Гидропоника [1] — это тип садоводства и разновидность гидрокультуры, которая включает выращивание растений , обычно сельскохозяйственных или лекарственных растений , без почвы , с использованием минеральных питательных растворов на водной основе . Наземные или водные растения могут расти, подвергая свои корни воздействию питательной жидкости , или же корни могут механически поддерживаться инертной средой, такой как перлит , гравий или другие субстраты. [2]
Несмотря на инертную среду, корни могут вызывать изменения pH ризосферы , а корневые экссудаты могут влиять на биологию ризосферы и физиологический баланс питательного раствора при образовании вторичных метаболитов в растениях. [3] [4] [5] Трансгенные растения , выращенные гидропонным способом, позволяют высвобождать фармацевтические белки как часть корневого экссудата в гидропонную среду. [6]
Питательные вещества , используемые в гидропонных системах, могут поступать из множества различных органических или неорганических источников, включая рыбьи экскременты , утиный помет , покупные химические удобрения или искусственные стандартные или гибридные питательные растворы. [7]
В отличие от выращивания в полевых условиях, растения обычно выращивают гидропонным способом в теплице или изолированной среде на инертной среде, адаптированной к процессу сельского хозяйства в контролируемой среде (CEA). [8] Растения, обычно выращиваемые на гидропонике, включают помидоры , перец , огурцы , клубнику , салат и каннабис , обычно для коммерческого использования, а также Arabidopsis thaliana , который служит модельным организмом в науке о растениях и генетике . [9]
Гидропоника предлагает множество преимуществ, в частности, снижение потребления воды в сельском хозяйстве . Чтобы вырастить 1 килограмм (2,2 фунта) помидоров с использованием интенсивных методов земледелия, требуется 214 литров (47 имп галлонов; 57 галлонов США) воды; [10] с использованием гидропоники, 70 литров (15 имп галлонов; 18 галлонов США); и всего 20 литров (4,4 имп галлона; 5,3 галлона США) при использовании аэропоники . [11]
Гидропонные культуры обеспечивают самое высокое производство биомассы и белка по сравнению с другими субстратами для выращивания растений, выращиваемых в тех же условиях окружающей среды и снабженных равным количеством питательных веществ. [12]
Поскольку для выращивания продуктов на гидропонике требуется гораздо меньше воды и питательных веществ , а изменение климата угрожает урожайности сельскохозяйственных культур , в будущем люди, живущие в суровых условиях с небольшим количеством доступной воды, смогут выращивать на гидропонике свои собственные растительные продукты . [13] [8]
Гидропоника используется не только на Земле , но и зарекомендовала себя в экспериментах по выращиванию растений в космосе . [14]
Самой ранней опубликованной работой по выращиванию наземных растений без почвы была книга Фрэнсиса Бэкона Sylva Sylvarum или «Естественная история» 1627 года , напечатанная через год после его смерти. В результате его работы водная культура стала популярным методом исследования. В 1699 году Джон Вудворд опубликовал свои эксперименты с водной культурой мяты . 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, считавшихся необходимыми для роста растений, а открытия немецких ботаников Юлиуса фон Сакса и Вильгельма Кнопа в 1859–1875 годах привели к развитию техники беспочвенного выращивания. [15] Прямая цитата фон Закса: «В 1860 году я опубликовал результаты экспериментов, которые показали, что наземные растения способны поглощать питательные вещества из водных растворов, без помощи почвы, и что это возможно в таким образом не только сохранить растения живыми и растущими в течение длительного времени, как давно было известно, но также обеспечить энергичное увеличение их органического вещества и даже образование семян, способных прорастать » . [16] Выращивание наземных растений без почвы в минеральных питательных растворах позже было названо «культурой в растворе» в отношении «почвенной культуры». Он быстро стал стандартным методом исследования и преподавания в 19 и 20 веках и до сих пор широко используется в науке о питании растений . [17]
Примерно в 1930-х годах диетологи исследовали болезни некоторых растений и, таким образом, наблюдали симптомы, связанные с существующими условиями почвы, такими как засоление . В этом контексте были проведены эксперименты с водными культурами в надежде получить аналогичные симптомы в контролируемых лабораторных условиях. [18] Этот подход, предложенный Деннисом Робертом Хоугландом, привел к созданию инновационных модельных систем (например, зеленых водорослей Nitella ) и стандартизированных рецептов питательных веществ , играющих все более важную роль в современной физиологии растений . [19] В 1929 году Уильям Фредерик Герике из Калифорнийского университета в Беркли начал публично пропагандировать использование принципов культуры решения для производства сельскохозяйственных культур . [20] [21] [22] Сначала он назвал этот метод выращивания «водоводством», созданным по аналогии с «сельским хозяйством», но позже обнаружил, что родственный термин « аквакультура » уже применялся к выращиванию водных организмов . Герике произвел фурор, вырастив томатные лозы высотой двадцать пять футов (7,6 метра) на своем заднем дворе в минеральных питательных растворах, а не в почве. [23] Затем в 1937 году он ввел термин «гидропоника» , водная культура, предложенный ему В.А. Сетчеллом, психологом с обширным образованием в области классической литературы. [1] [24] Гидропоника происходит от неологизма υδρωπονικά (происходит от греческого ύδωρ = вода и πονέω = культивировать), построенного по аналогии с γεωπονικά (происходит от греческого γαία = земля и πονέω = культивировать), [25] geoponica , то, что касается сельского хозяйства, заменяя γεω-, землю, на ὑδρο-, воду. [15]
Однако, несмотря на первоначальные успехи, Герике понял, что время для общего технического применения и коммерческого использования гидропоники для выращивания сельскохозяйственных культур еще не пришло. [26] Он также хотел убедиться, что все аспекты гидропонного выращивания были исследованы и протестированы, прежде чем публиковать какие-либо подробности. [27] Сообщения 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 университетских теплиц для своих экспериментов из-за скептицизма администрации, и когда университет попытался заставить его опубликовать свои предварительные рецепты питательных веществ, разработанные дома, он потребовал место в теплице и время для их улучшения с использованием соответствующих исследовательских центров. Хотя в конечном итоге ему предоставили теплицу, университет поручил Хоугланду и Арнону переоценить утверждения Герике и показать, что его формула не имеет преимуществ над урожайностью растений, выращенных в почве, - точки зрения Хогланда. Из-за этих непримиримых конфликтов Герике оставил свою академическую должность в 1937 году в политически неблагоприятном климате и продолжил свои исследования самостоятельно в своей оранжерее. В 1940 году Герике, чьи работы считаются основой всех форм гидропонного выращивания, опубликовал книгу « Полное руководство по беспочвенному садоводству ». Там он впервые опубликовал свою основную формулу солей макро- и микроэлементов для растений, выращенных на гидропонике. [28]
В результате исследования утверждений Герике по заказу директора Калифорнийской сельскохозяйственной экспериментальной станции Калифорнийского университета Клода Хатчисона , Денниса Хогланда и Дэниела Арнона в 1938 году был написан классический сельскохозяйственный бюллетень « Метод водной культуры для выращивания растений без почвы ». одна из самых важных работ по культуре на растворе, в которой утверждалось, что урожайность гидропонных культур не лучше, чем урожайность, полученная на почвах хорошего качества. [29] В конечном итоге урожайность сельскохозяйственных культур будет ограничена другими факторами, помимо минеральных питательных веществ, особенно светом и аэрацией питательной среды. [30] Однако во введении к своей эпохальной книге о беспочвенном выращивании, опубликованной два года спустя, Герике отметил, что результаты, опубликованные Хоугландом и Арноном по сравнению урожайности экспериментальных растений в песке, почве и растворных культурах, были основаны на несколько системных ошибок («...эти экспериментаторы допустили ошибку, ограничив продуктивность гидропоники продуктивностью почвы. Сравнение может быть осуществлено только путем выращивания в каждом случае такого большого количества растений, какое может поддерживать плодородие культурной среды». "). [28]
Например, в исследовании Хоугланда и Арнона не было адекватно оценено, 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 же большому или небольшому количеству воды и питательные вещества по мере необходимости. [28] [31] Это важно, поскольку одной из наиболее распространенных ошибок при выращивании растений является чрезмерный и затопленный грунт; Гидропоника предотвращает это, поскольку большое количество воды, которая может затопить корневую систему в почве, может быть предоставлено растению в гидропонике, а любая неиспользованная вода сливается, рециркулируется или активно аэрируется, устраняя бескислородные условия в почве. корневая область. Что касается почвы, производитель должен быть очень опытным, чтобы точно знать, каким количеством воды следует кормить растение. Слишком много – и растение не сможет получить доступ к кислороду, поскольку воздух в почвенных порах вытесняется, что может привести к загниванию корней ; слишком мало, и растение будет испытывать водный стресс или потеряет способность поглощать питательные вещества, которые при растворении обычно попадают в корни , что приводит к симптомам дефицита питательных веществ, таким как хлороз или ожог удобрениями . В конце концов, передовые идеи Герике привели к внедрению гидропоники в коммерческое сельское хозяйство, а взгляды Хоугланда и полезная поддержка со стороны университета побудили Хогланда и его коллег разработать несколько новых формул (рецептов) растворов минеральных питательных веществ, широко известных как раствор Хоагланда . [32]
Один из первых успехов гидропоники произошел на острове Уэйк , скалистом атолле в Тихом океане, который использовался в качестве дозаправочной станции для авиакомпаний Pan American Airlines . В 1930-х годах здесь использовалась гидропоника для выращивания овощей для пассажиров. Гидропоника была необходимостью на острове Уэйк, потому что там не было почвы, а доставлять свежие овощи по воздуху было непомерно дорого. [33]
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, дислоцированные на бесплодном острове Понапе в западной части Тихого океана , выращивая сельскохозяйственные культуры в гравии и богатой питательными веществами воде, потому что там не было пахотной земли . [34]
В 1960-х годах Аллен Купер из Англии разработал технику питательной пленки . [35] Земельный павильон в Центре EPCOT в мире Уолта Диснея открылся в 1982 году и демонстрирует различные гидропонные методы.
В последние десятилетия НАСА провело обширные гидропонные исследования для своей системы контролируемого экологического жизнеобеспечения (CELSS). В исследованиях гидропоники, имитирующих марсианскую среду, используется светодиодное освещение для выращивания растений в другом цветовом спектре с гораздо меньшим нагревом. Рэй Уилер, физиолог растений из космической лаборатории наук о жизни Космического центра Кеннеди, считает, что гидропоника будет способствовать прорыву в космических путешествиях как биорегенеративная система жизнеобеспечения . [36]
По состоянию на 2017 год в Канаде располагались сотни акров крупных коммерческих гидропонных теплиц, на которых выращивались помидоры, перец и огурцы. [37]
Прогнозируется , что благодаря технологическим достижениям в отрасли и многочисленным экономическим факторам мировой рынок гидропоники вырастет с 226,45 миллионов долларов США в 2016 году до 724,87 миллионов долларов США к 2023 году. [38] [ требуется обновленная информация ]
Для каждой среды существует два основных варианта: суборошение и верхнее орошение [ уточните ] . Для всех методов большинство гидропонных резервуаров в настоящее время изготавливаются из пластика, но используются и другие материалы, в том числе бетон, стекло, металл, твердые растительные вещества и дерево. Контейнеры должны исключать свет, чтобы предотвратить рост водорослей и грибков в гидропонной среде.
При культивировании в статическом растворе растения выращивают в контейнерах с питательным раствором, таких как стеклянные банки Мейсона (обычно для домашнего применения), горшки , ведра, кадки или резервуары. Раствор обычно слегка аэрируется, но может быть и без аэрации. [12] При отсутствии аэрации уровень раствора поддерживается достаточно низким, чтобы над раствором находилось достаточное количество корней и они получали достаточное количество кислорода. Для каждого растения в верхней части резервуара вырезают (или сверлят) отверстие; если это банка или кадка, то это может быть ее крышка, а в противном случае сверху можно положить картон, фольгу, бумагу, дерево или металл. Один резервуар может быть предназначен для одного растения или для нескольких растений. Размер резервуара можно увеличивать по мере увеличения размера установки. Самодельную систему можно сконструировать из пищевых контейнеров или стеклянных консервных банок с аэрацией , обеспечиваемой аквариумным насосом, аквариумными воздуховодами, аквариумными клапанами или даже биопленкой зеленых водорослей на стекле посредством фотосинтеза . Прозрачные контейнеры также можно накрыть алюминиевой фольгой, мясной бумагой, черным пластиком или другим материалом, чтобы устранить последствия негативного фототропизма . Питательный раствор меняют либо по графику, например, один раз в неделю, либо когда концентрация падает ниже определенного уровня, определяемого измерителем электропроводности . Всякий раз, когда раствор заканчивается ниже определенного уровня, добавляется либо вода, либо свежий питательный раствор. Для автоматического поддержания уровня раствора можно использовать бутыль Мариотта или поплавковый клапан. При культуре на плотном растворе растения помещают в лист плавучего пластика, который плавает на поверхности питательного раствора. Благодаря этому уровень раствора никогда не опускается ниже корней. [39]
При культуре с непрерывным потоком питательный раствор постоянно течет мимо корней. Его гораздо проще автоматизировать, чем культуру в статическом растворе, 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 слоя растений в водонепроницаемом канале с открытой верхней поверхностью. проветривать. В результате корни растений получают обильное снабжение кислородом. Правильно спроектированная система NFT основана на использовании правильного наклона канала, правильной скорости потока и правильной длины канала. Основное преимущество системы NFT перед другими формами гидропоники заключается в том, что корни растений получают достаточное количество воды, кислорода и питательных веществ. Во всех других формах производства существует конфликт между обеспечением этих потребностей, поскольку избыток или недостаток 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 удовлетворены одновременно, при условии, что простая концепция NFT всегда помнится и применяется на практике. Результатом этих преимуществ является получение более высоких урожаев высококачественной продукции в течение длительного периода выращивания сельскохозяйственных культур. Недостатком NFT является то, что он имеет очень слабую буферизацию на случай прерываний потока (например, перебоев в подаче электроэнергии). Но в целом это, пожалуй, один из наиболее продуктивных методов. [40]
Те же характеристики конструкции применимы ко всем обычным системам NFT. Хотя рекомендуются уклоны вдоль каналов 1:100, на практике трудно построить основание для каналов, которое будет достаточно надежным, чтобы позволить питательным слоям течь без затопления в локально депрессивных районах. Как следствие, рекомендуется использовать уклоны от 1:30 до 1:40. [41] Это допускает незначительные неровности поверхности, но даже при таких уклонах может возникнуть затопление и заболачивание . Уклон может обеспечиваться полом, скамейки или стойки могут удерживать каналы и обеспечивать необходимый уклон. Оба метода используются и зависят от местных требований, часто определяемых требованиями участка и урожая.
Как правило, скорость потока для каждого оврага должна составлять один литр в минуту. [ расплывчато ] [42] При посадке нормы могут быть вдвое меньше, а верхний предел в 2 л/мин оказывается примерно максимальным. Скорость потока, превышающая эти крайние значения, часто связана с проблемами питания. Снижение темпов роста многих сельскохозяйственных культур наблюдалось, когда длина каналов превышала 12 метров. Тесты на быстрорастущих сельскохозяйственных культурах показали, что, хотя уровень кислорода остается адекватным, азот может истощаться по всей длине оврага. Как следствие, длина канала не должна превышать 10–15 метров. В ситуациях, когда это невозможно, замедление роста можно устранить, поместив еще один питательный корм посередине оврага и сократив вдвое скорость потока через каждое выпускное отверстие. [43] [5]
Аэропоника — это система, в которой корни постоянно или периодически содержатся в среде, насыщенной мелкими каплями (туманом или аэрозолем ) питательного раствора. Этот метод не требует субстрата и предполагает выращивание растений с их корнями, подвешенными в глубокой воздушной или ростовой камере, при этом корни периодически смачиваются тонким туманом распыленных питательных веществ . Отличная аэрация – главное преимущество аэропоники.
Аэропонные методы оказались коммерчески успешными для размножения, проращивания семян, производства семенного картофеля, томатов, листовых культур и микрозелени. [44] С тех пор, как изобретатель Ричард Стоунер коммерциализировал аэропонную технологию в 1983 году, аэропоника стала применяться в качестве альтернативы водоемким гидропонным системам во всем мире. [45] Основным ограничением гидропоники является тот факт, что 1 килограмм (2,2 фунта) воды может содержать только 8 миллиграммов (0,12 г) воздуха, независимо от того, используются аэраторы или нет.
Еще одним явным преимуществом аэропоники перед гидропоникой является то, что в настоящей аэропонной системе можно выращивать любые виды растений, поскольку микросреду аэропоники можно точно контролировать. Еще одним ограничением гидропоники является то, что некоторые виды растений могут выжить в воде только до тех пор, пока они не заболачиваются . Напротив, подвешенные аэропонные растения получают 100% доступного кислорода и углекислого газа в зону корней, стебли и листья [46] , тем самым ускоряя рост биомассы и сокращая время укоренения. Исследования НАСА показали, что растения, выращенные на аэропонике, имеют увеличение сухой массы биомассы (незаменимых минералов) на 80% по сравнению с растениями, выращенными на гидропонике. Аэропоника также использует на 65% меньше воды, чем гидропоника. НАСА пришло к выводу, что растениям, выращенным на аэропонике, требуется в четыре раза меньше питательных веществ, чем на гидропонике. [47] [48] В отличие от растений, выращенных на гидропонике, растения, выращенные на аэропонике, не страдают 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. НАСА уделяет особое внимание аэропонным методам, поскольку в условиях невесомости с туманом легче обращаться, чем с жидкостью. [47] [5]
Фогпоника — это разновидность аэропоники, при которой питательный раствор распыляется диафрагмой, колеблющейся на ультразвуковых частотах . Капли раствора, получаемые этим методом, обычно имеют диаметр 5–10 мкм, что меньше, чем те, которые получаются путем пропускания питательного раствора через форсунки под давлением, как в аэропонике. Меньший размер капель позволяет им легче диффундировать по воздуху и доставлять питательные вещества к корням, не ограничивая доступ кислорода. [49] [50]
Пассивное суборошение, также известное как пассивная гидропоника, полугидропоника или гидрокультура , [51] представляет собой метод, при котором растения выращиваются в инертной пористой среде, которая по мере необходимости перемещает воду и удобрения к корням за счет капиллярного действия из отдельного резервуара. , сокращая трудозатраты и обеспечивая постоянную подачу воды к корням. При простейшем методе горшок ставят в неглубокий раствор удобрений и воды или на капиллярный коврик, насыщенный питательным раствором. Различные доступные гидропонные среды, такие как керамзит и кокосовая шелуха , содержат больше воздушного пространства, чем более традиционные горшечные смеси, доставляя к корням повышенное количество кислорода, что важно для эпифитных растений, таких как орхидеи и бромелии , чьи корни подвергаются воздействию воздуха. в природе. Дополнительными преимуществами пассивной гидропоники являются снижение корневых гнилей.
В своей простейшей форме обогащенная питательными веществами вода закачивается в контейнеры с растениями в среде для выращивания, такой как заполнитель из керамзита . Через определенные промежутки времени простой таймер заставляет насос наполнять контейнеры питательным раствором, после чего раствор стекает обратно в резервуар. Благодаря этому среда будет регулярно насыщена питательными веществами и воздухом. [52]
В проточной системе на поверхность среды периодически наносится питательный и водный раствор. Метод был изобретен в Бенгалии в 1946 году; по этой причине ее иногда называют «Бенгальской системой». [53]
Этот метод может быть настроен в различных конфигурациях. В своей простейшей форме раствор питательных веществ и воды вручную наносится один или несколько раз в день в контейнер с инертной средой для выращивания, такой как минеральная вата, перлит, вермикулит, кокосовое волокно или песок. В немного более сложной системе она автоматизирована с помощью подающего насоса, таймера и ирригационной трубки для подачи питательного раствора с частотой подачи, которая определяется ключевыми параметрами: размером растения, стадией роста растений, климатом, субстратом и проводимостью субстрата. , pH и содержание воды.
В коммерческих условиях частота полива является многофакторной и регулируется компьютерами или ПЛК .
Коммерческое гидропонное производство крупных растений, таких как помидоры, огурцы и перец, использует ту или иную форму безотходной гидропоники.
Гидропонный метод выращивания растений путем суспендирования корней растений в растворе богатой питательными веществами и насыщенной кислородом воды. Традиционные методы предпочитают использование пластиковых ведер и больших контейнеров, в которых растение находится в сетчатом горшке, подвешенном к центру крышки, а корни подвешены 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, который получают корни. [54] Метод Кратки похож на глубоководную культуру, но использует резервуар с нециркулирующей водой.
Глубоководная культура с верхним питанием — это метод, включающий доставку насыщенного кислородом питательного раствора непосредственно в корневую зону растений. В то время как при глубоководной культуре корни растений свисают в резервуар с питательным раствором, при глубоководной культуре с верхним питанием раствор перекачивается из резервуара вверх к корням (верхнее питание). Вода выпускается через корни растения, а затем возвращается в резервуар внизу в системе с постоянной рециркуляцией. Как и в случае с глубоководной культурой, в резервуаре есть аэрокамень , который закачивает воздух в воду через шланг снаружи резервуара. Воздушный камень помогает добавить кислород в воду. И аэростат, и водяной насос работают 24 часа в сутки.
Самым большим преимуществом глубоководной культуры с верхним питанием по сравнению со стандартной глубоководной культурой является ускоренный рост в течение первых нескольких недель. [ нужна цитата ] При глубоководной культуре наступает момент, когда корни еще не достигли воды. При глубоководной культуре с верхним питанием корни с самого начала получают легкий доступ к воде и будут расти до резервуара ниже гораздо быстрее, чем при глубоководной культуре. Как только корни достигают резервуара ниже, глубоководная культура с верхним питанием не имеет огромного преимущества перед стандартной глубоководной культурой. Однако из-за более быстрого роста в начале время выращивания может быть сокращено на несколько недель. [ нужна цитата ]
Роторный гидропонный сад — это стиль коммерческой гидропоники, созданный внутри круглой рамы, которая непрерывно вращается в течение всего цикла роста любого выращиваемого растения.
Хотя характеристики систем различаются, обычно системы вращаются один раз в час, давая установке 24 полных оборота внутри круга за каждые 24 часа. В центре каждого роторного гидропонного сада может быть установлен источник света высокой интенсивности, предназначенный для имитации солнечного света, часто с помощью механизированного таймера.
Каждый день по мере ротации растений их периодически поливают раствором для гидропонного выращивания, чтобы обеспечить все питательные вещества, необходимые для устойчивого роста. Из-за постоянной борьбы растений с гравитацией они 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, чем другие традиционные гидропонные системы. [56]
Роторных гидропонных систем следует избегать в большинстве случаев, главным образом из-за их экспериментального характера и высоких затрат на их поиск, покупку, эксплуатацию и обслуживание. [57]
Различные среды подходят для разных методов выращивания.
Минеральная вата ( минеральная вата ) является наиболее широко используемой средой в гидропонике. Минеральная вата представляет собой инертный субстрат, подходящий как для безотходных, так и для рециркуляционных систем. Минеральная вата изготавливается из расплавленной породы, базальта или «шлака», который сплетен в пучки одиночных волокон и скреплен в среду, способную к капиллярному действию, и, по сути, защищен от наиболее распространенного микробиологического разложения. Минеральная вата обычно используется только на стадии рассады или для недавно срезанных клонов, но может оставаться в основе растения на протяжении всей его жизни. Минеральная вата имеет множество преимуществ и некоторые недостатки. Последнее представляет собой возможное раздражение кожи (механическое) при обращении (1:1000). [ нужна цитата ] Промывание холодной водой обычно приносит облегчение. Преимущества включают его доказанную эффективность и действенность в качестве коммерческого гидропонного субстрата. Большая часть продаваемой на сегодняшний день минеральной ваты представляет собой неопасный, неканцерогенный материал, подпадающий под примечание Q Классификационного регламента по упаковке и маркировке Европейского Союза (CLP). [ нужна цитата ]
Изделия из минеральной ваты могут быть спроектированы так, чтобы удерживать большое количество воды и воздуха, что способствует росту корней и усвоению питательных веществ в гидропонике; их волокнистая природа также обеспечивает хорошую механическую структуру, обеспечивающую устойчивость растения. Естественно высокий уровень pH минеральной ваты делает ее изначально непригодной для роста растений и требует «кондиционирования» для получения шерсти с подходящим стабильным pH. [58]
Гранулы обожженной глины подходят для гидропонных систем, в которых все питательные вещества тщательно контролируются в водном растворе. Глиняные гранулы инертны, pH -нейтральны и не содержат питательных веществ.
Глину формуют в круглые гранулы и обжигают во вращающихся печах при температуре 1200 °C (2190 °F). Это приводит к тому, что глина расширяется, как попкорн, и становится пористой. Он легкий 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 многократного использования средой для выращивания из-за его способности очищаться и стерилизовать, обычно путем промывания растворами белого уксуса, хлорного отбеливателя или перекиси водорода ( H
2О
2) и полностью промыть.
Другая точка зрения состоит в том, что глиняную гальку лучше не использовать повторно, даже если она очищена, из-за роста корней, которые могут попасть в среду. Если разломать глиняный камешек после использования, можно обнаружить этот нарост. [ нужна цитата ]
Камни для выращивания , изготовленные из стеклянных отходов, имеют больше места для удержания воздуха и воды, чем перлит и торф. Этот агрегат удерживает больше воды, чем пропаренная рисовая шелуха . [59] Growstones по объему содержат от 0,5 до 5% карбоната кальция [60] – стандартный мешок Growstones весом 5,1 кг соответствует от 25,8 до 258 граммов карбоната кальция . Остальное — натриево-известковое стекло. [60]
Кокосовая койра , также известная как кокосовый торф, представляет собой натуральный побочный продукт, получаемый при переработке кокосов. Внешняя скорлупа 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 получения кокосового волокна. Кокосы поглощают большое количество питательных веществ на протяжении всего своего жизненного цикла, поэтому койра должна пройти процесс созревания, прежде чем она станет жизнеспособной средой для роста. [61] Этот процесс удаляет соли, дубильные вещества и фенольные соединения путем тщательной промывки водой. Загрязненная вода является побочным продуктом этого процесса, так как на один кубический метр койры требуется от трехсот до шестисот литров воды. [62] Кроме того, это созревание может занять до шести месяцев, и одно исследование пришло к выводу, что условия труда в процессе созревания опасны и будут незаконными в Северной Америке и Европе. [63] Несмотря на то, что кокосовая койра требует внимания, представляет опасность для здоровья и воздействие на окружающую среду, она обладает впечатляющими свойствами материала. Под воздействием воды коричневый, сухой, коренастый и волокнистый материал увеличивается почти в три или четыре раза по сравнению с первоначальным размером. Эта характеристика в сочетании со способностью кокосовой койры удерживать воду и устойчивостью к вредителям и болезням делает ее эффективной средой для роста. Кокосовая койра, используемая в качестве альтернативы минеральной вате, обеспечивает оптимальные условия выращивания. [64]
Пропаренная рисовая шелуха (ПБХ) представляет собой побочный продукт сельского хозяйства, который в противном случае имел бы мало применения. Они со временем разлагаются, пропускают дренаж [65] и даже удерживают меньше воды, чем растущие камни. [59] Исследование показало, что рисовая шелуха не влияет на действие регуляторов роста растений . [65] [ нужен неосновной источник ]
Перлит — это вулканическая порода, которая была перегрета в очень легкие гранулы из расширенного стекла. Применяется в рассыпном виде или в пластиковых рукавах, погруженных в воду. Его также используют в почвенных смесях для снижения плотности почвы. Он 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 представляет собой минерал, который был перегрет до тех пор, пока не превратился в легкую гальку. Вермикулит удерживает больше воды, чем перлит, и обладает естественным «капиллярным» свойством, которое может поглощать воду и питательные вещества в пассивной гидропонной системе. 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 представляет собой легкую добываемую вулканическую породу, которая находит применение в гидропонике.
Песок дешев и легко доступен. Однако он тяжелый, плохо удерживает воду и его необходимо стерилизовать между использованием. [67]
Тот же тип, который используется в аквариумах, но можно использовать любой мелкий гравий, предварительно его промыв. Действительно, растения, растущие в типичном традиционном гравийном фильтрующем слое, где вода циркулирует с помощью электрических насосов с приводом от двигателя, по сути, выращиваются с использованием гравийной гидропоники, также называемой «нутрикультурой». Гравий недорогой, его легко содержать в чистоте, он хорошо дренируется и не заболачивается. Однако он также тяжелый, и, если система не обеспечивает постоянную подачу воды, корни растений могут засохнуть.
Древесное волокно , получаемое в результате парового трения древесины, является эффективным органическим субстратом для гидропоники. Его преимущество заключается в том, что он сохраняет свою структуру в течение очень долгого времени. Древесная шерсть (т.е. древесные щепки) использовалась с самых первых дней исследований гидропоники. [28] Однако более поздние исследования показывают, что древесное волокно может оказывать пагубное воздействие на «регуляторы роста растений». [65] [ нужен неосновной источник ]
Шерсть от стрижки овец — малоиспользуемый, но многообещающий возобновляемый материал для выращивания. В исследовании, сравнивающем шерсть с плитами из торфа, плитами из кокосового волокна, перлитом и плитами из минеральной ваты для выращивания огурцов, овечья шерсть имела большую воздухоемкость - 70%, которая уменьшалась по мере использования до сопоставимых 43%, а водоемкость увеличивалась с 23%. % до 44% при использовании. [68] Использование овечьей шерсти привело к наибольшему выходу из тестируемых субстратов, а применение биостимулятора, состоящего из гуминовой кислоты, молочной кислоты и Bacillus subtilis, улучшило урожайность всех субстратов. [68]
Кирпичные черепки по свойствам схожи с гравием. У них есть дополнительные недостатки: возможное изменение pH и необходимость дополнительной очистки перед повторным использованием. [69]
Арахис в полистироловой упаковке недорог, легко доступен и имеет отличный дренаж. Однако для некоторых целей они могут быть слишком легкими. Они используются в основном в закрытых трубных системах. Обратите внимание, что необходимо использовать арахис из небиоразлагаемого полистирола ; биоразлагаемый упаковочный арахис разлагается в осадок. Растения могут поглощать стирол и передавать его потребителям; это возможный риск для здоровья. [69]
Приготовление гидропонных растворов представляет собой применение питания растений , при этом симптомы дефицита питательных веществ аналогичны симптомам, наблюдаемым в традиционном почвенном сельском хозяйстве . Однако основной химический состав гидропонных растворов может существенно отличаться от химического состава почвы . Важные различия включают в себя:
Как и в обычном сельском хозяйстве, питательные вещества должны быть скорректированы так, чтобы удовлетворить закону минимума Либиха для каждого конкретного сорта растений . [70] Тем не менее, существуют общепринятые концентрации питательных растворов, причем диапазоны минимальной и максимальной концентрации для большинства растений в некоторой степени схожи. [75] Большинство питательных растворов смешиваются, чтобы иметь концентрацию от 1000 до 2500 частей на миллион . [28] Допустимые концентрации отдельных ионов питательных веществ, составляющие общее количество ppm, приведены в следующей таблице. Концентрации основных питательных веществ ниже этих диапазонов часто приводят к дефициту питательных веществ, тогда как превышение этих диапазонов может привести к токсичности питательных веществ. Оптимальные концентрации питательных веществ для сортов растений определяются эмпирическим путем или путем испытаний тканей растений . [70]
Органические удобрения можно использовать для дополнения или полной замены неорганических соединений , используемых в традиционных гидропонных растворах. [70] [71] Однако использование органических удобрений сопряжено с рядом проблем, которые нелегко решить. Примеры включают в себя:
Тем не менее, если соблюдать меры предосторожности, органические удобрения можно успешно использовать в гидропонике. [70] [71]
Примеры подходящих материалов со средним содержанием питательных веществ, выраженным в процентах сухой массы, перечислены в следующей таблице. [70]
Микроэлементы также можно получать из органических удобрений. Например, компостированная сосновая кора богата марганцем и иногда используется для удовлетворения потребности в минералах в гидропонных растворах. [71] Чтобы удовлетворить требования Национальных органических программ , можно также добавлять измельченные нерафинированные минералы (например , гипс , кальцит и глауконит ) для удовлетворения потребностей растений в питательных веществах.
Соединения можно добавлять как в органические, так и в традиционные гидропонные системы для улучшения усвоения и усвоения питательных веществ растением . Было показано, что хелатирующие агенты и гуминовая кислота увеличивают усвоение питательных веществ. [84] [71] Кроме того, было показано, что ризобактерии, стимулирующие рост растений (PGPR), которые регулярно используются в полевом и тепличном сельском хозяйстве, способствуют развитию гидропонного роста растений и получению питательных веществ. [85] Известно, что некоторые PGPR усиливают фиксацию азота. Хотя азота, как правило, много в гидропонных системах при правильном режиме внесения удобрений, роды Azospirillum и Azotobacter могут помочь поддерживать мобилизованные формы азота в системах с более высоким ростом микроорганизмов в ризосфере. [86] Традиционные методы внесения удобрений часто приводят к высоким концентрациям нитратов в тканях растений при сборе урожая. Было показано, что Rhodopseudo-monas palustris повышает эффективность использования азота, увеличивает урожайность и снижает концентрацию нитратов на 88% при сборе урожая по сравнению с традиционными методами гидропонного удобрения листовой зелени. [87] Многие виды Bacillus , Pseudomonas spp. и Streptomyces spp. преобразуют формы фосфора в почве, недоступные для растений, в растворимые анионы за счет снижения pH почвы, высвобождения фосфора, связанного в хелатной форме, доступной в более широком диапазоне pH, и минерализации органического фосфора. [86]
Некоторые исследования показали, что инокулянты Bacillus позволяют гидропонному листовому салату преодолевать сильный солевой стресс, который в противном случае привел бы к снижению роста. [88] Это может быть особенно полезно в регионах с высокой электропроводностью или содержанием солей в источниках воды. Это потенциально может помочь избежать дорогостоящих систем фильтрации обратного осмоса, сохраняя при этом высокую урожайность.
Управление концентрацией питательных веществ, насыщением кислородом и значениями pH в допустимых пределах имеет важное значение для успешного гидропонного садоводства . Общие инструменты, используемые для управления гидропонными решениями, включают:
Химическое оборудование также можно использовать для проведения точного химического анализа питательных растворов. Примеры включают: [70]
Использование химического оборудования для гидропонных растворов может быть полезным для производителей любого уровня подготовки, поскольку питательные растворы часто можно использовать повторно. [89] Поскольку питательные растворы практически никогда не истощаются полностью и никогда не должны происходить из-за неприемлемо низкого осмотического давления , которое может возникнуть, повторное обогащение старых растворов новыми питательными веществами может сэкономить деньги производителей и контролировать загрязнение из точечных источников , который является распространенным источником. для 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 приготовить свои собственные растворы без глубоких знаний в области химии. Бесплатные инструменты с открытым исходным кодом HydroBuddy [90] и HydroCal [91] были созданы профессиональными химиками, чтобы помочь любому производителю гидропоники приготовить свои собственные питательные растворы. Первая программа доступна для Windows, Mac и Linux, а вторую можно использовать через простой интерфейс JavaScript. Обе программы позволяют готовить базовые питательные растворы, хотя HydroBuddy предоставляет дополнительные функции для использования и сохранения индивидуальных веществ, сохранения рецептур 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 товарной продукции популярностью пользуются многокомпонентные удобрения. Часто эти продукты покупаются в виде трехкомпонентных формул, в которых подчеркивается определенная питательная роль. 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 должно совпадать со стадией роста растения. Например, в конце годового жизненного цикла растения следует ограничить употребление удобрений с высоким содержанием азота. У большинства растений ограничение азота подавляет вегетативный рост и помогает вызвать цветение . [71]
Поскольку проблемы с вредителями уменьшены, а питательные вещества постоянно поступают к корням, продуктивность гидропоники становится высокой; однако производители могут еще больше увеличить урожайность, манипулируя средой обитания растения, строя сложные помещения для выращивания . [92]
Чтобы еще больше повысить урожайность, некоторые закрытые теплицы впрыскивают CO 2 в окружающую среду, чтобы улучшить рост и плодородие растений.
Конечно, не исключено, что промышленность может разрабатывать и производить оборудование с заметно большей экономией, чем в настоящее время, тем самым увеличивая количество сельскохозяйственных культур, которые можно выращивать экономично.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
