Coltura idroponica: tutto quello che devi sapere

Cos'è l'idroponica

La coltura idroponica è un metodo di coltivazione che fa crescere le piante nell’acqua anziché nel suolo. Fa parte dei più ampi metodi di coltivazione “fuori suolo”, che comprendono l’acquaponica e l’aeroponica.

Nella maggior parte dei casi la coltivazione avviene con le radici della pianta immerse nell'acqua, ma occasionalmente può essere effettuata anche in altri substrati, come gel o un mezzo inerte come perlite, ghiaia, ecc.

Non essendoci terreno, il nutrimento delle piante in elementi minerali avviene facendoli sciogliere nell'acqua. In molti casi la coltivazione idroponica equivale alla coltivazione indoor, con la luce fornita da un fulmine artificiale. Tuttavia, la coltura idroponica è possibile anche all’esterno, poiché fornisce luce solare “gratuita” a scapito di un aumento del rischio di contaminazione (vedi sotto).

La dimensione del mercato idroponico è cresciuta fino a quasi 5 miliardi di dollari nel 2023 e si prevede una crescita CAGR del 12.4% fino al 2030.

La scienza dell'idroponica

Sebbene la maggior parte delle piante possa essere coltivata con sistemi idroponici, alcune necessitano di un substrato per ancorare le radici. Questo è il motivo per cui vengono utilizzati substrati inerti come la fibra di cocco, la vermiculite (una roccia silicata) e la perlite (un vetro vulcanico amorfo).

Fonte: Controllo climatico

Nutrienti come fosfato, potassio e azoto (“NPK”), nonché micronutrienti, vengono disciolti nell’acqua, consentendo un’efficienza quasi del 100% nell’uso dei fertilizzanti.

La coltura idroponica può essere suddivisa in 2 diversi tipi di design: sistemi aperti e chiusi.

Sistemi aperti: richiedono che l’acqua carica di nutrienti scorra dal serbatoio alla camera di crescita.
Sistemi chiusi: hanno le radici direttamente immerse nella soluzione nutritiva e, quindi, non necessitano di pompe.

I sistemi passivi, a differenza dei sistemi attivi, sono sistemi idroponici che non richiedono componenti elettrici come pompe, ventilazione, luci artificiali e timer.

Cosa si può coltivare con la coltura idroponica

La coltura idroponica viene utilizzata per coltivare molte colture sensibili e di alto valore. I più comuni sono i seguenti, nell'ordine: Pomodori, Erbe aromatiche, Lattuga, Cetriolo.

Fonte: Grand View Research

Un altro uso meno documentato ma significativo dell’idroponica è stata la coltivazione di cannabis su piccola o media scala. Sebbene questa pratica rimanga illegale nella maggior parte dei paesi, esiste un elenco crescente di nazioni che consentono tale crescita delle colture con la licenza adeguata in un contesto commerciale: il Canada è uno dei principali esempi di ciò.

Molte aziende agricole commerciali di cannabis che operano negli Stati Uniti in cui la coltivazione della cannabis è legale preferiscono la coltivazione in serra. Qui, i metodi idroponici vengono utilizzati per produrre un risultato più coerente di quanto sia possibile con il suolo.

I pro della coltura idroponica

Controllate

Il principale vantaggio dell'idroponica è il livello di controllo offerto dalla tecnica. Questo è particolarmente vero se abbinato alla coltivazione indoor, rispetto alla coltivazione in terra o persino in serra. Questo si traduce in molteplici vantaggi per la coltivazione commerciale.

Può produrre risultati più coerenti. Ad esempio, l’esatta composizione chimica di una pianta di cannabis destinata ad essere successivamente utilizzata per la produzione di prodotti farmaceutici. Ciò consente agli sforzi di ricerca e sviluppo di trovare le condizioni perfette, ottenendo un prodotto della massima qualità.

Può anche comportare un maggiore controllo sui tempi di crescita per ottenere una produzione molto coerente e stabile. Ciò è molto utile per i prodotti con una domanda relativamente costante ma con picchi di produzione stagionale nei campi, come pomodori o frutti di bosco.

Combinando ciascuna delle funzionalità, il livello di controllo reso possibile può essere utilizzato per ottimizzare la velocità di crescita, il gusto, l'odore o l'aspetto del prodotto vegetale finale, che probabilmente comporterà un sovrapprezzo.

Infine, può essere utilizzato anche per monitorare le colture e individuare tempestivamente eventuali problemi.

lo spazio

Grazie alle condizioni ottimali, è possibile coltivare più raccolti per metro quadrato che in altre condizioni. Ciò lo rende una buona opzione per l’agricoltura urbana, come discusso nel nostro articolo “Ampliare l’agricoltura urbana per apportare numerosi vantaggi“. Ciò può consentire che il cibo venga coltivato localmente invece che importato per centinaia o migliaia di miglia, anche se la terra e lo spazio sono più costosi a livello locale.

Sarà un metodo agricolo estremamente prezioso per ambienti avversi come le future basi lunari o marziane, dove i costi di trasporto proibitivi renderanno estremamente preziose le scorte di cibo coltivato localmente.

Domanda di nutrienti e sprechi

Come accennato, poiché i nutrienti sono nell'acqua e l'acqua rimane nelle camere di crescita e/o in un serbatoio, non vi è alcuna perdita di nutrienti nel sistema se non quella che viene effettivamente assorbita dalla pianta durante la sua crescita.

Fonte: Unsplash

Ciò consente di utilizzare i fertilizzanti per far crescere le colture il più vicino possibile all'ottimale. Negli approcci più tradizionali all’agricoltura, l’uso eccessivo di fertilizzanti in campi aperti porta a molteplici problemi. Questi si estendono per includere danneggiamento degli ecosistemi del suolo a fioritura di alghe tossiche e persino eutrofizzazione dei corpi idrici dolci. Pertanto, ridurre la quantità di fertilizzanti rilasciati nell’ambiente è una preoccupazione ecologica importante e spesso trascurata.

Fonte: Britannica

Utilizzo dell'acqua

Contrariamente a quanto sembra, la coltura idroponica utilizza molta meno acqua rispetto ai metodi di coltivazione tradizionali. Questo vale sia che si svolgano in campo aperto che in serra.

Questo perché l'evaporazione dell'acqua è ridotta al minimo grazie al minimo contatto superficiale con l'aria e non fuoriesce nel terreno. In sostanza, l'acqua rimane all'interno del sistema chiuso.

Di conseguenza, l’idroponica può utilizzare pochissimo come 1/10 dell'acqua rispetto ai tradizionali metodi di irrigazione delle colture in pieno campo. Quindi questo può renderlo un’opzione eccellente per le aree con scarsità d’acqua e/o colture particolarmente affamate di acqua, come le verdure a foglia verde.

Intensità del lavoro

Poiché le piante crescono in un ambiente controllato e progettato su misura, possono anche essere progettate per ottimizzare i costi di manodopera. L’automazione può sostituire la maggior parte dei lavori agricoli tradizionali più pericolosi e le piante che già crescono in vasi senza terra possono risparmiare tempo per la raccolta, la pulizia e il confezionamento.

I contro della coltura idroponica

Costi

Il limite principale dell’idroponica sono i suoi costi. Poiché richiede strutture dedicate e spesso pompe, ventilazione, ecc., è molto più costoso da allestire rispetto ai metodi agricoli tradizionali. Ciò è ulteriormente aggravato nei climi freddi che richiedono hardware aggiuntivo come il controllo del clima e le luci artificiali, ognuno dei quali non fa altro che aumentare i costi energetici delle operazioni di coltivazione.

A causa di questo limite, la maggior parte delle aziende agricole commerciali che si affidano all’idroponica si concentrano su colture di alto valore come frutta, bacche, verdure a foglia verde, cannabis, ecc., nel tentativo di massimizzare il ritorno sull’investimento.

Ad oggi, questo problema ha ostacolato l’adozione più ampia dell’agricoltura verticale in generale, includendo non solo la coltura idroponica ma anche l’acquaponica e l’aeroponica.

Elasticità

I sistemi idroponici sono, per progettazione, più artificiali delle colture in campo aperto. Ciò significa che dipendono dal corretto funzionamento di ciascuna delle seguenti cose:

• Catena di fornitura di parti e componenti.
• Alimentazione elettrica.
• Sistema elettronico connesso per operazioni altamente automatizzate e avanzate.
• Manodopera qualificata in grado di eseguire in modo efficiente il monitoraggio e la manutenzione richiesti.

Sebbene esistano modi per mitigare questi rischi, ad esempio con la ridondanza dei sistemi o un inventario più ampio (che si aggiunge ai costi di installazione), o la fornitura localizzata di energia attraverso la produzione di energia rinnovabile, l’idroponica non sarà mai così resistente come una coltura irrigata dalla pioggia in un campo aperto. campo.

Malattie originate dall'acqua e contaminazione da alghe

Gli agenti patogeni

Rimuovere il suolo elimina ovviamente tutti i rischi legati alle malattie che si sviluppano nel suolo, ma significa anche rimuovere un intero ecosistema di microbi benefici che proteggono dalle malattie delle piante. Nel frattempo, l’acqua che circola costantemente può essere un vettore per la diffusione di altri agenti patogeni, il che significa che gli eventi avversi possono essere devastanti e verificarsi ancora più rapidamente nei sistemi idroponici.

I due organismi più comuni che causano le malattie idroponiche sono Pythium e Phytophthora, entrambe le malattie fungine. Il Pythium può attaccare tutte le piante, mentre la phytophthora tende a colpire soprattutto le colture floreali.

Per affrontare questi problemi, gli agricoltori in genere impiegano regolarmente personale programmato pratiche di pulizia e igienizzazione e utilizzo di filtri, che può ridurre significativamente il rischio di agenti patogeni vegetali presenti nell'acqua. Basandosi su questo, test e monitoraggi regolari sono ugualmente utili per rilevare i primi segni di contaminazione.

Si consigliano inoltre sistemi idroponici multipli paralleli e non collegati per installazioni di grandi dimensioni per evitare una contaminazione diffusa. Controllare il pH dell’acqua può aiutare a ridurre la crescita dei funghi.

Alghe

Un altro contaminante che può influenzare i sistemi idroponici sono le alghe. Sebbene l'acqua contenga la miscela perfetta di nutrienti per stimolare la crescita delle piante, la stessa miscela rappresenta, allo stesso tempo, l'ambiente ideale per le alghe unicellulari. Se presenti, le alghe creano uno strato viscido e difficile da pulire sulle superfici e possono persino ostruire i filtri dell'acqua o i piccoli tubi.

Mentre i sistemi idroponici non devono preoccuparsi delle erbacce come in un campo, le alghe sono essenzialmente equivalenti. Come le erbacce, le alghe priveranno le colture dei loro nutrienti, riducendo la crescita e la salute delle piante.

Inoltre, le alghe ridurranno la concentrazione di ossigeno nell'acqua. Il primo effetto è che può danneggiare le radici della pianta e la sua crescita. Il secondo problema è che aiuta la crescita di malattie fungine come il Pythium.

Esistono diversi modi per controllare la crescita delle alghe, dall'utilizzo di filtri per pulire l'acqua in ingresso, all'esposizione dell'acqua alla luce UV per uccidere le alghe (Le lampade UV vengono abitualmente utilizzate per uccidere i microrganismi necessari per produrre acqua potabile nei servizi pubblici).

Innovazione nell'idroponica

Illuminazione a LED

Le luci a LED sono una tecnologia cruciale nell’idroponica, rendendo l’intera pratica fattibile su scala commerciale. Questo perché tali luci consumano molta meno energia rispetto alle fonti luminose tradizionali, durano più a lungo ed emettono molto meno calore.

Inoltre, non tutto lo spettro della luce visibile è utile per le piante nella fotosintesi, quindi è possibile utilizzare LED dedicati senza luce verde per ridurre ulteriormente l’elettricità consumata dai fulmini artificiali.

Fonte: agricoltura

IoT e automazione basata su sensori

La diminuzione dei costi dei sensori e dell’elettronica ha reso possibile il monitoraggio continuo di temperatura, umidità, luce, livelli di pH e volume dei nutrienti.

Sebbene più avanzata, questa agricoltura basata sui sensori aiuta a monitorare e regolare le condizioni di crescita in tempo reale per garantire raccolti ottimali, rafforzando i profitti del coltivatore.

Tecnologie basate sull'intelligenza artificiale

Come accennato, l’idroponica richiede un intenso livello di monitoraggio del sistema idrico, delle malattie, dei livelli di nutrienti, ecc. A tal fine, l’intelligenza artificiale viene sempre più utilizzata per aiutare a ottimizzare le condizioni ambientali esistenti, inclusi i livelli di luce, umidità e livelli di nutrienti.

L’intelligenza artificiale aiuta inoltre a ottimizzare gli investimenti e a ridurre i costi creando piani di crescita personalizzati per ciascun tipo di pianta.

Può anche utilizzare la visione artificiale o test biochimici per avvisare della presenza di agenti patogeni prima che un essere umano possa mai farlo.

Infine, con l’avvento dei robot agricoli autonomi, possiamo immaginare un sistema idroponico in cui la semina, la potatura, la raccolta e la sostituzione delle piante possano essere eseguite in modo completamente automatico.

Nuove innovazioni agricole

La coltivazione idroponica consente un controllo diretto sulle piante in un modo impossibile nell’agricoltura tradizionale. Ciò apre la porta alla sperimentazione di nuovi modi per aumentare la produttività delle colture oltre ad aumentare l’accesso alla luce o alle sostanze nutritive.

Ad esempio, esploriamo una di queste opzioni nel nostro articolo “L’elettricità è destinata a potenziare la crescita delle colture idroponiche”. I ricercatori hanno utilizzato un substrato artificiale personalizzato, o “terreno conduttivo/eSoil” fatto di cellulosa (il componente principale della carta) mescolata con un polimero conduttivo chiamato PEDOT (poli(3,4-etilendiossitiofene)).

In questo modo, potrebbero esporre le piantine a una bassa tensione continua, con un conseguente aumento del 50% del tasso di crescita.

Fonte: PNAS

Questo è un esempio di come i sistemi idroponici potrebbero offrire significativi guadagni di produttività grazie al loro maggiore livello di controllo.

Costruire un'installazione idroponica

Quando si pianifica la costruzione di un impianto idroponico, la prima domanda dovrebbe essere: perché scegliere l’idroponica rispetto ad altri metodi di coltivazione? Ci possono essere molte ragioni:

• Risparmiare acqua o ridurre l’inquinamento.
• Poter sperimentare nuovi metodi di coltivazione.
• Consumi domestici su piccola scala o strumenti pedagogici.
• Coltivare su larga scala colture di alta qualità e di alto valore.

A seconda della risposta si possono scegliere diversi sistemi idroponici.

Un'operazione commerciale dovrà bilanciare le risorse disponibili con i costi di avvio cercando di minimizzare i costi operativi. Considerare i mercati e i margini locali sarà estremamente importante nella scelta delle colture. Dovrebbero essere considerati anche il livello di automazione e la maturità della tecnologia utilizzata.

Un sistema artigianale su piccola scala deve essere adattato alle competenze tecniche dei suoi costruttori e utenti, poiché un progetto "ottimizzato" ma troppo complesso probabilmente non funzionerà bene. In tal caso, i componenti standard saranno probabilmente un'opzione migliore.

Un sistema dedicato alla risoluzione di un problema specifico, come la scarsità d’acqua, dovranno concentrarsi su questo parametro, soprattutto se rende altri elementi meno ottimizzati.

La coltura idroponica come parte di un sistema più ampio, come combinato con l'acquacoltura (acquaponica), dovrà essere progettato tenendo presente le altre fasi e componenti.

Conclusione

L’idroponica è un approccio potente ai sistemi di coltivazione, offrendo livelli eccezionali di controllo sulle condizioni di crescita. Si tratta in genere di sistemi molto efficienti, che vantano un utilizzo ottimizzato di fertilizzanti e acqua. Ciò lo rende un metodo di coltivazione su scala commerciale ideale per colture difficili da coltivare o prodotti di alto valore in cui tempi, gusto, composizione, aspetto o altri parametri qualitativi perfetti possono giustificare un prezzo molto più alto.

Grazie alla sua densità e all’elevata produttività, è anche un buon sistema per la produzione alimentare su scala domestica o per l’agricoltura urbana, dove lo spazio è spesso un limite.

Si tratta, tuttavia, di un sistema molto più complesso dell’agricoltura o del giardinaggio tradizionali. Ciò lo rende più costoso, più tecnico da installare e mantenere e più incline a problemi unici come la contaminazione da alghe e malattie trasmesse dall’acqua che devono essere gestiti attraverso soluzioni dedicate. In alcuni casi, sarà altrettanto impegnativo per le persone o le aziende prive delle capacità tecniche gestire queste sfide interne associate.

Nel complesso, anche se è improbabile che sia economicamente efficiente quanto le colture coltivate in grandi quantità a prezzi bassi in campi aperti, l’idroponica può essere una buona soluzione a problemi specifici o un buon metodo per coltivare prodotti locali di alta qualità.