GOUVRI.RU GOUVRI.RU GOUVRI.RU GOUVRI.RU GOUVRI.RU GOUVRI.RU GOUVRI.RU
УДК - 581.132.035.084.1 Статья для доклада на конференции "Экология и сельскохозяйственная техника"

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ, ЭКОЛОГИИ И УРОЖАЙНОСТИ В ИНТЕНСИВНОЙ СВЕТОКУЛЬТУРЕ РАСТЕНИЙ.

Ильин О.В., Ильина Т.О., Семячкина Е.О. ГНУ ВИЭСХ, НИ НПЦ "Олимп", Москва, Россия.

Растения обладают огромным потенциалом продуктивности, который не может быть реализован полностью в условиях сельскохозяйственного производства открытого или защищённого грунтов. Реализация этого потенциала зависит от множества факторов жизнедеятельности растений, изучением которых занимаются учёные мирового аграрного сектора. Однако, даже определив необходимые условия выращивания растений, их порой просто невозможно реализовать на практике или они реализуются с огромными затратами, не окупаемыми приростом урожая.

В сфере сельскохозяйственного производства вегетационные сооружения защищённого грунта являются наиболее значительными потребителями тепловой и электроэнергии, ибо они имеют ярко выраженную зависимость от климатических и хозяйственных условий. Высокое энергопотребление тепличных комбинатов, к сожалению, сопровождается их низким КПД, что напрямую связано с урожайностью и низкой экономичностью и экологией производимой продукции. Последние, в свою очередь, кроме агротехнических причин, полностью зависят от наличия солнечной или пасмурной погоды.

Свет является одним из главнейших условий полноценного развития растений. Человек не имеет возможности в должной мере управлять солнечным светом и здесь ему на помощь пришло искусственное освещение. Искусственное освещение - это не только физический заменитель солнечного света, это совершенно новый фактор физиологического воздействия на растения. Фактор, помогающий открыть глубоко спрятанные в генетическом механизме растения его потенциальные возможности роста, развития и продуктивности. Сочетание этого фактора во всём его многообразии с прочими условиями выращивания растений и составляет основу интенсивной светокультуры (ИС).

ИС является третьим направлением сельскохозяйственной деятельности человека после открытого и защищённого грунтов. В ИС условия выращивания имеют главенствующее положение, но здесь они реализуются без какого-либо влияния неблагоприятных климатических или экологических факторов внешней среды, требуя лишь закрытых помещений, каковыми служат шахты, пещеры, ангары, бараки, брошенные жилые или производственные помещения, подвалы, запасные и защитные тоннели метро и т.д.

Поскольку реализация ИС происходит полностью в теплоизолированных помещениях, исключаются потери тепловой энергии во внешнюю среду, как это происходит в защищённом грунте. Таким образом, ИС не является фактором потепления мирового климата и уже поэтому перспективна.

ИС - безотходное производство, которое не только даёт диетическую продукцию, но и не загрязняет окружающую среду. Потребляемая энергия - электричество, применение угля, бензина, дизтоплива, масел и т.д. исключено, а их отсутствие не сорвёт проведение посевной или уборочной кампании.

Искусственное освещение в ИС по глубине физиологического воздействия на растения принципиально отличается от досвечивания растений в защищённом грунте. Это совершенно самостоятельный фактор развития растений, обуславливающий все актиноритмические закономерности их физиологии, весь онтогенез - их ростовые процессы, развитие, анатомическую структуру и внешний облик, формирование и величину урожая, его качество, передачу наследственных признаков потомству.

Оптимальные сочетания качества и интенсивности освещения с актиноритмическими условиями выращивания являются теми главенствующими факторами, которые в условиях ИС позволяют полностью сбалансировать рост и развитие растений в фитоценозе, выявить их потенциальную продуктивность и реализовать её на практике. Продуктивность фитоценозов в ИС существенно превосходит таковую в тепличных комбинатах и позволяет говорить о новой эре в развитии растениеводства.

Разработанные для ИС гидропонно-осветительные установки для выращивания растений - ГОУВРИ и агротехнологии выращивания на них многих сельскохозяйственных культур в условиях ИС показывают высокую экономическую эффективность, позволили на порядок снизить удельную материало и энергоёмкость ИС, добиться стабильности в постоянной эксплуатации. Модули ГОУВРИ блокируются в производственные линии любой полезной площади.

Расходы электроэнергии на создание качественного (!) освещения необходимой интенсивности - 120 вт/м2 ФАР, сведены к минимуму - 0,25 - 0,4 квт.час/м2, что значительно ниже энергопотребления сооружений защищённого грунта. Применяемые в ИС источники света - натриевые лампы высокого давления типа ДНаТ - экологически чистые, не содержат солей ртути и не дают жёсткого ультрафиолетового излучения, как лампы ДРЛ или ДРЛФ, применяемые до сих пор в сооружениях защищённого грунта для досвечивания растений. Их выход из строя не опасен для обслуживающего персонала и не нарушает экологию среды при утилизации, а срок службы более 20 тысяч часов.

Разработанные нами для этих ламп отражатели позволяют облучать растения бестеневым, диффузным, объёмным, частично поляризованным светом, с преобразованным в соответствии с потребностями растений спектральным составом и в оптимальных световых потоках, необходимых той или другой группе растений в их агрофитоценозе на ИС. Эти отражатели безопасны в эксплуатации и одновременно их конструкция равномерно распределяет тепло ламп для обогрева производственных помещений, что позволяет на порядки снизить энергозатраты на обогрев их зимой, а также на вентиляцию и охлаждение в летнее время, по сравнению с защищённым грунтом.

Процессы ухода в ИС предельно просты и автоматизированы, не требуют замены почвогрунтов, трудоёмкой подготовки дорогих почвосмесей, их пропаривания, обеззараживания и т.д., что значительно снижает трудозатраты по сравнению с тепличным производством. Для приготовления питательных растворов применяются те же удобрения, допускаемые ГОСТами для применения в сельскохозяйственном производстве.

Вентиляция в помещениях с ИС требуется минимальная, поддерживающая лёгкое перемещение потоков воздуха относительно листовой поверхности растений. Это способствует стабильности температурного режима на различных уровнях растений, а главное, позволяет полностью обеспечить растения необходимым количеством СО2 без увеличения его концентрации в воздухе. Практика ИС показала, что искусственное обогащение воздуха СО2 в производственных помещениях с ИС не только энергозатратно и неэффективно, но и вредно для обслуживающего персонала. Лёгкая вентиляция при естественном составе воздуха требует не более 15 ватт/час на квадратный метр эксплуатируемых установок, но позволяет растениям осуществлять нужную им эффективность поглощения СО2 из постоянно обновляемых в прилистовой поверхности порций воздуха, что оказалось более эффективным, чем искусственные подкормки СО2, применяемые в защищённом грунте.

Применение современных материалов для изготовления установок ГОУВРИ снизило трудозатраты в их эксплуатации. Ранее для изготовления бака-растильни и бака для питательного раствора применялась оцинкованная сталь, покрашенная изнутри битумным лаком. При их эксплуатации приходилось ежегодно освобождать их от субстрата, заново красить, засыпать субстрат обратно. Теперь применение пищевой нержавеющей стали для этих целей позволило освободить производственный процесс от этих операций, субстрат - дроблёный керамзит определённых фракций - фактически несменяем, его регенерация занимает всего несколько ночных часов, а процесс выращивания растений может длиться годами. Отказ от использования битумных красителей улучшил экологичность производства, упростил и удешевил эксплуатацию установок.

Многочисленные анализы состава и состояния питательного раствора в процессе вегетации растений позволили сделать вывод о более рациональной замене его по мере расходования питательных элементов на новый, не прибегая к приборному контролю содержания отдельных ионов и восстановлению их концентрации в рабочем растворе, как это принято делать в тепличных комбинатах. Это дало возможность отказаться от дорогостоящего оборудования растворных узлов, снизить уровень заболевания растений и отказаться от применения пестицидов, а значит избежать наличия их остаточных количеств в продукции, гарантированно подняв этим её экологическую чистоту.

ИС позволяет широко автоматизировать основные производственные процессы - включение и выключение света при заданном актиноритме, длительность и периодичность подачи питательного раствора, поддержание его уровня и заданной температуры, параметров микроклимата в помещении с ИС и других. Отказ от применения различных таймеров и переход на компьютерные технологии управления позволил расширить и упростить возможности автоматизации производственных процессов, практически одновременно контролировать множество исполнительных механизмов регулирования процесса выращивания растений.

Аналоговое моделирование агроэкосистем или агроприёмов защищённого грунта в ИС приводит к грубым ошибкам при регулировании физических параметров выращивания различных растений. Только целенаправленное изучение каждого вида культивируемых растений может дать результат при определении физических факторов управления средой обитания растений при разработке той или иной агротехнологии выращивания, а это долгий и сложный путь экспериментирования, ибо надо не просто вырастить растение, а добиться получения наивысшей его продуктивности при наименьших затратах труда, средств и энергии. При нарушениях каких-либо параметров среды обитания растения перестают благоприятно развираться, падает их продуктивность, растёт уровень заболеваемости, ухудшается их биохимический состав, всё большие площади требуются для получения необходимого количества продукции и растут затраты на её получение. В ИС среда обитания растений стабилизирована и их продуктивность зависит только от условий, создаваемых самим человеком.

Для ИС нами разработана серия энергосберегающих безотходных наукоёмких агротехнологий, позволяющих круглогодично получать рекордно высокие урожаи экологически чистой диетической продукции, при этом учтены биологические требования растений и их фитоценозов, подобраны оптимальные условия их выращивания, позволяющие реализовать скороспелость, урожайность, получение отличного потомства овощных, декоративных, лекарственных и т.д. культур. Эти технологии показали свою значительную, на порядки большую, урожайность и экономию энергоресурсов по сравнению с открытым и, тем более, защищённым грунтом.

Урожайность карликового сорта томатов "Танюшка", выведенного Ильиной Т.О. в 1994-1995 г.г. специально для условий ИС, составляет 18-20 кг/м2 при периоде вегетации всего 47 дней, или за год 8 урожаев дают 150-160 кг спелых плодов с одного квадратного метра при энергопотреблении всего 14-16 квт.ч/кг. Биохимический состав плодов томатов с установки ИС по сравнению с продукцией из грунтовой стеклянной теплицы, по данным лаборатории биохимии ВИРа, превышал её по сухому веществу в 2-2,4 раза, по содержанию витамина С в 2-2,2 раза, сахаров в 3-3,2 раза, а кислотность была ниже в 1,5-2,1 раза. Такие томаты становятся диетическими и пригодны в пищу детям и пожилым людям.

Огурцы сорта "Подлунный", выведенного Ильиным О.В. в 2003 году, могут плодоносить более года при годовой урожайности более 150 кг/м2 при полном отсутствии отходов по экологическим показателям и расходе электроэнергии в тех же пределах. Зеленные овощные культуры при ежедекадной срезке, а также салаты при разовой уборке, дают урожай от 6 до 10 кг/м2 диетической продукции с повышенным содержанием эфирных масел (укроп, базилик, петрушка, кинза, сельдерей и т.д.). Расход электроэнергии при этом составляет 18-20 квт.ч/кг.

Выгонка зеленого лука всегда была нерентабельна для тепличных комбинатов, находилась на дотации государства. В ИС производство зеленого лука из дотационной стало самой рентабельной технологией. При расходе выборка 16-20 кг/м2 выход зеленого лука за 15 дней составляет более 22 кг/м2 при товарности 98%, расход электроэнергии всего 0,2 квт.ч/кг, а окупаемость всех затрат менее месяца. Такая эффективность стала возможной благодаря точному подбору основных параметров технологии биологическим требованиям лука. При этом содержание нитратов в таком луке менее 0,5 ПДК, а по остальным показателям он диетический.

Весьма эффективно выращивание на ИС рассады различных культур. Растения, выросшие из рассады, полученной на ИС, отличаются более дружной, ранней и повышенной урожайностью Рассада томатов любых сортов на ИС успевает заложить первую цветочную кисть уже к концу второй недели от всходов, весной это гарантирует пересадку растений в открытом грунте взамен погибших от заморозков при увеличении их урожайности. На получение такой рассады требуется всего 0,2 квт.ч/шт электроэнергии, что на порядок меньше затрат в защищённом грунте. Кроме того, применение такой рассады в тепличных комбинатах позволяет получать продукцию томатов, а также перцев, баклажан, огурцов на месяц и более раньше.

Отработаны технологии получения качественного посадочного материала (рассады, сеянцев, саженцев) свёклы, капуст, других овощных культур, амаранта, однолетних и декоративных культур, сеянцев плодовых и ягодных культур и др. Достоверно установлено, что у растений амаранта и других масличных культур, выросших их рассады со светоустановок, увеличивается содержание и качество масла в семенах.

Выращивание амаранта пищевого через рассаду, выгоняемую на установках ГОУВРИ, позволяет высаживать его в сроки посева семенами, при этом она высотой 16-20 см и не забивается сорняками. Благодаря такому удлинению своего периода вегетации амарант успевает дать мощные метёлки с полностью вызревшим зерном, причём у отдельных растений вес его может достигать 600-800 г. при повышенной масличности.

Установки ГОУВРИ эффективны для укоренения и подращивания любого посадочного материала, полученного путём меристемного размножения в биотехнологических лабораториях. В производственных условиях фермерского хозяйства Подмосковья при зимнем укоренении меристемных растений 18 сортов сирени приживаемость их составила 126% (!), а при двухмесячном их подращивании высота растений достигла 35-45 см, некоторые сорта начали куститься. Высаженные ранней весной на гряды в питомник они полностью прижились и осенью этого же года были реализованы для озеленения, вместо 3-4 лет при обычном выращивании без ИС. Аналогично вели себя полученные в условиях микроклонального размножения растения рододендронов (испытывалось 5 сортов).

При переводе животноводства на промышленную основу, когда требуется получение больших количеств витаминного зеленого корма, применение методов ИС позволяет получать его на 2-3 дня раньше при затратах электроэнергии всего 0,2 квт.ч/кг зеленого фуража, причём со значительно лучшими биохимическими показателями, что важно для получения больших привесов у животных.

Технология круглогодового выращивания стевии (растение-сахарозаменитель для лечения диабета) позволяет ежемесячно получать около 4 кг/м2 зеленой массы с содержанием лечебных дитерпеновых гликозидов около 19%, или 12 раз в год, что по данным ВНИИСС им. Мазлумова (г. Рамонь Воронежской обл.) более чем в 650 раз превышает их годовое производство на Воронежских черноземах.

Технологии выращивания декоративных культур позволяют получать за год до 2500 цветков на срезку гвоздик, астр, левкоев, львиного зева, гладиолусов и других цветов, что более чем на порядок превышает возможности тепличных хозяйств, причём выход цветков класса "экстра" до 90-95%, а их срезка круглогодична.

Особенности сезонного спроса продукции сельского хозяйства заставили отработать технологическую линию по урожайному конвейеру на ИС. Если зимой спрос и цены постоянно высоки, то уже с весны, при начале поступления продукции из теплиц и, тем более, из открытого грунта, спрос и цены меняются. Падают цены на томаты, огурцы, перцы - увеличивается их поступление из теплиц и южных регионов. Зато резко возрастает спрос на рассаду, черенки, саженцы. Спрос на усы земляники не ослабевает всё лето, а рентабельность производства зеленных культур на ИС в летнее время падает.

Семенное размножение растений зависит от сроков выхода того или иного посадочного материала, его надо произвести к сроку высадки, причём к оптимальному сроку, так как сеянцы должны пройти период акклиматизации. Переключение установок ГОУВРИ в цеху ИС в конце зимы на выращивание рассады перцев и баклажан весьма выгодно, так как рано высаженная даже в плёночные теплицы уже цветущая рассада позволяет иметь массовую продукцию перцев и баклажан уже в июне месяце, когда цена на неё достаточно высока.

При резких колебаниях температуры в открытом грунте, заморозках, градобоях, когда у растениеводов высаженные посадки гибнут, производство рассады за весну может быть повторено 4-5 раз и дать весьма весомую прибыль производителю. Следующим оборотом на установках ИС может быть производство рассады земляники - 500-600 шт/м2 за месяц - причём при падении спроса на неё в конце лета, они могут быть приостановлены для получения ягод в зимний период, что также рентабельно.

Производство стевии или цветов также может быть направлено на разные цели в зависимости от спроса и сезонности - это может быть как сама продукция, так и посадочный материал.

Значительно сокращаются сроки при проведении на ИС селекционной работы по созданию новых сортов и гибридов растений. Это обусловлено возможностью круглогодичного выращивания растений, моделирования любых условий выращивания, применения различных методов - семенных, микроклональных, прививочных и др. - размножения растений, быстрой фиксации ожидаемых результатов.

Заслуживает особого внимания экологическая чистота растений, выращиваемых в условиях ИС. Климатические условия России таковы, что значительную часть светлого времени солнце закрыто облаками. В это время нормальный ход фотосинтеза нарушен, растения накапливают нитриты и нитраты в качестве запасных питательных веществ и только при появлении солнечного света они начинают перерабатываться и их содержание падает. При выращивании продукции в почвенных условиях открытого и защищённого грунтов постоянное воздействие почвенно-поглощающего комплекса с идущими в нём процессами нитрификации делает практически невозможным регулирование уровня нитритов и нитратов без снижения урожайности, никакие технологические уловки не могут полностью избавить растительную продукцию от них при недостатке солнечного света. Применяемое для этого в теплицах досвечивание энергозатратно и малоэффективно.

В ИС пасмурной погоды нет, при нейтральности субстрата и отсутствии органических составляющих в питательном растворе действие почвенно-поглощающего комплекса ничтожно. Катионы и анионы, поступающие в растения из питательного раствора, идут на формирование урожая, ничего не откладывается "в запас". Установленные в технологиях выращивания параметры актиноритмов и величины облучённости растений обеспечивают увеличение урожаев растений с показателями уровня нитритов и нитратов значительно ниже ПДК. Контроль качества применяемой воды и чистоты химических препаратов для приготовления питательных растворов гарантируют в ИС отсутствие в растительной продукции солей тяжёлых металлов и радионуклидов, остаточных количеств пестицидов и растительных аллергенов.

Дефицит различных микроэлементов в питании человека всегда стоял весьма остро. Их недостаток или избыток в пище приводит к различным нарушениям здоровья - микроэлементозам. Возможность широкого регулирования метаболизма растений в ИС позволяет управлять преимущественным накоплением тех или иных составляющих вторичного синтеза, давая возможность направленного и значительного увеличения в определённых растениях органических форм соединений микроэлементов, например йода - для лечения заболеваний эндокринной системы, вызванных йоддефицитом, органических форм двухвалентного железа - для лечения заболеваний крови, анемии, необходимого содержания органических форм различных других микроэлементов (цинка, селена, кадмия, др.), превращая их в высоко эффективные экологически чистые лекарственные формы натурального растительного происхождения, а сами растения - в лечебную продукцию.

Всё это обусловило высокую экономическую эффективность ИС, гораздо более высокую, чем тепличное производство. Поэтому именно производственная ИС обладает неограниченным фактором обеспечения продовольственной и экологической безопасности регионов, стабильности и перспективности для человеческого выживания и прогресса, чего так не хватает имеющемуся сельскохозяйственному производству открытого или защищённого грунтов.

Литература:
1. Ильин О.В., Ильина Т.О. Выращивание растений на гидропонных осветительных установках. Ж."Техника и оборудование для села". №2, 1998.
2. Ильин О.В., Ильина Т.О., Панов С.А., Самодурова А.Н., Коваленко Д.Е. Экосистемы третьего тысячелетия - интенсивная производственная светокультура. Труды 2 Международной конференции "Регуляция роста, развития и продуктивности растений", Минск, 2001.
3. Ильин О.В. Индустриализация сельскохозяйственного производства. Ж."Техника АПК", №6-7, 2004, Киев.
4. Ильин О.В. Энергосберегающие фитотехнологии - основа интенсивной светокультуры растений. Труды 5 Международной конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве", ГНУ ВИЭСХ, Москва, 2006.
5. Ильин О.В., Ильина Т.О., Видакас А.Ю. Ускоренное размножение сортовой сирени. Труды ХУ1 Международного симпозиума "Нетрадиционное растениеводство. Эниология. Экология и здоровье", Алушта, 2007, т.1.

GOUVRI.RU GOUVRI.RU GOUVRI.RU GOUVRI.RU GOUVRI.RU GOUVRI.RU GOUVRI.RU