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 использовали преимущественно гранит­ный щебень, в Москве и Санкт-Петербурге — измельченный керамзит, а в отдельных гидропонных установках — вспученные вермикулит и перлит, ка­менноугольный шлак и полихлорвиниловый субстрат. В некоторых случаях применяют органические субстраты: торф, мох, древесные опилки.

Для 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 водоудер-живающая 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 водоудерживаюшую 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 Ps. radiobakter Bacterim album и chraqutle 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 медленному разрушению под действием корневых выделений, продуктов жиз­недеятельности микроорганизмов и питательного раствора.

Наличие в растворе ионов водорода (Н+) и угольной кислоты (НСО₃-), образующихся при дыхании корней, создает предпосылки для ионного об­мена между субстратом, корнями растений и питательным раствором.

По данным С. Н. Алешина (1952), радиус катиона водорода в сотни ты­сяч раз меньше, чем других катионов (10~⁵А°), 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.