Гидропонный метод выращивания растений

• Методы гидропоники
• Агрегатопоника
• Водная культура
• Хемопоника
• Ионитопоника
• Аэропоника
• Субстраты для выращивания растений методом гидропоники
• Гравий
• Песок
• Гранитный щебень
• Вермикулит
• Перлит
• Керамзит
• Как продлить срок службы субстрата
• Новые материалы для субстратов

Выращивание растений без почвы в контролируемых условиях имеет множество преимуществ по сравнению с традиционными грунтовыми теплицами. Это позволяет эффективно использовать площадь теплицы, улучшить корневое питание и создать оптимальный водно-воздушный режим.

Методы гидропоники

Есть несколько способов выращивать растения без почвы — с помощью специальных растворов с питательными веществами. Разберём каждый подробнее.

Агрегатопоника

Агрегатопоника — это способ выращивания растений на твёрдых материалах вместо земли, например на гравии, керамзите или минеральной вате. Эти материалы почти не впитывают воду. Питательный раствор с удобрениями подают к корням время от времени — по расписанию. Этот метод часто используют в больших теплицах.

Водная культура

При использовании водной культуры растения растут прямо в воде с растворёнными удобрениями. Такой способ популярен в Болгарии, Германии и других странах. У него есть определённые сложности. Во‑первых, нужно внимательно следить за составом раствора: если он станет слишком слабым или слишком крепким, растения могут плохо расти или даже погибнуть. Во‑вторых, в воде мало кислорода — всего $9,4$ мг на литр при 20∘C. Этого недостаточно для корней, и они «задыхаются».

Чтобы решить эту проблему, применяют компрессоры для насыщения воды кислородом. Ещё один приём — частично погружать корни в воду, а частично оставлять их во влажном воздухе над ней.

Существует и современный вариант водной культуры. Растения сажают в длинные желоба из тёмной плёнки, которые устанавливают в теплице с небольшим уклоном: на 1 метр длины приходится 1 см наклона. Питательный раствор течёт по желобу тонким слоем (1–2 см), смачивая корни. Когда раствор доходит до конца желоба, его собирают и с помощью насоса возвращают обратно в резервуар — и цикл повторяется.

В процессе выращивания важно контролировать кислотность раствора (pH), поскольку при её изменении растения хуже усваивают питание. Также следят за электропроводностью — она показывает, сколько в растворе питательных веществ. Если показатель падает, раствор нужно обновить. При необходимости корректируют состав: если раствор стал слишком щелочным, добавляют ортофосфорную кислоту, а если слишком кислым — едкий калий.

У водной культуры есть весомые плюсы: корни получают достаточно воды, питания и кислорода, поэтому урожай получается богатым. Например, в Германии при таком способе огурцы дают до 53 кг с 1 м² теплицы, а томаты — до 32 кг. В странах СНГ этот метод часто применяют для выращивания салата и другой зелени.

Хемопоника

Хемопоника похожа на обычное выращивание в грунте, но вместо земли здесь используют органические материалы. Это может быть верховой торф, сфагновый мох, древесная кора, опилки, рисовая шелуха, отходы хлопчатника и так далее. Такие материалы служат в качестве субстрата 1–2 года. Перед использованием некоторые из них нужно подготовить: например, измельчить кору или стружку и проверить кислотность среды. Растения поливают питательным раствором сверху — примерно так же, как обычные грядки. Этот способ не требует сложного оборудования и подходит для теплиц и парников. Сейчас особенно популярен кокосовый субстрат: он служит дольше других материалов.

Ионитопоника

Ионитопоника — современный метод, напоминающий агрегатопонику, но с одним важным отличием: питательные вещества уже «заложены» в субстрат, поэтому растения поливают просто чистой водой. По сути, это искусственная почва. В основе метода — два специальных синтетических материала. Первый — катионит (КУ‑2), представляющий собой гранулы светло‑жёлтого цвета размером 0,3–0,5 мм. Они отдают корням полезные элементы: калий (K+), кальций (Ca2+), магний (Mg2+) и другие. Второй материал — анионит (ЭДЭ‑10П), жёлтые гранулы размером 0,30–1,5 мм, которые поставляют сульфаты (SO42−​), нитраты (NO3−​), фосфаты (H2​PO4−​) и иные вещества. Эти материалы отличаются прочностью и устойчивостью — они не портятся от света, воздуха или обычной температуры.

Аэропоника

Аэропоника представляет собой метод возделывания, при котором корни растений висят в воздухе внутри специальной конструкции. Каждые 12–15 минут их на 5–7 секунд опрыскивают питательным раствором. Благодаря такому подходу корни получают максимум кислорода и быстро растут. Чтобы корни не пересыхали, их регулярно увлажняют.

Этот метод имеет ряд преимуществ. Он избавляет от необходимости покупать, готовить и обеззараживать субстрат — например, гравий. Кроме того, снижается риск заразить растения вредителями, такими как галловая нематода. Аэропоника даёт хороший урожай, особенно для зелени и растений с небольшими корнями. Однако для её реализации нужна надёжная автоматика: датчики, насосы, таймеры. Если всё настроить правильно, метод становится экономически выгодным, поэтому его часто используют в тепличных хозяйствах.

Субстраты для выращивания растений методом гидропоники

Для выращивания растений без почвы подходят разные местные материалы. В тепличных гидропонных комбинатах Москвы и Санкт‑Петербурга часто используют измельчённый керамзит. Иногда берут вермикулит, перлит, каменноугольный шлак или полихлорвиниловый субстрат. Подойдут и органические материалы — например, торф, мох или древесные опилки.

Чтобы растения нормально росли, субстрат должен отвечать нескольким требованиям. Прежде всего он должен быть химически инертным и не содержать ядовитых веществ — то есть не менять состав питательного раствора. К примеру, субстраты с карбонатом кальция подщелачивают раствор. Из‑за этого фосфаты выпадают в осадок, а рост растений замедляется.

Ещё одно важное свойство — способность хорошо удерживать воду и при этом обеспечивать доступ воздуха к корням. Это зависит от размера частиц: чем они крупнее, тем меньше воды задерживает субстрат и тем выше его пористость. Вермикулит, перлит и керамзит хорошо удерживают влагу, а гравий и щебень — хуже.

Также субстрат должен быть достаточно прочным. Этим условиям соответствуют гранитная щебёнка, гравий, песок, керамзит, пемза и некоторые другие материалы, которые применяют в агрегатопонике.

Перед использованием субстрата для выращивания овощей важно заранее выяснить его кислотность, химический состав и степень инертности. Для этого материал заливают раствором с известными концентрациями элементов и определённым уровнем кислотности. Спустя 8–10 часов раствор фильтруют и анализируют. Если его состав не изменился, субстрат можно использовать. Если же он недостаточно инертен, потребуется подготовка.

Чтобы фосфор не связывался с алюминием, железом и кальцием, субстрат перед посадкой обрабатывают избытком фосфора. Для этого его на сутки заливают 2 %-ным раствором суперфосфата, а затем промывают водой. Вместо суперфосфата подойдёт ортофосфорная кислота: она вступает в реакцию с карбонатами кальция и образует малорастворимый фосфат кальция, благодаря чему субстрат становится более инертным.

Гравий

В гидропонике применяют кремниевый или кварцевый гравий без углекислого кальция. Если в нём есть карбонаты, питательный раствор подщелачивается до уровня pH 8 и выше, из‑за чего фосфаты выпадают в осадок. Лучше всего подходит гравий с частицами размером от 3 до 8 мм, но у него низкая влагоёмкость. Чтобы улучшить этот показатель, к гравию добавляют вермикулит.

Песок

Для посадки берут крупный песок (0,6–2,5 мм) без вредных примесей. Пылевидные частицы нежелательны: они мешают доступу воздуха к корням. Также не подойдёт песок с сильно кислой или щелочной реакцией.

Гранитный щебень

Этот субстрат широко используют в гидропонике. Он защищает корни от высыхания и перегрева, удерживает на поверхности частиц достаточно питательного раствора, обеспечивает хорошую аэрацию и водопроницаемость. Материал не пористый, поэтому его легко промывать и дезинфицировать. Размер частиц — 3–15 мм, для рассады берут более мелкие (3–8 мм). У частиц остроугольная форма, и это может повредить корни, особенно у молодых растений.

Вермикулит

Химический состав вермикулита может различаться. Если нагреть его до 800–1000 °C, он вспучится за 30–60 секунд и увеличится в объёме в 15–25 раз и более. В результате появляются воздушные полости, и материал становится лёгким (100–150 кг/м³) и влагоёмким. У вермикулита высокая катионная ёмкость: 65–145 м‑экв/100 г. Благодаря низкой теплопроводности он помогает поддерживать стабильную температуру в зоне корней. Оптимальный размер частиц — 5–15 мм. Но вермикулит менее прочен, чем многие другие субстраты, и его нужно заменять каждые 4–5 лет. Он подщелачивает воду, а после обжига этот эффект усиливается, хотя со временем он ослабевает и в итоге исчезает.

Перлит

При нагревании перлит сильно увеличивается в объёме и становится лёгким и рыхлым (его плотность снижается до 60–150 кг/м³). Его химический состав может варьироваться. Как субстрат перлит обладает ценными свойствами: он хорошо впитывает воду и минеральные вещества, а потом медленно их отдаёт. Благодаря теплоизоляционным качествам он защищает корни от перегрева. Для гидропоники лучше всего подходит перлитовая щебёнка с частицами 5–15 мм и насыпной массой 55,0–65,0 кг/м³. Перлитовый песок менее удобен: при поливе он всплывает и может повредить корни. Перлит не очень прочен и со временем крошится, поэтому его обычно используют 3–4 года, а потом заменяют. Если утилизировать перлит, внося его в почву, это улучшит её структуру и физико‑химические свойства.

Керамзит

Керамзит делают из глинистых пород: их вспучивают при очень высокой температуре (1150–1250 °C). Получается зернистый пористый материал с хорошими теплоизоляционными и водоудерживающими свойствами. Как и другие вспученные материалы, керамзит может крошиться. Он химически инертен: не меняет кислотно‑щелочной баланс раствора, не поглощает катионы и фосфат‑ионы. Но если использовать его долго, на поверхности могут откладываться фосфаты кальция, алюминия и железа. По влагоёмкости керамзит уступает перлиту и вермикулиту, зато превосходит их по механической прочности.

Как продлить срок службы субстрата

При долгом использовании субстрата на его поверхности накапливаются соли из питательного раствора — возникает засоление. На этот процесс влияют концентрация раствора, размер частиц субстрата, наличие пыли и микроклимат в теплице. Засоление можно контролировать: чтобы восстановить субстрат, его промывают при замене раствора, ежегодно дезинфицируют формалином и потом промывают, а через 3–4 года обрабатывают сильными окислителями. Для кислотной регенерации берут хлорную воду с зафосфачиванием, а для щелочной — раствор едкого калия (0,15 %).

Один из главных факторов старения субстрата — гниение растительных остатков. Продукты разложения корней и их выделений накапливаются в субстрате и растворе и могут оказывать токсическое действие на растения. Это называют почвоутомлением (аллелопатией), и оно приводит к замедлению роста и снижению урожайности.

В беспочвенной культуре микроорганизмов гораздо меньше, чем в почве. Их число резко растёт к концу вегетации, а при длительном использовании раствора общее количество микробов увеличивается. Среди них есть как стимулирующие рост растений (микробы‑стимуляторы), так и ухудшающие его (микробы‑ингибиторы).

Обработка семян полезными микроорганизмами помогает сформировать нужную микрофлору в субстрате. Например, внесение бактерий Ps. radiobakter, Basterim album и chraqutie повышает урожай томатов на 13,3–8,3 %. Важно, чтобы в растворе присутствовали все необходимые элементы минерального питания в правильных пропорциях. Воду для раствора нужно проверять: учитывать содержание химических соединений и уровень pH.

Некоторые субстраты (вермикулит, перлит, керамзит) со временем крошатся. Из‑за этого ухудшается аэрация корней и нарушается оптимальное соотношение фаз. Такие материалы приходится менять каждые 3–4 года, что не всегда выгодно. При долгом использовании субстраты меняются физико‑химически: керамзит и перлит разрушаются под действием корневых выделений, микроорганизмов и раствора.

Ионы водорода (H+) и угольной кислоты (HCO3−​), которые образуются при дыхании корней, создают условия для ионного обмена между субстратом, корнями и раствором. Физические свойства субстрата определяют его влагоёмкость и водопроводимость, а значит, и водный режим растений. Больше всего воды удерживает вермикулит, а меньше всего — гравий: у него нет пор, и частицы плохо смачиваются.

После увлажнения вода в субстрате делится на легко‑ и слабоподвижную. В вермикулите много легкоподвижной воды, поэтому его можно увлажнять реже: в солнечную погоду — раз в день, в пасмурную — через день. Гравий и щебень нужно увлажнять чаще: 3–4 раза и 2–3 раза в день соответственно.

Новые материалы для субстратов

В последние годы в гидропонных установках разных стран стали применять искусственное волокно (минеральную вату) и высокомолекулярные синтетические соединения — например, вспененный полистирол, полиуретан и термопластические полимеры. У этих материалов разные водно‑физические и химические свойства, и их нужно учитывать при выращивании растений.

Важны такие физические свойства субстрата, как объёмная масса, соотношение фаз и механическая прочность. Водно‑физические характеристики влияют на рост и развитие растений. На искусственных субстратах корни становятся компактнее и сильнее: увеличивается их масса, объём и адсорбирующая поверхность, повышается активность. Изменяется и морфология корневой системы: на искусственных материалах она компактная и сильно развитая, с утолщёнными и короткими корнями, а в почве корни меньше ветвятся, но вытягиваются.