Способ фотостимуляции растений в теплице
METHOD OF PHOTOSTIMULATION OF PLANTS IN GREENHOUSE

Изобретение к относится к сельскому хозяйству, в частности к растениеводству, и может быть использовано для обработки растений в процессе их роста в теплице.
Особенностью использования ультрафиолетового излучения является факт наличия двух противоположных по результатам эффектам воздействия на растения. С одной стороны, УФ-С облучение инактивирует находящиеся на поверхности растений и в воздушной среде фитопатогенные микроорганизмы. Для инактивации большинства таких микроорганизмов необходима доза УФ облучения в пределах 50-400 Дж/м2.С другой стороны, при воздействии на клетки растений облучения в УФ-С диапазоне в них образуются активные формы кислорода (АФК). У растений в норме АФК образуются постоянно и являются обычным продуктом обмена веществ (в первую очередь в процессах фотосинтеза и дыхания). Увеличение уровня АФК в клетке является дополнительным фактором УФ – С облучения – это инактивация микроорганизмов. Однако значительное превышение нормального уровня АКФ в клетках растений представляют большую опасность, так как АКФ повреждают и изменяют нуклеиновые кислоты, белки-ферменты, липиды мембран и т.д. Основным компенсаторным механизмом антиоксидантной защиты является перекисное окисление липидов (ПОЛ). Однако продукты ПОЛ (малоновыйдиальдегид и другие) также являются токсичными для клеток растений. Кроме того, снижение уровня липидов нарушает проницаемость клеточных мембран. Таким образом, для достижения положительного результата воздействия УФ-С облучения необходим такой режим, при котором достигается необходимая для инактивации фитопатогенов доза, но не происходит накопления АФК и продуктов ПОЛ.
Активация системы антиоксидантной защиты (САЗ) позволяет обеспечить длительное увеличение сопротивляемости организмов к болезням и стрессовым ситуациям. Кроме того, она может ускорить рост растений в результате активации биохимических процессов при дыхании и фотосинтезе Активация биохимических процессов вызывает увеличение выработки АФК, а наличие эффективной антиоксидантной защиты позволяет безболезненно для растения реализовать такой процесс.
Для активации САЗ по альтернативному ПОЛ механизму с помощью УФ обработки необходимо обеспечить такой режим облучения, чтобы в течение максимально короткого времени концентрация АКФ в клетке превысила возможности их инактивации по механизму ПОЛ (но не превысила критичные для клетки величины). В таком случае активируется компенсаторный механизм ферментативных и неферментативных систем защиты и реализуется возможность дыхательного «взрыва». Одновременно нужно обеспечить такой режим обработки растений, чтобы за время одной обработки растение получило достаточную для эффективной инактивации фотопатогенов дозу облучения.
Известен способ выращивания растений в теплице с искусственным облучением газоразрядными лампами, включающий дополнительное облучение растений потоком излучения лазеров, которое подают совместно с потоком излучения в видимой области спектра от ламп с двух сторон, осуществляя сканирование по углу и возвратно-поступательному перемещению вдоль поверхности ценоза. Облучают комплексным лазерным излучением, которое подают полным диапазоном спектральной области фотосинтетически активной радиации света 380-710 нм и/или ультрафиолетовым излучением в диапазоне 230-380 нм. (RU 2028760, кл. A01G 9/24,A01G 9/22,A01G 9/14,A01G 31/02, 1995 г)
2
Недостатком известного способа является обязательное использование мощных ламп с высокой плотностью излучения (от 50 Вт/м и более) в видимой области света и лазерного излучения, причем облучение должно проводиться непрерывно. Это требует значительных энергетических затрат. Кроме того, в случае использования излучения 380-710 нм не обеспечивается инактивация находящихся на поверхности растений и в воздушной среде фитопатогенных микроорганизмов и, как следствие, условия повышения фитобезопасности. В случае использования в непрерывном режиме обработки излучения в диапазоне 230-380 нм происходит избыточное накопление продуктов ПОЛ и, как следствие, угнетение роста растений.
-3
-10
2
Известен способ неинвазивной световой импульсной терапии для фотостимуляции растений и микроорганизмов (RU2640851,кл. A01G7/04, A61N5/08,2018 г.), заключающийся в облучении импульсами света длительностью от 5×10до 10с, в частном случае, в ультрафиолетовом диапазоне длин волн 305-405 нм. При этом одновременно проводят облучение в красном и инфракрасном диапазонах спектра. Соотношение облученности в названных трех участках спектра составляет в долях 97:1,5:1,5. Устанавливают частоту следования импульсов излучения не более 1 Гц. Облучение проводят с возможностью изменения интенсивности излучения от 1 до 100 Вт/см, в спектральном диапазоне длин волн высокогорного солнечного излучения 300-1500 нм.
Недостатком известного способа является то, что стимуляция обеспечивается облучением в УФ-В диапазоне длин волн 305-405 нм, Для достижения результата стимуляции роста при таком способе необходима постоянная обработка растения, что требует значительных энергетических затрат. Кроме того, облучение в дипазоне 305-405 нм не обладает бактерицидным действием, и не приводит к достижению повышения фитобезопасности.
Проблемой изобретения является разработка способа выращивания растений в теплице с использованием УФ облучением, обеспечивающим фитобезопастность растениям при малых энергетических затратах.
Техническим результатом изобретения является увеличение урожайности и сроков хранения плодов, снижение химических средств фитосанитарной защиты и снижение энергетических затрат.
2
2
Поставленная проблема и технический результат решаются того, что способ фотостимуляции растений в теплице включает облучение растений в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.Согласно изобретению растения облучают ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн УФ-С в течение всего времени вегетации со средней плотностью мощности при разовом облучении 3-25 Вт/м, разовыми дозами в пределах 50-120 Дж/м, в течение 3-20 секунд с периодичностью 1 раз в 1-4 суток.
2
2
Снижение плотности излучения меньше 3 Вт/мне приводит к заметному увеличению АКФ, а превышение 25 Вт/мчрезмерно увеличивает АКФ, что негативно влияет на растения.
2
2
Снижение разовой дозы ультрафиолетового излучения меньше 50 Дж/мне влияет на повышение урожайности из-за недостаточного увеличения ПОЛ, а превышение разовой дозы свыше 120 Дж/мявляется опасным для клеток растений.
Снижение указанных режимов обработки не влияет на биохимические процессы в растениях и оказывает только дезинфицирующее действие. Полезным результатом такой обработки является возможность сокращения числа химических обработок. К увеличению урожайности, пролонгируемой устойчивости к фитобактериальным и грибковым поражениям и увеличению сроков хранения продукции такая обработка не приводит.
Длительность разового облучения должна быть в пределах от 3 до 20 секунд с периодичностью 1 раз в течение 1-4 суток. При этом данный временной режим выбран опытным путем и обеспечивает положительные результаты выращивания растений, а именно повышение урожайности и сроков хранения овощей. В случае более редкого облучения за счет естественной релаксация САЗ эффект активации биохимических процессовне будет явно проявляться. В случае более частого облучения АФК, образующиеся при облучении, будут прибавляться к и так высокому их уровню, и может наступить окислительный стресс.
Представленный режим обработки позволяет дополнительно к инактивации находящихся на поверхности растений и в воздушной среде фитопатогенных микроорганизмовактивировать ферментативные и неферментативные системы защиты клеток растений.К неферментативным антиоксидантам относятся витамин С, витамин Е и другие низкомолекулярные органические компоненты. Они взаимодействуют с АФК и нейтрализуют их. Ферментативными антиоксидантами являются супероксиддимутаза (СОД), каталаза и пероксидаза. Заявленный режим также активизирует САЗ по альтернативному ПОЛ механизму с помощью УФ обработки и обеспечивает такой режим облучения, который в течение максимально короткого времени концентрирует АКФ в клетке превышает возможность их инактивации по механизму ПОЛ без превышения критичных для клетки величин.
Способ иллюстрируется примерами физиологического действие облучения в оптимальных и контрольных режимах на сельскохозяйственных культурах огурцов и томатов.
Промышленные испытания проводились в каркасных теплицах арочного типа (длина – 12м; ширина – 3м; высота – 2,1м). Посадка растений – в 6 рядов.
Исследовали 12 групп растений. Каждая группа растений находилась в одинаковых условиях и разделена по рядам и пролетам:
В качестве тестовых культур были выбраны следующие сорта: огурцы сортов «Конни» и «Апрельский»; томаты сортов «Большая Девочка», «Бычье сердце».
Тестируемая установка производства ООО «АГРОНИС» оборудована двумя лампами УФ-С диапазона мощностью по 95 Вт. Возможность изменения плотности мощности обусловлено отражающими и экранирующими экранами. Время обработки регулировали перемещением установки вдоль рядов с расчетной скоростью. Перемещение организовано при помощи ручной тяги специализированной тележки.
Исследовались результаты обработки в 7 различных режимах в оптимальных параметрах облучения (см. Таблица 1) и в 4 режимах в отличающихся от оптимальных параметрах (см. Таблица 2). Контрольная группа растений не подвергалась облучению.
Таблица 1. Оптимальные режимы обработки.
Режим
1
2
3
4
5
6
7
Плотность мощности (Вт/м<sup>2</sup>)
5
5
10
10
10
20
20
Время обработки (сек)
12
12
6
12
6
6
6
Доза (Дж/м<sup>2</sup>)
60
60
60
120
60
120
120
Частота обработки
1 раз в 2 дня
1 раз в 3 дня
1 раз в 2 дня
1 раз в 2 дня
1 раз в 3 дня
1 раз в 2 дня
1 раз в 3 дня
Таблица 2. Неоптимальные режимы обработки.
Режим
8
9
10
11
Плотность мощности (Вт/м<sup>2</sup>)
10
2
10
20
Время обработки (сек)
6
60
24
6
Доза (Дж/м<sup>2</sup>)
60
120
240
120
Частота обработки
1 раз в 6 дней
1 раз в 2 дня
1 раз в 2 дня
2 раза в день
Примечания
Режим разового облучения аналогичен оптимальному режиму 3, но частота обработки в 3 раза меньше
Доза и частота обработки аналогична оптимальному режиму 4, но плотность мощности в 5 раз меньше, а время обработки в 5 раз больше
Плотность мощности и частота обработки аналогичны оптимальному режиму 4, но время обработки и доза выше в 2 раза
Режим разовой обработки аналогичен оптимальному режиму 6, но частота обработки в 4 раз больше
Таким образом, обеспечивалась возможность контроля результатов в широком диапазоне заявленных режимов оптимального облучения и сравнение их с контролем без облучения и облучением в неоптимальных режимах.
С целью достоверности подтверждаемых эффектов было полностью исключено применение средств химической фитосанитарной защиты в течение всего периода вегетации.
Результаты наблюдения процесса вегетации.
В растениях огурцов и томатов группы8 не наблюдалось заметных отличий от контроля.
В растениях огурцов и томатов групп 10 и 11 наблюдались типичные симптомы поражения при интенсивном освещении (выгорание листовой части). На основании полученных результатов было принято решение прекратить обработку растений в режиме 10 и 11и в дальнейшем их результаты в расчет не принимать.
В растениях огурцов и томатов группы 9 наблюдалась слабая (по сравнению с контролем) стеблевая часть, неразвитая листовая часть, отсутствовало образования завязей на момент их появления в контроле. На основании полученных результатов было принято решение прекратить обработку растений в режиме 9 и в дальнейшем его результаты в расчет не принимать.
Подвергаемые обработке в режимах 1-7 растения огурцов имели более ранний (по сравнению с контролем) период образования завязей, развитую стеблевую часть, крупные листья правильной формы. Отмечалось увеличение завязей и плодов. Плоды крупные без следов поражений. Заметных различий для разных режимов не наблюдалось.
Растения огурцов контрольной группы имели признаки более позднего образования завязей (на 10-12 дней позже растений групп 1-7), на листьях отмечались некротические участки деформации в следствие фитопоражений «мучнистой росой» или бактериальной пятнистости.
При наблюдениях за растениями томатов в группах 1-7 отмечалось слабое развитие куста некоторых растений, но более выраженная численность завязей и количества плодов. Заметных различий для разных режимов не наблюдалось.
Растения томатов контрольной группы имели более развитую листовую часть и меньшее количество завязей и плодов. Предварительная оценка поражения листов и плодов этой группы позволили предположить поражение фузариозным увяданием и фитофторозом.
При сборе огурцов и томатов в течение всего периода отмечалось значительное увеличение урожая плодов облученных растений (см. Таблица 3).
Таблица 3.
Огурец сорта «Конни»
Урожайность (кг/м<sup>2</sup>)
Томат сорта «Бычье сердце»
Урожайность (кг/м<sup>2</sup>)
Опыт (режимы 1-7)
19
Опыт (режимы 1-7)
12
Контроль
10
Контроль
8
Огурец сорта «Апрельский»
Томат сорта «Большая девочка»
Опыт (режимы 1-7)
37
Опыт (режимы 1-7)
26
Контроль
23
Контроль
15
На стадии завершения вегетации: снижение числа фитопатогенных грибов у плодов облученных растений по отношению к контролю составило 25% у растений огурца сорта «Конни» и 50% у томатов сорта «Большая девочка»; снижение фитопатогенных бактерий составило 34% у растений огурца и 99,9% у томатов.
о
На стадии хранения (бумажные пакеты, температура +4, срок - 14 дней): количество плодов, утративших пригодность к употреблению во всей группе обрабатываемых растений – 40%; количество плодов, утративших пригодность к употреблению в группе не обрабатываемых растений – 66%.
Таким образом, предлагаемое решение обеспечивает ускорение роста растений; повышает урожайность; повышает устойчивость к фитобактериальным и грибковым поражениям; повышает срок хранения и позволяет значительно снизить или полностью исключить химические средства фитозащиты.
Применение современных источников УФ-С излучения позволяет обработать таким способом растения при затратах электрической мощности не более 1 кВт час на 1 га плотной посадки.