Гидропоника – все, что вам нужно знать

Что такое гидропоника

Гидропоника — это метод выращивания растений в воде, а не в почве. Это часть более широких «беспочвенных» методов выращивания, которые включают аквапонику и аэропонику.

Чаще всего выращивание осуществляется с корнями растений в воде, но иногда это можно делать и в других субстратах, например, в гелях или инертной среде, например, перлите, гравии и т. д.

Поскольку почвы нет, питание растений минеральными элементами осуществляется путем их растворения в воде. Во многих случаях выращивание на гидропонике эквивалентно выращиванию в помещении с искусственным освещением. Однако гидропоника возможна и снаружи, поскольку она обеспечивает «бесплатный» солнечный свет за счет повышенного риска загрязнения (см. ниже).

Объем рынка гидропоники вырос до почти $5 млрд в 2023 году, и ожидается, что среднегодовой темп роста составит 12.4% до 2030 года..

Наука гидропоники

Хотя большинство растений можно выращивать с помощью гидропонных систем, некоторым потребуется субстрат для закрепления корней. Вот почему используются инертные субстраты, такие как кокосовая койра, вермикулит (силикатная порода) и перлит (аморфное вулканическое стекло).

Источник: Климат-Контроль

Питательные вещества, такие как фосфат, калий и азот («NPK»), а также микроэлементы растворяются в воде, что обеспечивает почти 100% эффективность использования удобрений.

Гидропонику можно разделить на два типа конструкций: открытые и закрытые системы.

Открытые системы: требуют, чтобы вода, насыщенная питательными веществами, текла из резервуара в камеру роста.
Закрытые системы: корни должны быть непосредственно погружены в питательный раствор и, следовательно, не нуждаются в насосах.

Пассивные системы, в отличие от активных систем, представляют собой гидропонные системы, которые не требуют электрических компонентов, таких как насосы, вентиляция, искусственное освещение и таймеры.

Что можно вырастить с помощью гидропоники

Гидропоника используется для выращивания множества различных ценных и чувствительных культур. Наиболее распространенные из них следующие (по порядку): помидоры, зелень, салат, огурец.

Источник: Grand View Research

Еще одним менее документированным, но значительным применением гидропоники является выращивание каннабиса в небольших или средних масштабах. Хотя эта практика остается незаконной в большинстве стран, существует растущий список стран, которые разрешают выращивание таких культур при наличии соответствующей лицензии в коммерческих условиях – Канада является одним из ярких примеров этого.

Многие коммерческие фермы по выращиванию каннабиса, работающие в штатах США, где выращивание каннабиса разрешено законом, предпочитают выращивание каннабиса в теплицах. Здесь используются гидропонные методы для получения более стабильного результата, чем это возможно с почвой.

Плюсы гидропоники

Контролировать

Главное преимущество гидропоники — это высокий уровень контроля. Это особенно актуально в сочетании с выращиванием в помещении по сравнению с выращиванием в почве или даже в теплицах. Это даёт множество преимуществ для коммерческого выращивания.

Это может дать более стабильные результаты. Например, точный химический состав растения каннабиса, которое впоследствии будет использоваться для производства фармацевтических препаратов. Это позволяет проводить исследования и разработки для поиска идеальных условий, в результате которых получается продукт высочайшего качества.

Это также может привести к большему контролю над сроками роста для получения очень последовательного и стабильного производства. Это очень ценно для продуктов с относительно постоянным спросом, но сезонным увеличением производства на полях, таких как помидоры или ягоды.

Сочетая каждую из возможностей, уровень контроля можно использовать для оптимизации скорости роста, вкуса, запаха или аспектов конечного растительного продукта, который, вероятно, будет требовать более высокой цены.

Наконец, его также можно использовать для мониторинга посевов и выявления любых проблем на раннем этапе.

Space

Благодаря оптимальным условиям на квадратном метре можно вырастить больше урожая, чем в других условиях. Это делает его хорошим вариантом для городского фермерства, о чем говорится в нашей статье «Масштабирование городского сельского хозяйства принесет много преимуществ«. Это может позволить выращивать продукты питания на месте, а не импортировать их за сотни или тысячи миль, даже если земля и пространство на местном уровне стоят дороже.

Это будет чрезвычайно ценный метод ведения сельского хозяйства в неблагоприятных условиях, таких как будущие лунные или марсианские базы, где непомерно высокие транспортные расходы сделают местные запасы продуктов питания чрезвычайно ценными.

Потребность в питательных веществах и отходы

Как уже упоминалось, поскольку питательные вещества находятся в воде, а вода остается в ростовых камерах и/или резервуаре, в системе не происходит потери питательных веществ, за исключением тех, которые эффективно поглощаются растением во время его роста.

Источник: Unsplash

Это делает использование удобрений для выращивания сельскохозяйственных культур максимально приближенным к оптимальному. При более традиционных подходах к сельскому хозяйству чрезмерное использование удобрений на открытых полях приводит к множеству проблем. Они включают в себя Почвенные экосистемы наносят ущерб в ядовитое цветение водорослей и даже эвтрофикация пресноводных водоемов. Таким образом, сокращение количества удобрений, вымываемых в окружающую среду, является важной и часто упускаемой из виду экологической проблемой.

Источник: Британская

Использование воды

Вопреки внешнему виду, гидропоника использует гораздо меньше воды, чем традиционные методы выращивания. Это справедливо как в открытых полях, так и в теплицах.

Это связано с тем, что испарение воды сведено к минимуму из-за минимального контакта поверхности с воздухом и не просачивается в почву. По сути, вода остается внутри закрытой системы.

В результате гидропоника может использовать как можно меньше на 1/10 воды по сравнению с традиционными методами полива полевых культур. Таким образом, это может сделать его отличным вариантом для районов с нехваткой воды и/или культур, особенно жаждущих воды, таких как листовая зелень.

Интенсивность труда

Поскольку растения растут в контролируемой и специально разработанной среде, их также можно спроектировать для оптимизации затрат на рабочую силу. Автоматизация может заменить большую часть более опасных традиционных сельскохозяйственных работ, а растения, уже растущие в горшках без почвы, могут сэкономить время на сбор урожая, очистку и упаковку.

Минусы гидропоники

Стоимость

Основным ограничением гидропоники является ее стоимость. Поскольку для этого требуются специальные помещения, а зачастую и насосы, вентиляция и т. д., его установка обходится гораздо дороже, чем традиционные методы ведения сельского хозяйства. Это еще больше усугубляется в холодном климате, где требуется дополнительное оборудование, такое как климат-контроль и искусственное освещение, каждое из которых только увеличивает энергетические затраты на операции культивации.

Из-за этого ограничения большинство коммерческих ферм, использующих гидропонику, сосредоточены на выращивании ценных культур, таких как фрукты, ягоды, листовая зелень, каннабис и т. д., стремясь максимизировать отдачу от инвестиций.

На сегодняшний день эта проблема препятствует более широкому внедрению вертикального земледелия в целом, включая не только гидропонику, но также аквапонику и аэропонику.

Устойчивость

Гидропонные системы по своей конструкции более искусственны, чем выращивание культур в открытом грунте. Это означает, что они зависят от бесперебойной работы каждой из следующих вещей:

• Цепочка поставок деталей и компонентов.
• Электроснабжение.
• Электронная подключенная система для высокоавтоматизированных и сложных операций.
• Квалифицированный персонал, способный эффективно выполнять необходимый мониторинг и техническое обслуживание.

Несмотря на то, что существуют способы смягчить эти риски, например, за счет резервирования систем или увеличения запасов (что увеличивает затраты на установку) или локализованного снабжения энергией за счет производства возобновляемой энергии, гидропоника никогда не будет такой устойчивой, как дождевая культура в открытом грунте. поле.

Болезни, передающиеся через воду, и загрязнение водорослями

Возбудители

Удаление почвы, очевидно, устраняет все риски, связанные с болезнями, передающимися через почву, но это также означает удаление целой экосистемы полезных микробов, защищающих растения от болезней. Между тем, постоянно циркулирующая вода может быть вектором распространения других патогенов, а это означает, что неблагоприятные события могут быть разрушительными и возникать еще быстрее в гидропонных системах.

Двумя наиболее распространенными организмами, вызывающими заболевания гидропоники, являются: Питиум и Фитофтора, оба грибковых заболевания. Питиум может поражать все растения, тогда как фитофтора поражает преимущественно цветочные культуры.

Для решения этих проблем фермеры обычно используют регулярные плановые методы очистки и санитарии, а также использование фильтров, что может значительно снизить риск заражения болезнетворными микроорганизмами растений, передающимися через воду. Исходя из этого, регулярное тестирование и мониторинг одинаково полезны для выявления ранних признаков загрязнения.

Для крупных установок также рекомендуется использовать несколько параллельных и не связанных между собой гидропонных систем, чтобы избежать широкомасштабного загрязнения. Контроль pH воды может помочь уменьшить рост грибков.

морские водоросли

Другим загрязнителем, который может повлиять на гидропонные системы, являются водоросли. Хотя вода содержит идеальную смесь питательных веществ для роста растений, эта же смесь одновременно является идеальной средой для одноклеточных водорослей. При наличии водорослей на поверхностях образуется липкий, трудноочищаемый слой, который может даже засорить фильтры для воды или узкие трубки.

Хотя гидропонные системы не должны бороться с сорняками, как в поле, водоросли по сути эквивалентны. Как и сорняки, водоросли лишают сельскохозяйственные культуры питательных веществ, замедляя рост и здоровье растений.

Кроме того, водоросли уменьшают концентрацию кислорода в воде. Первый эффект заключается в том, что он может повредить корни растения и его рост. Вторая проблема заключается в том, что он способствует развитию грибковых заболеваний, таких как Pythium.

Существует множество способов контроля роста водорослей: от использования фильтров для очистки поступающей воды до воздействия на воду ультрафиолетового света для уничтожения водорослей.УФ-лампы обычно используются для уничтожения микроорганизмов при производстве питьевой воды в коммунальных предприятиях.).

Инновации в гидропонике

Светодиодное освещение

Светодиодные фонари являются важнейшей технологией в гидропонике, что делает всю практику осуществимой в коммерческих масштабах. Это связано с тем, что такие светильники потребляют гораздо меньше энергии, чем традиционные источники света, служат дольше и выделяют значительно меньше тепла.

Кроме того, не весь спектр видимого света полезен растениям при фотосинтезе, поэтому можно использовать специальные светодиоды без зеленого света, чтобы еще больше снизить потребление электроэнергии искусственным освещением.

Источник: Агритектура

Интернет вещей и автоматизация на основе датчиков

Снижение стоимости датчиков и электроники сделало возможным непрерывный мониторинг температуры, влажности, освещенности, уровня pH и объема питательных веществ.

Несмотря на свою продвинутость, эта система земледелия на основе датчиков помогает отслеживать и корректировать условия выращивания в режиме реального времени для обеспечения оптимальной урожайности, что повышает прибыль фермера.

Технологии на основе искусственного интеллекта

Как уже упоминалось, гидропоника требует интенсивного мониторинга водной системы, заболеваний, уровня питательных веществ и т. д. С этой целью ИИ все чаще используется для оптимизации существующих условий окружающей среды, включая уровень освещенности, влажности и уровня питательных веществ.

ИИ также помогает оптимизировать инвестиции и сократить затраты, создавая персонализированные планы роста для каждого типа растений.

Он также может использовать машинное зрение или биохимические тесты, чтобы предупреждать о присутствии патогенов раньше, чем это сделает человек.

Наконец, с появлением автономных сельскохозяйственных роботов мы можем представить себе гидропонную систему, в которой посадка, обрезка, сбор и замена растений могут выполняться полностью автоматически.

Новые инновации в сельском хозяйстве

Гидропонное выращивание позволяет осуществлять прямой контроль над растениями, что невозможно в традиционном сельском хозяйстве. Это открывает двери для экспериментов в поисках новых способов повышения урожайности сельскохозяйственных культур, помимо увеличения доступа к свету и питательным веществам.

Например, один из таких вариантов мы рассматриваем в нашей статье «Электричество ускорит рост гидропонных культур». Исследователи использовали специальную искусственную подложку, или «проводящую почву / eSoil», сделанную из целлюлозы (основного компонента бумаги), смешанной с проводящим полимером, называемым ПЕДОТ (поли(3,4-этилендиокситиофен)).

Таким образом, они могли подвергать рассаду постоянному воздействию низкого напряжения, что приводило к увеличению скорости роста на 50%.

Источник: PNAS

Это один из примеров того, как гидропонные системы могут обеспечить значительный прирост производительности благодаря повышенному уровню контроля.

Создание установки гидропоники

Планируя построить гидропонную установку, первым вопросом должно быть: почему именно гидропоника предпочтительнее других методов выращивания? Причин может быть много:

• Экономия воды или уменьшение загрязнения.
• Возможность экспериментировать с новыми методами выращивания.
• Мелкомасштабное домашнее потребление или педагогические инструменты.
• Масштабное выращивание высококачественных и ценных сельскохозяйственных культур.

В зависимости от ответа можно выбрать разные гидропонные системы.

Коммерческая операция придется сбалансировать доступные ресурсы с стартовыми затратами, стремясь при этом минимизировать эксплуатационные расходы. Учет местных рынков и прибыли будет чрезвычайно важен при выборе сельскохозяйственных культур. Следует также учитывать уровень автоматизации и зрелость используемых технологий.

Самодельная небольшая система Необходимо адаптировать систему к техническим навыкам её создателей и пользователей, поскольку «оптимизированная», но слишком сложная конструкция, скорее всего, не будет работать должным образом. В этом случае готовые компоненты, вероятно, будут лучшим вариантом.

Система, предназначенная для решения конкретной проблемы., как и дефицит воды, необходимо будет сосредоточиться на этом показателе, особенно если он сделает другие элементы менее оптимизированными.

Гидропоника как часть более крупной системы, как и в сочетании с аквакультурой (аквапоникой), необходимо будет разрабатывать с учетом других этапов и компонентов.

Заключение

Гидропоника — это мощный подход к системам выращивания, предлагающий исключительный уровень контроля над условиями роста. Обычно это очень эффективные системы, позволяющие оптимизировать использование удобрений и воды. Это делает его идеальным методом выращивания в коммерческих масштабах для трудновыращиваемых культур или дорогостоящих продуктов, где идеальное время, вкус, состав, внешний вид или другие качественные показатели могут оправдать гораздо более высокую цену.

Благодаря своей плотности и высокой производительности это также хорошая система для домашнего производства продуктов питания или городского сельского хозяйства, где пространство часто является ограничением.

Однако это гораздо более сложная система, чем традиционное сельское хозяйство или садоводство. Это делает его более дорогим, более сложным в установке и обслуживании, а также более подверженным уникальным проблемам, таким как загрязнение водорослями и заболевания, передающиеся через воду, с которыми необходимо бороться с помощью специальных решений. В некоторых случаях людям или компаниям, не имеющим технических возможностей, будет одинаково сложно справиться с этими внутренними проблемами.

В целом, хотя гидропоника вряд ли будет такой же рентабельной, как выращивание сельскохозяйственных культур в больших количествах по низким ценам в открытых полях, она может стать хорошим решением конкретных проблем или хорошим методом выращивания высококачественной местной продукции.