全封閉灌溉系統(tǒng)在無土栽培中的應(yīng)用

史晉鵬，郭玲娟，李躍洋（北京中農(nóng)富通園藝有限公司,北京 100108）

中國是全球水資源貧乏的國家之一，中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水占總用水量很大比例。據(jù)國家水利部《2019 年中國水資源公報》公布數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)年全國用水總量為6021.2 億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為3682.3 億m3，占總用水量的61.2%。而目前國內(nèi)灌溉水利用系數(shù)只有0.56 左右，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的0.7～0.8。節(jié)水灌溉技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用與推廣是緩解水資源短缺問題的重要舉措之一。

近年來隨著智能玻璃連棟溫室在設(shè)施蔬菜種植應(yīng)用中的占比增加，水肥一體化精準(zhǔn)灌溉技術(shù)配合椰糠無土栽培作為智能溫室最主要的栽培模式之一，具有優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，節(jié)能高效等特點，得到迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用。精準(zhǔn)灌溉作為椰糠栽培中重要組成，其設(shè)計的合理性和水肥的高效利用，不僅是作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的基本保證，同時還是減少水肥外排，節(jié)約水資源，避免對土壤的污染，提高水肥利用效率的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)灌溉系統(tǒng)多為開放式或半封閉式，雖可滿足植株生長對水肥的需求，但是在種植生產(chǎn)過程中，會有多余的營養(yǎng)液從基質(zhì)中流出，通過地面滲透或排液管道排出溫室外，造成大量的水肥浪費和對土壤的污染，并增加種植運營成本。

全封閉式灌溉系統(tǒng)作為可以對基質(zhì)排液進(jìn)行收集、過濾、消毒、循環(huán)再利用的灌溉系統(tǒng)，可以提高水肥利用率，避免排液對土壤的污染，降低生產(chǎn)種植運營成本。文章對智能溫室椰糠栽培全封閉灌溉系統(tǒng)的組成、灌溉策略和排液管理進(jìn)行總結(jié)和介紹，以期全封閉水肥一體化精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)在智能溫室無土栽培中的應(yīng)用更加節(jié)能高效。

全封閉灌溉系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成主要包括水處理設(shè)備、智能施肥機(jī)設(shè)備、營養(yǎng)液消毒設(shè)備、儲液罐、供回液管路及滴箭等。

水處理設(shè)備

灌溉用水的水質(zhì)在全封閉循環(huán)灌溉系統(tǒng)中非常重要。水質(zhì)會直接影響營養(yǎng)液中各養(yǎng)分選擇要求。根據(jù)水中鈉和氯化物的含量水平，可將灌溉用水分為三個質(zhì)量等級（表1）。

表1 水質(zhì)等級分類表

雨水是無土栽培中最好的水源。通常收集溫室的屋頂雨水并儲存在雨水收集罐中。但要注意的是如果在長時間干旱之后的第一次雨水需要進(jìn)一步處理后使用，因為這種情況下雨水中可能含有大量的灰塵等其他雜質(zhì)。當(dāng)雨水稀少時，需要其他水源補(bǔ)充，如地下水。然而，在不同地區(qū)的水質(zhì)存在一定差異。在全封閉灌溉系統(tǒng)對水質(zhì)的要求為1 級水質(zhì)。

地下水含有大量鈣、鎂、鈉等礦物離子，會直接影響營養(yǎng)液中各離子的平衡，在母液罐中容易形成不溶物，以及在營養(yǎng)液不斷循環(huán)利用的過程中鈉離子的不斷累積等問題，均會影響植株的正常生長發(fā)育。

除常見的鈣鎂離子外，還有容易被忽略的鐵離子和碳酸氫根離子。當(dāng)鐵與氧發(fā)生反應(yīng)時，會形成氧化鐵，進(jìn)一步形成沉淀，導(dǎo)致灌溉水系統(tǒng)的阻塞。另外，水中HCO3-鹽濃度也是很重要的。一定量的HCO3-離子（0.25～0.50 mmol/L）有助于穩(wěn)定灌溉水的pH。但是當(dāng)水中碳酸氫鹽濃度超過1.0 mmol/L 時，會使溶液的pH 升高，就需要通過水處理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的凈化處理（圖1）。目前國內(nèi)無土栽培的水源多使用地下井水，需要經(jīng)過反滲透處理系統(tǒng)凈化后才能用于封閉式無土栽培的灌溉。

圖1 水處理設(shè)備

智能施肥機(jī)設(shè)備

目前施肥機(jī)的施肥系統(tǒng)有兩種，一種是將固態(tài)化合物溶解后分別儲存在A、B 母液罐中為種植溫室提供營養(yǎng)液（圖2）。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各無土栽培園區(qū)。另一種是單一高濃度液態(tài)原肥按比例直接注入混合罐（圖3、圖4）。目前在國內(nèi)多用第一種施肥設(shè)備，但隨著溫室的發(fā)展越來越規(guī)模化、現(xiàn)代化和精準(zhǔn)化，第二種施肥機(jī)設(shè)備將是發(fā)展的趨勢，該種施肥機(jī)可以有效節(jié)約母液配置時間，降低人工成本，避免人工配置母液時出現(xiàn)配置失誤問題。

圖2 智能施肥機(jī)設(shè)備

圖3 液態(tài)原肥罐

圖4 液態(tài)原肥接入口

智能施肥機(jī)可以按照灌溉控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的EC、pH 及流量進(jìn)行控制，將A、B 母液定量吸入混合罐中（圖4），與回液和凈化水的混合液混合均勻后，注入灌溉主管網(wǎng)中，進(jìn)而供給植株根部，為植株生長提供水肥。其中，回液占比新的混合液不超過30%。

施肥機(jī)設(shè)備選型與總灌溉能力相匹配是非常重要的。灌溉容量（單位為L/(m2.h)）決定了在特定的灌溉區(qū)域或特定的閥門分隔區(qū)域單位時間供液量。確定合理的灌溉容量，能夠更好的控制基質(zhì)的含水量WC 和EC，尤其是在夏季，能達(dá)到更好調(diào)節(jié)植物生長的目的。決定灌溉能力的因素有單位面積的滴箭數(shù)量，每個滴箭的灌溉能力以及灌溉區(qū)域內(nèi)包含的閥門數(shù)量等。

營養(yǎng)液回液消毒設(shè)備

很多土傳病原菌都是通過溫室內(nèi)的循環(huán)水來傳播的。為了避免病原菌因通過循環(huán)利用的回液進(jìn)行傳播，在循環(huán)利用回液前要對其進(jìn)行消毒。營養(yǎng)液消毒設(shè)備有高壓紫外線消毒或者紫外線與過氧化氫的組合消毒兩種。消毒系統(tǒng)必須能夠去除營養(yǎng)液中所有的病毒、細(xì)菌和真菌。

從基質(zhì)中流出的回液先收集在回液罐里，進(jìn)行清潔消毒再利用?；匾旱那鍧嵪具^程包含兩步。第一步是通過過濾設(shè)備回液中的雜質(zhì)和細(xì)小的顆粒去除。第二步為回液的殺菌消毒。

目前常用的消毒方式為高壓紫外線消毒，其優(yōu)勢在于在處理的過程中，它既不會改變水的溫度也不會改變其pH。使用合適劑量的紫外線（200～280 nm）能夠殺死微生物，破壞病毒的蛋白結(jié)構(gòu)，使D N A 不能再復(fù)制。但是回液的清潔度對紫外線消毒的處理效率有一定的影響。

高壓紫外線消毒設(shè)備的紫外線波長在200～300 nm，能夠在可控條件下去除病原菌。紫外線消毒設(shè)備可以通過計算和運行最適宜的紫外線劑量來進(jìn)行水處理。每一種植物病原菌都需要特定濃度的紫外線劑量來獲得最少的病原菌，使病原菌的減少達(dá)99.9%，通常紫外線劑量在80～250 MJ/cm2。

儲液罐

根據(jù)存儲液體的種類，儲液罐可以分為原水罐、凈水罐、回液罐等，結(jié)合種植園區(qū)的條件和生產(chǎn)需求，選擇是否設(shè)計營養(yǎng)液存儲罐（圖5）。

圖5 波紋鋼儲液罐

原水罐、凈水罐的容積至少要滿足種植區(qū)作物1 天的水肥需求，回液存儲罐包括過濾后的回液存儲罐和消毒后的回液存儲罐，其容積的設(shè)計根據(jù)種植區(qū)的回液量而定。以番茄為例，回液量為灌溉量的20%～30%。所有的儲存罐都要求放置在室內(nèi)，保證儲液罐內(nèi)營養(yǎng)液的溫度恒定。

灌溉管路及滴箭

精確地控制每個滴箭向基質(zhì)中輸送適量的水和營養(yǎng)物質(zhì)是非常重要的。通過所有具有適當(dāng)容量的滴箭，將準(zhǔn)確、等量的水和營養(yǎng)物質(zhì)輸送至植株根部，使種植者能夠科學(xué)管理WC 和EC，減少總排水量，同時確保生長均勻和果實質(zhì)量。目前，市場上有各種各樣的滴頭，不同容量及匹配性依據(jù)作物而定。一般情況下，番茄和黃瓜適用的滴箭容量約為4 L/h(66 mL/min)，辣椒適用供給量約為2 L/h(33 mL/min)。

灌溉策略

水肥的科學(xué)精準(zhǔn)供給是提高作物的產(chǎn)量和果實品質(zhì)的基礎(chǔ)。根據(jù)栽培環(huán)境的氣候條件，實時地精準(zhǔn)控制基質(zhì)中WC 和EC，使植株的營養(yǎng)生長和生殖生長實現(xiàn)平衡。

灌溉分布

灌溉是根區(qū)管理的一個重要條件。在溫室生產(chǎn)中可以將24 h 內(nèi)的根區(qū)對灌溉的反應(yīng)劃分為3個階段。圖6 介紹了基質(zhì)內(nèi)24 h 的WC 和EC 的變化趨勢。第一階段從早晨的第1次供營養(yǎng)液開始，到第1次出現(xiàn)排液為止。在該階段WC 和EC 逐步增加。第二階段從第1次排液開始，到最后1次供營養(yǎng)液結(jié)束；該階段的特點是穩(wěn)定的基質(zhì)含水量，同時基質(zhì)中EC 隨排液的流程而逐漸降低。第三階段從第1 天的最后1次灌溉開始，到第2 天的第1次供營養(yǎng)液結(jié)束。在該階段基質(zhì)含水量逐漸降低，根生長，而EC逐漸增加。

灌溉起止時間

每天灌溉開始和結(jié)束時間會影響植株生長平衡。一般應(yīng)該在日出后1～2 h 開始灌溉（100～200 W/m2或者50～100 J/cm2），晴天時在日落前1～2 h 停止，陰天時在日落前4～5 h 停止。晚啟動和早停止灌溉，基質(zhì)失重比回升高，將刺激作物向生殖生長轉(zhuǎn)向，相反，早啟動和晚停止，基質(zhì)失重比回降低，導(dǎo)致作物向營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向。因此，灌溉的起止時間，可以引導(dǎo)植株的營養(yǎng)生長或生殖生長的方向。

灌溉頻率

根據(jù)荷蘭經(jīng)驗，對于生長健壯的成株番茄來說，植株對水肥的需求通常為光照累積量每增加1 J/cm2，則植株所需的水肥量為3 mL/m2。也就是說，若每天光照累積量為2000 J/cm2，灌溉量應(yīng)為6 L/m2，在晴天和陰天灌溉量會有很大的差異。

在1 天的灌溉總量一定的前提下，每天的灌溉頻率和每次的灌溉量也會影響植株生長平衡。如果選擇少量多次灌溉策略，則會刺激植株偏向營養(yǎng)生長方向生長；若選擇少次多量灌溉策略，則會刺激植株偏向生殖生長方向生長。

灌溉策略中灌溉頻率和每次灌溉量與光照累積量、太陽輻射強(qiáng)度等因素相關(guān)聯(lián)，具體灌溉頻率和單次灌溉量見表2。

排液管理

排液管理是全封閉灌溉系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)之一。合理的排液可以保證基質(zhì)有相對穩(wěn)定的離子濃度，使植株根系環(huán)境能夠長期保持新鮮的營養(yǎng)液，防止基質(zhì)中各離子濃度累積。同時合理的排液可以確保種植區(qū)的每一個滴箭的供液量均能滿足植株生長所需。

表3 不同光照條件下排液比推薦

排液進(jìn)行過濾消毒后與新配置的營養(yǎng)液混合，然后進(jìn)入作物根部。要確保供給作物的營養(yǎng)液中各離子含量的平衡，需要對排液進(jìn)行離子監(jiān)測，根據(jù)排液中各離子的濃度對新配制的營養(yǎng)液配方進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整。在生產(chǎn)中每1～2 周要對排液的離子含量進(jìn)行取樣分析。

為了促進(jìn)營養(yǎng)液的高效利用，需要確保在種植末期，排液可以全部利用。實現(xiàn)這一目標(biāo)的方法有兩個方面。首先，在采收末期減少排液總量，這將減少進(jìn)入排液收集池中排液。其次，增加灌溉營養(yǎng)液EC 的設(shè)置。這就意味著，更多消毒后的回液會與與新鮮的營養(yǎng)液混合在一起。