CC BY
92
УДК 581.5:581.133.8 А.А. Тихомиров, С.А. Ушакова, В.В. Матусевич, Т.К. Головко
ОЦЕНКА ПОЧВОПОДОБНОГО СУБСТРАТА КАК ИСТОЧНИКА МИНЕРАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К СИСТЕМАМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ
В статье обсуждаются проблемы, возникающие при многократном использовании почвоподобного субстрата в качестве корнеобитаемой среды для высших растений в биолого-технических системах жизнеобеспечения.
Ключевые слова: системы жизнеобеспечения, почвоподобный субстрат, макроэлементы, продуктивность растений.
A.A. Tikhomirov, S.A. Ushakov, V.V. Matusevich, T.K. Golovko ESTIMATION OF SOIL-LIKE SUBSTRATE AS A SOURCE OF MINERAL ELEMENTS FOR PLANT CULTIVATION WITH REGARD TO THE LIFE SUPPORT SYSTEMS
The problems originated from multiple application of soil-like substrate as a root-inhabited zone for the higher plants in the bio-technical life support systems are discussed in the article.
Key words: life support systems, soil-like substrate, macroelemens, plant productivity.
В конце ХХ века после многолетнего перерыва возобновился интерес к построению длительно действующих баз на Луне и Марсе. Поэтому уже сейчас необходимо рассматривать все возможные способы построения длительно действующих систем жизнеобеспечения и создания для человека оптимальных условий существования [1, 3]. Для обеспечения экологически полноценной среды обитания человека в замкнутом объеме длительно действующих планетарных баз потребуются биолого-технические системы жизнеобеспечения (БТСЖО), в которых будет обеспечен круговорот веществ. Необходимость включения звена высших растений в блок биологической регенерации в настоящее время уже не вызывает сомнений [3]. Одним из путей повышения степени замкнутости круговорота веществ является вовлечение в массообмен несъедобной растительной биомассы и экзометаболитов человека [7, 8]. Включение в массобмен растительных отходов после физико-химической минерализации предполагает выращивание растений на нейтральных субстратах [4]. Н.С. Мануковским с соавт. [5] была предложена технология «биологической» минерализации растительных отходов при выращивании растений на почвоподобном субстрате, состоящем из фракций растительных остатков, находящихся на разных стадиях разложения [5].
Целью настоящей работы являются изучение почвоподобного субстрата ППС как источника минеральных элементов для выращивания растений и оценка способов возврата в ППС нутриентов, вынесенных из субстрата с убранной растительной биомассой.
Анализ содержания макроэлементов в свежеприготовленном ППС показывает их значительное количество уже в водной вытяжке, хотя степень минерализации (доступности для растений) у макроэлементов различна (табл. 1). Для ППС характерна низкая степень минерализации азотосодержащих соединений и высокое содержание в доступной форме K и Ca.
Таблица 1
Содержание макроэлементов в ППС, мг/кг сухого субстрата (ошибка не превышает 15%
от измеряемой величины)
Раствор N Ca K Mg S P
Водная вытяжка 582 2933 12824 827 2065 148
Солянокислая вытяжка (0,5 Н HCl) 142 59072 2970 4189 879 5849
Сжигание 25000 65873 17135 6386 6508 7207
Минерализация 2,9±0,4 94±10 92±11 79±17 45±10 83±7
Для проверки влияния высокого содержания нутриентов в ППС в доступной для растений форме были проведены следующие эксперименты с зеленными растениями, которые характеризуются довольно высокой метаболической активностью, быстрым ростом, эффективным использованием ресурсов среды [2]. Объектами исследования служили два сорта шпината (Spinacia oleraceae L.), один сорт салата (Lactuca sativa L.), два сорта листовой капусты (Brassica oleraceae L.). В качестве субстратов для выращивания растений были взяты свежеприготовленный почвоподобный субстрат (ППС), в качестве контроля нейтральный субстрат - керамзит. При выращивании растений на ППС в качестве ирригационного раствора была использована отстоянная водопроводная вода (соотношение вода/субстрат - 6/1) с экстрактивными из ППС веществами. При выращивании аналогичного ценоза методом гидропоники на керамзите питательным раствором служил раствор Кнопа. В начале опыта в ирригационном растворе наблюдалось высокое содержание всех макроэлементов, за исключением P, который находится в ППС в слабосвязанном состоянии (табл. 2).
Таблица 2
Содержание минеральных элементов в питательных растворах при выращивании растений на ППС и методом гидропоники на керамзите, мг/л (ошибка не превышает 10% от измеряемой величины)
Вид раствора N P S K Ca Mg
Раствор Кнопа 170 57 66 231 234 49
Ирригационный раствор в начале опыта 600 5,7 267 2000 577 184
Ирригационный раствор в конце опыта 177 2,4 80 450 108 35
После 30 суток вегетации растения были убраны.
В результате проведенных исследований было показано, что способ субстратного выращивания оказал существенное влияние на морфологию растений (рис.1). Растения, выращенные на ППС, имели укороченные черешки листьев и были более компактными. Растения, выращенные на керамзите, имели более вытянутые черешки и листья.
Рис. 1. Внешний вид растений шпината сорта Grand, выращенных методом гидропоники на керамзите
и на свежеприготовленном ППС
Съедобная биомасса зеленных растений, выращенных на ППС, достоверно не отличалась от массы растений аналогичных сортов, выращенных методом гидропоники на керамзите (рис. 2).
Сравнительный анализ минерального состава растений, выращенных методом гидропоники на керамзите и на ППС (табл. 3), не показал значимых отличий в относительном содержании ^, 1^ и Ca. При этом у растений, выращенных на ППС, значительно увеличивалось относительное содержание K (табл. 3).
Как при выращивании растений на керамзите, так и на ППС не выявлено превышения предельнодопустимой концентрации нитратов в съедобной биомассе зеленной продукции.
3.0
2.5
2.0
1.5 1,0 0,5 0,0
керамзит ППС Шпинат Grandi
керамзит ППС керамзит ППС керамзит ППС
Шпинат Gigante Салат Афицион Капуста Sensuji-kyomizuna
Рис. 2. Сухая съедобная масса зеленных растений, выращенных методом гидропоники на керамзите
и на свежеприготовленном ППС
Таблица 3
Содержание макроэлементов в надземной массе зеленных культур (ошибка не превышает 15%
от измеряемой величины)
Культура Вариант K P Ca Mg Общий азот Нитратный азот
мг/г сухого вещества)
Салат Афицион Керамзит 80 6,9 15 3,0 50,0 0
ППС 90 4,8 11 3,0 39 4,2
Капуста Sensuji-kyomizuna Керамзит 27 3,2 40 4,3 44,6 0,5
ППС 90 2,3 38 5,8 44 0,2
Шпинат Grandi Керамзит 54 4,0 24 10,0 52,0 4,9
ППС 120 2,2 21 14,0 52,4 4,8
Шпинат Gigante Керамзит 60 3,0 26 11,0 46,0 6,4
ППС 120 4,7 15 11,0 44,0 10,8
Таким образом, выращивание зеленных культур на свежеприготовленном ППС не привело к падению продуктивности исследуемых культур и к значимому сдвигу в содержании макроэлементов в съедобной биомассе растений.
Анализ минерального состава ирригационного раствора в конце первой вегетации растений на свежеприготовленном ППС (табл. 2) показывает, что при посеве следующего поколения, без компенсации вынесенных элементов, растения начнут испытывать дефицит элементов питания. Компенсацию вынесенных минеральных элементов с несъедобной биомассой можно сделать как за счет их физико-химической минерализации, так и за счет внесения растительных остатков в ППС перед очередным посевом растений. Внесение минерализованных растительных остатков может привести к постепенной деградации структуры ППС [5], Поэтому предпочтительнее второй способ утилизации растительных отходов с их «биологическим» окислением в ППС.
Так как в БТСЖО предполагается выращивание многовидового ценоза, необходимо было проверить влияние вносимой несъедобной растительной массы различного происхождения на продуктивность растений. Эксперименты по внесению растительных отходов редиса, моркови и свеклы в свежеприготовленный
ППС показали, что одновременное внесение значительного количества несъедобной биомассы моркови и свеклы ведет к уменьшению продуктивности растений редиса, взятого в качестве тестовой культуры.
Таблица 4
Продуктивность растений редиса сорта Вировский белый, выращенных на ППС (контроль) и на ППС с внесением в субстрат несъедобной биомассы растений
Вариант Сухая надземная масса, кг/м2 % сухого вещества Сухая масса корнеплодов, г/м2 % сухого вещества
Контроль 0,47±0,10 14,0±0,7 0,71±0,0,08 8,0±0,5
*0,8 кг/м2 ботвы редиса 0,75±0,23 13±0,5 0,68±0,17 6,2±0,7
*3,1 кг/м2 ботвы моркови 0,25±0,04 11,2±0,4 0,23±0,05 6,9±0,5
*2,5 кг/м2 ботвы свеклы 0,20±0,05 14,4±0,6 0,21±0,05 7,8±0,6
**1,2 кг/м2 соломы пшеницы 0,20±0,02 17,0±1,0 0,15±0,05 8,0±0,6
***1,2 кг/м2 минерализованной соломы пшеницы 0,67±0,17 20±1,0 0,74± 7,9±
*За основу для внесения в ППС была взята сухая масса ботвы растений при выращивании на нейтральном субстрате при оптимальных условиях внешней среды [3].
**Количество внесенной соломы определяли исходя из содержания азота в корнеплодах редиса, выращенных в контроле.
*** Солома минерализована по методу Ю.А. Куденко [4].
Причина этого снижения связана, видимо, с одной стороны, с тем, что внесение 2,5-3,1 кг/м2 сухого органического вещества могло привести к активизации процессов роста микроорганизмов, с другой стороны, с недостаточной скоростью минерализации органического вещества. Кроме того, в несъедобной биомассе растений могут находиться вещества, приводящие к угнетению процессов роста растений.
В условиях БТСЖО съедобная биомасса выращенных растений должна быть использована для питания человека, а для компенсации выноса нутриентов могут быть использованы после соответствующей подготовки экзометаболиты человека. К сожалению, в настоящее время нет разработанной технологии, позволяющей наиболее полно использовать минерализованные экзометаболиты, содержащие NaCl, для выращивания растений на ППС. В случае комбинированного способа выращивания растений в БТСЖО (методом гидропоники и на ППС) несъедобную биомассу растений (например, пшеницы), выращенных методом гидропоники на нейтральном субстрате с использованием минерализованных экзометаболитов человека [6], можно использовать для возмещения нутриентов, вынесенных из ППС со съедобной биомассой. При этом, как показали тестовые опыты, внесение соломы без предварительной минерализации (табл. 4) привело к значительному снижению продуктивности редиса. В то время как продуктивность растений редиса, выращенных на ППС с внесением в ирригационный раствор минерализованной соломы, не отличается от продуктивности контрольных растений [4].
Таким образом, для использования ППС в качестве субстрата для выращивания растений в БТСЖО необходимо провести более подробные исследования, посвященные разработке способов внесения растительных остатков, изучению скорости их разложения и устранению возможного отрицательного влияния промежуточных продуктов «биологической» минерализации на рост растений.
Литература
1. Медико-технологические аспекты создания систем жизнеобеспечения для освоения дальнего космоса / А.И. Гоигорьев [и др.] // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2008. - Т.42. - № 6/1. - С. 5-9.
2. Лечебные свойства пищевых растений / под редакцией Т.Л. Киселевой. - М.: Изд-во ФНКЭЦ ТМДЛ Росздрава, 2007. - 538 с.
3. Gitelson J.I., Lisovsky G.M., MacElroy R.D. Manmade Closed Ecological Systems. Taylor and Francis. -New York, 2003. - 402 c.
4. Kudenko Yu.A., Gribovskaya I.A., Zolotukchin I.G. Physical-Chemical treatment of wastes: a way to close turnover of elements in LsS // Acta Astronautica. - 2000. Vol. 46. - №. 9. - P. 585-589.
5. Manukovsky N.S., Kovalev V.S., Rygalov V.Ye., Zolotukhin I.G. Waste Bioregeneration in life support CES: development of soil organic substrate // Adv. Space Res. - 1997. - Vol. 10. - P. 1827-1832.
6. Lasseur Increased BLSS closure using mineralized human waste in plant cultivation on a neutral substrate /
S. Ushakova [et. al]// Adv. Space Res. - 2009. - Vol. 44. - P. 971-978.
7. Mass exchange in an experimental new-generation life support system model based on biological regeneration of environment / A.ATikhomirov [et al.] // Adv. Space Res. - 2003. - Vol. 31. - P. 1711-1720.
8. Synthesis of biomass and utilization of plants wastes in a physical model of biological life-support system /
A.A. Tikhomirov [et al.] // Acta Astronautica. - 2003. - Vol. 53. - P. 249-257.
----------♦-------------
УДК 631.4 НД. Киселева, О.Г. Лопатовская
ОСОБЕННОСТИ ПРОФИЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГИПСА В НЕКОТОРЫХ ПОЧВАХ ПРИАНГАРЬЯ
В работе впервые представлены результаты исследования почв, сформированных на гипсоносных отложениях верхнего кембрия. Почвы представлены дерново-карбонатными и луговыми типами. Реакция среды щелочная, содержание гипса от 12 до 21 %. Сумма солей от 0,5 до 4 %. Сульфаты способствуют формированию неблагоприятных водно-физических свойств почв.
Ключевые слова: Приангарье, почва, гипс, соли.
N.D. Kiselyova, O.G. Lopatovskaya
PECULIARITIES OF GYPSUM PROFILE DISTRIBUTION IN SOME SOILS IN PRIANGARYE
The research results of the soils formed on the gypsiferous sediments of upper cambiian are given in the article for the first time. The soils are presented by the sod- carcareous and meadow types. Environment reaction is alkaline; gypsum p availability is from 12 to 21 % The saline sum is from 5 to 4 %. The sulphates promote formation of unfavored water-physical soil properties.
Key words: Priangarye, soil, gypsum, salines.
Введение
Приангарье - это регион, где на кембрийских породах встречаются своеобразные гипсовые почвы, развитые на рыхлых тонкослоистых мучнистых грязно-белого цвета сульфатных отложениях с содержанием гипса 80-88 %. Эти почвы имеют традиционное название гажа. К гипсоносным относятся почвы, в профиле которых залегает гипсовый горизонт мощностью не менее 10 см, с содержанием гипса более 10 %. Несмотря на то, что гажевые почвы известны давно, в Приангарье они еще недостаточно изучены. Поэтому изучение характера засоления почв на продуктах выветривания верхнекембрийских гипсоносных пород является актуальным и значимым для характеристики генезиса этих почв.
Объекты и методы
Гажевые почвы Приангарья формируются на осадочных породах верхнего кембрия (красноватые из-вестковистые песчаники, мергели, глины, аргиллиты и гипс, а также перекрывающие их юрские и четвертичные отложения) и часто встречаются на первых террасах реки Ангары и ее притоков - Унги, Запари, Куды. Мощность гажи в них изменяется от 10 см до 2 м [12].
Кембрийские породы образованы в период временного осушения территории, о чем свидетельствуют со-лонцеватость, гипсоносность пород, наличие углекислой извести. Мощность отложений составляет от 190 до 290 м.
По вопросу происхождения гажи имеется несколько гипотез: гажа может образовываться в результате аккумуляции солей, поступающих на поверхность почвы из грунтовых вод, возможно образование гипса гажи в результате взаимодействия кальция коры выветривания с сульфатом натрия, поступающим с деллюви-альными потоками [3]; элювиальное (почвенное) происхождение гажи [4]; образование гажи в результате выветривания и размывания пород, содержащих серу [1].
Гажа, как правило, встречается в расширенных частях речных долин. Ее отложение происходило в замкнутых или слабо проточных водоемах, которые образовались на месте древних потоков, переходящих в современные долины. Древние водотоки несли в озера растворенные соли и взвешенные частицы гипса, так
