The Experience of Growing Ocimum basilicum L. on Artificial Substrates Based on Peat, Perlite and Zion
The Experience of Growing Ocimum basilicum L. on Artificial Substrates Based on Peat, Perlite and Zion
Abstract
The effectiveness of substrates based on peat, perlite, and Zion for growing Ocimum basilicum L. by low-volume method with the use of nutrient solution of reduced salinity was studied. It was found that the use of nutrient solution with reduced salinity is ineffective on a substrate of peat-perlite (ratio 7:3) without Zion. Increased moisture capacity and mineral nutrition deficiency on peat-perlite substrate leads to negative morphological changes, reduction of its biomass and chemical inferiority of the crop. The introduction of Zion into the substrate allows us to use a nutrient solution with reduced mineralization for growing basil without compromising the quality of products, compared with the variant of peat-perlite.
1. Введение
Применение искусственных субстратов для выращивания растительной продукции – это перспективный метод растениеводства, который позволяет максимально эффективно сбалансировать и регулировать питательный режим растений и стабильно получать высокие урожаи. Чтобы обеспечить получение высоких урожаев качественной растительной продукции применяемый субстрат должен иметь оптимальные физические свойства (влагоемкость, воздухопроницаемость), обладать достаточно высокой буферностью и быть максимально долговечным , .
В растениеводстве субстратами называют смесь натуральных и искусственных компонентов. На сегодняшний день, в тепличном хозяйстве востребованы субстраты, которые обладают хорошей воздухопроницаемостью и одновременно высокой водоудерживающей способностью, что важно для нормального роста и развития корневой системы растений.
Например, торф даже при обильном поливе содержит в порах до 40% воздуха, что обеспечивает баланс влаги и воздуха в субстрате. Также торф обладает значительной буферностью и высокой сорбционной способностью, что позволяет регулировать уровень минерального питания в довольно широком диапазоне. Вносимые в торфяной субстрат удобрения закрепляются в нем и сохраняются в доступной для растений форме. Также наличие гуминовых кислот в торфе может оказывать стимулирующее действие на рост и развитие растений, повышать их устойчивость к избытку или недостатку влаги, света и тепла. В качестве искусственных компонентов субстратов могут использоваться цеолиты, перлит, минеральная вата, пеностекло и др. , , , .
В современных тепличных комплексах растения выращивают на малообъёмных субстратах (малообъемная технология) и в условиях гидропоники. Использование малообъемной технологии позволяет значительно увеличить урожай, повысить его качество, регулировать водный, воздушный режимы и минеральное питание растений, что в целом повышает эффективность производства. Гидропоника позволяет выращивать растения в сбалансированном питательном растворе, из которого культуры получают необходимые элементы питания в нужном количестве и оптимальных пропорциях, что невозможно реализовать при выращивании в открытом грунте.
Однако часто нуждаемость в удобрениях определяют на основе результатов химического анализа субстратов (выжимки из них) без учета реальных потребностей растений, которые меняются в течение вегетационного периода в зависимости от фазы развития. Например, замечено, что при выращивании растений на субстратах по малообъемной технологии объем дренажа увеличивается на овощных культурах на 25%, а в декоративных на 50%. При этом, 2/3 азота из питательного раствора попадает в дренаж, и только 1/3 используется растениями. И несмотря на то, что большая часть дренажа идет на рециркуляцию, применяются неоправданно высокие дозы минеральных удобрений и поливные нормы, а растения получают избыточное количество питательных веществ, что может приводить ухудшению качества конечной продукции и ее загрязнению (например нитратами).
Цель нашего исследования – изучить возможность использования искусственных субстратов на основе торфа, перлита и Циона и питательного раствора с пониженной минерализацией для выращивания базилика овощного (Ocimum basilicum L.).
2. Объекты и методы исследований
В качестве компонентов питательных субстратов были выбраны торф (Т), перлит (П) и Цион (Ц). Перлит (производное вулканических алюмосиликатных пород) – это легкий материал, поверхность частиц которого покрыта мелкими углублениями, обеспечивающими большую площадь поверхности, что позволяет удерживать влагу и питательные элементы, и делает их доступными для корней растений . Особенности структуры перлита могут придавать субстратам для выращивания растений хорошую аэрацию, водопроницаемость и дренаж. Отдельные гранулы перлита достаточно прочны и устойчивы к физико-химическому воздействию, поэтому для приготовления субстратов одну и ту же его партию можно использовать несколько раз. Цион – это искусственный материал на основе клиноптилолита (ионообменный минерал группы цеолитов), Цион насыщен ионами K+ и NH4+, также в его состав входят корректирующие добавки в виде фосфатных минералов
, .На основе торфа, перлита и Циона было выполнено три субстрата с разным составом и соотношением компонентов: «ТП» - торф-перлит (7:3), «ТПЦ1» – торф-перлит-Цион (7:2:1) и «ТПЦ2» – торф-перлит-Цион (7:1:2). В качестве тест культуры был использован базилик овощной (Ocimum basilicum L.) сорт Стелла. Выращивание растений проводили малообъемным способом, методом гидропоники на УГС-4 (установка гидропонная стеллажная) с системой подтопления для поступления питательного раствора к корням. Эксперимент проводили в контролируемых условиях: при температуре 26 ºС и 60% влажности, повторность опыта шестикратная.
Перед закладкой опыта в компонентах субстратов были определены их физические свойства: влаговместимость и испаряемость.
В качестве источника элементов минерального питания растений использовали питательный слабоминерализованный раствор (значение удельной электрической проводимости (УЭП) - 0,6 мСм/см), для приготовления которого были использованы следующие соли: Ca(NO3)2, MgSO4, KH2PO4, K2SO4, NH4NO3, KNO3.
В процессе эксперимента, изменение концентрации и состава раствора контролировали по его дренажу на 15-й, 20-й, 30-й и 35-й день от посева базилика; измеряли: УЭП, концентрацию нитрат-, фосфат- и сульфат-ионов.
Оценка эффективности применяемых субстратов и питательного раствора для выращивания растений проводилась по величине их биомассы, сухого вещества, концентрации нитратов, сульфатов и органических кислот (малаты – соли яблочной кислоты). Содержание фосфатов в растениях не определяли из-за методических сложностей: невозможности разделения их пиков с тартратами.
Влаговместимость различных субстратов и величину испарения из них определяли по . Водорастворимые ионы в питательном растворе и дренаже, а также содержание органических кислот в растениях определяли на системе капиллярного электрофореза Agilent 7100. Величину удельной электрической проводимости определяли методом кондуктометрии. Биомассу определяли путем взвешивания свежесрезанных растений, а содержание сухого вещества – взвешиванием базилика, после высушивания при 105⁰С.
3. Основные результаты
При изучении физических свойств субстратов, было установлено, что добавление к торфу минеральных компонентов в разных соотношениях влияет на их влаговместимость. Смесь торфа с двумя частями Циона и одной частью перлита характеризовалась наименьшей влаговместимостью. В то же время наибольшее значение этого показателя было выявлено в смеси торфа с перлитом, без участия Циона. Достоверного влияния состава субстратов на интенсивность испаряемости не выявлено (табл. 1).
Таблица 1 - Физические свойства субстратов
Субстрат | Влаговместимость, % | Испаряемость, мм.вод.ст/через 62 ч |
ТП | 84,8 | 29,8 |
ТПЦ1 | 81,2 | 28,9 |
ТПЦ2 | 76,9 | 28,6 |
Исходя из полученных данных по влаговместимости можно предположить, что наиболее благоприятный водно-воздушный режим будет формироваться в субстратах ТПЦ1 и ТПЦ2, что положительно скажется на урожайности Ocimum basilicum.
Необходимые для растений элементы минерального питания в виде нитратов, сульфатов и фосфатов поступали с питательным раствором. При этом предполагалось, что элементы минерального питания будут поступать в растения не только из раствора, но и из субстратов за счет минерализации торфа и ионо-обменных реакций на границе Цион-корень. Поэтому концентрация питательного раствора была примерно в два раза ниже рекомендуемой промышленной нормы (УЭП 1,2-1,3 мСм/см) и составила 0,6 мСм/см. Интенсивность потребления ионов растениями регистрировали по изменению состава дренажных растворов за 15, 20, 30 и 35 суток с момента посева базилика (табл. 2).
Таблица 2 - УЭП (мСм/см) и содержание ионов в дренажных растворах
Субстрат | NO3-, мг/л | SO2-4, мг/л | PO3-4, мг/л | УЭП, мг/л |
Питательный раствор | 150,1 | 126,8 | 34,0 | 0,609 |
Отбор 1 (15 дней от посева) | ||||
ТП | 88,7±11,4 | 129,5±13,8 | 28,8±5,1 | 0,473±0,003 |
ТПЦ1 | 142,0±19,3 | 133,7±9,9 | 90,8±11,4 | 0,589±0,015 |
ТПЦ2 | 112,2±14,7 | 116,1±1,2 | 92,6±21,8 | 0,655±0,059 |
Отбор 2 (20 день от посева) | ||||
ТП | 127,8±2,9 | 121,3±9,1 | 32,9±2,0 | 0,569±0,0010 |
ТПЦ1 | 142,0±3,7 | 133,7±0,5 | 90,8±2,3 | 0,676±0,011 |
ТПЦ2 | 144,8±7,9 | 131,2±2,5 | 97,9±16,7 | 0,705±0,025 |
Отбор 3 (30 день от посева) | ||||
ТП | 1,8±0,8 | 127,3±1,4 | 2,3±0,3 | 0,351±0,014 |
ТПЦ1 | ˂1,0 | 147,7±8,4 | 1,5±0,5 | 0,350±0,027 |
ТПЦ2 | 2,2±1,2 | 125,6±2,6 | 2,6±0,6 | 0,344±0,040 |
Отбор 4 (35 день от посева) | ||||
ТП | ˂ 1,0 | 144,0±20,4 | 1,8±0,2 | 0,364±0,015 |
ТПЦ1 | ˂ 1,0 | 143,1±21,3 | 2,1±0,1 | 0,370±0,025 |
ТПЦ2 | ˂ 1,0 | 140,5±9,1 | 3,3±1,3 | 0,364±0,023 |
Изменение минерализации и содержания ионов в дренажных растворах в течение эксперимента свидетельствуют о неодинаковой потребности базилика в элементах питания и интенсивности их поглощения на разных этапах развития и в зависимости от типа субстрата. Установлено, дренажный раствор на субстрате ТП содержит достоверно меньше нитратов (на 15 день от посева) и фосфатов (на 15 и 20 дни от посева) по сравнению с исходным питательным раствором и дренажом из субстратов ТПЦ1 и ТПЦ2. Такая разница может быть связана с тем, что компонент Цион изначально обогащен различными химическими элементами, в том числе азотом и фосфором, что позволяет растениям относительно экономно потреблять нитраты и фосфаты из питательного раствора. Так, анализ водной вытяжки из Циона (соотношение Цион: дистиллированная вода – 5:50) показал, что концентрация анионов, которая способна переходить в гидропонный раствор из этого компонента может достигать: для нитратов 2,2 мг/л, для сульфатов — 18,2 мг/л, а для фосфатов — 183 мг/л. В варианте торф-перлит, дополнительный источник минеральных элементов отсутствует и поэтому потребление ионов из питательно раствора происходит с большей интенсивностью. Однако к 30 и 35 дню эксперимента, когда базилик вступает в период активного роста и наращивания биомассы, потребление нитратов и фосфатов растениями становится наиболее интенсивным, о чем свидетельствует состав дренажных растворов и снижение его минерализации. В этот период концентрация нитратов и фосфатов в них снижается практически до нуля. Содержание сульфатов в дренажных растворах в течение всего эксперимента изменялось слабо, по сравнению с концентрацией нитратов и фосфатов, что свидетельствует о низкой нуждаемости базилика в сере и отсутствии дефицита по этому элементу в питательном растворе и субстратах.
Выращивание растений на разных субстратах и неодинаковое поглощение минеральных элементов из питательного раствора отразилось на биомассе базилика, его морфологии и химическом составе. Наименьшим значением биомассы, содержанием сухого вещества и концентрацией сульфатов и нитратов обладали растения, выращенные на субстрате торф-перлит. На субстратах с добавлением Циона значения этих показателей были достоверно выше. При этом, наблюдается тенденция к снижению биомассы и сухого вещества в растениях базилика, выращенных на субстрате ТПЦ2 по сравнению с вариантом ТПЦ1. Однако данные различия недостоверны (табл. 3)
Таблица 3 - Химический состав, содержание сухого вещества и биомасса Ocimum basilicum на разных типах субстратов
Субстрат | SO2-4 | NO3- | Органические кислоты (малаты) | Сухое вещество | Биомасса |
мг/кг воздушно-сухого веса | % | г | |||
ТП | 56,1±0,8 | 66,0±16,7 | 209,0±18,6 | 9,1±0,1 | 10,5±0,6 |
ТПЦ1 | 75,2±5,1 | 142,6±12,1 | 69,3±1,4 | 12,9±0,1 | 18,3±1,7* |
ТПЦ2 | 85,9±6,6 | 150,0±19,6 | 47,5±1,1 | 11,7±0,1 | 17,3±1,2* |
НСР 05 | 3,7 |
Морфология корневой системы растений, выращенных на разных субстратах, различалась: более вытянутые, тонкие и длинные корни наблюдались на варианте ТП, а более утолщенные, короткие и с более толстыми корневыми волосками на варианте ТПЦ1 и ТПЦ2. При этом на листьях базилика на субстрате ТП было отмечено осветление листовых пластинок и наличие хлороза. В вариантах ТПЦ1 и ТПЦ2 повреждений листовых пластинок не выявлено.
Низкая биомасса и концентрация сульфатов и нитратов, а также негативные морфологические изменения растений базилика на субстрате ТП свидетельствует о недостаточном минеральном питании в этом варианте эксперимента. Состав субстрата и низкая минерализация питательного раствора оказались не способны удовлетворить потребности растений в элементах минерального питания.
Также косвенным признаком недостаточной обеспеченности растений элементами минерального питания может служить содержание малатов (сложные эфиры яблочной кислоты) в них. Известно, что эфиро-масличные растения, к которым относится базилик, на ранних этапах своего развития для питания используют сахара, которые образуются из жиров в глиоксилатном цикле в процессе глюконеогенеза. Малат – один из промежуточных продуктов данного цикла, который через щавелеуксусную кислоту преобразуется в глюкозу. При этом, когда растения переходят к автотрофному питанию, глиоксилатный цикл снижает свою интенсивность и количество малата в растениях резко падает . В нашем случае значительное количество малатов выявлено в базилике на субстрате ТП, что свидетельствует о том, что осветление листовых пластинок и наличие хлороза не позволяет растениям получать сахара в достаточном количестве в процессе фотосинтеза и поэтому Ocimum basilicum вынужден компенсировать этот недостаток продолжающейся работой глиоксилатного цикла. При этом на получение глюкозы будут тратиться эфирные масла базилика, что может привести к снижению качества конечной продукции.
4. Заключение
В результате проведенного исследования установлено, что субстрат на основе торфа и перлита обладает неблагоприятными свойствами для выращивания базилика по сравнению с субстратами с добавлением Циона, которые характеризуются более выгодными физическими свойствами и обогащены минеральными элементами питания.
Питательный раствор с пониженной минерализацией целесообразно использовать на субстратах с добавлением Циона. При этом увеличение количества Циона в субстрате до 20% не является целесообразным, так как биомасса базилика не возрастает, а наоборот – зарегистрировано ее незначительное снижение.
Применение питательного раствора с пониженной минерализацией в варианте торф-перлит привело к дефициту питания растений, что привело к негативным морфологическим изменениям и к снижению биомассы базилика, а также концентрации нитратов и сульфатов в нем, по сравнению с вариантами с использованием Циона.