The Experience of Growing Ocimum basilicum L. on Artificial Substrates Based on Peat, Perlite and Zion

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.127.75
Issue: № 1 (127), 2023
Suggested:
01.12.2022
Accepted:
21.12.2022
Published:
24.01.2023
104
0
XML PDF

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.

Article metrics

Views:104
Downloads:0
Views
Total:
Views:104