5.3 Субстраты для выращивания растений методом гравийной культуры.
При выращивании растений без почвы в качестве субстратов могут быть использованы различные местные материалы .в тепличных гидропонных комбинатах Украины использованы преимущественно гранитный щебень, в Москве и Санкт-Петербурге — измельченный керамзит, а в отдельных гидропонных установка вспученные вермикулит и перлит, каменноугольный шлак и полихлорвиниловый субстрат. В некоторых случаях применяют органические субстраты: торф, мох, древесные опилки.
Дли обеспечения нормального роста и развития растений субстрат должен обладать определенными свойствами.
Во-первых, он не должен содержать каких-либо ядовитых веществ, должен быть относительно химически инертным и нейтральным, чтобы не изменять химических и физико-химических свойств питательного раствора. Некоторые субстраты содержат карбонат кальция (СаСО3), который, растворяясь под действием раствора и корневых выделений, подщелачивает раствор за счет повышения концентрации ионов ОН- и Са++, образующихся при гидролизе:
-
Повышенное содержание кальция в растворе вызывает осаждение фосфатов. Таким образом, субстрат, содержащий СаСО3, не способствует нормальному росту растений.
Во-вторых, субстрат должен обладать достаточной водоудерживающей способностью и хорошей аэрацией. Эти его свойства в значительной степени зависят от размера частиц. С их увеличением резко снижается водоудерживающая способность субстрата и повышается его пористость. Такие субстраты. как измельченные вермикулит, перлит и керамзит, обладают высокой водоудерживающей способностью, а гравий и гранитный щебень — низкой.
В- третьих, субстрат должен быть достаточно прочным.
Этим требованиям отвечает ряд материалов — гранитная щебенка, гравий, песок, керамзит, пемза и др., которые и используются как субстраты при агрегатопонике (табл. 5.1).
Соотношение твердой, жидкой и газообразной фаз показано на рис. 5.5.
Субстрат для выращивания овощных растений не должен влиять на состав питательного раствора. Поэтому заранее определяют его кислотность, химический состав и инертность. Для этого его заливают питательным раствором, в котором предварительно определяют концентрацию элементов питания и кислотность. Через 8—10 часов раствор фильтруют и снова проводят анализ. Если химический состав раствора не изменился, субстрат используют для выращивания растений. Если же субстрат не является достаточно химически инертным, то перед посадкой в него растений требуется предварительная подготовка.
Для предупреждения связывания фосфора полуторными оксидами и кальцием, свежий субстрат перед посадкой растений зафосфачивают, т.е. дают избыток фосфора с тем, чтобы связать все имеющиеся ионы алюминия, железа и кальция виде фосфорнокислых солей. Субстрат заливают 2%-ным раствором вытяжки из суперфосфата и выдерживают в течение суток, после чего промывают водой. Для этих целей можно использовать вместо вытяжки из суперфосфата ортофосфорную кислоту. Карбонаты кальция, содержащиеся в субстрате, при взаимодействии с ортофосфорной кислотой образуют на поверхности мало растворимую в воде пленку фосфата кальция. Химическая инертность субстрата значительно увеличивается.
Гравий. В гидропонике используют кремниевый или кварцевый гравий, не содержащий углекислого кальция. Наличие в нем карбонатов приводит к подщелачиванию питательного раствора (до рН 8 и выше) и выпадению фосфатов из раствора в виде осадка. Оптимальный размер частиц гравия 3—8 м.Однако при таком размере частиц очень низка влагоемкость субстрата. Поэтому к гравию рекомендуется добавлять вермикулит.
Песок. Используют крупный песок (0,6—2,5 мм), не содержащий вредных примесей. Нежелательны пылевидные частицы, которые затрудняют доступ воздуха к корневой системе.
Не рекомендуется использовать очень кислый или же щелочной песок.
Гранитный щебень. Этот субстрат используется довольно широко. Он надежно предохраняет корневую систему от подсыхания и перегрева, на поверхности частиц удерживает достаточное количество питательного раствора и обладает хорошей аэрацией и водопроницаемостью. Он не порист, поэтому легко промывается и дезинфицируется. Размер частиц 3—15, а для рассады 3—8 мм. Частицы имеют остроугольную форму и могут повреждать корни, особенно рассады и молодых растений.
Вермикулит. Химический состав вермикулита непостоянен. При нагревании до 800—1000 "С в течение 30—60 сек вспучивается и увеличивается в объеме в 15—25 раз и более, образую массы воздушных полостей и приобретая низкую плотность (100—150 кг/м3) и высокую водоудерживающую способность. Вермикулит отличается высокой емкостью катионного обмена: 65—145 м-экв/100 г минерала. Этот субстрат имеет низкую теплопроводность, что обеспечивает стабильную температуру в корне обитаемой среде. Рекомендуемый размер частиц 5—15 мм.
Однако по сравнению с другими субстратами вермикулит менее прочен и без замены возможно использование не более 4-5 лет. Он подщелачивает раствор, причем обжиг еще больше увеличивает щелочность. Но в процессе эксплуатации подщелачивающее действие ослабляется, а затем и вовсе исчезает.
Перлит. Вспучивается при тепловой обработке, многократно увеличиваясь в объеме и резко уменьшаясь в плотности (60—150 кг/м3). Химический состав непостоянен. Перлит как субстрат обладает рядом весьма ценных свойств. Он характеризуется высокой водопоглощающей способностью, хорошо впитывает и медленно отдает воду и элементы минерального питания. Благодаря хорошим теплоизоляционным свойствам он предохраняет корни растений от перегрева.
В качестве субстрата лучше всего применять перлитовую щебенку с размером частиц 5—15 мм. Насыпная масса 55,0—65,0 кг/м3. Перлитовый песок недостаточно аэрирован, при поливе всплывает и повреждает корни растений. Перлит — субстрат непрочный, при многократном использовании крошится. Без замены используют 3—4 года. Утилизируется внесением в почву. Это способствует улучшению ее структуры и физико-химических свойств.
Керамзит. Получают из глинистых пород путем вспучивания при температуре 1150—1250 "С. Это зернистый субстрат пористого строения, обладает хорошими теплоизоляционными и водоудерживающими свойствами. Но крошится, как и все вспученные материалы. Керамзит инертен: не изменяет рН раствора, не обладает поглотительной способностью по отношению к катионам, не поглощает фосфат-ионов. Однако при длительном использовании на поверхности керамзита откладываются фосфаты кальция, алюминия и железа. По влагоемкости керамзит уступает вспученному перлиту и вермикулиту, но по механической прочности превосходит их.
Широкое внедрение в производство агрегатопоники выдвигает проблему продления срока использования субстрата. При длительном его использовании на его поверхности откладываются соли питательных веществ, т.е. происходит засоление субстрата.
Интенсивность этого процесса зависит от концентрации питательного раствора, размера частиц субстрата, наличия в нем пылевидных частиц, микроклимата теплиц. Засоление субстрата — процесс управляемый. Промывка субстрата в время замены раствора, ежегодная его дезинфекция формалином с последующей промывкой водой, обработка через 3—4 года сильными окислителями способствует регенерации старых субстратов. Для кислотной регенерации используют хлорную воду с последующим зафосфачиванием субстрата; для щелочной — раствор едкого калия (0,15%).
Одним из решающих факторов старения субстрата является наличие в нем гниющей растительной массы. Продукты разложения корневых остатков и корневых выделений. Накапливаясь в субстрате и растворе, токсически действуют на растения. Наблюдается явление так называемого почвоутомления (аллелопатии), которое проявляется в подавлении ростовых процессов и снижении урожайности.
При беспочвенной культуре общее количество микроорганизмов значительно меньше, чем в почвах и грунтах. Колебание численности микроорганизмов выражено довольно резко: к концу вегетации растений оно возрастает почти в 100 раз. При длительном использовании питательного раствора общее количество микроорганизмов значительно увеличивается.
Микроорганизмы способны выделять физиологически активные вещества, стимулирующие рост и развитие растений (микробы-стимуляторы). Но среди микроорганизмов есть и такие группы, которые своими выделениями ухудшают рост и развитие выращиваемых культур (микробы-ингибиторы).
Обработка семян полезными микроорганизмами позволяет создать в субстрате желаемую микрофлору, а внесение бактерий Рs. radiobakter Basterim album и chraqutie увеличивает урожай томата на 13,3—8,3% в состав питательного раствора должны входить все необходимые элементы минерального питания, потребляемые растениями как в больших, так и в малых количествах, в соотношениях обеспечивающих полноценное развитие растений. Воду, применяемую для приготовления раствора, необходимо анализировать, и содержание в ней химических соединений и величину рН нужно учитывать при составлении растворов.
Некоторые из субстратов, например, вермикулит, перлит и керамзит, непрочны и со временем крошатся, вследствие чего уменьшается размер их частиц и ухудшается аэрация корневой системы растений. Нарушается оптимальное соотношение между твердой, жидкой и газообразной фазами. Такие субстраты нужно менять через каждые 3—4 года, что экономически невыгодно.
При длительном использовании субстраты претерпевают глубокие физико-химические изменения. Работами Е. И. Ермакова и Р. И. Штрейс (1968) установлено, что керамзит, перлит и другие субстраты подвержены едленному разрушению под действием корневых выделений, продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и питательного раствора.
Наличие в растворе ионов водорода (Н+) и угольной кислоты (НСО,-), образующихся при дыхании корней, создает предпосылки для ионного обмена между субстратом, корнями растений и питательным раствором.
По данным С. И. Алешина (1952), радиус катиона водорода в сотни тысяч раз меньше, чем других катионов (КУА"), поэтому он может легко проникать в кристаллическую решетку минералов и вызывать ее разрушение в результате обмена катионов.
С физическими свойствами субстрата тесно связаны их водные свойства: влагоемкость и водопроводимость, от которых в значительной степени зависит водный режим растений.
Наибольшей водоудерживающей способностью отличается вермикулит. Низкая водоудерживающая способность гравия объясняется, кроме отсутствия в нем пор, еще и смачиванием частиц при соприкосновении с жидкостями. Твердое тело не смачивается жидкостью, когда взаимное притяжение ее молекул между собой больше, чем притяжение их к молекулам твердого тела. С увеличением размера частиц водоудерживающая способность гравия, щебня и керамзита резко снижается.
Остающаяся после увлажнения субстрата вода делится на легко- и слабоподвижную. Из применяемых минеральных субстратов больше всего легкоподвижной воды содержит вермикулит, поэтому при выращивании овощных культур его можно увлажнять реже, чем другие субстраты: в солнечную погоду раз в день, в пасмурную — через день, на гравии и щебне — в солнечную погоду 3—4 и в пасмурную 2—3 раза в день.
В последние годы в гидропонных сооружениях Нидерландов, Дании, Англии, Германии, Франции Израиля и других стран в качестве субстрата используют искусственное волокно, т. е. минеральную вату. Под гравийной культурой значительно сокращены площади теплиц и их переводят на более дешевый способ — малообъемную гидропонику (см. подраздел 6.2).
Кроме минваты, в ряде стран в качестве субстрата используют высокомолекулярные синтетические соединения типа вспененного полистирола, полиуретана, термопластических полимеров, а также синтетические пенистые смолы, обладающие различными водно-физическими и химическими свойствами, что необходимо учитывать при выращивании растений.
Из физических свойств субстрата наиболее важное значение имеет объемная масса, соотношение твердой, жидкой и газообразной фаз и механическая прочность субстрата. Водно-физические свойства его оказывают существенное влияние на процессы роста и развития растений. На искусственных субстратах значительно увеличивается масса, объем, адсорбирующая поверхность корней рассады и усиливается их нагнетающая и метаболическая активность.
При этом изменяется морфологическое строение корневой системы растений. В частности, на искусственных субстратах они формируют сильно развитую компактную корневую систему с несколько утолщенными и более короткими корнями, тогда как на почве последние меньше ветвятся, но сильно вытягиваются.
5.4 ПИТАТЕЛЬНЫЕ РАСТВОРЫ ДЛЯ ГРАВИЙНОЙ КУЛЬТУРЫ И ИХ КОРРЕКТИРОВКА.
В мировой литературе известно более 500 рецептов питательных растворов, довольно сильно отличающихся по составу и соотношению питательных ионов. Сумма шести основных ионов (М, Р, 5, К, Са и Мё) в этих растворах, по данным Омеса (Ноmes М. V., 1955), колеблется в широких пределах — от 3 до 178 мг-экв на 1 л раствора. При этом авторы доказывают эффективность применяемых ими растворов. Это обстоятельство, как отмечает Г. С. Давтян (1969), заставляет признать, что небольшие изменения в составе растворов не имеют существенного значения для нормального питания растений, так как в процессе длительной эволюции они никогда не имели постоянной и требуемой для данного вида концентрации и соотношения питательных ионов. Вместе с тем нельзя не признать, что высокий урожай возделываемых культур собирают только при оптимальных концентрации и соотношении питательных ионов.
Существуют разные мнения в отношении состава питательных смесей. Одни исследователи считают, что все культуры одинаково хорошо растут и развиваются в стандартных растворах с одним и тем же соотношением шести основных ионов. Другие предлагают для всех видов растений использовать одни и те же растворы, только менять соотношение азота и калия для летнего и зимнего периодов выращивания. По мнению третьих, для различных видов растений должны быть свои питательные растворы с одним и тем же соотношением питательных ионов на все периоды жизни. И, наконец, представители четвертого направления считают, что состав питательного раствора должен дифференцироваться не только по видам растений, но и по фазам роста и развития с учетом условий внешних факторов, что возможно и наиболее правильны (табл. 5.2).
При разработке уравновешенных питательных растворов необходимо учитывать ряд требований. В их состав должны входить все необходимые элементы минерального питания, потребляемые растениями как в больших, так и малых количествах.
Отдельные элементы (кобальт и йод) не оказывают влияния на урожайность, но отсутствие их в продуктах питания вызывает некоторые болезни человека. В питательные смеси их необходимо вносить в незначительных количествах для улучшения биохимических качеств получаемой продукции.
Питательные растворы должны содержать необходимые элементы в количествах и в соотношениях, обеспечивающих нормальный рост, развитие и высокую продуктивность растений. От концентрации раствора и соотношения в нем питательных элементов зависит его осмотическое давление и интенсивность поглощения растениями воды и элементов минерального питания. Одним из решающих показателей пригодности питательного раствора является оптимальная кислотность (рН), которая должна быть на определенном уровне в течение всего вегетационного периода.
Для приготовления питательных растворов нужна отвечающая определенным требованиям вода. Вода рек, озер, а также артезианская содержит растворенные природные соли. Поэтому перед использованием необходимо определить ее химический состав. В большинстве случаев она имеет нейтральную или слабощелочную реакцию (рН 7—7,8) вследствие содержания в ней бикарбонатов. Такую воду необходимо подкислить ортофосфорной или азотной кислотой, учитывая при этом количество вводимых в раствор питательных ионов. Если содержание их не превышает 10—12 % от требуемой нормы, поправки в состав питательной смеси не вносят. Обычно при составлении питательных растворов учитывают только содержание кальция и магния, хотя иногда водопроводная вода содержит довольно много железа и хлора. Наличие железа в воде желательно, так как обеспеченность растений этим элементом в нейтральном и щелочном растворе бывает недостаточной. Концентрация хлора не должна превышать 150 мг/л. При повышенном его
содержании воду отстаивают в течение нескольких часов в открытом резервуаре. После улетучивания хлора ее используют для приготовления питательного раствора.
Если в воде содержатся микроэлементы, их можно не вносить в раствор в виде содержащих их солей. Нельзя использовать воду, содержащую более 2 мг/л бора и марганца. Сумма всех солей в воде не должна превышать 700 мг/л.
При составлении "питательных растворов необходимо учитывать разницу в поглощении растениями анионов и катионов из растворов применяемых солей. Как известно, соль, вносимая в раствор, диссоциирует на ионы, например КНО3 на К+ и N0-,. Положительные ионы, или катионы, должны быть уравновешены равным количеством отрицательных ионов, или анионов. Раствор, содержащий равные количества катионов и анионов, называют нейтральным. Растения поглощают их не с одинаковой скоростью, тем самым вызывая подкисление или подщелачивание раствора.
Питание растений в значительной степени зависит от биологических особенностей культуры и внешних факторов роста, прежде всего от солнечной инсоляции и температурного режима. Поэтому для разных культур и разных экологических условий необходимы соответствующие питательные растворы. В зависимости от времени года в растворах должны изменяться содержание и соотношение питательных элементов: летом увеличиваться количество азота, а зимой — калия, фосфора и магния.
Кроме того, содержание и соотношение питательных элементов должны изменяться в зависимости от фазы роста, так как потребность растений в минеральных элементах не остается постоянной на протяжении вегетационного периода. Этим объясняется большое количество рецептов питательных растворов.