Гидропоника — это тип садоводства и подвид гидрокультуры, который включает выращивание растений , обычно сельскохозяйственных культур или лекарственных растений , без почвы , с использованием минеральных питательных растворов на водной основе в искусственной среде. Наземные или водные растения могут расти свободно, подвергая свои корни воздействию питательной жидкости, или корни могут механически поддерживаться инертной средой, такой как перлит , гравий или другие субстраты. [1]
Несмотря на инертную среду, корни могут вызывать изменения pH ризосферы , а корневые экссудаты могут влиять на биологию ризосферы и физиологический баланс питательного раствора, когда в растениях вырабатываются вторичные метаболиты . [2] [3] [4] Трансгенные растения, выращенные гидропонным способом, позволяют выделять фармацевтические белки как часть корневых экссудатов в гидропонную среду. [5]
Питательные вещества, используемые в гидропонных системах, могут поступать из множества различных органических и неорганических источников, включая рыбьи экскременты , утиный помет , покупные химические удобрения или искусственные стандартные или гибридные питательные растворы. [6]
В отличие от выращивания в полевых условиях, растения обычно выращивают гидропонным способом в теплице или замкнутой среде на инертных средах, адаптированных к процессу контролируемого сельского хозяйства (CEA). [7] Растения, обычно выращиваемые гидропонным способом, включают томаты , перцы , огурцы , клубнику , салат и каннабис , обычно для коммерческого использования, а также Arabidopsis thaliana , который служит модельным организмом в науке о растениях и генетике . [8]
Гидропоника предлагает много преимуществ, в частности, снижение потребления воды в сельском хозяйстве. Чтобы вырастить 1 килограмм (2,2 фунта) томатов с использованием
Гидропонные культуры приводят к наибольшему производству биомассы и белка по сравнению с другими субстратами для выращивания растений, выращиваемых в тех же условиях окружающей среды и снабжаемых равным количеством питательных веществ. [11]
Гидропоника используется не только на Земле, но и зарекомендовала себя в экспериментах по выращиванию растений на околоземной орбите . [12]
Самой ранней опубликованной работой по выращиванию наземных растений без почвы была книга 1627 года Sylva Sylvarum или «Естественная история» Фрэнсиса Бэкона , напечатанная через год после его смерти. В результате его работы водная культура стала популярным методом исследования. В 1699 году Джон Вудворд опубликовал свои эксперименты по водной культуре с мятой . Он обнаружил, что растения в источниках с менее чистой водой росли лучше, чем растения в дистиллированной воде. К 1842 году был составлен список из девяти элементов, которые, как считалось, необходимы для роста растений, а открытия немецких ботаников Юлиуса фон Сакса и Вильгельма Кнопа в 1859–1875 годах привели к разработке метода беспочвенного выращивания. [13] Цитируя фон Сакса напрямую: «В 1860 году я опубликовал результаты экспериментов, которые продемонстрировали, что наземные растения способны поглощать питательные вещества из водных растворов без помощи почвы, и что таким образом можно не только поддерживать растения живыми и растущими в течение длительного времени, как это давно известно, но и вызывать энергичное увеличение их органического вещества и даже производство семян, способных прорастать » . [14] Выращивание наземных растений без почвы в минеральных питательных растворах позже было названо «культурой раствора» по отношению к «почвенной культуре». Это быстро стало стандартной исследовательской и учебной техникой в 19 и 20 веках и до сих пор широко используется в науке о питании растений . [15]
Около 1930-х годов специалисты по питанию растений исследовали заболевания определенных растений и, таким образом, наблюдали симптомы, связанные с существующими почвенными условиями, такими как засоление . В этом контексте эксперименты по водной культуре проводились с надеждой на получение подобных симптомов в контролируемых лабораторных условиях. [16] Этот подход, навязанный Деннисом Робертом Хогландом, привел к инновационным модельным системам (например, зеленые водоросли Nitella ) и стандартизированным рецептам питательных веществ, играющим все более важную роль в современной физиологии растений . [17] В 1929 году Уильям Фредерик Герике из Калифорнийского университета в Беркли начал публично продвигать идею использования принципов растворной культуры для производства сельскохозяйственных культур . [18] [19] [20] Сначала он назвал этот метод выращивания «аквакультурой», созданной по аналогии с «сельским хозяйством», но позже обнаружил, что родственный термин аквакультура уже применялся к культуре водных организмов . Герике произвел сенсацию, вырастив томатные лозы высотой двадцать пять футов (7,6 метра) на своем заднем дворе в минеральных питательных растворах, а не в почве. [21] Затем в 1937 году он ввел термин «гидропоника » (водная культура), предложенный ему У. А. Сетчеллом, физиологом с обширным образованием в области классики. [22] [23] Гидропоника происходит от неологизма υδρωπονικά (происходит от греческого ύδωρ = вода и πονέω = культивировать), построенного по аналогии с γεωπονικά (образовано от греческого γαία = земля и πονέω = культивировать), [24] geoponica , то, что касается сельского хозяйства, заменяя, γεω-, земля, с ὑδρο-, вода. [13]
Однако, несмотря на первоначальные успехи, Герике понял, что время для общего технического применения и коммерческого использования гидропоники для выращивания сельскохозяйственных культур еще не пришло. [25] Он также хотел убедиться, что все аспекты гидропонного выращивания были исследованы и протестированы, прежде чем сделать какие-либо подробности доступными для общественности. [26] Отчеты о работе Герике и его заявления о том, что гидропоника произведет революцию в растениеводстве, вызвали огромное количество запросов на дополнительную информацию. Герике было отказано в использовании теплиц университета для его экспериментов из-за скептицизма администрации, и когда университет попытался заставить его опубликовать свои предварительные рецепты питательных веществ, разработанные дома, он запросил место в теплице и время, чтобы улучшить их с использованием соответствующих исследовательских возможностей. Хотя ему в конечном итоге предоставили место в теплице, университет поручил Хогленду и Арнону пересмотреть заявления Герике и показать, что его формула не имеет никаких преимуществ по сравнению с урожайностью растений, выращенных в почве, — мнение, которого придерживался Хогленд. Из-за этих непримиримых конфликтов Герике оставил свою академическую должность в 1937 году в политически неблагоприятном климате и продолжил свои исследования самостоятельно в своей теплице. В 1940 году Герике, чья работа считается основой для всех форм гидропонного выращивания, опубликовал книгу « Полное руководство по беспочвенному садоводству» . В ней он впервые опубликовал свои основные формулы, включающие макро- и микроэлементные соли для гидропонно выращиваемых растений. [27]
В результате исследования утверждений Герике по заказу директора Калифорнийской сельскохозяйственной экспериментальной станции Калифорнийского университета Клода Хатчисона , Деннис Хогланд и Дэниел Арнон написали классический сельскохозяйственный бюллетень 1938 года «Метод водной культуры для выращивания растений без почвы» , одну из самых важных работ по культуре в растворе, в которой утверждалось, что урожайность гидропонных культур не лучше урожайности культур, полученных на почвах хорошего качества. [28] В конечном итоге урожайность культур будет ограничена факторами, отличными от минеральных питательных веществ, особенно светом и аэрацией питательной среды. [29] Однако во введении к своей эпохальной книге о беспочвенном выращивании, опубликованной два года спустя, Герике указал, что результаты, опубликованные Хогландом и Арноном при сравнении урожайности экспериментальных растений в песчаных, почвенных и растворных культурах, были основаны на нескольких системных ошибках («...эти экспериментаторы совершили ошибку, ограничив производительность гидропоники производительностью почвы. Сравнение возможно только путем выращивания такого количества растений в каждом случае, которое может поддерживать плодородность питательной среды»). [27]
Например, исследование Хогланда и Арнона не оценило должным образом, что гидропоника имеет другие ключевые преимущества по сравнению с почвенной культурой, включая тот факт, что корни растения имеют постоянный доступ к кислороду и что растения имеют доступ к такому количеству воды и питательных веществ, которое им необходимо. [27] [30] Это важно, поскольку одной из наиболее распространенных ошибок при выращивании растений является чрезмерный и недостаточный полив; гидропоника предотвращает это, поскольку большие объемы воды, которые могут затопить корневые системы в почве, могут быть доступны растению в гидропонике, а любая неиспользованная вода сливается, рециркулируется или активно аэрируется, устраняя бескислородные условия в корневой области. В почве производитель должен быть очень опытным, чтобы точно знать, сколько воды нужно кормить растение. Слишком много, и растение не сможет получить доступ к кислороду, потому что воздух в порах почвы вытесняется, что может привести к корневой гнили ; слишком мало, и растение будет испытывать водный стресс или потеряет способность усваивать питательные вещества, которые обычно перемещаются в корни в растворенном виде , что приводит к симптомам дефицита питательных веществ, таким как хлороз или ожог удобрениями . В конечном итоге, передовые идеи Герике привели к внедрению гидропоники в коммерческое сельское хозяйство, в то время как взгляды Хогланда и полезная поддержка университета побудили Хогланда и его коллег разработать несколько новых формул (рецептов) для минеральных питательных растворов, повсеместно известных как раствор Хогланда . [31]
Один из самых ранних успехов гидропоники произошел на острове Уэйк , скалистом атолле в Тихом океане, который использовался в качестве дозаправочной станции для Pan American Airlines . Гидропоника использовалась там в 1930-х годах для выращивания овощей для пассажиров. Гидропоника была необходимостью на острове Уэйк, поскольку там не было почвы, а перевозить свежие овощи по воздуху было непомерно дорого. [32]
С 1943 по 1946 год Дэниел И. Арнон служил майором в армии США и использовал свой предыдущий опыт в области питания растений, чтобы кормить войска, размещенные на бесплодном острове Понапе в западной части Тихого океана, выращивая урожай на гравии и богатой питательными веществами воде, поскольку там не было пахотных земель . [33]
В 1960-х годах Аллен Купер из Англии разработал технологию питательной пленки . [34] Павильон Земли в центре EPCOT Всемирного центра отдыха Уолта Диснея открылся в 1982 году и наглядно демонстрирует различные гидропонные методы.
В последние десятилетия НАСА провело обширные гидропонные исследования для своей Контролируемой экологической системы жизнеобеспечения (CELSS). Гидропонные исследования, имитирующие марсианскую среду, используют светодиодное освещение для выращивания в другом цветовом спектре с гораздо меньшим теплом. Рэй Уиллер, физиолог растений в Лаборатории космической жизни Космического центра Кеннеди, считает, что гидропоника создаст прогресс в области космических путешествий, как биорегенеративная система жизнеобеспечения . [35]
По состоянию на 2017 год в Канаде имелись сотни акров крупных коммерческих гидропонных теплиц, где выращивались томаты, перцы и огурцы. [36]
Благодаря технологическому прогрессу в отрасли и многочисленным экономическим факторам , прогнозируется, что мировой рынок гидропоники вырастет с 226,45 млн долларов США в 2016 году до 724,87 млн долларов США к 2023 году. [37] [ требуется обновление ]
Для каждой среды существует два основных варианта: подпочвенное орошение и верхнее орошение [ уточнить ] . Для всех методов большинство гидропонных резервуаров сейчас строятся из пластика, но используются и другие материалы, включая бетон, стекло, металл, растительные твердые частицы и дерево. Контейнеры должны исключать попадание света, чтобы предотвратить рост водорослей и грибков в гидропонной среде.
В статической растворной культуре растения выращиваются в контейнерах с питательным раствором, таких как стеклянные банки Мейсона (обычно для домашнего применения), горшки , ведра, ванны или баки. Раствор обычно слегка аэрируется, но может быть и неаэрированным. [11] Если не аэрируется, уровень раствора поддерживается достаточно низким, чтобы достаточно корней находилось над раствором, чтобы они получали достаточно кислорода. В верхней части резервуара для каждого растения вырезается (или просверливается) отверстие; если это банка или ванна, это может быть ее крышка, но в противном случае сверху можно положить картон, фольгу, бумагу, дерево или металл. Один резервуар может быть выделен для одного растения или для разных растений. Размер резервуара можно увеличивать по мере увеличения размера растения. Самодельную систему можно соорудить из пищевых контейнеров или стеклянных банок для консервирования с аэрацией, обеспечиваемой аквариумным насосом, аквариумной воздушной трубкой, аквариумными клапанами или даже биопленкой зеленых водорослей на стекле посредством фотосинтеза . Прозрачные контейнеры также можно покрыть алюминиевой фольгой, мясной бумагой, черным пластиком или другим материалом, чтобы устранить эффекты отрицательного фототропизма . Питательный раствор меняют либо по графику, например, один раз в неделю, либо когда концентрация падает ниже определенного уровня, определяемого с помощью измерителя электропроводности . Всякий раз, когда раствор истощается ниже определенного уровня, добавляется либо вода, либо свежий питательный раствор. Для автоматического поддержания уровня раствора можно использовать бутылку Мариотта или поплавковый клапан. В культуре с использованием раствора на плоту растения помещают в лист плавучего пластика, который плавает на поверхности питательного раствора. Таким образом, уровень раствора никогда не опускается ниже корней. [38]
В непрерывной проточной культуре раствор питательных веществ постоянно протекает мимо корней. Ее гораздо легче автоматизировать, чем статическое выращивание растворов, поскольку отбор проб и корректировку температуры, pH и концентрации питательных веществ можно производить в большом резервуаре для хранения, который может обслуживать тысячи растений. Популярным вариантом является метод питательной пленки или NFT, при котором очень мелкий поток воды, содержащий все растворенные питательные вещества, необходимые для роста растений, рециркулируется тонким слоем мимо оголенного корневого мата растений в водонепроницаемом канале, верхняя поверхность которого открыта для воздуха. В результате этого к корням растений поступает обильный запас кислорода. Правильно спроектированная система NFT основана на использовании правильного наклона канала, правильной скорости потока и правильной длины канала. Главное преимущество системы NFT перед другими формами гидропоники заключается в том, что корни растений подвергаются достаточному снабжению водой, кислородом и питательными веществами. Во всех других формах производства существует конфликт между обеспечением этих потребностей, поскольку избыточное или недостаточное количество одного приводит к дисбалансу одного или обоих других. NFT, благодаря своей конструкции, обеспечивает систему, в которой все три требования для здорового роста растений могут быть выполнены одновременно, при условии, что простая концепция NFT всегда помнится и практикуется. Результатом этих преимуществ является то, что более высокие урожаи высококачественной продукции получаются в течение длительного периода выращивания. Недостатком NFT является то, что у него очень мало буферизации против перерывов в потоке (например, отключений электроэнергии). Но, в целом, это, вероятно, один из наиболее продуктивных методов. [39]
Те же конструктивные характеристики применяются ко всем обычным системам NFT. Хотя были рекомендованы уклоны вдоль каналов 1:100, на практике трудно построить основание для каналов, которое было бы достаточно точным, чтобы питательные пленки могли течь без запруживания в локально пониженных областях. Как следствие, рекомендуется использовать уклоны от 1:30 до 1:40. [40] Это допускает незначительные неровности на поверхности, но даже при таких уклонах может происходить запруживание и заболачивание . Уклон может быть обеспечен полом, скамьи или стойки могут удерживать каналы и обеспечивать требуемый уклон. Оба метода используются и зависят от местных требований, часто определяемых требованиями участка и сельскохозяйственных культур.
В качестве общего руководства, скорость потока для каждого оврага должна составлять один литр в минуту. [ неопределенно ] [41] При посадке скорость может быть вдвое меньше, а верхний предел в 2 л/мин кажется максимальным. Скорость потока за пределами этих крайностей часто связана с проблемами питания. Замедленные темпы роста многих культур наблюдались, когда каналы превышали 12 метров в длину. На быстрорастущих культурах испытания показали, что, хотя уровни кислорода оставались достаточными, азот мог истощаться по всей длине оврага. Как следствие, длина канала не должна превышать 10–15 метров. В ситуациях, когда это невозможно, снижение роста можно устранить, разместив еще один питательный корм на полпути вдоль оврага и уменьшив вдвое скорость потока через каждый выход. [42] [4]
Аэропоника — это система, в которой корни непрерывно или прерывисто находятся в среде, насыщенной мелкими каплями ( туман или аэрозоль ) питательного раствора. Метод не требует субстрата и подразумевает выращивание растений с корнями, подвешенными в глубокой воздушной или ростовой камере, при этом корни периодически смачиваются мелким туманом распыленных питательных веществ . Превосходная аэрация — главное преимущество аэропоники.
Аэропонные методы оказались коммерчески успешными для размножения, проращивания семян, производства семенного картофеля, производства томатов, листовых культур и микрозелени. [43] С тех пор как изобретатель Ричард Стоунер вывел на рынок аэропонную технологию в 1983 году, аэропоника была внедрена в качестве альтернативы водоемким гидропонным системам по всему миру. [44] Основным ограничением гидропоники является тот факт, что 1 килограмм (2,2 фунта) воды может удерживать только 8 миллиграммов (0,12 г) воздуха, независимо от того, используются аэраторы или нет.
Еще одним явным преимуществом аэропоники перед гидропоникой является то, что любой вид растений можно выращивать в настоящей аэропонной системе, поскольку микросреду аэропоники можно точно контролировать. Еще одним ограничением гидропоники является то, что определенные виды растений могут выживать в воде только определенное время, прежде чем они станут заболоченными . Напротив, подвесные аэропонные растения получают 100% доступного кислорода и углекислого газа в корневую зону, стебли и листья, [45] [46] , таким образом ускоряя рост биомассы и сокращая время укоренения. Исследования НАСА показали, что аэропонные растения имеют 80%-ное увеличение сухой массы биомассы (необходимых минералов) по сравнению с гидропонными растениями. Аэропоника также использует на 65% меньше воды, чем гидропоника. НАСА пришло к выводу, что аэропонным растениям требуется на ¼ меньше питательных веществ по сравнению с гидропоникой. [47] [48] В отличие от гидропонных растений, аэропонные растения не будут страдать от шока при пересадке в почву и дают производителям возможность уменьшить распространение болезней и патогенов. Аэропоника также широко используется в лабораторных исследованиях физиологии и патологии растений. Аэропонные методы получили особое внимание со стороны NASA, поскольку с туманом легче обращаться, чем с жидкостью в условиях невесомости. [47] [4]
Туманообразование — это разновидность аэропоники, в которой питательный раствор распыляется с помощью диафрагмы, вибрирующей на ультразвуковых частотах . Капли раствора, полученные этим методом, как правило, имеют диаметр 5–10 мкм, что меньше, чем те, которые производятся путем проталкивания питательного раствора через напорные форсунки, как в аэропонике. Меньший размер капель позволяет им легче диффундировать в воздухе и доставлять питательные вещества к корням, не ограничивая их доступ к кислороду. [49] [50]
Пассивное субирригационное орошение, также известное как пассивная гидропоника, полугидропоника или гидрокультура [51] , представляет собой метод, при котором растения выращиваются в инертной пористой среде, которая перемещает воду и удобрения к корням капиллярным действием из отдельного резервуара по мере необходимости, сокращая трудозатраты и обеспечивая постоянную подачу воды к корням. В простейшем методе горшок находится в неглубоком растворе удобрения и воды или на капиллярном мате, насыщенном питательным раствором. Различные доступные гидропонные среды, такие как керамзит и кокосовая скорлупа , содержат больше воздушного пространства, чем более традиционные горшечные смеси, обеспечивая повышенное поступление кислорода к корням, что важно для эпифитных растений, таких как орхидеи и бромелиевые , корни которых подвергаются воздействию воздуха в природе. Дополнительными преимуществами пассивной гидропоники являются снижение корневой гнили.
В простейшей форме обогащенная питательными веществами вода закачивается в контейнеры с растениями в среде выращивания, такой как керамзитовый заполнитель. Через регулярные промежутки времени простой таймер заставляет насос заполнять контейнеры питательным раствором, после чего раствор сливается обратно в резервуар. Это обеспечивает регулярную промывку среды питательными веществами и воздухом. [52]
В системе run-to-waste питательный и водный раствор периодически наносится на поверхность среды. Метод был изобретен в Бенгалии в 1946 году; по этой причине его иногда называют «Бенгальской системой». [53]
Этот метод может быть настроен в различных конфигурациях. В своей простейшей форме питательно-водный раствор вручную наносится один или несколько раз в день на контейнер с инертной средой для выращивания, такой как минеральная вата, перлит, вермикулит, кокосовое волокно или песок. В немного более сложной системе он автоматизирован с помощью насоса подачи, таймера и оросительной трубки для подачи питательного раствора с частотой подачи, которая регулируется ключевыми параметрами размера растения, стадии роста растения, климата, субстрата и проводимости субстрата, pH и содержания воды.
В коммерческих условиях частота полива зависит от многих факторов и регулируется компьютерами или ПЛК .
Коммерческое гидропонное производство крупных растений, таких как томаты, огурцы и перец, использует ту или иную форму гидропоники с отходами.
Гидропонный метод выращивания растений путем подвешивания корней растений в растворе богатой питательными веществами, насыщенной кислородом воды. Традиционные методы предпочитают использование пластиковых ведер и больших контейнеров с растением, содержащимся в сетчатом горшке, подвешенном к центру крышки, и корнями, подвешенными в питательном растворе. Раствор насыщается кислородом с помощью воздушного насоса в сочетании с пористыми камнями . При этом методе растения растут намного быстрее из-за большого количества кислорода, которое получают корни. [54] Метод Кратки похож на глубоководную культуру, но использует нециркулирующий резервуар с водой.
Глубоководная культура с верхней подачей — это метод, включающий доставку высококислородного питательного раствора непосредственно в корневую зону растений. В то время как глубоководная культура подразумевает, что корни растений свисают в резервуар с питательным раствором, при глубоководной культуре с верхней подачей раствор перекачивается из резервуара вверх к корням (верхняя подача). Вода выпускается над корнями растения, а затем возвращается в резервуар ниже в постоянно рециркулирующей системе. Как и в случае с глубоководной культурой, в резервуаре есть распылитель воздуха , который закачивает воздух в воду через шланг снаружи резервуара. Распылитель воздуха помогает добавлять кислород в воду. И распылитель воздуха, и водяной насос работают 24 часа в сутки.
Самым большим преимуществом глубоководной культуры с верхней подачей по сравнению со стандартной глубоководной культурой является усиленный рост в течение первых нескольких недель. [ необходима цитата ] При глубоководной культуре есть время, когда корни еще не достигли воды. При глубоководной культуре с верхней подачей корни получают легкий доступ к воде с самого начала и будут расти до резервуара ниже гораздо быстрее, чем при глубоководной системе культивирования. После того, как корни достигнут резервуара ниже, нет большого преимущества глубоководной культуры с верхней подачей по сравнению со стандартной глубоководной культурой. Однако из-за более быстрого роста в начале время роста можно сократить на несколько недель. [ необходима цитата ]
Роторный гидропонный сад — это разновидность коммерческой гидропоники, созданная в круглой раме, которая непрерывно вращается в течение всего цикла роста любого выращиваемого растения.
Хотя особенности системы различаются, системы обычно вращаются один раз в час, давая растению 24 полных оборота в пределах круга каждые 24 часа. В центре каждого вращающегося гидропонного сада может быть высокоинтенсивный свет для выращивания, предназначенный для имитации солнечного света, часто с помощью механизированного таймера.
Каждый день, по мере вращения растений, их периодически поливают раствором для гидропонного роста, чтобы обеспечить все питательные вещества, необходимые для устойчивого роста. Из-за постоянной борьбы растений с гравитацией, растения обычно созревают гораздо быстрее, чем при выращивании в почве или других традиционных гидропонных системах выращивания. [55] Поскольку роторные гидропонные системы имеют небольшой размер, они позволяют выращивать больше растительного материала на единицу площади пола, чем другие традиционные гидропонные системы. [56]
В большинстве случаев следует избегать использования роторных гидропонных систем, в основном из-за их экспериментального характера и высоких затрат на их поиск, покупку, эксплуатацию и обслуживание. [57]
Для разных методов выращивания подходят разные среды.
Каменная вата ( минеральная вата ) является наиболее широко используемой средой в гидропонике. Каменная вата является инертным субстратом, подходящим как для систем с отходами, так и для систем с рециркуляцией. Каменная вата изготавливается из расплавленной породы, базальта или «шлака», которые прядутся в пучки одиночных волокон и связываются в среду, способную к капиллярному действию, и, по сути, защищена от большинства распространенных микробиологических разрушений. Каменная вата обычно используется только на стадии рассады или с недавно срезанными клонами, но может оставаться с основой растения в течение всей его жизни. Каменная вата имеет много преимуществ и некоторые недостатки. Последний из них - возможное раздражение кожи (механическое) при обращении (1:1000). [ необходима цитата ] Промывание холодной водой обычно приносит облегчение. Преимущества включают ее доказанную эффективность и действенность в качестве коммерческого гидропонного субстрата. Большая часть проданной на сегодняшний день каменной ваты является неопасным, неканцерогенным материалом, подпадающим под Примечание Q Регламента классификации, упаковки и маркировки Европейского союза (CLP). [ необходима ссылка ]
Изделия из минеральной ваты могут быть спроектированы для удержания большого количества воды и воздуха, что способствует росту корней и усвоению питательных веществ в гидропонике; их волокнистая природа также обеспечивает хорошую механическую структуру для поддержания устойчивости растения. Естественно высокий уровень pH минеральной ваты делает ее изначально непригодной для роста растений и требует «кондиционирования» для получения ваты с соответствующим, стабильным pH. [58]
Обожженные глиняные гранулы подходят для гидропонных систем, в которых все питательные вещества тщательно контролируются в водном растворе. Глиняные гранулы инертны, имеют нейтральный pH и не содержат никакой питательной ценности.
Глина формуется в круглые гранулы и обжигается во вращающихся печах при температуре 1200 °C (2190 °F). Это заставляет глину расширяться, как попкорн, и становиться пористой. Она легкая по весу и не уплотняется со временем. Форма отдельной гранулы может быть неправильной или однородной в зависимости от марки и производственного процесса. Производители считают керамзит экологически устойчивой и пригодной для повторного использования средой для выращивания из-за ее способности очищаться и стерилизоваться, как правило, путем промывания в растворах белого уксуса, хлорного отбеливателя или перекиси водорода ( H
2О
2) и тщательно промыть.
Другая точка зрения заключается в том, что глиняные камешки лучше не использовать повторно, даже если они очищены, из-за роста корней, которые могут проникнуть в среду. Разлом глиняного камешка после использования может выявить этот рост. [ необходима цитата ]
Growstones , изготовленные из отходов стекла, имеют больше пространства для удержания воздуха и воды, чем перлит и торф. Этот агрегат удерживает больше воды, чем пропаренная рисовая шелуха . [59] Growstones по объему состоят из 0,5–5% карбоната кальция [60] — для стандартного мешка Growstones весом 5,1 кг это соответствует 25,8–258 граммам карбоната кальция . Остальное — натриево-кальциевое стекло. [60]
Кокосовая койра , также известная как кокосовый торф, является натуральным побочным продуктом, полученным при переработке кокосов. Внешняя оболочка кокоса состоит из волокон, которые обычно используются для изготовления множества предметов, от ковриков до щеток. После того, как длинные волокна используются для этих целей, пыль и короткие волокна объединяются для создания койра. Кокосы поглощают большое количество питательных веществ на протяжении всего своего жизненного цикла, поэтому койр должен пройти процесс созревания, прежде чем он станет жизнеспособной средой для роста. [61] Этот процесс удаляет соль, танины и фенольные соединения посредством существенной промывки водой. Загрязненная вода является побочным продуктом этого процесса, так как требуется от трехсот до шестисот литров воды на один кубический метр койра. [62] Кроме того, это созревание может занять до шести месяцев, и одно исследование пришло к выводу, что условия работы во время процесса созревания опасны и были бы незаконными в Северной Америке и Европе. [63] Несмотря на то, что он требует внимания, представляет риск для здоровья и оказывает воздействие на окружающую среду, кокосовая койра обладает впечатляющими свойствами материала. При контакте с водой коричневый, сухой, грубый и волокнистый материал расширяется почти в три-четыре раза от своего первоначального размера. Эта характеристика в сочетании с водоудерживающей способностью кокосовой койры и ее устойчивостью к вредителям и болезням делает ее эффективной средой для роста. При использовании в качестве альтернативы каменной вате кокосовая койра обеспечивает оптимальные условия для роста. [64]
Пропаренная рисовая шелуха (PBH) является побочным продуктом сельского хозяйства, который в противном случае был бы малопригоден. Она разлагается со временем и обеспечивает дренаж, [65] и даже удерживает меньше воды, чем камни для роста. [59] Исследование показало, что рисовая шелуха не влияет на действие регуляторов роста растений . [65] [ необходим непервичный источник ]
Перлит — это вулканическая порода, которая была перегрета в очень легкую расширенную стеклянную гальку. Она используется свободно или в пластиковых рукавах, погруженных в воду. Она также используется в почвенных смесях для горшечных культур, чтобы уменьшить плотность почвы. Она содержит большое количество фтора, который может быть вреден для некоторых растений. [66] Перлит имеет схожие свойства и применение с вермикулитом , но, как правило, удерживает больше воздуха и меньше воды и является плавучим.
Как и перлит, вермикулит — это минерал, который перегревался до тех пор, пока не расширился до легкой гальки. Вермикулит удерживает больше воды, чем перлит, и обладает естественным свойством «капли», которое может втягивать воду и питательные вещества в пассивную гидропонную систему. Если вокруг корней растений слишком много воды и недостаточно воздуха, можно постепенно снизить водоудерживающую способность среды, добавляя все большее количество перлита.
Как и перлит, пемза — это легкая вулканическая порода, добываемая в природе и находящая применение в гидропонике.
Песок дешев и легкодоступен. Однако он тяжелый, плохо удерживает воду и его нужно стерилизовать между использованиями. [67]
Тот же тип, который используется в аквариумах, хотя можно использовать любой мелкий гравий, при условии, что он предварительно промыт. Действительно, растения, растущие в типичном традиционном гравийном фильтре, где вода циркулирует с помощью электрических насосов, по сути, выращиваются с использованием гравийной гидропоники, также называемой «нутрикультурой». Гравий недорогой, его легко содержать в чистоте, он хорошо дренируется и не затапливается. Однако он также тяжелый, и если система не обеспечивает постоянную подачу воды, корни растений могут высохнуть.
Древесное волокно , полученное путем парового трения древесины, является эффективным органическим субстратом для гидропоники. Его преимущество в том, что оно сохраняет свою структуру в течение очень долгого времени. Древесная шерсть (т. е. щепки) использовалась с самых первых дней исследований гидропоники. [27] Однако более поздние исследования показывают, что древесное волокно может оказывать пагубное воздействие на «регуляторы роста растений». [65] [ необходим непервичный источник ]
Шерсть от стрижки овец — малоиспользуемая, но многообещающая возобновляемая среда для выращивания. В исследовании, сравнивающем шерсть с торфяными плитами, плитами из кокосового волокна, перлита и плитами из минеральной ваты для выращивания огурцов, овечья шерсть имела большую воздухоемкость 70%, которая уменьшалась по мере использования до сопоставимых 43%, и влагоемкость, которая увеличивалась с 23% до 44% по мере использования. [68] Использование овечьей шерсти привело к наибольшему выходу из протестированных субстратов, в то время как применение биостимулятора, состоящего из гуминовой кислоты, молочной кислоты и Bacillus subtilis, улучшило урожайность во всех субстратах. [68]
Кирпичные осколки имеют схожие свойства с гравием. У них есть дополнительные недостатки, такие как возможное изменение pH и необходимость дополнительной очистки перед повторным использованием. [69]
Полистироловые упаковочные арахисы недороги, легкодоступны и имеют отличный дренаж. Однако они могут быть слишком легкими для некоторых видов использования. Они используются в основном в закрытых трубчатых системах. Обратите внимание, что необходимо использовать небиоразлагаемые полистироловые арахисы; биоразлагаемые упаковочные арахисы разложатся в ил. Растения могут поглощать стирол и передавать его своим потребителям; это возможный риск для здоровья. [69]
Формула гидропонных растворов представляет собой применение питания растений , при этом симптомы дефицита питательных веществ отражают симптомы, которые встречаются в традиционном сельском хозяйстве на основе почвы . Однако химия гидропонных растворов может отличаться от химии почвы во многих существенных отношениях. Важные различия включают:
Как и в традиционном сельском хозяйстве, питательные вещества должны быть скорректированы для удовлетворения закона Либиха о минимуме для каждого конкретного сорта растений . [70] Тем не менее, существуют общепринятые концентрации для питательных растворов, при этом минимальные и максимальные диапазоны концентраций для большинства растений в некоторой степени схожи. [75] Большинство питательных растворов смешиваются так, чтобы иметь концентрации от 1000 до 2500 ppm . [27] Допустимые концентрации для отдельных ионов питательных веществ, которые составляют эту общую цифру ppm, суммированы в следующей таблице. Для основных питательных веществ концентрации ниже этих диапазонов часто приводят к дефициту питательных веществ, в то время как превышение этих диапазонов может привести к токсичности питательных веществ. Оптимальные концентрации питательных веществ для сортов растений определяются эмпирически с помощью опыта или с помощью тестов растительных тканей . [70]
Органические удобрения могут использоваться для дополнения или полной замены неорганических соединений , используемых в обычных гидропонных растворах. [70] [71] Однако использование органических удобрений влечет за собой ряд проблем, которые нелегко решить. Вот некоторые примеры:
Тем не менее, если принять меры предосторожности, органические удобрения можно успешно использовать в гидропонике. [70] [71]
Примеры подходящих материалов, с указанием их средней питательной ценности в процентах от сухой массы, приведены в следующей таблице. [70]
Микроэлементы также могут быть получены из органических удобрений. Например, компостированная сосновая кора богата марганцем и иногда используется для удовлетворения этой потребности в минералах в гидропонных растворах. [71] Для удовлетворения требований Национальных органических программ можно также добавлять измельченные, неочищенные минералы (например, гипс , кальцит и глауконит ) для удовлетворения потребностей растений в питании.
Соединения могут быть добавлены как в органические, так и в обычные гидропонные системы для улучшения усвоения и поглощения питательных веществ растением . Было показано, что хелатирующие агенты и гуминовая кислота увеличивают усвоение питательных веществ. [84] [71] Кроме того, было показано, что ризобактерии, способствующие росту растений (PGPR), которые регулярно используются в полевом и тепличном сельском хозяйстве, способствуют развитию роста гидропонных растений и усвоению питательных веществ. [85] Известно, что некоторые PGPR увеличивают фиксацию азота. В то время как азот, как правило, в изобилии содержится в гидропонных системах с надлежащим образом поддерживаемыми режимами внесения удобрений, роды Azospirillum и Azotobacter могут помочь поддерживать мобилизованные формы азота в системах с более высоким микробным ростом в ризосфере. [86] Традиционные методы внесения удобрений часто приводят к высоким накопленным концентрациям нитрата в растительной ткани при сборе урожая. Было показано, что Rhodopseudo-monas palustris повышает эффективность использования азота, увеличивает урожайность и снижает концентрацию нитрата на 88% при сборе урожая по сравнению с традиционными методами гидропонного удобрения листовой зелени. [87] Многие виды Bacillus spp., Pseudomonas spp. и Streptomyces spp. преобразуют формы фосфора в почве, которые недоступны для растений, в растворимые анионы, снижая pH почвы, высвобождая фосфор, связанный в хелатной форме, которая доступна в более широком диапазоне pH, и минерализуя органический фосфор. [86]
Некоторые исследования показали, что инокулянты Bacillus позволяют гидропонному листовому салату преодолевать высокий солевой стресс, который в противном случае снизил бы рост. [88] Это может быть особенно полезно в регионах с высокой электропроводностью или содержанием соли в источнике воды. Это может потенциально избежать дорогостоящих систем фильтрации обратного осмоса, сохраняя при этом высокую урожайность.
Управление концентрацией питательных веществ, насыщением кислородом и значениями pH в приемлемых пределах имеет важное значение для успешного гидропонного садоводства . Обычные инструменты, используемые для управления гидропонными растворами, включают:
Химическое оборудование также может быть использовано для проведения точного химического анализа питательных растворов. Примеры включают: [70]
Использование химического оборудования для гидропонных растворов может быть выгодным для производителей любого происхождения, поскольку питательные растворы часто можно использовать повторно. [89] Поскольку питательные растворы практически никогда не истощаются полностью и никогда не должны истощаться из-за неприемлемо низкого осмотического давления , которое может возникнуть, повторное обогащение старых растворов новыми питательными веществами может сэкономить деньги производителей и может контролировать загрязнение точечным источником , распространенный источник эвтрофикации близлежащих озер и ручьев. [89]
Хотя любители гидропоники и мелкие коммерческие производители обычно покупают предварительно смешанные концентрированные питательные растворы у коммерческих производителей питательных веществ, существует несколько инструментов, которые помогут любому человеку приготовить собственные растворы без обширных знаний о химии. Бесплатные и открытые инструменты HydroBuddy [90] и HydroCal [91] были созданы профессиональными химиками, чтобы помочь любому производителю гидропоники приготовить собственные питательные растворы. Первая программа доступна для Windows, Mac и Linux, а вторая может использоваться через простой интерфейс JavaScript. Обе программы позволяют готовить базовые питательные растворы, хотя HydroBuddy предоставляет дополнительную функциональность для использования и сохранения пользовательских веществ, сохранения формул и прогнозирования значений электропроводности.
Часто смешивание гидропонных растворов с использованием отдельных солей непрактично для любителей или мелких коммерческих производителей, поскольку коммерческие продукты доступны по разумным ценам. Однако даже при покупке коммерческих продуктов популярны многокомпонентные удобрения. Часто эти продукты покупаются в виде трехкомпонентных формул, которые подчеркивают определенные питательные роли. Например, популярны растворы для вегетативного роста (т. е. с высоким содержанием азота), цветения (т. е. с высоким содержанием калия и фосфора) и растворы микроэлементов (т. е. с микроэлементами). Время и применение этих многокомпонентных удобрений должны совпадать со стадией роста растения. Например, в конце ежегодного жизненного цикла растения следует ограничить использование высокоазотных удобрений. У большинства растений ограничение азота подавляет вегетативный рост и помогает вызвать цветение . [71]
Благодаря сокращению проблем с вредителями и постоянной подаче питательных веществ к корням, производительность гидропоники высока; однако производители могут дополнительно увеличить урожайность, манипулируя средой обитания растений, строя сложные помещения для выращивания . [92]
Для дальнейшего повышения урожайности некоторые герметичные теплицы впрыскивают в окружающую среду CO2 , что способствует улучшению роста и плодородия растений.
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
