Сравнительный анализ альтернативных методов выращивания растений в условиях закрытого грунта

После грубой очистки воды остаются незначительные примеси, такие как взвеси тяжёлых металлов, химические соединения и микроорганизмы. Для удаления этих примесей используются фильтры тонкой очистки, способные задерживать микрочастицы размером от 5 мкм. Обычно они устанавливаются после грубых фильтров, обеспечивая качественный результат. В качестве основных элементов фильтров могут выступать сорбционные материалы, обратноосмотические мембраны и ионообменные смолы. Сорбционный фильтр эффективно очищает воду от тяжёлых металлов, хлорорганических соединений и микроорганизмов, устраняя неприятные запахи. Он состоит из пластикового резервуара, заполненного сорбентом, таким как алюмосиликат или активированный уголь. Этот фильтр легок в установке, прост в обслуживании и требует периодической замены картриджа. Однако его недостатком является невысокая скорость фильтрации.

Система обратного осмоса состоит из нескольких соединённых резервуаров из стали или пластика, с основным компонентом - мембраной из полимерного материала, которая очень чувствительна к качеству воды и к хлору. Для эффективной работы таких фильтров необходима предварительная очистка, включающая ультрафильтрационный модуль или грубый очистительный фильтр. Часто фильтры обратного осмоса дополняют ультрафиолетовым блоком для дополнительной дезинфекции. Однако для работы системы требуется давление воды не менее 3,5 атмосферы, в противном случае потребуется установка насоса. Для компенсации низкой производительности фильтра обратного осмоса обычно устанавливается резервуар для хранения очищенной воды. Все эти устройства обеспечивают высокую степень очистки. Ионообменные фильтры используются для смягчения воды и удаления органических соединений. Корпус таких фильтров изготавливается из пластика или стали, а внутри находится фильтрующий резервуар, заполненный ионообменной смолой. Производительность устройства зависит от объёма фильтрующего материала. Ионообменный фильтр тонкой очистки способен смягчать воду путём регулировки pH. Недостатком таких изделий является дополнительное использование регенерирующих баков, постоянное применение солевых растворов и утилизация использованных компонентов. Эффективность ионообменных фильтров зависит от состава поступающей жидкости, качества ионитов и температуры помещения [43].



Глава 2. Объекты, условия, методика проведения исследования

2.1 Объекты исследования

Шалфей лекарственный (Salvia officinalis L.) - растение семейства Яснотковые (Lamiaceae Martinov). Полукустарник с мощным деревянистым корнем и прямыми ветвистыми стеблями 50-80 см высотой, одревесневающими снизу. При основании стеблей располагаются многочисленные короткие густооблиственные вегетативные побеги. Листья шалфея супротивные, до 10 см длиной, и густо опушены тонкими волосками, отчего они почти серого цвета. Самые верхние листья сидячие, остальные - на черешках (рис. 1).

Рис. 1. Растение шалфея лекарственного в гидропонике

Цветки довольно крупные, до 2,0-2,5 см длиной, на коротких цветоножках, собраны по 5-10 штук в пазухах верхних мелких листьев, образуя верхушечное колосовидное соцветие. Чашечка цветка двугубая, опушённая, с многочисленными железками. Венчик тоже двугубый, сине-фиолетовый, иногда розовый или белый. Плод - ценобий, разделённый на 4 эрема (орешка). Орешки (семена) почти шаровидные, до 2,5 мм в диаметре, бурые или черно-бурые. Масса 1000 семян 7-10 г. Цветёт и плодоносит со второго года жизни.

Содержание и состав эфирного масла шалфея варьирует в широких пределах, что зависит от экологических и генетических факторов. Тем не менее важнейшими компонентами эфирного масла шалфея лекарственного, содержащимися практически во всех сортах данного растения, являются монотерпены - б- и в-туйон, камфора, 1,8-цинеол, борнеол и сесквитерпены - гумулен и в-кариофиллен. Фенольные соединения шалфея лекарственного представлены фенолкарбоновыми кислотами и их производными, флавоноидами и дубильными веществами. В различных сортах шалфея лекарственного были идентифицированы розмариновая, кофейная, хлорогеновая и феруловая кислоты. Характерные для этого растения флавоноиды - кверцетин, лютеолин, апигенин и их гликозиды. Водный экстракт шалфея лекарственного содержит гидролизуемые дубильные вещества в количестве 5,71% и 2,79% флавоноидов [1].

Шалфей лекарственный обладает широким спектром биологической активности: антиоксидантным, антибактериальным, противовирусным, фунгистатическим, противовоспалительным, гипотензивным, спазмолитическим, мочегонным и вяжущим действием.

Шалфей высевают на участках с плодородными чернозёмными почвами, в специализированных севооборотах многолетних лекарственных растений. Лучшими предшественниками являются озимые зерновые.

Основная обработка почвы под шалфей состоит из лущения стерни после уборки предшественника, вспашки на 28-30 см. Под вспашку вносят 30-40 т/га перепревшего навоза или минеральные удобрения из расчёта N90P150K60.

Посев шалфея лекарственного производят широкорядно на 70 или 100 см под зиму в конце октября - начале ноября. Норма высева семян 8-10 кг/га, глубина заделки 3-4 см. На лёгких почвах глубину заделки можно увеличить до 5 см. В первый год вегетации уход за посевами состоит в ранневесеннем бороновании лёгкими или средними боронами, 3-4 междурядных обработках и 2-3 ручных прополках. Всходы в фазе 2-3 листьев прореживают, оставляя расстояние между растениями в ряду 15-20 см.

На второй и третий год вегетации уход состоит в ранневесенней подкормке аммиачной селитрой (N₆₀), 3-4 культивациях и 2-3 прополках. Начиная с третьего или четвёртого года вегетации, ранней весной или поздней осенью плантации периодически омолаживают - удаляют старую древесину на высоте 3-5 см от уровня почвы [17].

На лекарственные цели сырье убирают вручную 2-3 раза за сезон. Первый сбор проводят в июне до начала бутонизации; последний - до середины сентября. Листья обрывают с верхушки молодых побегов. На больших участках побеги и листья срезают на высоте 12-15 см жатками или переоборудованными зерноуборочными комбайнами. Сушат сырье в валках или под навесами. Высушенное сырье обмолачивают зерновыми комбайнами, отделяют стебли и цветоносы. Лист очищают на решетах. Урожайность листьев составляет 8-11 ц/га.

Мелисса лекарственная (Melissa officinalis L.) - растение семейства Яснотковые (Lamiaceae Martinov). Многолетнее травянистое, мягко опушённое растение (рис. 2).

Рис. 2. Растения мелиссы лекарственной в аэропонике

Корневище мелиссы имеет мощную ветвистую структуру с подземными побегами. Стебель четырёхгранный, разветвлённый, достигает высоты от 50 до 120 см, покрыт железистыми и обычными волосками. Листья расположены напротив друг друга, с черешками, овальной формы, зазубренные, с железисто-волосистой поверхностью на нижней стороне, длиной от 6 до 8 см. Цветки розового или белого цвета собраны по 3-10 штук в конечные односторонние соцветия, расположенные в пазухах верхних листьев. Плод состоит из 4 орешков, семена имеют яйцевидную форму, черного или коричневого цвета, блестящие, длиной 1,8-1,9 мм. Масса 1000 семян составляет 0,6 г.

Трава мелиссы лекарственной содержит ведущую группу биологически активных соединений (БАС), включая эфирное масло (примерно 0,05%). Основными компонентами эфирного масла являются монотерпены - цитраль (гераниаль+нераль), гераниол, нерол, цитронеллол, цитронеллаль. В состав эфирного масла мелиссы также входят линалоол, геранилацетат, мирцен, з-цимол, в-кариофилленоксид, в-кариофиллен и другие терпеноиды. Всего в эфирном масле мелиссы выделено и описано более 200 соединений, ответственных за приятный лимонный аромат, включая нераль и гераниаль. Второй группой БАС являются фенилпропаноиды, среди которых особенно выделяется розмариновая кислота. Фенилпропаноиды представлены также этиловым эфиром розмариновой кислоты, кофейной кислотой, хлорогеновой кислотой, з-кумаровой кислотой, феруловой и синаповой кислотами, которые одновременно являются и фенольными соединениями [8].

Препараты на основе мелиссы лекарственной являются седативными средствами, обладающими анксиолитическими, антидепрессивными, спазмолитическими, иммуномодулирующими, противовирусными, антиаллергическими и антимикробными свойствами.

Мелиссу лекарственную размещают на орошаемых участках на структурных нетяжёлых почвах. Хорошими предшественниками считаются овощные культуры, картофель, озимые колосовые и многолетние травы [2].

За два месяца до посадки проводят вспашку на 30-35 см, под которую вносят 35-40 т/га перепревшего навоза или минеральное удобрение из расчёта N₉₀P₁₂₀K₆₀. Закладывают плантацию осенью мелиссы делением куста, весной или летом - рассадой. Посев семян в грунт нерентабелен, т.к. семена очень мелкие. Для получения рассады семена высевают в плёночные теплицы нормой 2-3 г семян на 1 м² на глубину 1-1,5 см. Для закладки на плантации необходимо 550 тыс. шт. рассады. 20-25-дневную рассаду высаживают в конце апреля - начале мая широкорядным способом. При размножении мелиссы делением куста используют 3-4-летние плантации.

Кусты выпахивают скобой или безотвальным плугом, потом делят на части: каждая часть должна иметь 3-4 мочки. Полученный посадочный материал высаживают на постоянное место и поливают. Дальнейший уход состоит в междурядных культивациях и прополках.

При вегетативном размножении мелисса в первый год вегетации даёт 2 укоса: 1 - в июле, 2 - в августе-сентябре. Убирают мелиссу в фазе бутонизации, сушат в тени. Под зиму, обычно в октябре, мелиссу окучивают с образованием гребня высотой 8-10 см.

Уход в последующие годы вегетации включает ранневесеннюю подкормку азотными удобрениями из расчёта N_60-90. После каждого укоса проводят подкормку азотными удобрениями из расчёта N_30-45. Средняя урожайность зелёной массы 110-120 ц/га [32].

Мята перечная (Mentha piperita L.) - растение семейства Яснотковые (Lamiaceae Martinov). Многолетнее травянистое растение (рис. 3).

Рис. 3. Растения мяты перечной в почвенном субстрате

Искусственно выведенный селекционерами гибрид между мятой водной (Mentha aquatica L.) и мятой колосковой (Mentha spicata L.). Стебли многочисленные, прямостоячие, до 1 м высотой, от основания голые или редко-волосистые супротивно-ветвистые, четырёхгранные, темно-фиолетовые. Корневище горизонтальное с многочисленными, расположенными близко к поверхности почвы тонкими мочковатыми корнями. Листья сверху темно-зелёные, снизу светло-зелёные, короткочерешковые, удлинённо-яйцевидные, заострённые, с сердцевидным основанием и остропильчатыми краями, 3-6 см длиной, 1,5-2 см шириной. Листорасположение и ветвление супротивное. Цветки мелкие, сидячие, неясно двугубые. Чашечка фиолетовая, трубчатая. Венчик бледно-фиолетовый. Цветки собраны на верхушках побегов в головчато-колосовидные соцветия. Плоды - бурые обратнояйцевидные орешки, 0,75 мм длиной. Семена образует очень редко, всхожесть семян 10-25% [27].

Все надземные органы мяты перечной содержат эфирное масло: листья до 2,75%, соцветия до 6,0%, стебли до 0,3%. Основными компонентами масла являются ментол (40-70%), ментон (10-25%), пинен, лимонен и эфиры ментола уксусной и валериановой кислот. Масло бесцветное, с желтоватым или зеленоватым оттенком, освежающим приятным вкусом и запахом. В листьях содержатся каротин (40 мг%), гесперидин, бетаин, урсоловая (0,3%) и олеаноловая (0,12%) кислоты; в семенах - до 20% жирного масла [22].

Экстракты из мяты, известные своими успокаивающими, расслабляющими, мочегонными, антисептическими качествами, а также способностью стимулировать расширение коронарных артерий, улучшать микроциркуляцию и стимулировать перистальтику кишечника, находят применение при лечении стенокардии, воспалений желчного пузыря и верхних дыхательных путей. Они способствуют усилению выработки пищеварительных соков, повышению аппетита, а также обладают расслабляющим действием, снижая тонус гладкой мускулатуры кишечника и желчных и мочевыводящих путей. Чистый ментол, входящий в состав различных спиртовых и водных препаратов, используется в комплексном лечении экземы, дерматитов, нейродермитов и крапивницы.

Мяту культивируют на богатых гумусом, лёгких по гранулометрическому составу почвах. В качестве предшествующей и последующей культуры чаще всего выбирают озимую пшеницу. Размножение мяты осуществляют преимущественно через корневища, причём посадка может производиться осенью, весной или летом.

На орошаемых участках после уборки предшествующей культуры проводят лущение стерни на глубину 8-10 см и полив дождеванием нормой 300-350 м³/га. Через 8-10 дней проводят вспашку на глубину 27-30 см одновременно с боронованием. Под вспашку вносят 30т/га перепревшего навоза или минеральное удобрение из расчёта N₈₀P₈₀K₈₀. В момент посадки влажность почвы должна быть не менее 70%. Сажают мяту широкорядно на 70 см. Для посадки используют целые корневища с маточников. Оптимальная длина корневищ - 15-20 см. В зависимости от сорта расход кондиционных корневищ составляет 12-15 ц/га на богаре и 18-24 ц/га на орошаемых участках. Это позволяет обеспечить густоту стояния в первый год вегетации 25-30 шт/м² на богаре и 40-45 шт/м² на орошаемых участках [20].

После появления всходов проводят боронование, желательно во второй половине дня. Затем проводят междурядные культивации и ручные прополки по мере необходимости. Уход за переходящими плантациями состоит в осенней сплошной перепашке плугом без предплужников на глубину 16-18 см, пласты заделывают дисковой бороной и прикатывают тяжёлыми катками. Под вспашку вносят азотно-фосфорные удобрения. В дальнейшем мяту возделывают в луговой культуре.

Убирают мяту в начале цветения, когда на центральных соцветиях не более 50% нераспустившихся цветков. Для лекарственных целей окончательно высушивают и обмолачивают лист. Урожайность сухого листа до 10 ц/га. Для получения эфирного масла мяту перерабатывают целыми подвяленными растениями. На орошаемых участках урожайность эфирных масел может достигать 50-60 кг/га.

Все изучаемые виды растений относятся к эфиромасличным культурам. Агротехника изучаемых видов растений включает в себя классические требования по возделыванию растительных культур [36].

2.2 Условия и методы исследования

Исследования проводились на базе регионального центра выявления и поддержки одарённых детей «Успех» структурного подразделения ОБОУ «Лицей-интернат №1» г. Курска в лаборатории, оснащённой необходимыми установками и оборудованием.

Фитостеллаж для рассады представляет собой многоярусную установку, оснащённую светодиодными фитолампами [5]. В этом фитостеллаже выращивались растения на почвенном субстрате (приложение 4).

Гидропонная установка имеет трёхъярусный стеллаж, оборудованный фитолампами и помпой, подающей питательный раствор из бака на верхний ярус, который затем стекает обратно в бак (рис. 4).

Рис. 4. Гидропонная установка

Попадая в лотки для выращивания, расположенные на всех ярусах, раствор непосредственно контактирует с корнями растений, обеспечивая их минеральное питание. Питательный раствор подаётся непрерывно.

Аэропонная установка представлена единственным ярусом. На нем расположена опорная платформа, в отверстиях которой закреплены растения со свободно свешивающимися в закрытый отсек установки корнями (рис. 5).

Рис. 5. Аэропонная установка

В этом отсеке из распылителей на корни подаётся аэрозоль питательного раствора каждые 20 минут продолжительностью 3 минуты. Установка оснащена фитолампами и помпой.

Все используемые установки оснащены автоматическим таймером, настроенным на 12-часовой световой день [5].

При выращивании растений в гидропонной и аэропонной установках использовались растворы минеральных удобрений GHE FLORA Series (рис. 6).

Рис. 6. Удобрения General Hydroponics FLORA Series

GHE Flora Series - система удобрений, которая состоит из трех компонентов (FloraGrow, FloraMicro и FloraBloom), способных удовлетворить все потребности растения на этапах вегетации, цветения и плодоношения. Необходимо менять пропорции компонентов в гидропонном растворе в соответствии со стадией развития культуры. Например, на этапе роста основную долю питательного коктейля займет FloraGro, тогда как в период образования бутонов и плодов растению потребуется больше FloraBloom. FloraMicro предотвращает недостаток Ca.

Температура питательных растворов в ходе наблюдений поддерживалась на уровне 20-25?, уровень pH растворов - 5,5-6,7, общее содержание солей в растворах - 800 ppm. Для контроля показателей питательного раствора использовались специализированные приборы: pH- метр HM Digital PH-200 и Кондуктометр карманный HI 98301 DiST 1 (TDS) (рис. 7 и рис. 8).

Рис. 7. pH-метр HM Digital PH-200

Рис. 8. Кондуктометр карманный HI 98301 DiST 1 (TDS)

Регуляция уровня pH производилась с помощью PH DOWN и PH UP фирмы E-MODE (рис. 9).

Рис. 9. PH DOWN и PH UP фирмы E-MODE

Входящие в состав органические буферы позволяют более плавно регулировать уровень рН, сглаживая резкие скачки в околонейтральной зоне даже при чрезмерном добавлении препарата. Они стимулируют рост растения за счёт содержащегося в них органического азота. Органические буферы стимулируют метаболизм и синтез АТФ. В состав рН UP входит кремний в легко доступной для растений форме. Кремний укрепляет клеточные стенки растений, что защищает их от насекомых и паразитов, а также дополнительно стабилизирует уровень рН. Сочетаются с любым типом удобрений и стимуляторов.

Наблюдения и измерение показателей проводились в период 09.10.2023 - 09.12.2023 г. Продолжительность опыта составляла 60 суток. Эксперимент по изучению влияния альтернативных методов на рост растений закладывался в трёхкратной повторности с выборкой по 10 растений по каждому варианту опыта. В данной работе за контроль приняты растения, выращиваемые на почвенном субстрате «Грунт для томатов и перцев Фаско». Опытными являются растения, выращенные в условиях гидропоники и аэропоники. Для определения параметров роста и развития растений использовались частные методы морфометрического анализа. Высота побегов измерялась от поверхности субстрата до кончика, возвышающегося над другими листьями листа. Длина корней измерялась от корневой шейки до апекса корня.

Высота побегов измерялась в течение всего периода наблюдений, длина корней, количество и сухая масса листьев, площадь листовой поверхности, интенсивность дыхания и транспирации растений измерялись через 2 месяца после начала наблюдений.

Сухая масса листьев определялась следующим образом: промаркированные и взвешенные бюксы с растительным материалом взвешивались с точностью до 0,001 г, затем помещались в сушильный шкаф при температуре 105⁰C на 30 минут. Высушенные до воздушно-сухой массы листья взвешивались на аналитических весах [34].

Площадь листовой поверхности определялась расчетным способом по формуле:

П = Д Ч Ш Ч К,

где

Д - длина листовой пластинки, см;

Ш - ширина листовой пластинки, см;

К - переводной коэффициент.

Интенсивность транспирации вычислялась по формуле:

где

n - количество испарённой воды за время опыта, г;

s - площадь листа, см²;

t - продолжительность опыта, мин.;

60 - коэффициент перевода минут в часы; 10000 - коэффициент перевода см² в м².

Интенсивность дыхания определялась методом Бойсена-Йенсена, путём учёта количества диоксида углерода, выделяемого листьями в замкнутом сосуде, по формуле:

где

а - результат титрования содержимого контрольной колбы, мл;

б - результат титрования опытной колбы, мл;

К - поправка к титру HCl;

0,55 - количество (мг) СО₂, эквивалентное 1 мл 0,025 НСl;

m -навеска, г;

t - экспозиция, ч. [35].



Глава 3. Оценка эффективности выращивания изучаемых видов растений альтернативными способами

3.1 Анализ анатомо-морфологических показателей растений

Рост растений - необратимое увеличение размеров и массы, которое находится в прямой зависимости от условий окружающей среды и субстрата. Растение растёт в длину и в ширину. Рост в длину происходит благодаря делению клеток образовательной ткани на верхушках корней и побегов. Благодаря росту побегов из верхушечных и боковых почек растение увеличивает свое тело и охватывает новые пространства, что помогает ему лучше улавливать свет и углекислый газ. С помощью роста в длину корень продвигается по почве, место всасывания питательных веществ всё время меняется, что позволяет получать достаточное количество элементов. В этом характерная особенность растений, которые, в отличие от животных, прикреплены к одному и тому же месту. Прорастание семян во всех изучаемых условиях отмечено на пятые сутки проведения исследований.

При измерении длины побегов растений, выращенных на почвенном субстрате, были получены следующие данные (рис. 10).

Рис. 10. Высота растений при выращивании на почвенном субстрате, см

На протяжении 14 суток темпы роста всех изучаемых видов растений существенно не отличались, однако затем динамика роста у растений шалфея возросла, и к концу наблюдений растения достигли 17,1 см высоты. Рост растений мелиссы и мяты имел аналогичную динамику, но в значительной степени отставал от растений шалфея - к концу наблюдений растения мелиссы имели 8,8 см высоты, а мяты - 9,3 см, при этом длина побегов шалфея превышала длину побегов мелиссы на 94,3%, а длину побегов мяты на 83,8%. Похожие данные были получены при измерении побегов растений, выращенных в условиях гидропоники (рис. 11). В течение 10 суток динамика роста побегов всех изучаемых видов не имела существенных различий, но затем темпы роста растений шалфея возросли, и по окончанию наблюдений его побеги достигали в среднем 18,4 см. Динамика роста растений мелиссы и мяты имела сходные значения, на момент последних измерений побеги растений имели высоту в 9,5 см. Длина побегов растений шалфея, таким образом, превышала длину побегов двух других видов растений на 93,6%.

Рис. 11. Высота растений при выращивании гидропонным способом, см

В условиях аэропоники растения шалфея также отличались повышенной динамикой роста (рис. 12).



Рис. 12. Высота растений при выращивании аэропонным способом, см

Все виды растений имели одинаковые темпы роста в течение 10 суток, затем особи шалфея демонстрировали повышение интенсивности роста и к концу наблюдений достигли высоты 22,1 см. К этому времени растения мелиссы и мяты имели высоту 10,2 см и 8,5 см соответственно. Длина стеблей шалфея превышала длину стеблей мелиссы в 2,23 раза, а длину стеблей мяты в 2,62 раза.

Длина побегов растений шалфея лекарственного в условиях аэропонной установки превышала длину побегов растений, выращенных на почвенном субстрате, в 1,29 раза. Длина побегов растений мелиссы лекарственной в условиях аэропонной установки превышала значения длины побегов растений, выращенных на почвенном субстрате, в 1,16 раза, что означает отсутствие существенных различий между изучаемыми методами у данных видов растений. Длина побегов мяты перечной в условиях гидропонной установки была максимальной и превышала минимальные значения, полученные в условиях аэропонной установки, в 1,11 раза.

Полученные данные свидетельствуют о том, что разница роста побегов изучаемых видов растений при выращивании на почвенном субстрате, в условиях гидропоники и аэропоники имела незначительные отличия по динамике в пределах 10-14 суток наблюдений. Затем динамика роста растений увеличивалась, и в конце наблюдений размеры побегов растений шалфея превышали размеры стеблей мелиссы и мяты в среднем в 2-2,5 раза.

Критерий Стьюдента сравнения средних показателей длины побегов растений шалфея лекарственного в условиях аэропоники сравнительно с условиями почвенного субстрата равен 2,07, что больше стандартных показателей на уровне доверительной вероятности p_0,95, что доказывает достоверность различий между вариантами опыта.

Измерение длины корней изучаемых видов растений позволило изучить особенности ризогенеза в исследуемых вариантах в зависимости от метода выращивания (рис. 13).

Рис. 13. Длина корней изучаемых видов растений, см

В условиях почвенного субстрата длина корней растений шалфея достигала 8 см, мелиссы - 5 см, мяты - 6 см. В условиях гидропонной установки корни шалфея имели длину в 11 см, корни мелиссы - в 6 см, а корни мяты - 8 см. В условиях аэропонной установки длина корней особей шалфея достигала 16 см, мелиссы - 9 см, мяты - 10 см.

При сравнении длины корней растений шалфея в условиях гидропонной и аэропонной установок, а также выращенных на почвенном субстрате, наблюдались следующие особенности, отраженные на рисунке 13: разница в длине корней между особями, выращенными в почвенном субстрате и условиях гидропоники и между ними и условиями аэропоники составила 1,42 раза. При этом корни растений из аэропонной установки превышали длину корней из почвенного субстрата в 2,0 раза.

Длина корней растений мелиссы при сравнении условий гидропоники и почвенного субстрата отличалась в 1,21 раза, при сравнении аэропоники и гидропоники - в 1,50 раза. При этом корни растений из аэропонной установки превышали длину корней из почвенного субстрата в 1,84 раза.

Разница длины корней особей мяты между почвенной культурой, гидропонной и аэропонной установками составила 1,32 раза. При этом корни растений из аэропонной установки превышали длину корней из почвенного субстрата в 1,66 раза.

Критерий Стьюдента сравнения средних показателей длины коней растений шалфея лекарственного в условиях аэропоники сравнительно с условиями почвенного субстрата равен 3,12. Это больше стандартных показателей на уровне доверительной вероятности p_0,95, что доказывает достоверность различий между вариантами опыта.

Таким образом, в условиях почвенного субстрата для растений шалфея лекарственного и мелиссы лекарственной отмечены наименьшие значения показателя длины побегов. Показатель длины корней в данных условиях был наименьшим для всех изучаемых видов растений.

Условия гидропонной установки характеризовались промежуточными значениями показателей длины побегов и корней между условиями аэропонной установки и почвенным субстратом у всех изучаемых видов растений, лишь растения мяты перечной имели максимальную высоту побегов в данных условиях.

Условия аэропонной установки характеризовались наибольшими значениями показателей длины побегов для растений шалфея лекарственного и мелиссы лекарственной. Длина побегов этих растений в условиях аэропонной установки превышала длину побегов растений в условиях почвенного субстрата в 1,22 раза, что, однако, не является существенной разницей. Длина корней всех видов растений, выращенных в условиях аэропонной установки, превышала длину корней особей, выращенных на почвенном субстрате, в среднем в 1,82 раза.

Полученные данные демонстрируют слабый отклик изучаемых видов растений на динамику роста побегов вне зависимости от выбранного метода выращивания. При этом все виды растений наиболее толерантны к аэропонному методу выращивания, это подтверждается динамикой ризогенеза. Длина корней особей была максимальной в этих условиях. Такая динамика обусловлена доступностью питательных элементов в готовых жидких растворах удобрений и хорошей аэрацией корневой зоны.

3.2 Сравнительная характеристика фотосинтетической поверхности растений

Протекание процесса фотосинтеза связано с развитием ассимиляционной поверхности растения. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород как побочный продукт фотосинтеза. Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, -- преимущественно в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. В результате фотосинтеза происходит накопление сухого вещества. Разное количество сухого вещества в схожих по площади и массе листьях позволяет доказать различие интенсивности фотосинтеза.

Количество листьев на изучаемых видах растений различалось в зависимости от условий культивирования (рис. 14).



Рис. 14. Количество листьев изучаемых видов растений, шт.

Выращенные на почвенном субстрате растения шалфея в среднем имели 16 листьев, растения мелиссы 8 листьев, у растений мяты было 14 листьев. Растения шалфея, выращенные в условиях гидропоники, имели 17 листьев, растения мелиссы - 10, растения мяты - 14. Растения шалфея, выращенные в аэропонной установке, имели 21 лист, у растений мелиссы было 10 листьев, у растений мяты отмечено 12 листьев.

Особи шалфея, выращенные в почвенном субстрате и в условиях гидропонной установки, имели незначительные отличия по количеству листьев. Разница в количестве листьев между крайними показателями растений шалфея составила 1,31 раза.

Число листьев растений мелиссы в гидропонных и аэропонных условиях совпадало и превышало количество листьев, полученных с растений в условиях почвенного субстрата, в 1,25 раза.

Количество листьев растений мяты при содержании в почвенном субстрате и гидропонной установке было аналогичным и превышало показатель растений, выращенных в условиях аэропоники, в 1,16 раза.

Таким образом, разница между условиями почвенного субстрата и аэропонной установки у всех видов растений в среднем составила 1,24 раза.

Площадь поверхности листьев растений коррелирует с количеством листьев на них (рис. 15).

Рис. 15. Площадь поверхности листьев изучаемых видов растений, см²

У растений шалфея, выращенных на почвенном субстрате, площадь поверхности листьев составила 2,9 см², у растений мелиссы - 5,4 см², у растений мяты - 0,7 см².

Растения шалфея в гидропонных условиях имели показатель площади поверхности листьев в значении 3,9 см², мелисса - 5,5 см², мята - 0,7 см².

В аэропонных условиях растения шалфея имели показатель площади поверхности листьев в значении 4 см², растения мелиссы - 5,75 см², растения мяты - 0,65 см².

Растения шалфея демонстрировали наибольшее увеличение площади поверхности листьев в сравнении со способами выращивания: разница между условиями почвенного субстрата и аэропонной установки составила 1,43 раза. Растения мелиссы и мяты, напротив, практически не имели различий этого показателя в сравнении со способами выращивания.

Критерий Стьюдента сравнения средних показателей числа листьев растений шалфея в условиях аэропоники сравнительно с условиями почвенного субстрата равен 4,94, что больше стандартных показателей на уровне доверительной вероятности p_0,95, что доказывает достоверность различий между вариантами опыта.

Сухая масса листьев изучаемых растений возрастала в зависимости от способа выращивания (рис. 16).

Рис. 16. Сухая масса листьев изучаемых видов растений, г

Сухая масса листьев растений шалфея на почвенном субстрате имела значение 0,04 г, растений мяты - 0,03 г, а листья растений мелиссы достигали значения 0,16 г. В условиях гидропонного выращивания растения шалфея имели сухую массу листьев 0,07 г, показатель растений мяты остался без изменений, сухая масса листьев растений мелиссы возросла до 0,17 г. В аэропонной установке сухая масса листьев растений шалфея возросла до 0,09 г, растений мяты осталась практически неизменной - 0,03 г, растений мелиссы - 0,21 г.

Значения сухой массы листьев растений шалфея, выращенных на почвенном субстрате, снижены в 2,31 раза по сравнению с растениями, выращенными в условиях аэропонной установки. Растения мелиссы демонстрируют увеличение показателя в 1,56 раза между конечными показателями.

Таким образом, следует, что в условиях почвенного субстрата показатель сухой массы листьев у всех изучаемых видов растений имеет наименьшее значение. Существенная разница отмечена для растений шалфея лекарственного и мелиссы лекарственной, тогда как изменение накопления сухой массы растениями мяты перечной не имело значительных колебаний и было представлено в диапазоне 0,026-0,037 г. Условия почвенного субстрата характеризовались различными значениями показателя количества листьев у растений, общие закономерности отсутствовали. Минимальное количество листьев в данных условиях отмечено для растений шалфея лекарственного и мелиссы лекарственной, равное 16 шт. и 8 шт. соответственно. Максимальное количество листьев при выращивании в почвенном субстрате отмечено для растений мяты перечной (14 шт.). Это значение также совпадало с таковым у растений, выращенных в условиях гидропонной установки. Тем не менее существенных различий по данному показателю у всех видов растений выявлено не было.

Показатель площади листовой поверхности в условиях почвенного субстрата был наименьшим для растений шалфея лекарственного и мелиссы лекарственной, при этом, в первом случае, разница между крайними показателями не превышала 1,5 раза. Для растений мелиссы лекарственной и мяты перечной данный показатель не имел существенных различий во всех изучаемых методах, разница составила 1,06 раза.

Условия гидропонной установки характеризовались промежуточными значениями показателя сухой массы листьев изучаемых растений.

Существенные различия наблюдались только у растений шалфея лекарственного и мелиссы лекарственной и составили 1,93 раза между условиями почвенного субстрата и аэропонной установки. Сухая масса листьев мяты перечной существенно не изменялась при выборе метода выращивания. Накопление сухого вещества согласуется с лучшим усвоением питательных элементов в жидких растворах, у растений мяты не замечена значительная динамика по этому показателю, по-видимому, ввиду других лимитирующих факторов.

Показатель количества листьев в условиях аэропонной установки был наибольшим для растений шалфея лекарственного, количество листьев мелиссы лекарственной существенно не менялось во всех изучаемых условиях. У растений мяты перечной отмечено незначительное уменьшение количества листьев в условиях аэропоники по сравнению с другими методами выращивания. Изменение количества листьев у растений напрямую зависело от динамики роста, которая была наибольшей у растений шалфея.

Показатель площади листовой поверхности в условиях аэропонной установки был максимальным для растений шалфея лекарственного и мелиссы лекарственной, но наибольшая разница была отмечена для растений шалфея и превышала показатель, полученный в почвенных условиях, в 1,43 раза.

Исходя из полученных данных, наибольшая сухая масса и площадь поверхности листьев наблюдалась у растений мелиссы лекарственной во всех изучаемых условиях, что отчасти вызвано большой площадью листовой поверхности. Изменение методики выращивания в этом случае не приводило к значительному изменению этого показателя. Это объясняется тем, что данное растение является мезофитом. У шалфея лекарственного наименьшая площадь поверхности листьев отмечена для растений, выращенных на почвенном субстрате, а особи из двух других методов культивирования не имели значительных отличий между собой. Поскольку данный вид может произрастать в засушливых условиях, наблюдалось проявление его ксерофитности. Растения мяты перечной имели постоянную площадь листовой поверхности во всех изучаемых условиях, что объясняется, как и у мелиссы, отношением к влаге.

Растения шалфея лекарственного демонстрировали наибольший отклик в условиях аэропонной установки по показателю сухой массы листьев. Все изучаемые методы выращивания для других видов растений не принесли существенных различий по изучаемым показателям.



3.2 Особенности физиологических процессов растений

Транспирация - процесс движения воды испарение воды с поверхности листьев. Более интенсивные темпы роста растений имеют тесную связь и со скоростью протекания процесса транспирации. Транспирация, как и испарение, диффузионный процесс и определяется градиентом водного потенциала в системе растение-воздух. Поэтому все факторы, влияющие на этот градиент, влияют и на общую (устьичную и кутикулярную) транспирацию в той же мере, в какой и на процесс испарения воды. Транспирация как физический процесс зависит от дефицита насыщения воздуха водяными парами, температуры, освещенности, ветра (движения воздуха), а также величины и формы испаряющей поверхности, определяемой особенностями строения растения.

Дыхание - физиологический процесс, форма катаболизма, позволяющая синтезировать большое количество АТФ. Этот процесс затрагивает все клетки, а не только зеленые, и происходит непрерывно. В дневное время она наиболее интенсивно осуществляется через наиболее молодые части растения. Так в них оказывается большая часть необходимого кислорода. Часть органических веществ расходуется. После наступления темноты, за редким исключением, устьица закрываются. При дыхании задействован кислород, выделившийся в ходе фотосинтеза и скопившийся в межклетниках. По последним кислород «протекает» в клетки. Происходит распад сложных органических веществ. В атмосферу выводится углекислый газ.

Показатель интенсивности транспирации изучаемых видов растений отличался различной динамикой (рис. 17).

У растений шалфея наибольшая интенсивность транспирации наблюдалась на почвенном субстрате и равнялась 129,37 г/м²ч, что приблизительно в 1,3 раза выше, чем в условиях гидропоники и аэропоники.



Рис. 17. Интенсивность транспирации изучаемых видов растений, г/м²ч.

Наибольшая интенсивность транспирации растений мелиссы отмечена в аэропонной установке - 59,13 г/м²ч, в гидропонной установке этот показатель был незначительно снижен, а выращенные на почвенном субстрате растения имели снижение интенсивности транспирации по сравнению с аэропоникой в 1,54 раза. Растения мяты отличались наибольшей интенсивностью транспирации среди всех изучаемых видов, наибольший показатель был отмечен для аэропонной установки в значении 169,23 г/м²ч, превышая показатель, полученный на почвенном субстрате (114,28 г/м²ч), в 1,56 раза. Таким образом, прослеживается тенденция к изменению интенсивности транспирации с удалением от корней раствора веществ, в среднем в 1,4 раза в прямую и обратную стороны.

Интенсивность дыхания изучаемых видов растений оставалась практически неизменной во всех наблюдениях.



Интенсивность дыхания растений шалфея в изучаемых условиях колебалась в пределах 0,59-0,63 мг/г/ч, растений мелиссы - 0,68-0,71 мг/г/ч, растений мяты - 0,42-0,43 мг/г/ч, то есть существенные различия отсутствуют. Таком образом, в почвенных условиях максимальная интенсивность транспирации среди всех была отмечена для растений шалфея лекарственного. Исходя из полученных значений, эта разница считается существенной. Обратная картина наблюдалась у растений мелиссы лекарственной и мяты перечной, у которых этот показатель в данных условиях был минимальным.

Условия гидропонной установки характеризовались наименьшими значениями показателя интенсивности транспирации для растений шалфея лекарственного. Растения мелиссы лекарственной и мяты перечной демонстрировали промежуточные значения этого показателя.

В условиях аэропонной установки отмечены промежуточные значения интенсивности транспирации для растений шалфея лекарственного между условиями почвенного субстрата и гидропонной установки. Максимальные значения этого показателя, характеризующие существенную разницу, были отмечены для растений мелиссы лекарственной и мяты перечной.

Условия почвенного субстрата, гидропонной и аэропонной установок практически не влияли на изменение интенсивности дыхания у всех изучаемых видов растений, что объясняется активностью метаболизма. Наибольшая интенсивность дыхания отмечена для особей мелиссы лекарственной, а наименьшая - для мяты перечной. Испарение воды растениями также согласуется с их экологическими предпочтениями по отношению к воде.



Заключение

В условиях средней полосы Российской Федерации существует необходимость использования малообъёмных гидропонных систем с целью увеличения производства растений, повышения их урожайности, улучшения качества продукции и снижения затрат труда. Такие современные и высокоинтенсивные методики, как гидропоника и аэропоника, вытесняют традиционные методы возделывания различных культур. Благодаря малым габаритам и независимости от погодных условий данные методики позволяют выращивать растения на непригодных для земледелия участках.

Вместе с этим остро ощущается необходимость получения качественного лекарственного сырья. Изученные альтернативные способы выращивания лекарственных растений демонстрируют положительные результаты.

Самая низкая динамика роста лекарственных растений была отмечена на почвенном субстрате. Показатели длины побегов и корней, сухой массы листьев, количества листьев, площади листовой поверхности, интенсивности дыхания всех изученных видов растений, согласно литературным данным, уступают показателям растений, выращенных в открытом грунте. Самые высокие показатели интенсивности транспирации при выращивании на почвенном субстрате отмечены для растений шалфея лекарственного, однако у других видов растений наблюдалась обратная картина.

В условиях гидропонной установки для показателей динамики роста побегов и корней, сухой массы листьев, интенсивности транспирации характерны промежуточные значения для всех изученных видов растений. При этом количество листьев растений мелиссы лекарственной в условиях гидропоники было аналогичным по сравнению с растениями в условиях аэропоники, а у растений мяты перечной данный показатель превышал показатель растений, выращенных в условиях аэропоники. Растения мяты перечной в условиях гидропоники демонстрировали наивысший показатель интенсивности дыхания.

В условиях аэропонной установки отмечены наибольшие показатели динамики роста побегов и корней, сухой массы листьев, площади поверхности листьев у всех изучаемых видов лекарственных растений. По показателю количества листьев растения мелиссы лекарственной имели равные значения в сравнении с условиями гидропоники, а растения мяты перечной в условиях аэропоники имели незначительное снижение значений этого показателя. Растения мелиссы лекарственной и мяты перечной в данных условиях имели наивысшие показатели интенсивности транспирации. Значения показателей интенсивности дыхания в условиях аэропоники были наибольшими у растений шалфея лекарственного и мелиссы лекарственной, у растений мяты перечной отмечено незначительное снижение по этому показателю.

На основании проведенных исследований можно сделать следующее заключение: полученные данные дают основания считать выращивание растений в условиях аэропонной установки наиболее перспективным методом.

Размещено на Allbest.ru

...