植物生长系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及植物在包含人工基质的水培生长体系中的生长。尤其地但不限于，本发明涉及用于监控植物生长条件的体系和方法，更特别是矿物棉基质用于植物生长时的植物生长条件。
【背景技术】
[0002]本领域已知水培生长体系用于在不含土壤的矿物营养液中种植植物(即无土培养)的目的。水培生长系统中的植物可以在不同类型的基质中生长，例如矿物棉、玻璃棉、椰糠(椰壳纤维)或泥炭板。
[0003]已知的是，植物可在矿物棉生长基质中生长。这种生长基质通常以连贯的插塞(plug)、块体(block)、板或垫/毯的形式提供，并且一般包含粘结剂(通常为有机粘结剂)以提供产品结构的整体性。
[0004]通常，植物生长过程分为两个阶段来管理:由“播种者(propagator) ”管理的第一阶段，在该阶段中，植物由种子开始生长；以及由“栽培者(grower) ”管理的第二阶段，在该阶段中，维持植物的生长并进行收割。例如，在番茄种植的情况中，播种者可将每个番茄种子播种于厚度为25-30mm且半径为约20_30mm的圆柱状插塞中。在种子发芽之后，播种者将插塞置于立方块体中，以使根系和植株继续生长。然后培育位于块体中的各植株，直至可将其由播种者移至栽培者的阶段。
[0005]尽管通常每个块体中仅放置单个植株，但是也可在每个块体中放置多个植株。在一些实例中，通过在生长的初期将茎劈开而将块体中的单个植株一分为二，从而得到了共用一个根系的两个植株。在另一实例中，可将多个植株嫁接在一起并在一个块体中生长。
[0006]播种者使用单独的插塞和块体并非对所有植株而言都是必须的，但是在(例如)欧洲专利申请EP2111746中描述了该做法可提供数个优点。具体而言，插塞的小尺寸使得能够在初始阶段对植物进行更为规律的灌溉，而不会使基质饱和。
[0007]在栽培者由播种者获得块体之后，栽培者将数个块体置于一个矿物棉板上，以形成植物生长系统。除了矿物棉板中位于上表面的开口(其用于接收种有植株的块体)以及设于下表面的排水孔以外，矿物棉板的其他部分通常被包在金属箔或其他隔水层内。
[0008]在接下来的植株生长过程中，利用滴头(dripper)提供水和营养物，其中滴头将含有水和营养物的液体通过直接输送至块体或者输送至板中的方式到达系统。植株通过根部吸收块体和板中的水和营养物，并由此进行生长。未被植株吸收的水和营养物保存在基质体系中，或者通过排水孔被排出。
[0009]希望在生长过程中尽可能有效地利用水和营养物。这是出于成本以及环保的原因。具体而言，营养物的获得价格高，而含有这种营养物的废水因为环境法规而难以处理。随着原料(尤其是磷酸盐等肥料)变得更为稀少，这些压力将会增加。人们期望改善植物生长条件，并由此通过该方式提高由植株获得的果实的产量和质量，这与避免这种浪费的期望是一致的。
[0010]与常规的基于土壤的生长方法相比，使用矿物棉本身提供了这方面的极大益处，但在进一步改善这些特性方面存在持续的需求。具体而言，在植物生长过程中收获更多且消耗更少这两方面存在矛盾的期望。即，人们期望植物的产量更高，同时降低水和/或营养物的用量。在实际中，现有的生长方法和/或基质在这两方面的均有局限性。
[0011]在此方面中，植物生长系统的重要品质包括其保水性、再饱和性、以及水/营养物分布。保水性反映了该系统可保持的水量，水的分布反映了水和营养物在板中所处的位置。再饱和性是指新添加溶液提高基质的水和营养物水平、而非替换现有溶液或溢出的趋势。
[0012]影响保水性、水分布和再饱和性的具体考虑要素包括:重力作用，其趋向于将水向下引导并由此引向排水孔；以及毛细管作用，其能将水向上吸引。在实际中，板通常置于略微倾斜的斜面上，其排水孔位于底面的最下端，这有助于确保重力将水引向排水孔。除了重力作用和毛细管作用之外，还应当考虑介质的流动阻力，其具有防止水由滴头通过板直至排水孔的作用。总之，如果要优化根茎和植物生长，则需要确保在生长根茎的基质区域中实现最优条件。
[0013]如人们所预料的，基质的非最优(sub-optimal)保水性会导致水不足或者水过剩。在水不足的情况中，这会造成水通过排水孔而损失，从而造成浪费。水分布也是重要的，这是因为板中的水需要达到植物根部。例如，当刚刚将植株置于板上时，根部会缓慢地伸入板的上部区域中。如果水不能到达根部，则会造成生长速度的损失，从而使产量受损。具体而言，为了确保位于板的上部区域中的植株根部充分地被水灌溉，则需要栽培者向板提供过量的水以维持根部周围存在充足的水，这造成更多的废液通过排水孔并造成额外的成本。一方面，水量过多还会造成真菌生长，或者另一方面造成氧损耗，这会损害植株。
[0014]植物生长中的重要因素是营养物的保持和分布。尽管通常将营养物和水一同引入，但是它们并非一定通过相同的方式分布并保持于板中。营养物通常包括含有氮、磷、钾、钙、镁和类似元素的溶解盐。营养物溶解于水中，并且其移动通过板受到平流(advect1n)、分散和扩散等过程的影响。平流是营养物与水流一同通过板的运动，分散是当营养物通过板中的复合孔结构而发生的营养物的混合，扩散涉及颗粒在板中的无规运动，其统计学趋势会降低浓度梯度。
[0015]与水本身一样，营养物达到植物根部是非常重要的。如果营养物分布不均，或者营养物由板处发生损失，那么板作为整体则需要过量的营养物以使植株获得所需营养物。这当然会造成营养物浪费。
[0016]对于人工基质而言，影响植物生长的另一考虑因素是营养物的更新效率(S卩，更新营养物的灌溉效率)。这涉及到所引入的新鲜营养物溶液是否会将板内的已有营养物冲走。在一些情况中，可能会期望在生长过程中改变板内的营养物浓度。实现这一目的的能力取决于是否能够有效地取代整个板内的已有营养物、或者至少取代板内进行根茎生长的区域中的已有营养物。此外，在一些实例中，如果营养物未被取代，则营养物的累积会达到造成脱水的程度、或者至少达到对于植株生长不理想的程度。
[0017]鉴于此，已经认识到在植物生长中，向植物提供的水和营养物的量起到了关键作用。通常是通过分析外界因素(例如光照时间或温度)并推断该系统的可能行为(蒸发方面的行为等)，从而做出水和营养物的量的选择。
[0018]测量植物生长基质中的水和/或营养物的含量是已知的。例如，国际专利申请W02010/031773描述了通过电容的测量从而确定矿物棉基质中的水含量的水含量测量装置。类似地，国际专利申请WO 03/005807描述了植物生长基质中的水的氧含量的测量方法。然而，尽管这些技术能够向栽培者提供有用的信息，但是这些技术本身无法确保改善板内的水、营养物和氧的含量和分布。此外，实施这样的系统要求用户以相对高的费用安装多个昂贵的组件，为了节约用于测量多个区域或生长系统的成本而对这些系统进行重新布置可能是耗时的且劳动强度大的。
[0019]美国专利申请US 4015366描述了设置在农业生产领域中具有传感器的有线传感和流体输送系统。所述传感器测量农业生产区域的土壤中硝酸盐、磷酸盐、或钾的量，以确定土壤中这些成分中的一个或多个的量是否足够。基于传感器的读数，可以激活营养物配送周期。美国专利申请US 2007/082600描述了包含传感器和探针的手持装置，其用于测量和显示气候和/或土壤参数。虽然这样的系统和设备可以提供有关耕种土壤组成的有用信息，并且可以有助于土壤的灌溉自动化，但它没有提供有效管理水培生长系统(如矿物棉基质)中水分和水分/营养物分布的解决方案。
[0020]对于改善用户在水培生长系统中植物生长期间用于植物灌溉管理的系统存在持续的要求。水培系统中的基质往往具有固定的体积，这不同于土壤和土壤中的输送，水可以在其中向任何方向蔓延至无限的基质体积。由于现有技术既无法对生长条件提供恰当灵活的监测和控制，也不能提供足够准确且可调节的响应策略，因此常常会导致水和/或营养物的损失和/或过度供应；而且现有系统的重新配置是劳动强大的，并且会因为分别和单独地重新配置系统中的各个组件所涉及的诸多步骤而导致错误。
【发明内容】
[0021]为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于控制植物生长条件的系统，其包括:
[0022]至少一个检测器；以及
[0023]中央检测器数据处理装置；
[0024]所述检测器或每个检测器被配置成测量表征植物生长基质的温度、水含量和营养物含量的一个或多个属性；
[0025]所述检测器或每个检测器还被配置成通过通信线路向所述中央检测器数据处理装置传送检测器识别符和一个或多个属性的测量值；
[0026]所述中央检测器数据处理装置被配置为:
[0027]将预定义的灌溉数据保存在存储器中，所述预定义的灌溉数据定义以下二者之间的关系:
[0028]用于表征所述基质的温度、pH值、水含量和/或营养物含量中的一者或多者的多个数值；和
[0029]多个所需的灌溉输出值；
[0030]处理接收自每个检测器的属性测量值，以确定所述基质的属性计算值；以及
[0031]基于接收自一个或多个所述检测器的属性计算值和所述预定义的灌溉数据提供输出，所述输出表示所述生长基质所需的灌溉输入。将测得的属性传输至中央处理装置，用于转换和创建表征基质所需灌溉输入的输出，从而能够更灵活和更精确地控制生长条件，其可以根据新的数据或者其它影响因素(例如，环境因素或者系统中所用的植物或基质或其它材料的改变)容易地和集中地重新配置。所述系统可以使用一个或多个检测器，优选的实施方式可以包括3至5个检测器。有利的是，所述系统可以无线设置在监测区域，这将在下文中进行更详细的描述。
[0032]因此，与单个因素水平相反，本发明使用表征温度(即，根温度)、水含量和营养物含量的属性确定(例如)基质中流体的电导率，从而准确地确定人工基质中的营养物的含量。因此，与现有的系统不同，本发明提供了一种具体针对水培系统的无土栽培中水资源浪费问题的解决方案。如上所述，水培系统中的基质往往具有固定的水容积，这不同于土壤和土壤中的输送，水可以在其中向任何方向蔓延至无限的基质体积。水培系统的固定水容积通常为约每平方米1至30升，最常见的是每平方米4至15升。对于每株植物，固定水容积通常介于1.5至10升。与植物在土壤中的生根区域相比，水培系统的固定水容积也相当小。
[0033]水培系统的无土基质可以位于土壤、水槽、移动工作台等的上方。相对较小的水体积与无土栽培相结合，使得种植者能够收集过量的水，对水进行消毒并重复将水用于新的营养液。排出的水量是比较少的(例如，夏天每公顷20-60m3)。对于现有的消毒系统(使用诸如专用于此目的的栗)，所收集的排出水通常能够在24小时之内消毒，因此可以为第二天的使用做好准备。
[0034]人工基质中，例如，植物对于吸收水分施加的吸入压力通常在pF 0至2的范围内，最常见介于PF 0至1.5之间。虽然该范围内植物的