潮汐式灌溉基质栽培设施系统的研发与应用

汪晓云　蒋卫杰　高丽红（北京绿东国创农业科技有限公司，北京 0008；中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京0008；中国农业大学园艺学院，北京 009）

潮汐式灌溉基质栽培设施系统的研发与应用

汪晓云1蒋卫杰2高丽红3
（1北京绿东国创农业科技有限公司，北京 100081；2中国农业科学院蔬菜花卉研究所，北京100081；3中国农业大学园艺学院，北京 100193）

水肥潮汐式灌溉基质栽培设施系统，其栽培箱与灌溉管道构成有机整体（也可以分离），管道系统的主给水管（首端）与排液主管（末端）是分设的（由排液阀、上限液位控制分流管实现两者连接），其余管网系统既是给液管网，也是排液管网，两者功能合二为一，而且主管、一级支管、二级支管均埋设地下，三级支管与栽培箱底部的给排液口对接，形成整体封闭的系统。该系统克服了传统的滴管灌溉管路易堵塞、灌溉不均匀及积水的问题，可较好地规避外界气传、昆虫传播的病虫害，而且有机肥的浸泡液也有望成为无土栽培的有机营养液。

潮汐式灌溉是当今设施环境下盆花的工厂化生产及园艺作物工厂化育苗的一种新型灌溉方式，其特点是不需要从植株冠层及根表进行补水灌溉，能较好地避免设施环境下因灌溉导致的空气相对湿度增加的问题，可减轻叶部感染病害的几率。

但现有的潮汐灌溉方式，需要较大承载液体和布置盆栽植物的“床体”，通常是标准模块的“塑料槽”，或直接在地表承建的混凝土“大床槽”。这两种设施的施工难度比较大，要求精准度高，而且建成后的维护也比较困难，如发生地表沉降或支架水平倾斜，床槽很容易开裂，造成水肥的渗漏进而造成浪费。而且这种潮汐式灌溉模式只适用于中小型盆栽花卉、绿植生产，以及园艺、园林植物的工厂化育苗，无法实现瓜果蔬菜的长季节无土栽培。这种大槽式潮汐灌溉，盆栽植物的布置不可能完全覆盖床槽的空间，营养液或灌溉水位上升“漫灌”至整个床槽时，盆间的“空闲面积”会大于30%，高的可达到80%，这些裸露的空间可导致水分直接挥发，使温室空气湿度升高。同时，温室空间的尘土、病菌、昆虫、盆栽植物的枯枝烂叶、凋谢的花瓣都很容易落入床槽内，造成水肥的污染，也增添了营养液过滤、消毒的难度。

为此，笔者针对温室果菜的无土栽培，发明了一套“潮汐式灌溉基质栽培设施系统”，经两年来的栽培实践，证明这套设施完全达到了设计发明的初衷，与传统依靠滴管灌溉的基质栽培相比，具有明显的综合优势。

1　设施装备的构成

1.1营养液池与管道系统 如图1所示，营养液池一般设于地面以下，通常采用混凝土浇筑或砖混砌筑，做好防水、防渗处理。小规模栽培可以采用塑料罐或玻璃钢储液罐。营养液池（2）的容积要根据栽培面积或栽培箱的总数量来计算，通常每667 m2温室可定植黄瓜、番茄、茄子1 800～2 000株，长方形的栽培箱（17）以每箱定植4株计算，需要450～500个栽培箱，单箱最大灌水量为22 L，需要营养液池的容积为11 m³，实际容积应比理论体积大20%为宜。

管道系统采用PVC管材及相应配件，在给液首端设搅拌管及搅拌阀（5）、强排管及强排阀（6）、给液主管及给液阀（8），给液主管连接潜水泵（4）。在给液主管（增粗缓流段）（10）设栽培箱上限液位控制装置（分流管）（9），分流管与排液主管并联连接，排液主管前端设排液控制阀（11），后端设紫外线消毒器（7）。

图1　营养液池与管道系统示意图

1.2栽培容器 栽培容器为长方形的栽培箱（17），内置塑料过滤网杯（16），栽培箱上覆盖3片互相插接的定植盖（15），每箱可定植4株果菜。栽培箱长70 cm，顶盖宽32 cm，高23.5 cm，箱子底部以四角为支腿，支腿内部是“空腔”，具有存储基质、水的功能；在栽培箱底部中间设有一个直径为29 mm的给排液口，给排液口边沿具有可插接固定过滤网杯的卡口结构；网杯的底部封闭，扣在箱底的给排液口上，四周为40～60目的塑料网纱；基质填注后，网杯起到隔离、过滤基质不进入管道系统的作用，而水肥（液体）可以双向通过网杯，实现灌溉。

2　设施的安装程序

2.1平整地面 在设施安装前，首先要进行地面平整。在进行室内地面平整的同时，就应定位、开挖营养液池，将土方散布到室内的低洼处，实现地面找平。

2.2放线定位 根据温室的跨度、栽培面积进行作业道及栽培布局的设置，放线定位栽培箱的大行距、小行距、箱子纵向间距，以确定温室的栽培箱数量。

2.3建造营养液池 营养液池建于地表以下，其容积设计要以“回水管口”以下的高度为有效空间。所需的营养液池容积要根据灌溉的栽培箱总体积来设计，即营养液池的有效体积等于栽培箱的体积总和。一般667 m²的栽培系统，需建12 m³的营养液池。池内径∶深2.2 m，宽2 m，长3 m。灌溉面积越大，营养液池的体积也要越大，以确保一个灌溉系统内的一次性灌溉液量。

营养液池可砖砌，也可混凝土浇筑，池底必须夯实，在池体未完全固化前，做好周围的排水工作，避免地下水倒渗而影响营养液池的防水性能。

营养液池建造到距地平面40～50 cm的高度时，需要准确布设排液主管（直径110～200 mm不等，视栽培系统的灌溉面积大小而定），在距地面20～30 cm高度时，需布设营养液给液管、自来水管（直径25～32 mm，带水位限位阀）、搅拌管（直径40～75 mm）等。营养液池需要加盖进行密封，避免地表水进入，确保营养液池盖板后的地面标高与温室地表标高一致。

营养液池需要设一个操作口（3），内径60 cm×60 cm，采用砖砌，壁厚10～12 cm，高度应高出地表12 cm，内外抹光，操作口需加不锈钢盖子（罩子）。

2.4给排液管路布设 潮汐式灌溉管路与栽培箱底部的给排水口衔接。栽培面积较大的温室（4 000 m²以上）管道系统分设四级∶主管道、一级（13）、二级（12）、三级（18）支管，根据栽培箱的布局，确定主管道、一至三级支管的位置，放线开沟。其中三级支管的长度每段应设置在10～12 m之间，支管的直径为40～50 mm，承担14～16个长方形栽培箱的给排液任务。二级支管长度应在12～16 m之间，可承担8～10段三级支管的给排液量，二级支管直径在75～110 mm之间。一级支管的长度应在20～40 m之间，承担2～4组二级支管的给排液量，一级支管直径在110～160 mm之间。主管道长度12～60 m不等，可承担2～4组一级支管的给排液流量，主管道直径在160～200 mm之间。一般面积小于667 m²的栽培系统，到二级支管的管径就可满足系统的给排液流量。

给排液管道埋设的坡度设置∶主管道、一级支管的布设坡度为400∶1；二级支管的布设坡度降为300∶1；三级支管的布设在地表面，一般不设坡度，为水平布置。特别要注意∶主管道、一级支管与二级支管均不能布设在同一水平上，主管道低于一级支管，一级支管低于二级支管，均埋设在地表以下，这样可以确保水位下降后，三级、二级支管内的营养液能回流到二级、一级支管及主管道中。2.5 地表隔离铺装 管道埋设完成，营养液池工程完工，液池周围回填、沉降到位后再平整地面，将温室地面的平整度误差控制在±1 cm以内，并轻轻夯实，而后进行地面隔离铺设。一般栽培区域的地面（行间、栽培箱底部）铺设园艺地布为好，操作主干道及温室四周操作道采用硬质铺装，铺设5～6 cm厚的混凝土层或铺设步道板、吸水砖等道路硬化材质。

栽培区域铺设园艺地布的同时，要找准二级支管的位置，在园艺地布上开口，地布铺设完成后安装地表的三级给排液支管及管接配件。栽培箱底部的给排液口要与地表的三级支管连接弯头插接，同一栽培系统的三级支管上的向上弯头接口应保持在同一水平面上（水平误差控制在±0.5 cm以内）。

2.6布置栽培箱 每个栽培箱内，应先固定好塑料网杯，而后填注基质，栽培基质可选用单一基质或多种基质复配。同一栽培系统内基质的理化性状应保持一致。干燥基质在装箱前，要用营养液或自来水调节含水量达60%～65%的湿润状态为好，可避免起粉尘。将基质填注到栽培箱至九成满，即离开栽培箱上口3 cm的位置，轻轻拍压，以确保灌水后不下沉为度。栽培箱运到栽培现场，将栽培箱底部的给排液管口对准三级支管上的弯头接口，轻压接触到位即可。

系统内所有栽培箱布置完成后进行试灌溉，检查地面箱体底部是否有渗漏，找出原因，排除问题。

3　果菜的栽培设计

3.1大小行距、株距的设定 每个栽培箱可定植番茄、茄子、辣椒、甜椒、黄瓜等果菜4株，栽培箱南北向纵向紧挨排列，栽培箱的东西间距110～120 cm（栽培箱正中到另一栽培箱正中142～152 cm）；用于栽培草莓时，则栽培箱的横向、纵向间距均应按草莓的栽培密度来布置，每箱可定植8株草莓。

3.2日光温室及连栋温室周年茬口设计 春秋一大茬+冬茬∶3月上旬至11月下旬种植番茄、茄子、辣椒、甜椒等长季节果菜，冬茬12月上旬至翌年2月下旬种植耐低温的叶菜，如甘蓝、花椰菜、樱桃萝卜、蒜苗、小油菜、生菜等。

夏秋茬+冬春茬∶5月上旬至8月下旬种植西甜瓜、豇豆等耐高温果菜，9月上旬至翌年4月底种植喜凉的草莓、西葫芦及其他耐低温叶菜。

3.3基质的选择和配制 潮汐式灌溉基质栽培适用的基质种类比较多，除了传统的复配基质以外，也适宜采用单一种类基质进行栽培。例如单一的珍珠岩、蛭石、火山岩、岩棉、椰糠均是良好的栽培基质。

栽培要求是“四个一”，即∶一套系统、一种基质（或统一的复配基质）、一个品种、一致苗龄，才有利于统一灌溉量和灌溉的间隔时间。

4　设施的运行管理

4.1灌排水（营养液）设计 潮汐式灌溉基质栽培，要根据基质的保水性、季节温湿度、品种及生育阶段的需水量来确定灌排水设计。以复配基质（蛭石∶珍珠岩∶草炭为5∶2∶3）为例，提供参考的灌溉周期及次数见表1。如果采用单一的火山岩、珍珠岩、沙子作为栽培基质，则需缩短间隔时间，增加灌溉次数，以确保植株的水分需求。灌溉的频率应当根据基质的保水性能、植株耗水量、基质的含水量来科学调控，表中所列仅供参考。

灌溉水位的设置∶潮汐式灌溉对同一栽培系统的栽培箱，要求同一水平布置，误差控制在±1 cm的范围内，以确保灌溉时所有栽培箱内水位的一致。

给排液管路与栽培容器之间形成整体的“U型”水位原理，互通的管路使灌溉时水位能同步上升，所有栽培箱内的基质“同时、同位、同量”接受水肥的灌溉。灌溉结束后打开排液阀，排出多余水肥液。将灌溉最高液位即上限液位设定在能“淹没栽培箱基质表面”的高度上，水泵动力经给液主管提升的营养液超过设定的上限液位时，能从上限液位分流管流到排液主管中，再流回到营养液池。

表1　果菜无土栽培的潮汐式灌溉的灌溉周期及次数

开启潜水泵使营养液提升进入管道中，缓缓流向每一个栽培箱，液位缓缓升高，直至淹没基质表面，继续保持5～10 min（分），随后关停水泵，开启排液阀，使营养液在短时间内排出栽培箱，排净为止。

4.2水肥的消毒或更换 果菜潮汐式灌溉基质栽培，管道与栽培箱底部的连接形成封闭式，外界病虫害、枯枝烂叶基本不会进入管道系统，消毒主要是针对营养液中可能滋生或积累的病菌，在主管道给液首端或排液末端处安装紫外线消毒器，使营养液在给、排通过时实现消毒，储存备用。

营养液循环运行一段时间，当营养液出现“盐分”积累时，应考虑进行更换。在果菜长季节栽培过程中，强光、高温、干燥季节植株处于生长旺盛阶段时，要特别注意检测、调控基质及营养液的浓度，避免盐分积聚，应采用低浓度营养液或灌以清水来稀释降盐。

4.3换茬与基质消毒 尽管潮汐式灌溉基质栽培具有诸多优势，但基质中矿物质养分的失衡或盐分积累，植物自身分泌“化感物质”的积累，气传病虫害侵染与菌量的积累，同样也困扰着这一栽培模式。因此，为了获得安全、高效、优质的蔬果产品，避免栽培风险，每茬作物栽培结束后要进行基质消毒或进行换茬，以确保后茬作物的健康生长。

基质消毒采用熏蒸消毒法，将容器及基质堆码起来，覆盖1层厚薄膜，四周准备好封压的泥土，按每立方米基质用甲醛80～100 mL、高锰酸钾40～50 g，混合发生“气化”反应，进行熏闷消毒。事先准备好广口玻璃瓶或瓷瓶，分装好高锰酸钾晶体，分散均匀布设到需消毒的基质堆中，另准备好对应比例的甲醛溶液瓶，操作时要多人协同作业，将甲醛溶液倒入高锰酸钾瓶中，最快速度覆盖薄膜，用事先准备好的泥土压紧四周薄膜，封严避免漏气，封闭24 h（小时）即可完成基质及连带容器的消毒。

5　潮汐式灌溉基质栽培的主要优势

5.1灌溉均匀，可避免缺水、积水的弊端 潮汐式灌溉基质栽培设施系统，不必担心管路堵塞、灌溉不均匀及积水的问题。栽培箱底部的给排液口直径29 mm，在这种封闭的管道系统内，只要不是人工安装及栽培过程的操作失误，管道堵塞的问题是可以避免的。

5.2上限液位可调，可避免基质表面的盐分积聚

灌溉的上限液位可调，可根据生育阶段或季节来设定上限液位，也可一次性设定好，以能漫过基质表面设为“上限液位”，每次灌溉相当于进行一次“大水漫灌”，使栽培箱内的基质及全部根系得到均匀的水肥渗透，也可以避免或延缓基质表面的盐分积累问题。

5.3给排液管道系统不受外界病虫侵染 管路系统是封闭的，栽培箱表面（基质表面）也是覆盖的，可较好地规避外界气传、昆虫传播的病虫害，提高栽培系统抵御外界病虫干扰、避免尘土和枯枝烂叶污染的能力。

5.4可选择的栽培基质种类更多 通常的无土栽培对基质的理化性状要求比较严格，对基质的吸水性、持水性、透气性、容重、阳离子交换量等均有严格要求。本系统除了适用于岩棉、椰糠、海棉等优良的商品栽培基质以外，常规滴管灌溉不适用的基质也可用于本系统，如火山岩、珍珠岩、沙子等。

5.5灌溉可实现自动化、智能化 潮汐式灌溉基质栽培不需要在灌溉时检查滴灌堵塞和积水的问题，只要设置好营养液池内的“上限水位”，设定好栽培箱灌溉的“上限液位”，营养液的调配、管道阀门的开闭均可实现智能化控制，基本可以达到无积水、缺水的问题。

5.6有机营养液的灌溉成为现实 蔬菜无土栽培通常采用无机营养液，此前不少科研人员及生产者都在尝试采用有机营养液来进行栽培，以求提高蔬菜的品质。但是，有机营养液并非完全可溶解，除了无法用于水培，因其中含有颗粒物或絮凝物，也不可避免会造成常规滴管灌溉的滴头“堵塞”。所以，滴管灌溉很难采用常规有机肥的浸泡液、沼液或商品有机营养液来供给营养。而本套潮汐式灌溉栽培系统不存在堵塞问题，普通的有机肥经浸泡、过滤后，均不会造成管路堵塞。因此，无论普通有机肥还是商品有机肥，只要经浸泡过滤，可望成为无土栽培的有机营养液。

汪晓云，董事长，主要从事蔬菜无土栽培研究，电话∶010-62116058，E-mail∶wangxiaoyun423@sohu.com

∶2016-06-30；接受日期∶2016-07-20