Hydrokultur

Hydrokultur

Bei Hydrokultur (von griechisch hydro „Wasser“) handelt es sich um eine Methode des Pflanzenanbaus, bei der anstelle von Erde wässrige Lösungen aus Mineralnährstoffen verwendet werden. Erdpflanzen können so angebaut werden, dass sich ihre Wurzeln entweder nur in einer wässrigen Lösung aus Mineralnährstoffen befinden oder aber in einem inaktiven anorganischem Substrat, wie z.B. Blähton, Perlit oder Mineralwolle statt in einem organische Bestandteile enthaltenden Boden wurzeln. Die Ernährung der Pflanzen erfolgt dabei über eine wässrige Lösung anorganischer Nährsalze, wie zum Beispiel die Knopsche Nährlösung. Im 19. Jahrhundert entdeckten Biologen, dass Pflanzen Ihre lebensnotwendigen Nährstoffe als anorganische Ionen im Wasser absorbieren. Die Erde selbst fungiert unter natürlichen Bedingungen nur als Reservoir für Nährstoffe, ist jedoch selber nicht für das Pflanzenwachstum erforderlich. Lösen sich die Nährstoffe der Erde in Wasser, so können die Pflanzenwurzeln diese absorbieren. Werden die erforderlichen Nährstoffe bei der Wasserversorgung der Pflanze künstlich eingeleitet, ist Erde für das Gedeihen der Pflanze nicht länger erforderlich. Nahezu jede Erdpflanze kann mittels der Methode der Hydrokultur gedeihen. Die Hydrokultur ist ferner eine Standard-Technik der Forschung und Lehre in der Biologie.

Die Geschichte der Hydrokultur

Die Idee Gemüse/Obst Plantagen in einer Urbanen Umgebung anzubauen und künstlich zu Bewässern ist nicht neu, schon 605 bis 562 v. Chr lies Nebukadnezar II der "Legende" nach die Gärten für seine Frau Amyitis errichten. Nebukadnezar II wollte ihr in der wüstenähnlichen Region von Babylon ein Stück ihrer Heimat schenken, da Amyitis aus einer grünen Landschaft in Persien kam. Heute werden die Hängenden Gärten von Babylon "die Hängenden Gärten Semiramis" genannt, da die Erichtung der Gärten Semiramis die etwa 200 Jahre zuvor Königin von Babylonien war zugeschrieben wurde und nicht Nebukadnezar II. weiteres dazu unter Die Hängenden Gärten Semiramis. 1840 wies bereits Justus von Liebig den mineralischen, d.h. anorganischen (ohne Kohlenstoff) Charakter der Nährlösung nach. Eine erfolgreiche Pflanzenhaltung mit einer speziell abgestimmten Nährlösung gelang erst Knop und Sachs 1860. Die Hydrokultur in der heutigen Art wurde durch die Entdeckung des als Leichtbetonzuschlagstoff bekannten Blähtons als geeignetes Pflanzsubstrat durch Hans Baumann, Bern (Gründer der Firma Luwasa) möglich. Blähton hat den großen Vorzug, für eine gute Durchlüftung der Nährlösung zu sorgen. Damit ergibt sich eine Arbeitsteilung in der Hydrokultur zwischen dem physikalischen Teil, nämlich Halt, Befeuchtung und Belüftung der Wurzeln, und dem chemischen, die Bereitstellung der geeigneten Nährstoffe. Im physikalischen Teil liegt jedoch der Hund begraben. Das Pflanzgefäß ist zugleich Vorratsgefäß für die Nährlösung. Zugunsten des Vorrates muss daher der Blähton unter Wasser gesetzt werden, was seine bedeutende Funktion der Durchlüftung zunichte macht. Dies ist der Grund, weshalb herkömmliche Hydrokultur nicht funktioniert.

Zucht ohne Erde

Ursprünglich definierte Gericke Hydrokultur als Kulturanbau in Mineralnährstofflösungen ohne ein festes Medium für die Wurzeln. In gedruckter Form widersprach er Leuten, die den Ausdruck „Hydrokultur“ auf andere Zuchtmethoden ohne Erde, wie z.B. Sand-Kultur oder Kieskultur, übertrugen. Die Abgrenzung zwischen Hydrokultur und einer Pflanzkultur ohne Erde ist häufig verwischt worden. Pflanzkultur ohne Erde ist ein weitgefassterer Begriff als Hydrokultur, er impliziert lediglich, dass keine Erdarten mit Ton oder Lehm verwendet werden. Es ist zu bedenken, dass Sand zwar eine Art von Erde ist, dennoch wird die Sand-Kultur als Pflanzkultur ohne Erde betrachtet. Hydrokultur ist eine Untergruppe der Pflanzkultur ohne Erde. Viele Arten der Pflanzkultur ohne Erde verwenden nicht die Mineralnährstoff-Lösungen, die für die Hydrokultur erforderlich sind. Jährlich werden Milliarden von Containerpflanzen produziert, dazu gehören Obstbäume, Schatten spendende Bäume, Sträucher, Setzlinge für Wälder, Gemüsesetzlinge, Beetpflanzen, Stauden und Rebstöcke. Die meisten Containerpflanzen werden gemäß der Pflanzkultur produziert, die auf Erde als Medium verzichtet. Die meisten Pflanzen werden jedoch nicht gemäß der Methode der Hydrokultur gezogen, da das erdlose Medium häufig einige der Mineralnährstoffe mittels Langzeitdünger, Kationenaustausch und Zersetzung des organischen Mediums selbst liefert. Die meisten erdlosen Medien für Containerpflanzen enthalten auch organische Materalien wie z.B. Torf oder kompostierte Rinde, welche die Pflanze mit etwas Stickstoff versorgen. Der Treibhausanbau von Pflanzen in Torfbeuteln wird häufig als Hydrokultur bezeichnet, genau genommen ist dieses aber nicht der Fall, da das Medium einige der Mineralnährstoffe liefert.

Vorteile von Hydrokultur

Im folgenden einige der Gründe, warum die Methode der Hydrokultur weltweit für die Nahrungsmittelproduktion Anwendung findet:

• Es wird keine Erde benötigt
• Da das Wasser im System verweilt, kann es wiederverwendet werden – d.h. geringerer Wasserverbrauch
• Es ist möglich, den Nährstoffpegel in vollem Umfang zu kontrollieren – d.h. geringere Nährstoffverbrauch
• Da es sich um ein kontrolliertes System handelt, gelangen keine Nährstoffbelastungen in die Umwelt
• Stabile und hohe Erträge
• Aufgrund der Mobilität der Behälter lassen sich Schädlinge und Krankheiten leichter bekämpfen als es beim Medium Erde der Fall ist.

Heutzutage ist die Hydrokultur etabliert als Zweig der Agrarwissenschaft. Der Fortschritt hat sich rasant vollzogen, die Ergebnisse, die in verschiedenen Ländern erzielt wurden, stehen als Beweis für die absolute Zweckmäßigkeit dieser Methode und ihrer Überlegenheit in vielen Belangen gegenüber herkömmlichen Methoden des Gartenbaus. Die beiden Hauptvorzüge dieser erdlosen Anbaumethode von Pflanzen sind erstens die viel höheren Ernteerträge, und zweitens die Tatsache, dass die Hydrokultur auch an solchen Plätzen betrieben werden kann, an denen Bodenanbau oder Gartenbau nicht möglich ist.

Nachteile von Hydrokultur

Die Bedingungen, die innerhalb des Systems der Hydrokultur herrschen (das Vorhandensein von Dünger sowie hohe Luftfeuchtigkeit), erzeugen eine Umgebung, die das Wachstum von Salmonellen fördert. Ein weiterer Nachteil ist der Krankheitserregerbefall einschließlich Wurzelfäule infolge der Verticillium-Welke, die durch die hohen Feuchtigkeitsgrade bedingt sind, die die Hydrokultur und die Verwässerung von auf Erde basierenden Pflanzen mit sich bringt. Außerdem benötigen viele Hydrokultur-Pflanzen andersartige Dünger und Sicherheitsbehälter-Systeme.

Methoden

Lösungs-Kultur und Medium-Kultur stellen die zwei Hauptarten der Hydrokultur dar. Die Lösungskultur kommt ohne festes Medium für die Wurzeln aus, sie verwendet lediglich die Nährlösung. Die drei Hauptarten der Lösungs-Kultur sind die „Statische Lösungs-Kultur“ (static solution culture), die “Durchlauf-Lösungs-Kultur” (continuous flow solution culture) und Aeroponik. Die Medium-Kultur verwendet für die Wurzeln ein festes Medium, ihren Namen trägt sie je nach Art des Mediums – z.B. Sand-Kultur, Kies-Kultur oder Steinwolle-Kultur.

Für jedes Medium gibt es zwei Hauptvariationen, die Unterflurbewässerung und Oberflächenbewässerung. Unabhängig von der Methode, die meisten Behälter, die in der Hydrokultur heutzutage Verwendung finden, sind aus Kunststoff, andere Werkstoffe sind jedoch ebenfalls eingesetzt worden, wie z.B. Beton, Glas, Metall, pflanzliche Feststoffe und Holz. Die Behälter sollten Licht ausgrenzen, um die Algenbildung in der Nährlösung zu verhindern.

Hydroponik

Durchlauf-Lösungs-Kultur

continuous flow solution culture

Bei der Durchlauf-Lösungs-Kultur fließt die Nährlösung fortwährend an den Wurzeln vorbei. Diese Methode lässt sich leichter als die „statische Lösungs-Kultur“ automatisieren, weil Probenentnahmen und Justierungen der Temperatur und der Lösungs-Konzentration in großen Vorratsbehältern durchgeführt werden, die für Tausende von Pflanzen ausgelegt sind. Eine weit verbreitete Variation ist die sog. Nährfilmtechnik NFT ( nutrient film technique), eine Technik, bei der ein sehr dünner Wasserschwall, der alle für das Pflanzenwachstum notwendigen gelösten Nährstoffe enthält, permanent die in einer wasserdichten Rinne freiliegenden Wurzeln umspült.

Idealerweise sollte der ständig umlaufende Wasserschwall sehr flach sein, damit die Oberseite der dichten Wurzelmatte, die sich am Grund der Rinne entwickelt, (auch wenn sie feucht ist) in die Luft ragt. Folglich werden die Wurzeln der Pflanzen mit reichlich Sauerstoff versorgt. Ein einwandfrei konzipiertes NFT-System beruht auf der Verwendung der richtigen Rinnen-Neigung, der richtigen Fließgeschwindigkeit und der richtigen Rinnenlänge. Der Hauptvorteil des NFT-Systems anderen Formen der Hydrokultur gegenüber besteht in der Tatsache, dass die Wurzeln der Pflanzen ausreichend mit Wasser, Sauerstoff und Nährstoffen versorgt werden. Bei allen anderen Produktionsformen besteht ein Konflikt zwischen der Versorgung dieser drei Erfordernisse, da eine übermäßige oder unzureichende Versorgung eines Erfordernisses zum Ungleichgewicht eines anderen oder gar beider anderen Erfordernisse führt. Dank der Konstruktion des NFT-Systems werden alle drei für den gesunden Pflanzenwuchs erforderlichen Grundbedürfnisse gleichzeitig befriedigt -vorausgesetzt, das einfache Konzept der NFT wird stets berücksichtigt und praktiziert. Im Ergebnis führen diese Vorteile zu höheren Erträgen qualitativ hochwertiger Erzeugnisse über einen längeren Erntezeitraum. Die Kehrseite der NFT ist die Tatsache, dass dieses System eine geringe Pufferung gegen Unterbrechungen des Durchflusses aufweist, wie z.B. bei Stromausfall. Im Großen und Ganzen stellt dieses System jedoch wohl eine der produktivsten Techniken überhaupt dar.

Die gleichen Konzeptionsmerkmale gelten für alle herkömmlichen NFT-Systeme. Während entlang der Rinnen ein Gefälle von 1:100 empfohlen wird, erweist es sich in der Praxis als schwierig, eine Grundplatte für die Rinnen zu bauen, die es wirklich ermöglicht, Nährfilme fließen zu lassen, ohne dass sich Bereiche bilden, in denen es zum Stillstand der Flüssigkeit kommt. Daher ist es empfehlenswert, mit einem Gefälle von 1:30 oder 1:40 zu arbeiten. Dadurch treten geringfügigere Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche auf, aber selbst bei diesen Gefällen kann es zum Stillstand und zur Vernässung kommen.

Das Gefälle könnte mittels des Fußbodens realisiert werden oder Bänke bzw. Ständer könnten die Rinnen halten und somit für das erforderliche Gefälle sorgen. Beide Methoden finden Anwendung und unterliegen örtlichen Anforderungen, die häufig durch die Anforderungen der Anlage und der der Kulturpflanze bestimmt werden

Als allgemeine Orientierung gilt, dass die Strömungsgeschwindigkeit für jede Rinne 1 Liter pro Minute betragen sollte. Bei Anpflanzung kann die Geschwindigkeit halbiert werden, die maximale Fließgeschwindigkeit sollte bei 2 Litern pro Minute liegen. Fließgeschwindigkeiten jenseits dieser Extremwerte führen häufig zu Problemen in der Nährstoffversorgung der Pflanzen. Bei vielen Kulturpflanzen wurden niedrigere Wachstumsraten festgestellt, wenn die Rinnenlänge mehr als zwölf Meter beträgt.

Bei schnell wachsenden Kulturpflanzen haben Tests verdeutlicht, dass sich der Stickstoff über die Länge der Rinne hin erschöpft, während die Sauerstoff-Pegel angemessen bleiben. Daher sollte die Rinnenlänge nicht 10 bis 15 Meter übersteigen. In solchen Fällen, wo dieses nicht möglich ist, können Wachstums-Einbußen dadurch verhindert werden, dass eine weitere Nährstoffzufuhr auf halber Strecke der Rinne erfolgt und dass die Fließgeschwindigkeit durch jeden Auslass auf 1 Liter/min. reduziert wird.

Statische Lösungs-Kultur

Bei der statischen Lösungskultur werden die Pflanzen in Behältern, die Nährlösungen enthalten, gezogen. Typische Behälter sind Einweckgläser (typischerweise bei Heimanwendungen), Plastik-Eimer, Bottiche oder Aquarien. Die Lösung wird gewöhnlicherweise leicht mit Luft durchsetzt, kann aber auch unbelüftet bleiben. In diesem Fall wird der Pegelstand der Lösung so niedrig gehalten, dass sich ausreichend Wurzeln oberhalb der Lösung befinden, so dass sie angemessen Sauerstoff ziehen können.

Für jede Pflanze wird ein Loch in den Deckel des Behälters geschnitten. Pro Behälter können sich eine oder mehrere Pflanzen befinden.

Mit Größerwerden der Pflanze kann auch die Größe des Behälters angepasst werden. Selber kann man sich ein System aus Kunststoff- Nahrungsmittelbehältern oder Einmachgläsern herstellen, für die Belüftung sorgt eine Aquarium-Pumpe, Aquarium-Luftschläuche und Aquarium-Ventile. Durchsichtige Behälter werden mit Aluminium-Folie, Packpapier, schwarzem Plastik oder anderem Material bedeckt, um Licht auszuschließen, damit die Bildung von Algen verhindert wird. Die Nährlösung wird entweder nach Plan gewechselt – wie z.B. einmal die Woche – oder dann, wenn die Konzentration unter einen bestimmten Wert fällt (wird mittels eines elektrischen Leitfähigkeits-Messgeräts ermittelt).

Ist die Lösung unter ein gewisses Niveau gesunken, wird entweder Wasser oder frische Nährlösung hinzugegeben. Mittels einer Mariotteschen Flasche oder eines Schwimmerventils kann der Pegelstand der Lösung automatisch aufrechterhalten werden. Bei der „Floß-Lösungs-Kultur“ befinden sich die Pflanzen auf einer schwimmfähigen Plastikplatte, die auf der Oberfläche der Nährlösung treibt. Auf diese Weise befindet sich der Pegel der Lösung niemals unterhalb der Wurzeln.

Aeroponik

Aeroponik bezeichnet eine Anbauform, bei der die Pflanzen in einem Nährstoffnebel angebaut werden, ohne dass ein gewöhnliches Medium, wie z.B. Erde (als Geoponik bezeichnet), verwendet wird. Der Begriff “Aeroponik” leitet sich aus den griechischen Wörtern “aero” (Luft) und “ponos” (Arbeit) ab. Die Aeroponik unterscheidet sich sowohl von der herkömmlichen Hydrokultur als auch von der in-vitro Anbauform (wörtlich: im Glas; Gewebekultur). Im Gegensatz zur Hydrokultur, die Wasser und lebenswichtige Mineralien als Anbau-Medium verwendet, greift die Aeroponik auf kein Anbau-Medium zurück. [1] Da die Aeroponik zur Übertragung der Nährstoffe Wasser verwendet, wird diese Anbauform häufig als eine Gattung der Hydrokultur angesehen.

Verfahrensweise

Der Grundgedanke der aeroponischen Anbauform besteht darin, die Pflanzen einer vollkommen geschlossenen bzw. nahezu geschlossenen Anbau-Umgebung auszusetzen. Dabei werden die Wurzeln und der untere Stamm der Pflanzen mit einer Nährstofflösung besprüht.Die Blätter und die Krone, häufig als „Kronendach“ bezeichnet, erstrecken sich oberhalb. Die Wurzeln der Pflanze werden dabei von der Stützstruktur der Pflanze getrennt.

Oft wird der untere Stamm mit geschlossenzelligem Schaumstoff umwickelt und in die Öffnung der aeroponischen Kammer eingesteckt, wodurch Arbeit und Kosten vermindert werden. Das Gewicht grösserer Pflanzen als auch das möglicher Früchte läßt sich durch die Verwendung von Spalieren auffangen.

Im Idealfall wird die Umgebung frei von Schädlingen und Krankheiten gehalten, so dass sich die Pflanzen schneller und gesünder als in einem Medium entwickeln können.Da die meisten aeroponischen Umgebungen jedoch nach außen nicht vollständig abgeschlossen sind, können Schädlinge und Krankheiten weiterhin eine große Gefahr darstellen. Kontrollierte Umgebungen fördern das Wachstum, die Gesundheit, die Blütezeit und das Früchtetragen einer jeden Pflanzenart und Kultursorte.

Aufgrund der Empfindlichkeit der Wurzelsysteme wird die Aeroponik häufig mit der herkömmlichen Hydrokultur kombiniert, die dann im Notfall als „Ernteretter“- d.h. als Sicherung der Nährstoff- und Wasserversorgung- fungiert, falls der aeroponische Apparat ausfallen sollte.