4.2 Sistemi senza suolo
L’intensa ricerca condotta nel campo della coltivazione idroponica ha portato allo sviluppo di una grande varietà di sistemi di coltivazione (Hussain et al. 2014). In termini pratici tutti questi possono essere implementati anche in combinazione con l’acquacoltura; tuttavia, a questo scopo, alcuni sono più adatti di altri (Maucieri et al. 2018). La grande varietà di sistemi che possono essere utilizzati richiede una categorizzazione dei diversi sistemi senza suolo (tabella 4.1).
Tabella 4.1 Classificazione dei sistemi idroponici secondo diversi aspetti
tavolo testata tr class = header» Caratteristica/Th TCategorie/TH Gli esempi/Th /tr /testata tbody tr class=“dispari» td rowspan=“6"Sistema senza sono/td td rowspan=“3"Nessun substrato/td TDNFT (tecnica del film nutriente) /td /tr tr class=“even» TDaeroponics/TD /tr tr class=“dispari» TDDft (tecnica di flusso profondo) /td /tr tr class=“even» td rowspan=“3"Con substrato/td TDOrganic substrati (torba, fibra di cocco, corteccia, fibra di legno, ecc.) /td /tr tr class=“dispari» td Substrati inorganici (lana di roccia, pomice, sabbia, perlite, vermiculite, argilla espansa) /td /tr tr class=“even» TDSubstrati sintetici (poliuretano, polistirolo) /td /tr tr class=“dispari» td rowspan=“2"Open/sistemi chiusi/td Sistemi TDOPen o run-torifiuti/td td Gli impianti vengono alimentati in modo continuo con soluzione «fresca» senza recuperare la soluzione drenata dai moduli di coltivazione (Fig. 4.1a) /td /tr tr class=“even» TDSistemi chiusi o ricircolatori/td td La soluzione nutritiva drenata viene riciclata e riempita con carenti sostanze nutritive al giusto livello CE (Fig. 4.1b) /td /tr tr class=“dispari» td ROWSPAN=“2"Alimentazione idrica/td TDContinuous/TD TDNFT (tecnica a film nutriente) DFT (tecnica a flusso profondo) /td /tr tr class=“even» TDPeriodicale/TD TDrip irrigazione, riflusso e flusso, aeroponico/td /tr /tbody /tavolo
4.2.1 Sistemi a substrato solido
All’inizio della coltivazione senza suolo negli anni ‘70, molti substrati sono stati testati (Wallach 2008; Blok et al. 2008; Verwer 1978). Molti hanno fallito per ragioni come essere troppo bagnato, troppo secco, non sostenibile, troppo costoso e rilascio di sostanze tossiche. Sono sopravvissuti diversi substrati solidi: lana di roccia, perlite, cocco (fibra di cocco), torba, poliuretano espanso e corteccia. I sistemi di substrato solido possono essere suddivisi come segue:
Substrati fibrosi Possono essere organici (ad esempio torba, paglia e fibra di cocco) o inorganici (ad esempio lana di roccia). Sono caratterizzati dalla presenza di fibre di diverse dimensioni, che conferiscono al substrato un’elevata capacità di ritenzione idrica (60-80%) e una modesta capacità d’aria (porosità libera) (Wallach 2008). Un’alta percentuale di acqua trattenuta è facilmente disponibile per l’impianto, che si riflette direttamente nel volume minimo di substrato per pianta richiesto per garantire un approvvigionamento idrico sufficiente. In questi substrati non ci sono evidenti gradienti di acqua e salinità lungo il profilo e, di conseguenza, le radici tendono a crescere più velocemente, uniformemente e abbondantemente, utilizzando l’intero volume disponibile.
Substrati granulari Sono generalmente inorganici (ad esempio sabbia, pomice, perlite, argilla espansa) e sono caratterizzati da diverse granulometrie e quindi texture; hanno un’elevata porosità e sono liberi di drenare. La capacità di ritenzione idrica è piuttosto scarsa (10 -40%) e gran parte dell’acqua trattenuta non è facilmente disponibile per l’impianto (Maher et al. 2008). Pertanto, il volume richiesto di substrato per pianta è più alto rispetto a quelli fibrosi. Nei substrati granulari, si osserva un marcato gradiente di umidità lungo il profilo e ciò fa sì che le radici si sviluppino principalmente sul fondo dei contenitori. Per l’impianto sono necessari granulometrie minori, aumento della capacità di ritenzione idrica, omogeneità dell’umidità e maggiore EC e un volume inferiore del substrato.
I substrati sono solitamente avvolti in rivestimenti plastici (cosiddetti sacchetti di coltivazione o lastre) o inseriti in altri tipi di contenitori di varie dimensioni e di materiali sintetici.
Prima di piantare il substrato deve essere saturo al fine di:
Fornire un adeguato apporto di acqua e sostanze nutritive nell’intera lastra di substrato.
Raggiungere livelli uniformi CE e di pH.
Espellere la presenza di aria e fare una bagnatura omogenea del materiale.
È altrettanto importante che una fase secca del substrato dopo la semina stimoli le piante ad evolvere l’esplorazione omogenea del substrato da parte delle radici per ottenere un apparato radicale abbondante e ben distribuito ai vari livelli e per esporre le radici all’aria. L’utilizzo di un substrato per la seconda volta mediante rewetting può essere un problema perché la saturazione non è possibile a causa dei fori di scarico nell’involucro di plastica. In un substrato organico (come il cocco), adottando curve di irrigazione brevi e frequenti, è possibile recuperare la capacità di ritenzione idrica di utilizzarlo per la seconda volta, più facilmente dei substrati inerti (lana di roccia, perlite) (Perelli et al. 2009).
4.2.2 Substrati per sistemi basati su media
Un substrato è necessario per l’ancoraggio delle radici, un supporto per la pianta e anche come meccanismo idronutrizionale grazie alla sua microporosità e capacità di scambio cationico.
Le piante coltivate in sistemi privi di suolo sono caratterizzate da uno sbilanciato rapporto germo/radice, richieste di acqua, aria e sostanze nutritive molto maggiori che in condizioni di campo aperto. In quest’ultimo caso, i tassi di crescita sono più lenti e le quantità di substrato sono teoricamente illimitate. Per soddisfare tali esigenze è necessario ricorrere a substrati che, da soli o in miscela, garantiscono condizioni chimico-fisiche e nutrizionali ottimali e stabili. Una serie di materiali con caratteristiche e costi diversi può essere utilizzata come substrati, come illustrato in Fig. 4.2. Tuttavia, al momento, non esiste un substrato che possa essere utilizzato universalmente in tutte le situazioni di coltivazione.
Fig. 4.2 Materiali utilizzabili come substrati in sistemi privi di suolo
4.2.3 Caratterizzazione dei substrati
La densità apparente (BD) BD è espressa dal peso secco del substrato per unità di volume. Permette l’ancoraggio delle radici e offre supporto alle piante. Il BD ottimale per le colture in un contenitore varia tra 150 e 500 kg msup-3/sup (Wallach 2008). Alcuni substrati, a causa del loro basso BD e della loro scioltezza, come nel caso della perlite (ca. 100 kg msup-3/sup), del polistirene in granuli (ca. 35 kg msup-3/sup) e della torba non compressa sfagnum (ca. 60 kg msup-3/sup), non sono adatti all’uso da soli, soprattutto con piante che crescono verticalmente.
Tabella 4.2 Principali caratteristiche chimico-fisiche delle torbe e della fibra di cocco. (dm = sostanza secca)
tavolo testata tr class = header» th RowSPAN=“2"caratteristiche/index-th th COLSPAN=“2"Paludi sollevati/th Paludi THFen th Rowspan=“2"fibra di cocco (cocco) /th /tr tr TDBlond/TD TDBrown/TD TDBlack/TD /tr /testata tbody tr class=“even» TDSostanza organica (% dm) /td td94—99/td td94—99/td td55—75/td td94—98/td /tr tr class=“dispari» TDash (% dm) /td td1—6/td td1—6/td td23—30/td td3—6/td /tr tr class=“even» TDPorosità totale (% vol) /td td84—97/td td88—93/td td55—83/td td94—96/td /tr tr class=“dispari» TD Capacità di ritenzione idrica (% vol) /td td52—82/td td74—88/td td65—75/td td80—85/td /tr tr class=“even» Porosità senza TD (% vol) /td td15—42/td td6—14/td td6—8/td td10—12/td /tr tr class=“dispari» TDbulk densità (kg msup3/sup) /td td60—120/td td140—200/td td320—400/td td65—110/td /tr tr class=“even» TDCec (meq%) /td td100—150/td td120—170/td td80—150/td td60—130/td /tr tr class=“dispari» TDAzoto totale (% dm) /td td0.5—2.5/td td0.5—2.5/td td1.5—3.5/td td0.5—0.6/td /tr tr class=“even» TDC/N/TD td30—80/td td20—75/td td10—35/td td70—80/td /tr tr class=“dispari» TDCalcio (% dm) /td td<0.4/td td<0.4/td td>2/td td—/td /tr tr class=“even» TDpH (HSub2/subo) /td td3.0—4.0/td td3.0—5.0/td td5.5—7.3/td td5.0—6.8/td /tr /tbody /tavolo
Fonte: Enzo et al. (2001)
Porosità Il substrato ideale per le colture in vaso dovrebbe avere una porosità di almeno il 75% con percentuali variabili di macropori (15 — 35%) e micropori (40 — 60%) a seconda delle specie coltivate e delle condizioni ambientali e delle colture (Wallach 2008; Blok et al. 2008; Maher et al. 2008). Nei contenitori di piccole dimensioni, la porosità totale dovrebbe raggiungere l'85% del volume (Bunt 2012). La struttura deve essere stabile nel tempo e deve resistere alla compattazione e alla riduzione del volume durante le fasi di disidratazione.
Capacità di tenuta dell’acqua La capacità di ritenzione idrica garantisce livelli adeguati di umidità del substrato per le colture, senza dover ricorrere a frequenti irrigazioni. Tuttavia, la capacità di ritenzione idrica non deve essere troppo elevata per evitare asfissia radicale e troppo raffreddamento. L’acqua disponibile per l’impianto è calcolata in base alla differenza tra la quantità di acqua alla capacità di ritenzione e quella trattenuta nel punto di avvizzimento. Questo dovrebbe essere intorno al 30 -40% del volume apparente (Kipp et al. 2001). Infine, si deve considerare che con l’aumento costante della biomassa dell’apparato radicale durante la crescita, la porosità libera nel substrato viene gradualmente ridotta e le caratteristiche idrologiche del substrato vengono modificate.
Capacità di scambio di cationi (CEC) _ CEC è una misura del numero di cationi che possono essere trattenuti sulle superfici delle particelle del substrato. In generale, i materiali organici hanno un CEC più elevato e una capacità tampone superiore rispetto a quelli minerali (Wallach 2008; Blok et al. 2008) (Tabella 4.2).
Per soddisfare le esigenze delle specie coltivate è necessario un pH adeguato. I substrati con un pH basso sono più adatti per le colture in contenitori, poiché sono più facilmente modificabili verso i livelli desiderati aggiungendo carbonato di calcio e anche perché rispondono alle esigenze di un maggior numero di specie. Inoltre, durante la coltivazione il valore del pH tende ad aumentare a causa dell’irrigazione con acqua ricca di carbonati. Il pH può variare anche in funzione del tipo di fertilizzante utilizzato. È più difficile correggere un substrato alcalino. Ciò può tuttavia essere ottenuto aggiungendo fertilizzanti zolfo o fisiologicamente acidi (solfato di ammonio, solfato di potassio) o fertilizzanti costituzionalmente acidi (fosfato minerale).
_Conducibilità elettrica (CE) _ I substrati devono avere un contenuto nutritivo noto e bassi valori CE (cfr. anche tabella 4.4). Spesso è preferibile utilizzare un substrato chimicamente inerte e aggiungere i nutrienti in relazione alle specifiche esigenze delle colture. Particolare attenzione deve essere prestata ai livelli CE. Elevati livelli CE indicano la presenza di ioni (ad esempio NASUP+/SUP) che, pur non essendo importanti come nutrienti, possono svolgere un ruolo decisivo nell’idoneità del substrato.
Salute e sicurezza La salute nei sistemi e la sicurezza per gli operatori sono garantiti dall’assenza di agenti patogeni (nematodi, funghi, insetti), sostanze potenzialmente fitotossiche (pesticidi) e semi di erbe infestanti. Alcuni materiali di produzione industriale (argilla espansa, perlite, lana di roccia, vermiculite e polistirolo) garantiscono alti livelli di sterilità grazie alle alte temperature applicate durante la lavorazione.
Sostenibilità Un’altra caratteristica importante di un substrato è il suo profilo di sostenibilità. Molti substrati di uso comune devono affrontare sfide ecologiche relative alla provenienza, al processo di produzione e/o alla successiva lavorazione e all’impronta di fine vita. A questo proposito, i substrati provenienti da materiali a basso impatto ecologico (modificati in modo ecologico e in definitiva biodegradabili) sono una caratteristica supplementare da considerare. La riutilizzabilità del substrato può anche essere un aspetto importante della sostenibilità di un substrato.
Cost Ultimo ma non meno importante, il substrato deve essere economico o almeno conveniente, prontamente disponibile e standardizzato dal punto di vista chimico-fisico.
4.2.4 Tipo di substrati
La scelta dei substrati spazia dai prodotti di origine organica o minerale presenti in natura e sottoposti a lavorazioni speciali (ad esempio torba, perlite, vermiculite) a quelli di origine organica derivati da attività umane (ad esempio rifiuti o sottoprodotti agricoli, industriali e urbani attività) e di origine industriale ottenute mediante processi di sintesi (ad esempio polistirolo).
4.2.4.1 Materiali organici
Questa categoria comprende i substrati organici naturali, compresi i residui, i rifiuti e i sottoprodotti di natura organica derivati dall’agricoltura (letame, paglia, ecc.) o, per esempio, industriali, sottoprodotti dell’industria del legno, ecc. o da insediamenti urbani, ad esempio fanghi di depurazione, ecc. ulteriori lavorazioni, come estrazione e maturazione.
Tutti i materiali che possono essere utilizzati in idroponica possono essere utilizzati anche in AP. Tuttavia, poiché il carico batterico in una soluzione AP può essere superiore a quello delle soluzioni idroponiche convenzionali, si può quindi prevedere che i substrati organici possano essere soggetti a un aumento della velocità di decomposizione, causando problemi di compattazione del substrato e aerazione delle radici. Pertanto, i materiali organici possono essere considerati per le colture con un ciclo di crescita più breve, mentre i substrati minerali possono essere preferiti per le colture con un ciclo di crescita lungo.
**Torba
La torba, utilizzata da sola o con altri substrati, è attualmente il materiale più importante di origine organica per la preparazione del substrato. Il termine torba si riferisce ad un prodotto derivato da residui di bryofite (sfagnum), Cyperaceae (Trichophorum, Eriophorum, Carex) e altri (Calluna, Phragmites, ecc.) trasformati in condizioni anaerobiche.
Le paludi rialzate si formano in ambienti freddi e molto piovosi. L’acqua piovana, senza sali, viene trattenuta sulla superficie da muschi e residui vegetali, creando un ambiente saturo. Nelle paludi rialzate possiamo distinguere uno strato più profondo e molto decomposto di colore scuro (torba marrone) e uno strato leggermente scomposto, meno profondo di colore chiaro (_torba bionda _). Entrambe le torba sono caratterizzate da una buona stabilità strutturale, bassissima disponibilità di nutrienti e pH acido mentre differiscono principalmente nella loro struttura (Tabella 4.2).
Le torbe brune, con pori molto piccoli, hanno una maggiore capacità di ritenzione idrica e meno porosità libera per l’aria e hanno una maggiore capacità CEC e tampone. Le caratteristiche fisiche variano in relazione alla dimensione delle particelle che consente l’assorbimento d’acqua da 4 a 15 volte il proprio peso. Le paludi sollevate di solito soddisfano i requisiti necessari per un buon substrato. Inoltre, hanno proprietà costanti e omogenee e quindi possono essere sfruttate industrialmente. Tuttavia, l’uso di queste torbe richiede correzioni del pH con, ad esempio, carbonato di calcio (CacoSub3/sub). Generalmente, per una torba sfagnum con pH 3—4, si devono aggiungere 2 kg msup-3/sup di CacoSub3/sub per aumentare il pH di una unità. Occorre prestare attenzione per evitare la completa asciugatura del substrato. Va inoltre tenuto presente che la torba è sottoposta a processi di decomposizione microbiologica che, nel tempo, possono aumentare la capacità di ritenzione idrica e ridurre la porosità libera.
Le paludi sono presenti principalmente nelle zone temperate (ad esempio l’Italia e la Francia occidentale), dove sono dominanti Cyperaceae, Carex e Phragmites. Queste torbe si formano in presenza di acqua stagnante. Il contenuto di ossigeno, sali e calcio nell’acqua consentono una decomposizione e un’umificazione più veloci rispetto a quella che si verifica nelle paludi rialzate. Ciò si traduce in una torba molto scura, dal marrone al nero, con un maggior contenuto di nutrienti, in particolare azoto e calcio, un pH più elevato, una maggiore densità apparente e una porosità libera molto più bassa (Tabella 4.2). Sono piuttosto fragili allo stato secco e hanno una notevole plasticità allo stato umido, che conferisce elevata suscettibilità alla compressione e alla deformazione. Il rapporto carbonio/azoto (C/N) è generalmente compreso tra 15 e 48 (Kuhry e Vitt 1996; Abad et al. 2002). A causa delle sue proprietà, la torba nera è di basso valore e non è adatta come substrato, ma può essere miscelata con altri materiali.
Va notato che in alcuni paesi vi è un’iniziativa volta a ridurre l’uso e l’estrazione della torba per ridurre gli effetti ambientali e vari sostituti della torba sono stati identificati con vari successi.
Fibra di cocco
La fibra di cocco (cocco) è ottenuta dalla rimozione delle bucce fibrose delle noci di cocco ed è un sottoprodotto dell’industria della copra (produzione di olio di cocco) e dell’estrazione delle fibre, ed è composta quasi esclusivamente da lignina. Prima dell’uso, viene compostato per 2-3 anni, quindi viene disidratato e compresso. Prima dell’uso, deve essere reidratato sommando con acqua fino a 2-4 volte del volume compresso. La fibra di cocco possiede caratteristiche chimico-fisiche simili alla torba bionda (tabella 4.2), ma con i vantaggi di avere un pH più alto. Ha anche un impatto ambientale inferiore rispetto alla torba (sfruttamento eccessivo delle torbiere) e alla lana di roccia dove ci sono problemi di smaltimento. Questo è uno dei motivi per cui è sempre più preferito nei sistemi senza suolo (Olle et al. 2012; Fornes et al. 2003).
Substrati a base di legno
I substrati organici derivati dal legno o dai suoi sottoprodotti, come corteccia, trucioli di legno o polvere di sega, vengono utilizzati anche nella produzione globale di impianti commerciali (Maher et al. 2008). I substrati basati su questi materiali possiedono generalmente un buon contenuto d’aria e un’elevata conduttività idraulica satura. Gli svantaggi possono includere basse capacità di ritenzione idrica, insufficiente aerazione causata dall’attività microbica, distribuzione inadeguata delle dimensioni delle particelle, immobilizzazione dei nutrienti o effetti negativi dovuti all’accumulo di sale e composti tossici (Dorais et al. 2006).
4.2.4.2 Materiali inorganici
Questa categoria comprende i materiali naturali (ad esempio sabbia, pomice) e i prodotti minerali derivati da processi industriali (ad esempio vermiculite, perlite) (tabella 4.3).
Tabella 4.3 Principali caratteristiche chimico-fisiche dei substrati inorganici utilizzati nei sistemi privi di suolo
tavolo testata tr class = header» ThSubstrati/Th Densità di massa (kg msup3/sup) /th Porosità totale (%vol) /th Porosità THFree (%vol) /th Capacità WaterRetention (%vol) /th THCEC (meq%) /th ilC (mS cmsup1/sup) /th THPH/Th /tr /testata tbody tr class=“dispari» TDSand/TD td1400—1600/td td40—50/td td1—20/td td20—40/td td20—25/td td0.10/td td6.4—7.9/td /tr tr class=“even» TDPUMICE/TD td450—670/td td55—80/td td30—50/td td24—32/td td—/td td0.08—0.12/td td6.7—9.3/td /tr tr class=“dispari» TDvulcanic tuffs/td td570—630/td td80—90/td td75-85/td td2—5/td td3—5/td td—/td td7.0—8.0/td /tr tr class=“even» TDVermiculite/TD td80—120/td td70—80/td td25—50/td td30—55/td td80—150/td td0.05/td td6.0—7.2/td /tr tr class=“dispari» TDPerlite/TD td90—130/td td50—75/td td30—60/td td15—35/td td1.5—3.5/td td0.02—0.04/td td6.5—7.5/td /tr tr class=“even» TDEXpanded argilla/td td300—700/td td40—50/td td30—40/td td5—10/td td3—12/td td0.02/td td4.5—9.0/td /tr tr class=“dispari» TDStone lana/td td85—90/td td95—97/td td10—15/td td75—80/td td—/td td0.01/td td7.0—7.5/td /tr tr class=“even» TDEXpanded Polistirene/TD td6—25/td td55/td td52/td td3/td td—/td td0.01/td td6.1/td /tr /tbody /tavolo
Fonte: Enzo et al. (2001)
Sabbia
Le sabbie sono materiale naturale inorganico con particelle di diametro compreso tra 0,05 e 2,0 mm, provenienti dall’invecchiamento di diversi minerali. La composizione chimica delle sabbie può variare a seconda dell’origine, ma in generale è costituita dal 98,0— 99,5% di silice (Siosub2/sub) (Perelli et al. 2009). Il pH è principalmente legato al contenuto di carbonato. Le sabbie con basso contenuto di carbonato di calcio e pH 6,4-7,0 sono più adatte come materiale di substrato perché non influenzano la solubilità del fosforo e di alcuni microelementi (ad esempio ferro, manganese). Come tutti i substrati di origine minerale, le sabbie hanno una bassa CEC e una bassa capacità di tamponamento (Tabella 4.3). Le sabbie fini (0,05—0,5 mm) sono le più adatte per l’uso in sistemi idroponici in miscele dal 10 al 30% in volume con materiali organici. Le sabbie grossolane (\ >0,5 mm) possono essere utilizzate per aumentare la capacità di drenaggio del substrato.
Pomica
La pomice è costituita da silicato di alluminio di origine vulcanica, molto leggero e poroso, e può contenere piccole quantità di sodio e potassio e tracce di calcio, magnesio e ferro a seconda del luogo di origine. È in grado di trattenere calcio, magnesio, potassio e fosforo dalle soluzioni nutritive e di rilasciarli gradualmente alla pianta. Di solito ha un pH neutro, ma alcuni materiali possono avere pH eccessivamente alto, buona porosità libera ma bassa capacità di ritenzione idrica (Tabella 4.3). La struttura tende tuttavia a deteriorarsi abbastanza rapidamente, a causa della facile rottura delle particelle. La pomice, aggiunta alla torba, aumenta il drenaggio e l’aerazione del substrato. Per l’uso in orticoltura, sono preferite particelle di pomice da 2 a 10 mm di diametro (Kipp et al. 2001).
**Tuffi vulcanici
I tufi derivano da eruzioni vulcaniche, con particelle di diametro compreso tra 2 e 10 mm. Possono avere una densità apparente compresa tra 850 e 1100 kg msup-3/sup e una capacità di ritenzione idrica compresa tra il 15% e il 25% in volume (Kipp et al. 2001).
Vermiculite
La vermiculite comprende fillosilicati idrosi di magnesio, alluminio e ferro, che allo stato naturale hanno una sottile struttura lamellare che trattiene piccole gocce d’acqua. La vermiculite esfoliata è comunemente utilizzata nell’industria orticola ed è caratterizzata da un’elevata capacità tampone e valori CEC simili a quelli delle torbe migliori (Tabella 4.3), ma, rispetto a queste, ha una maggiore disponibilità di nutrienti (5— 8% potassio e 9— 12% magnesio) (Perelli et al. 2009). NHSub4/SubSUP+/SUP è particolarmente trattenuto dalla vermiculite; l’attività dei batteri nitrificanti, tuttavia, consente il recupero di parte dell’azoto fisso. Allo stesso modo, la vermiculite lega oltre il 75% del fosfato in forma irreversibile, mentre ha una bassa capacità assorbente per clsup-/SUP, nosub3/subsup-/SUP e sosub4/subsup-/SUP. Queste caratteristiche devono essere attentamente valutate quando la vermiculite viene utilizzata come substrato. La struttura in vermiculite non è molto stabile a causa di una bassa resistenza alla compressione e tende a deteriorarsi nel tempo, riducendo il drenaggio dell’acqua. Può essere usato da solo; tuttavia, è preferibile mescolarlo con perlite o torba.
Perlite
La perlite è costituita da silicato di alluminio di origine vulcanica contenente il 75% di Siosub2/sub e il 13% di Alsub2/Subosub3/sub. La materia prima viene frantumata, setacciata, compressa e riscaldata a 700-1000 °C. A queste temperature, la poca acqua contenuta nella materia prima si trasforma in vapore espandendo le particelle in piccoli aggregati grigio-biancastro che, a differenza della vermiculite, hanno una struttura a cellule chiuse. È molto leggero e possiede un’elevata porosità libera anche dopo l’ammollo. Non contiene sostanze nutritive, ha CEC trascurabile ed è praticamente neutro (Tabella 4.3) (Verdonk et al. 1983). Il pH, tuttavia, può variare facilmente, perché la capacità tampone è insignificante. Il pH deve essere controllato attraverso la qualità dell’acqua di irrigazione e non deve scendere al di sotto di 5,0 per evitare il fitotossico. effetti dell’alluminio. La struttura a celle chiuse consente di trattenere l’acqua solo sulla superficie e negli spazi tra gli agglomerati, quindi la capacità di ritenzione idrica è variabile in relazione alle dimensioni degli agglomerati. È commercializzato in diverse dimensioni, ma il più adatto per l’orticoltura è di 2-5 mm di diametro. Può essere utilizzato come substrato nei letti di radicazione, perché garantisce una buona aerazione. Nelle miscele con materiali organici, migliora la morbidezza, la permeabilità e l’aerazione del substrato. Perlite può essere riutilizzato per diversi anni, purché sia sterilizzato tra un utilizzo e l’altro.
Argilla espansa
L’argilla espansa si ottiene trattando la polvere di argilla a circa 700 C. Si formano aggregati stabili e, a seconda del materiale argilloso utilizzato, hanno valori variabili rispetto alla CEC, al pH e alla densità apparente (Tabella 4.3). L’argilla espansa può essere utilizzata in miscele con materiali organici nella quantità di circa 10 -35% in volume, a cui fornisce maggiore aerazione e drenaggio (Lamanna et al. 1990). Le argille espanse con valori di pH superiori a 7,0 non sono adatte per l’uso in sistemi privi di suolo.
**Lana di Stone
La lana di roccia è il substrato più utilizzato nella coltivazione senza suolo. Nasce dalla fusione di silicati di alluminio, calcio e magnesio e coke di carbonio a 1500—2000 °C. La miscela liquefatta viene estrusa in fili di 0,05 mm di diametro e, dopo la compressione e l’aggiunta di resine speciali, il materiale assume una struttura fibrosa molto leggera con un’elevata porosità (tabella 4.3).
La lana di roccia è chimicamente inerte e, se aggiunta ad un substrato, ne migliora l’aerazione e il drenaggio e offre anche un ottimo ancoraggio per le radici delle piante. Viene utilizzato da solo, come substrato di semina e per la coltivazione senza suolo. Le lastre utilizzate per la coltivazione possono essere impiegate per diversi cicli produttivi a seconda della qualità, purché la struttura sia in grado di garantire sufficiente porosità e disponibilità di ossigeno per i sistemi radicali. Di solito, dopo diversi cicli di coltura, la maggior parte della porosità del substrato è piena di vecchie radici morte, e ciò è dovuto alla compattazione del substrato nel tempo. Il risultato è una profondità ridotta del substrato in cui le strategie di irrigazione possono richiedere un adattamento.
Zeolite
Le zeoliti sono costituite da silicati di alluminio idratati caratterizzati dalla capacità di assorbire elementi gassosi; sono ad alto contenuto di macro e microelementi, hanno un elevato potere assorbente e un’elevata superficie interna (strutture con pori di 0,5 mm). Questo substrato è di grande interesse in quanto assorbe e rilascia lentamente gli ioni KSUP+/SUP e NHSub4/SubSUP+/SUP, mentre non è in grado di assorbire clsup-/SUP e nasup+/SUP, che sono pericolosi per le piante. Le zeoliti sono commercializzate in formulazioni che differiscono per il contenuto N e P e che possono essere utilizzate nella semina, per la radicazione delle talee o durante la fase di coltivazione (Pickering et al. 2002).
4.2.4.3 Materiali sintetici
I materiali sintetici includono materiali plastici a bassa densità e resine sintetiche a scambio ionico. Questi materiali, detti «espansi», perché ottenuti da un processo di dilatazione ad alte temperature, non sono ancora ampiamente utilizzati, ma possiedono proprietà fisiche adatte a bilanciare le caratteristiche di altri substrati.
Polistirene espanso
Il polistirene espanso è prodotto in granuli di 4-10 mm di diametro con una struttura a celle chiuse. Non si decompone, è molto leggero e ha una porosità molto elevata ma con una capacità di ritenzione idrica estremamente bassa (Tabella 4.3). Non ha CEC e capacità tampone praticamente zero, quindi viene aggiunto al substrato (ad esempio torba) esclusivamente per migliorarne la porosità e il drenaggio. La dimensione delle particelle preferita è 4—5 mm (Bunt 2012).
** Schiuma poliuretanica
La schiuma poliuretanica è un materiale a bassa densità (12—18 kg msup-3/sup) con una struttura porosa che permette un assorbimento dell’acqua pari al 70% del suo volume. È chimicamente inerte, ha un pH quasi neutro (6,5-7,0), non contiene nutrienti utili a disposizione delle piante e non subisce decomposizione (Kipp et al. 2001). Nel mercato è possibile trovarlo sotto forma di granuli, cubi o blocchi di radicazione. Come una lana di roccia, può essere utilizzata anche per la coltivazione senza terreno.
4.2.5 Preparazione di substrati di coltivazione misti
I substrati misti possono essere utili per ridurre i costi complessivi del substrato e/o per migliorare alcune caratteristiche dei materiali originali. Ad esempio, torba, vermiculite e cocco possono essere aggiunti per aumentare la capacità di ritenzione idrica; perlite, polistirolo, sabbia grossolana e argilla espansa per aumentare la porosità libera e il drenaggio; torba bionda per aumentare l’acidità; maggiori quantità di materiale organico o quantità adeguate di terreno argilloso per aumentare CEC e tampone e bassi substrati scomponibili per una maggiore durata e stabilità. Le caratteristiche delle miscele rappresentano raramente la media dei componenti perché con la miscelazione le strutture vengono modificate tra le singole particelle e di conseguenza il rapporto tra caratteristiche fisiche e chimiche. In generale, sono preferibili miscele a basso contenuto di nutrienti, per poter gestire meglio la coltivazione. Il giusto rapporto tra i diversi componenti di una miscela varia anche con le condizioni ambientali in cui opera. Alle alte temperature è razionale utilizzare componenti che possiedono una maggiore capacità di ritenzione idrica e non consentono una rapida evaporazione (ad esempio torba) e, allo stesso tempo, sono resistenti alla decomposizione. Al contrario, in ambienti umidi, con bassa radiazione solare, i componenti caratterizzati da elevata porosità sono preferiti per garantire un buon drenaggio. In questo caso, sarà necessario aggiungere substrati grossolani come sabbia, pomice, argilla espansa e polistirolo espanso (Bunt 2012).