Влияние внесения несъедобной растительной биомассы в почвоподобный субстрат на рост растений
Автор: Ушакова С.А., Тихомиров А.А., Величко В.В., Клевец В.В.
Журнал: Вестник Красноярского государственного аграрного университета @vestnik-kgau
Рубрика: Экология
Статья в выпуске: 12, 2013 года.
Бесплатный доступ
С целью повышения степени замкнутости массообменных процессов в биолого-технических системах жизнеобеспечения исследована реакция растений на внесение несъедобной растительной биомассы в почвоподобный субстрат.
Биолого-технические системы жизнеобеспечения, почвоподобный субстрат, несъедобная растительная биомасса
Короткий адрес: https://sciup.org/14082846
IDR: 14082846
Текст научной статьи Влияние внесения несъедобной растительной биомассы в почвоподобный субстрат на рост растений
Создание систем жизнеобеспечения человека, основанных на биолого-техническом принципе регенерации воздуха, воды и пищи для стационарных станций при длительных космических миссиях или в труднодоступных местах на Земле, признано наиболее приемлемым как с точки зрения поддержания качества жизни человека, так и для сохранения окружающей среды [1].
Один из способов повышения замкнутости массообменных процессов был предложен Н.С. Мануков-ским с соавторами [4]. В основе этого метода лежит использование почвоподобного субстрата (ППС) как корнеобитаемой среды для выращивания растений и одновременно как биореактора для «биологической» минерализации растительных отходов [4, 5].
В длительных экспериментах по экспериментальному моделированию длительно действующих биолого-технических систем жизнеобеспечения (БТСЖО) была показана принципиальная возможность длительного многократного внесения растительных отходов в ППС [6, 7]. Но проблемы, связанные с реакцией растений на качество и количество вносимой растительной биомассы, требуют дополнительных исследований.
Цель работы . Исследование влияния количества и качества вносимой в ППС несъедобной биомассы овощных растений на последующий рост и развитие овощных растений, возможных представителей звена высших растений в БТСЖО.
Было проведено несколько серий экспериментов, в которых в качестве объектов исследования были взяты растения редиса, моркови, свеклы.
Влияние внесения в ППС несъедобной биомассы овощных растений на продуктивность растений редиса
При проведении экспериментов по изучению влияния внесения несъедобной биомассы овощных культур в ППС на рост растений в качестве тестовой культуры был взят редис ( Raphanus sativus L., сорт Ви-ровский белый). Технология выращивания растений на ППС в условиях интенсивной светокультуры подробно описана в статьях [4, 5]. Опираясь на многочисленные эксперименты по выращиванию растений в условиях интенсивной светокультуры, проводимые в Институте биофизики СО РАН, нами за основу расчетов количества вносимой несъедобной биомассы овощных растений была взята продуктивность растений редиса, моркови и свеклы при выращивании на нейтральном субстрате при оптимальных условиях внешней среды (табл. 1) [2]. Исходя из массы несъедобных надземных органов овощных культур (табл. 2), в зависимости от варианта опыта, перед посевом растений в ППС была внесена сухая надземная масса редиса из расчета 0,8 кг/м2посева (1-й вариант), сухая надземная масса моркови 3,1 кг/м2 (2-й вариант) и сухая надземная масса свеклы 2,5 кг/м2 (3-й вариант). Общее количество макроэлементов, содержащихся в ППС и внесенных с соответствующей несъедобной биомассой в субстрат, представлено в таблице 2.
Таблица 1
Урожай растений, выращенных на нейтральном субстрате при оптимальных условиях среды (Лисовский и Шиленко, 1975)
Анализируемая часть растения |
Редис, кг/м2 |
Морковь, кг /м2 |
Свекла, кг /м2 |
|||
Сырая масса |
Сухая масса |
Сырая масса |
Сухая масса |
Сырая масса |
Сухая масса |
|
Надземная |
11,5 |
0,8 |
11,7 |
3,1 |
18,6 |
2,5 |
Корнеплоды |
10,1 |
0,8 |
24,2 |
4,4 |
35,5 |
3,8 |
Корни |
0,8 |
0,1 |
6,0 |
0,4 |
1,9 |
0,3 |
Общая |
26,5 |
1,4 |
41,9 |
8,1 |
56,0 |
6,6 |
Таблица 2
Количество минеральных элементов, внесенных с несъедобной биомассой в ППС и содержащихся в исходном субстрате, г/м2
Надземная биомасса растений |
Внесено сухих отходов, кг/м2 |
Na |
K |
Ca |
Mg |
P |
S |
N |
Редис (1-й вариант опыта) |
0,8 |
1,6 |
34,4 |
29,7 |
4,7 |
1,6 |
4,7 |
26,6 |
Морковь (2-й вариант опыта) |
3,1 |
28,1 |
75,0 |
59,4 |
15,6 |
6,3 |
12,5 |
98,0 |
Свекла (3-й вариант опыта) |
2,5 |
40,0 |
105,0 |
30,0 |
30,0 |
7,5 |
12,5 |
74,3 |
ППС исходный, 20,3 кг/м2 |
20,3 |
182,8 |
589,1 |
121,9 |
60,9 |
101,6 |
595,2 |
В подготовленный вышеописанным способом субстрат [4] были посеяны семена редиса Raphanus sativus L. сорта Вировский белый. В 30-суточном возрасте растения достигли состояния технической зрелости, были убраны и проведена сравнительная оценка полученного урожая.
Периодическое измерение в процессе роста растений pH ирригационных растворов показало, что во всех вариантах ирригационный раствор имел слабощелочную реакцию. Самый низкий pH, около 8, был у раствора для полива растений в 1-м варианте опыта, а самый высокий (8,6–9,0) был у раствора для полива растений в 3-м варианте (табл. 3).
Содержание различных форм азота и рН ирригационных растворов в зависимости от вида внесенных в ППС растительных отходов
Таблица 3
Возраст растений, сутки от всходов |
Растительные отходы |
Форма азота, мг/л |
pH раствора |
||
Нитратный |
Аммиачный |
Азот общий |
|||
10 |
Редис |
164,2 |
1,9 |
203,0 |
8,1 |
Морковь |
7,1 |
5,7 |
70,8 |
8,6 |
|
Свекла |
15,0 |
5,3 |
61,0 |
8,6 |
|
16 |
Редис |
135,4 |
1,4 |
164,1 |
8,3 |
Морковь |
11,2 |
3,4 |
53,5 |
8,6 |
|
Свекла |
13,8 |
1,9 |
63,1 |
9,0 |
|
19 |
Редис |
116,3 |
2,1 |
163,6 |
8,2 |
Морковь |
16,0 |
3,7 |
78,7 |
8,6 |
|
Свекла |
23,3 |
3,9 |
99,3 |
8,8 |
|
24 |
Редис |
49,9 |
1,0 |
73,2 |
7,9 |
Морковь |
12,0 |
1,9 |
54,0 |
8,5 |
|
Свекла |
10,0 |
2,1 |
58,0 |
8,7 |
|
30 |
Редис |
8,0 |
0,8 |
23,3 |
7,9 |
Морковь |
8,6 |
0,9 |
37,3 |
8,5 |
|
Свекла |
10,5 |
2,4 |
78,2 |
8,8 |
Внесение 3,1 кг/м2 ботвы моркови и 2,5 кг/м2 ботвы свеклы в ППС привело через 10 суток вегетации растений редиса к резкому уменьшению в ирригационных растворах (по сравнению с внесением 0,8 кг/м2 ботвы редиса) содержания нитратных форм азота. Только к моменту уборки растений содержание нитратных форм азота в растворах почти выровнялось. При этом на протяжении всего периода роста растений содержание восстановленных форм азота в ирригационных растворах вариантов 2 и 3 было выше, чем в растворе варианта 1 (табл. 4).
Таблица 4
Надземная масса и масса корнеплодов растений редиса, выращенных на ППС с добавлением ботвы разных видов растений
Вариант |
Надземная масса, г/м2 |
Процент сухого вещества |
Масса корнеплодов, г/м2 |
Процент сухого вещества |
||
сырая |
сухая |
сырая |
сухая |
|||
1-й |
5803±1760 |
752±228 |
13,0 |
11039±2737 |
684±170 |
6,2 |
2-й |
2247±362 |
252±41 |
11,2 |
3349±711 |
231±49 |
6,9 |
3-й |
1411±309 |
204±45 |
14,4 |
2695±608 |
210±47 |
7,8 |
Примечание. Вариант 1 – в ППС добавлено 0,8 кг/м2 сухой ботвы редиса. Вариант 2 – в ППС добавлено 3,1 кг/м2 сухой ботвы моркови. Вариант 3 – в ППС добавлено 2,5 кг/м2 сухой ботвы свеклы.
Сравнительная оценка структуры урожая редиса показала, что сырая и сухая надземная масса растений варианта 1 оказалась в 2,6 и 3 раза соответственно выше, чем у растений варианта 2, и в 4,1 и 3,7 раза соответственно выше, чем у растений варианта 3. Надземная биомасса растений варианта 3 оказалась несколько меньше, чем надземная масса растений варианта 2. Примерно такое же соотношение наблюдалось при оценке массы корнеплодов исследуемых вариантов: сырая и сухая масса корнеплодов растений варианта 1 была в 2,6 и 3,1 раза соответственно выше, чем таковая у растений вариантов 2 и 3. В результате суммарная масса растений варианта 1 была значительно выше суммарной массы растений вариантов 2 и 3.
Несмотря на различия в биомассе растений, доля хозяйственно-полезной биомассы в общей биомассе (Кхоз.) фактически не зависела от вида вносимых в ППС растительных отходов.
Таким образом, внесение в ППС несъедобной биомассы растений моркови и свеклы в количествах, примерно равных их урожаю при выращивании на такой же площади, приводит к значительному падению продуктивности редиса. Урожай растений редиса, выращенного на ППС с добавлением ботвы редиса, фактически не отличался от урожая редиса, выращенного на нейтральном субстрате при аналогичных условиях внешней среды.
Влияние внесения в ППС несъедобной биомассы выращиваемых растений на рост следующего поколения этих культур в течение нескольких генераций растительного конвейера
При оценке влияния внесения несъедобной биомассы овощных культур в ППС для последующего выращивания редиса было выявлено угнетение процессов роста и формирования корнеплодов редиса, выращенных на растительных остатках моркови и свеклы. Но какой будет реакция растений, если вносить отходы по одноименной культуре, причем выращенных в конвейерном режиме при многократном внесении в ППС несъедобной биомассы? Для ответа на этот вопрос была проведена оценка влияния внесения в ППС несъедобной биомассы овощных растений на рост следующего поколения этих же культур в течение нескольких генераций овощных растений. С этой целью был сформирован разновозрастной 3-видовой конвейер овощных растений, в состав которого входили 3 возраста растений моркови (Daucus carota L.) сорта Витаминная 6, свеклы (Beta vulgaris L.) сорта Египетская и 2 возраста растений редиса (Raphanus sativus L.) сорта Виров-ский белый. Длительность вегетации одного поколения моркови и свеклы составляла 78 суток, редиса – 26 суток. После каждой уборки растений, перед последующим посевом несъедобная биомасса была внесена в субстрат для выращивания растений этого же вида. Взамен съедобной биомассы, изымаемой при уборке урожая из системы «растительный ценоз – ППС», в качестве компенсации в ирригационный раствор добавляли минерализованный раствор, полученный при физико-химической переработке соломы пшеницы перекисью водорода при температуре 90°С в переменном электромагнитном поле по методу, разработанному Ю.А. Куденко с соавт. [3]. Минерализованный раствор в процессе вегетации равномерно добавляли в ирри- гационный раствор для полива растений. Количество вносимого минерализованного раствора рассчитывали исходя из содержания азота в съедобной биомассе растений. Ирригационный раствор для полива растений был общим для всех растений, вошедших в состав разновозрастного растительного конвейера. В таком конвейере плотность посева растений моркови составляла 150 растений на 1 м2 посева, растений свеклы – 100 растений на 1 м2 посева, растений редиса – 250 растений на 1 м2 посева.
Первая генерация растений была выращена на свежеприготовленном ППС без внесения ботвы исследуемых овощных растений и служила контролем.
Несмотря на то, что ирригационный раствор был общим для овощных культур, реакция растений несколько отличалась (рис.). Внесение ботвы моркови, свеклы и редиса приводило от генерации к генерации к постепенному уменьшению сухой массы листьев свеклы и не оказало влияния на массу корнеплодов свеклы. У растений моркови уже во второй генерации наблюдалось значительное уменьшение массы корнеплодов. В результате третьей генерации происходило уменьшение не только массы корнеплодов, но и листьев. В меньшей степени на внесение несъедобной биомассы овощей прореагировали растения редиса: масса листьев от генерации к генерации фактически не изменилась, масса корнеплодов во второй и третьей генерации была меньше, чем в первой, но эти отличия по сравнению с растениями моркови были не столь значительны (рис.). Причина снижения массы корнеплодов редиса связана, видимо, с опосредованным через ирригационный раствор влиянием внесения в ППС несъедобной биомассы моркови и свеклы.
Причин отрицательного влияния внесения несъедобной биомассы растений в ППС может быть несколько. Но основная причина, по нашему мнению, следующая: внесение 2,5–3,1 кг/м2 сухого органического вещества могло привести к активизации процессов роста микроорганизмов, что должно привести к уменьшению содержания доступных для растений форм азота.

Относительная сухая масса растений свеклы, моркови и редиса, выращенных в конвейерном режиме на ППС с внесением несъедобной биомассы растений в субстрат (за 100 % принята масса растений, выращенных на свежеприготовленном ППС, – репродукция 1)
Скорость же освобождения, связанного в органическом веществе растительных отходов азота, не компенсировала скорости связывания азота микроорганизмами. Недостаток доступных форм азота может быть одной из основных причин падения продуктивности растений. Кроме того, в несъедобной биомассе растений или в продуктах ее разложения могут находиться вещества, приводящие к угнетению процессов роста растений. При внесении значительных количеств растительных отходов в ППС содержание этих веществ может стать достаточным, чтобы оказывать отрицательное влияние на процессы роста и развития растений.
Следовательно, непосредственное внесение несъедобной растительной биомассы овощных растений в ППС нецелесообразно и необходимо использовать технологии предварительной обработки вносимой в субстрат растительной биомассы.