设施黄瓜基质栽培有机营养液高效管理装备及技术

李友丽，郭文忠，赵 倩，贾冬冬，李银坤，杨子强

（1.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；2.吴忠市国家农业科技园区管理委员会，宁夏 吴忠 751100）

无土栽培中基质作为介质固定植物根系，使根系充分吸收营养液和氧气[1]。基质栽培方式下为作物生长发育提供养分的主要途径是灌溉无机营养液；在我国，为适合国情成功研制和推广应用了有机生态型无土栽培技术，是一种不用营养液灌溉，而是以有机栽培基质和有机固态肥为养分来源，直接灌溉清水的基质栽培技术[2-3]。无机营养液灌溉的基质栽培局限于非有机生产模式，有机生态型无土栽培技术则将基质栽培与有机农业相结合，有利于基质栽培和有机农业的发展。但是，有机生态型无土栽培技术存在养分管理粗放、养分供应不能适时适量、追肥费工费时及难以实现自动施肥和精准管理等问题[4]。北京农业智能装备技术研究中心围绕水肥一体化工作开展，针对有机农业研发了一套有机无土栽培营养液高效管理装备，即有机水肥一体化智能装备[5]，现已将该装备与配套技术在设施黄瓜基质栽培有机生产中应用，实现了有机液肥制备、灌溉液配制和田间灌溉的一体化、机械化和自动化，有效降低了人力投入，提高了劳动效率；有机营养液随滴灌灌溉系统适时、适量地输送至作物根部，较好满足了黄瓜生长的养分需求，确保了产量形成，显著提高了灌溉液生产效率，较好地突破了基质栽培有机生产水肥管理的瓶颈。现将设施黄瓜基质栽培有机营养液高效管理装备及技术介绍如下。

1 基质栽培装备系统

目前，设施生产中用于无土栽培的基质种类繁多，包括岩棉、椰糠、草炭、陶粒及复合型基质等。其中，岩棉、椰糠有塑料袋包装的定植条和无包装定植条，草炭、陶粒及复合型基质多为散装型，袋装基质便于使用，但塑料包装不利于环保，散装型基质对栽培槽有特定要求，否则不利于灌溉液排出和排出液再利用。北京农业智能装备技术研究中心研发了可配套已包装或无包装基质使用的基质栽培装备系统（图1），包括栽培架、栽培槽、底板、盖板，其中栽培槽为倒“凸”字型，底板放置在岩棉搁置层处，将栽培槽分成上下两部分，上部填放栽培基质后盖上定植盖板，下部为导水槽，便于一部分灌溉液（排出液）排出，较好地将基质与排出液分开，可直接配套各类基质使用，无需基质经过包装或固定形状。栽培槽末端设计排液口，连接管道和排出液处理系统，形成封闭的基质栽培系统，将排出液回收利用，有效提高了营养液利用效率。

图1 基质栽培装备系统中栽培槽结构

2 有机水肥一体化智能装备系统

有机水肥一体化智能装备系统是针对有机农业水肥管理高效化和有机生产轻简化、高产化研发的，主要用于有机生产中有机液肥制备与灌溉管控。该装备由有机液肥发酵装备、水肥一体装备及智能管控系统组成（图2）。发酵系统主要包括发酵罐（发酵池）、循环系统、供氧系统、过滤系统及相关传感器、电子元器件等；水肥一体化装备（自主研发的AWF-01型）由吸肥器、动力泵、混液桶、控制柜、液晶显示屏、储液箱及传感器、电子元器件等组成。智能管控系统中有机液肥发酵控制系统管控发酵循环系统、供氧系统；营养液灌溉决策系统负责灌溉液养分配比和灌溉，具有手/自动两种操作模式。在自动模式下，系统按照已嵌入程序，控制循环泵和供氧气泵的开闭，执行基于作物水肥需求规律、基质水分状况及环境因子等决策指标建立的灌溉策略，借助各类传感器、电磁阀、流量计等，进行营养液配比与灌溉，通过滴灌灌溉系统适时、适量地将水分、养分输送至作物根部，并记录、显示和存储相关的数据。

3 有机液肥的制备

图2 水肥一体化智能装备与控制系统流程图

选择富含N、P、K的秸秆、豆粕、米糠、骨粉、草木灰等农业有机物料，鸡粪、牛粪或羊粪等腐熟禽畜粪便，以及磷矿粉、钾矿粉等可作有机肥源的矿物粉为发酵原料，根据发酵配方（表1）按比例与清水混合，添加进对应发酵罐的内胆网袋中，再加入微生物发酵菌剂（提前1～2 d培养活化）和黑糖。连接供氧系统，在控制系统的可编程序中输入液体循环周期（10 min/h）和供氧周期（15 min/h）等参数值，设定发酵罐中上下限液位，启动发酵控制系统。发酵原料在微生物作用下进行好氧发酵，分解并释放出N、P、K等养分元素至水溶液中，经过20 d左右（具体时间与环境温度有关），制备出N、P、K含量相对较高的有机液肥。此时，关闭发酵控制系统，启动自吸泵、电磁阀及反冲洗过滤器等，将有机液肥经多级过滤后，储存至对应储液桶中，该有机液肥符合微灌灌溉系统要求（孔径120 μm），能通过滴灌、微喷等灌溉系统输送至田间灌溉区。

表1 3种有机液肥配方 kg

4 有机营养液调配与自动灌溉的原理与实践

AWF-01型水肥一体化智能装备配有5路文丘里吸肥器，每路均安装电磁阀来控制吸肥开闭，其中3路与高N、高P和高K有机液肥储液桶对应连接。混液桶中布置液位传感器和电导率传感器，其中液位传感器监测混液桶液位变化，参与灌溉液调配决策，灌溉时如混液桶液位低于设定下限，启动清水电磁阀和吸肥电磁阀进行配液，当液位达到设定上限时停止配液，避免液位过低时灌溉水泵空转和配液时灌溉液溢出。电导率传感器监测灌溉液EC值，参与调控灌溉液浓度，即在可编写程序中设定灌溉液EC值上下限（黄瓜不同生育期营养液EC值范围），当电导率传感器读数低于设定EC值下限时，打开吸肥电磁阀进行配液，当液体EC值上升至设定范围内时自动关闭吸肥电磁阀，结束配液。

黄瓜有机无土栽培的基质为有机基质椰糠（塑料膜包裹），椰糠定植条上布置水分传感器，监测椰糠含水量变化，用于决策计算灌溉量。栽培槽末端安装回液桶，回液桶中安装EC传感器，监测回液的电导率值，参与决策实际灌溉量。营养液灌溉采用基于水分、EC传感器的灌溉决策方法：在每天7：00—18：00整点时刻，系统分析基质含水量和回液电导率值，如基质含水量低于田间持水量时，回液电导率值与灌溉液电导率值之差小于1，启动灌溉电磁阀，营养液灌溉量为计算灌溉量；如果回液电导率值与灌溉液电导率之差大于或等于1，则营养液灌溉量为1.3倍计算灌溉量；如果基质含水量不低于田间持水量，则不启动灌溉电磁阀。

计算灌溉量按如下公式得出：

式中，W1为计算灌溉量（mL）；θ上限为供液上限，取1；θ下限为供液下限，即整点时刻水分传感器所测的基质含水率；V为基质体积（cm3）；η为水分利用效率，取1。

将上述灌溉策略编写成程序，导入有机水肥一体化智能装备的控制系统。将有机水肥一体化智能装备灌溉出水口连接灌溉主管道，然后通过支路电磁阀和流量计再与各支路滴灌灌溉系统连接，分别管控对应栽培行灌溉；灌溉末端毛管连接滴箭，对应黄瓜植株插入椰糠中（图3）。黄瓜定植后，在人机友好交互界面输入决策参数值，选择自动灌溉模式，系统根据营养液自动灌溉决策模型自动灌溉有机营养液。从表2可以看到系统中存储的2016年6月9日实际灌溉情况：阀1～9对应第1～9支路（栽培行1～9）的灌溉情况，包括灌溉结束时间和灌溉量，如表2中显示了栽培行1当天的总灌溉次数为4次，启动灌溉的时间点分别是9：00、11：00、15：00和16：00，对应灌溉量为7、11、10和3 L ；栽培行2仅在9：00启动灌溉了1次，灌溉量为1 L；栽培行9从10：00—16：00均有启动灌溉，即共灌溉了7次，单次灌溉量分别为3、4、4、6、3和3 L，说明该装备控制下较好实现了黄瓜椰糠栽培的营养液自动灌溉管理。同时，从表2中可发现，不同栽培行的实际灌溉情况存在一定差异，这可能与黄瓜植株、椰糠定植条及传感器自身差异有关，因此，今后的研究与生产中需要将材料（椰糠、传感器等）选择和生产管理工作做得更加细致，尽量弱化外界因素的影响。

图3 设施黄瓜有机无土栽培情况

表2 设施黄瓜有机无土栽培营养液自动灌溉情况（2016年6月9日） L

5 有机营养液管理装备及技术的应用效果

在设施黄瓜有机无土栽培中，采用有机水肥一体化智能装备系统进行有机液肥制备与营养液灌溉管理，一方面实现了有机液肥制备的轻简化、高效化和水分供应的自动化、智能化；另一方面实现了营养液的高效管理，营养液养分供应较好地满足了黄瓜生长需求，确保了黄瓜有机生产的产量形成，2015年秋茬黄瓜产量达4 6766 kg/hm2。与时序灌溉法相比，基于水分、EC传感器灌溉策略下的黄瓜全生育期营养液灌溉总量降低了49.08%，使灌溉液生产效率提高了103.92%。

另一方面，有机液肥制备是一个微生物好氧发酵的动态过程，环境温度、供氧等因素对该动态过程及有机液肥有效养分含量均存在一定影响，关于有机液肥制备的精细化调控有待进一步研究。基质的理化性状与土壤存在差异，用土壤水分传感器监测椰糠含水量变化，不仅需要重新标定，还需对其稳定性进行分析，之前的试验中缺乏对水分传感器的稳定性分析，对黄瓜的真实需水量可能存在影响。因此，针对不同基质栽培，需首先筛选出适用的水分传感器并标定，提高营养液管理的高效性和准确性。

[1]李婷婷,马蓉丽,成妍,等.中国蔬菜基质栽培研究新进展[J].农学学报,2013,3(4):30-34.

[2]李赛群,肖光辉,王志伟.有机生态型无土栽培的基质和施肥技术研究进展[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2013,39(2):194-199.

[3]蒋卫杰,余宏军.蔬菜有机生态型无土栽培营养生理研究进展[J].中国蔬菜,2005(增刊1):27-31.

[4]段崇香,于贤昌.有机基质栽培黄瓜化肥施用技术的研究.植物营养与肥料学报[J],2003,9(2):238-241.

[5]李友丽,李银坤,郭文忠,等.有机栽培水肥一体化系统设计与试验.农业机械学报[J],2016,47(增刊1):273-279.