Способ фотостимуляции растений в теплице Российский патент 2018 года по МПК A01G7/04 A01G9/20 

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)

Недостатком известного способа является обязательное использование мощных ламп с высокой плотностью излучения (от 50 Вт/м² 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.

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 5×10^-3 до 10^-10 с, 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/см², 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.

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/м², разовыми дозами в пределах 50-120 Дж/м², в течение 3-20 секунд с периодичностью 1 раз в 1-4 суток.

Снижение плотности излучения меньше 3 Вт/м² не приводит к заметному увеличению АКФ, а превышение 25 Вт/м² чрезмерно увеличивает АКФ, что негативно влияет на растения.

Снижение разовой дозы ультрафиолетового излучения меньше 50 Дж/м²не влияет на повышение урожайности из-за недостаточного увеличения ПОЛ, а превышение разовой дозы свыше 120 Дж/м²является 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/м²) 5 5 10 10 10 20 20 Время обработки (сек) 12 12 6 12 6 6 6 Доза (Дж/м²) 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/м²) 10 2 10 20 Время обработки (сек) 6 60 24 6 Доза (Дж/м²) 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/м²) Томат сорта «Бычье сердце» Урожайность (кг/м²) 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.

На стадии хранения (бумажные пакеты, температура +4^о, 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.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. В способе облучают растения в теплице в ультрафиолетовом УФ-С диапазоне длин волн. Облучают в течение всего времени вегетации со средней плотностью мощности при разовом облучении 3-25 Вт/м² разовыми дозами в пределах 50-120 Дж/м² в течение 3-20 секунд с периодичностью 1 раз в 1-4 суток. Способ позволяет увеличить урожайность и сроки хранения плодов. 3 табл.

Способ фотостимуляции растений в теплице путем облучения растений в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, отличающийся тем, что 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/м² разовыми дозами в пределах 50-120 Дж/м² в течение 3-20 секунд с периодичностью 1 раз в 1-4 суток.