишь при благоприятных условиях, создаваемых в зоне их роста. Чем лучше растения обеспечиваются водой и питательными веществами, тем интенсивнее они используют надземные условия, в частности свет для формирования ассимиляционной поверхности, обеспечивающей продукционный потенциал. Недостаточная площадь листьев, особенно в начале вегетационного периода, не позволяет полностью использовать приходящую фотосинтетически активную радиацию, вследствие чего развитие растений замедляется [6, 11].

Анализ результатов выращивания гибрида огурца Тристан F 1 в различных условиях корнеобитаемой среды показал, что формирование листовой поверхности и её фотосинтетическая активность тесно связаны с водно-воздушным режимом в корнеобитаемой среде (табл.3).

Установлено, что в вариантах 2(ГТ+МАП+ЩК) и 3(ГТ+ТАП+ЩК) накопление листьями огурца сырой (на 38-40%) и сухой ее (на 27-32%) массы, было достоверно выше, по сравнению с таковым в контрольном варианте 1(МАП+КП).

Известно, что на долю органических веществ, образованных в процессе фотосинтеза, приходится около 95% сухой биомассы. Поэтому накопление сухой массы листьями растений объективно отражает ассимиляционную активность растений [6].Несмотря на большой процент сухого вещества, отмеченный в контрольном варианте, оценка фотосинтетической деятельности растений показала, что достоверное увеличение площади листьев (на 38-40%), наблюдалось при выращивании гибрида огурца Тристан F 1 в условиях корнеобитаемой среды вариантов 2 (ГТ+МАП+ЩК) и 3 (ГТ+ТАП+ЩК).

Очевидно, увеличение площади листовой поверхности и отмеченной выше продуктивности в данных вариантах происходило, как за счёт создания водно-воздушных условий в корнеобитаемой среде наиболее близких к оптимальным, так и вследствие усиления минерального питания [12,13].

Данное обстоятельство отразилось на усилении обводнённости листьев, которая является важным показателем, отражающим условия произрастания растений. Известно, что от степени обводнённости тканей зависит поглощение ФАР, поступление и ассимиляция СО2, интенсивность транспирации[6].Именно в вариантах 2(ГТ+МАП+ЩК) и 3 (ГТ+ТАП+ЩК)установлено достоверное увеличение обводнённости листьев (на 7,3-9,6%), при меньших показателях их удельной поверхностной плотности,по сравнению с вариантом 1 (МАП+КП).

Показано, что листья растений с более низкими значениями УППЛ на фоне более высокой обводнённости отличаются и более высокой интенсивностью фотосинтеза [6]. Кроме того, усиление процессов фотосинтеза отражает индекс листовой поверхности, значение

Таблица 3. Показатели фотосинтетической активности гибрида огурца Тристан F 1 при выращивании в разных условиях корнеобитаемой среды в интенсивной светокультуре

Table 3. Indicators of photosynthetic activity of the cucumber plants hybrid Tristan F 1 when grown in various conditions of the root environment in intensive artificial-light culture

Вариант опыта**	Сырая масса листьев, г/раст.	Сухая масса листьев, г/раст.	Сухое вещество, %	Площадь листьев, дм2/раст.	Листовой индекс, м2/м2	УППЛ, г/дм2	Обводнённость листьев, г/г
МАП+КП (контроль)	305,7±33,2	35,15±3,82	11,5±0,1	135,2±14,7	5,6±0,61	0,26±0,01	7,7±0,07
ГТ+МАП+ ЩК	429,5±46,6*	46,39±5,04*	10,8±0,1*	193,3±21,0*	8,1±0,88*	0,24±0,01*	8,26±0,08*
ГТ+ТАП+ ЩК	422,5±45,9*	44,78±4,87*	10,6±0,1*	186,6±20,3*	7,8±0,85*	0,24±0,01*	8,44±0,08*

Примечание: *значение достоверно отличается от контрольного на 5%-ном уровне значимости; ** - названия вариантов указаны в разделе «методы».

Таблица 4. Элементный состав плодов гибрида огурца Тристан F 1 при выращивании в различных условиях корнеобитаемой среды в интенсивной светокультуре

Table 4. The elemental composition of the cucumber plants hybrid Tristan F 1 fruits when grown in various conditions of the root environment in intensive artificial-light culture

Показатель	Вариант опыта
	1 МАП+КП (контроль)	2 (ГТ+МАП+ЩК)	3 (ГТ+ТАП+ЩК)
Влажность %	96,6	96,4	96,3
Сухое вещество, %	3,4	3,6	3,7
Сырая зола, % а.с.н	13,47	14,41	14,72
Азот, % а.с.н.	3,42	3,26	3,61
Фосфор, % а.с.н	0,93	0,96	0,96
Калий, % а.с.н	6,25	6,28	6,38
Кальций, % а.с.н	0,97	1,14*	1,25*
Магний, % а.с.н	0,26	0,312	0,335*
Медь, мг/кг а.с.в	2,48	2,55	2,61
Цинк, мг/кга.с.в	44,8	45,1	46,5
Железо, мг/кг а.с.в	78,0	81,9	90,95*
Марганец, мг/кг а.с.в	18,0	18,5	18,8
Свинец, мг/кг а.с.в	<0,50	<0,50	< 0,50
Кадмий, мг/кг а.с.в	<0,03	<0,03	<0,03
Нитраты, мг/кг а.с.в	181,9	175,6	163,2
Сумма сахаров, % а.с.в	28,12	28,30	27,43
Витамин С	7,43	8,65*	9,13*