Topraksız Tarımda Fertigasyon Sistemleri ve Mühendisliği

Topraksız tarım, bitkilerin toprağın sunduğu tamponlama (buffering) ve besin depolama özelliklerinden mahrum bir şekilde, tamamen dışarıdan sağlanan besin solüsyonlarıyla yetiştirilmesi prensibine dayanır. Bu bağlamda, 'Fertigasyon' (Gübreleme ve Sulama), bitkinin ihtiyaç duyduğu makro ve mikro besin elementlerinin, sulama suyu ile birlikte hassas bir mühendislik ile verilmesi işlemidir. Toprağın telafi edici doğası olmadığı için, fertigasyon sistemlerindeki en küçük bir hata veya dalgalanma (örneğin yüksek tuzluluk veya aşırı asidik ortam), bitkilerde saniyeler içinde fizyolojik strese, kök yanmalarına ve nihayetinde milyonlarca liralık ürün kayıplarına yol açabilir. Modern gübreleme makinaları, tanklarda konsantre halde bulunan A ve B gübre solüsyonları ile Asit tankını, ana şebeke suyuna mikrolitre hassasiyetinde enjekte eden elektro-mekanik harikalardır. Gübreleme otomasyonu, suyun debisini, radyasyon miktarını, drenaj oranını ve substratın (kayayünü, kokopit vb.) fizikokimyasal durumunu anlık olarak analiz ederek, bitkinin evresine en uygun besin reçetesini milisaniyeler içinde hazırlar ve sera içindeki binlerce bitkiye kusursuz bir homojenlikle dağıtır.

Fertigasyon sistemlerinin kalbi gübre dozajlama makineleridir ve bu makineler temel olarak Venturi enjektör prensibi, dozaj pompaları veya hidrolik oransal sistemler ile çalışırlar. Endüstriyel seralarda en yaygın kullanılan sistem, çoklu dozaj kanallarına sahip karışım tanklı veya doğrudan hat içi çalışan yüksek kapasiteli otomasyon üniteleridir. Venturi sistemlerde, suyun daralan bir kesitten geçerken hızlanarak basıncının düşmesi ile oluşan vakum, gübre konsantrelerini ana hatta çeker. Enjeksiyon pompaları ise pozitif deplasmanlı yapıları sayesinde hat basıncından bağımsız olarak, sabit ve çok hassas hacimlerde sıvı basabilme yeteneğine sahiptir. Akış sensörleri, ana hattan geçen suyun debisini okuyarak kontrol bilgisayarına bildirir. Bilgisayar, hedeflenen gübre oranını tutturmak için enjeksiyon pompalarının frekansını veya selenoid valflerin sinyallerini hesaplayarak dozajlamayı yapar. Karışımın tam homojen olması için, solüsyon statik mikserlerden geçirilerek tübülans oluşturulur ve sıvı moleküllerinin birbirine tam entegre olması sağlanarak dalgalanma engellenir. Makinenin hidrolik dizaynı, kavitasyonu ve koç darbesini önleyecek basınç düşürücü vanalarla güvence altına alınır.

Besin solüsyonunun toplam iyonik gücü, suyun elektrik iletkenliği olan EC (Electrical Conductivity) değeri ile ölçülür. Birimi milisiemens bölü santimetre olan EC, suyun içindeki çözünmüş tuz miktarının genel bir göstergesidir. Topraksız tarım otomasyonlarında EC kontrolü, bitkinin ozmotik basınç dengesi ve suyu kökleriyle çekebilmesi açısından hayati önem taşır. Eğer solüsyonun EC değeri çok yüksekse, substratın ozmotik basıncı bitkinin kök hücre basıncını geçer ve ters osmoz nedeniyle bitki su kaybederek solar. Aksine EC çok düşükse, bitki hızla su alır ancak besin eksikliği yaşar, meyveler çatlar veya vejetatif büyüme durur. Gelişmiş dozajlama makineleri, sistemin çıkışında yer alan yedekli endüstriyel EC probları vasıtasıyla solüsyonu anlık olarak ölçer. Bu sensörlerin sıcaklık kompanzasyonlu olması şarttır; zira sıvı sıcaklığı 1 derece arttığında EC değeri kimyasal olarak yaklaşık %2 oranında yükselir. Algoritma, okunan EC verisine göre A ve B tanklarından çekilecek gübre miktarını valf açılış süreleriyle milisaniyelik oranlarda değiştirir. Güvenlik için probların haftalık olarak standart kalibrasyon sıvıları ile çift noktalı kalibrasyona tabi tutulması kritik bir prosedürdür.

Besin elementlerinin suda çözünmüş halde kalabilmesi ve bitki kökleri tarafından alınabilmesi, suyun pH derecesine doğrudan bağlıdır. Topraksız tarımda ideal pH aralığı genellikle 5.5 ile 6.2 arasındadır. Bu aralığın dışına çıkıldığında, örneğin pH 7.0'ın üzerine çıktığında Demir, Mangan ve Çinko gibi mikro elementler çökelti oluşturarak bitkinin alamayacağı katı bileşiklere dönüşür. Eğer pH 5.0'ın altına düşerse, kalsiyum ve magnezyum alımı bloke olur, kök hücreleri asit yanıklarına maruz kalır. Kontrol sistemleri, Nitrik Asit veya Fosforik Asit enjekte ederek suyun pH değerini mikroskobik damlalar halinde düşürür. Suyun pH tamponlama kapasitesi doğrusal olmadığı için, pH kontrol algoritmaları son derece karmaşık, asimetrik ve doğrusal olmayan tepki eğrilerine sahip gelişmiş bulanık mantık kontrolörleri kullanır. Ayrıca A ve B gübre tanklarının ayrılmasının temel nedeni de kimyasal reaksiyonlardır; Kalsiyum Nitrat ile Sülfat veya Fosfat bazlı gübreler aynı tanka konursa alçıtaşı oluşur ve sistem tıkanır. Bu nedenle asit ve farklı gübre formları hat içinde kontrollü olarak sulandırılmış halde buluşurlar.

Modern topraksız tarımın en ileri aşaması, verilen suyun bitki tarafından kullanılmayan kısmının toplanıp geri kazanıldığı Kapalı Döngü fertigasyon sistemleridir. Bitkiler kök bölgesinde tuzluluğun artmaması için verilen suyun ortalama %20 ile %30'unu saksı veya yastıkların altından drene ederler. Bu drenaj suyu, bünyesinde değerli ve pahalı gübre elementlerini barındırır, ancak aynı zamanda kök salgıları, sodyum, klor birikimi ve potansiyel kök hastalıkları patojenleri içerir. Geri kazanım sistemleri, toplanan bu suyu önce kum ve disk filtrelerden geçirir, ardından UV cihazları, Ozon jeneratörleri veya yavaş kum filtreleri ile sterilize eder. Sonrasında yazılım, drenaj suyunun güncel EC ve pH seviyesini, ve hatta gelişmiş İyon Seçici Sensörler ile içerdiği nitrat, potasyum ve kalsiyum miktarlarını analiz eder. Sisteme eksik olan miktar kadar yeni şebeke suyu ve spesifik gübre dozajlanarak reçete eski haline getirilir. Bu kapalı sistemler, su kullanımında %30, gübre kullanımında %40'a varan devasa maliyet tasarrufu sağlarken, yeraltı sularının nitrat kirlenmesinden korunmasını sağlayan en önemli çevreci ve sürdürülebilir mühendislik çözümüdür.

Mükemmel hazırlanan bir besin solüsyonunun seradaki her bir bitkiye eşit ulaşmasını sağlayan teknoloji, sulama şebekesi ve Basınç Dengeleyici (PC) damlatıcılardır. Yüzlerce metre uzunluğundaki sera sıralarında, sulama borusunun başındaki su basıncı ile en sonundaki su basıncı hidrolik sürtünme kayıplarından dolayı farklıdır. Eğer standart damlatıcılar kullanılırsa, ilk bitki 3 litre, son bitki 1.5 litre su alır. PC damlatıcılar içlerinde bulunan silikon diyafram sayesinde değişken basınçlarda bile saati sabit su damlatırlar. Anti-Drain özellikleri ise sistem durduğunda borudaki suyun boşalmasını engelleyerek, bir sonraki sulamada birinci ve sonuncu bitkinin aynı milisaniyede suya kavuşmasını sağlar. Otomasyon bilgisayarı, sulama stratejisini belirlerken radyasyon toplamı sensörlerine bakar. Örneğin, güneşten gelen enerji belirli bir seviyeye ulaştığında zaman bağımsız olarak sistemi çalıştırarak mikro sulama periyotları uygular. Bu sayede kök bölgesi asla tamamen doygunluğa ulaşmaz ve kuruyarak tuz stresi yaşamaz; optimum su-hava dengesinde maksimum verim potansiyeline ulaşır.