潮汐式灌溉技术在蔬菜育苗上的应用*

2021-05-31

农业工程技术 2021年7期

（北京市农业技术推广站，北京 100029）

潮汐式灌溉技术起源于北美、欧洲等设施农业发达的国家[1]，是一种高效、节水、节肥、省工的灌溉技术，适用于各种盆栽植物的种植和管理。潮汐式灌溉易于实现水肥闭合循环利用和水肥精准供给，有利于实现蔬菜育苗的智能化管理和工厂化生产，发展前景广阔[2]。

潮汐式灌溉系统及工作原理

潮汐式灌溉是一种针对花盆、穴盘等容器或基质块设计的底部灌溉方式[3]，适用于果蔬育苗及栽培，主要由栽培床、营养液循环部分（供回液管道、营养液储备池、循环水泵、消毒设备等）、控制部分、植物栽培载体（基质块或栽培容器）4 个部分组成[4]。潮汐式灌溉系统运行时，营养液由栽培床进水口漫出（称为“涨潮”），当液面到达一定高度时，营养液从容器底部浸润基质，通过基质的毛细作用被吸收，供栽培作物吸收利用。当灌溉完成后，营养液从回水口排出栽培床（称“退潮”）[5]。

图1 潮汐式灌溉系统的工作原理

潮汐式灌溉设备与技术的研发与应用

潮汐式栽培床的选型

目前，潮汐式栽培床主要有固定式栽培床、移动式栽培床、地面式栽培床、槽式栽培床和托盘式栽培床等5 种类型[6]。在国内应用于蔬菜集约化育苗的潮汐式栽培床主要是固定式和移动式，且栽培床支架和床箱已经实现国产化。为保证营养液均匀遍布床箱，液面高度一致，要求潮汐式床箱保持水平，或倾斜度小于5‰。栽培床在使用过程中地面常发生下沉，造成床箱难以水平，为解决该问题，国内科研人员已经研发了栽培床腿可升降调节的栽培床支架。国产化的床箱与进口床箱相同，都有纵、横导流槽和下陷排灌水口区域，配有快开阀，从使用性能来看，可以替代进口产品，已经在北京、山东、河北等多地使用，能够满足蔬菜潮汐式育苗的要求。

潮汐式灌溉智能控制系统

潮汐式灌溉较顶部灌溉更易于实现智能控制。通过在生产现场安装传感器、控制器、摄像头等多种物联网设备，对作物生长环境参数、生长状态等进行数字化监测，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，使潮汐式灌溉趋于智能化[7]。控制系统可以控制灌溉时间、灌溉水位、营养液的EC 和pH 等，并且可以根据不同作物、不同生长阶段的需求自动调整营养液配比，完成供液、回液、营养液消毒处理等环节[8]。灌溉时间、灌溉水位、供回液等环节，通常由集成控制元器件和电磁阀、电动阀联合完成，可以实现栽培床的分组控制或单独控制。营养液浓度和pH 由施肥机程序设定控制，在简易潮汐式灌溉系统中，可以由比例施肥器或人工参与调节完成。

栽培基质的筛选

潮汐式灌溉主要依靠基质的毛细作用吸收水肥，基质的理化性质直接影响吸水速率、养分吸持量、养分分布及移动等。目前，商品化的岩棉、椰糠、草炭、蛭石等无土栽培基质大多也适于潮汐式育苗，若个别基质孔隙度偏大或偏小均可通过调配来满足潮汐式育苗要求[9-10]。在蔬菜潮汐式育苗方面，黄忠阳等[11]研究发现，茶渣蚓粪（茶渣和牛粪复配后经蚯蚓后的产物）、泥炭、蛭石、珍珠岩按照一定比例调配，当总孔隙度为66.6%、容重为0.24 g/cm3时，潮汐式灌溉条件下的番茄苗地上部、根系生长指标较好；陈传翔等[12]以腐熟中药渣、腐熟菇渣、泥炭、蛭石、珍珠岩等5 种材料复配成4种育苗基质，采用72 孔穴盘，进行辣椒潮汐式栽培时，腐熟中药渣:泥炭:珍珠岩:蛭石体积比为 3:3:3:1 时，辣椒苗株高、茎粗、根系指标最优；田雅楠等[13]比较椰糠块、岩棉块、商品基质在番茄、黄瓜潮汐式育苗中的应用效果，发现椰糠块、岩棉块潮汐式育苗发芽率、株高、茎粗、叶面积等指标均优于商品基质。周晓平等[14]研究表明，以茶渣蚓粪、泥炭、蛭石、珍珠岩为原料自配基质和1 种商品基质比较，自配基质（4 0% 茶渣蚓粪、2 0% 泥炭、20% 蛭石、2 0% 珍珠岩）小白菜株高、生物量、叶绿素含量等均优于其他处理，基质容重0.23 g/cm3、总孔隙度69.5%。

灌溉制度的确定

灌溉制度是影响潮汐式育苗质量和作物栽培效果的重要因素。控制潮汐床箱上水回水速度，使营养液快进快排，可以使基质含水量更少、氧气含量更多，从而促进根系代谢活动[15-17]。在循环潮汐式灌溉条件下，部分研究人员对灌溉高度、灌溉持续时间、灌水频次等蔬菜潮汐式育苗关键因素开展研究。刘宏久[18]对供液高度、浸泡时间、灌溉频次等综合因素进行了研究，优选方案是黄瓜穴盘育苗灌溉高度1.5 cm，浸泡时间30 min；西葫芦穴盘育苗灌溉高度1.5 cm，浸泡时间15 min；结球甘蓝穴盘育苗灌溉高度3 cm，浸泡时间15 min，灌溉频次均为2 天灌溉1 次；辣椒穴盘育苗播后l～21 天需要3 天灌溉1 次，播后22～42 天增加灌溉频次，2 天灌溉1 次。王正等[19]建议茄子苗期以灌溉持续时间8～16 min，间隔时间201～350 min 的模式进行供液为宜；番茄苗期供液维持时间8～18 min、间隔时间198～348 min，穴盘苗质量可以达到理想状态[20]。王克磊等[21]认为潮汐式黄瓜育苗灌溉高度2 cm，浸盘时间1 h，灌溉频率2 天1 次效果较好。李倩、田雅楠等[22-25]探索了4 种茄果类蔬菜潮汐式穴盘育苗的最适灌溉高度，发现黄瓜、番茄、茄子、辣椒潮汐式穴盘育苗时以2 cm 供液高度为宜，穴盘苗可健壮生长，根系活力旺盛，氮素利用率、水分利用效率较高，灌溉的供液动力成本以及回液处理成本较低。蔬菜潮汐式育苗最佳的灌溉高度、灌溉持续时间、灌溉频次以及灌溉营养液浓度主要根据蔬菜种类、生长发育时期和环境因素决定。耐盐蔬菜品种，在灌溉时可以适当增加营养液浓度；在夏秋季温度高、光照强，幼苗蒸腾作用和基质水分蒸发作用显著，灌溉频次高，要适宜降低营养液浓度；在冬春季，气温低、光照强度弱，灌溉频次低，可适当提高营养液浓度；当幼苗接近成苗期时，生长迅速，蒸腾作用旺盛，需肥量大，可以选择高频、高营养液浓度的模式进行灌溉[6]。

潮汐式灌溉技术优势

节约水肥减少环境污染

目前，国内蔬菜育苗多以顶部灌溉为主，灌溉过程中营养液先经过植物茎叶，再进入基质中，也有部分肥水会洒落到地面，灌溉液不能完全作用于植物根部，造成水、肥的浪费。潮汐式灌溉采用了完全封闭的营养液循环系统，灌溉时营养液可以直接进入基质，解决了顶部灌溉时作物“雨伞作用”造成的灌溉困难，可减少氮素施用量33%[26]，水肥利用率可达90%[26]；同时肥液也不会渗入到土壤中，减少了农业生产对环境的影响。Holcomb[27]等研究表明，在常春藤的栽培过程中，潮汐灌溉可比顶部灌溉方式节约水肥40%。在辣椒育苗过程中，李建设[28]等人研究表明，与顶部灌溉方式比，底部灌溉最高节水率达36.98%；甘小虎[29]等发现，潮汐灌溉比人工喷灌节水31.5%。柳红[30]等研究表明，在黄瓜育苗过程中，潮汐灌溉节约水肥21.36%。应用潮汐式灌溉方式进行蔬菜种苗生产，不但可以节约水肥，还可以避免多余水肥洒落地面，避免形成面源污染，有利于保护生态环境。

节省用工降低人工成本

在集约化育苗过程中，当植株枝叶繁茂、冠部郁闭时，若采用人工喷灌或移动喷灌车灌溉，则水肥难以进入基质，每667 m2温室需要1 人操作2～3 h 才能完成灌溉。采用潮汐式灌溉方式，控制系统和营养液循环系统配合使用，可实现水肥的自动化管理，自动完成营养液的调配、供液、回液等环节，与移动喷灌车相比，可节省用工60% 以上。

促进作物生长发育

与传统顶部喷灌相比，潮汐灌溉避免了植物表面水膜的形成，有利于植物进行光合作用和蒸腾作用，使根际环境更利于毛细根的生长，对植物的生长发育具有促进作用。Morvant 等[31]研究发现，与顶部灌溉相比，潮汐灌溉更有利于天竺葵根系的生长，且作物生长势也更优。Wilson等[32]研究表明，潮汐灌溉有助于鼠尾草生物量的积累。在蔬菜集约化育苗方面，黄瓜、辣椒、西葫芦的幼苗在潮汐式灌溉条件下的生长势和光合作用最强，壮苗率高[30,33-35]。与滴灌相比，使用潮汐式灌溉进行小青菜穴盘栽培，生长状况最佳、产量最大、叶绿素含量最高[36]；使用潮汐式灌溉进行八仙花、红掌、蝴蝶兰的栽培时，花卉观赏品质更好[37-39]。

减缓病害的发生和传播

应用潮汐式灌溉可以在为植物提供充足水肥的同时，解决因灌溉造成的设施内相对湿度增加的问题，保持植物表面干燥，切断传播途径，降低病虫害的发生频率。研究发现，与顶部灌溉相比，应用潮汐式灌溉种植藿香4 周后，螨虫减少了76.4%，西花蓟马减少了35.8%[40]；在西瓜嫁接苗的培育过程中，顶部灌溉细菌性果斑病的病情指数日增长率较潮汐式灌溉高35.4%[41]；给盆栽辣椒接种疫霉属病菌，潮汐式灌溉下的辣椒比顶部灌溉的多存活4 周，如果在潮汐式灌溉的水肥中加入一种表面活性剂，更是可以完全控制盆栽辣椒疫霉属病菌的传播[42]。综上所述，与顶部灌溉相比，潮汐式灌溉可有效减少虫害发生频率，降低病原菌和害虫的生物数量并减缓病虫害的传播速度。