Ионитный субстрат
Текст: Ю. А. Беркович, д-р техн. наук, вед. науч. сотр.; С. О. Смолянина, канд. биол. наук, ст. науч. сотр.; А. С. Кривобок, канд. биол. наук, науч. сотр.; В. Г. Смолянин, гл. специалист подразделения, ФГБУН ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем РАН».
В последние 15 лет овощеводство защищенного грунта демонстрирует устойчивый рост, однако этап его экстенсивного развития за счет введения в эксплуатацию новых тепличных площадей планируется завершить к 2020 году. Поэтому в ближайшее десятилетие аграриям придется работать в условиях жесткой конкуренции.
Следует отметить, что многие предприятия уже сейчас вынуждены соперничать как за инвестиции, так и за рынки сбыта. При этом конкурентными преимуществами тепличных комбинатов в борьбе за покупателя, помимо стабильных и высоких урожаев, могут стать ресурсосберегающие технологии. Кроме того, немаловажную роль играет повышенное по сравнению со средним уровнем содержание одного или нескольких биологически активных компонентов в поставляемой продукции. Также в современных условиях значимой является экологическая безопасность овощей и самой системы производства. В связи с этим перспективными являются новые методы корневого снабжения растений в защищенном грунте, один из которых основан на применении искусственных ионообменных субстратов волокнистой структуры. Ощутимую пользу также может принести использование современных конструкций посадочных устройств и технологии биотехнической регенерации корнеобитаемой среды после уборки урожая.
КОРНЕВОЕ СНАБЖЕНИЕ
В аграрном секторе идет непрерывный процесс совершенствования старых и внедрения новых технологий, среди которых особое место занимают методы корневого снабжения растений. Сегодня в основном применяются три типа организации подобного питания. При бессубстратной гидропонике, реже аэропонике, корни культур находятся непосредственно в питательном растворе либо в его аэрозоле, а при субстратном методе они располагаются в капиллярно-пористой среде, увлажняемой водой или смесью растворенных в ней минеральных удобрений. Кроме того, иногда используется мембранный тип системы корневого питания. Каждый из перечисленных вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Так, обычная, то есть бессубстратная гидропоника, требует регулярного принудительного насыщения раствора кислородом и непрерывного поддержания в нем оптимальных значений рН и концентрации минеральных элементов, что технически достаточно сложно организовать. По этой причине применение гидропонного метода, согласно федеральному закону, запрещено для выращивания органической продукции. Кроме того, аварийное отключение системы подачи раствора в корнеобитаемую зону может привести к значительному повреждению или даже гибели посевов. Возделывание культур на гидрофильных пористых мембранах обусловливает наслоение корней друг на друга по мере роста растений, то есть способствует образованию корневого мата, что может негативно влиять на продуктивность посевов. Субстратная гидропоника уменьшает риск потери урожая при аварийных отключениях системы подачи воды или раствора, поскольку маты обычно содержат запас капиллярно связанной влаги, что обеспечивает снабжение растений во время ремонтных работ. Эффективность этой технологии во многом зависит от состава и гидрофизических характеристик субстратов, а также от возможности их регенерации после применения. Интересным решением в данном направлении стало использование природных цеолитов или ионообменных смол, насыщенных солями биогенных элементов, в качестве материала для изготовления корневой среды. Как известно, емкость катионного обмена является одним из важнейших агрономических свойств почвы, оказывающих влияние на ее буферные характеристики и плодородие. В землях природного генеза она определяется долей органических, минеральных или органоминеральных коллоидных частиц, способных поглощать и обменивать полученные ионы.
ОСОБЫЕ ЗАМЕНИТЕЛИ
На основе принципов функционирования естественной почвы в ГНУ «Институт физико-органической химии Национальной академии наук Беларуси» еще в советские времена были изготовлены искусственные ионитные почвозаменители (ПЗ), которые успешно использовались в отдельных отраслях агропромышленного комплекса. В состав таких ПЗ входят сильнокислотный синтетический катионит, например «Фибан-К-1», и слабоосновной искусственный анионит, в частности «Фибан-АК-22-1». В гранульные виды иногда добавляется дробленый клиноптилолит. При производстве таких ПЗ ионообменные смолы формуются в виде гранул, например в субстратах «Биона-311», «Биона-311М», «Биона-312» и других, либо волокон, как в СВ-3, «Биона-В» и прочих. Затем по специальной технологии они насыщаются элементами, необходимыми для минерального питания растений. Сыпучая гранулированная форма обычно представлена частицами диаметром от 0,3 до 4 мм. Волокнистый ПЗ представляет собой плотный войлок с капиллярно-пористой структурой. Если объемную плотность таких почвозаменителей в сухом состоянии довести до значений 0,1–0,14 г/куб. см, то распределение диаметров пор в них оказывается благоприятным для обеспечения водоснабжения и корневого дыхания растений в пределах диапазона водных потенциалов в корнеобитаемой зоне — от –0,5 кПа до –2,5 кПа.
К недостаткам таких ионитных ПЗ можно отнести сравнительно низкую удельную ионообменную емкость синтетических смол, составляющих их основу, — она на порядок ниже, чем у гуминовых и фульвокислот, являющихся органическими компонентами естественных почв. Однако ионитный синтетический ПЗ обладает высокой буферностью по показателю pH и при культивировании растений долго сохраняет концентрацию солей в растворе, заполняющем поровое пространство корнеобитаемой зоны. Так, экспериментально было доказано, что волокнистый мат такого типа способен поддерживать величину рН субстратной смеси в пределах оптимального для корневого питания диапазона при варьировании водородного показателя поливной воды от 5 до 7,9 единиц. Подобные свойства сделали такие почвозаменители перспективным субстратом для гидропонного выращивания растений в условиях, когда осуществление текущего контроля кислотности питательного раствора затруднительно. Например, они могут применяться в космических оранжереях, проектируемых для марсианской и лунной баз, или для полетов в условиях невесомости на орбитальных космических станциях.
НОВОЕ РЕШЕНИЕ
Тем не менее специалистами ФГБУН ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем РАН» была предложена несколько другая технология корневого снабжения культур в защищенном грунте, сочетающая использование гидрофильных пористых мембран и субстратной гидропоники с ионообменным ПЗ в качестве корнеобитаемой среды. Более того, в рамках проведенной работы учеными были созданы особые посадочные устройства —
корневые модули, выполненные на основе металлокерамических пористых трубок и почвозаменителей волокнистой структуры.
Наиболее простая конструкция подобных установок представляет собой валик ионитного субстрата, намотанного в 2–3 слоя на пористую трубку. В верхней части модуля прорезаны 1–2 посадочные щели, в которые закладываются семена. Число щелей и слоев зависит от количества планируемых вегетаций и ожидаемой продуктивности посевов. Увлажнение почвозаменителя осуществляется через пористую трубку, куда вода или питательный раствор поступает под заданным разрежением из резервуара, представляющего собой сосуд Мариотта. Необходимое разрежение, то есть водный потенциал, определяется разницей высот между горизонтальной осью пористой трубки и концом сообщающимся с ее атмосферой сосуда Мариотта. При этом корневые модули могут быть присоединены как непосредственно к этой емкости, так и к отходящей от нее общей магистрали, что позволяет подавать раствор из одного бака сразу в несколько устройств.
После полного смачивания почвозаменителя и завершения переходных процессов в корневом модуле устанавливается диапазон водных потенциалов, который легко рассчитать при определении диаметра блока и величины потенциала на уровне оси пористой трубки. Экспериментально было определено, что оптимальные значения влажности и концентрации кислорода в ПЗ волокнистой структуры могут быть достигнуты при значениях водного потенциала от –0,5 до –2 кПа. Недостатком таких конструкций являются повышенные требования к герметичности водных проводящих магистралей, особенно в месте соединения с гидравлической арматурой — штуцерами, кранами и тому подобным. При попадании воздуха в трубопроводы пузырьки могут перекрывать подачу воды или питательного раствора к корням растений.
НАБОР КУЛЬТУР
Более сложная конструкция корневого модуля предполагает наличие внутри валика из ионитного ПЗ двух трубок — пористой и перфорированной. Вода или питательный раствор принудительно закачивается в установку через последнюю трубку и увлажняет субстрат, при этом первый тип служит тензиометром для измерения водного потенциала и используется в качестве датчика обратной связи при управлении влажностью в корневой зоне. По мере транспирации воды растениями давление в тензиометре понижается. Границы заданного в регуляторе диапазона значений водного потенциала в пористой трубке определяют начало и окончание процессов закачивания жидкости. Снаружи устройства покрыты водонепроницаемыми защитными чехлами, концы которых неплотно смыкаются над посадочной щелью, для уменьшения испарения воды из ПЗ от светового и воздушного потоков.
Цилиндрическая конструкция корневого модуля подходит для выращивания ряда овощных культур, в том числе корнеплодных, у которых хозяйственно полезная часть урожая формируется из надземных органов, например редиса, японской репы и прочих. Сложнее ситуация обстоит с корнеплодами, образуемыми непосредственно из корня, например с морковью. При ее возделывании в таких установках получаются экземпляры со множеством перетяжек по длине, располагающихся в местах прохождения корня сквозь слои ПЗ. Для подобных культур перспективным методом может стать выращивание на вертикальном слое волокнистого почвозаменителя, натянутого между двумя пористыми трубками с питательным раствором внутри, причем водный потенциал на верхней трубке должен быть меньше, чем на нижней. Для листовых овощных культур использование подобного субстрата при удельном объеме, равном 65 куб. см на растение, не приводит к снижению их урожайности до тех пор, пока масса сухого вещества корней не достигает 25 мг/куб. см сухого ПЗ, что примерно соответствует двум товарным вегетациям. Для дальнейшего применения корневых модулей почвозаменитель в них следует заменить на новый, а отработанный может быть регенерирован.
ПЛЮСЫ И МИНУСЫ
Преимуществами разработанной технологии корневого снабжения являются простота и надежность. Отсутствие насосов и компрессоров позволяет обеспечить автоматическую стабилизацию водных потенциалов и, следовательно, водно-воздушного режима в корнеобитаемой зоне на период выращивания овощных культур. При этом не возникает необходимость насыщения воздухом и коррекции минерального состава питательного раствора в течение всего времени использования ПЗ, так как в порах ионитного субстрата происходит автокоррекция pH и ионного состава подаваемой смеси. Более того, подобные почвозаменители позволяют снизить непроизводственные потери воды вследствие отсутствия открытых смоченных поверхностей в системе и могут многократно применяться после регенерации.
Ограничения на использование предложенной системы корневого снабжения обусловлены несколькими факторами. Прежде всего, она обладает малым запасом минеральных элементов в ионообменных волокнах, в том числе вследствие низкой удельной плотности волокнистого ПЗ. Помимо этого, накопление растительных остатков и корневых выделений в модуле ухудшает гидрофизические характеристики в корнеобитаемой зоне и повышает риск развития сапрофитной микрофлоры. Чтобы не увеличивать массу ионообменного почвозаменителя, требуемого для выращивания единицы биомассы растений, в такой технологии можно применять питательный раствор, как в обычной гидропонной системе. Однако внедрение новых материалов с повышенной ионообменной емкостью и совершенствование методик их насыщения солями в перспективе могут значительно расширить потенциал продуктивности ионитных субстратов.
ТЕХНОЛОГИЯ РЕГЕНЕРАЦИИ
В ФГБУН ГНЦ РФ «Институт медико-биологических проблем РАН» также была создана двухэтапная методика восстановления волокнистого ПЗ, позволяющая разложить корневые остатки и сохранить его капиллярно-пористую структуру. На первой стадии почвозаменитель инкубируется в 0,7% водном растворе КОН с добавлением 0,7% Н2О2 в течение 3,5 ч при средней температуре 95 ± 4°С, в результате чего основная масса корневых остатков сокращается примерно на 60%, и обеспечивается стерилизация субстрата от сапрофитной микрофлоры. При использовании импульсов СВЧ-излучения для поддержания температурного режима удельные энергозатраты на обработку одного грамма субстрата составляют один ватт-час. На втором этапе почвозаменитель инкубируется при 55°С в жидкой анаэробной среде с культурой термофильных бактерий Clostridium thermocellum в течение семи суток. Биотехническая регенерация позволяет удалить 90% корневой массы, при этом остаточные продукты ферментации оказывают стимулирующее воздействие на всхожесть семян и развитие растений при последующей вегетации. Таким образом, разработанная российскими учеными система корневого снабжения с применением ионитного субстрата может быть актуальной и перспективной для применения в современных промышленных тепличных комплексах, в том числе в так называемых вертикальных фермах, расположенных в городской черте, а также в более простых вегетационных установках.