X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Санкт-Петербург — северо-западный регион нашей страны, где почва бедная перегноем и отличающаяся значительной кислотностью, характерна рискованностью по отношению к выращиванию сельскохозяйственных культур. Основными почвообразующими породами являются глины, суглинки, пески и торф.Сельскохозяйственное использование почв области требует их искусственного улучшения. Преобладание болотистой местности, конечно, ни коем образом не способствует высокой урожайности. Не смотря на то, что обилие воды и влажности является преимуществом, максимальная урожайность и круглогодичное выращивание растений может быть достигнуто лишь с помощью создания искусственного климата и комплекса удобрений, индивидуально для каждого типа культур. Бесспорно, тепличные методы выращивания отводятся на дальний план при появлении беспочвенных методов выращивания, основными из которых являются аэропоника и гидропоника.

Ведутся бесконечные споры, что же все-таки: гидропоника или аэропоника являются наиболее перспективным методом выращивания сельскохозяйственной продукции? Оба метода, несомненно, являются «лидерами» беспочвенного выращивания растений, но, как известно, везде есть свои как преимущества, так и недостатки. Рассмотрим эти методы более подробно.

Гидропоника — это способ выращивания растений в воде, («гидропоника» — от греческого «gidro» — вода и «pónos» — работа»). Концепция выращивания данным методом была открыта заново в 1930-е в Университете Беркли (Калифорния) доктором Герике, хотя Гидропоника известна еще с древних времён. При выращивании растений методом гидропоники растения живут в воде, а их корни – в динамичном потоке питательного раствора.

Основными преимуществами данного метода являются: 1) Экономия воды — метод подразумевает потребление большого количества воды для поддержания здорового роста, однако растение транспирирует всю израсходованную воду, не давая исчезнуть в почве или при испарении. Экономия воды, по сравнению с растениями, растущими в почве, значительная; 2) Экономия питательных веществ — аналогично предыдущему пункту, растение усваивает все питательные вещества; 3) Меньше потребность в пестицидах; 4) Нет потребности в гербицидах; 5) Доступ к корням; 6) Производство большого количества биомассы; 7) Возможность выращивания в неблагоприятных условиях; 8) Рациональное использование пространства

Из недостатков можно выделить:

1) В отличии от почвы вода не обладает буферными свойствами, а значит нет места человеческому фактору. Любая оплошность способна навредить растению, так как оно не защищено стабильной средой; 2) Повышенные требования к температурному режиму содержания растений; 3) Не все виды растений целесообразно выращивать данным методом по экономическим показателям

Анализ преимуществ и недостатков гидропонного выращивания показывает [1, 2, 3], что этот метод позволяет контролировать каждую стадию процесса выращивания, экономить ресурсы и производить большую массу более жизнеспособных растений. Гидропоника не прощает ошибок и требует тщательного наблюдения за процессом. Метод гидропонного выращивания целесообразен при распоряжении большими площадями для интенсификации роста сельскохозяйственных растений.

Аэропоника. Классический способ аэропоники подразумевает нахождение корней в воздухе и периодическое опрыскивание (или омывание) питательным раствором. В современном варианте данной агротехнологии корни постоянно погружены в питательный туман.

Подача раствора на корни производится в виде микрокапель или аэрозоля в зависимости от распыляющего устройства. Чтобы предотвратить пересыхание корней, подача раствора ведется периодически через интервал времени от нескольких секунд до нескольких минут. Такая агротехника освобождает растения от почвенных болезней и вредителей, т.е. они растут более здоровыми, нежели растения, выращенные в грунте.

В отличии от гидропоники аэропоника, более новый метод с множеством материалов для исследования. На данный момент целесообразно провести сравнительный анализ гидропоники и аэропоникой. В отличие от гидропоники в аэропонике: 1) корни получают достаточное количество кислорода; 2) стандартная скорость растений; 3) не развиваются зеленые водоросли в застойной воде; 4) наличие ярко выраженного вкуса у плодов; 5) полученная гидропонным способом продукция не очень хорошо хранится и должна быть быстро употреблена в пищу или использована на переработку.

На текущий момент, несомненно, существует перспектива дальнейшего изучения аэропоники, совершенствование и внедрение современных технологий, а так же выведение на повсеместное использование в промышленности, т. к. постоянный рост численности населения городов и стран пропорционален увеличению потребностей в свежей, полезной и вкусной еде. Данный метод может не только сократить время роста овощных культур, при сохранении всех полезных свойств, но и сократить сроки поставки свежей плодо-овощной продукции потребителям, а так же расширить географию распространения различных видов культур без длительной транспортировки и применения методов для искусственного увеличения сроков хранения продукции. Со временем возможна реализация импортозамещения, уменьшение обслуживающего персонала и, как следствие, снижение трудозатрат на обслуживание системы [4, 5, 6].

Анализ методов беспочвенного выращивания растений позволяет сделать вывод, что наиболее эффективным является аэропонный способ. За счёт меньшего списка требований к оборудованию и персоналу, наиболее широкого спектра плодо-овощных культур, подходящих для выращивания аэропонным методом, так же возможность снижения болезней растений за счет отсутствия почвенных болезней вредителей, водорослей и бактерий, способных разводиться в застойной воде значительно улучшаются экономические показатели урожая.

Аэропоника рассмотрена в различных вариациях, представлена различными методами, однако так же представляет интерес для внедрения новых технологий и систем.

С внедрением микропроцессорной техники, микрораспытителей, новейших энергосберегающих источников искусственного света (сбалансированных по спектру), аэропонные технологии нашли широкое применение в овощеводстве.

Успех культивирования растений достигается за счет более точного и быстрого регулирования параметров корнеобитаемой среды (рН питательного раствора, содержание макро- и микроэлементов, влажность, температура питательного раствора, аэрация корней, электропроводимость питательного раствора).

Отсутствие конкуренции за питание и свет позволяют загущать посадки - на 1 кв.м. высаживают до 600 пробирочных растений для адаптации. Отсутствие почвы позволяет исключить стерилизацию субстрата, борьбу с болезнями и паразитами, тем самым облегчая уход за растениями.

Рационально использовать рабочую площадь и повысить выход готовой продукции, можно благодаря применению современных питательных растворов, а разработки в области проектирования позволяют выращивать растения не только компактно, но и заполнять максимально возможный объем, предоставленный под данный процесс.

На сегодняшний день технология экономически эффективна при выращивании отдельных видов овощей - помидоров, огурцов, быстрорастущих листовых, зеленных и корнеплодных культур, а также декоративных и лекарственных растений. При проведении научных и исследовательских работ аэропонная установка просто незаменима. Дальнейшие усовершенствования позволят успешно применять разработку даже в космической биотехнологии.

На текущий момент можно сказать, что стремительно набирает обороты внедрение ультразвуковых технологий в аэропонику, так как мелкодисперсную смесь из воздуха и питательного раствора можно получить не только с помощью форсунки с высоким давлением [7, 8, 9].

Наиболее рациональный способ внедрения данной технологии — это использование ультразвукового генератора тумана, принцип действия которого основан на эффекте кавитации, то есть в жидкости образуются кавитационные пузырьки или каверны, заполненные паром. Кавитация возникает при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения. Эта волна создается пьезокерамическим элементом, к которому подводят напряжение с его резонансной частотой. Электрическая энергия преобразуется в механическую за счёт того, что пьезокерамика сжимается/разжимается на доли миллиметра. В жидком слое над пьезокерамическим элементом образуются чередующиеся между собой волны повышенного и пониженного давления. В областях пониженного давления происходит вскипание жидкости при обычной комнатной температуре с выбросом в воздух мелкодисперсных частиц, за счет этого отдельные частицы жидкости выбиваются из толщи. Над мембраной образуется небольшой «фонтан» и туман из отдельных капелек. От частоты напряжения напрямую зависит диаметр частицы полученного тумана. Диаметр можно рассчитать по формуле зависимости диаметра капли от частоты генератора.

где d – НЧВ размер капель аэрозоля; a - коэффициент пропорциональности 0,3; – длина капиллярных волн; σ - коэффициент поверхностного натяжения; ρ – плотность распыляемой жидкости; f – частота УЗ колебаний.

Температура тумана полученного таким способом не превышает 40 градусов, такой туман называется «холодным». Однако это в два раза превышает оптимальную температуру в корневой зоне. На сегодняшний день стоит вопрос о решении данной проблемы.

Для ее устранения можно попробовать предварительно охлаждать слой жидкости над мембраной (что снизит производительность), либо после процесса образования тумана дополнительно его охлаждать перед попаданием в корневую зону, но при этом туман начнет конденсироваться, что так же может привести к снижению производительности.

Камера туманообразования не должна находиться в корневой зоне, так как ультразвуковые волны способны разрушать любую ткань. Транспортацию тумана можно обеспечить влагоустойчивым вентилятором.

В процессе проведения анализа и исследования систем, применяемых в аэропонике на сегодняшний день было выявлено, что практическое внедрение ультразвуковых технологий может привести к 100% приживаемости растений, возможность регулировать важные параметры подачи раствора в корневую зону, повысить урожайность плодо-овощных культур сельскохозяйственной продукции в разы независимо от сезонности, а так же максимально рационально использовать площади. Однако при внедрении ультразвуковых технологий, а именно ультразвукового генератора тумана, возникает вопрос о получении оптимальной температуры в корневой зоне.

Список литературы

1. Чесноков В. А, Базырина Е. Н, Бушуева Т.М, Ильинская Н.Л. «Выращивание растений без почвы» ― Изд-во: Ленинградского университета, 1960.

2. Прянишников Д. Н. Фенология растений. – Ленинград, 1961.

3. Г.А. Павлов, Г.Ф. Попов «Тепличное хозяйство»

4. Алиев Э.А. Выращивание овощей в гидропонных теплицах. К.: Урожай, 1985-160 с.

5. Алиев Э.А., Дюкарев Ю.А., Латенко Б.В. Выращивание овощей в теплицах без почвы. 1965

6. Журналы «Теплицы России», 2001-2009г.г.

7. Тютерев С.П. Научные основы индуфицированной болезнеустойчивости растений. РАСХН, ВНИИЗР. С-Пб, 2002 г. - 328 с.

8. Тюпин С. В. Автореферат «Снижение энергоёмкости процесса увлажнения вентиляционного потока в картофелехранилищах путём применения ультразвукового распылителя-увлажнителя» — Ижевск, 2009

9. Антипова О.В «Технологическое обоснование культурооборотов в гидропонныхрассадных комплексах» — Москва, 2010

Код для цитирования: Скопировать