Это было жарким летом 1896 года в Нижнем Новгороде (теперь город Горький). На большом пустыре на берегу Волги уже несколько недель стучали топоры плотников и скрипели подводы, подвозившие бревна и доски. С каждым днем здесь рос сказочный городок: причудливые терема, украшенные деревянной резьбой, куполами и башенками,— павильоны первой Всероссийской выставки сельского хозяйства и промышленности. Но вот наступил торжественный день открытия, и в расцвеченные яркими флагами павильоны хлынули толпы любознательных и просто любопытных посетителей.
Вокруг одного павильона собралось особенно много людей. Павильон выглядел необычно: все в нем — и стены и крыша — было из стекла. Сквозь его прозрачные стены виднелась сочная зелень растений. Но это были не пальмы, не причудливые кактусы, не редкостные орхидеи. В высоких стеклянных банках стояли обычные, всем хорошо знакомые растения: кукуруза, подсолнечник, гречиха. Но росли они на... воде! За стеклянными стенками банок, как в аквариуме, тихо колыхались густые пряди белых корней, и каждый из них можно было отлично рассмотреть сквозь прозрачную воду. Крупная, выше че-
ловеческого роста, кукуруза уже выбросила тяжелые початки наливающегося зерна. И трудно было поверить, что выросла она без почвы. Из этикеток можно было узнать, что в каждой банке растворено немного минеральных солей — две части на тысячу частей воды. Это была Гак называемая водная культура растений. На Нижегородской ярмарке ее впервые в нашей стране показывал Климент Аркадьевич Тимирязев.
Много позже в одной из лекций Климент Аркадьевич рассказывал:
— С удовольствием вспоминаю я одного скептика, местного нижегородского жителя, поклявшегося мне, что он чуть ли не день за днем следил за нашими водными культурами, сначала со злостным намерением уличить нас в шарлатанстве, а затем сам увлекся и уверовал.
Теперь в водной культуре растения выращивают не только в научно-исследовательских институтах, но и в совхозных теплицах. Знакома она и многим юным натуралистам. Но в те времена водная культура была новинкой, она только что начала появляться в лабораториях ученых-ботаников. Люди видели в ней лишь удивительный фокус, забавную выдумку чудаков ученых.
И никто в те времена не мог предполагать, что пройдет немного времени, и водная культура постепенно вытеснит почву из теплиц овощеводов.
ОПЫТ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНОГО ГОЛЛАНДЦА
Люди издавна привыкли к тому, что растения растут в почве. Чем темнее почва, тем она плодороднее, тем лучше и быстрее растут на ней растения. Каждый знает, что наши кубанские или украинские черноземы самые плодородные в мире. А на светлой подзолистой или песчаной почве растения обычно получаются хилыми.
Темный цвет почве придает органическое вещество — гумус. Гумус образуется при разложении растительных остатков: отмерших корней, опавших листьев... Поэтому с глубокой древности люди думали, что растения питаются почвой, ее органическим веществом.
Но нашелся человек, решивший проверить эту, казалось бы, бесспорную истину. Это был голландец Ван-Гельмонт, живший более трехсот лет назад. Он поставил опыт, но, к сожалению, не смог сделать правильные выводы.
Ван-Гельмонт посадил ветку ивы весом 2 килограмма в кадку с сухой землей весом 91 килограмм и поливал ее дождевой водой. Ветка укоренилась, прошло пять лет, растение прибавило в весе 74 килограмма, а вес почвы уменьшился только на 62 грамма. Значит, заключил Ван-Гельмонт, основной «строительный материал» растения берут не из почвы. Тогда откуда же? И он решил, что главная пища растений — вода.
В самом деле все растения больше чем наполовину состоят из воды. Но ведь, кроме воды, они содержат и многие другие вещества. Мы с вами можем легко убедиться в этом.
Взвесим какое-нибудь растение, например подсолнечник. Для этого его нужно выкопать вместе с комом земли. Землю осторожно отряхнуть с корней, корни тщательно отмыть, а потом осушить фильтровальной бумагой или ватой. Предположим, растение весит 100 граммов.
Теперь высушим его на солнце. Чтобы растение высохло быстрее, отрежем ножницами листья, а стебель разрежем на несколько частей и расщепим вдоль острым ножом.
Когда кусочки стебля станут хрупкими, можно считать, что растение потеряло всю свою воду.
Взвесим высушенное растение. Теперь его вес не более 10—15 граммов. Значит, на 100 граммов веса приходится 85—90 граммов воды. Растение почти «жидкое»! Однако его листья и особенно стебли упруги и довольно тверды. Как же это может быть? Как «жидкое» растение может сохранять свою форму?
Ничего удивительного в этом нет. Вам, конечно, известны полиэтиленовые мешочки, в которых можно хранить жидкости. Если наполнить такой мешочек водой и крепко завязать его, он хорошо сохраняет свою форму, становится упругим и крепким. Из подобных мешочков-клеток и состоит любое растение. Каждая клетка — это микроскопическая капелька воды, плотно «упакованная» в тонкую оболочку из органических веществ. Эти органические вещества и остались после высушивания нашего растения.
Но только ли органические? Давайте высыплем оставшиеся 10—15 граммов сухого вещества на чистую сковороду и прокалим его на сильном огне (делать это нужно на открытом воздухе). Если время от времени осторожно раздавливать и перемешивать комочки обуглившегося вещества, то через некоторое время на сковороде останется только небольшой налет сероватой золы. Золы очень мало, и нужны точные химические весы, чтобы ее взвесить. Вес золы 0,5—1 грамм, всего 0,5—1 процент от веса целого растения.
Химики уже давно узнали, что зола состоит из минеральных солей фосфорной кислоты, калия, кальция, магния и других элементов, Нужны ли эти соли растению? Ведь они составляют ничтожную часть его веса. Может быть, минеральные соли — это случайная примесь, которую корни засасывают из почвы вместе с водой?
Где-то в земле пробираются между комочками почвы медленно растущие корни. По дороге они «слизывают» с этих комочков невидимые капли воды, впитывают их и отправляют от одной клетки к другой вверх по стеблю. Гибкий стебель поднимает к солнцу тонкие зеленые пластинки листьев. Листьями, как раскрытыми ладонями, ловит растение солнечные лучи. Вы, наверно, замечали, что если растение освещается только с одной стороны (например, комнатные растения на окне), то его листья поворачиваются в сторону света, тянутся к нему. Свет необходим листьям так же, как любому заводу топливо. На заводах тепловая энергия, получаемая при сжигании топлива, превращается в механическую энергию движения станков и машин. В листьях же световая энергия солнечных лучей поглощается особым зеленым веществом — хлорофиллом и превращается в химическую энергию. Эта химическая энергия и тратится на «производственный процесс» листа — фотосинтез. Ведь лист растения — это тоже завод. В его цехах-клетках из простых молекул углекислого газа и воды изготовляются сложнейшие молекулы органических веществ: углеводов, жиров, белков. Каждая из этих молекул — длинная цепочка атомов углерода, к которым присоединяются атомы водорода, кислорода и некоторых других элементов. Цепочки свертываются в кольца, ветвятся, переплетаются между собой, образуя основу клетки — прочную ткань протоплазмы.
Если бы растение строило свои клетки только из протоплазмы, ему понадобилось бы очень много строительного материала. Но природа нашла более экономный путь: она наполнила клетку водой. Ведь вода в готовом виде доставляется корнями. А для того чтобы клетка стала прочной, капля воды одета тонким слоем органических веществ — протоплазмой.
Так из воды и органических веществ растение создает клетки “ жидкие, но прочные «кирпичи», из которых складываются все части растения — от корня до листьев и цветов.
Как мы уже убедились, вода и органические вещества составляют 99 процентов от веса растения. Значит, на долю солей приходится всего 1 процент. А не могут ли растения обойтись совсем без солей?
Попробуем насыпать в цветочные горшки белого речного песка, как следует отмытого от ила, и посеять в них семена мака, пшеницы и фасоли. Поставим горшки на свет и будем каждый день поливать появившиеся всходы.
Воздуха и воды растениям достаточно. Но проростки мака погибнут, едва появившись. Всходы пшеницы и фасоли в первые дни выглядят хорошо: они зеленые, свежие и растут прямо на глазах. Но пройдет 5—6 дней, и листья пшеницы начнут желтеть, кончики их засохнут и побуреют, а еще через несколько дней проростки погибнут. Всходы фасоли будут жить дольше, но недели через две погибнут и они. Значит, минеральные соли, как ни мало их содержится в растении, все-таки необходимы для его жизни.
В семенах есть небольшой запас солей, и, чем крупнее семя, тем больше солей оно содержит, тем дольше росток может жить на этом запасе. Семена мака величиной с булавочную головку, и запасом солей они обеспечивают всходы только день-два. В крупных же семенах фасоли солей хватает на 2—3 недели. Но кончится этот запас, и молодые растения погибнут, если появившийся корешок не встретит на своем пути питательных солей.
ИСКУССТВЕННАЯ ПОЧВА
О пользе золы для растений люди знали уже много веков назад. Когда-то большая часть древней Руси была покрыта лесами (само слово «древность» происходит от старославянского «древо» — дерево). В те времена крестьяне выкорчевывали участок леса, стволы и сучья сжигали, а золу запахивали в землю. Следовательно, они не только отвоевывали у леса участок под пашню, но и удобряли его. А когда через несколько лет почва истощалась, выжигали новый участок.
Попробуем и мы добавить немного золы в наши горшки с песком. Проходит день за днем, и в горшках, куда мы внесли немного золы, не только фасоль, но и пшеница и даже мак весело зеленеют и разворачивают новые листочки. Но через некоторое время растения начинают желтеть и в конце концов засыхают. Оказывается, не все соли золы растворяются в воде. А главное, в золе нет азота — одного из важнейших элементов минерального питания. Он улетучивается при сжигании.
Ученые много поработали, прежде чем вырастили растения без почвы от всходов до созревания (или, как говорят, «от семени до семени»).
Прежде всего ученым следовало установить, какие соли и в каком количестве нужны растениям. Впервые это выяснил немецкий агрохимик Кноп около ста лет назад. Пытаясь вырастить пшеницу на воде, он добавлял к ней го одну, то другую соль, то различные смеси солей. После долгих поисков и неудач он наконец нашел рецепт первой искусственной почвы.
Азотнокислый кальций 1 г}л
Азотнокислый калий 0,25 »
Фосфорнокислый калий 0,25 ъ
Хлористый калий 0,25
Сернокислый магний 0,25
Хлористое железо 0,01 »
Этот раствор содержит все необходимые растениям питательные элементы: азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу и железо. Поэтому высаженные на него проростки пшеницы дали нормальные растения, которые заколосились и принесли полноценное, зрелое зерно.
В честь создателя раствор был назван питательной смесью Кнопа. Этот раствор К. А. Тимирязев использовал для показа водной культуры растений на Нижегородской ярмарке.
ГУЛЛИВЕР И ХИМИЯ
Вы все, конечно, читали в детстве книжку о путешествиях Гулливера. И если вы читали ее внимательно, то, наверно, заметили, что ее автор, английский писатель
и философ Джонатан Свифт, вложил в нее много серьезных мыслей о судьбах человеческого общества. Например, в одной из своих бесед не по росту мудрый король лилипутов говорит Гулливеру:
— Тот, кто сумел бы вырастить два колоса там, где раньше рос один, две былинки травы, где росла одна, заслужил бы благодарность всего человечества.
Теперь мы знаем, что урожай на любом поле можно не только удвоить, но и утроить. Эту возможность дает нам современная химия. Но во времена Свифта, в XVIII веке, люди еще не умели вмешиваться в жизнь природы.
Что нужно для того, чтобы растение дало ранний и высокий урожай? Конечно, создать наилучшие (или, как говорят, оптимальные) условия для его роста и развития. Главные из них: свет и содержание углекислого газа в воздухе, вода, кислород и питательные соли в почве. Оптимальную освещенность создать нетрудно. Хотя еще не изобретен реостат, которым можно было бы регулировать яркость солнца, но это и не нужно. Достаточно высеять семена на таком расстоянии, чтобы ни один луч света не пропал даром и при этом растения не слишком затеняли друг друга. Об углекислом газе можно не заботиться: в атмосфере всегда содержится около 0,03 процента СО2, как раз столько, сколько нужно для фотосинтеза. Правда, растения непрерывно поглощают его, но эта убыль автоматически пополняется за счет дыхания почвенных микроорганизмов. Ведь этих ничтожно малых существ на 1 гектаре содержатся тысячи килограммов! Кроме того, приземный слой воздуха удобряется углекислотой при внесении в почву навоза.
Значительно труднее создать оптимальные условия для корневой системы. Почву рыхлят, чтобы обогатить ее воздухом, проводят снегозадержание, а иногда и орошение полей для снабжения растений влагой.
Все эти приемы известны давно. Они, конечно, повышают урожай, но вырастить два и три колоса там, где раньше рос один, удвоить и утроить урожай с их помощью нельзя.
Представьте себе плотину, состоящую из бетонных щитов. Уровень воды в водохранилище — это урожай. Бетонные щиты — факторы внешней среды. Уровень воды в водохранилище определяется высотой плотины. Что будет с урожаем, если мы улучшим какой-нибудь один фактор среды, например освещенность, то есть увеличим высоту одного из щитов? Только, прежде чем ответить, подумайте хорошенько. Верно, урожай останется тем же самым. А если увеличим высоту двух щитов? Трех? Четырех? Понятно, что уровень воды от этого тоже не повысится. Он не повысится даже в том случае, если мы нарастим все щиты, кроме одного: вода будет уходить через этот, самый низкий, щит. О таком факторе внешней среды говорят, что он лимитирует, ограничивает урожай.
В природе никогда не бывает, чтобы растения были одинаково обеспечены всем необходимым. Обычно одни условия находятся в избытке, другие — в недостатке. Так вот, если мы создали растениям наилучшие условия освещения, влажности и аэрации почвы, установили достаточную концентрацию СОг в воздухе, выпололи все сорняки — словом, позаботились обо всех щитах нашей плотины, кроме одного — содержания в почве элементов минерального питания,— урожай будет поддерживаться на каком-то определенном уровне. И если мы будем дальше улучшать любое из условий— освещенность, влажность или аэрацию,— урожай не сможет подняться выше этого уровня. Больше того, год от года он будет снижаться. Ведь вместе с урожаем мы ежегодно выносим с поля минеральные соли,
Знаете ли вы, что одно растение пшеницы за лето поглощает из почвы 1,98 миллиграмма азота, 0,31 миллиграмма фосфора и 1,03 миллиграмма калия? Не так уж много, правда? Тем более, что часть этих веществ вместе с корнями остается в почве. Но на каждом гектаре растет 50 миллионов растений пшеницы. Поэтому с урожаем (в зерне и соломе) мы ежегодно вывозим с гектара 99 килограммов азота, 15 килограммов фосфора и 51 килограмм калия. Если пересчитать на соли (например, на натриевую селитру, хлористый калий и суперфосфат), то получится, что почва теряет ежегодно 1370 килограммов питательных солей с каждого гектара. А это уже внушительная цифра.
Правда, потери отчасти возобновляются. В этом нам помогают наши друзья — микроорганизмы. Одни из них, силикатные бактерии, разрушают глинные минералы, освобождая для растений калий. Другие, клубеньковые бактерии, живущие на корнях бобовых растений, связывают свободный азот воздуха (N2) в доступные растению формы (нитраты и аммиак). Поэтому после бобовых культур (клевера, люцерны, бобов, гороха) почва бывает богаче азотом, даже если ее не удобрять азотом. Ту же задачу выполняют и другие виды бактерий, так называемые свободно живущие азотофиксаторы. Они связывают (фиксируют) азот воздуха без помощи бобовых растений, питаясь мертвыми растительными остатками.
К тому же люди издавна научились возвращать на поле по крайней мере часть выносимых с него питательных веществ, удобряя почву навозом.
Но растениям нужны не просто питательные соли, а определенные соотношения их. Например, пшеница на 100 частей азота поглощает 15 частей фосфора и 51 часть калия. А в навозе на каждые 100 частей азота приходит- ся 20 частей фосфора и 95 частей калия. Поэтому при внесении в почву только органических удобрений соотношения между питательными солями могут быть нарушены. Часть щитов в нашей плотине опять окажется ниже остальных.
Вот почему управлять урожаем — не только поддерживать его на определенном уровне, но и повышать по своему усмотрению — человек научился только с помощью искусственных минеральных удобрений. Но для это-
го нужно было прежде всего знать, чем и как питаются растения. Вот тут-то и пригодился агрохимикам метод беспочвенного выращивания растений.
ОТКРЫТИЕ СЕДЬМОГО КОНТИНЕНТА
— А почему этого нельзя узнать в поле? — спросите вы.— Ведь можно сделать химический анализ растения, выращенного в почве, и узнать, какие соли оно содержит.
Но оказалось, что это не так просто. Сделать анализ растения, конечно, можно, но как узнать, все ли соли, которые оно содержит, необходимы для его жизни? У нас в Средней Азии много засоленных почв. В этих почвах содержится хлористый натрий — обычная поваренная соль. Натрий большинству сельскохозяйственных растений не нужен, даже вреден, если его много. Но растения все равно поглощают его, засасывая вместе с водой.
Злаки — пшеница, рожь, овес,— где бы ни росли, всегда содержат довольно много кремния. Но если выращивать пшеницу на питательном растворе без кремния, она будет отлично развиваться и даст полноценное зерно. Следовательно, кремний не нужен растениям в таком большом количестве. Поглощают они этот элемент просто потому, что его много в почве.
Значит, если мы хотим узнать, нужен или нет тот или иной элемент растению, мы должны вырастить это растение в среде, не содержащей этого элемента.
В почве всегда имеются самые разные соли — и нужные и ненужные растениям. Следовательно, для такого опыта почва не подходит. Опыт следует ставить в совершенно бесплодной среде, например в песке или на воде. В такую среду можно внести смесь любых минеральных солей и включить или не включить в нее изучаемый элемент.
Перед нами ряд одинаковых стеклянных банок — вегетационных сосудов. В них на растворах питательных солей выращивают кукурузу. Почему же так по-разному выглядят растения?
В первом сосуде — полная питательная смесь. Она содержит все необходимые для питания растений элементы: азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу, железо, А в остальных сосудах “ та же смесь, за исключением какого-нибудь одного элемента минерального питания.
На рисунке вы видите, как выглядит растение, если из раствора исключить какой-нибудь один элемент питания: рост культуры прекратится, и растение в конце концов погибнет. Исключенный элемент нельзя заменить никаким другим. Ведь если в плотине вынуть один из щитов и наращивать другие, водохранилище все равно останется пустым.
Немного позже, когда научитесь выращивать растения без почвы, вы сами сможете поставить такой опыт, При помощи вегетационного метода агрохимики не только узнали, какие элементы нужны растениям. Они подробно изучили потребности разных сельскохозяйственных культур в питании и научились удовлетворять их. Ученые нашли так называемые критические периоды питания каждой сельскохозяйственной культуры. Они определили, на каком этапе жизни — при прорастании, во время бутонизации, цветения или плодообразования — данная культура особенно нуждается в азоте, фосфоре или калии. При помощи удобрений — минеральных солей — агрохимики научились не только улучшать развитие растений, но направлять его в нужную человеку сторону. Если, например, хотят получить больше листьев (при выращивании капусты, кормовых трав, кукурузы на силос), в почву следует внести больше азотных удобрений. Если основной частью урожая является стебель (у лубяных культур — льна, конопли), в почву вносят больше калия. А для развития плодов растения особенно нуждаются в фосфоре.
На современных заводах у пульта управления сложных и умных машин стоят инженеры-операторы. Нажмут кнопку — и машина послушно выполняет нужную операцию. Поле — тоже машина, но своеобразная. Она состоит из живых «деталей» — растений — и поэтому во много раз сложнее и капризнее. Она вырабатывает продукты питания и сырье для многих отраслей промышленности. И этой машиной тоже необходимо управлять.
У «пульта управления» ростом и развитием сельскохозяйственных растений стоит агроном, хорошо изучивший потребности растений и свойства минеральных удобрений.
Если он хочет получить урожай как можно раньше, то во время бутонизации растений он «нажимает» кнопку «фосфор» — подкармливает их суперфосфатом. Если, наоборот, хочет растянуть созревание, чтобы растения успели образовать побольше плодов, «нажимает» кнопку «азот» — вносит в почву селитру. Если агроном видит, что в конце лета помидоры еще не начали краснеть, он «нажимает» кнопку «калий» — этот элемент усиливает отток питательных веществ из листьев и ускоряет налив плодов. В дождливые и пасмурные годы, чтобы растения не «израстали» в ботву, дозу калийных удобрений тоже увеличивают.
Основатель советской агрохимии академик Дмитрий Николаевич Прянишников сравнивал применение минеральных удобрений с открытием нового континента., Действительно, с их помощью люди дополнительно получают теперь столько сельскохозяйственных продуктов, как будто освоены новые земельные площади, равные обеим Америкам — Северной и Южной.
Но управлять минеральным питанием растений в почве намного труднее, чем в чистом питательном растворе,— ведь в вегетационном сосуде все соли легко доступны растению, и потери их исключены. В почве же часть удобрений (иногда довольно большая) вымывается водой вглубь, в так называемую подстилающую породу, и уносится грунтовыми водами. Другая часть удобрений связывается почвой физически (адсорбируется на поверхности почвенных комочков) или химически (превращаясь в труднорастворимые соединения) и становится менее доступной растениям. Кроме того, на пути к корню питательные соли перехватывают огромные армии почвенных микроорганизмов и превращают их в органические вещества своих клеток. Эта часть солей полностью выбывает из «питательного фонда» растений до тех пор, пока микробная клетка не погибнет и ее органическое вещество не минерализуется снова.
Поэтому, внося минеральные удобрения в почву, мы никогда не можем сказать наверняка, какая часть их поступит в распоряжение растений. Это зависит и от количества осадков, и от активности микроорганизмов, и от поглотительной способности почвы, и от многих других причин.
А что, если заменить почву чистым питательным раствором в производственных условиях? Почему бы не попробовать выращивать растения в водной культуре не только для научных, но и для производственных целей? Не несколько десятков растений в лаборатории, а тысячи и десятки тысяч в большой теплице!
Эта смелая мысль пришла американскому ученому, профессору Калифорнийского университета Герике.
На опытной станции Монтебелло выделили огромную теплицу. Грунт под ее стеклянной крышей тщательно утрамбовали и вместо удаленной бульдозером почвы установили 116 рядов водонепроницаемых деревянных ящиков — резервуаров с питательным раствором. Высокие и узкие, они по форме напоминали поставленные боком школьные пеналы. Над резервуарами укрепили неглубокие подносы из проволочной сетки. Их нужно было наполнить каким-нибудь рыхлым материалом, чтобы в нем укрепить рассаду помидоров. В это время на опытной станции шел обмолот риса и в распоряжении Герике оказалось много рисовой мякины. Ею-то он и наполнил проволочные подносы.
Первые дни слой мякины с высаженной в нее рассадой помидоров увлажняли водой. Вскоре корни проросли в теплую воду, насыщенную питательными солями. Растения развивались стремительно, и для каждого из них пришлось натянуть проволочную опору. Корни помидоров энергично поглощали питательные соли. Поэтому раз в 1—2 недели раствор заменяли свежим. Уже через 60 дней необычная теплица дала первый урожай зрелых плодов.
Результаты опыта превзошли самые смелые ожидания. В пересчете на гектар получили до 500 тонн зрелых плодов — в 5 раз больше обычных урожаев в грунтовых теплицах и рекордных урожаев в поле!
Такие же опыты провели и с другими культурами: с табаком и картофелем. Результаты были отличные.
ГИДРОПОНИКА
Так назвал Герике свой новый способ выращивания овощей. Это греческое слово означает «действие воды» («hydor» — вода, «ponos» — действие).
Выращивание овощей и других культур на водных растворах минеральных солей оказалось очень выгодным. И гидропоника за несколько лет распространилась по всему миру. Во многих странах Америки и Европы, Азии и Африки появились сначала небольшие опытные гидропоники, а затем и крупные хозяйства, специально оборудованные для выращивания овощей и ценных технических культур без почвы.
Все больше тепличных хозяйств на гидропонике, настоящих фабрик овощей, возникает и в нашей стране — в Латвии и на Сахалине, в Крыму и в Заполярье. В десятках научных учреждений продолжаются поиски наиболее простых и выгодных способов беспочвенного выращивания овощей.
Хотя со времени опыта в теплице Монтебелло прошло более тридцати лет, современная установка для водной культуры овощей выглядит примерно так же, как и первая гидропоника Герике. Правда, теперь резервуары делают более широкими: 150—200 сантиметров вместо 30. Ведь нужно продуктивно использовать каждый квадратный метр тепличной площади. Сами резервуары обычно изготовляют не из дерева, а из цемента или бетона. Иногда их делают и деревянными, выстилая внутри прочной полиэтиленовой пленкой. Растения укрепляют при помощи металлической сетки, на которую насыпают тонкий слой бесплодного субстрата — торфа или опилок. Но корням нужен кислород. Они, как и все другие части растения, дышат. Помните, мы говорили, что в образующихся при фотосинтезе сахарах и других органических соединениях запасается, как бы консервируется, энергия солнечного света? Часть этих веществ оттекает из листьев в корневую систему. Здесь они окисляются поглощенным из почвы кислородом, и законсервированная в них энергия выделяется. Она тратится на поглощение солей, на поднятие их по стеблю к листьям и плодам и на рост самого корня. Если доступ кислорода к корням прекратится, они не только не смогут поглощать питательные вещества, но и погибнут. А с ними погибнет и все растение
Так бывает иногда на поле в небольших понижениях — «блюдцах». Весной талая вода здесь застаивается, заполняя все промежутки между почвенными комочками. И растения, корни которых лишены воздуха, гибнут, «вымокают».
А в гидропонике? Ведь там нет воздушных промежутков. Корни целиком погружены в воду. Правда, в воде растворено некоторое количество кислорода. Но если этот запас не пополнять, его хватит ненадолго.
Поэтому через питательный раствор по нескольку часов в день приходится продувать воздух. От воздушного насоса — компрессора — сжатый воздух поступает в трубчатую распределительную гребенку. Концы трубок вделаны в дно резервуара и снабжены специальными форсунками, выпускающими воздух мелкими пузырьками. Чем мельче пузырьки, тем больше поверхность соприкосновения их с раствором, а значит, тем больше кислорода растворится в воде.
ГРЯДКИ ИЗ ГРАВИЯ
Корни растений выполняют две задачи: во-первых, они прочно закрепляют надземную часть в вертикальном положении и, во-вторых, снабжают ее водой и питательными солями. Поэтому для выращивания растений нужны субстрат и питательная среда. Почва является одновременно и тем и другим. Прорастая между ее комочками, корни надежно удерживают стебель вертикально и с этих же комочков «слизывают» питательные соли и воду. А воздух, заполняющий промежутки между комочками, служит для дыхания корней.
В водной культуре растения находятся в совершенно иных условиях. Здесь субстрат (слой опилок или торфа на сетке) отделен от питательной среды — раствора. Слой субстрата тонок, и для закрепления растений используются не все корни, а только их верхняя часть. Такое закрепление не очень надежно. Кроме того, в растворе нет воздушных промежутков. Корню приходится поглощать не газообразный кислород, а растворенный в воде. К этому корень мало приспособлен.
Схема гравийной гидропоники.
Поэтому сейчас чаще всего растения выращивают не в растворе, а во влажном гравии. К тому же условия выращивания на гравии более близки к почвенным. И вот почему.
Растения выращивают на толстом слое мелкого гравия. Чем больше они вырастают, чем тяжелее становится их надземная часть, тем глубже корни уходят в гравий, тем прочнее укореняются растения. Так же как и в почве.
А питание? Из специального резервуара, расположенного выше уровня стеллажей, питательный раствор самотеком подается в гравийную грядку. Когда грядка заполнена раствором почти доверху, он тут же сливается в другой резервуар, расположенный ниже пола теплицы. Таким образом, гравий не заполняется раствором, а только смачивается им. Такие циклы повторяют 4—5 раз в день. Откуда же растения берут воду и питательные соли в промежутках между циклами? С поверхности влажных камешков. Корни «слизывают» с них тонкую пленку воды и растворенных солей и дышат воздухом, заполняющим промежутки между гравием. Так же как и в почве. При следующем цикле эта пленка обновляется. Кроме того, поступающим раствором из гравия вытесняется старый, «отработанный» воздух, а когда раствор сливается, в гравий поступает свежий воздух.
Поверхность листьев овощных растений, помидоров или огурцов, очень велика. В жаркий летний день они испаряют в теплице 1 литр воды с каждого квадратного метра гравийной грядки. А в открытом грунте — в 5 раз больше. Неужели тонкой пленки раствора на поверхности камней достаточно, чтобы обеспечить растения питанием и водой? Не беспокойтесь, вполне достаточно. Нужно только, чтобы камешки гравия были не мельче 2 и не крупнее 5 миллиметров. В каждом кубическом метре такого гравия задерживается около 70 литров раствора. Немало, правда?
Когда вы входите в гидропоническую теплицу, то вместо ровной поверхности почвы видите ряды продолговатых цементных чанов-стеллажей, наполненных гравием. Вдоль них протянулись длинные ряды железных труб. Эти трубы ответвляются от конца каждого стеллажа и уходят сквозь стену теплицы. А с другой стороны стеллажей выходят короткие изогнутые трубки — сифоны. Они нависают над длинным бетонным желобом, протянувшимся вдоль всей теплицы. Вы не встретите здесь рабочих, рыхлящих почву, выпалывающих сорняки или вносящих удобрения. Но если постоите некоторое время в этом безлюдном стеклянном цехе, то поймете, что здесь непрерывно идет скрытая от глаз работа. Вот щелкнуло реле, и на щите загорелась зеленая лампа. Это автомат включил специальные электромоторы. Они открыли краны, и питательный раствор начал вытекать из верхнего резервуара. Ожили трубы — по ним с журчанием течет к цементным грядкам питательный раствор. Через полчаса раствор с плеском хлынет из сифонов с другого конца стеллажей и по желобу потечет в нижний резервуар. Зеленая лампочка на щите погасла: поступление раствора в чаны с гравием закончено. А когда из сифонов упадут в желоб последние капли, на щите зажигается желтая лампа. Это заработал насос, перекачивающий раствор из нижнего резервуара в верхний. Цикл работы гидропоники завершен. Растения получили новую порцию воды и растворенных в ней минеральных солей.
При заполнении гравия раствором нужно соблюдать два обязательных условия: во-первых, корни не должны быть затоплены дольше 30—40 минут — они могут «задохнуться»; во-вторых, поверхность гравия не должна смачиваться раствором — иначе на поверхности будут
развиваться зеленые водоросли и другие микроорганизмы, мешающие растениям.
Оба эти условия и выполняет простейшее автоматическое приспособление — сифон. По мере наполнения стеллажа раствор по закону сообщающихся сосудов поднимается по внутреннему, короткому колену сифона. Как только внутреннее колено заполнится доверху, раствор перейдет во внешнее, более длинное колено. Поскольку столб жидкости во внешнем колене, а значит, и ее вес больше столба жидкости во внутреннем колене, раствор начинает вытекать в расположенный под сифоном желоб. Он будет вытекать до тех пор, пока не опорожнится весь стеллаж. Таким образом, сифон автоматически сливает раствор сразу же по наполнении стеллажа и корни ни одной лишней минуты не остаются затопленными.
Кроме того, сифон не дает раствору выйти на поверхность гравия. Верхнюю, изогнутую часть его устанавливают на 5 сантиметров ниже поверхности. Мы уже знаем, что раствор сливается сразу же после заполнения сифона. Поэтому выше раствор уже не может подняться.
Стеллаж для гравийной культуры обычно устанавливают с небольшим уклоном в сторону сифона. Вдоль дна стеллажа делают углубление — канавку. Ее прикрывают черепицей, которую сначала засыпают дренажем — крупной галькой диаметром 2—3 сантиметра, а уже потом мелким гравием.
Концы обеих труб — входной (подающей раствор) и выходной (сифона) — опускают в эту канавку..
Все это нужно для того, чтобы раствор поднимался одновременно во всем стеллаже. Если сделать гравийную гидропонику без дренажа, то около подающей трубы раствор будет выливаться через край, тогда как в другом конце стеллажа он еще не достигнет верха сифона.
УРОВЕНЬ РАСТВОРА
Когда весь сифон заполнен раствором, столб жидкости во внешнем колене (Н) перевешивает столб жидкости во внутреннем колене (h)t и раствор вытекает из стеллажа.
Самый распространенный, но далеко не единственный субстрат, применяемый в гидропонике,— гранитный г р а в и й. Но гранит не везде есть. А перевозить его за сотни и тысячи километров слишком дорого. Поэтому его часто заменяют самыми различными материалами.
Вулканические туфы применяют там, где есть месторождения этих горных пород, например в Италии и в Армении. Благодаря своей пористости туфы легки и имеют большую влагоемкость.
Вермикулит — слюда; большие залежи ее имеются на Кольском полуострове. Этот минерал обладает замечательным свойством: при нагревании он сильно увеличивается в объеме. Такой вспученный вермикулит — очень легкий и еще более влагоемкий субстрат, чем туф.
Торфом богаты республики Прибалтики. Хотя он и состоит почти целиком из органических остатков, сам по себе торф так же бесплоден, как и гравий. Поэтому сфанговый торф широко используется в гидропониках прибалтийских республик. В Латвии, например, каждая четвертая теплица переоборудована в торфяную гидропонику. Урожай томатов на этом субстрате получают на 30—45 процентов выше, чем в почве.
Керамзит — это широко распространенный строительный материал. Он представляет собой легкие пористые шарики из обожженной глины. Самые мелкие из них — величиной с горошину, самые крупные — с грецкий орех. Керамзит очень дешев и легок и поэтому с успехом применяется в гидропонике как заменитель гравия.
Угольный шлак, кокс, битый кирпич также могут служить субстратами для гидропоники, хотя они иногда требуют специальной очистки. Вообще в гидропонике можно использовать разнообразные материалы с достаточной влагоемкостью. Главное, чтобы они были дешевы и совершенно инертны — не поглощали бы питательные соли и не выделяли бы в раствор вредные для растений вещества.
Немецкие ученые в качестве субстрата пробуют использовать специальную пластмассу биолостон в виде тонких черных полосок, по форме и размеру напоминающих сосновую хвою.
Не забыта и «родоначальница» гидропоники — водная культура. После снятия очередного урожая в гравии остается часть корневых остатков. На них развиваются гнилостные бактерии и грибки — возбудители болезней растений. И, хотя их бывает значительно меньше, чем в почве, субстрат приходится раз в год дезинфицировать — промывать соляной кислотой и хлороформом. Кроме того, не существует совершенно инертных субстратов. Все субстраты постепенно «стареют». На их поверхности с годами образуется пленка каких-то веществ, снижающих урожай. Природа этих веществ еще не разгадана.
Вот почему многие ученые снова начинают обращаться к водной гидропонике. Только для укрепления растений служит уже не сетка с опилками или торфом, а фанерные или текстолитовые щиты с отверстиями. В эти отверстия вставляют специальные металлические или пластмассовые патроны, в них и укрепляют растения.
АЭРОПОНИКА - ВЫРАЩИВАНИЕ НА ... ВОЗДУХЕ
В тропических лесах Южной Америки есть необычные растения: они живут высоко над землей. Некоторые виды красавиц орхидей как бы сидят верхом на сучьях больших деревьев и в развилках ветвей, свешивая прямо в воздух густые пряди белых корней. Но они не паразиты, сосущие соки деревьев. Орхидеи питаются самостоятельно. Им вполне достаточно питательных солей, содержащихся в пыли и в разлагающихся органических остатках, которые накапливаются в неровностях коры их гостеприимных хозяев. А воду они поглощают... прямо из воздуха — во время дождей, которые так часты в этих краях. Воздушным корням этих растений не грозит опасность пересохнуть — ведь воздух в тропических лесах всегда очень влажный.
Русский ученый В. М. Арциховский использовал возможность воздушного питания корней. Он предложил новый способ выращивания растений — аэропонику. Внешне аэропоника напоминает обычную водную культуру. Растения закреплены в отверстиях пластмассового щита, закрывающего объемистый чан-резервуар. Но приподнимите щит, и вы с удивлением увидите, что в чане нет питательного раствора. Корни висят прямо в воздухе. А из дна резервуара рядами торчат вверх короткие форсунки, похожие на те, что устанавливаются в водной гидропонике для продувания раствора.
— Что же здесь продувать? — удивитесь вы.— Не воздух же, в самом деле!
Нет, эти форсунки предназначены для другой цели. Время от времени они подают в чан тонко распыленный питательный раствор. В виде тумана мельчайшие капельки раствора оседают на корнях и стекают на дно чана, а затем обратно в бак. Форсунки работают всего несколько минут, а затем насос, подающий из бака питательный раствор, снова выключается, и смоченные корни остаются в «пустом» чане. Теперь их окружает только влажный воздух.
Таким образом, воздушная культура растений — это «водная культура наоборот». Действительно, в водной культуре корни растений находятся в питательном растворе, через который время от времени пропускают воздух. В воздушной культуре корни находятся в воздухе, через который время от времени пропускают питательный раствор.
Форсунки включаются на несколько минут через каждые полчаса. Этого оказалось вполне достаточно для питания растений. Однако важно не только дать растениям достаточное количество питательных солей, но и создать условия для их усвоения. Первое из таких условий — аэрация корней. А снабжение корней воздухом в аэро-понике неизмеримо лучше, чем при любом другом способе выращивания. Вероятно, поэтому в воздушной культуре растения иногда обнаруживают неожиданные, совершенно новые свойства.
Известно, например, что рост и урожай снижаются при концентрации питательных солей в растворе выше 1,5—2 граммов на литр. Если же увеличить в растворе содержание вредных солей, например хлористого натрия, растения гибнут. 9 граммов хлористого натрия на литр убивает растения. Это так называемая токсическая, то есть отравляющая, доза. А в аэропонике растения отлич-
но переносят огромные концентрации не только питательных, но и вредных солей. Так, капуста в воздушной культуре прекрасно росла при содержании в растворе 45 граммов поваренной соли на литр. Эта доза в 5 раз превышает токсическую. Листья были солеными на вкус, но растения выглядели обычно.
Пока еще аэропонику можно встретить лишь в научно-исследовательских институтах. Ученые только начинают проникать в неожиданные возможности, которые она открывает. Но и сейчас уже можно предположить, что аэропоника — это гидропоника будущего. Впрочем, воздушная культура уже делает первые шаги в практику. В Останкинском комбинате цветоводства третий год с успехом выращивают таким способом розы и гвоздики.
ТЕПЛИЦЫ МЕНЯЮТ АДРЕС
Основную массу овощей, которые мы покупаем в магазинах летом и осенью, выращивают в так называемом открытом грунте — в поле или на огороде.
В середине мая, когда почва как следует прогреется на солнце и уже нет угрозы ночных заморозков, в поле высаживают рассаду — маленькие растеньица, выращенные из семян под надежной защитой теплиц и парников. Из нее вырастают высокие растения помидоров и длинные плети огурцов. А когда лето подходит к концу, на них наливаются и зреют плоды.
Но первые овощи появляются на прилавках наших магазинов значительно раньше. На улице еще весна, с полей только что сошел снег, а мы уже можем отведать плотных крепышей — огурцов и даже красных помидоров. Эти ранние овощи выращивают в так называемом закрытом или защищенном грунте — в теплицах. На небольшом участке земли, покрытом стеклянной крышей, сохраняется тепло печей или батарей водяного отопления, и весна приходит сюда раньше. Люди не ждут, пока весеннее солнце поднимется выше над горизонтом, они научились заменять тепло и свет солнца.
Однако до самого последнего времени ничем не могли заменить почву.
В городах тысячи фабрик и заводов «отапливали атмосферу». Горячий воздух и раскаленные газы из заводских печей шли прямо в трубы, и миллиарды миллиардов калорий тепла «вылетали в трубу». А ведь это даровое тепло, тепловые отходы, можно было бы по дороге к вытяжным трубам пропустить через стеклянные купола теплиц и получить дополнительно тысячи тонн свежих овощей ранней весной.
Но теплицы были привязаны к земле, а в городах нет плодородной почвы. Конечно, можно было бы привезти ее с полей. Однако почва в теплицах постепенно заражается вредителями и возбудителями болезней растений, и со временем урожай снижается. Поэтому через каждые 2—3 года почву в теплице нужно заменять новой. А возить ее за десятки километров, вы сами понимаете, слишком дорого.
Вот и получалось, что в городах огромное количество дарового тепла бесполезно улетало в небо, а в сельской местности, где достаточно плодородной почвы, приходилось сжигать массу топлива, для того чтобы получать ранние овощи для городов.
Так было до появления гидропоники. Но когда люди научились заменять почву, теплицы стали появляться в городах, на крупных заводах и фабриках. На Московском нефтеперегонном заводе, например, построен первый в нашей стране огромный теплоцентр. Его тепловые отходы (горячая вода от охлаждения агрегатов, отработанный пар, дымовые газы) обогревают не только собственное тепличное хозяйство завода, но и гидропониче-ские теплицы соседнего совхоза «Белая дача» и колхоза имени Ф. Э. Дзержинского.
— Но ведь гравий тоже нужно привозить за многие десятки километров,— возразите вы.
Да, но гравий не нужно заменять новым. Он значительно меньше заражается болезнями, и бороться с ними куда легче, чем в почве. Достаточно после уборки очередного урожая спустить из чанов раствор, пропустить через них 5-процентный раствор формалина и промыть гравий водой. А дезинфекция чанов для водной или воздушной культуры еще проще.
Так сельская отрасль народного хозяйства—овощеводство — получила городскую «прописку». Но крупные города — это не единственный новый адрес гидропоники.
Огромные пространства занимают песчаные пустыни. Здесь очень мало плодородной земли, зато сколько угодно бесплодного песчаного субстрата.
Здесь щедрое солнце, а вода на вес золота. С огромным трудом люди добывают воду для орошения полей. Но большая часть этой воды просачивается сквозь почву или испаряется с ее поверхности. А в гидропонике вода расходуется очень экономно. Хотя на первый взгляд это может показаться и не так. Ведь растения выращивают прямо на воде. Но один и тот же питательный раствор можно использовать многократно. Для этого нужно только время от времени «поправлять» его состав: де лать химический анализ раствора и добавлять в него недостающие элементы — столько, сколько их поглощено растениями.
Сейчас гидропоника получает широкое распространение в сухих и песчаных местах нашей страны,
А теперь мысленно перенесемся за тысячи километров к северу от песчаных пустынь — на каменистые берега Ледовитого океана. Для людей, которые живут и трудятся здесь, свежие овощи — это праздник. Ведь их привозят издалека — по железной дороге, по воде и даже по воздуху. Но овощи на 90 процентов состоят из воды. Значит, в железнодорожном составе из 50 вагонов 45 занято водой. Не дешевле ли привозить на Север питательные соли, а овощи выращивать на месте? С появлением гидропоники это стало возможным. Далеко за Полярным кругом под лампами дневного света зреют в гидропонических теплицах редис, помидоры и огурцы, зеленеет лук и салат. И, может быть, скоро благодаря гидропонике появятся свои овощи и на противоположном конце земного шара — у отважных исследователей Антарктиды.
ПОД ОТКРЫТЫМ НЕБОМ
До сих пор мы говорили только о закрытом грунте — о теплицах. Действительно, на первый взгляд могло бы показаться странным, если, вместо того чтобы пахать и удобрять почву, в поле начнут устанавливать цементные чаны и наполнять их бесплодным гравием.
А между тем преимущества беспочвенного выращивания растений так велики, что во многих странах гидропонику устраивают и под открытым небом. В земле выкапывают неглубокие траншеи, которые и заполняют гравием или каким-нибудь другим субстратом. Чтобы питательный раствор не просачивался в грунт, дно и стенки траншей цементируют.
Гидропоника под открытым небом применяется в странах с теплым климатом: в Алжире, Италии, Индии. Применяется она и на юге нашей страны, например в Армении.
На питательном растворе растения дают не только более высокий, но и более ранний урожай, чем в почве. Многие из вас любят стручковый перец, фаршированный морковью. Эти вкусные консервы вырабатывают на овощных заводах Армянской ССР. Но в условиях Армении морковь поспевает на несколько недель позже перца. Для того чтобы ускорить рост моркови, профессор Давтян предложил выращивать ее в мелком вулканическом туфе. Первые же опыты дали отличный результат, и теперь морковь, растущую на «каменных» плантациях, можно убирать одновременно с перцем.
ЧЕМ ВЫГОДНА ГИДРОПОНИКА
Беспочвенное выращивание овощей выгоднее и продуктивнее обычного выращивания в почве не только в крупных городах, пустынях или в Заполярье. Гидропоника вытесняет почву и из обычных сельских теплиц. В чем же ее преимущества?
В гидропонике не нужно периодически менять почву, на что тратилось много труда и времени.
Облегчается борьба с вредителями и болезнями растений. Вредитель овощных культур — галловая нематода была раньше бичом всех теплиц. Единственная мера борьбы с ней — полная смена почвы. Но и это помогало лишь на время — личинки нематоды заносили в теплицу с новой почвой. В гравийной же культуре этот вредитель исчез совершенно.
Более экономно расходуется вода, что особенно важно для засушливых районов.
Нет сорняков. В обычные теплицы семена сорняков заносятся вместе с почвой. А в гравий они могут попасть только случайно.
Экономнее используются удобрения. При внесении удобрений в почву только небольшая часть их достается растениям. Много солей просачивается с водой сквозь почву. Немало их связывается самой почвой в недоступные растениям соединения или поглощается микроорганизмами. А в искусственном питательном растворе все соли доступны корням, и большая часть их идет на построение урожая.
Уменьшаются холостые простои теплиц. Промежуток времени между снятием урожая и посадкой новых растений (или, как говорят, между ротациями) резко сокращается; отпадает необходимость предпосевной обработки почвы.
Уменьшается площадь питания растений. Поэтому на каждом квадратном метре гравия можно выращивать в 2—3 раза больше растений, чем на почве. А это очень важно. Содержание каждого квадратного метра теплиц стоит дорого.
И, наконец, два самых главных плюса гидропоники.
Питательный раствор можно в любой момент заменить другим, повысить содержание в нем одного элемента и снизить содержание другого. Это позволяет гибко и точно управлять ростом растений, что невозможно в почве. В гидропонике можно достигнуть такой скорости роста, какой никогда не удается получить при выращивании растений в почве. При этом повышается урожай, а плоды созревают раньше.
Гравийная культура не требует ни пахоты, ни рыхления междурядий, ни прополки. А это дает возможность почти целиком автоматизировать выращивание овощей.
ЗА РАСТЕНИЯМИ УХАЖИВАЮТ АВТОМАТЫ
Часто говорят, что гидропоника — это индустриальный метод растениеводства. Это очень верно, и не только потому, что теплицы овощеводов появляются на промышленных предприятиях.
Чем отличается сельское хозяйство от промышленности, земледелие от индустрии? Одно расположено в сельской местности, а другое в городах, скажете вы. Правильно, но главное в другом. Земледелие зависит от природы: от плодородия почвы, от климата, от погоды. А промышленность целиком создана умом и руками человека.
Поэтому в промышленности более высокий уровень механизации.
Здесь возможна автоматизация всего производственного процесса. С созданием гидропоники такая возможность появилась и в земледелии. Вернее, в растениеводстве: какое же это земледелие без земли!
Простейшую автоматику применил уже профессор Герике в своей первой гидропонике: теплица была оборудована электрическими нагревателями, которые включались, когда температура питательного раствора падала ниже +20 градусов. С тех пор прошло больше тридцати лет, и сейчас мы уже можем думать о полностью автоматизированных «зеленых цехах», которые в недалеком будущем появятся на каждом большом заводе и будут выглядеть приблизительно так.
...В примыкающем к теплице подсобном помещении расположена смесительная установка для приготовления искусственной почвы — питательного раствора. В одном баке растворяют основные питательные соли — азотные, фосфорные, калийные. В другом — минеральные «витамины»: бор, марганец, цинк, медь, нужные растениям в очень небольших количествах. По мере надобности специальные дозаторы выливают необходимое количество (дозу) этих растворов в общий смесительный резервуар. Здесь исходные растворы разбавляют водой до нужной концентрации.
Раз в несколько часов командное устройство, снабженное реле времени, включает насос, и раствор по сети распределительных труб поступает в стеллажи, чтобы, смочив гравий, возвратиться обратно. Принцип действия реле времени тот же, что и у контактных часов. Такие же реле времени включают и выключают форсунки, распыляющие питательный раствор в воздушной культуре — аэропонике.
Корни растущих в гравии растений постепенно изменяют питательный раствор: снижается его концентрация, изменяется кислотность. Поэтому состав раствора нужно время от времени исправлять — корректировать. Для этого в смесительный резервуар погружены электроды двух приборов. Один из них по электропроводности раствора измеряет его концентрацию и дает сигнал дозирующим устройствам, которые прибавляют нужное количество исходной смеси солей. Другой измеряет кислотность раствора и по мере надобности добавляет кислоту или щелочь.
Смесительная установка для приготовления питательных растворов.
Кроме того, на дне резервуара устроен трубчатый змеевик — по нему пропускают горячий пар. Когда раствор нагреется до нужной температуры, термореле замкнет сигнальную цепь и выключит подачу пара. Таким образом, температура питательного раствора все время поддерживается постоянной
Автоматы регулируют и «климат» теплицы. При перегреве воздуха солнечными лучами термореле включает гидропривод, открывающий форточки, или открывает установленные на коньке теплицы краны, поливающие ее крышу холодной водой. Если воздух в теплице становится слишком сухим, «сами собой» включаются пульверизаторы, увлажняющие его тонко распыленной водой. Их включают и выключают приборы для измерения влажности воздуха — гигрометры.
Впрочем, большинство этих автоматических приспособлений уже применяется во многих гидропонических хозяйствах — на Киевской овощной фабрике, Московском нефтеперерабатывающем заводе, в совхозах «Тепличный», «Белая дача» и других.
Наиболее легко автоматизировать производство зеленого корма для животных. На искусственных средах выращивают не только овощи, но и корм для скота. Летом в лугах достаточно сочной свежей травы. Но зимой, когда сельскохозяйственные животные питаются только сеном и силосом, им не хватает витаминов. А гидропоника может обеспечить сельскохозяйственных животных витаминными кормами круглый год.
Производство зеленого корма очень просто. В плоские металлические противни, напоминающие кюветы для проявления фотоснимков, наливают тонкий слой питательного раствора и засыпают семена овса, гороха или кукурузы. Кюветы устанавливают в несколько ярусов в теплом помещении и освещают лампами дневного света. Питательный раствор в них раз в 1—2 дня заменяют свежим. Через 8—12 дней образуется сплошная зеленая щетка молодых, очень богатых витаминами проростков. Корни так тесно переплетаются между собой, что их нельзя разделить, и проростки вынимают из кюветы сплошным «ковриком». Такие «коврики» после промывания их водой целиком, вместе с корнями, скармливают животным. Из 1 килограмма зерна получается 4—5 килограммов питательной зеленой массы.
Для круглогодового выращивания витаминного корма («зеленого конвейера») применяют специальные авто-
матические установки. Одна из них так и называется — «Зимний луг». Она занимает немного места и по форме напоминает шкаф, в котором автоматы поддерживают определенную влажность и температуру воздуха. В этот шкаф загружают кюветы с зерном. Они передвигаются по медленно движущейся конвейерной ленте и выдают уже готовые «коврики» проростков.
Советские инженеры сконструировали другую, полностью автоматизированную установку для выращивания зеленого корма — «карусель». Кюветы для зерна устанавливают на медленно вращающийся круг, который совершает полный оборот за 10 дней. В центре круга установлены датчики и реле — автоматы, сменяющие раствор и поддерживающие в разных частях круга (зонах) различные условия. В зону посева ежедневно загружают кюветы с зерном, замоченным в воде. Затем кюветы перемещаются в зону проращивания. Здесь нет ламп и семена находятся в ежедневно сменяемой воде. Зону проращивания кюветы проходят за 4 дня. За это время семена прорастают, и кюветы переходят в зону выращивания. Здесь уже горят люминесцентные лампы, и автоматы заменяют воду в кюветах питательным раствором. Через 6—7 суток кюветы проходят эту зону и перемещаются в зону уборки: в них уже образовались «коврики» зеленого корма.
Такая установка работает непрерывно. Рабочий ежедневно убирает кюветы с готовыми проростками и ставит на их место кюветы со свежим зерном. Благодаря разделению на зоны здесь экономно расходуется и питательный раствор, и свет. Обслуживает установку один человек.
ТРИ КИТА ОРГАНИЧЕСКОГО И МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ
большая часть сухой массы растений состоит из органических веществ.
Однако жизнь растений была бы невозможна без участия скромных неорганических соединений, хотя они и составляют лишь десятую часть сухого веса организма.
Если углерод, водород и кислород — основа всех органических веществ растений, то азот, фосфор и калий (N, Р, К) —это основа их минерального или корневого питания. Вместо громоздкого выражения «основные элементы минерального питания растений» агрохимики и агрономы говорят коротко — «NPK».
Азот (N2) — непременная часть молекулы любых белков, основа всего живого. Все белки состоят из цепочек аминокислот, а аминокислоты — это не что иное, как органические кислоты, содержащие аминогруппы (NH2).
Аминогруппа (NH2) образуется из аммиака (NH3). Источником его для растений служат так называемые аммонийные соли. Другой источник азота для растений— соли азотной кислоты (HNO3), нитраты.
Как видите, азотные питательные соли неодинаковы. При приготовлении питательных смесей нужно помнить, что большйе концентрации аммонийных солей могут отравить растение, особенно при недостаточном освещении. Лучше всего, если в питательном растворе будут находиться обе формы азота — аммонийная и нитратная.
Фосфор (Р) поглощается клетками корня в виде солей ортофосфорной кислоты (Н3Р04). Остатки фосфорной кислоты, не изменяясь, включаются в молекулы
Вы уже знаете, что многих органических соединений: растительных жиров— липидов, из которых вместе с белками строится основная часть протоплазмы; нуклеопротеидов, из которых состоит «диспетчерский центр» клетки — ядро; нуклеиновых кислот, в которых специальным биохимическим «кодом» зашифрованы и передаются из поколения в поколение наследственные признаки.
Кроме того (и это очень важно), фосфорная кислота способна соединяться с органическими веществами при помощи так называемых макроэргических связей, в которых запасается, как бы консервируется энергия. Если обычная химическая связь между атомами в молекуле содержит 2—3 килокалории, то макроэргическая связь содержит 10—16 килокалорий энергии.
Фосфор своего рода аккумулятор. В нем запасается химическая энергия, которая по мере надобности расходуется. Если в питательной среде не хватает фосфора, растение не может удержать и использовать образующуюся при дыхании энергию — она теряется в виде тепла в окружающий воздух. Дыхание становится непродуктивным, работает как бы на холостом ходу.
От обеспеченности растений фосфором сильно зависит образование плодов и семян.
Калий (К) — самый загадочный из элементов минерального питания. Он не входит в состав ни одного органического вещества и тем не менее оказывает большое влияние на многие физиологические процессы растения. Он концентрируется в самых деятельных частях растений: в точках роста, где идет постройка новых клеток; вокруг сосудистых пучков стебля, по которым передвигаются питательные вещества; в плодах, где закладываются зачатки будущих растений, везде, где идет энергичный обмен веществ. Но каким образом участвует этот элемент в обмене веществ, не входя ни в одно из них, до сих пор неизвестно.
Особенно большую роль калий играет в передвижении веществ в растении. При недостатке калия отток образующихся при фотосинтезе органических соединений из листьев в плоды замедляется, созревание плодов затягивается. И наоборот, усиленное калийное питание в период, когда плоды наливаются, ускоряет их созревание.
Другие элементы минерального питания тоже играют важную роль в жизнедеятельности растений. Но почвы, а тем более искусственные питательные смеси, как правило, бывают с избытком обеспечены этими элементами. Поэтому растения менее чутко реагируют на их содержание.
Кальций (Са) необходим для поддержания прочной структуры протоплазмы. При отсутствии его разрушаются протоплазматические мембраны. А поскольку на их поверхности происходят многие ферментные реакции, нарушается и весь обмен веществ в растении.
Магний (Mg) входит в состав зеленого вещества листьев — хлорофилла. Недостаток его вызывает светлую пятнистость листьев. Кроме того, свободный магний является спутником некоторых ферментов, которые ведают запасом энергии дыхания в макроэргических связях фосфорной кислоты и сахаров.
Сера (S) входит в состав некоторых белков и аминокислот. Она также участвует в образовании эфирных масел, от которых, например, зависит резкий запах чеснока и горчицы. Сера необходима всем растениям, но в значительно меньших количествах, чем предыдущие элементы. Поэтому растения и в почве, и в искусственных средах очень редко страдают от ее недостатка.
Железо (Fe) нужно растениям в еще меньших количествах. Но оно играет в их жизнедеятельности важнейшую роль, катализируя дыхание и образование хлорофилла. Поэтому недостаток железа сразу же сказывается на росте и в первую очередь — на окраске листьев (они светлеют). При щелочной реакции раствора железо переходит в нерастворимую форму. И тогда растения страдают от недостатка его.
МИНЕРАЛЬНЫЕ „ВИТАМИНЫ"
Долгое время ученые считали, что для корневого питания растений нужны только семь элементов (N, Р, К, Са, Mg, S, Fe). Так было до тех пор, пока вегетационные опыты ставили в недостаточно чистых условиях (стеклянные сосуды, водопроводная или недостаточно очищенная дистиллированная вода, обычные соли)
Но шли годы. Химики стали получать очень чистые — химически чистые — препараты. Совершенствовалась и методика опытов. Растворы стали готовить не на обычной, а на дважды перегнанной — бидистиллированной — воде. Для того чтобы избавиться от выщелачивания (вымывания) веществ из стеклянных стенок вегетационных сосудов, их стали покрывать очищенным белым парафином или даже пользоваться сосудами из чистой платины.
И вот оказалось, что растения, выращенные на полной питательной смеси в таких химически чистых условиях, получались недоразвитыми, с явными признаками голодания: они имели бледно-зеленую окраску, на листьях появлялись бурые пятна, верхушка стебля (точка роста) отмирала, и рост прекращался. Злаки или вообще не колосились, или образовывали белый пустозерный колос.
Позже ученые установили, что, кроме семи основных элементов минерального питания, растениям необходимы еще бор, марганец, цинк, медь, молибден, алюминий и другие. Эти элементы нужны растениям в очень небольших количествах — 1 часть на 10 миллионов частей воды. Поэтому их назвали микроэлементами. В отличие от них, азот, фосфор, калий, кальций, магний, серу и железо назвали макроэлементами.
Несмотря на ничтожные количества, микроэлементы играют огромную роль в жизнедеятельности растительных клеток — они обязательные участники многих ферментных реакций.
Песок, стекло и даже дистиллированная, а тем более водопроводная вода обычно содержат очень небольшие, но вполне достаточные для развития растений количества микроэлементов. Поэтому сначала эти элементы и не привлекли внимания исследователей.
ИОНЫ - ПИЩА КОРНЕЙ
Ни один из химических элементов растение не может использовать в чистом виде. Так, например, растения «купаются» в чистом газообразном азоте (N2), из которого на 3/4 состоит воздух. Но, если почва содержит мало азотнокислых или аммонийных солей, растения страдают и даже гибнут от азотного голода. Точно так же чистый (элементарный) фосфор (Р) не только не может использоваться в питании растений, hq является для них сильным ядом.
Все элементы корневого питания растения могут усваивать только в форме минеральных солей. Но в корни поступают не целые молекулы солей, а их «половинки» — ионы. Соль состоит из двух частиц: положительно заряженного катиона (металла) и отрицательно заряженного аниона (кислотного остатка). Молекулы воды также несут электрические заряды: положительный на одном своем конце (полюсе) и отрицательный — на другом. Поэтому они называются диполями, то есть двухполюсными. Диполи воды окружают молекулу соли и как бы растягивают ее электростатическими силами на две части: катион и анион.
Все металлы (калий, кальций, магний, железо) поступают в корневую систему в виде катионов; фосфор и сера — в виде анионов соответствующих кислот (фосфорной и серной). Азот поглощается растением как в форме катиона аммония, так и в форме аниона азотной кислоты.
Протоплазма всех растительных клеток, в том числе и клеток корня, тоже несет на себе электрические заряды — положительные и отрицательные. Ведь «кирпичики», из которых строится белковая молекула,— аминокислоты— имеют в своем составе кислотную группу — карбоксил (СООН) и основную аминогруппу (NH2). Первая при гидролитической диссоциации отщепляет атом водорода, приобретая отрицательный заряд, а вторая может присоединять к себе лишний водород, заряжаясь положительно.
Ионы растворенных в питательной среде солей ..притягиваются к заряженным участкам протоплазмы, адсорбируются на них. Положительно заряженные катионы адсорбируются на отрицательных, а отрицательно заряженные анионы — на положительных участках поверхности клеток корня.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
