Эколого-биологическое обоснование использования ковдорского вермикулита в гидропонном растениеводстве в условиях крайнего севера 03. 02. 08 экология

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

доктора биологических наук

Петрозаводск - 2012

Ведущее учреждение: ФГАОУ ВПО Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Защита состоится "07" ноября 2012 г. в 14 час. на заседании диссертационного совета Д.212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33, эколого-биологический факультет,
тел., факс – 8(8142)763864.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета, с авторефератом  на сайте www.petrsu.ru.

Автореферат разослан " " октября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат биологических наук: Лябзина С.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В современных условиях растениеводства важен поиск и применение новых эффективных способов выращивания растений, которые бы гарантировали оптимальный рост растений, обеспечивали человечество питанием и не нарушали экологического равновесия на Земле (Гэлстон и др., 1983).

По оценкам экологов и экономистов мира, в ближайшее время в связи с глобальными изменениями климата на планете, ростом цен на энергоносители, загрязнением и оскудением почв, предназначенных для растениеводства, гидропонное выращивание растений станет ведущим способом культивирования, позволяющим переориентироваться на создание индустриального растениеводства нового типа и современных биотехнологий производства высококачественной растениеводческой продукции в условиях строгого соблюдения основных требований охраны естественных ресурсов природы (Рождественский, 1965; Русаков, Русакова, 1980).

Уже сегодня в России и за рубежом в производственных условиях достигнуты значительные успехи при выращивании растений на искусственных субстратах, которые, обладая рядом ценных агрофизических свойств, не способны выдержать многолетнюю эксплуатацию в гидропонном производстве. Это приводит к их химическому и биогенному вырождению, изменению характеристик и созданию неразрешимых экологических проблем, связанных с утилизацией отходов (Рамад, 1981). Проблема поиска более совершенных гидропонных субстратов, которые могут заменить такую сложную природную среду, как почва, и обеспечить безотходное производство высококачественной сельскохозяйственной продукции, остается актуальной.

Все северные территории мира отличаются дефицитом почвенных ресурсов и их бедностью, а также трудоемкостью и дороговизной мероприятий, направленных на повышение плодородия местных почв (Берсон, 1979). Однако только на Кольском Севере открыто и разрабатывается богатейшее в мире Ковдорское месторождение вермикулита (Доклад о состоянии и охране…, 2008). Среди почвозаменителей естественного происхождения субстраты на основе глинистого минерала вермикулита привлекают особое внимание растениеводов. Этот минерал как гидропонный субстрат интенсивно изучался в 1960-1970-е годы, и доказана перспективность использования вермикулита Наткруитского (Южная Африка), Потанинского (Россия, Урал) и Кокшаровского (Россия, Дальний Восток) месторождений для выращивания растений (Бентли, 1965; Логинов, 1970; Бойко и др., 1979). Для ковдорского вермикулита характерна высокая вариабельность физико-химических свойств, что потребовало специального дифференцированного подхода к разработке технологии его применения в растениеводстве. Большие запасы на Кольском Севере вермикулитовых руд, недостаточная изученность вермикулита как субстрата для гидропонного выращивания растений предопределили актуальность исследований.

1. 
   Изучить физико-химические аспекты трансформации ковдорского вермикулита в процессе создания и эксплуатации гидропонных субстратов.
   
2. 
   Разработать специализированное инновационное оборудование для получения современных вермикулитовых субстратов (электрообжиговый агрегат) и организации высокоэффективного беспочвенного выращивания растений в защищенном грунте (гидропоникум).
   
3. 
   Изучить особенности минерального питания декоративных и овощных культур в условиях вермикулитопоники с целью создания максимальных урожаев качественной продукции.
   
4. 
   Изучить особенности роста, развития и продуктивности растений в зависимости от продолжительности использования вермикулитового субстрата в условиях защищенного грунта на Кольском Севере.
   
5. 
   Разработать и апробировать научно обоснованные технологии выращивания декоративных и овощных культур на вермикулитовом субстрате в защищенном грунте.
   
6. 
   Разработать и апробировать инновационные гидропонные экспресс-технологии создания высокоустойчивого растительного покрова для озеленения и рекультивации техногенно-нарушенных территорий.
   
7. 
   Оценить экономическую эффективность гидропонного растениеводства для условий Крайнего Севера с использованием вермикулита Ковдорского месторождения.
   

Гидропонное выращивание растений на вермикулитовых субстратах в условиях защищенного грунта Кольского Севера в сочетании со сбалансированным минеральным питанием, рядом инновационных агротехнических приемов выращивания является современным высокоэффективным, наиболее управляемым и научно регулируемым способом выращивания растений.

Вермикулитопоника – один из способов сохранения естественных природных комплексов путем возвращения в природную среду, ранее изъятого ее фрагмента (минерала вермикулита) в нетоксичном состоянии.

Научная новизна. Впервые дано эколого-биологическое обоснование использования ковдорского вермикулита для создания высокопродуктивного гидропонного растениеводства в условиях Кольского Севера.

На основании исследований физико-химических свойств ковдорского вермикулита впервые разработаны субстраты, по всем параметрам соответствующие требованиям гидропонного растениеводства.

Разработана дифференцированная система минерального питания для вермикулитопоники в условиях северного растениеводства.

Впервые разработана, апробирована и внедрена безотходная технология полного цикла использования вермикулита в растениеводстве.

Разработана инновационная технология «Ускоренное формирование растительного покрова на отходах обогащения апатитовых руд» (вошла в «Важнейшие результаты исследований РАН в 2011 г.» и отмечена Почетным дипломом за научные достижения).

Практическая значимость. Впервые разработана и внедрена в производство инновационная полезная модель – трубчатая наклонная печь (пат. № 55110) для создания на ней высококачественных модифицированных гидропонных субстратов нового поколения марки Випон (а. с. № 329074) из минерала Ковдорского месторождения (Россия).

Впервые разработан, апробирован и внедрен инновационный подход к формированию высококачественных растительных сообществ для оптимизации и оздоровления окружающей среды (ландшафтов) запатентованными экспресс-способами: настилом ковровой травяной дернины (пат. № 2393665), прямым посевом (Pub. No.: WO/2011/084079. International Application No.: PCT/RU2010/000001), применением многокомпонентной озеленительной (минерально-растительной) смеси (заявка № 2011127457), основанными на комплексном использовании вермикулитового субстрата и местных популяций многолетних травянистых растений.

Определены и экономически обоснованы с учетом регионального аспекта принципы создания экологически чистого, высокопродуктивного, адаптированного для вермикулитовых субстратов, конкурентоспособного гидропонного производства сельскохозяйственной продукции.

Полученные результаты использованы:

- в комплексных опытно-промышленных испытаниях при рекультивации различных категорий нарушенных земель;

- в оранжереях производственных и ведомственных предприятий Мурманской области, что подтверждено Актами о внедрении (Приложения 32-40);

- при создании зонального ассортимента оранжерейно-срезочных и комнатных растений для круглогодичного получения цветочной продукции в условиях Заполярья (Приложение 41);

- в работе многофункциональных малых предприятий – ООО «ВИПОН» (2004-2009 гг.) и ООО «САБРУС» (2010-2012 гг.) в России, «Wikin Gress» (2012 г.) в Норвегии;

- в проекте по освоению месторождения металлов платиновой группы (Федоровы тундры) (2008 г.);

- при разработке инновационной технологии производства биокапсулированных семян кукурузы (Москва, предприятие «Моссельхоз», 2006).

Для практики северного растениеводства издано 2 препринта, выпущено 13 Информационных листков Мурманского межотраслевого территориального ЦНТИ с практическими рекомендациями и технологиями по беспочвенному выращиванию растений.

Личный вклад автора состоит в разработке программы и определении основных направлений исследования, организации и личном участии в проведении экспериментов, анализе и обобщении полученных результатов, разработке зонального ассортимента оранжерейно-срезочных культур, инновационных технологий выращивания растений и предложений по их практической реализации.

Исследования выполнялись по 6 плановым госбюджетным тематикам НИР Федерального государственного бюджетного учреждения науки Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н.А. Аврорина Кольского научного центра РАН (ФГБУН ПАБСИ КНЦ). Полученные результаты использовались при проведении ряда хозяйственных договоров. Часть экспериментов и публикаций выполнена при финансовой поддержке Отделения общей биологии РАН, Президиума РАН, Программы Президиума РАН № 44 «Биологическое разнообразие», Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, ОАО «Кольская горно-металлургическая компания», ООО «Випон», ООО «Сабрус», ООО «Системы промышленной безопасности».

Отдельные результаты исследований были представлены в экспозициях ВДНХ СССР: «Наука – промышленному цветоводству» (1976), «Наука – производству» (1979), где отмечены 2 бронзовыми медалями, а также на ежегодных всероссийских выставках отечественных товаропроизводителей «Имандра» (Апатиты, 2003-2008), всемирной выставке "Copenmind – 2008", (Копенгаген), I региональной выставке «Мурманская область: вчера, сегодня, завтра» (Мурманск, 2008).

Инновационная продукция: проект «Випон» – победитель Всероссийского конкурса «СТАРТ-04» (Санкт-Петербург, 2004); проект «Экспериментальная рекультивация нефтезагрязненных грунтов и земель в условиях Крайнего Севера с применением технологии рулонных газонных покрытий на основе субстрата Випон», представленный на Международном конкурсе инновационных проектов в рамках Международной программы «Golden Galaxy», награжден золотой медалью «Innovations for investment to the future» (2009) Американо-Российского центра международного делового сотрудничества (ARBU).

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 работ. Наиболее значимые приведены в автореферате, в том числе в рекомендованных ВАК изданиях (12 статей в центральных журналах, 6 патентов и 2 свидетельства, 6 работ, депонированных в ВИНИТИ, 22 статьи в Материалах всероссийских и международных конференций и симпозиумов), 5 монографий.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, выводов, списка литературы и 42 приложений. Она изложена на 380 стр., включает 83 табл., 79 рис. Список литературы составляют 699 источников наименования, среди которых 84 иностранных.

Благодарности. Автор глубоко признателен своему первому учителю, инициатору гидропонного выращивания декоративных растений в Заполярье Ж.Ф. Онохиной, научному консультанту, академику РАН, профессору Б.А. Ягодину, выражает особую благодарность за оказанную поддержку, внимание и помощь д.б.н. В.И. Костюку. Автор искренне признателен с.н.с. В.А. Костиной за определение дикорастущих видов сосудистых растений.
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Глава 1. Обзор литературы

Представлены данные по истории становления и развития беспочвенного способа выращивания растений начиная с XVI века и до настоящего времени, приведена современная классификация методов гидропонного выращивания растений (Берсон, 1964; Чичев, Микая, 1983; Ирригация…, 2006). Отмечено, что стимулом в развитии отечественной гидропоники послужило открытие в 1960-е годы месторождений вермикулита (Климашевский и др., 1969). Приведена характеристика ковдорского вермикулита, отмечены особенности его использования в гидропонике (Переверзев, 1965; Ахтямов и др., 1969; Боровиков, 1969). Сделан анализ литературы по биологии, особенностям выращивания, ассортименту декоративно-цветочных и овощных растений, включенных в настоящую работу (Котовщикова, 1975; Сааков, 1983; Звиргздыня, 1984; Кочнева, 1979). Рассмотрены возможности управления процессами роста и развития этих видов для организации высокоэффективного северного гидропонного растениеводства (Артюшенко, 1970; Samels, 1977; Hurka, 1986; Klinkan, 1990). Проанализировано современное состояние и проблемы антропогенно-трансформированных земель на Кольском полуострове, опыт озеленительных и биорекультивационных работ (Любимова, Медведев, 1970; Переверзев, Подлесная, 1986). Выявлены основные проблемы в области северного растениеводства защищенного грунта, восстановления нарушенных территорий и современные пути их решения (Мантрова, 1981; Евдокимова и др., 2010).

Исследования проводились в период с 1975 по 2011 гг. в Мурманской области (67^°30^׀ – 69^°57^׀ с.ш. и 33^°40^׀ – 41^°26^׀ в.д.) в гидропонных теплицах ПАБСИ КНЦ РАН, на модельных опытных площадках, находящихся в Хибинском горном массиве, на опытных площадках около городов Кировск, Апатиты, Мончегорск, Мурманск.

Агроклиматические условия Мурманской области характеризуются коротким вегетационным периодом, низкими среднемесячными температурами, краткостью безморозного периода, возможностью заморозков даже в июле, бедностью местных почв питательными веществами. Заполярное положение региона определяет колебания продолжительности дня от 0 (полярная ночь зимой) до 24 часов (полярный день летом) (Барановская и др., 1969; Головкин, 1973; Зюзин, 2006). Это создает неблагоприятные условия для культивирования растений как в открытом, так и защищенном грунте.

Теплицы ПАБСИ (типовой проект Гипронисельпрома) оснащены гидропонными установками, специально разработанными для использования искусственных субстратов. Для освещения используются дуговые ртутные люминесцентные лампы марки ДРЛ-450, температура воздуха в теплицах поддерживается при помощи центрального отопления (сентябрь-май) или электрообогрева (июнь-август). Влажность воздуха регулируется увлажнением дорожек и опрыскиванием растений водой.

В работе использован минерал вермикулит Ковдорского месторождения. Исследования выполнены на 7 видах вермикулитового субстрата: обожженном в год исследования, после 5, 15 лет использования и

В защищенном грунте исследованы 7 видов (27 сортов и гибридов) растений: многолетние декоративно-цветочные культуры – альстремерия гибридная (Alstroemeria hybrida hort.) 3 сортов (Регина, Староза, Ставита), гербера гибридная (Gerbera hybrida hort.) 8 сортов (Лелде, Зелтене, Микус, Яутрите, Айме, Томс, Айра, Дарта), гиппеаструм гибридный (Hyppeastrum hybridum hort.), зантедешия эфиопская (Zantedeshia aethiopica (L.) Spreng. 4 сортов (Николаи, Штутгартская жемчужина, Литл Джем, Гигант), кринум Мура (Crinum moorei); овощные культуры – огурец посевной (Cucumis sativus L.) 9 партенокарпических гибридов (ТСХА 379, 805, 138, 40, 98, 194, Арбента, Вирента, Зозуля), томат обыкновенный (Lycopersicon esculentum Mill.) 5 индетерминантных высоко- и среднерослых раннеспелых гибридов (Русич, Верлиока, Портленд, Тортилла, Рококо).

В экспериментах в условиях открытого грунта использовалось 12 видов травянистых растений (мятлик луговой (Poa pratensis L.), овсяница красная (Festuca rubra L.), райграс пастбищный (плевел многолетний) (Lolium perennt L.), волоснец песчаный (Leumus arenarius (L.) Hochst., Elymus arenarius L.), клевер белый (ползучий) (Trifolium alba L.), клевер луговой красный (Trifolium repens L.), фестулолиум изумрудный (Festulolium smaragdinum), кострец безостый (Bromus inermis Leyss.), тимофеевка луговая (Phleum pratense), мать-и-мачеха (Tussilago farfara L.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Web. ex Wig.), иван-чай (Chamaenerion anqustifolium (L.) Scop.).

Работы по рекультивации выполнены на локальных нарушенных территориях Мурманской области: действующем апатитонефелиновом хвостохранилище АНОФ-2 ОАО «Апатит», модельных нефтезагрязненных участках экспериментального полигона ООО «ОРКО-ИНВЕСТ».

Аналитическая работа выполнена в специализированных аккредитованных лабораториях ФГБУН КНЦ РАН и ОАО «Кольский геологический информационный лабораторный центр» (г. Апатиты, Мурманская область), в ФГУ «Центр лабораторного анализа и технических измерений по Мурманской области» (г. Мурманск). Показатели анализировались в соответствии с действующими ГОСТами и ОСТами.

Методами рентгенофазового и термогравиметрического анализа исследованы исходный природный и отработанный в течение 15 лет в гидропонике образцы вермикулита, а также указанные образцы после их обжига при температуре 625°С, определено содержание доступных макрокомпонентов и тяжелых металлов, измерены показатели, характеризующие влияние вермикулита на водный и воздушный режимы почвенного субстрата. Установлено отсутствие существенной трансформации кристаллической структуры вермикулита в процессе эксплуатации. В частности, по сравнению с характерным базальным рефлексом исходного вермикулита (d=14.4 Å) у отработанного вермикулита наблюдается некоторое изменение величины этого отражения в результате протекания процессов ионного обмена (d=13.2 Å) и упорядочения в переслаивании флогопитовых и вермикулитовых пакетов (d=12.0-12.4 Å), что не может оказывать заметного влияния на эксплуатационные свойства субстрата. В то же время технологические свойства термовермикулита после 15-летней эксплуатации в защищенном грунте претерпевают изменения: насыпная плотность термовермикулита увеличивается в 3.5 раза, а влагоемкость снижается в 2 раза (табл.1). Данные изменения обусловлены в меньшей степени механическим истиранием (80% увеличения плотности) и в большей степени регидратацией (еще 200%). Субстрат дает усадку, в нем накапливается большое количество трудноизвлекаемых растительных остатков, в связи с чем требуется его замена.

Таблица 1 – Технологические характеристики образцов вермикулита

Номер образца	Насыпная плотность, г/см3	Коэффициент вспучивания	ППП, %	Водопоглощение, %	Гигроскопичность, %
1	0.65	5.9	17.4	13	1.5
2	0.11	5.9	8.3	209	6.0
3	0.40	2.2	12.4	93	5.6
4	0.18	2.2	8.0	130	5.0
Примечания. 1 – минерал вермикулит, 2 – «термовермикулит» (вермикулит после обжига), 3 – «термовермикулит» после 15-летнего использования в гидропонике, 4 – отработанный в гидропонике «термовермикулит» после повторного вспучивания.

Отработанный вермикулит обладает способностью повторно вспучиваться (коэффициент вспучивания 2.2), что закономерно меньше по сравнению с исходным вермикулитом (коэффициент вспучивания 5.9). Потери при прокаливании при 1000°С вспученных образцов отличаются незначительно (8.3 и 8.0%), это свидетельствует о сохранении структуры трехслойных талькоподобных слоев. Существенного изменения химического состава в процессе эксплуатации не происходит. Естественный химический состав и структурированность отработанного вермикулита дают возможность дальнейшего его использования в качестве разрыхлителя почвы.

Следует отметить, что характеристики образцов вермикулита соответствуют либо близки к нормативным требованиям по содержанию тяжелых металлов (ТМ). По сравнению с другими образцами концентрация ТМ в доступной форме несколько выше в отработанном вермикулите, для которого наблюдается незначительное превышение нормы по никелю (5 мг/кг) и хрому (7 мг/кг) и существенное – по цинку (35 мг/кг). После обжига в образце уменьшается концентрация доступных и кислоторастворимых форм цинка и никеля, что можно объяснить выгоранием органических примесей – растительных остатков, содержащих данные компоненты. Содержание углерода в образце 3 составляет 0.66%, в образце 4 – 0.05%, что подтверждает высказанное выше предположение. Содержание меди и кобальта в образцах меньше предела обнаружения (5 мг/г).

Таким образом, полученные результаты изучения физико-химических свойств ковдорского вермикулита в процессе многолетней эксплуатации в гидропонике позволяют говорить
об относительной инертности термовермикулита, о возможности его применения для создания сбалансированного минерального питания при длительном выращивании растений. Вермикулитовый субстрат, не пригодный для дальнейшего использования в защищенном грунте, но обладающий уникальным комплексом физико-химических и биологических свойств, может быть возвращен
в природную среду в качестве нетоксичного материала, улучшающего структуру почвы. Это дает основание считать гидропонную технологию с использованием вермикулита безотходной и экологически безопасной (рис.1).

3.2 Создание вермикулитовых субстратов нового поколения марки Випон

Для производства вермикулитовых субстратов с высокими качественными показателями (хорошей вспучиваемостью, высокой механической прочностью, благоприятным для выращивания растений уровнем рН водных суспензий) важно знать оптимальный режим обжига вермикулита.

Выявленные закономерности изменения физико-химических свойств ковдорского вермикулита, происходящие под воздействием высокотемпературного обжига, были использованы нами при разработке инновационной полезной модели «Трубчатая наклонная печь для обжига вспучивающихся материалов» (патент № 55110) и технологии производства на ней высококачественных сертифицированных вермикулитовых субстратов марки Випон в 4 модификациях, а также технических условий (ТУ № 5722-00171890440-06), технических инструкций (ТИ № 5722-00171890440-06) и рекомендаций по их применению в растениеводстве.

Субстраты Випон создавались с учетом экологических, агрохимических, технологических и экономических требований. Содержание химических элементов в субстратах, в зависимости от фракции, составляет, %: Mg – 14.7-15.6, Fe – 3.4-3.7, Ca – 0.2-0.3, K – 0.2-0.3, P – до 0.05, Mn, Ni, Co –- 0.05, Zn – 0.007-0.01, Cu – 0.001, Mo, Cd, Pb – <0.001, As – <0.005, HgО – 0.00048. Они универсальны, экологичны (стерильны, не радиоактивны, в них отсутствует канцерогенный компонент – асбест), легки (0.15-0.55 г/м³), характеризуются гармоничным сочетанием полезных для выращивания растений свойств, выгодно отличающих их от других современных гидропонных субстратов и почвы: высокая воздухо- и влагоемкость, буферность, механическая прочность, относительная химическая инертность, не требующая специальной обработки, оптимальная для выращивания растений величина рН (6.5-7.0). Эти свойства обеспечивают успешную замену других типов субстратов, устойчивость при длительной эксплуатации, сокращение расхода воды для полива, дозированное и полное использование минеральных элементов.

3.3 Особенности использования вермикулитовых субстратов в гидропонике

С развитием технического прогресса и гидропоники в мире множится число разнообразных, конструктивно отличных друг от друга гидропонных установок (гидропоникумов). Среди них имеются небольшие для частного использования и крупные, промышленного назначения. Для эксплуатации вермикулитовых субстратов в соответствии с его особенностями нами разработана специализированная универсальная многомодульная установка, работающая в полуавтоматическом режиме, простая в изготовлении и обслуживании. Она может применяться в разных типах теплиц, в том числе, предназначенных для современной многоярусной узкостеллажной гидропоники. В ее основе ирригационная (методом подтопления) система орошения. Достоинство разработки заключается в ее экологичности, позволяющей использовать единожды приготовленный объем питательного раствора полностью, без выброса неиспользованных остатков в канализацию, свойственного другим видам гидропоники и нарушающего природную среду.