خصوصیات یک محیط کشت بدون خاک باکیفیت
به لطف توسعه «کشاورزی بدون خاک»، باغبانی در مناطق مختلف گسترش یافته است و کشاورزان را قادر می‌سازد تا بازدهی بالایی داشته باشند و محصولات باکیفیت بالا را حتی در شرایط نامناسب رشد، تولید کنند.
فهرست محتوا این مقاله
مقدمه
سیستم‌های کشت بدون خاک بر اساس نوع بستر، نحوه تحویل محلول غذایی به گیاهان (آبیاری قطره‌ای، جریان یا محلول غذایی راکد) و اینکه پس از تخلیه محلول چه اتفاقی می‌افتد مانند محیط کشت باز (زهکش آزاد) یا بسته (آب در حال گردش)، طبقه‌بندی می‌شوند. محیط‌های بدون خاک می‌توانند غیر آلی (ماسه، شن، سنگریزه، پرلیت، پشم سنگ، ورمیکولیت و…)، ارگانیک (به‌عنوان‌مثال پوسته برنج، زغال‌سنگ نارس، خاک‌اره، کاه، کوکوپیت و…) یا مصنوعی (مانند فوم، اسفنج، فیبر پلاستیکی جاذب رطوبت و…) باشند. به لطف طیف وسیعی از محیط کشت‌های بدون خاک، باغبانی در سراسر جهان توسعه یافته است و کشاورزان را قادر می‌سازد تا مواد غذایی و گیاهان زینتی با عملکرد بالا تولید کنند و کالاهای باکیفیت بالا را بفروشند (گرودا، ۲۰۰۹).
کیفیت یک محیط کشت بدون خاک شامل شاخص‌های زیادی است و ارزیابی آن از منطقه‌ای به منطقه دیگر، بسته به نظرات کشاورزان و همچنین اهداف مدیریتی مانند بهره‌وری، کیفیت، بازیافت و یا پایداری آن‌ها متفاوت است. در مورد آنچه یک محیط کشت بدون خاک را به یک محیط رشد خوب تبدیل می‌کند، هنگام ارزیابی عملکرد سیستم باید ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی آن در نظر گرفته شود.
الزامات اساسی برای یک محیط کشت خوب
محیط‌های کشت بدون خاک برای اهداف باغبانی در سراسر جهان استفاده می‌شوند. انتخاب شاخص‌ها برای یک محیط کشت بدون خاک نسبت به خاک پیچیدگی کمتری دارد، زیرا خاک با توجه به ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن کاربردهای متعددی دارد (مانند کشاورزی، جنگل‌داری، مهندسی، تفریحی، ساخت‌وساز و غیره). به‌عنوان‌مثال، کیفیت خاکی که برای اهداف ساخت‌وساز در نظر گرفته شده است با خاکی که برای کشاورزی مناسب است بسیار متفاوت خواهد بود اما شاخص‌هایی که یک محیط کشت بدون خاک خوب را تعریف می‌کند همیشه برای اهداف کشاورزی خواهند بود.
انواع مختلفی از محیط کشت بدون خاک در باغبانی استفاده می‌شود و انتخاب عمدتاً به تخصص و تجربه پرورش‌دهنده، در دسترس بودن و هزینه بستگی دارد. بخشی از هفتمین برنامه چارچوب اتحادیه اروپا، پروژه EUPHOROS (استفاده کارآمد از نهاده‌ها در باغبانی حفاظت‌شده) (Pardossi et al. 2011) اشاره می‌کند که محیط کشت بدون خاک ایده آل باید دارای برخی خواص فیزیکی و شیمیایی به شرح زیر باشد:
۱. بافتی یکنواخت که به‌خوبی زهکشی شود اما مواد مغذی و آب را برای سیستم ریشه حفظ کند.
۲. چگالی ظاهری کم برای تسهیل نصب و حمل‌ونقل (بین ۱۹۰ تا ۷۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب).
۳. تخلخل بالا (بین ۵۰ تا ۸۵ درصد).
۴. توزیع مناسب اندازه ذرات برای حفظ تعادل خوب بین احتباس هوا و آب (بین ۰.۲۵-۰.۵ میلی‌متر).
۵. PH بین ۵.۰ تا ۶.۵ که همچنین بتواند به‌راحتی تنظیم شود.
۶. مقدار کم نمک‌های محلول.
۷. اینرسی شیمیایی به این معنی که بستر با آزاد کردن یون‌های معدنی یا بی‌حرکت کردن مواد مغذی بر محلول غذایی تأثیر نمی‌گذارد.
۸. قابلیت حفظ ویژگی‌های اصلی به‌طوری‌که بتوان از آن برای بسیاری از چرخه‌های کشت متوالی استفاده کرد.
۹. عدم وجود عوامل بیماری‌زا و آفات (اما نه لزوماً استریل) و عاری از هرگونه ترکیبات سمی برای گیاهان.
۱۰. قابلیت تولید در دسته‌های یکنواخت (برای امکان استفاده از برنامه‌های کود دهی ثابت).
علاوه بر این ، یکی دیگر از ویژگی‌های یک محیط کشت بدون خاک باکیفیت (همان‌طور که Stan Claasen یک پرورش‌دهنده باغبانی هلندی ذکر کرده است) توانایی آن در بازیابی از اشتباهات کشاورزان مانند آبیاری بیش‌ازحد یا کود دهی بیش‌ازحد است.
مقایسه بین ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اصلی متداول‌ترین محیط‌های رشد بدون خاک (به جدول ۱ مراجعه کنید) یک نمای کلی از مزایا و معایب احتمالی استفاده از یک یا چند بستر، علاوه بر امکان جالب ترکیب آن‌ها، ارائه می‌دهد.
| محیط کشت | چگالی | احتباس آب | تخلخل | ظرفیت تبادل کاتیونی | سرعت تجزیه (C:N) |
| باگاس | کم | زیاد | کم | متوسط | بالا |
| خاک‌اره | کم | زیاد | متوسط | زیاد | بالا |
| پوسته برنج | کم | کم | زیاد | متوسط | متوسط |
| ورمیکولیت | کم | زیاد | متوسط | زیاد | پایین |
| پیت ماس | کم | زیاد | زیاد | زیاد | متوسط |
| پوست درخت | کم | متوسط | متوسط | متوسط | متوسط |
| کوکوپیت | کم | زیاد | زیاد | متوسط | پایین |
| شن | زیاد | کم | متوسط | کم | پایین |
| واحد | (g/cm۳) | % | % | (meq/100g) | نسبت |
| کم | ۰,۲۵ | ۲۰ | ۵ | ۱۰ | ۱:۲۰۰ |
| متوسط | ۰,۲۵ – ۰,۷۵ | ۲۰-۶۰ | ۵-۳۰ | ۱۰-۱۰۰ | ۱:۲۰۰ – ۱:۵۰۰ |
| زیاد | ۰,۷۵ | ۶۰ | ۳۰ | ۱۰۰ | ۱:۵۰۰ |
جدول ۱. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی محیط‌های کشت بدون خاک (اقتباس از جانسون (سال نامعلوم)؛ آباد و همکاران، (۲۰۰۵) و آسیا و همکاران، (۲۰۰۴)).
به‌عنوان‌مثال، هنگام استفاده از باگاس (ساخته‌شده از ضایعات تفاله نیشکر) به‌تنهایی، میزان بالای احتباس آب و تخلخل کم آن منجر به هوادهی و زهکشی ضعیف می‌شود. از طرف دیگر، پوسته برنج دارای احتباس کم آب و تخلخل بالایی است که در صورت استفاده به‌تنهایی منجر به تنش آبی گیاه می‌شود (شکل ۱).
هم پوسته برنج و هم باگاس سرعت تجزیه بالایی دارند و بنابراین نیاز به کود دهی زیاد نیتروژن دارند تا از رقابت بین میکروارگانیسم‌ها و گیاهان برای نیتروژن جلوگیری شود. هنگامی‌که به ویژگی‌های هر محیط کشت بدون خاک نگاه می‌کنیم، ترکیبی از آن‌ها معمولاً می‌تواند جایگزین رضایت بخشی برای پرورش‌دهندگان باشد. بااین‌حال، ترکیب بسترها نباید صرفاً بر اساس در دسترس بودن و کاهش هزینه انجام شود و باید ویژگی‌های اساسی مانند موارد ذکرشده در جدول ۱ را در نظر گرفت.
محیط کشت گیاهان را پشتیبانی و جریان آب را تنظیم می‌کند
چگالی ظاهری نشان‌دهنده توانایی محیط کشت به‌عنوان یک تکیه‌گاه ساختاری، توانایی محیط کشت در حرکت آب و مواد مغذی و هوادهی است. چگالی، وزن خاک یا ذرات متوسط را برحسب حجم بیان می‌کند؛ بنابراین جامدات و فضای منافذ باهم به‌عنوان چگالی خاک یا محیط کشت در نظر گرفته می‌شوند. اگر فضای منافذ بسیار کم باشد، خاک یا محیط کشت به‌راحتی دچار تراکم می‌شود.
خاک‌های معدنی دارای میانگین جرم ظاهری ۱۴۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب با حدود ۴۷ درصد فضای منافذ هستند در مقایسه محیط‌های رشد بدون خاک مانند پیت اسفاگنوم و ورمیکولیت دارای چگالی ظاهری ۱۲۵ کیلوگرم بر مترمکعب و حدود ۹۳ درصد فضای منافذ یا کوکوپیت با چگالی ظاهری ۴۰ تا ۸۰ کیلوگرم بر مترمکعب و تقریباً ۸۷.۵ درصد فضای منافذ هستند (آرگو، ۱۹۹۸). این ارقام تفاوت زیادی را در چگالی ظاهری و فضای منافذ بین خاک و محیط رشد بدون خاک نشان می‌دهند، درحالی‌که خاک‌ها سنگین‌ترین محیط‌های رشد هستند، سبکی محیط‌های رشد بدون خاک امکان جابجایی و حمل‌ونقل آسان آن را می‌دهد و همچنین این خصوصیت بر سایر شاخص‌ها مانند تخلخل و احتباس آب نیز تأثیر می‌گذارد.
ترکیبی از تخلخل کم و احتباس آب زیاد منجر به هوادهی و زهکشی ضعیف می‌شود. در مقابل، تخلخل بالا و احتباس آب کم منجر به تنش آبی در محصولات می‌شود. این‌ها شاخص‌های مهمی برای محیط‌های رشد هستند که باید تعادل خوبی برای بهینه‌سازی جریان محلول‌های غذایی به گیاه داشته باشند. در خاک‌های طبیعی، کنترل این شاخص‌ها به دلیل شیب، بافت و شرایط آب‌وهوایی دشوارتر است.
در طول کشت، شاخص‌های ذکرشده در بالا (تخلخل و احتباس آب) ممکن است به دلیل تجزیه مواد آلی، فعالیت ریشه، تورم و انقباض ذرات بستر و فرآیند تراکم تغییر کند. تغییرات فیزیکی به ماهیت بستر، شرایط رشد و نوع محصول در حال رشد بستگی دارد.
محیط کشت به‌عنوان یک مخزن برای مواد مغذی عمل می‌کند
خاک‌ها دارای اکوسیستم‌های بسیار متنوعی از میکروارگانیسم‌ها و ماکروارگانیسم‌ها ازجمله جوامع گیاهی هستند. تعامل پیچیده بین آن‌ها در خاک متعادل است و به گیاهان و حیوانات اجازه می‌دهد بدون دخالت انسان زنده بمانند. بااین‌حال بازده تولید ممکن است به‌اندازه رشد در محیط کشت بدون خاک که در آن نیاز به مداخله انسان است، باشد.
تفاوت اصلی محیط کشت بدون خاک با خاک وجود تنوع زیستی و مواد آلی خاک است. در خاک، میزان مواد آلی مهم‌ترین شاخص کیفیت خاک است. هنگامی‌که مواد آلی (مانند کود دامی یا بقایای گیاهی) وارد خاک می‌شود، ترکیبات کربن موجود در بستر با سرعت‌های متفاوتی تجزیه می‌شوند. این فرآیند تخریب با توجه به خواص مواد آلی معرفی‌شده، جمعیت موجودات زنده خاک (ارگانیسم‌های ساکن در خاک) و شرایط فیزیکی و شیمیایی (محتوای رطوبت، دما، pH و غیره) که بر سرعت تجزیه و رهاسازی مواد مغذی تأثیر می‌گذارد متفاوت است. هرچه پوسیدگی بیشتر باشد، خاک “بهتر”، موجودات زنده خاک فعال‌تر و پاداش‌های بیولوژیکی برای محصول غنی‌تر است (جانزن، ۲۰۰۶).
محیط رشد بدون خاک معمولاً حاوی موجودات زنده خاک نیست و مانند خاک حاوی پایه مواد مغذی ارگانیک نیست. این بدان معنی است که یک منبع ثابت از مواد مغذی باید از طریق محلول غذایی تأمین شود، درحالی‌که در خاک، مواد مغذی با تجزیه مواد آلی آزاد می‌شوند. شاخص‌های احتباس آب و تخلخل به دلیل تأثیر آن‌ها بر در دسترس بودن مواد مغذی، برای محیط‌های رشد بدون خاک بیشتر اهمیت دارند.
محلول‌های غذایی عنصر کلیدی در سیستم‌های آبیاری کشت بدون خاک هستند. آن‌ها حاوی مواد مغذی میکرو و ماکرو هستند که در غلظت‌های مختلف حل شده‌اند. فرمول‌های استاندارد برای بسیاری از محصولات زراعی مانند گوجه‌فرنگی، خیار یا توت‌فرنگی ایجاد شده است. بااین‌حال، این‌ها را می‌توان با توجه به شرایط آب‌وهوایی غالب (به دلیل تبخیر سطحی آب از محیط رشد و دما)، کیفیت آب، محل و مرحله رشد محصول تنظیم کرد.
اینرسی شیمیایی یکی دیگر از ویژگی‌های محیط کشت بدون خاک است که تفاوت معنی‌داری با خاک‌های معدنی ایجاد می‌کند. اصولاً در خاک‌های معدنی لازم نیست همه عناصر اعمال شوند اما برای محیط‌های کشت بدون خاک، پرورش‌دهندگان باید تقریباً تمام مواد مغذی به‌جز کربن، هیدروژن و اکسیژن (زیرا این مواد از آب‌وهوا به دست می‌آیند) را تأمین کنند، درنتیجه، پرورش‌دهندگان باید از روش آبیاری مناسب برای جلوگیری از تجمع مواد مغذی بالقوه و عدم تعادل یونی در بستر پیروی کنند.
محیط کشت سالم و محیط‌زیست
دفع محیط‌های کشت بدون خاک استفاده‌شده پس از کشت یک تهدید بالقوه برای محیط‌زیست است، زیرا ممکن است حاوی آفت‌کش‌ها، پلاستیک یا بقایای گیاهی با بیماری‌هایی باشند که می‌تواند گسترش یابد (Pardossi et al, 2011). استفاده مجدد از محیط کشت برای کاهش هزینه‌های دفع و تولید به‌شدت توصیه می‌شود، اما انتشار بالقوه بیماری‌های منتقله از محیط کشت همچنان یک نگرانی است.
گاهی اوقات عوامل کنترل بیولوژیکی به محیط‌های کشت بدون خاک اضافه می‌شوند تا جامعه میکروبی را معرفی کنند و از تجمع عوامل بیماری‌زا جلوگیری کنند. بااین‌حال، این تضمینی برای جلوگیری از عوامل بیماری‌زا نیست (Pardossi et al, 2011).
اگر پرورش‌دهنده از بستر استفاده مجدد کند (به‌منظور کاهش ضایعات)، جلوگیری از آفات و بیماری‌ها در چرخه‌های کشت جدید موضوعی مهم‌تر می‌شود، درحالی‌که حل مشکلات مربوط به شوری بیش‌ازحد و pH آسان‌تر است. روش‌هایی مانند ضدعفونی کردن با بخار و آفتاب، یا کنترل شیمیایی (استفاده از قارچ‌کش‌ها) رایج‌ترین روش‌ها برای تیمار محیط‌های رشد هستند تا بتوان آن‌ها را بازیافت کرد.
نتیجه‌گیری
جهت پاسخ به این سؤال کلی که یک محیط کشت بدون خاک باکیفیت خوب چیست عوامل زیادی ازجمله: اهداف پرورش‌دهنده، مناطقی که بستر از آن می‌آید و همچنین جایی که قرار است از آن استفاده شود و نوع بستر، باید در نظر گرفته شود؛ بنابراین، دادن یک پاسخ کلی دشوار و غیرواقعی است. در این مقاله در مورد خواص فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و عملی به‌منظور تعریف یک محیط کشت بدون خاک مطلوب بحث شده است.
اساساً، بستر باید بتواند:
پشتیبانی ساختاری برای گیاه فراهم کند.
جریان آب را تنظیم کند.
به‌عنوان مخزن مواد مغذی عمل کند.
محیطی سالم برای رشد گیاه فراهم کند.
به‌طور خلاصه، ویژگی‌های نشان‌دهنده یک محیط رشد باکیفیت خوب به شرح زیر است:
جنبه‌های فیزیکی شامل چگالی ظاهری کم (بین ۱۹۰ تا ۷۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب)، تخلخل بالا (بین ۵۰٪ تا ۸۵٪)، اندازه ذرات بین ۰.۲۵ تا ۰.۵ میلی‌متر و احتباس آب بین ۲۰٪ تا ۶۰٪
جنبه‌های شیمیایی شامل CEC (محدوده بین ۱۰ تا ۱۰۰ me/100 گرم)، PH قابل تنظیم، محتوای نمک کم (۰.۷۵ تا ۱.۹ dSm-1)و نسبت C:N بین ۱:۲۰۰ تا ۱:۵۰۰.
جنبه‌های بیولوژیکی که نشان‌دهنده وضعیت سلامت محیط رشد به دلیل عدم وجود عوامل بیماری‌زا و آفات و عدم وجود ترکیبات سمی است.
جنبه‌های عملی مانند ظرفیت محیط رشد برای بازیابی از اشتباهات پرورش‌دهندگان، توانایی آن در حفظ ویژگی‌های اصلی خود (مناسب برای استفاده مجدد) و اینکه آیا می‌توان آن را در دسته‌های یکنواخت تولید کرد در انتخاب یک محیط رشد بدون خاک خوب مهم است.