一種間歇式升降營養(yǎng)液深度技術(shù)的研究與示范

覃大吉，帥超群，李亞杰，向極釬，楊永康，馬 進(jìn)，鄒迎春，黃建民

(1.恩施清江生物工程有限公司，湖北 恩施 445000;2.湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心鄂西綜合試驗站， 湖北 恩施 445000)

無土栽培總體上可分為有基質(zhì)栽培(aggregate culture)和無基質(zhì)栽培(inaggregate culture)兩種類型，無基質(zhì)栽培又分為水培(hydroponics)和霧培(aeroponics)兩種方式，水培技術(shù)主要有魯SC型無土栽培、營養(yǎng)液膜(NFT)技術(shù)、深液流(DFT)系統(tǒng)、浮板毛管(FCH)系統(tǒng)等[1-4].在深入研究現(xiàn)有無土栽培技術(shù)和影響實際生產(chǎn)的關(guān)鍵因素的基礎(chǔ)上，成功研制了一種間歇式升降營養(yǎng)液深度無土栽培技術(shù)(IRF-NDT).該系統(tǒng)與Cooper 于1973年發(fā)明的NFT系統(tǒng)[5]及陳全勝設(shè)計的DFT系統(tǒng)[6]比較具有很大的改進(jìn)[7].

1 IRF-NDT裝置栽培單元結(jié)構(gòu)

如圖1和圖2所示，IRF-NDT裝置的栽培單元結(jié)構(gòu)主要由定植板(1)、氣-液箱(2)、通氣道(3)和升降營養(yǎng)液深度系統(tǒng)(4)四部分組成.氣-液箱由上、下兩部分組成，上部是定植板覆蓋下的通氣室(5)，下部是營養(yǎng)液深度(6)，氣-液箱最上面的定植板支撐定植的植株(7)，通氣室在氣-液箱的上中部，在通氣室內(nèi)兩邊平行鑲嵌兩條通氣管(8)，通氣管與外界空氣相通.在氣-液箱內(nèi)的最下部的兩端設(shè)有營養(yǎng)液進(jìn)液口(9)和在出口端安置的鴨嘴虹吸口(10)，鴨嘴虹吸口端通過1根軟管(11)與營養(yǎng)液深度高低調(diào)節(jié)閥(12)相連，可以用來調(diào)節(jié)氣-液箱中流動營養(yǎng)液深度(13).多個相同的栽培單元通過進(jìn)液管(14)和回液管(15)并聯(lián)連接起來，在處于垂直(多層架Ⅰ)或水平放置(某層內(nèi)Ⅱ)狀態(tài)下實現(xiàn)營養(yǎng)液的自動流動和各單元內(nèi)的營養(yǎng)液深度的自動升降調(diào)節(jié).儲液池(16)用于儲存營養(yǎng)液和營養(yǎng)液的Ph值、溶氧量的檢測與調(diào)節(jié)，以及EC值的檢測調(diào)節(jié)和營養(yǎng)液更換.潛水泵(18)與外接電源連接，持續(xù)為營養(yǎng)液循環(huán)提供動力.營養(yǎng)槽支柱(19)用于支撐垂直層架式放置的營養(yǎng)槽(1個栽培單元).各栽培單元虹吸口與1個U型液封管(20)相連接，在營養(yǎng)液回流結(jié)束時形成液封，有助于下一次回流時形成大于虹吸口至營養(yǎng)液深度調(diào)節(jié)閥上端之間的液柱.

圖1 間歇式升降營養(yǎng)液深度裝置單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 間歇式升降營養(yǎng)液深度裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

2 IRF-NDT裝置系統(tǒng)的工作原理

2.1 IRF-DFT裝置工作原理

營養(yǎng)液深度高低調(diào)節(jié)閥始終處于營養(yǎng)液深度厚度刻度標(biāo)尺的最上端，其一端通過一根軟管與鴨觜虹吸口相連，另一端與回液管相連.一個潛水泵緩緩地將營養(yǎng)液池中的營養(yǎng)液泵入進(jìn)液管，并分流到各個個栽培單元的進(jìn)液口，當(dāng)營養(yǎng)液深度超過營養(yǎng)液深度高低調(diào)節(jié)閥指示的刻度時，營養(yǎng)液將通過鴨嘴虹吸口和營養(yǎng)液深度高低調(diào)節(jié)閥漸漸地流入回液管，并通過分子內(nèi)聚力在回液管中形成懸掛的液柱，當(dāng)營養(yǎng)液充滿液柱達(dá)到一定高度時，因其柱高長度大于鴨嘴虹吸口到營養(yǎng)液深度高低調(diào)節(jié)閥的同徑柱高而產(chǎn)生虹吸拉力，拉動該栽培單元中的營養(yǎng)液自動流向回液管，直到深度與鴨嘴虹吸口上口相齊為止.完成這一栽培單元中的營養(yǎng)液深度的一次自動升降調(diào)節(jié)過程.其它各栽培單元營養(yǎng)液深度升降原理相同.可以根據(jù)人們栽培的需要來調(diào)節(jié)營養(yǎng)液深度從而控制營養(yǎng)液的回流速度，達(dá)到自動調(diào)控的目的.

2.2 鴨嘴虹吸口的優(yōu)點

與孔吸式虹吸口相比較，鴨嘴虹吸口對較薄的營養(yǎng)液深度產(chǎn)生更加均勻平穩(wěn)的虹吸拉力，減少局部拉力過大造成斷流現(xiàn)象，便于更加準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)營養(yǎng)液深度厚度.

2.3 IRF-DFT裝置應(yīng)用原理

使用時，可以將馬鈴薯、黃瓜或東方百合等作物的種子播在定植板上定植孔中的種子萌發(fā)袋中進(jìn)行催芽和出苗，也可以取下種子萌發(fā)袋，直接將其定植苗定植在定植孔中.當(dāng)將種子播在種子萌發(fā)袋中進(jìn)行催芽和出苗時，種子萌發(fā)袋與營養(yǎng)液深度之間通過間歇式接觸提供種子萌發(fā)所需的養(yǎng)分、水分和空氣；當(dāng)其定植苗定植在定植孔中時，植株下部或生根苗的根部與營養(yǎng)液之間通過間歇式接觸提供種苗生根或壯苗所需的養(yǎng)分、水分和氧氣.營養(yǎng)液在裝置的底部通過水分子內(nèi)聚力而成為一個整體的流動相，動力來源于鴨嘴虹吸口端傳來的均勻的虹吸拉力，使?fàn)I養(yǎng)液在水平放置狀態(tài)下自動流動.氣-液箱中的通氣管與外界空氣相通，保證了氣-液室內(nèi)有充足的氧氣供給，可以滿足定植植株全生育期對氧氣的需求.

3 IRF-DFT裝置的優(yōu)勢性

3.1 水平放置，便于操作和管理

該裝置系統(tǒng)即可單獨使用，又可以通過進(jìn)液管和回流管并聯(lián)使用，還可在植株生育期內(nèi)，根據(jù)需要，實現(xiàn)放置和(或)垂直放置，利于進(jìn)行適宜的生產(chǎn)空間與操作空間的調(diào)節(jié)，提高溫室有效空間利用率.

3.2 結(jié)構(gòu)簡單，安裝、拆卸方便

各個栽培單元既可以進(jìn)行獨立的栽培管理，又可以并聯(lián)多個栽培單元進(jìn)行統(tǒng)一栽培管理.多個栽培單元并聯(lián)時要求使用相同的營養(yǎng)液，撤除某個(些)單元時只需要按比例減少營養(yǎng)液供液量，同時保證營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)不斷流，注意將減少單元的營養(yǎng)液進(jìn)出口用預(yù)留的堵頭堵住.

3.3 節(jié)省勞力和用水量

多個栽培單元并聯(lián)的栽培方式，可以節(jié)約大量勞力.在相對封閉和黑暗的條件下進(jìn)行營養(yǎng)液循環(huán)使用，可以實現(xiàn)節(jié)約用水.但要求定時檢測、調(diào)節(jié)營養(yǎng)液的pH值(每2天1次)和營養(yǎng)液濃度，根據(jù)作物生長發(fā)育的需要及時調(diào)節(jié)或更換營養(yǎng)液.

3.4 間歇性升降流動的營養(yǎng)液深度

營養(yǎng)在某個栽培單元中每循環(huán)一次，就完成一次營養(yǎng)液深度厚度升降調(diào)節(jié)，作物根部就有一次機(jī)會分別接觸到營養(yǎng)液和空氣.根據(jù)作物生長發(fā)育需要和潛水泵功率，通過設(shè)定進(jìn)液管的營養(yǎng)液流動速度來達(dá)到控制單位時間內(nèi)的循環(huán)次數(shù)，從而達(dá)到間歇性升降流動的營養(yǎng)液深度厚度的目的.

3.5 高效自動地調(diào)節(jié)園藝作物生長所需的水分和空氣

根部所需的營養(yǎng)、水分和氧氣是作物生長發(fā)育能否正常進(jìn)行的關(guān)鍵因素，其均衡供給是決定生產(chǎn)成功與失敗的核心技術(shù)之一，也是各種無土栽培設(shè)施研制的重點和難點.IRF-DFT裝置成功解決了這一技術(shù)難題，不同作物通過營養(yǎng)液配方的不同保證其生長發(fā)育的需要；水分需求通過根部與營養(yǎng)液深度的間歇式接觸得到滿足；氧氣的供給有兩個方面，一是流動的營養(yǎng)液中溶解的氧氣，二是氣-液箱中的通過管從外部輸送的空氣中的氧氣，可以充分滿足作物生長發(fā)育根部對氧氣的需要.

3.6 消毒徹底不產(chǎn)生重復(fù)污染

將營養(yǎng)液深度高低調(diào)節(jié)閥調(diào)至最高刻度，然后用相關(guān)的消毒劑配制成消毒液取代營養(yǎng)液進(jìn)行1～2 d循環(huán)，另外，將定植板浸泡在消毒液中1～2 d后，將正反面分別置于在太陽光下暴曬晾干，達(dá)到對設(shè)備徹底消毒的目的.設(shè)備再次使用前重復(fù)一次消毒程序，避免再次使用時產(chǎn)生重復(fù)污染現(xiàn)象.

3.7 提高單位面積產(chǎn)量

在作物生長發(fā)育的根部所需的營養(yǎng)、水分和氧氣都得到較好供給時，有利于構(gòu)建一個生物量較大的營養(yǎng)體，再加上在不同培養(yǎng)階段根據(jù)不同培養(yǎng)目的所采取的生長調(diào)節(jié)措施，實現(xiàn)促進(jìn)作物目標(biāo)產(chǎn)量達(dá)到最大化的目的.IRF-NDT技術(shù)的研究成功，成為無土栽培高產(chǎn)栽培技術(shù)的典范.馬鈴薯脫毒微型薯、番茄的生產(chǎn)示范結(jié)果充分證明了這一點.

3.8 栽培單元可多可少，應(yīng)用規(guī)?？纱罂尚?/h3>

IRF-NDT裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是并聯(lián)各栽培單元形成一個可大可小的園藝作物無土栽培系統(tǒng)，栽培管理具有高度的統(tǒng)一性和一致性，規(guī)模大小具有高度的靈活性.基本管理程序是：設(shè)備安裝、系統(tǒng)消毒、設(shè)備調(diào)試、營養(yǎng)液配制、營養(yǎng)液注入、作物定植、栽培管理(pH值檢測與調(diào)節(jié)、EC值檢測與營養(yǎng)液添加或更換、作物生長調(diào)節(jié)等)、產(chǎn)品收獲(分期收獲或一次性收獲)、系統(tǒng)清理、系統(tǒng)消毒.

4 IRF-NDT應(yīng)用范圍

該裝置系統(tǒng)可廣泛用于厚皮甜瓜、番茄、黃瓜、茄子、辣椒、西葫蘆等果類蔬菜的栽培；裝置不僅可用在現(xiàn)代化溫室、塑料大棚、日光溫室內(nèi)，還可用于露地、陽臺、屋頂栽培；由于裝置進(jìn)行營養(yǎng)液循環(huán)利用，可用于教學(xué)和科研，進(jìn)行植物營養(yǎng)和生理研究.本系統(tǒng)經(jīng)在湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心鄂西綜合試驗站、恩施清江生物工程有限公司、湖北恩施中國南方馬鈴薯研究中心、恩施州農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范園、恩施州農(nóng)科院藥物園藝研究所等單位進(jìn)行大規(guī)模栽培馬鈴薯脫毒微型薯、番茄、東方百合等示范生產(chǎn)表明，作物根系發(fā)達(dá)，作物長勢健壯，產(chǎn)量和商品性都已達(dá)到或超過引進(jìn)國外的現(xiàn)代化栽培系統(tǒng).

4.1 馬鈴薯脫毒微毒型薯生產(chǎn)示范

IRF-NDT栽培系統(tǒng)與NFT和基質(zhì)栽培比較，脫毒苗生根時間分別提前1 d和4 d，單株總發(fā)根數(shù)分別增加9根和20根，單株匍匐莖數(shù)分別增加2條和9條，單株微型薯數(shù)分別增加4粒和9粒，數(shù)量分別增加1 720粒/m2和3 600粒/m2，≥5g/粒的微型薯率分別增加18和28個百分點(見表1).

表1 馬鈴薯脫毒微毒型薯生產(chǎn)示范結(jié)果統(tǒng)計表

注：①營養(yǎng)液pH值5.5～5.8，EC值1.2～3.5 ms/cm；②基質(zhì)栽培(Aggregate culture)基質(zhì)為鋸末∶珍珠巖∶蛭石(2∶1∶1)；③試驗材料為“Mira”脫毒苗.

4.2 番茄生產(chǎn)示范

IRF-NDT栽培系統(tǒng)與NFT栽培系統(tǒng)和基質(zhì)栽培比較，番茄扦插苗生根時間分別提前近1.53 d和1.58 d，單株總發(fā)根數(shù)多分別增加8.74條和29.2條，分枝數(shù)與兩對照相當(dāng)，單株結(jié)果數(shù)分別提高12.33個和17.8個，單株提高產(chǎn)量分別提高1.14 kg和2.05 kg，667m2分別增產(chǎn)2 280 kg和4 100 kg，商品率提高1.87和3.7個百分點(見表2).

表2 番茄生產(chǎn)示范結(jié)果統(tǒng)計表

注：(1)營養(yǎng)液pH值5.5～5.8，EC值2～4.0ms/cm；(2) 基質(zhì)栽培(Aggregate culture)基質(zhì)為鋸末∶珍珠巖∶蛭石(2∶1∶1)；(3)試驗材料為“綠亨106”扦插苗.

5 結(jié)論與討論

1)間歇式升降營養(yǎng)液深度技術(shù)(IRF-NDT)的裝置系統(tǒng)中設(shè)置了鴨嘴虹吸口、U型液封管，實現(xiàn)了栽培設(shè)備在水平放置情況下的營養(yǎng)液間歇式自動循環(huán)，節(jié)約勞力和用水，消毒徹底不產(chǎn)生重復(fù)污染，操作管理方便有效.

2)間歇式升降營養(yǎng)液深度技術(shù)(IRF-NDT)的裝置系統(tǒng)較NFT系統(tǒng)營養(yǎng)液用量略大，營養(yǎng)液的理化穩(wěn)定性更好，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng).

3)間歇式升降營養(yǎng)液深度技術(shù)(IRF-NDT)的裝置系統(tǒng)在液-氣箱中設(shè)置了與外界相通的通氣管，同時營養(yǎng)液全方位流動，較DFT系統(tǒng)營養(yǎng)液流動性、溶氧量均有增加[8,9]，更利于作物的生長發(fā)育.

4)間歇式升降營養(yǎng)液深度技術(shù)(IRF-NDT)的裝置系統(tǒng)的各栽培單元處于并聯(lián)狀態(tài)，安裝與撤除方便，栽培單元可多可少，應(yīng)用規(guī)?？纱罂尚。瑫r適宜多種園藝作物栽培，市場需求面廣.

5)間歇式升降營養(yǎng)液深度技術(shù)(IRF-NDT)的裝置系統(tǒng)高效自動地調(diào)節(jié)園藝作物生長所需的水分和空氣，改善作物生長發(fā)育根部環(huán)境，提高單位面積產(chǎn)量.

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