桑树智能雾化栽培系统概述

2017-04-08张建华庞良玉田俊俊李廷平

中国蚕业 2017年1期

关键词：桑树营养液雾化

王谢张建华庞良玉唐甜田俊俊李廷平

(四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川成都 310027)

桑树智能雾化栽培系统概述

王谢张建华庞良玉唐甜田俊俊李廷平

(四川省农业科学院土壤肥料研究所，四川成都 310027)

介绍了桑树智能雾化栽培系统(以下简称雾化栽培系统)的硬件组成、营养液配方、日常管理维护技术，该雾化栽培系统的应用范围，如桑树养分供给水平、需水与抗旱特征、重金属耐性与抗性、专用液体肥料肥效、耐盐性等生理生态学研究，以及其应用成效。该雾化栽培系统不仅能降低科研人员的劳动强度，还能避免水培条件下淹水胁迫和养分不均一对试验结果的影响。同时，还指出了该雾化栽培系统存在的不足与改进办法，为开展桑树生理生态学研究提供了可借鉴的技术设备。

桑树；无土栽培；雾化栽培；肥水管理；自动化

桑树根际空气较少时，桑树根系会出现呼吸障碍，影响桑根吸收养分，同时嫌气性细菌活跃，产生有毒物质，甚至出现桑根腐烂、光合产物减少、桑叶萎蔫黄落等现象[1]；因此，桑树水培在用于桑树生理学研究中存在一定的弊端。而雾化栽培，作为无土栽培的一种，可以较好地解决根系的水气矛盾，能够同时满足植株对水分、养分和氧气的需求[2]。因此，基于肥水一体化和无土栽培两大技术的支撑，四川省农业科学院土壤肥料研究所研制出了一套用于科研试验的室内桑树智能雾化栽培系统(以下简称雾化栽培系统)[3]。本文将从雾化栽培系统的结构组成、营养液配方、管理养护、应用前景和不足之处等5个方面对该雾化栽培系统进行简要的说明，以期能为其他桑树生理学研究提供一定的硬件参考。

1 雾化栽培系统的特点、结构和使用注意事项

1.1 雾化栽培系统特点

雾化栽培系统设计采用半自动化操作，具有自动化控制、机械化物理操作、全局结构稳定等特征。雾化栽培系统结构以新型智能雾化栽培技术为核心，具有较高的密封性和稳定性，可用于对一些较微观或精细化的生理生态学试验的研究。因此，安装和使用中需定时或不定时地进行一系列严密的调试和检查工作。

对于科研人员而言，该雾化栽培系统可明显降低桑树生理生态学试验的工作强度，明显增加对试验环境因子的可控性。对于开展遗传学水平的桑树生理学特征研究具有重要意义。

1.2 雾化栽培系统的硬件组成

从桑树雾化栽培系统示意图(图1)可以看出，该雾化栽培系统由首部、管网和培养箱3个部分组成。第一部分，首部由供水系统、营养桶、水泵、供电系统、时控开关、供肥系统、监控系统和过滤系统构成。其中，供水系统、供电系统主要提供基本的能源保障；供肥系统主要用于添加配方营养液体；营养桶主要用于贮藏和收集营养液；水泵是首部的心脏，是增压雾化的关键；时控开关的功能是按照设定参数自动控制雾化栽培系统运行与否；过滤系统主要用于过滤各种可能堵塞喷头的杂质；监控系统主要用于监控营养桶中营养液质量的变化。第二部分，管网主要起输送营养液到特定位置的作用。鉴于管网要求的管材应具有长期蠕变性能和常温下不溶于任何已知溶剂的特性，管网推荐使用三型聚丙烯材质的管材(polypropylene random，PPR管)。管网的进水管，推荐参数为壁厚2.3 mm、外径25.0 mm。第三部分，培养箱由雾化栽培箱箱体、雾化喷头、桑树固定支架和回水系统组成。其中，雾化栽培箱箱体主要是为桑树根系的生长提供空间；雾化喷头主要用于雾化营养液；桑树固定支架不仅可以让苗木保持直立，让根系垂直悬空，还可以阻挡雾化水的蒸腾耗散，让雾化营养液重新液化；回水系统主要起引导重新液化的营养液回流入营养桶的作用，安装回水系统时回水管需要适度倾斜，倾斜角度不低于5°。回水系统的管材依然推荐使用PPR管，推荐参数为壁厚3.7 mm、外径40.0 mm。

1.供水系统，2.管网，3.营养桶，4.水泵，5.供电系统，6.时控开关，7.供肥系统，8.监控系统，9.过滤系统，10.雾化栽培箱箱体，11.雾化喷头，12.桑树固定支架，13.回水系统。图1 桑树雾化栽培系统示意图

1.3 雾化栽培系统桑树营养液配方

四川省农业科学院土壤肥料研究所提出了一种普适性的雾化栽培系统桑树营养液配方，具体组成成份及质量浓度如表1所示。

1.4 雾化栽培系统的维护和日常管理

1.4.1 营养液的补充和更换以每个系统栽9株桑树为例，每个系统配置的营养液体积为100 L，由于植物的蒸腾作用会消耗掉部分水分，当营养桶的水位低于80 L时，自动或手动补水至100 L。补水时不用注肥。当补水次数大于5次时，需要更换营养液；当监测系统显示营养液pH值和电导率异常时，需要更换营养液。

根据根系分泌物和脱落细根的腐败情况，需不定时地更换营养液。据我们试验，成都平原的室内大棚，更换营养液的时间间隔为春季15 d，夏季7 d，秋季10 d，冬季20 d。更换营养液时，需用1%双氧水清洗消毒营养桶后再添加新的营养液。

表1 雾化栽培系统桑树营养液配方 mg/L

1.4.2 时控开关的设置根据室内温度和天气情况设定每套雾化栽培系统的喷雾时间。当温度在20～25 ℃，每间隔30 min喷雾2 min；当温度在26～30 ℃，每间隔10 min喷雾2 min；当温度在31～35 ℃，每间隔3 min喷雾3 min；当温度在35～40 ℃，每间隔1 min喷雾2 min；当温度大于40 ℃时，必须进行遮荫处理，遮荫后要按照实际温度设置相应的喷雾时间间隔和喷雾时长。

1.4.3 自吸泵的检修维护定期对自吸泵进行检修维护，检修维护主要包括检查接口是否漏气、水流是否通畅、箱体内是否有异物堵塞、涡轮是否磨损、电路是否正常等6个主要方面，注意发现问题及时解决。

1.4.4 过滤器的维护该雾化栽培系统采用的叠片式过滤器，一般1～2个月清洗1次。清洗频率与营养液更换频率、营养液温度、植物生长代谢速率等密切相关。

1.4.5 雾化喷头的日常检修利用听音法，判断是否有水柱冲击雾化栽培箱箱体的情况，若出现异常，需清理并加固雾化喷头。

1.4.6 监测系统的维护监测系统主要是监测营养液的温度、酸碱度和电导率。平均每2 d监测1次营养液状况，防止出现异常。在不检测时，需按照设备使用说明，保护好监测探头。

2 雾化栽培系统在桑树生理生态学研究中的应用范围与效果

2.1 雾化栽培系统在桑树生理生态学研究中的应用范围

2.1.1 支持桑树养分供给水平的研究利用该雾化栽培系统，通过改变营养液的营养配方，调节养分梯度和盈亏状态，可开展养分供给[4]对桑树所造成的毒害或缺素病症方面的研究。

2.1.2 支持桑树需水与抗旱特征研究利用该雾化栽培系统，通过改变供水时间的间隔参数，调控水分供应状况，可开展水分丰缺[5]对桑树生理生态学特征的影响方面的研究。

2.1.3 支持桑树重金属耐性与抗性研究利用该雾化栽培系统，通过添加外源重金属，模拟土壤重金属超标，可开展桑树对重金属[6]的耐性和抗性机制方面的研究。

2.1.4 支持桑树专用液体肥料肥效研究利用该雾化栽培系统，通过将不同的液体肥料替换或添加入营养液中，模拟施肥，可开展不同肥料[7-8]对桑树增产潜力方面的研究。

2.1.5 支持桑树耐盐性研究利用该雾化栽培系统，通过添加不同浓度的无机盐，模拟盐碱化环境，可开展桑树耐盐性[9-10]机制方面的研究。

2.2 雾化栽培系统实际应用情况及取得的效果

在实际应用中,我们以包含桑树生长所必须的13种营养元素的营养液配方(表1)培养的桑树为对照，在利用植物缺素症研究配方计算软件[11]计算出缺素症研究所需的非全营养配方的基础上，基于14套桑树雾化栽培系统，同时研究了13种养分缺失条件下桑树的营养失调症状表现。通过1年多的试验发现，该雾化栽培系统在缺素症研究的应用中表现良好，不仅试验效果比水培[12]的试验效果更加清晰，其试验系统维护的花费也比水培的要低。据我们初步调查估算，同一熟练工利用该雾化栽培系统完成整个试验步骤所需工时仅为水培下操作的1/6，用水量也仅为水培的3/5。实践表明，利用该雾化栽培系统进行桑树生理学研究不仅可以大大降低科研人员的劳动强度，还可以避免水培条件下淹水胁迫和养分不均一对试验结果的影响。

3 雾化栽培系统存在的不足与改进办法

3.1 雾化栽培系统智能化特征尚有较大拓展空间

该雾化栽培系统属于第一代科研产品，在技术上和操作中主要采用半自动化的特征。随着对桑树生理生态学特征更加深入地了解，可以进一步依靠温度、湿度、光照强度、养分浓度的识别模块进行更为智能化的设计，实现全自动化控制，完全释放科研工作中栽培环节的劳动力，如自动遮荫、自动微喷叶面降温、箱体自动降温、注肥系统自动监测和配肥等。

3.2 桑树营养液配方尚需进一步完善

随着桑树营养学试验的不断开展，除了氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、硼、锰、锌、铜、钼、氯等13种桑树必须的矿质营养元素外的其他一些可能的必要矿质营养元素，如镍[13]、钠[14]、钴[15]、硅[16]等的功用将进一步被发现。这些营养元素功用的发现，将有助于完善桑树营养液配方，使桑树在各个生长期均能获取全营养成分，保持整体的营养平衡。

3.3 雾化栽培系统建设有待平台化

随着精细的工业设计发展和科研试验精细水平的不断提升，可尝试建设类似于风洞的桑树生理生态学试验支撑平台。该试验支撑平台的建设将使得桑树生理生态学研究更加现代化、科技化、绿色环保化。

3.4 雾化栽培系统管理有待专业化

只有长期有效地进行保养和维护，雾化栽培系统才能更加持久地为科研服务，才能增大其应用价值。因此，制订一套专门的管理技术规程和开展专业的技术人员培训是不可或缺的。

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[2] 闻婧, 程瑞锋, 孟力力,等.超声波雾化栽培装置的研制和应用效果[J]. 江西农业学报, 2012, 24(1):23-25.

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