Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Технологические основы культивирования растений томата в условиях регулируемой агроэкосистемы

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Технологические основы культивирования растений томата в условиях регулируемой агроэкосистемы"

На праваэсрукописи

Удалова Ольга Рудольфовна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ РАСТЕНИЙ ТОМАТА В УСЛОВИЯХ РЕГУЛИРУЕМОЙ АГРОЭКОСИСТЕМЫ

Специальность 06.01.03 - Агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

005547884

' д г-

\

-О п

Санкт- Петербург - 2014

005547884

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Агрофизический научно-исследовательский институт Россельхозакадемии.

Научный руководитель кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Судаков Виталий Леонидович Официальные оппоненты: Осипова Галина Степановна,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующая кафедрой плодо-овощеводства Санкт-Петербургского государственного аграрного университета Макарова Галина Александровна, доктор биологических наук, главный научный сотрудник ООО «Фитосфера» Ведущая организация Всероссийский институт растениеводства

им. Н. И. Вавилова (ВИР)

Защита диссертации состоится «28» мая 2014 г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 006.001.01 при ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт Россельхозакадемии по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института и на сайте www.agrophys.ru.

Автореферат разослан « » 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета у

доктор биологических наук ^' ^ Е. В. Канаш

Актуальность

В связи освоением отдаленных районов Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера, решение вопроса круглогодичного производства свежих овощей непосредственно в регионах с экстремальными природными условиями приобретает неотложный характер. Проблема не может быть решена простым размещением в этих районах традиционных сооружений защищенного грунта. При очень высоких затратах энергии на обогрев теплиц в осеннее-зимний период, постоянно растущие цены на энергоносители практически исключают возможность внесезонного производства качественных овощей даже в объемах, необходимых для обеспечения свежими овощами детских садов, больниц и школьных учреждений.

Уровень естественного освещения в культивационных сооружениях в осеннее-зимний период абсолютно недостаточен для обеспечения нормального роста и развития растений, и применение искусственного облучения для их досвечивания в условиях нестабильных температур лишь увеличивает себестоимость производимой тепличной продукции.

В сложившейся ситуации необходима разработка научно обоснованной концепции организации круглогодичного производства растительной продукции непосредственно в местах ее потребления, в районах с экстремальными природными условиями. Реализация поставленной задачи обеспечит возможность стабильного производства разнообразной овощной продукции в условиях прогнозируемого глобального изменения климата и ухудшения экологической обстановки.

Современный уровень научно - технических разработок в области культивирования растений в условиях регулируемой агроэкосистемы (РАЭС), позволяет решить эту проблему посредством организации в этих регионах специальных культивационных сооружений (СКС), в помещениях которых поддерживаются комфортные для выращивания растений условия окружающей среды (Судаков, 2007; Панова и др., 2010; Судаков и др., 2013; Удалова, 2013). Концепция организации СКС для круглогодичного производства томата предусматривает производственную структуру и состав вегетационного оборудования, обеспечивающие максимальную универсальность - возможность выращивания разнообразной овощной продукции во внесезонный период и переориентирование, при необходимости, на производство высокодефицитного сырья для фармацевтической или парфюмерной промышленности, в том числе и экспортируемого из дальнего зарубежья, в остальное время года (Мошков и др., 1984; Судаков и др., 1984; Ермаков и др., 2009; Панова и др., 2009; Удалова и др., 2013).

Анализ экономической эффективности методов выращивания растений томата с использованием искусственного освещения показывает, что наибольшую продуктивность с квадратного метра полезной площади СКС обеспечивают ресурсо- и энергосберегающие интенсивные технологии светокультуры, основанные на результатах изучения влияния на рост и развитие растений как отдельных физических и биотических факторов окружающей среды, так и их совокупности.

Среди овощных культур, выращиваемых в теплицах во внесезонный период, наибольшее распространение получили огурец и томат, способные обеспечить наиболее высокий выход хозяйственно - ценной продукции с единицы площади при культивировании в условиях искусственного освещения. Однако для выращивания растений томата необходимы затраты электроэнергии на 30 - 40% больше, чем для культивирования огурца: длительность вегетации выше, а продуктивность томата в светокультуре ниже, чем у огурца.

Вследствие этих биологических особенностей роста и развития, томат во внесезонный период в подавляющем большинстве тепличных комбинатов РФ не выращивают, тем более, в районах с экстремальными природными условиями (Гаранько, 1975; Брызгалов и др., 1983; Ващенко и др., 1984; Тихомиров и др., 2000; Ермаков, 2002; Аутко, 2004; Тон Ван Гастл, 2005, Осипова, 2010).

Для разработки интенсивных технологий светокультуры томата, позволяющих организовать в СКС их круглогодичное производство с минимальными экологическими рисками, необходимо проведение комплексных исследований взаимосвязи между световой средой произрастания растений томата и условиями жизнеобеспечения их корневых систем, а также отбор наиболее перспективных для выращивания в условиях интенсивной светокультуры детерминантных скороспелых и продуктивных сортов и гибридов томата (Судаков и др., 2002; Гавриш и др.,2005).

Цель работы. Целью данной работы является изучение условий максимальной реализации биологического потенциала продуктивности растений томата при выращивании в условиях РАЭС, и разработка основных положений ресурсосберегающих технологий круглогодичного производства томата для районов с экстремальными природными условиями и зон экологического риска.

В соответствии с поставленной целью, определены основные задачи диссертационной работы:

- разработать концепцию организации специальных светонепроницаемых культивационных сооружений (СКС) для круглогодичного производства томата в районах с экстремальными природными условиями;

- изучить динамику поступления водорастворимого органического вещества в питательный раствор при выращивании растений томата методом малообъемной аг-регатопоники на корнеобитаемых средах (КС) различного состава и оценить влияние органического вещества на продуктивность культивируемых растений и качество получаемой продукции;

- на основе оптимизации соотношения органической и минеральной компоненты разработать корнеобитаемые среды для культивирования растений томата методом малообъемной агрегатопоники в условиях интенсивной светокультуры;

- изучить влияние разработанных нами дифференцированных по фазам развития растений томата питательных растворов на рост и продуктивность томата при интенсивном культивировании в РАЭС методом малообъемной агрегатопоники при капиллярном способе подачи питательного раствора по плоскому фитилю;

- исследовать эффективность применения обработки растений томата хелат-ными микроудобрениями для повышения продуктивности и качества получаемой продукции в условиях интенсивной светокультуры;

- выявить перспективные для культивирования в условиях РАЭС детерминант-ные сорта и гибриды томата;

- разработать основные элементы технологии интенсивной светокультуры томата, минимизирующей экологические риски, и предназначенной для выращивания растений в специальных культивационных сооружениях, в том числе расположенных в районах вечной мерзлоты.

Научная новизна. Научная новизна выполненной работы заключается в разработке экологически адаптивных технологий круглогодичной светокультуры растений томата для районов с экстремальными природными условиями, обеспечивающих в условиях РАЭС максимальную продуктивность растений при минимальных затратах материальных и энергетических ресурсов на получение единицы продукции.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований технологических основ интенсивного культивирования томата в РАЭС позволяют организовать предприятия круглогодичного производства томата в регионах с экстремальными природными условиями и в зонах экологического риска, или выращивание овощей в любых районах РФ во внесезонный период. Основные положения разработанной нами технологии могут быть использованы для культивирования в СКС практически любых сельскохозяйственных растений, экономически рентабельного производства сырья для фармацевтической и парфюмерной промышленности или для выращивания витаминной продукции в небольших объемах в детских садах, больницах, школах и частных домовладениях.

Положения, выносимые на защиту:

- концепция организации специальных светонепроницаемых культивационных сооружений для круглогодичного культивирования растений томата в районах с экстремальными природными условиями;

- принципы конструирования корнеобитаемых сред для применения в технологиях интенсивной светокультуры на основе оптимизации соотношения в них органической и минеральной компоненты в зависимости от уровня поступления в питательный раствор органического вещества;

- питательные растворы, дифференцированные по фазам развития растений, для выращивания томата методом малообъемной агрегатопоники в условиях светокультуры с подачей питательного раствора в корнеобитаемую среду по плоскому фитилю;.

- приемы управления продуктивностью растений томата и качеством получаемой продукции путем обработки хелатными кремнийсодержащими микроудобрениями в условиях РАЭС.

Личный вклад автора. Проведение всех вегетационных опытов выполнено в полном объеме автором настоящей работы. Степень участия автора в планировании экспериментов и обсуждении полученных результатов, разработке концепции организации СКС и соответствующего технологического оборудования, эффективных корнеобитаемых сред и питательных растворов для создания технологий светокультуры с минимальными экологическими рисками, а также подбор перспективных для культивирования в условиях РАЭС сортов томата, составляла от 70 до 100 процентов. Доля участия автора в совместных публикациях пропорциональна долям остальных авторов.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю к. ф-м. наук Судакову В. Л. за планирование работы и ценные консультации. Автор глубоко признателен всем кто участвовал и содействовал в выполнении диссертационного исследования, в том числе к.б.н. Пановой Г. Г. за участие в обсуждении полученных результатов, к.б.н. Аникиной Л. М. за помощь в проведении анализа органического вещества в питательном растворе и к.б.н. Хомякову Ю. В. за большую помощь в выполнении биохимического анализа состава плодов томата.

Апробация работы. По основным положениям диссертации были сделаны доклады: на международных научно- практических конференциях «Научно - инновационные основы повышения эффективности овощеводства» Минск 2008 и 2010 гг., на Всероссийских конференциях «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» Москва 2008; Научно-практическом форуме «Безопасность продовольствия России» СПб, 2010;

Заочное участие в конференциях с представлением докладов с последующими публикациями: ГНУ ВНИИиЗПЭ, Курск, 2008 г.; Белгородский НИИСХ, 2010 г.; РУДН, Москва. 2010 г.; Институт повышения квалификации, Тамбов, 2011 г.; Агрофизический НИИ, СПб, 2011 г.

Публикации. В период 1999-2013 г опубликовано 35 работ, из них 30 по теме диссертации, в том числе 5 в изданиях, включенных в «Перечень рецензируемых журналов ВАК»

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 128 страницах текста, содержит 23 таблицы и 6 рисунков. Библиографический список включает 182 наименований.

Глава 1. Современные проблемы культивирования растений томата

в условиях регулируемой агроэкосистемы

В данной главе выполнен анализ результатов завершенных к настоящему времени разработок в области методов культивирования растений в регулируемых условиях: эффективности использования специального вегетационного оборудования для интенсивного культивирования растений томата, влияния состава почвозаменителей, питательных растворов и светотемпературных условий выращивания на продуктивность растений томата, методов подбора продуктивных сортов и гибридов томата наиболее перспективных для культивирования в условиях РАЭС.

Знания, полученные в результате проведенных исследований, послужили основой для разработки экологически гармоничной системы культивирования растений, обеспечивающей круглогодичное производство высококачественной растительной продукции в защищенном грунте и специальных культивационных сооружениях.

2. Объекты и методы исследований

Объектом исследования являлась система: растения томата - корнеобитаемая среда. Основные исследования при разработке технологии культивирования растений в условиях РАЭС проводили с использованием томата сорта Ультрабек.

Растения томата выращивали в вегетационных светоустановках (ВСУ), световой блок которых оборудован лампами ДНаТ-400, с возможностью регулирования уровня облученности растений — до 120 Вт/м2 ФАР, световой период - 16 час./сутки. В течение опыта поддерживались температура воздуха 25±2°С днем и 20±2°С ночью (Мошков, 1966; Панова, Судаков, Черноусов, и др., 2009; Судаков, Удалова и др. 2009).

Растения томата выращивали методом малообъемной агрегатопоники, состав и объем (литр/растение) корнеобитаемых сред (КС) приведен в соответствующих разделах работы. В большинстве опытов для питания растений томата использовали раствор Кнопа. (Чесноков, Базырина, 1960). В исследовании влияния состава питательных растворов (ПР) на продуктивность томата использовали ПР, состав которых приведен в 4 главе. Система подачи ПР в КС предусматривала двустороннее регулирование - верхний полив растений питательным раствором 2—4 раза в сутки при постоянном поступлении в КС питательного раствора по плоским фитилям из растильни (Желтов, 1986).

Для измерения освещенности использовали люксметры Ю-116. Уровень общей облученности растений в Вт/м2 и облученности в области ФАР измеряли пиранометром Янишевского (Клочкова, Судаков, 1984; Шульгин, 1962). Оперативная оценка параметров светового потока одного и того же источника света проводилась при со-

поставлении результатов измерения в одной и той же точке освещенности - люксметром и облученности - пиранометром. Рассчитанный переводной коэффициент в области ФАР для ламп серии ДНаТ (400, 600): 1 клк —» 3 Вт/м2 (Судаков, Удалова и др., 2012, Тихомиров, Шарупич, Лисовский, 2000).

При определении водорастворимой фракции органического вещества в КС использовали водную вытяжку по Э. Шульцу и М. Кершенсу (Шульц, Кершенс, 1998). Углерод определяли способом Тюрина со спектрофотометрическим окончанием по методу (Орлов и др., 1981).

Биохимический анализ растений был выполнен по стандартным методикам в сертифицированной лаборатории агрофизического НИИ.

Для определения динамики роста томата через сутки измеряли высоту растений, взвешиванием определяли массу плодов, сырую массу листьев. Отмечали фазы развития растений во времени. После высушивания растений при температуре 105°С определяли их сухую массу. Расчетным методом определяли процент сухого вещества в частях растений.

Полученные экспериментальные данные обработаны методами математической статистики (Доспехов, 1985).

3. Концепция организации специальных культивационных сооружений для круглогодичного выращивания растительной продукции

Успешное функционирование специальных культивационных сооружений (СКС) для круглогодичного выращивания растительной продукции, учитывая климатические условия в которых предполагается их организация, возможно только при размещении вегетационного оборудования в стационарных сооружениях, по теплотехническим характеристикам близким к жилым. (Судаков и др., 2013). Общая производительность предприятий СКС может быть любой: от удовлетворяющих потребности в витаминной продукции санаториев, дошкольных и школьных учреждений, больниц и т.д., (в этом случае выращивание высококачественных овощей может быть налажено в любом помещении, в том числе и жилом, в котором возможно поддержание круглосуточной температуры +15...+18°С), до производства растительной продукции в объемах, позволяющих в значительной степени решить важнейшую социально-медицинскую проблему - круглогодичное обеспечение свежими овощами населения районов с экстремальными природными условиями.

Общая эффективность работы СКС зависит от решения проблемы экономически оправданного их функционирования в период поступления летней овощной продукции открытого грунта. Эксплуатационные характеристики вегетационного оборудования должны предусматривать возможность переориентирования СКС на выращивание практически всех основных тепличных овощных культур, а также дефицитного дорогостоящего сырья для фармацевтической или парфюмерной промышленности, в том числе и экспортируемого из дальнего зарубежья.

С целью повышения производительности предприятий СКС разработаны приемы управления продукционным процессом растений томата в регулируемой аг-роэкосистеме: высокоэффективные системы облучения, корнеобитаемые среды различного состава, питательные растворы и способы внекорневого воздействия на выращиваемые растения.

4. Технологические приемы управления продукционным процессом растений томата в регулируемой агроэкосистеме 4.1 Конструирование корнеобитаемых сред как технологический прием культивирования растений томата в регулируемой агроэкосистеме

В работах Е. И. Ермакова (Ермаков, 1984) показано, что органическое вещество, образующееся в корнеобитаемой среде (КС) вследствие трансформационных процессов в системе КС — растение при длительном выращивании растений, содержит в основном разлагаемую часть и незначительно инертную. Отсутствие в большинстве случаев в КС тонкодисперсных минеральных составляющих, способных активно закреплять органическое вещество, создает условия для интенсивной его трансформации и образованию физиологически активных водорастворимых органических соединений (ВОС), превышение содержания которых в питательном растворе (ПР) свыше 50 мг/л. приводило к существенному снижению продуктивности выращиваемых растений. Установлено, что оптимальное содержание ВОС составляет 15-25 мг в литре питательного раствора. (Ермаков, 1984; Аникина, 1990)

С целые оптимизации содержания органического вещества в КС была исследована динамика поступления водорастворимого органического вещества из КС различного состава в питательный раствор при выращивании растений томата сорта Ультрабек в условиях РАЭС. Влияние водорастворимых органических соединений, накапливающихся в ПР в течение вегетации растений, оценивали по продуктивности и качеству получаемой продукции. Каждый вариант опыта включал 10 растений томата, объем КС ~ 3 л/растение. Отбор проб на содержание водорастворимого органического вещества, поступающего в ПР за счет разложения органической компоненты КС вследствие жизнедеятельности корней растений и сопутствующей микрофлоры, проводили каждые семь дней при смене использованного ПР на новый. Продолжительность вегетации - 75 суток.

Для питания растений томата до цветения применялся раствор Кнопа двойной концентрации, в период налива и созревания плодов у томата - раствор Кнопа половинной концентрации. Сменялся ПР один раз в неделю в течение всего периода выращивания.

Для исследования влияния состава КС на динамику водорастворимого (подвижного) органического вещества (ВОС) было проведено три последовательных опыта. Подбор состава субстрата основывался на распространенности и доступности его компонентов для создания КС.

Первый опыт включал следующие варианты: Вариант 1.1. КС состояла из керамзита, фракцией 3-5 мм;

Вариант 1.2. КС состояла из керамзита, покрытого пленкой из кембрийской глины, для увеличения активной поверхности соприкосновения корневых систем растений с сопутствующей микрофлорой;

Вариант 1.3. КС состояла из керамзита покрытого пленкой, состоящей из гума-та Иа, сапропеля и кембрийской глины в соотношении 3-2-2;

Вариант 1.4. КС состояла из керамзита покрытого пленкой из кембрийской глины. Для увеличения доли органической компоненты в керамзит по объему 1:1 был добавлен разработанный в АФИ почвозаменитель - Агрофит;

Вариант 1.5. В варианте использовалась КС - «Агрофит», разработанная в АФИ (пат. РФ № 2081555);

Вариант 1.6. КС - кокосовая стружка.

Второй опыт включал варианты с гранулированным полиэтиленом, более инертным по сравнению с керамзитом и вариант с древесными опилками.

В результате были выбраны следующие варианты:

Вариант 2.1 гранулированный полиэтилен, диаметр гранул 3 мм;

Вариант 2.2. Гранулированный полиэтилен, покрытый пленкой из смеси кембрийская глина + сапропель;

Вариант 2.3. Опилки;

Вариант 2.4. Опилки, покрытые пленкой из смеси кембрийская глина + сапропель;

Вариант 2.5. Верховой торф, нейтрализованный мелом.

В третьем опыте исследовалось влияние на продуктивность и качество получаемой продукции содержания ВОС не в питательном растворе, а в КС различного состава перед высадкой в них растений. Опыт включал следующие варианты:

Вариант 3.1. Агрофит стандарт. Состав: 1 л верхового торфа + 60 г кембрийской глины + 5 г мела + 4 г фосфоритной муки;

Вариант 3.2. Полиэтилен + органическая компонента: гранулированный полиэтилен, обработанный глиной + органическая компонента (см. вар. 3.3);

Вариант 3.3. Органическая компонента. Состав органической компоненты включает в определенных пропорциях смесь агрофита, низинного торфа, опилок. Опилки предварительно обрабатываются аммиаком из расчета 40мл нашатырного спирта на 1,2 л опилок. После 3-х дневного компостирования опилки обрабатываются смесью сапропеля;

Вариант 3.4. Керамзит + органическая компонента;

Вариант 3.5. Дерново-подзолистая почва.

Проведенные исследования показали, что в первом опыте содержание ВОС в питательном растворе не превышало критического уровня (50 мг/л) во всех вариантах. Для всех вариантов данного опыта, кроме варианта 1.6. отмечался одинаковый характер динамики водорастворимой органики в питательном растворе, с максимумом поступления органического вещества в питательный раствор в период завязывания и начала налива плодов у растений томата. По-видимому, в данный период вегетации, это связано с интенсификацией физиологической активности выращиваемых растений и сопутствующей микрофлоры и усилению поступления в ПР водорастворимых органических веществ. Нанесение пленки кембрийской глины на поверхность частиц керамзита приводило к росту продуктивности растений томата на 10% (табл. 3.1), что, вероятно, связано с увеличением удельной поверхности частиц керамзита, их обменной способности, а также дополнительному обогащению КС макро- и микроэлементами (Топочевский, 2011).

В варианте 1.3 сапропель выступал не только в качестве - физиологически активной связующей основы, обладающей высокими ионообменными и сорбционными свойствами, но и являлся дополнительным поставщиком в питательную среду растений гумусовых веществ, аминокислот, включая аспарг^гиновую, глутаминовую, а также глицина, аланина и гистидина. (Юдина и др. 1998; Платонов и др., 2012; Ини-шева и др., 2008). В результате достигалась наиболее благоприятная среда для развития и функционирования корневой системы выращиваемых растений с сопутствующей микрофлорой, приводящая к увеличению продуктивности растений томата - до 40% (табл. 3.1).

Количество водорастворимого углерода в ПР в вариантах 2.1, 2.2 и 2.5 не превышало критического уровня на протяжении всей вегетации растений. Характер динамики поступления ВОС в КС в вариантах с 2.3 и 2.4 с применением опилок показывает значительное увеличение поступления углерода в питательный раствор, достигая в варианте 2.3 к концу проведения опыта 290 мг на литр ПР.

Таблица 3.1. Продуктивность растений томата сорта Ультрабек. при выращивании на корнеобитаемых средах различного состава

(1 вариант опытов)

Состав КС Продуктивность, г/ растение Продуктивность в пересчете на кг/ м2

1.1. Керамзит 750 ± 133,8 15,0

1.2. Керамзит с пленкой из кембрийской глины 830 ± 101,4 16,6

1.3. Керамзит с пленкой из кембрийской глины с сапропелем 107 5±84,8 21,5

1.4. Керамзит с пленкой из кембрийской глины + Агрофит 1:1 1370+116,0 27,4

1.5. Агрофит 1314±159,9 26,3

1.6. Кокосовая стружка 786±91,0 15,7

В варианте 2.4, количество водорастворимого углерода в 2,2 раза меньше (130 мг/л ), вероятно, предварительная обработка опилок смесью глины и сапропеля, содержащей органические и минеральные добавки, приводило к созданию органоми-неральных комплексов, способствующих снижению поступления в ПР избыточного водорастворимого органического вещества и к структурированию органической составляющей КС - опилок, тем самым улучшая условия выращивании растений (Черский и др., 2009). Продуктивность растений, выращенных на обработанных опилках выше на 60% по сравнению продуктивностью растений, выращенных на опилках без обработки (табл. 3.2).

Предварительное дражирование гранулированного полиэтилена аналогичной смесью увеличивало продуктивность томата на 22%, по сравнению с выращиванием на полиэтилене без обработки.

Таблица 3.2. Продуктивность растений томата сорта Ультрабек при выращивании на корнеобитаемых средах различного состава (2 вариант опыта)

Состав КС Продуктивность, г/ растение Продуктивность в пересчете на м2

2.1. Полиэтилен 872±46,9 17,4

2.2. Полиэтилен с пленкой из кембрийской глины + сапропель 1067±94,8 21,3

2,З.Опилки 684±75 13,7

2.4.0пилки с пленкой из кембрийской глины + сапропель 1108+70,0 22,2

2.5. Верховой торф, нейтрализованный мелом 880±68,0 17,6

Анализ результатов полученных в третьем опыте показал, что наибольшее содержание ВОС содержится в органической КС - 90 мг/100 г субстрата, а наименьшее количество наблюдается в дерново-подзолистой почве - 46 мг/100 г субстрата. Со-

поставление данных по содержанию водорастворимого органического вещества в КС с данными по продуктивности растений показало, что в опыте № 3 количество ВОС в КС не является показателем, характеризующим продуктивность растений. Так в КС, содержащих максимальное и минимальное количество ВОС, наблюдалась одинаковая более низкая продуктивность по сравнению с другими субстратами (табл. 3.3).

Проведенные исследования показали, что при конструировании КС, определение количества ВОС в КС, перед высадкой растений мало информативно, а наиболее существенным при создании благоприятной среды для выращивания растений является контроль за поступлением ВОС из КС в питательный раствор.

Таблица 3.3. Продуктивность растений томата сорта Ультрабек. при выращивании на корнеобитаемых средах различного состава (3 вариант опытов)

Состав КС Продуктивность г/ растение Продуктивность в пересчете на м2

¿'1. Агрофит 1314±75 26,3

3.2. Полиэтилен + органическая компонента 1226±67 24,5

3.3. Органическая КС 947±70 18,9

3.4. Керамзит + органическая компонента 1089±85 21,8

3.5. Дерново-подзолистая почва 672±75 13,4

Результаты изучения влияния состава КС на биохимический состав плодов томата показали, что состав КС в наибольшей степени влияет на содержание в плодах томата сухих веществ, Сахаров и титруемую кислотность. Наибольший процент сухого вещества отмечается в плодах томата, полученных при выращивании на агрофите и керамзито-органической КС (6,4-6,7%), наименьшее в растениях культивированных на органической КС и дерново-подзолистой почве (5,7-5,8%). Максимальное количество аскорбиновой кислоты (витамина С) отмечено в плодах томата, выращенных на дерново-подзолистой почве - 21,9 мг/100 г, а минимальное в плодах томата, культивированных на полиэтилен-органической КС - 15,3 мг/100 г. Самое высокое значение сахарокислотного коэффициента К, определяющего вкус плодов томата К = 3,5 наблюдается у растений выращенных на керамзит-органической КС и на агрофите К = 3,0. Содержание нитратного азота по вариантам опыта отличается незначительно и составляет от 77,9 до 99,6 мг/кг (ПДК для защищенного грунта 300 мг/кг).

4.2 Влияние состава питательного раствора на продуктивность

растений томата при малообъемном способе выращивании

Сбалансированный состав минерального питания растений на протяжении всего периода вегетации растений томата является одним из самых эффективных факторов обеспечения их высокой продуктивности.

В фундаментальных работах Чеснокова и Базыриной (Чесноков, Базырина и др., 1960) показано, что при постоянном поддержании стабильной концентрации и соотношения компонентов ПР, для круглогодичного выращивания растений томата можно эффективно использовать один и тот же раствор в течение года, не меняя его состава в зависимости от этапа развития растения. В то же время, современные голландские тепличные технологии культивирования томата предусматривают примене-

ние ПР, дифференцированных по фазам развития томатных растений: стартового, стандартного и генеративного (Тепличный практикум, 2000).

В выполненных в Агрофизическом НИИ исследованиях показано, что при эффективности использования раствора Кнопа в условиях РАЭС, для повышения продуктивности томата перспективным является индивидуальный подбор состава ПР, изменяющихся по фазам развития растений томата (Ермаков, Медведева, 1986; Аникина, Ермаков, 1988; Аникина, 1994). Для технологий выращивания томата методом мапообъемной агрегатопоники и капиллярном способе подачи ПР по плоскому фитилю (Желтов, 1986; Панова и др., 2010) нами были разработаны три вида питательных растворов, предназначенных для использования в различные фазы вегетации растений: модифицированный раствор Кнопа, раствор № 1, применяемый до массового цветения и начала завязывания плодов и раствор № 2 для применения в период плодоношения. Изучение влияния разработанных нами питательных растворов на рост и продуктивность растений томата в условиях РАЭС и сравнение их эффективности с растворами Кнопа различной концентрации и тепличными голландскими питательными растворами - стартовым и стандартным (Дайджест журнала «Мир теплиц», 2000,) проводили при использовании в качестве объекта исследования томат сорта Ультрабек. В каждом варианте выращивали по 11 растений томата. Состав и соотношение элементов питания в питательных растворах, для выращивания растений томата в условиях интенсивной светокультуры представлены таблицах 4.1 и 4.2

Таблица 4.1 Состав питательных растворов

Вариант опыта Концентрация питательных элементов, мг/л

N-N0.1 N-N114 Р К Са

Раствор Кнопа 154 - 56 167 170 24

Раствор Кнопа двойной концентрации 308 - 112 334 340 48

Раствор Кнопа половинной концентрации 77 - 28 84 85 12

Модифицированный раствор Кнопа 155 - 115 330 158 24

Голландский стартовый раствор 231 19,6 62 288 208 65,7

Голландский стандартный раствор 193 14 46,5 292 212 65

Раствор №1 228 4 60 279 224 67

Раствор №2 219 3 60 366 209 67

Таблица 4.2 Соотношение элементов питания в питательном растворе

Вариант опыта Соотношения элементов

К^ К:Са Са:М® N

Раствор Кнопа 1,1 1,0 7,1 2,8

Модифицированный раствор Кнопа 2,1 2,6 5,3 1,3

Стартовый голландский раствор 1,1 1,4 3,2 4,0

Стандартный голландский раствор 1,4 1,4 3,3 4,4

Раствор № 1 1,2 1,4 3,3 3,8

Раствор №2 1,7 1,8 3,2 3,7

В схему опытов входили следующие варианты:

- Вариант 1. В течение всей вегетации растения томата выращивали на растворе Кнопа;

- Вариант 2. До цветения растения томата выращивали на растворе Кнопа. В период завязывания и налива плодов применялся модифицированный раствор Кнопа;

- Вариант 3. Растения томата до цветения выращивали на растворе Кнопа двойной концентрации, в период завязывания плодов использовали раствор Кнопа половинной концентрации, во время налива плодов переходили на раствор Кнопа;

-Вариант4. Растения томата до фазы налива плодов выращивали с использованием раствора Кнопа двойной концентрации, затем, в фазу налива плодов питание растений переводили на раствор Кнопа;

-Вариант 5. Растения выращивали в течение всей вегетации с использованием голландского стандартного раствора;

-Вариант 6. Растения томата до цветения выращивали с использованием стартового голландского раствора, а затем переходили на стандартный голландский раствор;

- Вариант 7 Растения томата выращивали на разработанных нами питательных растворах, состав которых менялся по фазам вегетации растений. Раствор № 1 использовали до массового цветения растений и начала завязывания плодов и раствор № 2 - в период плодоношения.

Анализ результатов проведенных опытов выявил зависимость продуктивности растений томата от количественного состава питательных элементов в исследуемых растворах. Продуктивность растений томата Ультрабек, культивируемых на различных питательных растворах приведена в таблице 4.3

Растения томата, выращенные с использованием модифицированного раствора Кнопа (вар.2) на 6%. были более продуктивными, чем томаты, выращенные на растворе Кнопа (вар. 1) Растворы Кнопа различной концентрации, используемые по фазам вегетации растений (вар. 4, 5) проявили себя как наименее продуктивные. Продуктивность у выращиваемых растений снижалась в варианте 3 на 12%, а варианте 4 на 8%.

Таблица 4.3 Продуктивность растений томата Ультрабек выращенных на

различных по количественному составу питательных растворах

Вариант Количество плодов, шт. Средняя масса плода, г Масса плодов, г/растение % к контролю Масса плодов, с м2, г

Вариант 1 118 42,0±5,6 451±45 100±10 9027

Вариант 2 116 44,7±6,1 477±57 106±12 9540

Вариант 3 120 36,5± 4,9 398±59 88±15 7972

Вариант 4 105 43,3±5,8 413±66 92±16 8280

Вариант 5 126 42,1+4,7 482±58 107±12 9646

Вариант 6 121 44,5±5,3 489±88 108±18 9792

Вариант 7 117 50,9+5,5 560±62* 124±11* 11200*

Значения достоверно отличаются от контрольного при 5% уровне значимости

Применение голландских растворов (вар. 5 и 6) увеличило продуктивность растений томата по сравнению с раствором Кнопа - на 7% и 8% соответственно. Использование разработанных нами питательных растворов № 1 и № 2 (вар. 7) на 25% повышает продуктивность растений томата по сравнению с продуктивностью растений, выращенных на растворе Кнопа.

4.3 Некорневые обработки как технологический прием управления

продукционным процессом растений томата

Применение некорневых обработок растений органоминеральными кремний-содержащими микроудобрениями (КХМ) (Ермаков, Медведева, 1980), разработанными с целью повышения их продуктивности, является перспективным методом оперативного воздействия на рост и развитие растений томата при культивировании в РАЭС. Показано, что некорневая обработка КХМ овощных культур, выращиваемых в регулируемых условиях, обеспечивает повышение устойчивости растений к дефициту света и пониженной температуре и снижает (примерно на 10%) значения их оптимума для растений, тем самым позволяя достигать больших значений продуктивности при снижении энергозатрат (Панова и др., 2008). Как было установлено ранее, при воздействии на растения другими кремнийсодержащими соединениями, положительные эффекты обработки КХМ при низкой освещенности растений можно объяснить улучшением структуры светопоглощающего комплекса пластид и интенсификацией фотохимических процессов фотосинтеза (Adatia,1986; Epstein, Silicon, 2003).

Усовершенствованием КХМ являлись созданные нами композиции биологически активных кремнийсодержащих хелатных микроудобрений нового поколения — КХМ-Г с фитопротекторными и адаптогенными свойствами на основе гумусовых кислот, полученных из верхового торфа.

Для разработки технологического приема, направленного на повышение продуктивности томата, выполнена оценка эффективности некорневых воздействий препарата КХМ-Г на продуктивность растений томата сорта Ультрабек, выращенных малообъемным методом культивирования растений с использованием субстрата «Агро-фит». Для питания растений применяли раствор Кнопа, с коррекцией его по фазам развития растений.

Первую обработку растений томата КХМ-Г проводили в фазу пяти листьев, затем последовательно - через 5-7 дней после первой обработки, в фазу бутонизации, в фазу массового цветения и в фазу массового завязывания плодов. Полученные результаты свидетельствуют о достоверном увеличении продуктивности растений томата при пятикратной некорневой обработке растений КХМ-Г в течение вегетации (табл. 5.1).

Таблица 5.1 Продуктивность растений томата сорта Ультрабек при пятикратной некорневой обработке КХМ-Г

Вариант Средняя масса плодов, г/ растение Средняя масса плода, г Масса плодов, кг/м2 %

Вода 690,7± 101 73,11±7,6 13,814 100

КХМ-Г 1210,4±120 84,90±8,1 24,208 175

Выполненный биохимический анализ плодов томата показал, что плоды, полученные с растений, обработанных КХМ-Г по содержанию нитратов, углеводов и аскорбиновой кислоты более качественны по сравнению с плодами растений без обработки (табл. 5.2).

Таблица 5.2 Показатели качества плодов томата при некорневой обработке раствором КХМ-Г. (* в сырой массе)

Вид некорневой обработки Содержание нитратов, мг/кг Сухое вещество, % Углеводы (сумма), %' Углеводы редуцирующие, %' Аскорбиновая кислота, мг/100 г*

Вода 21,3±1,4 4,2±0,3 3,02±0,3 2,65±0,2 19,0±1,5

КХМ-Г 15,5±1,2 4,7±0,4 3,27±0,3 2,90±0,2 27,0±1,4

4.4 Матричные технологии

Условия успешного функционирования предприятий СКС, расположенных в районах с экстремальными природными условиями - выращивание растений томата с использованием высокопроизводительных технологий светокультуры, минимизирующих подлежащие утилизации отходы производства и исключение трудоемких агротехнических работ, реализованы в разработанной нами матричной технологии светокультуры томата (МТС).

4.4.1 Организация световой среды произрастания растений в матричных технологиях

Основным производственным элементом матричной технологии светокультуры является вегетационная светоустановка МВСУ. Использование в световом блоке МВСУ серийных ламп ДНаТ 600 (или ДНаЗ/ЯеЯихбОО), применение высокоэффективных отражателей ЖСП 70-600, позволяет при установленной мощности 0,4 кВт/м2 и благоприятном спектральном составе излучения, за счет высокого КПД (-25%) и светоотдачи - до 140 лм/Вт организовать фотобиологически эффективную световую среду выращивания растений с уровнем облученности до 80 Вт/м2 ФАР. (Судаков, Аникина, Удалова и др., 2010)

Для обеспечения возможности выращивания в СКС как детерминантных так и длинностебельных растений томата, вегетационные светоустановки МВСУ комплектуются специальной конструкцией, позволяющей увеличить регулируемую высоту подъема источников света до 3,0 метров (Судаков, Аникина и др., 2009)

Рациональная схема размещения МВСУ в СКС позволяет эффективно использовать аддитивные свойства рассеянных световых потоков и дополнительно на 6-8% повысить средний уровень облученности растений.

4.4.2 Оптимизация условий жизнеобеспечения корневых систем растений в матричных технологиях

Технологии МТС предусматривают для выращивания растений томата и других овощных культур использование в качестве КС агрофита, или другого из разработанных нами почвозаменителей. На стеллаже базовой модели МВСУ, полезной пло-1 2

щадью 3 м , размещаются матрицы - листы светонепроницаемого пластика, с вырезанными отверстиями для установки контейнеров с КС, количество и размеры которых определяются видом выращиваемых растений ( для томата от 12 до 20 контейнеров объемом 0,25 л/м2, для зеленных культур до 100 контейнеров объемом 0,15 л.). Положение матрицы фиксируется П-образной подложкой, изготовленной из любого инертного к действию питательного раствора (ПР) материала (пластик, поролон и т.д.), обеспечивающей свободное распространение корневой системы по объему поддона. Высота П-образной подложки - для томатов и огурцов 10 см, для зеленных -4 см.

Рис 4.4.1. Фрагменты матрицы для выращивания растений

Разработанная автоматическая нереверсивная система регулирует периодичность и норму подачи питательного раствора в КС, а капиллярная система подачи питательного раствора к корням растений обеспечивает оптимальный водно-воздушный режим для корневой системы культивируемых растений (Желтов. 1996; Судаков и др., 2009).

Для питания растений в МВСУ используется раствор Кнопа или разработанные нами питательные растворы № 1 и № 2.

Производительность МВСУ - 15кг/м" томата, затраты электроэнергии ~35кВтчас/кг, салат «Торнадо» -6 кг/м", затраты электроэнергии -30 кВт-час/кг, укроп «Макс» 3,5 кг/м2, -70 кВт-час/кг.

5. Испытание сортов и гибридов растений томата для

культивирования в условиях регулируемой агроэкосиетемы

Учитывая биологические особенности растений томата, при выращивании в условиях регулируемой агроэкосиетемы, необходимо использовать супердетерми-нантные и детерминантные сорта и гибриды генеративного типа развития, при котором процессы плодоношения преобладают над вегетативным ростом. Растения томата должны отличаться ажурной архитектоникой строения куста, иметь малое количество листьев, с узкой листовой пластинкой.

Создаваемые для культивирования в условиях РАЭС сорта и гибриды томата должны быть толерантными к условиям пониженной освещенности, температурным трендам, повышенной влажности и устойчивы к вредителям и болезням. Плоды должны быть среднего размера, обладать хорошей товарностью и высоким содержанием полезных веществ.

В результате проведенных испытаний 60 сортов и гибридов томата на соответствие перечисленным требованиям при разных уровнях освещенности, были отобраны сорта томата перспективные для выращивания в условиях РАЭС, в технологиях интенсивной светокультуры.

Сорт Ультрабек, обладающий хорошей завязываемостью и отличными вкусовыми качествами плодов, показал наибольшую продуктивность как в условиях высокого, так и пониженного уровней облученности растений.

При высоком уровне освещенности, наиболее продуктивными были сорта Ли-курич - 23,3 кг/м2, Ультрабек - 29,6 кг/м2, Зорень - 23,5 кг/м2, Атма - 25,5 кг/м2. Хейнц-1706 - 26.6 кг/м2. При низком уровне освещенности -Ультрабек - 13,1 кг/ м2 и Ликурич — 9,6 кг/м.

Исследованные гибриды растений томата, при высоком уровне освещенности, показали себя менее продуктивными по сравнению с отобранными сортами. Так наи-

большая урожайность отмечена у гибридов Бумеранг -15,8кг/м2, Красная стрела -14,5 кг/м2, Прекрасная Леди - 13,7 кг/м2. При этом выход товарной продукции не превышал 58%, в то время как при выращивании сортов томата он составлял от 68 до 77%..

Таким образом, для выращивания растений томата методом малообъемной аг-регатопоники в условиях РАЭС, могут быть рекомендованы сорта томата Ультрабек и Ликурич.

ВЫВОДЫ

1. Разработана концепция организации специальных светонепроницаемых культивационных сооружений (СКС) для круглогодичного производства томата в районах с экстремальными природными условиями. Для культивирования в СКС растений томата разработаны технологии светокультуры в наименьшей степени загрязняющие окружающую среду. Структура производства и эксплуатационные характеристики технологического оборудования обеспечивают возможность выращивания в СКС практически любых видов овощных, лекарственных и других с/х растений.

2. Впервые, при выращивании растений в условиях РАЭС на различных корне-обитаемых средах, исследована динамика поступления водорастворимого органического вещества в питательный раствор в течение всей вегетации растений. При создании КС на органической основе (торф, опилки) показана эффективность введения тонкодисперсной минеральной компоненты - кембрийской глины, или смеси кембрийской глины с сапропелем, для формирования органно-минеральных комплексов, препятствующих чрезмерному поступлению органического вещества в питательный раствор.

3. Установлено, что нанесение на поверхность минеральной КС - керамзита или синтетической КС - гранулированного полиэтилена, дозированной тонкодисперсной органно-минеральной компоненты (сапропель - кембрийская глина), создает наиболее благоприятную среду для развития и функционирования корневой системы выращиваемых растений с сопутствующей микрофлорой, что приводит к увеличению продуктивности растений томата до 40%.

4. Показано, что наибольшая продуктивность растений томата сорта «Ультрабек», при выращивании малообъемным способом, была получена при использовании корнеобитаемых сред: «Агрофит», смеси керамзита, обработанного глиной и сапропелем, с «Агрофитом» в соотношении 1:1, опилок или гранулированного полиэтилена, обработанных смесью глины с сапропелем. Все эти КС могут быть рекомендованы для выращивания растений в условиях интенсивной светокультуры.

5. Установлено, что использование разработанных нами питательных растворов № 1 и № 2, дифференцированных по фазам развития растений, повышает продуктивность томата сорта «Ультрабек», по сравнению с продуктивностью растений, выращенных на растворе Кнопа на 25%.

6. Показано положительное воздействие некорневых обработок разработанными нами кремнийсодержащими хелатными микроудобрениями КХМ-Г на рост, развитие, продуктивность растений томата и качество получаемой продукции.

7. Разработаны основные положения матричной технологии светокультуры растений, предназначенной для выращивания томата и других овощных культур в специальных культивационных сооружениях, включающей методы формирования энергоэкономичной световой среды и эффективную систему жизнеобеспечения корневых систем культивируемых растений.

8. Произведена оценка перспективных для культивирования в условиях РАЭС детерминантных сортов и гибридов растений томата. Установлено, что при высоком уровне освещенности наиболее продуктивными были сорта Ликурич, Ультрабек, Зо-рень, Оттава-бО, Хейнц-1706, при низком уровне освещенности - Ультрабек и Ликурич. Исследованные гибриды растений томата показали себя менее перспективными для их выращивания методом малообъемной агрегатопоники в условиях РАЭС.

Публикации диссертанта в реферируемых журналах:

1. Удалова О. Р. Агрофит и коковит - субстраты для томата // Картофель и овощи. № 7. 2002. С. 24э

2. Панова Г. Г., Драгавцев В. А., Желтов Ю. И., Судаков В. Л., Черноусое И. Н., Канаш Е. В., Аникина Л. М., Удалова О. Р. Стратегия наукоемкого ресурсосберегающего круглогодичного производства высококачественной растительной продукции // Аграрная Россия. 2009. № 51. С. 7-10.

3. Судаков В. Л., Аникина Л. М., Удалова О. Р., Шибанов Д. В. Оптимизация световой среды при выращивании растений в условиях светокультуры // Гавриш. 2012. №3. С. 14-17.

4. Удалова О. Р., Судаков В. Л., Аникина Л. М., Виличко А. К. Технология светокультуры в экстремальных условиях // Картофель и овощи. 2013. № 8. С. 12-15.

5. Ермаков Е. И., Удалова О. Р. Влияние изменения свойств органоминеральной корнеобитаемой среды на продуктивность растений томата в регулируемой агроэко-системе // Гавриш. 1999. № 5. С. 13-17.

Отпечатано в ГНУ АФИ Россельхозакадемии 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14. Тираж 100 экз.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Удалова, Ольга Рудольфовна, Санкт-Петербург

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ АГРОФИЗИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ Российской академии сельскохозяйственных наук

На правах рукописи

04201455643 Удалова Ольга Рудольфовна

Технологические основы культивирования растений томата в условиях

регулируемой агроэкосистемы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Специальность 06.01.03 - агрофизика

Научный руководитель кандидат физико -математических наук Судаков Виталий Леонидович

Санкт Петербург, 2014год

Оглавление

Введение.................................................................................... 4

Глава 1. Современные проблемы культивирования растений томата

в условиях регулируемой агроэкосистемы ................................................................................................... 11

1.1. Методы выращивания растений без почвы................................. 12

1.1.1.

Гидропоника.................................................................................... 13.

Иошггопоннка.............................................................................. 15

1.1.3. Аэропонная культура............................................................... 15

1.1.4. Агрегатопоника..................................................................... 15

1.1.5.Хемопоник а.......................................................................... 19

1.2. Питательные растворы для выращивания

растений........................................................................................ 21

1.2.1. Признаки дефицита элементов питании в питательном

растворе......................................................................................... 25

1.2.2. Системы подачи питательного раствора в корнеобитаемую

среду в светокультуре томата................................................... 29

1.3.Сорта и гибриды растений томата перспективные для выращивания в условиях регулируемой агроэкосистемы..................................... 30

1.4. Формирование световой среды в технологиях светокультуры................ 31

1.4.1. Влияние отдельных участков спектра ФАР на процессы фотосинтеза и фотоморфогенеза............................................................ 31

1.4.2.Источники света для светокультуры растений................................ 34

1.4.3. Зависимость продуктивности растений томата от спектрального состава и интенсивности облучения............................................. 38

1.4.4. Вегетационные установки для интенсивной светокультуры

растений томата.....................................................................39

1.5. Влияние фотопериодических условий, температуры и влажности воздуха на рост, развитие и продуктивность растений томата

в интенсивной светокультуре......................................................... 44

Глава 2. Объекты и методы исследований.............................................. 48

2.1. Объекты исследований................................................................48

2.2. Методы измерения уровней освещенности и облученности

растений томата в условиях регулируемой агроэкосистемы.................... 49

2.3. Методы исследований.................................50

2.4. Статистические методы обработки материалов.............................. 50

Глава 3. Концепция организации специальных культивационных

сооружений для круглогодичного выращивания

растительной продукции........................................................ 51

Глава 4. Технологические приемы управления продукционным

процессом растений томата в регулируемой агроэкосистеме............ 59

4.1 Конструирование корнеобитаемых сред как технологический прием культивирования растений томата в регулируемой агроэкосистеме......... 59

4.2. Влияние состава питательного раствора на продуктивность

растений томата при малообъемном способе выращивании.................. 73

4.3 Некорневые обработки как технологический прием

управления продукционным процессом растений томата............... 79

4.4. Матричные технологии........................................................... 84

4.4.1.Организация световой среды произрастания растений

в матричных технологиях........................................................ 86

4.4.2. Оптимизация условий жизнеобеспечения корневых систем

растений в матричных технологиях............................................ 90

Глава 5. Испытание сортов и гибридов растений томата

для культивирования в условиях регулируемой агроэкосистемы.......... 98

5.1. Общие требования к сортам и гибридам растений томата для культивирования в условиях регулируемой

агроэкосистемы....................................................................................................................................98

5.2. Отбор сортов и гибридов томата для культивирования

в условиях регулируемой агроэкосистемы............................. 99

5.3. Направление селекции для культивирования растений

томата в условиях регулируемой агроэкосистемы...................... 104

Заключение................................................................................ 106

Выводы..................................................................................... 107

Список литературы.......................................................................110

Введение

В связи с освоением отдаленных районов Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера решение вопроса круглогодичного производства свежих овощей непосредственно в регионах с экстремальными природными условиями приобретает неотложный характер. Проблема не может быть решена простым размещением в этих районах традиционных сооружений защищенного грунта, вследствие очень высоких затрат энергии на обогрев традиционных теплиц в осенне - зимний период. Результатом больших теплопотерь являются крайне нестабильные температурные условия внутри культивационного сооружения. Постоянно растущие цены на энергоносители практически исключают возможность внесезонного производства качественных овощей в традиционных тепличных сооружениях, расположенных в районах с экстремальными природными условиями, даже в объемах, необходимых для обеспечения свежими овощами детских садов, больниц и школьных учреждений.

Уровень естественного освещения в культивационных сооружениях в осенне - зимний период абсолютно недостаточен для обеспечения нормального роста и развития растений, и применение искусственного облучения для их досвечивания лишь увеличивает себестоимость производимой тепличной продукции. Актуальность.

В сложившейся ситуации системный подход к разработке научно обоснованных методов круглогодичного производства овощной продукции во внесезонный период непосредственно в местах ее потребления, в районах с экстремальными природными условиями, становится приоритетным для биологической и сельскохозяйственной науки. Эффективное решение поставленной задачи обеспечит возможность организации стабильного производства разнообразной растительной продукции в условиях прогнозируемого глобального изменения климата и ухудшения экологической обстановки.

Современный уровень научно - технических разработок в области культивирования растений в условиях регулируемой агроэкосистемы (РАЭС),

дает возможность решения проблемы круглогодичного производства растительной продукции многоцелевого назначения в районах с экстремальными природными условиями. Такое производство, с использованием частных технологий светокультуры различных овощных культур, может быть налажено в специальных культивационных сооружениях (СКС), в помещениях которых поддерживаются комфортные для выращивания растений условия [109,119.130,143,148].

Концепция организации специальных культивационных сооружений для круглогодичного производства томата, учитывая климатические условия их расположения (крайне низкие температуры большую часть года, полярная ночь), предусматривает размещение технологического оборудования в стационарных сооружениях, в которых возможно круглосуточное поддержание температуры ~ +15С0 Производственная структура и состав вегетационного оборудования предприятий СКС должны обеспечивать максимальную универсальность возможность выращивания разнообразной овощной продукции во внесезонный период и переориентирование, при необходимости, на производство высокодефицитного сырья для фармацевтической или парфюмерной промышленности, в том числе и экспортируемого из дальнего зарубежья, в остальное время года [54,78,90,103,117.122,127,143,].

Учитывая трудности доставки в районы расположения предприятий СКС оборудования и материалов, необходима разработка технологий культивирования растений, предусматривающих использование только серийного оборудования, значительное снижение объема КС в расчете на одно растение и эффективное решение проблем, связанных с утилизацией отходов, что особенно важно для предприятий расположенных в районах вечной мерзлоты [119,126,128,129].

Анализ результатов опыта выращивания растений с использованием искусственного облучения показывает, что наибольшую производительность с квадратного метра полезной площади культивационного сооружения в условиях регулируемой агроэкосистемы, могут обеспечить ресурсо- и энергосберегающие технологии светокультуры, основанные на результатах изучения влияния на рост

и развитие растений как отдельных физических и биотических факторов окружающей среды, так и их совокупности

[10,48,50,52,57,71,81,88,100,108,115,120].

Среди овощных культур, выращиваемых в теплицах во внесезонный период, наибольшее распространение получили огурец и томат, способные обеспечить наиболее высокий выход хозяйственно — ценной продукции с единицы площади при культивировании в условиях искусственного

освещения[15,20,26,33,35,67,87,97,123,124,130,131,139,158,170].0днако для выращивания растений томата необходимы затраты электроэнергии на 30 - 40% больше, чем для культивирования огурца: длительность вегетации томата выше, а продуктивность в светокультуре ниже, чем у огурца.

Вследствие этих биологических особенностей роста и развития, томат во внесезонный период в подавляющем большинстве тепличных комбинатов РФ не выращивают, тем более в районах с экстремальными природным^ условиями[3,4,14,19,29,30,165].

Для разработки интенсивных технологий светокультуры томата, позволяющих организовать в СКС их круглогодичное производство с минимальными экологическими рисками, необходимо проведение комплексных исследований взаимосвязи между световой средой произрастания растений томата и условиями жизнеобеспечения их корневых систем, а также отбор наиболее перспективных для выращивания в условиях интенсивной светокультуры детерминантных скороспелых и продуктивных сортов и гибридов томата [28,128]

Цель работы. Целью данной работы является изучение условий максимальной реализации биологического потенциала продуктивности растений томата при выращивании в условиях РАЭС, и разработка основных положений ресурсосберегающих технологий круглогодичного производства томата для районов с экстремальными природными условиями и зон экологического риска.

В соответствии с поставленной целью, определены основные задачи диссертационной работы:

- разработать концепцию организации специальных светонепроницаемых культивационных сооружений (СКС) для круглогодичного производства томата в районах с экстремальными природными условиями;

- изучить динамику поступления водорастворимого органического вещества в питательный раствор при выращивании растений томата методом малообъемной агрегатопоники на корнеобитаемых средах (КС) различного состава и оценить влияние органического вещества на продуктивность культивируемых растений и качество получаемой продукции;

- на основе оптимизации соотношения органической и минеральной компоненты разработать корнеобитаемые среды для культивирования растений томата методом малообъемной агрегатопоники в условиях интенсивной светокультуры;

- изучить влияние разработанных нами дифференцированных по фазам развития растений томата питательных растворов на рост и продуктивность томата при интенсивном культивировании в РАЭС методом малообъемной агрегатопоники при капиллярном способе подачи питательного раствора по плоскому фитилю;

- исследовать эффективность применения обработки растений томата хелатными микроудобрениями для повышения продуктивности и качества получаемой продукции;

- выявить перспективные для культивирования в условиях РАЭС детерминантные сорта и гибриды томата;

- разработать основные элементы технологии интенсивной светокультуры томата, минимизирующей экологические риски, и предназначенной для выращивания растений в специальных культивационных сооружениях, в том числе расположенных в районах вечной мерзлоты.

Научная новнзна. Научная новизна выполненной работы заключается в разработке экологически адаптивных технологий круглогодичной светокультуры

растений томата для районов с экстремальными природными условиями, обеспечивающих в условиях РАЭС максимальную продуктивность растений при минимальных затратах материальных и энергетических ресурсов на получение единицы продукции.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований технологических основ интенсивного культивирования томата в РАЭС позволяют организовать предприятия круглогодичного производства томата в регионах с экстремальными природными условиями и в зонах экологического риска, или выращивание овощей в любых районах РФ во внесезонный период. Основные положения разработанной нами технологии могут быть использованы для культивирования в СКС практически любых сельскохозяйственных растений, экономически рентабельного производства сырья для фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также использованы для выращивания витаминной продукции в небольших объемах в детских садах, больницах, школах и частных домовладениях

Положения, выносимые на защиту :

концепция организации специальных светонепроницаемых

культивационных сооружений для круглогодичного культивирования растений томата в районах с экстремальными природными условиями

- принципы конструирования корнеобитаемых сред для применения в технологиях интенсивной светокультуры на основе оптимизации соотношения в них органической и минеральной компоненты в зависимости от уровня поступления в питательный раствор органического вещества

- питательные растворы, дифференцированные по фазам развития растений, для выращивания томата методом малообъемной агрегатопоники в условиях светокультуры с подачей питательного раствора в корнеобитаемую среду по плоскому фитилю

приемы управления продуктивностью растений томата и качеством получаемой продукции путем обработки хелатными кремнийсодержащими микроудобрениями в условиях РАЭС.

Личный вклад автора. Проведение всех вегетационных опытов выполнено в полном объеме лично автором настоящей работы. Степень участия автора в планировании экспериментов и обсуждении полученных результатов, разработке концепции организации СКС и соответствующего технологического оборудования, эффективных корнеобитаемых сред и питательных растворов для создания технологий светокультуры с минимальными экологическими рисками, а также подбор перспективных для культивирования в условиях РАЭС сортов томата, составляла от 70 до 100 процентов.

Апробация работы. По основным положениям диссертации были сделаны доклады: на международных научно- практических конференциях «Научно — инновационные основы повышения эффективности овощеводства» Минск 2008 и2010гг., на Всероссийских конференциях «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» Москва 2008; Научно-практическом форуме «Безопасность продовольствия России» С-Пб.2010.

Заочное участие в конференциях с представлением докладов с последующими публикациями: ГНУ ВНИИиЗПЭ, . Курск, 2008; Белгородский НИИСХ, 2010; РУДН, Москва, 2010; Институт повышения квалификации, Тамбов, 2011г.; Агрофизический НИИ, С-ПБ, 2011г.

Публикации. По материалам диссертации в период 1999 - 2013г опубликовано 35 работ из них 30 по теме диссертации, в том числе 5 в изданиях, включенных в «Перечень рецензируемых журналов ВАК».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 128 страницах

текста, содержит 23 таблицы и 6 рисунков. Библиографический список включает 182 наименования.

Автор выражает благодарность кандидатам биологических наук Аникиной Л.М. за помощь в проведении анализа органического вещества в питательном растворе и Хомякову Ю.В. за большую помощь в выполнении биохимического анализа состава плодов томата.

Глава 1. Современные проблемы культивирования растений томата в условиях регулируемой агроэкоснстсмы.

В связи с широким освоением Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера - регионов с экстремальными природными условиями, неотложный характер приобретает решение вопроса круглогодичного производства свежих овощей непосредственно в местах их потребления. Первостепенной становится задача разработки принципиально новых экологически чистых ресурсо и энергосберегающих агротехнологий защищенного грунта, обеспечивающих круглогодичное производство высококачественной растительной продукции с минимальным содержанием нитратов, тяжелых металлов и других вредных примесей [14,21,34,38,39,52,56,81,85, 92,93,97,107,110,121,125 ].

Защита окружающей среды в производстве защищенного грунта наиболее пол�