Сравнительный анализ альтернативных методов выращивания растений в условиях закрытого грунта

Segoe Serif Display Semilight C Cyr;Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Курский государственный университет»

Факультет естественно-географический

Кафедра биологии и экологии

Выпускная квалификационная работа

Сравнительный анализ альтернативных методов выращивания растений в условиях закрытого грунта

Обучающегося 4 курса очной формы обучения

направления подготовки 06.03.01 Биология

направленности (профиля) Биоэкология

Стрелкова Романа Евгеньевича

Руководитель:

доктор биологических наук, доцент

профессор кафедры биологии и экологии

Белова Татьяна Александровна

Курск, 2024

Введение

лекарственный растение грунт выращивание

Актуальность работы. Потребность в лекарственных и фитонцидных растениях постоянно растёт, в связи с чем возникает необходимость массового выращивания рассады таких растений для последующего их внедрения в различные производства. В ответ на это появляется необходимость поиска актуальных и современных методик выращивания растений. Традиционный способ выращивания растений в грунте имеет ряд недостатков, а именно: повреждение растений вредителями, приуроченность к вегетационным периодам, загрязнение окружающей среды удобрениями. Использование гидропонной и аэропонной методик выращивания позволит увеличить количество и качество производимой продукции, снизить затраты на ее производство, уменьшить антропогенный фактор влияния на экологическую обстановку.

Цель - сравнить эффективность роста и развития лекарственных растений - шалфея лекарственного, мелиссы лекарственной, мяты перечной - в условиях закрытого грунта с применением методов почвенной, водной и воздушной культуры.

Задачи:

ознакомиться с теоретическими аспектами и процессом выращивания растений с помощью гидропоники - водной и воздушной культуры;

изучить биологические особенности и требования к выращиванию шалфея лекарственного, мелиссы лекарственной, мяты перечной;

проанализировать ростовые показатели растений в условиях закрытого грунта с применением методов гидропоники и аэропоники;

определить особенности физиологических процессов растений;

сравнить полученные показатели и выявить наиболее эффективный способ выращивания лекарственного сырья.

Объект - лекарственные растения, обладающие лекарственными свойствами: шалфей лекарственный (Salvia officinalis L.), мелисса лекарственная (Melissa officinalis L.), мята перечная (Mentha piperita L.).

Предмет - анатомо-морфологические параметры растений, выращенных в условиях водной и воздушной культур гидропоники.

Гипотеза - выращивание лекарственных растений методами гидропоники и аэропоники обеспечивают ускоренный рост и повышение качества растительной продукции, способствуя увеличению растительной биомассы в короткое время.

Научная новизна - исследование проводилось с применением специализированных удобрений, что позволило наблюдать реакцию сразу трёх видов растений на них.

Практическая значимость - полученные в ходе исследования результаты считаются новыми и могут применяться как основа дальнейшего изучения гидропоники и аэропоники как самых эффективных методов выращивания растений в закрытом грунте.

Структура ВКР: бакалаврская работа состоит из введения, трёх глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Объём работы 72 страницы. Было использовано 45 литературных источников.

Аннотация. В выпускной квалификационной работе представлены результаты выявления наиболее эффективного метода гидропоники или аэропоники при выращивании Salvia officinalis L., Melissa officinalis L., Mentha piperita L. В ходе работы фиксировались морфо-физиологические показатели растений, проанализировав которые был сформирован обоснованный вывод о наиболее эффективном способе - аэропонике.

Апробация работы. Основные положения выпускной квалификационной работы были доложены на Всероссийской научно-практической конференции «Здоровые почвы - гарант устойчивого развития», научная статья в составе сборника «Здоровые почвы - гарант устойчивого развития», посвящённого 90-летию Курского государственного университета и 30-летию кафедры биологии и экологии, проиндексирована в РИНЦ и размещена под названием: «Рост и развитие лекарственных растений в условиях почвы, водной и воздушной культур». На конференции по итогам преддипломной практики был защищён отчёт. Результаты исследований использовались для наставнической работы в рамках Всероссийской образовательной инициативы по поиску и реализации научно-технологических проектов Сириус.Лето: начни свой проект. 2023/24 и участия в научных конкурсах: XIII межрегиональный конкурс научных работ «Формирование молодёжной научно-интеллектуальной элиты России»; конкурс научно-технологических проектов «Большие вызовы»; АгроНТРИ-2024.

Глава 1. Общие основы выращивания растений в закрытом грунте

1.1 Теоретические основы выращивания растений с помощью альтернативных методов

Развитие производства овощей в теплицах, повышение их урожайности и качества, а также сокращение трудозатрат возможно благодаря внедрению инновационных энергоэффективных методов. Один из таких подходов - использование гидропоники на малых объемах субстрата (от 2 до 15 литров), где каждое растение получает индивидуальное поливание и минеральные добавки. Эта методика активно используется в мире уже десятилетие.

В странах Скандинавии более 80% площадей тепличного производства отдано под эту новую технологию, в Нидерландах - более 50%, а в теплицах тропических и субтропических регионов мира традиционные методы уступают место гидропонным. Эта система обладает рядом преимуществ по сравнению с классическими методами [12].

Эффективно используется пространство, ведь для создания гидропонных конструкций предпочтительнее использовать земли, непригодные для традиционного сельского хозяйства, такие как каменистые и скалистые участки, необработанные земли, бедные почвы и прочее. Этот подход к выращиванию растений улучшает эффективность использования производственной площади. Гидропонные комплексы могут быть организованы на нескольких уровнях, образуя многоэтажные теплицы или контролируемые по климату вегетационные помещения. В связи с этим потребность в лекарственных и фитонцидных растениях для их размещения в помещениях различного назначения с целью улучшения среды обитания человека возрастает. Одним из важных разделов в решении этой проблемы является выбор наиболее эффективного способа получения посадочного материала лекарственных и фитонцидных растений с помощью технологии, которая позволит получать качественный посадочный материал в условиях защищённого грунта в короткие сроки и соответственно снизить затраты на её производство.

Исследование корневого питания растений легло в основу разработанного метода гидропоники. Для понимания того, что именно корень извлекает из почвы, учёные провели долгие годы экспериментов. Они начали культивировать растения в чистой воде, добавляя в неё определённые минеральные соли, исключая те соли, изучение воздействия которых было целью исследования. В стеклянных контейнерах растения процветали, и эксперименты показали, что для их здорового роста необходимы калий, кальций, железо, магний, сера, фосфор и азот. Отсутствие какого-либо из этих элементов приводило к нарушению роста: без калия рост останавливался, без кальция не развивалась корневая система, магний и железо были необходимы для синтеза хлорофилла, а сера и фосфор - для формирования белков, входящих в состав протоплазмы и ядер. Долгое время считалось, что эти элементы являются единственными необходимыми для здорового роста растений. Однако позже было обнаружено, что для оптимального развития растением также требуются незначительные количества других элементов, которые были названы микроэлементами.

В XIX веке немецкий ботаник Ф. Кноп, а в России К.А. Тимирязев и Д.Н. Прянишников вели исследования с целью создать новый метод выращивания растений в водных растворах неорганических соединений. В 1936 г. в США прошли испытания по выращиванию растений в питательных растворах, данный способ получил название гидропоника. В России данная технология начала свое развитие только в XX веке.

Первым крупным объектом стала гидропонная теплица. Она была построена в 1958 году в совхозе «Тепличный» (г. Москва) по проекту, разработанному НИИОХ и ВИСХОМ. Её площадь 600 м², питательный раствор подавался и регулировался автоматически, с помощью АВТ-4, разработана ВИСХОМ. Работа контроллерного блока прибора основывалась на секторной заливке пит. раствора: вся полезная площадь теплицы делилась на четыре части; раствор вначале подавался на первую часть теплицы, затем после сбора его излишка из первой секции в резервуар начиналась подача раствора во вторую секцию и т.д. Применение этого принципа подачи раствора позволило значительно сократить ёмкости для хранения питательного раствора, но усложнило автоматику. В первой гидропонной теплице были оборудованы поперечные наземные бассейны шириной 70 см и длиной 510 см для выращивания растений на гравии. Эта теплица послужила прообразом будущих гидропонных комбинатов. Автоматика была упрощена и усовершенствована, поперечные узкие стеллажи заменены большими бассейнами (гравийными кварталами), но принцип секционной подачи раствора сохранился [16].

Время показало, что растения, выращенные на гидропонике, были не такими продуктивными, как задумывалось. Аэрация корневой зоны была слабой, раствор обладал малой буферностью, и растения погибали из-за обилия водорослей. Как следствие, чисто водная культура гидропоники не нашла применения, и нужны были модификации установки. Было осуществлено использование субстрата с нулевой активностью, корни оплетали его и использовали в качестве опоры. С течением времени часть корней опускалась в питательный раствор, а часть так и оставалась на поверхности. Суть такого, усовершенствованного гидропонного метода состоит в том, что привычный почвенный субстрат заменяют на альтернативный (искусственный) субстрат (агровата, гравий, песок, керамзит, вермикулит, песчано-гравийная и моховая среда и др.), а растения выращивают на растворах минеральных удобрений. Выращивать легко получится во всех видах теплиц или просто в жилой комнате. В гидропонике растения снабжаются высоким количеством минералов и они сами выбирают оптимальное. Растениевод способен самостоятельно выбирать и контролировать концентрацию с правильным соотношением отдельных элементов в зависимости от освещённости, температуры, содержания углекислого газа, кислорода и проветриваемости помещения. Таким образом реализуется максимально продуктивная вегетация. При данном методе выращивания не нужно вносить тяжёлые удобрения, носить лейку для полива, подкармливать, подсыпать почву, бороться с вредителями и др. Применение автоматических программ, которые управляют таймером, насосом, светом, упростит процесс выращивания и способствует получению большего количества качественных растений.

Основное преимущество метода гидропоники заключается в том, что корневое питание растений легко контролируется, достаточно знать основные принципы диффузии. Растением поглощаются только те элементы, которые были добавлены в резервуар так же в заданных пропорциях. В любой момент времени, при необходимости, можно изменять параметры питательного раствора. За прошедшие два века развитие агрокультуры во многом связано с достижениями гидропоники, в частности с её способностью обеспечивать оптимальное питание растений. В наше время гидропоника стала неотъемлемым элементом большинства научных исследований в области ботаники. Несмотря на то, что она порождает дискуссии, эта технология находит применение в области генетики и трансферта генов. Чтобы обеспечить здоровый рост, растение должно утрачивать определённое количество влаги через процесс транспирации. В условиях гидропоники, когда наблюдается интенсивный рост, растение потребляет значительные объёмы воды, однако и утрачивает их полностью. Никаких потерь не происходит в почве или в процессе испарения, что делает гидропонику намного более водноэкономной, чем традиционные методы выращивания растений в земле. Современные инновации в системе орошения, такие как переход от полива всего участка к подаче воды непосредственно к корням растений, существенно улучшают эффективность использования воды в садоводстве. Тем не менее гидропоника продолжает оставаться лидером в этом аспекте. Подобным образом растения полностью усваивают все необходимые питательные вещества, что исключает их потерю в почве, не оказывает отрицательного воздействия на подземные воды и микробиоту почвы.

Улучшение состояния здоровья растений и их ускоренный рост снижают потребность в использовании пестицидов. Несмотря на распространённое мнение о том, что пестициды уничтожают только вредителей, их действие не избирательно и они могут нанести вред полезным насекомым. Применение пестицидов должно быть ограничено исключительными случаями. Благодаря тому, что в условиях гидропоники растение, благополучно ухаживаемое, развивается быстро и не подвержено болезням, оно способно вырасти до такой степени, что сможет сопротивляться вредителям без вреда для себя. Это не исключает необходимость борьбы с вредителями, однако требуется меньше пестицидов, что позволяет использовать более мягкие и экологически безопасные методы. Это особенно актуально для однолетних культур, в то время как многолетние растения могут требовать иной подход. В условиях гидропоники сорняки не могут расти, и применение гербицидов не требуется. Эти факторы делают гидропонику экологически чистой технологией.

Исследования подтверждают, что растения, выращенные с использованием гидропоники, обладают высокой жизнеспособностью. Если использовать гидропонику для выращивания маточных растений с последующим клонированием и последующей пересадкой проростков в почву, то они окажутся более здоровыми и жизнеспособными по сравнению с теми, которые были выращены в почве [24].

Характерная картина растениеводческого предприятия представляет собой систему, прочность которой зависит от прочности самого слабого звена. В сельском хозяйстве это означает, что всегда существует ограничивающий фактор. Это может быть освещение, уровень углекислого газа (CO₂), влажность, недостаток питательных веществ и так далее. В гидропонике многие слабые звенья цепи удаляются, особенно блокировка элементов в почве, что часто происходит по разным причинам. Теперь у растений созданы оптимальные условия для полного раскрытия своего потенциала. Если выбрана неподходящая культура, то слабым звеном может стать генетика. За многие годы выведены гигантские растения, ранее не встречавшиеся в природе, достаточно лишь укрепить слабые места. В большинстве случаев в гидропонике есть возможность создать идеальные условия для растений в плане питания, освещения, температуры и влажности. Тогда слабым звеном станет уровень углекислого газа. Повышение здоровья растения приведёт к увеличению производительности и урожайности. Растения, выращенные в гидропонике, значительно крупнее своих собратьев, выращенных в почве. Например, вишневидные помидоры, выращенные в гидропонике, уже не похожи на вишни. Было проведено множество исследований в области питания, которые последовательно демонстрируют значительное, часто удвоенное увеличение содержания витаминов и минеральных солей. Это относится и к активным компонентам лекарственных растений [7].

Необходимо регулярно контролировать состояние корневой системы растений. В гидропонике это обычно не составляет проблем, что позволяет своевременно обнаруживать и пресекать патогенные инфекции. Гидропоника особенно целесообразна, когда основным продуктом, производимым растением, являются корни. У многих лекарственных растений основные активные компоненты сосредоточены в корнях, хотя иногда они также присутствуют в надземных частях. Экстракция этих веществ без повреждения растения может быть затруднительной, что приводит к чрезмерному сбору дикорастущих лекарственных растений, что может привести к их исчезновению. В гидропонных системах корни находятся в открытом доступе и постоянно погружены в раствор питательных веществ, что позволяет без вреда для растения собирать корни в больших количествах. Однако для поддержания равновесия растения необходимо периодически обрезать надземную часть. Эта зелёная масса может стать дополнительным источником для экстракции или использоваться в качестве компоста. Такая методика сбора корней гарантирует их чистоту и не требует дополнительной обработки перед экстракцией. Кроме того, корни богаты активными веществами, и их концентрацию можно увеличить, изменяя питательный режим растения в соответствии с требуемыми химическими соединениями.

Для стимуляции роста корней необходимо контролировать уровень кислорода в питательном растворе. В любой области, связанной с культивацией, необходимо сначала создать спрос на продукцию и запустить её коммерциализацию перед началом процесса выращивания. В данном случае сухие корни могут храниться длительное время без ущерба. Это открывает новые перспективы для парниковой промышленности, которая находится под угрозой выживания.

Высокое содержание нитратов в питательном растворе способствует активному росту растения. Если целью является получение большого количества зелёной массы, то это становится выгодным решением. Гидропонные системы можно использовать для очистки сильно загрязнённых сточных вод. При этом производится дополнительное количество зелёной массы, которое может быть использовано в качестве топлива. Такие технологии уже существуют и успешно применяются, как, например, в Португалии, где научно-исследовательскому институту удалось успешно очистить стоки свинофермы.

Корневому войлоку не нужно распространяться широко в почве, так как растения могут получить все необходимое на ограниченной площади без конкуренции друг с другом. В результате они могут стоять ближе друг к другу, обеспечивая более плотное зелёное покрытие. Этот метод выращивания позволяет достичь высокой плотности растений -- до 60-70 растений на квадратный метр. При использовании освещения лучше выращивать много мелких растений, чем несколько крупных. Гидропоника идеально подходит для этого метода.

В отличие от цветущих растений, таких как помидоры или перец, которые растут и плодоносят одновременно, существует категория растений, у которых явно выражен активный вегетативный период, за которым следуют периоды цветения и плодоношения. На каждом из этих этапов растения нуждаются в разном питании. Используя определённые методы, можно минимизировать потери путём многократного полива большим количеством воды. Излишки питательного раствора не выбрасываются, а используются для полива домашних или садовых растений, чтобы не попадали в канализацию. Считается, что изменение состава питательного раствора - это одна из причин, почему вегетативные процессы ускоряются, а циклы смещаются. Рецепторы растений получают сигнал о том, что начинается этап цветения и в то же время в свободном доступе все необходимые микро- и макроэлементы. Причина, чаще всего, лежит в морфологии растений, во вкусовых качествах или выращиваемых видов. Состав питательного раствора - это то, от чего зависят количественные и качественные показатели культивируемых растений [18].

Основной недостаток заключается в отсутствии защиты растений от ошибок. Почва обладает способностью сохранять на какое-то время стабильность вокруг корней растений. В здоровой почве все физические и биологические показатели находятся в равновесии. Если растениям предоставить излишек питательных веществ, неправильную комбинацию или недопустимый уровень pH, микроорганизмы в верхних слоях почвы и химический состав почвы восстановят баланс. То же самое происходит в гидропонике, но в меньшей степени. Питательный раствор обладает определённой степенью буферности, особенно в отношении pH. Даже малейшее отклонение pH-метра может привести к гибели всего урожая за один день. В гидропонике все происходит очень быстро. Температура также играет решающую роль. При температуре от 18°C до 21°C в зоне корней гидропонных растений они процветают наилучшим образом. Они могут переносить и более высокие температуры - до 26°C, но после этого их рост замедляется, а при 35°C их корни, лишенные кислорода, начинают быстро отмирать, что приводит к гибели растений. Существуют способы борьбы с избыточным теплом, однако это серьезное ограничение, особенно в тропических странах и в помещениях, где искусственное освещение выделяет много тепла [6].

Вторая сложность в том, что некоторые культуры не подходят для выращивания на гидропонике. Все корнеплоды или клубнеплоды, например, свекла или картофель - все извлекают из почвы, их корневому питанию не подходят плоские поддоны. Экономическая целесообразность является одним из основных лимитирующих факторов в выращивании. Однодольные, такие как пшеница или овёс, быстро растут на гидропонике, но это экономически невыгодно. Географическое положение так же, как местный рынок, предопределяет целесообразность и нецелесообразность той или иной культуры [11].

1.2 Обзор различных гидропонных систем

Существуют разные гидропонные системы с отличными принципами движения воды. Термин «пассивный» подразумевает, что система не оснащена насосом, а работает за счет капиллярных сил фитиля, который поднимает питательный раствор из бака в корневую зону. Эти методы, но с почвой в горшке, многие годы используются в питомниках или цветочных магазинах. На них зачастую культивируются домашние растения, главным образом потому, что эти системы могут какое-то время поддерживать жизнь только лиственных зелёных декоративных растений, которые растут очень медленно, если вообще растут. Когда такие системы применяются с горшечной почвой, то влагу в ней поддерживает фитиль или капиллярный мат. В этом случае это продуктивные системы, потому что они обеспечивают эффективное автоматическое орошение при достаточно большом запасе воды, которого хватит на две-три недели. Совершенно другое дело, когда используют фитиль с инертным субстратом: для правильного увлажнения всего корня капиллярная сила недостаточна. Кроме того, для питания растений водой необходимо добавлять минеральные соли. Эти соли быстро оседают на фитиле или мате и засыхают, блокируя капиллярный эффект. Это приводит к практической остановке уже слабой циркуляции воды. Система скорее относится к сложным механизмам, чем к методам культивации. Вот как это работает в гидропонике: растение помещается в горшок с инертным субстратом. На уровне около двух третей от высоты горшка есть перегородка. Ниже перегородки находится резервуар с водой. Фитиль, сделанный из хлопка или синтетической ткани, свешивается из отверстия в перегородке. Благодаря капиллярной силе фитиль поставляет корням воду. В более эффективной версии вдоль всей перегородки делается прорезь. Из этой прорези в нижний резервуар со свежей водой висит капиллярный мат.

Существует также другой подход, известный как «пассивная» система. Она способствует выращиванию качественных растений, но при этом требует большого количества воды и питательных веществ. Простейший способ - заполнить обычные горшки инертным субстратом, поставить их на рассадный стол с дренажным отверстием или в другое удобное место для сброса излишней влаги. Растения орошают питательным раствором и периодически допускают просушивание субстрата между орошениями. На первый взгляд, это дёшево и просто, но каждое орошение требует достаточно большого количества воды для полоскания горшков, что приводит к излишнему расходу воды. По норме для полоскания горшка необходим объем воды, превышающий объем горшка как минимум вдвое. Такое полоскание необходимо для удаления минеральных солей, которые оседают при просыхании субстрата. Важно также дать субстрату полностью просохнуть, чтобы обеспечить доступ кислорода [9].

Технология периодического затопления, известная как flood and drain, в настоящее время часто называется «прилив-отлив». Первоначально такую систему внедрили Роберт и Алиса Уитроу в университете Пардью. Система гидропоники включала в себя лотки с гравием, цементным дном и каркасами из цемента или кирпича. Питательный раствор поступал автоматически и стекал после насыщения субстрата. Это способствовало проветриванию корневой зоны и улучшало поступление кислорода. В настоящее время данная система претерпела изменения, и существуют более современные и эффективные варианты для использования в закрытых помещениях. Сегодня наиболее распространенной на рынке является система периодического затопления, состоящая из пластикового рассадного лотка, установленного на пластиковом резервуаре или поднятого над землёй на каркасе. Для экономии места резервуар всегда располагается внизу. Система разработана таким образом, чтобы доступ к резервуару был всегда открыт для обслуживания. В таких системах питательный раствор подаётся насосом снизу, из резервуара под лотком, через трубное соединение. При включении насоса питательный раствор медленно заполняет лоток, вытесняя воздух и создавая восходящий поток, что освежает корневую зону и выводит накопившиеся газы. Дополнительное трубное соединение приблизительно на 15 см выше дна лотка фиксирует верхний уровень жидкости. Это мера предосторожности на случай, если насос будет работать слишком долго, чтобы избежать перелива лотка [13].

При выключении насоса питательный раствор начинает просачиваться самопроизвольно в резервуар через тот же клапан, через который он и поступал. Это позволяет свежему, богатому кислородом воздуху снова поступать в субстрат. В сочетании с высокой влажностью в данной области это создаёт идеальные условия для корней. Нижний патрубок расположен на 0,5 см выше дна лотка, чтобы при всех оросительных циклах оставалась небольшая лужа воды. Это ключевая особенность системы, постоянно поддерживающая влажность корня.

Затопление происходит периодически с определённой частотой. Это зависит от многих факторов, причём наиболее важным является выбор субстрата. Он способен удерживать влагу, что определяет частоту полива. Чем быстрее субстрат высыхает, тем чаще его необходимо орошать.

Простая система периодического затопления очень похожа на описанную ранее. Зона рассады часто имеет квадратную форму, чтобы удобно располагаться под источником света. Для фиксации растений в лотке можно использовать минеральную вату, кокосовое волокно, керамзит или их комбинации. Существуют отклонения от основной схемы. Например, растения можно поместить в горшки на лоток. Это помогает экономить субстрат и упрощает систему, а главное - позволяет перемещать растения, чтобы избежать затенения. Этот метод называется субирригацией. Растения также можно высаживать в кубики из минеральной ваты, при этом на лоток натягивается пластиковая плёнка для защиты корней от света. Очевидно, в плёнке необходимо делать отверстия для прорастания растений. В другом варианте лоток остаётся пустым, на него надевается крышка с отверстиями для посадки растений. Это устройство хорошо зарекомендовало себя, однако, как и любой метод с открытыми корнями, не рекомендуется для начинающих [38].

В итоге, периодическая система затопления оказывается эффективной технологией, соответствующей главному принципу гидропоники - обеспечивать корневую зону кислородом. Медленное поднятие и опускание уровня воды в «приливно-отливной» системе обеспечивает отличную оксигенацию. Поднятие воды выталкивает использованный воздух из корневой зоны, тогда как опускание воды обеспечивает поступление свежего воздуха.

Недостатком этой системы является ограничение по размерам. Даже лоток площадью в 1 квадратный метр может быть непригодным для использования из-за габаритов в ограниченном пространстве. Устройства большего размера практически невозможно использовать. Некоторые изобретательные системы сочетают два или три лотка на одном резервуаре, что позволяет получить 2 квадратных метра площади для рассады, удобной в обслуживании. Другая проблема - цикл полива. Важно найти оптимальный режим полива, который может меняться в зависимости от времени года и размеров растений. Полив в неподходящее время может нанести вред корням из-за отсутствия кислорода или вызвать пересушку, либо способствовать меньшему росту. Подбор оптимального режима полива требует опыта и времени. Согласно современным исследованиям, частый кратковременный полив способствует лучшему росту растений, чем длительный и менее частый.

Одним из популярных методов, который получил широкое признание, является система питательного слоя (NFT). В данной технике питательный раствор непрерывно циркулирует по тонкому слою. Этот метод был разработан британцем по имени Аллен Купер в 1960-х годах с появлением пластиковых плёнок. Эта система также отличается отличной оксигенацией. Благодаря тому, что питательный раствор движется в очень тонком слое (толщиной всего несколько миллиметров), обеспечивается огромная площадь поверхности для контакта между воздухом и водой. Таким образом, кислород поступает в растения естественным путём - через текучую воду. На границе воздуха и воды кислород из воздуха растворяется в воде за счёт движения. Этот процесс способствует жизни в водоёмах. Метод NFT широко применяется по всему миру и является наиболее распространённым способом для выращивания быстрорастущих культур, таких как салаты и зелень. В частности, в странах, таких как Англия и Австралия, данный метод широко используется, особенно для выращивания салатов. Также этот метод активно применяется в других регионах мира, в основном в скандинавских, Европе и на Ближнем Востоке.

Сборка системы NFT крайне проста. Из комплектующих, приобретенных в обычном хозяйственном магазине, можно легко смонтировать эту систему. Она устанавливается на наклонной раме с углом наклона от 7,2° до 10,8°, при скорости потока 1 литр в минуту. Изначальная конструкция системы представляла собой укладку доски на наклонную раму, на которую затем раскладывались широкие полосы пластиковой пленки. Молодые растения размещались в кубиках из минеральной ваты или аналогичной среды, расположенных через равные интервалы на пластиковых полосах. Пластиковая полоса образовывала желоб, в котором циркулировал питательный раствор, обхватывая кубики и стебли растений. Питательный раствор подавался в верхней части желоба, а затем улавливался и возвращался в резервуар с помощью водослива на нижнем конце желоба [29].

Это принципиальная схема, которая с течением времени весьма развилась. Появились жёсткие плоскодонные желоба, весьма облегчающие сборку системы. Этот вариант чаще всего встречается в коммерческой эксплуатации. В другом варианте желоба имеют крышки, в которые можно либо вставить кубики минеральной ваты, либо поместить растение в сетчатый горшок. Все кубики имеют бороздки на дне для лучшей циркуляции воды. На рынке комнатных растений можно даже найти лотки над резервуаром. В этом случае для такого малого цикла лоток плоский. Вода поступает с одной стороны и возвращается в бак на другом конце самотёком. Зачастую капиллярный мат помогает равномернее распределять раствор и блокировать свет, а белая пластиковая плёнка покрывает систему и защищает корни. Этот тип системы ограничен в размерах и зачастую занимает меньше одного квадратного метра.

NFT - система с хорошей оксигенацией, но есть и недостатки. В случае выращивания растений с тяжелыми верхушками им требуется дополнительная поддержка. Отсутствие опоры может привести к сдавливанию корней и замедлению притока питательного раствора. Обычно NFT используется для растений с коротким циклом, чтобы избежать проблем с корнями. Главный недостаток - необходимость пересадки растений в другую систему для удлинения корней.

Одним из серьёзных недостатков NFT является нехватка запаса воды. Если насос остановится из-за проблем с электроснабжением или по другой причине, растения смогут прожить лишь несколько часов. В случае сбоя в неподходящее время, например, в жаркий день или в начале светового цикла, время выживания будет еще более коротким [31].

Гидропоника воздушно-аэропонная - это современный подход. Многие ошибочно называют его аэропоникой, однако это название применимо ко всем системам, где вода насыщается кислородом при прохождении через воздух. Существует множество способов достижения этого эффекта. Технология была разработана одновременно в Израиле и в Университете Калифорнии в Дэвисе в конце 1970-х - середине 1980-х годов. Она вытесняет более традиционные методы, особенно в странах, где коммерческая гидропоника только начинает набирать обороты. Подобно замкнутым системам циркуляции, они не наносят вред окружающей среде. На крупных предприятиях, загрязняющих окружающую среду, они заменяют распространенную сегодня технологию, при которой излишки направляются на свалку. Кроме того, благодаря динамичному циркулированию воды они помогают удалять вредные газы из питательного раствора. Растения могут процветать долгое время без накопления токсичных веществ в корневой системе.

В этой сфере также применяются воздушные насосы, которые активируют компактные системы и доступны для покупки в магазинах бытовой химии.

Существует множество способов передачи воды с использованием воздуха. В начале 1980-х годов Ларри Брук разработал устройство, которое можно прикрепить к любому емкому сосуду. Оно содержит U-образную деталь для подачи воздуха к нижней части трубы. Когда нижняя часть трубы погружена в воду, воздух, поступающий ниже уровня воды, образует пузырьки, толкая воду из трубы вверх. Для лучшего распределения питательного раствора необходимо использовать кольцо с отверстиями на дне. Устройство представляет собой ведро с дном-дуршлагом, заполненное керамзитом для поддержки растений, помещённое в большое резервуарное ведро. Насос постоянно насыщает воду кислородом через напорную колонну. Прозрачная пластмассовая трубка сбоку позволяет контролировать уровень питательного раствора и орошать горшок через кольцо. Далее раствор стекает по корням в нижнее ведро.

Поднимаясь по напорной колонне, жидкость смешивается с воздушными пузырьками. Часть кислорода из пузырьков растворяется в жидкости, а еще больше - когда раствор капает с кольца на поверхность. Но это только начало, потому что, когда питательный раствор возвращается в резервуар, он циркулирует в виде плёнки. Эта плёнка обволакивает керамзитовые гранулы, перемещаясь между ними, прежде чем достигнет дна. Так образуется огромная площадь контакта между воздухом и жидкостью, что позволяет раствору насыщаться кислородом по ходу спуска. В результате вода в нижнем горшке остаётся хорошо оксигенированной. Когда растение развивается и корни проникают в нижний горшок, они находятся в идеальной среде. Эти горшки идеально подходят для одиночных больших растений, которые могут расти многие годы и достигать внушительных размеров. Эта система также удобна для больных или пожилых людей, которые могут легко ухаживать за своими растениями и перемещать их при необходимости [25].

В аэропонике растения питаются необычным образом -- они получают питательные вещества через туман-аэрозоль, создаваемый ультразвуковой мембраной. Эта технология позволяет распылять воду настолько мелкими частицами, что корни растений могут непосредственно впитывать их. Этот метод, известный как «сухой туман», был впервые опробован в 1950-х годах и с тех пор активно применяется. Он помогает увеличить влажность в промышленных теплицах, избегая риска заражения грибком или плесенью. Благодаря аэропонике растения получают больше кислорода, что способствует их активному росту. Однако важно помнить, что ультразвуковые мембраны могут терять эффективность при растворении солей [45, 30].

В настоящее время существуют системы аэропоники, предназначенные для оранжерей и укоренения черенков. Некоторые туманообразователи, которые находятся на рынке, предназначены для повышения влажности в жилых домах путем нагревания воды. Однако такой горячий туман неэффективен. Аэропоника рекомендуется зачастую только для укоренения черенков. Для орошения и подкормки быстрорастущих растений необходимо создавать обширный туман. Важно внимательно наблюдать за урожаем и оборудованием, а также оперативно реагировать на признаки дискомфорта у растений.

Сегодня технология аэропоники постепенно вытесняет другие методы в парниковой индустрии, а сами системы становятся все более похожими на аэрогидропонику. Единственное отличие заключается в том, что корни растений висят в воздухе и подвергаются напылению тумана без использования горшков или желобов [38].

1.3 Химический состав воды и его влияние на качество питательного раствора в системах гидропоники

Вода является основой всех видов органической жизни на планете Земля, включая растительную. Растения могут поглощать питательные вещества только в растворенном состоянии, вот почему вода для них является главным источником питания. В гидропонике вода играет ключевую роль, и ее качество имеет высокое значение. В природе не существует химически чистой воды - в ней всегда содержатся различные микроэлементы, соединения и другие примеси. Вода обладает идеальными свойствами растворителя, которые позволяют сохранить все полезные качества веществ, вступающих в раствор с водой, не изменяя их химический состав. Благодаря этой способности вода используется для приготовления питательных растворов для растений в гидропонике. Существуют определённые стандарты качества воды, необходимые для гидропонных систем. Вода должна быть мягкой и не содержать кальция и магния в виде солей. Высокое содержание кальция может препятствовать усвоению растениями важных питательных элементов. Присутствие токсичных веществ, посторонних примесей и растительных ядов недопустимо. Уровень pH воды должен быть нейтральным или слабокислым. Каждый тип воды имеет свои характеристики, определяющие её пригодность для приготовления питательного раствора [28].

Качество воды, используемой для приготовления питательного раствора, играет ключевую роль. Очищенная водопроводная вода может использоваться для этих целей, хотя ее минеральное содержание не всегда высоко. Важно учитывать возможное наличие вредных веществ, таких как гербициды, тяжелые металлы и различные соли, которые делают воду жесткой. Хлорирование и отстаивание воды перед использованием помогают избавиться от некоторых примесей. Колодезная вода и вода из скважины отличаются более высоким содержанием железа, марганца и минеральных веществ, что делает их жёсткими. Некоторые источники содержат сероводород, сульфаты и карбонаты, поэтому рекомендуется проверить их на наличие вредных веществ. Колодезную воду, как и водопроводную, требуется фильтровать или отстаивать.

Речная и озёрная вода чаще всего не подходят для использования в качестве питательного раствора из-за возможного загрязнения промышленными отходами, бактериями и другими нежелательными примесями. Эти виды воды обычно хлорируются и отстаиваются перед использованием. Сложные системы фильтрации могут быть необходимы для очистки воды до уровня, пригодного для использования в гидропонике, хотя их использование может быть затратным.

Дождевая вода является оптимальным вариантом для приготовления питательного раствора. Она мягче всех вышеперечисленных типов воды, содержит высокое количество кислорода, и реакция среды практически нейтральна. Однако необходимо учитывать загрязнение окружающей среды, из-за которого дождевая вода может содержать вредные химические соединения, тяжёлые металлы, известковую пыль и продукты сгорания топлива. При сборе дождевой воды следует соблюдать определённые правила, а именно - использовать резервуары из инертных материалов и избегать попадания вредных веществ и частиц. Рекомендуется использовать трубы из ПВХ или оцинкованной стали для сливов и желобов, а также ёмкости, изготовленные из материалов, устойчивых к окислению и действию кислот и щелочей. После дождливых периодов необходимо провести анализ дождевой воды перед использованием для приготовления питательного раствора.

Деионизированная вода содержит минимальное количество минеральных солей, органических и других примесей. Она лишена бактерий и патогенных микроорганизмов, а также микроэлементов. Процесс производства включает в себя испарение пресной воды и последующую конденсацию пара в специальных аппаратах - деионизаторах. Инородные вещества остаются в осадке, итоговая вода идеальна для создания питательных растворов. Однако процесс деионизации медленный, требует значительного энергопотребления и неэффективен для крупномасштабных гидропонических систем, где необходимо большое количество воды.

Потребление обычной воды приводит к контакту двух растворов - воды и живых клеток. Мембраны клеток, выполняющие функцию полупроницаемых мембран для воды, удерживают вещества, содержащиеся в воде. Из-за различий в концентрации растворов вода перемещается в клетки, пока не достигается равновесие плотностей. Этот процесс, называемый осмосом, был изобретён и назван обратным осмосом. Обратный осмос подразумевает перенос растворителя с большей концентрацией в растворитель с меньшей концентрацией через полупроницаемую мембрану при создании давления выше осмотического. Мембраны обратного осмоса очищают воду на более высоком уровне, чем традиционные методы фильтрации. Это позволяет удалять вредные вещества и получать высококачественную очищенную воду. Обратноосмотическая вода идеально подходит для использования в различных областях, включая гидропонику, благодаря своим уникальным свойствам.

В заключение можно отметить, что независимо от выбранного типа воды необходимо провести анализ на содержание химических элементов. Это можно сделать самостоятельно или обратившись в специализированное учреждение. Второй вариант более точен, хотя потребует финансовых затрат. Иногда самостоятельно определить состав воды невозможно. В таком случае можно измерить электропроводность пробы воды или приобрести химические тесты для определения содержания каждого из 13 элементов, необходимых для растений. Хотя тесты дают хорошие результаты, они крайне дорогостоящие и хватает их ненадолго. Измерение электропроводности позволяет определить только общее содержание элементов, не давая информации о конкретном содержании каждого элемента. После анализа воды и определения ее рН, необходимо составить питательный раствор с учетом химических элементов в воде [44].

1.4 Качество воды и её основные характеристики

Идеально чистая вода с химической формулой H₂O недостижима в природе. Основное свойство воды - ее универсальность как растворителя, что приводит к наличию в ней различных веществ, элементов, ионов и газов в растворенном состоянии. Качественный и количественный состав природной воды определяется географическими условиями и структурой водоносных слоев. Жёсткость воды - это сложный показатель, главным образом зависящий от содержания ионов кальция и магния. Ее измеряют в мг-экв/л (миллиграмм-эквивалент на литр). Вода из глубоких подземных источников обычно имеет более высокую жесткость (8-10 мг-экв/л), в то время как поверхностные источники обладают более низкой жесткостью (3-6 мг-экв/л).

Минерализация - это общее количество растворенных веществ в воде. Этот параметр также известен как общее содержание солей, поскольку растворенные вещества присутствуют в виде солей. В Европе минерализацию обозначают как total dissolved solids (TDS), что означает общее количество растворенных частиц. Единицей измерения уровня минерализации является миллиграмм на литр (мг/л), что представляет собой вес всех растворенных веществ в 1 литре воды. Уровень минерализации также может быть выражен в частях на миллион частиц воды, сокращенно ppm (parts per million). Эту аббревиатуру можно встретить в европейских источниках, обозначая количество частиц, растворенных в 1 миллионе частиц воды. Соотношение между значениями mg/л и ppm почти идентично - 1 мг/л = 1 ppm. Существуют различные методы для измерения концентрации растворов. Самый простой способ - использовать цифровой tds-метр. С его помощью можно быстро определить ppm-содержание раствора. Достаточно снять крышку, включить прибор, опустить его в раствор на несколько секунд, помешивая его, и через несколько секунд записать результаты. Также измерения часто проводятся с использованием кондуктометра, который измеряет электропроводимость (ES) в сименсах. Оба прибора измеряют электрическую проводимость, но tds-метр преобразует эти значения в ppm с помощью встроенной таблицы [26].

Уровень кислотности (pH) играет важную роль в сфере садоводства. Этот параметр критичен как для гидропоники, органического, так и для обычного садоводства. Наиболее точное измерение pH достигается с использованием электронного pH-метра, однако необходимо периодически калибровать прибор с помощью калибровочного раствора, чтобы обеспечить точное соответствие между сигналом от электрода и значением pH. Также популярен простой и доступный pH-тестер от GHE, который определяет кислотно-щелочной баланс с помощью специального реагента. pH измеряется на шкале от 1 до 14, где значение 7 считается нейтральным. Значения ниже 7 указывают на кислотность, а выше 7 - на щелочность (основность). Термин pH технически относится к содержанию гидроксильных ионов в растворе. Растворы ионизируются на положительные и отрицательные ионы. При преобладании водородных ионов (H+) в растворе он считается кислотным (1-6,9 по шкале pH), а при преобладании гидроксильных ионов - щелочным (7,1-14 по шкале pH). Чистая вода имеет равное количество ионов водорода (H+) и гидроксильных (О-), что делает ее нейтральной (pH 7). При наличии примесей вода может иметь pH выше или ниже 7. Шкала pH логарифмическая, поэтому изменение на одну единицу эквивалентно десятикратному изменению концентрации ионов водорода/гидроксила. Это означает, что раствор с рН 6 будет в десять раз кислее, чем раствор с рН 7, и раствор с рН 5 будет в сто раз кислее, чем раствор с рН 7. Если необходимо изменить рН на два пункта (например, с 7,5 до 5,5), то потребуется в десять раз больше исправителя рН, чем если бы изменяли рН только на один пункт (с 7,5 до 6,5). Если рН-значение почвы не соответствует требуемому для конкретного растения, оно может столкнуться с затруднениями в усвоении важных питательных веществ, что необходимо для его здорового развития [19].

Перед посадкой семян в почву, особенно когда речь идёт о рассаде, крайне важно провести дезинфекцию грунта. Это позволит предотвратить развитие личинок насекомых-вредителей, грибов и бактерий. Аналогичные меры нужно принять и с водой, если вы используете гидропонику. Кроме того, необходимо установить систему фильтрации, которая избавит воду от механических загрязнений. Для этого обычно используют два фильтра: один для предварительной очистки перед ультрафиолетовым стерилизатором, а второй для более тонкой очистки, которая избавляет воду от погибших микроорганизмов. Эта система может быть полезна не только в гидропонике, но и для подготовки воды к системе капельного полива в теплицах, где выращиваются брокколи и другие овощи.

Первым шагом в очистке воды является ее механическая очистка с помощью фильтра грубой очистки, за которым следует фильтр тонкой очистки для повышения качества очистки. Вода из колодцев и скважин также нуждается в очистке, поскольку может содержать растворенные вещества, такие как железо, магний, кальций, а также нитраты и микроорганизмы.

В начале каждого технологического процесса устанавливают фильтры для первичной очистки воды. Они предназначены для удаления из воды нерастворимых элементов. Выбор подходящего фильтра производится с учетом специфических условий использования и назначения. Перед приобретением необходимо определиться с характеристиками оборудования, учитывая содержание примесей в воде. Фильтры грубой очистки улавливают из воды твердые частицы, такие как глина, песок, ржавчина и другие. Выбор фильтра зависит от количества примесей в воде. Все такие фильтры работают по одному принципу: крупные частицы остаются в фильтре, а очищенная вода продолжает своё движение по трубам. Когда фильтр забивается, его необходимо снять, очистить и возвратить обратно. Фильтрация происходит механически и не требует использования химических веществ. Выбор фильтра определяется производительностью системы и количеством твёрдых частиц. Существует три основных типа фильтров: сетчатые, картриджные и высокоскоростные напорные. В сетчатых фильтрах основным элементом является мелкозернистая сетка с ячейками размером от 50 до 500 мкм. Сетчатые фильтры могут быть как непромывными, так и самопромывными. Первые периодически по мере загрязнения снимают и вычищают. Для того чтобы обслуживать фильтр, необходимо выключить систему водоснабжения и разобрать сам фильтр. Второй фильтр не требует разборки и очистки, так как он самопромывной и автоматически избавляется от нерастворимых частиц. Для таких фильтров устанавливают дренажную трубу, через которую вытекает загрязнённая вода после процедуры самоочищения. Фильтры, предназначенные для холодной воды, изготовлены из прозрачного материала, в то время как фильтры для горячей воды имеют металлический корпус, способный выдерживать высокие температуры. Некоторые модели сетчатых фильтров оснащены клапаном для контроля давления и манометром на выходе. Клапан защищает бытовую технику от гидравлических ударов и перепадов давления воды, а манометр отображает давление в трубопроводе.

Основным компонентом картриджного фильтра является сменный патрон, помещённый в корпус, изготовленный из стали или пластика, который задерживает частицы размером от 0,5 микрон. Корпус фильтра для холодной воды прозрачный, что позволяет визуально контролировать состояние патрона, в то время как для фильтров для горячей воды используется непрозрачный корпус. Патроны могут быть изготовлены из различных материалов, некоторые задерживают хлор, а другие - частицы с волокнистой структурой. Высокоскоростной напорный фильтр позволяет настроить фракцию задерживаемых частиц. Если в воде содержится много различных примесей, такой фильтр будет наилучшим выбором. Он состоит из специальной ёмкости, заполненной фильтрующим материалом. Вода, проходя через фильтр, очищается от крупных частиц размером от 30 мкм. Фильтр оснащён автоматическим регулирующим блоком для контроля процесса фильтрации. Помимо этого, к фильтру подключается дренажный трубопровод. Необходимо учитывать, что высокоскоростной напорный фильтр имеет большие размеры и может быть установлен только в теплом помещении.