Новые подходы к облучению растений, выращиваемых на гидропонике

Введение . Гидропоника – это способ выращивания растений без почвы. Слово «гидропоника» произошло от двух греческих: «hydro» вода и «ponos» работа [1, 2, 3].

История исследований по выращиванию растений на искусственных почвах начинается с глубокой древности. Археологические раскопки свидетельствуют, что висячие сады Семирамиды древнего Вавилона, вошедшие в число «Семи Чудес Света» были одной из первых удачных попыток земледелия на искусственных почвах. Плавающие сады ацтеков в Центральной Америке – еще один пример удачного применения гидропоники. Кочевые племена были вытеснены с пахотных плодородных земель более сильными враждебными племенами и тогда ацтеки построили из длинных стеблей тростника плоты, на которые уложили ил, поднятый со дна озера Теночитлан (Мексика). На этих плотах выращивался обильный урожай овощей, цветов и даже деревьев. Влагу растения получали корнями, которые пробивались вниз к воде [1, 2, 3].

Аристотель первым задумался о том, как питаются растения, Далее в период 1575 – 1642 гг этим вопросом занимался голландский ученый И. Б. Ван Гельмонт. Впервые довести растения из семян до цветения и новых семян на искусственном растворе удалось двум немецким ботаникам Ф.Кнопу и Ю.Заксу в 1865 г. [1].

В 1876 году русский ученый К.А. Тимирязев описал выращивание растений гидропонным методом и предсказал возможность его производственного использования. В 1910 году русский ученый А.В. Арциховский предложил две оригинальные установки: в первой корни растений находились в среде воздуха и периодически опрыскивались водноминеральным раствором, содержащим питательные вещества, во второй был заложен принцип подачи и сбора питательного раствора по трубопроводам. В 1929 году профессор Калифорнийского университета У. Герике обобщил и усовершенствовал существующие в то время методы выращивания растений без почвы и дал общее название «Гидропоника» [1, 3]. Метод Герике блестяще выдержал поверку, когда возникала необходимость в обеспечении свежими овощами отдельные американские воинские подразделения, находящиеся в период второй мировой войны на совершенно бесплодных скалистых островах. В гидропонных бассейнах Герике, часть которых была создана в голой скале с помощью взрыва, непрерывно и в изобилии выращивали превосходные во всех отношениях овощи [1, 2, 3]

В зимний период возможно выращивать на гидропонике зеленый корм и использовать на корм скоту, что значительно снижает авитаминоз у животных. Растения выращиваются на искусственных питательных средах в специальных установках, что позволяет получить с малых площадей большую массу растений и обеспечивает ежедневное получение зеленого корма. При скармливании этих зеленых кормов животным они хорошо растут и развиваются, увеличивая продуктивность. Генетически понятный корм для животных, существенно облегчает жизнь фермерам, так как после введения в рацион увеличивается выход телят до 11%, сокращаются расходы на медикаменты до 15%, увеличивается срок продуктивного использования животных и улучшается качество молока, мяса и яиц [4, 6, 7, 8, 9].

Гидропонный зеленый корм – это зеленый «ковер» из молодых ростков семян бобовых культур или зернофуражных, пророщенных в искусственных условиях без почвы на специальном питательном растворе в течение 7 – 12 дней (рисунок 1). Для производства зеленого корма в основном используется зерна пшеницы, ячменя, однако также может исполь кукуруза, горох, овес, рожь.

Рисунок 1 – «Ковер» из зеленого корма

Для выращивания зеленого корма на гидропонике в осенне-зимний период для освещения (облучения) растений применяют ртутные разрядные лампы, которые экологически опасны. Использование энергоэффективных энергосберегающих световых светодиодных электротехнологий для выращивания зеленого корма на гидропонике изучено мало и поэтому является актуальной задачей [10, 11].

Целью исследований является исследование влияния УФ излучения на всхожесть зерновых культур и излучения зоны фотосинтетически активной радиации (ФАР) на рост и развитие зеленых растений, выращенных из облученных УФ излучением семян в гидропонных установках.

Эксперименты по выращиванию семян пшеницы и ячменя проводились на кафедре автоматизированного электропривода ФГБОУ ВО Ижевской ГСХА в 2018г. Для этого был создан УФ установка (рисунок 2) и фитоустановка с разными по спектру светодиодами (рисунок 3).

Рисунок 2 – Светодиодные УФ облучательные установки: слева для облучения семян древесных культур, справа для облучения зерновых культур (наш случай)

Семена для эксперимента были облучены ультрафиолетовым излучением (УФ) зоны «А» (315... 400 нм). На фотографии (рисунок 2) эта установка расположена справа. УФ излучатель состоял из 81 светодиода, его мощность составляла около 3 Вт. Для опытов использовалось 400 средних семян пшеницы и ячменя. Повторность опытов четырех кратная и в каждом опыте было по 100 семян. Исследовались следующие варианты, разные по дозе ультрафиолетового облучения (УФО): вариант «1» - время облучения 23 минуты 48 секунд; вариант «2» - время облучения 33 минуты 18 секунд, вариант «3» - время облучения 42 минуты 52 секунды и контроль «К» - без УФО. Результаты опытов приведены в таблице 1.

Таблица 4 - Результаты экспериментов по вслиянию дозы УФ облучения на всхожесть семян ячмена и пшеницы, %

Варианты УФ облучения	Культура
	Ячмень		Пшеница
	Взошло,	Не взошло	Взошло	Не взошло
Контроль	98	2	94	6
1	96	4	96	4
2	98	2	98	2
3	98	2	98	2

Из таблицы 1 видно, что УФО семян оказало положительное воздействие на всхожесть. Наилучшие результаты показал второй вариант для обеих культур.

Далее облученные семена помещались в специально созданную гидропонную установку с красными, синими и зелеными светодиодами, расположенными в светодиодной ленте SMD 3528. Общее количество светодиодов составляло 148 штук. Для управления освещением использовался контроллер типа LD28 [12, 13, 14], который предназначен для управления трехканальной светодиодной нагрузкой ленты типа RGB ,рассчитанной на напряжение 12 В (рисунок 3).

Рисунок 3 – Фотографии световой части гидропонной установки, состоящей из 46 зеленых светодиодов (green), 50 красных (red) и 52 синих (blue)

С помощью пульта управления был задан изменяющийся -динамичный режим облучения со следующими параметрами (таблица 2).

Таблица 5 - Параметры изменяющегося -динамичного режима работы

Время работы, с	Количество светодиодов, шт
	Красные (red)	Синие (blue)	Зеленые (green)
4	50		46
4		52	46
30	50	52	46

«Динамический» световой режим работы фитооблучательной установки реализовывался контроллером с ИК-пультом управления (Camelion SLR-01) на 24 кнопках. Контроллер позволял осуществить выбор 16 статических сочетаний цветов и 4 динамических режима.

В комплектацию фитоустановки входил блок питания типа feron мощностью 60 Вт и напряжением 12 В, алюминиевый каркас, электрический таймер, с возможностью программирования включения и отключения фитоустановки в течение суток.

Освещенность измерялась цифровым фотометром (люксметром-яркометром) типа «ТКА-04/3».

На рисунке 3 показаны растения в конце эксперимента.

Рисунок 4 – Фото в конце эксперимента: справа – ячмень, слева - пшеница

Из рисунка 4 видно, что скорость нарастания зеленной массы у ячменя оказалась выше, чем у пшеницы.

На рисунке 5 приведены графики изменения средней зеленой массы зеленых растений.

— ♦ —Пшеница — ■ -Ячмень

Рисунок 5 –Результаты экспериментов по выращиванию зеленого корма из ячменя и пшеницы на гидропонике

Анализ рисунка 5 показывает, что для растений пшеницы, выросших из обработанных УФ излучением семян, можно рекомендовать время облучения от 33 до 45 мин, т.к. при этом нарастание зеленой массы изменяется незначительно. Для семян ячменя наилучшую дозу УФО определить не удалось, т. к. из рисунка 5 видно, что средняя масса растений продолжает возрастать.

Заключение

Проведенные эксперименты по облучению семян УФ излучением с последующим выращиванием из их зеленых растений на специально разработанной фитоустановке показывают новые подходы к выращиванию зеленых растений в гидропонных установках. Применение светодиодов позволяет экономить электрическую энергию на 40..50% по сравнению люминесцентными лампами [15, 16]; Установка электробезопасна, т. к. работает при напряжении 12 В и экологически безвредна, т. к. не содержит ртуть. Ориентировочная ее стоимость УФ установки составила примерно 2000 руб., фитоустановки - около 4500 рублей, срок окупаемости последней примерно 3 года.

Spin-код: 1447-0720

Большин Роман Геннадьевич , кандидат технических наук, Адрес: 426069, Ижевск, ул. 7-Подлесная, 85 – 21.

Spin-код: 3358-4034

Краснолуцкая Мария Геннадьевна, кандидат технических наук, Адрес: 426069, Ижевск, ул. 7-Подлесная, 85 – 21.

Spin-код: 4771-8088

Долганов Кирилл Юрьевич, бакалавр кафедра «Автоматизированный электропривод».

Адрес: Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, 426069, Ижевск, ул. Студенческая, 11, каб. 1-106,

Попугаев Александр , аспирант кафедра «Автоматизированный электропривод».

Адрес: Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, 426069, Ижевск, ул. Студенческая, 11, каб. 1-106,

Горшков Захар , аспирант кафедра «Автоматизированный электропривод».

Адрес: Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, 426069, Ижевск, ул. Студенческая, 11, каб. 1-106,

About the authors :

The head of the department "The automated electric drive", professor

Address: Izhevsk state agricultural academy,

426069, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, incorporated bank. 1-104,

Spin-код: 1447-0720

Rоman G. Bolshin, Ph.D. (Engineering), teacher.

Address: Non-state educational institution of additional professional education "Educational and scientific innovative center "Omega",

426069, Izhevsk, st. 7-Podlesnaya, 85 – 21

Spin-код: 3358-4034

Mariya G. Krasnolutskaya, the researcher, the lecturer , teacher.

Address: Non-state educational institution of additional professional education "Educational and scientific innovative center "Omega",

426069, Izhevsk, st. 7-Podlesnaya, 85 – 21

Spin-код: 4771-8088

Kirill Yu. Dolganov , bachelor, Automated Electric Drive department.

Address: Izhevsk state agricultural academy,

426069, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, 106,

Ivan V. Belyakov , bachelor? Automated Electric Drive department.

Address: Izhevsk state agricultural academy,

426069, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, incorporated bank. 1-106,

Popugaev Alexander , graduate student

Address: Izhevsk state agricultural academy,

426069, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, incorporated bank. 1-106,

Gorshkov Zakhar, graduate student

Address: Izhevsk state agricultural academy,

426069, Izhevsk, Studencheskaya St., 11, incorporated bank. 1-106,