一种可自动调控基质盐分的无土栽培蔬菜方法及系统与流程

本发明涉及蔬菜高效栽培技术领域，尤其涉及一种可自动调控基质盐分的无土栽培蔬菜方法与系统。

背景技术：

无土基质蔬菜栽培摆脱了土壤对设施蔬菜生产的限制，采用岩棉、椰糠、草炭、蛭石等轻质材料作为替代土壤，为作物根系提供生长空间，同时根据作物种类浇灌适宜的营养液。与土壤栽培相比，无土基质栽培减少了水分渗漏和养分淋洗，在提高水肥利用效率的同时，减少了氮磷养分淋洗对水体环境污染的危害，无土基质栽培可以定期对栽培介质进行更换，从而杜绝了土传性病虫害的发生；无土基质栽培还可以对作物根区水、肥进行精准调控，能创造适宜作物生长的根际环境，防止连作及土壤盐分累积造成的生理障碍。

由于在无土基质栽培模式下，作物根系占有栽培基质的体积较小，且无土基质的缓冲性远远小于土壤。因此，基质水分、养分、盐分含量的波动在短时间内就会对作物产生不良影响，因此，如何将无土基质水分、养分、盐分控制在合理的范围内是无土栽培蔬菜取得高产稳产的前提与保证。由于栽培基质的含水量可以使用水分传感器直接测定，因此无土基质栽培作物的水分管理可以根据基质水分传感器采集的基质含水量信息进行决策。作物的水分和养分均由营养液提供，商业化营养液配方中均含有氮、磷、钾、钙、镁、硫六种大量元素，而作物根系对营养液中氮、磷、钾的吸收大于对钙、镁、硫的吸收量。营养液中剩余的盐分累积到一定量就会形成盐害，抑制根系对氮、磷、钾的吸收，进而影响作物的生长。因此，在对无土基质栽培作物进行水肥管理的同时，还要对避免作物根区盐分的累积。加大营养液灌溉量，对作物根区的盐分进行淋洗是减少作物根区盐分累积的最有效的方法。由于基质盐分含量尚没有传感器直接测定，而无土基质栽培作物盐分管理决策多采用经验管理方法进行，即按照人为设定的时间间隔加大营养液灌溉量进行将基质中残留的盐分淋洗出栽培介质，灌溉时间和营养液灌溉量的选择均由人为经验确定，具有一定的盲目性，当营养液灌溉量大于实际需求量时容易导致营养液的浪费，反之者不能达到洗盐的目的，作物仍会受到基质盐分累积的影响。

因此，研发合理精准的无土栽培基质盐分调控方法是无土基质栽培能否实现高效生产的关键之一。

技术实现要素：

针对现有无土栽培作物基质盐分管理存在的缺陷，本发明提供一种可自动调控基质盐分的无土栽培蔬菜方法与系统，实现无土蔬菜栽培水、肥、盐的协同管理，可以控制运行成本，实现无土蔬菜栽培基质盐分的精准自动化管理。

具体而言，本发明提供了一种可自动调控基质盐分的无土栽培蔬菜方法，包括以下步骤：

S1、自蔬菜定植开始，按照固定时间间隔检测栽培基质的含水量W_i；

S2、以W_c为蔬菜受水分胁迫的基质含水量临界值，当所述基质含水量W_i＞W_c时，则无需进行灌溉；

当所述基质含水量W_i≤W_c时，则采用体积为V_I的营养液对基质进行灌溉；所述营养液的初始无机盐总浓度记为S_I，其中含有氮、磷、钾、钙、镁和硫；所述营养液的灌溉体积V_I按照公式I进行计算：

V_I＝(W_o-W_c)×V_M I；

所述公式I中，W_o为基质含水量上限，V_M为基质体积；

S3、按照公式II估算所述基质的含盐量S_i：

所述公式II中，ρ_M为基质的容重；V_M为基质的体积；S_N、S_P、S_K、S_Ca、S_Mg、S_S分别为蔬菜根系单位时间内对氮、磷、钾、钙、镁、硫的吸收浓度；

S4、以S_C为盐害临界值，当S_i<S_C时，则无需对基质进行淋洗；

当S_i≥S_C时，则采用体积为V_W营养液对基质进行淋洗；所述营养液的淋洗体积V_W按照公式III进行计算：

V_W＝(W_S-W_i)×V_M+(S_i-S_I)×α×V_M III；

所述公式III中，W_S为基质的饱和含水量，α为基质的淋洗效率；

S5、重复步骤S1～S4，至蔬菜生长期结束。

本发明采用的无土栽培基质可采用无土栽培常用基质，优选为岩棉或椰糠。

采用本发明所述方法栽培的蔬菜优选为生长期较长的果菜类蔬菜，进一步优选为番茄、黄瓜或茄子。

为了使调控更加符合基质的特性并满足蔬菜的生长要求，且使操作更加合理简便，本发明步骤S1所述固定时间间隔为30～60min，进一步优选为30～35min。

本发明所述基质含水量临界值可取值为基质田间持水量的45～55％，优选为50％。

本发明所述盐害临界值可取值为1～2‰，优选为1.5‰。

本发明步骤S3中所述的S_N、S_P、S_K、S_Ca、S_Mg、S_S分别为作物对营养液中氮、磷、钾、钙、镁、硫的吸收浓度，也就是作物根系单位时间内随着根系吸收营养液水分而吸收的营养液氮、磷、钾、钙、镁、硫的量，一般作物的吸收浓度可以通过预实验实测获得或者通过试差法获得。

作为本发明的一种优选方式，所述S_N、S_P、S_K、S_Ca、S_Mg、S_S可采用实测法获得，具体步骤如下：分别测定定植时和生长期结束时蔬菜植株体内氮、磷、钾、钙、镁和硫的含量，并分别计算两个时期氮、磷、钾、钙、镁和硫含量的差值，并记录自定植起至生长期结束消耗的营养液量；各差值与所述消耗的营养液量的比值即为S_N、S_P、S_K、S_Ca、S_Mg和S_S。

本发明所述基质含水量的上限W_o一般为基质田间持水量的W_F的90％，低于基质的饱和含水量W_S。若基质含水量达到饱和含水量时，作物的根系容易因缺氧而受到渍害。在自由排水条件下，基质含水量最大能达到田持含水量，基质内多余的水分会在重力的作用下排出。

作为本发明的一种优选方式，所述基质的淋洗效率α可采用如下方法计算获得：

(1)另外取体积为V_a的无土栽培基质，用浓度为S_I’(此处S_I’为S_I 3～5倍)的测试液浸泡后进行风干处理，风干至其含水量降至田持的50％时，用所述测试液以与步骤S4相同的方式进行淋洗，同时记录基质出流液的浓度C_S；

(2)当基质出流液的浓度C_S与营养液浓度S_I相等时，结束淋洗，记录此时所用的测试液体积V_b；按照公式IV计算基质淋洗效率α：

本发明同时提供一种利用所述方法进行无土栽培基质盐分自动调控的系统，包括：水分感知模块、盐分感知模块和营养液灌溉、盐分淋洗决策模块。

所述水分感知模块由多个基质水分传感器组成。作为本发明的一种优选方案，所述水分感知模块由三组(共9个)基质水分传感器组成，所述三组传感器分别安装在蔬菜栽培区的两个边缘栽培行和中间栽培行；每组包括3个传感器，即每个栽培行平均安装3个传感器，所述3个传感器分别安装在每行的两端和中间。所述水分感知模块用于设施内不同位置的基质含水量信息，将各个水分传感器采集的基质的水分含量信息平均后发送给盐分感知模块和营养液灌溉-淋洗决策模块。

所述盐分感知模块，根据基质水分传感器采集的基质含水量信息采用数值仿真的方法对基质中营养液的盐分含量进行估算，从而获取基质中营养液的盐分浓度，并将其发送给营养液灌溉-淋洗决策模块。

所述营养液灌溉-淋洗决策模块分别与水分感知模块和盐分感知模块相连接，根据基质水分感知模块采集的含水量信息和盐分感知模块采集的含盐量信息判断是否需要进行营养液灌溉或基质盐分冲洗，若基质含水量过低或盐分含量过高时，则进行营养液灌溉或淋洗，并由营养液灌溉-淋洗决策模块估算营养液灌溉或淋洗量，并启动营养液泵进行灌溉或淋洗。

所述营养液供液模块根据营养液灌溉-冲洗决策模块的指令向栽培基质输送营养液，用以灌溉或者淋洗基质中的盐分。

在实际应用过程中，所述装置按照如下步骤进行操作：

(1)所述基质水分感知模块按照固定时间间隔采集无土栽培基质的含水量，并通过水分含量信息传递通路将其分别传输给基质盐分感知模块和营养液灌溉-淋洗决策模块；

(2)所述营养液灌溉-淋洗决策模块根据基质水分感知模块采集的基质含水量判断是否需要浇灌营养液，如果需要灌溉，则确定灌溉体积，并通过灌溉信号通路将其传输给营养液供液模块进行营养液灌溉；

(3)所述基质盐分感知模块根据基质水分感知模块采集的基质含水量值计算基质含盐量，并通过盐分含量传递通路将其传输给营养液灌溉-淋洗决策模块；

(4)所述营养液灌溉-淋洗决策模块根据基质盐分感知模块计算的基质含盐量判断是否需要用营养液进行淋洗，如果需要淋洗，则确定淋洗体积，并通过淋洗信号通路将其传输给营养液供液模块进行淋洗；

(5)重复步骤(1)～(4)，至蔬菜生长期结束。

本发明提供的可自动调控基质盐分的无土栽培蔬菜方法和系统，利用水分感知模块采集的基质含水量数据和盐分感知模块估算的基质盐分含量数据，由营养液灌溉-盐分淋洗决策模块进行判断是否需要进行营养液灌溉或者盐分淋洗，并确定所需的营养液的量，与传统的基质栽培水肥调控方法相比，该方法实现了无土基质栽培盐分的自动调控，节约了人力资源成本和基质盐分测定仪器设备及耗材的资金成本。利用本发明提供的检测方法，对无土栽培基质的水、肥、盐进行协同调控，保证无土栽培作物水肥精量供应，避免了作物受到盐害的影响，同时减少了营养液的浪费，实现营养液利用效率的最大化，为无土栽培作物的优质高效产出提供技术保证。

附图说明

图1示出了实施例1所述无土栽培蔬菜方法的流程图；

图2示出了实施例2所述无土栽培蔬菜系统的结构示意图；其中，1为水分感知模块，2为盐分感知模块，3为营养液灌溉-淋洗决策模块，4为营养液供液模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，并非全部实施例。基于本发明中的实施例，相关领域的技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种可自动调控基质盐分的无土栽培蔬菜方法，其流程图如图1所示；该方法以椰糠为基质种植黄瓜，包括以下步骤：

S1、自蔬菜定植开始，以0.5h为时间间隔检测栽培基质的含水量W_i；

S2、以W_c为蔬菜受水分胁迫的基质含水量临界值，当所述基质含水量W_i＞W_c时，则无需进行灌溉；

当所述基质含水量W_i≤W_c时，则采用体积为V_I的营养液对基质进行灌溉；所述营养液的初始无机盐总浓度记为S_I，其中含有氮、磷、钾、钙、镁和硫；所述营养液的灌溉体积V_I按照公式I进行计算：

V_I＝(W_o-W_c)×V_M I；

所述公式I中，W_o为基质含水量上限，V_M为基质体积；

S3、按照公式II估算所述基质的含盐量S_i：

所述公式II中，ρ_M为基质的容重；V_M为基质的体积；S_N、S_P、S_K、S_Ca、S_Mg、S_S分别为蔬菜根系单位时间内对氮、磷、钾、钙、镁、硫的吸收浓度；

S4、以S_C为盐害临界值，当S_i<S_C时，则无需对基质进行淋洗；

当S_i≥S_C时，则采用体积为V_W营养液对基质进行淋洗；所述营养液的淋洗体积V_W按照公式III进行计算：

V_W＝(W_S-W_i)×V_M+(S_i-S_I)×α×V_M III；

所述公式III中，W_S为基质的饱和含水量，α为基质的淋洗效率；

S5、重复步骤S1～S4，至蔬菜生长期结束。

其中，所述S_N、S_P、S_K、S_Ca、S_Mg、S_S采用实测法按照以下步骤计算得到：

分别测定定植时和生长期结束时蔬菜植株体内氮、磷、钾、钙、镁和硫的含量，并分别计算两个时期氮、磷、钾、钙、镁和硫含量的差值，并记录自定植起至生长期结束消耗的营养液量；各差值与所述消耗的营养液量的比值即为S_N、S_P、S_K、S_Ca、S_Mg和S_S。

所述基质的淋洗效率α采用如下方法计算获得：

(1)另外取体积为V_a的无土栽培基质，用浓度为S_I’(S_I’＝4*S_I)的测试液浸泡后进行风干处理，风干至其含水量降至田持的50％时，用所述测试液以与步骤S4相同的方式进行淋洗，同时记录基质出流液的浓度C_S；

(2)当基质出流液的浓度C_S与营养液浓度S_I相等时，结束淋洗，记录此时所用的测试液体积V_b；按照公式IV计算基质淋洗效率α：

实施例2

本实施例提供了一种利用实施例1提供的方法自动调控基质盐分的无土栽培蔬菜系统，其结构如图2所示；具体包括：水分感知模块1、盐分感知模块2、营养液灌溉-淋洗决策模块3以及营养液供液模块4；

所述水分感知模块1通过水分含量信息传递通路分别与所述盐分感知模块2和营养液灌溉-淋洗决策模块3相连；

所述盐分感知模块2通过盐分含量传递通路与所述营养液灌溉-淋洗决策模块3相连；

所述营养液灌溉-淋洗决策模块3分别通过灌溉信号通路和淋洗信号通路与所述营养液供液模块4相连；

其中，所述水分感知模块1由三组基质水分传感器组成，所述三组传感器分别安装在蔬菜栽培区内的两个边缘栽培行和中间栽培行；每组包括3个传感器，分别安装在每行的两端和中间。

在实际应用过程中，所述水分感知模块1的9个基质水分传感器用于设施内不同位置的基质含水量信息，同时将采集的基质的水分含量信息平均后发送给营养液灌溉-淋洗决策模块3和盐分感知模块2。

所述盐分感知模块2根据基质水分传感器采集的基质含水量信息采用数值仿真的方法对基质中营养液的盐分含量进行估算，从而获取基质中营养液的盐分浓度，并将其发送给营养液灌溉-淋洗决策模块3。

所述营养液灌溉-淋洗决策模块3分别与水分感知模块1和盐分感知模块2相连接，根据基质水分感知模块1和盐分感知模块2采集的盐分信息判断是否需要进行营养液灌溉和基质盐分冲洗，若需要灌溉或者基质中盐分含量过高时，由营养液灌溉-淋洗决策模块估算营养液灌溉量，并启动营养液供给模块4进行浇灌营养液或者淋洗盐分。

所述营养液供液模块4根据营养液灌溉-冲洗决策模块3的指令向栽培基质输送营养液用以灌溉或者淋洗基质中的盐分。

本发明提供的种无土基质栽培蔬菜水、肥、盐调控方法与系统，利用水分感知模块采集的基质含水量数据和盐分感知模块估算的基质盐分含量数据，由营养液灌溉、盐分淋洗决策模块进行判断是否需要进行营养液灌溉或者盐分淋洗，并确定所浇灌的营养液的量，与传统的基质栽培水肥调控方法相比，该方法实现了无土基质栽培盐分的自动调控，节约了人力资源成本和基质盐分测定仪器设备及耗材的资金成本。利用本发明提供的调控方法，对无土栽培基质的水、肥、盐进行协同调控，保证无土栽培作物水肥精量供应，避免了作物受到盐害的影响，同时减少了营养液的浪费，实现营养液利用效率的最大化，为无土栽培作物的优质高效产出提供技术保证。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。