مزایای استفاده از اکسیژن در منطقه ریشه

حضور اکسیژن در رایزوسفر (منطقه رشد ریشه‌ها) برای رشد گیاهی سالم ضروری است. از آنجا که سیستم آیروپونیک اقدام به آمیختن هوا با آب در قالب قطرات بسیار ریز می‌نماید، تقریباً هر گیاهی می‌تواند در محیط سرشار از اکسیژن، آب و موادغذایی رشد نماید.

برخی از کشاورزان آیروپونیک را بر سایر شیوه‌های هیدروپونیک ترجیح می‌دهند چرا که افزایش سهم هوا در محلول مغذی، اکسیژن بیشتری را به ریشه‌ها می‌رساند و باعث تحریک رشد گیاهان و جلوگیری از ایجاد پاتوژن‌ها می‌شود.

هوای پاک حاوی اکسیژن است که پالاینده‌ای عالی برای گیاهان و محیط آیروپونیک به‌شمار می‌رود. برای رشد طبیعی، گیاه باید دسترسی نامحدود به هوا داشته باشد. گیاهان باید اجازه یابند تا در یک وضعیت طبیعی به نمو فیزیولوژیکی دست یابند. هرچه فضای در اختیار گیاه محدودتر شود فشار بیماری‌ها بر روی گیاه و سیستم افزایش می‌یابد.

برخی پژوهندگان از سیستم‌های آیروپونیک برای مطالعه اثرات گازهای ناحیهٔ ریشه بر عملکرد گیاهان بهره می‌گیرند. سافر و برگر (سافر و همکاران ۱۹۸۸) اثر غلظت‌های مختلف اکسیژن را بر شکل‌گیری ریشه‌های نابجا در محیط منسوب به «ارو-هیدروپونیک» بررسی کردند. آن‌ها از سیستمی ۳ لایع استفاده کردند و ۳ ناحیهٔ جداگانه را اطراف ریشه ایجاد کردند. انتهای ریشه‌ها درمحفظهٔ موادغذایی غرق شدند، بخش میانی غباری مغذی دریافت می‌کرد و بخش فوقانی بالاتر از ناحیه غبارپاشی قرار داده شد. نتایج نشان داد وجود اکسیژن محلول برای شکل‌گیری ریشه‌ها ضروری است و اثر غلظت‌های مختلف آن را بر ریشه زنی نشان داد. تعداد و طول ریشه‌ها در بخش میانی همواره از دو بخش دیگر بیشتر بود به‌طوری‌که حتی در کمترین غلظت، بخش‌های غبارپاشی شده به خوبی ریشه زایی کردند.

سایر مزایای هوا (CO₂)

گیاهان در شرایط آیروپونیک حقیقی، دسترسی ۱۰۰ درصدی به CO2 با غلظت‌های 780-450ppm برای انجام فتوسنتز دارند. در ارتفاع ۱ مایلی (۶/۱ کیلومتری) بالاتر از سطح آبهای آزاد، غلظت CO2 در روز 450ppm است. غلظت CO2 در شب به 780ppm افزایش می‌یابد. ارتفاعات پایین‌تر غلظت‌های بالاتری دارند. در هرحال پرورش گیاهان به صورت آیروپونیک در تمامی شرایط به گیاهان امکان بهره‌گیری از CO2 کافی برای انجام واکنش‌های فتوسنتز داده می‌شود.

به علاوه پرورش گیاهان زیر نور مصنوعی در طول شب به گیاهان سیستم آیروپونیک اجازه می‌دهد تا از وضعیت موجود به خوبی استفاده کنند.

کشت عاری از بیماری

آیروپونیک می‌تواند انتقال بیماریهای گیاهی را محدود کند زیرا تماس گیاه به گیاه کاهش می‌یابد و هر پالس از پاشش محلول می‌تواند مجدداً استریل گردد، درحالیکه خاک، بسترهای دانه‌ای و سایر بسترهای کشت بیماری می‌تواند از طریق بستر رشد پخش شود و بسیاری از گیاهان را آلوده سازد. در اغلب گلخانه‌ها، بستر جامد پس از هر بار برداشت محصول نیاز به استریل شدن دارد و در بسیاری از موارد به سادگی از اینکار صرف نظر می‌شود و بسترهای جدید و استریل شده جایگزین می‌شوند.

یکی از بارزترین فواید تکنولوژی آیروپونیک این است که اگر یکی از گیاهان مبتلا به بیماری شود، می‌توان آن را به سرعت از ساختار آیروپونیک حذف نمود، بدون آنکه قطعه قطعه شود یا گیاهان دیگر را آلوده کند.

با توجه به اینکه محیط‌های عاری از بیماری مختص اروپونیک هستند، بسیاری از گیاهان را می‌توان با تراکمی بیشتر از سایر شیوه‌های کاشت سنتی (هیدروپونیک، خاک و NFT(تکنیک غشاء غذایی)) پرورش داد. سیستم‌های آیروپونیک تجاری از دستگاه‌هایی بهره می‌گیرند که با گسترش ریشه دهی محصول تطابق داشته باشد.

محققین از آیروپونیک به عنوان «شیوه‌ای ارزشمند، ساده و سریع برای غربالگری اولیه ژنوتیپ‌های مقاوم به بیماریهای گیاهی نظیر پوسیدگی ریشه و بادزدگی گیاهچه یاد می‌کنند.»

ذات ایزوله بودن سیستم اروپونیک مطالعهٔ این بیماری‌ها را در مقایسه با کشت خاکی آسان می‌سازد.

پودر کردن محلول (آب-اتمیزه کردن) آب و عناصر غذایی

دستگاه‌هایی که در سیستم آیروپونیک برای آبرسانی استفاده می‌شوند معمولاً شامل :اسپری‌کننده‌ها، غبارپاش‌ها، مه پاش‌ها و دیگر ابزارهایی هستند که غباری یکدست از محلول را برای تغذیهٔ ریشه فراهم می‌آورند. سیستم‌های آیروپونیک سیستم‌هایی حلقه بسته هستند که محیط‌های ماکرو و میکرو مناسب برای حفظ محیط کشت هوا به صورت پایدار و قابل اطمینان را ایجاد می‌کنند. اختراعات زیادی برای تسهیل اسپری کردن و غبارپاشی توسعه یافته‌اند چرا که کلید توسعه ریشه‌های گیاهان در محیط‌های آیروپونیک، اندازهٔ قطرات آب است. در کاربردهای اقتصادی، از اسپری‌های آب-اتمیزه با چرخش °۳۶۰ بهره می‌گیرند تا تمامی فضای اطراف ریشه گیاهان را با غبارپاشی تغذیه و سیراب نمایند.

در تکنیک غبارپاشی دیگری از مه پاش اولتراسونیک برای غبار سازی محلول مغذی در دستگاه‌های اروپونیک کم فشار استفاده می‌شود.

اندازه قطرات آب برای رشد پایدار گیاهان در سیستم آیروپونیک نقش حیاتی دارد. قطرات درشت آب اکسیژن کمتری در اختیار ریشه قرار می‌دهند. قطرات بسیار ریز، نظیر ذراتی که توسط غبارپاش‌های اولتراسونیک تولید می‌گردند، باعث می‌شوند ریشه‌های موئین فراوانی ایجاد شود، بدون اینکه ریشه‌های فرعی مورد نیاز جهت رشد پایدار گیاهان تشکیل گردند.

مبدل‌های اولتراسونیک نیازمند حفاظت و نگهداری بیشتری هستند به‌طوری‌که هر گونه خطا موجب معدنی شدن اجزاء سیستم می‌شوند که این نقطه ضعف بواسطه نوع غبارپاشی و جنس فلزی اسپری‌کننده‌های بکار رفته می‌باشد. نتیجتاً گیاهان بواسطه نقصان دسترسی به رطوبت کافی دچار کاهش آماس سلولی و پژمردگی می‌شوند.

مواد پیشرفته

ناسا به منظور افزایش قابلیت اطمینان و کاهش تعمیر و نگهداری اروپونیک در پروژه‌های تحقیق و توسعه مربوط به مواد پیشرفته جدید سرمایه‌گذاری کرده‌است. آن‌ها همچنین مشخص ساخته‌اند که غبار آب-اتمیزه فشار بالا با میکرو قطرات ۵–۵۰ میکرومتر، برای رشد درازمدت ضروری است.

در رشد درازمدت، سیستم غبار باید فشار قابل توجهی داشته باشد تا غبار را به سیستم متراکم ریشه‌ها برساند. تکرارپذیری برای هواکشت کلیدی بوده و شامل اندازه قطرات آب-اتمیزه می‌شود. تخریب اسپری به دلیل تجمع مواد معدنی و سنگی شدن ذرات غبار، مانع انتقال محلول مغذی می‌شود که در نهایت منجر به عدم تعادل زیست‌محیطی در محیط کشت محفظه هوا می‌شود.

پلیمرهای سبک مخصوصی توسعه یافته‌اند و برای از بین بردن کانی‌سازی در نسل بعدی اتمیزه آبی و اسپری جت، استفاده می‌شوند.

جذب مواد مغذی

مجزا بودن فواصل غبارپاشی و مدت دوام پاشش در سیستم آیروپونیک، سنجش میزان جذب عناصر در طول زمان و در شرایط مختلف را ممکن می‌سازد. باراک و همکارانش از یک سیستم آیروپونیک برای اندازه‌گیری غیر مخرّب سرعت جذب آب و عناصر غذایی در پرورش کران بری بهره گرفت (باراک و همکاران 1996).

آنها در مطالعاتشان متوجه شدند که می‌توانند با اندازه‌گیری غلظت و حجم محلول ورودی و خروجی، سرعت جذب عناصر را محاسبه کنند (این دستاورد با مقایسه نتایج حاصله با اندازه‌گیری‌های مربوط به ایزوتوپ نیتروژن تأیید شد). پس از تأیید روش آنالیزشان، باراک و همکاران به سراغ تولید داده‌های بیشتر مختص پرورش کران بری رفتند، مانند میزان روزانه جذب عناصر غذایی، ارتباط بین جذب آمونیوم و پروتون‌های خروجی، ارتباط بین غلظت یون‌ها در محلول و میزان جذب آن‌ها توسط گیاهان.

چنین تحقیقاتی نه تنها نشانهٔ نویدبخش بودن آیروپونیک به عنوان ابزاری در پژوهش‌های مربوط به جذب عناصر غذایی توسط گیاهان است بلکه امکاناتی را برای نظارت بر سلامتی گیاهان و بهینه‌سازی رشد گیاهان در شرایط مسدود فراهم می‌سازد.

پاشش محلول غذایی (بیش از ۶۵ پوند بر اینچ مربع (450 KPa)) باعث افزایش قابلیت دستیابی زیستی عناصر غذایی می‌شود، امّا پاشش مداوم و شدید عناصر غذایی باید به نحو معنی داری کاهش یابد وگرنه باعث سوختگی ریشه‌ها و برگ‌ها می‌شود. در مواقعی که دورهٔ پاشش خیلی طولانی یا دورهٔ وقفهٔ پاشش خیلی کوتاه باشد، قطرات درشت آب در سیستم پدید می‌آیند که این موضوع باعث افزایش ریشه‌های موئین و کاهش ریشه‌های فرعی می‌شود. زمانی‌که دورهٔ پاشش تا حد امکان کوتاه شود، رشد گیاهان و دورهٔ میوه دهی، به شدت کاهش می‌یابد. در حالت ایدئال، ریشه‌های گیاهان هرگز نباید کاملاً خشک یا کاملاً متورم باشند. یک دورهٔ پاشش/وقفه معمولی شامل کمتر از ۲ ثانیه پاشش و سپس ۲–۵/۱ دقیقه وقفه است- ۲۴/۷، هرچند زمانی که از یک سیستم انباشتگر استفاده می‌شود، دوره‌های زمانی را می‌توان به کمتر از یک ثانیه پاشش و حدود ۱ دقیقه وقفه کاهش داد.

به عنوان ابزار پژوهش

پس از توسعه هواکشت، به سرعت این روش به عنوان یک ابزار تحقیقاتی ارزشمند شناخته شد. هواکشت روشی غیرتهاجمی برای بررسی ریشه‌های در حال رشد ارائه داد. این فناوری جدید، همچنین به محققان اجازه داد از تعداد بیشتر و طیفی وسیع تر از پارامترهای تجربی در کارشان بهره گیرند.

توانایی کنترل دقیق میزان رطوبت منطقه ریشه و مقدار آب انتقال یافته، هواکشت را برای مطالعه تنش‌های آبی مناسب می‌سازد. ک. هوبیک هواکشت را روشی برای تولید گیاهان پایدار با حداقل تنش آب، برای استفاده در آزمایش‌های فیزیولوژی سیل یا قحطی ارزیابی کرد

هواکشت ابزاری ایدئال برای مطالعه مورفولوژی ریشه است. عدم انباشتگی ریشه، دسترسی آسان به تمام ساختار دست نخورده ریشه را بدون آسیب به آن ممکن می‌سازد. اشاره شده‌است که هواکشت نسبت به آبکشت ریشه‌های نرمال بیشتری تولید می‌کند.

انواع هواکشت

واحدهای کم-فشار

در این روش، ریشه‌های گیاهان، بالای مخزنی حاوی محلول مغذی یا درون کانالی متصل به مخزن به صورت معلق قرار می‌گیرد. یک پمپ کم فشار از طریق جت یا مبدل فراصوت محلول مغذی را هدایت می‌کند، سپس محلول به مخزن چکه می‌کند یا تخلیه می‌شود. هرچه گیاهان به بلوغ خود نزدیکتر می‌شوند ممکن است بخشهایی از ریشه دچار خشکی شوند و مواد مغذی کافی دریافت نکنند. این واحدها به علت هزینهٔ بالا، نمی‌توانند محلول مغذی را خالص کرده و ناپیوستگی‌ها، مواد باقی‌مانده و پاتوژن‌های ناخواسته را حذف کنند. این واحدها معمولاً برای رشد روی سکو و نشان دادن اصول هواکشت مناسب هستند.

دستگاه‌های پرفشار

فنون هواکشت پرفشار، که در آن غبار توسط پمپ‌های پر فشار ساخته می‌شود، معمولاً در زراعت محصولات و نمونه‌های گیاهی باارزش به کار می‌رود تا بتواند هزینه‌های بالای راه اندازی روش باغبانی علمی (horticulture) را جبران کند.

سامانه‌های هواکشت پرفشار، شامل تکنولوژی‌هایی در خصوص تصفیهٔ آب و هوا، استریلیزه کرده مواد مغذی، پلیمرهای سبک و سامانه‌های انتقال مواد مغذی فشرده می‌شود.

سامانه‌های تجاری

سامانه‌های هواکشت تجاری شامل دستگاه‌های پرفشار و سامانه‌های زیستی هستند. ماتریس سامانه‌های زیستی شامل پیشرفت‌هایی برای افزایش طول عمر گیاه و بلوغ محصول است.

اجزای زیرسامانه‌ها و سخت‌افزارهای زیستی شامل سیستم‌های کنترل سیال، پیشگیری از بیماری، مقاومت پاتوژنی، زمان‌بندی دقیق و فشرده‌سازی محلول مغذی، حسگرهای سرما و گرما ، کنترل دمایی محلول، آرایش نوری مؤثر، محدوده طیف فیلتراسیون، حسگرهای هشدار دهندهٔ نقص سیستم و حفاظت، صرفه جویی در هزینهٔ نیروی انسانی و مراقبت و ترکیب قابل اعتماد بلند مدت و کاربرد ایمن ماشین آلات می‌باشند.

سامانه‌های تجاری هواکشت، مانند دستگاه‌های پرفشار برای زراعت محصولات پرارزش به کار می‌روند که به کشت چند محصولی در بستر تجاری دست یابند.

سامانه‌های تجاری پیشرفته شامل جمع‌آوری داده‌ها، نظارت، تحلیل بازخوردها و ارتباطات اینترنتی به زیرسامانه‌های مختلف نیز می‌باشند.