現(xiàn)代溫室無土栽培零排放可能性探究

李 鵬，王芳麗（上海由由農(nóng)業(yè)科技有限公司，上海 200216）

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，對溫室無土栽培灌溉系統(tǒng)中所產(chǎn)生排液的處理和再利用日益引起重視。荷蘭政府規(guī)定在2027 年實(shí)現(xiàn)氮的零排放，也就是說溫室灌溉要做到完全“封閉式”，即排液可以被收集、處理進(jìn)而重復(fù)利用。近年來，以連棟玻璃溫室為代表的高端溫室在中國的發(fā)展非常快，無土栽培作為現(xiàn)代溫室中常用的栽培方式也越來越普及。

無土栽培是指不用天然土壤，而用營養(yǎng)液或固體基質(zhì)加營養(yǎng)液等栽培作物[1]。常見的栽培基質(zhì)有椰糠、泥炭和巖棉等，在無土栽培中，為了確保溫室各基質(zhì)環(huán)境的一致性、基質(zhì)環(huán)境營養(yǎng)離子的濃度平衡等，一般實(shí)際灌溉量需要多于作物需求量，這樣就產(chǎn)生了排液。排液中一般包含大量的營養(yǎng)元素，直接排放將會嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)丨h(huán)境比如地下水水質(zhì)。如果排向河流或者湖泊將會引起水體的富營養(yǎng)化問題。此外，排液直排的話也會造成水肥的浪費(fèi)，不利于無土栽培種植成本的控制。由此可以看出，現(xiàn)代溫室無土栽培模式灌溉零排放是大勢所趨?，F(xiàn)從以下幾個方面探究其可能性。

現(xiàn)代溫室無土栽培模式產(chǎn)生排液排放的原因

定植初期基質(zhì)的沖洗

無土栽培如果采用椰糠作為基質(zhì)，由于椰糠自身帶顏色（圖1），會影響回液消毒設(shè)備，如紫外消毒機(jī)的穿透率，所以大部分種植者在定植的前3 周左右會將排液排掉。

圖1 定植初期椰糠基質(zhì)

水肥一體化設(shè)備過濾器的反沖洗

為保證灌溉系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，施肥設(shè)備一般配置有不同目數(shù)的過濾器，例如Y 型過濾器或自動反沖洗過濾器（圖2～3）。由于現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)項(xiàng)目將過濾器的沖洗管線連接到了廢水管網(wǎng)，這類過濾器的沖洗過程也會造成一部分營養(yǎng)液的流出。

圖2 Y 型過濾器

設(shè)備故障

在現(xiàn)代溫室中，灌溉系統(tǒng)的排液收集以及提升至排液罐一般由收集管線、回液井（圖4）、浮球開關(guān)、提升泵等設(shè)備組成。在一些運(yùn)行年數(shù)較多的溫室中，設(shè)備的可靠性逐漸下降，設(shè)備故障時，如果發(fā)現(xiàn)不及時，也會造成排液溢流。

圖4 回液井裝置

圖3 自動反沖洗過濾器

營養(yǎng)液元素比例不平衡

由于植物的選擇性吸收，排液中的元素比例往往是很不平衡的。在重復(fù)利用環(huán)節(jié)，在一定種植水平情況下，僅能通過使用有限的排液比例再加上一定的新肥比例來保證植株的生長。這個因素一定程度上也限制了重復(fù)利用的比例，多余的排液也會被排出。

根系鈉離子的富集

由于在無土基質(zhì)栽培中根系集中在有限的基質(zhì)環(huán)境中，根系對基質(zhì)環(huán)境要求非常高。如果灌溉原水水質(zhì)不好，比如鈉離子偏高的情況下，很容易造成根系的鈉離子富集，進(jìn)而影響植株生長。在這種情況下，一些種植者會對基質(zhì)進(jìn)行“沖洗”操作來降低基質(zhì)環(huán)境中鈉離子的含量。這也會造成一部分排液流出。有荷蘭種植者曾表示，在一些水質(zhì)不好的地區(qū)，該因素甚至成為了目前溫室做不到零排放的主要因素。

減少排液排放的措施

收集并利用定植初期基質(zhì)的沖洗水

針對種植初期椰糠自身顏色導(dǎo)致排液顏色過深而無法經(jīng)過UV 消毒機(jī)的情況，可以從以下兩個方面采取優(yōu)化措施：一是種植者可以根據(jù)情況選擇其他顏色淺或者無顏色的基質(zhì)如巖棉等；二是在基質(zhì)泡發(fā)以及日常灌溉過程中選擇一些顏色較淺的肥料，帶顏色的肥料主要為鐵肥，比如采用一部分EDTA-Fe 肥。這樣就可以收集并重復(fù)利用定植初期基質(zhì)的沖洗水，避免了排液的外部排放。

收集并重復(fù)利用設(shè)備過濾器反沖洗的水

在項(xiàng)目的硬件設(shè)施中，改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)備管線，將此部分過濾器沖洗水管線也接入排液收集系統(tǒng)（圖5），使其進(jìn)入殺菌環(huán)節(jié)后也能被重復(fù)利用進(jìn)入灌溉系統(tǒng)。

圖5 過濾器沖洗管線接入收集系統(tǒng)

加強(qiáng)水肥設(shè)備系統(tǒng)的維修維護(hù)

在設(shè)備可靠性方面，做好定期的灌溉系統(tǒng)的維修維護(hù)工作，避免一些突發(fā)故障的發(fā)生。

精準(zhǔn)灌溉

在無土栽培管理中，種植者需要學(xué)會“閱讀”植株，盡可能的按照植株所需要的營養(yǎng)元素進(jìn)行灌溉。精準(zhǔn)灌溉會有效降低排液的排出。

配方管理

比如在植株不同的生長階段提供不同的適宜水肥配方，滿足植株不同階段的水肥需求。

灌溉管理

在植株不同的生長階段、不同的天氣情況采用合理的灌溉策略，做到精準(zhǔn)灌溉。

加強(qiáng)監(jiān)測以及控制

做好過程中的監(jiān)測比如EC、pH 等的監(jiān)測以及過程控制，有條件的情況下定期做好營養(yǎng)液的元素檢測，包含進(jìn)液、排液的檢測，在回液重復(fù)利用的情況下，可以精準(zhǔn)調(diào)控配方。

避免鈉離子富集

避免鈉離子富集可從以下幾個方面采取措施。

水源選擇

溫室灌溉水源優(yōu)先選用雨水。由于現(xiàn)在溫室結(jié)構(gòu)多采用文洛式結(jié)構(gòu)，雨水收集比較容易實(shí)現(xiàn)，可以配置雨水蓄水池，確保雨水能夠作為溫室生產(chǎn)的首要水源。

增加水處理設(shè)備

在溫室水源為地下水或者市政水的時候，可以使用反滲透純水設(shè)備對原水進(jìn)行處理，有效降低原水中鈉離子的含量。

控制好肥料質(zhì)量

使用高質(zhì)量的水溶肥。現(xiàn)在市面上水溶肥廠家較多，一定要選用高質(zhì)量純度較高的水溶肥，避免肥料中所攜帶雜質(zhì)引起鈉離子或者其他重金屬的富集。

排液重復(fù)利用的利弊

排液的重復(fù)利用好處很多，最重要的兩點(diǎn)就是一方面能夠降低肥料的投入，另一方面也能夠大幅降低對環(huán)境的影響，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。甚至在缺水地區(qū)，重復(fù)利用排液也是確保溫室栽培用水安全的重要措施。

當(dāng)然，排液重復(fù)利用在前期也會帶來一些溫室項(xiàng)目的額外投入，比如排液的儲水罐、回液井以及回液泵組等等。佐治亞大學(xué)曾做了一份調(diào)查：在個別地區(qū)，這部分投入甚至超過了重復(fù)利用所帶來的效益。但是在大部分的案例來看，重復(fù)利用排液都是一個可行且經(jīng)濟(jì)有效的措施。

排液重復(fù)利用也帶來另外的風(fēng)險，那就是增加了一些病害的發(fā)生幾率，例如腐霉菌屬病害等，這就對排液重復(fù)利用之前的消毒處理要求比較嚴(yán)格，尤其對周年生產(chǎn)的作物比如番茄、黃瓜、彩椒等更為重要，消毒不徹底造成病害蔓延擴(kuò)散會對溫室生產(chǎn)造成嚴(yán)重打擊。

常見的排液消毒處理方法

為了降低排液中病原菌帶來的風(fēng)險，常見的排液消毒方法有臭氧消毒、UV 消毒和加熱消毒，目前大型連棟溫室中使用比較多的是臭氧消毒與UV 消毒。

臭氧消毒

臭氧消毒可以用于破壞細(xì)菌、病原菌等結(jié)構(gòu)。臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，溶于水后，直接或利用反應(yīng)中生成的大量羥基自由基及新生態(tài)氧間接氧化水中的無機(jī)物、有機(jī)物，并進(jìn)入細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)氧化胞內(nèi)有機(jī)物，從而達(dá)到殺菌消毒、凈化水質(zhì)的目的。一般認(rèn)為臭氧設(shè)備（圖6）供給10 g/（h·m3）同時與水體充分接觸1 h 即可足夠殺死所有病原菌。

圖6 臭氧消毒機(jī)

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，滅菌過程屬生物化學(xué)氧化反應(yīng)。臭氧滅菌有以下3 種形式：①臭氧能氧化分解細(xì)菌內(nèi)部葡萄糖所需的酶，使細(xì)菌滅活死亡；②臭氧直接與細(xì)菌、病毒作用，破壞它們的細(xì)胞器、DNA 和RNA，使細(xì)菌的新陳代謝受到破壞，導(dǎo)致細(xì)菌死亡；③臭氧透過細(xì)胞膜組織，侵入細(xì)胞內(nèi)，作用于外膜的脂蛋白和內(nèi)部的脂多糖，使細(xì)菌發(fā)生通透性畸變而溶解死亡。

UV 消毒

紫外光UV 是一種有效且常見的消毒方式，可以對被微生物污染的空氣、水源或者是表面進(jìn)行消毒。有研究表明，在200～310 nm 的紫外輻射具有殺菌效果，在260 nm 的波長附近有最大的消毒效果。

在殺滅細(xì)菌以及真菌類微生物時候，建議劑量為100 mJ/cm2。進(jìn)行殺滅病毒時，建議劑量為250 mJ/cm2。研究表明，紫外線主要是通過對微生物(細(xì)菌、病毒、芽孢等病原體) 的輻射損傷和破壞核酸的功能使微生物致死，從而達(dá)到消毒的目的。紫外線對核酸的作用可導(dǎo)致鍵和鏈的斷裂、股間交聯(lián)和形成光化產(chǎn)物等，從而改變了DNA 的生物活性，使微生物自身不能復(fù)制，這種紫外線損傷也是致死性損傷。目前常見的紫外消毒機(jī)有中壓消毒機(jī)（圖7）以及低壓消毒機(jī)（圖8）。此方式消毒對排液的顏色要求比較高，排液過深的話紫外燈不能穿過，進(jìn)而會造成消毒效率降低。

圖7 中壓紫外消毒機(jī)

圖8 低壓紫外消毒機(jī)

加熱消毒

研究表明，在灌溉水消毒方面，將水加熱至95℃并持續(xù)30 s 以上即可殺死所有的病原菌。該消毒方式的缺點(diǎn)是需要消耗大量的能源，而且被加熱的水含氧量一般會大幅度降低。此外是在重復(fù)利用前還需對被加熱的水進(jìn)行降溫處理。

結(jié)論

綜上所述，現(xiàn)代溫室無土栽培模式的零排放是有可能實(shí)現(xiàn)的，需要廣大種植者共同努力，這也是當(dāng)今環(huán)保問題日益嚴(yán)峻的形勢下的必然趨勢。在新的溫室項(xiàng)目設(shè)備選型中可以通過水源選擇、增加反滲透純水設(shè)備、精準(zhǔn)灌溉、收集并重復(fù)利用設(shè)備反沖洗水以及排液進(jìn)行消毒處理重復(fù)再利用實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)的零排放。在采用紫外燈消毒方式時，為提高排液的紫外線穿透率值，增加消毒效率，可以使用一些顏色比較淺的肥料，影響比較大的一般是鐵肥，可以優(yōu)先選用EDTA或者DTPA 形式的鐵肥。在一些舊項(xiàng)目中可以有方向的進(jìn)行一些技術(shù)改進(jìn)，優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)，來減少甚至避免排液的直排，從而實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)的零排放。