Авторы: Лайма Чесониене, Ричардас Крикштолайтис, Ремигиюс Даубарас, Ромас Мажейка.
Аннотация
Изучение субстратов для выращивания саженцев растений является основой для поиска новых компонентов. В настоящее время большое количество саженцев выращивается для плантаций голубики. Исследования по использованию различных органических и неорганических компонентов в субстратах актуальны для снижения объемов добычи торфа. Целью данной работы был анализ влияния смесей торфа с различным содержанием еловых, сосновых волокон и перлита на рост саженцев голубики. Для определения пригодности субстратов исследовали показатели жизнеспособности растений сорта "Дюк", включая высоту и массу листьев, а также флуоресценцию хлорофилла, содержание экстрагируемых макроэлементов и органического углерода в листьях. Наилучший эффект на рост саженцев голубики, оптимальное содержание макроэлементов в листьях показали субстраты, в которых часть торфа была заменена на 15-45% v/v соснового древесного волокна и на 15-30% v/v елового древесного волокна. Волокно коры сосны в смеси не должно превышать 30% v/v. Добавление волокон коры ели в разных нормах отрицательно сказалось на вегетативном росте саженцев. Количество торфа в субстратах также может быть значительно уменьшено путем добавления 15-45% v/v перлита. Полученные результаты подтверждают, что использование сосновых и еловых волокон или перлита в субстратах для выращивания саженцев голубики позволяет снизить потребность в торфе и внести существенный вклад в сохранение уникальных болотных экосистем.
1. Введение
Субстраты (среды) для выращивания ягодных растений являются важным компонентом устойчивой цепи производства продуктов питания. Использование подходящих субстратов для выращивания в современном промышленном садоводстве удовлетворяет потребности растений и обеспечивает их продуктивность. В настоящее время торф составляет 77-80% субстратов, ежегодно используемых в садоводстве в Европе [1]. Торф является чрезвычайно важным компонентом субстратов, однако его добыча ставит под угрозу чувствительные экосистемы, разрушает поглотители углерода и увеличивает выбросы парниковых газов [2,3,4]. Различные исследования болот подтвердили, что эти экосистемы могут вносить существенный вклад в снижение выбросов парниковых газов в атмосферу [5,6].
Поэтому субстраты, в которых торф может быть заменен альтернативными компонентами органического или минерального происхождения, являются актуальными для сохранения уникальных болотных экосистем. Изучалась пригодность различных субстратов для выращивания растений в садоводстве, т.е. оценивались некоторые качественные параметры, в том числе степень разложения, содержание экстрагируемых питательных веществ, pH, насыпная плотность, электропроводность и пористость. В различных научных источниках указывается на возможность использования древесных или кокосовых волокон, компоста, коры деревьев, перлита и других компонентов, которые могут быть смешаны для создания соответствующих субстратов для выращивания растений [7,8]. При изучении состава субстратов необходимо оценивать вегетативный рост растений, поскольку субстрат должен обеспечивать растения соответствующим количеством воды и питательных веществ [9].
В последнее время в Европе и во всем мире наблюдается быстрый рост интереса к голубике и клюкве. В связи с этим плантации видов из семейства Ericaceae Juss. увеличили спрос на большое количество посадочного материала. Дикорастущие виды рода Vaccinium L. произрастают в таких местах, как верховые болота и заболоченные участки, где почва может быть торфяной, а рН варьирует от 2,6 до 6,0 [10]. По данным Hoover et al. [11], голубика переносит широкий спектр почв. Тем не менее, было установлено, что стандартные субстраты, содержащие повышенное количество удобрений, особенно азотных, не подходят для этих растений [12]. При поиске субстратов для голубики важно учитывать особенности ее корней. Корни голубики не имеют корневых волосков, а тонкие корни, отвечающие за поглощение воды и питательных веществ, заселены микоризой [13].
Для производства субстратов можно использовать возобновляемые ресурсы, такие как древесная щепа и кора деревьев. Такие субстраты способствуют утилизации отходов лесозаготовок [14,15]. Лигнин, содержащийся в клеточных стенках растений, разлагается медленнее, чем целлюлоза или гемицеллюлоза, и процесс деградации субстрата также замедляется [16]. Между тем кора деревьев богата органическими соединениями (лигнин, терпены, жиры, смолы, стерины, гликозиды, дубильные вещества, сахариды, кислоты и другие), которые могут изменять качество субстратов и влиять на прорастание семян растений или рост саженцев. Установлено, что количественный и качественный химический состав коры разных пород деревьев различается, и важно определить эти различия. Соединения коры могут по-разному влиять на химические характеристики субстратов, например, в коре ели обнаружено около 8% маннозы, а в коре сосны - около 9% арабинозы [7,17]. Другие исследования показали, что флоэма и наружная кора более богаты химическими соединениями, чем древесина, а также существенно различаются между древесными породами [18]. Кемппайнен и др. [19] исследовали кору норвежской ели и обнаружили в ней значительное количество дубильных веществ - 10,0%. По данным других исследователей, волокнистые материалы являются серьезными претендентами на замену торфа в средах для выращивания растений, причем особое внимание уделяется физическим свойствам [16]. Как указывают Vandecasteele et al. [20], растительные волокна обладают потенциалом замены торфа и могут обеспечивать защиту от болезней растений.
Перлит является невозобновляемым ресурсом и используется во всем мире в садоводстве. Физико-химические свойства перлита как компонента субстратов и влияние этого материала на здоровье человека были проанализированы, и различные исследования подтвердили, что перлит может улучшить пористость и насыщение кислородом корней растений [21].
На основании этих предыдущих исследований мы предположили, что смесь еловых и сосновых волокон или добавки перлита с торфом могут обеспечить рост и качество саженцев голубики. В данном эксперименте изучалось влияние смесей торфа с различным содержанием еловых или сосновых волокон и перлита на вегетативный рост, содержание экстрагируемых макроэлементов и флуоресценцию хлорофилла в листьях саженцев голубики.
2. Материалы и методы
2.1. Растительный материал и состав субстрата
Пятьсот саженцев голубики высокорослой сорта "Дюк" были приобретены в коммерческом питомнике PLANTIN (Польша). Растения были размножены в культуре in-vitro в лаборатории этого питомника и после акклиматизации пересажены в мультигоршки. Для данного эксперимента использовались саженцы с 1-2 боковыми ветвями высотой 8-12 см. Саженцы пересаживались в пластиковые контейнеры объемом 2,0 л, заполненные соответствующими субстратами. В каждый вариант субстрата высаживалось по тридцать саженцев.
Субстраты состояли из древесины шотландской сосны Pinus sylvestris L. и норвежской ели Picea abies (L.) H.Karst. или волокон коры и верхового торфа, которые использовались в различных пропорциях. Эксперимент включал 15 обработок: пять смесей (торф + волокно древесины сосны, торф + волокно древесины ели, торф + волокно коры сосны, торф + волокно коры ели и торф + перлит), каждая из которых включала три нормы (рис. 1, табл. 1).
Рисунок 1. Компоненты исследуемых субстратов: (а) - верховой торф, (б) - волокно коры сосны, (в) - волокно древесины сосны, (г) - волокно коры ели, (д) - волокно древесины ели и (е) - перлит.
Таблица 1. Состав субстратов.
Саженцы голубики выращивались в теплице при естественном освещении. Температура и относительная влажность воздуха в теплице поддерживались на уровне 25 °C (днем) и 15 °C (ночью) и 60% соответственно.
2.2. Содержание экстрагируемых макроэлементов и органического углерода и разложение торфа в субстратах
Перед посадкой укорененных саженцев в субстратах определяли содержание экстрагируемых макроэлементов. Кроме того, определяли содержание органического углерода и степень разложения торфа.
Степень разложения торфа определяли согласно LST 1957:2022 [22], а pH - согласно LST EN 13037 потенциометрическим методом [23]. Значения pH приготовленных субстратных смесей варьировали от 4,5 до 5,4. По данным Trehane [10], голубика требует рН почвы в пределах от 4,0 до 5,2. Содержание органического углерода варьировало от 27,54 до 41,66%, а степень разложения торфа составляла 29,1-38,8% (табл. 2).
Таблица 2. Химический состав субстратов.
Определение доступных для растений элементов (K, P, Ca и Mg) проводилось в соответствии с LST EN 13652 [24]. В водных экстрактах концентрацию фосфора (P) определяли спектрометрическим методом с аммонийно-молибденовыми комплексами на приборе Shimadzu UV 1800, концентрацию калия (K) - пламенно-фотометрическим методом с помощью пламенного фотометра Sherwood M410; а концентрацию кальция (Ca) и магния (Mg) определяли атомно-абсорбционным спектрометрическим методом с использованием атомно-абсорбционного спектрометра (Perkin Elmer AAnalyst 200, Waltham, MA, USA) (табл. 2).
Минеральный азот (N) экстрагировали в суспензии субстрата 1:5 (масс./об.) в 1 М растворе KCl. Суспензию встряхивали в течение 60 мин при температуре 20 ± 2 °С. После встряхивания суспензию фильтровали и анализировали с помощью системы проточно-инжекционного анализа (ПИА) с анализатором FIASTAR 5000. После добавления кислого раствора сульфаниламида нитраты, содержащиеся в экстракте субстрата, превращались в кадмиевой колонке в нитриты. Затем они вступали в реакцию с дигидрохлоридом N-(1-нафтил)этилендиамина с образованием пурпурного азокрасителя, поглощение которого можно измерять при 540 нм и 720 нм. Экстракт субстрата вводился в проточный раствор носителя, где аммоний смешивался с гидроксидом натрия с образованием газообразного аммиака, который через газопроницаемую мембрану попадал в поток индикатора. Кислотные индикаторы изменяли цвет в этом потоке при реакции с газообразным аммиаком. Фотометрические измерения проводились при длине волны 540 нм и 720 нм. Для расчета минерального азота к аммиачному азоту прибавляли суммарное количество нитратного и нитритного азота.
Содержание органического углерода определялось методом сухого сжигания, при котором образец нагревался до 900 °С в потоке воздуха, а образовавшийся углекислый газ измерялся методом инфракрасной спектроскопии. Количество органического углерода в субстрате определялось в соответствии со стандартом ISO 10694:1995 с помощью анализатора органического углерода multi-EA 4000 Analytik Jena [25].
2.3. Рост саженцев голубики и содержание экстрагируемых макроэлементов в листьях
Высота саженцев и масса свежих листьев на растение определялись для всех вариантов субстратов путем оценки всех тридцати саженцев. Листья собирали с каждого растения отдельно и определяли их среднюю массу в конце первой вспышки роста вегетативных побегов, т.е. на 90-95 день после пересадки, в последней декаде июля. Высоту растений измеряли рулеткой. Для определения концентрации питательных веществ заготавливали образцы полностью распустившихся листьев с побегов текущего сезона. От пяти до десяти листьев собирали с каждого растения и перемешивали перед отправкой в лабораторию. Всего было заготовлено 200 г сырья для каждого субстрата. Листья саженцев голубики высушивали на воздухе, затем измельчали и анализировали соответствующими методами: азот (N) - по методу Кьельдаля, калий (K) - пламенно-фотометрическим методом, фосфор (P) - фотометрическим методом с молибдованадатом, кальций (Ca) - методом щавелевой кислоты, магний (Mg) - атомно-абсорбционной спектрофотометрией при 285-2 нм [26,27,28,29]. Количество органического углерода в листьях голубики определяли в соответствии со стандартом ISO 10694:1995 на анализаторе органического углерода multi-EA 4000 Analytik Jena [25]. Все анализы проводились в трех экземплярах.
2.4. Определение флуоресценции хлорофилла
Для исследования максимальной фотохимической эффективности фотосистемы II (Fv/Fm) листья перед измерением полностью адаптировали к темноте. Адаптация листьев к темноте осуществлялась с помощью легких зажимов для листьев в течение 20 мин. Флуоресценцию хлорофилла измеряли с помощью хлорофиллового флуориметра (Pocket PEA Chlorophyll Fluorimeters, Hansatech Instruments Ltd., Норфолк, Великобритания) с длительностью теста Fv/Fm 1 с. Всего было проведено 5 измерений для каждого растения с листьев, расположенных в разных направлениях, на средней высоте 0,3-0,4 м, с использованием зажимов для листьев. Для каждого варианта субстрата проводилось десять повторов. Максимальную фотохимическую эффективность фотосистемы II определяли количественно (Fv/Fm) по следующей зависимости, предложенной Максвеллом и Джонсоном [30].
По данным Murchie и Lawson [31], Fv/Fm не подвергавшегося стрессу растительного материала должна находиться в диапазоне 0,81-0,83. Гораздо меньший относительный интервал (0,79 ≤ Fv/Fm ≤ 0,84) был указан Максвеллом и Джонсоном [30].
2.5. Статистический анализ
При оценке средней высоты и массы листьев саженцев, а также флуоресценции хлорофилла использовался непараметрический тест Крускала-Уоллиса, сравнивающий ранги выборок. Для всех гипотез статистически значимые различия оценивались при уровне значимости p = 0,05. Этот же уровень значимости использовался при проверке различий между средними значениями с помощью одностороннего ANOVA с процедурой множественного (попарного) сравнения с использованием теста Дункана. Статистические расчеты проводились с использованием программы IBM SPSS Statistics 27.
3. Результаты и обсуждение
3.1. Влияние различных смесей субстратов на рост саженцев голубики
Как видно из табл. 3 и рис. S1, высота саженцев голубики, выращенных в смеси торфа с различным количеством древесного волокна сосны, существенно не различалась.
Таблица 3. Влияние смесей торфа с различным количеством древесных и корьевых волокон и перлита на высоту саженцев голубики.
Аналогичная тенденция была обнаружена и для средней массы листьев на растение (табл. 4, рис. S2). Среди субстратов с древесным волокном ели значительно более высокие саженцы голубики (52,59 ± 8,28 см) были обнаружены для субстрата с наименьшим количеством волокон (15% v/v), а большее содержание волокон (30% v/v) привело к значительно меньшей высоте растений (44,02 ± 8,29 см). Соответственно, минимальная масса листьев была определена у растений, растущих в субстрате с 45% v/v елового волокна (9,31 ± 2,89 г). В субстратах с волокном из сосновой коры саженцы голубики достигали максимальной высоты, когда волокно составляло 15% v/v от общей емкости. Установлено, что высота саженцев голубики значительно уменьшалась при увеличении количества волокна коры ели. При оценке влияния перлита на рост растений было установлено, что растения достигали высоты от 44,95 ± 9,54 см (15% в/в перлита) до 50,41 ± 8,41 см (45% в/в перлита). Различий в массе листьев между субстратами с данной минеральной добавкой не обнаружено.
Таблица 4. Влияние смесей торфа с различным количеством древесных и корьевых волокон и перлита на массу листьев саженцев голубики
Можно резюмировать, что саженцы голубики, выращенные в субстратах с добавлением древесных волокон сосны и ели или перлита, в первый год вегетации достигли высоты от 40,57 ± 5,52 см до 52,59 ± 8,28 см, что важно для получения качественного посадочного материала для голубичных плантаций [10,11].
Соответствующие различия были установлены и по массе листьев, когда средняя масса листьев одного растения составляла всего 1,07 ± 0,35 г при содержании в субстрате 45% v/v волокна коры ели (рис. S2, табл. 4). Растения голубики были более энергичными в субстрате даже с 45% в/в перлита по сравнению с субстратом с 15% в/в перлита. Соответственно, масса листьев на растение в субстратах с разной добавкой перлита существенно не различалась. Перлит широко распространен, поскольку он снижает риск отсыревания, обеспечивает баланс между воздухом и водой в корневой зоне и стимулирует ускоренный рост корней [31]. Сравнение равных количеств различных добавок подтвердило, что рост растений был очень слабым в субстратах с 15% v/v, 30% v/v и 45% v/v волокна коры ели (табл. S1 и S2). Соответственно, в этих субстратах саженцы достигали минимальной массы листьев на растение. Статистически значимые различия, обнаруженные при сравнении одинакового количества различных добавок, подтвердили необходимость выбора наиболее подходящих вариантов и количеств добавок.
3.2. Влияние различных субстратных смесей на флуоресценцию хлорофилла в листьях саженцев голубики
Определенные значения хлорофилловой флуоресценции не показали существенных различий между 1-3 вариантами каждого субстрата. Таким образом, различное количество сосновой и еловой древесины или волокон коры и перлита не оказало существенного влияния на соотношение Fv/Fm (табл. 5, рис. S3). С другой стороны, были определены значимые различия между субстратами с одинаковым количеством тех или иных добавок (табл. S3). Самые низкие значения Fv/Fm были выявлены для смесей торфа с 15% v/v, 30% v/v и 45% v/v волокна коры ели. Рост саженцев на этих субстратах также был ниже (табл. S1 и S2). В данном исследовании наибольшее соотношение Fv/Fm было определено для соснового и елового субстратов с 15% v/v и 30% v/v древесного волокна. Причем значения Fv/Fm были близки к 0,80 или ниже. По данным других авторов, на флуоресценцию хлорофилла могло влиять время проведения измерений в течение дня [32]. В исследовании Бьёркмана и Деминга [33] было указано, что Fv/Fm практически не изменяется при измерении в ненапряженных условиях, находясь в диапазоне 0,75 ≤ Fv/Fm ≤ 0,86.
Таблица 5. Влияние смесей торфа с различным количеством древесных и корьевых волокон и перлита на флуоресценцию хлорофилла (Fv/Fm) в листьях саженцев голубики.
Неинвазивное измерение параметра хлорофилл-флуоресценции - фотохимической эффективности PSII (Fv/Fm) - является широко используемым методом в физиологии растений. Было подтверждено, что определение соотношения Fv/Fm может быть использовано для выявления дефицита азота [33,34]. Предыдущие исследования также показали значительную корреляцию между концентрацией азота и соотношением Fv/Fm в листьях. Было установлено, что соотношение Fv/Fm коррелирует не только с низким количеством азота, но и с низким уровнем хлорофилла и низким ростом биомассы [35]. Различная обработка почвы по рН оказывала различное влияние на фотосинтетические характеристики [34]. Отношение флуоресценции хлорофилла Fv/Fm коррелирует с эффективностью фотосинтеза листьев, и снижение этого отношения является хорошим индикатором повреждения фотоингибированием при воздействии на растения широкого спектра экологических стрессов [36]. В данном исследовании у растений на всех субстратах с волокном из коры ели наблюдалось снижение отношения Fv/Fm, что подтверждает возможность стрессового воздействия на растения в некоторых из исследованных субстратов [33,37].
3.3. Влияние различных смесей субстратов на содержание экстрагируемых макроэлементов
Питательный статус растений голубики в основном оценивается на основании исследований химического состава листьев [38]. Полученные результаты по содержанию экстрагируемых макроэлементов в листьях голубики показали значительное варьирование между саженцами, выращенными на разных субстратах (табл. 6). Обращали внимание на то, соответствуют ли наши данные должным внекорневым концентрациям питательных веществ для голубики, указанным в работах других исследователей [39,40,41,42]. В нашем исследовании количество азота (N) в листьях голубики варьировало от 0,78% (субстрат с 45% в/в волокна коры ели) до 1,98% в/в (субстраты с 15% в/в волокна древесины сосны и с 30% в/в перлита). Из данных табл. 6 видно, что листья саженцев, выращенных в субстратах с 45% в/в волокна коры ели, отличались более низким содержанием азота, чем пределы, указанные в упомянутых выше справочниках. По данным Глонека и Комоса [43], оптимальные значения содержания азота в листьях, собранных в середине лета, должны составлять 1,52-2,17%. Исследования с другими растениями показали, что иммобилизация N может вызвать дисбаланс питания у молодых саженцев, выращенных на органических субстратах с древесным волокном. В таких случаях необходимо использование N-пропитанных сред и дополнительное снабжение питательными веществами [44].
Таблица 6. Содержание экстрагируемых макроэлементов и органического углерода в листьях саженцев голубики при различном добавлении клетчатки и перлита.
По сравнению с достаточной или нормальной концентрацией фосфора в листьях голубики, определенной Хартом и др [41] и Фугуа и др [42], результаты наших исследований показали должное содержание фосфора (P) во всех вариантах субстратов, при этом его количество варьировало от 0,11% (45% в/в волокна коры сосны) до 0,22% (45% в/в волокна коры ели). Полученное соотношение N:P в листьях варьировало от 3,55 до 13,67 (табл. 6). По данным Дибара и др. [45], растения с более высокой концентрацией азота и низким соотношением N:P, особенно в фотосинтезирующих активных органах, лучше всего адаптированы к окружающей среде. В нашем исследовании саженцы голубики, выращенные на субстратах с 30% v/v и 45% v/v волокон коры ели, показали особенно слабый рост, кроме того, в листьях определялось не только низкое количество азота, но и самое низкое соотношение N:P. Xia et al. [46] представили возможность использования соотношения N:P в качестве эффективного индикатора состояния здоровья и роста растений.
В листьях саженцев голубики, выращенных в субстратах с добавлением волокна коры ели, было обнаружено большое количество калия (K). Даже растения, выращенные в субстрате с добавлением 45% v/v волокна коры ели, содержали исключительно высокое количество калия - 1,75% по сравнению с должным количеством калия в листьях голубики, определенным другими авторами [39,40,41,42].
Высокое содержание кальция (Ca) в листьях было обнаружено у обоих саженцев, выращенных в смеси торфа с волокнами сосны и ели, в то время как достаточное количество кальция было определено в листьях растений во всех вариантах с волокнами коры ели и в субстратах с добавлением перлита. Содержание магния (Mg) в листьях всех исследуемых растений значительно варьировало, причем для субстратов с 30% v/v волокна коры сосны и 45% v/v волокна коры ели были определены высокие его количества.
Содержание органического углерода (С) в листьях было значительно выше у саженцев, выращенных на субстратах с добавками волокна коры ели, а также на субстратах с 15% v/v и 45% v/v волокна еловой древесины (табл. 3).
Кора различных пород деревьев подвергалась оценке, в ходе которой были выявлены не только физико-химические свойства, но и различные способы медицинского, энергетического и промышленного использования [18,47]. В данном исследовании изучались субстраты из торфа со смесями волокон древесины и коры сосны и ели. Использование коры деревьев в производстве субстратов может быть новинкой, однако применение коры деревьев для производства торфяных субстратных смесей требует более детального изучения. Данное исследование подтвердило, что смеси торфа с 15-45% v/v еловых волокон оказывают негативное влияние на рост саженцев голубики. Как отмечают другие авторы, необходимо изучить, какие токсичные вещества выделяются из новых компонентов, которые могут подавлять рост растений [48,49]. В смесях торфа с добавлением волокон необходимо также оценивать микроорганизмы, нуждающиеся в минеральном азоте [20].
Вызовы, связанные с изменением климата, требуют нового подхода к сохранению природных ресурсов, в том числе и торфа. Поиск инновационных субстратов с оценкой возможностей использования возобновляемых материалов имеет большой потенциал [50,51]. Данное исследование подтвердило возможность снижения количества торфа в субстратах с использованием древесных волокон и перлита. В продолжение исследований было бы перспективно изучить составы субстратов со смесями органических и минеральных добавок.
4. Выводы
В данной работе сравнивались смеси торфа с различным содержанием древесных и корьевых волокон или перлита для оценки возможности уменьшения количества торфа. Проведенные исследования по выращиванию саженцев голубики показали, что наилучшие характеристики растений были достигнуты для субстратов с 15-45% v/v древесного волокна сосны и с 15-30% v/v древесного волокна ели. Различные количества волокна коры ели оказывали наиболее сильное негативное влияние на вегетативный рост, а в листьях саженцев были определены самые низкие значения флуоресценции хлорофилла Fv/Fm (0,689-0,738). Исследования экстрагируемых макроэлементов в листьях подтвердили качественный и количественный состав торфосмесей, пригодных для выращивания саженцев голубики. Содержание азота и калия не соответствовало принятым нормам, а в листьях растений, выращенных в субстратах с содержанием 30-45% v/v волокон коры ели, было обнаружено низкое соотношение N:P. Результаты исследований подтвердили, что 15-45% v/v перлита в торфяных субстратах пригодны для выращивания саженцев голубики.
Источник: https://www.mdpi.com/2311-7524/9/2/151.