试验温室番茄营养液深液流栽培与研究

无土栽培是利用含有植物生长发育所必需元素的营养液来提供营养, 并且可以使植物能够正常完成整个生命周期的种植技术。无土栽培技术中, 深液流技术具有作物生长快、产量高、品质好等优点。笔者于2008年4~ 9月在中国科学技术大学自动化系试验温室中进行试验, 以营养液深液流为栽培方式, 荷兰“百利”番茄为研究对象, 制定了在营养液深液流栽培方式下使用的营养液配方。根据番茄不同生育期对环境的不同要求, 利用营养液循环系统及时调整营养液组成成分、浓度和酸碱度等对营养液进行动态管理, 并根据营养生长期和生殖生长期番茄对外界环境的不同要求, 采用以CAN 总线为通信平台的计算机控制系统对温室温度、湿度和光照等因素进行调控。试验通过对深液流栽培条件下番茄生育期的环境和营养状况进行有效调节与控制, 为设施环境番茄高产、优质深液流栽培提供参考。
 
1  研究方法
1. 1  材料
 番茄品种为荷兰“百利”。采用基于CAN 现场总线的温室小气候与营养液组分检测控制系统对温室内小气候环境和根际环境进行测量、采集和调控。系统由营养液自动检测与循环系统和温室环境测控系统2 部分组成。营养液循环系统主要由栽培床、贮液池、检测池、供液管道系统和回流管道组成。其主要作用是自动供应水和高浓度营养液, 并使营养液在整个系统中自动循环。栽培床长100 cm,宽60 cm; 检测池内插有测量根际环境中主要离子浓度的电化学传感器、电导电极和温度传感器, 各种传感器输出的电压信号转换为数字信号后输入CAN 总线模块 。温室控制系统共有6 种传感器: 温度传感器、湿度传感器、照度传感器、CO2 传感器、风速传感器、和风向传感器。温室内环境因子的实时状况由传感器感应经由CAN 总线输入模块输入到上位机后, 控制系统要根据控制目标来操作温室的各种设备。控制系统的温室专用设备: 天窗、内遮阳网、燃油热风炉、喷雾机、湿帘、风机、钠灯和二氧化碳钢瓶, 共同构成了温度、湿度、照度和二氧化碳浓度控制系统。
1. 2  营养液配方
各元素间的比例要根据不同生育期养分吸收特性决定。N肥过多会造成枝叶过于茂盛, K 肥与Ca肥的比例最好维持在2:1, 收获时K 与Ca的比例可为2. 5:1. 0。Ca与Mg的比例维持在5:1, K、Ca、Mg的比例为7. 5:5. 0:1. 0, K 与N 的比例为1. 4~ 1. 8:1. 0。P的浓度在40mg/L以上。各微量要素浓度最好为: Fe 1 mg /L、Cu 0. 05mg/L、Mn 0. 4 mg /L、B 0. 3 mg /L、Mo 0. 05mg /L。番茄对Zn比较敏感, Zn的浓度应在0. 25 mg/L以下。因而, 采用的营养液配方为硝酸钙680mg/L、硝酸钾350mg /L、磷酸二氢钾200mg/L、硫酸镁250 mg/L、氯化钾170 mg /L。微量元素采用常用的配方 。
1. 3  栽培方法
 试验共栽培4株番茄, 其中1 株植于营养液大栽培池, 另外3株植于桶中(用于对比)。番茄苗于2008年5月1日植入营养池中, 6月初开始结果。到2008年7月12日, 对大池单株进行第1次采摘。
 
2  生长环境的管理与调控
2. 1  温度
 营养生长期番茄生育的温度宜为25~ 28℃ 。白天气温应保持在能够促进叶片光合作用的温度, 最好是28℃ ; 夜间气温应保持在能把白天产生的同化物质输送到发育最旺盛的部位的范围内, 最好是23℃ 。试验中番茄栽培期为4~ 9月, 室外温度偏高。温度管理上以降温为主。图1为营养生长期每天17: 00温室温度。
营养生长期室内温度
生殖生长期室内温度
番茄开花和开药的极限低温相当于日最高温15℃ 左右, 安全限度以30℃ 为宜。番茄开花结果期在6月, 在管理上主要用风机湿帘系统降温。图2为生殖生长期每天下午17: 00温室温度。
2. 2  湿度
 一方面, 较高的空气湿度有利于番茄光合作用;另一方面, 高湿环境容易诱发病害。故番茄在其正常生长发育的时期内适宜的相对湿度范围是50% ~ 70%, 不宜超过80%。由于6~ 8月间室内相对湿度较低, 在管理中主要用风机湿帘系统增湿, 也可用喷雾系统进行增湿。
2. 3  营养液的管理与调控
2. 3. 1  液温。试验在营养池周围覆盖一层白色泡沫板用于冬季保温, 夏季隔绝太阳光直射; 在营养液中安装了冷凝管,用于在高温时适当降低营养液的温度, 其降温原理与空调类似。试验期间主要经历高温的夏季, 因此降温是液温管理的主要工作。图3为番茄营养液在2008年5月3 日~ 9 月8日的温度变化曲线。营养液温度保持在22~ 32℃ 。
营养液温度控制变化曲线
2. 3. 2 营养液浓度。在前期的营养生长期, 浓度(EC 值)要求较低, 以1 500~ 2 500 us / cm为宜; 而在结果期浓度可调至3 000~ 4 000 us / cm。4、5月份气温不高, 番茄吸收养分和水分的速度差不多, 营养液的浓度变化很小, 因此这段时间内只需定期补充营养液即可; 6、7月份合肥地区光照强度非常强, 外界气温很高, 番茄蒸腾会耗散大量水分, 营养液中水分的耗散速度远大于养分的耗散速度, 因此这段时间内除定期补充营养液外还须每天视蒸腾耗水的多少给营养液中补充水分。
图4所示的是番茄营养液在2008 年5月3日~ 8 月7日的EC 值变化曲线。营养生长期, EC 值保持在1 500~2 500 us / cm; 结果期, EC 值主要保持在3 000 ~ 4 000us / cm。EC值控制情况较为理想。
营养液电导率控制变化曲线

2. 3. 3   溶解氧。温度越高, 日照强度越大, 番茄对营养液中溶解氧的消耗越多; 反之, 番茄对营养液中溶解氧的消耗越少。为确保供氧充足, 采用小功率的增氧泵对番茄根系附近区域的营养液进行24 h供氧。
2. 3. 4  酸碱度。番茄生长最适宜的酸碱度为5. 5~ 6. 9, 为弱酸性[ 4]。当营养液的pH 值上升时, 可以用稀H3 PO4 调节; 当营养液的pH 值下降时, 可以用稀KOH 调节。试验营养液的pH值保持在6附近, 控制情况较为理想。
2. 3. 5  营养液模型。营养液的潜热交换主要包括番茄的蒸腾作用和营养液水分蒸发等过程中水的相变所伴随的吸热和放热。试验通过测量一段时间内总的营养液减少的体积来表示番茄蒸腾作用和营养液蒸发消耗的能量。在2008年7月20日将其中一株独立栽培于桶中的番茄的增氧泵停掉, 在接下来的20多天里观测发现, 营养液液面高度、EC值、pH 值基本不变, 茎粗减少了2. 6 cm; 而其他正常生长的番茄EC值、茎粗都在增长, 说明这株番茄几乎没有生命力, 其潜热交换主要是水分的蒸发。栽培的桶外覆盖有黑膜, 营养液的表面有塑料泡沫和黑膜覆盖, 仅在番茄主枝通过的地方留有小孔, 可见即使是在炎热的夏天, 营养液中水分的直接蒸发也是很小的, 营养液的减少主要是由于番茄的蒸腾作用。
 那么番茄由于蒸腾作用消耗的能量为

式中p为水的蒸发潜热, 为水的密度。
 图5为2株植于蓝桶中的番茄在2008年5月29日~ 7月15日每天因蒸腾作用消耗的能量变化曲线, 这2株番茄生长状况相似, 并且置于温室中紧邻的位置, 故它们的能量变化曲线相近。蒸腾作用日消耗能量的不同主要由当天的温度、光照强度、湿度等综合因素决定。图6为大池中的番茄在2008年6月2日~ 9月8日每天因蒸腾作用消耗的能量变化曲线, 由于大池体积为124 L, 每天测得的体积变化量比较小, 在计算过程中取平均值。其中在7月26日和8月8日这2天蒸腾量比较大, 约为17 k J/d, 这是由于这2 天温度很高(正午时分7月26日室外超过36℃ , 8月8日室外超过34℃ ), 番茄蒸腾作用加强。
蒸腾作用消耗的能量(蓝桶)
蒸腾作用消耗的能量(大池)
3  结论与讨论
( 1)根据番茄不同生长阶段对温度、湿度、光照以及营养液的不同要求, 研究了对于温度、湿度、光照和营养液的调控方法。2008年7月12日, 对大池单株进行了第1次采摘, 成熟果32个, 挂果12个, 成熟果单果平均质量约130 g, 平均直径约65mm, 最大直径约80mm。到2008年10月1日, 大池单株以累计采摘162个, 当时仍挂果43个。大池中的番茄植株冠层面积约10m2, 根茎直径26. 68mm, 番茄长势良好。
( 2)根据作物品种和作物不同生长阶段对环境的不同要求, 研究了对于温室小气候环境(温度、湿度) 和作物的根际环境(营养液的温度、EC值及pH 值)的调控方法, 并采用作物营养生长和生殖生长的实测数据描述了检测与控制的效果。经过番茄的营养液深液流栽培试验证明, 营养液自动循环系统和基于CAN 总线的温室环境测控系统能够完成预期的环境调控任务, 带来番茄的优质与高产。利用研究的无土栽培营养液循环控制系统, 可以将深液流栽培推广到其他蔬菜、瓜果, 研究不同种类作物的无土栽培技术。