СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ ОВОЩЕВОДСТВА ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ПРИОРИТЕТЫ РАЗВИТИЯ ОВОЩЕВОДСТВА ЗАЩИЩЕННОГО ГРУНТА

Семин Андрей Геннадьевич

студент магистратуры, направление подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств», ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева»,

РФ, г. Орел

Грядунов Игорь Михайлович

канд. техн. наук, доц. кафедры «Автоматизированные системы управления и кибернетика, ФГБОУ ВО «Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева»,

РФ, г. Орел

Существует общее мнение, что для того, чтобы обеспечить все население планеты полноценным питанием, мировое производство продовольствия к 2050 году должно увеличиться на 70%. Однако ресурсы сельского хозяйства не безграничны. Поэтому по мнению ФАО этот прирост производства продовольствия должен быть результатом интенсификации сельского хозяйства. Одним из основных условий полноценного рационального питания человека является регулярное потребление свежих овощей в течение года. Овощи представлены орошаемыми культурами. По мере роста спроса на орошаемые культуры при ограничении водных и земельных ресурсов «умное орошение» должно приводить к увеличению продуктивности воды и снижению загрязнения окружающей среды. Наибольшие возможности для этого имеет овощеводство защищенного грунта [1,2].

Овощеводство защищенного грунта представляет собой одну из самых сложных, капиталоемких, энергоемких, наукоемких и технологоемких отраслей сельского хозяйства. Стратегическими приоритетами развития тепличного производства являются научно-технический прогресс и инновационные процессы, позволяющие вести непрерывное обновление производства на основе освоения достижений науки и техники [3].

Организация производства, технология выращивания и экономические показатели овощеводства защищенного грунта значительно отличаются то показателей овощеводства открытого грунта:

- инженерными средствами с использованием природных факторов создается искусственный микроклимат;

- корнеобитаемая среда формируется из нескольких компонентов называемых почвосмесью, или грунтом, при выращивании растений по методу гидропоники используют вместо почвосмесей инертные материалы – субстраты (периодически подпитываемые питательными растворами);

- регулирование факторов микроклимата и, частично, питания растений в современных тепличных комбинатах осуществляется автоматически;

- технология выращивания большинства культур в защищенном грунте содержит большое количество операций и сложна (по сравнению с открытым грунтом);

- большая урожайность, чем в поле: в зимних теплицах в условиях третьей световой зоны урожайность огурца ≈250-300 т/га, томата ≈140-150 т/га [4].

Производство овощей осуществляется в стеклянных теплицах, которые построены в 80-е годы ХХ в., как и 80% теплиц в стране. Культуры выращивают грунтовым способом с применением ручного полива в зимне-весеннем и осеннем обороте. Урожайность огурцов, в среднем, составляет 15,2 кг/м 2, а томатов 7,2 кг/м 2 [3].

Однако в последние 30 лет в овощеводство защищенного грунта внедряются новые технологии, которые позволяют получить высокий урожай и качество возделываемых сельскохозяйственных культур.

Тепличные культуры занимают небольшую долю от общей площади обрабатываемых земель в мире, но они могут играть важную роль для региональной или национальной экономики.

Анализ современных технологий беспочвенного выращивания растений показывает, что основные методы культивирования растений в регулируемых условиях можно разделить на следующие основные группы: гидропонику (корни растений находятся в растворе питательных солей), аэропонику ( корни растений находятся в воздухе, в замкнутом объеме, и периодически опрыскиваются питательным раствором), ионитопонику ( субстрат состоит из ионообменных материалов), агрегатопонику (корни размещены в твердых инертных, неорганических субстратах – щебне, гравии, керамзите, песке и т.п, в которые периодически подается питательный раствор) и хемопонику (субстратом служат верховой торф, опилки и другие недоступные для непосредственного питания культурных растений органические материалы) [5].

Учитывая множество технологий и практик ведения сельского хозяйства, с учетом климатических условий, технологии беспочвенного защищенного возделывания привносят совершенно новое измерение в гиперлокальное производство продуктов питания и тем самым сокращают потери продовольствия и пищевые отходы. В сегодняшнем изменчивом, неопределенном, сложном и неоднозначном мире сельского хозяйства нам необходимо иметь вспомогательные и современные технологии, легкодоступные и масштабируемые. Внедрение технологии беспочвенного выращивания в закрытых помещениях могло бы стать одной из таких устойчивых и масштабируемых стратегий. Внедрение беспочвенной технологии дает прекрасную возможность производить больше при меньших площадях возделывания, получать больше урожая на каплю воды, снижать токсичную химическую нагрузку и улучшать воздействие на окружающую среду [6].

Интересен в плане внедрения современных технологий зарубежный опыт. Balendonck J. и другие (2010) внедрили инновационную систему орошения на основе датчиков при выращивании полевого салата-латука в Нидерландах. Принцип состоял в том, чтобы контролировать орошение таким образом, чтобы поддерживать объемное содержание воды в почве на постоянном уровне. Авторы показали, что потребление воды может быть сокращено примерно до 40%, а применение азота - до 60% без какой-либо потери производства или качества [7].

В ходе испытания в теплице в Италии Pardossi A.  и другие (2011) сравнили открытые и закрытые контуры орошения для томатов, выращенных на субстрате. Они показали, что замкнутый контур позволяет экономить около 20% воды, калия и фосфора и даже 35% азота без каких-либо потерь в производстве или качестве, несмотря на несколько более высокое поглощение N, P и K (которое было оценено по результатам разрушающих измерений) в открытом грунте [8].

Высокие технологии в тепличных хозяствах предусматривают повторное использования для полива воды, которая применялась для получения предыдущего урожая. Для предотвращения перегрева теплицы используется вентиляция. Однако удаление избыточной солнечной энергии также имеет недостатки. Прежде всего это легкий путь для проникновения вредителей; невозможность поддержания высокого уровня CO2 и потеря некоторого количества воды. Поэтому современные технологии предусматривают некоторое охлаждение. Конечно, охлаждение - это еще и обезвоживание, то есть удаление сконденсированной влаги. Вода, сконденсировавшаяся на охлаждающих элементах, может быть повторно использована для орошения, таким образом замыкая цикл испарения. Капельное орошение значительно сокращает потребление воды.

Например, Ван Кутен и др. (2008) сообщили, что в такой закрытой теплице в Нидерландах можно вырастить 1 кг помидоров, используя всего 4 литра воды. Теоретически эффективность использования воды в идеально закрытой теплице (с идеально замкнутым контуром орошения) должна быть обратной величине показателя урожая, который составил бы около 1,5 литров воды на каждый килограмм помидоров. Тот факт, что было использовано 4, показывает, что “закрытая” теплица все-таки не была идеально закрыта. Это понятно, поскольку дальнейший опыт показал, что экономическим оптимумом в Нидерландах является ограниченная холодопроизводительность, достаточная для значительного снижения потребности в вентиляции, но недостаточная для ее полного предотвращения. Однако было получено принципиальное доказательство того, что высокотехнологичная теплица позволяет производителю выращивать овощи с беспрецедентно низким потреблением воды [9].

Исследования в области программированного возделывания овощных культур служат основной при создании экологически чистых энергосберегающих безотходных биотехнологий производства высококачественной продукции, предусматривающих снижение количества вносимых в корнеобитаемую среду удобрений за счет их более рационального применения сбалансированных по макро- и микроэлементам почвогрунта и вносимых туков, особенно использования новых комплексных питательных растворов. Программированное выращивание овощей также предусматривает такой показатель как приход фотосинтетически активной радиации. Оптимизацию теплового режима овощных культур в защищенном грунте осуществляют с учетом биологических свойств растений, объединяемую под общим названием биоклиматический потенциал продуктивности. Для этого по сумме температур по месяцам или за оборот культуры определяют балл климата и цену балла. Исследования, проведенные с различными культурами, показали, что наиболее оптимальные условия водного режима растений в теплице формируются при его обосновании по тепловым ресурсам. Биологические коэффициенты испарения содержат в себе реакцию растений на незначительные изменения температуры грунта, воды и воздуха. Такое прогнозирование должно найти широкое внедрение в тепличном овощеводстве [10].

Беспочвенное земледелие и вертикальное земледелие в сочетании с точными технологиями и автоматизацией возделывания овощных культур в защищенном грунте могут сократить разрыв между изменением климата и обеспечением продовольственной безопасности к 2050 году.

Эти технологии являются ключевым решением для обеспечения стабильности поставок свежих продуктов в условиях стремительного процесса урбанизации. Кроме того, эти технологии послужат альтернативной возможностью для почвенного земледелия из-за сокращения площади пахотных земель, ухудшения состояния почв и ожидаемой нехватки пресной воды.

Хотя технология зщищенного грунта в условиях тепличных хозяйств не может обеспечить полного решения проблемы продовольственной безопасности или продовольственной устойчивости, ее можно рассматривать как “новую стимулирующую технологию”. Это в сочетании с другими методами ведения сельского хозяйства, учитывающими климатические условия, приблизило бы нас к решению проблемы продовольственной безопасности.

Анализ литературных источников показал, что, не смотря на многостороннюю проработку данного направления исследований, существует ряд проблем, которые предстоит решить с точки зрения автоматизированного подхода к регулированию основных параметров культивирования овощных культур в защищенном грунте с учетом агроклиматических условий, видов овощных культур и современных тенденций интенсификации данного производства.

Список литературы:

1. Абакумова А.С., Зимина Ж.А., Арсланова Р.А., Курманалиева Р.И. Агротехнология выращивания индетерминантных томатов в фитотронно-тепличном комплексе. Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК - продукты здорового питания. – 2014. - №1. – С.18-21
2. Cecilia Stanghellini Horticultural production in greenhouses: Efficient use of water. Acta Horticulturae. 2014. - V.1034(1034). - P. 25-32
3. Лизавенко М.В. Проектирование инновационного развития овощеводства защищенного грунта на основе экономико-математических моделей. //Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение, 2011. - №1 (25). - C. 36-41
4. Земскова Ю.К. Промышленные технологии производства овощей в защищенном грунте: краткий курс лекций для аспирантов II года обучения направления подготовки: 35.06.01 Сельское хозяйство профиль: Овощеводство // ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2014. – 74 с.
5. Глухова О.В. Режим орошения томата дождеванием в защищенном грунте: дис. ... кандидата сельскохозяйственных наук.- Волгоград, 2007.- 146 с.
6. Arun Banerjee, Kenny Paul, Alok Varshney, Rajesh Nandru, Rahul Badhwar, Ajit Sapre, Santanu Dasgupta Soilless indoor smart agriculture as an emerging enabler technology for food and nutrition security amidst climate change. Plant Nutrition and Food Security in the Era of Climate Change. Academic press. 2022. - P. 179-22
7. Balendonck, J., Pardossi, A., Tuzel, H., Tuzel, Y., Rusan, M., Karam, F., 2010. FLOW-AID – A Deficit Irrigation Management System using Soil Sensor Activated Control: Case Studies. In: Transactions of the Third International Symposium on Soil Water Measurement Using Capacitance, Impedance and TDT, Murcia, Spain, 7-9 April 2010.
8. Pardossi A., Carmassi G., Diara C., Incrocci L., Maggini R., Massa D.1 Fertigation and Substrate Management in Closed Soilless Culture. Dipartimento di Biologia delle Piante Agrarie, Università di Pisa, Pisa. 2011. 64 р.
9. AID – a Deficit Irrigation Management System using Soil Sensor Activated Control: Case Studies. In: Transactions of the Third International Symposium on Soil Water Measurement Using Capacitance, Impedance and TDT, Murcia, Spain, 7-9 April 2010: http://edepot.wur.nl/1395
10. Van Kooten O.,  Heuvelink E.,  Stanghellini C.New Development in Greenhouse Technology can Mitigate the Water Shortage Problem of the 21st Century. ISHS Acta Horticulturae 767: XXVII International Horticultural Congress - IHC2006: International Symposium on Sustainability through Integrated and Organic Horticulture. 2008.  10.17660/ActaHortic.2008.767.2
11. Старых Г.А. Оптимизация факторов урожайности овощных культур в защищенном грунте: автореф. диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук, М., 2005. – 44 с.