Как рассчитать питательный раствор простыми словами

Питательный раствор и профиль питания

Питательный раствор — это водный раствор минеральных солей и микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности растений. В отличие от почвы, где питательные вещества содержатся в разных формах и доступны неравномерно, в гидропонике растение получает все элементы сразу, в растворенном виде.

Основные компоненты питательного раствора

1. Макроэлементы — нужны в больших количествах:
• Азот (N), фосфор (P), калий (K) кальций (Ca) магний (Mg) сера (S).
2. Микроэлементы — нужны в малых дозах, но без них растение не сможет развиваться:
• Железо (Fe), марганец (Mn), цинк (Zn), бор (B), медь (Cu), молибден (Mo).

Профиль питания — это соотношение и количество элементов, которые растение должно получать на определенном этапе развития. Проще говоря, это «рецепт» сбалансированного питания для каждой фазы роста.

Профиль питания обычно представлен в двух вариантах: в виде массовых концентраций (мг/л) показывает, сколько миллиграммов каждого элемента содержится в литре раствора или в виде молярных концентраций (ммоль/л или мкмоль/л). Например, профиль питания для салата на гидропонике:

В каком бы виде ни был профиль питания, вы можете пересчитать в нужные вам единицы измерения, используя коэффициент перевода.

Расчет удобрений

Для приготовления питательного раствора целесообразно использовать простые соли, так как можно отдельно контролировать каждый макроэлемент, легко менять концентрации N, K, Ca, Mg, P и S под конкретные растения или фазу роста, а также меньше риска выпадения осадка при приготовлении раствора.

В гидропонике расчет питательного раствора начинают всегда с макроэлементов. Расчет начинают с кальция, так как его источник ограничен, по сути, это кальциевая селитра Ca(NO₃)₂ или хлористый калий CaCl₂, но Cl нежелателен. Для составления смеси важно учитывать точный состав удобрения, указанный на упаковке. Как правило, состав удобрений выражают либо в массовых долях, либо в пересчете на содержание чистых элементов или их оксидов. Например, запись на упаковке кальциевой селитры «CaO-26,6%» означает, что в 100 г удобрения содержится 26,6 г оксида кальция (CaO). Для дальнейшего расчета необходимо пересчитать это значение на содержание чистого кальция (Ca). Известно, что на 1 массовую единицу CaO приходится 0,715 массовых единиц Ca, таким образом получаем:

26,6% * 0,715 = 19,0 г Ca

Теперь необходимо рассчитать количество удобрения, которое необходимо внести для получения раствора с концентрацией кальция 180 мг/л. Концентрация 180 мг/л говорит нам, что 1 литр раствора содержит 180 миллиграмм кальция, или, переводя в граммы, 0,18 грамма, таким образом получаем:

100 * 0,18 г / 19,0 = 0,947 г/л

Кроме кальция, в кальциевой селитре содержится нитратный 14,5% и аммонийный азот 1,0%. Необходимо рассчитать, сколько с объемом 0,947 г кальциевой селитры мы внесем азота в питательный раствор:

NO₃ = 0,947 * 14,5 / 100 = 0,137 г нитратного азота или 137 мг/л.

NH₄ = 0,947 * 1,0 / 100 = 0,00947 г аммонийного азота или 137 мг/л

Далее рассчитываем, сколько нужно внести магния. Магний чаще всего вносят в виде сульфата магния MgSO₄ (MgO-16,1%, SO₃-31,96% или в пересчете на чистые элементы Mg-9,71%, S-12,8%). Необходимо внести 0,024 г/л магния, таким образом получаем:

100 * 0,024 г / 9,71 = 0,247 г/л

Одновременно с сульфатом магния внесем серу:

S = 0,247 * 12,8 / 100 = 0,0316 г или 31,6 мг/л

Фосфор вносят в виде монофосфата калия KH₂PO₄ (P₂O₅-50%, K₂O-33,18% или в пересчете на чистые элементы P-21,82%, K-27,55%). Необходимо внести 47 мг/л фосфора, таким образом получаем:

100 * 0,047 г / 21,82 = 0,215 г/л

Одновременно с монофосфатом калия внесем калий:

К = 0,215 * 27,55 / 100 = 0,0592 г или 59,2 мг/л

Далее рассчитываем калий. На этом шаге уравновешиваем остатки NO₃, K и S. В качестве источника калия используют калиевую селитру KNO₃, сульфат калия K₂SO₄ и монофосфат калия KH₂PO₄.

Для начала покроем дефицит N-NO₃ путем добавления калиевой селитры (N-13,6%, K₂O-45,73% или в пересчете N-NO₃-13,6%, K-37,96). Необходимо внести N-NO₃ 87 мг/л, таким образом получаем:

100 * 0,087 г / 13,6 = 0,638 г/л

Одновременно с калиевой селитрой внесем калий:

К = 0,638 * 37,96 / 100 = 0,2422 г или 242,2 мг/л

Остаток калия, который необходимо закрыть, составляет 69,6 мг/л, кроме этого у нас остается дефицит по сере, таким образом закрываем остатки сульфатом калия (K₂O-53,0%, SO₃-44,95% или в пересчете K-44,0%, S-18,0%):

100 * 0,0696 г / 44 = 0,158 г/л

Одновременно с сульфатом калия внесем серу:

S = 0,158 * 18 / 100 = 0,02844 г или 28,44 мг/л

Аммиачный азот считают в конце, после того, как сбалансированы Ca, Mg, P, K и нитратный азот. Его всегда используют мало и очень аккуратно (обычно 5-15 % от общего азота). Он влияет не только на питание, но и на pH раствора. Дефицит NH₄ 4,53 мг/л закрываем сульфатом аммония (NH₄)₂SO₄ (N-21,0%, SO₃-59,93% или в пересчете N-NH₄-21,0%, S-24,0%):

100 * 0,00453 г / 21 = 0,022 г/л

Одновременно с сульфатом аммония внесем серу:

S = 0,022 * 24 / 100 = 0,00528 г или 5,28 мг/л

Количество микроэлементов рассчитывается таким же образом. В качестве источников микроэлементов используют следующие удобрения: хелаты железа, борная кислота, сульфат марганца, сульфат меди, сульфат цинка, молибдат аммония. Даже если микроэлемент приходит в составе сульфата (MnSO₄, ZnSO₄, CuSO₄), количество S или NO₃⁻, которое добавляется, меньше 1 % от общего профиля. Любые «побочные» ионы от микроэлементов настолько малы, что не влияют на баланс макроэлементов.

В определении расчетного ЕС питательного раствора, необходимо знать содержание ионов (в т.ч. Na⁺, HCO₃⁻ и Cl⁻). Сумма анионов и катионов должна быть одинаковой (допускается отклонение, но не более 1 ммоль/л). При расчете суммарной концентрации анионов и катионов 1 двухвалентный ион считают за 2 одновалентных. Согласно нашему расчету получаем сумму катионов 21,45 и сумму анионов 21,58:

При делении одной из этих сумм на 10, можно получить приблизительный ЕС питательного раствора, в данном случае величина ЕС составляет 2,15-2,16 мСм/см. Расчет EC на этапе проектирования дает только ориентир, окончательно проверять EC необходимо только в готовом рабочем растворе.

Качество воды

Мы рассмотрели расчет питательного раствора для идеальной ситуации — воды после обратного осмоса, когда в ней практически нет посторонних ионов. Такой вариант упрощает расчеты, потому что мы полностью формируем состав раствора только из удобрений. Однако в реальных условиях далеко не всегда есть возможность использовать воду после осмоса. В большинстве хозяйств применяют воду из скважин, водопровода или открытых источников. Такая вода уже содержит определенные количества кальция, магния, сульфатов, бикарбонатов, натрия и других ионов.

Если не учитывать этот фон, то при добавлении удобрений можно получить:

• дисбаланс по питательным элементам
• повышенное значение EC
• нежелательные осадки (например, при высоких бикарбонатах и кальции)
• проблемы с pH раствора

Поэтому перед приготовлением питательного раствора всегда проводят анализ исходной воды, чтобы знать, какие ионы в ней уже присутствуют и в каком количестве.

В первую очередь оценивают содержание Na, Cl, бикарбонатов и электропроводность. На пригодность воды также могут влиять повышенные концентрации Mg, Ca, Zn и Fe. Содержание ионов Са и Mg в используемой воде должно быть меньше требуемого количества этих ионов в рабочем растворе, иначе нарушится их соотношение и снизится поглощение калия растениями.

Наиболее подходящей для полива считается вода с EC менее 0,5 мСм/см и содержанием бикарбонатов менее 50 мг/л. Вода с EC 0,5-1 мСм/см и содержанием бикарбонатов до 100 мг/л менее пригодна, но ее также можно использовать для полива. Вода с более высокими показателями этих параметров непригодна для полива растений.

Согласно данным Nutrient solutions and water quality for soilless cultures (De Kreij, Voogt & Baas, 1999), допустимые значения содержания основных компонентов в воде для использования в гидропонике следующие:

Высокое содержание бикарбонатов (НСО₃⁻) повышает уровень рН. Для нейтрализации бикарбонатов обычно используют фосфорную кислоту (H₃PO₄) и азотную кислоту (HNO₃).

Кислоты и бикарбонаты взаимодействуют в эквивалентных количествах:

1 ммоль HCO₃⁻=61 мг/л

1 ммоль H₃PO₄=98 мг/л

1 ммоль HNO₃=63 мг/л

Для расчета необходимого количества кислоты можно также использовать следующие формулы:

Для ортофосфорной кислоты: А1 = а * 98 / 61 * 100 / К,

где А1 – количество ортофосфорной кислоты (мг/л);

а – количестве нейтрализуемых бикарбонатов (мг/л);

К – концентрация применяемой кислоты (%).

Для азотной кислоты: А2 = а * 63 / 61 * 100 / К,

где А2 – количество азотной кислоты (мг/л);

а – количество нейтрализуемых бикарбонатов (мг/л);

К – концентрация применяемой кислоты (%).

Например, вода, содержит 100 мг/л HCO₃⁻ (1,64 ммоль/л). Для обеспечения буферности раствора оставляют 0,5-1 ммоль/л HCO₃⁻, таким образом необходимо нейтрализовать 69,54 мг/л (1,14 ммоль/л) HCO₃⁻. Для нейтрализации будем использовать азотную кислоту (HNO₃ 58%):

А2= 69,54 * 63 / 61 * 100 / 58 = 124 мг/л HNO₃ 58%

или 124 мг/л / 1,35 (плотность HNO₃ 58%) = 92 мкл/л HNO₃ 58%

При добавлении кислот для нейтрализации бикарбонатов важно учитывать, что используемые кислоты содержат азот или фосфор. Эти элементы влияют на состав питательного раствора, поэтому их количество необходимо учитывать при расчете дозировок удобрений, чтобы избежать перекоса в питании растений.

Маточные растворы

После расчета профиля питания следует определить способ приготовления рабочего раствора: либо путем прямого смешивания удобрений в поливном баке, либо через приготовление концентрированных маточных растворов с их последующим введением в поливную систему.

Маточный раствор — это концентрированный раствор отдельных элементов или групп элементов, который готовится отдельно и затем дозируется в поливную систему. Коэффициент разбавления маточного раствора варьируется от 50 до 250, то есть во сколько раз концентрированный раствор нужно развести водой, чтобы получить готовый рабочий раствор. Например, коэффициент разбавления 1:100 означает, что концентрированные растворы из баков А и Б разводят в соотношении 1:100 (на 10 л воды – по 100 мл из каждого бака). После приготовления рабочего раствора обязательно измеряют его электропроводность. Если значение отличается от целевого, корректируют степень разведения (например, 0,9:100 или 1,1:100), при этом дозировки из баков А и Б должны оставаться одинаковыми.

При замешивании удобрений важно учитывать совместимость солей. Некоторые ионы при высокой концентрации реагируют между собой и образуют нерастворимые осадки. Чтобы избежать этого, в гидропонике используют несколько баков для маточных растворов.

1.       Бак A (кальциевый + хелаты железа)

В бак A помещают все удобрения, содержащие кальций и совместимые с ним нитратные соли. Нельзя добавлять в бак A сульфаты и фосфаты, иначе выпадет осадок. Хелат железа вносят только в бак А.

2.       Бак B (сульфатно-фосфатный + микроэлементы)

В бак B помещают все остальные макро- и микроудобрения, кроме кальция. Микроэлементы в хелатной и сульфатной форме добавляют в бак B.

3.       Бак C (кислотный)

В отдельный бак (или линию подачи) выносят кислоты, которые используются для нейтрализации бикарбонатов и регулировки pH рабочего раствора.

Хранение и стабильность растворов

·       Маточные растворы хранят в плотно закрытых пластиковых емкостях при комнатной температуре, без доступа света. При соблюдении этих условий срок хранения составляет до трех месяцев.

·       Не храните готовый рабочий раствор дольше 1–2 суток: с течением времени он теряет стабильность.

Практические советы при приготовлении растворов

·       Используйте точные электронные весы с погрешностью не более 0,01 г. Даже небольшие отклонения могут изменить баланс элементов.

·       Соли лучше растворяются в слегка подогретой воде (20–25 °C). Не используйте горячую воду, чтобы не повредить хелаты микроэлементов.

·       Каждый компонент сначала растворяйте в отдельной емкости, затем смешивайте в общем объеме. Это снижает риск выпадения осадка.

·       Перемешивание должно быть равномерным: используйте мешалку или небольшой насос для циркуляции.

Частые ошибки новичков

·       Смешивание несовместимых солей. Кальций нельзя соединять в одном баке с сульфатами или фосфатами — выпадет осадок.

·       Игнорирование качества исходной воды. Если в воде много бикарбонатов, натрия или хлора, готовый раствор будет дисбалансным.

·       «На глаз» или в ложках. Даже маленькие ошибки в дозировке приводят к дефициту или избытку элементов.

·       Неправильный pH. Если не контролировать кислотность раствора, некоторые элементы станут недоступны для растений.

Заключение

Приготовление питательного раствора — это фундаментальный этап успешного выращивания растений в гидропонике и других беспочвенных системах. Правильный расчет и составление профиля питания позволяет обеспечить растения всеми необходимыми макро- и микроэлементами в нужной форме и концентрации, оптимизируя рост и развитие.

Важнейшими аспектами являются: точное определение концентраций элементов, учет качества исходной воды, соблюдение совместимости удобрений и контроль pH и электропроводности раствора. Использование маточных растворов и разделение удобрений по бакам помогает избежать выпадения осадка и сохранить стабильность рабочего раствора.

Следуя рекомендациям по расчету, приготовлению и хранению растворов, можно минимизировать ошибки, добиться сбалансированного питания растений и максимально эффективно использовать воду и удобрения. Таким образом, грамотное управление питательными растворами становится ключевым инструментом для получения высококачественного и стабильного урожая.