管道霧培設(shè)施技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

[摘要]研究一種基于Arduino調(diào)節(jié)自動(dòng)添加營(yíng)養(yǎng)液可循環(huán)霧培設(shè)施，在傳統(tǒng)無土栽培的基礎(chǔ)上，加入自動(dòng)循環(huán)、單層可控、光譜補(bǔ)償、營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警以及添加霧培系統(tǒng)等新技術(shù)，將無土栽培變得更加智能化，在葉類蔬菜工廠化、規(guī)?；a(chǎn)中應(yīng)用前景廣闊。

[關(guān)鍵詞] Arduino;自動(dòng);霧培;葉菜類

中圖分類號(hào)：S636 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201810

霧培（Spray Culture）又稱氣增或氣霧培，是一種利用氣霧裝置將營(yíng)養(yǎng)液壓縮成氣霧狀，直接噴射到植物根系的栽培方法，為植物提供生長(zhǎng)發(fā)育必需的水、氣、肥的一種無土栽培模式[1]。在培養(yǎng)過程中，植株根系裸露，不僅能夠擺脫植物對(duì)土壤的依賴、土壤污染、連作障礙和次生鹽漬化等對(duì)作物生產(chǎn)的限制和影響，還能夠有效解決普通水培中根系供氧問題[2]，具有安全、環(huán)保、節(jié)水節(jié)肥、提高作物生長(zhǎng)速度等特點(diǎn)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，在蔬菜領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文在傳統(tǒng)的霧培基礎(chǔ)上，提出新改良的管道霧培裝置與實(shí)際葉菜類蔬菜種植栽培相結(jié)合，為無土栽培行業(yè)提供支持。

1 管道霧培裝置

1.1 提出背景

隨著消費(fèi)水平的提高，人們?cè)絹碓街匾曪嬍称胶?，以素菜為主、葷菜為輔的飲食習(xí)慣成為潮流，其中主要蔬菜組成為葉菜類蔬菜，如生菜、青菜等。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)企業(yè)為滿足日益增長(zhǎng)的消費(fèi)需求，需要提高生產(chǎn)效率?，F(xiàn)許多采用無土栽培模式種植蔬菜，目前市場(chǎng)上銷售的葉菜類蔬菜栽培設(shè)備大都以土培和水培為主，相比于土培和水培的栽培設(shè)備，管道霧培的葉菜類蔬菜不僅擺脫了傳統(tǒng)栽培對(duì)土壤的依賴，不受土壤污染、連作障礙等對(duì)作物生產(chǎn)的限制，還有效地解決了普通水培中生菜根系供氧問題，同時(shí)具有養(yǎng)分和水分利用率高的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，管道霧培生菜相比其他葉菜類蔬菜栽培方法（土培、水培、傳統(tǒng)霧培），具有營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)利用、生長(zhǎng)更快、管理更方便、用工更少、成本更低、生產(chǎn)效率更高等優(yōu)勢(shì)，是未來高效農(nóng)業(yè)模式中最為先進(jìn)、對(duì)葉菜類蔬菜生長(zhǎng)潛能開發(fā)最為有效的栽培模式。

目前市場(chǎng)上的管道霧培設(shè)備較少，且大部分為普通的霧培設(shè)備，造價(jià)格外昂貴、產(chǎn)品品質(zhì)較低，原因在于對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)液需求以及供應(yīng)時(shí)間把控不夠準(zhǔn)確。本研究設(shè)計(jì)了一種基于Arduino調(diào)節(jié)自動(dòng)添加營(yíng)養(yǎng)液可循環(huán)霧培設(shè)施，在傳統(tǒng)無土栽培的基礎(chǔ)上，加入自動(dòng)循環(huán)、單層可控、光譜補(bǔ)償、營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警以及添加霧培系統(tǒng)等新技術(shù)，能夠自動(dòng)控制對(duì)根系噴灑營(yíng)養(yǎng)液的時(shí)間與用量，達(dá)到智能培育的目的，還可縮短葉菜類蔬菜的生長(zhǎng)發(fā)育周期，增加收獲茬數(shù)，提高蔬菜品質(zhì)。目前實(shí)際應(yīng)用的主要有四種基本形式，即循環(huán)式水培、營(yíng)養(yǎng)液膜栽培、巖棉栽培和其他固體基質(zhì)培。

1.2 其他無土栽培設(shè)施優(yōu)缺點(diǎn)

1.2.1 水培

水培相對(duì)傳統(tǒng)土地栽培技術(shù)，擁有占地面積小、生產(chǎn)速度快的優(yōu)點(diǎn)，可減少生產(chǎn)周期，產(chǎn)量高、病蟲害少、用藥量少，甚至可以不用藥。但是也存在一些缺陷，例如A型架型水培裝置存在上部蔬菜長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于下部蔬菜、水培液中容易滋生蚊蟲以及營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)更換和營(yíng)養(yǎng)液浪費(fèi)等問題。

1.2.2 氣霧培

氣霧栽培是利用特制的設(shè)施通過噴頭將營(yíng)養(yǎng)液直接均勻地噴灑在蔬菜根基部的一種新型栽培方式。除具備傳統(tǒng)水培的優(yōu)點(diǎn)外，還具有一些其他優(yōu)點(diǎn)：（1）采用立體化種植的方式，將土地利用率提高至6～8倍。（2）可以增加蔬菜產(chǎn)量、改善蔬菜品質(zhì)、縮短蔬菜的上市周期等目的。（3）通過智能化系統(tǒng)配備，控制氣霧噴射時(shí)間和間斷周期，將營(yíng)養(yǎng)液利用率提高，節(jié)約資源和能源，防止浪費(fèi)和污染。（4）通過氣霧栽培，使蔬菜根系更加發(fā)達(dá)，增加抗病性，有效減少黑腐等病害。（5）有研究表明氣霧栽培可以顯著提高某些營(yíng)養(yǎng)元素含量。

市面上的氣霧栽培也存在一些缺點(diǎn)：（1）設(shè)備投入成本過高。包括管道、智能控制系統(tǒng)、建設(shè)成本、推廣成本。（2）氣霧栽培對(duì)水質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)液配比要求嚴(yán)格，若不達(dá)標(biāo)容易出現(xiàn)產(chǎn)量下降等問題。（3）氣霧栽培目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，對(duì)于噴霧時(shí)間和周期控制以及補(bǔ)光系統(tǒng)等還在進(jìn)一步研究當(dāng)中。

1.3 管道霧培裝置簡(jiǎn)介

管道霧培裝置基于管道霧培的設(shè)計(jì)理念，將霧化的營(yíng)養(yǎng)液通過管道循環(huán)輸送，自動(dòng)、均勻地將霧狀營(yíng)養(yǎng)液送達(dá)蔬菜根系，避免了土培及水培中蔬菜根系呼吸困難，使得葉菜類蔬菜的根、莖、葉能獲得對(duì)水、肥、氣、溫、光的最大滿足，從而使葉菜類蔬菜快速生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量，同時(shí)可大量節(jié)約用水，提高土地使用率、降低病蟲害，實(shí)現(xiàn)真正的綠色食品栽培。

1.4 管道霧培裝置工作原理

研究提出一種基于Arduino可調(diào)節(jié)自動(dòng)添加營(yíng)養(yǎng)液的可循環(huán)霧培設(shè)施，包括控制模塊、霧培噴頭、多層的總支撐框架、以水平滑軌支撐于總支撐框架的分層處的一個(gè)以上的霧培管道架?？傊慰蚣芴幵O(shè)有水泵和貯有營(yíng)養(yǎng)液的水箱，霧培管道架在總支撐框架自上而下分布，各層水培管道架處設(shè)有水培管道、EC測(cè)量?jī)x，水泵與水箱和水培管道相連以向霧培管道補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液?？傊慰蚣芴幵O(shè)有光敏傳感器和管道架動(dòng)力電機(jī)，當(dāng)光敏傳感器測(cè)得的環(huán)境光強(qiáng)度達(dá)到植物生長(zhǎng)所需閾值時(shí)，管道架動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)霧培管道架伸出總支撐框架以使植物接受光照。本產(chǎn)品在傳統(tǒng)無土栽培的基礎(chǔ)上，加入自動(dòng)循環(huán)、單層可控、光譜補(bǔ)償、營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警以及添加霧培系統(tǒng)等新技術(shù)，將無土栽培變得更加智能化。

1.5 具體實(shí)施原理

管道霧培裝置示意見圖1。

基于Arduino可調(diào)節(jié)自動(dòng)添加營(yíng)養(yǎng)液可循環(huán)設(shè)施包括可調(diào)支架2、控制模塊、多層的總支撐框架5、以水平滑軌支撐于總支撐框架的分層處的一個(gè)以上的水培管道架?？傊慰蚣芴幵O(shè)有水泵和貯有營(yíng)養(yǎng)液的水箱3，所述霧培管道架在總支撐框架自上而下分布，各層霧培管道架處設(shè)有霧培管道6、EC測(cè)量?jī)x1，所述水泵與水箱和水培管道相連以向霧培管道補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液。所述總支撐框架處設(shè)有光敏傳感器和管道架動(dòng)力電機(jī)4，當(dāng)光敏傳感器測(cè)得的環(huán)境光強(qiáng)度達(dá)到植物生長(zhǎng)所需閾值時(shí)，管道架動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)水培管道架伸出總支撐框架以使植物接受光照。

2 霧培葉類蔬菜

葉類蔬菜是按照產(chǎn)品器官的分類，以葉片或葉球、葉叢、變態(tài)葉和葉柄為產(chǎn)品的一類蔬菜[3]。葉類蔬菜主要分為四大類：（1）普通類葉菜。如芹菜、小白菜、菠菜、生菜、油麥菜、莧菜等。（2）結(jié)球類葉萊。如大白菜、結(jié)球甘藍(lán)、結(jié)球萵苣、包心芥菜等。（3）辛香類葉菜。如?。ㄏ悖┦[、韭菜、茼蒿、芫荽、小茴香等。（4）特菜類葉菜。如紅薯葉、萵筍葉，該類蔬菜多為非主流，屬于兼用型葉菜類[4]。葉類蔬菜富含維生素（如維生素C、維生素K）、礦物質(zhì)、碳水化合物等，是一類高纖維、低熱量的蔬菜。據(jù)調(diào)查，葉類蔬菜多在溫室或簡(jiǎn)易大棚栽培種植，結(jié)合基質(zhì)栽培、地膜覆蓋等手段，但易遭受病蟲害。霧培作為一種新型耕作制度，可有效解決天然土壤栽培中所存在的連作障礙以及水培中蔬菜根系缺氧的問題，此外，還可使蔬菜有效吸收養(yǎng)分，生長(zhǎng)迅速、增加產(chǎn)量。根據(jù)研究表明，通過霧培種植，促進(jìn)了蔬菜的生長(zhǎng)，有些品種甚至可加速3～5倍。

2.1 霧培生菜

生菜（Lactuea sativa）又稱葉用萵苣，為菊科萵苣屬一年生或二年生草本作物，原產(chǎn)歐洲地中海沿岸，由野生種馴化而來[5]。生菜葉片富含蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、維生素以及微量元素等，葉片含有萵苣素[6]，有促進(jìn)血液循環(huán)、鎮(zhèn)痛、利尿、安眠等保健功效，食用方式常以烹炒或做成沙拉。因其生長(zhǎng)周期短、產(chǎn)量高，是市場(chǎng)上霧培裝置主要栽植的品種之一。據(jù)研究表明，采用管道霧培能有效提高生菜葉片的維生素C含量，氨基酸含量變化不顯著，單茬產(chǎn)量有所提高。此外，作為喜硝類蔬菜，管道霧配可有效降低生菜對(duì)硝酸鹽的吸收量，提高生菜品質(zhì)，使得食用更安全。

2.2 霧培青菜

青菜（Brassica chinensis L.）是十字花科蕓薹屬一年或二年生草本植物，是含維生素和礦物質(zhì)最豐富的蔬菜之一。據(jù)研究，若每天吃500g青菜，就能滿足一個(gè)成年人所需的維生素、胡蘿卜素、鈣、鐵等[7]，不僅能增強(qiáng)機(jī)體免疫能力、保持血管彈性，還具有防癌抗癌的作用。通過管道霧培設(shè)施種植青菜可提高青菜的維生素C、粗纖維、總氨基酸含量，縮短生長(zhǎng)周期，增加茬數(shù)與產(chǎn)量。

2.3 霧培香菜

香菜（Coriandrum sativum L.），又稱“芫荽”，為傘形科云姜屬的香辛植物。香菜不僅營(yíng)養(yǎng)豐富，其藥用價(jià)值也非常高。中醫(yī)認(rèn)為，香菜辛溫香竄、內(nèi)通心脾、外達(dá)四肢、辟一切不正之氣，為溫中健胃養(yǎng)生食品[8]。營(yíng)養(yǎng)分析表明，香菜中含有蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、粗纖維、維生素B1、維生素B2、維生素C、胡蘿卜素、礦物質(zhì)（鈣、磷、鐵、鉀等）等營(yíng)養(yǎng)成分，其香氣是由醇類和烯類組成的揮發(fā)油及蘋果酸鉀引起的，食用后可增加胃液分泌、增進(jìn)食欲、調(diào)節(jié)胃腸蠕動(dòng)、提高人體消化能力[9]。據(jù)研究，在露地栽培過程中，香菜具有極為嚴(yán)重的連作障礙，且隨種植面積擴(kuò)大而加劇，目前香菜主要病害有香菜菌核病、香菜葉枯病、香菜斑枯病、香菜根腐病[10]。通過管道霧培設(shè)施種植栽培香菜，可有效提高植株維生素C含量，增加葉片數(shù)，縮短生長(zhǎng)周期提高產(chǎn)量，但其氨基酸含量較傳統(tǒng)栽培模式效果不顯著，管道霧培可有效規(guī)避連作障礙，減少病蟲害發(fā)生，通過實(shí)施“邊采收邊定植”的方式，可有效提高產(chǎn)量。

3 結(jié) 論

傳統(tǒng)霧培有A型霧培、立柱式霧培、半霧培三種方式，管道霧培較傳統(tǒng)霧培具有水分養(yǎng)分利用率更高、減少?gòu)U液形成、節(jié)約成本、管理較為方便、植株地上部與地下部可相互協(xié)調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。霧培種植葉菜類蔬菜看似容易，但若想進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，還有許多技術(shù)細(xì)節(jié)和生產(chǎn)性問題需要研究和探索，如不同葉菜類蔬菜最適營(yíng)養(yǎng)液濃度以及N、P、K的比例等。營(yíng)養(yǎng)液是無土栽培的關(guān)鍵影響因素，不僅影響蔬菜的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成，也直接影響生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益和養(yǎng)分利用效率，若能研究出一種符合所有葉菜類蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育過程中的營(yíng)養(yǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)液，可在確保植株生長(zhǎng)的同時(shí)提高其品質(zhì)與產(chǎn)量，達(dá)到綠色環(huán)保的目的，將是無土栽培領(lǐng)域中的重大突破。

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Design and Application of Pipe Fog Culture Facilities

Luo Zihang， Lin Xiahui， Song Shuang， Liu Zuhui

（College of Horticulture， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002）

Abstract： Study on an automatic adding nutrient solution Recycling Fog Culture Facility based on arduino Regulation. On the basis of traditional soilless cultivation， adding automatic circulation， single layer controllable， spectral compensation， nutrition liquid automatic monitoring and new techniques such as early warning and adding Fog Culture system. The soilless cultivation will become more intelligent and will have a broad application prospect in the industrialized and large-scale production of leafy vegetables.

Key Words： arduino， automatic， fog culture， leafy vegetables