Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Оптическое излучение (ОИ) является важным фактором роста и развития растений. Применение ОИ для выращивания растений при искусственном облучении (в светокультуре) допускает широкие возможности варьирования его параметрами: интенсивностью, продолжительностью, спектральным составом, что оказывает специфическое воздействие на фоторецепторы [9]. У растений под влиянием энергии ОИ наблюдается целый ряд физических эффектов, ведущих к регуляторным, адаптивным и другим процессам, вплоть до экспрессии генов. Единичные кванты ОИ, поглощаемые растительным организмом, запускают превращения морфофизиологического состояния растений [1]. Развитие аграрных теоретических знаний и практики производства продукции выявили необходимость создания энергоэффективных агротехнологии с минимальным негативным воздействием на окружающую среду, в основу которых должны быть положены наиболее важные достижения фундаментальных наук. Для светокультуры характерны существенные энергетические затраты, поэтому вопросы экологичности и энергоэффективности приобретают особую актуальность [4].

Традиционными источниками излучения (ИИ) для применения в светокультуре являются натриевые и люминесцентные лампы с различным спектром излучения, однако эти источники имеют недостатки – малый срок службы, высокую энергоемкость, недостаточную оптимальность распределения интенсивности излучения по длинам волн в диапазоне фотосинтетически активной радиации (ФАР) в диапазоне 400 – 700 нм. Альтернативным типом ИИ являются светодиоды. Для интенсификации промышленной светокультуры необходимы научное обоснование и разработка новых энергоэкономичных ИИ.

В качестве модельной культуры в данном исследовании выбран салат (Lactuca sativa L.) благодаря его быстрому росту и чувствительности к спектру ОИ. В хозяйственном плане салат пользуется большим спросом, особенно в зимний период. Это конкурентоспособная продукция, не требующая особых затрат, за исключением электроэнергии при выращивании с досвечиванием [7].

К настоящему времени накоплен большой эмпирический материал по выращиванию салата под ИИ с различным спектральным составом. Исследованиями ряда авторов установлено, что большая часть фотобиологических процессов в растениях наиболее активно проходит в синей и красной областях спектра. В зависимости от спектра излучения были обнаружены положительные физиологические, морфологические эффекты, выявлено повышенное содержание питательных веществ. Определены рекомендуемые сочетания энергии в различных диапазонах спектра [8]. Наблюдалась более высокая сухая масса у салата, выращенного под красным светом с добавлением синего, по сравнению с салатом, выращенном только под красным светом [10].

Важной мерой оценки пригодности света для светокультуры является величина потока ФАР. Для интенсивного фотосинтеза у растений необходимым является не только обеспечение общего количества энергии ОИ, но и соответствующего спектрального состава излучения. Для экономически обоснованного применения ИИ в светокультуре важной является и оценка их энергетической эффективности [2, 3, 5].

Цель исследований заключается в сравнительной оценке влияния соотношения потоков в красном и синем диапазонах ФАР на рост, развитие и качество салата.

Материалы и методы исследования

Экспериментальные исследования по выращиванию салата под излучателями на гидропонике проводили в условиях без доступа солнечного света. Салат – достаточного распространенная зеленная культура, обладающая ценными свойствами, содержит провитамин А-каротин, витамины С, В, Р, РР, К, Е и микроэлементы В, J, Zn, Mn, Cu и др. В салате содержится до 4,0 % сахаров, углеводов, минеральные соли составляют 7 – 19 % от сухого вещества. В России самым распространенным считаются листовые салаты сортотипа Батавия. Салат Афицион самый популярный светло-зеленый сорт [6].

Для выращивания салата методом гидропоники в качестве субстрата использовали верховой торф низкой степени разложения (10 %), кислый (рН 3,8), зольностью 10 %. Торф предварительно известковали агромелом с доведением кислотности до рН 6,2 и минерального состава до содержания, мг.л-1: азота – 230; фосфора – 50; калия – 250; кальция – 200; магния – 60. Питательный раствор для гидропонного выращивания салата в замкнутом цикле готовили из минеральных солей, используемых в промышленном тепличном овощеводстве с доведением содержания элементов питания в рабочем растворе, мг.л-1: азота – 162,5; фосфора – 28,8; калия – 231,2; кальция – 107,9; магния – 26,5 и необходимого количества микроэлементов.

Растения салата выращивали в пластиковых горшочках типа PR – 306 диаметром и высотой 5 см. Семена высевали в горшочки по 3 – 4 штуки (предварительно семена обрабатывали эпином). Выдерживали горшочки с семенами в темновом шкафу при температуре 22 °С и относительной влажности воздуха 93 – 95 % в течение 1,5 суток. Проросшие семена переносили под светильник с люминесцентными лампами с соотношением потоков в спектре kВ:kG:kR = 26 %:38 %:36 % (синего В – blue; зеленого G – green; красного R – red). Доля потока ближней инфракрасной зоны составляло 11,8 %.

В течение 14 дней рассаду салата выдерживали на рассадном столе при облученности 120 мкмоль.с-1.м-2 при круглосуточном досвечивании. На 15-й день после всходов горшочки с 2-я настоящими листочками переносили в рабочую зону и устанавливали в культивационные желоба под облучатели с различным спектром. Уровень облученности в течение периода выращивания поддерживали на уровне 140 мкмоль.с-1.м-2, за счет изменения высоты подвеса. Облучение проводили по 16 часов в сутки. Питательный раствор подавали автоматически в замкнутом цикле на лотки, на каждый стол отдельно. Электропроводность (ЕС) и уровень рН питательного раствора корректировали ежедневно и поддерживали на уровне 1,8 – 2,0 мсм.см-1 и 5,9 – 6,1 ед. соответственно.

Облучение растений салата в рабочей зоне осуществлялось двумя комбинированными облучателями с различными спектрами:

1) S1 – спектр, получаемый от излучения восьми люминесцентных ламп OSRAM L 58W/77 FLUORA (G13) и светодиодов синего цвета. Соотношение потоков в поддиапазонах ФАР kВ:kG:kR = 51 %:21 %:28 %, с наибольшей долей энергии в синем поддиапазоне с соотношением kR:kВ = 1:1,8.

2) S2 – спектр, получаемый от излучения восьми люминесцентных ламп OSRAM L 58W/77 FLUORA (G13) и светодиодов красного цвета. Соотношение потоков kВ:kG:kR = 32 %:22 %:46 %, с наибольшей долей энергии в красном поддиапазоне с соотношением kR:kВ = 1:0,7.

Использовали СД марки ARPL – Star, смонтированные на алюминиевом радиаторе. Питание светодиодов осуществлялось от блока питания ARS-480М-12, управляемых с помощью регулятора мощности МР301F.

Результаты исследования и их обсуждение

В табл. 1 показана динамика биометрических показателей растений салата: массы листьев, их количества и высоты растения.

Результаты сравнительного анализа влияния излучения на растения салата показали, что при спектре S2 наблюдались большие значения высоты растения салата, массы листьев и их количества. Продуктивность салата по массе листьев при спектре S2 была выше и составила 43,61 ± 0,41 г/горшочек по сравнению с 35,39 ± 2,26 г/горшочек при спектре S1.

В табл. 2 показаны показатели продуктивности и химический состав листьев салата на конец эксперимента.

Таблица 1

Динамика биометрических показателей растений салата

Таблица 2

Химический состав листьев салата

Таблица 3

Коэффициенты использования азота, фосфора и калия из питательного раствора гидропонной культуры салата

Выход сухого вещества составил 69,66 г.м-2, содержание органического вещества в сухом веществе составило 58,5 г.м-2 по отношению к 56,6 г.м-2 и 46,45 г.м-2 под спектром S1 (соответственно), что характеризуется усилением фотосинтетической деятельности у растений. Отмечали существенное снижение содержания нитратного азота в зеленой массе салата до 1725,5 мг.кг-1 под спектром S2 по сравнению с 2982,9 мг.кг-1 под спектром S1, что обусловлено усилением процессов синтеза белков в зеленой массе. Отметим, что по нормативам ПДК по содержанию нитратов в салате, выращенного в укрытии с октября по март может достигать уровня 4000 мг.кг-1.

В табл. 3 показаны коэффициенты использования азота, фосфора и калия из питательного раствора гидропонной культуры салата.

Исследование питательных растворов в динамике в процессе их рециркуляции на салатной линии показали, что коэффициенты использования азота, фосфора и калия растениями салата под спектрами S1 и S2 оставались низкими на конец опыта и составили 19,92; 12,29; 12,30 и 23,00; 15,20 и 15,20 % % соответственно, что характерно для водной гидропонной культуры.

В табл. 4 показаны показатели водопотребления салата на гидропонной установке.

Таблица 4

Коэффициенты водопотребления салата

Водопотребление у салата под спектром S2 существенно снижено и составило 19,08 л.м-2 по сравнению с 22,27 л.м-2 под спектром S1. Экономия воды составила 3,19 л.м-2.

Заключение

Результаты эксперимента показали, что увеличение в потоке доли красного излучения (с соотношения kR:kВ = 1:1,8 до kR:kВ = 1:0,7 привело к существенному увеличению массы листьев на 24 % при увеличение высоты растений салата на 1 % и их количества на 4 %. Благодаря усилению фотосинтетической деятельности выход сухого вещества на конец опыта повысился на 18 %, содержание органического вещества в сухом веществе – на 27 %. Наблюдалось существенное снижение содержания нитратного азота в зеленой массе салата на 43 %, обусловленое усилением процессов синтеза белков в зеленой массе. Повысились коэффициенты использования растениями салата азота, фосфора и калия на величину около 3 %, оставаясь при этом низкими, что характерно для водной гидропонной культуры. Водопотребление у салата снизилось на 15 %, обеспечив экономию воды 3,19 л.м-2.