VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Вертикальная гидропоника

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Холодкова М.Е. 1

---

1ГБОУ ШКОЛА № 1595

Павлюченкова М.В. 1

---

1ГБОУ ШКОЛА № 1595

Работа в формате PDF

519 KB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Актуальность темы проектной работы:

В настоящее время лишь на 10% земной поверхности можно выращивать сельскохозяйственные культуры. С ростом населения планеты ситуация усложняется. Почва подвергается загрязнению и эрозии. Этот процесс очень сложно остановить.

В сложившейся ситуации человечеству нужно осваивать новые технологии для производства продуктов питания. Гидропоника, на мой взгляд, является одной их таких перспективных технологий.

Вертикальная компоновка гидропонных систем позволяет более эффективно использовать рабочее пространство и выращивать больше растений на единицу полезной площади.

Целевая аудитория:

Ученики 3-10 классов.

Введение

В настоящее время лишь на 10% земной поверхности можно выращивать сельскохозяйственные культуры. С ростом населения планеты ситуация усложняется. Почва подвергается загрязнению и эрозии. Этот процесс очень сложно остановить.

В сложившейся ситуации человечеству нужно осваивать новые технологии для производства продуктов питания. Гидропоника является на мой взгляд является одной их таких перспективных технологий. Данная технология приобретает всю большую популярность в Австралии, Израиле, Канаде, США и Голландии, а также в России. В настоящее время до 80% всех овощей, зелени, фруктов, в Израиле выращивается гидропонным способом. Армия США всегда имеет в наличии всё необходимое для развертывания в полевых условиях гидропонных теплиц для овощей и зелени.

Вертикальная компоновка гидропонных систем позволяет более эффективно использовать рабочее пространство и выращивать больше растений на единицу полезной площади.

Общая часть

Что такое гидропоника?

Гидропоника – это способ выращивания растений без почвы, при котором растение получает из раствора все необходимые питательные вещества в нужных количествах и точных пропорциях (что почти невозможно осуществить при почвенном выращивании).

Слово гидропоника произошло от греч. υδρα — вода и πόνος — работа, в итоге получаем «рабочий раствор».

История гидропоники начинается с глубокой древности. Например, Висячие сады древнего Вавилона, являющиеся одним из Семи чудес света, были, вероятно, одной из первых удачных попыток выращивания растений на искусственных почвах.

Рисунок 1 Висячие сады Семирамиды

Плавающие сады Ацтеков в Центральной Америке - еще один удачный пример применения технологии гидропоники. Кочевые племена индейцев были вытеснены со своих плодородных земель воинственными соседями. И тогда они изобрели плоты из длинных стеблей тростника «Чампас», на которые уложили ил со дна озера. Корни, пробиваясь к воде, доставляли растению влагу. Так и выращивался обильный урожай овощей и фруктов.

Рисунок 2 Плавучие сады ацтеков

Гидропоника в мире и России сегодня

Сегодня гидропоника доступна как для частного, так и для коммерческого использования.

В Скандинавских странах овощными культурами, выращиваемыми на гидропонике, занято более 80% общей площади теплиц, а в Нидерландах - стране классической культуры земледелия на естественных почвах - более 50% (из 4000 га. площади, занимаемой овощными культурами, более 2000 га. переведено на малообъемные субстраты, преимущественно на минеральную вату). В пленочных теплицах тропических и субтропических зон земного шара малообъемная технология также вытесняет старые способы выращивания. Огромных успехов в промышленном применении гидропоники добились в Израиле, США, Канаде и Японии.

В настоящее время Россия не входит в число мировых лидеров по урожайности на гидропонике. Однако, многие фермерские хозяйства с успехом применяют гидропонику на территории всей страны. Например, Санкт-Петербург (ООО «ГРИН ХИЛС»), Москва (Агрохолдинг "Московский") и т.д.

Развитие гидропоники в нашей стране может и должно стать достойным ответом на экономические санкции Европы и США. Одним из перспективных направлений является обеспечение потребности в свежих овощах и зелени северных регионов нашей огромной страны.

Какие растения пригодны для гидропоники?

Гидропоника позволяет выращивать практически все культуры. Широко распространено выращивание зелени на гидропонике (салат, укроп, лук, мята и прочее). Клубника и земляника также весьма благодарно относятся к такому способу посадки. С помощью гидропоники можно выращивать бобовые культуры, томаты, огурцы.

К сожалению, с помощью гидропоники невозможно вырастить клубневые растения — картофель, свеклу, морковь, брюкву, редис. Дело в том, что сам принцип метода предполагает нахождение корней в воде. И, если обычные корни растений относятся к этому вполне лояльно, получая из воды питательные вещества и усваивая их для роста растения, то клубни не могут перенести такой влажности, и начинается гниение. Также исключением являются грибы, чьи потребности в питательных элементах резко отличаются от растений. Поэтому, их выращивание методом гидропоники невозможно.

Технологии гидропоники

На сегодняшний день известны несколько десятков гидропонных систем, которые сводятся к шести основным типам:

Системы фитильного полива

Системы глубоководных культур

Техника питательного слоя

Системы периодического затопления

Системы капельного полива

Аэропоника

Эти шесть типов гидропонных систем можно разделить на две группы:

«Пассивные» или фитильные системы: в таких системах питательный раствор поступает к корням по капиллярам без какого-либо механического воздействия. Один конец фитиля погружают в емкость с питательным раствором, а другой - в горшок с растением. К ним относят Системы фитильного полива.

«Активные» системы: в таких системах циркуляция питательного раствора или его аэрация не обходится без механического воздействия. Питательный раствор и воздух поступает к корням при помощи различных помп и насосов. К ним можно отнести пять остальных типов гидропонных систем.

Рассмотрим каждый из шести типов гидропонных систем в отдельности.

Система фитильного полива

Фитильная система – самая простейшая пассивная гидропонная система из всех существующих.

Эта система работает по принципу (капиллярных сил¹). Питательный раствор поступает в субстрат² и к корневой системе по (фитилям), обеспечивая растение всеми необходимыми питательными веществами.

Рисунок 3 Фитильная система

Данную гидропонную систему с большим успехом можно использовать при декоративном растениеводстве в земле, поместив один конец фитиля в питательный раствор, а другой в горшок. Такое искусственное орошение избавит вас от множества хлопот, связанных с поливом растений. Однако, фитильная система эффективна лишь в декоративном растениеводстве и при выращивании миниатюрных культур или кактусов. Корневая система крупных растений поглощает гораздо большее количество влаги, чем то, которое ей могут доставить фитили. Именно по этой причине фитильные системы не получили широкого применения в коммерческом выращивании растений.

Система глубоководных культур

Система глубоководных культур (Deep Water Culture - DWC) – самая простая из всех (активных) гидропонных.

Рисунок 4 Система глубоководных культур (DWC)

Система состоит из контейнера и устройства для аэрации воды. Корни погружают в питательный раствор, а воздушный компрессор обогащает его кислородом. В качестве субстрата используется керамзит. Корни растений в DWC-системах обычно максимально заполняют свободное пространство, и растения растут намного быстрее чем в почве.

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

Рисунок 5 Система плавающих платформ

Данная система идеальна для выращивания быстрорастущих небольших растений, нуждающихся в большом количестве жидкости (к примеру, салат), но не подходит для больших и долголетних растений.

Этот тип систем лучше остальных подходит для получения начальных навыков в выращивании гидропонным методом.

Техника питательного слоя

Техника питательного слоя (Nutrient Film Technique – NFT) – одна из самых известных и часто применяемых гидропонных систем.

Рисунок 6 Техника питательного слоя (NFT)

В системе используется принцип постоянного тока питательного раствора тонким слоем по дну емкости, куда опущены кончики корней растений. Раствор стекает в ту же емкость, из которой берется вновь. В данном гидропонном методе субстраты, как правило, не используется. Растения закрепляются в горшки с прорезями для свободного роста корней, а влажный воздух над поверхностью питательного слоя хорошо обеспечивает корни кислородом. Данная технология позволяет существенно экономить на замене субстратов после сбора урожая. Это самый распространенный способ выращивания скороспелых культур, салатов и кулинарной зелени.

Наибольшая проблема этой системы в том, что при отключении электричества происходит отключение насоса, корни растений начинают очень быстро высыхать, что может привести к гибели растений. Как вариант решения данной проблемы, устанавливают аварийные автономные источники питания (аккумуляторы) и используют субстраты, которые задерживают влагу.

Системы периодического затопления

Система периодического затопления (Flood & Drain - FDS), время от времени затопляют поддон для выращивания питательным раствором и затем сливают раствор обратно в резервуар. Эти действия обычно производятся с погруженным насосом, который связан с таймером.

Рисунок 7 Система периодического затопления (FDS)

Когда таймер включается, насос закачивает питательный раствор в поддон для выращивания. Когда таймер выключается, питательный раствор самотеком сливается в резервуар. Таймер настраивается индивидуально в зависимости от размера и типа растения, температуры и влажности и типа используемого субстрата.

Главный недостаток систем этого типа – это уязвимость к отключению электричества, а также отказам таймера и насоса. Корни могут быстро высохнуть, в случае прерывания циклов полива.

Системы капельного полива

Система капельного полива (Drip System) – самая распространённая в мире гидропонная технология. В основную трубу подается питательный раствор. Далее через трубочки, отходящие от основной трубы, раствор подается непосредственно под основание растения.

Рисунок 8 Система капельного полива

К плюсам данной технологии можно отнести:

Гибкость - растения могут быть добавлены или изъяты в любое время.

Проста реализация при достаточной эффективности.

Недостатком является проблема верхнего полива. При поливе сверху раствор, уходя по пути наименьшего сопротивления, может давать недостаточно питательных веществ и влаги корням.

Аэропоника

Аэропонная (воздушная) система – самая высокотехнологичная система из всех существующих.

Аэро-гидропонные системы распыляют раствор в корневой зоне растений и пространство заполняет влажный воздух, насыщенный водяными парами и кислородом. Таким способом выращивают в основном клубневые или корнеплодные культуры. Этот метод работает даже когда температура питательного раствора превышает 30°С, поэтому аэропоника пользуется спросом в странах с жарким климатом.

В аэропонике очень важна сверхвысокая точность настройки таймера, которая обеспечивала бы короткий цикл и включала насос на несколько секунд каждые несколько минут.

Недостаток системы – высыхание корней при отключении электричества или же поломке таймера или насоса.

Особенности технологии

В качестве питательной среды для растений на гидропонике используется специальный раствор, содержащий все соединения, необходимые растению для полноценного развития.

Для обеспечения корневой системы кислородом в питательный раствор погружают только часть корней, согласно выбранной технологии.

Состав питательных веществ готовится под конкретное растение, его стадию развития и под конкретную гидропонную систему, в которой выращиваются растения.

Существует несколько основных правил, которые необходимо учитывать для успешного использования питательных растворов:

оптимальная концентрация питательных веществ;

оптимальный уровень рН;

аэрация питательного раствора;

оптимальный свет, температура, влажность, концентрация углекислого газа в воздухе.

Гидропонику легко использовать, как на улице под солнцем, так и в помещениях.

Преимущества технологий гидропоники заключаются в снижении трудоемкости выращивания растений и достигаются, благодаря нескольким весомым факторам:

Не нужен плодородный грунт.

Не требуется полив.

Нет насекомых-вредителей и сорняков.

Не требуется прополка, рыхление и другие видов обработки грунта.

Система может быть абсолютно автоматизирована.

Если технология гидропоники хорошо отлажена, то процесс выращивания растений заключается непосредственно в выращивании рассады и сборе урожая. Также необходимо систематически следить за гидропонной установкой и подливать раствор.

Способы компоновки гидропонных систем

По способу компоновки можно выделить горизонтальные и вертикальные системы гидропоники. В настоящее время вертикальные системы наиболее распространены. Они практически вытеснили горизонтальные системы. Причина – вертикальные систем позволяют наиболее эффективно использовать пространство теплиц и получать больше урожая.

Практическая часть

В рамках практической части моей проектной работы мною были выполнены следующие задачи:

Проектирование и сборка вертикальной гидропонной установки;

Выращивание рассады листового салата;

Подготовка питательного раствора;

Посадка рассады в гидропонную установку;

Контроль параметров питательного раствора;

Контроль состояния и динамики роста растений;

Оценка достигнутых результатов.

Изготовление вертикальной гидропонной установки

Прототип для моей вертикальной гидропонной установки был найден мной в сети интернет. Для установки я использовала компоненты, перечисленные в Таблице 1.

Таблица 1 Компоненты гидропонной установки

Гидропонную установку мы собирали вместе с папой. На схеме ниже гидропонная установка в сборе. На схеме: 1 - каркас; 2 – контейнер с питательным раствором; 3 – фитолампы; 4 – колонна с растениями; 5 – помпа; 6 – трубопровод для подачи питательного раствора в верхнюю точку системы.

За счет вертикальной компоновки моя установка позволяет выращивать одновременно до 15 растений на площади 0,5 м2. Это в 3 раза больше, чем возможно при горизонтальной компоновке на аналогичной площади.

Схема 1. Схема гидропонной установки

Выращивание листового салата

Проращивание семян

Для своего эксперимента я использовала семена листового салата «Восторг». Салат данного сорта был выбран потому, что является неприхотливым и скороспелым (срок созревания в грунте: 30-35 дней).

В качестве субстрата для проращивания семян я использовала кубики из минеральной выты. Кубики смачивались питательным раствором HESI соответствующей концентрации. После этого в каждый кубик высаживались по два семечка салата (чтобы снизить риск того, что семена не взойдут). Далее кубики с семенами помещались в сетчатые горшочки и располагались в прозрачном контейнере на подоконнике.

Через 3 дня все семена взошли. Ещё через 3 дня высота рассады достигла 5 сантиметров. Рассада была готова к пересадке в гидропонную установку.

Приготовление питательного раствора

Перед размещением рассады в гидропонной установке необходимо было приготовить питательный раствор. Для этого использовалось готовое жидкое однокомпонентное удобрение HESI (Голландия). Удобрение концентрированное, его количество на литр воды определялось по таблице на бутыли.

Рабочий объем питательного раствора в установке 10 литров. В качестве основы я использовала отстоянную водопроводную воду. Перед внесением удобрения требовалось скорректировать уровень PH воды. Этот показатель определяет кислотность раствора и очень важен для нормального роста растений в гидропонной установке. Нормальное значение PH от 5,0 до 6,5.

Для измерения PH я использовала прибор PH-метр. Корректировка PH до нормального выполнялась с помощью специальных растворов PH+ и PH-. После добавления удобрения измерение и корректировка уровня PH производится повторно.

Размещение рассады в гидропонную установку

Готовая рассада была пересажена в гидропонную установку, заполненную питательным раствором. Предварительно мною были настроены таймеры так, чтобы помпа запускалась 1 один раз каждый два часа на 15 минут, а фитолампы включались в 8 часов и выключались в 22 часа (режим «день-ночь»). После подключения электропитания система заработала штатно.

Контроль состояния питательного раствора

Для нормального роста салата нужно ежедневно контролировать характеристики питательного раствора: уровень PH и электропроводимость.

Способ измерения и корректировки PH описан выше.

Электропроводимость EC определяет концентрацию питательных веществ в растворе, измеряется в Сименсах на квадратный сантиметр. Для определения электропроводимости я использовала специальный прибор – кондуктометр. Салату для нормального роста требуется EC от 0,7 до 1,8 мСм/см. Причем значение электропроводимости (концентрацию питательных веществ в растворе) следует увеличивать по мере роста салата. Для повышения EC необходимо добавить удобрение в раствор, для понижения – воду с откорректированным PH.

Контроль роста растений

Для эксперимента необходимо было регулярно контролировать динамику роста растений. Контроль роста салата проводился 1 раз в 3 дня, измерения осуществлялись линейкой. Результаты я записывала в таблицу. По итогам измерений я построила график.

График 1. График роста салата

Сбор урожая, оценка качества

Длительность эксперимента составила 30 дней. В итоге мною был получен полноценный урожай листового салата, пригодный для употребления в пищу. При этом срок полного созревания на гидропонике получился на 7 дней меньше, чем указано производителем семян. По вкусовым качествам салат, выращенный на гидропонике, не отличается от грунтового.

Выводы

Я считаю, что цель моего проекта, выявить преимущества вертикальной гидропоники перед традиционной технологией выращивания растений в грунте и другими видами гидропонных систем, достигнута. Во-первых, мною доказано, что с помощью гидропоники можно существенно сократить сроки выращивания салата по отношению к традиционным методам. Во-вторых, я доказала, что вертикальная компоновка гидропонной системы позволяет выращивать в несколько раз больше растений на единицу площади, чем это возможно в горизонтальных гидропонных системах.

Заключение

Гидропоника и беспочвенное культивирование могут стать панацеей от проблем современного мира – глобальное потепление, плохое питание, новые заболевания, рост цен на продукты питания, использование генетически модифицированных продуктов, увеличение мировых конфликтов, нехватка чистой питьевой воды, истощение почв, и других проблем, связанных с перенаселением. Будущее принадлежит таким технологиям, как гидропоника.

Источники информации

www.gidroponika.com

www.promgidroponica.ru