一种间歇式升降营养液深度技术的研究与示范

2010-01-19覃大吉帅超群李亚杰向极钎杨永康邹迎春黄建民

湖北民族大学学报(自然科学版) 2010年4期

覃大吉，帅超群，李亚杰，向极钎，杨永康，马进，邹迎春，黄建民

(1.恩施清江生物工程有限公司，湖北恩施 445000;2.湖北省农业科技创新中心鄂西综合试验站，湖北恩施 445000)

无土栽培总体上可分为有基质栽培(aggregate culture)和无基质栽培(inaggregate culture)两种类型，无基质栽培又分为水培(hydroponics)和雾培(aeroponics)两种方式，水培技术主要有鲁SC型无土栽培、营养液膜(NFT)技术、深液流(DFT)系统、浮板毛管(FCH)系统等[1-4].在深入研究现有无土栽培技术和影响实际生产的关键因素的基础上，成功研制了一种间歇式升降营养液深度无土栽培技术(IRF-NDT).该系统与Cooper 于1973年发明的NFT系统[5]及陈全胜设计的DFT系统[6]比较具有很大的改进[7].

1 IRF-NDT装置栽培单元结构

如图1和图2所示，IRF-NDT装置的栽培单元结构主要由定植板(1)、气-液箱(2)、通气道(3)和升降营养液深度系统(4)四部分组成.气-液箱由上、下两部分组成，上部是定植板覆盖下的通气室(5)，下部是营养液深度(6)，气-液箱最上面的定植板支撑定植的植株(7)，通气室在气-液箱的上中部，在通气室内两边平行镶嵌两条通气管(8)，通气管与外界空气相通.在气-液箱内的最下部的两端设有营养液进液口(9)和在出口端安置的鸭嘴虹吸口(10)，鸭嘴虹吸口端通过1根软管(11)与营养液深度高低调节阀(12)相连，可以用来调节气-液箱中流动营养液深度(13).多个相同的栽培单元通过进液管(14)和回液管(15)并联连接起来，在处于垂直(多层架Ⅰ)或水平放置(某层内Ⅱ)状态下实现营养液的自动流动和各单元内的营养液深度的自动升降调节.储液池(16)用于储存营养液和营养液的Ph值、溶氧量的检测与调节，以及EC值的检测调节和营养液更换.潜水泵(18)与外接电源连接，持续为营养液循环提供动力.营养槽支柱(19)用于支撑垂直层架式放置的营养槽(1个栽培单元).各栽培单元虹吸口与1个U型液封管(20)相连接，在营养液回流结束时形成液封，有助于下一次回流时形成大于虹吸口至营养液深度调节阀上端之间的液柱.

图1 间歇式升降营养液深度装置单元结构示意图

图2 间歇式升降营养液深度装置系统结构及工作原理示意图

2 IRF-NDT装置系统的工作原理

2.1 IRF-DFT装置工作原理

营养液深度高低调节阀始终处于营养液深度厚度刻度标尺的最上端，其一端通过一根软管与鸭觜虹吸口相连，另一端与回液管相连.一个潜水泵缓缓地将营养液池中的营养液泵入进液管，并分流到各个个栽培单元的进液口，当营养液深度超过营养液深度高低调节阀指示的刻度时，营养液将通过鸭嘴虹吸口和营养液深度高低调节阀渐渐地流入回液管，并通过分子内聚力在回液管中形成悬挂的液柱，当营养液充满液柱达到一定高度时，因其柱高长度大于鸭嘴虹吸口到营养液深度高低调节阀的同径柱高而产生虹吸拉力，拉动该栽培单元中的营养液自动流向回液管，直到深度与鸭嘴虹吸口上口相齐为止.完成这一栽培单元中的营养液深度的一次自动升降调节过程.其它各栽培单元营养液深度升降原理相同.可以根据人们栽培的需要来调节营养液深度从而控制营养液的回流速度，达到自动调控的目的.

2.2 鸭嘴虹吸口的优点

与孔吸式虹吸口相比较，鸭嘴虹吸口对较薄的营养液深度产生更加均匀平稳的虹吸拉力，减少局部拉力过大造成断流现象，便于更加准确地调节营养液深度厚度.

2.3 IRF-DFT装置应用原理

使用时，可以将马铃薯、黄瓜或东方百合等作物的种子播在定植板上定植孔中的种子萌发袋中进行催芽和出苗，也可以取下种子萌发袋，直接将其定植苗定植在定植孔中.当将种子播在种子萌发袋中进行催芽和出苗时，种子萌发袋与营养液深度之间通过间歇式接触提供种子萌发所需的养分、水分和空气；当其定植苗定植在定植孔中时，植株下部或生根苗的根部与营养液之间通过间歇式接触提供种苗生根或壮苗所需的养分、水分和氧气.营养液在装置的底部通过水分子内聚力而成为一个整体的流动相，动力来源于鸭嘴虹吸口端传来的均匀的虹吸拉力，使营养液在水平放置状态下自动流动.气-液箱中的通气管与外界空气相通，保证了气-液室内有充足的氧气供给，可以满足定植植株全生育期对氧气的需求.

3 IRF-DFT装置的优势性

3.1 水平放置，便于操作和管理

该装置系统即可单独使用，又可以通过进液管和回流管并联使用，还可在植株生育期内，根据需要，实现放置和(或)垂直放置，利于进行适宜的生产空间与操作空间的调节，提高温室有效空间利用率.

3.2 结构简单，安装、拆卸方便

各个栽培单元既可以进行独立的栽培管理，又可以并联多个栽培单元进行统一栽培管理.多个栽培单元并联时要求使用相同的营养液，撤除某个(些)单元时只需要按比例减少营养液供液量，同时保证营养液循环系统不断流，注意将减少单元的营养液进出口用预留的堵头堵住.

3.3 节省劳力和用水量

多个栽培单元并联的栽培方式，可以节约大量劳力.在相对封闭和黑暗的条件下进行营养液循环使用，可以实现节约用水.但要求定时检测、调节营养液的pH值(每2天1次)和营养液浓度，根据作物生长发育的需要及时调节或更换营养液.

3.4 间歇性升降流动的营养液深度

营养在某个栽培单元中每循环一次，就完成一次营养液深度厚度升降调节，作物根部就有一次机会分别接触到营养液和空气.根据作物生长发育需要和潜水泵功率，通过设定进液管的营养液流动速度来达到控制单位时间内的循环次数，从而达到间歇性升降流动的营养液深度厚度的目的.

3.5 高效自动地调节园艺作物生长所需的水分和空气

根部所需的营养、水分和氧气是作物生长发育能否正常进行的关键因素，其均衡供给是决定生产成功与失败的核心技术之一，也是各种无土栽培设施研制的重点和难点.IRF-DFT装置成功解决了这一技术难题，不同作物通过营养液配方的不同保证其生长发育的需要；水分需求通过根部与营养液深度的间歇式接触得到满足；氧气的供给有两个方面，一是流动的营养液中溶解的氧气，二是气-液箱中的通过管从外部输送的空气中的氧气，可以充分满足作物生长发育根部对氧气的需要.

3.6 消毒彻底不产生重复污染

将营养液深度高低调节阀调至最高刻度，然后用相关的消毒剂配制成消毒液取代营养液进行1～2 d循环，另外，将定植板浸泡在消毒液中1～2 d后，将正反面分别置于在太阳光下暴晒晾干，达到对设备彻底消毒的目的.设备再次使用前重复一次消毒程序，避免再次使用时产生重复污染现象.

3.7 提高单位面积产量

在作物生长发育的根部所需的营养、水分和氧气都得到较好供给时，有利于构建一个生物量较大的营养体，再加上在不同培养阶段根据不同培养目的所采取的生长调节措施，实现促进作物目标产量达到最大化的目的.IRF-NDT技术的研究成功，成为无土栽培高产栽培技术的典范.马铃薯脱毒微型薯、番茄的生产示范结果充分证明了这一点.

3.8 栽培单元可多可少，应用规模可大可小

IRF-NDT装置系统的结构特点是并联各栽培单元形成一个可大可小的园艺作物无土栽培系统，栽培管理具有高度的统一性和一致性，规模大小具有高度的灵活性.基本管理程序是：设备安装、系统消毒、设备调试、营养液配制、营养液注入、作物定植、栽培管理(pH值检测与调节、EC值检测与营养液添加或更换、作物生长调节等)、产品收获(分期收获或一次性收获)、系统清理、系统消毒.

4 IRF-NDT应用范围

该装置系统可广泛用于厚皮甜瓜、番茄、黄瓜、茄子、辣椒、西葫芦等果类蔬菜的栽培；装置不仅可用在现代化温室、塑料大棚、日光温室内，还可用于露地、阳台、屋顶栽培；由于装置进行营养液循环利用，可用于教学和科研，进行植物营养和生理研究.本系统经在湖北省农业科技创新中心鄂西综合试验站、恩施清江生物工程有限公司、湖北恩施中国南方马铃薯研究中心、恩施州农业高新技术示范园、恩施州农科院药物园艺研究所等单位进行大规模栽培马铃薯脱毒微型薯、番茄、东方百合等示范生产表明，作物根系发达，作物长势健壮，产量和商品性都已达到或超过引进国外的现代化栽培系统.

4.1 马铃薯脱毒微毒型薯生产示范

IRF-NDT栽培系统与NFT和基质栽培比较，脱毒苗生根时间分别提前1 d和4 d，单株总发根数分别增加9根和20根，单株匍匐茎数分别增加2条和9条，单株微型薯数分别增加4粒和9粒，数量分别增加1 720粒/m2和3 600粒/m2，≥5g/粒的微型薯率分别增加18和28个百分点(见表1).

表1 马铃薯脱毒微毒型薯生产示范结果统计表

注：①营养液pH值5.5～5.8，EC值1.2～3.5 ms/cm；②基质栽培(Aggregate culture)基质为锯末∶珍珠岩∶蛭石(2∶1∶1)；③试验材料为“Mira”脱毒苗.

4.2 番茄生产示范

IRF-NDT栽培系统与NFT栽培系统和基质栽培比较，番茄扦插苗生根时间分别提前近1.53 d和1.58 d，单株总发根数多分别增加8.74条和29.2条，分枝数与两对照相当，单株结果数分别提高12.33个和17.8个，单株提高产量分别提高1.14 kg和2.05 kg，667m2分别增产2 280 kg和4 100 kg，商品率提高1.87和3.7个百分点(见表2).