I substrati per la coltivazione acquaponica

Substrati in acquaponica? Volete costruire un impianto di acquaponica e non sapete quale substrato scegliere per le vostre colture? Allora questo articolo fa per voi! Vedremo assieme le caratteristiche dei materiali più usati, e individueremo i loro principali vantaggi e svantaggi.  Iniziamo!

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Cos’è un Substrato?

Si definiscono substrati di coltivazione tutti quei materiali che, utilizzati singolarmente o in miscuglio, assicurano condizioni migliori alla pianta, per uno o più aspetti, di quelle fornite dal terreno agrario. (Pardossi et al., 2017).

Questi materiali, in effetti, vengono impiegati per generare le migliori condizioni di crescita vegetale in un ambiente artificiale. Esistono tre principali funzioni di un substrato di coltivazione.

Queste riguardano la possibilità di:

• Fornire un sostegno meccanico al sistema radicale e stabilità alla pianta
• Assicurare il rifornimento idrico e nutritivo
• Permettere il trasporto dell’ossigeno e dell’anidride carbonica tra le radici e l’esterno.

C’è dunque la necessità di trovare il più idoneo equilibrio tra una fase solida, una liquida e una gassosa. La scelta corretta dei substrati e della loro combinazione ha proprio questa funzione.

Macro- e Micro-porosità

È molto importante che un substrato possieda una relazione equilibrata tra la capacità per l’aria e quella per l’acqua.  Questo perché il materiale deve fornire elevate quantità di acqua al sistema radicale assicurando, nel contempo, una buona aerazione, che serve alle radici per respirare.

I substrati, in base alla loro granulometria, forniscono diversi gradi di porosità (ossia spazi vuoti) entro i quali possono insediarsi questi due fluidi e le radici. In base alla grandezza di questi pori, si parla di Macroporosità (spazi grandi) e Microporosità (spazi piccoli). 

Semplificando, possiamo affermare che:

• Quando i pori sono grandi, l’acqua non riesce ad essere trattenuta facilmente, dunque viene in gran parte sostituita dall’aria (si parla di CA, Capacità per l’Aria).

Se la macroporosità è troppo elevata, oltre a causare una scarsa capacità di ritenzione per l’acqua, provoca un eccessivo arieggiamento del substrato.

• Quando i pori sono piccoli, l’acqua è trattenuta molto più facilmente, ma una microporosità eccessiva determina uno scarso arieggiamento ed una sovrabbondante ritenuta idrica, che mandano le radici in asfissia. 

Dobbiamo anche tenere in considerazione che non tutta l’acqua è trattenuta dai substrati con la stessa forza: una certa quantità non riesce ad essere estratta dalle radici (acqua non disponibile). 

A noi interessa:

• L’acqua facilmente disponibile (AFD), ossia quella che è trattenuta “debolmente” dal substrato, e dunque quella che le radici riescono ad assorbire agevolmente;
• L’acqua di riserva (AR), cioè l’acqua trattenuta dal substrato che viene liberata per adattarsi alle variazioni di potenziale idrico. Anche questa può essere assorbita dalle piante secondariamente.

Altre proprietà

I Substrati si differenziano anche per altre proprietà, che è bene sottolineare. Le più importanti sono:

• Il pH: molti substrati sono neutri, ma alcuni sono invece tendenzialmente acidi (es. torba bionda) o alcalini (es. alcune sabbie). Sapendo che il pH influisce sulle condizioni del nostro impianto, è importante conoscere il grado di acidità di ogni materiale che viene a contatto con l’acqua circolante, dunque anche quello dei substrati.
• La Capacità di Scambio Cationico (CSC): ossia la capacità del materiale di trattenere e scambiare con l’ambiente circostante (l’acqua, le radici) gli ioni. 

In poche parole, indica quanto il substrato è in grado di fornire nutrienti alle piante (sia quelli che contiene di per sé, sia quelli che vengono dalla soluzione).

• Densità apparente (Bulk density): esprime il peso secco di un volume noto di substrato. Si tratta, molto semplicemente di un peso specifico riferito però al materiale essiccato a 105°C e non tal quale. Il suo valore fornisce indicazioni sulla composizione e sulla struttura fisica del substrato.
• La stabilità dei materiali: alcuni materiali si degradano nel tempo, perciò necessitano di essere periodicamente sostituiti (si tratta soprattutto di quelli naturali organici).
• La salinità: dobbiamo essere sicuri che i substrati non contengano troppi ioni, in quanto questi potrebbero alterare l’equilibrio in soluzione, danneggiando le piante ed i pesci. È il caso, ad esempio, delle sabbie di origine marina.
• La sanità: i substrati devono essere inerti o sterilizzati, in modo da non essere un luogo adatto per la proliferazione di microrganismi patogeni che potrebbero infettare le piante (o i pesci).

In questa tabella possiamo individuare le proprietà di alcuni dei principali substrati per acquaponica:

Substrati in acquaponica: le classi di substrati per l’agricoltura fuori-suolo

L’acquaponica, come sappiamo, per l’aspetto impiantistico relativo alla componente vegetale si rifà all’idroponica. Di conseguenza, anch’essa rientra nella categoria dei sistemi di agricoltura fuori-suolo, pertanto è soggetta all’impiego degli stessi tipi di substrati.

Possiamo distinguere i substrati in categorie, secondo diversi criteri, come, ad esempio:

• La struttura (granulari o fibrosi)
• Proprietà simili (porosità, CSC, ecc.)
• L’origine (naturali o sintetici)

In questo caso vi presenterò i vari materiali scegliendo il primo metodo di classificazione ed inserendo gli altri in modo secondario.

Substrati granulari

Questi materiali permettono l’aerazione entro il mezzo di crescita delle radici, poiché in genere la loro dimensione grossolana determina la formazione di pori di medie o grandi dimensioni.  Spesso, ma non sempre, vengono impiegati in miscuglio con altri substrati che hanno grande ritenuta idrica, per “alleggerirli”. Da soli, al contrario, potrebbero non essere vantaggiosi in quanto l’acqua sgronderebbe troppo rapidamente.

Vediamone alcuni: 

Substrati Granulari	Descrizione	Vantaggi	Svantaggi
Substrati naturali inorganici
Argilla espansa	Trattamento ad elevate temperature di minerali argillosi	Porosa, buona permeabilità all’aria; inerte	Bassa ritenzione idrica
Sabbia e ghiaia	Frammenti di roccia di diversa dimensione	Buon drenaggio e porosità; alta densità; facilmente disponibili	Bassa ritenzione idrica; in alcuni casi contengono molto Carbonato di Calcio
Pomice	Deriva dal raffreddamento della lava vulcanica	Molto porosa, buona permeabilità all’aria; Può assorbire cationi dalla soluzione per renderli poi disponibili	Bassa ritenzione idrica; leggera, particelle non stabili che si rompono
Lapillo vulcanico	Frammenti di rocce di origine vulcanica	Grande porosità, buona aerazione; inerzia chimica	Bassa ritenzione idrica; materiale poco omogeneo
Perlite	Silicato di Alluminio trattato a 1000°C	Buon drenaggio e buona porosità; sterile	Bassa ritenzione idrica; se a contatto con mezzo acido, rilascia Al (tossico); leggera
Vermiculite	Silicati di Alluminio, Ferro, Magnesio trattati a 1000°C	Alta ritenzione idrica e porosità per l’aria; alta CSC; sterile	Leggera e particelle non stabili
Substrati naturali organici
Alcune cortecce	Prodotto di scartodella lavorazione del legno (generiPinus, Picea, Abies, Pseudotsuga	Buon drenaggio e aerazione; terpeni e polifenoli possono combattere alcuni fitopatogeni/parassiti	Bassa ritenzione idrica; terpeni, polifenoli, resine possono essere tossici; per compostarle ci vuole molto tempo (fibra resistente alla degradazione)
Substrati sintetici
Polistirene espanso (“polistirolo”)	Sotto forma di piccole palline	Buon drenaggio ed aerazione; inerte; isolante	Bassa ritenzione idrica; leggero; si degrada nel tempo; non è compostabile

Substrati fibrosi

Questi substrati sono aerati e a buona disponibilità di acqua, ma tutti, tranne le torbe, hanno un debole potere tampone del potenziale idrico (ossia non conservano acqua di riserva). Ciò significa che devono comunque subire frequenti irrigazioni. Le proprietà di questi materiali sono un po’ più variabili di quelle dei substrati granulari, anche per il fatto che molti di questi sono di origine organica. 

Substrati Granulari	Descrizione	Vantaggi	Svantaggi
Substrati naturali inorganici
Argilla espansa	Trattamento ad elevate temperature di minerali argillosi	Porosa, buona permeabilità all’aria; inerte	Bassa ritenzione idrica
Sabbia e ghiaia	Frammenti di roccia di diversa dimensione	Buon drenaggio e porosità; alta densità; facilmente disponibili	Bassa ritenzione idrica; in alcuni casi contengono molto Carbonato di Calcio
Pomice	Deriva dal raffreddamento della lava vulcanica	Molto porosa, buona permeabilità all’aria; Può assorbire cationi dalla soluzione per renderli poi disponibili	Bassa ritenzione idrica; leggera, particelle non stabili che si rompono
Lapillo vulcanico	Frammenti di rocce di origine vulcanica	Grande porosità, buona aerazione; inerzia chimica	Bassa ritenzione idrica; materiale poco omogeneo
Perlite	Silicato di Alluminio trattato a 1000°C	Buon drenaggio e buona porosità; sterile	Bassa ritenzione idrica; se a contatto con mezzo acido, rilascia Al (tossico); leggera
Vermiculite	Silicati di Alluminio, Ferro, Magnesio trattati a 1000°C	Alta ritenzione idrica e porosità per l’aria; alta CSC; sterile	Leggera e particelle non stabili
Substrati naturali organici
Alcune cortecce	Prodotto di scartodella lavorazione del legno (generiPinus, Picea, Abies, Pseudotsuga	Buon drenaggio e aerazione; terpeni e polifenoli possono combattere alcuni fitopatogeni/parassiti	Bassa ritenzione idrica; terpeni, polifenoli, resine possono essere tossici; per compostarle ci vuole molto tempo (fibra resistente alla degradazione)
Substrati sintetici
Polistirene espanso (“polistirolo”)	Sotto forma di piccole palline	Buon drenaggio ed aerazione; inerte; isolante	Bassa ritenzione idrica; leggero; si degrada nel tempo; non è compostabile

Substrati in acquaponica: come scegliere quello giusto?

Ora che abbiamo visto le principali caratteristiche dei substrati più importanti, dobbiamo comprendere come scegliere il più adatto alle nostre esigenze.  Per facilitarci in questo processo, possiamo prendere in considerazione il metodo con cui vogliamo coltivare le nostre piante.

DWC (Deep Water Culture) e NFT (Nutrient Film Technique)

In questo caso le radici sono immerse direttamente nella soluzione circolante, e le piante sono collocate entro zattere galleggianti (DWC) o altri supporti, come tubazioni o grondaie (NFT).  In genere in questi casi il substrato ha più una funzione di sostegno per la pianta, poiché essa assorbe i nutrienti sviluppando le radici direttamente in acqua.

Per questo motivo non c’è bisogno di miscugli particolari: solitamente si usano materiali che permettano semplicemente l’ancoraggio delle radici ed il riempimento dei vasetti a cestello. Tra questi, i più usati sono la lana di roccia, la fibra di cocco e, meno frequentemente, l’argilla espansa.

I primi due hanno il vantaggio notevole di permettere la semina diretta delle colture nel substrato (venduto sotto forma di cubetto) che sarà successivamente trasferito in impianto.  In questo modo alla piantina viene evitata la sofferenza da trapianto.  

Media Bed

In questo caso il mezzo di supporto delle radici deve fungere anche da filtro biologico e meccanico.  Il che significa che il substrato dovrà avere una granulometria tale da trattenere alcune impurità e, soprattutto, di garantire un microambiente ottimale per ospitare le comunità batteriche. Per questo motivo, in genere, si impiegano materiali porosi come l’argilla espansa, il lapillo vulcanico, la ghiaia, la pomice. Ricordiamoci di risciacquare questi materiali, quando sono polverosi, prima di utilizzarli.

Alcuni impiegano anche materiali organici come la fibra di cocco, la segatura, la torba ecc., ma questi substrati sono da tenere maggiormente sotto controllo, in quanto rischiano di inzupparsi eccessivamente e di deteriorarsi.

Torri verticali

In questo caso le piantine sono inserite dentro dei vasetti a cestello su delle strutture che si sviluppano verso l’alto.  È necessario anche qui garantire un adeguato ancoraggio alle radici ed idonea aerazione, ma allo stesso tempo il substrato deve trattenere per una certa quantità di tempo i liquidi, che scorrono dall’alto verso il basso.

Per questo motivo i vasetti vengono in genere riempiti per metà o due terzi con materiale grossolano, come, ad esempio, l’argilla espansa, mentre la parte superficiale sarà costituita da un substrato ad elevata ritenzione idrica, come la torba o la fibra di cocco.

Questo sarà anche utile per permettere la semina diretta entro i cestelli. Oltre a ciò, consigliamo di riempie la torre verticale di argilla espansa o lapillo vulcanico, perché fungano da mezzo di sgrondo e da ulteriore superficie biofiltrante. 

Dutch bucket e altri metodi simili (con vaso)

Niente impedisce di coltivare in acquaponica direttamente in vaso, veicolando la soluzione tramite sistemi come, ad esempio, l’irrigazione a goccia.  Questo sistema si può impiegare per le piante di maggiori dimensioni e anche per le ornamentali.

In questi casi sarà necessario avere un substrato che si avvicini il più possibile alle caratteristiche di un suolo ideale. Dobbiamo quindi usare, come già detto, dei substrati che garantiscano sia un’adeguata ritenuta idrica, sia un adeguato arieggiamento.  Visto che raramente i materiali singoli soddisfano entrambi questi criteri, sarà necessario ricorrere a dei miscugli.

Ma come si crea il miscuglio perfetto? 

È molto semplice: dobbiamo unire assieme un substrato (o più) che trattenga molto l’acqua con un altro (o più) di matrice più grossolana, in modo da aumentare, senza eccedere, la macroporosità.

In linea generale:

• Per incrementare la ritenuta idrica, usiamo: torba, fibra di cocco, vermiculite, segatura, terricci, ecc.
• Per aumentare l’arieggiamento ed il drenaggio: argilla espansa, perlite, polistirene, sabbia grossolana, materiali vulcanici, cortecce grossolane, ecc.
• Invece per incrementare la CSC ed il potere tampone: materiale organico o argilloso.
• Per aumentare l’acidità: torba bionda.
• In zone calde ci servono materiali che trattengano l’acqua e dalla lenta degradabilità.
• In zone fredde e umide è meglio usare substrati che favoriscano un adeguato sgrondo dell’acqua in eccesso.

Substrati in acquaponica: alcune considerazioni

Ricordiamoci che quelle che vi ho indicato sono delle indicazioni generali, ma le piante non hanno tutte le stesse esigenze. Esistono alcune piante, ad esempio, che tollerano meglio il contatto continuo con l’acqua, altre meno: sta a voi individuare i bisogni specifici dei vostri vegetali e, di conseguenza, scegliere i substrati più adatti e decidere come combinarli adeguatamente.

Conclusioni sui substrati in acquaponica

Vi è piaciuto scoprire quale sia il corretto susbtrato da utilizzare in acquaponica? Spero che questo articolo sia stato utile per inquadrare meglio le caratteristiche e gli impieghi dei diversi substrati in commercio.

Ricordo che le informazioni qui riportate non si limitano solo all’acquaponica: sono adatte a qualsiasi altro sistema di agricoltura fuori – suolo, poiché il principio è lo stesso.