Что такое гидропоника?
Растения без почвы. Этот раздел расскажет вам о гидропонике - методе выращивания растений без почвы. Он научит вас получать овощи и витаминные корма для животных, выращивая растения в растворе, песке, гравии и даже в воздухе; научит, как сделать самим простейшее оборудование для этого.
Опыт любознательного голландца
Люди издавна привыкли к тому, что растения растут в почве. Чем темнее почва, тем она плодороднее, тем лучше и быстрее растут на ней растения. Каждый знает, что наши кубанские или украинские черноземы самые плодородные в мире. А на светлой подзолистой или песчаной почве растения обычно получаются хилыми.
Темный цвет почве придает органическое вещество - гумус. Гумус образуется при разложении растительных остатков: отмерших корней, опавших листьев. Поэтому с глубокой древности люди думали, что растения питаются почвой, ее органическим веществом.
Но нашелся человек, решивший проверить эту, казалось бы, бесспорную истину. Это был голландец Ван-Гельмонт, живший более трехсот лет назад. Он поставил опыт, но, к сожалению, не смог сделать правильные выводы.
Ван-Гельмонт посадил ветку ивы весом 2 кг в кадку с сухой землей весом 91 кг и поливал ее дождевой водой. Ветка укоренилась, прошло пять лет, растение прибавило в весе 74 кг, а вес почвы уменьшился только на 62 грамма. Значит, заключил Ван-Гельмонт, основной «строительный материал» растения берут не из почвы. Тогда откуда же? И он решил, что главная пища растений - вода.
В самом деле все растения больше чем наполовину состоят из воды. Но ведь, кроме воды, они содержат и многие другие вещества. Мы с вами можем легко убедиться в этом.
Из чего состоит растение?
Взвесим какое-нибудь растение, например подсолнечник. Для этого его нужно выкопать вместе с комом земли. Землю осторожно отряхнуть с корней, корни тщательно отмыть, а потом осушить фильтровальной бумагой или ватой. Предположим, растение весит 100 граммов.
Теперь высушим его на солнце. Чтобы растение высохло быстрее, отрежем ножницами листья, а стебель разрежем на несколько частей и расщепим вдоль острым ножом.
Когда кусочки стебля станут хрупкими, можно считать, что растение потеряло всю свою воду.
Взвесим высушенное растение. Теперь его вес не более 10-15 граммов. Значит, на 100 граммов веса приходится 85-90 граммов воды. Растение почти «жидкое»! Однако его листья и особенно стебли упруги и довольно тверды. Как же это может быть? Как «жидкое» растение может сохранять свою форму?
Ничего удивительного в этом нет. Вам, конечно, известны полиэтиленовые мешочки, в которых можно хранить жидкости. Если наполнить такой мешочек водой и крепко завязать его, он хорошо сохраняет свою форму, становится упругим и крепким. Из подобных мешочков-клеток и состоит любое растение. Каждая клетка - это микроскопическая капелька воды, плотно «упакованная» в тонкую оболочку из органических веществ. Эти органические вещества и остались после высушивания нашего растения.
Но только ли органические? Давайте высыплем оставшиеся 10-15 граммов сухого вещества на чистую сковороду и прокалим его на сильном огне (делать это нужно на открытом воздухе). Если время от времени осторожно раздавливать и перемешивать комочки обуглившегося вещества, то через некоторое время на сковороде останется только небольшой налет сероватой золы. Золы очень мало, и нужны точные химические весы, чтобы ее взвесить. Вес золы 0,5-1 грамм, всего 0,5-1% от веса целого растения.
Химики уже давно узнали, что зола состоит из минеральных солей фосфорной кислоты, калия, кальция, магния и других элементов. Нужны ли эти соли растению? Ведь они составляют ничтожную часть его веса. Может быть, минеральные соли - это случайная примесь, которую корни засасывают из почвы вместе с водой?
Где-то в земле пробираются между комочками почвы медленно растущие корни. По дороге они «слизывают» с этих комочков невидимые капли воды, впитывают их и отправляют от одной клетки к другой вверх по стеблю. Гибкий стебель поднимает к солнцу тонкие зеленые пластинки листьев. Листьями, как раскрытыми ладонями, ловит растение солнечные лучи. Вы, наверно, замечали, что если растение освещается только с одной стороны (например, комнатные растения на окне), то его листья поворачиваются в сторону света, тянутся к нему. Свет необходим листьям так же, как любому заводу топливо. На заводах тепловая энергия, получаемая при сжигании топлива, превращается в механическую энергию движения станков и машин. В листьях же световая энергия солнечных лучей поглощается особым зеленым веществом - хлорофиллом и превращается в химическую энергию. Эта химическая энергия и тратится на «производственный процесс» листа - фотосинтез. Ведь лист растения - это тоже завод. В его цехах-клетках из простых молекул углекислого газа и воды изготовляются сложнейшие молекулы органических веществ: углеводов, жиров, белков. Каждая из этих молекул - длинная цепочка атомов углерода, к которым присоединяются атомы водорода, кислорода и некоторых других элементов. Цепочки свертываются в кольца, ветвятся, переплетаются между собой, образуя основу клетки - прочную ткань протоплазмы.
Если бы растение строило свои клетки только из протоплазмы, ему понадобилось бы очень много строительного материала. Но природа нашла более экономный путь: она наполнила клетку водой. Ведь вода в готовом виде доставляется корнями. А для того чтобы клетка стала прочной, капля воды одета тонким слоем органических веществ - протоплазмой.
Так из воды и органических веществ растение создает клетки - жидкие, но прочные «кирпичи», из которых складываются все части растения - от корня до листьев и цветов.
Минеральные соли, без которых невозможна жизнь
Как мы уже убедились, вода и органические вещества составляют 99 % от веса растения. Значит, на долю солей приходится всего 1 %. А не могут ли растения обойтись совсем без солей?
Попробуем насыпать в цветочные горшки белого речного песка, как следует отмытого от ила, и посеять в них семена мака, пшеницы и фасоли. Поставим горшки на свет и будем каждый день поливать появившиеся всходы.
Воздуха и воды растениям достаточно. Но проростки мака погибнут, едва появившись. Всходы пшеницы и фасоли в первые дни выглядят хорошо: они зеленые, свежие и растут прямо на глазах. Но пройдет 5-6 дней, и листья пшеницы начнут желтеть, кончики их засохнут и побуреют, а еще через несколько дней проростки погибнут. Всходы фасоли будут жить дольше, но недели через две погибнут и они. Значит, минеральные соли, как ни мало их содержится в растении, все-таки необходимы для его жизни.
В семенах есть небольшой запас солей, и, чем крупнее семя, тем больше солей оно содержит, тем дольше росток может жить на этом запасе. Семена мака величиной с булавочную головку, и запасом солей они обеспечивают всходы только день-два. В крупных же семенах фасоли солей хватает на 2-3 недели. Но кончится этот запас, и молодые растения погибнут, если появившийся корешок не встретит на своем пути питательных солей.
Искусственная почва
О пользе золы для растений люди знали уже много веков назад. Когда-то большая часть древней Руси была покрыта лесами (само слово «древность» происходит от старославянского «древо» - дерево). В те времена крестьяне выкорчевывали участок леса, стволы и сучья сжигали, а золу запахивали в землю. Следовательно, они не только отвоевывали у леса участок под пашню, но и удобряли его. А когда через несколько лет почва истощалась, выжигали новый участок.
Попробуем и мы добавить немного золы в наши горшки с песком. Проходит день за днем, и в горшках, куда мы внесли немного золы, не только фасоль, но и пшеница и даже мак весело зеленеют и разворачивают новые листочки. Но через некоторое время растения начинают желтеть и в конце концов засыхают. Оказывается, не все соли золы растворяются в воде. А главное, в золе нет азота - одного из важнейших элементов минерального питания. Он улетучивается при сжигании.
Ученые много поработали, прежде чем вырастили растения без почвы от всходов до созревания (или, как говорят, «от семени до семени»).
Прежде всего ученым следовало установить, какие соли и в каком количестве нужны растениям. Впервые это выяснил немецкий агрохимик Кноп около ста лет назад. Пытаясь вырастить пшеницу на воде, он добавлял к ней го одну, то другую соль, то различные смеси солей. После долгих поисков и неудач он наконец нашел рецепт первой искусственной почвы.
Азотнокислый кальций - 1 г/л
Азотнокислый калий - 0,25 г/л
Фосфорнокислый калий - 0,25 г/л
Хлористый калий - 0,25 г/л
Сернокислый магний - 0,25 г/л
Хлористое железо - 0,01 г/л
Этот раствор содержит все необходимые растениям питательные элементы: азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу и железо. Поэтому высаженные на него проростки пшеницы дали нормальные растения, которые заколосились и принесли полноценное, зрелое зерно.
В честь создателя раствор был назван питательной смесью Кнопа. Этот раствор К. А. Тимирязев использовал для показа водной культуры растений на Нижегородской ярмарке.
Мы знаем, что урожай на любом поле можно не только удвоить, но и утроить. Эту возможность дает нам современная химия.
Что нужно для того, чтобы растение дало ранний и высокий урожай? Конечно, создать наилучшие (или, как говорят, оптимальные) условия для его роста и развития. Главные из них: свет и содержание углекислого газа в воздухе, вода, кислород и питательные соли в почве. Оптимальную освещенность создать нетрудно. Хотя еще не изобретен реостат, которым можно было бы регулировать яркость солнца, но это и не нужно. Достаточно высеять семена на таком расстоянии, чтобы ни один луч света не пропал даром и при этом растения не слишком затеняли друг друга. Об углекислом газе можно не заботиться: в атмосфере всегда содержится около 0,03 % СО2, как раз столько, сколько нужно для фотосинтеза. Правда, растения непрерывно поглощают его, но эта убыль автоматически пополняется за счет дыхания почвенных микроорганизмов. Ведь этих ничтожно малых существ на 1 гектаре содержатся тысячи килограммов! Кроме того, приземный слой воздуха удобряется углекислотой при внесении в почву навоза.
Значительно труднее создать оптимальные условия для корневой системы. Почву рыхлят, чтобы обогатить ее воздухом, проводят снегозадержание, а иногда и орошение полей для снабжения растений влагой.
Все эти приемы известны давно. Они, конечно, повышают урожай, но вырастить два и три колоса там, где раньше рос один, удвоить и утроить урожай с их помощью нельзя.
Представьте себе плотину, состоящую из бетонных щитов. Уровень воды в водохранилище - это урожай. Бетонные щиты - факторы внешней среды. Уровень воды в водохранилище определяется высотой плотины. Что будет с урожаем, если мы улучшим какой-нибудь один фактор среды, например освещенность, то есть увеличим высоту одного из щитов? Только, прежде чем ответить, подумайте хорошенько. Верно, урожай останется тем же самым. А если увеличим высоту двух щитов? Трех? Четырех? Понятно, что уровень воды от этого тоже не повысится. Он не повысится даже в том случае, если мы нарастим все щиты, кроме одного: вода будет уходить через этот, самый низкий, щит. О таком факторе внешней среды говорят, что он лимитирует, ограничивает урожай.
В природе никогда не бывает, чтобы растения были одинаково обеспечены всем необходимым. Обычно одни условия находятся в избытке, другие - в недостатке. Так вот, если мы создали растениям наилучшие условия освещения, влажности и аэрации почвы, установили достаточную концентрацию СО2 в воздухе, выпололи все сорняки - словом, позаботились обо всех щитах нашей плотины, кроме одного - содержания в почве элементов минерального питания, - урожай будет поддерживаться на каком-то определенном уровне. И если мы будем дальше улучшать любое из условий - освещенность, влажность или аэрацию, - урожай не сможет подняться выше этого уровня. Больше того, год от года он будет снижаться. Ведь вместе с урожаем мы ежегодно выносим с поля минеральные соли.
Знаете ли вы, что одно растение пшеницы за лето поглощает из почвы 1,98 мг азота, 0,31 мг фосфора и 1,03 мг калия? Не так уж много, правда? Тем более, что часть этих веществ вместе с корнями остается в почве. Но на каждом гектаре растет 50 миллионов растений пшеницы. Поэтому с урожаем (в зерне и соломе) мы ежегодно вывозим с гектара 99 кг азота, 15 кг фосфора и 51 кг калия. Если пересчитать на соли (например, на натриевую селитру, хлористый калий и суперфосфат), то получится, что почва теряет ежегодно 1370 кг питательных солей с каждого гектара. А это уже внушительная цифра.
Правда, потери отчасти возобновляются. В этом нам помогают наши друзья - микроорганизмы. Одни из них, силикатные бактерии, разрушают глинные минералы, освобождая для растений калий. Другие, клубеньковые бактерии, живущие на корнях бобовых растений, связывают свободный азот воздуха (N2) в доступные растению формы (нитраты и аммиак). Поэтому после бобовых культур (клевера, люцерны, бобов, гороха) почва бывает богаче азотом, даже если ее не удобрять азотом. Ту же задачу выполняют и другие виды бактерий, так называемые свободно живущие азотофиксаторы. Они связывают (фиксируют) азот воздуха без помощи бобовых растений, питаясь мертвыми растительными остатками.
К тому же люди издавна научились возвращать на поле по крайней мере часть выносимых с него питательных веществ, удобряя почву навозом.
Но растениям нужны не просто питательные соли, а определенные соотношения их. Например, пшеница на 100 частей азота поглощает 15 частей фосфора и 51 часть калия. А в навозе на каждые 100 частей азота приходится 20 частей фосфора и 95 частей калия. Поэтому при внесении в почву только органических удобрений соотношения между питательными солями могут быть нарушены. Часть щитов в нашей плотине опять окажется ниже остальных.
Вот почему управлять урожаем - не только поддерживать его на определенном уровне, но и повышать по своему усмотрению - человек научился только с помощью искусственных минеральных удобрений. Но для этого нужно было прежде всего знать, чем и как питаются растения. Вот тут-то и пригодился агрохимикам метод беспочвенного выращивания растений.
А почему этого нельзя узнать в поле? Ведь можно сделать химический анализ растения, выращенного в почве, и узнать, какие соли оно содержит.
Но оказалось, что это не так просто. Сделать анализ растения, конечно, можно, но как узнать, все ли соли, которые оно содержит, необходимы для его жизни? В Средней Азии много засоленных почв. В этих почвах содержится хлористый натрий - обычная поваренная соль. Натрий большинству сельскохозяйственных растений не нужен, даже вреден, если его много. Но растения все равно поглощают его, засасывая вместе с водой.
Злаки (пшеница, рожь, овес), где бы ни росли, всегда содержат довольно много кремния. Но если выращивать пшеницу на питательном растворе без кремния, она будет отлично развиваться и даст полноценное зерно. Следовательно, кремний не нужен растениям в таком большом количестве. Поглощают они этот элемент просто потому, что его много в почве.
Значит, если мы хотим узнать, нужен или нет тот или иной элемент растению, мы должны вырастить это растение в среде, не содержащей этого элемента.
В почве всегда имеются самые разные соли - и нужные и ненужные растениям. Следовательно, для такого опыта почва не подходит. Опыт следует ставить в совершенно бесплодной среде, например в песке или на воде. В такую среду можно внести смесь любых минеральных солей и включить или не включить в нее изучаемый элемент.
Перед нами ряд одинаковых стеклянных банок - вегетационных сосудов. В них на растворах питательных солей выращивают кукурузу. Почему же так по-разному выглядят растения?
В первом сосуде - полная питательная смесь. Она содержит все необходимые для питания растений элементы: азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу, железо. А в остальных сосудах - та же смесь, за исключением какого-нибудь одного элемента минерального питания.
Как выглядит растение, если из раствора исключить какой-нибудь один элемент питания: рост культуры прекратится, и растение в конце концов погибнет. Исключенный элемент нельзя заменить никаким другим. Ведь если в плотине вынуть один из щитов и наращивать другие, водохранилище все равно останется пустым.
Немного позже, когда научитесь выращивать растения без почвы, вы сами сможете поставить такой опыт.
При помощи вегетационного метода агрохимики не только узнали, какие элементы нужны растениям. Они подробно изучили потребности разных сельскохозяйственных культур в питании и научились удовлетворять их. Ученые нашли так называемые критические периоды питания каждой сельскохозяйственной культуры. Они определили, на каком этапе жизни - при прорастании, во время бутонизации, цветения или плодообразования - данная культура особенно нуждается в азоте, фосфоре или калии.
При помощи удобрений - минеральных солей - агрохимики научились не только улучшать развитие растений, но направлять его в нужную человеку сторону. Если, например, хотят получить больше листьев (при выращивании капусты, кормовых трав, кукурузы на силос), в почву следует внести больше азотных удобрений. Если основной частью урожая является стебель (у лубяных культур - льна, конопли), в почву вносят больше калия. А для развития плодов растения особенно нуждаются в фосфоре.
На современных заводах у пульта управления сложных и умных машин стоят инженеры-операторы. Нажмут кнопку - и машина послушно выполняет нужную операцию. Поле - тоже машина, но своеобразная. Она состоит из живых «деталей» - растений - и поэтому во много раз сложнее и капризнее. Она вырабатывает продукты питания и сырье для многих отраслей промышленности. И этой машиной тоже необходимо управлять. У «пульта управления» ростом и развитием сельскохозяйственных растений стоит агроном, хорошо изучивший потребности растений и свойства минеральных удобрений.
Если он хочет получить урожай как можно раньше, то во время бутонизации растений он «нажимает» кнопку «фосфор» - подкармливает их суперфосфатом. Если, наоборот, хочет растянуть созревание, чтобы растения успели образовать побольше плодов, «нажимает» кнопку «азот» - вносит в почву селитру. Если агроном видит, что в конце лета помидоры еще не начали краснеть, он «нажимает» кнопку «калий» - этот элемент усиливает отток питательных веществ из листьев и ускоряет налив плодов. В дождливые и пасмурные годы, чтобы растения не «израстали» в ботву, дозу калийных удобрений тоже увеличивают.
Основатель советской агрохимии академик Дмитрий Николаевич Прянишников сравнивал применение минеральных удобрений с открытием нового континента. Действительно, с их помощью люди дополнительно получают теперь столько сельскохозяйственных продуктов, как будто освоены новые земельные площади, равные обеим Америкам - Северной и Южной.
А что, если заменить почву?
Но управлять минеральным питанием растений в почве намного труднее, чем в чистом питательном растворе, - ведь в вегетационном сосуде все соли легко доступны растению, и потери их исключены. В почве же часть удобрений (иногда довольно большая) вымывается водой вглубь, в так называемую подстилающую породу, и уносится грунтовыми водами. Другая часть удобрений связывается почвой физически (адсорбируется на поверхности почвенных комочков) или химически (превращаясь в труднорастворимые соединения) и становится менее доступной растениям. Кроме того, на пути к корню питательные соли перехватывают огромные армии почвенных микроорганизмов и превращают их в органические вещества своих клеток. Эта часть солей полностью выбывает из «питательного фонда» растений до тех пор, пока микробная клетка не погибнет и ее органическое вещество не минерализуется снова.
Поэтому, внося минеральные удобрения в почву, мы никогда не можем сказать наверняка, какая часть их поступит в распоряжение растений. Это зависит и от количества осадков, и от активности микроорганизмов, и от поглотительной способности почвы, и от многих других причин.
А что, если заменить почву чистым питательным раствором в производственных условиях? Почему бы не попробовать выращивать растения в водной культуре не только для научных, но и для производственных целей? Не несколько десятков растений в лаборатории, а тысячи и десятки тысяч в большой теплице!
Эта смелая мысль пришла американскому ученому, профессору Калифорнийского университета Герике.
На опытной станции Монтебелло выделили огромную теплицу. Грунт под ее стеклянной крышей тщательно утрамбовали и вместо удаленной бульдозером почвы установили 116 рядов водонепроницаемых деревянных ящиков - резервуаров с питательным раствором. Высокие и узкие, они по форме напоминали поставленные боком школьные пеналы. Над резервуарами укрепили неглубокие подносы из проволочной сетки. Их нужно было наполнить каким-нибудь рыхлым материалом, чтобы в нем укрепить рассаду помидоров. В это время на опытной станции шел обмолот риса и в распоряжении Герике оказалось много рисовой мякины. Ею-то он и наполнил проволочные подносы.
Первые дни слой мякины с высаженной в нее рассадой помидоров увлажняли водой. Вскоре корни проросли в теплую воду, насыщенную питательными солями. Растения развивались стремительно, и для каждого из них пришлось натянуть проволочную опору. Корни помидоров энергично поглощали питательные соли. Поэтому раз в 1-2 недели раствор заменяли свежим. Уже через 60 дней необычная теплица дала первый урожай зрелых плодов.
Результаты опыта превзошли самые смелые ожидания. В пересчете на гектар получили до 500 тонн зрелых плодов - в 5 раз больше обычных урожаев в грунтовых теплицах и рекордных урожаев в поле!
Такие же опыты провели и с другими культурами: с табаком и картофелем. Результаты были отличные.
Гидропоника. Так назвал Герике свой новый способ выращивания овощей. Это греческое слово означает «действие воды» («hydor» - вода, «ponos» - действие).
Выращивание овощей и других культур на водных растворах минеральных солей оказалось очень выгодным. И гидропоника за несколько лет распространилась по всему миру. Во многих странах Америки и Европы, Азии и Африки появились сначала небольшие опытные гидропоники, а затем и крупные хозяйства, специально оборудованные для выращивания овощей и ценных технических культур без почвы.
Все больше тепличных хозяйств на гидропонике, настоящих фабрик овощей, возникает и в нашей стране. В десятках научных учреждений продолжаются поиски наиболее простых и выгодных способов беспочвенного выращивания овощей.
Хотя со времени опыта в теплице Монтебелло прошло более нескольких десятков лет, современная установка для водной культуры овощей выглядит примерно так же, как и первая гидропоника Герике. Правда, теперь резервуары делают более широкими: 150-200 см вместо 30 см. Ведь нужно продуктивно использовать каждый квадратный метр тепличной площади. Сами резервуары обычно изготовляют не из дерева, а из цемента или бетона. Иногда их делают и деревянными, выстилая внутри прочной полиэтиленовой пленкой. Растения укрепляют при помощи металлической сетки, на которую насыпают тонкий слой бесплодного субстрата - торфа или опилок. Но корням нужен кислород. Они, как и все другие части растения, дышат. Помните, мы говорили, что в образующихся при фотосинтезе сахарах и других органических соединениях запасается, как бы консервируется, энергия солнечного света? Часть этих веществ оттекает из листьев в корневую систему. Здесь они окисляются поглощенным из почвы кислородом, и законсервированная в них энергия выделяется. Она тратится на поглощение солей, на поднятие их по стеблю к листьям и плодам и на рост самого корня. Если доступ кислорода к корням прекратится, они не только не смогут поглощать питательные вещества, но и погибнут. А с ними погибнет и все растение.
Так бывает иногда на поле в небольших понижениях - «блюдцах». Весной талая вода здесь застаивается, заполняя все промежутки между почвенными комочками. И растения, корни которых лишены воздуха, гибнут, «вымокают».
А в гидропонике? Ведь там нет воздушных промежутков. Корни целиком погружены в воду. Правда, в воде растворено некоторое количество кислорода. Но если этот запас не пополнять, его хватит ненадолго.
Поэтому через питательный раствор по нескольку часов в день приходится продувать воздух. От воздушного насоса - компрессора - сжатый воздух поступает в трубчатую распределительную гребенку. Концы трубок вделаны в дно резервуара и снабжены специальными форсунками, выпускающими воздух мелкими пузырьками. Чем мельче пузырьки, тем больше поверхность соприкосновения их с раствором, а значит, тем больше кислорода растворится в воде.
С развитием гидропоники расширяется месторасположение теплиц
Основную массу овощей, которые мы покупаем в магазинах летом и осенью, выращивают в так называемом открытом грунте - в поле или на огороде.
В середине мая, когда почва как следует прогреется на солнце и уже нет угрозы ночных заморозков, в поле высаживают рассаду - маленькие растеньица, выращенные из семян под надежной защитой теплиц и парников. Из нее вырастают высокие растения помидоров и длинные плети огурцов. А когда лето подходит к концу, на них наливаются и зреют плоды.
Но первые овощи появляются на прилавках наших магазинов значительно раньше. На улице еще весна, с полей только что сошел снег, а мы уже можем отведать плотных крепышей - огурцов и даже красных помидоров. Эти ранние овощи выращивают в так называемом закрытом или защищенном грунте - в теплицах. На небольшом участке земли, покрытом стеклянной крышей, сохраняется тепло печей или батарей водяного отопления, и весна приходит сюда раньше. Люди не ждут, пока весеннее солнце поднимется выше над горизонтом, они научились заменять тепло и свет солнца.
Однако до самого последнего времени ничем не могли заменить почву.
В городах тысячи фабрик и заводов «отапливали атмосферу». Горячий воздух и раскаленные газы из заводских печей шли прямо в трубы, и миллиарды миллиардов калорий тепла «вылетали в трубу». А ведь это даровое тепло, тепловые отходы, можно было бы по дороге к вытяжным трубам пропустить через стеклянные купола теплиц и получить дополнительно тысячи тонн свежих овощей ранней весной.
Но теплицы были привязаны к земле, а в городах нет плодородной почвы. Конечно, можно было бы привезти ее с полей. Однако почва в теплицах постепенно заражается вредителями и возбудителями болезней растений, и со временем урожай снижается. Поэтому через каждые 2-3 года почву в теплице нужно заменять новой. А возить ее за десятки километров, вы сами понимаете, слишком дорого.
Вот и получалось, что в городах огромное количество дарового тепла бесполезно улетало в небо, а в сельской местности, где достаточно плодородной почвы, приходилось сжигать массу топлива, для того чтобы получать ранние овощи для городов.
Так было до появления гидропоники. Но когда люди научились заменять почву, теплицы стали появляться в городах, на крупных заводах и фабриках. Например, на нефтеперегонном заводе построен огромный теплоцентр. Его тепловые отходы (горячая вода от охлаждения агрегатов, отработанный пар, дымовые газы) обогревают не только собственное тепличное хозяйство завода, но и гидропонические теплицы соседнего совхоза.
Но ведь гравий тоже нужно привозить за многие десятки километров, - возразите вы. Да, но гравий не нужно заменять новым. Он значительно меньше заражается болезнями, и бороться с ними куда легче, чем в почве. Достаточно после уборки очередного урожая спустить из чанов раствор, пропустить через них 5%-ный раствор формалина и промыть гравий водой. А дезинфекция чанов для водной или воздушной культуры еще проще.
Так сельская отрасль народного хозяйства - овощеводство - получила городскую «прописку». Но крупные города - это не единственный новый адрес гидропоники.
Огромные пространства занимают песчаные пустыни. Здесь очень мало плодородной земли, зато сколько угодно бесплодного песчаного субстрата.
Здесь щедрое солнце, а вода на вес золота. С огромным трудом люди добывают воду для орошения полей. Но большая часть этой воды просачивается сквозь почву или испаряется с ее поверхности. А в гидропонике вода расходуется очень экономно. Хотя на первый взгляд это может показаться и не так. Ведь растения выращивают прямо на воде. Но один и тот же питательный раствор можно использовать многократно. Для этого нужно только время от времени «поправлять» его состав: делать химический анализ раствора и добавлять в него недостающие элементы - столько, сколько их поглощено растениями.
Сейчас гидропоника получает широкое распространение в сухих и песчаных местах нашей страны.
А теперь мысленно перенесемся за тысячи километров к северу от песчаных пустынь - на каменистые берега Ледовитого океана. Для людей, которые живут и трудятся здесь, свежие овощи - это праздник. Ведь их привозят издалека - по железной дороге, по воде и даже по воздуху. Но овощи на 90 % состоят из воды. Значит, в железнодорожном составе из 50 вагонов 45 занято водой. Не дешевле ли привозить на Север питательные соли, а овощи выращивать на месте? С появлением гидропоники это стало возможным. Далеко за Полярным кругом под лампами дневного света зреют в гидропонических теплицах редис, помидоры и огурцы, зеленеет лук и салат. И, может быть, скоро благодаря гидропонике появятся свои овощи и на противоположном конце земного шара - у отважных исследователей Антарктиды.
Гидропонное выращивание под открытым небом
До сих пор мы говорили только о закрытом грунте - о теплицах. Действительно, на первый взгляд могло бы показаться странным, если, вместо того чтобы пахать и удобрять почву, в поле начнут устанавливать цементные чаны и наполнять их бесплодным гравием.
А между тем преимущества беспочвенного выращивания растений так велики, что во многих странах гидропонику устраивают и под открытым небом. В земле выкапывают неглубокие траншеи, которые и заполняют гравием или каким-нибудь другим субстратом. Чтобы питательный раствор не просачивался в грунт, дно и стенки траншей цементируют.
Гидропоника под открытым небом применяется в странах с теплым климатом: в Алжире, Италии, Индии. Применяется она и в Армении.
На питательном растворе растения дают не только более высокий, но и более ранний урожай, чем в почве. Многие из вас любят стручковый перец, фаршированный морковью. Эти вкусные консервы вырабатывают на овощных заводах Армении. Но в условиях Армении морковь поспевает на несколько недель позже перца. Для того чтобы ускорить рост моркови, профессор Давтян предложил выращивать ее в мелком вулканическом туфе. Первые же опыты дали отличный результат, и теперь морковь, растущую на «каменных» плантациях, можно убирать одновременно с перцем.
Чем выгодна гидропоника
Беспочвенное выращивание овощей выгоднее и продуктивнее обычного выращивания в почве не только в крупных городах, пустынях или в Заполярье. Гидропоника вытесняет почву и из обычных сельских теплиц. В чем же ее преимущества?
В гидропонике не нужно периодически менять почву, на что тратилось много труда и времени.
Облегчается борьба с вредителями и болезнями растений. Вредитель овощных культур - галловая нематода была раньше бичом всех теплиц. Единственная мера борьбы с ней - полная смена почвы. Но и это помогало лишь на время - личинки нематоды заносили в теплицу с новой почвой. В гравийной же культуре этот вредитель исчез совершенно.
Более экономно расходуется вода, что особенно важно для засушливых районов.
Нет сорняков. В обычные теплицы семена сорняков заносятся вместе с почвой. А в гравий они могут попасть только случайно.
Экономнее используются удобрения. При внесении удобрений в почву только небольшая часть их достается растениям. Много солей просачивается с водой сквозь почву. Немало их связывается самой почвой в недоступные растениям соединения или поглощается микроорганизмами. А в искусственном питательном растворе все соли доступны корням, и большая часть их идет на построение урожая.
Уменьшаются холостые простои теплиц. Промежуток времени между снятием урожая и посадкой новых растений (или, как говорят, между ротациями) резко сокращается; отпадает необходимость предпосевной обработки почвы.
Уменьшается площадь питания растений. Поэтому на каждом квадратном метре гравия можно выращивать в 2-3 раза больше растений, чем на почве. А это очень важно. Содержание каждого квадратного метра теплиц стоит дорого.
И, наконец, два самых главных плюса гидропоники.
Питательный раствор можно в любой момент заменить другим, повысить содержание в нем одного элемента и снизить содержание другого. Это позволяет гибко и точно управлять ростом растений, что невозможно в почве. В гидропонике можно достигнуть такой скорости роста, какой никогда не удается получить при выращивании растений в почве. При этом повышается урожай, а плоды созревают раньше.
Гравийная культура не требует ни пахоты, ни рыхления междурядий, ни прополки. А это дает возможность почти целиком автоматизировать выращивание овощей.
За растениями ухаживают машины-автоматы
Часто говорят, что гидропоника - это индустриальный метод растениеводства. Это очень верно, и не только потому, что теплицы овощеводов появляются на промышленных предприятиях.
Чем отличается сельское хозяйство от промышленности, земледелие от индустрии? Одно расположено в сельской местности, а другое в городах, скажете вы. Правильно, но главное в другом. Земледелие зависит от природы: от плодородия почвы, от климата, от погоды. А промышленность целиком создана умом и руками человека.
Поэтому в промышленности более высокий уровень механизации.
Здесь возможна автоматизация всего производственного процесса. С созданием гидропоники такая возможность появилась и в земледелии. Вернее, в растениеводстве: какое же это земледелие без земли.
Простейшую автоматику применил уже профессор Герике в своей первой гидропонике: теплица была оборудована электрическими нагревателями, которые включались, когда температура питательного раствора падала ниже +20 градусов. С тех пор прошло больше тридцати лет, и сейчас мы уже можем думать о полностью автоматизированных «зеленых цехах», которые в недалеком будущем появятся на каждом большом заводе и будут выглядеть приблизительно так.
В примыкающем к теплице подсобном помещении расположена смесительная установка для приготовления искусственной почвы - питательного раствора. В одном баке растворяют основные питательные соли - азотные, фосфорные, калийные. В другом - минеральные «витамины»: бор, марганец, цинк, медь, нужные растениям в очень небольших количествах. По мере надобности специальные дозаторы выливают необходимое количество (дозу) этих растворов в общий смесительный резервуар. Здесь исходные растворы разбавляют водой до нужной концентрации.
Раз в несколько часов командное устройство, снабженное реле времени, включает насос, и раствор по сети распределительных труб поступает в стеллажи, чтобы, смочив гравий, возвратиться обратно. Принцип действия реле времени тот же, что и у контактных часов. Такие же реле времени включают и выключают форсунки, распыляющие питательный раствор в воздушной культуре - аэропонике.
Корни растущих в гравии растений постепенно изменяют питательный раствор: снижается его концентрация, изменяется кислотность. Поэтому состав раствора нужно время от времени исправлять - корректировать. Для этого в смесительный резервуар погружены электроды двух приборов. Один из них по электропроводности раствора измеряет его концентрацию и дает сигнал дозирующим устройствам, которые прибавляют нужное количество исходной смеси солей. Другой измеряет кислотность раствора и по мере надобности добавляет кислоту или щелочь.
Кроме того, на дне резервуара устроен трубчатый змеевик - по нему пропускают горячий пар. Когда раствор нагреется до нужной температуры, термореле замкнет сигнальную цепь и выключит подачу пара. Таким образом, температура питательного раствора все время поддерживается постоянной.
Автоматы регулируют и климат теплицы. При перегреве воздуха солнечными лучами термореле включает гидропривод, открывающий форточки, или открывает установленные на коньке теплицы краны, поливающие ее крышу холодной водой. Если воздух в теплице становится слишком сухим, «сами собой» включаются пульверизаторы, увлажняющие его тонко распыленной водой. Их включают и выключают приборы для измерения влажности воздуха - гигрометры.
Впрочем, большинство этих автоматических приспособлений уже применяется во многих гидропонических хозяйствах.
Наиболее легко автоматизировать производство зеленого корма для животных. На искусственных средах выращивают не только овощи, но и корм для скота. Летом в лугах достаточно сочной свежей травы. Но зимой, когда сельскохозяйственные животные питаются только сеном и силосом, им не хватает витаминов. А гидропоника может обеспечить сельскохозяйственных животных витаминными кормами круглый год.
Производство зеленого корма очень просто. В плоские металлические противни, напоминающие кюветы для проявления фотоснимков, наливают тонкий слой питательного раствора и засыпают семена овса, гороха или кукурузы. Кюветы устанавливают в несколько ярусов в теплом помещении и освещают лампами дневного света. Питательный раствор в них раз в 1-2 дня заменяют свежим. Через 8-12 дней образуется сплошная зеленая щетка молодых, очень богатых витаминами проростков. Корни так тесно переплетаются между собой, что их нельзя разделить, и проростки вынимают из кюветы сплошным «ковриком». Такие «коврики» после промывания их водой целиком, вместе с корнями, скармливают животным. Из 1 кг зерна получается 4-5 кг питательной зеленой массы.
Для круглогодового выращивания витаминного корма («зеленого конвейера») применяют специальные автоматические установки, некоторые из которых занимают немного места и по форме напоминают шкаф, в котором автоматы поддерживают определенную влажность и температуру воздуха. В этот шкаф загружают кюветы с зерном. Они передвигаются по медленно движущейся конвейерной ленте и выдают уже готовые «коврики» проростков.
Инженеры сконструировали другую, полностью автоматизированную установку для выращивания зеленого корма - «карусель». Кюветы для зерна устанавливают на медленно вращающийся круг, который совершает полный оборот за 10 дней. В центре круга установлены датчики и реле - автоматы, сменяющие раствор и поддерживающие в разных частях круга (зонах) различные условия. В зону посева ежедневно загружают кюветы с зерном, замоченным в воде. Затем кюветы перемещаются в зону проращивания. Здесь нет ламп и семена находятся в ежедневно сменяемой воде. Зону проращивания кюветы проходят за 4 дня. За это время семена прорастают, и кюветы переходят в зону выращивания. Здесь уже горят люминесцентные лампы, и автоматы заменяют воду в кюветах питательным раствором. Через 6-7 суток кюветы проходят эту зону и перемещаются в зону уборки: в них уже образовались «коврики» зеленого корма.
Такая установка работает непрерывно. Рабочий ежедневно убирает кюветы с готовыми проростками и ставит на их место кюветы со свежим зерном. Благодаря разделению на зоны здесь экономно расходуется и питательный раствор, и свет. Обслуживает установку один человек.
Недостатки гидропоники
Недостаток у гидропоники, пожалуй, один. Она требует грамотных людей, в совершенстве изучивших и потребности растений, и свойства удобрений, и сложную современную технику. Ведь в почве есть все основные условия для роста растений - воздух, вода, питательные вещества. А в гидропонике все эти условия зависят от нас. В умелых руках гидропоника даст урожай, какой невозможно получить на самой плодородной почве. Но в неумелых и ленивых - растения могут просто погибнуть. Гидропоника - это дело для умелых рук и пытливого ума.
В одном словаре так определяется слово «гидропоника». «Гидропоника - это наука и искусство выращивания растений без почвы, на жидких средах». Обратите внимание: это не только наука, но и искусство. Следовательно, нужно не только знать, как выращивать растения без почвы, но и уметь выращивать их. А это умение, это искусство дается только опытом. Пусть вас не смущает, если вы не сумеете сразу вырастить без почвы хорошие растения. Если вы по-настоящему любите зеленого друга и обладаете трудолюбием и упорством в достижении цели, растения без почвы обязательно вырастите.
Смелее обращайтесь за помощью в агрохимические лаборатории, на опытные станции, в учебные и научно-исследовательские институты. Их сотрудники всегда помогут вам и советом и делом в овладении интереснейшим искусством выращивания растений без почвы.