Требования к химическим и физическим свойствам субстратов и их характеристика
При выращивании растений без почвы в качестве субстратов могут быть использованы различные местные материалы (гранитный щебень, измельченный керамзит, 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 отличаться 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-, 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. Некоторые из них, например, вермикулит, перлит и керамзит, непрочны и со временем крошатся, вследствие чего уменьшается размер их частиц и ухудшается аэрация корневой системы растений. 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. Штреис (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 (НNО3-), 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 всех других катионов, поэтому он может легко проникать в кристаллическую решетку минералов и вызывать ее разрушение в результате обмена катионов.
Наибольшей объемной массой обладает гравий, наименьшей вермикулит. В последнем соотношение твердой, жидкой и газообразной фаз более оптимально для роста и развития растений. Однако он механически непрочен.
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 увеличении 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 гидропонных сооружениях многих стран в качестве субстрата начали использовать искусственное волокно гродан, т. е. минеральную вату.
Гродан получают путем плавления различных минеральных пород, преимущественно из диабаза или базальта с добавлением фенольной смолы. Полимерный скрепляющий материал придаст волокну жесткую структуру и свойства водного адсорбента, что повышает общую водопоглощающую поверхность субстрата. Указанные компоненты сплавляются при температуре 1600°С. Из сплавленной массы вытягивают волокно, которое используют на изготовление матов, гранул, горшочков для выращивания растений.
Гродан благодаря очень тонкому диаметру волокон (5 мк) отличается оптимальными для выращивания растений физическими свойствами. Это высокопористый материал. Пористость его достигает 97%, влагоемкость - 82%.
Для выращивания рассады используют блоки из гродана размером 10Х10Х10 см, а для выращивания растений - 90Х30Х10 см.
Кроме гродана, 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.
Подготовка и зафосфачивание субстрата для выращивания растений
Правильный подбор и подготовка субстрата существенным образом влияют на урожайность выращиваемых культур, так как от этого зависит обеспечение растений не только водой и кислородом воздуха, но и элементами минерального питания.
Для выращивания растений необходимо использовать субстрат определенной фракции, предварительно определив степень засоренности его пылеватыми частицами. Наличие их ухудшает аэрацию субстрата и затрудняет равномерное наполнение поддонов питательным раствором. Из субстрата эти частицы удаляют промывкой на вибростатах.
Субстрат для выращивания растений не должен влиять на состав питательного раствора. Поэтому заранее определяют его кислотность, химический состав и инертность, т. е. устанавливают, не вступает ли он в химическое взаимодействие с питательным раствором. Для этого его заливают питательным раствором, в котором предварительно определяют концентрацию элементов минерального питания и реакцию. Через 8-10 часов раствор фильтруют и снова анализируют. Если химический состав питательного раствора не изменился, субстрат используют для выращивания растений. Если же частицы субстрата выделяют в раствор много полуторных окислов кальция, в результате чего раствор подщелачивается, то такой субстрат без предварительной обработки использовать для выращивания растений нельзя. В щелочной среде в осадок выпадают фосфаты полуторных окислов и фосфаты кальция, которые оседают на поверхности субстрата.
Горные породы состоят из минералов, содержащих полуторные окислы в труднорастворимом состоянии. В растворе они не могут появиться в большом количестве, тем более, что кислотность раствора поддерживается выше предела их растворимости. Кальций более подвижен, поэтому в растворе его может оказаться достаточно для того, чтобы связать весь фосфор.
Для предупреждения связывания фосфора полуторными окислами и кальцием свежий субстрат перед высадкой растений зафосфачивают, т. е. дают избыток фосфора с тем, чтобы связать все имеющиеся ионы алюминия, железа и кальция в виде фосфорнокислых солей. Практически субстрат заливают 2%-ным раствором вытяжки из суперфосфата и выдерживают его в течение суток, после чего промывают водой.
В производственных условиях, когда требуется обработать сотни кубических метров субстрата, не всегда имеются резервуары для приготовления большого количества вытяжки. На 1 га гидропонных теплиц при пористости щебня 45% требуется 900 м3 2%-ной вытяжки, для чего необходимо 18 т суперфосфата. Поэтому для обработки щебня было предложено использовать 0,2%-ный раствор ортофосфорной кислоты.
Карбонаты кальция, содержащиеся в субстрате, при взаимодействии с ортофосфорной кислотой образуют на его поверхности малорастворимую в воде пленку фосфатов кальция, что улучшает химические свойства субстратов, в результате чего они становятся пригодными для возделывания растений. В незафосфаченных же субстратах фосфор, железо и другие питательные элементы в первый же день из раствора выпадают в осадок.
С целью определения доступности для растений осажденных фосфатов на них выращивали рассаду томата. С этой целью в гончарные горшки диаметром 9 см засыпали зафосфаченный и незафосфаченный субстраты, в которые запикировали сеянцы 12-дневного возраста. Рассаду выращивали с применением дополнительного досвечивания на питательном растворе без фосфорного и кальциевого питания.
Биометрический анализ полученных данных показал, что осажденные фосфаты доступны для корневой системы растений.
Сырая масса рассады на зафосфаченном субстрате составила 8,14, на незафосфаченном - 5,87 г. Содержание неорганического фосфора в листовых пластинках рассады составляло соответственно 224 и 72 мг на 1 кг сырой массы.
Зафосфачивание минеральных субстратов при беспочвенной культуре является эффективным и необходимым приемом при значительном содержании в них карбонатов кальция.
Засоление и загрязнение субстрата, способы их устранения
Широкое внедрение в производство гидропонного метода выращивания растений выдвигает проблему продления срока использования субстрата. В практике эксплуатации гидропонных теплиц имеет место снижение урожайности культур в процессе длительного его использования. Это явление получило название старения субстратов. Многими исследователями установлено, что накопление солей на поверхности субстрата происходит в процессе обмена ионов в системе растение - почвозаменитель - питательный раствор.
Следует отметить, что в последние годы в литературе появились данные об ухудшении ростовых процессов и резком снижении продуктивности растений после 10-15-летнего использования субстратов, что объясняется происходящими в них почвообразовательными процессами.
Известно, что природные почвы образовались в течение тысячелетий из горных пород при непосредственном участии растений. В искусственном субстрате после 7-8-летнего использования возникает первичный почвообразовательный процесс, в результате чего наблюдается устойчивое подкисление его до рН 4-4,5.
Исследованиями установлено, что после длительного использования субстрата разрушается алюмосиликатная и алюмоферросиликатная его части с высвобождением окислов кремния и алюминия. При этом высвобожденная аморфная кремниевая кислота и тонкодисперсные соединения кальция, магния, алюминия и железа, осаждаясь на поверхности корней, угнетают рост растений.
Через 10 лет урожайность огурца на щебне снижается на 6 %.
При длительном использовании субстрата на его поверхности откладываются соли питательных веществ: калия, кальция, магния, железа и фосфора, т. е. происходит засоление субстрата, причем с увеличением срока его использования степень засоления повышается.
На засоленность субстрата влияет также концентрация питательного раствора, размер частиц субстрата, наличие в нем пылевидных фракций, а также температурный режим и режим влажности в теплицах. Чем выше концентрация питательного раcтвоpa, тем больше солей откладывается нa поверхности субстрата.
Субстрат с размером частиц 1-2 мм засоляется быстрее, чем с размером частиц 5-7 мм. При наличии в субстрате пылевидных частиц питательные элементы адсорбируются на их поверхности. Установлено, что в субстрате с размером частиц 1-2 мм в течение одного года фосфора откладывается в полтора, а кальция - в четыре раза больше, чем в этом же субстрате с размером частиц 5-7 мм. Верхний слой засоляется значительно сильнее, чем нижний. В процессе испарения воды с верхних слоев субстрата соли, находящиеся в питательном растворе, остаются на поверхности щебня. Этот процесс особенно интенсивно протекает в августе и сентябре после высадки растений на постоянное место в осенне-зимнем культурообороте. В этот период температура в теплицах достигает 30-35 °С. Значительная часть поверхности субстрата в течение 40-45 дней остается непритененной. Усиленная вентиляция воздуха в этот период ускоряет процесс его засоления. Накопившиеся на поверхности субстрата соли вызывают растрескивание и гниение корневой шейки огурцов.
Засоление субстрата - процесс управляемый. Он зависит прежде всего от технологии выращивания растений в гидропонных теплицах.
Промывка субстрата во время замены раствора, ежегодная дезинфекция его формалином с последующей промывкой водой или же обработка через 3-4 года сильными окислителями способствуют восстанавливанию (регенерации) первоначальных химических свойств старых субстратов.
Водорастворимые соли, накопившиеся в субстрате, удаляются промыванием водой в течение 2-3 дней во время замены раствора. Многочисленные анализы показали, что при промывке субстрата подкисленной водой удаляются в основном азотные соединения и частично окиси калия, магния и натрия, а фосфаты кальция и железа вымываются плохо. С целью уменьшения степени засоления субстрата в конце вегетации за 2-3 недели перед ликвидацией растений прекращают корректировку раствора. Растения своей корневой системой выщелачивают солевой запас субстрата.
Обработка субстрата растворами кислот вызывает коррозию трубопровода и насосной установки. Поэтому для рассоления старых субстратов и окисления органических остатков используют хлорную воду и едкий калий.
При хлорировании воды образуются соляная и хлорноватистая кислоты.
Хлорноватистая кислота - очень сильный окислитель. Она хорошо окисляет органические вещества, рассоляет субстрат и устраняет ингибирующую микрофлору.
Соли хлорноватистой кислоты называются гипохлоритами. Для регенерации субстрата можно использовать растворы гипохлорита натрия, калия и кальция. При этом необходимо учитывать, что гипохлорит кальция (хлорная известь) вызывает коррозию технологического трубопровода, а гипохлорит калия или натрия легко разлагается под действием СО2 воздуха, образуя при этом хлорноватистую кислоту.
Регенерация субстратов гипохлоритами легко осуществима и не требует особых мер предосторожности. Однако на их перевозку требуются значительные транспортные издержки, так как содержание активного хлора в них незначительное (16-18 %).
Хлорная вода даже в разбавленном состоянии быстро разлагается, поэтому отработанный раствор не загрязняет окружающую среду, что имеет место при обработке субстрата карбатионом и формалином.
Регенерация субстрата хлорной водой проводится следующим образом: в резервуар емкостью 120 м3 выпускают хлор из баллонов через хлоратор. При помощи насосной установки перемешивают воду, насыщают ее до тех пор, пока не получат концентрацию хлора 1,5-2 г/л, определяя ее через каждые 15-20 минут путем титрования 0,1-молярным раствором гипосульфита натрия. Хлорирование проводят в противогазах. Герметичность установки проверяют 25%-ным раствором аммиака.
Хлорную воду по очереди подают в теплицы с заполнением субстрата и выдерживают 20-30 минут. Эту операцию проводят в течение 3-4 суток, пока концентрация хлора снизится до 5-10 мг/л. Отработанную хлорную воду откачивают в канализационную систему, бак снова наполняют чистой водой и промывают субстрат в течение двух суток.
Результаты многолетних производственных испытаний показали, что после регенерации субстрата хлорной водой урожайность возделываемых культур повышается.
Повышение урожайности можно объяснить тем, что при регенерации выщелачиваются соли с поверхности субстрата, окисляются корневые остатки и корневые выделения и уничтожается ингибирующая микрофлора, т. е. восстанавливаются первоначальные свойства субстрата.
Однако необходимо отметить, что при регенерации субстрата сильными окислителями растворяются частицы почвозаменителя, разрушаются на них фосфатные пленки, защищающие частицы субстрата от действия раствора. Поэтому регенерацию его хлорной водой следует проводить через 5-6 лет, чередуя со щелочной регенерацией. Установлено, что ежегодная регенерация субстрата хлорной водой усиливает процесс его старения. При этом поверхность частиц субстрата еще больше обедняется катионами К, Са, Mg, Al, Ti, выделяются окиси кремния и алюминия. После регенерации хлорной водой необходимо проводить зафосфачивание субстрата 0,2 %-ным раствором ортофосфорной кислоты.
При щелочной регенерации, разработанной Е. И. Ермаковым (1975), кремниевая кислота хорошо растворяется в щелочной среде. Взаимодействуя с едким калием, она образует растворимый в воде метасиликат калия, который затем удаляют водой.
При щелочной регенерации, так же, как и при регенерации хлорноватистой кислотой, активно размываются органо-минеральные пленки на поверхности частиц субстрата и угнетаются патогенные возбудители болезней.
Для обработки 1 м2 полезной площади субстрата используют 90-100 л 0,15%-ного раствора едкого калия. Температура регенерирующего раствора должна быть в пределах 35-40 °С. Раствором полностью заполняют субстрат, выдерживают в нем 2-3 часа, затем сливают обратно в резервуар. Эту операцию повторяют 3-4 раза в сутки в течение 7-9 дней.
После щелочной регенерации субстрат промывают водой в течение двух суток, после чего ее откачивают. Бак снова заливают водой, подкисляют се до pH 1-2 ортофосфорной кислотой и промывают субстрат до реакции водного раствора рН 6-6,5. В результате щелочной регенерации расселяется субстрат, окисляются корневые остатки, повышается урожайность возделываемых культур.
Отложившиеся на поверхности субстрата соли в определенной степени усваиваются растениями. Поэтому при выращивании их на старых субстратах без учета степени засоленности нередко наблюдаются нарушения в соотношении поглощаемых растениями элементов, что в свою очередь вызывает нарушение жизненных процессов в растительном организме. Если субстрат засоленный, то даже при уравновешенных питательных растворах в тканях растений наблюдается сильное преобладание ионов кальция над остальными ионами. Так, по данным исследований, при выращивании огурца на старых засоленных субстратах с относительно слабой концентрацией кальция в растворе (120-170 мг/л) отмечено высокое содержание его в листовых пластинках растений.
Уравновешенным питательным раствором называется раствор, содержащий все питательные ионы в усвояемой для растений форме в таком количестве и соотношении, которое обеспечивает получение высокого урожая.
Повышенное содержание кальция в субстрате увеличивает содержание этого элемента в листовой пластинке огурца и вызывает преждевременное старение растений. Кроме того, из-за антагонизма кальция с калием и магнием ухудшается поглощение последних.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что при выращивании растений на засоленных субстратах питательные растворы необходимо составлять с учетом степени засоления субстрата и содержания в нем доступных ионов, используемых корнями растений.
Одним из решающих факторов старения субстрата является наличие гниющей растительной массы. Продукты разложения корневых остатков и корневых выделений, накапливаясь в субстрате и растворе, ухудшают рост и развитие возделываемых культур.
Физиологически активные вещества, накапливающиеся в таком биоценозе, тормозят прорастание семян, угнетают развитие растений и снижают их продуктивность. В процессе длительного использования в субстратах могут накапливаться низкомолекулярные органические кислоты и другие неокисленные вещества, также отрицательно влияющие на урожайность овощных культур. Особая роль при этом принадлежит корневым выделениям растений, постоянно выщелачиваемых водой и питательным раствором. Неокисленные вещества являются хорошей средой для микроорганизмов, образующих ризосферу выращиваемых культур. Микрофлора ее активно влияет на минерализацию органических веществ, выделяемых растениями, и повышение биологической активности питательных растворов.
Следует отметить, что накопившиеся корневые остатки в условиях гидропоники минерализуются очень слабо, что, по-видимому, объясняется бедным составом микрофлоры, низкой адсорбирующей способностью субстрата по сравнению с почвенной культурой и его физико-химическими свойствами.
При минерализации корневых остатков в открытом грунте высвобождающиеся физиологически активные вещества адсорбируются почвенными частицами или промываются в глубокие слои почвы. Поэтому ингибирующее действие их в природных условиях снижается по сравнению с беспочвенной культурой.
Накопление токсичных продуктов вследствие жизнедеятельности растений и микроорганизмов вызывает явление так называемого почвоутомления, заключающегося в том, что при длительном выращивании некоторых растений, в том числе огурца и томата, на одном и том же месте наблюдается подавление ростовых процессов и снижение урожайности.
С увеличением количества корневых остатков в субстрате усиливается угнетение роста молодых растений. Поэтому важной задачей при выращивании растений на искусственных субстратах является применение мер борьбы по ликвидации токсического действия корневых остатков.
Обработка субстратов сильными окислителями, щелочами и кислотами устраняет вредное влияние корневых остатков. Хорошие результаты дает обработка их хлорной водой с концентрацией активного хлора 1,5-2 г/л. Растворы едкого калия, перекиси водорода и гипохлорита также окисляют корневые остатки.
Разлагающиеся в субстрате корневые остатки и корневые выделения, попадая в питательный раствор, ухудшают его качество. Поэтому замену питательных растворов необходимо производить в зависимости от продолжительности использования субстратов и содержания в них корневых остатков, а также с учетом возраста выращиваемых растений.
При выращивании растений на свежих субстратах растворы можно использовать в течение более длительного времени (60-75 дней). Растворы, циркулирующие в субстрате с гниющими корневыми остатками, нужно менять чаще (через 15-20 дней), особенно в стеллажных теплицах, где на одно растение приходится меньший объем питательной среды. Максимум токсичных продуктов разложения корневых остатков образуется в течение первых 2-3 месяцев. К ним наиболее чувствительны молодые растения. Поэтому в начале вегетации растений растворы необходимо менять чаще, чем в конце.