Гидропоника: изучение инновационных устойчивых технологий и их применения в растениеводстве с упором на выращивание миниклубней картофеля

Гидропоника: изучение инновационных устойчивых технологий и их применения в растениеводстве с упором на выращивание миниклубней картофеля

Существует настоятельная необходимость в изучении устойчивых к изменению климата альтернативных систем сельскохозяйственного производства, которые фокусируются на устойчивости, эффективности использования ресурсов и борьбе с болезнями. Гидропоника, система беспочвенного возделывания, вызывает все больший интерес, поскольку снижает зависимость от сельскохозяйственных угодий и пестицидов и может быть внедрена в районах с плохим качеством почвы, тем самым смягчая негативные последствия экстремальных погодных явлений. Картофель является важнейшей пищевой культурой, выращиваемой во всем мире, и основным источником продовольственной безопасности в слаборазвитых странах. Однако из-за климатических изменений прогнозируется значительная потеря пригодности земель для выращивания картофеля, что приведет к снижению урожайности картофеля. В последнее время появилось множество тематических исследований, подчеркивающих прогресс сельскохозяйственных гидропонных систем, которые обеспечивают многообещающее решение для массового производства миниклубней картофеля с высокой эффективностью. В этом обзорном документе дается оценка популярных методов гидропоники и демонстрируется, как гидропоника стала универсальным, долгосрочным и устойчивым решением извечной проблемы недостаточного доступа к высококачественному семенному материалу картофеля. В статье обсуждаются возможности исследований и инноваций (таких как искусственный интеллект, наночастицы и стимулирующие рост растений ризобактерии), которые потенциально увеличивают производство клубней с растения при оптимальных условиях выращивания на гидропонике. Эти подходы рассматриваются с учетом новых научных открытий и практического применения. Кроме того, подчеркивается, что путем проведения значительных реформ в системах беспочвенного производства продуктов питания (особенно картофеля) можно решить проблему обеспечения продовольствием быстро растущего населения. Поскольку системы гидропоники продуктивны и легко автоматизируются без почвы и оптимальных условий окружающей среды, будущее гидропонического земледелия является многообещающим. В заключение, система гидропоники обеспечивает более высокий урожай и продуктивность сельскохозяйственных культур за счет экономии воды, энергии и пространства. Отныне гидропоника может стать альтернативным выбором для современного устойчивого сельского хозяйства.

Графическая аннотация

Общее описание функционирования гидропоники и прорывов в гидропонике для получения высококачественных картофельных клубней.

1. Введение

Устойчивые методы ведения сельского хозяйства защищают запасы продовольствия и земли, а также обеспечивают глобальную продовольственную безопасность за счет решения проблем, связанных с изменением климата. Гидропоника – это альтернативная система сельскохозяйственного производства, которая фокусируется на устойчивости к изменению климата, эффективном использовании ресурсов и выращивании культур без болезней [1]. В гидропонике вместо почвы растения напрямую получают богатый питательными веществами водный раствор, обеспечивающий их необходимыми элементами для роста. Этот метод имеет ряд преимуществ, включая лучший контроль за уровнем питательных веществ, более эффективное использование воды и возможность выращивать растения на участках с плохим качеством почвы [[1], [2], [3]].

Картофель (Solanum tuberosum L) является важнейшей сельскохозяйственной культурой, используемой во всем мире из-за своей питательной ценности [4]. После пшеницы, риса и кукурузы это четвертый по значимости сельскохозяйственный товар [5]. Картофель – однолетнее травянистое растение, выращиваемое в умеренном климате. Было установлено, что он произрастает в высокогорьях Анд в Южной Америке и относится к семейству пасленовых. На сегодняшний день картофель считается одной из самых ценных основных сельскохозяйственных культур и овощей, поскольку их выращивание относительно недорого и они богаты питательными веществами. Свежий картофель содержит 75-80% воды, 2,5-3,2% белка, 16-20% углеводов, 0,8–1,2% минералов, 0,6% сырой клетчатки, 0,1–0,2% сырых липидов и определенные витамины. Несмотря на низкое содержание белка, он обладает более высокой питательной ценностью, чем злаки [6]. Кроме того, в ее состав входят такие аминокислоты, как изолейцин, лейцин и триптофан [7].

Всеобщая привлекательность и признание картофеля вне культурных границ предполагает, что он может сыграть определенную роль в глобальных усилиях по искоренению голода. Однако для удовлетворения растущих потребностей растущего населения необходимо повысить эффективность производства. Во многих странах стоимость выращивания семенных клубней может составлять до половины общих затрат на сбор урожая и переработку, что создает серьезную проблему для картофелеводства [8]. Выращивание миниклубней является фундаментальным подходом к производству семян картофеля, поскольку оно обеспечивает быстрое размножение проростков in vitro узловыми черенками в полевых условиях для размножения картофеля [9]. Миниклубни размером от 5 до 25 миллиметров собирают круглый год. Укоренившиеся микрорастения растут в оптимальных условиях для получения миниклубней и размножаются в течение нескольких поколений для получения семенного картофеля. Критические факторы, которые можно изменить на этапе производства миниклубней, включают 1) количество миниклубней на единицу площади, 2) количество миниклубней на проросток in vitro и 3) урожайность миниклубней с проростка, 4) средний вес миниклубней и 5) урожайность миниклубней с единицы площади [10].

В большинстве развивающихся стран специалисты традиционно использовали различные питательные среды, такие как смеси перлита, торфяной мох или голую почву для выращивания миниклубней картофеля. Наиболее существенным ограничением использования почвы в качестве питательной среды является сложность борьбы с сорняками и распространенность болезней [11]. Однако экономические последствия беспочвенного земледелия в качестве замены значительно возрастают, поскольку оно снижает обеззараживание почвы и повышает эффективность использования воды [12]. Гидропоника, беспочвенная система, недавно привлекла исследователей к преодолению ограничений, с которыми сталкиваются при традиционном почвенном выращивании, поскольку ее можно использовать для производства сельскохозяйственных культур независимо от почвенных условий. Гидропонные системы, помимо получения миниклубней без болезней, могут обеспечить многократный урожай семенного картофеля по сравнению с традиционными методами [13,14].

Соответственно, целью этого обзора является анализ основных вопросов, связанных с гидропонными системами, и определение перспектив их использования в полевых условиях с учетом того, что недавно было доказано, уделяя особое внимание производству миниклубней картофеля. С научной точки зрения в статье рассматриваются два фактора (питательные вещества и субстрат), которые были тщательно изучены, но все еще нуждаются в дополнительном изучении, поскольку эта информация имеет решающее значение для улучшения управления приобретением питательных веществ в беспочвенных системах. Кроме того, интеллектуальное сельское хозяйство может позволить фермерам использовать передовые технологии, такие как искусственный интеллект (ИИ), наночастицы (NPS), стимулирующие рост растений ризобактерии (PGPR) и аэропоника [15].

1.1. Переход от почвенной системы производства к беспочвенной

Засуха, непредсказуемая погода, загрязненные источники воды и недостаточное питание сельскохозяйственных культур вынудили производителей искать альтернативы почвенному земледелию (Таблица 1). В ответ на это производители в течение последних нескольких десятилетий использовали беспочвенное земледелие, революционный метод возделывания сельскохозяйственных культур, позволяющий преодолеть недостатки, с которыми сталкивается почвенное возделывание [16]. По сравнению с почвенным выращиванием беспочвенный метод считается более безопасным, поскольку он содержит меньше болезнетворных микроорганизмов и вредителей, переносимых почвой, или вообще не содержит их. При беспочвенной системе выращивание происходит в питательном растворе или специально подобранном субстрате для выращивания, включающем минералы [2]. Выращивание зависит от использования надлежащего оборудования, и выращиваемые культуры могут давать более высокие урожаи при надлежащем управлении системой. Беспочвенная культура может помочь точно контролировать состояние корневой системы, улучшая производство и качество (Таблица 1).

Таблица 1. Характеристики традиционного почвенного земледелия и беспочвенного земледелия.

Пустая ячейкаХарактеристики
Пустая ячейкаТрадиционное почвенное земледелиеБеспочвенное земледелие
Производство•Урожайность – зависит от условий почвы и обработок•Надлежащая производственная практика – зависит от почвы и навыков управления•Санитария – вода низкого качества создает риск загрязнения•Урожайность – чрезвычайно высокая при плотном возделывании культуры•Надлежащая производственная практика – зависит от снабжения растений питательными веществами•Санитария – риск загрязнения меньше
Питательные вещества•Распространение – зависит от качества почвы• Эффективность использования – хорошая•Распределение – подача питательных веществ обеспечивается в корневую зону. Требуется мониторинг и дополнительные навыки обращения•Эффективность использования – нет вымывания и, следовательно, питательные вещества распределяются равномерно
Использование воды•Эффективность – зависит от почвенных условий• Засоление – накопление соли•Эффективность – подача воды контролируется с помощью датчиков•Засоление – промывка солью увеличивает потребность в воде
Руководство•Рабочая сила и оборудование – необходимы для вспашки и сбора урожая•Рабочая сила и оборудование – требуются квалифицированные специалисты и дорогостоящее оборудование

1.1.1. Беспочвенные методы получения миниклубней картофеля

Традиционным подходом к получению миниклубней (также известных как предпосевной семенной картофель) является использование метода, известного как клональное размножение, который включает многократное размножение образца, свободного от болезней. К сожалению, этот метод получения семян картофеля отнимает много времени, является дорогостоящим и неэффективным для предотвращения или уменьшения развития болезней у последующих поколений [17]. Микроразмножение с размножением in vitro, либо путем регенерации ростков, либо формирования микроклубней, является превосходной заменой клональному размножению [18,19]. Для микроразмножения используются стеблевые черенки, культуры тканей и — в последнее время — гидропоника. Это позволяет круглый год производить микроклубни, свободные от патогенов, в больших количествах. Аналогичным образом миниклубни производятся в контролируемых условиях с помощью беспочвенных субстратов, грядок, контейнеров и питательных растворов (гидропоника). Рис. 1 сравнивает различные процессы выращивания семян миниклубней.

Рис. 1. 
Сравнительный анализ различных процессов производства семян миниклубней

1.2. Гидропонные системы: типы и режим работы

Гидропоника – это беспочвенная агропроизводственная система, широко подходящая для выращивания тепличных культур. Гидропоника – одна из быстрорастущих областей сельского хозяйства и может стать альтернативным выбором для устойчивого ведения сельского хозяйства. Население мира растет быстрее, чем когда-либо прежде, и это привело к развитию гидропоники, потенциального метода выращивания овощей без почвы в городах. Контролируемые условия, питательный субстрат и надежная опора прокладывают путь для развития систем гидропоники по всему миру, даже в агроклиматических зонах.

Коммерческие фирмы недавно активизировали свои усилия в области гидропоники, которая за последнее десятилетие выросла в пять раз и имеет мировую рыночную стоимость до 8 миллиардов долларов США [20]. По оценкам, мировой сектор гидропоники, по прогнозам, достигнет 17,9 миллиарда долларов к 2026 году [21]. Параметры окружающей среды, такие как растворенный кислород, концентрация питательных веществ, рН и температура, обычно влияют на рост гидропонных растений; следовательно, для мониторинга измерений в режиме реального времени необходимы датчики. Датчики электропроводности могут использоваться для контроля концентрации питательных веществ, поскольку увеличение содержания ионизированных питательных веществ увеличивает электрический ток [22]. С помощью гидропонной системы в развитых странах выращивается множество сельскохозяйственных культур для удовлетворения потребностей потребителей. Исследователи концентрируют свои усилия на физиологии всего растения картофеля, чтобы оптимизировать массивные гидропонные системы, используемые для коммерческого производства миниклубней, облегчая сбор физиологических и анатомических образцов для исследования.

Гидропонные системы могут быть закрытыми или открытыми в зависимости от используемой питательной среды и механизма циркуляции питательных веществ. Закрытые гидропонные системы не нуждаются в питательной среде. Однако со временем в этой системе может возникнуть дисбаланс питательных веществ, если его не поддерживать надлежащим образом [23]. Таким образом, гидропонные питательные растворы необходимо регулярно проверять, что усложняет управление ими из-за различных минеральных компонентов. В частности, при выращивании картофеля растения поглощают значительное количество калия (K) из питательного раствора, что приводит к диспропорции в содержании калия в растворе [24]. В отличие от этого, открытые системы постоянно перерабатывают, контролируют и регулируют концентрацию питательных веществ.

Несколько типов гидропонных систем различаются по схеме подачи воды / питательных веществ, среди которых наиболее популярными гидропонными системами являются глубоководное культивирование, фитильная система, приливы и отливы (или затопление и дренаж), технология создания питательной пленки (NFT) и капельная система (рис. 2). Аэропоника – это более сложный гидропонный метод, описанный далее в этом обзоре. Таблица 2 включает исследования по выращиванию миниклубней картофеля с использованием различных гидропонных технологий выращивания.

Рис. 2. 
Типы гидропонных систем (2a: Фитильная система, 2b: Капельная система, 2c: приливно-отливная система, 2d: система глубоководного культивирования (DWC), 2e: система технологии нанесения питательной пленки (NFT), 2f: Аэропонная система).

Таблица 2. Исследования по выращиванию миниклубней картофеля с использованием различных методов гидропонного выращивания.

Гидропонная техникаСортаСостояние конкретной системыВремя сбора урожая (дни)Количество миниклубней /
растения
Масса клубня в свежем виде (г)ПримечанияСсылка
Фитильная системаDejima8 горизонтальных фитилей928.7138.5Горизонтальные фитили показали лучший рост семенного картофеля, чем вертикальные[25]
Фитильная системаDejimaОбработка 8 фитилей / мультиварок (100 г / коробка)903.2538.2[26]
Капельная системаСпунта, леди Розетта и Гермес⁓107720Аэропонная система обеспечила более высокую производительность, а также меньшую себестоимость клубней на квадратный метр[27]
АэропоникаСпунта, леди Розетта и Гермес⁓1071825
Глубоководное выращиваниеАтлантический9063.8222 г / растениеБыло обнаружено, что при глубоководной культуре образуется наибольшее количество мелких клубней по сравнению с аэропонной и гидроаэропонной системами[28]
Превосходно90197 г / растение
Технология создания питательных пленокMonalisaЕдиный урожай9018.9825.07Количество клубней / растений в системе NFT было на 147% выше по сравнению с системами грядок и горшков.[29]
Технология создания питательных пленокCastrum1207.5Система NFT обеспечивала высокое количество клубней и их массу на растение[30]
АэропоникаHermesплотность посадки 25 растений / м2135 дней с несколькими сборами урожая22.73–8Система аэропоники дает в два-пять раз больше клубней на растение, чем обычная система.[14]
Sante25.73–8
АэропоникаАгата и МонализаНаблюдения за обоими сортами были приняты за средние значения в гидропонной системе⁓120 дней с несколькими сборами урожая49.36.8Наилучшие результаты показала система Aeroponic, а сорт Monalisa показал более высокую массу и диаметр в свежем виде, чем сорт Agata[31]
Технология создания питательных пленокАгата и МонализаНаблюдения за обоими сортами были приняты за средние значения в гидропонной системе⁓120 дней с несколькими сборами урожая39.56.2
АэропоникаAgata95 дней46.9Система Aeroponic показала наилучшие результаты[32]
Технология Fim с использованием питательных веществAgata95 дней34.8
АэропоникаAgataЭлектропроводность питательного раствора 2,2 дС∙м-195 дней33Плотность посадки и электропроводность раствора показали значительное влияние на производство семенного картофеля[33]
АстериксЭлектропроводность питательного раствора 2,1 дС∙м-195 дней20.4
АэропоникаДезире4915.555.32Система Aeroponic дает в 4,08 и 1,29 раза больше миниклубней, чем система с субстратом и комбинированием[34]
Kenebbec4911.997.61
Агрия4910.708.97
Клеопатра4910.526.36
Sinora4910.664.83
АэропоникаKachpot1плотность посадки 24 шт / м2⁓15022При аэропонике было получено в 8,5 раз больше миниклубней, чем при традиционной системе[35]
Викторияплотность посадки 24 шт / м2⁓15023.2
Uganda11плотность посадки 24 шт / м2⁓15041.5

1.2.1. Гидропоника с фитильной системой

Для гидропоники в помещении фитильный метод является наиболее простым. Система пассивна, и, поскольку в ней отсутствует водяной насос, она рассматривается как система самоподачи (рис. 2а) [36]. С помощью фитиля (обычно нейлонового) питательный раствор из резервуара капиллярным способом переносится в питательную среду. Гидропоника Wick была использована Кимом и др. [25] для изучения того, как количество фитилей влияет на развитие семенного картофеля и урожайность. Основной целью исследования было сравнить рост двух типов фитилей, горизонтального и вертикального, а также определить оптимальное количество фитилей, наиболее подходящих для производства семенного картофеля “Дэдзима” (Solanum tuberosum L.). Питательной средой, использованной в этом исследовании, была смесь перлита и торфяного мха 1: 2. При предварительной оптимизации питательной среды в системе wick Ким и др. [37] пришли к выводу, что система с перлитом и торфяным мхом является наиболее подходящей. От двух до десяти фитилей размещались горизонтально через отверстия в основании пенополистирольного ящика, а шесть фитилей – вертикально. Однако при использовании шести горизонтальных фитилей на одно растение образовывалось больше клубней, чем при использовании шести вертикальных, и средняя масса клубней снизилась. Но при увеличении количества фитилей до восьми средняя масса клубней увеличилась. Результаты показали, что восемь фитилей на коробку являются оптимальными для производства семенного картофеля “Дэдзима’. В исследовании, проведенном Кангом и Ханом [26], семенной картофель ‘Дэдзима’ выращивали в фитильной гидропонной системе, где проверялось влияние питательного раствора, NPK-удобрений и удобрений с контролем высвобождения, таких как osmocote, multicote и Magamp K, на производство семенного картофеля. Количество клубней на растение было самым высоким (3,25 клубня на растение) при мульчировании (100 г / коробка), тогда как самый высокий средний урожай клубней (38,4 г / клубень) наблюдался у растений, обработанных питательным раствором. Канг изучал урожайность рассады картофельных штанг в гидропонной системе wick [38]. Коммерческие смеси для выращивания, такие как Jeju scoria + cocopeat, Чеджудская скорлупа + перлит, перлит + кокосовое масло (1: 1 или 1: 2 по объему), перлит + торфяной мох и перлит + торфяной мох использовались для приготовления девяти различных типов питательных сред. Среди изученных сред результаты показали, что перлит + торфяной мох (1: 2) и чеджудская скорлупа + торфяной мох (1: 2) были наиболее подходящими для развития семенных клубней с использованием технологии фитильной культуры.

Основными факторами для рассмотрения этого гидропонического подхода являются эксплуатация без использования насосов, электричества или аэраторов с минимальными затратами на техническое обслуживание. Кроме того, поскольку она не использует электричество для транспортировки питательных веществ, ее можно использовать в местах, где электричество является серьезной проблемой [39]. Система фитилей подходит для трав, небольших растений и специй [23].

Несмотря на то, что система wick проста и доступна по цене, переработка питательных веществ невозможна, поскольку вода поступает к растениям капиллярным путем, либо с помощью открытой, либо с закрытой циркуляцией [39]. Ограниченный доступ кислорода, более медленные темпы роста и высокая склонность к росту водорослей являются существенными ограничениями для использования этой системы в широком спектре коммерческих применений. Более того, система подходит только для мелкосерийных культур с длительным сроком годности, которые невозможно возделывать [20]. Аналогичным образом, многие растения могут израсходовать питательный раствор до пополнения его фитилями. Таким образом, выращивание растений, требующих большого количества воды, является утомительным [23].

1.2.2. Гидропоника с капельными системами

Гидропоника с капельными системами использует трубы, шланги и питательную среду для регулярного питания и полива (рис. 2б). Эта технология подобна капельному орошению в почвенном садоводстве, набирает популярность и становится отраслевым стандартом в жарких и сухих районах. Длинные трубы и шланги орошают посевы, экономят воду и уменьшают испарение. С помощью автоматического таймера насос распределяет воду или раствор удобрений по отдельным растениям или горшкам [40]. В настоящее время большие данные и IoT (Интернет вещей) используются в интеллектуальном земледелии для модернизации традиционного земледелия с целью сохранения питательных веществ и воды. Датчики могли бы помочь в мониторинге таких параметров, как температура и влажность почвы. Кумари [41] исследовал влияние капельного орошения на эффективность потребления воды картофелем (Solanum tuberosum L.), максимальную площадь листьев и урожайность. В этом исследовании оценивалась эффективность реального способа многократной подачи воды с помощью системы капельного орошения. Частый полив водой обеспечил эффективное использование воды и минимизировал потери воды в системе. Площадь листьев и урожайность были значительно выше в этой системе. В недавнем исследовании, проведенном Бакром и др. [27] при производстве миниклубней картофеля было проведено сравнение капельной гидропоники и аэропоники и оптимизация продуктивности воды. Было обнаружено, что аэропонная система повышает урожайность миниклубней, чем капельное выращивание. Система капельной гидропоники, разработанная Кусниереком и др. [3] в результате количество клубней картофеля увеличилось на ∼ 300% по сравнению с традиционной системой. Было обнаружено, что минеральный состав картофеля, выращенного на гидропонике, аналогичен составу картофеля, выращенного в полевых условиях, и это открытие также указывает на потенциал капельной гидропоники в биофортификации продовольственных культур.

Значительным преимуществом этого метода является меньшее потребление воды. Капельная система выдерживает сбои оборудования и кратковременное отключение электроэнергии. Уровень влажности можно легко контролировать с помощью капельной системы. Достаточный перенос кислорода способствует выращиванию сельскохозяйственных культур в почвенных и гидропонных системах [39]. В этой системе также возможна рециркуляция избыточных питательных веществ. Такие культуры, как огурцы, очень хорошо растут в системе капельного орошения. Аналогичным образом, превосходные помидоры и перец обычно лучше растут в капельной системе по сравнению с другими системами, потому что они обеспечивают достаточную стабильность [42]. Основным ограничением капельной системы является высокая склонность к росту водорослей и их засорению, поэтому регулярная чистка обязательна.

1.2.3. Система гидропоники с приливами и отливами (или затоплением и осушением)

Считается более популярной системой, при которой растения содержатся на больших грядках, обычно заполненных питательной средой. Для этого обычно используется насос, соединенный с таймером (рис. 2с). Таймер регулирует поступление питательных растворов в окружающую среду. Если таймер включает насос, питательный раствор попадает в лоток для выращивания, а если он отключается, питательный раствор перекачивается обратно в резервуар. При таком подходе необходимо часто и с небольшими интервалами промывать корни. Таким образом, нет необходимости подвергать корни длительному воздействию воды, и они могут оставаться влажными, обеспечивая возможность дыхания. Тем не менее, необходимо постоянное наблюдение для контроля поступления воды в систему. Сон и др. [43] проанализировали существующие системы дополнительного орошения комнатных растений. В их исследовании сравнивались различные экспериментальные установки, такие как фитильная система с потоком питательных веществ и фитильная система с застоем питательных веществ, с методом приливов и отливов. В то время как содержание воды в среде в системе со стоянием питательных веществ постепенно увеличилось до более чем 40% без колебаний, содержание воды в системах с притоком питательных веществ и с отливом и стоком колебалось от 30 до 40% и от 50 до 60% (по объему) соответственно. Скорость испарения питательных веществ в фитиле была на 50-70% ниже по сравнению с другими системами. В литературе не было отмечено исследований, в которых для производства семян картофеля использовалась гидропонная система с приливом и отливом.

Система “Приливы и отливы” доступна по цене, улучшает рециркуляцию питательных веществ и не требует особого ухода. Это предпочтительный выбор для выращивания сельдерея и дынь. Основные ограничения включают образование корневой гнили и потерю урожая из-за технических сбоев. Кроме того, он легко подвержен росту водорослей. Чтобы преодолеть это, систему можно усовершенствовать и установить фильтрующий блок [44].

1.2.4. Система гидропоники для глубоководного выращивания (DWC)

DWC – это модифицированная гидропонная система с воздушным камнем, резервуаром, воздушным насосом, трубкой и плавучей платформой [45]. Эта система включает резервуар (обычно называемый резервуаром для выращивания), содержащий питательный раствор, и насос для подачи кислорода к корням (рис. 2d). При наличии воздушного насоса в одном резервуаре для выращивания можно выращивать больше растений. Корни растений обычно плавают в питательных растворах для воды, кислорода и питательных веществ [46]. Для оптимизации засоления необходимо контролировать уровень кислорода, pH и удобрений [47].

Фонг и Ульрих [48] впервые провели исследование по выращиванию картофеля в глубокой воде. В их исследовании рассаду собирали из сертифицированных клубней белой розы и подвергали сушке в течение ночи перед посадкой на глубину 1 дюйм в плошки, содержащие альвеоляту. Им давали питательный раствор без калия (K). Были отобраны саженцы одинакового размера и высажены снаружи в пятигаллоновые горшки, содержащие двадцать литров раствора. Развитие растений было несколько снижено на питательных средах с дефицитом калия. Между тем, добавление калия в питательный раствор увеличивало рост растений. Подход с использованием водных культур доказал свою эффективность при изучении симптомов нехватки калия у растений картофеля.

Чанг и др. [28] провели сравнение производства семенных клубней картофеля в трех различных гидропонных системах, то есть аэропонной (обсуждается позже), аэрогидропонной и глубоководной. Аэрогидропонная система была разработана таким образом, чтобы поддерживать контакт корня с питательным раствором в нижней части грядки при периодическом опрыскивании верхней части корня. Система глубоководного культивирования показала замедленную клубнеобразование по сравнению с аэропоникой и аэрогидропоникой. Было отмечено, что глубоководная культура дает наибольшее количество клубней, но общий вес клубня на растение был наименьшим среди трех. В их заключении было указано, что небольшие клубни (1-5 г) для размножения растений можно получить с использованием глубоководной культуры.

Система надежна и дешева, а воздушный насос непрерывно подает кислород в корневую зону культуры. Для выращивания культуры достаточно простой экспериментальной установки в пластиковых ящиках, стеклянных емкостях, ящиках со льдом и прудах для разведения рыбы. Глубоководное выращивание лучше всего подходит для производства томатов черри, огурцов, китайской капусты, салата-латука, шпината и редиса [49]. Однако выращивание сельскохозяйственных культур с использованием этого метода не получило широкой коммерческой реализации из-за нескольких ограничений, таких как площадь контакта воздуха с водой и эффективность переноса кислорода [50]. Кроме того, необходимо критически контролировать несколько параметров, таких как концентрация питательных веществ и кислорода, соленость и pH, чтобы предотвратить рост водорослей и плесени в резервуаре [23].

1.2.5. Гидропонная система с применением технологии создания питательной пленки (NFT)

Технология NFT требует нанесения лишь тонкого слоя раствора на дно глубокого резервуара (фактически “пленки”; рис. 2e). Следовательно, нижняя половина корней будет получать пищу и воду, в то время как верхней половине будет позволено дышать [51]. Этот метод используется, когда растения реагируют образованием корней, которые достигают пленки, а затем распространяются горизонтально при ее первоначальном образовании. Эта система обеспечивает доступ воздуха к поверхности корней во время циркуляции питательного раствора. Насос, как правило, находится в режиме постоянного контроля питательного раствора [47].

В исследовании, проведенном Корреа и др. [29], исследователи сравнили выращивание семенных клубней картофеля сортов Монализа и Агата в NFT с традиционными методами выращивания на грядках и в горшках. С точки зрения количества клубней / растений при единичном и поэтапном сборе урожая система NFT показала лучшие статистические результаты. За один сбор урожая количество клубней у растений семенного картофеля, выращенных на гидропонике, было на 147% выше, чем в системах с грядками и горшками. Даже при поэтапном сборе урожая на гидропонных установках наблюдалось увеличение количества клубней на 286% по сравнению с теми, которые выращивались на грядках, для изучения урожайности картофеля использовали NFT [52]. Сорта картофеля ”Денали и Норланд” выращивались в лотках из поливинилхлорида с использованием пленки для непрерывного питания. pH питательного раствора поддерживался автоматически, вода добавлялась вручную ежедневно, а питательные вещества подавались два раза в неделю. В каждом лотке было одно или два растения продолжительностью 112 дней. В результате в лотках для растений Denali было получено 2850 и 2800 г свежих клубней соответственно. Компания Tican [30] сравнила выращивание миниклубней на двух промышленных субстратах (перлит и керамзит) и двух гидропонных системах (wilma и NFT). Было отмечено, что NFT дает положительные результаты с точки зрения минитуберизации, количества миниклубней и веса. Медейрос и др. [53] провели экспериментальное исследование с использованием различных систем NFT для получения семенных клубней и выделили существенные преимущества и недостатки. Первый метод предусматривал создание каналов глубиной 6 см, покрытие асбестом из полиэтиленовой мембраны, расстояние друг от друга 18 см и размещение на деревянной платформе с уклоном 4%. Второй метод был таким же, как и предыдущий, с перекрытием асбестовой кровли каналами из ПВХ. Эти две стратегии были протестированы для выращивания картофеля из предварительно подготовленных семян. Исследование показало, что с помощью этого метода был достигнут более высокий коэффициент размножения по сравнению с другими методами.

Гидропонная система NFT улучшает рециркуляцию избыточного раствора питательных веществ и способствует надлежащему снабжению кислородом. Кроме того, она экономична, поскольку может быть организована в многоуровневом матричном земледелии с вертикальной ориентацией. Кроме того, она сводит к минимуму использование земли, трудозатраты и внесение удобрений по сравнению с другими системами. Потребление воды также очень минимально, и она устойчива к изменению климата. Она наиболее подходит для небольших и быстрорастущих растений, таких как салат-латук [54], и является наиболее предпочтительным методом выращивания томатов. Чернику, клубнику и дыни можно выращивать в NFT, поскольку это обеспечивает идеальные условия. Травяные растения, такие как зеленый лук, подверженные стрессу от засухи, лучше выращивать в NFT. Несмотря на то, что NFT является одним из наиболее широко используемых методов гидропоники, многие исследования обеспокоены тем, что воздействие на корни клубней чрезмерного количества соли из питательных веществ может нанести вред ткани их перидермы. Таким образом, аэропоника получила распространение и применяется в целях повышения производительности.

2. Аэропоника: модифицированная версия гидропоники для выращивания миниклубней

Растения, произведенные с помощью аэропоники, прекрасно растут в условиях воздуха или густого тумана (рис. 2f). Она включает распыление богатого питательными веществами водного раствора на свисающие корни растения [55]. Опрыскиватель высокого давления с микроинъекционной насадкой и электронным таймером позволяет выращивать нижние стебли в закрытых или полузакрытых условиях [56]. Она обеспечивает растения питательными веществами с высоким содержанием кислорода. Однако важно настроить циклы опрыскивания растений, поскольку их корни подвергаются воздействию воздуха и быстро высыхают. Кроме того, температура наружного воздуха может легко повлиять на образование тумана и усложнить работу системы в холодных условиях [57]. Несколько стран (включая Южную Корею, Новую Зеландию, Китай, Африку, Испанию и Латинскую Америку) использовали аэропонику для выращивания массового количества миниклубней картофеля. Аэропоника началась со сложного оборудования и относительно низких урожаев, но к 2006 году Международный центр картофеля (CIP) улучшил урожайность и заставил аэропонику работать в развивающихся странах [58]. Аэропоника – будущее беспочвенного земледелия. Выращивание клубней и корневищ в аэропонной системе потенциально может быть более прибыльным, чем выращивание их в гидропонной или почвенной системе. Миниклубни, выращиваемые аэропоническим способом, также собирают иначе, чем те, которые выращиваются традиционным способом. Фундаментальное различие заключается в последовательном сборе урожая аэропонных растений. При традиционной системе производится только один окончательный сбор урожая, в то время как при использовании аэропоники, в зависимости от сорта, возможно получение до десяти и более урожаев.

Грамотная система аэропоники может давать 100 клубней с растения [59,60]. Аэропоника – самая популярная система гидропоники в мире. Ее применение в тропических регионах, таких как Бразилия, привлекает большое внимание, поскольку позволяет улучшить производство безвирусного семенного картофеля [33]. Этот подход является наиболее популярной альтернативой для выращивания семян картофеля в высокогорьях; тем не менее, в низинах его применение является одним из наиболее существенных ограничений из-за высокой температуры, которая влияет на начало роста клубней. Сумарни и др. [61] провели комплексное исследование выращивания картофеля с использованием аэропоники и метода охлаждения корневой зоны в низинах. С помощью этого метода при температуре 10 °C было получено примерно 579 клубней на квадратный метр на высоте 115 м над уровнем моря [62]. В исследовании Brocic et al. [34] пять безвирусных сортов картофеля были выращены с использованием субстратной системы, аэропонной системы и комбинации этих двух систем. Урожайность миниклубней растений, выращенных в аэропонной системе, была в 4,08 раза выше, чем при использовании субстратной системы, и в 1,29 раза выше, чем при комбинированной системе, при оптимальной температуре 16-19 ° C для начального роста и 18-22 ° C для налива. Чалышкан и др. [14] в своей оценке производства миниклубней трех различных сортов в обычных и аэропонных системах обнаружили, что количество клубней на растение выше при аэропонном выращивании, по сравнению с тем, что наблюдалось, что плотность растений играет важную роль в производстве клубней, где с увеличением плотности растений в аэропонной системе наблюдалось уменьшение количества клубней на растение. При плотности растений 200 растений / м2 среднее количество клубней составляло 9,6–16,8 у трех сортов в двух разных циклах роста растений, тогда как при плотности 25-50 растений / м2 среднее количество клубней составляло 14,0–25,7.

При сравнении трех гидропонных систем, то есть аэропонной, технологии глубокого полива и NFT, для производства миниклубней картофеля Factor et al. [31] было обнаружено, что аэропонная система дает наибольшее количество миниклубней на растение (49,3 на растение) по сравнению с технологией глубокого полива (41,6 на растение) и NFT (39,5 на растение). Однако гидропонная система, по-видимому, не оказала никакого влияния на продольный диаметр или массу свежих клубней. В дальнейшем исследовании Factor et al. [32] были сделаны те же наблюдения, когда наблюдалась аэропонная система, показывающая наилучшие результаты среди трех типов гидропонных систем.

В Уганде Какухензире и др. [35] обнаружили, что аэропоника увеличила выход миниклубней картофеля в 8,5 раз по сравнению с традиционным выращиванием. Количество клубней на растении определяло скорость размножения. Низкая плотность ростков привела к высокому выходу миниклубней. В другом исследовании Калори и др. [33] изучали роль электропроводности (EC) на потребление питательных веществ и рост сортов картофеля Агата и Астерикс. Рассаду картофеля высевали в фенольной пене, а затем аэропонизировали. Для отслеживания зарождения клубней, температуры воздуха, цикла роста, развития побегов и выхода миниклубней обоих сортов в разные сезоны оценивали электропроводность (1, 2, 3 и 4 ДС/ м-1) и плотность посадки (25, 44, 66 и 100 растений на м-2). Оптимальные значения ECs у обоих сортов были ниже 2,1 и 1,7 ДС/м-1 соответственно. Выбранные сорта показали экономичный результат при 100 посадках на м-2. Несколько африканских стран также использовали аэропонику для выращивания микроклубней картофеля [63]. Она производит больше флавоноидов, фенольных соединений и антиоксидантов, чем обработка почвы, и сводит к минимуму количество воды, необходимое растениям картофеля, и обеспечивает их достаточным количеством кислорода [64,65].

Аэропоническое земледелие требует меньше воды и не требует почвы, поэтому это разумный вариант для продвижения производства миниклубней в сложных условиях выращивания картофеля, таких как пустыни, холодные крутые местности и прибрежные регионы. Мини-клубни картофеля, выращенные в аэропонной системе, можно либо транспортировать на соседнее открытое поле, либо использовать эту технику для выращивания сельскохозяйственных культур в неблагоприятных условиях. Для установки систем аэропоники не требуется плодородная земля, и возможно меньшее расстояние между посадками. Это привело к появлению интригующих идей о выращивании сельскохозяйственных культур на космических станциях, парусных кораблях и внеземных колониях (рис. 3). Недавно Кларин и др. [66] представили интригующий дизайн морской аэропонной инфраструктуры, которая может обеспечить производство миниклубней на огромных судах с использованием энергии солнца и ветра. Выращивание сельскохозяйственных культур на основе аэропоники в межпланетных колониях или на космических станциях вскоре может стать предметом увлекательных исследовательских проектов [67]. Однако технология все еще находится в зачаточном состоянии, и у нее есть возможности для развития. Система по-прежнему требует хороших условий и соответствующих методов, и, следовательно, необходимы более детальные исследования. Например,:

  • •Оптимизация решений по питанию для различных сортов картофеля.
  • •Определение местного источника питательных веществ для снижения производственных затрат.
  • •Анализ затрат и выгод для определения практичности аэропонных систем для выращивания миниклубней в развивающихся странах
Рис. 3. 
Возможность применения аэропоники для поддержки выращивания картофеля независимо от агроэкосистемы.

Тем не менее, аэропоника может стать технологией, способствующей обеспечению глобальной продовольственной безопасности, при надлежащем планировании, финансировании исследований и внедрении достижений (описано в следующем разделе).

2.1. Технологические достижения в гидропонике

Индустриализация меняет облик достижений сельского хозяйства так же, как и всего остального общества. Благодаря технологии гидропоники становится возможным выращивать продовольственные культуры в суровых условиях, таких как холмистые местности, слишком высокие для возделывания, бетонные школьные площадки и арктические поселения. Помимо основных культур и овощей, гидропоника может также производить специальные культуры, такие как листья салата, специи и декоративные растения в городских районах, где цены на землю заменили традиционное земледелие [68]. Искусственное освещение, сельскохозяйственные пластмассы и сорта, устойчивые к вредителям и болезням, повысят урожайность сельскохозяйственных культур и сократят удельные производственные затраты. Рахман и др. [69] в своем исследовании изучили влияние искусственного светодиодного освещения на образование клубней перед основным посевом картофеля. По их наблюдениям, сочетание красного и дальнего красного света способствует общему росту растений картофеля. Различные комбинации искусственного освещения положительно повлияли на количество семенных клубней, массу свежих клубней, накопление фотосинтетического пигмента, содержание углеводов и сахарозы. Различные исследования подтвердили положительное влияние использования искусственного освещения при гидропонном и аэропонном выращивании миниклубней картофеля, которое можно использовать для повышения урожайности и снижения затрат путем оптимизации этих систем [[69], [70], [71], [72]]. Отработанное тепло промышленных предприятий и электростанций в настоящее время используется в гидропонных теплицах как развивающаяся тенденция повышения энергоэффективности [73].

Поскольку в системе гидропоники используется только вода и питательный раствор без участия почвы, любой сбой или проблема с распределением питательных веществ, засорением водяного насоса или форсунок приведет к быстрой гибели растущих растений. Особое внимание требуется для обеспечения мониторинга роста и развития растения в режиме реального времени. Как описано ниже, гидропонные системы могут выиграть от включения нескольких новых функций (рис. 3).

2.1.1. Датчики и искусственный интеллект (ИИ) для мониторинга в режиме реального времени

Точное земледелие, более новая концепция, известная как умное сельское хозяйство, использует киберфизические методы для объединения информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) на всех этапах цикла управления фермой [74]. Датчики и инструменты анализа данных могут использоваться по всей культуре для мониторинга роста растений в режиме реального времени. Роботы, использующие визуальную обратную связь на основе местоположения, могут улучшить интеллектуальное гидропонное земледелие [75]. Интеллектуальная гидропоника может помочь найти наилучший способ выращивания растения, объединив аппаратную настройку с программным обеспечением, воспроизводящим траекторию роста растения [56]. Датчики питательных веществ и освещенности теперь используются в гидропонике с поддержкой искусственного интеллекта (ИИ) [76]. С помощью датчиков, установленных в устройстве, можно собирать информацию — например, об изменениях температуры, влажности и интенсивности освещения. Когда компьютер с искусственным интеллектом визуализирует цвета развивающегося растения, он определяет параметры, которые необходимо выполнить, например, обеспечение почвы питательными веществами на основе определенных цветов при распознавании.

Параметры гидропонных растворов могут самокалиброваться и управляться с помощью алгоритмов машинного обучения, основанных на данных датчиков [77]. Система искусственного интеллекта напрямую подает питательный раствор, воду и свет к корням растений с помощью датчиков. Однако по мере развития сенсорных технологий создается все больше данных, что затрудняет их правильное использование.

2.1.2. Наночастицы

Наночастицы (NPS) используются в сельском хозяйстве для улучшения управления питательными веществами и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Благодаря большой площади поверхности и соответствующей реакционной способности NPS обеспечивают растение легкодоступными питательными веществами за счет увеличения растворимых и доступных форм питательных веществ [78]. Процессы выпадения осадков и нерастворимости часто связаны с сыпучими удобрениями. Использование наночастиц в качестве механизма доставки обещает быть значительно более эффективным, чем существующие подходы [[79], [80], [81]]. Было показано, что наночастицы изменяют важнейшие реакции растений, такие как прорастание, сила прорастания, развитие корней и фотосинтез [82,83]. Кроме того, несколько исследований показали, что наночастицы могут обеспечить растениям лучшую защиту от окислительного стресса, поскольку эти частицы могут имитировать антиоксидантные ферменты, а именно супероксиддисмутазу, каталазу и пероксидазу [84]. Было показано, что наночастицы можно использовать для уменьшения воздействия температуры, соли и засухи на растения путем повышения их устойчивости к этим стрессам [85].

Преимущества, вытекающие из этой технологии, актуальны не только для почвенных, но и для беспочвенных систем. Наночастицы использовались в системах гидропоники для ускорения развития различных растений, таких как шпинат и помидоры [86]. Внедрение наночастиц привело к многообещающим результатам в области роста растений и устойчивости к болезням. В исследовании, проведенном Homaee и Ehsanpour [87], изучалось влияние наночастиц серебра (AgNP) или нитрата серебра (AgNO3) на культуру растений картофеля in vitro. Было замечено, что параметры роста, такие как площадь листьев, длина корней, сухая масса побегов и корнеплодов в сухом состоянии, увеличились у растений, обработанных AgNO3 и AgNPs. Растения, обработанные AgNO3 или AgNPs в дозе два мг / л, содержали значительно больше хлорофилла, чем контрольные растения. При обработке наночастицами все показатели демонстрировали существенные различия в росте и пигментации, за исключением длины побега.

Поскольку нанотехнологии все еще находятся в зачаточном состоянии, необходимо уделять пристальное внимание токсичности и трофической передаче наночастиц в окружающей среде. Подводя итог, отметим, что недавние исследования показали, что в картофеле содержится гораздо больше наночастиц железа, кальция и цинка, чем несколько лет назад. Это может привести к снижению частоты заболеваний, таких как железодефицитная анемия, в менее экономически развитых странах. В последнее время интерес был сосредоточен на инженерных наночастицах из-за их небольшого размера [88]. Кремний (Si) увеличивает урожайность сельскохозяйственных культур при внекорневом опрыскивании в виде наночастиц в различных условиях, включая засоление [89], токсичные тяжелые металлы [90] и засуху [91]. В исследовании Саадиана и др. [92] нано- и ионизированный кремний, полученный из силиката натрия, был исследован в концентрациях от 0,8 до 3,2 ммоль/ л-1. В ходе этого исследования было определено, что идеальной концентрацией является 3,2 ммоль/ л-1. По сравнению с обработками с использованием ионизированного кремния, использование наночастиц кремния дало превосходные результаты. Применение значительно повысило фотосинтетические и биохимические показатели. Кроме того, это повысило эффективность использования воды.

2.1.3. Ризобактерии, стимулирующие рост растений (PGPR)

PGPR – это бактерии, которые могут проникать в корни растений после попадания в семена и стимулировать развитие растений. В природе они обитают в ризосферах и ризопланах. PGPR повышают биодоступность минеральных питательных веществ в ризосфере, стимулируя различные процессы, такие как фиксация N2 в атмосфере, солюбилизация P и образование сидерофоров для хелатирования Fe3+ [[93], [94], [95], [96]]. Они могут действовать как биоконтрольный агент и организм, фиксирующий питательные вещества. Следовательно, адаптация таких микробов к системе гидропоники потенциально может повысить производительность и снизить стоимость питательных веществ в случае с миниклубнями картофеля.

Сообщалось о нескольких микроорганизмах-бенефициарах роста растений в системе гидропоники. Результаты показали, что при обработке бактериями, стимулирующими рост растений, наблюдаются значительные различия. Втаблице 3 приведены микроорганизмы-бенефициары, используемые для выращивания растений в гидропонной системе.

Таблица 3. Взаимодействие полезных микроорганизмов и растения-хозяина в системе гидропоники.

МикроорганизмыРастение-хозяинСписок литературы
РодВиды
Bacilluscereus, amyloliquefacians, thuringiensis, subtilisГвоздика, фасоль, нут, листья салата, перец, огурец, картофель, помидор и редис[[97], [98], [99], [100], [101], [102]]
Pseudomonasaureofaciens, aeruginosa, corrgate, chlororaphis, fulva, fluorescens, putida, oligandrum, syringae marginalis, plecoglossicida,Хризантема, помидор, морковь, салат, огурец, перец,[[103], [104], [105], [106], [107], [108], [109], [110]]
StreptomycesgriseoviridisПомидоры и огурцы[111,112]
EnterobacteraerogenesОгурец[113]
Триходермияатровирид, виренс, аспереллум, гарцианум.Хлопок, фасоль, кукуруза, огурец и рис[114,115]
ГлиокладиумcatenulatumПомидоры и огурцы[116]

3. Заключение и перспективы

Выращивание миниклубней – это стандартный метод размножения или акклиматизации in vitro материала перед его применением в полевых условиях. Традиционные методы (почвенные) выращивания требуют более тщательного мониторинга и микроуправления. Низкие показатели размножения миниклубней являются еще одним недостатком этого метода производства. В последние годы гидропонные системы стали невероятно успешным подходом к выращиванию миниклубней картофеля. Очень высокие показатели размножения клубней, отсутствие опасений заражения клубней почвенными патогенами и снижение частоты физиологических заболеваний – это лишь некоторые из многих преимуществ гидропоники при производстве миниклубней. Для выращивания картофеля используются технология создания питательных пленок, культивирование глубоким потоком, а в последнее время и аэропоника. Хотя аэропоника привела к значительному увеличению урожая клубней по сравнению с другими используемыми в настоящее время методами, требуется дополнительная работа по совершенствованию технологии и содействию ее широкому внедрению. Она включает в себя разработку протоколов для сортов в зависимости от местоположения, изучение корреляций между производственными компонентами и стандартизацию плотности посадки растений, частоты сбора урожая и интервалов между сборами.

Для получения миниклубней с помощью гидропонных систем необходим периодический мониторинг рН и уровня питательных веществ. Несмотря на то, что в производстве миниклубней помогают различные методы, можно использовать более сложные и передовые методы мониторинга посевов картофеля в режиме реального времени. В настоящее время большинство людей предпочитают гидропонику, но лишь немногие фермеры имеют доступ к такой технологии. Кроме того, современное состояние гидропоники может претерпеть значительные изменения в результате применения PGPR и нанотехнологий для улучшения усвоения питательных веществ миниклубнями, что делает ее более сложной и устойчивой. Развивается вся концепция ведения сельского хозяйства. Можно предположить, что эти технологические достижения в аэропонике и гидропонике откроют бесчисленные возможности для повышения продовольственной безопасности, что особенно важно для фермеров, которые обычно обрабатывают менее двух гектаров земли. Таким образом, развитие такого сложного беспочвенного земледелия позволило провести широкий спектр исследований, повышая ожидания, которые могут помочь прокормить следующие поколения. Неудивительно, что гидропоника / аэропонная система является наиболее перспективным методом массового производства миниклубней в любой среде, доступной человеку, то есть на земле, в воде или в космосе.

Заявление об авторстве

Сасирека Раджендран: Написание – первоначальный проект, концептуализация. Тенцинг Домалаченпа: Написание – первоначальный проект, концептуализация. Химаншу Арора: Написание – обзор и редактирование. Пай Ли: Визуализация, программное обеспечение. Абхишек Шарма: Написание – обзор и редактирование, надзор, методология, концептуализация. Гаурав Раджаурия: Написание – обзор и редактирование, привлечение финансирования.

Заявление о конкурирующем интересе

Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в этой статье.

Признание

Автор-корреспондент хотел бы поблагодарить президента-основателя Университета Эмити за его постоянную поддержку и мотивацию.

Список литературы

Comments

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *