Технология будущего из прошлого. Гидропоника

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Технология будущего из прошлого. Гидропоника

Ирюпин Д.Ю. 1
1 ГБОУ "Школа НОВОКОСИНО"
Амирханова Э.Ш. 1
1 ГБОУ "Школа НОВОКОСИНО"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В школе, на уроке окружающего мира мы изучили растения. Основной средой их развития является почва, из которой они получают все необходимые питательные вещества и воду, благодаря корням.

А может ли растение жить без земли?

Меня заинтересовал это вопрос, и я начал собирать информацию. Обратившись к сети интернет, я узнал, что можно выращивать растения не в почве, а в воде, с помощью гидропонного метода, а также, что существуют удивительные гидропонные системы, позволяющие выращивать растения без почвы.

Я решил создать в домашних условиях свою гидропонную установку и на практике убедиться, сможет ли растение жить без земли или нет.

Цель моего исследования: создание гидропонной установки в домашних условиях и исследование метода гидропоники.

Задачи исследования:

  1. Изучить материал по теме исследования.

  2. Провести анкетирование среди своих одноклассников по применению метода гидропоники.

  3. Сконструировать гидропонную установку.

  4. Вырастить растение методом гидропоники.

  5. Сделать выводы.

Объект исследования: Гидропоника – как метод выращивания растений без почвы, за счет раствора с питательными элементами.

Предмет исследования: Гидропонная установка, лук репчатый, а также семена для проращивания: пшеницы, овса, ячменя и зелени салата.

Метод исследования: сбор и анализ доступной информации в литературе и интернете, анкетирование, конструирование, проведение эксперимента, наблюдение.

Актуальность проектной работы: состоит в том, что на сегодня в мире остро встают проблемы истощения и загрязнения плодородных земель, засушливых и безводных территорий, нехватки продуктов питания в регионах с высокой плотностью населения, решению которых могут способствовать новые методы растениеводства, в том числе и гидропоника. Кроме того, необходимо искать, исследовать и практически применять новые экологически безопасные методы выращивания растений на небольших площадях с применением минимального количества удобрений, воды и человеческого труда.

Глава 1. Теоретические основы гидропоники.

    1. Гидропоника из прошлого

На первый взгляд может показаться, что гидропоника – это современный метод выращивания растений. Но, оказывается, гидропоника существовала еще в древности!

600 год до н. э. – одно из семи чудес света висячие сады «Семирамиды». Это самое древнее письменное о применении упоминание большой оросительной системы, встроенной в здание. Эти необычные сады в пустыне на берегу реки Ефрат (рисунок 1, Приложение 1), были обеспечены искусственной системой водоснабжения из реки обогащенной кислородом и минералами. Растения росли в желобах, в которых постоянный поток воды омывал их корни. [1].

1100 год – индейские племена Южной Америки и Мексики (ацтеки и другие) применяли плоты, называемые «чинампа», для увеличения площадей пахотной земли (рисунок 2, Приложение 1). Они использовали переплетенные стебли камыша, тростника и кукурузы для постройки плавучих «островков» на озерах. На такой каркас они накладывали богатую питательными веществами грязь из вулканической земли. Эти плавучие острова затем использовались для выращивания сельскохозяйственных культур. Растения получали питание как из илистой грязи, так и из корней, проросших в воду. Эти озера были очень богаты растворенными солями, вода была прохладна и хорошо насыщена кислородом[2].

Висячие сады «Семирамиды» и Плавающие сады ацтеков были прародителями современной гидропоники.

    1. Гидропоника в современности.

В настоящее время, гидропоника нашла широкое применение. Она используется по всему миру для выращивания растений как на суше, так и в воде, без использования почвы, как в коммерческих, так и в домашних условиях. Корни растений не вступают в контакт с почвой, а живут в растворе, содержащем все необходимые питательные вещества для роста растений.

Выращивание растений методами гидропоники развивается с космической скоростью. Сегодня создано огромное количество вариантов гидропонных систем как для любителей, так и для выращивания в промышленных масштабах (рисунок 3 Приложение 1).

Гидропонику используют как в дизайне интерьера, так и в украшении фасадов и крыш: Эта отрасль гидропоники также быстро набирает обороты. Городским жителям настала пора привносить больше зелени в свою окружающую среду. Например:

  • в аэропорту Симферополя создали самую большую зеленую стену в Европе методом гидропоники (рисунок 4, Приложение 1). Эта стена - одна из главных достопримечательностей аэропорта. Общая площадь - 1600 квадратных метров, высота - 15 метров и ширина - 110 метров. Размеры пятиэтажного дома! Специалисты вырастили на стене папоротники, маранты, филодендроны и эпипремнумы. Конструировали эту красоту специально для аэропорта. Эксперты разработали систему орошения из модулей, которые легко и быстро поменять в случае необходимости. [3]

  • уникальный жилой комплекс «Tree House» в Сингапуре, который попал в Книгу рекордов Гиннеса в номинации «Самый большой вертикальный сад мира». Он не только стал достопримечательностью города и радует своих жильцов прохладой и свежим воздухом, благодаря внедрению «зеленых» технологий город экономит до 400 тыс. дол. в год только на электроэнергии. Это и подтолкнуло власти страны к действию, вскоре здесь можно будет увидеть городские сады и даже плантации овощей на крышах практически всех небоскребов. (рисунок 5, Приложение 1) [4].

    1. Технология гидропоники.

Слово «гидропоника», по-гречески, значит «вода и работа». В науке «гидропоника» - это беспочвенный способ выращивания растений. В основе этого метода лежит замена почвы водой, в которой растворяют питательные вещества, необходимые для роста и развития растений. В общих чертах смысл этого метода заключается в следующем: корневую систему растения погружают в питательный раствор, из которого она затягивает питательные вещества [5].

Существует несколько разновидностей гидропонных систем. В целом, их можно разделить на две основные группы: «Пассивные» и «Активные». В «Пассивных» системах питательный раствор не подвергается какому-либо механическому воздействию и доставляется к корням за счет капиллярных сил. Такие системы получили название - фитильные.

В активных системах питательный раствор циркулирует при помощи помп и насосов. Большинство из них нуждается в параллельной системе аэрации (насыщении кислородом питательного раствора). Существуют сотни модификаций гидропонных систем, но все они - это разновидность шести основных типов:

      1. Фитильная система.

Растение посажено в субстрат, раствор с питательными веществами доставляется к корням за счет действия капиллярных сил. Этот метод часто используется для орошения горшков с землёй в цветочных магазинах (рисунок 6 Приложение 1). Такая система больше подходит для выращивания декоративных растений, которые растут очень медленно и не требуют большого внимания.

      1. Система глубоководных культур (метод «плавающей платформы»).

Система, состоящая из бака и устройства для аэрации воды. Корни погружают в питательный раствор, а воздушный компрессор обогащает его кислородом. В качестве субстрата используется керамзит, компрессор одновременно осуществляет и аэрирование раствора, и капельный полив (рисунок 7 Приложение 1).

К методу глубоководных культур также относятся и плавающие платформы. Это огромные прямоугольные бассейны, наполненные питательным раствором, в которых плавают пенопластовые плоты с рассадой салата. Один и тот же раствор используют весь сезон (добавляя воду и удобрения для баланса). На одном конце бассейна снимают урожай салата и передвигают остальные плоты, чтобы высадить новую партию рассады, это непрерывный процесс.

      1. Система периодического затопления.

Субстрат‎ затопляется питательным раствором, который затем самотеком стекает обратно в бак. Когда вода стекает обратно в бак, то её движение насыщает кислородом корневую систему, что убирает необходимость в принудительной аэрации корней (рисунок 8 Приложение 1).

      1. Система питательного слоя (NFT).

В этом методе, питательный раствор постоянно циркулирует тонким слоем и обеспечивает большую площадь соприкосновения воздуха с водой. Это самый распространенный способ выращивания скороспелых культур, салатов и кулинарной зелени. Подобную систему можно самостоятельно собрать в домашних условиях из пластмассовых водостоков и выращивать на лоджии цветы, зелень или ягоды (рисунок 9 Приложение 1).

      1. Система капельного полива.

Система состоит из бака с питательным раствором, который подается по трубкам на каждое растение с помощью насоса (рисунок 10 Приложение 1). Избыток питательного раствора собирается обратно в баке для повторного использования.

      1. Система аэропоники.

Питательный аэрозоль для корней образуется из раствора при проталкивании смеси с помощью насосов или компрессоров сквозь форсунки, установленные в резервуарах, куда свисают корни растений. Существуют также и ультразвуковые аэропонные установки - их устройство работы немного иное: волны ультразвука, проходя сквозь раствор, заставляют его пузыриться, и уже пар/туман из этих лопнувших пузырьков, используется для увлажнения корней (рисунок 11 Приложение 1).

    1. Преимущества и недостатки гидропоники.

У выращивания на гидропонике есть существенное преимущество перед выращиваем в земле:

  1. Экономия воды. В гидропонной установке воды используется меньше, так как питательный раствор постоянно циркулирует без потерь. Надо только контролировать его уровень и иногда пополнять. Ничто не исчезает в почве или при испарении. Экономия воды по сравнению с растениями, растущими в почве, весьма внушительная.

  2. Рациональнее используется пространство. Растения получают питание на ограниченной площади, не вступая в конкурентную борьбу между собой. В результате растения могут стоять ближе друг к другу, чем в грунте. При этом методе достигается невероятная плотность растений - до 60-70 растений на квадратный метр.

  3. Менее трудоемко, по сравнению с почвенным методом. При постоянной циркуляции воды, можно забыть о ежедневном поливе, нет необходимости в прополке растений и отпадает борьба с сорняками.

  4. Быстрый рост, развитие растения. В гидропонике растению не требуется тратить энергию на поиск необходимых веществ, ведь они подают к корням в легкодоступной форме. Сэкономленную энергию, растение направляет на свой рост, развитие и плодоношение.

  5. Регулирование подпитки. Питание растения находится под вашим полным контролем. В корневую зону попадают только те элементы, которые вы внесете в воду. Это позволяет сократить или полностью исключить использование химических удобрений и пестицидов, которые могут оказывать негативное влияние на окружающую среду и здоровье людей.

  6. Низкое потребление электроэнергии – 101,8 рублей в месяц(Приложение 2).

Недостатки гидропоники:

  1. Подходит не для всех растений. Невозможно вырастить клубневые растения - картофель, свеклу, морковь, редис.

  2. Сложный контроль состава воды – постоянно контролировать состав воды в системе сложно. Если задать растению избыток питательного вещества, неправильную смесь или высокий уровень pH, это может привести к уничтожению всего урожая в один день.

  3. Нельзя перегревать. Температура тоже важный фактор. При температуре 18-22 градусов в пределах корневой зоны растения растут лучше всего. Они могут выдержать и больше – до 26 градусов, затем рост замедлится, и где-то при 35 градусах их корни, лишенные растворенного кислорода, начинают быстро отмирать, а с ними и растения.

  4. Глава 2. Анкетирование.

В школе я провел анкетирование своих одноклассников, чтобы узнать, сколько человек в классе знают о методе гидропоники и как они считают, сможет ли растение жить без земли? В опросе участвовало 31 человек. Результаты анкетирования представлены в таблице (Приложение 3)

По результатам анкетирования я сделал вывод, что большинство моих одноклассников не слышали о гидропонном методе выращивания растений (90% опрошенных) и не знаю, что растения могут жить вне почвы (58% опрошенных). Это подтверждает актуальность моей работы и доказывает практическую направленность.

Глава 3. Конструирование гидропонной установки.

При проведении практической части исследования на первоначальном этапе нам с папой необходимо было определиться с конструкцией гидропонной установки, которую мы решили изготовить самостоятельно в домашних условиях. Изучив типы гидропонных систем, мы остановили свой выбор на «Системе питательного слоя» (NFT)», принцип работы которой, описан в п.1.3.4. Общая схема установки, приведена на рисунке15 Приложение 1.

Список используемых материалов для сборки гидропонной системы, приведен в Приложении 4.

Процесс сборки гидропонной системы приведен в видео [6].

Основные этапы сборки гидропонной установки, были следующие:

  1. Придумали с папой схему гидропонной установки.

  2. Необходимые материалы купили в строительном магазине.

  3. Из деревянных реек мы собрали опору для пластиковых труб. Она должна быть ровной и устойчивой, чтобы питательный раствор распределялся равномерно.

  4. Разметили места крепления труб и установили специальный крепеж (хомут).

  5. Просверлили в пластиковых трубах отверстия под стаканчики для растений. Стаканчик должен опускаться до верхнего края трубы, но не проваливаться в нее.

  6. Установили трубы на опоры и собрали контур циркуляции воды.

  7. Распылитель воздуха, который будет обогащать воду кислородом, мы установили в контейнер и подключили компрессор. Это нужно для того, чтобы корни растения не сгнили, так как они будут постоянно находится в воде. Чтобы это не произошло - нужен кислород, система аэрации.

  8. Подсоединили в контейнеру дренажный слив. Стенки емкости контейнера, а также труб, в обязательном порядке должны быть непрозрачными, иначе вода очень быстро начнет «цвести» - в ней образуются водоросли. 

  9. Установили насос, падающий воду на верхний уровень системы.

  10. Установили удлинитель для питания системы.

  11. Заполнили водой гидропонную установку – 24 литра и добавили удобрение1. Получился питательный раствор для наших растений. Необходимо следить за уровнем воды в установке. На баке мы сделали отметку необходимого уровня воды в системе. Как только уровень воды опуститься ниже отмеченного уровня – надо подливать воду с питательным раствором, так как вода испаряется. Обычно это происходит на 3–4 неделе.

  12. Расположили гидропонную установку таким образом, чтобы растения получали достаточное количество света для роста и развития.

Гидропонная установка готова.

Глава 4. Проращивание растений.

Для своего первого эксперимента, я решил прорастить репчатый лук, салат листовой, а также пшеницу, овес и ячмень.

Для проращивания семян зеленого салата я использовал агровату в пластиковом контейнере, смоченную водой (рисунок 12 Приложение 1). Когда салат пророс, я пересадил его в стаканчики для рассады с отверстиями и опустили в предназначенное для него отверстие в гидропонной установке.

Пшеницу, овес и ячмень я купил в зоомагазине в дренажном мешке из синтепона. Ее я залил водой и поставил в темное место на 3 дня. Когда появились ростки – я пересадил в стаканчики для рассады и установил в гидропонную установку (рисунок 13 Приложение 1).

У репчатого лука я срезал верхушку, посадил его в стаканчик с отверстиями и установил в гидропонную установку (рисунок 14 Приложение 1).

В процессе исследования я выявил одну особенность! Лук отечественного производства показал быстрый рост, чем лук импортного производства. Дело в том, что некоторые партии импортного лука обрабатываются химическими составами, которые препятствуют прорастанию корней и пера. Поэтому для посадки, желательно использовать лук отечественного производителя.

На представленных фотографиях, видна положительная динамика развития растений. Несмотря на отсутствие грунта, растения получают необходимое количество питательных веществ из питательного раствора, поэтому прекрасно себя чувствуют и хорошо развиваются.

Вывод: корневая система растений мощная, с множеством больших и маленьких корней. Кроме того, корни растения в воде не повреждаются и не пересыхают

Заключение

Проведя запланированные опыты и реализовав поставленные задачи, мною были достигнуты намеченные цели: я изучил доступные источники информации, в домашних условиях сконструировал с помощью моего папы гидропонную установку (рисунок 16 Приложение 1), прорастил растения и сделал выводы.

Возможно, ли вырастить растения без почвы в домашних условиях?

Проведенный мной опыт показал, что да, это возможно! Я убедился в том, что растения действительно могут жить без земли, а метод гидропоники можно применять в домашних условиях.

В процессе работы я столкнулся со следующими сложностями: погружной насос приобрели большей мощности, чем требовалось. Из-за быстрого потока воды, стаканчики с растениями двигались и страдали их корни. Эту проблему удалось решить с помощью регулировки уровня подачи воды в трубу. В первом варианте конструкции, подача воды шла в верхнюю часть горизонтальных труб, а после регулировки подача пошла в нижнюю часть труб. Таким образом, удалось снизить скорость потока воды.

В ходе работы над проектом мы с моим классным руководителем Лазаревой Ириной Сергеевной, провели тематическую беседу в классе. Моим одноклассникам, я рассказал о методе гидропоника и продемонстрировал свою гидропонную установку. Идея выращивать растения без почвы заинтересовала моих одноклассников. Несколько человек захотели попробовать создать гидропонную установку у себя дома. Значит, работа проведена не зря.

Я планирую усовершенствовать свою гидропонную установку и продолжить исследования с растениями в различных условиях. Для этого, на каждый уровень системы я хочу добавить освещение для растений (фитолампы полного спектра), установить датчик температуры воды и влажности воздуха, а также увеличить число посадочных мест для растений, за счет дополнительных труб с противоположной стороны системы.

Я считаю, что гидропоника - эта древнейшая наука, которая не перестает удивлять в настоящем и открывает новые возможности для человечества в будущем и возможно не только на планете Земля…

Список литературы и источники информации.

  1. Что такое гидропоника? [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://uralgidroponika.ru/blog/istoriya_gidroponiki/

  2. Уильям Тексье. Гидропоника для всех. Все о садоводстве на дому. /Перевод с английского Арам Оганян, Издательство Mama Publishing, 2015г. – 277 с. - ISBN 978-2-84594-159-5

  3. Самая большая зелёная стена в Европе [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ficus-design.ru/simferopol?ysclid=lrel6tl81p799710026

  4. Гигантский вертикальный сад Сингапура – идеальный «живой» кондиционер и архитектурный шедевр [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://novate.ru/blogs/140220/53415/?ysclid=lreljz4fj6144948281

  5. Гидропоника - Википедия [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Гидропоника

  6. Процесс сборки гидропонной установки – Режим доступа: https://disk.yandex.ru/d/eCW0XHgi7fIO1w

  7. Приложение 1

Рисунок 1 «Висячие сады «Семирамиды»

Рисунок 2 «Плавающие сады ацтеков»

   

Рисунок 3 «Современные гидропонные установки»

   

Рисунок 4 «Самая большая зеленая стена в аэропорту Симферополя»

Рисунок 5 «Самый большой вертикальный сад мира в Сингапуре»

   

Рисунок 6 «Фитильная система»

 

Рисунок 7 «Система глубоководных культур (метод «плавающей платформы»)»

 

Рисунок 8 «Система периодического затопления»

 

Рисунок 9 «Система питательного слоя (NFT)»

 

Рисунок 10 «Система капельного полива»

 

Рисунок 11 «Аэропоника»

 

Рисунок 12 «Проращивание листового салата»

 

Рисунок 13 «Проращивание пшеницы, овса и ячменя»

 

Рисунок 14 «Проращивание репчатого лука»

 

Рисунок 15 «Схема моей домашней гидропонной установки»

 

Рисунок 16 «Моя домашняя гидропонная установка»

 

Приложение 2

Расчет энергопотребления гидропонной установки

Наименование

Мощность, Вт

Кол-во, шт.

Время работы в день, час

Энергопотребление

в сутки, Вт*ч

Энергопотребление

за 1 месяц 2

Тариф, руб./кВт 3

Стоимость за 1 мес., руб.

1

Компрессор TetraAPS 150

3,1

1

24

74,4

2 306,4

5,05

11,6

2

Насос Seaflo mоdel-SFSP1-L016-01

24

1

24

576

17 856

90,2

Итого:

27,1

2

24

650,4

20 162,4

101,8 рублей

Приложение 3

Результаты проведенного анкетирования в 1 Д классе МАОУ СОШ №10 4

Вопросы анкеты

Результат анкетирования

1

Есть ли у вас дома комнатные растения?

Да – 30 чел.

Нет – 1 чел.

 

2

Как вы считаете, могут ли растения расти в воде?

Да – 13 чел.

Нет - 18 чел.

 

3

Слышали ли вы о гидропонике?

Да – 3 чел.

Нет – 28 чел.

 

Приложение 4

Список используемых материалов для сборки гидропонной системы

Наименование

Количество, шт.

1

Труба канализационная 110 мм

3

2

Труба канализационная 50 мм

2

3

Контейнер пластиковый с крышкой 15л

1

4

Хомут для фиксации труб 110мм

6

5

Уголок (отвод) 50мм

4

6

Переход эксцентрический 110/50

2

7

Стаканчики для рассады с отверстиями

24

8

Муфта ремонтная 110мм

3

9

Заглушка 50мм

1

10

Рейки деревянные

5

11

Гофросифон для кухонной мойки

1

12

Погружной насосSeaflomоdel-SFSP1-L016-01

1

13

Шланг силиконовый прозрачный 2 м (для насоса)

1

14

Шланг аквариумный 2 м (для распылителя)

1

15

Компрессор аквариумный TetraAPS 150

1

16

Распылитель аквариумный 35 см

1

17

Обратный клапан

1

18

Удлинитель электрический 2 м

1

19

Стяжки пластиковые

6

20

Смазка сантехническая

1

21

Вода

24 литра

22

Удобрение универсальное

250 мл.

1 Универсальное удобрение для гидропоники мы купили в интернет магазине, в котором содержатся все необходимые питательные вещества.

2 Месяц – 31 день

3 Тариф ЗАО «Балашихинская электросеть» (БЭЛС) за 1 кВТ/ч

4 В анкетировании приняли участие - 31 человек

Просмотров работы: 55