Aqu @teach: الأنظمة المائية

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من الأنظمة المائية (انظر أيضا الوحدة 1). في وسائل الإعلام المائية السرير تنمو النباتات في الركيزة. في أنظمة تقنية المغذيات المغذيات (NFT) تنمو النباتات مع جذورها في أنابيب واسعة مزودة بمياه هزيلة. في أنظمة الاستزراع المائي العميق (DWC) أو الطوافة العائمة، يتم تعليق النباتات فوق خزان مياه باستخدام طوف عائم. كل نوع له مزاياه وعيوبه التي يتم مناقشتها بمزيد من التفصيل أدناه. و الأدلة متناقضة إلى حد ما من حيث كفاءتها النسبية لإنتاج المحاصيل في النظم المائية. Lennard و Leonard (2006) مقارنة بين النظم الفرعية المائية الثلاثة لإنتاج الخس ووجدت أعلى إنتاج في أسرة وسائط الحصى، تليها DWC وNFT. ومع ذلك، فإن الدراسات اللاحقة التي أجراها Pantanella et al. 2012 وجدت أن NFT أداء وكذلك DWC، في حين أن السرير وسائل الإعلام باستمرار دون أداء من حيث العائد.

أما بالنسبة لدور تصميم المكون المائي في الأداء العام واستهلاك المياه للنظم المائية، فقد وجد استعراض أدبي أجراه Maucieri et al. 2018 أن NFT أقل كفاءة من قاع الوسائط أو المياه المائية DWC، على الرغم من أن النتائج لم تكن قاطعة. ويؤثر العنصر المائي بشكل مباشر على نوعية المياه، وهو أمر ضروري لتربية الأسماك، كما أنه المصدر الرئيسي لفقدان المياه بسبب تبخر النباتات. ولذلك، فإن تصميم العنصر المائي يؤثر على استدامة العملية برمتها، إما بشكل مباشر من حيث استهلاك المياه و/أو بشكل غير مباشر من حيث تكاليف إدارة النظام. سيؤثر اختيار المكون المائي لنظام أكوابوني أيضًا على تصميم النظام بأكمله. على سبيل المثال، في أنظمة السرير وسائل الإعلام عادة ما توفر الركيزة مساحة سطح كافية لنمو البكتيريا والترشيح، بينما في قنوات NFT مساحة السطح غير كافية، وسوف تحتاج إلى تركيب مرشحات بيولوجية إضافية (Maucieri et al. 2018).

وسائل الإعلام المائية السرير

في وسائل الإعلام المائية السرير، يتم استخدام المتوسطة أو الركيزة الأقل نموا في التربة لمساعدة الجذور على دعم وزن النبات. كما يعمل سرير وسائل الإعلام كمرشح بيولوجي ومادي. ومن بين النظم الفرعية المائية، تتمتع أسرة الوسائط بأكثر أنواع الترشيح البيولوجي كفاءة بسبب المساحة الكبيرة التي يمكن فيها للفيلم الحيوي، الذي يحتوي على بكتيريا النتريفينغ وغيرها من البكتيريا، أن يستعمر. الركيزة أيضا يلتقط النفايات السمكية الصلبة والعالقة وغيرها من الجسيمات العضوية العائمة، على الرغم من أن فعالية هذا المرشح المادي سوف تعتمد على الجسيمات وحجم الحبوب من الركيزة، ومعدل تدفق المياه. ومع مرور الوقت، يتم تقسيم الجسيمات العضوية ببطء بواسطة العمليات البيولوجية والفيزيائية إلى جزيئات وأيونات بسيطة متاحة للنباتات لاستيعابها (Somerville et al. 2014b).

قد تكون الركيزة العضوية، غير العضوية، الطبيعية، أو الاصطناعية (الشكل 1)، وتقع في حاويات تنمو من أشكال مختلفة. يجب أن يكون لها مساحة سطح كافية مع بقاء نفاذية للمياه والهواء، مما يسمح للبكتيريا بالنمو، وتدفق المياه، والجذور النباتية للتنفس. يجب أن تكون غير سامة، ولها درجة حموضة محايدة حتى لا تؤثر على نوعية المياه، وتكون مقاومة لنمو العفن. يجب أيضا أن لا تكون خفيفة الوزن بحيث تطفو. احتباس الماء والتهوية وتوازن الأس الهيدروجيني هي جميع الجوانب التي تختلف اعتمادا على الركيزة. يتم الاحتفاظ بالماء على سطح الجسيمات وداخل مساحة المسام، لذلك يتم تحديد احتباس الماء حسب حجم الجسيمات والشكل والمسامية. كلما كانت الجسيمات أصغر، كلما زادت مساحة السطح ومساحة المسام، وبالتالي كلما زاد احتباس الماء. تحتوي الجسيمات غير المنتظمة على مساحة سطحية أكبر وبالتالي احتباس أعلى للمياه من الجسيمات الدائرية الملساء. يمكن للمواد المسامية تخزين المياه داخل الجسيمات نفسها؛ وبالتالي، فإن احتباس الماء مرتفع. في حين أن الركيزة يجب أن تكون قادرة على الاحتفاظ بالماء جيدة، يجب أيضا أن تكون قادرة على الصرف الجيد. لذلك، يجب تجنب المواد الدقيقة بشكل مفرط لمنع احتباس الماء المفرط ونقص حركة الأكسجين داخل الركيزة. يجب تنظيف جميع الركائز بشكل دوري (Resh 2013).

ويمكن أيضا أن تصنف ركائز إما حبيبية أو ليفية. وتشمل الركائز الحبيبية ركام الطين الموسع، والحصى، الفيرميكوليت، البيرلايت، والخفاف. وتشمل الركائز الليفية الصوف الصخري وألياف جوز الهند. ويتم الاحتفاظ بالمياه بشكل رئيسي في الفضاء المجهري للركيزة، في حين يتم تسهيل الصرف السريع ودخل الهواء عن طريق الماكروبوريس (Drzal et al. 1999). ول ذلك فمن الضروري توفير مزيج كاف من المسام الكبيرة و الصغيرة (Raviv et al. 2002). تتميز الركائز الحبيبية بمسامية عالية (توفر الهواء) ولكنها منخفضة نسبياً (توفر المياه)، في حين أن الركائز الليفية لها مسامية دقيقة عالية ولكنها منخفضة نسبياً.

إن الركام الطيني الممتد الخفيف (LECA) خفيف الوزن للغاية بالمقارنة مع الركائز الأخرى، مما يجعله مثاليًا للأكوابونيكش على السطح. يأتي في مجموعة متنوعة من الأحجام؛ ويوصى الأحجام الأكبر بأقطار 8-20 ملم لأكوابونيكش (سومرفيل et al. 2014). مساحات المسام الأكبر (macroporosity) تعني ترشح أفضل للحل من خلال الركيزة وتحسين إمدادات الهواء، حتى عندما تغطي الأفلام الحيوية الأسطح. ومع ذلك، فإن LECA لديها مسامات صغيرة، وبالتالي ليس لديها قدرة جيدة على الاحتفاظ بالمياه.

الحصى البركاني (tuff) له نسبة سطح عالية جدا إلى حجم، مما يوفر مساحة واسعة للبكتيريا لاستعمار، وهو خامل تقريبا كيميائيا، باستثناء إطلاقات صغيرة من العناصر الدقيقة مثل الحديد والمغنيسيوم وامتصاص أيونات الفوسفات والبوتاسيوم خلال الأشهر القليلة الأولى. الحجم الموصى به من الحصى البركاني هو 8-20 ملم في القطر. ومن المرجح أن تسد الحصى الأصغر حجما بالنفايات الصلبة، في حين أن الحصى الأكبر لا يوفر المساحة السطحية المطلوبة أو دعم النبات (Somerville et al. 2014b).

لا ينصح الحصى الجيري كركيزة، على الرغم من أنه يستخدم في بعض الأحيان. يحتوي الحجر الجيري على نسبة سطح إلى حجم أقل من الحصى البركاني، فهو ثقيل نسبيًا، وليس خاملًا. يتكون الحجر الجيري في المقام الأول من كربونات الكالسيوم (كاكو₃)، الذي يذوب في الماء. وهذا من شأنه أن يزيد من درجة الحموضة، وبالتالي ينبغي أن تستخدم فقط عندما تكون مصادر المياه منخفضة جدا في القلوية أو الحمضية. ومع ذلك، فإن إضافة صغيرة للحجر الجيري يمكن أن تساعد على موازنة التأثير المحمض للبكتيريا النتريفينغ، والتي يمكن أن تعوض عن الحاجة إلى التخزين المؤقت للمياه العادية في النظم المائية المتوازنة بشكل جيد (Somerville et al. 2014b).

الفيرميكوليت هو معدن ميكاسي يتوسع عند تسخينه فوق 1000 درجة مئوية، ويتحول الماء إلى بخار، ويشكّل حبات صغيرة مسامية تشبه الإسفنج. الفيرميكوليت خفيف الوزن ويمكن أن تمتص كميات كبيرة من الماء. كيميائيا، بل هو رطب المغنيسيوم والألومنيوم الحديد سيليكات. وهو محايد في رد فعل مع خصائص التخزين المؤقت جيدة، ولديه قدرة عالية نسبيا تبادل الكاتيون، وبالتالي يمكن أن تعقد العناصر الغذائية في الاحتياطي وإطلاقها في وقت لاحق. كما أنه يحتوي على بعض المغنيسيوم والبوتاسيوم، وهو متاح للنباتات (Resh 2013).

البيرلايت هو مادة سيليكية من أصل بركاني، مستخرجة من تدفقات الحمم البركانية. يتم تسخينه إلى 760 درجة مئوية، مما يحول كمية صغيرة من الماء إلى بخار، وبالتالي توسيع الجسيمات إلى حبات صغيرة تشبه الإسفنج. البيرلايت خفيف الوزن جدا وسوف تعقد ثلاثة إلى أربعة أضعاف وزنه من الماء. وهو محايد أساسا، مع درجة حموضة من 6.0 إلى 8.0، ولكن مع عدم وجود قدرة التخزين المؤقت؛ على عكس الفيرميكوليت، فإنه ليس لديه القدرة على تبادل الكاتيون ولا يحتوي على المواد الغذائية الثانوية. وينبغي عدم استخدامه من تلقاء نفسه، ولكن بدلا من ذلك مختلطة مع ركيزة أخرى من أجل تحسين الصرف والتهوية وبالتالي منع تراكم المغذيات ومسائل السمية اللاحقة مع توفير بيئة غنية بالأكسجين لتزدهر الجذور في (Resh 2013).

الخفاف، مثل البيرلايت، هو مادة سيليكية من أصل بركاني ولها أساسا نفس الخصائص. ومع ذلك، فإنه خام الخام بعد سحق وفحص، دون أي عملية تسخين، وبالتالي فإنه أثقل ولا يمتص الماء بسهولة، لأنه لم يتم رطب (ريش 2013).

الصوف الصخري مصنوع من صخور البازلت المنصهر في الأفران عند درجة حرارة 1500 درجة مئوية، ثم يتم نسج البازلت السائل إلى خيوط وضغطه في عبوات صوف مقطعة إلى ألواح أو كتل أو مقابس. معظم التوسع السريع لصناعة الاحتباس الحراري على مدى العقدين الماضيين كان مع ثقافة الصوف الصخري. ومع ذلك، أثيرت في السنوات الأخيرة شواغل بشأن التخلص منها، لأنه لا ينهار في مدافن القمامة. والآن يتحول العديد من المزارعين إلى ركيزة أكثر استدامة - ألياف جوز الهند (Resh 2013).

ألياف جوز الهند (أو جوز الهند) هي ركيزة عضوية مشتقة من قشور جوز الهند المتوترة والأرضية. وهو قريب من درجة الحموضة محايدة ويحتفظ بالماء مع السماح بكمية لا بأس بها من الأكسجين للجذور (Resh 2013).

الجدول 1: خصائص مختلف الوسائط المتنامية (بعد Somerville et al. 2014b)

اعتمادا على نوع الركيزة، وسوف تحتل ما يقرب من 30-60 في المئة من إجمالي حجم السرير وسائل الإعلام. عمق سرير الوسائط مهم لأنه يتحكم في كمية حجم مساحة الجذر في الوحدة، والذي بدوره يحدد أنواع الخضروات التي يمكن زراعتها. سوف تحتاج الخضروات المثمرة الكبيرة مثل الطماطم والبامية والملفوف إلى عمق الركيزة 30 سم للسماح مساحة كافية للجذور ومنع حصيرة الجذور ونقص المغذيات. الخضروات الخضراء الورقية الصغيرة تتطلب فقط 15-20 سم من عمق الركيزة (سومرفيل *وآخرون 2014b).

الشكل 2: زراعة الطماطم التي تنمو في نظام حاوية قاع الوسائط مع الري بالتنقيط والركيزة LECA < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:Hydroponic_Farming.jpg >

هناك تقنيات مختلفة لتوصيل المياه الغنية بالمغذيات إلى أسرة الوسائط. يمكن أن يكون ببساطة هزيلة من القطرات تعلق على أنابيب موزعة بشكل موحد على الوسط (انظر الشكل 2). و بدلا من ذلك, تؤدي طريقة تسمى الفيضانات و التصريف (أو الانحسار و التدفق) إلى إغراق أسرة الوسائط بشكل دوري بالمياه التي تستنزف بعد ذلك مرة أخرى إلى خزان. يضمن التناوب بين الفيضانات والتصريف أن تحتوي النباتات على مواد غذائية طازجة وتدفق هواء كاف في منطقة الجذر، مما يجدد مستويات الأكسجين. كما يضمن وجود ما يكفي من الرطوبة في السرير في جميع الأوقات بحيث يمكن للبكتيريا أن تزدهر في ظروفها المثلى. وتؤدي طبيعة قاع وسائط الفيضانات والصرف إلى إنشاء ثلاث مناطق منفصلة تختلف عن محتواها من الماء والأكسجين (Somerville et al. 2014b):

• الجزء العلوي من 2-5 سم هو المنطقة الجافة، التي تعمل كحاجز ضوئي، مما يقلل التبخر ويمنع الضوء من ضرب الماء مباشرة مما يمكن أن يؤدي إلى نمو الطحالب. كما أنه يمنع نمو الفطريات والبكتيريا الضارة في قاعدة الجذعية النباتية، والتي يمكن أن تسبب تعفن طوق وغيرها من الأمراض.

• المنطقة الجافة/الرطبة لديها كل من الرطوبة وارتفاع تبادل الغاز. هذه هي منطقة 10-20 سم حيث السرير وسائل الإعلام الفيضانات بشكل متقطع والمصارف. و إذا لم تستخدم تقنيات الفيضانات و التصريف, فإن هذه المنطقة ستكون المسار الذي تتدفق فيه المياه عبر الوسط. معظم النشاط البيولوجي يحدث في هذه المنطقة.

• المنطقة الرطبة هي الجزء السفلي من 3-5 سم من السرير الذي لا يزال رطبا بشكل دائم. و تتراكم النفايات الصلبة لل جسيمات الصغيرة في هذه المنطقة, و بالتالي فإن الكائنات الحية الأكثر نشاطا في التمعدن توجد هنا أيضا, بما في ذلك البكتيريا غير الغذائية و الكائنات الدقيقة الأخرى التي تحطم النفايات إلى أجزاء أصغر و جزيئات يمكن أن تمتصها النباتات من خلال عملية التمعدن (Somerville et al. 2014b).

تقنية فيلم المغذيات (NFT)

NFT هو نظام ثقافة الحل حيث يتدفق طبقة رقيقة (عمق 2 إلى 3 ملليمترات) باستمرار على طول قاعدة القنوات الصغيرة التي تجلس فيها أنظمة الجذر. مع NFT، والهدف هو أن جزءا من حصيرة الجذر النامية هو في تدفق المغذيات، ولكن الجذور الأخرى معلقة فوق هذا في الهواء الرطب، والوصول إلى الأكسجين دون أن تكون مغمورة (Somerville et al. 2014b).

الشكل 3: نظام الأنابيب المستديرة NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

الشكل 4: نظام الأنابيب المستطيلة NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

القنوات غالبا ما تكون في شكل أنابيب (الشكل 3). الأنابيب ذات المقطع المستطيل (الشكل 4) هي الأفضل، مع عرض أكبر من الارتفاع، وهذا يعني أن كمية أكبر من الماء تصل إلى الجذور، وبالتالي زيادة امتصاص المغذيات ونمو النبات. تتطلب الخضروات المثمرة الأكبر والثقافات المتعددة (زراعة أنواع مختلفة من الخضروات) أنابيب أكبر من تلك اللازمة للخضر الورقية السريعة النمو والخضروات الصغيرة ذات الكتل الجذرية الصغيرة. طول الأنبوب يمكن أن تختلف، ولكن من الجدير أن نضع في اعتبارنا أن نقص المغذيات يمكن أن يحدث في النباتات نحو نهاية أنابيب طويلة جدا لأن النباتات الأولى قد جردت بالفعل المواد الغذائية (الشكل 5). وينبغي استخدام الأنابيب البيضاء لأن اللون يعكس أشعة الشمس، وبالتالي الحفاظ على داخل الأنابيب باردة. يجب وضع القنوات على منحدر (الشكل 5) بحيث يتدفق محلول المغذيات بمعدل تدفق جيد، وهو بالنسبة لمعظم الأنظمة حوالي لتر/دقيقة واحدة (Somerville et al. 2014a).

الشكل 5: قنوات NFT المنحدرة. يبلغ طول قناة NFT 12.5 متر وتم تغذيتها بالماء من خزان السمك المجاور. لم يتم استكمال أي مغذيات. يمكن للمرء أن يلاحظ الحد المتزايد من المغذيات على طول القناة

تستخدم أنظمة NFT في الغالب لإنتاج محاصيل سريعة الدوران مثل الخس والأعشاب والفراولة والخضروات الخضراء والعلف والخضر الصغير.

ثقافة المياه العميقة (DWC)

DWC أو نظام الطوافة العائمة هو نوع من النظام المائي حيث يتم تعليق النباتات فوق خزان باستخدام طوف عائمة، ويتم غمر الجذور في محلول المغذيات ويتم تهويتها عن طريق مضخة الهواء. ومع ذلك، على عكس أنظمة NFT، حيث سرعان ما تصبح العناصر الغذائية في طبقة صغيرة من المياه المتدفقة على مستوى الجذر مستنفدة، فإن الحجم الكبير من المياه الموجودة في قنوات DWC يسمح باستخدام كميات كبيرة من العناصر الغذائية من قبل النباتات. وبالتالي فإن طول القنوات ليس مشكلة، ويمكن أن تتراوح بين متر واحد وعشرة أمتار. العمق الموصى به هو 30 سم للسماح لمساحة جذر النبات كافية، على الرغم من أن الخضر الورقية الصغيرة مثل الخس تتطلب فقط عمق 10 سم أو حتى أقل. معدل تدفق المياه التي تدخل كل قناة منخفض نسبيا، وعموما كل قناة لديها وقت الاحتفاظ (مقدار الوقت الذي تستغرقه لاستبدال جميع المياه في حاوية) من 1-4 ساعات. وهذا يسمح بالتغذية الكافية للمغذيات في كل قناة، على الرغم من أن حجم المياه وكمية المغذيات في القنوات العميقة تكفي لتغذية النباتات لفترات أطول (Somerville et al. 2014b). ومن ناحية أخرى، قد تكون هناك حاجة إلى تهوية إضافية، لأن معدلات التدفق ليست عالية بما يكفي لتوفير ما يكفي من الأوكسجين.

تزدهر بعض النباتات، مثل الخس، في الماء وتزرع عادة باستخدام زراعة المياه العميقة. DWC هو الأسلوب الأكثر شيوعا للعمليات التجارية الكبيرة التي تنمو محصول واحد معين (عادة الخس، أوراق السلطة أو الريحان)، وهو أكثر ملاءمة للميكنة.

الشكل 6: الريحان وغيرها من النباتات التي تنمو في نظام DWC في الدفيئة Aquaponics South CDC في بروك، ألبرتا (< https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CDC_South_Aquaponics_Raft_Tank_1_2010-07.jpg >)

ايروبونيات

في النظم الهوائية تزرع النباتات وتغذيتها عن طريق تعليق هياكل جذورها في الهواء ورشها بانتظام بمحلول المغذيات. هناك نوعان رئيسيان من الأنظمة الهوائية: أيروبونيات الضغط العالي والهواء المنخفض الضغط، والفرق الرئيسي هو حجم قطرة الضباب المستخدم في كل حالة. تستخدم الأجهزة الهوائية ذات الضغط المنخفض مضخات ذات ضغط منخفض، عالية التدفق، في حين تستخدم المركبات الهوائية ذات الضغط العالي (حوالي 120 PSI)، مضخات منخفضة التدفق لترطيب المياه وإنشاء قطرات ماء تبلغ 50 ميكرون أو أقل. في حالة الضباب الدقيق للغاية الذي يشبه الضباب، يستخدم مصطلح «fogponics» للدلالة على نوع ثالث من النظام الهوائي. تميل النباتات المزروعة باستخدام نظام هوائي إلى النمو بشكل أسرع من تلك التي تزرع في أنواع أخرى من النظم المائية بسبب تعرضها الوافر لزيادة الأوكسجين (Li et al. 2018).

*حقوق الطبع والنشر © شركاء مشروع Aqu @teach. Aqu @teach هي شراكة استراتيجية إيراسموس في التعليم العالي (2017-2020) بقيادة جامعة غرينتش، بالتعاون مع جامعة زيوريخ للعلوم التطبيقية (سويسرا)، والجامعة التقنية في مدريد (إسبانيا)، وجامعة ليوبليانا ومركز ناكلو التقني الحيوي (سلوفينيا) . *