Aqu @teach: Mifumo ya hydroponic

Kuna aina tatu kuu za mifumo ya hydroponic (angalia pia Moduli 1). Katika kitanda cha vyombo vya habari hydroponics mimea inakua katika substrate. Katika mifumo ya filamu ya virutubisho (NFT) mimea inakua na mizizi yao katika mabomba makubwa yanayotolewa na maji mengi. Katika utamaduni wa kina wa maji (DWC) au mifumo ya raft inayozunguka mimea imesimamishwa juu ya tangi ya maji kwa kutumia raft inayozunguka. Kila aina ina faida na hasara zake ambazo zinajadiliwa kwa undani zaidi hapa chini. Ushahidi huo ni kinyume na suala la ufanisi wao wa jamaa kwa uzalishaji wa mazao katika mifumo ya aquaponic. Lennard na Leonard (2006) ikilinganisha mifumo mitatu ya hydroponic kwa uzalishaji wa lettuce na kupatikana uzalishaji wa juu zaidi katika vitanda vya vyombo vya habari vya changarawe, ikifuatiwa na DWC na NFT. Hata hivyo, tafiti baadae na Pantanella et al. 2012 iligundua kuwa NFT kazi kama vile DWC, wakati vyombo vya habari kitanda mara kwa mara underperformed katika suala la mavuno.

Kwa nafasi ya kubuni ya sehemu ya hydroponic juu ya utendaji wa jumla na matumizi ya maji ya mifumo ya aquaponic, mapitio ya maandiko na Maucieri et al. 2018 iligundua kuwa NFT haina ufanisi zaidi kuliko kitanda cha vyombo vya habari au DWC hydroponics, ingawa matokeo walikuwa si inaunga. Sehemu ya hydroponic huathiri moja kwa moja ubora wa maji, ambayo ni muhimu kwa ajili ya kuzaliana samaki, na pia ni chanzo kikuu cha kupoteza maji kwa evapotranspiration ya mimea. Mpangilio wa sehemu ya hydroponic kwa hiyo huathiri uendelevu wa mchakato mzima, ama moja kwa moja kwa matumizi ya maji na/au kwa moja kwa moja kwa suala la gharama za usimamizi wa mfumo. Uchaguzi wa sehemu ya hydroponic kwa mfumo wa aquaponic pia utaathiri muundo wa mfumo mzima. Kwa mfano, katika mifumo ya kitanda cha vyombo vya habari substrate hutoa eneo la kutosha kwa ukuaji wa bakteria na uchujaji, wakati katika vituo vya NFT eneo la uso halitoshi, na biofilters za ziada zitahitajika kuwekwa (Maucieri et al. 2018).

Media kitanda hydroponics

Katika hydroponics ya kitanda cha vyombo vya habari, katikati ya udongo au substrate hutumiwa kusaidia mizizi kusaidia uzito wa mmea. Kitanda cha vyombo vya habari pia hutumika kama chujio cha kibiolojia na kimwili Kati ya mifumo ndogo ya hydroponic, vitanda vya vyombo vya habari vina ufanisi zaidi wa kibaiolojia kwa sababu ya eneo kubwa la uso ambapo biofilm, iliyo na nitrifying na bakteria nyingine, inaweza kutawala. Substrate pia huchukua taka ya samaki imara na iliyosimamishwa na chembe nyingine za kikaboni, ingawa ufanisi wa chujio hiki cha kimwili itategemea ukubwa wa chembe na nafaka ya substrate, na kiwango cha mtiririko wa maji. Baada ya muda, chembe za kikaboni zinavunjika polepole na michakato ya kibiolojia na kimwili kuwa molekuli rahisi na ioni zinazopatikana kwa mimea kunyonya (Somerville et al. 2014b).

Substrate inaweza kuwa hai, isokaboni, asili, au synthetic (Kielelezo 1), na ni makazi katika vyombo kukua ya aina tofauti. Inahitaji kuwa na eneo la kutosha la uso huku likibaki likiwezekana kwa maji na hewa, hivyo kuruhusu bakteria kukua, maji yatiririke, na mizizi ya mimea kupumua. Inapaswa kuwa yasiyo ya sumu, kuwa na pH ya neutral ili usiathiri ubora wa maji, na uwe sugu kwa ukuaji wa mold. Lazima pia kuwa si nyepesi sana kwamba inaelea. Uhifadhi wa maji, aeration na usawa wa pH ni mambo yote yanayotofautiana kulingana na substrate. Maji huhifadhiwa juu ya uso wa chembe na ndani ya nafasi ya pore, hivyo uhifadhi wa maji unatambuliwa na ukubwa wa chembe, sura, na porosity. Vipande vidogo, karibu na pakiti, eneo kubwa zaidi na nafasi ya pore, na hivyo zaidi ya uhifadhi wa maji. Chembe za umbo la makosa zina eneo kubwa zaidi na hivyo uhifadhi wa maji zaidi kuliko chembe za laini, za pande zote. Vifaa vya porous vinaweza kuhifadhi maji ndani ya chembe wenyewe; kwa hiyo, uhifadhi wa maji ni wa juu. Wakati substrate inapaswa kuwa na uwezo wa uhifadhi mzuri wa maji, lazima pia uwe na uwezo wa mifereji ya maji mzuri. Kwa hiyo, vifaa vyema sana vinapaswa kuepukwa ili kuzuia uhifadhi wa maji mengi na ukosefu wa harakati za oksijeni ndani ya substrate. Substrates zote zinahitaji kusafishwa mara kwa mara (Resh 2013).

Substrates pia inaweza kuhesabiwa kama punjepunje au fibrous. Substrates za punjepunje ni pamoja na jumla ya udongo iliyopanuliwa, changarawe, vermiculite, perlite, na pumice. Substrates za nyuzi zinajumuisha nyuzi za rockwool na nyuzi za nazi. Maji hufanyika hasa katika nafasi ya micropore ya substrate, wakati mifereji ya maji ya haraka na uingizaji wa hewa huwezeshwa na macropores (Drzal et al. 1999). Mchanganyiko wa kutosha wa pores kubwa na ndogo kwa hiyo ni muhimu (Raviv et al. 2002). Substrates za punjepunje zina macroporosity ya juu (upatikanaji wa hewa) lakini microporosity ya chini (upatikanaji wa maji), wakati substrates za nyuzi zina microporosity ya juu lakini macroporosity ya chini.

Mwanga kupanua udongo jumla (LECA) ni nyepesi sana ikilinganishwa na substrates nyingine, ambayo inafanya kuwa bora kwa aquaponics paa. Inakuja katika ukubwa mbalimbali; ukubwa mkubwa na kipenyo cha 8-20 mm hupendekezwa kwa aquaponics (Somerville et al. 2014). Sehemu kubwa za pore (macroporosity) inamaanisha percolation bora ya suluhisho kupitia substrate na ugavi bora wa hewa, hata wakati biofilms inafunika nyuso. Hata hivyo, LECA ina micropores ndogo, na hivyo haina uwezo mzuri wa kushikilia maji.

Volkeno changarawe (tuff) ina juu sana uso eneo kwa kiasi uwiano ambayo inatoa nafasi ya kutosha kwa ajili ya bakteria kutawala, na ni karibu kemikali ajizi, isipokuwa kwa releases ndogo ya microelements kama vile chuma na magnesiamu na ngozi ya phosphate na ions potassium ndani ya miezi michache ya kwanza. Ukubwa uliopendekezwa wa changarawe ya volkano ni 8-20 mm kwa kipenyo. Changarawe ndogo ni uwezekano wa kuziba na taka imara, wakati changarawe kubwa haitoi eneo la uso linalohitajika au msaada wa mimea (Somerville et al. 2014b).

Changarawe ya chokaa haipendekezi kama substrate, ingawa wakati mwingine hutumiwa. Chokaa ina chini ya uso kwa kiasi uwiano kuliko changarawe volkeno, ni comparatively nzito, na si ajizi. Chokaa kinajumuisha hasa calcium carbonate (CaCO₃), ambayo hupasuka katika maji. Hii itaongeza pH, na kwa hiyo inapaswa kutumika tu ambapo vyanzo vya maji ni chini sana katika alkalinity au tindikali. Hata hivyo, kuongeza ndogo ya chokaa inaweza kusaidia kukabiliana na athari acidifying ya bakteria nitrifying, ambayo inaweza kukabiliana na haja ya mara kwa mara maji buffering katika mifumo vizuri uwiano aquaponic (Somerville et al. 2014b).

Vermiculite ni madini micaceous ambayo expands wakati joto juu 1000 ⁰C. maji anarudi kwa mvuke, kutengeneza ndogo, porous, sponge-kama kokwa. Vermiculite ni nyepesi sana kwa uzito na inaweza kunyonya kiasi kikubwa cha maji. Kemikali, ni silicate ya magnesium-aluminium-chuma ya hidrati. Ni neutral katika mmenyuko na mali nzuri buffering, na ina kiasi high cation kubadilishana uwezo na hivyo wanaweza kushikilia virutubisho katika hifadhi na baadaye kutolewa yao. Pia ina baadhi ya magnesiamu na potasiamu, ambayo inapatikana kwa mimea (Resh 2013).

Perlite ni nyenzo za siliceous za asili ya volkano, zilizochimbwa kutoka kwa lava. Ni joto hadi 760 ⁰C, ambayo inarudi kiasi kidogo cha maji ndani ya mvuke, na hivyo kupanua chembe kwa kernels ndogo, kama sponge. Perlite ni nyepesi sana na itashikilia mara tatu hadi nne uzito wake wa maji. Kimsingi ni upande wowote, na pH ya 6.0—8.0, lakini bila uwezo wa buffering; tofauti na vermiculite, haina uwezo wa kubadilishana cation na haina virutubisho vidogo. Haipaswi kutumiwa peke yake, bali imechanganywa na substrate nyingine ili kuboresha mifereji ya maji na aeration na hivyo kuzuia virutubisho kujenga-up na masuala ya sumu ya baadae huku ikitoa mazingira yenye utajiri wa oksijeni kwa mizizi kustawi katika (Resh 2013).

Pumice, kama perlite, ni nyenzo za siliceous za asili ya volkano na ina mali sawa. Hata hivyo, ni ore ghafi baada ya kusagwa na uchunguzi, bila mchakato wowote wa joto, na kwa hiyo ni nzito na haina kunyonya maji kwa urahisi, kwani haijawahi hidrati (Resh 2013).

Rockwool ni alifanya kutoka basalt mwamba kwamba ni kuyeyuka katika tanuu katika joto la 1500 ⁰C. basalt kioevu ni kisha spun katika nyuzi na USITUMIE katika pakiti pamba ambayo ni kata katika slabs, vitalu, au plugs. Wengi wa upanuzi wa haraka wa sekta ya chafu katika miongo miwili iliyopita imekuwa na utamaduni wa rockwool. Hata hivyo, katika miaka ya hivi karibuni wasiwasi wamefufuliwa juu ya ovyo yake, kwa sababu haina kuvunja katika kufuta ardhi. Sasa wakulima wengi wanageuka kwenye substrate endelevu zaidi — nyuzi za nazi (Resh 2013).

Fibre ya kokoni (au coir) ni substrate ya kikaboni inayotokana na pembe za nazi zilizoharibika na za ardhi. Iko karibu na pH upande wowote na huhifadhi maji huku ikiruhusu kiasi kizuri cha oksijeni kwa mizizi (Resh 2013).

Jedwali 1: Tabia ya vyombo vya habari mbalimbali kuongezeka (baada Somerville et al. 2014b)

Kulingana na aina ya substrate, itachukua asilimia 30-60 ya jumla ya kiasi cha kitanda cha vyombo vya habari. Ya kina cha kitanda cha vyombo vya habari ni muhimu kwa sababu inadhibiti kiasi cha kiasi cha nafasi ya mizizi katika kitengo, ambacho kinaamua aina za mboga ambazo zinaweza kukua. Kubwa matunda mboga kama vile nyanya, okra na kabichi unahitaji kina substrate ya cm 30 ili kuruhusu nafasi ya mizizi ya kutosha na kuzuia mizizi matting na upungufu wa virutubisho. Mboga ndogo ya majani ya kijani yanahitaji tu 15-20 cm ya kina cha substrate (Somerville et al. 2014b).

Kielelezo cha 2: Kupandikiza nyanya kukua katika mfumo wa chombo cha kitanda cha vyombo vya habari na umwagiliaji wa mvua na substrate ya LE< https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:Hydroponic_Farming.jpg >

Kuna mbinu tofauti za kutoa maji yenye utajiri wa virutubisho kwenye vitanda vya vyombo vya habari. Inaweza kupunguzwa tu kutoka kwa drippers zilizounganishwa na mabomba sawasawa kusambazwa kwa kati (angalia Mchoro 2). Vinginevyo, njia inayoitwa mafuriko na kukimbia (au ebb-na-mtiririko) husababisha vitanda vya vyombo vya habari kuwa mafuriko mara kwa mara na maji ambayo kisha huvuja tena kwenye hifadhi. Mchanganyiko kati ya mafuriko na kukimbia huhakikisha kwamba mimea ina virutubisho safi na mtiririko wa kutosha wa hewa katika ukanda wa mizizi, ambayo hujaza viwango vya oksijeni. Pia inahakikisha kwamba unyevu wa kutosha uko kitandani wakati wote hivyo bakteria wanaweza kustawi katika hali zao bora. Hali ya kitanda cha vyombo vya habari cha mafuriko na mifereji inajenga maeneo matatu tofauti ambayo yanatofautishwa na maudhui yao ya maji na oksijeni (Somerville et al. 2014b):

• Sehemu ya juu ya 2-5 cm ni eneo la kavu, ambalo linafanya kazi kama kizuizi cha mwanga, kupunguza uvukizi na kuzuia mwanga usiingie moja kwa moja maji ambayo yanaweza kusababisha ukuaji wa algal. Pia kuzuia ukuaji wa vimelea na bakteria hatari chini ya shina la mmea, ambayo inaweza kusababisha kuoza kwa collar na magonjwa mengine.

• Eneo la kavu/mvua lina unyevu na kubadilishana juu ya gesi. Hii ni eneo la 10-20 cm ambapo kitanda cha vyombo vya habari kinaingilia mafuriko na mifereji ya maji. Ikiwa haitumii mbinu za mafuriko na kukimbia, eneo hili litakuwa njia ambayo maji inapita kati. Shughuli nyingi za kibiolojia hutokea katika eneo hili.

• Eneo la mvua ni chini ya 3-5 cm ya kitanda ambayo inabaki kudumu mvua. Taka ndogo za chembechembe imara hujilimbikiza katika eneo hili, na kwa hiyo viumbe vinavyofanya kazi zaidi katika mineralization pia viko hapa, ikiwa ni pamoja na bakteria za heterotrophic na viumbe vingine vidogo vinavyovunja taka ndani ya sehemu ndogo na molekuli ambazo zinaweza kufyonzwa na mimea kupitia mchakato wa mineralization (Somerville et al. 2014b).

Mbinu ya Filamu ya Nutrient (NFT)

NFT ni mfumo wa utamaduni wa ufumbuzi ambapo filamu nyembamba (kina cha milimita mbili hadi tatu) inapita daima kwenye msingi wa njia ndogo ambazo mifumo ya mizizi hukaa. Kwa NFT, lengo ni kwamba sehemu ya mkeka unaoendelea wa mizizi iko katika mtiririko wa virutubisho, lakini mizizi mingine imesimamishwa juu ya hili katika hewa yenye unyevu, kufikia oksijeni bila kuingizwa (Somerville et al. 2014b).

Kielelezo 3: Mfumo wa bomba la NFT pande zote < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

Kielelezo 4: Mfumo wa bomba la mstatili wa NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

Njia hizi ni mara nyingi katika fomu ya mabomba (Kielelezo 3). Mabomba yenye sehemu ya mstatili (Mchoro 4) ni bora, na upana mkubwa zaidi kuliko urefu, kwa maana hii ina maana kwamba kiasi kikubwa cha maji hupiga mizizi, na hivyo kuongeza matumizi ya virutubisho na ukuaji wa mimea. Mboga kubwa ya matunda na polycultures (kukua aina tofauti za mboga) zinahitaji mabomba makubwa kuliko yale yanayohitajika kwa ajili ya kukua kwa kasi ya wiki za majani na mboga ndogo na raia wadogo wa mizizi. Urefu wa bomba unaweza kutofautiana, lakini ni muhimu kuzingatia kwamba upungufu wa virutubisho unaweza kutokea katika mimea kuelekea mwisho wa mabomba ya muda mrefu sana kwa sababu mimea ya kwanza tayari imevua virutubisho (Mchoro 5). Mabomba nyeupe yanapaswa kutumika kama rangi inavyoonyesha mionzi ya jua, na hivyo kuweka ndani ya mabomba ya baridi. Njia lazima ziweke kwenye mteremko (Kielelezo 5) ili ufumbuzi wa virutubisho unapita kwa kiwango cha mtiririko mzuri, ambayo kwa mifumo mingi iko karibu na lita moja/dakika (Somerville et al. 2014a).

Kielelezo 5: Kutembea NFT njia. Kituo cha NFT kina urefu wa 12.5 m na kililishwa na maji kutoka kwenye tank iliyo karibu ya samaki. Hakuna virutubisho vilivyoongezewa. Mtu anaweza kuchunguza kuongezeka kwa virutubisho kwenye kituo

Mifumo ya NFT hutumiwa zaidi kwa kuzalisha mazao ya haraka ya mauzo kama vile lettuce, mimea, jordgubbar, mboga za kijani, lishe, na mikrogreens.

Utamaduni wa maji ya kina (DWC)

DWC au mfumo wa raft unaozunguka ni aina ya mfumo wa hydroponic ambao mimea imesimamishwa juu ya tangi kwa kutumia raft inayozunguka, na mizizi imeingizwa katika suluhisho la virutubisho na imetengenezwa kupitia pampu ya hewa. Hata hivyo, tofauti na mifumo ya NFT, ambapo virutubisho katika filamu ndogo ya maji inayozunguka kwenye kiwango cha mizizi hupungua haraka, kiasi kikubwa cha maji kilicho katika mifereji ya DWC kinaruhusu kiasi kikubwa cha virutubisho kutumiwa na mimea. Kwa hiyo urefu wa mifereji si suala, na wanaweza kuanzia mita moja hadi kumi. Kina kilichopendekezwa ni cm 30 kuruhusu nafasi ya kutosha ya mizizi ya mimea, ingawa vidogo vidogo vya majani kama vile lettuce vinahitaji tu kina cha cm 10 au hata chini. Kiwango cha mtiririko wa maji kinachoingia kila mfereji ni cha chini, na kwa ujumla kila mfereji una muda wa kuhifadhi (kiasi cha muda inachukua kuchukua nafasi ya maji yote katika chombo) cha masaa 1-4. Hii inaruhusu upatikanaji wa kutosha wa virutubisho katika kila mfereji, ingawa kiasi cha maji na kiasi cha virutubisho katika mifereji ya kina kina kina kutosha kulisha mimea kwa muda mrefu (Somerville et al. 2014b). Kwa upande mwingine, aeration ya ziada inaweza kuhitajika, kwa sababu viwango vya mtiririko si juu ya kutosha kutoa oksijeni ya kutosha.

Mimea mingine, kama vile lettuce, hustawi katika maji na kwa kawaida hupandwa kwa kutumia utamaduni wa maji ya kina. DWC ni njia ya kawaida kwa ajili ya shughuli kubwa ya kibiashara kukua mazao moja maalum (kawaida lettuce, saladi majani au Basil), na ni kufaa zaidi kwa ajili ya mechanization.

Kielelezo 6: Basil na mimea mingine kuongezeka katika mfumo DWC katika CDC South Aquaponics chafu katika Brooks, Alberta (< https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CDC_South_Aquaponics_Raft_Tank_1_2010-07.jpg >)

Aeroponics

Katika mifumo ya aeroponic mimea hupandwa na kulishwa kwa kusimamisha miundo yao ya mizizi katika hewa na kuwapunja mara kwa mara na suluhisho la virutubisho. Kuna aina mbili kuu za mifumo ya aeroponic: aeroponics ya shinikizo la juu na aeroponics ya chini ya shinikizo, tofauti kuu ni ukubwa wa droplet wa ukungu kutumika katika kila kesi. Aeroponics ya chini ya shinikizo hutumia shinikizo la chini, pampu za mtiririko, ambapo aeroponics ya juu ya shinikizo hutumia shinikizo la juu (karibu 120 PSI), pampu za mtiririko mdogo ili atomize maji na kuunda matone ya maji ya microns 50 au chini. Katika kesi ya ukungu mwembamba sana unaofanana na ukungu, neno ‘fogponics’ linatumika kuashiria aina ya tatu ya mfumo wa aeroponic. Mimea iliyopandwa kwa kutumia mfumo wa aeroponic huwa na kukua kwa kasi zaidi kuliko ile iliyopandwa katika aina nyingine za mfumo wa hydroponic kwa sababu ya mfiduo wao mkubwa wa oksijeni iliyoongezeka (Li et al. 2018).

*Hakimiliki © Washirika wa Mradi wa Aqu @teach. Aqu @teach ni Ushirikiano wa Kimkakati wa Erasmus+katika Elimu ya Juu (2017-2020) unaongozwa na Chuo Kikuu cha Greenwich, kwa kushirikiana na Chuo Kikuu cha Zurich cha Sayansi Applied (Uswisi), Chuo Kikuu cha Ljubljana na Kituo cha Biotechnical Naklo (Slovenia) . *