W artykule wprowadzającym w tematykę farm wertykalnych (tutaj) wymieniliśmy trzy główne techniki upraw: hydroponikę, aeroponikę i akwaponikę. Dziś omówimy pierwszą z nich. Hydroponika jest to uprawa roślin bez gleby, z wykorzystaniem roztworu wodnego zawierającego związki odżywcze i tlen. Nazwa pochodzi od greckich wyrazów „hydor” – woda i „ponos” – praca. Wprowadzenie tego terminu w tym znaczeniu przypisuje się Williamowi Frederickowi Gericke, profesorowi Uniwersytetu Kalifornijskiego (1882–1970). [1]
Na czym polega hydroponika?
Jaką więc pracę musi wykonać woda w uprawie hydroponicznej? I jak to możliwe, by rośliny rosły bez ziemi? Jakie inne warunki należy spełnić?
Podłoże i roztwór odżywczy
Uprawiając rośliny hydroponicznie, mamy dwie możliwości: uprawę z korzeniami luźno zanurzonymi w roztworze lub zastosowanie obojętnego podłoża. Jedyną funkcją takiego podłoża jest zapewnienie fizycznego „umocowania”, podczas gdy wszystkie składniki odżywcze roślina pobiera z wody[2]. Takim podłożem może być perlit, włókno kokosowe, wełna mineralna, keramzyt lub wermikulit. Z kolei roztwór odżywczy powinien zawierać tlen i wszystkie najważniejsze składniki mineralne, czyli makroelementy (azot, potas, fosfor, wapń, siarka, magnez) i mikroelementy (bor, mangan, cynk, molibden, chlor, żelazo). Skład roztworu odżywczego trzeba dostosować zarówno do rodzaju uprawy, jak i do fazy rozwoju roślin. Podstawą roztworu powinna być woda o określonym odczynie pH (najlepiej między 5,5-6,5), wolna od zanieczyszczeń, ale nie ma wymogu destylowania jej[3].
Warunki w pomieszczeniu
Roztwór i podłoże to nie wszystko. Uprawa hydroponiczna wymaga także spełnienia określonych warunków dotyczących oświetlenia i atmosfery. Czasami takie uprawy prowadzi się w szklarniach, lecz nie zawsze. W przeciwnym razie należy zadbać o system sztucznego oświetlenia o odpowiedniej intensywności. Z kolei główne czynniki dotyczące atmosfery pomieszczenia to temperatura, wilgotność, zawartość dwutlenku węgla i cyrkulacja powietrza. Temperatura powinna wynosić od 20 do 24 °C. Wilgotność względna powinna się mieścić w przedziale 40-60%, by nie dopuścić ani do rozwoju bakterii, ani do wyschnięcia roślin. Zawartość dwutlenku węgla, niezbędnego do fotosyntezy, powinna utrzymywać się na poziomie 300-400 ppm[4].
Główne metody upraw hydroponicznych
Obecnie wyróżnia się sześć głównych typów upraw hydroponicznych.
Cienkowarstwowa kultura przepływowa (ang. Nutrient Film Technique, NFT)
W tej metodzie rośliny są umieszczone w lekko nachylonych rynnach zawieszonych nad zbiornikiem zawierającym roztwór. Pompowany w górę roztwór nieustannie przepływa cienką warstwą przez rynny, obmywając korzenie roślin, i wraca do zbiornika.
System przepływowo-odpływowy (ang. Ebb and Flow, Flood and Drain)
W tym przypadku rośliny również znajdują się nad zbiornikiem z roztworem. Jednakże ich korzenie nie są wystawione na działanie płynu bez przerwy, lecz cyklicznie. Podobnie jak w cienkowarstwowej kulturze przepływowej, roztwór również musi być wpompowany na górę, a po określonym czasie wraca do zbiornika przez specjalne odpływy. Pomiędzy cyklami zanurzeń korzenie roślin są odsłonięte, co stwarza ryzyko wysuszenia, jeśli cykl zostanie zakłócony lub przerwy między zanurzeniami będą zbyt długie.
System knotowy (ang. Wick)
Jest to system pasywny, czyli niewymagający pompowania roztworu. Rośliny tkwią w sypkim podłożu, również nad zbiornikiem z roztworem. Roztwór jest transportowany do podłoża za pomocą knotów z chłonnego materiału na zasadzie przepływu kapilarnego. Przepływ kapilarny to zjawisko dotyczące cieczy znajdujących się w bardzo wąskich rurkach, materiałach porowatych lub włóknistych (jak tkaniny). W takich warunkach siły spójności między cząsteczkami cieczy są mniejsze, niż siły przylegania tych cząsteczek do ścianki rurki lub do danego materiału. Wówczas woda podpływa w górę, nawet wbrew sile przyciągania ziemskiego[5]. Materiałem, w którym zachodzi to zjawisko, może być tkanina, z której zrobiony jest knot. Dolny koniec knota jest zanurzony w roztworze, natomiast górny znajduje się w podłożu i przechodzi przez otwór w dnie pojemnika z roślinami. W tym systemie transport cieczy jest dość powolny.
Uprawa w głębokiej wodzie (ang. Deep Water Culture, DWC)
Uprawa w głebokiej wodzie polega na tym, że rośliny umocowane w pływającej platformie, umieszcza się w zbiorniku z roztworem. Ich korzenie są więc stale zanurzone w cieczy. Jest to jedna z najprostszych i najtańszych metod uprawy hydroponicznej.
System kropelkowy (ang. Drip Irrigation System)
W tym systemie, podobnie jak w knotowym, rośliny również są umieszczone w podłożu nad zbiornikiem z roztworem. Różnica polega na tym, że roztwór do każdej rośliny dostarcza system rurek z dyszami. Nadmiar płynu może być odprowadzany przez odpływy z powrotem do zbiornika.
System aeroponiczny (Aeroponics System)
Aeroponika polega na tym, że korzenie roślin są zawieszone w powietrzu nad zbiornikiem z roztworem, a specjalna pompa umieszczona w zbiorniku rozpyla płyn tak, że dociera on do korzeni w postaci mgiełki. Oprysk jest wykonywany co kilka minut i trwa bardzo krótko. Taka metoda zapewnia bardzo dobre natlenienie korzeni[6].
Hydroponika a uprawy tradycyjne
Jak wynika z powyższych informacji, hydroponikę i tradycyjne uprawy dzieli praktycznie wszystko. Wspólne jest tylko to, czego potrzebują rośliny, czyli światło, woda z rozpuszczonymi solami mineralnymi oraz dwutlenek węgla. W przypadku upraw hydroponicznych rośliny otrzymują to wszystko z pominięciem gleby. Jak zatem wygląda zużycie wody, energii i wykorzystanie powierzchni? Jak to wszystko przekłada się na plony?
Grupa pracowników Uniwersytetu Stanowego Arizony przeprowadziła studium przypadku, porównując parametry konwencjonalnych i hydroponicznych upraw sałaty w Yumie. Na potrzeby badania wykorzystali uśrednione dane istniejących konwencjonalnych upraw sałaty w Arizonie, jednak nie było takiej uprawy hydroponicznej, którą można byłoby z nimi porównać. Naukowcy musieli po prostu ją wymyślić. Założyli więc istnienie hipotetycznej szklarni z uprawą w systemie NFT z dodatkowym oświetleniem sztucznym i posłużyli się danymi wyliczonymi na podstawie tych założeń.
Według ich obliczeń uprawa hydroponiczna powinna przynieść ponad dziesięciokrotnie większy plon (masa przypadająca na jednostkę powierzchni). Zużycie wody okazało się porównywalne w przeliczeniu na jednostkę powierzchni, natomiast w przeliczeniu na masę plonu zdecydowanie wygrała hydroponika z wynikiem ok. trzynastokrotnie niższym, niż w przypadku „zwykłego” pola. Jeśli zaś chodzi o energię, obliczono, że w przeliczeniu na masę plonu uprawa hydroponiczna pochłania jej aż 82 razy więcej. Wynika to z użycia wszystkich urządzeń niezbędnych do utrzymania uprawy hydroponicznej, zwłaszcza ogrzewania, klimatyzacji i oświetlenia[7].
Wady i zalety hydroponiki
Autorzy analizy dwóch wspomnianych wyżej rodzajów upraw doszli do wniosku, że przy takich wynikach uprawa hydroponiczna najlepiej sprawdzi się w miejscach, gdzie brakuje wody, natomiast jest dostęp do tanich odnawialnych źródeł energii takich jak energia słoneczna, wiatrowa czy geotermalna. Przyjrzyjmy się jednak także innym wadom i zaletom tego rodzaju uprawy.
Zalety upraw hydroponicznych
- Szansa na produkcję żywności w miejscach, gdzie tradycyjne rolnictwo jest niemożliwe (np. na Antarktydzie, na pustyniach, a nawet na stacji kosmicznej).
- Zmniejszenie zużycia wody i całkowite wyeliminowanie jej strat – w uprawie zamkniętej woda nie wsiąknie w glebę, ani nie wyparuje bezpowrotnie.
- Pełna kontrola nad dostarczanymi roślinom składnikami odżywczymi (możliwość dostarczenia roślinom dokładnie tego, czego potrzebują na poszczególnych etapach wegetacji) i, podobnie jak w przypadku wody, wyeliminowanie ich strat.
- Lepsze wykorzystanie przestrzeni – w uprawie hydroponicznej wszystkie rośliny mają równy dostęp do składników odżywczych i nie muszą o nie konkurować jak w glebie, więc rozwijają mniejszy system korzeniowy i mogą rosnąć bliżej siebie.
- Niemal pełna eliminacja pestycydów i brak konieczności używania herbicydów – w uprawie hydroponicznej rośliny są znacznie mniej narażone na szkodniki, nie ma w niej także miejsca na chwasty.
- Możliwość stworzenia roślinom niemal idealnych warunków, gdyż wpływ czynników zewnętrznych zostaje wyeliminowany.
- Zwiększenie plonów (szybszy rozwój roślin, wielokrotne zbiory w ciągu roku niezależnie od warunków panujących na zewnątrz) i poprawa ich jakości.
- Możliwość wykorzystania hydroponiki w oczyszczaniu wód o dużej zawartości azotanów, np. do produkcji dużej ilości biomasy.
- Łatwy dostęp do korzeni roślin umożliwiający lepsze kontrolowanie stanu uprawy np. pod względem ewentualnych chorób [8].
Wady upraw hydroponicznych
- Wysoki koszt uprawy – hydroponika wymaga specjalistycznego sprzętu i wiąże się z dużym zużyciem energii (przerwa w dostawie prądu może oznaczać zniszczenie uprawy).
- Konieczność posiadania specjalistycznej wiedzy.
- Konieczność starannego monitorowania warunków panujących w pomieszczeniu.
- Większa podatność roślin na błędy popełnione w uprawie – brak czynnika stabilizującego w postaci gleby może spowodować, że niewłaściwie dobrana mieszanka zniszczy uprawę w bardzo krótkim czasie.
- Ograniczenie upraw do niektórych gatunków roślin; najlepszym wyborem są niektóre warzywa, kwiaty i zioła przyprawowe, z kolei w przypadku warzyw okopowych, roślin potrzebujących więcej przestrzeni (np. dyni) lub owadopylnych (np. drzew owocowych) uprawa hydroponiczna nie jest niemożliwa, lecz znacznie utrudniona, a więc niekoniecznie opłacalna.
- Ograniczona opłacalność – jak wspominaliśmy przy okazji badań przeprowadzonych w Arizonie, uprawa hydroponiczna nie zawsze się opłaca; przed jej rozpoczęciem należy przeanalizować miejscowy rynek.
- Nastawienie konsumentów – wielu ludzi jest przekonanych, że hydroponika to coś nienaturalnego, więc jej produkty są niezdrowe i/lub niesmaczne. [9]
- Środowisko wodne sprzyja rozprzestrzenianiu się chorób grzybowych takich jak fuzariozy i werticiliozy. [10]
Hydroponika a wertykalne farmy
Systemy hydroponiczne, choć kojarzą się z dużymi poziomymi powierzchniami upraw, są z powodzeniem stosowane w wertykalnych farmach. Odpowiednio zaprojektowana przestrzeń umożliwia piętrowe rozmieszczenie zbiorników i platform bądź kanałów z roślinami, co daje znaczną oszczędność powierzchni. Według badań naukowców z Lancaster University hydroponiczna uprawa sałaty w cylindrycznych kolumnach dała prawie czternastokrotnie większy plon (w przeliczeniu na jednostkę powierzchni), niż w przypadku umieszczonych jeden nad drugim poziomych pojemnikach. Wynika to z tego, że w rozmieszczeniu pionowym na jednostkę powierzchni przypadło znacznie więcej roślin[11]. Wynik ten zachęca więc do podejmowania dalszych prób rozwoju uprawy hydroponicznej w farmach wertykalnych.
Źródła
[1] [3] [4] Stone M., How To Hydroponics: A Beginner’s and Intermediate’s In Depth Guide To Hydroponics, Createspace Independent Publishing Platform, 2014
[2] [8] [9] Texier W., Hydroponics for Everybody. All about Home Horticulture, Mama Editions, Paryż 2013-2014
[5] https://www.sciencedirect.com/topics/medicine-and-dentistry/capillary-flow
[6] http://hydroponicslab.in/hydroponic-system/
[7] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4483736/
[10] https://extension.okstate.edu/fact-sheets/hydroponics.html
[11] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/fes3.83
