基于電生功能水的設(shè)施蔬菜灌溉系統(tǒng)的研究

王文莉 侯加林 李立成

摘 要：針對設(shè)施蔬菜種植過程中病蟲害發(fā)生頻繁、農(nóng)藥濫用嚴(yán)重的情況，本研究設(shè)計了一套基于電生功能水的設(shè)施蔬菜灌溉系統(tǒng)，主要包括電生功能水制取裝置和設(shè)施蔬菜灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)正常運(yùn)行時主要參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍為：原水流量0～4.0 L/min，電解電流0～2.00 A，電解質(zhì)溶液濃度0～2%，電解質(zhì)溶液流量0～40 mL/min。對設(shè)備所產(chǎn)功能水的有效存儲時間和設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時間進(jìn)行試驗，并在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗基地黃瓜溫室中進(jìn)行整機(jī)試驗和殺菌效果驗證，結(jié)果表明：設(shè)備所產(chǎn)功能水的有效存儲時間為4天，設(shè)備運(yùn)行12 min后達(dá)到穩(wěn)定，使用電生功能水灌溉的黃瓜葉片得病率明顯降低，用電生功能水浸泡處理黃瓜果實(shí)的殺菌效果比普通水提高了2倍多。

關(guān)鍵詞：電生功能水；設(shè)施蔬菜灌溉；殺菌效果

中圖分類號：S625.3文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2016）05-0142-06

Abstract Considering the situations of diseases and insect pests occur frequently and pesticides are abused severely during greenhouse vegetable planting process， a greenhouse vegetable irrigation system was designed based on electrolyzed functional water. It was mainly comprised of electrolyzed functional water production device and greenhouse vegetable irrigation system. During normal operation of the system， the adjustment range of major parameters were as follows： the raw water flow rate of 0～4.0 L/min， the electrolytic current of 0～2.00 A， the concentration of electrolyte solution as 0～2% and the flow rate of electrolyte solution as 0～40 mL/min. The effective storage time of electrolyzed functional water and the stable running time of the equipment were ascertained. Meanwhile， the whole machine was tested and the bactericidal effect was verified in the cucumber greenhouse in Shandong Agricultural University experimental base. The results showed that， the effective storage time of electrolyzed functional water was four days and the equipment ran stably after being started for 12 minutes. The electrolyzed functional water could obviously decrease the incidence rate of cucumber leaves. For the cucumber fruits， the bactericidal effect of electrolyzed functional water was more than 2 times higher than that of ordinary water.

Key words Electrolyzed functional water； Greenhouse vegetable irrigation； Bactericidal effect

近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、栽培技術(shù)的日益完善和推廣、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及人民生活水平的提高，我國設(shè)施蔬菜種植面積逐年擴(kuò)大，并朝著集約化和專業(yè)化方向發(fā)展，設(shè)施蔬菜逐漸成為我國農(nóng)業(yè)中最具活力的新型產(chǎn)業(yè)之一[1]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，我國作為最大的蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)國，設(shè)施蔬菜種植面積位居世界前列，并且發(fā)展速度極快，2008年達(dá)到了444.5萬公頃，是2002年（190萬公頃）的兩倍多。

溫室大棚內(nèi)濕度大、溫度高、風(fēng)速低，為各種病害的發(fā)生與流行提供了有利條件[2]，再加上倒茬困難，致使某些病害菌源尤其是一些土傳病毒積累增多[3]。而在病蟲害防治時，菜農(nóng)用藥隨意性大[4]，常將幾種農(nóng)藥胡亂混配，并隨意提高使用濃度，不僅降低了其對病蟲害防治的有效性，對蔬菜造成嚴(yán)重的藥害，而且殘留的大量農(nóng)藥也會嚴(yán)重危害人體健康。

電生功能水作為一種新型消毒試劑，殺菌后還原為普通水，對環(huán)境無污染，殺菌能力強(qiáng)，適用范圍廣，制造成本低廉，使用簡單方便，并且對人體無毒、副作用，長期使用不會導(dǎo)致病菌抗性的形成[5～6]。其在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)都有廣闊的發(fā)展應(yīng)用前景，如病蟲害防治[7～10]，蔬菜貯存和保鮮[11～12]，促進(jìn)蔬菜生長[13]，提高蔬菜品質(zhì)，改良土壤[14～15]以及克服土壤連作帶來的危害。

將電生功能水和設(shè)施蔬菜灌溉相結(jié)合，利用電生功能水的廣譜殺菌效果，可以在一定程度上替代農(nóng)藥，減少亂用農(nóng)藥的現(xiàn)象，降低殘留農(nóng)藥對人體的危害，而且可在一定程度上促進(jìn)作物生長。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括電生功能水制取和設(shè)施蔬菜灌溉兩大部分。電生功能水制取裝置主要是通過調(diào)節(jié)一定的設(shè)備參數(shù)，產(chǎn)生所需指標(biāo)的電生功能水，作為設(shè)施蔬菜灌溉用水。設(shè)施蔬菜灌溉部分主要通過灌溉控制系統(tǒng)將電生功能水制取裝置產(chǎn)生的功能水進(jìn)行設(shè)施蔬菜灌溉。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 電生功能水制取裝置

1.2.1 工作原理 電生功能水又稱為電解水或電位水，是利用特殊裝置對添加一定濃度含氯電解質(zhì)的水進(jìn)行處理，使水的pH值、氧化還原電位（ORP）、電導(dǎo)率（EC）、有效氯濃度（ACC）等指標(biāo)發(fā)生改變而產(chǎn)生的具有特殊功能的電解水[15]。發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

1.2.2 電生功能水制取裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 電生功能水制取主要包括原水供應(yīng)部分、電解質(zhì)溶液供應(yīng)部分、電解部分、混合部分、電氣控制部分，其中電解部分又分為電解槽和電解電源，其工作原理如圖2所示。

原水供應(yīng)部分主要是為裝置供應(yīng)原水，并將其與電解產(chǎn)生的氯氣混合，還可以對裝置管道進(jìn)行清洗。電解質(zhì)溶液供應(yīng)部分主要是為電解槽提供電解液，維持系統(tǒng)電解，持續(xù)產(chǎn)生電解產(chǎn)物。電解部分主要包括電解槽和電解電源，電解槽作為電生功能水制取裝置的核心部分，對電解質(zhì)進(jìn)行電解，發(fā)生相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)；電解電源主要是提供電解所需能量。混合部分主要是將電解產(chǎn)生的氯氣與原水相混合，經(jīng)過一定距離的混合管道，形成符合指標(biāo)的電生功能水。電氣部分主要是對以上各個部件進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，通過設(shè)置在設(shè)備箱體上的一個單獨(dú)的控制面板進(jìn)行，從而簡化了對設(shè)備的控制。電生功能水制取裝置工作流程如圖3所示，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.3 設(shè)施蔬菜灌溉系統(tǒng)

設(shè)施蔬菜灌溉系統(tǒng)主要包括灌溉硬件部分和控制部分。

1.3.1 灌溉硬件部分 灌溉系統(tǒng)的硬件部分主要包括滴灌管道、一級過濾、一級緩沖桶、水質(zhì)軟化、二級緩沖桶、二級過濾以及灌溉其它組件。具體流程如圖5所示。

1.3.2 灌溉控制部分 灌溉系統(tǒng)控制部分主要包括灌溉閥門控制、現(xiàn)場控制、遠(yuǎn)程控制等部分。由于灌溉試驗組別較多，因此需要在溫室內(nèi)設(shè)置多個閥門控制節(jié)點(diǎn)，由現(xiàn)場控制將閥門控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯聚，然后通過GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。灌溉系統(tǒng)控制部分簡要結(jié)構(gòu)如圖6所示。

閥門控制節(jié)點(diǎn)主要由電磁閥、單片機(jī)控制器、繼電器驅(qū)動電路、供電電路等組成。電磁閥接口外直徑為20 mm，供電電壓為直流24 V。單片機(jī)控制器選用32位的STM32F103作為主控芯片，其工作頻率72 MHz，供電電壓2.0～3.6 V。

現(xiàn)場控制主要是將閥門節(jié)點(diǎn)中的電磁閥進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)手動控制和定時控制。手動控制是通過控制器對各個電磁閥進(jìn)行單獨(dú)控制。定時控制是設(shè)定一定的灌溉時間，當(dāng)灌溉時間達(dá)到后電磁閥關(guān)閉，停止灌溉。

遠(yuǎn)程控制是通過GPRS（General Packet Radio Service）模塊與Internet網(wǎng)絡(luò)以及服務(wù)器共同作用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。其中GPRS模塊選擇ZWG-23A型的GPRS DTU模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對中心的信息傳輸方式；然后通過使用具有GPRS功能的SIM（Subscriber Identity Module）卡，并對GPRS 模塊進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)GPRS模塊的基本功能。遠(yuǎn)程控制工作流程如圖7所示。

2 驗證試驗

2.1 試驗材料和試驗地點(diǎn)

2.1.1 試驗材料 無菌操作臺、高溫滅菌鍋、恒溫培養(yǎng)箱、電子天平、pH計、均拍器（用于將黃瓜均勻拍碎）、均質(zhì)袋（用于盛放處理過的黃瓜，并搗碎配成原液）、試管、錐形瓶、移液槍、酒精燈、一次性培養(yǎng)皿、秒表、涂布棒等。

試驗所需藥劑：去離子水、氯化鈉、胰蛋白胨、酵母浸膏、葡萄糖、瓊脂等。

2.1.2 試驗地點(diǎn) 以山東農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗基地種植年份為6年的黃瓜溫室大棚進(jìn)行試驗。該大棚面積為40 m×9 m，壟寬60 cm，走道80 cm，其前坡面夜間用保溫被覆蓋，東、西、北三面為圍護(hù)墻體。

2.2 設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時間

設(shè)備運(yùn)行參數(shù)：電解電流為0.91 A，電解質(zhì)溶液濃度為2%，電解質(zhì)溶液流量為11.08 mL/min，原水流量為4 L/min。在此條件下每隔3 min使用10 L的塑料水桶采集一次制取的電生功能水樣本，并對其pH值、氧化還原電位（ORP）、電導(dǎo)率（EC）和有效氯濃度（ACC）進(jìn)行測定分析，結(jié)果如圖8～11所示。可以看出：電生功能水的pH值、ORP、EC、ACC值均在制取開始后6～12 min達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定，基本滿足使用要求。因此制取電生功能水時，應(yīng)保證設(shè)備運(yùn)行12 min后再對電生功能水進(jìn)行相關(guān)操作。

2.3 電生功能水的存儲時間

通過控制相應(yīng)變量制得兩種不同指標(biāo)的電生功能水，編號為1號和2號。1號電生功能水制

取時電解質(zhì)溶液濃度為2%，電解質(zhì)溶液流量為15.77 mL/min，電解電流為1.9 A，原水流量為4 L/min；得到的電生功能水相應(yīng)指標(biāo)為pH值5.97，ORP 941.7 mV，EC 403 μS/cm，ACC 59.45 mg/L。2號電生功能水制取時電解質(zhì)溶液濃度為2%，電解質(zhì)溶液流量為15.77 mL/min，電解電流為1.0 A，原水流量為4 L/min；得到的電生功能水相應(yīng)指標(biāo)為pH值5.63，ORP 953.2 mV，EC 407 μS/cm，ACC 71.28 mg/L。1號和2號電生功能水各制取6瓶，分別分成兩組，一組放在室溫普通位置離暖氣較遠(yuǎn)處，分別標(biāo)號1-1和2-1，另一組放在暖氣片上，分別標(biāo)號1-2和2-2，均用500 mL的敞口燒杯儲存放置，室內(nèi)做到最大程度不透風(fēng)。

根據(jù)試驗整體效果，選在上午7∶40對1號和2號電生功能水進(jìn)行各項指標(biāo)的曲線繪制和數(shù)據(jù)比較，結(jié)果見表2、表3。

隨儲存時間的延長，電生功能水的pH值逐漸增大，且放置在暖氣片上的變化速度更快； ORP逐漸降低，同樣放在暖氣片上的變化快。正常條件下儲存的電生功能水EC值變化很小，而暖氣片處的電生功能水開始階段EC值比較穩(wěn)定，一段時間后急劇減小，最后減為零。電生功能水中ACC隨儲存時間的延長逐漸增加，暖氣片位置處的電生功能水變化最快，儲存至2月12日時，靠近暖氣片位置處的電生功能水ACC值已經(jīng)不能滿足電生功能水應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 殺菌效果驗證

2.4.1 大棚試驗 在本課題組全體成員的共同參與下，于選擇的大棚中進(jìn)行了基于電生功能水的設(shè)施蔬菜灌溉系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試和試驗，現(xiàn)場工作如圖12所示。

分別使用電生功能水和普通水對大棚中的黃瓜進(jìn)行灌溉，3周后對兩種處理的黃瓜病害情況進(jìn)行調(diào)查對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用電生功能水灌溉的黃瓜，其葉片得病程度整體較低（圖13）。

2.4.2 黃瓜樣品試驗 從大棚中隨機(jī)摘取一部分黃瓜，用保鮮膜包裹帶回實(shí)驗室；將黃瓜樣品分為兩組，分別使用電生功能水和普通水進(jìn)行浸泡處理，放在室溫下保存。使用的電生功能水指標(biāo)為pH值5.77，ORP 942.9 mV，EC 419 μS/cm，ACC 77.48 mg/L。

將處理后的黃瓜樣品研碎，梯度稀釋后利用平板計數(shù)法調(diào)查菌落數(shù)。采用的瓊脂培養(yǎng)基配方為胰蛋白胨5.0 g、酵母浸膏2.5 g、葡萄糖1.0 g、瓊脂15 g；梯度稀釋液配方為氯化鈉8.5 g、去離子水1 000 mL。培養(yǎng)48 h后，取菌落總數(shù)在30～300的平板進(jìn)行計數(shù)，如圖14所示，具體計數(shù)結(jié)果見表4、表5。

根據(jù)菌落總數(shù)計算公式計算得出使用普通水處理的黃瓜菌落總數(shù)為4.4×105 cfu/g，使用功能水處理的黃瓜菌落總數(shù)為1.3×105 cfu/g（實(shí)際為1.25×105 cfu/g，按照第三位數(shù)字“四舍五入”，取前兩位數(shù)字，后面用零代替的原則進(jìn)行了修約），殺菌效果比普通水提高了2倍多。

3 結(jié)論

（1）對電生功能水制取裝置進(jìn)行整體設(shè)計，并完成了樣機(jī)的試制，樣機(jī)正常工作條件：電解質(zhì)溶液流量為0～40 mL/min，電解質(zhì)濃度為0～2%，原水流量為0～4.0 L/min，電解電流為0～2.00 A。

（2）對設(shè)施蔬菜灌溉系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，采用現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的方式進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)采用32位的STM32型單片機(jī)處理器作為核心。

（3）將電生功能水制取與設(shè)施蔬菜灌溉系統(tǒng)結(jié)合，形成一套完整的灌溉系統(tǒng)，并對設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時間和電生功能水的儲存時間進(jìn)行了試驗，結(jié)果顯示設(shè)備運(yùn)行12 min后達(dá)到穩(wěn)定，制取的電生功能水在室內(nèi)正常條件下的有效儲存時間為4天。另外，分別以設(shè)施灌溉黃瓜植株和處理黃瓜果實(shí)的方式對電生功能水的殺菌效果進(jìn)行了試驗，結(jié)果顯示，用電生功能水灌溉的黃瓜植株病害明顯減輕；浸泡后黃瓜果實(shí)上的菌落數(shù)明顯減少，表明電生功能水具有比較顯著的殺菌效果。

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