Hydroponiikka – Kaikki mitä sinun tarvitsee tietää

Mitä on hydroponiikka

Hydroponiikka on viljelymenetelmä, jossa kasvit kasvatetaan vedessä maaperän sijaan. Se kuuluu laajempaan “maattaiseen” viljelymenetelmien ryhmään, johon kuuluvat myös akvaponics ja aeroponics.

Useimmiten viljely toteutetaan siten, että kasvin juuret ovat vedessä, mutta se voidaan myös satunnaisesti tehdä muissa alustoissa, kuten geeleissä tai inertissä väliaineessa kuten perliitissä, sorassa ym.

Koska maata ei ole, kasvien ravinteet mineraaleina saadaan liuottamalla ne veteen. Monissa tapauksissa hydroponiikkaviljely on yhtä kuin sisätilojen viljely, jossa valo on peräisin keinotekoisesta valaistuksesta. Hydroponiikkaa voidaan kuitenkin myös käyttää ulkona, sillä se tarjoaa “ilmaista” auringonvaloa, mutta samalla lisää kontaminaatioriskiä (katso alapuolella).

The hydroponic market size grew to lähes 5 miljardia dollaria vuonna 2023, ja sen odotetaan kasvavan 12,4 % CAGR:lla vuoteen 2030.

Hydroponiikan tiede

Vaikka suurin osa kasveista voidaan kasvattaa hydroponiikkajärjestelmissä, osa vaatii alustan juurien kiinnittämiseksi. Tästä syystä käytetään inerttejä alustoja kuten kookospähkinän kuitua, vermikuliittia (silikaattikiveä) ja perliittiä (amorfista vulkaanista lasia).

Lähde: Climate Control

Ravinteet kuten fosfaatti, kalium ja typpi (“NPK”), sekä mikroravinteet, liuotetaan veteen, mikä mahdollistaa lähes 100 %:n tehokkuuden lannoitteiden käytössä.

Hydroponiikka voidaan jakaa kahteen erilaiseen suunnitteluun: avoimiin ja suljettuihin järjestelmiin.

Avoimet järjestelmät: vaativat ravinteikkaan veden virtaavan varastosta kasvukammioon.
Suljetut järjestelmät: juuret ovat suoraan upotettuina ravinneliuoksessa, eikä siten tarvita pumppuja.

Passiiviset järjestelmät, aktiivisten järjestelmien vastakohtana, ovat hydroponiikkajärjestelmiä, jotka eivät vaadi sähkökomponentteja kuten pumppuja, ilmanvaihtoa, keinotekoista valoa tai ajastimia.

Mitä voidaan kasvattaa hydroponiikalla

Hydroponiikkaa käytetään monien eri korkean arvon ja herkkien kasvien viljelyyn. Yleisimmät niistä ovat seuraavat järjestyksessä: tomaatit, yrtit, salaatti, kurkku.

Lähde: Grand View Research

Toinen vähemmän dokumentoitu, mutta merkittävä hydroponiikan käyttö on ollut pienimuotoinen tai keskisuuri kannabiksen viljely. Vaikka tämä käytäntö on laillista vain harvoissa maissa, yhä useammat valtiot sallivat tällaista kasvinviljelyä asianmukaisella lisenssillä kaupallisessa ympäristössä – Kanada on yksi esimerkki tästä.

Monet Yhdysvalloissa laillisesti toimivat kaupalliset kannabiksen viljelmät suosivat kasvihuoneissa viljelyä. Tässä hydroponiikkamenetelmät tuottavat tasaisemman lopputuloksen kuin maaperä.

Hydroponiikan hyödyt

Hallinta

Hydroponiikan tärkein etu on tekniikan tarjoama hallinnan taso. Tämä on erityisen totta, kun se yhdistetään sisätilojen viljelyyn, verrattuna maaperässä tai jopa kasvihuoneissa tapahtuvaan viljelyyn. Tämä johtaa useisiin etuihin kaupallisessa viljelyssä.

Se voi tuottaa tasaisempia tuloksia. Esimerkiksi tarkka kemiallinen koostumus kannabiskasvista, jota myöhemmin käytetään lääkkeiden tuotannossa. Tämä mahdollistaa tutkimus- ja kehitystyön löytää täydelliset olosuhteet, mikä johtaa korkealaatuiseen tuotteeseen.

Se voi myös mahdollistaa paremman hallinnan kasvun ajoituksessa, jolloin saadaan erittäin tasainen ja vakaa tuotanto. Tämä on arvokasta tuotteille, joilla on suhteellisen vakaa kysyntä, mutta kausiluonteisia tuotantopiikkejä, kuten tomaatteja tai marjoja.

Yhdistämällä kaikki nämä mahdollisuudet, saavutettu hallinnan taso voidaan käyttää optimoimaan kasvunopeutta, makua, hajua tai lopullisen kasviproduktin ulkonäköä, mikä todennäköisesti oikeuttaa korkeamman hinnan.

Lopuksi sitä voidaan käyttää myös kasvien valvontaan ja mahdollisten ongelmien havaitsemiseen varhaisessa vaiheessa.

Tilankäyttö

Optimaalisten olosuhteiden ansiosta neliömetriä kohti voidaan kasvattaa enemmän satoa kuin muissa olosuhteissa. Tämä tekee siitä hyvän vaihtoehdon kaupunkiviljelyyn, kuten artikkelissamme “Kaupunkiviljelyn skaalaaminen monien hyötyjen tuottamiseksi” käsitellään. Tämä mahdollistaa ruoan paikallisen tuotannon sen sijaan, että se tuodaan sadoista tai tuhansista kilometreistä, vaikka maa- ja tilakustannukset olisivatkin paikallisesti kalliimpia.

Se on äärimmäisen arvokas viljelymenetelmä epäsuotuisissa ympäristöissä, kuten tulevissa Kuun tai Marsin tukikohdissa, joissa kalliit kuljetuskustannukset tekevät paikallisesti tuotetusta ruoasta erittäin arvokasta.

Ravinteiden tarve ja jätteet

Kuten mainittiin, koska ravinteet ovat vedessä ja vesi pysyy kasvukammareissa ja/tai varastossa, ravinteiden menetystä järjestelmässä ei tapahdu, paitsi se, mikä imeytyy kasviin sen kasvun aikana.

Lähde: Unsplash

Tämä tekee lannoitteiden käytöstä mahdollisimman optimaaliseksi. Perinteisemmissä maatalousmenetelmissä lannoitteiden liiallinen käyttö avoimilla pelloilla aiheuttaa useita ongelmia. Näihin kuuluvat maaperäekosysteemien vahingoittuminen, myrkylliset leväkuplat ja jopa makean veden eutrofiointi. Siksi lannoitteiden vuotamisen vähentäminen ympäristöön on tärkeä ja usein huomiotta jäävä ekologinen huolenaihe.

Lähde: Britannica

Veden käyttö

Vastoin miltä se näyttää, hydroponiikka käyttää paljon vähemmän vettä kuin perinteiset viljelymenetelmät. Tämä pätee sekä avoimilla pelloilla että kasvihuoneissa.

Tämä johtuu siitä, että veden haihtuminen pidetään minimissä, koska veden pinta-ala koskettaa ilmaa vain vähän, eikä se vuoda maaperään. Käytännössä vesi pysyy suljetussa järjestelmässä.

Tämän seurauksena hydroponiikka voi käyttää vain 1/10 osaa perinteisten peltojen kastelumenetelmien vesimäärästä. Tämä tekee siitä erinomaisen vaihtoehdon alueilla, joilla on vesipula ja/tai kasveille, jotka tarvitsevat paljon vettä, kuten lehtivihanneksille.

Työvoiman intensiteetti

Koska kasvit kasvavat hallitussa ja räätälöidyssä ympäristössä, ne voidaan suunnitella optimoimaan työvoimakustannuksia. Automaatio voi korvata suurimman osan perinteisen maatalouden vaarallisesta työstä, ja maaperättömissä ruukuissa kasvavat kasvit säästävät aikaa sadonkorjuussa, puhdistuksessa ja pakkaamisessa.

Hydroponiikan haitat

Kustannukset

Hydroponiikan suurin rajoitus on sen kustannukset. Koska se vaatii omistettuja tiloja ja usein pumppuja, ilmanvaihtoa ym., sen perustaminen on paljon kalliimpaa kuin perinteiset viljelymenetelmät. Tämä pahenee kylmissä ilmastoissa, joissa tarvitaan lisälaitteita kuten ilmastonhallintaa ja keinotekoista valaistusta – jokainen näistä lisää viljelyn energiakustannuksia.

Tämän rajoituksen vuoksi suurin osa hydroponiikkaan perustuvista kaupallisista tiloista keskittyy korkean arvon kasveihin, kuten hedelmiin, marjoihin, lehtivihanneksiin, kannabikseen ym., pyrkien maksimoimaan sijoitetun pääoman tuoton.

Tähän mennessä tämä ongelma on hidastanut laajempaa pystysuoran viljelyn omaksumista yleisesti, mukaan lukien paitsi hydroponiikka, myös akvaponics ja aeroponics.

Kestävyys

Hydroponiikkajärjestelmät ovat suunnittelultaan keinotekoisempia kuin avoimella pellolla kasvavat kasvit. Tämä tarkoittaa, että ne ovat riippuvaisia seuraavien asioiden sujuvasta toiminnasta:

• Osien ja komponenttien toimitusketju.
• Sähkövirran toimitus.
• Elektroninen, yhdistetty järjestelmä erittäin automatisoituihin ja kehittyneisiin toimenpiteisiin.
• Koulutettu työvoima, joka pystyy tehokkaasti suorittamaan vaadittavan valvonnan ja ylläpidon.

Vaikka näitä riskejä voidaan lieventää esimerkiksi järjestelmien redundanssilla tai suuremmalla varastolla (joka lisää perustamiskustannuksia) tai paikallisella energian tuotannolla uusiutuvista lähteistä, hydroponiikka ei koskaan ole yhtä kestävä kuin sadevedellä kasteltu sato avoimella pellolla.

Veden kautta leviävät taudit ja leväsäilyminen

Patogeenit

Maan poistaminen poistaa luonnollisesti kaikki maaperästä johtuvat tautiriskit, mutta se myös poistaa koko hyödyllisten mikrobien ekosysteemin, joka suojaa kasveja taudeilta. Samalla jatkuvasti kiertävä vesi voi toimia kantajana muiden patogeenien leviämiselle, mikä tarkoittaa, että haitalliset tapahtumat voivat olla tuhoisia ja tapahtua vielä nopeammin hydroponiikkajärjestelmissä.

Kaksi yleisintä hydroponiikkatauteja aiheuttavaa organismia ovat Pythium ja Phytophthora, molemmat sienitauteja. Pythium voi hyökätä kaikkiin kasveihin, kun taas Phytophthora vaikuttaa enimmäkseen kukkakasveihin.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi viljelijät käyttävät tyypillisesti säännöllisesti aikataulutettuja puhdistus- ja sanitointikäytäntöjä sekä suodattimien käyttöä, mikä voi merkittävästi vähentää vesipohjaisten kasvitautien riskiä. Rakentamalla tätä, säännöllinen testaus ja valvonta ovat yhtä hyödyllisiä havaitsemaan varhaisia kontaminaation merkkejä.

Useita rinnakkaisia ja erillisiä hydroponiikkajärjestelmiä suurissa asennuksissa suositellaan myös laajamittaisen kontaminaation välttämiseksi. Veden pH:n hallinta voi auttaa vähentämään sienikasvustoa.

Levät

Toinen kontaminaatio, joka voi vaikuttaa hydroponiikkajärjestelmiin, on levät. Vaikka vesi sisältää täydellisen seoksen ravinteita kasvien kasvun edistämiseksi, sama seos on samalla täydellinen ympäristö yksisoluisten levien kasvulle.

Jos levää on läsnä, se muodostaa limaisen ja vaikeasti puhdistettavan kerroksen pinnoille ja voi jopa tukkia vesisuodattimia tai pieniä putkia.

Vaikka hydroponiikkajärjestelmissä ei tarvitse huolehtia rikkaruoista kuten pellolla, levät ovat käytännössä samankaltaisia. Kuten rikkaruohot, levät riistävät kasveilta ravinteita, heikentäen kasvua ja kasvien terveyttä.

Lisäksi levät vähentävät veden happipitoisuutta. Ensimmäinen vaikutus on, että se voi vahingoittaa kasvin juuria ja kasvua. Toinen ongelma on, että se edistää sienitautien, kuten Pythiumin, kasvua.

Useita tapoja on hallita leväkasvua, kuten suodattimien käyttö veden puhdistamiseen, tai veden altistaminen UV-valolle levien tappamiseksi (UV-lamput ovat tavallisesti käytössä mikro-organismien tappamiseen juomaveden puhdistuksessa julkisissa vesilaitoksissa).

Innovaatioita hydroponiikassa

LED-valaistus

LED-valot ovat keskeinen teknologia hydroponiikassa, mikä tekee koko käytännöstä toteutettavissa olevan kaupallisessa mittakaavassa. Tämä johtuu siitä, että tällaiset valot kuluttavat paljon vähemmän energiaa kuin perinteiset valonlähteet, kestävät pidempään ja säteilevät merkittävästi vähemmän lämpöä.

Lisäksi kaikki näkyvä valospektri ei ole hyödyllistä kasvien fotosynteesille, joten erityisesti vihreää valoa sisältämättömiä LED-valoja voidaan käyttää vähentämään edelleen keinotekoisen valaistuksen sähkönkulutusta.

Lähde: Agritecture

IoT- ja anturipohjainen automaatio

Antureiden ja elektroniikan hintojen lasku on mahdollistanut lämpötilan, kosteuden, valon, pH-tasojen ja ravinnemäärän jatkuvan seurannan.

Vaikka se on kehittyneempää, tämä anturipohjainen viljely auttaa seuraamaan ja säätämään kasvuehtoja reaaliaikaisesti optimaalisen satoon varmistamiseksi, parantaen viljelijän taloudellista tulosta.

Tekoälypohjaiset teknologiat

Kuten mainittiin, hydroponiikka vaatii intensiivistä veden järjestelmän, tautien, ravinnetasojen jne. valvontaa. Tässä tarkoituksessa tekoälyä käytetään yhä enemmän optimoimaan olemassa olevia ympäristöolosuhteita, mukaan lukien valon tasot, kosteus ja ravinnetasot.

Tekoäly auttaa myös optimoimaan investointeja ja vähentämään kustannuksia luomalla henkilökohtaisia kasvusuunnitelmia kullekin kasvilajille.

Se voi myös käyttää konenäköä tai biokemiallisia testejä varoittamaan patogeenien läsnäolosta ennen kuin ihminen ehtii havaita sen.

Lopuksi, autonomisten viljelyrobottien nousun myötä voimme kuvitella hydroponiikkajärjestelmän, jossa istutus, leikkaus, sadonkorjuu ja kasvien korvaaminen voidaan toteuttaa täysin automaattisesti.

Uusia maatalousinnovaatioita

Hydroponiikkaviljely mahdollistaa suoran hallinnan kasveihin tavalla, joka on mahdoton perinteisessä maataloudessa. Tämä avaa ovet kokeiluille uusista tavoista lisätä satojen tuottavuutta valon tai ravinteiden saatavuuden lisäksi.

Esimerkiksi tutkimme yhtä tällaista vaihtoehtoa artikkelissamme “Sähkö tehostaa kasvua hydroponisissa sadoissa“. Tutkijat käyttivät räätälöityä keinotekoista alusta, tai “johtavaa maata / eSoil”, joka on valmistettu selluloosasta (paperin pääkomponentti) sekoitettuna johtavan polymeerin, PEDOT (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) kanssa.

Tällä tavalla he pystyivät altistamaan taimia jatkuvalle matalajännitteelle, mikä johti 50 %:n kasvunopeuden lisääntymiseen.

Lähde: PNAS

Tämä on yksi esimerkki siitä, miten hydroponiikkajärjestelmät voivat tarjota merkittäviä tuottavuusvoittoja niiden lisääntyneen hallinnan tasojen ansiosta.

Hydroponiikkajärjestelmän rakentaminen

Kun suunnitellaan hydroponiikkajärjestelmän rakentamista, ensimmäinen kysymys tulisi olla – Miksi valita hydroponiikka muihin viljelymenetelmiin verrattuna? Syitä voi olla monia:

• Veden säästäminen tai saastumisen vähentäminen.
• Mahdollisuus kokeilla uusia viljelymenetelmiä.
• Pienimuotoinen kotikäyttö tai opetusvälineet.
• Korkealaatuisten, korkean arvon kasvien kasvattaminen mittakaavassa.

Kaupallinen toiminta joutuu tasapainottamaan käytettävissä olevat resurssit käynnistyskustannusten kanssa samalla pyrkien minimoimaan käyttökustannukset. Paikallisten markkinoiden ja katteiden huomioiminen on äärimmäisen tärkeää kasvivalinnassa. Automaatioaste ja käytetyn teknologian kypsyys tulisi myös ottaa huomioon.

Kotitekoinen pienimuotoinen järjestelmä on räätälöitävä sen rakentajien ja käyttäjien teknisten taitojen mukaan, sillä “optimoitu” mutta liian monimutkainen suunnittelu ei todennäköisesti toimi hyvin. Valmiit komponentit ovat todennäköisesti parempi vaihtoehto tässä tapauksessa.

Erityiseen ongelmaan, kuten vesipulaan, keskittyvä järjestelmä tarvitsee keskittyä tähän mittariin, erityisesti jos se tekee muista elementeistä vähemmän optimoituja.

Hydroponiikka osana laajempaa järjestelmää, kuten yhdistettynä vesiviljelyyn (akvaponics), on suunniteltava muiden vaiheiden ja komponenttien kanssa mielessä.

Yhteenveto

Hydroponiikka on tehokas lähestymistapa viljelyjärjestelmiin, tarjoten poikkeuksellisia hallinnan tasoja kasvuehtojen suhteen. Nämä ovat tyypillisesti erittäin tehokkaita järjestelmiä, jotka hyödyntävät lannoitteiden ja veden käyttöä optimaalisesti. Tämä tekee siitä ihanteellisen kaupallisen mittakaavan viljelymenetelmän vaikeasti kasvatettaville kasveille tai korkean arvon tuotteille, joissa täydellinen ajoitus, maku, koostumus, ulkonäkö tai muut laadulliset mittarit voivat oikeuttaa paljon korkeamman hinnan.

Kiitos tiheytensä ja korkean tuottavuutensa ansiosta se on myös hyvä järjestelmä kotimittakaavan ruoan tuotantoon tai kaupunkiviljelyyn, jossa tila on usein rajoitteena.

Se on kuitenkin paljon monimutkaisempi järjestelmä kuin perinteinen maatalous tai puutarhanhoito. Tämä tekee siitä kalliimman, asennus- ja ylläpitoteknisesti vaativamman, ja alttiimman ainutlaatuisille ongelmille, kuten leväsäilymiselle ja vesipohjaisille taudeille, jotka on hallittava omistautuneilla ratkaisuilla. Joissakin tapauksissa se on yhtä haastavaa ihmisille tai yrityksille, joilla ei ole teknisiä kykyjä käsitellä näitä sisäisiä haasteita.

Kaiken kaikkiaan, vaikka se epätodennäköisesti ole yhtä kustannustehokas kuin massatuotannossa alhaisin hinnoin avoimilla pelloilla kasvatetut sadot, hydroponiikka voi olla hyvä ratkaisu tiettyihin ongelmiin tai hyvä menetelmä korkealaatuisten, paikallisten tuotteiden viljelyyn.