XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Аэропоника - как альтернативный метод выращивания растений
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Традиционное выращивание растений является наиболее затратным и оказывает огромное влияние на водные и почвенные экосистемы. Поэтому в последнее время наиболее востребованными становятся современные технологии ведения сельского хозяйства, так как они, при наименьших затратах (почва, вода, человеческий труд) позволяют получать высокую урожайность.
Сельское хозяйство является важной частью экономики всех стран мира, так как человек получает продукты питания, сырье для промышленности и многое другое. Ведение современного сельского хозяйства привело к некоторым проблемам: загрязнению и деградации почв, ее токсификации, что в следствии и влияет на водные объекты и экосистемы.
Так как в последние годы идет мода на здоровые и экологически чистые, безопасные продукты питания, то одним из способов решения данной проблемы могут стать альтернативные методы выращивания растений, такие как гидропоника и аэропоника.
В нашей стране, для поддержания работоспособности тепличных хозяйств необходимо затратить огромное количество дерновой земли и навоза. Для их доставки и замены необходимо немалое количество средств и людей. Данные факторы приводят к большим затратам на производство и энергоносители. При использовании аэропонного метода выращивания растений все эти факторы минимизированы.
Метод аэропоники - это бессубстратный способ выращивания растений в закрытых помещениях, в специальных установках, где поддерживается необходимое питание, температура и влажность для растений, а также уровень освещенности. При этом корневая система находится в воздухе в полой, закрытой системе.
При использовании аэропонных систем, значительно увеличивается экономия воды, в сравнении с традиционным (почвенным) способом выращивания растений, что в современных условиях недостатка пресной воды играет огромную роль.
Республика Беларусь 15 сентября 2015 года на саммите ООН взяла себя обязанность по достижению 17 Целей устойчивого развития (ЦУР). Эти Цели направлены на искоренение нищеты, бедности, голода, чтобы будущему поколению передать планету в хорошем состоянии, и были сформированы условия для развития экономики, экологии и общества.
Следовательно, выполняя данное исследование, мы можем совершить важный шаг в достижении 12 Цели устойчивого развития: ответственное потребление производство, то есть решить проблемы ускоренного загрязнения окружающей среды и найти пути решения [7].
Актуальность исследования: создание бюджетной автоматизированной установки для аэропоники с искусственным освещением.
Исходя из этого была выдвинута гипотеза: в условиях школьной лаборатории можно сконструировать аэропонную установку для выращивания растений.
Цель работы: создать аэропонную установку из доступных и бюджетных материалов.
Задачи:
1) создать схему аэропонной установки;
2) подобрать доступные материалы для ее изготовления;
3) собрать установку и проверить ее работоспособность.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Аэропоника как альтернативный метод ведения сельского хозяйства
Аэропоника – система бессубстратного выращивания растений, включающая автоматизацию и механизацию водного и воздушного питания корневой системы и растения в целом с учетом условий внешней среды, суточного и физиологического ритмов [5]
Аэропонные установки позволяют выращивать овощи и зелень круглый год без использования химических удобрений или других вредных для человеческого организма активаторов роста [3].
Корни растения свободно свисают в аэропонной модели. Питательный раствор подается на корни микрокаплями или туманом, тем самым создается воздушно питательная среда. Причем раствор образует облако, обволакивающее корни, а в паузах между опрыскиваниями происходит аэрация корней. Подача питательно раствора, и другие процессы управляются компьютером и соответствуют фазам развития растений. Культуры, выращенные на аэропонике, отличаются особенно высокой скоростью роста и созревания. Достигается этот эффект благодаря насыщению растительных волокон кислородом.
Активный рост корней, интенсивное усвоение питательных веществ повышает продуктивность растений, улучшает качество и количество получаемой продукции. Так же сокращается время вегетации растений, что позволяет на одной и той же площади получать не один урожай в год [1].
1.2. Преимущества и недостатки аэропонного способа выращивания растений в сравнении с традиционным (почвенным)
Преимущества аэропоники:
быстрый рост и развитие растений, благодаря активному насыщению корней кислородом;
возможность создания для растений наиболее благоприятных климатических условий, и, в связи с этим, потенциальная возможность выращивать культуры не свойственные для данного климатического региона;
увеличение урожайности (до нескольких раз для некоторых культур) в сравнении с обычными методами выращивания растений;
цветение растений начинается раньше, чем при выращивании в грунте, следовательно урожай можно собирать несколько раз в год;
возможность получения экологически чистого урожая без использования химических удобрений и добавок;
снижение временных и физических затрат по уходу за растениями: большинство операций, такие как подача кислорода и полив, можно автоматизировать; кроме того нет необходимости перекапывать, пересаживать растения в почву, а старые растения легко удалять, помещая на их место новые [3].
экономичное использование воды и питательных веществ;
возможность регулирования температуры корнеобитаемого слоя;
выращивание растений без почвы легко разрешает задачу рационального питания растений, так как в любое время простой количественный анализ позволит дать точный ответ, в каком количестве то или иное вещество находится в растворе. В случае необходимости состав среды можно изменить в нужном направлении.
субстрат в теплицах нужно менять каждые 3 года, а на это затрачивается большое количество времени и средств, что при аэропонном методе выращивания растений исключается [8].
Дезинфекция почвы - дорогостоящий и не всегда эффективный способ борьбы с вредителями, что для аэропонного способа достаточна только обработка теплицы 1% раствором формалина за 2-3 дня до высадки растений [8].
Недостатки метода аэропоники:
К основным минусам данной технологии можно отнести следующее:
довольно сложная система установки аэропоники, требующая покупки специального оборудования и приборов, то есть довольно больших финансовых затрат;
необходимо тщательно следить за условиями аэрации корня, кислотностью и химическим составом питательного раствора.
Нужно оборудование для определения количественного состава раствора.
Необходимы хорошие знания основ физиологии растений и нужно иметь достаточное представление о химии [3].
сложность создания 100% надежной аэропонической системы (особенно при больших объемах выращивания) - из-за любого сбоя установки растения могут быстро погибнуть;
необходимость "карантинного" содержания выращиваемых на аэропонике растений: любые вирусы и бактерии могут убить урожай при открытых корнях растения [2];
чисто эстетически - выращиваемые по методу аэропоники овощи по своему виду отличаются от своих собратьев, выращиваемых по традиционной технологии - у них открыта корневая система, само растение сильно вытянуто;
многие утверждают о низких питательных качествах выращенных на аэропонике овощах и зелени, а также низком содержании в них витаминов и полезных веществ, которые могут поступать только из почвы.
Опасность затопления корневой системы, которое может привести к гибели растения, но это устраняется с помощью технологических приспособлений [4].
Могут происходить сдвиги кислотности раствора из-за неравномерного всасывания корнями питательных веществ, что может плохо отразиться на росте растений. Поэтому нужна постоянная проверка рН среды, и доведение ее до оптимальной величины [8].
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объект исследования: аэропонные методы выращивания растений. Предмет исследования: аэропонная установка, созданная в школьной
лаборатории из доступных материалов.
В работе использовался следующие методы исследования: анализ научной литературы, сравнение аэропонных установок, фотосьемка, наблюдение.
Для сборки установки понадобились следующие материалы:
1. Пластиковый контейнер (большой);
2. Пластиковый контейнер (маленький);
3. Утеплитель в плитах - ТЕХНИКОЛЬ;
4. Насос омывателя лобового стекла (автомобильный);
5. Форсунки опрыскивателя;
6. Шланг для подачи питательного раствора;
7. Светодиодная лента.
8. Блоки питания 12V.
После подбора необходимых материалов для создания установки была создана схема аэропонной системы, используя программное обеспечение Microsoft Publisher (рисунок 2.1).
1. Контейнер пластиковый; 2. Форсунки опрыскивателя; 3. Питательный раствор; 4. Насос подачи питательного раствора; 5. Фитолампа
Рисунок 2.1 - Схема аэропонной установки
2.1. Методика изготовления аэропонной системы
1. Создали схему аэропонной установки (приложение А, рисунок 1).
2. Приобрели необходимые материалы.
3. По размеру контейнера был размечен и вырезан прямоугольник из экструдированного пенополистирола 60x40 см, толщиной 20 мм (приложение А, рисунок 6).
4. Вырезали отверстия для удержания растений в пенополистирольной плите. В качестве фиксирующего материала растений будут использованы марлевые салфетки, которыми будут обмотаны нижняя части стебля.
5. В контейнере, в котором будет находится корневая система растений, разметили и проделали отверстия для форсунок опрыскивания.
6. Закрепили форсунки, дополнительно стыки промазали силиконовым герметиком.
7. К форсункам подключили шланги для подачи питательного раствора.
8. Заднюю и боковые стенки установки обклеили самоклеящейся лентой (для предотвращения попадания УФ-лучей на корни растений) (приложение А, рисунок 4).
8. Во втором контейнере, в котором должен находится питательный раствор разметили и вырезали отверстие, для закрепления насоса, с помощью которого будет подаваться питательный раствор (приложение А, рисунок 7).
9. Закрепили насос, стыки соединения тщательно промазаны герметиком, во избежание выливания раствора из емкости (приложение А, рисунок 9).
10. К насосу подключили шланги подачи раствора, которые несут раствор к форсункам. Шланги присоединили к форсункам.
11. Проверили целостность и герметичность системы. Для этого использовали водопроводную воду. Если есть протечки, то необходимо отремонтировать проблемные места.
12. Следующим этапом стало создание фитосветильника с использованием светодиодов. Для его создания были использованы светодиоды - 300 шт (красных 660nm - 54 штуки, синих 445nm - 18 штук) (приложение А, рисунок 10).
13. Лента приклеена на прямоугольник из фанеры, сделаны отверстия для подвешивания светильника (приложение А, рисунок 11).
12. Подключили насос, фитосветильник, и наблюдали за работоспособностью аэропонной установки (приложение А, рисунок 15).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе проанализированы как отечественные, так и зарубежные литературные источники, выявлены преимущества и недостатки метода аэропоники, по сравнению с традиционным - почвенным методом.
Разработанная и созданная гидропонная установка позволяет снизить влияние абиотических факторов среды на выращиваемые растения, также снижаются затраты по уходу за растениями и сбор урожая.
Экономические затраты на создание установки:
1. Контейнер пластиковый (большой) - 6 рублей 45 копеек;
2. Контейнер пластиковый (маленький) - 2 рубля 25 копеек;
3. Насос автомобильный (омывателя лобового стекла) - 6 рублей 70 копеек;
4. Силиконовый герметик - 6 рублей 10 копеек;
6. Тройник, шланги для подачи питательного раствора в аэропонную установку - 5 рублей;
7. Лист пенополистирола - 2 рублей 39 копеек.
8. Блок питания на 12v - 15 рублей.
9. Лента светодиодная - 12 рублей.
Итого: 55 рублей 89 копеек.
Аэропонная установка в школьных условиях сконструирована из доступных и бюджетных материалов, рассчитаны экономические затраты на ее изготовление.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, выполняя данную эколого-биологическую работу, мы изучили альтернативные методы выращивания растений, виды и принципы работы аэропонных установок, сконструировали в школьных условиях установку для ускоренного выращивания экологически чистых растений.
В результате проделанной работы:
1) Создана схема аэропонной установки;
2) Подобраны легкодоступные и бюджетные материалы для аэропонной установки;
3) Собрана установка, проверена ее работоспособность.
Данную установку можно использовать для внесезонного выращивания овощных, лекарственных растений не только в домашних условиях, но и в сельском хозяйстве.
В дальнейшем планируется использование установки для выращивания плодовых растений. Помимо этого, растения, выращенные при помощи аэропонной установки можно перенести в почву и создать школьный огород.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Аэропоника. Метод прогрессивного растениеводства [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://docplayer.ru/40665871-Aeroponika-metod-progressivnogo-rastenievodstva.html. Дата доступа: 25.09.2020
2. Аэропоника своими руками [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://modernstream.ru/aeroponika-svoimi-rukami-kak-sobrat-bogatyi-urozhai-iz-vozduha-sborka/. Дата доступа: 28.09.2020
3. Аэропонные установки [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://россельхоз.рф/stati/rastenievodstvo/ayeroponika-ili-vyraschivanie-na-vozduhe.html. Дата доступа: 13.09.2020
4. Выращивание растений в квартире методом аэропоника. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://stdpro.ru/materials/vyrashchivanie-ovoshchei-v-kvartire-aeroponika-sborka-aeroponiki-bespochvennoi.html. Дата доступа: 08.10.2020
5. Мураш И. Г. Аэропоника в теплицах [Текст] / И. Г. Мураш, канд. с.-х. наук. - Москва : Московский рабочий, 1964. - 96 с. : ил.;
6. Оськин С.В. Инновационные установки для повышения экологической безопасности. Журнал Чрезвычайные ситуации: Промышленная и экологическая безопасность. 2013. №3-4 (15-16). С. 174-183.
7. Цели устойчивого развития [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sovrep.gov.by/ru/tsur-ru/. Дата доступа: 23.10.2020
8. Чесноков В.А., Базырина Е.Н. Выращивание растений без почвы. Ленинград, Издательство Ленинградского университета, 1960.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ИЗГОТОВЛЕНИЕ АЭРОПОННОЙ УСТАНОВКИ
|
1 |
2 |
3 |
|
4 |
5 |
6 |
|
7 |
8 |
9 |
|
10 |
11 |
12 |
|
13 |
14 |
15 |