設(shè)施黃瓜基質(zhì)栽培有機(jī)營養(yǎng)液高效管理裝備及技術(shù)

李友麗，郭文忠，趙 倩，賈冬冬，李銀坤，楊子強(qiáng)

（1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2.吳忠市國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)管理委員會，寧夏 吳忠 751100）

無土栽培中基質(zhì)作為介質(zhì)固定植物根系，使根系充分吸收營養(yǎng)液和氧氣[1]?；|(zhì)栽培方式下為作物生長發(fā)育提供養(yǎng)分的主要途徑是灌溉無機(jī)營養(yǎng)液；在我國，為適合國情成功研制和推廣應(yīng)用了有機(jī)生態(tài)型無土栽培技術(shù)，是一種不用營養(yǎng)液灌溉，而是以有機(jī)栽培基質(zhì)和有機(jī)固態(tài)肥為養(yǎng)分來源，直接灌溉清水的基質(zhì)栽培技術(shù)[2-3]。無機(jī)營養(yǎng)液灌溉的基質(zhì)栽培局限于非有機(jī)生產(chǎn)模式，有機(jī)生態(tài)型無土栽培技術(shù)則將基質(zhì)栽培與有機(jī)農(nóng)業(yè)相結(jié)合，有利于基質(zhì)栽培和有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。但是，有機(jī)生態(tài)型無土栽培技術(shù)存在養(yǎng)分管理粗放、養(yǎng)分供應(yīng)不能適時(shí)適量、追肥費(fèi)工費(fèi)時(shí)及難以實(shí)現(xiàn)自動施肥和精準(zhǔn)管理等問題[4]。北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心圍繞水肥一體化工作開展，針對有機(jī)農(nóng)業(yè)研發(fā)了一套有機(jī)無土栽培營養(yǎng)液高效管理裝備，即有機(jī)水肥一體化智能裝備[5]，現(xiàn)已將該裝備與配套技術(shù)在設(shè)施黃瓜基質(zhì)栽培有機(jī)生產(chǎn)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了有機(jī)液肥制備、灌溉液配制和田間灌溉的一體化、機(jī)械化和自動化，有效降低了人力投入，提高了勞動效率；有機(jī)營養(yǎng)液隨滴灌灌溉系統(tǒng)適時(shí)、適量地輸送至作物根部，較好滿足了黃瓜生長的養(yǎng)分需求，確保了產(chǎn)量形成，顯著提高了灌溉液生產(chǎn)效率，較好地突破了基質(zhì)栽培有機(jī)生產(chǎn)水肥管理的瓶頸?，F(xiàn)將設(shè)施黃瓜基質(zhì)栽培有機(jī)營養(yǎng)液高效管理裝備及技術(shù)介紹如下。

1 基質(zhì)栽培裝備系統(tǒng)

目前，設(shè)施生產(chǎn)中用于無土栽培的基質(zhì)種類繁多，包括巖棉、椰糠、草炭、陶粒及復(fù)合型基質(zhì)等。其中，巖棉、椰糠有塑料袋包裝的定植條和無包裝定植條，草炭、陶粒及復(fù)合型基質(zhì)多為散裝型，袋裝基質(zhì)便于使用，但塑料包裝不利于環(huán)保，散裝型基質(zhì)對栽培槽有特定要求，否則不利于灌溉液排出和排出液再利用。北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心研發(fā)了可配套已包裝或無包裝基質(zhì)使用的基質(zhì)栽培裝備系統(tǒng)（圖1），包括栽培架、栽培槽、底板、蓋板，其中栽培槽為倒“凸”字型，底板放置在巖棉擱置層處，將栽培槽分成上下兩部分，上部填放栽培基質(zhì)后蓋上定植蓋板，下部為導(dǎo)水槽，便于一部分灌溉液（排出液）排出，較好地將基質(zhì)與排出液分開，可直接配套各類基質(zhì)使用，無需基質(zhì)經(jīng)過包裝或固定形狀。栽培槽末端設(shè)計(jì)排液口，連接管道和排出液處理系統(tǒng)，形成封閉的基質(zhì)栽培系統(tǒng)，將排出液回收利用，有效提高了營養(yǎng)液利用效率。

圖1 基質(zhì)栽培裝備系統(tǒng)中栽培槽結(jié)構(gòu)

2 有機(jī)水肥一體化智能裝備系統(tǒng)

有機(jī)水肥一體化智能裝備系統(tǒng)是針對有機(jī)農(nóng)業(yè)水肥管理高效化和有機(jī)生產(chǎn)輕簡化、高產(chǎn)化研發(fā)的，主要用于有機(jī)生產(chǎn)中有機(jī)液肥制備與灌溉管控。該裝備由有機(jī)液肥發(fā)酵裝備、水肥一體裝備及智能管控系統(tǒng)組成（圖2）。發(fā)酵系統(tǒng)主要包括發(fā)酵罐（發(fā)酵池）、循環(huán)系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)及相關(guān)傳感器、電子元器件等；水肥一體化裝備（自主研發(fā)的AWF-01型）由吸肥器、動力泵、混液桶、控制柜、液晶顯示屏、儲液箱及傳感器、電子元器件等組成。智能管控系統(tǒng)中有機(jī)液肥發(fā)酵控制系統(tǒng)管控發(fā)酵循環(huán)系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)；營養(yǎng)液灌溉決策系統(tǒng)負(fù)責(zé)灌溉液養(yǎng)分配比和灌溉，具有手/自動兩種操作模式。在自動模式下，系統(tǒng)按照已嵌入程序，控制循環(huán)泵和供氧氣泵的開閉，執(zhí)行基于作物水肥需求規(guī)律、基質(zhì)水分狀況及環(huán)境因子等決策指標(biāo)建立的灌溉策略，借助各類傳感器、電磁閥、流量計(jì)等，進(jìn)行營養(yǎng)液配比與灌溉，通過滴灌灌溉系統(tǒng)適時(shí)、適量地將水分、養(yǎng)分輸送至作物根部，并記錄、顯示和存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)。

3 有機(jī)液肥的制備

圖2 水肥一體化智能裝備與控制系統(tǒng)流程圖

選擇富含N、P、K的秸稈、豆粕、米糠、骨粉、草木灰等農(nóng)業(yè)有機(jī)物料，雞糞、牛糞或羊糞等腐熟禽畜糞便，以及磷礦粉、鉀礦粉等可作有機(jī)肥源的礦物粉為發(fā)酵原料，根據(jù)發(fā)酵配方（表1）按比例與清水混合，添加進(jìn)對應(yīng)發(fā)酵罐的內(nèi)膽網(wǎng)袋中，再加入微生物發(fā)酵菌劑（提前1～2 d培養(yǎng)活化）和黑糖。連接供氧系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的可編程序中輸入液體循環(huán)周期（10 min/h）和供氧周期（15 min/h）等參數(shù)值，設(shè)定發(fā)酵罐中上下限液位，啟動發(fā)酵控制系統(tǒng)。發(fā)酵原料在微生物作用下進(jìn)行好氧發(fā)酵，分解并釋放出N、P、K等養(yǎng)分元素至水溶液中，經(jīng)過20 d左右（具體時(shí)間與環(huán)境溫度有關(guān)），制備出N、P、K含量相對較高的有機(jī)液肥。此時(shí)，關(guān)閉發(fā)酵控制系統(tǒng)，啟動自吸泵、電磁閥及反沖洗過濾器等，將有機(jī)液肥經(jīng)多級過濾后，儲存至對應(yīng)儲液桶中，該有機(jī)液肥符合微灌灌溉系統(tǒng)要求（孔徑120 μm），能通過滴灌、微噴等灌溉系統(tǒng)輸送至田間灌溉區(qū)。

表1 3種有機(jī)液肥配方 kg

4 有機(jī)營養(yǎng)液調(diào)配與自動灌溉的原理與實(shí)踐

AWF-01型水肥一體化智能裝備配有5路文丘里吸肥器，每路均安裝電磁閥來控制吸肥開閉，其中3路與高N、高P和高K有機(jī)液肥儲液桶對應(yīng)連接?；煲和爸胁贾靡何粋鞲衅骱碗妼?dǎo)率傳感器，其中液位傳感器監(jiān)測混液桶液位變化，參與灌溉液調(diào)配決策，灌溉時(shí)如混液桶液位低于設(shè)定下限，啟動清水電磁閥和吸肥電磁閥進(jìn)行配液，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定上限時(shí)停止配液，避免液位過低時(shí)灌溉水泵空轉(zhuǎn)和配液時(shí)灌溉液溢出。電導(dǎo)率傳感器監(jiān)測灌溉液EC值，參與調(diào)控灌溉液濃度，即在可編寫程序中設(shè)定灌溉液EC值上下限（黃瓜不同生育期營養(yǎng)液EC值范圍），當(dāng)電導(dǎo)率傳感器讀數(shù)低于設(shè)定EC值下限時(shí)，打開吸肥電磁閥進(jìn)行配液，當(dāng)液體EC值上升至設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)自動關(guān)閉吸肥電磁閥，結(jié)束配液。

黃瓜有機(jī)無土栽培的基質(zhì)為有機(jī)基質(zhì)椰糠（塑料膜包裹），椰糠定植條上布置水分傳感器，監(jiān)測椰糠含水量變化，用于決策計(jì)算灌溉量。栽培槽末端安裝回液桶，回液桶中安裝EC傳感器，監(jiān)測回液的電導(dǎo)率值，參與決策實(shí)際灌溉量。營養(yǎng)液灌溉采用基于水分、EC傳感器的灌溉決策方法：在每天7：00—18：00整點(diǎn)時(shí)刻，系統(tǒng)分析基質(zhì)含水量和回液電導(dǎo)率值，如基質(zhì)含水量低于田間持水量時(shí)，回液電導(dǎo)率值與灌溉液電導(dǎo)率值之差小于1，啟動灌溉電磁閥，營養(yǎng)液灌溉量為計(jì)算灌溉量；如果回液電導(dǎo)率值與灌溉液電導(dǎo)率之差大于或等于1，則營養(yǎng)液灌溉量為1.3倍計(jì)算灌溉量；如果基質(zhì)含水量不低于田間持水量，則不啟動灌溉電磁閥。

計(jì)算灌溉量按如下公式得出：

式中，W1為計(jì)算灌溉量（mL）；θ上限為供液上限，取1；θ下限為供液下限，即整點(diǎn)時(shí)刻水分傳感器所測的基質(zhì)含水率；V為基質(zhì)體積（cm3）；η為水分利用效率，取1。

將上述灌溉策略編寫成程序，導(dǎo)入有機(jī)水肥一體化智能裝備的控制系統(tǒng)。將有機(jī)水肥一體化智能裝備灌溉出水口連接灌溉主管道，然后通過支路電磁閥和流量計(jì)再與各支路滴灌灌溉系統(tǒng)連接，分別管控對應(yīng)栽培行灌溉；灌溉末端毛管連接滴箭，對應(yīng)黃瓜植株插入椰糠中（圖3）。黃瓜定植后，在人機(jī)友好交互界面輸入決策參數(shù)值，選擇自動灌溉模式，系統(tǒng)根據(jù)營養(yǎng)液自動灌溉決策模型自動灌溉有機(jī)營養(yǎng)液。從表2可以看到系統(tǒng)中存儲的2016年6月9日實(shí)際灌溉情況：閥1～9對應(yīng)第1～9支路（栽培行1～9）的灌溉情況，包括灌溉結(jié)束時(shí)間和灌溉量，如表2中顯示了栽培行1當(dāng)天的總灌溉次數(shù)為4次，啟動灌溉的時(shí)間點(diǎn)分別是9：00、11：00、15：00和16：00，對應(yīng)灌溉量為7、11、10和3 L ；栽培行2僅在9：00啟動灌溉了1次，灌溉量為1 L；栽培行9從10：00—16：00均有啟動灌溉，即共灌溉了7次，單次灌溉量分別為3、4、4、6、3和3 L，說明該裝備控制下較好實(shí)現(xiàn)了黃瓜椰糠栽培的營養(yǎng)液自動灌溉管理。同時(shí)，從表2中可發(fā)現(xiàn)，不同栽培行的實(shí)際灌溉情況存在一定差異，這可能與黃瓜植株、椰糠定植條及傳感器自身差異有關(guān)，因此，今后的研究與生產(chǎn)中需要將材料（椰糠、傳感器等）選擇和生產(chǎn)管理工作做得更加細(xì)致，盡量弱化外界因素的影響。

圖3 設(shè)施黃瓜有機(jī)無土栽培情況

表2 設(shè)施黃瓜有機(jī)無土栽培營養(yǎng)液自動灌溉情況（2016年6月9日） L

5 有機(jī)營養(yǎng)液管理裝備及技術(shù)的應(yīng)用效果

在設(shè)施黃瓜有機(jī)無土栽培中，采用有機(jī)水肥一體化智能裝備系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)液肥制備與營養(yǎng)液灌溉管理，一方面實(shí)現(xiàn)了有機(jī)液肥制備的輕簡化、高效化和水分供應(yīng)的自動化、智能化；另一方面實(shí)現(xiàn)了營養(yǎng)液的高效管理，營養(yǎng)液養(yǎng)分供應(yīng)較好地滿足了黃瓜生長需求，確保了黃瓜有機(jī)生產(chǎn)的產(chǎn)量形成，2015年秋茬黃瓜產(chǎn)量達(dá)4 6766 kg/hm2。與時(shí)序灌溉法相比，基于水分、EC傳感器灌溉策略下的黃瓜全生育期營養(yǎng)液灌溉總量降低了49.08%，使灌溉液生產(chǎn)效率提高了103.92%。

另一方面，有機(jī)液肥制備是一個(gè)微生物好氧發(fā)酵的動態(tài)過程，環(huán)境溫度、供氧等因素對該動態(tài)過程及有機(jī)液肥有效養(yǎng)分含量均存在一定影響，關(guān)于有機(jī)液肥制備的精細(xì)化調(diào)控有待進(jìn)一步研究?；|(zhì)的理化性狀與土壤存在差異，用土壤水分傳感器監(jiān)測椰糠含水量變化，不僅需要重新標(biāo)定，還需對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，之前的試驗(yàn)中缺乏對水分傳感器的穩(wěn)定性分析，對黃瓜的真實(shí)需水量可能存在影響。因此，針對不同基質(zhì)栽培，需首先篩選出適用的水分傳感器并標(biāo)定，提高營養(yǎng)液管理的高效性和準(zhǔn)確性。

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