Agrotechnika i mechanizacja
P
P
P
R
R
R
O
O
O
D
D
D
U
U
U
K
K
K
C
C
C
J
J
J
A
A
A
M
M
M
I
I
I
N
N
N
I
I
I
B
B
B
U
U
U
L
L
L
W
W
W
Z
Z
Z
I
I
I
E
E
E
M
M
M
N
N
N
I
I
I
A
A
A
K
K
K
A
A
A
Z
Z
Z
M
M
M
I
I
I
K
K
K
R
R
R
O
O
O
B
B
B
U
U
U
L
L
L
W
W
W
W
W
W
U
U
U
P
P
P
R
R
R
A
A
A
W
W
W
I
I
I
E
E
E
A
A
A
E
E
E
R
R
R
O
O
O
P
P
P
O
O
O
N
N
N
I
I
I
C
C
C
Z
Z
Z
N
N
N
E
E
E
J
J
J
*
*
*
prof. dr hab. Krystyna RykaczewskaIHAR-PIB, Zakład Agronomii Ziemniaka w Jadwisinie, 05-140 Serock
e-mail: k.rykaczewska@ihar.edu,pl
Streszczenie
Produkcja minibulw ziemniaka metodą tradycyjną, w glebie, charakteryzuje się wysokimi kosztami oraz niskim współczynnikiem rozmnażania materiału nasiennego z in vitro. Dla zwiększenia tego współczynnika testowane były różne technologie uprawy, m.in. aeroponiczna. Celem badań było po-równanie współczynnika rozmnażania mikrobulw naszych polskich odmian uzyskanego w uprawie aeroponicznej i w glebie. Liczba zbiorów w aeroponice wynosiła 14 do 15 zależnie od roku. Współ-czynnik rozmnażania mikrobulw wynosił średnio 32,5-36,0, a w jednym roku i w przypadku jednej od-miany osiągnął wartość nawet 44,2. Był on ponad 3-krotnie wyższy niż w uprawie tradycyjnej.
Słowa kluczowe: materiał nasienny in vitro, mikrobulwy, minibulwy, uprawa metodą aeroponiczną, współczynnik rozmnażania, ziemniak
prowadzenie mikrobulw i minibulw do produkcji nasiennej zrewolucjo-nizowało produkcję ziemniaków, przyczyniając się do skrócenia cyklu hodow-lanego przy zachowaniu wysokiego poziomu zdrowotności materiałów bazowych. Mikro-bulwy (Mikro-bulwy in vitro) są miniaturowymi sa-dzeniakami. Ich masa waha się na ogół od 24 do 273 mg. Są mniej delikatne niż rośliny in vitro, zatem łatwiejsze w transporcie i sa-dzeniu. Minibulwy są zwykle definiowane jako bulwy potomne materiałów in vitro, czyli mikrobulw lub roślin in vitro. Ich nazwa od-nosi się do wielkości, są one mniejsze od sadzeniaków konwencjonalnych, ale większe od mikrobulw. Jednak przy obecnym syste-mie produkcji minibulwy większych rozmia-rów zdarzają się dosyć często.
Minibulwy produkuje się najczęściej w
szklarniach i namiotach foliowych lub siat-kowych. Rośliny są uprawiane na różnego rodzaju substratach. Jest to jednak techno-logia dosyć kosztowna ze względu na niski
współczynnik rozmnażania materiałów in vitro. W celu zwiększenia tego współczynni-ka w ostatnich latach w Europie i poza nią bada się inne technologie, takie jak uprawa w systemie hydroponicznym, hydroponiczno--żwirkowym lub w systemie NFT (Nutrient Film Technique), czyli w cienkowarstwowej pożywce przepływowej. Jednak większość z tych technik ma ograniczenia ze względu na niedostateczną aerację korzeni lub brak możliwości kilkakrotnego zbioru w czasie wegetacji.
W aeroponicznym, bezglebowym syste-mie produkcji minibulw ziemniaka korzenie znajdują się w specjalnych zaciemnionych komorach i są okresowo zwilżane pożywką, a tworzące się tam bulwy mogą być zbierane wielokrotnie w okresie wzrostu roślin ma-tecznych. Technologia ta jest szczególnie efektywna w przypadku niektórych odmian (Mateus-Rodriguez i in. 2012, Thierno i in. 2014).
* Przy cytowaniu niniejszych wyników badań należy powołać się na artykuł źródłowy zamieszczony w Plant, Soil and Environment (poz. literatury 12)
W
Celem naszej pracy było zaprojektowanie i skonstruowanie urządzeń do aeroponicznej produkcji, ustalenie fizyczno-biologicznych parametrów właściwych dla rozwoju roślin w aeroponice, a następnie zbadanie współ-czynnika rozmnażania mikrobulw wybranych polskich odmian ziemniaka w systemie ae-roponicznym i metodą tradycyjną, w glebie.
Materiał i metody
Konstrukcja urządzeń do aeroponicznej produkcji minibulw. Zastosowano
prototy-powe urządzenia do aeroponicznej uprawy ziemniaka. Podstawę każdego z nich stano-wił stół z aluminiową wanną, wykonany w wersji mobilnej, pozwalającej na swobodne przemieszczanie. Na każdym stole ustawio-no komorę aeroponiczną, skonstruowaną z lekkich, ocynkowanych profili stalowych, osłoniętych po bokach folią dwubarwną, ze-wnętrznie białą refleksyjną. Komory miały długość 250 cm, szerokość 122 cm i głębo-kość 60 cm. Od góry konstrukcję zamykały blaty z PCV z otworami na rośliny. Liczba otworów na każdym stole wynosiła od 108 do 126, zależnie od kombinacji.
Instalacja do podawania pożywki w każ-dym z urządzeń składała się ze zbiornika o wymiarach 600 x 700 x 550 mm i pojemności 300 litrów, pompy pobierającej pożywkę ze zbiornika przez rurociąg ssący, filtra dysko-wego, przewodu Tricoflex oraz instalacji za-mgławiającej, znajdującej się w komorze aeroponicznej. Wydajność zamgławiaczy dla każdej komory ustalono na 308 l/godzinę. Zabezpieczenie pompy przed pracą na su-cho stanowił czujnik poziomu pożywki w
zbiorniku. Drenaż spływał ze stołu przez otwór spustowy, grawitacyjnie do zbiornika z pożywką. Układ zaworów PCV pozwalał ma-nualnie ustawić przelew powrotny do zbior-nika i ustawić żądane ciśnienie. Pracą każ-dego z urządzeń aeroponicznych zarządzały sterowniki czasowe Galcon AC-6S, które umożliwiły zaprogramowanie czasu wtrysku pożywki, czasu przerwy między wtryskami w ciągu dnia oraz w nocy. Program podtrzy-mywany był zasilaniem z baterii. Dodatkowo zainstalowano system powiadamiania o alarmach. Wyodrębniono trzy rodzaje alar-mów: brak zasilania prądowego, brak kolej-nego wtrysku pożywki przez określony czas oraz krytyczny stan pożywki w zbiorniku. Powiadomienie o alarmie odbywało się na wskazany telefon komórkowy. Zastosowane urządzenia elektryczne były zasilane prądem 230 VAC. Niezbędne zabezpieczenia znaj-dowały się w panelu elektrycznym.
Materiał nasienny. Badania
współczyn-nika rozmnażania mikrobulw wybranych pol-skich odmian ziemniaka w systemie aeropo-nicznym i w technologii tradycyjnej przepro-wadzono w latach 2012-2013 w oddziale IHAR-PIB w Jadwisinie. Mikrobulwy średnio wczesnych odmian Ametyst i Tajfun pocho-dziły z Pomorsko-Mazurskiej Hodowli Ziem-niaka w Strzekęcinie. Ich masa wynosiła przeciętnie: Ametyst 246 mg, Tajfun 195 mg (fot. 1). Na początku kwietnia zostały one poddane podkiełkowywaniu na szalkach Petriego w temperaturze 18-20oC przez okres 5 tygodni, a następnie użyte do sa-dzenia w aeroponice i w substracie glebo-wym.
Podział sekcji (ciągły)
Fot. 1. Mikrobulwy odmiany Ametyst i Tajfun.
Produkcja minibulw w aeroponice. Mi-krobulwy były sadzone w plastikowych ko-szyczkach wypełnionych wełną mineralną. Górna ich średnica wynosiła 5 cm, dolna 3 cm, a wysokość 5 cm. Koszyczki z mikro-bulwami umieszczano w kuwetach wypeł-nionych wodą. Po tygodniu przenoszono je do aeroponiki (fot. 2). Przypadło to na 16 i 13 maja w kolejnych latach badań. Liczba ko-szyczków z mikrobulwami każdej odmiany wynosiła 54 lub 64 zależnie od gęstości
sa-dzenia. Urządzenia do produkcji minibulw w systemie aeroponicznym zostały umieszczo-ne w otwartej, ale zadaszoumieszczo-nej części hali wegetacyjnej, gdzie panowały naturalne wa-runki termiczne i świetlne. Wawa-runki pogody były monitorowane przy użyciu stacji mete-orologicznej Cambella znajdującej się nie-opodal hali wegetacyjnej oraz za pomocą termohigrografu umieszczonego obok roślin rosnących w aeroponice (fot. 3).
Podział sekcji (ciągły)
Fot. 2. Koszyczki ze skiełkowanymi mikrobulwami umieszczone w blacie aeroponiki Podział sekcji (ciągły)
Zmodyfikowany roztwór pożywki (pH 5,8; EC 2,2 mS/cm, NO3-, SO42−, H2PO4−, CI−, K+, Ca2+, Mg2+, NH4+, Na+ i mikroelementy) we-dług Rolot i innych (2002) był podawany w postaci mgły w jednakowy sposób w obydwu
urządzeniach: przez 10 sekund co 3 minuty w ciągu dnia (5.05-20.00) i przez 10 sekund co 5 minut w ciągu nocy (20.05-5.00). Nie-wykorzystana część pożywki wracała do zbiornika.
Podział sekcji (ciągły)
Fot. 3. Rośliny ziemniaka rosnące w aeroponice (fotografia wykonana na początku lipca)
Przez cały okres wegetacji, dwukrotnie w ciągu dnia, w każdym zbiorniku mierzono pH i EC. Zbiór wykonywano w odstępach tygo-dniowych, począwszy od 10 lipca w roku 2012 i 9 lipca w 2013. Zbierano wszystkie bulwy o poprzecznej średnicy nie mniejszej
niż 2 cm, a następnie liczono je i określano ich masę. Ostatni zbiór wykonano tuż przed pierwszymi przymrozkami (8-16 październi-ka). Liczba zbiorów w kolejnych latach ba-dań wynosiła 15 i 14.
Podział sekcji (ciągły)
Fot. 4. Bulwy ziemniaka w komorze aeroponicznej tuż przed zbiorem na początku lipca
Produkcja minibulw metodą tradycyj-ną. Podkiełkowane mikrobulwy sadzono w
skrzynkach o powierzchni 1925 cm2 (55 x 35 cm) wypełnionych uniwersalnym substratem glebowym do uprawy warzyw. Liczba mikro-bulw na skrzynkę wynosiła 12, zgodnie z metodą najczęściej stosowaną w hodowli ziemniaka. Liczba powtórzeń (skrzynek z mikrobulwami) – 6. Skrzynki zostały umiesz-czone tuż obok urządzeń do aeroponicznej produkcji minibulw.
W ciągu całego okresu wegetacji rośliny były codziennie starannie pielęgnowane, a także chronione przed chorobami i szkodni-kami zgodnie z zaleceniami.
Plon zebrano po osiągnięciu przez rośliny pełnej dojrzałości, między 10-12 sierpnia (Tajfun) a 25-29 sierpnia (Ametyst). Po zbio-rze określono liczbę i plon bulw
przypadają-cy na roślinę i jednostkę powierzchni.
Wyniki i dyskusja
Produkcja minibulw w aeroponice. Wpływ
odmiany, gęstości sadzenia i roku badań na współczynnik rozmnażania mikrobulw oraz plon i wielkość minibulw przedstawiono w tabeli 1. Najważniejszy wskaźnik produkcji minibulw, współczynnik rozmnażania, w na-szym doświadczeniu wynosił 34,3 średnio dla odmian, gęstości sadzenia i roku badań. Był jednak istotnie wyższy u odmiany Ame-tyst niż Tajfun i w roku 2012, przy mniejszej gęstości sadzenia, osiągnął nawet poziom 44,2. Wydajność minibulw z 1 m2 wynosiła średnio 1396 (Ametyst) i 1268 (Tajfun). Lata, w których prowadzono doświadczenie, nie miały istotnego wpływu na ten wynik.
Tabela 1
Wpływ odmiany, gęstości sadzenia i roku badań
na współczynnik rozmnażania mikrobulw oraz plon i wielkość minibulw – ogółem dla wszystkich zbiorów w aeroponice
Odmiana/gęstość sadzenia Ametyst Tajfun Rok 36/m2 42/m2 36/m2 42/m2 śred-nio 36/m2 42/m2 średnio Liczba MB na roślinę 2012 44,2 38,0 41,0a 35,1 34,9 35,0b 39,7 36,5 38,1a 2013 33,8 28,1 31,0b 30,8 29,3 30,1b 32,3 28,7 30,5b
Średnio 39,0a 33,1b 36,0a 33,0a 32,1a 32,5b 36,0a 32,6b 34,3 Liczba MB/m2
Średnio 1404 1388 1396a 1187 1349 1268b 1296a 1369a 1333
Plon MB (kg/m2)
2012 12,60 11,77 12,19 9,82 11,55 10,68 11,21 11,66 11,44
2013 17,18 13,99 15,58 12,54 13,00 12,77 14,86 13,50 14,18
Średnio 14,89 12,88 13,89a 11,18 12,28 11,73a 13,04a 12,58a 12,81 Wielkość pojedynczej MB (g)
Średnio 11,00 9,62 10,31a 9,54 9,22 9,38a 10,27a 9,42a 9,85
MB – minibulwa; a, b – wartości średnie oznaczone tymi samymi literami nie są statystycznie istotne na poziomie 0,05 wg testu Tukeya
Autorzy analogicznych badań nad wyko-rzystaniem aeroponiki w produkcji nasiennej ziemniaka zwracają również uwagę na istot-ne zróżnicowanie odmian pod względem współczynnika rozmnażania. W badaniach Rolot i Seutin (1999) współczynnik rozmna-żania wynosił od 8 do 13 minibulw, w bada-niach Chang i innych (2011) był wyższy u odmiany Superior niż u Haryeong i Jayoung, a w pracy Chang i innych (2012) u odmiany Superior wynosił 37,6, a u Atlantic 22,7. We-dług Mateus-Rodrigueza i innych (2013) współczynnik rozmnażania materiałów in vitro może wynosić nawet 45, jednak w celu osiągnięcia takiego wyniku konieczne jest indywidualne traktowanie każdej odmiany. W
naszych badaniach wykazaliśmy istotny po-zytywny wpływ mniejszej gęstości sadzenia na liczbę minibulw przypadającą na roślinę. Podobny kierunek reakcji wykazali w swojej pracy Farran i Mingo-Castel (2006).
W niniejszej pracy współczynnik rozmna-żania mikrobulw był istotnie zróżnicowany w latach badań – wyższy w roku 2012 i niższy w 2013. Miało to związek z warunkami ter-micznymi okresu wegetacji, co udokumen-towano w tabeli 2. Stwierdzono, że między średnimi wartościami dziennych temperatur w latach badań a najważniejszymi parame-trami plonu minibulw istnieją wysoce istotne korelacje.
Tabela 2
Współczynniki korelacji między średnimi wartościami dziennej temperatury w okresie wegetacji w latach badań a liczbą, plonem i wielkością minibulw (N = 8)
Badany czynnik
Średnia dzienna temperatura
Liczba
MB/m2 Plon MB/m2 jedynczej MB Wielkość po-Średnia dzienna temperatura 1,0000 - 0,875** + 0,7720** + 0,9462**
Liczba MB/m2 - 0,8750** 1,0000 - 0,4970 - 0,8221**
Plon MB/m2 + 0,7720** - 0,4970 1,0000 + 0,9023**
Wielkość pojedynczej MB + 0,9462** - 0,8221** + 0,9023** 1,0000
Wyniki zgodne z naszymi zostały przed-stawione przez Oraby i innych (2015), którzy w swej pracy położyli nacisk na wysoce ne-gatywny wpływ wysokiej temperatury na produkcję minibulw w aeroponice. Rzeczy-wiście, temperatura w okresie wegetacji jest ważnym czynnikiem, wpływającym na foto-syntezę oraz liczbę i plon bulw, nawet jeśli warunki meteorologiczne w okresie wegeta-cji są ogólnie sprzyjające rozwojowi ziemnia-ka (Ryziemnia-kaczewsziemnia-ka 2015; Ryziemnia-kaczewsziemnia-ka, Mań-kowski 2015).
Produkcja minibulw metodą tradycyj-ną. Stwierdzono istotne różnice między
ba-danymi odmianami pod względem liczby minibulw przypadającej na roślinę i z po-wierzchni jednego metra oraz masy poje-dynczej minibulwy (tab. 3). Ametyst charak-teryzowała się większą liczbą minibulw i mniejszą masą pojedynczej minibulwy. Nie stwierdzono istotnej różnicy w plonie ogól-nym. Minibulwy wyprodukowane metodą tradycyjną charakteryzowały się zróżnicowa-ną wielkością. Na rysunku 1 przedstawiono udział poszczególnych frakcji w plonie.
Tabela 3
Badane parametry rozmnażania mikrobulw w doświadczeniu prowadzonym metodą tradycyjną
Parametr rozmnażania mikrobulw Odmiana liczba MB
na roślinę
liczba MB
na 1 m2 plon MB (kg/m2) masa 1 MB (g)
Ametyst 11,27a 679a 9,80a 14,5b
Tajfun 7,16b 428b 9,26a 21,6a
Średnio 9,21 553 9,53 18,1
MB – minibulwa; a, b – wartości średnie oznaczone tymi samymi literami nie są statystycz-nie istotne na poziomie 0,05 wg testu Tukeya
Rys. 1. Procentowy udział minibulw zróżnicowanej wielkości w plonie ogólnym a, b, c – wartości średnie oznaczone tymi samymi literami nie są statystycznie istotne
na poziomie 0,05 wg testu Tukeya
Porównanie parametrów rozmnażania mikrobulw w aeroponice i w glebie.
Stwierdzono istotne różnice między wszyst-kimi parametrami minibulw wyprodukowa-nymi w aeroponice i w glebie (rys. 2). Współczynnik rozmnażania mikrobulw w aeroponice był ponad 3-krotnie wyższy niż
uzyskany metodą tradycyjną. Masa pojedyn-czej minibulwy wyprodukowanej w aeroponi-ce, zgodnie z przyjętą metodyką, była niższa niż minibulwy wyprodukowanej glebie. Ogól-ny wygląd minibulw z dwóch metod produkcji przedstawiono na fotografii 5.
Rys. 2. Porównanie parametrów rozmnażania mikrobulw w aeroponice i w glebie
– wartości średnie dla odmian i lat. MB – minibulwa, AE 36 – gęstość sadzenia mikrobulw 36/m2, AE 42 – gęstość sadzenia mikrobulw 42/m2, soil – gleba, a, b – wartości średnie oznaczone
tymi samymi literami nie są statystycznie istotne na poziomie 0,05 wg testu Tukeya
Fot. 5. Minibulwy wyprodukowane dwiema metodami: po lewej w aeroponice; po prawej – w glebie
Podział sekcji (ciągły)
Podsumowanie
Wyniki przeprowadzonych badań dowodzą, że aeroponiczna technologia uprawy jest obiecującą alternatywą produkcji minibulw ziemniaka. Odmiana odgrywa istotną rolę w formowaniu liczby bulw. Współczynnik roz-mnażania materiałów in vitro może w tej technologii wynosić nawet 45, ale w celu osiągnięcia takiego wyniku konieczne jest indywidualne traktowanie każdej odmiany.
Do dziś nie wprowadzono w Polsce tej inno-wacyjnej technologii do praktyki hodowlanej.
***
Składam specjalne podziękowanie Dyrekcji i Pracownikom PHU Adviser w Poznaniu za współudział w projektowaniu i skonstruowanie urządzeń do aeroponicznej produkcji minibulw oraz Pani A. Gajos za pomoc techniczną w ciągu całego okresu wegetacji.
1.Chang D. C., Cho L. C., Suh J-T., Kim S. J., Lee Y. B. 2011. Growth and yield response of three
aeroponi-cally grown potato cultivars (Solanum tuberosum L.) to different electrical conductivities of nutrient solution. – Am. J. Potato Res. 88: 450-458; 2. Chang D. C., Park
C. S., Kim S. Y., Lee Y. B. 2012. Growth and
tuberiza-tion of hydroponically grown potatoes. – Potato Res. 55: 69-81; 3. Farran I., Mingo-Castel A. M. 2006. Potato mini-tuber production using aeroponics: effects of plant density and harvesting intervals. – Am. J. Potato Res. 83: 47-53; 4. Mateus-Rodriguez J. S., de
Haan I., Barker C., Chuquillanqui C., Rodriguez-Delfin A. 2012. Response of three potato cultivars
grown in a novel aeroponics system for mini-tuber seed production. – Acta Hortic. 947: 361-367; 5.
Ma-teus-Rodriguez J. R., de Haan S., Andrade-Piedra J. L., Maldonado L., Hareau G., Barker I., Chuquil-lanqui C., Otazu V., Frisancho R. Bastos C., Pereira A. S., Medeiros C. A., Montesdeoca F., Benitez J. 2013. Technical and economic analysis of aeroponics
and other systems for potato mini-tuber production in
Latin America. – Am. J. Potato Res. 90: 357-368;
6. Oraby H., Lachance A., Desjardins Y. 2015. A low
nutrient solution temperature and the application of stress treatments increase potato mini-tubers produc-tion in an aeroponic system. – Am. J. Potato Res. 92:
387-397; 7. Rolot J. L., Seutin H. 1999. Soilless
pro-duction of potato minitubers using a hydroponic tech-nique. – Potato Res. 42: 457-469; 8. Rolot J. H.,
Seu-tin H., Michelante D. 2002. Production de
minituber-cules de pomme de terre par hydroponie: évaluation d’un système combinant les techniques “NFT” et “Gravel Culture” pour deux types de solutions nutri-tives. – Biotech. Agronomie Soc. Environ. 6: 155-161;
9. Rykaczewska K. 2009. Szybkie mnożenie minibulw
ziemniaka z zastosowaniem hydroponiki. – Biul. IHAR 253: 277-284; 10. Rykaczewska K. 2015. The effect of high temperature occurring in subsequent stages of plant development on potato yield and tuber
physiolo-gical defects. – Am. J. Potato Res. 92: 339-349;
11. Rykaczewska K., Mańkowski D. 2015. The effect
of physiological age of potato plants on chosen chlo-rophyll fluorescence parameters. – Plant Soil Environ. 10: 462-467; 12. Rykaczewska K. 2016. The potato minituber production from microtubers in aeroponic culture. – Plant Soil Environ. 5: 210-214; 13. Tierno
R., Carrasco A., Ritter E., de Galaretta J. I. R. 2014.
Differential growth response and minituber production of three potato cultivars under aeroponics and greenhouse bed culture. – Am. J. Potato Res. 91: 346--353; 14. Wróbel S. 2014. Assessment of possibilities of microtuber and in vitro plantlet seed multiplication in field conditions. – Am. J. Potato Res. 91: 554-565
