DE2641945C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur erdfreien Aufzucht von Pflanzen mit einer in einem geschlossenen System umlaufenden Pflanzennährlösung, bei dem der pH-Wert und die Leitfähigkeit der Pflanzennährlösung kontinuierlich gemessen und die von den Pflanzen aufgenommenen Nährstoffe durch Zufuhr von zwei konzentrierten Vorratslösungen (a) und (b) nach Maßgabe der gemessenen pH- Werte und Leitfähigkeitswerte ersetzt werden, so daß die genannten Werte zwischen vorher festgelegten Grenzen gehalten werden. Bekanntlich können bei der erdfreien Aufzucht von Pflanzen ein gutes Wachstum und gute Ausbeuten erzielt werden, wenn man ständig genau eingestellte Nährbedingungen in der umlaufenden Nährlösung aufrechterhält, wobei Frischwasser und Pflanzennährstoffe nach Maßgabe ihres Verbrauchs zugeführt werden, während eine vorgegebene ausgewogene Zusammensetzung der in der Pflanzennährlösung enthaltenen Nährstoffe aufrechterhalten wird. Abweichungen von dieser Ausgewogenheit machen sich schnell in verminderter Ausbeute oder in Form direkter Symptome von Pflanzenmangelerkrankungen bemerkbar, so daß ein großes Bedürfnis besteht, die Nährstoffzusammensetzung der Pflanzennährlösung kontinuierlich zu steuern. Diese Steuerung wird bisher so vorgenommen, daß konzentrierte Vorratslösungen unterschiedlicher Zusammensetzungen nach Maßgabe des pH-Wertes und der Leitfähigkeit der Nährlösung zugesetzt werden.

Aus der DE-AS 15 42 807 ist ein kontinuierliches Verfahren zur Konstanthaltung der Nährstoffzusammensetzung eines flüssigen Düngemediums vorgeschlagen, bei dem drei verschiedene Nährstofflösungen dem Düngemedium in Abhängigkeit vom pH-Wert des Düngemittels zugeführt werden, wobei es sich bei dieser Zuführung im Prinzip um eine Titration handelt. Die dem Düngemedium zugeführten unterschiedlichen Nährstofflösungen werden zugeführt, um den pH-Wert durch Titration innerhalb bestimmter Grenzen zu halten, nicht jedoch in Abhängigkeit vom tatsächlichen Verbrauch des Nitrat- bzw. Ammoniumstickstoffs durch die Pflanzen. So wird beispielsweise durch Zufuhr der basischen Nährlösung (1) gemäß diesem Stand der Technik das Düngemedium basischer gemacht, ohne daß berücksichtigt wird, daß dadurch ein dem gewünschten Effekt entgegengesetzter Effekt erzielt wird aufgrund der Tatsache, daß die Pflanzen dabei den Ammoniumstickstoff (NH₄OH) in der basischen Nährstofflösung aufnehmen, was zur Folge hat, daß die Pflanzen absterben.

Mit den aus den GB-PS 13 18 696, DE-OS 19 33 998 und DE-AS 15 42 805 bekannten Verfahren zur erdfreien Aufzucht von Pflanzen wurden zwar Teilverbesserungen erzielt, eine befriedigende Lösung des genannten, bei der erdfreien Aufzucht von Pflanzen auftretenden Problems wurden damit jedoch nicht erreicht.

Aufgabe der Erfindung war es daher, die bei den bekannten Verfahren auftretenden Steuerungsschwierigkeiten zu beseitigen und sowohl einen optimalen pH-Wert als auch eine optimale Zusammensetzung der Nährlösung im Rahmen eines großtechnisch durchführbaren kontinuierlichen Verfahrens aufrechtzuerhalten, ohne daß es erforderlich ist, die Nährlösung von Zeit zu Zeit auszutauschen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches enthaltenen Merkmale gelöst.

Der funktionelle Zusammenhang zwischen den beiden vorgenannten Entscheidungskriterien ist darin zu sehen, daß der Verbrauch des Nitratstickstoffs in der Nährlösung durch die Pflanzen zu einem Abfall des pH-Wertes der Nährlösung führt, dem durch Zufuhr der Vorratslösung (a) entgegengewirkt wird, während bezüglich der Zufuhr von Ammoniumstickstoff der umgekehrte Vorgang abläuft.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein gutes Wachstum von Pflanzen bei erdfreier Aufzucht erzielt werden, wobei die Ernte in günstigen Fällen bis zu mehr als dem Dreifachen der üblicherweise unter Verwendung von Erde erzielten Ernte beträgt. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bequem steuern, wobei die Steuerung weniger störempfindlich ist als bei den bisher bekannten vergleichbaren Verfahren, das heißt, die Toleranzen für Abweichungen von einer ausgewogenen Pflanzennährlösung sind größer, ohne daß eine Störung des Pflanzenwachstums oder eine vorübergehende oder dauerhafte Schädigung der Pflanze auftritt. Hinzu kommt, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund seiner technisch leicht realisierbaren Steuervorgänge ohne weiteres automatisieren läßt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Kaliumgehalt der umlaufenden Pflanzennährlösung bei 100 bis 150%, vorzugsweise bei etwa 125%, ihres Stickstoffgehaltes gehalten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verwendet man saure Vorratslösungen (a) und (b).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Stickstoff in Form eines Gemisches aus Nitratstickstoff und Ammoniumstickstoff zugeführt werden, wobei man vorzugsweise ein Gemisch aus etwa 80% Nitratstickstoff und Rest Ammoniumstickstoff verwendet. Vorzugsweise verwendet man im wesentlichen aus Calciumnitrat bestehenden Nitratstickstoff.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird in die umlaufende Pflanzennährlösung Luft und/ oder Kohlendioxid eingeblasen.

Ein Ausführungsbeispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, die eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur erdfreien Aufzucht von Pflanzen zeigt.

Die Figur zeigt einen Tank 10 für die Nährlösung, der eine Ableitung 11 mit Flüssigkeitspumpe 12 besitzt. Mittels dieser Pumpe 12 wird die Nährlösung aus dem Tank 10 in Behälter 11′ oder flache Rohre oder Schläuche aus Kunststoffolie in einem Treibhaus gepumpt. In diese Behälter, Rohre oder Schläuche sind die Pflanzen so "eingepflanzt", daß sich ihr Wurzelsystem in der zirkulierenden Pflanzennährlösung befindet. In den Behältern, Rohren oder Schläuchen befindet sich keine Erde, jedoch kann ein geeignetes Material enthalten sein, von dem die Nährlösung aufgesaugt wird. Bei Verwendung von Behältern sind diese vorzugsweise mit einer Kunststoffolie 13′ abgedeckt, um die direkte Verdampfung aus den Behältern herabzusetzen. Das Wurzelsystem der Pflanzen erstreckt sich somit in den Behältern, Rohren oder Schläuchen, und die Pflanzen nehmen ihre Nahrung über das Wurzelsystem direkt aus der Nährlösung auf. Aus den Behältern fließt die Nährlösung, die von den Pflanzen nicht aufgenommen wird - selbstverständlich wird die Nährlösung in großem Überschuß zur Verfügung gestellt - über eine Rückleitung 13 zu dem Tank 10 zurück. Mit dem Tank 10 ist eine Rohrleitung 14 zur Versorgung mit Frischwasser verbunden, wobei die Versorgung durch ein Magnetventil 15 gesteuert wird. Zur Zufuhr von konzentrierter Nährlösung, der Vorratslösung, dient eine Leitung 16 mit einem Magnetventil 17, das zwei Zuführungen, nämlich über eine mit einem Magnetventil 19 ausgerüstete Leitung 18 aus einem Behälter 20, und über eine mit einem Magnetventil 22 ausgerüstete Leitung 21 aus einem Behälter 23 besitzt. Die Magnetventile 19 und 22 werden durch ein pH-Meter 24 gesteuert, dessen Meßsonde 25 in die Nährlösung des Tanks 10 eintaucht, während die Magnetventile 15 und 17 durch einen Leitfähigkeitsmesser 26, dessen Meßsonden 27 ebenfalls in die Nährlösung des Tanks 10 eintauchen, sowie durch einen Schwimmer-Niveauregler 28 zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Flüssigkeitsniveaus im Tank 10 gesteuert werden.

Schließlich ist der Tank 10 mit einem Überlauf 29 und mit einem oder mehreren perforierten Rohr- oder Schlauchleitungen 30 ausgerüstet, die sich entlang des Bodens des Tanks erstrecken und mit einem Kompressor zum Einblasen von Luft in die Nährlösung von unten und nach oben zur Versorgung der Nährlösung mit Sauerstoff und zur Erzeugung einer Turbulenz- und Rührwirkung auf die Nährlösung verbunden sind, so daß diese Lösung eine gleichmäßige Konzentration und Zusammensetzung besitzt. Anstelle von Luft kann man auch Kohlendioxid in die Lösung einblasen, so daß die Pflanzen dieses Kohlendioxid durch das Wurzelsystem aufnehmen; restliches Kohlendioxid wird über die Blätter aufgenommen. Man kann auch sowohl Luft als auch Kohlendioxid oder ein Gemisch hiervon in die Lösung einblasen. Erfindungsgemäß wird die Vorrichtung mit zwei konzentrierten Vorratsnährlösungen betrieben, die sich im Behälter 20 bzw. 23 befinden. Diese Vorratslösungen besitzen vorzugsweise einen pH-Wert von etwa 5,8 und sind somit beide sauer. Nachstehend ist die relative Zusammensetzung dieser beiden Vorratslösungen angegeben.

Bei dem Stickstoff in der Vorratslösung des Behälters 20 kann es sich um ein Gemisch aus 80 Prozent Ca(NO₃)₂ und 20 Prozent NH₄NO₃ handeln, während der Stickstoff der Vorratslösung des Behälters 23 allein aus Ca(NO₃)₂ bestehen kann. Dies erklärt den Unterschied im Calciumgehalt in den beiden Lösungen. Ein Calciumgehalt, der größer ist als derjenige, den die Pflanze aufzunehmen vermag, kann ohne weiteres akzeptiert werden, weil die Pflanze nicht mehr Calcium aufnimmt als sie benötigt. Der Überschuß ist, soweit die Untersuchungen gezeigt haben, unschädlich für die Pflanzen. Es zeigt sich somit, daß der Kaliumgehalt hoch und erheblich höher als in der DE-AS 15 42 805 ist, in der der Kaliumgehalt auf 40 bis 100 Prozent des Stickstoffgehaltes beschränkt ist.

Wenn die Pflanzen Ca(NO₃)₂ aus der Nährlösung aufnehmen, geben die Wurzeln der Pflanzen OH^- und HCO₃^- ab, die beide basisch sind, und die Abgabe dieser Ionen durch die Pflanzen bedingt einen Anstieg des pH-Wertes. Im Gegensatz hierzu führt die Aufnahme von NH₄NO₃ durch die Pflanzen zu einer Abgabe von H⁺-Ionen durch die Wurzeln der Pflanzen, was einen Abfall des pH-Wertes der Nährlösung mit sich bringt. Indem man den pH-Wert mittels des pH-Meters 24 mißt, werden die zwei Magnetventile 19 und 22 so gesteuert, daß das Ventil 19 offen ist für die Verbindung Behälter 20 - Leitung 18 - Magnetventil 17, wenn der pH-Wert oberhalb eines vorgegebenen Wertes liegt, der den Nennwert des pH- Wertes der Nährlösung im Tank 10 darstellt, während andererseits das Magnetventil 22 in Abhängigkeit des pH-Meßgerätes 24 offen ist, wenn der pH-Wert der Nährlösung im Tank 10 unter den vorgegebenen Wert absinkt, so daß eine Verbindung zwischen dem Behälter 23 und dem Magnetventil 17 geschaffen wird. Somit ist eine Verbindung von dem Behälter 20 oder von dem Behälter 23 zu dem Magnetventil 17 stets offen, die Zufuhr von konzentrierter Nährlösung von dem einen oder dem anderen dieser beiden Behälter wird jedoch nicht durch den pH-Wert der Nährlösung im Tank 10, sondern durch die Leitfähigkeit dieser Lösung gesteuert; somit bestimmt der pH-Wert den Behälter, aus dem die Zufuhr von Vorratslösung, ausgelöst nach Maßgabe des Leitfähigkeitswertes, stattfindet. Wenn die Lösung im Tank 10 an den hierin enthaltenen Nährsalzen verarmt, sinkt die Leitfähigkeit ab, die mittels des Leitfähigkeitsmessers 26 gemessen wird, der das Magnetventil 17 bei einem vorgegebenen Wert für die Zufuhr von Nährlösung zum Tank öffnet. Wenn andererseits die Konzentration der Nährstoffe in der Nährlösung zu hoch werden sollte, was im Fall der Verdampfung aus den Pflanzenbehältern oder bei großen Pflanzen nicht unmöglich ist, öffnet der Leitfähigkeitsmesser das Magnetventil 15 bei einem vorgegebenen niedrigeren Wert der gemessenen Leitfähigkeit, so daß dem Tank Frischwasser zugeführt und somit eine Verdünnung der hierin enthaltenen Nährlösung bewirkt wird. Ein gegebenenfalls auftretender Überschuß wird über den Überlauf 29 abgeführt. Die Zufuhr von Frischwasser findet auch nach Maßgabe der Schwimmer-Niveauregulierung 28 statt, wenn das Flüssigkeitsniveau im Tank 10 unter einen vorgegebenen Wert absinkt, so daß im Tank stets ein vorgegebenes Flüssigkeitsniveau aufrechterhalten wird. Wenn die Konzentration der Nährstoffe in der Nährlösung bei der Erneuerung nach Maßgabe der Schwimmer-Niveauregulierung gestört wird, erfolgt die Einstellung der geeigneten Konzentrationen nach Maßgabe des Leitfähigkeitsmessers, wobei der durch den pH-Messer gemessene pH-Wert bestimmt, ob die Vorratslösung in dem Behälter 20 oder die Vorratslösung in dem Behälter 23 für die Zufuhr verwendet wird.

Wenn das Flüssigkeitsniveau im Tank 10 so weit absinken sollte, daß die Meßsonden 27 des Leitfähigkeitsmessers nicht mehr eintauchen, würde dies bedeuten, daß der Leitfähigkeitsmesser einen unendlichen Widerstand messen würde, was den Befehl zur Zufuhr von Nährlösung aus dem Behälter 20 oder 23 auslösen würde. Dies könnte dann eintreten, wenn eine Undichtigkeit in dem Kreislaufsystem auftreten oder die Frischwasserzufuhr versagen würde. Wenn es zur Zufuhr von konzentrierter Nährlösung zu den Pflanzen kommen sollte, würde dies eine Katastrophe bedeuten und könnte die vollständige Zerstörung der Pflanzen zur Folge haben. Um diese Gefahr zu beseitigen, ist die Schwimmer-Niveauregulierung 28 so angeordnet, daß sie das Magnetventil 17 bei einem noch geringeren Wert als derjenige schließt, bei dem die Frischwasserzufuhr einsetzt, und dies, obwohl der Leitfähigkeitsmesser die Öffnung dieses Magnetventils befiehlt. Das Steuersignal von der Niveauregulierung zu dem Magnetventil 17 hat somit Vorrang vor dem Steuersignal aus dem Leitfähigkeitsmesser 26, und bewirkt eine Schließung des Ventils 17, so daß keine weitere konzentrierte Nährlösung in den Tank 10 eingespeist wird.

Wenn die Pflanzen Ca(NO₃)₂ aus der Nährlösung aufnehmen, kommt es zu einem pH-Anstieg der Lösung, wie vorstehend erwähnt, wobei die Zufuhr von konzentrierter Nährlösung aus dem Behälter 20 stattfindet, wenn die Konzentration der Lösung in einem für die Zufuhr ausreichenden Ausmaß abgefallen ist. Für den Fall, daß der pH-Wert im Anschluß an eine Erniedrigung des Stickstoffgehaltes infolge der Aufnahme von NH₄NO₃ durch die Pflanzen abnehmen sollte, findet die Zufuhr statt dessen aus dem Behälter 23 aufgrund eines von dem Leitfähigkeitsmesser stammenden Nachfüllbefehls statt. Ein gegebenenfalls auftretender Calciumüberschuß hat keinen nachteiligen Einfluß auf die Pflanzen, wie vorstehend beschrieben.

In den Nährlösungen sind vorzugsweise auch Mikronährstoffe bzw. Spurenelemente oder -verbindungen enthalten. Ein solches Spurenelement stellt Eisen dar, jedoch können, im Gegensatz zu bekannten Nährlösungen zur erdefreien Pflanzenaufzucht, keine Nitrate enthalten sein, da sich das Eisen in diesem Fall in der Nährlösung abscheiden würde, was wiederum einen Eisenmangel der Pflanzen zur Folge hätte. Im Gegensatz hierzu muß das Eisen in Form eines Eisenchelats zugeführt werden. Das gleiche gilt für Mangan, dessen Zufuhr in Form eines Manganchelats erfolgen muß.

Die Leitfähigkeit der Nährlösung im Tank 10 beträgt vorzugsweise 1400 bis 4000 µS/cm, insbesondere 1600 bis 1800 µS/cm. Der pH- Wert beträgt vorzugsweise 5,7 bis 6,5, insbesondere etwa 5,8, bei einer Abweichung von ±0,1.

Bei der Durchführung des Verfahrens der Erfindung in der Praxis hat sich diese Methode als brauchbar dafür erwiesen, ein gutes Wachstum der Pflanzen und eine reiche Ernte zu erhalten, in vielen Fällen bis zum über Dreifachen der Ernte, die man bei der Aufzucht in üblicher Weise unter Verwendung von Erde erhält. Die Steuerung unter Verwendung der beiden Vorratslösungen in den Behältern 20 und 23 hat sich als weniger empfindlich als diejenige Steuerung erwiesen, bei der eine basische und eine saure, sowie eine dritte, saure oder neutrale Lösung verwendet werden, wie in der DE-AS 15 42 807 beschrieben. Die Vorrichtung versorgt die Pflanzen mit der für das Wachstum und die Fruchtbildung erforderlichen Nahrung, ohne Risiko für solche Abweichungen in der Ausgewogenheit der Pflanzennährlösung, die in der einen oder anderen Hinsicht einen Ernährungsmangel der Pflanzen mit sich bringen, wodurch die Pflanzen vorübergehend oder permanent geschädigt werden. Das System kann vollständig automatisch arbeiten und, wie aus der beschriebenen Ausführungsform ersichtlich, Sicherheitsvorkehrungen aufweisen, um Fehler in der Frischwasserzufuhr unter Ausbildung gefährlicher Konzentrationen in der Nährlösung zu verhindern.

Claims (9)

1. Verfahren zur erdfreien Aufzucht von Pflanzen mit einer in einem geschlossenen System umlaufenden Pflanzennährlösung, bei dem der pH-Wert und die Leitfähigkeit der Pflanzennährlösung kontinuierlich gemessen und die von den Pflanzen aufgenommenen Nährstoffe durch Zufuhr von zwei konzentrierten Vorratslösungen (a) und (b) nach Maßgabe der gemessenen pH-Werte und Leitfähigkeitswerte ersetzt werden, so daß die genannten Werte zwischen vorher festgelegten Grenzen gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• α) die Wahl, welche der beiden Vorratslösungen (a) und (b) zugeführt werden wird, in Abhängigkeit vom pH- Wert der Nährlösung getroffen wird, wobei die Nitratstickstoff enthaltende Vorratslösung (a) ausgewählt wird, wenn der pH-Wert der Nährlösung den unteren Grenzwert unterschreitet, während die Ammoniumstickstoff enthaltende Nährlösung (b) ausgewählt wird, wenn der pH-Wert der Nährlösung den oberen Grenzwert überschreitet, und
• β) die Menge der zuzuführenden Vorratslösung (a) bzw. (b) in Abhängigkeit von dem jeweils gemessenen Leitfähigkeitswert der Nährlösung festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kaliumgehalt der umlaufenden Pflanzennährlösung bei 100 bis 150% ihres Stickstoffgehaltes hält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kaliumgehalt der umlaufenden Nährlösung bei etwa 125% ihres Stickstoffgehaltes hält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man saure Vorratslösungen (a) und (b) verwendet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den Stickstoff in Form eines Gemisches aus Nitratstickstoff und Ammoniumstickstoff zuführt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch aus etwa 80% Nitratstickstoff und Rest Ammoniumstickstoff verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man einen im wesentlichen aus Calciumnitrat bestehenden Nitratstickstoff verwendet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man in die umlaufende Pflanzennährlösung Luft einbläst.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man in die umlaufende Pflanzennährlösung Kohlendioxid einbläst.