全封闭灌溉系统在无土栽培中的应用

2021-11-15史晋鹏郭玲娟李跃洋北京中农富通园艺有限公司北京100108

农业工程技术 2021年22期

史晋鹏，郭玲娟，李跃洋（北京中农富通园艺有限公司,北京 100108）

中国是全球水资源贫乏的国家之一，中国作为农业大国，农业用水占总用水量很大比例。据国家水利部《2019 年中国水资源公报》公布数据显示，当年全国用水总量为6021.2 亿m3，其中农业用水量为3682.3 亿m3，占总用水量的61.2%。而目前国内灌溉水利用系数只有0.56 左右，远低于发达国家的0.7～0.8。节水灌溉技术的研发应用与推广是缓解水资源短缺问题的重要举措之一。

近年来随着智能玻璃连栋温室在设施蔬菜种植应用中的占比增加，水肥一体化精准灌溉技术配合椰糠无土栽培作为智能温室最主要的栽培模式之一，具有优质高产，节能高效等特点，得到迅速发展和推广应用。精准灌溉作为椰糠栽培中重要组成，其设计的合理性和水肥的高效利用，不仅是作物优质高产的基本保证，同时还是减少水肥外排，节约水资源，避免对土壤的污染，提高水肥利用效率的基础。目前国内灌溉系统多为开放式或半封闭式，虽可满足植株生长对水肥的需求，但是在种植生产过程中，会有多余的营养液从基质中流出，通过地面渗透或排液管道排出温室外，造成大量的水肥浪费和对土壤的污染，并增加种植运营成本。

全封闭式灌溉系统作为可以对基质排液进行收集、过滤、消毒、循环再利用的灌溉系统，可以提高水肥利用率，避免排液对土壤的污染，降低生产种植运营成本。文章对智能温室椰糠栽培全封闭灌溉系统的组成、灌溉策略和排液管理进行总结和介绍，以期全封闭水肥一体化精准灌溉系统在智能温室无土栽培中的应用更加节能高效。

全封闭灌溉系统组成

系统组成主要包括水处理设备、智能施肥机设备、营养液消毒设备、储液罐、供回液管路及滴箭等。

水处理设备

灌溉用水的水质在全封闭循环灌溉系统中非常重要。水质会直接影响营养液中各养分选择要求。根据水中钠和氯化物的含量水平，可将灌溉用水分为三个质量等级（表1）。

表1 水质等级分类表

雨水是无土栽培中最好的水源。通常收集温室的屋顶雨水并储存在雨水收集罐中。但要注意的是如果在长时间干旱之后的第一次雨水需要进一步处理后使用，因为这种情况下雨水中可能含有大量的灰尘等其他杂质。当雨水稀少时，需要其他水源补充，如地下水。然而，在不同地区的水质存在一定差异。在全封闭灌溉系统对水质的要求为1 级水质。

地下水含有大量钙、镁、钠等矿物离子，会直接影响营养液中各离子的平衡，在母液罐中容易形成不溶物，以及在营养液不断循环利用的过程中钠离子的不断累积等问题，均会影响植株的正常生长发育。

除常见的钙镁离子外，还有容易被忽略的铁离子和碳酸氢根离子。当铁与氧发生反应时，会形成氧化铁，进一步形成沉淀，导致灌溉水系统的阻塞。另外，水中HCO3-盐浓度也是很重要的。一定量的HCO3-离子（0.25～0.50 mmol/L）有助于稳定灌溉水的pH。但是当水中碳酸氢盐浓度超过1.0 mmol/L 时，会使溶液的pH 升高，就需要通过水处理系统进行进一步的净化处理（图1）。目前国内无土栽培的水源多使用地下井水，需要经过反渗透处理系统净化后才能用于封闭式无土栽培的灌溉。

图1 水处理设备

智能施肥机设备

目前施肥机的施肥系统有两种，一种是将固态化合物溶解后分别储存在A、B 母液罐中为种植温室提供营养液（图2）。该系统广泛应用于各无土栽培园区。另一种是单一高浓度液态原肥按比例直接注入混合罐（图3、图4）。目前在国内多用第一种施肥设备，但随着温室的发展越来越规模化、现代化和精准化，第二种施肥机设备将是发展的趋势，该种施肥机可以有效节约母液配置时间，降低人工成本，避免人工配置母液时出现配置失误问题。

图2 智能施肥机设备

图3 液态原肥罐

图4 液态原肥接入口

智能施肥机可以按照灌溉控制系统预设的EC、pH 及流量进行控制，将A、B 母液定量吸入混合罐中（图4），与回液和净化水的混合液混合均匀后，注入灌溉主管网中，进而供给植株根部，为植株生长提供水肥。其中，回液占比新的混合液不超过30%。

施肥机设备选型与总灌溉能力相匹配是非常重要的。灌溉容量（单位为L/(m2.h)）决定了在特定的灌溉区域或特定的阀门分隔区域单位时间供液量。确定合理的灌溉容量，能够更好的控制基质的含水量WC 和EC，尤其是在夏季，能达到更好调节植物生长的目的。决定灌溉能力的因素有单位面积的滴箭数量，每个滴箭的灌溉能力以及灌溉区域内包含的阀门数量等。

营养液回液消毒设备

很多土传病原菌都是通过温室内的循环水来传播的。为了避免病原菌因通过循环利用的回液进行传播，在循环利用回液前要对其进行消毒。营养液消毒设备有高压紫外线消毒或者紫外线与过氧化氢的组合消毒两种。消毒系统必须能够去除营养液中所有的病毒、细菌和真菌。

从基质中流出的回液先收集在回液罐里，进行清洁消毒再利用。回液的清洁消毒过程包含两步。第一步是通过过滤设备回液中的杂质和细小的颗粒去除。第二步为回液的杀菌消毒。

目前常用的消毒方式为高压紫外线消毒，其优势在于在处理的过程中，它既不会改变水的温度也不会改变其pH。使用合适剂量的紫外线（200～280 nm）能够杀死微生物，破坏病毒的蛋白结构，使D N A 不能再复制。但是回液的清洁度对紫外线消毒的处理效率有一定的影响。

高压紫外线消毒设备的紫外线波长在200～300 nm，能够在可控条件下去除病原菌。紫外线消毒设备可以通过计算和运行最适宜的紫外线剂量来进行水处理。每一种植物病原菌都需要特定浓度的紫外线剂量来获得最少的病原菌，使病原菌的减少达99.9%，通常紫外线剂量在80～250 MJ/cm2。

储液罐

根据存储液体的种类，储液罐可以分为原水罐、净水罐、回液罐等，结合种植园区的条件和生产需求，选择是否设计营养液存储罐（图5）。

图5 波纹钢储液罐

原水罐、净水罐的容积至少要满足种植区作物1 天的水肥需求，回液存储罐包括过滤后的回液存储罐和消毒后的回液存储罐，其容积的设计根据种植区的回液量而定。以番茄为例，回液量为灌溉量的20%～30%。所有的储存罐都要求放置在室内，保证储液罐内营养液的温度恒定。

灌溉管路及滴箭

精确地控制每个滴箭向基质中输送适量的水和营养物质是非常重要的。通过所有具有适当容量的滴箭，将准确、等量的水和营养物质输送至植株根部，使种植者能够科学管理WC 和EC，减少总排水量，同时确保生长均匀和果实质量。目前，市场上有各种各样的滴头，不同容量及匹配性依据作物而定。一般情况下，番茄和黄瓜适用的滴箭容量约为4 L/h(66 mL/min)，辣椒适用供给量约为2 L/h(33 mL/min)。

灌溉策略

水肥的科学精准供给是提高作物的产量和果实品质的基础。根据栽培环境的气候条件，实时地精准控制基质中WC 和EC，使植株的营养生长和生殖生长实现平衡。

灌溉分布

灌溉是根区管理的一个重要条件。在温室生产中可以将24 h 内的根区对灌溉的反应划分为3个阶段。图6 介绍了基质内24 h 的WC 和EC 的变化趋势。第一阶段从早晨的第1次供营养液开始，到第1次出现排液为止。在该阶段WC 和EC 逐步增加。第二阶段从第1次排液开始，到最后1次供营养液结束；该阶段的特点是稳定的基质含水量，同时基质中EC 随排液的流程而逐渐降低。第三阶段从第1 天的最后1次灌溉开始，到第2 天的第1次供营养液结束。在该阶段基质含水量逐渐降低，根生长，而EC逐渐增加。

灌溉起止时间

每天灌溉开始和结束时间会影响植株生长平衡。一般应该在日出后1～2 h 开始灌溉（100～200 W/m2或者50～100 J/cm2），晴天时在日落前1～2 h 停止，阴天时在日落前4～5 h 停止。晚启动和早停止灌溉，基质失重比回升高，将刺激作物向生殖生长转向，相反，早启动和晚停止，基质失重比回降低，导致作物向营养生长转向。因此，灌溉的起止时间，可以引导植株的营养生长或生殖生长的方向。