水耕栽培

水耕栽培^[1]は園芸の一種であり、水耕栽培のサブセットであり、土壌を使わずに人工的な環境で水ベースのミネラル栄養溶液を使用して植物（通常は作物または薬用植物）を栽培するものです。陸生植物または水生植物は、根を栄養液にさらして自由に成長することも、根をパーライト、砂利、またはその他の基質などの不活性媒体で機械的に支えることもできます。 ^{[2] [3]}

不活性培地であるにもかかわらず、根は根圏の pH値の変化を引き起こし、植物内で二次代謝産物が生成される場合、根の滲出液は根圏の生物学と栄養溶液の生理学的バランスに影響を与える可能性がある。 ^{[4] [5] [6]水耕栽培で育てられた}遺伝子組み換え植物は、薬用タンパク質を根の滲出液の一部として水耕培地に放出する。 ^[7]

水耕栽培システムで使用される栄養素は、魚の排泄物、アヒルの糞、購入した化学肥料、人工の標準またはハイブリッド栄養溶液など、さまざまな有機または無機源から得られます。 ^[8]

畑での栽培とは対照的に、植物は一般的に温室や密閉された環境で不活性培地を用いて水耕栽培され、制御環境農業（CEA）プロセスに適応しています。^[9]水耕栽培で一般的に栽培される植物には、トマト、ピーマン、キュウリ、イチゴ、レタス、大麻などがあり、通常は商業目的で栽培されていますが、シロイヌナズナもその1つで、植物科学や遺伝学のモデル生物として使用されています。^[10]

水耕栽培には多くの利点がありますが、特に農業における水の使用量の削減が挙げられます。1キログラム（2.2ポンド）のトマトを栽培するには、

• 集約的農法では214リットル（47英ガロン、57米ガロン）の水が必要である。^[11]
• 水耕栽培の場合、70リットル（15インペリアルガロン、18米ガロン）
• 空中栽培ではわずか20リットル（4.4英ガロン、5.3米ガロン）しか収穫できない。^[12]

水耕栽培は、同じ環境条件で栽培され、同量の栄養素を供給された植物の場合、他の栽培基質と比較して、最高のバイオマスとタンパク質生産をもたらします。 ^[13]

水耕栽培では農作物を育てるのに必要な水と栄養素がはるかに少なく、気候変動が農業生産量を脅かすため、将来的には水がほとんど手に入らない厳しい環境の人々が水耕栽培で植物由来の食品を栽培できるようになるかもしれない。^{[14] [9]}

水耕栽培は地球上で使用されているだけでなく、宇宙での植物生産実験でもその有効性が実証されています。^[15]

土壌なしで陸上植物を育てる最も古い出版物は、フランシス・ベーコンが1627年に出版した『自然史』である。これは彼の死後1年経って印刷された。彼の研究の結果、水耕栽培は人気の研究技術となった。1699年、ジョン・ウッドワードはスペアミントを使った水耕栽培の実験を発表した。彼は、純度の低い水源の植物は蒸留水の植物よりもよく育つことを発見した。1842年までには、植物の成長に必須と考えられる9つの要素のリストがまとめられ、1859年から1875年にかけてのドイツの植物学者ユリウス・フォン・ザックスとヴィルヘルム・ノップの発見により、無土壌栽培の技術が開発された。^[16]フォン・ザックスの言葉をそのまま引用すると、「1860年に私は、陸上植物は土壌の助けを借りずに水溶液から栄養分を吸収できること、そしてこの方法で、以前から知られていたように植物を長期間生存させ成長させるだけでなく、有機物質を活発に増加させ、発芽可能な種子を生産することさえ可能であることを実証した実験結果を発表しました。」^[17]ミネラル栄養溶液で土壌を使わずに陸上植物を育てることは、後に「土壌培養」にちなんで「溶液培養」と呼ばれるようになりました。これはすぐに19世紀と20世紀に標準的な研究および教育技術となり、現在でも植物栄養学で広く使用されています。^[18]

1930年代頃、植物栄養学者が特定の植物の病気を調査し、塩分濃度などの土壌の既存の条件に関連する症状を観察しました。これに関連して、制御された実験室条件下で同様の症状を引き起こすことを期待して、水耕栽培実験が行われました。^[19]デニス・ロバート・ホーグランドによって強制されたこのアプローチは、革新的なモデルシステム（緑藻類 ニテラなど）と標準化された栄養レシピにつながり、現代の植物生理学でますます重要な役割を果たしています。^[20] 1929年、カリフォルニア大学バークレー校のウィリアム・フレデリック・ゲリケは、農作物の生産に溶液栽培の原理を使用するように公に推進し始めました。^{[21] [22] [23]彼は最初、この栽培方法を「農業」との類似性から「養殖」と名付けましたが、後に同義語の「}水産養殖」がすでに水生生物の養殖に使用されていたことを発見しました。ゲリケは、裏庭で土ではなくミネラル栄養液を使って高さ25フィート（7.6メートル）のトマトの蔓を育ててセンセーションを巻き起こした。^[24]その後、1937年に、古典に詳しい藻類学者のWAセッチェルから提案された「ハイドロポニックス（水耕栽培） 」という用語を導入した。 ^{[1] [25]}ハイドロポニックスは、新語υδρωπονικά（ギリシャ語のύδωρ=水、πονέω=耕作に由来）から派生したもので、γεωπονικά（ギリシャ語のγαία=土、πονέω=耕作に由来）に類似して作られた。^{[26]農業に関するもの、} geoponica（地球、γεω-）をὑδρο-（水）に置き換えたものである。^[16]

しかし、初期の成功にもかかわらず、ゲリケは、作物生産のための水耕栽培の一般的な技術的応用と商業的利用の時期はまだ熟していないことに気付いた。 ^[27]彼はまた、詳細を一般に公開する前に、水耕栽培のあらゆる側面が研究され、テストされていることを確認したかった。^{[28]ゲリケの研究と、水耕栽培が植物農業に革命を起こすという彼の主張についての報告は、さらなる情報を求める膨大な数の要請を引き起こした。ゲリケは、大学当局の懐疑的な態度のために、実験のために大学の}温室を使用することを拒否されていたが、大学が彼に自宅で開発した予備的な栄養レシピを公開するように強制しようとしたとき、彼は適切な研究施設を使用してそれらを改良するための温室のスペースと時間を要求した。最終的には温室のスペースは提供されたものの、大学はホグランドとアルノンに、ゲリケの主張を再評価し、彼の式が土壌栽培の植物の収穫量に対して利点がないことを示すよう指示した。これはホグランドの見解であった。これらの和解しがたい対立のため、ゲリケは1937年に政治的に不利な状況下で学問の地位を辞し、温室で独自に研究を続けた。1940年、ゲリケの研究はあらゆる水耕栽培の基礎となったと考えられており、彼は『無土壌園芸完全ガイド』という本を出版した。その中で、彼は初めて水耕栽培植物のためのマクロおよびミクロ栄養素の塩に関する基本式を発表した。^[29]

カリフォルニア大学カリフォルニア農業試験場所長のクロード・ハッチソンの命令でゲリケの主張を調査した結果、デニス・ホーグランド、ダニエル・アーノンは1938年に古典的な農業速報『土壌なしで植物を育てる水耕栽培法』を執筆した。これは溶液栽培に関する最も重要な研究の1つであり、その中で水耕栽培の作物の収穫量は良質の土壌で得られる作物の収穫量と変わらないと主張した。 ^[30]結局のところ、作物の収穫量はミネラル栄養素以外の要因、特に光と培地の通気性によって制限されることになる。^[31]しかし、2年後に出版された無土壌栽培に関する画期的な著書の序文で、ゲリケは、砂、土壌、溶液栽培における実験植物の収穫量を比較したホグランドとアルノンの発表した結果は、いくつかの体系的な誤りに基づいていると指摘した（「...これらの実験者は、水耕栽培の生産能力を土壌の生産能力に限定するという間違いを犯しました。比較は、培養培地の肥沃度が支えられる限り多くの植物を栽培することによってのみ可能です」）。^[29]

例えば、ホーグランドとアーノンの研究では、土壌栽培と比較して水耕栽培には他の重要な利点があることが十分に認識されていませんでした。その利点には、植物の根が常に酸素にアクセスできること、植物は必要なだけ水と栄養素にアクセスできるという事実が含まれます。^{[29] [32]}これは重要なことです。植物を栽培する際の最も一般的な間違いの 1 つは水のやりすぎと水不足です。水耕栽培では、土壌中の根系を溺れさせる可能性のある大量の水を植物に提供できるため、これを防ぐことができ、使用されなかった水は排水、再循環、または積極的に通気され、根の領域の無酸素状態が排除されます。土壌では、栽培者は植物に正確にどのくらいの水を与えるかを知るために非常に経験豊富である必要があります。水が多すぎると、土壌の孔内の空気が押しのけられるため、植物は酸素にアクセスできなくなり、根腐れを引き起こす可能性があります。水分が少なすぎると、植物は水ストレスを受けたり、栄養素を吸収する能力を失ったりします。栄養素は通常、溶解したまま根に移動し、クロロシスや肥料焼けなどの栄養欠乏症状を引き起こします。最終的に、ゲリケの先進的なアイデアは、水耕栽培を商業農業に導入することにつながり、一方、ホーグランドの見解と大学の有益な支援により、ホーグランドと彼の同僚は、ホグランド溶液として広く知られているミネラル栄養溶液の新しい処方（レシピ）をいくつか開発しました。^[33]

水耕栽培の最も初期の成功例の一つは、パンアメリカン航空の給油地として使われていた太平洋の岩礁の環礁、ウェーク島で起こった。1930年代、乗客用の野菜を育てるために水耕栽培が行われた。ウェーク島には土壌がなく、新鮮な野菜を空輸するのは非常に高価だったため、水耕栽培は必要不可欠だった。^[34]

ダニエル・I・アーノンは1943年から1946年までアメリカ陸軍の少佐として勤務し、植物栄養に関する専門知識を生かして、耕作可能な土地がなかったため砂利と栄養豊富な水で作物を育て、西太平洋の不毛のポナペ島に駐留する兵士たちに食料を提供した。^[35]

1960年代にはイギリスのアレン・クーパーが栄養フィルム技術を開発しました。^{[36]ウォルト・ディズニー・ワールドのエプコット・センターの} ランド・パビリオンは1982年にオープンし、さまざまな水耕栽培技術を特徴としています。

過去数十年間、NASAは制御生態学的生命維持システム（CELSS）のために広範な水耕栽培研究を行ってきました。火星の環境を模倣した水耕栽培研究では、LED照明を使用して、はるかに少ない熱で異なる色スペクトルで栽培します。ケネディ宇宙センターの宇宙生命科学研究所の植物生理学者レイ・ウィーラーは、水耕栽培が生物再生型生命維持システムとして宇宙旅行に進歩をもたらすと考えています。^[37]

2017年現在、カナダには数百エーカーの大規模な商業用水耕栽培温室があり、トマト、ピーマン、キュウリを生産している。^[38]

業界内の技術進歩と数多くの経済的要因により、世界の水耕栽培市場は2016年の2億2,645万米ドルから2023年までに7億2,487万米ドルに成長すると予測されています。^{[39] [更新が必要]}

各培地には、地下灌漑と上部灌漑の 2 つの主な^{バリエーション}があります。すべての技術において、ほとんどの水耕栽培用貯水槽は現在^{プラスチックで作られていますが、コンクリート、ガラス}、金属、植物性固形物、木材などの他の材料も使用されてきました。水耕栽培培地での藻類や真菌の増殖を防ぐために、容器は光を遮断する必要があります。

静置培養では、植物はガラス製のメイソンジャー（通常は家庭で使用）、鉢、バケツ、桶、タンクなどの培養液の入った容器で栽培されます。通常、培養液は穏やかに通気されますが、通気されない場合もあります。^[13]通気されない場合、十分な根が溶液より上に出るように溶液のレベルを低く保ち、根が十分な酸素を得られるようにします。各植物のために、リザーバーの上部に穴が開けられます（またはドリルで穴をあけます）。瓶や桶の場合は蓋になりますが、そうでない場合は、ボール紙、ホイル、紙、木、金属を上に置きます。1 つのリザーバーを 1 つの植物専用にすることも、複数の植物に使用することもできます。植物が大きくなったら、リザーバーのサイズを大きくすることができます。自家製のシステムは、フードコンテナーやガラス製の缶詰ジャーから構築でき、通気は水槽ポンプ、水槽のエアラインチューブ、水槽のバルブ、または光合成によってガラス上の緑藻のバイオフィルムによって行われます。透明な容器は、負の光屈性の影響を排除するために、アルミホイル、包装紙、黒いプラスチック、またはその他の材料で覆うこともできます。栄養液は、週に1回などのスケジュールに従って、または電気伝導率計で測定された濃度が特定のレベルを下回ったときに交換されます。溶液が特定のレベルを下回ると、水または新鮮な栄養液が追加されます。マリオットの瓶またはフロートバルブを使用して、溶液レベルを自動的に維持できます。ラフト溶液栽培では、植物は養液の表面に浮かべられた浮力のあるプラスチックシートに配置されます。これにより、溶液レベルが根より下に下がることはありません。^[40]

連続流培養では、養液が常に根を通り過ぎます。サンプル採取と温度、pH、栄養濃度の調整を、何千もの植物に供給できる可能性のある大型の貯蔵タンクで行うことができるため、静的培養よりも自動化がはるかに簡単です。人気のあるバリエーションは、栄養膜技術またはNFTです。これは、植物の成長に必要なすべての溶解栄養素を含む非常に浅い水流が、上部が空気にさらされた防水チャネル内の植物の裸根マットを通過する薄い層で再循環されます。その結果、植物の根に豊富な酸素が供給されます。適切に設計されたNFTシステムは、適切なチャネル傾斜、適切な流量、および適切なチャネル長さを使用することに基づいています。他の形式の水耕栽培に対するNFTシステムの主な利点は、植物の根が十分な水、酸素、および栄養にさらされることです。他のすべての生産形態では、これらの要件の供給には矛盾がある。なぜなら、一方の過剰または不足は、もう一方の不均衡または両方の不均衡をもたらすからである。NFT は、その設計により、NFT のシンプルな概念を常に覚えて実践すれば、健康な植物の成長に必要な 3 つの要件をすべて同時に満たすことができるシステムを提供する。これらの利点の結果、長期間の栽培で高品質の農産物の収穫量が増える。NFT の欠点は、フローの中断 (停電など) に対する緩衝効果がほとんどないことである。しかし、全体として、NFT はおそらくより生産性の高い技術の 1 つである。^[41]

同じ設計特性が、従来のNFTシステムすべてに当てはまります。水路に沿った勾配は1:100が推奨されていますが、実際には、局所的に窪んだ領域に水たまりを作らずに栄養膜が流れるのに十分な勾配の水路の基礎を築くのは困難です。結果として、1:30から1:40の勾配を使用することが推奨されています。^[42]これにより、表面にわずかな凹凸が許容されますが、これらの勾配であっ​​ても、水たまりや浸水が発生する可能性があります。勾配は床によって提供される場合もあれば、ベンチまたはラックで水路を支えて必要な勾配を提供する場合もあります。両方の方法が使用され、多くの場合、場所と作物の要件によって決定される地域の要件に依存します。

一般的なガイドラインとして、各溝の流量は毎分1リットルにすべきである。^{[曖昧] [43]}植え付け時には、流量はこの半分で、2リットル/分という上限がほぼ最大と思われる。これらの極端な流量を超えると、栄養上の問題が発生することが多い。溝の長さが12メートルを超えると、多くの作物の成長率が低下することが観察されている。成長の早い作物では、酸素レベルは適切であるものの、溝の長さ全体にわたって窒素が枯渇する可能性があることがテストで示されている。結果として、溝の長さは10〜15メートルを超えてはならない。これが不可能な状況では、溝の途中に別の栄養剤を置き、各出口の流量を半分にすることで、成長の低下を解消できる。^{[44] [6]}

エアロポニックスは、根を栄養液の微細な滴（ミストまたはエアロゾル）で飽和した環境に連続的または不連続的に保つシステムです。この方法では基質は必要なく、根を深層空気または成長チャンバーに吊り下げ、定期的に霧状の栄養分を噴霧して根を湿らせながら植物を育てます。優れた通気性はエアロポニックスの主な利点です。

エアロポニック技術は、繁殖、種子の発芽、種イモの生産、トマトの生産、葉物野菜、マイクログリーンの栽培において商業的に成功していることが証明されています。^[45]発明家のリチャード・ストーナーが1983年にエアロポニック技術を商業化して以来、エアロポニックスは水を大量に消費する水耕栽培システムの代替として世界中で導入されてきました。^[46]水耕栽培の主な制限は、エアレーターの使用の有無にかかわらず、1キログラム（2.2ポンド）の水に8ミリグラム（0.12グラム）の空気しか含まれないという事実です。

水耕栽培に対する空中栽培のもう一つの明らかな利点は、空中栽培の微小環境を細かく制御できるため、真の空中栽培システムではあらゆる種類の植物を栽培できることです。水耕栽培のもう一つの制限は、特定の種類の植物は水中で生きられる時間が限られており、それを超えると水浸しになってしまうことです。対照的に、吊り下げ式の空中栽培植物は、根圏、茎、葉に利用可能な酸素と二酸化炭素の100％を受け取るため、^{[47] [48]}バイオマスの成長が促進され、発根時間が短縮されます。NASAの研究によると、空中栽培植物は水耕栽培植物と比較して乾燥重量バイオマス（必須ミネラル）が80％増加しています。空中栽培では、水耕栽培よりも65％少ない水も使用します。NASAは、空中栽培植物は水耕栽培と比較して1/4の栄養素入力が必要であると結論付けました。^{[49] [50]}水耕栽培の植物とは異なり、空中栽培の植物は土壌に移植しても移植ショックを受けず、栽培者は病気や病原体の拡散を減らすことができます。空中栽培は、植物生理学や植物病理学の研究室でも広く使用されています。無重力環境では霧の方が液体よりも扱いやすいため、空中栽培技術はNASAから特別な注目を集めています。^{[49] [6]}

フォグポニックスはエアロポニックスの派生であり、超音波周波数で振動するダイヤフラムによって養液がエアロゾル化される。この方法で生成される液滴は、エアロポニックスのように加圧ノズルを通して養液を強制的に送り込むことによって生成される液滴よりも直径が5～10μmになる傾向がある。液滴のサイズが小さいため、空気中をより簡単に拡散し、酸素へのアクセスを制限することなく根に栄養分を届けることができる。^{[51] [52]}

受動的な地下灌漑は、受動的な水耕栽培、半水耕栽培、またはハイドロカルチャーとしても知られ、^[53]不活性な 多孔質媒体で植物を栽培する方法であり、必要に応じて別の貯水槽から毛細管現象によって水と肥料を根に移動させ、労力を減らし、根に一定の水を供給する。最も簡単な方法では、鉢を肥料と水の浅い溶液の中に置くか、栄養溶液で飽和した毛細管マットの上に置く。膨張粘土やココナッツの殻など、利用可能なさまざまな水耕栽培媒体は、従来の培養土よりも空気層が多く、根に多くの酸素を供給します。これは、自然界で根が空気にさらされているランやアナナスなどの着生植物にとって重要です。受動的な水耕栽培のその他の利点は、根腐れの軽減です。

最も単純な形態では、栄養豊富な水が、膨張粘土骨材などの成長培地に入れられた植物の入った容器にポンプで送り込まれます 。一定の間隔で、単純なタイマーによってポンプが容器に栄養溶液を充填し、その後溶液は貯水槽に戻ります。これにより、培地は定期的に栄養素と空気で洗い流されます。^[54]

ラン・トゥ・ウェイスト方式では、培地表面に栄養と水溶液を定期的に散布する。この方法は1946年にベンガルで発明されたため、「ベンガル方式」と呼ばれることもある。^[55]

この方法は、さまざまな構成で設定できます。最も単純な形式では、ロックウール、パーライト、バーミキュライト、ココファイバー、砂などの不活性な成長媒体の容器に、栄養と水の溶液を 1 日に 1 回以上手動で適用します。もう少し複雑なシステムでは、供給ポンプ、タイマー、灌漑チューブを使用して自動化され、植物のサイズ、植物の成長段階、気候、基質、基質の伝導率、pH、水分含有量などの重要なパラメータによって制御される供給頻度で栄養溶液を供給します。

商業環境では、散水頻度は複数の要因によって決まり、コンピューターやPLCによって制御されます。

トマト、キュウリ、ピーマンなどの大型植物の商業用水耕栽培では、何らかの形の廃棄型水耕栽培が採用されています。

栄養分が豊富で酸素を含んだ水溶液に植物の根を吊るす水耕栽培法。伝統的な方法では、プラスチック製のバケツや大型容器を使用し、蓋の中央から吊るしたネットポットに入れた植物と、栄養溶液に浸した根を栽培する。この溶液は、多孔質の石と組み合わせたエアポンプによって酸素で飽和される。この方法では、根が受け取る酸素の量が多いため、植物の成長がはるかに速くなる。^[56]クラッキー法は深水栽培に似ているが、循環しない貯水槽を使用する。

上部給水式深水栽培は、酸素を多く含んだ養液を植物の根域に直接供給する技術です。深水栽培では植物の根が養液の貯水槽に垂れ下がりますが、上部給水式深水栽培では、貯水槽から根に養液がポンプで送られます (上部給水)。水は植物の根に放出され、その後、常に循環するシステムで下の貯水槽に戻ります。深水栽培と同様に、貯水槽内にはエアストーンがあり、貯水槽の外側からホースを介して水中に空気を送り込みます。エアストーンは、水に酸素を加えるのに役立ちます。エアストーンと水ポンプは、どちらも 24 時間稼働しています。

標準深水栽培に対するトップフィード深水栽培の最大の利点は、最初の数週間の成長が速いことです。^{[引用が必要]}深水栽培では、根がまだ水に達していない時期があります。トップフィード深水栽培では、根は最初から水に簡単にアクセスでき、深水栽培システムよりもはるかに速く下の貯水池まで成長します。根が下の貯水池に到達したら、トップフィード深水栽培は標準深水栽培に比べて大きな利点はありません。ただし、最初の成長が速いため、成長時間を数週間短縮できます。^{[引用が必要]}

回転式水耕栽培園は、栽培する植物の成長サイクル全体にわたって連続的に回転する円形のフレーム内に作られる商業用水耕栽培の一種です。

システムの詳細はさまざまですが、システムは通常 1 時間に 1 回回転し、植物は 24 時間ごとに円内を 24 回転します。各回転式水耕栽培園の中央には、太陽光をシミュレートするように設計された高輝度栽培ライトが設置されており、多くの場合、機械式タイマーの補助を受けています。

毎日、植物が回転するにつれて、定期的に水耕栽培用溶液で水やりが行われ、力強い成長に必要なすべての栄養素が供給されます。植物は重力と絶えず戦っているため、土壌や他の従来の水耕栽培システムで育てた場合よりも、植物は通常はるかに早く成長します。^[57]回転式水耕栽培システムはサイズが小さいため、他の従来の水耕栽培システムよりも床面積あたりの植物材料をより多く栽培できます。^[58]

回転式水耕栽培システムは、主にその実験的な性質と、システムを探し、購入し、操作し、維持するためのコストが高いため、ほとんどの場合避けるべきです。^[59]

栽培技術によって適切な培地は異なります。

ロックウール（ミネラルウール）は、水耕栽培で最も広く使用されている培地です。ロックウールは、廃棄システムと循環システムの両方に適した不活性基質です。ロックウールは、溶融した岩、玄武岩、または「スラグ」から作られ、単繊維の束に紡がれ、毛細管現象が可能な培地に結合され、事実上、最も一般的な微生物による分解から保護されています。ロックウールは通常、苗の段階、または切り取ったばかりのクローンにのみ使用されますが、植物の生涯にわたって植物のベースと一緒に使用できます。ロックウールには多くの利点といくつかの欠点があります。後者は、取り扱い中に皮膚を刺激する可能性があることです（1：1000）。^{[引用が必要]}通常は、冷水で洗い流すと緩和されます。利点には、市販の水耕栽培基質としての実証済みの効率性と有効性が含まれます。現在までに販売されているロックウールのほとんどは、欧州連合の分類、包装、表示規則 (CLP) の注記 Q に該当する、非有害性、非発がん性の物質です。^[要出典]

ミネラルウール製品は、水耕栽培において根の成長と栄養吸収を助ける大量の水と空気を保持するように設計することができる。また、その繊維質の性質は、植物を安定に保つための優れた機械的構造を提供する。ミネラルウールはもともとpHが高いため、最初は植物の成長に適さず、適切で安定したpHのウールを生成するために「調整」が必要である。^[60]

焼成粘土ペレットは、すべての栄養素が水溶液内で慎重に管理される水耕栽培システムに適しています。粘土ペレットは不活性で、pH は中性であり、栄養価は含まれていません。

粘土は丸いペレットに成形され、ロータリー窯で1,200 °C (2,190 °F) で焼成されます。これにより、粘土はポップコーンのように膨張し、多孔質になります。重量が軽く、時間が経っても固まりません。個々のペレットの形状は、ブランドや製造プロセスに応じて不規則または均一になります。メーカーは、膨張粘土を、通常は白酢、塩素系漂白剤 、または過酸化水素( H
₂お
₂）、完全にすすいでください。

別の見解では、粘土の小石は、たとえ洗浄したとしても、培地に根が生えてくる可能性があるため、再利用しない方がよいとされています。使用後に粘土の小石を割ると、この根が生えているのがわかります。^{[引用が必要]}

ガラス廃棄物から作られたグロウストーンは、パーライトやピートよりも空気と水の保持スペースが大きい。この骨材は、パーボイルドされた米のもみ殻よりも多くの水を保持する。^[61]グロウストーンは、体積比で0.5〜5％の炭酸カルシウムで構成されています^[62] 。標準的な5.1kgのグロウストーンの袋には、25.8〜258グラムの炭酸カルシウムが相当します。残りはソーダ石灰ガラスです。^[62]

ココナッツ繊維は、ココヤシ泥炭とも呼ばれ、ココナッツの加工から得られる天然の副産物です。ココナッツの外側の殻は繊維で構成されており、フロアマットからブラシまで、さまざまな製品の製造に一般的に使用されています。長繊維がそれらの用途に使用された後、塵と短繊維が結合されてココヤシ繊維が作られます。ココナッツはライフサイクルを通じて高レベルの栄養素を吸収するため、ココヤシ繊維は成長培地として使用できる前に熟成プロセスを経る必要があります。^[63]このプロセスでは、大量の水洗浄により塩、タンニン、フェノール化合物が除去されます。このプロセスの副産物として汚染された水があり、1立方メートルのココヤシ繊維あたり300〜600リットルの水が必要になります。^[64]さらに、この熟成には最大6か月かかることがあり、ある研究では、熟成プロセス中の労働条件は危険であり、北米やヨーロッパでは違法であると結論付けられています。^[65]注意が必要で、健康リスクや環境への影響があるにもかかわらず、ココナッツ繊維は優れた材料特性を持っています。水にさらされると、茶色で乾燥した塊状の繊維質の素材は、元の大きさの約3〜4倍に膨張します。この特性とココナッツ繊維の保水性、害虫や病気に対する耐性を組み合わせることで、ココナッツ繊維は効果的な成長培地になります。ロックウールの代替品として使用されるココナッツ繊維は、最適な成長条件を提供します。^[66]

パーボイルド籾殻（PBH）は、農業副産物であり、それ以外ではほとんど用途がありません。時間の経過とともに分解され、排水が可能になり、^[67]成長石よりも水分を保持する量が少なくなります。^{[61]ある研究では、籾殻は}植物成長調整剤の効果に影響を与えないことが示されました。^{[67] [非一次情報源が必要]}

パーライトは、超軽量の膨張したガラスの小石に過熱された火山岩です。そのまま、またはプラスチックのスリーブに入れて水に浸して使用されます。また、土壌密度を下げるために鉢植え用土壌混合物にも使用されます。ただし、一部の植物に有害な可能性のあるフッ素が大量に含まれています。^{[68]パーライトは}バーミキュライトと同様の特性と用途がありますが、一般的に空気をより多く含み、水をより少なく含み、浮力があります。

パーライトと同様に、バーミキュライトは軽い小石に膨張するまで過熱された鉱物です。バーミキュライトはパーライトよりも多くの水分を保持し、受動型水耕栽培システムで水と栄養素を引き寄せることができる自然な「吸い上げ」特性を持っています。植物の根の周りに水が多すぎて空気が足りない場合は、パーライトの量を徐々に増やして混ぜることで、培地の保水能力を徐々に下げることができます。

軽石はパーライトと同様に、軽量で採掘された火山岩であり、水耕栽培に使用されます。

砂は安価で入手しやすいが、重く、保水性が悪く、使用の合間に殺菌する必要がある。^[69]

水槽で使用されているものと同じタイプですが、事前に洗浄すれば、どんな小さな砂利でも使用できます。実際、電動パワーヘッドポンプを使用して水を循環させ、典型的な従来の砂利フィルターベッドで育つ植物は、実質的に砂利水耕栽培（「養液栽培」とも呼ばれます）を使用して育てられています。砂利は安価で、清潔に保つのが簡単で、水はけがよく、水浸しになりません。ただし、重く、システムが継続的に水を供給しないと、植物の根が乾燥する可能性があります。

木材の蒸気摩擦から生成される木質繊維は、水耕栽培に効果的な有機基質です。その構造を長期間維持できるという利点があります。木毛（つまり木の細片）は、水耕栽培研究の初期の頃から使用されてきました。^[29]しかし、最近の研究では、木質繊維が「植物成長調整剤」に有害な影響を与える可能性があることが示唆されています。^{[67] [非一次情報源が必要]}

羊の毛刈りから得られるウールは、あまり使われていないが、将来有望な再生可能な栽培用培地である。キュウリ栽培においてウールとピートスラブ、ココナッツ繊維スラブ、パーライト、ロックウールスラブを比較した研究では、羊毛は70%と空気容量が大きく、使用するにつれて同程度の43%に減少し、水分容量は使用するにつれて23%から44%に増加した。^[70]羊毛を使用すると、テストした培地の中で最も収穫量が多くなり、フミン酸、乳酸、枯草菌からなるバイオ刺激剤を塗布すると、すべての培地で収穫量が向上した。^[70]

レンガの破片は砂利と似た性質を持っています。ただし、pH値が変化する可能性があり、再利用する前に余分な洗浄が必要になるという欠点もあります。^[71]

ポリスチレン製の梱包用ピーナッツは安価で入手しやすく、排水性にも優れています。しかし、用途によっては軽すぎる場合があります。主に密閉管システムで使用されます。生分解性でないポリスチレン製のピーナッツを使用する必要があります。生分解性の梱包用ピーナッツは分解して汚泥になります。植物はスチレンを吸収して消費者に渡す可能性があり、これは健康リスクの可能性があります。^[71]

水耕液の配合は植物栄養の応用であり、栄養欠乏の症状は従来の土壌農業で見られる症状と似ています。ただし、水耕液の基礎となる化学は、土壌の化学とは多くの点で大きく 異なります。重要な違いは次のとおりです。

• 土壌とは異なり、水耕栽培の栄養溶液には粘土粒子や有機物からの陽イオン交換容量(CEC) がありません。CEC と土壌の細孔が存在しないということは、水耕栽培のセットアップでは、土壌の場合よりもpH、酸素飽和度、および栄養濃度がはるかに急速に変化する可能性があることを意味します。
• 植物による栄養素の選択的吸収は、しばしば溶液中の対イオンの量を不均衡にする。 ^{[29] [72] [73]}この不均衡は、溶液のpHと、同様のイオン電荷を持つ栄養素を吸収する植物の能力に急速に影響を及ぼす可能性がある（膜電位の記事を参照）。例えば、硝酸アニオンは、植物によって急速に消費されてタンパク質を形成し、溶液中に過剰な陽イオンが残ることが多い。 ^[29]この陽イオンの不均衡は、溶液中に理想的な量のそれらの栄養素が溶解している場合でも、他の陽イオンベースの栄養素（例：Mg ²⁺）の欠乏症状につながる可能性がある。^{[72] [73]}
• pH値や水中の汚染物質の有無によっては、鉄などの栄養素が溶液から沈殿し、植物が利用できなくなる可能性があります。pH値の定期的な調整、溶液の緩衝化、またはキレート剤の使用が必要になることがよくあります。^[74]
• 土壌の種類によって組成が大きく異なるのに対し、水耕栽培用溶液は標準化されていることが多く、植物栽培には定期的なメンテナンスが必要です。^[75]管理された実験室環境では、水耕栽培用溶液は定期的に pH を中性付近 (pH 6.0) に調整し、酸素で通気します。また、蒸散による損失を補うために水位を補充する必要があり、植物が成長して栄養分が枯渇すると栄養の不均衡が生じるため、栄養溶液の再強化が必要です。硝酸イオンの定期的な測定は、バランスの取れた溶液を回復するために、他の必須栄養イオンの残存割合と濃度を推定するための重要なパラメータとして使用されることがあります。^[76]
• 標準化されバランスのとれた栄養溶液のよく知られた例としては、ホーグランド溶液、ロングアシュトン栄養溶液、またはノップ溶液があります。

従来の農業と同様に、栄養素は、特定の植物の品種ごとにリービッヒの最小法則を満たすように調整する必要があります。^[72]それでも、栄養溶液の一般的に許容される濃度は存在し、ほとんどの植物の最小および最大濃度範囲は多少似ています。^[77]ほとんどの栄養溶液は、1,000〜2,500 ppmの濃度になるように混合されます。^[29]合計ppm数値を構成する個々の栄養イオンの許容濃度は、次の表にまとめられています。必須栄養素の場合、濃度がこれらの範囲を下回ると栄養素欠乏につながることが多く、これらの範囲を超えると栄養素の毒性につながる可能性があります。植物の品種に対する最適な栄養濃度は、経験または植物組織検査によって経験的に見つけられます。^[72]

有機肥料は、従来の水耕栽培溶液で使用される無機化合物を補充したり、完全に置き換えたりするために使用できます。 ^{[72] [73]}しかし、有機肥料を使用すると、簡単に解決できない多くの課題が生じます。例としては、次のものがあります。

• 有機肥料は、ミネラルやさまざまな有機・無機種の点で、栄養成分が非常に多様です。類似した物質であっても、その供給源によって大きく異なる場合があります (たとえば、肥料の品質は動物の食事によって異なります)。
• 有機肥料は動物の副産物から作られることが多いため、人間の食用や動物の飼料として栽培される植物では病気の伝染が深刻な懸念事項となっています。
• 有機肥料は粒子状であることが多く、基質やその他の栽培機器を詰まらせる可能性があります。有機物をふるいにかけたり粉砕したりして細かい粉にすることがしばしば必要になります。
• 有機物質の生化学的分解および変換プロセスにより、そのミネラル成分が植物に利用可能になります。
• 一部の有機物（特に肥料や内臓）は、嫌気性条件下でさらに分解され、悪臭を発することがあります。
• 多くの有機分子（糖など）は好気的分解中に追加の酸素を必要としますが、これは植物の根の細胞呼吸に不可欠です。
• 有機化合物（糖、ビタミン、AO）は通常の植物の栄養には必要ありません。^[85]

しかし、注意すれば、有機肥料は水耕栽培でもうまく使用することができます。^{[72] [73]}

適切な材料の例と、その平均栄養含有量を乾燥質量パーセントで表したものが次の表に記載されている。^[72]

微量栄養素は有機肥料からも摂取できます。例えば、堆肥化した 松の樹皮にはマンガンが多く含まれており、水耕栽培の溶液でそのミネラル要件を満たすために使用されることがあります。^[73]国家有機プログラムの要件を満たすために、粉砕された未精製のミネラル（石膏、方解石、海緑石など）を追加して植物の栄養ニーズを満たすこともできます。

有機および従来の水耕栽培システムの両方に化合物を添加して、植物による栄養の獲得と吸収を改善することができる。キレート剤とフミン酸は栄養素の吸収を高めることがわかっている。^{[86] [73]}さらに、畑や温室農業で定期的に利用されている植物成長促進根圏細菌（PGPR）は、水耕植物の成長発達と栄養素の獲得に有益であることがわかっている。^[87]一部のPGPRは窒素固定を高めることが知られている。適切に維持された施肥計画を持つ水耕栽培システムでは窒素は一般に豊富であるが、アゾスピリルム属とアゾトバクター属は、根圏での微生物の増殖が速いシステムで窒素の可動形態を維持するのに役立つ可能性がある。^[88]従来の施肥方法では、収穫時に植物組織内に硝酸塩の蓄積濃度が高くなることが多い。ロドシュードモナス・パルストリスは、葉物野菜において、従来の水耕栽培法と比較して、窒素利用効率を高め、収穫量を増やし、収穫時の硝酸塩濃度を88%低下させることが示されています。^[89] 多くのバチルス属、シュードモナス属、ストレプトマイセス属は、土壌のpHを下げ、より広いpH範囲で利用可能なキレート化された形で結合したリンを放出し、有機リンをミネラル化することで、植物が利用できない土壌中のリンの形態を可溶性陰イオンに変換します。^[88]

いくつかの研究では、バチルス接種剤により、水耕栽培のリーフレタスは成長を低下させる高塩ストレスを克服できることがわかっています。^[90]これは、水源の電気伝導率や塩分含有量が高い地域で特に有益です。これにより、高価な逆浸透ろ過システムを回避しながら、高い収穫量を維持できる可能性があります。

栄養濃度、酸素飽和度、pH 値を許容範囲内で管理することは、水耕栽培を成功させる上で不可欠です。水耕溶液の管理に使用される一般的なツールには、次のものがあります。

• 電気伝導率計は、溶液がどの程度電流を伝導するかを測定することで栄養素の ppm を推定するツールです。
• pHメーターは、電流を利用して溶液中の水素イオンの濃度を測定するツールです。
• 酸素電極は、溶液中の酸素濃度を測定するための電気化学センサーです。
• リトマス紙は、色が変わる化学反応によって水素イオン濃度を測定する使い捨てのpH 指示薬ストリップです。
• 市販の水耕栽培用溶液をあらかじめ混合して計量するためのメスシリンダーまたは計量スプーン。

化学分析装置を使用して栄養溶液の正確な化学分析を行うこともできます。例としては次のようなものがあります。 ^[72]

• 材料を正確に測定するための天秤。
• 滴定を行うためのビュレットやピペットなどの実験用ガラス器具。
• ランベルト・ビールの法則を応用した溶液試験用の比色計。
• 主要なパラメータである硝酸塩や、リン酸塩、硫酸塩、鉄などの他の栄養素の濃度を測定する分光光度計。
• 植物を育てたり保管したりするための容器。

水耕栽培液に化学装置を使用することは、養液が再利用できることが多いため、どのような背景を持つ栽培者にとっても有益です。^[91]養液が完全に枯渇することは事実上なく、また、浸透圧が許容できないほど低くなるため、枯渇するはずもありません。そのため、古い溶液を新しい栄養素で再強化することで、栽培者の費用を節約し、近くの湖や小川の富栄養化の一般的な原因である点源汚染を制御することができます。^[91]

あらかじめ混合された濃縮栄養液は、一般に水耕栽培愛好家や小規模な商業栽培者が市販の栄養剤製造業者から購入しますが、化学に関する広範な知識がなくても誰でも独自の栄養液を調製できるツールがいくつかあります。無料のオープンソースツールである HydroBuddy ^[92]と HydroCal ^[93]は、プロの化学者によって作成されたもので、水耕栽培者が独自の栄養液を調製するのに役立ちます。最初のプログラムは Windows、Mac、Linux で使用でき、2 番目のプログラムはシンプルな JavaScript インターフェイスで使用できます。両方のプログラムで基本的な栄養液の調製が可能ですが、HydroBuddy にはカスタム物質の使用と保存、配合の保存、電気伝導率の予測などの追加機能があります。

多くの場合、個々の塩を使用して水耕液を混合することは、市販品が手頃な価格で入手できるため、愛好家や小規模の商業栽培者にとっては非現実的です。ただし、市販品を購入する場合でも、多成分肥料が人気です。これらの製品は、特定の栄養的役割を強調した3部構成の配合で購入されることがよくあります。たとえば、栄養成長（窒素が多い）、開花（カリウムとリンが多い）、微量栄養素溶液（微量ミネラルを含む）の溶液が人気です。これらの多成分肥料のタイミングと適用は、植物の成長段階と一致する必要があります。たとえば、一年生植物のライフサイクルの終わりには、植物は窒素の多い肥料を制限する必要があります。ほとんどの植物では、窒素制限は栄養成長を抑制し、開花を誘発するのに役立ちます。^[73]

害虫の問題が軽減され、根に栄養が絶えず供給されるため、水耕栽培の生産性は高くなります。しかし、栽培者は洗練された栽培室を建設して植物の環境を操作することで、収穫量をさらに増やすことができます。^[94]

収穫量をさらに増やすために、密閉された温室の中には、成長と植物の繁殖力を高めるために環境に CO2_{を注入するところもあります。}

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