实用简易半自动无土栽培系统应用研究
随着城市化进程的不断推进，有限的耕地资源越来越少。无土栽培尤其是基质栽培，可以在不耕作的土地上种植农作物并且提供质量可靠的农产品，这种栽培模式越来越被人们所青睐。无土栽培虽在我国发展20 多年，但发展缓慢，主要是因为管理技术难度较高、设备昂贵、维护成本高等原因。项目组根据生产实际，研发出半自动无土栽培系统，其成本只有市场上同类设备的1/10，而且稳定可靠，易于维护。笔者对该半自动无土栽培系统的构成、工作原理等进行阐述，同时对该系统的应用及注意事项等进行论述，旨在为小型农场生产自动化及农业栽培系统化提供借鉴。
1 半自动无土栽培系统构成
半自动无土栽培系统主要由3 个部分组成，分别为进水出水系统、营养液储存系统和控制系统（图1）。整套系统全部采用市场上能购买的通用配件，系统的费用在2 000 元以下，而且稳定可靠，运行2 年未出现故障。
1.1 进水出水系统
进水出水系统主要由外水源进入部分和滴灌2部分组成。其主要功能是让外水源进入营养液桶中，再将配制好的营养液排入植物生长的基质中。进水出水系统包括进水管、潜水泵、出水管、阀门和滴灌管等。进水管连接水源，潜水泵（850 W）在供液时提供动力，阀门主要手动控制每根滴灌管的水量。如果水源不清洁，可以在进水口和出水口安装过滤器。
1.2 营养液储存系统
营养液储存系统主要功能是储存水源、配制营养液和储存营养液。主要有2 个500 L PE 桶组成，分别存放A、B 液。外水源进入营养液储存系统后，人工将配制好的浓缩液调配成适合植物生长的浓度，保存在营养液桶中，等待排出。
1.3 控制系统
控制系统是整个系统的大脑，主要负责控制进水水源、滴灌的时间和频率。其主要由电子定时器、电磁阀和浮球开关组成。浮球开关控制进水量，电子定时器控制供应营养液的时间和量，电磁阀是防止水泵未启动时营养液自动流出。
2 半自动无土栽培系统工作原理
水源从进水管进入A 桶中，A 桶与B 桶底部连通，当桶中水到一定高度浮球开关自动关闭进水。工作人员配好浓缩的营养液（一般为稀释100 倍的全营养液），分别放入A、B 桶中（也可将其他可溶性肥料直接放入），因为营养液中含有Ca2+，容易引起沉淀，所以含有Ca2+的溶液要分开配制溶解。在电子定时器上设置供应的间隔时间和每次的供应时间，一般种植叶菜1 d 供应4~6 次即可，每次供应5~10min，例如8:00 供应5 min；10:00 供应10 min；14:00供应10 min；16:00 供应5 min。具体频率和供应时间由种植的植物和基质确定，设置的原则为保持基质湿润，不要积水，并保证植物的营养供给。到供应时间，水泵和电磁阀会自动开启，开始给作物供应水和肥料，当供应结束，电子定时器自动关闭水泵和电磁阀。桶里水位下降后，浮球开关开启，自动进水，直到特定水位。等到下次供液时间时，系统依据设置又会自动开启水泵和电磁阀。这样循环、持续供液，既保证了植物对环境湿度的要求，又满足了植物生长对营养成分的需求。
3 半自动无土栽培系统在叶菜种植上的应用
系统的应用与种植的作物、栽培的基质有较大的关系。因为不同的作物对水肥的需求不同，而不同的基质保水和保肥的能力不一样。基质保水保肥能力太强容易使作物生长的环境过于潮湿，植株根部水分太多，空气相对较少，易发生病害；而基质保水保肥能力太差，会造成营养液和水分流失过多，为让植株正常生长，就必须增加供应水肥的频率，造成种植成本的上升。适合的基质，有助于系统功能的发挥。因此，在大棚中进行了叶菜种植应用半自动无土栽培系统的试验，基质采用腐熟的菌渣、腐熟的木屑及菌渣木屑混合物（3:1）3 种，对照CK1 为泥炭珍珠岩混合物（7:1）、CK2 为园土。2011 年3 月1 日，在园土中播种青菜四月慢，4 片叶时移栽定植，4 月15 日进行采收。根据保持基质湿润，不积水的原则，系统设置8：00 供应营养液5 min；10：00 供应营养液10min；12：00 供应营养液5 min；14：00 供应营养液10min；16：00 供应营养液5 min。不同基质上植株生长情况见表1。
用该套系统进行供肥供水种植青菜，从采收的情况看，完全能满足青菜的生长需要。3 种基质以菌渣木屑（3∶1）混合物为基质的处理青菜长势最好，而且整齐，产量也较高。几种基质中，以全部木屑为基质的处理青菜长势不整齐，叶色淡绿色，主要因为木屑空隙大，保水保肥能力差，每天供肥4 次，仍然不能满足青菜生长的需要（图2、3）。而园土中青菜生长也不整齐，主要是因为园土中杂菌较多，且保水能力太强，土壤湿度太高，造成植株根系生长不好，且使部分植株发病。基质取材应遵循就近取材、保水保肥适中的原则。因为就近取材可以减少成本，适合的配比使基质保水保肥，有利于作物的生长。所以在应用该套系统时要注意基质的选择。
4 半自动无土栽培系统应用注意事项
半自动无土栽培系统相比全智能化系统还是有一定的局限性，因为没有任何感应器，如种植不同的作物和不同时期种植同种作物，其作物的需水和需肥量不一样，要根据实际情况和种植经验随时对电子定时器进行调整。具体使用中注意以下3 点。
4.1 根据不同气候条件进行调整
夏天要调整电子定时器增加供液频率和供应量，因为夏季作物生长快、蒸发量大，需肥需水多。例如同样种植青菜冬天每天只需要供应4 次营养液，每次供应5 min 即可，而夏天则需要供应6~8 次营养液，每次供应8 min 或者更长时间。
4.2 根据种植的不同作物进行调整
一般叶菜、叶片较大的瓜类或高产的作物，水和肥的需求量较大，要求增加供应水分的频率和供应持续时间。例如种植黄瓜春季一般每天供应6 次营养液，每次供应10 min，而同样种植生菜则每天供应4 次营养液，每次供应5 min 就可以满足生长需求。
4.3 根据同种作物的不同生长期进行调整
有些作物不同的生长期对水肥要求差别较大，例如西瓜早期水肥要求较多，结瓜以后特别是瓜快成熟的后期，要求控水控肥。所以在调节控制器时必须注意，结瓜晚期时减少营养液供应频率和时间。
5 结语
农业属于传统的低效益行业。近年来，随着劳动力成本的增加，规模的农业种植已经承受不了传统的人工种植方式带来的成本压力。该系统是一套半自动的管理系统，可以大大减少劳动力的使用。据统计，一般1 个工人平均可以管理0.2 hm2 左右的蔬菜地，而应用该套系统可替代蔬菜地人工的水肥管理，系统地定时供水供肥可加速蔬菜的生长，产量增加15%以上，而且还可以提高产品的商品率。适时地供水供肥又可以减少水和肥料的浪费，节约成本。该系统自从2010 年使用以来，运行的2 年中没有出现故障，可以满足种植黄瓜、叶菜类蔬菜的需要。该系统的成本低、可靠性强，若有部件损坏，可直接去市场购买，维护简单。简易半自动无土栽培系统是一个半自动系统，它要求有一定种植经验的技术员根据实际情况操作和及时调整，所以该系统适合有一定基础的专业种植户或小型农场使用。