УДК 635.41:631.547.2:581.543:004.9
ФЕНОЛОГИЧЕСКИ ПОФАЗНОЕ ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЯ РОСТОМ РАСТЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ШПИНАТА
А.А. Дорохов, А.П. Гришин
ФГБНУ «Федеральный Научный Агроинженерный Центр ВИМ», г. Москва, Россия
Аннотация. Во введении отмечено, что важной задачей современной индустрии является создание новых технологий и устройств, позволяющих при незначительном повышении материальных затрат получить высокий урожай овощных культур.
Сформулирована цель исследования: повышение урожайности овощных культур на основе применения технологии цифрового фенологически пофазного управления ростом растений.
Рассмотрены материалы и методы. Отмечено, что у каждого растения существует свой жизненный цикл с определенными фазами развития. Приведены фенологические фазы для шпината.
Приводятся результаты и их обсуждение, где говорится о сохранении широкого круга культур, для которых не определены фенологические фазы, уже не затрагивая числовых значений экологофизиологических факторов в них, а для тех, где определено и то, и другое, числовые значения определены не для всех фаз, например, температура и влажность субстрата, влажность окружающей среды и рН питательного раствора для шпината. Даны рекомендации по применению числовых значений освещенности, спектрального состава, минерализации питательных растворов и т.д.
В выводах отмечается, что применение пофазных числовых значений факторов для управления ростом растений приведет к увеличению продуктивности.
Ключевые слова: фенологические фазы, шпинат, пофазное управление ростом, классификация фенологических фаз, вегетационное развитие.
Введение. Повышение продуктивности выращивания овощных культур в закрытых экосистемах в России выявило потребность создания новых интенсивных технологий, удовлетворяющих современным требованиям: сокращение сроков производства, устойчивость к заболеваниям, высокая продуктивность и товарные
качества овощных культур.
Несмотря на возрастающие объемы производства овощных культур, промышленное производство в значительной степени сдерживается из-за отсутствия прогрессивных и инновационных отечественных овощеводческих комплексов закрытого типа.
Актуальные способы выращивания овощных растений основаны на интенсивной стерильной технологии в искусственно замкнутой экосистеме - специальных контейнерах с использованием растительных субстратов, следуя которой возможно получение обильного урожая с минимальными сроками вызревания. Не менее важной задачей является защита субстрата для получения овощных растений от объединения с посторонней микрофлорой при помощи экологически чистых биопрепаратов, не способных оказывать негативное влияние на окружающую среду и здоровье потребителя. Однако, применение этой технологии связано со значительными материальными и энергетическими затратами, включающими наличие специализированных бактериологических лабораторий и помещений для подготовки субстрата и выращивания овощных растений небольшими фирмами.
В связи с этим, важной задачей современной индустрии является создание новых технологий и устройств, позволяющих при незначительном повышении материальных затрат получить высокий урожай овощных культур.
Цель исследования. Повышение урожайности овощных культур на основе применения технологии цифрового фенологически пофазного управления ростом растений.
Материалы и методы. У каждого растения существует свой жизненный цикл с определенными фазами развития. Важно понимать, как протекает период вегетации у растений, чтобы своевременно и грамотно следить за посадками в саду и закрытом грунте.
Многие зачастую не видят разницы между понятиями период вегетации и вегетационный период. Однако они существенно отличаются. К первому термину относится определенный период для всех растений какой-то одной климатической зоны. Ко второму термину относятся растения определенного вида или сорта и период их активной жизнедеятельности.
Вегетационный период. Этот период будет разным для определенных видов и сортов растений. Чисто биологический термин, который характеризует каждое растение отдельно. Вегетационный период - это определенный временной промежуток, за который растение проходит активный период своего роста. Например, для раннеспелых огурцов вегетационный период, от сева до снятия урожая огурцов, составляет 95-110 дней [1].
Период вегетации. Этот термин охватывает все растения определенной климатической зоны. С начала декабря по конец января корни деревьев полностью неактивны. Годовой промежуток времени жизни многолетних растений можно разделить на четыре периода: вегетативный рост; переходной осенний; период относительного покоя; переходной весенний.
У растений можно выделить следующие фенологические фазы [3]: проращивание, формирование вегетативных побегов; бутонизация; цветение; плодоношение и обсеменение; вегетация после плодоношения; отмирание; состояние покоя.
Однако такое деление на фазы вносит полный беспорядок в определении стадий органогенеза, и в каждой стране процесс классификации вегетации определялся по-своему, что весьма затрудняло процесс общения и взаимопонимания между аграриями различных стран. Например, формирование вегетативных побегов для выращивания зелени и для получения семян для одного и того же растения, например шпината, будут иметь различные фенологические фазы.
Внедрения единой классификации по системе «BBCH» устранил эти недостатки [4].
Классификация по системе «BBCH» представляет собой определенную модель идентификации фенологического развития растений на различных этапах. Она была разработана для удобства и применяется не только в сельском хозяйстве, но и целом ряде других научных дисциплин (например, в страховании, селекции, энтомологии, фитопатологии и прочих направлениях деятельности человека).
Аббревиатура «BBCH» дословно означает «Федеральное агентство по вопросам окружающей среды и химической промышленности», а по неофициальной версии в ее основу легли заглавные буквы предприятий, которые финансировали разработку и внедрение данной системы, а именно компании: «Bayer», «Basf», «Ciba-Geigy» и «Hoechst».
Данная классификация с точки зрения современной науки позволяет четко определять сроки биологических и технологических процессов при выращивании культур в различных фенологических фазах (рисунок 1).
12 13 14 15-17 51 60 62-69 81-89
Рисунок 1 - Фазы развития растений согласно «ВВСН»
Принцип действия системы довольно простой: благодаря использованию десятичного кода, весь процесс вегетации подразделяется на десять основных и десять дополнительных фаз. В результате мы получаем сто различных ступеней развития растения, которые можно четко идентифицировать. Например, ноль - это стадия семени. Девяносто девять - это фаза вызревшей культуры. Агроном просто берет определенное количество растений, изучает их и затем по существующей шкале четко определяет фазу роста.
Благодаря использованию системы десятичных кодов модель или шкала «ВВСН» позволяет четко классифицировать как основные, так и вторичные этапы органогенеза растений и в этом состоит ее основное преимущество.
Очевидно, что для различных растений фенологические фазы будут отличаться, тем более, если растения относятся к различным видам, родам семействам. Для шпината фенологические фазы приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Фенологические фазы для шпината
Фазы (стадии) Название Начало Конец Период, дней Усл-е обознач.
Макростадия 0 Прорастание Сухое семя Прорастание семядоль 5 М - 0
Макростадия 1 Развитие листьев Семядоли распущены 2 настоящих листа 8 М - 1
Макростадия 2 Развитие листьев 2 настоящих листа 6 настоящих листьев 5 М - 2
Макростадия 3 Развитие листьев 6 настоящих листа 10 настоящих листьев 8 М - 3
Макростадия 4 Развитие листьев 10 настоящих листьев 14 настоящих листьев 3 М - 4
Макростадия 5 Срелкование Появление соцветий Соцветия еще закрыты Нет данных М - 5
Макростадия 6 Начало цветения Первый цветок Конец цветения Нет данных М - 6
Макростадия 7 Развитие семян Высохшие цветки отпали Семена имеют сортотипичый размер Нет данных М - 7
Макростадия 8 Созревание семян Начало созревания семян Полная спелость семян Нет данных М - 8
Макростадия 9 Отмирание Уборка семян Растение отмерло Нет данных М - 9
Поскольку шпинат имеет два вида конечного продукта, то различают два вида вегетационного развития шпината и соответственно два набора его фенологических фаз: сбор урожая товарной зелени (после появления 14 настоящих листьев) фазы М -0...М - 4, и выращивание семян фазы М - 0...М - 9. Мы рассматриваем рост шпината в целях получения урожая товарной зелени, поэтому далее мы ограничимся рассмотрением фенологически пофазного управления ростом шпината с помощью регулирования климатических и физиологических (экологофизиологических) факторов в первых пяти фазах.
Выделяют следующие экологофизиологические
факторы влияющие на развитие растения для вегетационного периода:
- освещенность светового излучения (СИ),
- длительность светового дня;
- спектральный состав СИ;
- температура воздуха;
- влажность воздуха;
- температура субстрата;
- влажность субстрата;
- минерализация питательного раствора;
- рН питательного раствора; транспирация.
Из всех факторов среды обитания растений, в основном, изучаются лишь климатические. Однако это не означает, что другие факторы остаются вне поля зрения, поскольку все указанные факторы связаны друг с другом, можно утверждать, что при изучении климатических факторов определенным образом рассматриваются и прочие.
Результаты и их обсуждение. Идея управлять пофазно равными экологофизиологическими факторами в ходе всего вегетационного периода, таблица 2, а раздельно по каждой фенологической фазе, таблица 3, известна давно и, для некоторых культур,
Таблица 2 - Управление постоянными
экологофизиологическими факторами
Факторы Фенологические фазы
М - 0 1 М - 1 1 М - 2 1 М - 3 1 М - 4
Освещенность СИ 20 клк.
Спектральный состав СИ 440... 490 нм - 30% 630...680 нм - 70%
Температура воздуха 15...18°С
Влажность воздуха 60...80%
Температура субстрата 15-180С
Влажность субстрата 50.60%
Минерализация питательного раствора 1,8.2,3 мС/см
рН питательного раствора 6,6.7,0
Транспирация Данные отсутствуют
в различных источниках приводятся рекомендации по применению числовых значений освещенности, спектрального состава, минерализации питательных растворов и т.д. (для искусственных экосистем на основе гидропоники) [2;3;5;6;7;8;9].
Таблица 3 - Фенологически пофазное управление
Факторы Фенологические фазы
М - 0 М - 1 М - 2 М - 3 1 М - 4
Освещенность СИ Нет данных Нет данных Нет данных 20 клк
Спектральный состав СИ 440.490 нм - 20% 630.680 нм - 80% 440.490 нм - 80% 630.680 нм - 20% 440.490 нм - 57% 630.680 нм - 43%
Температура воздуха 40С Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных
Влажность воздуха 93% Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных
Температура субстрата 4-60С Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных
Влажность субстрата 76-80% Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных
Минерализация питательного раствора 0,2.,0,4 мС/см 0,8.1,2 мС/см 1,6.1,8 мС/см 1,8.2,2 мС/см
рН питательного раствора 6,0 Нет данных Нет данных Нет данных 7,0
Транспирация Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных Нет данных
Однако, идея не получила широкого распространения ввиду её малоизученности: сохраняется широкий круг культур, для которых не
определены фенологические фазы, уже не говоря о числовых значениях экологофизиологических факторов в них, а для тех, где определено и то, и другое, числовые значения определены не для всех, например, температура и влажность субстрата, влажность окружающей среды и рН питательного раствора для шпината.
Логично предположить, что применение уточненных пофазных числовых значений факторов по таблице 3, отличающиеся от постоянных значений за весь вегетационный период, таблица 2, приведет к усилению воздействия экологофизиологических факторов на скорость фотосинтеза и на продуктивность.
Однако, это лишь предположение, и подтвердить эту гипотезу -есть цель научных исследований в этой мало изученной области знаний.
Выводы
1. Шпинат имеет два вида конечного продукта и два вида вегетационного развития, что соответствует двум наборам его фенологических фаз: сбор урожая товарной зелени (после появления 14 настоящих листьев) фазы М - 0.. .М - 4, и выращивание семян фазы М - 0...М - 9.
2. Мы рассматриваем рост шпината в целях получения урожая товарной зелени, поэтому для дальнейших исследований ограничимся рассмотрением фенологически пофазного управления ростом шпината с помощью регулирования климатических и физиологических (экологофизиологических) факторов в первых пяти фазах.
3. Изучение литературных источников показало, что среди принятых к рассмотрению факторов управления ростом, только для двух (спектральный состав и минерализация) имеются полностью пофазные данные о числовых значениях этих факторов. Имеются также числовые данные для других факторов, но не для всех фаз. Отсутствующие данные требуется восполнить, выполнив соответствующие исследования.
4. Фенологически пофазное цифровое управление ростом растений - малоизученная область знаний и является новым направлением исследований в растениеводстве. Очевидно, что применение экологофизиологических факторов, способствующих росту растений, отдельно в каждой фазе, приведет к увеличению скорости фотосинтеза и продуктивности в целом.
Список использованных источников:
1. Период вегетации растений и как его определить / Электронный ресурс: https://agronomu.com/bok/2586-chto-takoe-period-vegetacii-rasteniy-i-kak-ego-opredelit.html. Дата обращения 27.09.2018.
2. Шпинат: агротехника выращивания и сорта / Электронный ресурс: http://zagorodnaya-life.ru/shpinat-osobennosti-vyrashhivaniya/. Дата обращения 27.09.2018.
3. Овощеводство / Г. И. Тараканов, В. Д. Мухин, К. А. Шуин и др. М.: Колос, 2002. 472 с
4. «ВВСН» международная система определения фенологических фаз растений / Электронный ресурс: https://agrostory.com/info-centre/knowledge-lab/chto-takoe-bbch-i-dlya-chego-neobkhodima-mezhdunarodnaya-sistema-opredeleniya-fenologicheskikh-faz-r/. Дата обращения 27.09.2018.
5. Биология развития шпината и отношение к условиям среды // Электронный ресурс: http://www.activestudy.info/biologiya-razvitiya-shpinata-i-otnoshenie-k-usloviyam-sredy/. Дата обращения 27.09.2018.
6. Спектры СИ / Электронный ресурс: https://eltesla.ru/upload/shop_1/3/9/5/item_39500/shop_property_file_3950 0_13639.jpg. Дата обращения 27.09.2018.
7. Зелень и салаты. Секреты чудо урожая / Е. А. Власенко. М.: Эксмо-пресс, 2012. 202 с.
8. Земледелие: учебник для вузов / Г. И. Баздырев, В. Г. Лошаков, А. И. Пупонин и др. М.: Колос, 2000. 550 с.
9. Создание эффективных светодиодных фитосветильников / Электронный ресурс: https://docplayer.ru/67553771-Sozdanie-
effektivnyh-svetodiodnyh-fitosvetilnikov.html._Дата_обращения
27.09.2018.
Дорохов Артём Александрович, младший научный сотрудник, Россия, Москва, ФГБНУ "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ", dorokhov-91@yandex. ru
Гришин Александр Петрович, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, Россия, Москва, ФГБНУ "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ", [email protected]
PHENOLOGICAL PHASE DIGITAL CONTROL THE GROWTH OF PLANTS ON THE EXAMPLE OF SPINACH
A.A. Dorokhov, A.P. Grishin Sciences, center FNAC VIM, Moscow, Russia
Abstract. In the introduction it is noted that an important task of the modern industry is the creation of new technologies and devices that allow with a slight increase in material costs to obtain a high yield of vegetable crops.
The aim of the study is to increase the yield of vegetable crops on the basis of the technology of digital phenological phase-by-phase control of plant growth.
Materials and methods are considered. It is noted that each plant has its own life cycle with certain phases of development. Phenological phases for spinach are given.
The results and their discussion, which refers to the preservation of a wide range of crops for which phenological phases are not defined, without affecting the numerical values of environmental and physiological factors in them, and for those where both are defined, the numerical values are not determined for all phases, for example, the temperature and humidity of the substrate, the humidity of the environment and the pH of the nutrient solution for spinach. Recommendations on the application of numerical values of illuminance, spectral composition, salinity of nutrient solutions, etc.
In the conclusions it is noted that the use phase-by-phase of numerical values of the factors to control the growth of plants will lead to increased productivity.
Keyword: phenological phases, spinach, phase-by-phase growth control, classification of phenological phases, vegetative development.
Artem Alexandrovich Dorokhov, junior researcher, Federal Scientific Agricultural Engineering Center VIM, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Alexandr Petrovich Grishin, Dr. Sc. leader researcher, Federal Scientific Agricultural Engineering Center VIM, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected]