NFT 水肥一體化栽培系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及能耗分析

李傳輝

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福州 350003）

NFT 栽培（Nutrient film technique）即營養(yǎng)液膜栽培，指營養(yǎng)液以淺層流動的形式在種植槽中從較高一端流向較低一端的水培方式［1］。淺液流特點(diǎn)是循環(huán)供液的液流呈膜狀，僅以數(shù)毫米厚的淺液流流經(jīng)栽培槽底部，水培作物的根底部接觸淺液流吸水吸肥，上部暴露在空氣中吸氧，較好地解決了根系吸水與吸氧的矛盾［1］。NFT 栽培是一種新型的無土栽培技術(shù)，與傳統(tǒng)的有土栽培相比，能夠提高水肥的利用率，節(jié)省勞力，增加蔬菜產(chǎn)量，解決土壤連作障礙，提高土地利用率，可控性強(qiáng)，便于生產(chǎn)上工廠化穩(wěn)定生產(chǎn)和應(yīng)用推廣。國內(nèi)學(xué)者設(shè)計(jì)了一些專門針對NFT 的水肥系統(tǒng)并進(jìn)行了試驗(yàn)分析。魏靈玲等［2］研制了多功能水耕栽培系統(tǒng)，適用于NFT 模式，實(shí)現(xiàn)了營養(yǎng)液的自動控制。劉現(xiàn)等［3］設(shè)計(jì)了一款能自動灌溉、混肥、潔桶、洗槽等功能的營養(yǎng)液膜（NFT）栽培試驗(yàn)儀，可用于NFT 栽培品種篩選試驗(yàn)。沈子堯等［4］概述了NFT 水培蔬菜規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)并分析NFT 水培蔬菜的效益，得出NFT 水培栽培蔬菜年利潤可觀的結(jié)論。卯練練等［5］設(shè)計(jì)了一種能夠自動沖洗管道的管道NFT 水培葉菜系統(tǒng)。

本研究設(shè)計(jì)的NFT 栽培系統(tǒng)能夠使?fàn)I養(yǎng)液按設(shè)定的EC 和pH，通過灌溉管道輸送到設(shè)定的NFT栽培區(qū)中，能夠自行設(shè)定灌溉時(shí)間和灌溉周期，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域輪流灌溉，營養(yǎng)液可循環(huán)利用。目前已成功應(yīng)用于上海青、生菜、快白、空心菜、花瓶菜、香菜等葉菜類蔬菜種植。以福州市種植華冠上海青為例，從移栽至栽培槽，再到采收，生長周期夏季為20~30 d，冬季為28~35 d，蔬菜生產(chǎn)可控性強(qiáng)，周期短，采收完可立即進(jìn)行下一茬種植，周年栽培的情況下年產(chǎn)量可達(dá)375 t/hm2。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具備了溫室水培灌溉的基本功能，滿足作物的灌溉需求，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

NFT 水肥一體化栽培系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由吸肥系統(tǒng)、NFT 灌溉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三大部分組成。吸肥系統(tǒng)主要包括母液桶（A 液、B 液、H 液）、文丘里、配肥自吸泵、EC 及pH 傳感器、液位傳感器等，吸肥系統(tǒng)主要功能為從3 個(gè)母液桶中按比例吸收肥料母液并添加到儲液池中，完成吸肥動作。NFT 栽培系統(tǒng)由儲液池、灌溉出水泵、灌溉分區(qū)電磁閥、NFT 栽培管道、回液池等組成，它的主要功能為將儲液池中配置好的營養(yǎng)液按照系統(tǒng)要求灌溉到NFT栽培區(qū)域中，并實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液的回收利用?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC、HMI 觸摸屏、擴(kuò)展模塊等組成，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制和人機(jī)交互。

圖1 NFT 水肥一體化栽培系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

NFT 栽培區(qū)主要由栽培槽、栽培支架等組成。植株是在NFT 栽培槽的種植孔中生長，建議栽培槽寬度70 cm、高度50 cm、長度6 m，種植孔直徑5 cm、孔距20 cm。栽培槽管道不宜過長，否則會出現(xiàn)因營養(yǎng)液循環(huán)供給不勻而導(dǎo)致末端蔬菜生長欠佳。栽培槽兩端分別設(shè)有進(jìn)水管道、出水管道，在進(jìn)水管道上安裝灌溉分區(qū)電池閥，在出水管道上安裝過濾裝置，以達(dá)到過濾雜質(zhì)及殺滅營養(yǎng)液中有害病菌的目的。栽培支架起到支撐栽培槽的作用，建議栽培支架坡度為1.5%、橫向柱之間間距1.6 m、縱向柱之間間距2 m、支架高度75 cm。灌溉儲液池的大小根據(jù)栽培面積，一般循環(huán)的營養(yǎng)液量不超過總量的50%為宜。

1.2 系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)營養(yǎng)液的配置、檢測。它能根據(jù)管理人員設(shè)定的EC 和pH，自動配制儲液池中的營養(yǎng)液，制備的過程是多種肥料母液和清水充分混合并達(dá)到預(yù)設(shè)EC 和pH 的動態(tài)過程［6］。儲液池中安裝有液位傳感器，系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線檢測儲液池中液位情況。在儲液池液位值下降至設(shè)置下限時(shí)，啟動儲液池自動補(bǔ)液程序，開啟清水補(bǔ)水閥并啟動吸肥系統(tǒng)，吸肥系統(tǒng)通過EC、pH 傳感器實(shí)時(shí)值，結(jié)合用戶設(shè)置的EC，自動判斷需補(bǔ)充量，在文丘里效應(yīng)的作用下，各母液桶里的肥料母液通過各配肥電磁閥的開關(guān)控制按比例被吸到文丘里管中，在文丘里管中與儲液池中抽取的營養(yǎng)液混合后重新注入儲液池中。當(dāng)儲液池液位值重新升至設(shè)置上限時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉儲液池自動補(bǔ)液程序，關(guān)閉清水補(bǔ)水閥和吸肥系統(tǒng)，保證儲液池中營養(yǎng)液的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。

需要灌溉時(shí)，儲液池里的營養(yǎng)液通過灌溉出水泵，將營養(yǎng)液通過管道經(jīng)各分區(qū)電磁閥依次輸送到NFT 各個(gè)栽培區(qū)，流經(jīng)作物根系后回流至回液過濾池中，回液過濾池中的回液經(jīng)過沉淀達(dá)到一定液位時(shí)，經(jīng)過濾裝置返回至儲液池內(nèi)，完成一次循環(huán)。

NFT 灌溉系統(tǒng)采用分區(qū)灌溉，當(dāng)灌溉營養(yǎng)液配制完成時(shí)，按照系統(tǒng)設(shè)置的灌溉方式，控制灌溉分區(qū)電磁閥開閉以及開閉時(shí)間來進(jìn)行灌溉。系統(tǒng)可以自行設(shè)置灌溉起止時(shí)間和間隔時(shí)間，在灌溉起止時(shí)間內(nèi)，控制灌溉出水泵、灌溉分區(qū)電磁閥等來完成間歇性灌溉。

當(dāng)種植結(jié)束或需要清洗儲液池時(shí)，需要將池內(nèi)剩余的廢液排出，此時(shí)可關(guān)閉各個(gè)分區(qū)電磁閥，開啟灌溉泵，開啟排污電磁閥，經(jīng)排污管道將儲液池內(nèi)廢液排至廢液收集池做進(jìn)一步處理。

1.3 系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)控制框如圖2 所示，選用PLC 作為控制主機(jī)，設(shè)計(jì)模擬量輸入有液位、EC、pH、流量等。設(shè)計(jì)數(shù)字開關(guān)量輸出有配肥電磁閥、配肥自吸泵、灌溉出水泵、灌溉分區(qū)電磁閥、清水補(bǔ)水閥、排污電磁閥等。人機(jī)交互界面選用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，觸摸屏經(jīng)GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)PC 和手機(jī)端的遠(yuǎn)程監(jiān)控，PLC 與觸摸屏則通過485 總線實(shí)現(xiàn)通訊。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

選用維控觸摸屏PI7080 作為人機(jī)交互界面，觸摸屏可從PLC 中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令并監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。觸摸屏主顯示界面如圖3 所示，對應(yīng)的6 個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能設(shè)置及控制。①灌溉程序按鈕，設(shè)置NFT 各分區(qū)的栽培灌溉時(shí)間段、每次的灌溉時(shí)間、灌溉間隔時(shí)間；②配肥設(shè)置按鈕，設(shè)置各種肥料母液的配比、設(shè)定所需的營養(yǎng)液pH 和EC；③手動控制按鈕，配肥電磁閥、配肥自吸泵、灌溉出水泵、灌溉分區(qū)電磁閥、清水補(bǔ)水閥等設(shè)備進(jìn)行手動控制；④運(yùn)行狀態(tài)按鈕：可實(shí)時(shí)顯示營養(yǎng)液EC 和pH、儲液池液位、各灌溉分區(qū)的灌溉情況等；⑤數(shù)據(jù)記錄按鈕：記錄營養(yǎng)液EC 和pH、儲液池液位等的實(shí)時(shí)變化曲線；⑥系統(tǒng)設(shè)置按鈕：設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。運(yùn)行狀態(tài)界面見圖4。

圖3 觸摸屏主顯示界面

圖4 運(yùn)行狀態(tài)界面

3 NFT 系統(tǒng)能耗分析

3.1 系統(tǒng)試驗(yàn)

在中以示范農(nóng)場一個(gè)NFT 栽培溫室內(nèi)種植上海青（華冠青梗菜），采用NFT 水肥一體化栽培系統(tǒng)進(jìn)行灌溉。試驗(yàn)栽培面積90 m2，共有70 根NFT 栽培槽，每根栽培槽有38 個(gè)種植孔，總共可定植2 660株，即栽培密度為30 萬株/hm2。上海青于2020 年9月30 日播種，2020 年10 月23 日定植，2020 年11 月22 日采收，全生育期為54 d。在整個(gè)上海青NFT 栽培過程中，計(jì)算所需要的直接生產(chǎn)成本及產(chǎn)量。直接生產(chǎn)成本主要計(jì)算育苗費(fèi)用、肥料費(fèi)用、水電費(fèi)、人員工資等4 類。育苗費(fèi)用指購買種子、基質(zhì)土、苗期營養(yǎng)液灌溉等費(fèi)用；肥料費(fèi)用指定植過程消耗的肥料的成本；水電費(fèi)指種植過程消耗于灌溉或營養(yǎng)液循環(huán)等用水、用電的費(fèi)用；人員工資指栽培期間工人定植、采收等工人工資和管理人員管理工資。上海青產(chǎn)量測量方法為：采收時(shí)取長勢較一致的10株，取地上可食部分稱量后取平均值。

育苗所需的基質(zhì)為品氏泥炭土和蛭石按照6∶1的比例混合，將其填充在育苗穴盤（2 cm×2 cm×5 cm）中，然后采用機(jī)器播種，每孔一粒種子，每盤有442 個(gè)孔，即每個(gè)育苗盤需要442 粒種子。播種完成后將育苗盤放置在育苗架上。苗期管理均使用自動澆灌系統(tǒng)進(jìn)行澆灌，施用養(yǎng)力多育苗肥，育苗肥液EC 為1.2 mS/cm，pH 為6。

NTF 定值栽培過程中營養(yǎng)母液配方以及水肥系統(tǒng)的控制將直接影響作物的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)。營養(yǎng)液母液分為A 液、B 液，100 L 的A 液配方為硝酸鈣8 kg、硝酸鉀3 kg 組成的大量元素溶液；B 液配方為硫酸鎂5 kg、磷酸二氫鉀1.5 kg、螯合鐵0.23 kg、硼酸0.03 kg、硫 酸 鋅0.03 kg、硫 酸 錳0.06 kg、硫 酸 銅0.002 kg、鉬酸銨0.000 7 kg 組成的大量元素和微量元素溶液。

3.2 結(jié)果分析

本試驗(yàn)栽培面積90 m2，共需2 660 株苗，按種子發(fā)芽率80%左右計(jì)算，需播種8 個(gè)育苗盤，需要3 526 粒種子。經(jīng)試驗(yàn)測試，NFT 水肥一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了NFT 營養(yǎng)液的循環(huán)、間歇灌溉，系統(tǒng)穩(wěn)定，配肥精度高，EC 控制精度為±0.3 mS/cm。上海青栽培的育苗費(fèi)用、肥料費(fèi)用、水電費(fèi)、人員工資等直接生產(chǎn)成本及產(chǎn)量如下。①育苗費(fèi)用：種子費(fèi)用2 元，基質(zhì)土24 元，人工8 元（機(jī)器播種一盤人工成本1 元），育苗肥料8 元，水電約1 元，總計(jì)43 元。②肥料費(fèi)用200 元。③水電費(fèi)54 元。④人工工資：工人擺管及定植2.0 h，采收及衛(wèi)生清理8.5 h，每小時(shí)15.0 元，工人費(fèi)用總計(jì)157.5 元。按1 個(gè)管理人員可管理10 000 m2種植面積，每月管理工資7 000 元計(jì)算，本試驗(yàn)面積管理人員費(fèi)用63 元。因此，總計(jì)人工成本220.5 元。⑤產(chǎn)量：上海青每株平均產(chǎn)量0.118 kg。

本試驗(yàn)面積內(nèi)的上海青直接成本為517.5 元，故上海青直接成本為0.195 元/株，每株平均產(chǎn)量為0.118 kg。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的NFT 栽培系統(tǒng)采用PLC 作為控制器，觸摸屏作為人機(jī)交互界面，系統(tǒng)能夠使?fàn)I養(yǎng)液按設(shè)定的EC 值、pH，通過灌溉管道輸送到設(shè)定的NFT栽培區(qū)中，能夠自行設(shè)定灌溉周期，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域輪流灌溉，并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。經(jīng)實(shí)際運(yùn)用證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、耐用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了NFT 營養(yǎng)液的循環(huán)、間歇灌溉，配肥精度高，EC 值控制精度為±0.3 mS/cm，滿足溫室NFT 系統(tǒng)栽培灌溉的需求。運(yùn)用該NFT 水肥一體化系統(tǒng)栽培的上海青直接成本為0.195 元/株，上海青每株產(chǎn)量為0.118 kg。本試驗(yàn)的不足之處為成本計(jì)算時(shí)只計(jì)算了育苗費(fèi)用、肥料費(fèi)用、水電費(fèi)、人員工資等直接成本，未考慮基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和設(shè)備設(shè)施折舊費(fèi)、土地租賃費(fèi)等成本。