ΤΕΙ ΚΑΛΑΜΑΤΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΓΕΩΠΟΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΘΕΚΑ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΙΣ ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΛΑΧΑΝΟΚΟΜΙΑΣ IV ΥΔΡΟΠΟΝΙΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ Δρ. Αναστάσιος Ι. Κώτσιρας Γεωπόνος-Eπίκουρος Καθηγητής ΚΑΛΑΜΑΤΑ 2011
2 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο όρος υδροπονία μπορεί να θεωρηθεί ότι περιλαμβάνει οποιαδήποτε μέθοδο καλλιέργειας φυτών χωρίς τη χρήση του εδάφους ως μέσου ανάπτυξης του ριζικού συστήματος, ενώ παράλληλα η εφαρμογή όλων των απαραίτητων θρεπτικών στοιχείων γίνεται αποκλειστικά μέσω του νερού άρδευσης (Savvas, 2003). Ο Gericke ήταν ο πρώτος που εισήγαγε τον όρο υδροπονία (Gericke, 1937). Σήμερα, η μέθοδος αυτή εφαρμόζεται κυρίως σε θερμοκηπιακές καλλιέργειες (και ελάχιστα σε υπαίθριες) με σκοπό αφ ενός τη βελτιστοποίηση του ελέγχου των συνθηκών ανάπτυξης των φυτών και αφ ετέρου την αποφυγή προβλημάτων που πιθανόν να σχετίζονται με την ποιότητα του νερού καθώς και με τη γονιμότητα και παθογένεια του εδάφους. Σε αυτούς τους δυο λόγους οφείλεται κυρίως η ραγδαία παγκόσμια επέκταση των υδροπονικών καλλιεργειών κατά τις τρεις τελευταίες δεκαετίες. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι τα υδροπονικά συστήματα έχουν εξελιχθεί σε μεγάλο βαθμό τα τελευταία χρόνια. Ενδεικτικά, στην Ιαπωνία υπάρχουν σε εμπορική μορφή περισσότερα από 40 διαφορετικά είδη υδροπονικών συστημάτων (Nakano, 2007). Επίσης, θα πρέπει να τονισθεί ιδιαιτέρως ότι η εφαρμογή της υδροπονίας αποτελεί μια εξαίρετη εναλλακτική λύση ενός παραγωγικού συστήματος το οποίο μπορεί να βοηθήσει στην επιβίωση της γεωργίας σε ένα ταχύτατα μεταβαλλόμενο περιβάλλον. Οι σύγχρονες τάσεις στη γεωργία απαιτούν την παραγωγή προϊόντων υψηλής ποιότητος με ταυτόχρονη προστασία του περιβάλλοντος. Επιπρόσθετα, οι καταναλωτές προτιμούν τα νωπά λαχανοκομικά προϊόντα και είναι έτοιμοι να εμπιστευθούν λαχανικά που παράγονται σε μονάδες με φιλικές προς το περιβάλλον μεθόδους. Αντιθέτως, μειώνεται η προτίμηση για τα εισαγόμενα προϊόντα. 1.1. Καλλιέργεια στο έδαφος (Soil culture) Το έδαφος αποτελεί το φυσικό και πλέον διαθέσιμο μέσο ανάπτυξης των φυτών εξασφαλίζοντάς τους στήριξη, διατροφή, αέρα, νερό κλπ. Η καλλιέργεια των φυτών είναι προβληματική ή αδύνατη όταν στο εδαφικό περιβάλλον επικρατούν αντίξοες συνθήκες (αερισμού, θερμοκρασίας κλπ). Το έδαφος έχει την ικανότητα να αυτορρυθμίζει κάποιες από τις συνθήκες και να ανθίσταται στις μεταβολές (κυρίως του ph αλλά και άλλων παραμέτρων). Η ικανότητα αυτή ονομάζεται ρυθμιστική ικανότητα.
3 Οι παρεμβάσεις μεταβολής κάποιων φυσικών ή χημικών χαρακτηριστικών του εδάφους είναι πολλές φορές δύσκολη και οικονομικά ασύμφορη. Η παρουσία παθογόνων, οι ακατάλληλες αντιδράσεις, η ανεπιθύμητη συμπίεση, η κακή στράγγιση, η υποβάθμιση λόγω διάβρωσης, αποτελούν μερικούς από τους σημαντικότερους περιοριστικούς παράγοντες σε ότι αφορά την ανάπτυξη των φυτών. Επιπλέον, η συνεχής καλλιέργεια παρεμποδίζει τη φυσική σταδιακή αύξηση ή τη διατήρηση της γονιμότητας, μέσω της μείωσης της δραστηριότητας των μικροοργανισμών. Επιπρόσθετα, οι συμβατικές καλλιέργειες στο έδαφος παρουσιάζουν δυσκολίες λόγω της απαίτησης μεγάλων εκτάσεων, μεγάλου κόστους εργατικών και υψηλών απαιτήσεων σε νερό. Οι παραδοσιακές τεχνικές στις υπό κάλυψη καλλιέργειες μπορεί να προσφέρουν δυνατότητες υψηλής παραγωγικότητας, αλλά με υψηλή κατανάλωση νερού μέσω της επιφανειακής απορροής και της διήθησης. Επομένως, η αποδοτικότητα της χρήσης του νερού είναι σχετικά μικρή. Ένας καλός παραγωγός που καλλιεργεί συμβατικά μπορεί να πλησιάσει τις αποδόσεις της υδροπονίας αλλά με κατανάλωση 50-100% περισσότερου νερού. Επιπρόσθετα, σε χώρες με ξηροθερμικό κλίμα η ταχεία εξάτμιση του νερού από την επιφάνεια του εδάφους μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση της αλατότητας. Τέλος, θα πρέπει επίσης να αναφερθεί ότι στις μεγάλες αστικές περιοχές προφανώς υπάρχει περιορισμός των καλλιεργούμενων εκτάσεων. Αέρας Θρεπτικά στοιχεία Νερό Σχήμα 1. Καλλιέργεια στο έδαφος
4 1.2. Υδροπονία (Hydroponics) Η υδροπονία ή καλλιέργεια εκτός εδάφους (soilless culture) είναι ένα σύστημα καλλιέργειας των φυτών, μέσω του οποίου μειώνονται ή εκμηδενίζονται τα προαναφερόμενα προβλήματα των συμβατικών καλλιεργειών. Η εφαρμογή του συστήματος εξασφαλίζει άριστες συνθήκες ανάπτυξης των φυτών με αποτέλεσμα την μεγιστοποίηση της παραγωγής και ποιότητας των προϊόντων. Η υδροπονική μέθοδος καλλιέργειας θεωρείται ίσως το πιο εντατικό παραγωγικό γεωργικό σύστημα, στο οποίο εφαρμόζεται προηγμένη τεχνολογία. 1.2.1. Πλεονεκτήματα εφαρμογής της Υδροπονίας Παρακάτω συνοψίζονται τα βασικότερα πλεονεκτήματα της εφαρμογής της υδροπονίας γενικότερα, αλλά και σε σχέση με τις συμβατικές καλλιέργειες εδάφους: Δεν είναι απαραίτητη η ύπαρξη εδάφους. Η καλλιέργεια μπορεί να πραγματοποιηθεί σε θερμοκήπια ή σε ανοικτούς αγρούς, σε ταράτσες, βραχώδεις περιοχές κλπ. Στις υδροπονικές καλλιέργειες, η αποδοτικότητα της χρήσης του νερού είναι μεγάλη. Το περιβάλλον εργασίας διατηρείται καθαρό και οι εργαζόμενοι στο χώρο δεν έρχονται σε καμμία επαφή με το έδαφος. Αποφεύγονται οι βαριές αγροτικές εργασίες (δεν υπάρχουν ανάγκες για σκάψιμο, βοτάνισμα κλπ). Είναι δυνατή η αδιάλειπτη καλλιέργεια χωρίς πολλές καλλιεργητικές εργασίες προετοιμασίας σε διαδοχικές καλλιέργειες, ενώ παράλληλα παρέχεται η δυνατότητα επιμήκυνσης του χρόνου διεξαγωγής της καλλιέργειας. Αποφεύγεται η προσβολή από παθογόνα εδάφους. Η εφαρμογή της υδροπονίας αποτελεί ουσιαστικά μια εναλλακτική μέθοδο, απέναντι στην απολύμανση του εδάφους με όλους τους κινδύνους που αυτή συνεπάγεται. Επιτυγχάνεται πρωίμιση της παραγωγής που σε πολλές περιπτώσεις είναι αξιοσημείωτη.
5 Επιτυγχάνεται σημαντική αύξηση της ποσότητας και βελτίωση της ποιότητας των παραγομένων προϊόντων, όταν και οι υπόλοιποι συντελεστές παραγωγής διατηρούνται όσο το δυνατόν σε άριστα επίπεδα (μειωμένα στρες νερού και θρεπτικών στοιχείων). Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα είναι ο ακριβής έλεγχος της θρέψης των φυτών. Ο έλεγχος αυτός επιτυγχάνεται σε σημαντικό βαθμό στην περίπτωση της χρήσης αδρανών υποστρωμάτων ή καθαρού θρεπτικού διαλύματος (συστήματα NFT, DFT κλπ). Η ομοιομορφία και ο περιορισμένος όγκος των υποστρωμάτων (στις περιπτώσεις που χρησιμοποιούνται) προσφέρουν επίσης δυνατότητες καλύτερου ελέγχου της θρέψης των φυτών σε σχέση με το έδαφος. Η ανεύρεση εργατικού προσωπικού είναι πιο εύκολη λόγω του ότι οι συνθήκες εργασίας στις υδροπονικές μονάδες είναι περισσότερο ελκυστικές. Παρέχεται η δυνατότητα καλλιέργειας αρκετά μεγάλου αριθμού φυτικών ειδών (λαχανοκομικών, ανθοκομικών, φαρμακευτικών κλπ). Περιορίζεται στο ελάχιστο η απώλεια νερού και θρεπτικών στοιχείων ειδικά στα κλειστά υδροπονικά συστήματα (μειωμένη εξάτμιση από τα υποστρώματα και αξιοποίηση των απορροών). Παρέχεται η δυνατότητα θέρμανσης του θρεπτικού διαλύματος, γεγονός το οποίο σε συνδυασμό με τον περιορισμένο όγκο του υποστρώματος προάγει την καλύτερη ανάπτυξη του ριζικού συστήματος. Σε περιπτώσεις που χρειάζεται, είναι δυνατή η παραγωγή μοσχευμάτων ή ριζικού συστήματος χωρίς προσμίξεις (υδατοκαλλιέργειες). Παρέχεται η δυνατότητα προγραμματισμού της παραγωγής με αποτέλεσμα την καλύτερη διαχείριση των προϊόντων. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι η παραγωγή μαρουλιού μέσω του συστήματος Floating διαρκεί από 28-32 ημέρες. Οι υδροπονικές καλλιέργειες στις οποίες το θρεπτικό διάλυμα ανακυκλώνεται είναι φιλικές προς το περιβάλλον (κλειστά συστήματα). Επιτυγχάνονται μεγαλύτερες πυκνότητες φυτεύσεως. Τα παραγόμενα προϊόντα είναι καθαρά χωρίς προσμίξεις προερχόμενες από το έδαφος.
6 Μείωση της εφαρμογής λιπασμάτων και φυτοπροστατευτικών προϊόντων (σημαντική μείωση του κόστους παραγωγής). 1.2.2. Μειονεκτήματα εφαρμογής της Υδροπονίας Απαιτούνται σχετικά υψηλές δαπάνες κατά την αρχική εγκατάσταση της καλλιέργειας. Απαιτείται αρκετά υψηλή επιστημονική κατάρτιση και εμπειρία σε ότι αφορά την κατάρτιση της σύστασης των θρεπτικών διαλυμάτων (συνταγή θρέψης, διατήρηση σε επιθυμητά επίπεδα του ph και της αγωγιμότητας των διαλυμάτων, συχνότητα ποτισμάτων, διορθώσεις κλπ). Η λειτουργία του συστήματος έχει απαιτήσεις σε ενέργεια. Σε περιπτώσεις που η θερμοκρασία του θρεπτικού διαλύματος ανέλθει σε υψηλά επίπεδα (ειδικά σε συστήματα υδατοκαλλιεργειών) μπορεί να δημιουργηθούν σοβαρά προβλήματα με συνέπεια τη μείωση των αποδόσεων (NFT, DFT). 1.3. Μύθοι και παρανοήσεις που αφορούν τις υδροπονικές καλλιέργειες Η εφαρμογή της υδροπονίας στην Ελλάδα έχει αρχίσει να γίνεται σταδιακά περισσότερο γνωστή από τους παραγωγούς και τους καταναλωτές κατά τα τελευταία χρόνια. Όπως κάθε καινούργια τεχνική αντιμετωπίζεται με επιφύλαξη και έχουν δημιουργηθεί πολλοί μύθοι και παρανοήσεις σχετικά με τη χρήση της. Μερικοί από τους μύθους αυτούς είναι διασκεδαστικοί ενώ αντιθέτως άλλοι είναι επιζήμιοι για τη λειτουργία και εξάπλωση των υδροπονικών μονάδων. Παρακάτω γίνεται προσπάθεια προσεγγίσεως αυτών των μύθων:
7 1. Η υδροπονία είναι πολύπλοκη Πριν από λίγα χρόνια, η άποψη αυτή έδειχνε να είναι αληθινή λόγω της απουσίας ειδικών επιστημόνων, τεχνογνωσίας, εξοπλισμού κλπ. Όμως η εκτεταμένη πλέον παρουσία πιο απλών υδροπονικών συστημάτων, η αύξηση των ειδικών επιστημόνων και η εξέλιξη της υδροπονικής τεχνολογίας καθιστά την εφαρμογή της πιο εύκολη ακόμη και για ερασιτεχνική χρήση. 2. Τα υδροπονικά προϊόντα είναι άνοστα με μεγάλη περιεκτικότητα σε νερό Τα φυτά που αναπτύσσονται υδροπονικά, αξιοποιούν στο έπακρο το γενετικό τους δυναμικό. Μπορεί να αναπτύσσονται, να ωριμάζουν ταχύτερα, να έχουν μεγαλύτερη παραγωγή, αλλά τα οργανοληπτικά τους χαρακτηριστικά είναι ίδια με τα συμβατικά, εφόσον τους παρέχονται όλα τα απαραίτητα θρεπτικά στοιχεία. 3. Τα υδροπονικά προϊόντα έχουν τεχνητή γεύση Ανεξαρτήτως του τρόπου καλλιέργειας, είτε στο έδαφος, είτε εκτός εδάφους, όταν στο φυτό παρέχονται οι σωστές ποσότητες των απαραίτητων θρεπτικών στοιχείων, το τελικό προϊόν θα έχει άριστα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά. Στις υδροπονικές καλλιέργειες, τα ανόργανα θρεπτικά στοιχεία που προστίθενται στο νερό αρδεύσεως είναι ακριβώς τα ίδια που υπάρχουν και στο έδαφος. Κατά συνέπεια, τα οργανοληπτικά χαρακτηριστικά (γεύση, άρωμα κλπ) θα είναι τα ίδια ή ακόμη καλύτερα στα υδροπονικά προϊόντα, λόγω των καλύτερων συνθηκών καλλιέργειας. Επιπρόσθετα, λόγω της εντοπισμένης θρέψης των φυτών δίνεται η ευχέρεια της παραγωγής προϊόντων χωρίς την παρουσία ανεπιθύμητων στοιχείων όπως πχ τα βαρέα μέταλλα τα οποία πιθανόν να υπάρχουν στο έδαφος. 4. Τα υδροπονικά προϊόντα δεν μπορούν να θεωρηθούν σε καμμία περίπτωση βιολογικά Η βιολογική γεωργία σαν όρος επιδέχεται πολλές ερμηνείες και προσεγγίσεις. Όπως είναι γνωστό, από την επιστήμη της διατροφής των φυτών, η θρέψη τους απαιτεί την παρουσία ανόργανων θρεπτικών στοιχείων τα οποία απορροφώνται, διακινούνται
8 και μεταβολίζονται εντός των φυτικών οργανισμών. Κατά μια άποψη εάν τα θρεπτικά αυτά στοιχεία προστίθενται μέσω βιολογικών οργανικών ή ανόργανων σκευασμάτων φυτικής ή ζωϊκής προελεύσεως, τότε τα σκευάσματα αυτά είναι βιολογικά. Συνεπώς, τα προϊόντα που παράγονται με τη χρήση αυτών των σκευασμάτων πιστοποιούνται σαν προϊόντα βιολογικής καλλιέργειας, όταν παράλληλα δεν εφαρμόζονται χημικά φυτοπροστατευτικά προϊόντα. Τα τελευταία χρόνια έχουν δημιουργηθεί από διάφορες εταιρείες οργανικά σκευάσματα τα οποία βρίσκουν χρήση στις υδροπονικές καλλιέργειες. Επομένως ίσως να είναι αρκετά κοντά και η ένταξη των υδροπονικών προϊόντων στα βιολογικά. 5. Η εφαρμογή της υδροπονίας συνιστάται μόνο σε υπό κάλυψη καλλιέργειες με πολύ καλό έλεγχο των συνθηκών Η υδροπονία μπορεί να εφαρμοσθεί εξίσου αποτελεσματικά και σε υπαίθριες καλλιέργειες (πχ φράουλα, μαρούλι) όταν οι κλιματολογικές συνθήκες επιτρέπουν την επιμήκυνση της καλλιεργητικής περιόδου. 1.4 Καλλιεργούμενα είδη Αρκετά μεγάλος αριθμός φυτικών ειδών μπορεί να καλλιεργηθεί υδροπονικά σε συνάρτηση με τις τεχνικές που εφαρμόζονται στα συστήματα αυτά. Το κριτήριο για την εφαρμογή της υδροπονίας, θα πρέπει να βασίζεται σε παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας έτσι ώστε ο κύκλος εργασιών της αγροτικής επιχείρησης να δικαιολογεί το ύψος της επένδυσης. Παρακάτω γίνεται ενδεικτική αναφορά στα καλλιεργούμενα είδη που καλλιεργούνται υδροπονικά σε παγκόσμια κλίμακα: α) Λαχανικά Μαρούλι (όλοι οι τύποι), σπανάκι, λάχανο, τομάτα, μελιτζάνα, πιπεριά, αγγούρι πεπόνι, καρπούζι, κολοκύθι, φασόλι, φράουλα κλπ. β) Ανθοκομικά Τριανταφυλλιά, ζέρμπερα, χρυσάνθεμο, γυψοφίλη, κλπ. γ) Φαρμακευτικά
9 1.5. Παγκόσμια εξάπλωση της υδροπονίας Η συνολική έκταση των υδροπονικών καλλιεργειών παγκοσμίως εκτιμάται ότι είναι γύρω στα 250.000 στρέμματα (έτος 2001) και αναφέρεται κυρίως σε καλλιέργεια πετροβάμβακα (rockwool), σε φιλμ θρεπτικού διαλύματος (NFT), σε επιπλέουσα υδροπονία και σε σάκους κοκκοτύρφης. Άλλα συστήματα που χρησιμοποιούνται σε σημαντικό βαθμό είναι η καλλιέργεια σε άμμο (Ισραήλ), σε σάκους με περλίτη (Μ. Βρετανία, Ιταλία, Ελλάδα). Πίνακας 1. Παγκόσμια εξάπλωση των υδροπονικών καλλιεργειών κατά τα έτη 1980-2001 (Hassall and Associates Pty Ltd, 2001) Χώρα Έτος Έκταση Υδροπονικό Κύριες καλλιέργειες (στρ.) σύστημα Ολλανδία 1987 35.000 Πετροβάμβακας Τομάτα, αγγούρι, πιπεριά, 2001 100.000 μελιτζάνα, φασόλι, μαρούλι, δρεπτά άνθη Ισπανία 1996 10.000 Περλίτης, άμμος, Μαρούλι, αγγούρι, πιπεριά, 2001 40.000 πετροβάμβακας τομάτα Καναδάς 1987 1.000 Πετροβάμβακας, Τομάτα, αγγούρι μαρούλι, 2001 15.740 πριονίδι,nft, περλίτης πιπεριά Γαλλία 1996 1.000 Πετροβάμβακας Αγγούρι, πιπεριά, τομάτα, μελιτζάνα, δρεπτά άνθη Ιαπωνία 1984 2.930 Πετροβάμβακας, Τομάτα, κρεμμύδι, μαρούλι, Floating, NFT πεπόνι, αγγούρι Ισραήλ 1996 6.500 Περλίτης, άμμος, αεροπονία Βέλγιο 1996 6.000 Πετροβάμβακας Νέα 1996 2.000 NFT, ελαφρόπετρα Δρεπτά άνθη, φράουλα, Ζηλανδία 2001 5.500 τομάτα, πιπεριά, αγγούρι, μαρούλι Αυστραλία 1996 5.000 Άμμος, περλίτης, Τομάτα, μαρούλι, αγγούρι, πετροβάμβακας, NFT δρεπτά άνθη, αρωματικάφαρμακευτικά, φράουλα Αγγλία 1988 3.920 Πετροβάμβακας Τομάτα, αγγούρι, πιπεριά Νότιος 1984 750 Διάφορα στερεά Τομάτα, αγγούρι, μαρούλι,
10 Αφρική 1996 4.200 υποστρώματα άνθη Ιταλία 1990 500 Τριαντάφυλλο, τομάτα, 1999 4.000 ζέρμπερα, φράουλα ΗΠΑ 1984 2.280 Περλίτης, χαλίκι, άμμος, Τομάτα, αγγούρι, μαρούλι 1999 4.000 NFT Φινλανδία 1996 3.700 Κορέα 1987 2.740 Περλίτης, αεροπονία, Τομάτα, αγγούρι, μαρούλι 1996 NFT, DFT, πετροβάμβακας Μεξικό 1996 1999 150 1.200 Κίνα 1987 50 Χαλίκι Τομάτα, αγγούρι, μαρούλι, πράσο Ελλάδα 1996 330 Πετροβάμβακας, Τομάτα, αγγούρι, μαρούλι, 1999 600 περλίτης ελαφρόπετρα, πιπεριά, τριαντάφυλλο cocosoil, NFT Βραζιλία 1999 500 NFT Μαρούλι Ταϊβάν 1996 350 Σιγκαπούρη 1996 300 Αεροπονία, NFT Συνολική έκταση τέλη 1980:50.000-60.000 στρ. Συνολική έκταση 2001: 200.000-250.000 στρ.
11 2. ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΥΔΡΟΠΟΝΙΚΩΝ ΜΟΝΑΔΩΝ Μια υδροπονική μονάδα από πλευράς εξοπλισμού διακρίνεται στα εξής επιμέρους τμήματα: Σύστημα παρασκευής του θρεπτικού διαλύματος. Σύστημα παροχής του θρεπτικού διαλύματος στα φυτά. Υποδοχείς υποστρωμάτων. Υπόστρωμα καλλιέργειας. Δεξαμενές αποθήκευσης θρεπτικού διαλύματος 2.1. Σύστημα παρασκευής θρεπτικού διαλύματος Εγκατάσταση παροχής νερού. Φίλτρα καθαρισμού νερού. Δοχεία πυκνών διαλυμάτων. Μονάδα αραίωσης πυκνών διαλυμάτων (με δοσομετρικές αντλίες ή με αυτόματο μείκτη λιπασμάτων). Σύστημα αυτόματου ελέγχου.
12 Σχήμα 2. Γενική απεικόνιση του συστήματος παρασκευής των θρεπτικών διαλυμάτων στις υδροπονικές καλλιέργειες ΚΑΘΑΡΟ ΝΕΡΟ ΔΟΧΕΙΟ ΠΥΚΝΟΥ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ 1 ΔΟΧΕΙΟ ΑΝΑΜΙΞΗΣ ΛΙΠΑΣΜΑΤΩΝ ΔΟΧΕΙΟ ΠΥΚΝΟΥ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ 2 ΔΟΧΕΙΟ ΠΥΚΝΟΥ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ 3 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ph- EC ΑΝΤΛΙΑ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑ
13 Σχήμα 3. Κλειστό (με ανακύκλωση) υδροπονικό σύστημα με δεξαμενές μεμονωμένων στοιχείων και χρήση αναμικτικής δεξαμενής.
14 2.1.1. Δίκτυο παροχής νερού Το δίκτυο που χρησιμοποιείται για την παροχή νερού και θρεπτικών διαλυμάτων θα πρέπει να είναι από υλικά τα οποία δεν απελευθερώνουν σταδιακά στο νερό επιβλαβή ιόντα (πχ. Zn) σε συγκεντρώσεις που είναι πιθανόν να δημιουργήσουν προβλήματα τοξικότητας στις καλλιέργειες. Γενικά, προτιμώνται πλαστικοί σωλήνες οι οποίοι είναι φθηνοί και εύχρηστοι, ενώ θα πρέπει να αποφεύγεται η χρήση σωλήνων από γαλβανισμένο σίδηρο και από χαλκό. 2.1.2. Καθαρισμός του νερού Τα νερό άρδευσης έχει σχεδόν πάντοτε μικρή ή μεγάλη περιεκτικότητα σε στερεά σωματίδια (πχ κόκκοι άμμου, αργίλου, ιλύος, σπόροι φυτών κλπ). Τα σωματίδια αυτά αν δεν απομακρυνθούν μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα εμφράξεων στο αρδευτικό δίκτυο, με αποτέλεσμα την ανομοιογενή παροχή των θρεπτικών διαλυμάτων στα φυτά. Η ύπαρξη μεγάλης ποικιλίας στερεών σωματιδίων ανάλογα με την προέλευση του νερού, καθιστά αρκετά δύσκολη την απομάκρυνσή τους. Τα κυριότερα εφαρμοζόμενα μέσα καθαρισμού τα παρακάτω: 2.1.2.1. Φίλτρα Τα περισσότερα φίλτρα αποτελούνται από ένα εξωτερικό περίβλημα μεταλλικό ή πλαστικό, στο εσωτερικό του οποίου υπάρχει κατάλληλο μέσο διήθησης. Το νερό διέρχεται από το μέσο αυτό και απαλλάσσεται από τα στερεά σωματίδια. Η επιλογή του φίλτρου εξαρτάται: Από τον τύπο, το μέγεθος και τη συγκέντρωση των στερεών σωματιδίων. Από τον επιθυμητό βαθμό καθαρότητας του νερού. Από το ύψος της παροχής του νερού. Από το κόστος.
15 α) Φίλτρα σίτας Τα φίλτρα αυτά κατατάσσονται σε κύρια και δευτερεύοντα που τοποθετούνται στην κεφαλή του συστήματος και στις διακλαδώσεις αντίστοιχα. Στα φίλτρα σίτας η ζώνη διήθησης αποτελείται από έναν διάτρητο σωλήνα από σκληρό PVC ο οποίος καλύπτεται με ένα λεπτό και πυκνό πλέγμα (σίτα) μεταλλικών ή πλαστικών νημάτων. Το πλέγμα αυτό παρεμβάλλεται μεταξύ των χώρων εισόδου και εξόδου του νερού. Τα φίλτρα αυτά παρουσιάζουν ιδιαίτερη ευαισθησία στις εμφράξεις, γι αυτό το λόγο σε περιπτώσεις που το νερό περιέχει αρκετά στερεά σωματίδια, θα πρέπει να προηγείται προληπτικό φιλτράρισμα με φίλτρο άμμου ή χαλικιού. β) Φίλτρα άμμου - χαλικιού Σχήμα 4. Φίλτρα σίτας Τα φίλτρα αυτά χρησιμοποιούνται στις περιπτώσεις που τα νερά άρδευσης είναι αρκετά φορτισμένα με οργανικά σωματίδια, γεγονός το οποίο παρατηρείται κυρίως στα νερά επιφανειακής προέλευσης (ποτάμια, λίμνες, κανάλια κλπ.). Αποτελούνται από ένα μεταλλικό εξωτερικό περίβλημα στο εσωτερικό του οποίου τοποθετούνται στρώσεις χαλικιών και άμμου ορισμένης κοκκομετρίας (πχ η άμμος θα πρέπει να έχει κόκκους με μέση διάμετρο 1 mm). Σχήμα 5. Φίλτρο άμμου χαλικιού
16 γ) Υδροκυκλώνες (διαχωριστές άμμου) Η λειτουργία τους βασίζεται στην ενέργεια της φυγόκεντρης δύναμης πάνω στα σωματίδια της άμμου, με αποτέλεσμα την επιτάχυνση της πτώσης με δεκαπλάσια δύναμη. Το νερό εισέρχεται στο επάνω μέρος του δοχείου και η ευθύγραμμη ροή του μετατρέπεται σε κυκλική, σχηματίζοντας έναν κύριο στρόβιλο με φορά προς τα κάτω. Τα βαρύτερα σωματίδια απωθούνται προς την περιφέρεια (λόγω της φυγόκεντρης δύναμης) και στη συνέχεια κατακάθονται σε ειδικό θάλαμο από όπου και αποβάλλονται. Καθώς όμως ο κύριος στρόβιλος του νερού προσκρούει στον πυθμένα του δοχείου, ανακλάται και δημιουργείται ένας δευτερεύων στρόβιλος που κινείται ανοδικά και καταλήγει στην έξοδο. Σχήμα 6. Υδροκυκλώνας
17 2.1.3. Δοχεία πυκνών διαλυμάτων Τα λιπάσματα που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή του θρεπτικού διαλύματος, τοποθετούνται σε μεγάλες συγκεντρώσεις (100-200 φορές μεγαλύτερες σε σχέση με αυτές που θα πρέπει να υπάρχουν στο διάλυμα τροφοδοσίας των φυτών) σε δοχεία των 100-1000 λίτρων. Τα διαλύματα που περιέχονται στα δοχεία αυτά καλούνται πυκνά διαλύματα. 2.1.3.1. Σύστημα τριών δοχείων Συνήθως χρησιμοποιούνται δυο τουλάχιστον δοχεία πυκνών διαλυμάτων για τον διαχωρισμό των θειικών και των φωσφορικών λιπασμάτων από το νιτρικό ασβέστιο και το χηλικό σίδηρο. Ο διαχωρισμός αυτός είναι απαραίτητος για την παρεμπόδιση δημιουργίας ιζημάτων από την αντίδραση των λιπασμάτων μεταξύ τους, λόγω της υψηλής συγκέντρωσης των διαλυμάτων. Παράλληλα, είναι σκόπιμη η χρήση και ενός τρίτου δοχείου μητρικού διαλύματος στο οποίο τοποθετείται αποκλειστικά οξύ (συνήθως HNO 3 ) για τη ρύθμιση του ph του θρεπτικού διαλύματος. 2.1.3.2. Σύστημα δοχείων μεμονωμένων θρεπτικών στοιχείων Όταν καλλιεργούνται πολλά φυτικά είδη με διαφορετικές θρεπτικές απαιτήσεις συνιστάται η χρήση περισσότερων δοχείων που καθιστά δυνατή την κατανομή των θρεπτικών στοιχείων κατά τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπει την δημιουργία πολλών διαφορετικών συνταγών θρέψης. Παράλληλα, η ύπαρξη διαφορετικών συνταγών θρέψης πιθανόν να είναι απαραίτητη για τον έλεγχο της ανάπτυξης, της ποιότητας και το χρονισμό της παραγωγής σε συστήματα με ανακύκλωση. Το σύστημα αυτό αποτελείται από τόσα δοχεία, όσα είναι τα απαραίτητα θρεπτικά στοιχεία (συνήθως 12), ενώ απαιτείται και ένα επιπλέον δοχείο για τα ιχνοστοιχεία. Το σύστημα αυτό είναι αρκετά δαπανηρό και συνιστάται κυρίως σε μεγάλες εκμεταλλεύσεις όπου καλλιεργούνται πολλά φυτικά είδη με διαφορετικά στάδια ανάπτυξης. Για την περαιτέρω βελτίωση, καθώς και την πλήρη αυτοματοποίηση της διαδικασίας αντισταθμιστικής παροχής στοιχείων (διόρθωση σύστασης ανακυκλούμενου διαλύματος) γίνεται έρευνα για την κατασκευή αξιόπιστων
18 αισθητήρων ιόντων. Οι αισθητήρες αυτοί καθιστούν δυνατή την παρακολούθηση της συγκέντρωσης κάθε στοιχείου on-line και την αυτόματη διόρθωση από εξελιγμένες συσκευές. 2.1.3.3. Χαρακτηριστικά των δοχείων πυκνών διαλυμάτων Η χωρητικότητά τους επιλέγεται με βάση τον διαθέσιμο χώρο στο σημείο που εγκαθίσταται το σύστημα παρασκευής του θρεπτικού διαλύματος, καθώς επίσης και ανάλογα με την έκταση της καλλιέργειας. Τα υλικά κατασκευής τους θα πρέπει να είναι ανθεκτικά στη διάβρωση από τα λιπάσματα. Συνήθως κατασκευάζονται από πλαστικά υλικά. Συνιστάται να είναι εφοδιασμένα με σύστημα ανάδευσης για την καλύτερη διάλυση των λιπασμάτων και για την εκ νέου ομογενοποίηση σε περίπτωση δημιουργίας ιζήματος. Εικόνα 1. Δοχεία πυκνών διαλυμάτων
19 2.1.4. Παρασκευή των θρεπτικών διαλυμάτων Στην πράξη, στις υδροπονικές καλλιέργειες υπάρχουν διάφοροι τρόποι λειτουργίας των συστημάτων δοσομέτρησης και προετοιμασίας του θρεπτικού διαλύματος. Πολλά έχουν κατασκευαστεί με ελλειμματικές τεχνικές προδιαγραφές και δεν εξαντλούν τις υπάρχουσες δυνατότητες για την κατασκευή συστημάτων ανάμειξης με σχετικά απλά μέσα, αλλά με πολύ καλά χαρακτηριστικά λειτουργίας. Οι τεχνικές αδυναμίες εντοπίζονται κυρίως στον υδραυλικό σχεδιασμό και στη λογική ελέγχου της διαδικασίας ανάμειξης. Γενικά, για την προετοιμασία του τελικού διαλύματος απαιτούνται τρεις επί μέρους λειτουργίες: Άντληση των πυκνών διαλυμάτων Δοσομέτρηση των πυκνών διαλυμάτων Ανάμειξη με το νερό άρδευσης Οι διαδικασίες αυτές είναι σχετικά απλές αλλά αποκτούν ιδιαίτερες δυσκολίες λόγω της επιδιωκόμενης ακρίβειας σε μεταβαλλόμενες συνθήκες και της απαιτούμενης αντοχής των μηχανισμών σε ισχυρά οξειδωτικό περιβάλλον που δημιουργείται από την επαφή με τα πυκνά διαλύματα των λιπασμάτων.
20 2.1.4.1. Άντληση των πυκνών διαλυμάτων Η άντληση από τα δοχεία πυκνών διαλυμάτων προς τη γραμμή άρδευσης μπορεί να γίνει: με θετική πίεση, δηλ. με τη χρήση αντλιών αναγκαστικής εκτόπισης ή φυγόκεντρων. με αρνητική πίεση, δηλ. με τη δημιουργία χαμηλής πίεσης με χρήση Venturi ή στην αναρρόφηση της αντλίας άρδευσης. Ο πρώτος τρόπος απαιτεί αντλίες υψηλής αντοχής οι οποίες είναι δαπανηρές και επιρρεπείς στις βλάβες. Η χρήση Venturi κερδίζει έδαφος τα τελευταία χρόνια και υιοθετείται από τους περισσότερους κατασκευαστές. 2.1.4.2. Δοσομέτρηση των πυκνών διαλυμάτων Ο μηχανισμός αυτός πρέπει να παρέχει ορισμένη ποσότητα πυκνού διαλύματος από κάθε δοχείο ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή συγκέντρωση των θρεπτικών στοιχείων στο τελικό διάλυμα. Παρακάτω αναφέρονται οι επικρατέστεροι τρόποι δοσομέτρησης: α) Δοσομέτρηση συνεχούς ροής Η ροή των λιπασμάτων προς τη γραμμή άρδευσης είναι συνεχής και δεν χρειάζεται αναμεικτική δεξαμενή για την εξομάλυνση των διακυμάνσεων της αγωγιμότητας Μετρητικές αντλίες. Οι αντλίες αυτές είναι αναγκαστικής εκτόπισης και δεν επηρεάζονται από τις πιέσεις. Συνήθως διαθέτουν πλαστικά μέρη και παρέχουν αξιόπιστα αποτελέσματα. Η άντληση επιτυγχάνεται με θετική πίεση. Ελέγχονται από μετρητή κύριας παροχής ή από μετρητή αγωγιμότητας. Η χρήση τους οδηγεί σε δαπανηρές κατασκευές και δεν δικαιολογείται για την συγκεκριμένη εφαρμογή γιατί υπάρχουν απλούστερες εξίσου αξιόπιστες λύσεις. Στην πράξη χρησιμοποιείται ο συνδυασμός μετρητή κύριας παροχής και δοσομετρικής
21 αντλίας. Ο μετρητής τοποθετείται στην γραμμή άρδευσης και χρησιμοποιεί την ενέργεια της γραμμής για την άντληση και τη μέτρηση του πυκνού διαλύματος. Συνοπτικά, οι μηχανισμοί αυτοί δεν παρουσιάζουν ιδιαίτερη ευελιξία και είναι περισσότερο κατάλληλοι για απλές υδρολιπάνσεις παρά για εξελιγμένες υδροπονικές καλλιέργειες. Μετρητικά στόμια (βελόνες). Αφού εξασφαλισθεί μια σταθερή θετική ή αρνητική πίεση, είναι δυνατή η χρήση μεταβλητών μετρητικών στομίων (ρυθμιστικές βελόνες) για τη ρύθμιση της παροχής των πυκνών διαλυμάτων. Ο τρόπος αυτός χρειάζεται συχνή επίβλεψη και διόρθωση, ενώ δεν δίνει τη δυνατότητα για αυτόματη μεταβολή της εκτελούμενης συνταγής. β) Δοσομέτρηση ασυνεχούς ροής Οι μηχανισμοί αυτοί είναι απλούστεροι και αξιόπιστοι, αλλά χρειάζονται αναμικτική δεξαμενή για την εξομάλυνση των διακυμάνσεων της αγωγιμότητας. Αφού εξασφαλισθεί σταθερή θετική ή αρνητική πίεση, χρησιμοποιούνται πλαστικές βαλβίδες on/off για τη ρύθμιση της παροχής του πυκνού διαλύματος με διαμόρφωση του κύκλου λειτουργίας της βαλβίδας. Απαιτείται σωστός υδραυλικός και ηλεκτρολογικός σχεδιασμός για να λειτουργήσουν κανονικά. Στην κατηγορία αυτή υπάγεται η πλειοψηφία των εξελιγμένων συσκευών του εμπορίου. 2.1.4.3. Ανάμιξη με το νερό άρδευσης Η αραίωση των διαλυμάτων, η ανάμειξη μεταξύ τους, καθώς και οι προσαρμογές του ph και της EC του τελικού θρεπτικού διαλύματος μπορούν να γίνουν με δυο τρόπους: με τη βοήθεια αναμεικτικής δεξαμενής (σύστημα με αναμεικτική δεξαμενή) απευθείας στη γραμμή άρδευσης (σύστημα απευθείας παροχής)
22 α) Σύστημα με αναμεικτική δεξαμενή Στα συστήματα αυτά, όλες οι παροχές πυκνών διαλυμάτων και νερού (καθαρό νερό άρδευσης ή ανακυκλούμενο διάλυμα σε περίπτωση κλειστού συστήματος), καταλήγουν στην αναμεικτική δεξαμενή. Η σύνθεση των θρεπτικών διαλυμάτων και οι σχετικές αναλογίες των θρεπτικών στοιχείων μεταξύ τους είναι συγκεκριμένα (εξαρτώνται από το φυτικό είδος, το στάδιο ανάπτυξης και τις κλιματολογικές συνθήκες). Γι αυτό το λόγο θα πρέπει να γίνεται περιοδικός έλεγχος των διαλυμάτων έτσι ώστε η στάθμη στα δοχεία να είναι στο ίδιο επίπεδο. Το σύστημα αυτό λειτουργεί διαδοχικά (batch flow), δηλαδή πρώτα γίνεται η προετοιμασία του διαλύματος και στη συνέχεια η άρδευση. Τα συστήματα με τη χρήση της αναμεικτικής δεξαμενής έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι λιγότερο ευαίσθητα στις διακυμάνσεις, γιατί η δεξαμενή είναι μεγάλου μεγέθους και δρα σαν εξομαλυντής. Έχει όμως το μειονέκτημα ότι για την παρασκευή διαλύματος διαφορετικής σύνθεσης, η δεξαμενή θα πρέπει να εκκενωθεί και να συμπληρωθεί με βάση τη νέα σύνθεση διαλύματος. Η καλύτερη λύση σ αυτήν την περίπτωση είναι η ύπαρξη ισάριθμων δεξαμενών με τις συνταγές. β) Σύστημα με απευθείας παροχή Η παροχή πυκνού θρεπτικού διαλύματος και νερού γίνεται απευθείας (on line) στην γραμμή του αρδευτικού δικτύου που πηγαίνει στα φυτά. Λόγω του ότι δεν μεσολαβεί αναμεικτική δεξαμενή, η ανάμειξη γίνεται στους σωλήνες του αρδευτικού δικτύου με την βοήθεια στατικού μείκτη. Η κεφαλή υδροπονίας συνήθως διαθέτει προαναμεικτική δεξαμενή και δεν χρειάζεται στατικό μείκτη. Το σύστημα άμεσης παροχής πυκνού θρεπτικού διαλύματος στην γραμμή άρδευσης είναι πολύ ευαίσθητο στις διακυμάνσεις. Οποιαδήποτε αλλαγή στη ροή, έχει άμεση συνέπεια στην παροχή των πυκνών διαλυμάτων. Γι αυτό το λόγο χρησιμοποιούνται μετρητικά συνεχούς ροής ή ασυνεχούς ροής με προαναμεικτική δεξαμενή. Οι διορθώσεις στα on line συστήματα πρέπει να γίνονται μέσω των παρατηρήσεων του παραγωγού στο ph και στην EC των θρεπτικών διαλυμάτων απορροής και να τίθεται ανάλογη απαίτηση στο ph και στην EC των θρεπτικών διαλυμάτων εφαρμογής.
23 Όλα τα μέρη του συστήματος που έρχονται σε επαφή με το θρεπτικό διάλυμα ή το οξύ θα πρέπει να είναι κατασκευασμένα από υψηλής ποιότητας PVC. Τα εσωτερικά τμήματα των αντλιών θα πρέπει να είναι κατασκευασμένα από ανοξείδωτο χάλυβα, ενώ τα μοτέρ θα πρέπει να είναι ερμητικά κλεισμένα. Παρακάτω αναφέρονται 2 χαρακτηριστικοί τύποι κεφαλών υδροπονίας. i) Κεφαλή ανάμιξης με αναρρόφηση μέσω εγχυτών τύπου Venturi Οι εγχυτές τύπου Venturi επιτυγχάνουν την αναρρόφηση του πυκνού θρεπτικού διαλύματος με βάση την αρχή Venturi. Η διέλευση του νερού από μια απότομη στένωση ενός αγωγού έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της ταχύτητας ροής στο σημείο αυτό, με αποτέλεσμα την σημαντική πτώση της πίεσης σε επίπεδα χαμηλότερα της ατμοσφαιρικής. Το γεγονός αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την αναρρόφηση των πυκνών διαλυμάτων μέσω του σωλήνα αναρρόφησης, ο οποίος συνδέεται στο σημείο της στένωσης. Η κεφαλή μίξης λιπασμάτων και παροχής θρεπτικού διαλύματος θα πρέπει να περιλαμβάνει: Ανοξείδωτη αντλία με παροχή τουλάχιστον 10 m 3 /h 3 Venturi με δυνατότητα αναρρόφησης τουλάχιστον 300 l/h 3 δοσομετρικές βαλβίδες 1 αισθητήρα ph 1 αισθητήρα EC 1 αναλογικό αισθητήρα στάθμης 1 μανόμετρο 4 ηλεκτροβαλβίδες Τρόπος λειτουργίας: Η κεφαλή συνδέεται με δεξαμενή 500-5000 λίτρων. Ο όγκος της δεξαμενής αυτής επιλέγεται με βάση την έκταση του θερμοκηπίου (για ένα τυπικό θερμοκήπιο 4 στρεμμάτων απαιτείται δεξαμενή 2000 λίτρων).
24 ii) Κεφαλή ανάμιξης με δοσομετρικές αναλογικές αντλίες (proportional pumps) Οι δοσομετρικές αντλίες έχουν την ικανότητα να διατηρούν σταθερή τη συγκέντρωση των θρεπτικών διαλυμάτων, ανεξάρτητα από τις τυχόν μεταβολές της παροχής του δικτύου άρδευσης. Οι αντλίες αυτές έχουν τη δυνατότητα να αυξομειώνουν την παροχή πυκνού διαλύματος στο δίκτυο άρδευσης, ανάλογα με το μέγεθος των αυξομειώσεων (τυχαίων ή επιθυμητών) της παροχής του δικτύου. Για παράδειγμα, όταν για κάποιο λόγο αυξάνεται η παροχή του δικτύου, αυξάνεται αναλογικά η παροχή του αντλούμενου πυκνού διαλύματος. Αντίθετα, όταν μειώνεται η παροχή του δικτύου, μειώνεται αναλογικά η παροχή του αντλούμενου πυκνού διαλύματος. Το αποτέλεσμα θα είναι η διατήρηση της αρχικής ρύθμισης της επιθυμητής αναλογίας αραίωσης λιπάσματος/νερού η οποία παραμένει σταθερή (περίπου στο 0,1-2%). Οι προαναφερθείσες μεταβολές της παροχής του δικτύου, οφείλονται συνήθως σε φράξιμο των φίλτρων ή σε διαφορετικές απαιτήσεις παροχής κάθε στάσης (όταν η άρδευση πραγματοποιείται σε ζώνες). Οι δοσομετρικές αντλίες ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους χωρίζονται σε δυο κατηγορίες: Ηλεκτρικές οι οποίες για τη λειτουργία τους καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια Υδραυλικές οι οποίες για τη λειτουργία τους χρησιμοποιούν μόνο την πίεση του δικτύου άρδευσης. Οι ηλεκτρικές δοσομετρικές αντλίες που χρησιμοποιούνται στις υδροπονικές καλλιέργειες θα πρέπει να έχουν τα εξής τεχνικά χαρακτηριστικά: Ικανότητα παροχής τουλάχιστον 5,2 λίτρα/min στις 650 στροφές Μοτέρ 0,25 kw, 220/380 V 2,5/1,46 A.