Актуальность исследования. Современная технология ведения сельского хозяйства приводит к загрязнению почвы и воды большим количеством химикатов, вызывая токсичность некоторых продуктов. Население планеты растет и ему нужен доступ не просто к пище, а к качественной пище. Одним из путей решения появляющихся проблем является применение гидропоники в сельском хозяйстве. К тому же малые и средние фермы смогут создавать на основе этой технологии новые рабочие места. По сравнению с почвенным выращиванием можно увеличить урожайность на 30%. Выращивание растений на гидропонных установках позволяет обеспечить растения всеми необходимыми минеральными солями посредством растворов, т.е. в такой форме, в которой растения усваивают питательные вещества наилучшим образом. При этом растению не требуется большая корневая систем для обеспечения потребления питательных веществ, вместо этого у растений растет верхняя часть. Среди многих достоинств гидропоники наиболее существенными являются экономия воды и экономия питательных веществ. Использование традиционных методов выращивания растений в почве приводит к бессмысленным потерям химических удобрений, приводит к загрязнению подземных вод. В замкнутых гидропонных системах нет потерь воды, а используется вода только в том объеме, который растения потребляют и испаряют.
Современные гидропонные теплицы работают на основе различных технологий. Но у всех технологий есть общие черты: приготовление питательного раствора происходит в большом баке, в котором растворяются основные азотные, фосфорные, калийные соли и микроэлементы; дозаторы по мере необходимости выливают порцию этих растворов в общий резервуар, в котором они разбавляются водой до нужной концентрации; питательный раствор различными способами доставляется к корням растений. Корни растений постепенно изменяют состав питательного раствора. Концентрация питательных веществ снижается, изменяется значение водородного показателя, и время от времени состав раствора нужно корректировать. Для этой цели в смесительный резервуар погружают электроды двух приборов. Один из них получает значения электропроводности раствора и его концентрации. Он даёт сигнал дозаторам, которые добавляют недостающее количество смеси солей. Другой прибор измеряет значение водородного показателя раствора. Для обеспечения оптимального роста растений нужно непрерывно соблюдать определённую концентрацию питательных веществ и определённое значение показателя pH (в диапазоне от 6 до 7) в растворе. Процесс регулируется при помощи химических реагентов, что требует специальных знаний и умений. В данной статье предлагается безреагентный способ соблюдения баланса влияющих факторов на оптимальный рост растений.
Объектом исследования являются показатели, влияющие на оптимальный рост растения. Предмет исследования – электропроводность и водородный показатель гидропонного раствора в акусто-магнитном поле. Целью исследования является экспериментальные исследования влияния акусто-магнитного поля на значения электропроводности и водородного показателя гидропонного раствора. Задачи исследования: выявить влияние акусто-магнитного поля на электропроводность и водородный показатель, провести исследования влияния акусто-магнитного поля на электропроводность и водородный показатель на гидропонной установке.
Постановка и решение задачи. Для обеспечения некоторого стабильного значения pH необходимо обеспечить контроль соотношения в питательном растворе двух разновидностей форм азота: NO3— (нитратов) и NH4+ (ион аммония). Если NH4+ –единственный источник азота в растворе, то это приводит к подкислению. И, наоборот, если в растворе содержится только NO3— раствор подщелачивается. В кислой среде NO3— легче усваивается, а NH4+ лучше усваивается при более высоком значении pH. При pH=6,8 обе формы азота поглощаются одинаково [6] . Соотношение аммония / нитратов может изменить pH вокруг корней, что в свою очередь может повлиять на растворимость и доступность других питательных веществ. Когда растение потребляет аммоний, оно освобождает протон H+ в раствор. Повышение концентрации протонов вокруг корней, снижает pH в корневой зоне. Если основным источником азота будет NH4+, то это может быть токсично для растения, но одновременно NH4+ в зависимости от освещения существенно влияет на рост некоторых растений [6].
Для проведения исследований в этой области выдвигается гипотеза о возможности влияния на ионы питательного раствора при помощи акусто-магнитного поля.[4,5]
1 Результаты исследований влияния акусто-магнитного поля на электропроводность и водородный показатель
HJj
Растения очень болезненно реагируют не только на несоблюдение концентрации химического раствора, но также и на уровень pH раствора. Несвоевременная коррекция уровня pH приводит к замедлению темпов роста растений. Большинству растений требуется слабокислая среда со значениями pH из диапазона 5,5-7,0. Необходимо учитывать факт различия степени поглощения одних и тех же веществ у каждого вида растений, что обусловлено внешней средой, прикорневой средой и освещённостью. Значение pH=5,5 можно считать нижним пределом, а pH=7 – верхним пределом, соответственно нормой для большинства растений следует считать значения pH из диапазона 6-6,5.
Существуют следующие способы повышения значения pH раствора: добавление в раствор гидроксида натрия или калия (NaOH и KOH, соответственно); добавление в раствор гидроксида аммония (NH4OH), ионов NH4 + (аммонийного азота); добавление в раствор pH-корректора “AF pH+“.
Повышение значения показателя pH (от нейтрального в сторону щёлочи) возможно, в основном при помощи гидроксида натрия или калия, но самым простым является периодическое добавление в раствор чистой водой (хотя, это уже не просто влияние на кислотность — а изменение баланса рецептуры). Применение КОН (едкий натр, сода каустическая) недопустимо. Применение соды пищевой нежелательно (как минимум, из-за «заторможенности» проявления полного результата реакции, и как следствие большая вероятность передозировки данного вещества).
Существующие способы понизить pH раствора: использование серной кислоты H2SO4 (возможно на любой стадии развития растения); использование ортофосфорной кислоты во время цветения и образования плодов, добавляет в раствор фосфор; добавление азотной кислоты HNO3, которая обогащает раствор нитратным азотом; добавление соляной кислоты HCl; применение pH-корректора “AF pH-“.
От величины рН почвы зависит состояние корней растений и их способность поглощать воду из почвы: при повышенной кислотности замедляется рост корней. Проблема гидропоники – повышение и понижение кислотности питательного раствора (резкого изменения pH). Повышенная кислотность питательного раствора снижает способность растения к усвоению основных веществ: фосфора, азота, калия, магния.
Обычно решают эту проблему путём замены раствора через каждые 2 недели. Однако, если применить коррекцию значения рН с помощью акусто-магнитного аппарата, то появляется возможность не производить замену раствора в течении шестидесяти дней, не меняя состава солей раствора (концентрация раствора изменяется менее, чем на 20%). Если производить подмешивание в раствор веществ, которых не хватает для нормального роста растений, то появляется возможность не менять раствор до конца созревания плодов растений. В промышленных гидропонных установках при такой длительной эксплуатации раствора может возникнуть проблема роста водорослей. Как показали опыты, при обработке раствора акусто-магнитным аппаратом рост водорослей не наблюдался, раствор оставался весь срок эксплуатации чистым и без каких либо запахов.
Существует мнение, что воздействие магнитного поля вызывает диссоциацию молекул воды на ионы за счет столкновения свободных молекул с большей, чем у других, кинетической энергии. Таким образом, магнитное поле вызывает уменьшение ионного произведения воды, следовательно, приводит к увеличению уровня pH. Изменение подвижности ионов H+ и OH- невелико, поэтому удельная электропроводность воды уменьшается. Внешнее магнитное поле вызывает изменения в частоте колебаний молекул воды и в энергии активации разрыва водородных связей [7, С.37].
Для экспериментального исследования выдвинутой гипотезы была собрана лабораторная установка циркуляционного типа. При проведении опытов поддерживались следующие характеристики:
Кислотность (pH) 5,5 — 7,0
Температура гидропонного раствора: (22) °C
Температура внешней среды (воздуха) 21 – 23 °C
Влажность внешней среды (воздуха) 65 – 75 %
Освещенность 60000 – 100000 Лм (люмен)
Длительность освещения, часов (день/ночь) 12/12.
Для проведения исследований в составе лабораторной установки был изготовлен акусто-магнитный аппарат. Питание аппарата осуществлялось от источника переменного тока напряжением 14 В, подаваемым на ферритовое кольцо с обмоткой. Сила потребляемого акусто-магнитным аппаратом тока составляла 200 mА. Раствор подавался через трубку, вставленную в ферритовое кольцо с обмоткой. Таким образом, раствор подвергался воздействию акусто-магнитного поля.
В качестве объекта исследования использовался гидропонный раствор, представляющий смесь веществ (NH4)2SO4; (NH4)2HPO4; K2SO4; Ca(NO3)2; MgSO4 с заданной концентрацией и кислотностью[3,С.276]. Раствор забирался из бака лабораторной установки посредством насоса, проходил через рабочую область акусто-магнитного аппарата, фильтр и снова сливался в бак, из которого бралась проба для изменения уровня рH. Величина рH измерялась при t=22°С с помощью электронного KL 009(1)A рH-метра. Для контроля показаний прибора кислотность проверялась универсальной индикаторной бумагой. Начальное значение рH раствора составляло 5.
Результаты влияния акусто-магнитной обработки на величину рH гидропонного раствора приведены в таблице 1. Как видно из таблицы 1, величина pH гидропонного раствора возрастает от 6 до 6,9 (pH=0,9), что отличается от результатов, представленных в работах [1,2].
В работе [2] было отмечено, что «…разница между опытом и контролем была существенной, причем требуемого повышения рН на 0,3 единицы не отмечалось». Также стоит отметить тот факт, что энергетические затраты на изменение pH на 0,3 единицы составляли: «…оптимальный режим электрообработки: время воздействия – 10 с; напряжение, подаваемое на электроды — 30 кВ; напряженность поля коронного разряда — 300 кВ/м; ток короны — 12,5 мкА».
Таблица 1
Зависимость величины pH раствора от времени и числа обработки
| Время измерения | TDS | T°C | pH |
| Априори | 938 | 18 | 6 |
| 1 перегон | 937 | 18 | 6,2 |
| 2 перегон | 936 | 18 | 6,3 |
| 15 мин | 935 | 18 | 6,4 |
| 20 мин | 935 | 18 | 6,4 |
| 35 мин | 934 | 18 | 6,5 |
| 120 мин | 887 | 18 | 6,5 |
| 180 мин | 885 | 18 | 6,7 |
| 24 часа | 872 | 18 | 6,9 |
Похожие энергетические затраты на изменение уровня pH приведены в работе Александрова и др., согласно которой « …при увеличении напряженности магнитного поля от 1∙103 до 4∙103 А/м величина рH дистиллированной воды возрастает от 5,50 до 5,95 (pH=0,45), а питьевой воды от 8,01 до 8,21 (pH=0,2). Кратность магнитной обработки воды при неизменной напряженности поля весьма значительно увеличивает значение pH исследуемых водных систем. Так при H = 2100А/м трехкратная магнитная обработка питьевой воды обеспечила увеличения уровня pH на 0,4, а дистиллированной – на 0,8, шестикратное же омагничивание позволило достичь увеличения значения pH для этих систем на 0,55 и 1,3 соответственно.».[1] При акусто-магнитной обработке энергетические затраты составляют десятки Вт.
2 Результаты исследований влияния акусто-магнитного поля на электропроводность и водородный показатель на гидропонной установке
Для подтверждения результатов, полученных на лабораторной установке, была сделана гидропонная система «Плавающая платформа», в которой растения закрепляются непосредственно на самой платформе, плавающей на поверхности питательного раствора, расположенного в контейнере ёмкостью 56 литров, и их корни постоянно погружены в раствор. Снабжение корней кислородом происходит посредством продува через питательный раствор воздуха (аэрация) и методом рециркуляции (периодической смены) раствора. Раствор посредством насоса забирался с нижней части контейнера гидропонной установки, посредством насоса проходил через акусто-магнитный аппарат, фильтр и сливался в верхней части бака. Система оказалась эффективной при выращивании таких растений как салат, перец, лук, баклажан.
Таблица 2
Результаты опытов по выращиванию салата на гидропонной установке
| День | pH | PPM | Салат (мм)
(питательный раствор) |
Замена раствора | pH | PPM | Салат (мм)
(обработанный питательный раствор) |
T°C | Обработка полем |
| 1 | 6,5 | 360 | 1,5 | Нет | 5 | 645 | 1,5 | 22 | Нет |
| 3 | 6,5 | 360 | 1,5 | Нет | 5 | 641 | 2,0 | 22 | До обработки |
| 4 | 6,5 | 355 | 1,5 | Нет | 7 | 639 | 2,5 | 22 | После обработки |
| 5 | 6,5 | 355 | 2 | Нет | 6 | 638 | 3,1 | 22 | До обработки |
| 6 | 6 | 350 | 2,4 | Нет | 7 | 636 | 3,7 | 22 | После обработки |
| 7 | 6 | 350 | 2,8 | Нет | 6 | 635 | 4,5 | 22 | До обработки |
| 8 | 5,5 | 345 | 2,9 | Нет | 7 | 634 | 5,3 | 22 | После обработки |
| 9 | 5,5 | 345 | 3,2 | Нет | 6 | 632 | 6,0 | 22 | До обработки |
| 10 | 5,5 | 345 | 3,9 | Нет | 7 | 631 | 6,7 | 22 | После обработки |
| 11 | 4 | 330 | 4 | Нет | 5 | 629 | 7,4 | 22 | До обработки |
| 12 | 3,5 | 325 | 4,3 | Нет | 7 | 628 | 8,5 | 22 | После обработки |
| 13 | 3 | 230 | 4,5 | Нет | 6 | 627 | 9,3 | 22 | До обработки |
| 14 | 6,5 | 710 | 5 | Да | 7 | 625 | 10,2 | 22 | После обработки |
| 15 | 6,5 | 710 | 5,6 | Нет | 6 | 624 | 11,1 | 22 | До обработки |
| 16 | 6 | 700 | 6 | Нет | 7 | 623 | 12 | 22 | После обработки |
| 18 | 6 | 700 | 7,2 | Нет | 5 | 620 | 14,4 | 22 | До обработки |
| 21 | 5,5 | 690 | 8,1 | Нет | 7 | 616 | 14,9 | 22 | После обработки |
| 32 | 4 | 660 | 12,8 | Нет | 6 | 608 | — | 22 | До обработки |
| 35 | 3,5 | 650 | 14 | Нет | 7 | 605 | — | 22 | После обработки |
Исследования были разбиты на две серии опытов, проводившихся рандомизировано. В первой серии опытов раствор не подвергался акусто-магнитной обработке, а во второй обработка раствора проводилась по мере изменения pH раствора до значения 6. Первые две недели после высадки рассады салата использовался разведенный в два раза питательный раствор для первой серии опытов. Затем до восьмой недели растениям дают раствор нормальной концентрации, изначально раствор имел pH=6,5, PPM=720. Во второй серии опытов изначально раствор заливался нормальной концентрации pH=5, PPM=645. Результаты измерений представлены в таблице №2. Для молодых растений интервалы подачи воздуха составляли днем 15 минут с перерывом 60 минут, а ночью 15 минут с перерывом 180 минут.
Проведённые исследования подтверждают выдвинутую гипотезу о возможности влияния на свойства питательного раствора при помощи акусто-магнитного поля. Результаты опытов свидетельствуют о возможности поддержания на заданном уровне значений выбранных влияющих факторов без применения химических реактивов.
Заключение
Итак, в соответствии с поставленной целью были решены задачи:
– проведены исследования, изучающие влияние акусто-магнитного поля на значения электропроводности и водородного показателя на гидропонной установке;
– выявлено влияние акусто-магнитного поля на значения электропроводности и водородного показателя.
Безреагентный способ обработки питательных растворов гидропонных установок позволяет малыми энергетическими затратами добиваться оптимального роста растений посредством регулирования уровня кислотности, что в значительной степени подтверждается проведенными авторами опытами.
ЛИТЕРАТУРА
- Александров Б.Л. Экспериментальное и теоретическое обоснование воздействия электромагнитного поля на воду / Александров А.Б., Красавцев Б.Е., Симкин В.Б., Цатурян А.С. // VI Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» (02 — 06 июля 2012г., г.Санкт-Петербург): сайт проекта «БиоФизика.ru«. – Режим доступа URL: biophys.ru/archive/congress2012/proc-p1-d.htm. (дата обращения: 10.04.2015).
- Басарыгина Е.М. Способы и средства электронно-ионной технологии для гидропонного растениеводства: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Челябинск, 2005. – 294 с.
- Бентли М. Промышленная гидропоника. Перевод с английского. С предисловием и под ред. Канд. Биол. Наук В.Н. Былова. – М.: «Колос», 1965. – 376 с.
- Лойко В.И. Методика системного анализа прикладных процессов акустомагнитной обработки жидкости / А.В. Коржаков, С.А. Коржакова // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2005. – №09(01). IDA [article ID]: 0090501011. – Режим доступа: .
- Лойко В.И. Исследование эффективности акустомагнитной обработки водных систем / А.В. Коржаков // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2005. – №05(03). IDA [article ID]: 0050403007. – Режим доступа: .
- Сравнение ионообменной смолы и удобрения // Электронный журнал о гидропонике Hydroponics Journal : сетевой журнал 2/2011. URL: https://gidroponika.com/component/option,com_yfiles/Itemid,470/task,view.download/cid,91/ (дата обращения: 9.03.2015).
- Терновцев В.Е. Магнитные установки в системах оборотного водоснабжения.– Киев: «Будiвельник», 1976. – 88 с.[schema type=»book» name=»РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ АКУСТО-МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ И ВОДОРОДНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ГИДРОПОННОГО РАСТВОРА» description=»В статье приведены результаты исследования влияния акусто-магнитного поля на величины электропроводности и водородного показателя гидропонного раствора. Для проведения исследований в этой области выдвигается гипотеза о возможности влияния на ионы питательного раствора при помощи акусто-магнитного поля. Для экспериментального исследования выдвинутой гипотезы была собрана лабораторная ус¬тановка. Раствор подавался по трубке, проходящей через ферритовое кольцо с обмоткой. Таким образом, раствор подвергался воздействию акусто-магнитного поля. Полученные результаты показывают возможность коррекции значения водородного показателя малыми энергетическими затратами.» author=»Коржаков Алексей Валерьевич, Коржакова Светлана Александровна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-13″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)» ebook=»yes» ]