Блог

Химические процессы в кокосовом субстрате, ионный обмен и ЕКО

В этой статье рассмотрены основные сложности, возникающие при работе с кокосовым субстратом, пути их решения и химические процессы, являющиеся их причиной

Кокосовый субстрат стал популярен среди садоводов благодаря своим уникальным свойствам. Этот материал экологичен, хорошо удерживает влагу и аэрируется. Кроме того, его уровень кислотности подходит для большинства культур, а при определенных условиях его нетрудно использовать повторно. Больше информации о самом субстрате и методах его производства вы найдёте в нашей статье Simplex CocoBrick. Сегодня же мы рассмотрим проходящие в нём химические процессы, связанные с ёмкостью катионного обмена (ЕКО), осмотическим давлением и буферизацией, а также разберём, как эти параметры влияют на эффективность удобрений и общий рост растений.

ЕКО и осмотическое давление

Для лучшего понимания последующей информации представьте кокосовый субстрат как скопление капиллярных микрогубок. Это очень пористый материал, способный удерживать вес влаги, девятикратно превышающий его собственный вес. Высыхание практически не вызывает уплотнения субстрата, поэтому он сохраняет возможность аэрации.

Помимо микропор, в кокосовом субстрате есть ещё более мелкие единицы — мицеллы. Они обладают способностью удерживать положительно заряженные частицы солей (катионы), которые затем могут быть заменены другими аналогичными частицами. Эти обменные места также называют буфером. Их способность удерживать определённое количество ионов выражается следующим показателем:

Ёмкость катионного обмена почвы (ЕКО) — это максимальное количество катионов, способное удерживаться твёрдой фазой почвы и обмениваться на катионы раствора. Выражается в молях на килограмм (моль/кг).

У кокосового субстрата этот показатель весьма высок для органического материала, и составляет 0,5–1 моль/кг. Высокая ЕКО означает, что субстрат способен эффективно удерживать важные катионы, такие как:

  • калий (K+);
  • кальций (Ca2+);
  • магний (Mg2+).

Положительно заряженные частицы притягиваются в ЕКО из-за того, что поверхность мицелл заряжена отрицательно. Но особенно важно то, что буфер кокосового волокна, в отличие от минеральной ваты или другого инертного субстрата, изначально не пуст. Натуральное, необработанное волокно содержит большое количество ионов натрия (Na+) и калия (К+). Положительно заряженные частицы образуют диффузный слой ионов вокруг ядра мицеллы. Этот слой подвижен, поэтому ионы в нём обладают способностью обмениваться на ионы питательного раствора.

В буферной зоне одни катионы замещаются другими

Оба этих элемента (Na, K) представлены в виде одновалентных частиц. Это означает, что они несут всего по одному положительному заряду и слабо взаимодействуют с молекулами, несущими противоположный заряд. А вот кальций и магний, которые содержатся в питательном растворе, являются двухвалентными элементами. Их способность к взаимодействию с отрицательно заряженными частицами значительно выше. Поэтому происходит катионный обмен, в ходе которого натрий и калий попадают в корневую зону, а их места в буфере занимают кальций и магний.

Это создает дисбаланс питательных веществ, что уже само по себе негативно влияет на рост. Но есть ещё одна проблема: когда концентрация одновалентных ионов в субстрате становится слишком высокой, то в силу вступает обратное (относительно корней) осмотическое давление.

Осмотическое давление — это сила, возникающая в результате разницы концентраций растворенных веществ (в данном случае ионов) по обе стороны полупроницаемой мембраны, которой является клеточная стенка корней. Она создает направленное движение молекул воды (H2O) в тот раствор, где концентрация веществ выше.

В результате корни теряют влагу, вместо того, чтобы впитывать её. Это приводит к обезвоживанию и затруднению усвоения всех питательных веществ, даже тех, которые не участвуют в катионном обмене.

Когда концентрация одновалентных ионов в субстрате становится слишком высокой, корни теряют влагу, вместо того, чтобы впитывать её

ЕКО имеет значение не только в контексте кокосового субстрата. Агрономы используют этот показатель для определения плодородности грунта, в который собираются высадить саженцы. Определение ёмкости катионного обмена почвы включает несколько основных шагов:

  1. Отбор пробы. Для начала необходимо взять пробу почвы, которую затем высушивают и просеивают, чтобы удалить камни и другие крупные частицы.
  2. Удаление всех катионов с поверхности частиц почвы. Для этого образец промывают раствором солей (обычно аммония), который вытесняет все катионы, находящиеся в буферной зоне почвы.
  3. Определение количества вытесненных катионов. После того как все катионы были удалены из образца, их концентрация определяется с помощью химического анализа (например, титриметрии или спектрофотометрии). Обычно измеряют такие катионы, как калий, натрий, кальций и магний.
  4. Подсчёт ёмкости катионного обмена. ЕКО выражается в миллиэквивалентах на 100 граммов почвы (мэкв/100 г) или в молях на килограмм почвы (моль/кг). Чем выше ЕКО, тем больше катионов почва может удерживать и обменивать.

Исходя из полученных данных, делается вывод о том, насколько эффективно грунт может удерживать полезные катионы. Существует специальный ГОСТ ёмкости катионного обмена почвы.

Происхождение солей в кокосовом субстрате

Катионы К+ и Na+ оказывают негативное воздействие на растения, высвобождаясь из ЕКО. Но как они вообще там появились? Дело в том, что кокосовое волокно — не инертный субстрат. Его производят из органического материала, шелухи кокосовых орехов. Пальмы, на которых они растут, относятся к категории растений, именуемых галофитами. Их уникальная особенность в том, что они могут расти на засоленной почве, где многие другие растения не способны нормально развиваться.

Как и любые другие представители флоры, пальмы в ходе жизненного цикла накапливают в своих тканях различные соединения. Но у них есть определенные механизмы адаптации, позволяющие концентрировать избыток солей в отмирающих тканях, листьях и кожуре плодов. Пальмы обычно растут в прибрежных зонах и получают большое количество натрия из морской воды, которую они впитывают. Вода богата солями этого элемента, а кокосовая шелуха сохраняет эти соли, поскольку растение накапливает их именно в этих тканях.

Калий является одним из первостепенных макроэлементов, участвующих в формировании растительных тканей. Галофиты впитывают его из почвы в большем количестве, чем другие растения. Им это нужно для компенсации высокой концентрации натрия. В кокосовой шелухе калий также представлен в виде солей: хлорида (KCl) и сульфата (K₂SO₄). При поливе эти соли растворяются, распадаясь на ионы с противоположным зарядом. К+ активно участвует в уже рассмотренном процессе катионного обмена.

Кокосовые пальмы, из шелухи орехов которых делают кокосовый субстрат, получают большое количество натрия из морской воды, которую они впитывают

Хотя калий и является важным элементом питания растений, но его избыточная концентрация может нанести вред из-за вытеснения двухвалентных ионов других элементов и повышения осмотического давления.

Предварительная промывка кокосового волокна позволяет снизить концентрацию солей, изначально присутствующих в нём. Но это не решает проблему полностью, поэтому для минимизации негативного воздействия натрия и калия крайне важно использовать правильно буферизованный кокосовый субстрат и удобрения, которые обеспечивают дополнительные источники кальция и магния. Вы можете применять качественный субстрат Simplex CocoBrick, который поставляется в уже промытом и высушенном при оптимальных условиях виде.

Влияние pH на усвоение элементов

Как и в случае с любыми другими субстратами, уровень кислотности (pH) оказывает значительное влияние на способность корней растений усваивать питательные вещества. Для кокосового субстрата оптимальный диапазон значений этого параметра составляет 5,5–6,5. Поддержание этого уровня создаёт наилучшие условия для развития большинства культур. Выход за допустимые значения приводит к негативным последствиям:

  • pH ниже 5,5 (более кислая среда) — увеличивается доступность некоторых токсичных элементов, таких как алюминий (Al) и марганец (Mn), что может угнетать рост растений. Кроме того, блокируется потребление кальция и магния.
  • pH выше 6,5 (щелочная среда) — снижается доступность таких элементов, как фосфор (P), железо (Fe), медь (Cu) и цинк (Zn), что может привести к дефициту и нарушению метаболических процессов.

Уровень кислотности (pH) оказывает значительное влияние на способность корней растений усваивать питательные вещества

Нестабильный pH также может влиять на катионный обмен, изменяя способность субстрата удерживать и высвобождать питательные вещества. Поэтому очень важно контролировать уровень кислотности на протяжении всего цикла культивации, чтобы поддерживать оптимальные условия для усвоения элементов.

Углерод-азотное соотношение (C/N)

Следующий важный фактор, оказывающий влияние на усвоение корнями питания, — углерод-азотное соотношение (C/N), которое показывает, какое количество углерода приходится на условную единицу азота. Для большинства органических субстратов оптимальные значения этого показателя равны от 25:1 до 30:1. Для необработанной кокосовой шелухи типичный C/N составляет порядка 110:1. Это обусловлено высоким содержанием органических соединений, таких как лигнин и целлюлоза.

Микроорганизмы активно разлагают органику, используя в этом процессе азот в качестве, условно, «топлива». Когда содержание углерода значительно превышает содержание азота (высокий C/N), бактерии испытывают азотное голодание. В результате они связывают практически весь объём этого элемента, делая его недоступным для растений. Кроме того, снижается скорость разложения органических соединений, что приводит к их избыточному накоплению в субстрате.

Если азота мало, то бактерии связывают практически весь его объём, делая его недоступным для растений

Эту проблему можно решить с помощью проведения предварительной контролируемой ферментации. Однако есть более простой и распространенный вариант — увеличение концентрации азотных удобрений. Также при выращивании на кокосовом субстрате крайне важно обеспечить растения азотом с самого начала их развития.

Ферментация и выделение фенола

В контексте кокосового субстрата ферментацией называется разложение микроорганизмами органических соединений, о котором мы говорили выше. В этой среде органика представлена в основном целлюлозой и лигнином. С первым соединением проблем нет, но относительно второго есть определенные нюансы, которые важно знать.

Лигнин — это сложный полимер, который разлагается довольно медленно. При этом высвобождаются не только безвредные для растений органические кислоты, но также и фенолы.

Фенолы — это органические соединения, содержащие фенольную группу (–OH), связанную с ароматическим кольцом. Они образуются как побочные продукты разложения лигнина. Накопление этих веществ в субстрате может привести к следующим негативным последствиям:

  1. Угнетение корневой системы. Высокая концентрация фенолов препятствует нормальному поглощению воды и питательных веществ.
  2. Токсичность. Ещё более высокое содержание фенолов может вызвать повреждение некоторых корневых клеток.
  3. Подавление микробной активности. Чем больше накапливается фенолов, тем сильнее замедляется дальнейшее разложение органики, в силу их антибактериальных свойств.

В ходе деятельности бактерий выделяются фенолы, которые отравляют бактерии, из-за чего они не могут работать дальше

При этом сам лигнин важен для поддержания правильной физической структуры кокосового субстрата. Во многом именно это вещество обеспечивает его пористость и хорошую способность к аэрации. Контроль содержания лигнина обеспечивается промывкой и буферизацией.

Буферизация и регулировка ЕКО

Мы рассмотрели все основные сложности, связанные с использованием кокосового субстрата. Теперь необходимо разобраться с тем, как их можно преодолеть. В первую очередь, если речь идет о сыром и необработанном волокне, его необходимо тщательно промыть. Это позволяет снизить концентрацию солей в субстрате, а также избавиться от наиболее мелкой фракции (пыли), которая не нужна в ходе выращивания и лишь снижает аэрационные свойства. Промывку можно осуществить с помощью простой проточной воды и мелкоячеистого сита. Основным же подготовительным шагом является буферизация.

Буферизация — это процесс, направленный на регулирование катионного обмена в кокосовом субстрате и улучшение его химических свойств. Основная цель буферизации — замещение нежелательных катионов, таких как натрий (Na+) и калий (К+), полезными элементами — кальцием (Ca2+) и магнием (Mg2+).

Процесс буферизации обычно подразумевает обработку субстрата растворами KalMag, с помощью которых из обменных мест вытесняются нежелательные катионы. Это улучшает химический состав субстрата и способствует лучшему усвоению питательных веществ корнями растений. Также регулируется pH кокосового волокна, за счёт чего его будет проще поддерживать в оптимальных значениях в ходе культивации.

В кокосовом волокне, залитом раствором KalMag, катионы K+ и Na+ вытесняются катионами Ca2+ и Mg2+ в раствор

Буферизацию кокосового субстрата можно рассматривать как заключительный и наиболее важный этап его подготовки. С её помощью устраняются многие проблемы, такие как избыток натрия, вытеснение полезных катионов, нестабильный pH.

Чтобы приготовить кокосовый субстрат самостоятельно, вы можете провести промывку и буферизацию сами, даже в домашних условиях. Для этого купленный брикет кокосового волокна необходимо промыть, затем замочить в растворе удобрений Simplex Coco на ночь, отжать и переложить в горшок. Подробнее о правилах самостоятельной буферизации читайте в статье Simplex CocoBrick.

Важно! Для промывки и буферизации кокосового субстрата нужно использовать воду подходящей температуры. Она не должна быть ниже 17–18°C, поскольку иначе процесс замещения катионов будет проходить медленнее. Верхняя граница составляет 26–28°C. При её превышении начинаются процессы, негативно сказывающиеся на растениях. Оптимальная температура воды и буферного раствора составляет 20–22°C.

Заключение

Кокосовый субстрат — это высокоэффективный материал для растениеводства, но его использование требует тщательной подготовки и понимания ключевых процессов, проходящих в нём. Химия кокосового субстрата может показаться сложной на первый взгляд. Однако на самом деле ничего затруднительного в этом нет.

Основным показателем, определяющим способность субстрата удерживать ионы и снабжать растения необходимыми питательными веществами, является ёмкость катионного обмена (ЕКО). Чтобы он работал на пользу гроверу, обменные места необходимо заполнить полезными ионами с помощью предварительной обработки. Также важно учитывать оптимальный уровень pH и углерод-азотное соотношение (C/N).

Кокосовый субстрат — прекрасный современный материал для эффективного растениеводства

Буферизация и промывка позволяют решить все основные проблемы и обеспечить стабильные условия для выращивания в кокосовом субстрате. Также стоит помнить ещё несколько правил:

  • Никогда не поливайте растения в кокосовом субстрате простой водой.
  • Удобрения необходимо применять с первых дней жизни растения.
  • Реверсивную систему полива нужно использовать в сочетании с удобрениями для гидропоники Simplex Hydro, поскольку удобрения для кокоса могут засорять её.
  • При ручном поливе не используйте дренаж повторно, а при реверсивном — регулярно обновляйте раствор.

Следуя этим несложным инструкциям, а также используя качественные материалы для растениеводства, вы сможете получать стабильный и качественный результат. А ваши растения всегда будут сильными, здоровыми и красивыми!
2024-12-24 14:57