Агрохимия, 2020, № 3, стр. 31-36

ВВЕДЕНИЕ

Проблема получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур с низким содержанием нитратов без применения фитогормонов и других химических средств воздействия на физиологические процессы в растениях является одной из основных при получении гарантированно безопасной для человека и животных сельскохозяйственной продукции. Это важнейший элемент так называемого органического сельского хозяйства – перспективного нового направления растениеводства.

Такую возможность открывают разработанные цеолитные субстраты [1], которые содержат полный комплект необходимых растению биогенных элементов в виде ионов, сорбированных природным цеолитом – клиноптилолитом и труднорастворимыми природными или синтетическими неорганическими минералами. Предпосылкой для использования таких питательных сред является высокая концентрация питательных веществ в субстратах в сочетании с безопасной для растений концентрацией равновесных растворов и отсутствием в них нитратов. Весь азот в них находится в аммонийной форме.

В настоящее время эти субстраты практически не исследованы в процессах выращивания растений, т.к. их опытное производство делает лишь первые шаги. Среди известных аналогов можно назвать только субстраты типа биона на основе органических ионитов или их смесей с клиноптилолитом [2, 3]. Однако они не соответствуют санитарно-гигиеническим требованиям, запрещающим введение полимерных ионитов в почвы.

Целью работы – испытание одного из цеолитных субстратов (рабочее название цион-100) на принципиальную возможность выращивания на  нем салата листового (Lactuca sativa L.) сорта Афицион.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Субстрат цион-100 получали на основе природного клиноптилолита Холинского месторождения (РФ, Забайкальская группа). Доля основного минерала в природном цеолите составляла ≈70%, его состав приведен в табл. 1 [4, 5]. Минерал содержит ничтожно мало фосфора и отсутствует бор. В нем не содержатся в опасных концентрациях токсичные элементы.

Субстрат цион-100 на 98% состоит из клиноптилолита, модифицированного введением в него ионов питательных элементов и корректирующих добавок малорастворимых природных минералов фосфора или компонентов минеральных удобрений. Дополнительное внесение микроэлементов может быть сделано в соответствии с потребностью выращиваемых культур общепринятыми способами [6, 7]. В нашем случае в этом не было необходимости. Состав подвижных ионов в субстрате приведен в табл. 2.

Цион образует при контакте с водой питательный раствор с концентрацией и соотношением ионов, близкими к оптимальным [8], что исключает возможность передозировки удобрений в субстратном растворе и допускает возможность прямого контакта частиц субстрата с корнем растения. Состав вытяжек циона дистиллированной и поливной (водопроводной) водой, приведен в табл. 2. Состав воды, применяемой для полива, отвечает стандартам питьевой воды и близок к среднеевропейскому. Другие свойства субстрата: на 50% он состоит из частиц размером 2–4 мм, 38% – размером 0.5–2.0 мм и 12% <0.5 мм, рН 5.0–7.0, удельная электропроводность (УЭП) – 560–750 µS (в экстрактах дистиллированной водой).

Субстрат может быть получен с любым заданным соотношением количеств подвижных ионов и актуальной кислотностью. В настоящей работе его использовали в 100%-ном виде и в виде добавки к бесплодному песку. Кварцевый песок перед использованием обрабатывали 2 М раствором соляной кислоты для отмывки от карбонатов и оксидов, присутствующих в исходном материале.

При изготовлении субстратов и их использовании в биологических экспериментах контроль параметров производили с помощью следующих приборов: рН-метра HANNA 213 (измерение величины рН), кондуктометра HANNA ЕС214, (измерение удельной электропроводности – УЭП), прибора капиллярного электрофореза “Капель 104-Т” (определение концентрации растворов макроэлементов), и ICP-спектрометра (определение концентрации ионов Аl³⁺ и Fe³⁺), нитрат-селективного электрода ЭМ-NО₃-07СР с иономером И-160МП (определение концентрации NО$_{3}^{ - }$).

Субстраты, использованные в биологическом эксперименте, различались исходной актуальной кислотностью и соотношением концентраций аммония и калия (N : K). Состав макроионов в равновесных растворах над субстратом цион с различными номинальными рН и соотношениями N : K в субстрате представлен в табл. 3. Фактические величины рН могли отличаться от номинальных не более чем на 0.2.

В качестве тест-культуры использовали салат листовой (Lactuca sativa L.) сорта Афицион. Эту культуру выбрали в связи с коротким сроком его выращивания до товарных кондиций (техническая вегетация от 30 до 45 сут) и высоким уровнем накопления нитратов в биомассе (официальная ПДК – 1500 мг/кг зеленой массы [9]).

Растения выращивали в стандартных кассетах 60 × 60 см, содержащих 64 (8 × 8) ячейки, объемом 50 мл и глубиной 5 см. В эксперименте использовали 3 кассеты. Информация о составе питательных сред в каждой ячейке приведена в табл. 3, 4. Кассеты заполняли питательными средами и выращивали по 4 растения рядом. Четверки в соседних рядах размещали в шахматном порядке во избежание чрезмерной загущенности, наступающей после 20 сут вегетации. В каждой четверке состав питательной среды был одинаковым. Освещение в вегетостате осуществляли лампами ДНБО1–4 × 9–001 У4.1 “Светодар” (отношение интенсивности в синем и красном диапазоне 4:1) с фотопериодом 18 ч (6:00–24:00) – 6 ч темноты. Общая освещенность – 10 000 Лк на среднем уровне листьев. Дневную температуру поддерживали на уровне 21–23°С, ночную – 18–20°С.

В процессе выращивания 3 раза проводили промывку ячеек поливной водой для предотвращения влияния излишнего засоления субстратного раствора. Растения снимали на 32-е сут после посадки, определяли их зеленую и сухую биомассу (сушка при 60°С). В выбранных пробах растений определяли содержание нитратов и хлорофилла а в зеленой биомассе стандартным методом [10]. Рассчитывали среднюю биомассу растений и ее стандартное отклонение от среднего.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Во всех случаях растения, выращенные на смеси песка с ционом, не имели особенностей и отклонений от нормального вида (табл. 4). Биомасса наземной части растений, выращенных при дозе циона 2.5 и 5.0 г/растение (5 и 10% циона в смеси с песком), достоверно не различалась. Она составила соответственно 5.03 ± 1.24 и 5.17 ± 1.90 г зеленой и 0.55 ± 0.12 и 0.52 ± 0.10 г сухой биомассы/растение, независимо от величины рН в пределах 5.0–7.0 и соотношения N/ : K = 3–6. При рН = 6.0 биомасса растения была равна 5.07 ± 1.25 г. Это свидетельствовало о том, что при количестве циона 2.5 г/растение в его смесях с бесплодным грунтом практически полностью удовлетворялись потребности растения в элементах питания. Более высокая биомасса оказалась у растений, выращенных на 100%-ном ционе (50 г/на растение), особенно при рН = 7.0: 8.56 ± 1.18 г/растение.

При увеличении доли циона в смесях с песком возрастало содержание сухого вещества в растениях. Это явление наблюдали во всех случаях, когда условия корневого питания растений салата, райграса и др. улучшались, в частности, за счет разрыхления грунта. В нашем случае наиболее вероятной причиной этого было улучшение аэрации корневой системы по мере замены песка на цион. В опыте использовали кварцевый песок с размером частиц 0.1–0.63 мм. Субстрат цион был полидисперсным и состоял из частиц размером от 0.5 до 3.0 мм, преимущественно – 0.7–2.0 мм. Изучение их водно-воздушных свойств показало, что в условиях полива в поддон вегетационного сосуда в ционе объемная доля воздуха составляла 16.3, воды – 40.0%; для песка эти величины были равны 2.3 и 40.0% соответственно.

В надземной биомассе растений, выросших на питательных средах с добавлением циона, концентрация хлорофилла а изменялась в пределах 2.3–3.3 мг/г и оказалась малочувствительной к количеству добавленного циона.

Субстрат цион до посева растений не содержал в своем составе нитратов. Тем не менее, в зеленой массе растений после их среза на 32-е сут были обнаружены нитраты в концентрации до 210 мг/кг зеленой биомассы растений, выросших на смесях субстрата с песком. Для исследованной тест-культуры это было низким уровнем, однако нитраты присутствовали во всех случаях. Их концентрация была несколько меньше в растениях, выросших на 100%-ном ционе-100 – до 120 мг/кг. Кроме наличия следовых количеств нитратов в поливной воде, вероятной причиной появления нитратов в биомассе растений было обсеменение питательной прикорневой среды нитрифицирующими бактериями в процессе роста растений, т.к. эксперимент проводили в нестерильных условиях. Известно, что присутствие в почве и водных средах цеолитов способствует закреплению на них колоний и быстрому развитию бактерий [11], которые используют ион аммония, выделяющийся из субстрата в процессе роста растений. Окончательное выяснение причин этого явления требует постановки специального эксперимента с выращиванием растений, подготовки субстрата, поливной воды и воздуха помещения с соблюдением требований стерильности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что цеолитный субстрат цион-100 в чистом виде и в смесях с бесплодным грунтом (кварцевым песком) обеспечивал без дополнительного удобрения на протяжении 32-суточной вегетации потребности растений салата листового (Lactuca sativa L.) сорта Афицион всеми питательными элементами. Количество субстрата 2.5 г/растение в виде 5%-ной смеси с кварцевым песком в вазоне объемом 50 мл было достаточным для получения растений с массой надземной части 5.03 ± 1.24 г. Это соответствовало получению ~2 г биомассы/г субстрата. При этом содержание азота в субстрате уменьшалось на 50%. Вариации количества клиноптилолитного субстрата в пределах 2.5–10 г/растение, рН питательной среды в пределах 5.0–7.0, соотношении N : K = 3–6 существенно не влияли на урожай первой вегетации. Содержание нитратов в биомассе растений салата, выращенных на чистом ционе-100 и его смесях с отмытым кварцевым песком, было многократно меньше его предельной санитарной нормы. Это открывает возможность получения малонитратной продукции зеленных культур, отвечающих существенно более высоким санитарным требованиям.