Гидропоника

Гидропоника (от греческого hydro – «вода» и ponos – «работа», в дословном переводе – «рабочий раствор») – выращивание растений без почвы, при котором все питательные вещества растение получает из водного раствора, содержащего их в требуемых количествах и точных пропорциях.[2]


Термин «гидропонная культура» обозначает растение, выращенное без почвогрунтов или почв, с использованием специальных питательных растворов. На сегодняшний день существует более 500 рецептов подобных растворов.[5]

История

Первым в истории человечества удачным опытом выращивания растений без почвы считаются легендарные сады Семирамиды в древнем Вавилоне – одно из семи чудес света, построенное при вавилонском царе Навуходоносоре во II веке до н. э. (605–562). Это была уникальная конструкция из наслаивающихся друг на друга материалов и разветвленной сети водопровода, обеспечивающего снабжение растений в садах водой.

Еще один пример использования питательного раствора для выращивания растений – плавучие сады ацтеков в Центральной Америке. Кочевые племена индейцев, вытесненные воинственными соседями с плодородных земель, применили на берегах мексиканского озера Теночитлан оригинальный способ выращивания растений. Из длинных стеблей тростника были изготовлены плоты, а на них уложен ил со дна озера. Эти плоты назывались чампас. Таким образом, индейцы выращивали обильные урожаи, позволившие племени не знать ни голода, ни нужды. В плавучих садах прекрасно росли не только овощи, но и фруктовые деревья.

Годом рождения современного растениеводства без естественной почвы считается 1860-й. Именно в этом году Вильгельм Кноп (1817–1901), профессор агрохимии и руководитель сельскохозяйственной опытной станции Лейпциг-Меккерн, совместно с профессором ботаники Боннского университета Юлиусом Заксом (1832–1897) впервые приготовили растворы солей, при помощи которых можно было выращивать зеленые растения без почвы.

Долгое время «вегетационные сосуды», наполненные питательным раствором, были неотъемлемым атрибутом научно-исследовательских лабораторий.

Первое масштабное использование водных культур для производства продуктов питания история приписывает американскому фитофизиологу профессору Уильяму Ф. Герикке, доценту Калифорнийского университета. Впервые о своих опытах он сообщил в 1929 году. Успешность его работ нашла подтверждение на практике во времена Второй мировой войны. Американские войска, находясь на бесплодных скалистых островах, выращивали овощи в гидропонных бассейнах, созданных в голой скале с помощью взрывчатых веществ. Уильяму Герикке принадлежит и термин «гидропоника».

Гидропоника - Сады Семирамиды. Мартин ван Хемскерк, гравюра
Сады Семирамиды. Мартин ван Хемскерк, гравюра


Параллельно с американскими учеными над проблемой выращивания растений без почвы трудились и многие европейские специалисты. Наиболее крупная гидропонная установка была создана в советском институте плодоводства под руководством профессора Д.Н.Прянишникова. Опыты нашли практическое применение уже в 1937 году. Во время одной из полярных экспедиций овощи для питания получали именно таким способом.

Не отставали от своих российских и американских коллег венгерские и польские ученые. В 1932–1933 годах ими были созданы установки в Карпатах и южнее Львова. Польскими установками руководил профессор В. Пиотровский, а венгерскими – профессор Пауль Решлер. Оба предприятия были расположены в горной местности, и там выращивали ранние овощи и декоративные растения.

В 1938 году в местечке Штейнхейм, в Вестфалии (Германия), профессор Херниг создал гидропонную установку, которая успешно действует по сегодняшний день.

Сейчас гидропоника – одно из успешно развивающихся направлений растениеводства. Крупные установки для производства овощей используют в США, Японии, Германии, Швейцарии, Дании, Норвегии, России и других странах мира.[3]

Гидропоника - Зоны и слои корня
Зоны и слои корня


Биохимические принципы гидропоники

Растения получают углерод и кислород из воздуха, остальные элементы – из почвы, а в случае применения гидропоники – из питательного раствора.

Питательные элементы – это азот, фосфор, калий, кальций, железо и многие другие, в том числе, микроэлементы. Они необходимы растениям и не могут быть заменены ничем другим. Питательные вещества – это соединения, содержащие эти элементы. Известно, что в почве питательные элементы содержатся в четырех формах:

  1. прочно фиксированные почвой и недоступные для растений;
  2. труднорастворимые неорганические соли;
  3. адсорбированные на поверхности коллоидов и доступные для растений благодаря ионному обмену;
  4. растворенные в воде и легко доступные для растений.[4]

За поглощение питательных элементов из почвы или питательного раствора отвечает корневая система. Основной зоной поглощения питательных веществ является зона растяжения (роста) и зона корневых волосков. Она же снабжает необходимыми веществами и надземные корни растений.

Подсчитано, что на 1 мм2 корневой поверхности развивается от 200 до 400 корневых волосков, что позволяет корневой поверхности увеличиваться в сотни раз. Корневые волоски обладают повышенной способностью к поглощению.

В меристематической зоне (меристема – это ткань, из которой образуются остальные виды тканей корня) отсутствует дифференцированная сосудистая система. При этом флоэма дифференцируется раньше, и только выше по длине корня наблюдается образование ксилемы. Именно по ней и передвигается вода с растворенными питательными веществами. Основная масса ионов, поглощенных меристемой, используется именно в этих клетках. Некоторое количество ионов, особенно Ca2+, поступает из этой зоны в надземные органы растений. Поглощенные в зоне растяжения и в зоне корневых волосков ионы транспортируются как вверх, так и вниз по корню. Выше зоны корневых волосков расположена зона ветвления корня. Здесь поверхность покрывается прочным пробковым слоем и в поглощении питательных веществ участия практически не принимает.

Различные зоны корня отвечают за поглощение различных минеральных элементов. Установлено, что Ca2+ поступает в апикальные зоны, K+, NH+4, фосфаты адсорбируются всей поверхностью корневой системы.[6] (фото)

Гидропоника - Гидропоника
Гидропоника


Методы и системы выращивания гидропонных культур

Методы гидропоники

Сегодня применяют следующие методы выращивания гидропонных культур:

Агрегатопоника

– растения выращиваются на твердых субстратах, обладающих малой влагоемкостью (гравии, гранитной щебенке, песке, керамзите и др.) В данном случае корневая система размещается в гравии, щебне или другом заменителе почвы. В субстрат подается питательный раствор, из которого растения получают минеральные элементы.

Искусственные субстраты после нескольких лет использования засоряются корневыми выделениями и корневыми остатками, в них развивается галловая нематода. Поэтому применение твердых заменителей почвы осложняется значительными затратами на их заготовку, доставку, перенос в теплицы, а после определенного срока эксплуатации – стерилизацию, промывание и регенерацию.[1]

Водная культура

– выращивание растений в водной среде. Этот способ нашел широкое применение в Болгарии, Германии и других странах. Наряду с устранением свойственных агрегатопонике недостатков, возникают сложности с поддержанием точной концентрации и реакции питательного раствора. Параллельно составляет сложность одновременно бесперебойно снабжать корневые системы раствором минеральных солей и кислородом воздуха.[1]

Хемопоника

– в качестве субстрата используют органические материалы: верховой торф (степень разложения 30 %) (фото) , мох сфагнум, опилки, древесную кору, отходы хлопчатника, рисовую шелуху и прочее. Срок использования органических материалов не превышает двух лет. Некоторые из них требуют предварительной подготовки – измельчения или корректировки реакции среды. Минеральное питание осуществляется путем поверхностного полива питательным раствором. Этот метод не требует специального оборудования и может применяться во всех видах защищенного грунта.[1]

Ионитопоника

– субстрат составлен из смеси двух синтетических ионообменных смол: катионита КУ-2 и анионита ЭДЭ-10П. Оба вещества характеризуются прочностью, химической стойкостью, устойчивостью к окислению, свету и температуре. Питательные вещества находятся в составе субстрата. Полив производят чистой водой. По сути, это больше похоже на искусственную почву.[1]

Аэропоника

– корневая система развивается в воздушной среде, твердый субстрат отсутствует. Через определенные промежутки времени (12–15 минут) корни в течение 5–7 секунд опрыскивают питательным раствором из форсунок. Этот метод обеспечивает наиболее полное снабжение корней кислородом, а подсыхание предупреждается периодическим смачиванием. При использовании данного метода отпадает необходимость в субстрате и связанных с ним затратах, но требуется безотказная автоматика.[1]

Растворы для гидропоники

Информацию о зарегистрированных удобрениях для гидропоники можно найти в разделе Минеральные удобрения, нажав фильтр «Гидропоника»

Субстраты для гидропоники

При выращивании растений без почвы используют различные субстраты. Чаще всего это местные материалы. В любом случае субстрат должен отвечать следующим требованиям:

  1. Не содержать ядовитых веществ и быть химически нейтральным или инертным к питательному раствору, иначе будут изменяться физико-химические свойства питательного раствора, что отрицательно скажется на развитии растений.В частности, субстрат не должен содержать карбоната кальция (CaCO3). Данное соединение способствует повышению щелочной реакции питательного раствора и вызывает осаждение фосфатов.
  2. Иметь достаточную водоудерживающую способность и хорошую аэрацию. Эти свойства зависят от размера частиц. Чем больше частицы, тем меньше водоудерживающая способность и выше пористость. Например, измельченный вермикулит, перлит и керамзит хорошо удерживают воду, а гравий и гранитный щебень – плохо.
  3. Субстрат должен обладать достаточной прочностью. Вермикулит, керамзит, перлит не отвечают данному требованию и со временем крошатся. Это ухудшает аэрацию корневой системы и экономически невыгодно, поскольку подобные субстраты требуют частой замены – не реже одного раза в три-четыре года.
Гидропоника - Субстраты для гидропоники
Субстраты для гидропоники


При выборе необходимо учитывать, что при длительной эксплуатации субстраты подвергаются физико-химическим изменениям под действием не только питательного раствора, но и корневых выделений и различных микроорганизмов.

Субстратом для гидропоники могут служить гранитный щебень, измельченный керамзит, вспученный вермикулит, перлит, каменноугольный шлак, полихлорвиниловый субстрат. Иногда применяют органические субстраты: мох, древесные опилки, торф. Каждый из вышеперечисленных материалов имеет свои достоинства и недостатки.

В связи с этим был разработан материал, наиболее соответствующий требованиям к субстратам гидропоники, – гродан (минеральная вата). Также в качестве субстрата иногда используют высокомолекулярные синтетические соединения: вспененный полистирол, полиуретан, термопластические полимеры, синтетические пенистые смолы.[1] (фото)

Питательные растворы

На сегодняшний день разработано более 500 рецептов питательных растворов, довольно сильно отличающихся по составу и соотношению питательных ионов. Такое разнообразие объясняется тем, что питание растений зависит от биологических особенностей и внешних факторов. Это, прежде всего, температурный и световой режимы. Кроме того, содержание и соотношение питательных элементов в растворе должно изменяться в зависимости от времени года. Летом увеличивают количество азота, а зимой – магния, калия и фосфора. Содержание и соотношение питательных элементов меняют в зависимости от фазы роста растения, поскольку потребность в минеральных элементах непостоянна на протяжении всего вегетационного периода.

Гидропоника - Гидропоника
Гидропоника


При всем разнообразии питательные растворы отвечают определенным требованиям:

  1. В состав сбалансированного питательного раствора входят все необходимые растениям элементы минерального питания, включая кобальт и йод.
  2. Соотношение питательных элементов в растворе должно обеспечивать нормальный рост и развитие растений, а также их высокую продуктивность. Сумма шести основных ионов (N, PO4, SO-, К, Ca и Mg) в рецептуре питательных растворов колеблется в очень широких пределах – от 3 до 178 мг-экв/лраствора. Соотношение элементов в питательной смеси оказывает большое влияние на рост, развитие и продуктивность растений. Более того, изменяя условия минерального питания, можно управлять формированием структуры растений.
  3. Концентрация раствора может колебаться от 1 до 3 г/л. Встречаются растворы и с более высокой концентрацией. Следует принимать во внимание, что концентрация раствора не должна превышать критического значения, при котором осмотическое давление раствора становится равно или выше осмотического давления клеточного сока. Осмотическое давление раствора должно быть намного ниже, чем у клеточного сока, иначе растения прекратят поглощать воду и питательные элементы.
  4. Решающим показателем пригодности питательного раствора считается его оптимальная кислотность pH. Она должна поддерживаться на определенном уровне на протяжении всего вегетационного периода. Каждая культура требует определенной оптимальной реакции среды. Большинство растений хорошо растут и развиваются при рН 5,5–6,5. Например, на гравийном субстрате томаты лучше всего развиваются при оптимальной реакции рН 5,0–5,8, а огурцы – при рН 6,2–6,4.[1]

Способы подачи питательного раствора

Многообразие способов подачи питательного раствора сводится к двум типам: поверхностному увлажнению и подтоплению.

Поверхностное увлажнение

происходит путем подачи питательного раствора на поверхность субстрата каплями или струей. Излишки отводятся через систему дренажных труб на дне поддонов или стеллажей. (фото)

Способ подтопления

(субирригационный метод) предусматривает высадку растений в водонепроницаемые поддоны или стеллажи, наполненные искусственными водопроницаемыми субстратами. В них питательный раствор подается снизу. После прекращения подачи он удаляется самотеком.[1]

Преимущества гидропоники

Гидропонные технологии в значительной степени облегчают процесс выращивания растений. Это происходит за счет возможности автоматизировать все этапы ухода за растениями: минеральные подкормки, температурный и световой режимы.

Преимущество гидропоники заключается в возможности формирования необходимых параметров ионного состава растительной продукции за счет программирования состава минерального питания. Полученные растения отличаются высокими темпами роста, быстрее вступают в фазу цветения и плодоношения. Их продукция более ценна в биологическом отношении, поскольку содержит повышенную концентрацию витаминов, сахаров и органических кислот. Человек имеет возможность регулировать содержание нитратов в получаемой продукции, понижая его до минимальных значений. При гидропонном выращивании растений урожаи гораздо выше, чем при выращивании в почве.[5]

Близкие статьи

Подкормка

Additional fertilizing

Фертигация

Fertigation

 

Ссылки

Заглавная статья о внесении удобрений: Внесение удобрений

Все способы внесения удобрений в теме словаря: Способы применения удобрений

Оставьте свой отзыв:

Составитель:

 

Страница внесена:

Последнее обновление: 17.02.14 14:55

Статья составлена с использованием следующих материалов:

Литературные источники:
1.

Алиев Э. А. Выращивание овощей в гидропонных теплицах. — 2-е изд., доп. и перераб.— К.: Урожай, 1985.— 160 с.

2.

Большая советская энциклопедия (БСЭ), М: "Советская энциклопедия", 1969 - 1978

3.

Зальцер Эрнст Гидропоника для любителей (перевод с немецкого Чумакова М.Н.), издательство «Колос», Москва – 1965

4.

Малиновский В. И. Физиология растений. Учеб. пособие. – Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2004.  с.107

5.

Медведев С.С. Физиология растений: Учебник. – СПб:Издательство С.-Петербург, 2004. – 336с.

6.

Якушкина Н.И. Физиология растений – Издательство «Владос», 2004 – 464с.

Изображения (переработаны):
7.

Dead?, by Laurence Livermore, по лицензии CC BY

8.

Gravel Texture, by William Warby, по лицензии CC BY

9.

Hanging Gardens of Babylon, by Carla216, по лицензии CC BY

10.

Hydroponic Garden, by Erik Hilton, по лицензии CC BY-NC-SA

11.

Perlite für Zimmerpflanzen, by Maja Dumat, по лицензии CC BY

12.

Photo1602, by Kanu Hawaii, по лицензии CC BY

13.

Sawdust curls, by SMcGarnigle, по лицензии CC BY

14.

Tomato vine base, by Jeff Couturier, по лицензии CC BY-NC-SA