Χρήστης:UTHTeam/πρόχειρο

Φυσικά Χαρακτηριστικά των Υποστρωμάτων Υδροπονικών Καλλιεργειών

Κοκκομετρία και διάρκεια υποστρώματος

Η κοκκομετρία ενός υποστρώματος είναι η κατανομή του μεγέθους των κόκκων στο σύνολο του. Δηλαδή τι μεγέθη κόκκων υπάρχουν και σε τι ποσοστό στο υπόστρωμα. Το χαρακτηριστικό αυτό δίνει μια εικόνα, για το πόσο καλά αερίζεται και τι ποσοστά υγρασίας μπορεί να συγκρατήσει, το μείγμα που χρησιμοποιούμε. Από το μέγεθος των κόκκων καταλαβαίνει κανείς όχι μόνο το πόσο συχνά θα πρέπει να ποτίζει, αλλά και πόσο συχνά θα πρέπει να λιπάνει, αφού στις υδροπονικές καλλιέργειες η λίπανση γίνεται με το νερό ποτίσματος. Η διάρκεια ενός υποστρώματος είναι το χρονικό διάστημα εκείνο μέσα στο οποίο οι κόκκοι μπορούν να διατηρήσουν την δομή τους χωρίς να συσσωματωθούν. Δηλαδή για πόσο καιρό το μείγμα θα έχει τους πόρους που χρειάζονται για να μπορεί να έχει σωστή αποστράγγιση και σωστό αερισμό. Ακόμα πιο εύκολο, πόσο καιρό θα κάνουν τα μέρη από τα οποία αποτελείται να σαπίσουν και να γίνουν σκόνη (http://www.yamadori.gr).

Πορώδες υποστρώματος

Το ολικό πορώδες (P) ενός υποστρώματος είναι ένας αδιάστατος δείκτης ο οποίος ισούται με τον λόγο του όγκου που καταλαμβάνουν οι πόροι σε ένα υπόστρωμα (Vp) προς τον συνολικό όγκο του υποστρώματος (Vs). Εξ ορισμού ισχύει:

                                         P= Vp/Vs

όπου: Vp: είναι ο όγκος των πόρων, και Vs: είναι ο συνολικός όγκος του υποστρώματος Ορισμένοι πόροι είναι από παντού κλειστοί και συνεπώς, όταν το υπόστρωμα διαβρέχεται, το νερό δεν μπορεί να εισέλθει στο εσωτερικό τους. Επομένως, σε κατάσταση κορεσμού το νερό καταλαμβάνει πλήρως μόνο τον όγκο των ανοιχτών πόρων. Ο λόγος του όγκου του νερού σε κατάσταση κορεσμού προς τον συνολικό όγκο του υποστρώματος καλείται ενεργό πορώδες (Pa). Επομένως, σε αντίθεση με το ολικό πορώδες, στο ενεργό πορώδες ενός υποστρώματος δεν συμπεριλαμβάνονται οι κλειστοί πόροι (Bunt, 1988).

Φαινόμενο ειδικό βάρος

Το φαινόμενο ειδικό βάρος (Εφ) ενός υποστρώματος ισούται με το βάρος (Βs) μίας συγκεκριμένης ποσότητας αυτού σε ξηρή κατάσταση δια του όγκου (Vs) που καταλαμβάνει αυτή η ποσότητα υποστρώματος κάτω από τυποποιημένες συνθήκες πίεσης (Bunt, 1988). Ισχύει δηλαδή η σχέση:

                                      Eφ= Bs/Vs

                Πίνακας: Φαινόμενο ειδικό βάρος (Φ.Ε.Β.) ορισμένων υποστρωμάτων
                                 (http://www.ekk.aua.gr)
                            Υπόστρωμα	          Φ.Ε.Β. (g cm-3)
                           Πετροβάμβακας	   0.07 - 0.10
                           Περλίτης	           0.09 - 0.10
                           Ελαφρόπετρα	           0.40 - 0.80
                           Διογκωμένη άργιλος	   0.28 - 0.63
                           Ηφαιστειακά υλικά	   0.80 - 1.50
                           Άμμος	           1.48 - 1.80
                           Κόκκος 	           0.04 - 0.08

Η μονάδα μέτρησης του φαινόμενου ειδικού βάρους συνήθως είναι το g cm-3 ενώ σε ορισμένες περιπτώσεις το Εφ μπορεί να εκφραστεί και σε g L-1.

Περιεκτικότητα υποστρώματος σε στερεά, υγρή και αέρια φάση

Περιεκτικότητα υποστρώματος σε στερεά ύλη. H περιεκτικότητα ενός υποστρώματος σε στερεά ύλη (S) ισούται με την διαφορά που προκύπτει αν αφαιρεθεί το ολικό πορώδες του από την μονάδα:

                                    S= 1-P

Περιεκτικότητα υποστρώματος σε υγρασία. Τα πορώδη σώματα συγκρατούν υγρασία μέσω ελκτικών δυνάμεων που ασκεί η επιφάνεια των τοιχωμάτων των πόρων στο νερό. Η περιεκτικότητα του υποστρώματος σε υγρασία (θ) ισούται με το κλάσμα του όγκου του νερού που περιέχεται σε ένα υπόστρωμα (Vw) προς τον συνολικό όγκο του δεδομένου υποστρώματος (Vs). Ισχύει δηλαδή η σχέση:

                                    θ= Vw/Vs

Περιεκτικότητα υποστρώματος σε αέρα. Η περιεκτικότητα του υποστρώματος σε αέρα (Α) ισούται με την αναλογία μεταξύ του όγκου του αέρα που περιέχεται σε ένα υπόστρωμα (Va) και του συνολικού όγκου του υποστρώματος (Vs):

                                    A=Va/Vs

Οι περιεκτικότητες ενός υποστρώματος σε στερεά, υγρή και αέρια φάση μπορούν να εκφραστούν και ως εκατοστιαίες αναλογίες μέσω πολλαπλασιασμού τους με 100.

Τάση νερού και μύζηση σε πορώδη μέσα

Τα πορώδη σώματα συγκρατούν υγρασία λόγω ελκτικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ του νερού και της επιφάνειας των τοιχωμάτων των πόρων τους, οι οποίες καλούνται δυνάμεις συνάφειας. Η ποσότητα νερού που μπορεί να συγκρατηθεί από μία δεδομένη ποσότητα υποστρώματος εξαρτάται τόσο από το μέγεθος της δύναμης συνάφειας ανά μονάδα επιφάνειας όσο και από την έκταση της συνολικής επιφάνειας των πορωδών τεμαχιδίων. Επομένως, το μέγεθος μέτρησης της έλξης που ασκεί το υπόστρωμα στο νερό έχει διαστάσεις πίεσης. Συνήθως στην σχετική βιβλιογραφία η έλξη που ασκεί το υπόστρωμα στο νερό ανά μονάδα επιφάνειας αναφέρεται ως «τάση νερού» ή δυναμικό της θεμελιώδους μάζας (matrix potential). Επειδή όμως η δύναμη που ασκείται από τα στερεά τεμαχίδια του υποστρώματος στο νερό είναι ελκτική, το δυναμικό της θεμελιώδους μάζας του λαμβάνει πάντοτε αρνητικές τιμές. Για να αποφευχθεί η συνεχής αναφορά σε αρνητικές τιμές, συχνά αντί του όρου «δυναμικό θεμελιώδους μάζας» χρησιμοποιείται ο όρος μύζηση. Η μύζηση ενός υποστρώματος συμβολίζεται με ψ και ισούται με την απόλυτη τιμή του δυναμικού της θεμελιώδους μάζας του. Η μονάδα μέτρησης τόσο της τάσης νερού όσο και της μύζησης είναι το Pascal (Pa) και τα πολλαπλάσιά του (kPa, MPa). Συχνά όμως η τάση νερού και ή μύζηση εκφράζονται σε ύψος στήλης νερού (cm).

Υδατοχωρητικότητα φυτοδοχείου

Όταν ένα υπόστρωμα περιέχει την μέγιστη ποσότητα νερού που μπορεί να συγκρατήσει παρά την επίδραση της βαρύτητας, τότε το υπόστρωμα θεωρείται ότι βρίσκεται σε κατάσταση υδατοϊκανότητος, ενώ η περιεκτικότητά του σε νερό στην κατάσταση αυτή καλείται νερό υδατοϊκανότητος (Bunt, 1988). Η ποσότητα νερού που συγκρατεί ένα υπόστρωμα σε κατάσταση υδατοϊκανότητας εξαρτάται πρώτα από όλα από την φύση του πορώδους του (έκταση πορώδους, αναλογία μικρών - μεγάλων πόρων, γεωμετρία των πόρων). Εξαρτάται όμως και από τις διαστάσεις του δοχείου στο οποίο περιέχεται το υπόστρωμα και ειδικότερα από το ύψος του (Fonteno, 1996, Al Naddaf et al., 2011). Συνεπώς, το νερό υδατοϊκανότητας ορίζεται όχι μόνο για ένα συγκεκριμένο υπόστρωμα αλλά και για το φυτοδοχείο στο οποίο το υπόστρωμα είναι τοποθετημένο. Για τον λόγο αυτό, στην ειδική βιβλιογραφία έχει εισαχθεί ο όρος «υδατοχωρητικότητα φυτοδοχείου» (θcc), ο οποίος εκφράζει την μέγιστη περιεκτικότητα νερού που μπορεί να περιέχεται σε ένα υπόστρωμα τοποθετημένο σε δοχείο ή σάκο συγκεκριμένων διαστάσεων όταν υπάρχει δυνατότητα πλήρους στράγγισης του νερού (White and Mastalerz, 1966, Fonteno, 1989).

Αεροπερατότητα φυτοδοχείου

Η αεροπερατότητα φυτοδοχείου (Acc), ισούται με την περιεκτικότητα σε αέρα ενός υποστρώματος τοποθετημένου σε δοχείο συγκεκριμένων διαστάσεων το οποίο βρίσκεται σε κατάσταση υδατοχωρητικότητας φυτοδοχείου (Bunt, 1988). Iσχύει η ισότητα:

                                 Acc =Pa -θcc

Η αεροπερατότητα φυτοδοχείου εκφράζει την ελάχιστη περιεκτικότητα σε αέρα που μπορεί να διαμορφωθεί σε ένα υπόστρωμα μετά από ένα καλό πότισμα. Στις καλλιέργειες εκτός εδάφους, λόγω της συχνής άρδευσης, η περιεκτικότητα σε αέρα στο υπόστρωμα μπορεί να παραμένει για αρκετό χρόνο σε επίπεδα αεροπερατότητας φυτοδοχείου. Συνεπώς, η τιμή της θα πρέπει να μην είναι μικρότερη από κάποιο όριο που διασφαλίζει επάρκεια αερισμού των ριζών.

Χαρακτηριστικές καμπύλες υγρασίας (XKY)

Για μία δεδομένη περιεκτικότητα υποστρώματος σε νερό, η μύζηση που ασκείται σε αυτό δεν είναι η ίδια για όλα τα υποστρώματα αλλά διαφέρει ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του πορώδους του κάθε υποστρώματος. Όπως αναφέρεται παραπάνω, η αλλαγή της περιεκτικότητας ενός υποστρώματος σε υγρασία θ οδηγεί σε μεταβολή της μύζησης ψ που αυτό ασκεί στο νερό. Η συνάρτηση που συνδέει την θ με την ψ σε ένα δεδομένο υπόστρωμα μπορεί να αποδοθεί γραφικά από μία καμπύλη, η οποία είναι πάντοτε ή ίδια και επομένως χαρακτηριστική για το συγκεκριμένο υπόστρωμα. Τέτοιου είδους καμπύλες που συσχετίζουν γραφικά τις μεταβολές της περιεκτικότητας ενός υποστρώματος σε υγρασία με τις αλλαγές στην αρνητική πίεση (μύζηση) είναι γνωστές ως "χαρακτηριστικές καμπύλες υγρασίας" (ΧΚΥ) ή "καμπύλες τάσης νερού". Ο προσδιορισμός της ΧΚΥ αποτελεί ένα από τα πρώτα και πλέον σημαντικά βήματα κατά την διαδικασία αξιολόγησης οποιουδήποτε πορώδους υλικού όσον αφορά την καταλληλότητά του για χρήση ως μέσου ανάπτυξης φυτών. Ειδικότερα, οι ΧΚΥ αποτελούν την βάση αξιολόγησης των φυσικών ιδιοτήτων των υποστρωμάτων και μέσω αυτών της διαθεσιμότητας νερού και οξυγόνου στις ρίζες των φυτών (http://www.ekk.aua.gr/media.php?file=lib/137.pdf).

Αξιολόγηση φυσικών ιδιοτήτων υποστρωμάτων

Από καλλιεργητική άποψη, ιδανικό υπόστρωμα θεωρείται αυτό που έχει αυξημένη ικανότητα συγκράτησης νερού, αλλά ταυτόχρονα και υψηλή αεροπερατότητα. Η μέγιστη περιεκτικότητα των υποστρωμάτων σε υγρασία και επομένως η ελάχιστη περιεκτικότητα σε αέρα παρατηρούνται στην κατάσταση της υδατοϊκανότητας (υδατική κατάσταση υποστρώματος μετά από πλούσιο πότισμα και ανεμπόδιστη στράγγιση). Η περιεκτικότητα των υποστρωμάτων σε υγρασία στην κατάσταση της υδατοϊκανότητας καλείται υδατοχωρητικότητα. Συμβατικά η υδατοχωρητικότητα αντιστοιχεί σε μύζηση 1 kPa σύμφωνα με την χαρακτηριστική καμπύλη υγρασίας (ΧΚΥ) του υποστρώματος. Η διαφορά στην περιεκτικότητα ενός υποστρώματος σε υγρασία μεταξύ της κατάστασης κορεσμού και της υδατοϊκανότητας προσδιορίζουν την αεροπερατότητα του υποστρώματος. Γενικά, για να υπάρχει επάρκεια οξυγόνου για τα φυτά στην περιοχή του ριζικού συστήματος, η περιεκτικότητα του υποστρώματος σε αέρα πρέπει πάντοτε να υπερβαίνει το 15% περίπου. Επομένως, για να θεωρηθεί ότι ένα υπόστρωμα παρέχει επαρκείς συνθήκες αερισμού στις ρίζες των φυτών, η αεροπερατότητά του θα πρέπει να υπερβαίνει το 15%.

Η ικανότητα ενός υποστρώματος να συγκρατεί υγρασία και να παρέχει ικανοποιητικές ποσότητες νερού στα φυτά, αξιολογείται κυρίως μέσω υπολογισμού του εύκολα διαθέσιμου νερού (ΕΔΝ). Το ΕΔΝ υπολογίζεται εύκολα όταν είναι γνωστή η ΧΚΥ του υποστρώματος με αφαίρεση της περιεκτικότητάς του σε υγρασία σε μύζηση 5 kPa (50 cm στήλης νερού) από αυτή που υφίσταται στα 1 kPa (10 cm στήλης νερού). Παρακάτω δίνεται ένα παράδειγμα υπολογισμού της υδατοχωρητικότητας, της αεροπερατότητας και του ΕΔΝ για ένα υπόστρωμα με βάση την ΧΚΥ του (http://www.ekk.aua.gr). Ένα ιδανικό υπόστρωμα πρέπει να έχει: Ειδικό βάρος 0,22 g/cm3. Στερεά υλικά 10-15%. Πυκνότητα στερεών υλικών 1,44 g/cm3. Πορώδες 85%. Περιεκτικότητα αέρα 20-30%. Εύκολα διαθέσιμο νερό 20-30%. Δύσκολα διαθέσιμο νερό 6-10% (http://biotech.aua.gr).

Βιβλιογραφία

1. Σάββας, Δ., 2012. Καλλιέργειες Εκτός Εδάφους. Υδροπονία, Υποστρώματα. Εκδόσεις Αγροτύπος, Αθήνα.

2. Al Naddaf, O., Livieratos, I., Stamatakis, A., Tsirogiannis, I., Gizas, G., Savvas, D., 2011. Hydraulic characteristics of composted pig manure, perlite, and mixtures of them, and their impact on cucumber grown on bags. Scientia Horticulturae 129, 135–141.

3. Bunt, A.C., 1988. Media and mixes for container-grown plants. Unwin Hayman, London.

4. Fonteno, W.C., 1989. An approach to modeling air and water status of horticultural substrates. Acta Hort. 238, 67-74.

5. Fonteno, W.C., 1996. Growing media: Types and physical/chemical properties. In: Reed, D.W. (Ed.): Water, Media, and Nutrition for Greenhouse Crops. Ball Publishing, Batavia, Illinois, USA.

6. White, J.W., Mastalerz, J.W., 1966. Soil moisture as related to container capacity. Proc. Amer. Soc. Hort. Sci. 89, 758-765.

7. http://www.ekk.aua.gr/seminar/seminar01.pdf

8. http://www.ekk.aua.gr/media.php?file=lib/137.pdf

9. http://www.ekk.aua.gr/media.php?file=lib/112.pdf

10. http://www.ekk.aua.gr/media.php?file=lib/127.pdf

11. http://biotech.aua.gr/EPEAEK/site_Biotech/gewp_biot/Labor_Bion_Nutr_Pl/course_material/bouranis18right.htm