Агрофизические, Физические и Химические Свойства Субстратов

[Kvadrattt 7,247]

Агрофизические свойства субстратов

 

Определение прочности насыпной и истинной плотности

и водопоглощения минеральных материалов

 

Для того чтобы дать полную характеристику материала, используемого в качестве корнеобитаемой среды, необходимо исследовать его агрофизические свойства и химический состав. Поскольку искусственные субстраты выполняют функции, присущие почве (почвозаменители), весьма важным показателем является механическая прочность агрегатов, которая обусловлена главным образом их структурными параметрами.

Считается, что агрегаты - это уникальная черта структуры, присущая только почве, в то время как большинство их свойств характерны и для других биокосных систем.

Актуальными являются исследования по определению способности агрегатов искусственных субстратов к склеиванию, цементации, слипанию, что значительно влияет на воздухо- и водоудерживающие характеристики. Искусственные корнеобитаемые среды непрерывно используются в течение многих лет, и поэтому они должны обладать достаточно высокой механической прочностью.

 

Остаются неясными механизмы изменчивости форм и свойств агрегатов (плотность, водопоглощение, воздухоемкость), степень и обратимость таких процессов.

В результате исследований установлено, что механическая прочность на одноосное сжатие материала наибольшая у керамзита (2,06 МПа) и наименьшая (0,53 МПа) у перлита. Для сравнения кристаллизационные структуры (породообразующие материалы, скальные породы) имеют прочность 102 МПа, 1-10 МПа -осадочные породы.

 

Почвенные агрегаты в абсолютно сухом состоянии проявляют прочность на сжатие, равную 10-102 кПа. Заметна дифференциация по прочностным свойствам агрегатов разных почв, так, дерново-подзолистых-12-31 кПа, серых лесных -12-47,черноземных-более 6ЗкПа.

 

Установлено, что прочность абсолютно сухих почвенных агрегатов обусловлена главным образом их структурными параметрами: числом индивидуальных контактов, гранулометрическим составом, пористостью, удельной поверхностью. Действие клеящих, вяжущих веществ (гипсовые, силикатные, известковые, фосфатные, вещества углеводной, белковой, липидной природы, воскоподобные, гуминовые кислоты) имеют заметное проявление на агрегатном уровне лишь в тяжелосуглинистых и глинистых почвах. Вероятно, в этих почвах химические свойства почвенных частиц определяют морфологическую форму агрегатов.

 

Известно, что агрофизические свойства субстратов влияют на усвоение элементов питания растениями при малообъемной культуре и определяют величину урожайности овощей. Прежде всего, агрофизические свойства определяют условия увлажнения и аэрации в субстратах. Наибольшая насыпная плотность в свободной засыпке характерна для аглопорита - 765 кг/м3, наименьшая для минеральной ваты - 41, у керамзита она равнялась 510 кг/м3.

 

По литературным данным, основные свойства керамзита зависят от химического состава исходного глинистого сырья и способа обжига, в связи с чем объемный вес (насыпная плотность) керамзита может колебаться от 150 до 1300 кг/м'. Установлено, что легкие сорта керамзита с насыпным объемным весом в 200-450 кг/м3, как правило, за несколько ротаций заметно разрушаются, и урожай овощей снижается. Слабо вспучивающаяся глина с малым содержанием окислов одновалентных металлов, железа и алюминия служит основным сырьем для получения химически стабильного "сельскохозяйственного" керамзита. В свободной засыпке такой керамзит имеет объемный вес 550-650 кг/м3.

 

Удельный вес или истинная плотность приблизительно одинакова для всех минеральных материалов и составляет 2,3 кг/м3 у перлита, 2,4 - у аглопорита и 2,6 кг/м3 у керамзита. Для сравнения удельный вес минеральных почв колеблется от 2,4 до 2,8, так для минерала кварца он колеблется от 2,60 до 2,65 кг/м3.

 

Бедные органическим веществом дерново-подзолистые почвы, сформировавшиеся на алюмосиликатных породах, имеют удельный вес 2,65-2,70, у торфяников эта величина составляет 1,4-1,8 кг/м3.

 

Одним из наиболее важных факторов создания условий произрастания растений является содержание и перемещение влаги в среде корнеобитания. Так, перлит характеризуется наибольшим водопоглощением (по массе) - 86%, близкие значения получены у аглопорита (10,8%) и керамзита (17,4%). Следует отметить, что установлена зависимость между водопоглощением и насыпной плотностью: чем она больше, тем меньше величина водопоглощения.

 

Степень уплотнения материалов, характеризующаяся насыпной плотностью, во многом определяет водный, воздушный и тепловой режимы субстратов. У перлита общий объем пор в свободной засылке составляет 91,8% при 75% пористой аэрации. С увеличением насыпной плотности уменьшается влагоемкость и снижается водопроницаемость материалов.У керамзита и аглопорита значение пористости было на уровне 80,4 и 68,4% при пористости аэрации 71,5 и 60,1%.

 

По литературным данным, величина водопоглощения керамзита за двое суток колеблется от 20 до 30% к сухому весу. Водопоглошение коррелирует с количеством удерживаемого субстратом питательного раствора. Вероятно, наиболее обеспечены элементами питания овощные культуры, выращивае­мые на субстрате из перлита.

Физические свойства субстратов

 

Основные физические свойства

минеральных и пластмассовых субстратов

 

Корнеобитаемые среды имеют весьма большие различия по физическим и химическим свойствам, что существенно влияет на урожай выращиваемых растений.

Все субстратные модификации гидропонного метода основываются на том, что растения высаживаются на каком-либо твердом носителе с размером частиц от 3 мм и выше.

Этот субстрат размещается в изолированных от основного грунта бетонных коробах, поддонах, ведрах и периодически несколько раз в сутки смачивается питательным распором, поступающим из запасного резервуара. Постоянно находясь в контакте со смоченной питательным раствором поверхностью гранул субстрата, растение получает необходимое количество минеральных веществ и воды. Условия их поступления связаны с гранулометрическим составом используемого субстрата, смачиваемости его поверхности водой, пористостью гранул, способом подачи раствора и техникой ее осуществления.

К настоящему времени испытано около двух десятков субстратов - носителей питательного раствора, часть которых используется в практике: это природные и искусственные материалы, совершенно инертные и такие, поверхность которых обладает физической и химической активностью. Они отличаются различным комплексом физических свойств, имеющих большое значение для корневого питания растений.

 

 

Удельный вес минеральных субстратов, равный 2,1-2,8 т/м3, в 2,0-2,5 раза превышает удельный вес пластмасс, что достигается степенью вспученности сырья при обжиге. Пористые минеральные среды получают либо из глины (керамзит, аглопорит), либо из твердой горной породы (перлит, вермикулит) путем обжига в специальных печах при температуре1100-1300°С.

 

Питательный раствор в капиллярах пористых материалов задерживается лучше, чем в непористых, и равномернее используется растениями.

 

Водоудерживающая способность субстрата зависит от количества, размера и формы капилляров. В пористых субстратах помимо открытых межагрегатных и внутриагрегатных пор содержатся и закрытые изолированные внутри гранул поры, которые не сообщаются с внешним раствором. Особенно много закрытых пор у перлита; керамзит содержит их значительно меньше, но уступает вермикулиту и пористой пластмассе по объему сквозных открытых капилляров. Общий объем открытых и закрытых пор дает суммарную пористость, величина которой тесно связана с объемным весом корнеобитаемой среды.

 

Пористые субстраты обладают значительной механической поглотительной способностью и инерционностью при введении и удалении питательного раствора. При выращивании растений в капиллярах могут накапливаться вводимые с раствором соли, а также продукты разрушения, образующиеся при взаимодействии раствора с субстратом. Поэтому корнеобитаемая среда должна обладать высокой химической устойчивостью и противостоять воздействию агрессивного питательного раствора.

 

Ценным свойством пористых субстратов является их буферность, сглаживающая резкие колебания концентрации и состава питательного раствора, которые наблюдаются в непористых субстратах.

 

Пористые материалы значительно легче непористых. Это преимущество пористых сред проявляется не только в более удобном обращении с ними, но также в возможности получения хорошей рассады, корни которой легко извлекаются из таких субстратов неповрежденными.

 

В этой технологии возможен неизбежный в субстратном методе процесс почвообразования и деструкции субстрата, который связан с засолением поверхностного слоя, с появлением подвижного алюминия, токсичного для корневой системы, и т.п., все это приводит к периодической замены субстратов, связанной с большими затратами труда и материалов.

 

Химические свойства субстратов

 

Химический состав субстратов

 

В агрессивной среде питательного раствора под действием продуктов жизнедеятельности растений и микрофлоры минеральные субстраты (керамзит, аглопорит, перлит) подвержены глубоким физическим и физико-химическим изменениям.

 

 

Анализируя полученные данные, следует отметить, что наибольшее содержание SiO2 было в аглопорите 78,45% и перлите - 75,26%, наименьшее его количество

в минеральной вате - 46,04%.

 

Больше всего алюминия (16,87%) содержалось в керамзите, наименьшее его количество (7,80%) определено в аглопорите. Известно, что алюминий при рН менее 5 становится подвижным и при высокой концентрации может токсически действовать на корни растения, вызывая их быстрое старение, что в конечном итоге приводит к снижению урожая.

 

Молекулярные отношения SiO2/Al2O3 в исследуемом керамзите составляют 3,40, в перлите - 6,12, аглопорите -10,06, минеральной ваге - 3,724.

 

Аморфная SiO2 на поверхности частиц в присутствии органических комплексообразователей, по-видимому, становится подвижной, но при взаимодействии с ионами алюминия возможно выпадение ее в осадок. Некоторыми исследователями установлено увеличение содержания SiО2 в корнях и в надземной части растений при выращивании их на одном и том же почвозаменителе. Обогащение искусственных корнеобитаемых сред SiO2 при длительном выращивании растений имеет некоторое сходство с подзолообразовательным процессом. Поэтому в процессе регенерации субстратов необходимо использовать 0,2%-й раствор КОН, который активно удаляет из почвозаменителя аморфную SiO2.

 

Воздействие корневых систем растений на субстраты слагается из двух основных составляющих - механической и химико-биологической, причем вторая составляющая является ведущей. Корневые выделения растений и продукты жизнедеятельности микроорганизмов содержат минеральные и органические кислоты, а также витамины, углеводы и другие соединения, которые обладают хелатирующими свойствами.

Эти вещества активно извлекают из пород и минералов Al, Fe, Mn и другие элементы, образуя с ними хелаты, которые благодаря подвижности доступны растениям.

 

Установлено, что в процессе длительного использования керамзита в нем накапливается фосфат кальция. Выпадение фосфатов кальция в виде нерастворимой пленки связано с изменением рН в сторону подщелачивания, что, вероятно, зависит от выхода ионов калия из оболочки субстрата, а также образования пленки фосфатов железа и алюминия.

Пленка фосфатов защищает алюмосиликатную часть субстрата от разрушения. После образования фосфатной пленки рН в керамзите под действием питательного раствора не изменяется. Химическая стабильность и благоприятные водно-воздушные свойства позволяют широко использовать "сельскохозяйственный" керамзит в качестве корнеобитаемой среды.

 

Результаты эксперимента (см. табл. 1) свидетельствуют, что больше всего Fe2O, содержалось в керамзите (10,54%) и минеральной вате (9,54%), в то время как в перлите его находилось только 2,31%. Максимальное содержание Р2О5 (0,31%) отмечено в составе минеральной ваты, в перлите она не обнаружена вовсе. Отдельные авторы указывают, что в дробленом керамзите образовывается вивианит, что создает для растений резерв Fe2+ и РО4 3- и положительно сказывается на урожайности. На дробленом керамзите по сравнению с недробленым растения томатов имеют темно-зеленую окраску листьев и дают более высокий урожай.

 

Однако в дальнейшем в мелкоземе может накапливаться Са2+ и SO4 2- (CaSO4), которые при определенном содержании могут ухудшить минеральное питание растений, поэтому мелкозем целесообразно отсеивать.

 

По нашим данным, наибольшее содержание СаО было в минераловатном субстрате (17,34%), наименьшее в перлите (1,14%) и аглопорите (1,64%). Анало­гичная закономерность прослеживалась по количеству MgO в корнеобитаемых средах: 8,82% в минеральной вате, 0,60 и 0,78% в перлите и аглопорите соответственно.

 

Больше всего К2О получено в керамзите - 4,89 и перлите - 4,88, меньше всего в минеральной вате - 1,03%. Содержание Na2O было примерно одинаково в перлите (2,24%) и минеральной вате (2,15%). В аглопорите отмечено 0,89% Na2O, в керамзите меньше всего - 0,68% .

 

Е.И. Ермаков и другие исследователи установили, что в итоге через 7 лет непрерывного культивирования растений первоначально абиогенная порода - гранит - превращается в биокосное стекло, сходное с почвой. В породе сформировалось сложное по составу сообщество живых организмов (биоценоз), включающих микроорганизмы, бактерии, водоросли, а также простейшие нематоды. Комплекс живых организмов посредством метаболитов и продуктов их деструкции воздействуют на минералы корнеобитаемой среды с целью извлечения недостающих биоте минеральных элементов. Из этого следует, что процесс разрушения искусственных минеральных субстратов при длительном выращивании на них растений в регулируемых условиях сходен с почвообразованием, так как включает два наиболее важных процесса, формирующих природные, в том числе антропогенно-преобразованные почвы - гумусонакопление и изменение (внутрипочвенное выветривание) минералов.

 

 

В научно-производственном центре тепличного овощеводства БГАТУ проводятся производственные опыты по непрерывному использованию минеральных субстратов отечественного производства. Пятый год томаты возделываются на корнеобитаемых средах из керамзита, аглопорита и перлита.

 

Используемая литература:

"Малообъемная технология возделывания томатов на минеральных субстратах" Л.С.Герасимович и другие. Минск. 2004

 

 

 

Если статья была тебе полезной, знай,

Like лучшая благодарность.

 

:hello: Спасибо за внимание :hello:

Изменено 2 декабря, 2013 пользователем kvadrattt

[Natura 702]

Вот за дроблёный керамзит интересно,брат,надо попробовать.

 

Изменено 2 декабря, 2013 пользователем Natura