Gestione della soluzione nutritiva e dei suoi parametri di controllo nei sistemi fuorisuolo

Università degli studi di Padova

Dipartimento di agronomia animali alimenti risorse naturali e ambiente

Corso di laurea triennale in Scienze e Tecnologie Agrarie

Gestione della soluzione nutritiva e dei suoi parametri di controllo nei sistemi fuorisuolo

Relatore: Dott. Paolo Sambo
Laureando: Claudio Marcello Puglielli
Matricola n. 1139822
Anno accademico 2018 – 2019

Indice

• Introduzione pag. 7
• Gestione dell’acqua pag. 8
• Origine dell’acqua pag. 8
• Sistemi di monitoraggio dell’acqua pag. 10
• Sistemi chiusi e aperti pag. 10
• Portata dell’acqua pag. 12
• Preparazione della soluzione nutritiva pag. 15
• Composizione e concentrazione pag. 15
• Soluzione di Hoagland pag. 16
• Operazioni preliminari pag. 17
• Analisi dell’acqua e del substrato di crescita pag. 17
• Neutralizzazione dei bicarbonati pag. 17
• Preparazione pag. 18
• Proprietà degli elementi nutritivi pag. 21
• Sinergie e antagonismi pag. 21
• Effetti di carenze ed eccessi degli elementi nutritivi pag. 22
• Macroelementi pag. 22
• Microelementi pag. 26
• pH pag. 31
• Effetti del pH sulla solubilità pag. 31
• Strumenti di misura pag. 32
• Effetti della temperatura sul pH pag. 33
• Salinità e conducibilità elettrica (EC) pag. 35
• Influenza della salinità sulla crescita delle piante pag. 35
• Relazione tra EC e pH pag. 36
• Controllo della temperatura e dell’ossigenazione pag. 37
• Temperatura pag. 37
• Ossigenazione pag. 37
• Conclusioni pag. 39
• Grafici e tabelle pag. 40
• Bibliografia pag. 42

Riassunto

Nei sistemi fuorisuolo la soluzione nutritiva è il mezzo che permette lo sviluppo delle piante, fornendo acqua ed elementi nutritivi. Si ottiene unendo acqua, possibilmente esente da contaminazioni, e concimi, che liberano ioni (cationi e anioni) la cui disponibilità per la pianta dipende dalla forma in cui si trovano, a sua volta condizionata dalle interazioni tra gli ioni e dai parametri di controllo della soluzione (pH, temperatura, EC). Gli elementi nutritivi presenti in soluzione si dividono in macroelements, richiesti dalla pianta in quantità elevate, e microelements, richiesti in quantità minore. Per una corretta gestione della soluzione risulta essenziale conoscere le proprietà di ogni elemento, gli effetti provocati da carenze o eccessi di tali elementi e le interazioni che intercorrono tra di loro, che possono essere di sinergia, che favoriscono l’assorbimento, o di antagonismo, nel caso in cui un elemento limiti l’assorbimento di un altro, causando, in certi casi, gravi carenze.

Le prime formulazioni di soluzione nutritiva risalgono al 1800, e prevedevano solo 7 elementi considerati indispensabili, e solo successivamente sono state create altre formulazioni contenenti tutti gli elementi che oggi si considerano essenziali per la pianta. Dopo la formulazione, la soluzione deve essere monitorata con degli appositi strumenti, aventi il compito di misurare i parametri di controllo, quali pH, EC e temperatura. Tali controlli sono indispensabili al fine di garantire alla pianta una giusta disponibilità di elementi nutritivi, in quanto, soprattutto il pH, condiziona la disponibilità di macro e micro nutrienti.

Abstract

In hydroponic systems the nutrient solution is the means that allows the development of plants, providing water and nutrients. It's obtained by combining water, possibly free of contaminations and fertilizers, which release ions (cations and anions) whose availability for the plant depends on the form in which they are, in turn conditioned by the interactions between ions and by solution control parameters (pH, temperature, EC). Nutrient elements present in solution are divided into macroelements, required by the plant in high quantities, and microelements, requested in smaller quantities. For a correct management of the solution it's essential to know the properties of each element, the effects caused by deficiencies or excesses of these elements and the interactions that exist between them, which can be of synergy, which favor absorption, or antagonism, in which one element limits the absorption of another, causing, in some cases, serious deficiencies.

The first formulations of nutrient solution date back to 1800, and they included 7 elements considered indispensable, and only later other formulations have been created, containing all the elements that today are considered essential for the plant. After formulation, the solution must be monitored with appropriate instruments, having the task of measuring the control parameters, such as pH, EC and temperature. These checks are indispensable in order to guarantee the correct availability of nutritional elements, in how much, especially the pH, condition the availability of macro and micro nutrients.

1. Introduzione

La soluzione nutritiva per i sistemi idroponici è una soluzione acquosa contenente principalmente ioni inorganici di elementi essenziali, derivanti da sali solubili, ed eventualmente anche composti organici, come i chelati di ferro. Gli elementi essenziali hanno un ruolo fisiologico molto importante per la pianta e la loro assenza impedirebbe il completo ciclo biologico della pianta. Attualmente sono 17 gli elementi considerati essenziali per la maggior parte delle piante e sono: microelementi (cloro, boro, manganese, zinco, rame, molibdeno, nichel) e macroelementi (azoto, ossigeno, carbonio, idrogeno, potassio, calcio, magnesio, fosforo, zolfo).

La classificazione di questi elementi si riferisce al fatto che alcuni di questi devono essere assunti dalla pianta in piccole quantità (microelementi) e altri devono essere assunti in quantità elevate (macroelementi). A eccezione del carbonio e dell’ossigeno, che vengono assorbiti dall’atmosfera, gli elementi essenziali vengono ottenuti dal substrato di crescita. Altri elementi come il sodio, silicio, vanadio, selenio, cobalto, alluminio e sodio, sono considerati positivi in quanto possono stimolare la crescita, o, in certi casi, possono contrastare gli effetti tossici di altri elementi. Tutti questi elementi devono essere presenti nella soluzione nutritiva in maniera equilibrata, rispettando le dosi ideali di cui necessitano le varie specie vegetali, al fine di evitare fenomeni di tossicità e l’arresto o l’incompleta crescita e sviluppo della pianta.

I primi studi sulla formulazione della soluzione nutritiva risalgono al 1840, ad opera del chimico tedesco Justus Freiherr von Liebig, che classificò tre elementi, rispettivamente azoto, fosforo e potassio, come “essenziali”. Successivamente, nella seconda metà del 1800, il botanico tedesco Ferdinand von Sachs pubblicò la sua formula per la soluzione nutritiva, contenente nitrato di potassio, fosfato di calcio, solfato di magnesio, solfato di calcio, cloruro di sodio e solfato ferroso.

Tali ricerche furono in seguito utilizzate da molti altri scienziati, tra cui Johann August Knop, chimico tedesco considerato il vero padre dell’idroponica grazie alle sue numerose ricerche. Con i suoi esperimenti, Knop scoprì che gli elementi nutritivi nel suolo devono essere in forma solubile per essere assorbite dalle piante, e che nel suolo prevalevano le forme insolubili di questi elementi. Inoltre capì che eccessivi quantitativi di questi elementi recano danno alle piante. Qualche anno dopo, grazie all’enorme mole di informazioni che era riuscito ad ottenere, formulò una diversa soluzione nutritiva, contenente definite proporzioni di nitrato di calcio, nitrato di potassio, solfato di magnesio, fosfato di potassio monobasico e cloruro di potassio. Ancora oggi tale formula è considerata la composizione base di una soluzione nutritiva.

2. Gestione dell’acqua

2.1 Origine dell’acqua

La qualità dell’acqua può variare notevolmente in base alla zona geografica in cui si trova. Per questo motivo è sempre consigliabile eseguire preventivamente delle analisi chimiche, eseguite in laboratorio, per accertare l’idoneità dell’acqua presa in esame a costituire la soluzione nutritiva. La maggior variabilità dell’acqua è data dalla sua origine, che permette di dividerla in 5 categorie, avente ognuna caratteristiche diverse.

• Acqua piovana: in genere è la migliore per sistemi idroponici. Questo sistema si basa sulla raccolta dell’acqua che cade sulla copertura esterna della serra. L’acqua raccolta viene poi convogliata, attraverso dei tubi, in vasche di raccolta. In certi casi, in base all’intensità delle precipitazioni e alla capacità delle vasche di raccolta, con questo sistema è possibile coprire l’intero fabbisogno idrico di alcune colture. Nei Paesi Bassi, in cui le precipitazioni sono distribuite uniformemente tutto l’anno, può essere usato anche il 90% dell’acqua piovana. In Giordania la pioggia cade per 5 mesi all’anno, quindi nella stagione delle piogge, dovrà essere immagazzinata una notevole quantità d’acqua. In questo caso non vengono usate le normali vasche di raccolta (che di solito hanno una capacità massima di 2000 m³), ma si usano veri e propri bacini di raccolta. Con dei tubi sul fondo del bacino, l’acqua è in grado di arrivare alle serre.
• Acqua superficiale: l’acqua prelevata da fiumi, canali e laghi può avere composizione chimica molto variabile. Inoltre la composizione dell’acqua può variare negli anni. Ad esempio, nella Valle del Giordano, l’acqua dei canali diventa più salina man mano che si procede verso sud, ed è in grado di variare notevolmente negli anni, rendendo obbligatorie analisi frequenti. Se l’acqua è ottenuta da canali che attraversano aree orticole o urbane, c’è il rischio di introdurre patogeni umani e vegetali all’interno delle serre, o addirittura è possibile introdurre acqua contaminata da pesticidi.
• Acqua sottosuperficiale: la qualità di questo tipo di acqua dipende fortemente dall’area in cui si trova. In molti casi, c’è il rischio che contenga livelli eccessivi di sale, e che contenga batteri potenzialmente dannosi per le piante. La soluzione migliore sarebbe quella di utilizzare acqua proveniente da falde profonde, che generalmente sono prive di patogeni.
• Acqua corrente: quest’acqua normalmente contiene troppi sali per essere usata per la soluzione nutritiva. Altro aspetto negativo è la presenza di cloro. Oltretutto è troppo costosa e ha portate troppo basse.
• Acqua reflua sottoposta a trattamento: non è molto utilizzata in orticoltura. In Almeria viene spesso utilizzata, nonostante l’eccessiva salinità che la rende inadatta a sistemi idroponici, specialmente quelli con sistemi di ricircolo dell’acqua.

2.2 Sistemi di monitoraggio dell’acqua

Nei sistemi idroponici di solito sono presenti 3 contenitori di acqua, contenenti acqua fresca pulita, acqua arricchita di elementi nutritivi e a pH controllato e acqua di scarto. L’acqua arricchita con elementi è quella che determinerà la corretta crescita delle piante. Alla vasca in cui è contenuta quest’ultima, sono collegate, attraverso una serie di tubi, pompe e valvole, le vasche contenenti gli elementi nutritivi e una vasca contenente Co₂, che permettono di ottenere una soluzione equilibrata e di modificare il pH. Sono inoltre presenti un condotto da cui arriva l’acqua deionizzata e un condotto che asporta l’acqua di scarto, in modo da mantenere costante il livello e la composizione dell’acqua arricchita con elementi.

Nella vasca principale sono installati dei sensori di rilevamento del pH e della conducibilità elettrica della soluzione. In base alle informazioni ottenute dai sensori, viene controllata l’attività delle pompe e delle valvole: se la concentrazione della soluzione nutritiva è troppo elevata, viene messa in funzione una pompa che scaricherà acqua deionizzata al fine di diluirla. Se invece la concentrazione è troppo bassa, vengono messe in funzione delle pompe che riversano elementi nutritivi nella vasca principale. Analogamente, se il pH è troppo elevato, vengono attivate delle pompe che andranno a riversare anidride carbonica, che andrà a reagire con la soluzione nutritiva, andando a formare acido carbonico che abbasserà il pH.

2.3 Sistemi chiusi e aperti

Nei sistemi idroponici sono presenti svariate tecniche di gestione dell’acqua, ognuna delle quali viene usata in base al tipo di piante presenti, così come qualsiasi limitazione del coltivatore e/o allo spazio di crescita disponibile (Jensen 1997). Generalmente queste tecniche possono essere divise in due gruppi: sistema chiuso e sistema aperto (fig.1 e fig. 2). La principale differenza nelle due tecniche è quella riguardante la gestione degli elementi nutritivi.

I sistemi aperti sono quelli in cui la soluzione nutritiva scorre nel sistema un’unica volta (Jensen, 1997). Questo metodo di gestione permette due principali vantaggi: elimina la necessità di manutenzione della soluzione nutritiva (non c’è il bisogno di reintegrare gli elementi nutritivi assorbiti dalle piante) e previene la diffusione di patogeni. Presenta un unico e grande svantaggio, ovvero richiede grandi volumi di acqua e di elementi nutritivi.

I sistemi chiusi permettono il riutilizzo della soluzione nutritiva grazie ad un suo ricircolo. In questi sistemi, la soluzione viene costantemente monitorata e modificata, in modo da ripristinare la giusta quantità adeguata di elementi. Gli aggiustamenti della soluzione sono fatti per mantenere il volume della soluzione nutritiva (aggiungendo acqua), e la sua concentrazione ottimale di elementi (attraverso l’aggiunta di elementi provenienti da appositi contenitori). Diversamente dai sistemi aperti, quelli chiusi conservano l’acqua e gli elementi nutritivi non assorbiti dalle piante, riducendo così il volume dell’acqua di scarto. In questo modo, è possibile usare dal 20% al 40% di acqua in meno rispetto ai sistemi aperti, ma risulta molto più complicato, in quanto comporta un maggior monitoraggio dell’acqua. Inoltre, questo sistema richiede serbatoi e sistemi di pompaggio che devono essere rigorosamente monitorati e sottoposti a frequenti manutenzioni, per consentire prestazioni ottimali. È importante specificare che anche nei sistemi a ciclo chiuso la soluzione nutritiva viene scartata, ma non prima di essere riutilizzata almeno una volta. Estendere la durata di utilizzazione della soluzione nutritiva, è vantaggioso sia dal punto di vista economico che ambientale. Nei sistemi completamente chiusi, la soluzione nutritiva non è mai scartata, ma completamente monitorata e modificata.

Nel 2005 è stato condotto un esperimento, ad opera di Faculty of Agric., Ain Shams Univ., Shobra El-Khima, Cairo, Egypt e Central Laboratory for Agriculture Climate (CLAC) El Dokki, per mettere a confronto i due metodi, valutando la resa ottenuta e l’assorbimento di acqua ed elementi nutritivi da parte di Lactuca Sativa. L’esperimento è stato condotto trapiantando 20 piante per m², ed è durato 40 giorni. La soluzione nutritiva aveva la seguente composizione: 0,575 mg/l di Ca(NO₃)₂, 0,331 mg/l di KNO₃, 0,219 mg/l di Mg(NO₃)₂*7H₂O, 0,0828 mg/l di KH₂PO₄, 0,1466 g/l di K₂SO₄. A questa soluzione sono poi stati aggiunti microelementi. Nel sistema aperto, le piante, poste in diversi substrati, venivano nutrite con soluzione circolante proveniente da un unico serbatoio, ma l’acqua di scarto veniva accumulata in diversi serbatoi (uno per ogni gruppo di piante aventi lo stesso substrato). Nel sistema chiuso, ogni substrato aveva i suoi serbatoi, e la soluzione nutritiva veniva continuamente aggiunta, dopo aver misurato pH ed EC della soluzione appena utilizzata, per mantenere costante il volume iniziale. Il consumo di acqua è stato calcolato sottraendo l’acqua di scarto dal volume totale di acqua utilizzata, mentre l’assorbimento degli elementi nutritivi è stato determinato con analisi di laboratorio. Dai risultati ottenuti è possibile affermare che, in termini di resa, non vi è alcuna differenza significativa tra i due sistemi. Per quanto riguarda il consumo dell’acqua, si è visto che nel sistema aperto la lattuga ha consumato il 17% di acqua in più rispetto alla lattuga coltivata con sistema chiuso, potendo affermare che il tasso di evapotraspirazione della coltura è maggiore nei sistemi aperti. L’assorbimento degli elementi nutritivi, invece, è molto simile per entrambi i sistemi (cambia solo in base ai tipi di substrati utilizzati).

2.4 Portata dell’acqua

Nel 2004, sono stati condotti due esperimenti (Jordan University of Science and Technology campus) al fine di valutare gli effetti della portata dell’acqua sullo sviluppo delle piante, utilizzando un sistema NFT (Nutrient Film Technique). Questi due esperimenti, della durata di 40 giorni ciascuno, sono stati effettuati in due mesi differenti, utilizzando piantine di Lactuca sativa L., trapiantate allo stadio di quarta foglia. La soluzione nutritiva utilizzata, opportunamente monitorata e regolata manualmente, presentava un EC di 2,2 ds/m e pH compreso tra 6.5 e 7.5. Per ciascun esperimento, sono state effettuate tre prove, ciascuna ripetuta tre volte.