Есть области практики, требующие полного или частичного перехода на искусственные условия выращивания растений. Это системы жизнеобеспечения объектов, рассчитанных на длительное автономное существование: космические корабли, арктические и антарктические станции, районы Крайнего Севера, корабли дальнего плавания.

Одна из важнейших проблем при культивировании растений в искусственных условиях - создание полноценных корнеобитаемых сред. Над созданием субстратов-почвозаменителей ученые начали трудиться еще в середине XIX века, как только стало ясно, что природная почва является практически только поставщиком минеральных элементов и механической опорой растений.

В качестве первой искусственной корнеобитаемой среды использовали водные солевые растворы, содержащие необходимые растению минеральные элементы (гидропоника). Наибольшее распространение в практике нашел метод водной культуры на твердых носителях (субстратах). Он основывался на том, что растения высеваются на каком-либо твердом носителе, периодически омываемом питательным раствором.

Наиболее перспективным агротехническим способом является выращивание растений на ионитной почве. Под ионитными почвами подразумеваются искусственные питательные среды на основе ионообменных материалов. Ионообменники содержат химически присоединенные элементы минерального питания, которые они постепенно отдают корням растений при поливе водой [1-3].

Одним из вариантов ионитной почвы является использование в качестве ионитной основы ионообменных волокон и разнообразных текстильных композиций на их основе [4]. Такие материалы должны обладать достаточно высокой обменной емкостью по отношению к ионам минерального питания, не выделять во внешнюю среду биологически вредных веществ, обладать удовлетворительной прочностью, хорошей гидрофильностью и капиллярностью. В последние годы с целью упрощения и удешевления искусственных почв используются гельсодержащие полимеры, в частности альгинат, в которые вводят минеральные элементы, необходимые растениям для нормального развития, микроорганизмы, биостимуляторы, вещества, регулирующие рН, и т.п. Кроме того, в модули, выполненные из гельобразующих полимеров, можно внедрять семена растений, что удобно при эксплуатации искусственных почв.

Перспективным направлением применения искусственных почв является создание травяных газонов на примыкающих к автострадам участках, что позволяет легко заменять верхний слой почвы, наиболее загрязненный токсическими выбросами. В случае использования искусственного волокнистого субстрата для выращивания газона можно осуществлять замену травяного покрытия, сохраняя естественный грунт. Таким образом, искусственный газон, являясь декоративной доминантой городского ландшафта, выполняет жизненно важную функцию улучшения экологической безопасности окружающей среды. Получение искусственного субстрата для выращивания травяного газона снижает трудоемкость и улучшает качество газонного покрытия. Известно, что для получения газонного покрытия на естественном грунте требуется не менее двух лет. За этот период времени корневая система травы образует прочный, устойчивый к внешним воздействиям дёрн. Использование же искусственной почвы из волокнистых материалов позволяет значительно сократить срок образования прочного, защищающего грунт дёрна.

Технологические приемы позволяют использовать для изготовления искусственных субстратов отходы натуральных и химических волокон. Выращивание газона на искусственном волокнистом субстрате - это не только качественно новый способ улучшения экологической обстановки, но и один из путей вторичного использования отходов текстильной и легкой промышленности.

В качестве субстрата для выращивания газонной травы использовалось полиакрилонитрильное (ПАН) волокно. Исследованы ПАН волокна, модифицированные различными реагентами. Обозначим волокна следующим образом: ПАН-исх - обычное термообработанное ПАН волокно; ПАН-ом - ПАН волокно, омыленное гидроксидом натрия; ПАН-КМ - ПАН волокно, омыленное гидроксидом натрия в присутствии метилольного производного мочевины; ПАН-КА - ПАН волокно, омыленное гидроксидом натрия, затем обработанное раствором мочевины.

Нитрильные группы (-CN) ПАН волокна легко поддаются химической модификации, что придает волокну ионообменные свойства [5]. Как видно из приведенных в табл. 1 данных, рН водной вытяжки всех видов волокон близка к нейтральной (5.8-6.4). Модификация волокон позволяет увеличить обменную емкость волокон от 0.14 до 2.07 ммоль/г, влагосодержание - от 1.8 до 6.05% (ПАН-КА). Модификация осуществлялась в щадящих условиях, поэтому их прочностные показатели практически не изменились. Последнее важно, так как субстраты являются опорой для корней растений.

Для насыщения ионообменных ПАН волокон минеральными элементами использовался универсальный питательный раствор Жерике следующего состава: Ca(NO₃)₂ - 0.49 г/л (0.003 моль/л), KH₂PO₄ - 0.56 г/л (0.004 моль/л), MgSO₄ - 0.24 г/л (0.002 моль/л).

Для введения в волокна биоэлементов применяли статический, так называемый солевой, способ. Смесь волокон в Н⁺/ОН^- форме, содержащую равное количество ионов Н⁺ и ОН^-, обрабатывали в течение 24 ч до наступления равновесия раствором Жерике. Данные о содержании катионов на волокне представлены в табл.2.

Определение способности удерживать субстратом влагу проводилось по методике [6]. Образцы субстратов массой 1 г помещали на кювету и смачивали 10 г воды. Взвешивание образцов проводили каждые 24 ч до восстановления первоначальной массы.

В качестве посевного материала использовалась травосмесь “Газон универсальный” состава (в %):
Райграс пастбищный - 55
Овсяница луговая - 30
Мятлик луговой - 10
Овсяница красная - 5

На основе волокон готовили многослойные почвенные композиции. Каждый слой субстрата выполнял определенную функцию: нижний, дренажный - представляет собой нетканый материал на основе полиэфирного волокна лавсан, верхний, питательный - модифицированные ПАН волокна в виде прочеса. Слои укладывали в вегетационные сосуды. В качестве вегетационных сосудов использовали пластмассовые контейнеры размером 7x12x8 см и вместимостью 670 мл. С целью придания субстрату формоустойчивости и закрепления семян слои композиции орошали 2%-ным раствором альгината натрия. На подготовленную таким образом искусственную почву проводили посев семян. После этого вегетационные сосуды закрывали крышками с отверстиями и помещали в темное место для прорастания семян. Эксперименты проводили в помещении с постоянным термовлажностным режимом: температура воздуха 21-22°С днем и 16-17°С ночью, влажность 65-75%, освещенность создавали лампами дневного света. В качестве контроля использовали почву Ленинградской области - дерново-подзолистую среднесуглинистую с содержанием гумуса до 2%.

Оценку всхожести семян осуществляли по методике [6]. Через каждые 3 дня подсчитывали количество всходов семян на исследуемых субстратах. В течение всего вегетационного периода по мере необходимости посевы поливали дистиллированной водой.

Для введения элементов минерального питания в искусственную почвенную композицию можно использовать гельобразующие полимеры природного происхождения: карбоксиметилцеллюлозу, хитин, агар-агар, альгинат и др. Одним из наиболее практичных форм носителей минерального питания на основе гельобразующих полимеров являются пленки. Такие пленки просты в изготовлении, удобны при хранении, транспортировке и эксплуатации. Наиболее перспективен среди гельобразующих полимеров альгинат благодаря наличию широкой сырьевой базы, простоте технологического процесса его выделения, а также уникальным свойствам [7]. При этом элементы минерального питания закрепляются в пленке не только механически, но и ионной связью по карбоксильным группам. Пленки изготавливались из 4%- ного раствора альгината натрия на основе питательного раствора Жерике. В этом случае распределение катионов и анионов в треугольниках Гиббса находится в области биозон, или “зон роста”, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к питательным системам [1]. Для получения пленок растворы после обезвоздушивания в течение 24 ч наносили на подложку из органического стекла и сушили при комнатной температуре в течение 48 ч. Практика показала, что наиболее технологично использовать пленку толщиной 0.09 мм, она проста в изготовлении (быстро высыхает), равномерна по толщине, эластична.

Обработку экспериментальных данных проводили по методике [8].

Качество субстрата определяется не только запасом основных минеральных элементов, но и водно-физическими свойствами. Для оценки водно-воздушного режима в корнеобитаемой среде волокнистых субстратов изучали их полную влагоемкость, подвижность воды в вертикальном направлении (капиллярность), влагоудержание и объемную массу. На основании этих данных рассчитывали соотношение объемов твердой, жидкой и воздушной фаз в объеме влажного субстрата. В табл.3 приведены основные агрофизические характеристики волокнистых субстратов.

При сопоставлении этих свойств видно, что модифицированные ПАН волокна обладают низкой объемной массой, большими влагоемкостью и уровнем капиллярного поднятия воды, чем исходное волокно, и соответственно - большим запасом доступной растениям влаги. Сравнение данных о распределении фаз в объеме влажных субстратов показывает, что наилучшими показателями обладают субстраты на основе ПАН-КМ и ПАНКА, для которых отношение водной и воздушной фаз близко к оптимальному.

Одной из важнейших водно-физических характеристик субстрата является влагоудержание (рисунок). Результаты исследований показали, что наилучшей способностью впитывать и удерживать влагу обладает субстрат на основе ПАН-КА. Восстановление образцом первоначальной массы наступало на 4-е сутки.

В табл.4 представлены данные о всхожести семян. На всех субстратах всходы появились на 4-е сутки. Однако наибольшее количество проростков на 6-е сутки наблюдалось на композициях на основе ПАН-КМ и ПАНКА. К 12-м суткам процесс прорастания семян практически закончился. Всхожесть семян на субстратах на основе ПАН-КМ и ПАН-КА даже несколько превосходила всхожесть семян на контрольном образце.

В течение всего опыта за растениями осуществлялись фенологические наблюдения. Отмечено, что в начальный период вегетации растения развивались нормально во всех вегетационных сосудах. Листья травы были сочными и зелеными. Однако начиная с 7-го дня развития наблюдался более интенсивный рост травы на искусственных модифицированных субстратах, чем на контрольном варианте и ПАН-исх. Кроме того, естественная почва быстро пересыхала и требовала частого полива. В конце вегетационного периода (продолжительность опыта составила 21 сут) измеряли высоту растений (см. табл.2). Судя по величине биомассы, полученной на субстрате ПАН-КА, растения в большей степени были обеспечены минеральным питанием.

Таким образом, объем биомассы (сырой массы растений) и декоративные свойства газонной травы, выращенной на искусственном субстрате ПАН-КА, соответствуют, а в большинстве случаев даже несколько превосходят те же показатели для естественной почвы. Все характеристики (содержание элементов, агрофизические свойства) наилучшие также у указанного волокна. В значительной степени это является результатом того, что модификация волокон осуществлялась мочевиной, которая в дальнейшем, помимо всего прочего, выступала как питательный элемент.

Исходя из полученных результатов можно полагать, что субстрат на основе волокна ПАН-КА вполне пригоден для выращивания растений, так как обладает хорошими водно-воздушными свойствами и достаточным содержанием питательных элементов [9].

Осуществлялась попытка повторного использования субстрата, предварительно очищенного от корней и листьев, для выращивания травы. Однако в этом случае всхожесть семян была невысокой, растения развивались недостаточно хорошо.

В случае использования альгинатной пленки с минеральным питанием в качестве субстрата использовалось только волокно ПАН-исх. Агрофизические характеристики такой композиции представлены в табл.5. Капиллярность композиции уступает вариантам с использованием модифицированных ПАН волокон, так как в ПАН-исх содержится минимальное количество активных центров. Однако ее полная влагоемкость значительно превышает показатели композиции с модифицированными волокнами. Очевидно, это связано с набуханием альгинатной пленки в водной среде, что приводит к увеличению влагоемкости. Соответственно композиция обладает большим запасом доступной растениям воды.

Совместно с сотрудниками Агрофизического научно-исследовательского института проведены испытания почвенных композиций с альгинатной пленкой. Были изготовлены следующие почвенные композиции:

• с альгинатной пленкой;
• с альгинатной пленкой, содержащей элементы минерального питания (на основе раствора Жерике);
• с альгинатной пленкой, содержащей элементы минерального питания и биостимулятор роста (гипроптеридин);
• с альгинатной пленкой, содержащей элементы минерального питания и микроорганизмы (ГХ-4), ускоряющие прорастание семян;
• с альгинатной пленкой, содержащей элементы минерального питания и закрепленными на ней семенами.

В качестве посевного материала использовались семена ячменя сорта “Криничный”.

Результаты испытаний представлены в табл.6. Всходы на всех субстратах появились на 4-е сутки. Максимальное количество проростков было на пленке с микроорганизмами. Последние, разрушая оболочку зерна, ускоряют прорастание семян. На 8-е сутки процесс прорастания семян практически закончился. Всхожесть семян, закрепленных в альгинатной пленке, была невысокой - 76%. Очевидно, это связано с недостаточным для прорастания семян количеством влаги. Однако такой способ закрепления семян весьма практичен, обеспечивает удобную транспортировку и облегчает посадочные работы. Взошедшие растения развивались полноценно и в конце вегетационного периода имели хорошую биомассу. Всхожесть семян на других субстратах превосходила всхожесть на контрольном образце. Минеральный состав сухой биомассы соответствовал норме для этой культуры.

На основании полученных результатов можно утверждать, что субстрат, содержащий альгинатную пленку, с введением элементов минерального питания вполне пригоден для выращивания растений, так как обладает хорошими водно-воздушными свойствами и достаточным содержанием питательных элементов. Указанные пленки можно использовать для улучшения плодородия бедных минеральными веществами естественных почв и подкормки растений. В качестве наполнителя при создании почвенных композиций с альгинатными пленками, содержащими элементы минерального питания, можно использовать отходы различных производств, в том числе волокнистые, без дополнительных обработок, что является одним из способов утилизации этих отходов.

• В качестве субстратов для выращивания растений предложено использовать композиции искусственных почв на основе модифицированных полиакрилонитрильных (ПАН) волокон и пленок из альгината натрия.
• Агрофизические характеристики искусственных субстратов на основе модифицированных ПАН волокон показывают, что т акие композиции обладают низкой объемной массой, большой влагоемкостью и уровнем капиллярного поднятия воды. На искусственных субстратах отмечалось нормальное развитие растений. К концу опытов корневые системы трав пронизывали субстраты, что обеспечивало прочную фиксацию растений. Большинство показателей травы на искусственных субстратах соответствует, а в некоторых случаях даже несколько превосходит результаты, полученные на естественной почве. Наилучшие результаты получены на волокне, модифицированном мочевиной (ПАН-КА), что связано с тем, что в процессе эксплуатации мочевина выступает как питательный элемент.
• Искусственные грунты, содержащие альгинатную пленку с элементами минерального питания, также показали хорошие результаты. В этом случае возможно закрепление семян непосредственно на пленке, что обеспечивает удобную транспортировку и облегчает посадочные работы.