Hydrokultur

Beispiel einer wasserkultivierten Krokuspflanze

Hydrokultur (altgriechisch ὕδωρ hydōr, deutsch ‚Wasser‘ und lateinisch cultura ‚Anbau‘) ist eine Form der Pflanzenhaltung, bei der die Pflanzen nicht in Erdreich wurzeln, sondern in wassergefüllten Behältern oder in der Natur in einem Feuchtgebiet.

Differenzierung

Unterschieden werden dabei:

• Hydrokultur von Zimmerpflanzen zur Innenraumbegrünung. Als Substrat dienen meist Blähtonkugeln. Die Pflanzenbehälter weisen Schwimmkörper zur Anzeige des Wasserstandes auf. Den Wasserstand lässt man (durch Wasserverbrauch der Pflanzen und Verdunstung) auf ein bestimmtes Maß absinken, bevor wieder aufgefüllt wird. Dadurch wird erreicht, dass die Wurzeln Sauerstoff zur Wurzelatmung erhalten, ansonsten würden die Wurzeln verfaulen. Die dem Wasser zugesetzten Nährsalze werden dabei entweder von der Pflanze aufgenommen oder konzentrieren sich in der Lösung, beim nächsten Gießen erfolgt dann wieder eine Verdünnung und eventuell eine Nachdüngung durch den Nutzer. Die zeitlich langen Gießabstände sind den Nutzern der Pflanzen willkommen, die Pflege ist somit nicht so zeitaufwändig wie bei Pflanzen in Erdsubstrat, die Pflanzen wachsen langsamer (verändern also nicht so rasch die Höhe) und kommen wegen des langsameren Wuchses (auch artabhängig) mit dem geringen Lichtangebot von Innenräumen aus.

Hydroponisch kultivierte Zwiebeln

• Hydroponik (altgr. πόνος ‚Arbeit‘) schweizerisch auch Hors-sol-Produktion ("ohne Erde") ist eine Methode zur Pflanzenproduktion, zum Anbau von Nutzpflanzen (zur Obst- und Gemüseproduktion, zur Arzneipflanzenaufzucht und zur Stecklingsbewurzelung) und auch von Zierpflanzen (beispielsweise das Heranziehen der oben beschriebenen Zimmerpflanzen in Gärtnereien). Dabei werden die Pflanzen in künstlichen Nährlösungen gehalten oder intensiv damit bewässert (Fertigation), das Sickerwasser wird meist aufgefangen und im Kreislauf wiederverwendet. Pflanzenwurzeln benötigen Sauerstoff, um Nährstoffe aufnehmen zu können. Bei der dabei stattfindenden Wurzelatmung wird im Wurzelbereich Sauerstoff verbraucht und Kohlenstoffdioxid (CO₂) entsteht. Mit hydroponischen Systemen gelingt es, die Sauerstoff-Versorgung der Pflanzenwurzeln zu optimieren. Diese Erkenntnis führte zum Siegeszug der Hydroponik (im Erwerbsgemüsebau unter Glas).

• Pflanzenkultivierung aquatisch wachsender Pflanzen wie beispielsweise Wassernüsse, Wasserkastanien oder Lotosblumen. Siehe dazu auch Schwimmende Gärten (Inle-See).
• Pflanzenkultivierung in (temporär) überfluteten Feldern, beispielsweise der Nassanbau von Reis
• sonstige aquatische Bodenkörper, beispielsweise bei Pflanzenkläranlagen

Geschichte

Die erste Publikation über Pflanzenanzucht ohne Erde war das 1627 (postum) erschienene Buch Sylva Sylvarum oder A Natural History von Francis Bacon. 1699 publizierte John Woodward Wasserkulturexperimente mit grüner Minze. Um 1842 war eine Liste von neun chemischen Elementen bekannt, die für das Pflanzenwachstum essentiell wären. Die Entdeckungen der deutschen Botaniker Julius von Sachs und Wilhelm Knop in den Jahren 1859–1875 resultierten in der Entwicklung erdloser Kultivierung von Pflanzen. 1929 publizierte William Frederick Gericke von der Universität Kalifornien in Berkeley das Buch Soilless Gardening und führte 1937 den Terminus Hydroponics ein, den der Phykologe W. A. Setchell vorgeschlagen hatte.

Ernährung von Hydrokulturpflanzen

→ Hauptartikel: Hydrokulturdünger

Die Ernährung der Pflanzen erfolgt beim Anbau in Behältern über eine wässrige Lösung anorganischer Nährsalze. Da durch das Fehlen feiner organischer Erdbestandteile die chemischen Bodeneigenschaften stark vom natürlichen Zustand abweichen, ist normaler Pflanzendünger nur bedingt für die Hydrokultur geeignet.

Abhilfe schafft ein spezieller Hydrokulturdünger, der durch Additive den pH-Wert der Lösung in einem für viele Pflanzen geeigneten Bereich puffert. Dazu werden auch sogenannte Ionentauschgranulate genutzt, die durch Ionenaustausch die Pflanzen mit Nährstoffen versorgen und gleichzeitig im Wasser vorhandene, für die Pflanzen im Überschuss unverträgliche Mineralien wie Kalk binden.

Weil bei der mikrobiellen Umwandlung von Ammoniumionen in Nitrationen Sauerstoff verbraucht wird, der der Wurzelatmung abgeht, werden in Hydrokulturdüngern weniger Ammoniumsalze als Stickstoffdünger verwendet, sondern eher Nitrate.

Gewährleistung und Steigerung der Wurzelatmung

Bei hydroponischen Verfahren wird auf optimale Versorgung der Wurzeln mit Sauerstoff großer Wert gelegt. Pflanzen benötigen die Wurzelatmung (englisch ""root respiration") zur Aufnahme und zum Transport von Ionen, für das Wurzelwachstum und die Aufrechterhaltung des Wachstums.

Umweltparameter, die Einfluss auf Wurzelatmung haben sind: Temperatur, emerse Überflutung, Salinität, Wasserstress und Bodentrockenheit, Nährstoffversorgung, Bestrahlungsstärke, pH-Wert und der Partialdruck von CO₂.

Umstellung von Pflanzen

Pflanzen in Hydrokultur entwickeln dieselbe Art Wurzeln, wie Pflanzen in Erdkultur, eigene „Wasserwurzeln“ existieren nicht. Alle Wurzeln, die Wasser aufnehmen und transportieren, sind Wasserwurzeln, ansonsten diverse Wurzelumbildungen.

Die Umstellung von Boden- auf Hydrokultur gelingt in der Regel nur bei Jungpflanzen problemlos. Beim Abschwemmen von Bodenbestandteilen werden bei älteren Pflanzen meist die feinen Wurzelhaare abgebrochen, wodurch sich ein Ungleichgewicht „zuviel Blattmasse“ zu „zuwenig Feinwurzeln“ ergibt und dann Blätter eindorren oder die Pflanze trotz Überangebot an Wasser vertrocknet.

Bei Umstellung von in Hydrokultur gehaltenen Pflanzen und Stecklingen auf Erdkultur verursacht das dann verringerte Sauerstoffangebot mitunter ein Faulen von Wurzeln.

Systeme

Hydrokultur bei Zimmerpflanzen

Die gärtnerische Hydrokultur für Zimmerpflanzen mit Anstaubewässerung wurde ausgehend von der Hydroponik vom Deutschen Paul Rößler adaptiert und von Heide Lau 1951 im Rahmen der Saarländischen Internationalen Gartenbauausstellung publiziert. Der Gärtnermeister Günter Gregg versuchte anfangs Zimmerpflanzen in Nährlösung ohne Substrat zu verkaufen, experimentierte mit allerlei Substraten und entwickelte dann die bekannten Behälter mit separater Wassereinfüllöffnung und Blähtonkügelchen.

Prinzipiell können fast alle Pflanzen auch in Hydrokultur kultiviert werden. Dabei kommt es allerdings auf die Art an, ob im Vergleich mit herkömmlicher Bodenkultur ein besseres oder nur ein schlechteres Ergebnis erreicht werden kann. Beispielsweise sind manche Arten empfindlich gegenüber Staunässe oder sind eher an trockene Böden angepasst.

Für einen seriösen Vergleich ist immer auch der korrekte Umgang mit Wasserversorgung und den Konzentrationen der Nährstoffe in der Nährlösung notwendig, was anfangs nicht immer problemlos gelingt.

Durch den Flüssigkeitsvorrat am Boden des Gefäßes muss seltener gegossen werden. Da die Pflanze weniger Wurzelvolumen ausbildet, muss auch seltener umgetopft werden.

Als anorganisches Substrat wird für Zimmerpflanzen üblicherweise körniger, granulierter Blähton verwendet. Es sind aber, je nach Anforderung auch andere Substrate wie Kies, Basalt oder Perlit gebräuchlich. Bei den Substraten muss darauf geachtet werden, dass das Material frei von Kalk ist oder eine Aufschwemmung in Wasser ph-neutral ist, damit der pH-Wert der Nährlösung nicht durch das Substrat übermäßig angehoben wird.

Üblicherweise unterscheidet sich Blähton für Hydrokulturen (als Perlen oder Granulat) von (billigerem) Blähton zur Wärmedämmung in der pH-Wert-Stabilität, in der Porigkeit und im Schwimmverhalten. Blähton für Hydrokulturen ist pH-Wert neutral und an der Oberfläche offenporig (Blähton zur Wärmedämmung wird in Gasbrennern versintert. Dadurch ist die Oberfläche geschlossener Kügelchen porenarm, nur bei gebrochener Ware liegen Poren frei). Geschlossenporige Blähtone schwimmen in Wasser auf, offenporige können sich mit Wasser vollsaugen und damit untergehen (die Luft wird durch Eintauchen der Blähtonkügelchen in heißes Wasser eher aus den Poren gedrängt).

Im Allgemeinen treten in Hydrokultur weniger Bodenschädlinge auf, da diese sich in Abwesenheit natürlicher Erde schlecht etablieren können. Gegenüber einer Bodenkultur ist die Kultivierung einzelner Zierpflanzen in Hydrokultur in Anschaffung und Unterhalt teurer: Es werden besondere Pflanzgefäße sowie spezieller Hydrokulturdünger benötigt.

Die Wurzeln der Pflanzen sollten vor dem Licht geschützt werden, damit nicht in der Nährlösung störende Algen wachsen, deren Keime leicht eingeschleppt werden, und damit nicht die Wurzeln einiger Pflanzenarten Chlorophyll entwickeln.

Wegen des fehlenden Erdreichs werden seltener allergieauslösende Substanzen wie beispielsweise Pilzsporen an die Luft abgegeben (obwohl auch Schimmelpilze die Wurzeln befallen können), dies kann für Allergiker, Asthmatiker und andere empfindliche Personen besser sein.

Kletterhilfen und Stützen aus Holz, Bambus und anderen natürlichen Materialien beginnen in der Nährlösung zu faulen, stattdessen werden Stützen aus Kunststoff verwendet.

Hydroponik

(Namensableitung: eingedeutscht aus dem englischen Hydroponics, dieses als Neologismus υδρωπονικά, abgeleitet von γεωπονικά für Geoponica, einer Sammlung von Schriften antiker Autoren zur Landwirtschaft, wobei, γεω-, Erde durch ὑδρο-, Wasser ersetzt wurde)

Die verschiedenen Dauerbewässerungsmethoden der Hydroponik führen dazu, dass die Pflanzenwurzeln intensiv mit Sauerstoff versorgt werden, ansonsten würden sie unter Luftabschluss verfaulen oder keine Nährstoffe aufnehmen – die Pflanze würde das Wachstum einstellen. Aufgrund dieser Besserversorgung wachsen Pflanzen schneller (als nur durch die übliche Befeuchtung des Substrats) und wodurch der hydroponische Anbau effizienter ist.

Bei hydroponischer Pflanzenaufzucht wird das Sickerwasser gesammelt, kontrolliert und gespeichert sowie alle das Pflanzenwachstum beeinflussenden Parameter automatisiert überwacht und optimiert, wodurch Hydroponik eher in Gewächshäusern betrieben wird. Optimiert werden:

• Wasser (Regenwassersammlung, natürliche Zusammensetzung, Temperatur, pH-Wert)
• Nährstoffgehalt (mit automatisierter Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Nährlösung sowie der Hauptnährstoffe)
• Sauerstoffversorgung der Wurzeln
• Bodenfeuchte
• Luftfeuchte (Feuchte, Abtrocknung)
• Lufttemperatur, Bodentemperatur, Tag- und Nachttemperatur
• Luftverwirbelung (künstlicher Wind führt zu besserer Abtrocknung und zu Stammverdickungen, damit Pflanzen mehr Früchte tragen können oder vor dem Verkauf nicht umknicken und dient auch der Windbestäubung)
• Lichtbestrahlung (Phototrophie, Photosynthese, Wellenlängen, Lichtleistungsdichte und künstliche Tageslänge)
• CO₂-Gehalt der Luft
• Mykorrhiza-Beimpfung

Vorteile

Die Vorteile der Pflanzenaufzucht mittels Hydroponik sind:

• üppigeres Wachstum in kürzerer Zeit mit mehr Pflanzen auf der Fläche führt zu Mehrerträgen. Infolge der besseren Nährstoff- und Sauerstoff-Versorgung nimmt das Wachstum zu, Gemüse wird früher erntereif und optimaler Ertrag in der Zeit wird gewährleistet.
• eine Kreislaufführung von Sickerwasser führt zu
  • Einsparung von (Gieß)Wasser
  • Vermindertem Eintrag von (aus dem Bodenkörper extrahierten oder zugedüngten) Dünger- und Nährstoffen ins Grundwasser
• Einsparung von Dünger (der ansonsten ausgewaschen oder im Boden gebunden wird)
• Kontrolle fehlender Nährstoffe durch (automatisierte) Untersuchung des Kreislaufwassers,
  • dadurch bessere Anpassung der Nährstoffkonzentrationen an die Bedürfnisse der Pflanzen in den verschiedenen Phasen (Wachstum, Blütezeit, Fruchtbildung),
• wegen der fehlenden Erde und meist nahezu keimfreier Arbeitsweisen (Schleusensysteme, UV-Lampen) Verringerung von Schäden durch Mikroorganismen und Kleintiere (beispielsweise Wurzelläuse, Nematoden) und Schadpilze (beispielsweise Schimmelpilze) und damit verbunden
  • Reduzierung des Einsatzes von Schädlings- und Unkrautbekämpfungsmitteln (Pestiziden allgemein, Molluskiziden, Insektizide, Herbiziden (kein Platz für Unkraut), Fungiziden; sowie Beizmitteln). Neben der Umweltaspekte werden dadurch auch Kosten reduziert.
  • keine Erdbewegungen nötig
• üppiges Wachstum von Mutterpflanzen zur Stecklingsvermehrung
• bessere Versorgung der Wurzeln mit Wasser und Sauerstoff,
• weniger Platzverbrauch, weil die Wurzeln sich nicht so weit ausbreiten müssen, um zu Wasser und Nährstoffen zu kommen
• kein Aufwand für Jäten oder Entfernen von Unkraut
• mitunter einfachere Ernte (beispielsweise bei Erdbeeren, die überkopf in Bewässerungsrohren wachsen)
• leichtere Überprüfbarkeit des Gesundheitszustandes von Wurzeln
• kontinuierliche Erntbarkeit von Wurzeln (interessant bei jenen Heilpflanzen, die Wirkstoffe in den Wurzeln sammeln)
• längere Frische von Salat, wenn er samt Wurzeln verkauft wird, er kann dann von Konsumenten eingewässert werden;
• weniger Waschprozesse (beispielsweise von Kartoffeln) nötig als bei Erdkultur

Die höheren Kosten für Substrate fallen hier weniger ins Gewicht als bei der Innenraumbegrünung.

Außerdem ist damit der Anbau von Pflanzen unter extremen Bedingungen, in Hallen, in städtischen Gebäuden und Wohnungen, in Forschungsstationen am Südpol, auf exponierten Inseln mit wenig fruchtbarem Boden oder bei Trinkwassermangel oder im Weltraum einfacher oder erst möglich.

Nachteile

Nachteilig daran sind:

• Für Hydroponik wird hauptsächlich energieaufwändig prozuzierter Kunstdünger eingesetzt
• Bei der Verwendung von Steinwolle als Substrat entstehen große Abfallmengen. Nach einer Saison werden durchwurzelte Steinwolleblöcke oder -säcke deponiert. Für die Niederlande allein fallen (gemäß einer Quelle aus 2008) jährlich etwa 200.000 Kubikmeter Steinwollreste als Abfälle an, die entsorgt werden müssen.
• Steinwolle- und Glaswolle-Substrate emittieren lungengängige Kurzfasern und können Schmälzmittel (als Bindemittel) enthalten. (Steinwolleabfälle gelten vielerorts als gefährliche Abfälle).
• Hydroponik ist, selbst nicht bei Verwendung ausschließlicher biogener Düngemittel, nicht für das Heranziehen von Biogemüse zugelassen (und darum wird wenig Forschung in dieser Richtung betrieben).
• Das Pumpen, Leiten und Speichern und die Überwachung der Parameter erfordert (teure) Technik und technisches Know How und ständige Aufmerksamkeit und Kontrolle der Technik,
• Bei Ausfall von Pumpen wird die regelmäßige Bewässerung gestoppt, substratlos gezogene Wurzeln und Pflanzen vertrocknen dann schneller als Wurzeln in Erde (die eine gewisse Menge Wasser speichern kann)
• Die vermehrte Pumparbeit verbraucht mehr elektrische Energie als bei seltener bewässerten Kulturen
• Pflanzenkrankheiten und Schadorganismen (wie Fusarium, Phytophthora und Pythium; siehe auch Umfallkrankheit) können sich über die Bewässerungsanlage ausbreiten. Humanpathogene Krankheitserreger (beispielsweise aus dem Kot von Wildtieren stammend) können in Pflanzen allgemein über Wurzeln, Stängel, Blätter, Sprossen und Früchte eindringen, diese infizieren und sich dort vermehren. Fraß oder Saugstiche von Insekten können ebenso Eintrittspforten sein. Im Hydroponik-Kreislaufwasser können sich solche Keime vermehren. In größeren Bewässerungsanlagen wird deshalb das Gießwasser mit UV-Licht desinfiziert.
• Im Wasser lebende oder sich vermehrende humanpathogene Bakterien, wie beispielsweise Legionellen, können das Personal gefährden, wenn das Wasser versprüht oder vernebelt wird
• Probleme mit dem Gießwasser (pH-Wertänderungen, Aufkonzentration durch Verdunstung, Ablagerung von Salzen an der Substratoberfläche durch vermehrte Verdunstung) können Pflanzen schnell schädigen
• Im Boden wird beim mikrobiellen Abbau von Pflanzenresten CO₂ gebildet, das Pflanzen für die Photosynthese benötigen. Beim erdlosen Anbau kann kein CO₂ entstehen, es muss extra der Gewächshausluft beigemischt werden.
• Die industrieähnliche Aufzucht von Nutzpflanzen senkt die Marktpreise, das ist günstig für Konsumenten, aber schlecht für herkömmliche kleinstrukturierte Produzenten
• Pflanzen bilden Aromastoffe um sich vor vor mikrobiellen und herbivoren Schädlingen und Fraßfeinden zu schützen (siehe dazu auch Fraßverteidigung); die Reduktion der Kontamination solcher Schädlinge durch Hydroponik kann auch zu Aromaverlust führen.

Vor- und nachteilig

Bis zu 20 % des in einer Vegetationsperiode durch Photosynthese fixierten Kohlenstoffs werden in Erdboden abgegeben und dort adsorbiert. 64 - 86 % davon wurden durch Mikroorganismen veratmet, 2 - 5 % blieben im Boden zurück. Die Wurzel-Exsudate von Mais waren im Hauptanteil (79 %) wasserlöslich (davon waren 64 % Kohlenhydrate, 22 % Aminosäuren oder Amide und 14 % organische Säuren). Derartige Pflanzenexsudate werden bei der Hydroponik ins Umlaufwasser ausgeschwemmt und sind somit in Rhizosphäre oder für Mykorrhiza nicht mehr verfügbar. Einerseits steht dadurch den Pflanzenwurzeln mehr Sauerstoff zur Verfügung (weil diese Stoffe nicht in der Rhizosphäre aerob abgebaut werden), andrerseits verringert sich dadurch die Nährstoffversorgung der Wurzeln durch Mykorrhiza-Symbiosen und durch Ausscheidungen und Mineralaufschlüsse („Bioeffektoren“) der edaphischen Mikrofauna, die die Rhizosphäre bevölkert.

Substrate

Bei einigen Hydroponik-Methoden hängen die Pflanzenwurzeln ohne Substrat direkt in Nährlösungen oder in einen mit Nährstoffnebel oder -tröpfchen angereicherten Luftraum. Substrat dient lediglich dazu, den Wurzeln Halt zu geben und die Pflanzen so aufrecht zu halten und Hohlräume für die Wurzeln zu bieten, trägt aber nicht zur Ernährung der Pflanzen bei.

Die meisten Substrate für Hydroponik sind poröser als Erde, der Porenraum ist um den Faktor 1,3 bis 3 fach größer . Mehr Luftraum bedeutet mehr Sauerstoff im Wurzelbereich, mehr Platz für Wurzeln und weniger Energieaufwand oder Stress für die Pflanzen, um Wurzeln „einzubohren“.

Entsprechend der Struktur des Porenraumes des Substrats breiten sich die Wurzeln aus: Weite Grobporen mit Durchmessern größer als 50 μm sind allen Wurzeln zugänglich. Mittelporen mit Durchmessern 0,2 – 50 μm können nur von Wurzelhaaren erschlossen werden. Feinporen kleiner als 0,2 μm können Wasser speichern, werden aber weder von Wurzelhaaren noch von Pilzhyphen aufgesucht.

Siehe auch: Wassertransport in Pflanzen

Wichtige Faktoren für Substrate sind:

• Wasserhaltevermögen (die Menge an Wasser, die eine Substanz aufnehmen kann)
• Retention (Boden): Die Kraft, die das Wasser im Substrat hält und welche Saugkraft die Wurzeln entwickeln müssen, um das Wasser daraus adsorbieren zu können.
• Rohdichte (vulgo Gewicht trocken und nass), lufthaltige Blähtonkugeln mit zu geringer Dichte oder organische Stoffe (wie beispielsweise Hackschnitzel) können aufschwimmen
• Partikelgröße, je nach Korngröße sind die Hohlräume zwischen den Partikeln größer oder kleiner
• Durchlässigkeit für Wasser
• pH-Wert der Eluate
• Ionenbindungsvermögen und -austauschkapazität
• Phytotoxizität (beispielsweise kupferfreies Gestein)

Aus der äußeren Faserhülle (Mesokarp) der Kokosnuss werden Kokosfasern gewonnen. Diese sind häufig mit Chloriden, aus Meerwasser stammend, belastet und müssen vor dem ersten Einsetzen von Pflanzen chloridfrei gewaschen werden.

Zur Aussaat und bei Tropfbewässerung wird häufig Mineralwolle verwendet, aus der die Jungpflanzen in andere Substrate umgesetzt werden. Andere verwendete Substrate sind:

• anorganische Substrate: Steinwolle und Glaswolle, Lavasteine, Bimssteine, aufgeblähter Vermiculit (Blähglimmer), Perlit, Blähtonkügelchen, Kies oder Sand, Zeolithe, Keramikschaum und Glasschaum und Ziegelsplit;
• übliche naturorganische Substrate sind: Torfgranulat, (zu Blöcken gepresste) Kokosfasern, Sägemehl, minderwertige Braunkohle, Kompostpresslinge, Reisspelzen und Hackschnitzel
• weiters finden Kunststoffabfälle wie Polystyrol-Verpackungschips oder Kunststoff-Recyclat-Fasern Verwendung

Bewässerung

Bei Zuleitungsrohren und -schläuchen sollte der Durchmesser möglichst groß gewählt werden. Der Volumendurchfluss ist nämlich (aufgrund des Gesetzes von Hagen-Poiseuille) von der vierten Potenz des Radius abhängig. So würde beispielsweise eine Verringerung des Rohrdurchmessers auf die Hälfte den Strömungswiderstand auf das 16-fache erhöhen oder eine Erweiterung des Rohrdurchmessers auf das Dreifache (eineinhalb Zoll statt Halbzoll) den Volumendurchfluss um das 81-fache verbessern. Eine Vergrößerung des Rohrdurchmessers kann daher die Pumpleistung einer Pumpe erhöhen (mit dem Effekt größerer Pumphöhe oder mehr Durchfluß), wodurch schwächere Pumpen gewählt werden können, was die Energiekosten erheblich reduziert.

Kultivierungsformen

Neben der für Zierpflanzen verbreiteten Kultivierung in Substraten werden besonders im Erwerbsgartenbau andere Kultivierungsformen angewendet.

Ebbe-Flut-System

Pflanzen auf Pflanzentischen in Gärtnereien und in Hydroponik-Anlagen im Pflanzenbau werden häufig mit einem Ebbe-Flut-System (englisch „ebb and flow“ oder „flood and drain“) be- und entwässert. Die Pflanzen stehen dazu in wasserdichten Wannen, die Bewässerung erfolgt mittels Wasserpumpen. Die Pflanzenwanne wird geflutet und dann die Nährlösung wieder entfernt. Das ansteigende Wasser löst das Bodenatmungs-Stoffwechselprodukt Kohlenstoffdioxid oder drückt es nach oben in den Luftraum und entfernt es so aus dem Substrat, der absinkende Wasserspiegel saugt dann Frischluft von oben nach, wodurch von der Pflanze erneut Nährstoffe aufgenommen werden können.

Eine Methode des Ebbe-Flut-Systems arbeitet mit einer per Zeitschaltuhr gesteuerten Wasserpumpe. Die Einlauföffnung für die Nährlösung ist dabei am tiefsten Punkt der Pflanzenwanne. Der Wasserspiegel steigt bis er ein Überlaufrohr erreicht, wo ein Zuviel an Nährlösung ins Reservoir zurückfließt. Mit dem Abstellen der Pumpe fließt die Nährlösung über dieselbe Leitung, über die sie hochgepumpt wurde, langsam wieder zurück in den Sammelbehälter.

Bei kleinen Pflanzbehältern und fernab von Stromversorgung kann das Wasserreservoir mit einem flexiblen Schlauch an den Pflanzenbehälter angeschlossen werden und „Flut und Ebbe“ werden durch manuelles Heben und Senken des Sammelbehälters herbeigeführt.

→ Hauptartikel: Heber (Gerät)

Bei manchen hydroponischen Ebbe-Flut-Systemen wird das Gießwasser kontinuierlich (also ohne Intervalle, ohne eine fehleranfällige Zeitschaltuhr) aus einem Wasserspeicher in die Pflanzenwanne („Oberwasser“) gepumpt. Nach Erreichen des gewünschten Wasserspiegels in der Pflanzenwanne wird das Wasser über einen Ablaufsiphon wieder in einem Schwall in den darunter befindlichen Wasserspeicher („Unterwasser“) abgelassen und so die Pflanzenwanne geleert.

Beim Ebbe-Flut-System und inerten Substraten werden Gießintervalle einer halben Stunde für die Befeuchtung empfohlen. Je höher die Wasserspeicherkapazität eines Substrats ist, umso seltener muss bewässert werden. Werden organische Substrate wie Hackschnitzel, Torf oder Kokosfasern verwendet, genügt sogar ein Bewässerungsintervall von einigen Tagen. Mit fortschreitender Durchwurzelung werden die zeitlichen Abstände verkürzt, bis schlussendlich ein- oder zweimal am Tag bewässert werden muss.

Tritt bei Pflanzenwurzeln Wassermangel auf, so schützt sich die Pflanze durch Abstoßen oder Verkorken von Wurzelteilen, vor allem ältere Wurzeln „verholzen“. Mit neuerlicher Wasserzufuhr müssen erst wieder energieaufwändig neue Feinwurzeln gebildet werden.

Zu schnelles Abfließen von Wasser kann zum Bruch von Feinwurzeln und Ausschwemmen des diese umgebenden kohlehydratreichen Schleims führen (der wiederum Mykorrhizapilze ernährt, die wiederum den Wasserhaushalt der Pflanzenwurzeln verbessern) (siehe dazu auch Wasseraufnahme der Rhizodermis).

Deep Water Culture (DWC)

Pflanzenkultivierung in Deep Water Culture

Die Wurzeln einer hydroponisch gezogenen Pflanze

Deep Water Culture ist eine Anbauform, bei der die Pflanzen schwimmend in Nährlösung gehalten werden und die Wurzeln direkt in der gut belüfteten Nährlösung hängen.

Meist werden die Pflanzen mit substratgefüllten Netztöpfen in entsprechend gelochte Styroporplatten gesteckt und diese dann in Becken mit Nährlösung gelegt.

Da Wurzeln neben Wasser und Nährstoffen auch Sauerstoff benötigen, muss das Nährlösungsbecken gut belüftet werden, damit permanent Luftbläschen aufsteigen. Wird dies unterlassen, sterben die Wurzeln und mit ihnen die Pflanzen rasch ab.

Nutrient Film Technique (NFT)

Salatanbau in Hydrokultur. Im Vordergrund NFT-Kanäle

Auch die Nährlösungsfilm-Technik ist eine Anbauform, bei der die Pflanzen in Kanälen bzw. Rohren gezogen werden, die in einem leichten Gefälle (1–2 %) verlegt sind und von Nährlösung durchflossen werden. Die Pflanzen werden meist mit substratgefüllten Netztöpfen in passende Löcher in die Kanäle gesetzt.

Die Wurzeln der Pflanzen liegen teils in der Nährlösung, teils oberhalb im luftgefüllten Bereich des Kanals. In NFT können die Pflanzen sehr leicht geerntet und gewechselt werden. Problematisch können sehr lange Kanäle (>100 m) sein, in denen sich bei Sonneneinstrahlung die Nährlösung zu stark erwärmt oder zum Ende des Kanals einen zu geringen Nährsalzgehalt hat, so dass die letzten Pflanzen weniger gutes Wachstum zeigen.

Die Größe der Kanäle und der Abstand der Pflanzen müssen dem Wurzelwachstum der Pflanzen angepasst werden, damit der Kanal nicht im Laufe der Zeit verstopft und damit der Fluss unterbrochen wird.

Aeroponik und Fogponics

Bei Aeroponik wird die Nährlösung mittels Hochdruckdüsen oder Sprinklern in Luft vernebelt. Diese Methode lässt Wurzeln stärker wachsen als das grüne Kraut, darum wird sie hauptsächlich zur Stecklingsbewurzelung verwendet.

Bei Fogponics, einer Spezialform der Aeroponik, wird die Nährlösung mithilfe von Ultraschallverneblern in Luft feinst vernebelt. Diese Methode kommt ohne Pumpen und mit einem Minimum an Wasser aus. Sie wurde von Mitarbeitern der NASA für die Pflanzenanzucht in Raumstationen entwickelt, da wenig Wasser in den Weltraum transportiert werden muss und die feinen Wassertröpfchen unabhängig von fehlender Schwerkraft die Pflanzenwurzeln erreichen. Aufgrund der einfachen Realisierbarkeit bei geringen Kosten und dem geringen Raumgewicht der Systeme und damit leichteren Stapelbarkeit von Pflanzenwannen gilt diese Methode als diejenige Hydroponik-Methode „mit der größten Zukunft“.

Weitere hydroponische Systeme

• Tröpfchenbewässerung
• Aero-Hydroponik: Ein unten offenes Rohr reicht ins Wasserreservoir am Boden eines Pflanzenbehälters. Unten ins Rohr eingepumpte Luft(blasen) zieht das Wasser nach oben und reichert es gleichzeitig mit Sauerstoff an. Das Wasser wird über Tröpfchenbewässerungssysteme verteilt. Auch Systeme mit Wasserpumpen für Tröpfchenbewässerung, bei denen das Sickerwasser in das Wasserreservoir zurückfließt werden Aero-Hydroponik genannt.
• Vertikaler Anbau in Pflanzentürmen, die von oben durch Tröpfchenbewässerung dauerbefeuchtet werden. Rohre mit großem Durchmesser mit Öffnungen für Einzelpflanzen sind dabei besser als rundum offene Gitterkörbe, weil damit die Wasserverdunstung und somit der Wasserverbrauch minimiert werden können. Solche Türme sind meist um eine Pflanzenlampe gruppiert.
• passive Systeme:
  • Bewässerung mit Dochten („Wicking“) und Kapillarmatten (siehe dazu auch Kapillare)
• Aquaponik ist eine Kombination aus Fischzucht und Hydroponik bei der die Fischausscheidungen als Dünger genutzt werden. Wasser aus einem Sammeltank wird belüftet zuerst in den Fischbehälter gepumpt, desen Überlauf rinnt über einen Nitrifikationsfilter (zur Umwandlung von Ammoniumstickstoff in Nitratstickstoff) weiter zu den Pflanzen und von dort zurück in den Sammeltank.
• Das Integrated Floating Cage Aquageoponics System (IFCAS) kombiniert Aquaponik und Pflanzenanbau im Erdboden.
• Bei Vermiponics wird Wurmtee aus einer Wurmfarm als Naturdünger für Hydroponik eingesetzt.

Nutzorganismen

Schadorganismen wie Fusarium, Phytophthora und Pythium vermehren sich in Hydroponikanlagen. Beispielsweise Pseudomonas chlororaphis wird als nützliches Bakterium gegen Pythium ultimum eingesetzt.

Marktentwicklung

Für den globalen Wirtschaftsmarkt für Hydroponik-Ausrüstung wurde 2017 eine jährlichen Wachstumsrate von 18,1 % prognostiziert, mit einer Steigerung von 226,45 Millionen US-Dollar 2016 auf 724,87 Millionen US-Dollar 2023. Nach anderer Quelle aus 2018 umfasste der Markt 2016 21,2035 Milliarden US-Dollar mit einer jährlichen Wachstumsrate von 6,5 %

Kritik

Die Pflanzenernährung allein mit künstlichen Nährsalzen würde wegen der Wechselbeziehungen der Nährstoffe, Nährstoffantagonismus und - synergismus zu „unharmonischer Pflanzenernährung“ führen, vom Ernährungsstandpunkt würden „jedenfalls verschiedenartige Pflanzen“ entstehen, die „nur im anatomischen Aufbau gleich, aber nicht im Inhalt und daher nicht in der Qualität“ gleich wären. Spurenelement-Zusammensetzung und Wirkstoffaufbau wären unterschiedlich.

Dem gegenüberstehen die Meinungen, dass gerade durch das exakte Wissen der Zusammensetzung der Nährlösung solche Nährstoffantagonismen vermieden werden können und fehlende Nährstoffe leicht ergänzt werden können. Damit stünden den Pflanzen jederzeit optimierte Nährstoffmedien in der richtigen Zusammensetzung zur Verfügung.

Der WWF kritisiere den hohen Energieverbrauch der erdlosen Kultur aus Gewächshäusern, da wäre es sogar „sinnvoller, außer Saison importiertes Gemüse zu kaufen“.

Trivia

Arzneimittelpflanzen werden mittels Aeroponik gezogen, wenn die Wirkstoffe aus den Wurzeln extrahiert werden (Aeroponik lässt die Wurzeln stärker wachsen als das Kraut). Nach einem neuen Verfahren soll Taxol, das zur Krebsbekämpfung eingesetzt wird und in der Natur nur in geringen Konzentrationen vorkommt, aus dem Kreislaufwasser einer Hydroponik-Anlage gewonnen werden.

Eine der größten Hydroponik-Farmen weltweit ist so groß wie ein Fußballfeld, auf bis zu 18 Etagen hohen Regalen werden dort 10.000 Salatköpfe pro Tag geerntet.

Siehe auch

• Aquakultur (Fischzucht)
• Indoor-Growing (Cannabisgewinnung)

Literatur

Zimmerpflanzen-Hydrokultur

• Margot Schubert: Mehr Blumenfreude durch Hydrokultur. 7. durchgesehene Auflage. BLV, München 1980, ISBN 3-405-12222-8.
• Hans-August Rotter Hydrokultur: Pflanzen ohne Erde mühelos gepflegt. Falken, Niedernhausen 1980, ISBN 3-8068-4080-6.
• Gabriele Vocke, Karl-Heinz Opitz: Prächtige Blumen und Pflanzen in Hydrokultur. 3. Neuauflage. Lenz, Bergneustadt 1988, OCLC 633566436; Hydrokultur: mühelos prächtige Blumen und Pflanzen im Heim. Überarbeitete und erweiterte Neuausgabe, Frech, Stuttgart 1988, ISBN 3-7724-1144-4.
• Günther Kühle: Zimmerpflanzen in Hydrokultur. 6. Auflage. Neumann, Leipzig u. a. 1990, ISBN 3-7402-0014-6.
• Karl-Heinz Opitz: Hydrokultur. Die einfache Pflanzenpflege. Üppige Zimmerpflanzen ohne Erde. Mit Tips für die Pflanzen- und Gefässwahl (= GU-Ratgeber Zimmerpflanzen). Gräfe und Unzer, München 1995, ISBN 3-7742-1681-9.
• Margot Schubert, Wolfgang Blaicher: 1 × 1 der Hydrokultur (= BLV Garten- und Blumenpraxis), 8. durchgesehene Auflage, Neuausgabe. BLV, München u. a. 1998, ISBN 3-405-15339-5.

Hydroponik

• William Texier: Hydroponik leicht gemacht – Alles über Pflanzenanbau im Haus, übersetzt von Astrid Schünemann, Illustrationen von Loriel Verlomme, Verlag Mama Editions, Paris, 2013, 2014, 2015, ISBN 978-2-84594-087-1.
• W.F. Gericke: Soilless Gardening, Putnam, London, 1940, (archive.org).
• Joachim Herbold: Bodenunabhängige Kulturverfahren im Gemüsebau: Produktionstechnik, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit, 136 Tabellen (= Hohenheimer Arbeiten). Ulmer, Stuttgart 1995, ISBN 3-8001-8238-6 (Dissertation Universität Hohenheim 1994, 277 Seiten, illustriert, unter dem Titel: Bodenunabhängige Kulturverfahren im Gewächshausgemüsebau).
• Jiancun Liu: Entwicklung eines Systems zum Anbau von Gemüse in Fliessrinnenkulturen nach dem „Cultan“-Verfahren. 1996, DNB 950185590, OCLC 64543471 (Dissertation Universität Bonn 1996).

Weblinks

Commons: Hydrokultur – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

(Zierpflanzen-)Hydrokultur

• Größtes deutschsprachiges Portal über Pflanzen und Hydrokultur
• Hydrokultur, bebilderter Erfahrungsbericht
• Deutsche Gesellschaft für Hydrokultur e.V.
• Fachverband Raumbegrünung und Hydrokultur

Hydroponik

• Gewächshaus bei Wittenberg Tausende Tomaten in einer der größten Anlagen Deutschlands
• Seungjun Lee, Jiyoung Lee: Beneficial bacteria and fungi in hydroponic systems: types and characteristics of hydroponic food production methods - Scientia Horticulturae, 2015 - Elsevier, (PDF-Datei)
• Chenin Treftz, Fannie Zhang, Stanley T. Omaye:Comparison between Hydroponic and

Soil-Grown Strawberries: Sensory Attributes and Correlations with Nutrient Content, Environmental Sciences and Health Graduate Program, Agriculture, Nutrition and Veterinary Sciences Department, University of Nevada, Reno, USA, (pdf-Datei) (nur 15 Testpersonen)