О субстратах

По происхождению субстраты делят на естественные и искусственные. К естественным относят органические (торф, мох) и минеральные (гравий, песок и др.), а к искусственным — минеральные, полученные на основе обработки минеральных заполнителей (керамзит, вермикулит и др.), и синтетические, являющиеся производными различных химических процессов (поливинилхлорид, ионообменная смола).

 

Как и любой материал, субстрат характеризуется рядом общих физико-механических показателей (плотность, твердость, прочность и т. д.). Но когда речь идет об использовании субстрата в качестве заменителя почвы, важное значение приобретают особые его свойства: водовместимость, водоудерживающая способность, влагоемкость, поскольку они во многом определяют условия питания растений.

Различают инертные и химически активные субстраты. К первым причисляют такие, которые не сорбируют на своей поверхности ионы питательного раствора и продукты метаболизма — обменных реакций растений — и не выделяют в раствор каких-либо веществ (кварцевый гравий, синтетические материалы, полученные в результате полимеризации). Ко вторым относят те, что обладают емкостью поглощения и сорбируют ионы питательного раствора или продукты метаболизма растений (ионообменные смолы).

Гравий и щебень — самые распространенные и долговечные субстраты под овощные и цветочные культуры. Обычно берут кремневый или кварцевый гравий либо гранитную щебенку. Большое значение имеют размеры частиц этих материалов. Лучший результат в ряде исследований получен на гранитном щебне с частицами от 3 до 15 миллиметров. Гравий и щебень не должны содержать углекислый кальций: он может подщелачивать раствор и вызывать выпадение фосфатов в виде нерастворимого осадка.

Во многих хозяйствах под субстрат широко используют торф. В воздушно-сухом состоянии торф способен удерживать воды вдесятеро больше собственной массы, в нем находится и достаточное количество воздуха, необходимого для дыхания корней.

 
Субстрат вулканический туф
 

Субстрат перлит

В качестве субстрата применяют также вулканический туф и перлит. Туф представляет собой цементированные рыхлые продукты вулканических извержений. Перлит — стекловидная горная порода того же происхождения. Хотя оба материала инертны, однако при длительном использовании на них осаждаются соли, в результате чего происходит обеднение питательного раствора (прежде всего фосфором и калием). Одним из путей предотвращения этого процесса, особенно в условиях сильного испарения, может служить полив субстрата водой, очищенной от солей.

Из искусственных минеральных субстратов наиболее широко применяют керамзит. Его получают обжигом легкоплавких глин при температуре 1150 — 1130 градусов в виде коричневых пористых гранул размером 5—40 миллиметров.

Керамзит легких сортов с насыпной объемной массой 200—450 килограммов на кубический метр за несколько ротаций, то есть смен растений, заметно разрушается. При поливе его частицы всплывают и травмируют корни. Поэтому возделывать растения следует на керамзите с объемной массой 550—650 килограммов на кубический метр. По физико-химическим свойствам керамзит инертен: он не изменяет pH питательного раствора; однако если получен из карбонатных глин, то отдает в раствор значительные количества кальция и поглощает фосфор.

К сожалению, многие гранулированные субстраты в процессе эксплуатации стареют. Урожай постепенно начинает снижаться при длительном (5—7 лет) использовании субстрата из-за накопления в нем продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, корневых остатков.

Для восстановления субстратов в гидропонных хозяйствах применяют различные способы регенерации: обрабатывают растворами карботиона, хлорной извести перекиси водорода. В последнее время по рекомендации Е. И. Ермакова применяют щелочную обработку. Регенерирующим (0,2-процентным) раствором едкого калия (КОН) затопляют субстрат и оставляют на 5— 7 суток. После этого из него удаляют корневые остатки и промывают теплой (40—45 градусов) водой. Затем субстрат затопляют подогретым (0,03 - 0,6-процентным) раствором перекиси водорода и выдерживают в течение суток. Потом обрабатывают раствором азотной кислоты до получения pH 6,5—6,8. При большем значении pH в раствор добавляют ортофосфорную кислоту и вновь промывают субстрат. После установления pH 6,5—6,8 субстрат смачивают несколько раз питательным раствором, измеряя и, если необходимо, корректируя pH. Теперь субстрат подготовлен для растений.

Старение субстрата и связанная с тем утрата плодородия искусственного поля, надо полагать, были серьезными обвинениями в адрес гидропоники. Ведь когда в таких теплицах вдруг начал снижаться урожай, а отчего это происходило, не сразу разобрались, многие поостыли к гидропонике, что, вероятно, отразилось на ее развитии.

Но любая наука переживает критические моменты, драматические ситуации. Есть они и в истории нашего направления. Важно другое: ученые не отступили, они продолжили поиск и смогли успешно преодолеть трудности роста промышленной гидропоники.

Главная проблема, с которой столкнулись специалисты через 5—6 лет эксплуатации гидропонных комплексов, состояла в том, что, действительно, урожайность растений начала падать и, естественно, экономическая эффективность да и вообще преимущества новой технологии, казалось, могли быть утраченными. Однако в ряде научно-исследовательских организаций, в частности в Агрофизическом институте (Е. И. Ермаков), был разработан принципиально новый подход к вопросу взаимодействия системы растение — искусственная корнеобитаемая среда, что позволило дать теоретическое объяснение причин снижения урожая и предложить эффективный метод их устранения. Вкратце этот метод мы только что описали.

Вопрос о субстрате — один из важнейших, а может быть, и основной в гидропонике. Ведь, как говорит ученый, ИКС — искусственная корнеобитаемая среда — и есть та «почва», на которой зиждется коренное отличие гидропонного способа возделывания растений от обычного.

Свежая, еще ни разу не занятая растениями искусственная корнеобитаемая среда (ИКС) после увлажнения представляет собой трехфазную систему: твердая фаза — гранулы, жидкая — питательный раствор, воздушная — заполняющий пространства между увлажненными гранулами воздух. После того как в этой среде поселятся корни растений, возникает живая — биогенная фаза, в которую входят корневая система и микрофлора. Эта фаза все время меняется в результате непрерывного развития биологических организмов.

Еще одна особенность ИКС. У природной почвы нет «дна» — корни растений беспрепятственно могут проникать на любую доступную им глубину. Кроме того, влага в ней свободно перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях на большие расстояния. Совсем иначе обстоит дело в поле искусственном. Глубина почвозаменителя всего-навсего 20— 25 сантиметров, и нетрудно вообразить себе картину смешения и противоборства корней в этом ограниченном бетонным ложем стеллажа пространстве.

В таких условиях резко возрастают нагрузки на частицы субстрата. И далеко не все материалы, в остальном обладающие рядом ценных агрофизических свойств, способны их выдержать. Самым прочным субстратом, как уже отмечалось, зарекомендовал себя керамзит, который в процессе длительной эксплуатации разрушается очень мало.

Гранулированные корнеобитаемые среды состоят из частиц, близких по форме к шарообразным. А сыпучее тело, частицы которого обладают сферической формой и одинаковыми размерами, принято называть «идеальной почвой». Так что при изучении и оценке физических свойств и поведения в них влаги гранулированные ИКС оценивают по закономерностям, присущим почве «идеальной». Именно керамзит соответствует всем требуемым параметрам настолько, что в настоящее время является самой распространенной ИКС промышленной гидропоники.

Водно-воздушные условия в ИКС во многом определяются размерами гранул, продолжительностью использования почвозаменителей, количеством накопившегося в них мелкозема, а также гидрофильностью и гидрофобностью материала. В процессе эксплуатации гранулы керамзита покрываются органо-минеральной пленкой, отчего значительно повышается влагоемкость субстрата. За 5—7 лет эксплуатации в ИКС накапливаются мелкозем (минеральные частицы) и органические остатки.

Мелкозем связан с ветровой эрозией земель. Ветер разгоняет почвенные частицы, сталкивает друг с другом, разбивая до пыли, до мелкозема. Происходит выветривание, снижение плодородия почвы. С годами свои плодородные свойства теряет, в частности от появления мелкозема, и керамзит.
 

Откуда же берется мелкозем в искусственных средах?

Оказывается, в ИКС также идет своеобразная эрозия - химическое и биогенное вырождение почвозаменителя. Так, накапливающиеся органические вещества и мелкозем значительно увеличивают удельную поверхность гранул, существенно изменяя характеристики субстрата.

Керамзитовые субстраты проверили и на пористость, поскольку это один из решающих факторов, формирующих водный режим корнеобитаемой среды. Специальные испытания выявили, что в керамзите преобладают тупиковые, так называемые альвеолярные поры, сквозных же мало. Слов нет, свойство не похвальное: в порах могут накапливаться метаболиты - продукты обмена веществ, гнездиться всевозможные грибы, возбудители заболеваний растений. Из-за такого строения гранулы очень долго пропитываются раствором, ядохимикаты и химические соединения удаляются медленно, трудно. Но, как показали исследования, «те же поры обеспечивают и значительную буферность керамзита, приближая его по этому показателю к почве».

Была изучена и взаимосвязь в искусственной почве между давлением к среде, ее влагопроводностью и влажностью. Водный обмен растений в субстрате более напряженный, чем в почве. Корни, заполняя весьма ограниченное пространство, день ото дня меняют характеристику ИКС. Влага поступает к ним периодически и сразу в больших дозах (в жаркие дни 2—5 раз в сутки). Столько же раз нижняя часть корневой системы оказывается в условиях переувлажнения. При этом поры керамзита заполняются раствором и некоторые оказываются словно запечатанными. Тогда в них, как и в изолированных водяными пробками капиллярах, повышается содержание биогенного С02 и других метаболитов.

А что же происходит с корнями при увлажнении? На их поверхности изменяются осмотическое давление, соотношение элементов минерального питания, газовый режим. И хотя считается, что высокая межагрегатная пористость крупнозернистых ИКС, а также возможность полива их через любой промежуток времени обеспечивают оптимальные условия водного и воздушного обменов корней, игнорировать все особенности состояний ИКС в процессе эксплуатации — значит, пренебрегать реальными факторами, от которых в большой степени зависит эффективность гидропонного производства.

Получается, что ИКС — создание человека — порой выходит из повиновения и задает своему творцу непростые вопросы, решение которых требует новых усилий, продолжения исследований.

Да, это так. Но ведь речь идет о полноценном заменителе такой сложной природной среды, как почва, об основе жизни растений.

Напомним, что почвой называют не всякую землю, а только ту, которая обладает свойством плодородия. Это свойство определяется действием микроорганизмов. Они-то, участвуя в круговороте веществ, создают в почве запас доступных для растений элементов минерального питания, а также обеспечивают их разнообразными органическими соединениями — витаминами, антибиотиками, стимуляторами и ингибиторами роста и рядом других. Взаимодействия же почвенных организмов с растениями разнообразные и очень сложные.

Вот хотя бы такой аспект. Органические вещества в почве минерализуются. При этом выделяется углекислота. Часть ее перехватывают листья растений и используют в фотосинтезе. А что происходит в ИКС, было изучено, к сожалению, гораздо позже того, как уже стали применять гидропонику в широких масштабах. Считалось, например, что растения на ИКС надо «подкармливать» углекислотой, поскольку предполагался ее дефицит из-за отсутствия почвы. Словом, субстратам отводилась роль инертной корневмещающей среды, служащей только опорой для корней и накопителем питательного раствора.

Потом взгляд на ИКС существенно и справедливо изменился. Было установлено, что при многолетнем использовании субстратов возникает процесс первичного почвообразования со всеми вытекающими отсюда последствиями. Проведенные во Всесоюзном научно-исследовательском институте сельскохозяйственной микробиологии сравнительные анализы дерново-подзолистой почвы, керамзита, песка и торфяной смеси, на которых долгое время выращивались томаты, подавали практически одинаковую общую численность обитающих в них микроорганизмов.

При частой смене питательного раствора на корнях растений размножаются многочисленные колонии всевозможных микроорганизмов. Питаются эти организмы корневыми выделениями и могут служить для растений добавочным источником полезных веществ. В прикорневой зоне ИКС, отметим еще раз, микрофлора так же многочисленна, как и в естественной почве. Нет существенной разницы и в выделении углекислоты почвой и субстратом. Так что установку дополнительных источников углекислоты следует связывать со стремлением получить в защищенном грунте больший, чем на почве, урожай.

Под воздействием питательного раствора меняется структура поверхности частиц почвозаменителя. Здесь появляются пленки минеральных соединений, которые почти не взаимодействуют с раствором, тем самым снижая химическую активность ИКС. Это явление, кстати, натолкнуло на идею специально наносить на гранулы пористые пластмассовые или минеральные пленки. В процессе интенсивного биогенного разрушения почвозаменителей в сильнокислой среде на поверхности частиц ИКС образуется кремниевая кислота. Наиболее устойчив к ней так называемый сельскохозяйственный керамзит, получаемый из очищенной глины, который в основном и используется в промышленной гидропонике.

В течение срока эксплуатации почвозаменитель «переживает» как бы три этапа. Первый — период его взаимодействия только с питательным раствором. В это время на поверхности частиц происходят начальные, но значительные изменения. Второй — собственно рабочий, весьма продолжительный срок нормальной службы на выращивании растений. Тут поверхностные свойства частиц преобразуются, как мы уже отмечали, под действием метаболитов и микрофлоры. На третьем в системе растение — субстрат — питательный раствор нарушается равновесие, падает активность ИКС, отчего снижается урожай.

Когда биогенное разрушение искусственных сред стали рассматривать как первичный почвообразовательный процесс, тогда были объяснены причины их старения и предложен эффективный способ регенерации.

За годы эксплуатации в ИКС накапливаются органические вещества (в пересчете на гумус до 2 килограммов на квадратный метр). Это приводит в итоге к образованию на частицах субстрата органоминеральных пленок, которые, как выяснилось, весьма похожи на аналогичные пленки первичных частиц естественных почв. На начальном этапе пленки возникают в результате взаимодействия гранул с кремниевой кислотой, на втором — от того, что при биогенном разрушении на них осаждаются органоминеральные пленки железо-гумусовых соединений. Чтобы восстановить работоспособность субстрата, надо на третьем этапе предотвратить этот почвообразовательный процесс. Но как?

Наиболее целесообразный путь и предложил Е. И. Ермаков: при помощи щелочных растворов удалять избыток соединений, одновременно сохраняя (не растворяя) стабилизирующие пленки, на которых можно получать урожаи, более высокие, чем на новом, свежем субстрате. Именно поэтому кислоты здесь не годятся. Под их влиянием появляется подвижный алюминий, который пагубно действует на растения. Так, попытка в одном из совхозов рассолить субстрат — гранитный щебень — 0,5-процентиым раствором соляной кислоты обернулась гибелью рассады на всей обработанной площади. Водные же растворы едкого кали слабой концентрации практически не разрушают твердой фазы ИКС. А о технологии регенерации по методу Е. И. Ермакова мы уже рассказывали.

Однако не все тайны искусственного поля еще доступны науке. Разгадка их — впереди.