Особенности малообъемной технологии выращивания овощей в защищенном грунте
Текст: Ю. Б. Белопухова, агроном, канд. биол. наук
Выращивание растений в ограниченном количестве субстрата, что используется в промышленных теплицах с середины ХХ века, в последние годы стремительно совершенствуется и модернизируется. По этой причине данная технология требует большого объема знаний и их постоянного обновления, хотя уже достаточно известна.
В России производство овощей в закрытом грунте стабильно растет. По словам Алексея Ситникова, президента ассоциации «Теплицы России», урожай овощей данной категории в прошлом году достиг 1,68 млн т, увеличившись на 5% по сравнению с 2022 годом. В текущем году, по данным МСХ РФ, на середину февраля уже было выращено 135 тыс. т продукции, или на 1,6% больше аналогичного показателя 2023 года. Сбор томатов при средней урожайности 50–55 кг/кв. м составил 59,4 тыс. т, или на 1% больше, огурцов — 73,4 тыс. т и 3,9%. Успех обусловлен в том числе ростом продуктивности за счет перехода на малообъемную технологию, которая продолжает совершенствоваться, причем модернизируются как отдельные технологические элементы, так и вся их совокупность. Так, в рамках нее уделяется внимание не только урожайности с квадратного метра, но и его экономической эффективности.
БОЛЬШИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Еще в прошлом веке было установлено, что тепличное производство рентабельно при выходе продукции не менее 400 т/га, при этом классические грунтовые варианты имеют предел урожайности в 35–37 кг/кв. м. Среди главных причин такого ограничения — невозможность управления ростом и развитием растения, так как используется большой объем субстрата, и заражение грунта галловой нематодой. Благодаря развитию новых систем освещения, полива, режимов питания, регулирования климата, а также контрольного оборудования сформировалась малообъемная технология выращивания и ее продолжение — производство в сити-фермах на вертикальных стеллажах микрозелени, листовых, пряных культур, съедобных цветков, земляники, некоторых сортов мелкоплодных перцев и томатов. В последнем варианте для возделывания одного растения используются крайне ограниченные объемы субстрата и теплицы.
Современный вариант малообъемного метода состоит из большего числа технологических звеньев: субстрата, системы подготовки воды и рабочих растворов, полива и питания, отопления, вентиляции, досвечивания, подкормки СО2, открытия фрамуг и осушителей воздуха, снабженных датчиками контроля за температурой и влажностью на разных уровнях, в том числе остекления, контура отопления, зоны плодоношения, связанных с компьютером управления. За счет слаженного взаимодействия всех звеньев современная малообъемная технология позволяет увеличить урожайность культур, в частности томатов, огурцов, перца, земляники и других, на треть, исключить трудовые и финансовые затраты на замену почвы и ее подготовку в виде рыхления, внесения органических удобрений, выравнивания, прикатывания, пропарки. Также данный способ помогает контролировать жизненно важные факторы — микроклимат, освещенность, питание и так далее, управлять процессом выращивания растений автономно, то есть без присутствия человека в теплице, экономно расходовать воду и удобрения, минимизировать развитие вредителей и патогенов, сократить затраты на применение средств защиты, регулировать качество и сохранность продукции с учетом длительности ее доставки. Например, усиление кальциевого питания улучшает транспортабельность и лежкость огурцов.
НЕКОНТРОЛИРУЕМЫЙ ФАКТОР
Сегодня в большинстве стран преимущественно используют субстратную малообъемную технологию, когда растения размещаются в специальных узких лотках, заполненных матами, на которые питательный раствор и вода подаются сверху с помощью капельного полива либо методом подтопления. Помимо такого варианта небольшую долю производства занимают аэропоника, при которой вода и раствор подаются по трубкам и распыляются на корни, и водяная культура DWC, то есть Deep Water Culture, когда растения плавают на платформах по поверхности питательного вещества. В нашей стране последний вариант реализуют единичные предприятия, но в Китае и Нидерландах, где уже действует жесткое экологичное законодательство, фермеры стали ориентироваться и на этот тип.
Среди структурных звеньев малообъемной гидропоники лишь субстрат невозможно сменить или внести в его параметры какие-либо поправки до окончания процесса выращивания, поэтому для набивки кассет либо матов важно выбрать оптимальный вариант. Данный материал для промышленных теплиц не должен выделять токсичные вещества, сильно изменять реакцию питательного раствора, ухудшать режим питания, содержать семена сорняков и патогенные микроорганизмы. При этом он должен иметь низкую объемную массу, хорошую аэрацию, высокие пористость и поглотительную способность, удерживать влагу, а также сохранять прочность и структурность на протяжении всего периода выращивания растений.
Таким требованиям соответствуют три материала: органические торф и кокос, минеральная вата. У каждого вида свои плюсы и недостатки. Каменная вата близка по физическим свойствам к верховому торфу, но ее не надо раскислять. Она инертная, легко промывается, наполняется раствором, не содержит патогенов, но не обладает буферной способностью. Такой субстрат быстро приобретает реакцию используемого питательного раствора, что облегчает регулировку режимов питания и полива. Минераловатные материалы устойчивее органических к перегреву — в последних при температуре выше 28°С происходит разложение органического вещества, в результате чего в нем снижается содержание кислорода, накапливаются токсичные фенольные соединения, увеличивается численность анаэробных бактерий. Кроме того, минераловатные субстраты при прочих равных дают урожай раньше, чем кокосовая стружка и торф, и в отличие от них не забивают системы фильтрации закрытых систем с рециркуляцией питательного раствора, что позволяет экономить воду и удобрения.
ГРАФИК ПОЛИВА
Для улучшения физических свойств органических субстратов вносят инертные, например керамзит, перлит, и активные добавки, то есть цеолит, вермикулит, древесные остатки. Для исключения перегрева субстраты упаковывают в пакеты белого цвета объемом 10 или 20 л, потом размещают в лотках, напитывают питательным раствором, а для выхода лишней влаги с нижней стороны делают дренажные разрезы под углом 45°. Торф после напитки водой набухает, заполняя весь свободный объем пакета. При обильных поливах и недостаточном стоке дренажных вод очень быстро возникают анаэробные условия, и в торфе возрастает содержание аммиачного азота, нитратов. Это ухудшает поступление кальция в растения и может спровоцировать развитие вершинной гнили на томатах или перцах. По этой причине при использовании торфяных грунтов для малообъемной технологии часто применяют открытые лотки «Мапал», на дно которых слоем до трех сантиметров укладывают щебень. Емкость для защиты от засоления и подсушивания верхнего слоя торфа сверху накрывают черно-белой пленкой.
Объем почвы в грунтовой теплице, где находится основная масса корней, составляет 10–15 л. В гидропонной технологии субстрат служит лишь основой для крепления корневой системы, а питание растений и, соответственно, развитие корней зависят от объема и состава раствора. Доля доступной воды в минераловатных субстратах достигает 60–80%, а в торфяном и кокосовом — 30–40%, поэтому при одинаковом снижении влажности признаки увядания растений быстрее проявляются на органическом материале. При этом уменьшение данного параметра происходит быстрее на минеральной вате, поэтому орошение на ней приходится проводить чаще. Зато торф обладает большой влагоемкостью, его можно реже поливать, а передозировка питательных веществ оказывает менее негативный эффект, чем на минераловатных субстратах. На торфяных грунтах растения меньше страдают из-за резких колебаний концентрации питательного раствора, а земляника пока удается только на органическом субстрате. Кроме того, на природных матах некоторые культуры, например томат, дают более равномерный урожай за оборот, а в их плодах накапливается больше сухого вещества и аскорбиновой кислоты.
При оценке субстратов с точки зрения рентабельности следует учесть, что торфяные варианты обходятся дешевле минераловатных матов. Однако качество органических материалов в разных партиях может значительно различаться, при этом кокос требует промывки от содержащихся в нем солей, а торф — раскисления. Кроме того, органические грунты имеют больший вес, что удорожает транспортировку. Также следует учесть, что в условиях логистических проблем и валютного диспаритета импортные субстраты из каменной ваты и кокосовой стружки могут дать отрицательный финансовый результат.
НАПОИТЬ, НАКОРМИТЬ
Поскольку объем грунта небольшой, все необходимые для роста и развития растений макро- и микроэлементы должны поступать с питательным раствором, который готовят из нескольких маточных смесей в растворном узле в автоматическом режиме. Рабочий вариант должен быть уравновешенным, то есть количество и соотношение ионов исключает их негативное взаимодействие, в том числе выпадение осадка, иметь оптимальную кислотность — 5,5–6,5, буферность, содержать полный набор элементов питания, соответствующий биологическим особенностям и физиологическим потребностям конкретного вида, а порой и сорта выращиваемой культуры в определенную фазу развития. Требуемые рабочие растворы получают из готовой смеси — концентратов либо водорастворимых химических удобрений. При этом у воды, используемой для малообъемных технологий, допустимый уровень электропроводности при 25°С должен быть менее 0,75 мCм/См. Количество, ЕС и рН дренажной воды на протяжении всего периода выращивания растений отслеживает автоматизированная система контроля и анализа дренажа, а компьютерная программа синхронно увеличивает или уменьшает количество подаваемого раствора.
Еще один вариант оптимизации питания при выращивании растений на малообъемной гидропонике — внесение стартовых доз сухих минеральных удобрений при приготовлении субстрата. Обычно они используются в первый месяц вегетации, после чего можно переходить на применение питательного раствора. Например, торфяной субстрат «Гидропоника» для выращивания в защищенном грунте томата, перца, баклажана с системой капельного полива помимо древесной стружки лиственных пород содержит комплекс минеральных удобрений с благоприятным соотношением Са и Mg, в том числе микроэлементов в хелатной форме. Кроме того, для профилактики заболеваний, особенно корневой системы, и лучшего усвоения минеральных веществ в органические грунты вносят биопрепараты.
КАПЛЯ КАПЛЕ РОЗНЬ
Физико-химические параметры субстрата определяют тип полива. Сейчас наибольшее распространение получило капельное орошение, при котором вода и питательный раствор поступают в корнеобитаемую зону каждого растения. Оно включает ирригационную сеть, снабженную системой электроклапанов и контроллеров, капиллярные трубки, оборудованные регуляторами давления, и подведенные к каждому растению пассивные капельницы либо регулируемые спринклеры. Частота и конкретный дозированный объем полива управляются компьютерной программой. Сама система имеет давнюю историю, но ежегодно рынок данного оборудования предлагает модели улучшенной конструкции, состоящие из новых материалов. К сожалению, независимые краш-тесты капельниц и других звеньев системы полива от разных компаний не проводят. В итоге существует мало сравнительных данных о производственной эффективности капельных систем с учетом их конструкции и материала, из которого они изготовлены. При этом данные параметры напрямую влияют на полноценное питание и полив растений, сложность водоподготовки, состав используемых питательных растворов, длительность промывки капельной системы, срок эксплуатации и возможность вторичного использования дренажного раствора, включая его дезинфекцию. По этой причине практически данные экономической оценки разных моделей отсутствуют.
РАЗБИРАЕМСЯ В ТИПАХ
Содержание питательных веществ в оптимальном количестве важно балансировать с освещением, поскольку свет — один из незаменимых факторов роста и развития растений. Эволюция соответствующих устройств за минувшие полвека огромна. Еще некоторое время назад основные споры тепличных комбинатов касались надежности ламп и светильников, отведения от них тепла, режима досвечивания. Сейчас же с развитием светодиодного LED-оборудования речь идет о подборе спектра излучения не только с учетом естественной сезонной освещенности и фазы развития растения — рассада, вегетация, плодоношение, но и для конкретной культуры с учетом ее потребности в углекислоте, требуемых параметров качества продукции и сроков поступления на рынок. Более того, светодиодные системы позволили помимо верхнего света организовать локальное освещение междурядий и стеллажей, в результате чего листья работают на всех ярусах стебля. При этом для каждого используются определенные светильники, например Ecoled-Bio F-Matrix, ДСП08 для верхнего размещения, а Levella, Flasher, Skeleton — в зоне растений, в том числе для стеллажного выращивания и сити-ферм. Также важно учитывать, что выпускаются биколорные и полноспектральные светодиодные фитосветильники, которые могут быть снабжены специальными линзами и охлаждающими радиаторами. При этом одна компания может изготавливать лампы для круглогодичного выращивания светолюбивых культур, например Lumspace Bio 400W, досвечивания большинства растений — Lumspace Bio 200W, либо для узкого диапазона видов, причем на ограниченной площади — порядка 4, 6 или 8 кв. м.
Со светодиодными светильниками успешно конкурируют металлогалогенные фитолампы. Они энергоэффективные, экономичные, устойчивые к высоким температурам, имеют хороший уровень цветопередачи, диапазон мощностей, длительный срок службы. Однако их отличает ряд существенных недостатков — высокая цена, низкая ремонтопригодность, потребность в особых условиях утилизации, опасность взрыва при резких скачках напряжения. Впрочем, для ряда культур и типа тепличных строений остаются актуальными натриевые фитолампы мощностью от 400 Вт, поскольку они дают верхний свет, довольно близкий к естественному солнечному излучению.
ОТ ЛЮКСОВ К ЛЮМЕНАМ
При выборе типа освещения необходимо учитывать, что разным культурам требуются неодинаковые спектры, причем следует проводить экономически обоснованный расчет длительности, интенсивности, качества подаваемого света. Смена его источника привела и к изменению оценочных параметров: кроме силы светового потока, измеряемого в люксах, и мощности в ваттах при расчете оптимального излучения нужно учитывать световой поток в люменах и его силу в канделах. Также в понятийный аппарат производителей вошли термины PAR, или ФАР, — фотосинтетически активное излучение в Вт/кв. м в диапазоне 400–700 нм, PPFD — плотность фотосинтетического фотонного потока, измеряемая в микроль фотонов на квадратный метр в секунду, а также PFD — плотность фотонного потока в области 300–800 нм.
За последние годы светильники стали легче, начали слабо влиять на температуру воздуха и нагрев растений, поэтому их возможно устанавливать на лотки, тросы, шинопроводы. В связи с этим приходится делать выбор оптимального LED-оборудования по соотношению цены, функционала, срока эксплуатации. Впрочем, большинство компаний, которые производят фитолампы, предоставляют услугу бесплатного просчета светильников и элементов крепления, то есть так называемый светотехнический расчет, с учетом конкретного набора выращиваемых культур.
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Сегодня один из наиболее сложных вопросов отрасли заключается в системах управления температурой, влажностью субстрата и воздуха, концентрацией углекислого газа, причем на разных уровнях тепличного сооружения. Этот арсенал датчиков постепенно меняется и совершенствуется. Некоторое время назад приходилось устанавливать отдельные контроллеры для управления вентиляцией, температурой, влажностью, углекислотной подкормкой. Сегодня же используются многоканальные устройства для регулирования микроклимата, например Asthor для контроля за температурой, влажностью, управления режимами вентиляции, CO2, освещения, работы туманообразователя. Устройства Clinvertec Series и Ulma подходят для измерения температуры, влажности, режима CO2. Также доступно оборудование ТВСО2Рег-3А-5Р, ТВРег-2А-4Р от ООО «Автоматика Сервис», подходящее для выполнения обозначенных задач.
Еще больше возможностей и в то же время вопросов создают системы регулирования микроклимата и комплексные программы общего управления ростом и развитием растений, в том числе позволяющие удаленно следить за ситуацией на конкретном участке теплицы. В этом направлении также отсутствуют данные испытаний и сравнения различных программ в равных условиях, что создает зону экономической неопределенности для бизнеса. Наверное, такие исследования стоит проводить, хотя бы на базе ведущих вузов страны.