|
Продовольственной программой СССР на период до 1990 года, одобренной майским (1982 г.) Пленумом ЦК КПСС, намечается довести среднегодовое производство овощей и бахчевых культур в двенадцатой пятилетке до 37 — 39 млн. т. К 1990 г. потребление овощей и бахчевых; культур должно составить 126 — 135 кг на душу населения.
Октябрьский (1984 г.) Пленум ЦК КПСС в Долговременной программе мелиорации земель поставил задачу довести производство овощей на орошаемых и осушенных землях к 1990 г. до объемов, необходимых для полного удовлетворения потребностей населения крупных городов и промышленных центров.
Для круглогодичного обеспечения населения овощами намечается значительное увеличение производства их в защищенном грунте за счет строительства новых тепличных овощных и рассадных комплексов и улучшения работы существующих.
В последние годы несмотря на увеличение площадей грунтовых теплиц не ослабевает интерес к гидропонике, т. е. выращиванию растений без почвы, на искусственных питательных растворах, позволяющих получать высокие и устойчивые урожаи при низкой себестоимости продукции.
Метод выращивания растений на водных растворах минеральных солей не новый. Великие русские ученые К- А. Тимирязев и Д. Н. Прянишников и их ученики широко использовали гидропонную культуру при изучении проблем минерального питания растений. Этот метод, представлявший раньше чисто научный интерес, в настоящее время нашел широкое применение в народном хозяйстве нашей страны. Построены большие гидропонные тепличные комбинаты в Москве, Ленинграде, Свердловске, Вильнюсе, Каунасе, Тольятти, Киеве, Харькове, Донецке, Львове, Днепропетровске, Одессе, Симферополе, Ворошиловграде и других городах.
Выращивание растений без почвы, в искусственно регулируемых условиях, имеет много преимуществ перед выращиванием в обычных грунтовых теплицах. При гидропонике рационально используется территория, улучшаются условия корневого питания, создаются благоприятные условия водно-воздушного режима.
В растениеводстве защищенного груша этот мегод открывает большие вовможности для механизации и автоматизации производственных процессов.
Гидропонный метод выращивания растительной продукции особенно эффективен в районах крайнего Севера, пустынных и горных районах, где нет плодородной земли, в крупных тепличных хозяйствах, расположенных в зоне больших городов, где заготовка и доставка почвы являются трудоемкими процессами.
В производственном объединении тепличных совхозов «Пуща-Водица» (бывший совхоз-комбинат «Пуща-Водица») в течение многих лет с каждого квадратного метра гидропонных сооружений получают по 33 — 34 кг овощей, в том числе 30 — 32 огурцов и 20 — 22 кг томатов. Этот урожай на 25 — 30 % выше, чем в грунтовых теплицах.
В связи с быстрым развитием и внедрением гидропоники большое значение имеет обобщение результатов научных исследований и опыта передовых гидропонных комбинатов. Такую задачу и ставит перед собой автор данной книги.
МЕТОДЫ ГИДРОПОНИКИ
Методов выращивания растений без почвы много. Они отличаются но способам снабжения корневой системы растений воздухом, водой и элементами минерального питания. Различают следующие методы гидропоники: агрегятопоии-ка; водная культура; хсмопонпка; ношпопоппка; азрононика. Из всех разновидностей гидропоники промышленное значение в тепличном овощеводстве республики имеет агре-гатопоника.
Агрегатопоника — выращивание растений на твердых субстратах, обладающих небольшой влагоемкостыо (гранитная щебенка, гравий, песок, керамзит и др.). В нашей стране по этому методу выращивают растения на площади около 120 га, в том числе на Украине — 80 га.
При выращивании растений на твердых искусственных субстратах корневая система размещается в гравии, щебне или других заменителях почвы и поглощает минеральные элементы из раствора, подаваемого в субстрат.
После нескольких лет использования искусственные суб-
страты засоляются, загрязняются корневыми остатками и корневыми выделениями, ухудшающими рост растений, поэтому возникает необходимость в их химической регенерации. В этих субстратах довольно быстро размножается галловая нематода.
Применение твердых заменителей почвы в качестве субстрата требует значительных затрат на их заготовку и доставку, на переноску в теплицы, стерилизацию, промывание н регенерацию.
Водная культура. Выращивание растений в водной среде нашло применение в гидропонных установках Болгарии, Чехословакии, ГДР и других стран.
При водной культуре устраняются свойственные агрегатононике недостатки, но возникают трудности в поддержании определенной концентрации и реакции питательного раствора, изменение которых за он гимальные пределы может привести к снижению урожайности или гибели растений. Кроме того, затрудняется одновременное и бесперебойное снабжение корневой системы растений раствором минеральных солей и кислородом воздуха. Растворимость кислорода в воде очень низкая. В 1 л питательного раствора при температуре 20 СС содержится всего 9,4 мг это го элемента. Такое низкое его содержание не может обеспечить нормального дыхания корневой системы, поэтому корни растений в водном растворе испытывают кислородное голодание, т. е. находятся в состоянии удушья. Для обеспечения нормального роста культур водный раствор необходимо обогащать кислородом. С этой целью применяют продувание воздуха через раствор специальными компрессорными установками.
Для улучшения снабжения корневой системы кислородом воздуха только незначительную часть ее погружают в питательный раствор, а остальную размещают во влажном пространстве над раствором.
В последние годы учеными различных стран начаты разработки более приемлемых для промышленного возделывания овощей методов водной культуры. Один из таких методов успешно применяют в Болгарии и ГДР. Он заключается в том, что растения выращивают в желобах из светонепроницаемой полиэтиленовой пленки. Желоба, в которых находится корневая система, устанавливают на ровной поверхности грунта теплицы с небольшим уклоном (1:100). Из специальных резервуаров, установленных внутри теплицы, питательный раствор через водопроводные трубы поступает в желоба и по наклонной плоскости равномерно стекает (слоем 1 — 2 см), смачивая корни растений. Раствор, достигший конца желоба, поступает в общую канавку с небольшим резервуаром и с помощью небольшого электрического насоса снова возвращается в резервуар (рис. 1). При этом строго контролируется кислотность раствора и его электропроводность. Чем выше концентрация питательного раствора, тем больше его электропроводность. Когда электропроводность снижается до определенной величины, проводят корректировку раствора. Если ои подщелачивается, его корректируют внесением ортофос-форной кислоты, а при подкислении вносят едкий калин. Преимущество этого метода водной культуры заключается главным образом в том, что для роста корневой системы создаются оптимальные условия. Растения постоянно получают в достаточном количестве влагу, питательные вещества и кислород воздуха. Все это способствует получению высокого урожая выращиваемых культур.
В Институте овощеводства ГДР в Гросберне урожайность огурца составляет 53 кг с 1 м2 полезной площади теплиц. В ФРГ, используя этот метод гидропоники, с 1 м2 получают до 32 кг томатов.
При этом методе отпадает необходимость в строительстве громоздких дорогостоящих водонепроницаемых поддонов и поддонного обогрева.
Хемопоника. Этот метод близок к культуре растений на почвосмесях. В качестве субстрата используют следующие виды органических материалов: верховой торф со степенью разложения 30 %, сфагновый мох, древесную кору, опилки, рисовую шелуху, отходы хлопчатника и др. Срок использования этих материалов в качестве субстрата 1 — 2 года. Некоторые из органических материалов требуют предварительной подготовки — измельчения (кора, стружка) и корректировки реакции среды. Минеральное питание осуществляют поверхностным поливом питательным раствором. Хемопоника не требует специального оборудования, ее можно применять во всех видах защищенного грунта.
Ионитопоника — совершенно новый метод, по своему существу близок к агрегатопонике. Субстрат состоит из смеси двух типов синтетических ионообменных смол: катионита КУ-2 и анионита ЭДЭ-10П. Катионит — это не растворимый в воде светло-желтого цвета полимер, имеющий сильнокислую реакцию, хорошую сыпучесть. Размер его гранул 0,3 — 0,5 мм. Гидроксилы он меняет на ионы минеральных солей (К+, Са++, Mg++ и др.). Анионит ЭДЭ-10П свои ионы меняет на SO, — , NO.-,-, Н2Р04 и др. Это желтый сыпучий полимер, размер его гранул 0,3 — 1,5 мм. Оба ионита прочные, химически стойкие, не разлагаются при воздействии кислорода, света и при обычной температуре. В отличие от агрегатопоиики, питательные вещества находятся в составе субстрата, поэтому поливают только чистой водой. По существу это искусственная почва.
Аэропоника. Этот метод возделывания растений является более удачной модификацией беспочвенной культуры, чем метод водной культуры. Сущность его заключается в том, что корневая система растений развивается в условиях воздушной среды в полом пространстве, где через каждые 12 — 15 мин в течение 5 — 7 с ее опрыскивают питательным раствором из форсунок (рис. 2). При этом методе корни растений наиболее полно обеспечиваются кислородом
воздуха. Для предупреждения подсыхания необходимо вовремя смачивать их питательным раствором.
Аэропоника имеет неоспоримые преимущества перед гравийной культурой, так как при се применении отпадает необходимость в завозе, подготовке, стерилизации субстратов. Нет опасности поражения растений галловой нематодой. Однако этот метод пырашнвання растений требует безотказной автоматики и при усовершенствовании он как более экономичный найдет широкое применение в тепличных хозяйствах страны.
СПОСОБЫ ПОДАЧИ ПИТАТЕЛЬНОГО РАСТВОРА
Питательный раствор при гидропонной культуре подается путем поверхностного увлажнения или подтопления. Поверхностное увлажнение заключается в том, что питательный раствор подастся на поверхность субстрата струей или каплями, а излишек раствора отводится через дренажные трубы, уложенные на дне стеллажей или поддонов. К этому способу подачи раствора относится так называемый бенгальский, который получил широкое применение в Индии, Австралии, Пакистане и Бирме.
При бенгальском способе растения выращивают в негерметических поддонах (рис. 3), наполняемых песчано-гравийной смесыо. Через каждые десять дней в междурядья вносят сухую питательную смесь (но 50 — 70 г/м2), после чего субстрат поливают так, чтобы влага достигла корневой сите мы растений. В течение недели поливают 2 — 3 раза. Избыток раствора сбрасы-иасгси через отверстия в поддонах.
Me год поверхностного увлажнения применяется также при выращивании овощей в бороздках. В качестве субстрата здесь используются предппригслыю пропаренные опилки хвойных и лист-исипих пород, а также перлит или вермикулит. На песчаном основании теплиц делаются бороздки шириной и глубиной 20 см. Их выстилают кусками полиэтиленовой пленки шириной 60 — 70 см с отверстиями для удаления излишков раствора по продольной оси. Борозды засыпают предварительно пропаренными древесными опилками так, чтобы они образовали валик.
Подкармливают растения дождеванием через определенные промежутки времени. После прекращения подкормки питательного раствора уходят в дренаж, не иызывия заболачивания (рис. 4).
Рыхлая структура опилок обеспечивает хорошую аэрацию корневой системы растений, а малые объемы субстрата и борозде быстро прогреваются воздухом теплицы, обеспечивая необходимый температурный режим в корнеобитаемом слое. Пленка, выстилающая борозду, до определенной степени играет роль экрана, предотвращающего переохлаждение корневой системы растений подстилающим дренажным песком. По принципу обеспечения растений водой и питательными элементами эта система относится к хемогюнике. Она выгодно отличается от гравийной культуры своей простотой и доступностью для любого хозяйства. Однако при этом безвозвратно теряется значительная часть питательного раствора, загрязняя окружающую среду. Опыты, проведенные в Левокумском виноградарском совхозе производственного объединения «Ставроиольвнно», показали, что урожайность огурца при этом методе составляет 15 — 25 кг с 1 м2.
Более совершенным является автоматический капельный полив, применяемый в гидропонных теплицах Дании. В таких теплицах в качестве субстрата используется инертный материал гродан (минеральная вата), укладываемый на обычную полиэтиленовую пленку на ровной поверхности грунта в теплице (рис. 5). Через систему гюлихлорвипиловых труб к каждому растению подведена капиллярная трубочка (капельница) для одновременного орошения и подкормки растений. Компьютер регулирует концентрацию, мюлотноегь, время и количество подачи питательного растворе, необходимого для увлажнения субстрата.
Этот метод увлажнения имеет несомненные преимущества перед другими, так как может обеспечить очеиь точное и равномерное распределение малого количества раствора на; площади без увлажнения вегетативной массы растений и воздуха теплиц.
При капельном методе орошения вместо гродана можно использовать предварительно произвесткованный малораз-ложившийся сфагновый торф. Состав питательного раствора при орошении торфа капельным методом должен составляться с учетом содержания в нем питательных элементов. Потеря раствора здесь также неминуема.
В тепличных гидропонных комбинатах нашей страны питательный раствор подают способом подтопления (так называемый субирригационный метод). Растения высаживают в водонепроницаемые стеллажи или поддоны, наполненные искусственными, хороню водопроницаемыми субстратами, в которые питательный раствор подается снизу. После прекращения подачи он самотеком удаляется из стеллажа или поддона (рис. 6). Такое увлажнение субстрата создает оптимальные условия для аэрации корневой системы растений.
СУБСТРАТЫ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ ПРИ БЕСПОЧВЕННОЙ КУЛЬТУРЕ
ТРЕБОВАНИЯ К ХИМИЧЕСКИМ И ФИЗИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ СУБСТРАТОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА
При выращивании растений без почвы в качестве субстратов могут быть использованы различные местные материалы. В тепличных гидропонных комбинатах Укпаины используют преимущественно гранитный щебень, в Москве и Ленинграде — измельченный керамзит, а в отдельных гидропонных установках — вспученные вермикулит и перлит, каменноугольный шлак и полихлорвиниловый субстрат. В некоторых случаях применяют органические субстраты: торф, мох, древесные опилки.
Для обеспечения нормального роста и развития растений субстрат должен отличаться определенными свойствами.
Во-первых, он не должен содержать каких-либо ядовитых веществ, должен быть относительно химически инертным и нейтральным, чтобы не изменять химических и физико-химических свойств питательного раствопа. Некоторые субстраты содержат карбонат кальция (СаСОз), который, растворяясь под действием раствора и корневых выделений, подщелачивает раствор за счет повышения концентрации иопов ОН-, образующихся при гидролизе: (...)
Повышенное содержание кальция в растворе вызывает осаждение фосфатов. Таким образом, субстрат, содержащий СаСОз, не способствует нормальному росту растений.
Во-вторых, субстрат должен обладать достаточной водоудерживающей способностью и хорошей аэрацией. Эти его свойства в значительной степени зависят от размера частиц. С их увеличением резко снижается водоудерживающая способность субстрата и повышается его пористость. Такие субстраты, как измельченные вермикулит, перлит и керамзит, обладают высокой водоудерживающей способностью, а гравий и гранитный щебень — низкой.
В-третьих, субстрат должен быть достаточно прочным. Некоторые из них, например, вермикулит, перлит и керамзит, непрочны и со временем крошатся, вследствие чего уменьшается размер их частиц и ухудшается аэрация корневой системы растений. Такие субстраты нужно менять через каждые 3 — 4 года, что экономически невыгодно.
При длительном использовании субстраты претерпевают глубокие физико-химические изменения. Работами
Е. И. Ермакова и Р. И. Штреис (1968) установлено, что керамзит, перлит и другие субстраты подвержены медленному разрушению под действием корневых выделений, продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и питательного раствора.
Наличие в растворе ионов водорода (И+) и угольной кислоты (НКОз-), образующихся при дыхании корней, создает предпосылки для ионного обмена между субстратом, корнями растений и питательным раствором.
По данным С. Н. Алешина (1952), радиус катиона водорода в сотни тысяч раз меньше, чем всех других катионов (10-5А°), поэтому он может легко проникать в кристаллическую решетку минералов и вызывать се разрушение в результате обмена катионов.
Наибольшей объемной массой обладает гравий, наименьшей вермикулит (табл. 1). В последнем соотношение твердой, жидкой и газообразной фаз более оптимально для роста и развития растений (рис. 7). Однако он механически непрочен.
С физическими свойствами субстрата тесно связаны их водные свойства: влагоемкость и водопроводимость, от которых в значительной степени зависит водный режим растений.
Наибольшей водоудерживающей способностью отличается вермикулит. Низкая водоудерживающая способность гравия объясняется, кроме отсутствия в нем пор, еще и смачиванием частиц при соприкосновении с жидкостями. Твердое тело не смачивается жидкостью, когда взаимное притяжение ее молекул между собой больше, чем притяжение их к молекулам твердого тела. С увеличении размера частиц водоудерживающая способность гравия, щебня и керамзита резко снижается.
Остающаяся после увлажнения субстрата вода делится па легко- и слабоподвижную. Из применяемых минеральных субстратов больше всего легкоподвижной воды содержит вермикулит, поэтому при выращивании овощных культур его можно увлажнять реже, чем другие субстраты: в солнечную погоду раз в день, в пасмурную — через день, на гравии и щебие — в солнечную погоду 3 — 4 и в пасмурную 2 — 3 раза в день.
В последние годы в гидропонных сооружениях Нидерландов, Дании, Англии, ФРГ, Франции и других стран в качестве субстрата начали использовать искусственное волокно гродан, т. е. минеральную вату.
Гродан получают путем плавления различных минеральных пород, преимущественно из диабаза или базальта с добавлением фенольной смолы. Полимерный скрепляющий материал придает волокну жесткую структуру и свойства водного адсорбента, что повышает общую подопоглощаю-щую поверхность субстрата. Указанные компоненты сплавляются при температуре 1600°С. Из сплавленной массы вытягивают волокно, которое используют на изготовление матов, гранул, горшочков для выращивания растений.
Гродан благодаря очень тонкому диаметру волокон (5 мк) отличается оптимальными для выращивания растений физическими свойствами. Это высокопористый материал. Пористость его достигает 97%, влагоемкость — 82%.
В 1983 г. в совхозе «Киевская овощная фабрика» Киевской области на минеральной вате получили 27,6 кг томатов с 1 м2.
Кроме гродана, в ряде стран в качестве субстрата используют высокомолекулярные синтетические соединения типа вспененного полистирола, полиуретана, термопластических полимеров, а также синтетические пенистые смолы, обладающие различными водно-физическими и химическими свойствами, что необходимо учитывать при выращивании растений.
Из физических свойств субстрата наиболее важное значение имеет объемная масса, соотношение твердой, жидкой и газообразной фаз и механическая прочность субстрата. Водно-фнзические свойства его оказывают существенное влияние на процессы роста и развития растений. На искусственных субстратах значительно увеличивается масса, объем, адсорбирующая поверхность корней рассады (табл. 2) и усиливается их нагнетающая и метаболическая активность.
При этом изменяется морфологическое строение корневой системы растений. В частности, на искусственных субстратах они формируют сильно развитую компактную корневую систему с несколько утолщенными и более короткими корнями, тогда как на почве последние меньше ветвятся, но сильно вытягиваются.
ПОДГОТОВКА И ЗАФОСФАЧИВАНИЕ СУБСТРАТА ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЯ
Правильный подбор и подготовка субстрата существенным образом влияют на урожайность выращиваемых культур, так как от этого зависит обеспечение растений не только водой и кислородом воздуха, но и элементами .минерального питания.
Для выращивания растений необходимо использовать субстрат определенной фракции, предварительно определив степень засоренности его пылеватыми частицами. Наличие их ухудшает аэрацию субстрата и затрудняет равномерное наполнение поддонов питательным раствором. Из субстрата эти частицы удаляют промывкой на вибростатах.
Субстрат для выращивания растений не должен влиять па состав питательного раствора. Поэтому заранее определяют его кислотность, химический состав и инертность, т. е. устанавливают, не вступает ли он в химическое взаимодействие с питательным раствором. Для этого его заливают питательным раствором, в котором предварительно определяют концентрацию элементов минерального питания и реакцию. Через 8 — 10 часов раствор фильтруют и снова анализируют. Если химический состав питательного раствора не изменился, субстрат используют для выращивания растений. Если же частицы субстрата выделяют в раствор много полуторных окислов кальция, в результате чего раствор подщелачивается, то такой субстрат без предварительной обработки использовать для выращивания растений нельзя. В щелочной среде в осадок выпадают фосфаты полуторных окислов и фосфаты кальция, которые оседают на поверхности субстрата.
Горные породы состоят из минералов, содержащих полуторные окислы в трудпорастворимом состоянии. В растворе они не могут появиться в большом количестве, тем более, что кислотность раствора поддерживается выше предела их растворимости. Кальций более подвижен, поэтому в растворе его может оказаться достаточно для того, чтобы связать весь фосфор.
Для предупреждения связывания фосфора полуторными окислами и кальцием свежий субстрат перед высадкой растений зафосфачивают, т. е. дают избыток фосфора с тем, чтобы связать все имеющиеся ионы алюминия, железа и кальция в виде фосфорнокислых солей. Практически субстрат заливают 2 %-ным раствором вытяжки из суперфосфата и выдерживают его в течение суток, после чего промывают водой.
В производственных условиях, когда требуется обработать сотни кубических метров субстрата, не всегда имеются резервуары для приготовления большого количества вытяжки. На 1 га гидропонных теплиц при пористости щебня 45 % требуется 900 м3 2 %-ной вытяжки, для чего необходимо 18 т суперфосфата. Поэтому для обработки щебня автором предложено использовать 0,2 %-ный раствор ортофосфорной кислоты. Карбонаты кальция, содержащиеся в субстрате, при взаимодействии с ортофосфорной кислотой образуют на его поверхности малорастворимую в воде пленку фосфатов кальция, что улучшает химические свойства субстратов, в результате чего они становятся пригодными для возделывания растений. В навафосфачештых же субстратах фосфор, железо и другие питательные элементы в первый же день из раствора выпадают в осадок (табл. 3).
С целью определения доступности для растений осажденных фосфатов на них выращивали рассаду томата. С этой целыо в гончарные горшки диаметром 9 см засыпали зафосфачен-ный и незафосфаченнын субстраты, в которые запи-кировали сеянцы 12-дневного возраста. Рассаду выращивали с применением дополнительного досвечива-ния на питательном растворе без фосфорного и кальциевого питания.
Биометрический анализ полученных данных показал, что осажденные фосфаты доступны для корневой системы растений. Сырая масса рассады на зафосфа-ченном субстрате составила 8,14, на незафосфаченном — 5,87 г. Содержание неорганического фосфора в листовых пластинках рассады составляло соответственно 224 и 72 мг на 1 кг сырой массы.
Зафосфачиваиие минеральных субстратов при беспочвенной культуре является эффективным и необходимым приемом при значительном содержании в них карбонатов кальция.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
