文章信息
- 靳露, 王健, 郭世荣, 何向丽, 孙锦, 束胜, 魏斌, 毕研飞
- JIN Lu, WANG Jian, GUO Shirong, HE Xiangli, SUN Jin, SHU Sheng, WEI Bin, BI Yanfei
- 新型潮汐式无土栽培设施设计与试验研究
- Design and experimental study on a new type of ebb-and-flow soilless culture device
- 南京农业大学学报, 2018, 41(6): 1142-1150
- Journal of Nanjing Agricultural University, 2018, 41(6): 1142-1150.
- http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201801047
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文章历史
- 收稿日期: 2018-01-28
2. 宿迁市设施园艺研究院, 江苏 宿迁 223800;
3. 江苏常熟国家农业科技园区管理委员会, 江苏 常熟 215500
2. Suqian Academy of Protected Horticultures, Suqian 223800, China;
3. Jiangsu Changshu National Agricultural Science and Technology Park Management Committee, Changshu 215500, China
潮汐式灌溉是渗灌形式之一, 通过从作物底部供水为作物根系提供水分[1]。与其他灌溉方式相比, 潮汐式灌溉方式具有供水均匀迅速、节水节肥的特点。目前, 潮汐式灌溉广泛应用于园艺生产, 包括花卉生产和蔬菜生产, 如蝴蝶兰(Phalaenopsis aphrodite Rchb. F.)[2]、杜鹃花(Rhododendron Linn.)[3]、菊苣(Cichorium intybus L.)[4]、苋菜(Amaranthus tricolor L.)[5]等。
目前关于潮汐式灌溉的研究主要集中在供水标准、自动控制给排水、基质以及潮汐式灌溉系统对植株生长影响的方面。Ferrarezi等[6]研究表明, 可以用电容水分传感器监测基质单位体积含水量, 且可基于最小基质单位体积含水量临界值自动化控制潮汐式灌溉系统, 这一方法可以替代依靠时间控制的灌溉系统。Gent等[7]研究表明, 与缓慢循环式潮汐式供水相比, 快速循环式潮汐式供水是生产均匀容器栽培作物的有效方式, 且能节省水肥的消耗。Evans等[8]研究发现, 与顶部喷淋相比, 潮汐式灌溉的天竺葵开花时间早, 且株高、植株地上部与地下部干质量都比较高。然而关于潮汐式灌溉设施的研究很少。Beeks等[9]研究表明, 用潮汐式灌溉方法种植长期生长的温室作物时, 可以用椰壳纤维制作的有机栽培钵替代塑料栽培钵。
栽培装置不同的外形与内部结构设计都会直接影响水肥与基质的接触分布均匀度, 从而影响到基质中的含水量与含氧量, 并进一步影响植物生长。Bhattarai等[10]研究发现基质中长期积存水分, 则基质中的氧气含量就减少, 作物就会因根部供氧不足而减产, 所以栽培装置要一方面能为作物均匀快速供水, 另一方面也能为作物根系提供充足的氧气。另外, 作为栽培设施, 需要考虑设施抗张强度等反映其承受荷载时抵抗破坏能力的参数。栽培设施在使用过程中所承受的荷载(如基质、营养液、作物等)会对设施产生直接的作用力, 受力之后栽培设施的抗张强度是否足够大是考量栽培设施的一个重要指标, 所以要对未使用和使用过的设施进行测试对比。
因此, 本研究设计了一种新型潮汐式无土栽培设施, 并对其物理特性、供水特性以及栽培效果进行试验验证, 旨在为新型无土栽培设施大规模的生产应用提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 新型潮汐式无土栽培设施(NSCD)的设计新型潮汐式无土栽培设施主要由营养液槽、“Ω”型分隔板、种植区、排液区、“U”型虹吸管、连通管、活动插板以及供水管8部分构成(图 1)。“Ω”型分隔板的弧形部分均匀分布直径为5 mm的圆形孔洞, 相邻孔洞圆心之间的间距为1 cm。种植区的上口宽22 cm, 下底宽10 cm, 高12 cm(其尺寸根据温室常用作物如小白菜、草莓、甜瓜、番茄等的根扩散范围确定); 供液槽的上口宽7 cm, 下底宽5 cm, 高4 cm; 排液槽头长7 cm。整个栽培设施的长度可依实际需要而定。
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图 1 新型潮汐式无土栽培设施(NSCD)图解 Figure 1 Schematic diagram of the new type of ebb-and-flow soilless culture device(NSCD) A. NSCD俯视图; B.排液端; C.供液端; D.分隔板; 1.栽培槽; 2.“Ω”分隔板; 3.台阶; 4.营养液槽; 5.种植区; 6.排液端; 7.供水管; 8.供水端; a.“U”虹吸管; b.连通管; c.活动插板; d.渗水孔洞; e.翼翅。 A. The planform of the NSCD; B. Drainage part; C. Water supply part; D. Separating plate; 1. Cultivation trough; 2."Ω"type separating plate; 3. Steps; 4. Nutrient solution trough; 5. Planting area; 6. Drainage part; 7. Water supply pipe; 8. Water supply part; a."U"type siphon pipe; b. Connecting pipe; c. Movable inserting plate; d. Leakge hole; e. Wing. |
鲁SC-Ⅱ型无土栽培设施是山东农业大学在1992年研发的一种无土栽培设施[11]，由“V”型槽、水平分隔板、“U”型虹吸管组成(图 2)。鲁SC-Ⅱ型无土栽培设施的尺寸为:种植区的上口宽22 cm, 下底宽11 cm, 高11 cm; 供液槽的上口宽11 cm, 高11 cm。2种栽培设施的总长度都定为120 cm, 虹吸管、连通管、供液管的管径均为2 cm。“U”型虹吸管置于栽培槽内的下端距营养液槽底部0.5 cm, “U”型虹吸管顶部比分隔板高出2 cm。分隔板上均匀分布着直径为0.5 cm的圆形孔洞, 孔洞之间的间距为1.0 cm。
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图 2 鲁SC-Ⅱ型无土栽培设施(对照)图解[11] Figure 2 Schematic diagram of the Lu SC-Ⅱ soilless culture device(CK)[11] A.鲁SC-Ⅱ型俯视图; B.排液端; C.供液端; D.分隔板; 1.排液端; 2.栽培槽; 3.营养液槽; 4.种植区; 5.分隔板; 6.供液端; a.虹吸管。 A. The planform of Lu SC-Ⅱ; B. Drainage part; C. Water supply part; D. Separating plate; 1. Drainage part; 2. Cultivation trough; 3. Nutrient solution trough; 4. Planting area; 5. Separating plate; 6. Water supply part; a. Siphon pipe. |
试验于2016年9月至11月, 在南京农业大学牌楼试验基地(北纬32°2′, 东经118°86′)玻璃温室进行。NSCD和CK均用厚度为3 mm的PVC板制成, 各制作10个。试验品种为不结球白菜(Brassica campestris ssp. chinese)四倍体品种‘矮脚黄’。育苗基质和栽培基质均为镇江培蕾有机肥有限公司生产, 2种基质的理化性质均满足作物生长需求。定植前在每个分隔板上垫1层农用无纺布, 然后将栽培基质均匀铺在农用无纺布上。选择生长整齐一致的‘矮脚黄’植株分别定植于2种设施的栽培槽中。每个处理10个重复, 随机排列成2排, 每排10个, 排间距为50 cm, 相邻栽培槽间距为25 cm。每个栽培槽定植2行, 每行定植7棵, 株距15 cm。每1个栽培槽视为1个重复。
1.4 试验方法 1.4.1 抗张强度在试验结束之后, 测试2种栽培设施未使用及使用过的(试验过程中持续使用2个月)抗张强度。将无土栽培设施水平悬空12 cm于铺在地面上的无纺布之上, 向测试的设施内添加石英砂(密度为1.5×103 kg · m-3)直至设施破裂或种植区完全盛满石英砂, 然后称量添加石英砂的质量, 该质量即作为被测试设施的抗张强度[9]。使用过的设施是指种植四倍体‘矮脚黄’4周之后的设施。测试中最大的抗张强度测量值为309.01 N(设施的栽培区已完全填满石英砂, 但整个设施未破裂)。
1.4.2 总耗水量与灌溉用水使用效率在供水之前将水箱里的水添加至15 L, 在供水之后记录总用水量, 并将水箱里的水再次添加至15 L。4周之后试验结束时统计每个设施的总用水量, 并计算每株小白菜的平均耗水量。灌溉水使用效率(IWUE)按如下方法计算:
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(1) |
式中:Y代表作物产量(kg); Irr代表设备的耗水量(m3)。
1.4.3 供水特性与试验期间基质含水量、含氧量动态变化为了测定NSCD的供水特性, 首先需要确定水对分隔板的作用力。根据流体力学中液体与曲面的压力作用关系, 可知作用于曲面上的水静压力在铅锤方向上的分力Pz就等于压力体内水的质量[12], 即:
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(2) |
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(3) |
式中:γ为水的密度(N·m-3); V为压力体体积(m3); S为压力体横截面积(m2); L为压力体总长度(m)。
另外, 由于分隔板左右对称, 所以作用在曲面的水平分力Px为零。则作用于曲面的总压力P为:
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(4) |
用i500-ES土壤水分记录仪测定不同处理的供水特性以及试验期间基质含水量动态变化。在‘矮脚黄’移植之前, 从2种设施中分别选择3个栽培槽, 每个栽培槽沿其长度方向上均匀布置3个测量含水量的探头, 探头插入的深度为基质表面向下5 cm, 记录1个供水周期内基质含水量的变化, 记录间隔设定为10 s。
用配置有针式温度传感器的光纤式氧气测量仪(Pyro Science, 德国)和i500-ES土壤水分记录仪测定不同处理供水期间基质含水量与氧含量协同变化关系。在移植之前, 从2种设施中分别选择3个栽培槽, 每个栽培槽沿其长度方向均匀布置测量基质含水量、基质含氧量以及基质温度的探头各3个, 探头插入深度为基质表面向下5 cm。其中, 水分传感器记录间隔设定为10 s, 温度传感器与氧气传感器的记录间隔设定为1 s。
1.4.4 供水期间基质含水量分布定植之前, 从NSCD和CK这2种设施中分别选择3个栽培槽, 手动供水15 min, 并每隔5 min在每个设施的垂直剖面取样点上取样1次以确定基质含水量在垂直方向上的分布情况。所采的基质样品用烘干法确定其基质含水量[13]。2种设施取样点详细布置如图 3所示。
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图 3 NSCD和CK中取样点剖面图 Figure 3 Sectional view of the measurement points in the NSCD and CK |
根长、根体积、根尖数用EPSON EXPERSSION 1680台式扫描仪(Regenent Instruments公司，加拿大)和WinRHIZO图像分析软件分析。根系活力采用TTC染色法测定[14]。
1.5 数据分析处理数据采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析, 采用Duncan ’ s新复极差法进行多重比较(P < 0.05), 采用Origin 9.0软件绘图。
2 结果与分析 2.1 NSCD和鲁SC无土栽培设施(CK)的抗张强度及供水期间水对分隔板的压力由图 4可见：未使用和使用过的NSCD和CK的抗张强度大小相似, 并且使用过的设施的抗张强度比未使用过的要高。
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图 4 NSCD和CK的抗张强度 Figure 4 Tensile strength of the NSCD and CK |
根据公式(2)—(4)可以算出NSCD和CK中水对分隔板的压力分别为28.56和18.29 N。NSCD中水对分隔板的压力比CK的高56.2%, 增幅显著。较高的压力可促使NSCD中水分往基质中扩散的速度更快。
2.2 NSCD和CK供水特性及供水期间基质含氧量的变化由图 5可见：随着灌溉时间的延长, NSCD中的基质水含量呈对数曲线响应, 而CK中基质含水量呈指数变化。在开始供水之前2种设施中基质的含水量均为28%左右。供水40 s时NSCD中基质的含水量开始上升, 而CK中基质含水量则在70 s才开始上升。70~150 s为2种设施中基质含水量的快速上升时期, 分别上升了14.2%和9%。之后基质含水量上升速度逐渐降低, NSCD中基质含水量在900 s之后稳定在80.7%左右, CK中基质含水量在1 000 s之后稳定在60.6%左右, 且NSCD中基质含水量达到60.6%的时间是在310 s时, 比CK早了690 s。
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图 5 NSCD和CK的供水特性 Figure 5 Water supply properties of the NSCD and CK |
由图 6可见:供水期间, 随着供水时间的持续, NSCD中基质含氧量呈降—升—降的趋势, 而基质含水量与温度随时间的延长均呈持续升高的趋势。基质中氧气、温度以及水分含量三者之间的变化存在明显的相关性(表 1), 供水期间基质中氧气含量与含水量以及温度均呈极显著负相关关系, 而基质含水量与温度均呈极显著正相关关系, 因此基质中氧气含量随水分含量以及温度的升高而降低, 而基质温度随含水量的升高而升高。CK中基质里氧气、温度以及水分含量动态变化与此趋势类似。当NSCD中基质含水量达到80%时, 其基质中氧气含量为20.00%, 温度为10.2 ℃, 而CK中在同等含水量条件下基质中含氧量仅为19.55%, 温度为9.6 ℃。表明基质中含水量相近时, 不同设施中基质含氧量却有较大差异, 这可能主要是由于NSCD中“Ω”型分隔板空间面积较大, 使得基质与空气有较多接触面积所致。
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图 6 供水期间NSCD和CK中基质O2含量、温度以及含水量的动态变化 Figure 6 The dynamic change of oxygen content, temperature and water content of substrate in different devices during the supply water stage |
| 项目 Item |
NSCD | CK | |||||
| 基质O2含量 Substrate oxygen content |
基质温度 Substrate temperature |
基质含水量 Substrate water content |
基质O2含量 Substrate oxygen content |
基质温度 Substrate temperature |
基质含水量 Substrate water content |
||
| 基质O2含量 Substrate oxygen content |
1.000 | -0.875** | -0.706** | 1.000 | -0.964** | -0.903** | |
| 基质温度 Substrate temperature |
-0.875** | 1.000 | 0.926** | -0.964** | 1.000 | 0.815** | |
| 基质含水量 Substrate water content |
-0.706** | 0.926** | 1.000 | -0.903** | 0.815** | 1.000 | |
| Note:* * P < 0.01. | |||||||
由图 7可见:供水之前NSCD和CK中起始基质含水量分布都比较均匀, 且两者在各部分的基质含水量均在22%左右(图 7-a、e)。供水过程中, 自分隔板往上基质含水量分布存在明显的垂直梯度, 且在NSCD中8~14 cm的水平位置处基质含水量上升比较快(图 7-b、c), 而CK中同一水平线上基质含水量的增长速度基本保持一致(图 7-f、g)。此外, 在供水之后与CK相比，NSCD中基质含水量更高, 可以达到80%以上, 这也与供水过程中NSCD中基质含水量上升比较快的结果一致。
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图 7 不同供水时间NSCD和CK中基质含水量分布图 Figure 7 Substrate water content distribution of different water supply time in the NSCD and CK 图中数值为基质含水量(%)。 The data in the figure are the substrate water content(%). |
在2种设施中, 供水期间基质中含水量均快速上升, 供水之后呈阶梯状下降(图 8)。可能是因为作物在白天耗水量远高于夜晚所致。在2种设施中供水频率也随着时间延长而升高, 主要是因为作物在不断生长, 单位时间耗水量也在不断增加。由于在整个试验期间, 2种设施中基质含水量在每一个供水周期的变化特点都相似, 所以仅选择当NSCD和CK同时供水时的供水周期即移栽后9~13 d来说明在一个供水周期内NSCD的实际工作特性及其水利特性。移栽后9~13 d, NSCD仅供水1次, 而CK供水2次, 由于每次供水之后都会使基质含水量快速上升, 所以可以将图 7中每一个基质含水量快速上升的峰值视为一次供水事件。供水时NSCD中基质含水量可以达到80%~83%, 而CK中基质含水量仅为60%~65%。此外, 基质含水量变化也呈明显的日变化特征, 在中午左右耗水量达到峰值。
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图 8 试验期间NSCD和CK基质含水量动态变化 Figure 8 The substrate water content dynamics of the NSCD and CK during the whole trial |
整个试验期间, CK灌溉13次, NSCD灌溉7次, 极大地降低了供水频率, 更加便于栽培期间的管理。NSCD和CK中每一个栽培设施的平均耗水量分别为47.11和50.18 L, 表明种植‘矮脚黄’期间NSCD比CK更加节水。通过计算IWUE可知, NSCD的灌溉水使用效率更高(27.04 kg · m-3), 比CK的高34.13%。
2.6 NSCD和CK中‘矮脚黄’根系指标的分析NSCD中‘矮脚黄’根体积、总根长以及根系活力分别为46.9 cm3、869.3 cm和149.9 μg · g-1 · h-1, 比CK分别高24.1%、31.1%和30.7%, 且差异显著。NSCD和CK中根尖数分别为3 104.3和2 632.7个, 无显著性差异。
2.7 NSCD和CK的经济性分析本试验中NSCD和CK的主要制作材料是PVC板和PVC塑料管, 所以材料的种类和用量是成本的主要因素。从表 2可以看出:CK造价为49.53元, 而NSCD造价为46.02元, 比CK低7.77%。
| 制作材料Manufacturing materials | 项目Item | NSCD | CK |
| PVC板 | 长度/m Length | 1.20 | 1.20 |
| PVC board | 面积/m2 Area | 0.74 | 0.80 |
| 单价/(元·m-2)Unit-price | 60.00 | 60.00 | |
| 造价/元Cost | 44.40 | 48.00 | |
| PVC管 | 长度/m Length | 0.34 | 0.32 |
| PVC plastics pipe | 单价/(元·m-1)Unit-price | 4.77 | 4.77 |
| 造价/元Cost | 1.62 | 1.53 | |
| 总造价/元Total cost | 46.02 | 49.53 |
目前, 关于潮汐式无土栽培装置抗张强度的研究还未见报道。本试验中使用过和未使用设施的抗张强度均达到了测试的限制值, 如果用密度更大的物质来代替石英砂进行试验也许可以进一步比较出两者的差异性。设施的种植区在种植之后有轻微变形, 致使栽培区体积增大, 所以测量所得使用过的设施抗张强度要比未使用设施的抗张强度大, 说明这2种设施的抗张强度都能够满足使用过程中荷载量的要求, 所以单从栽培设施的耐用性方面考虑也可以将NSCD作为CK的替代品使用。潮汐式灌溉过程中, 外力对基质中水扩散驱动力的影响主要是水对分离板上的作用力, 其次是基质之间的毛细作用。本试验中, 由于2种设施中所使用基质种类相同, 所以在考虑两者供水差异性时不考虑基质间毛细作用。与CK相比, 由于NSCD中“Ω”分隔板的设计压力体的横截面积要大得多, 所以NSCD中水对分隔板的压力也要大许多。
“Ω”型分隔板弧形区的设计使得营养液槽中的水与基质的接触面积增大, 且水分可以从不同的方向渗入基质, 加速水分在基质中扩散。因此, 水分在NSCD中上升的速度比较快, 且基质所吸收的水分也比较多。供水阶段NSCD中水对分隔板的压力比CK中的大也支持了这一结果。本研究发现基质中氧气含量与基质含水量以及基质温度均呈极显著负相关关系。供水时基质中原本充满空气的大空隙逐渐被水分所充满, 增高的基质含水量会限制氧气在基质中扩散[15], 所以, 随着基质含水量的升高, 基质氧气含量会降低。“Ω”分隔板的设计就是为了扩大底部基质与空气的接触面积, 促进更多的氧气扩散进基质, 以弥补供水时基质中含氧量的不足。张静等[15]发现水稻干湿交替的灌溉过程中, 土壤温度通过土壤含水量间接影响土壤含氧量变化, 即土壤温度与含氧量无相关性。本研究中基质温度的变化主要受供水温度的影响, 由于供水温度高于基质温度, 所以供水过程中基质温度会逐渐升高, 而基质含氧量是否是因基质温度的升高而降低还有待进一步研究。沈维等[16]在探究土壤不同氧气含量对黄瓜生长的影响时, 发现土壤中氧气含量仅提高0.15%即可明显促进黄瓜生长。本研究中，NSCD中基质氧气浓度较CK多, 虽未达到显著性差异, 但对作物生长确实具有明显促进作用。而且, Scotter等[17]研究表明, 一般植物根系低氧胁迫临界值为0.5%~3.0%, 最大低氧胁迫临界值可能在15%左右。本研究中, 不同设施在供水期间基质含氧量最低值在19.5%左右, 能够满足作物生长的需求。所以本研究的新型设施也可以在不降低基质含氧量的情况下增加基质含水量, 为作物根系提供适宜的水气条件。
Mahbub等[18]报道木槿的日常用水量与白天的光照积累量有明显的相关性, 光照积累量多则耗水量也多, 反之则降低。本试验中, 这种耗水量的日变化特征是由于环境条件改变而致使蒸腾速率变化而引起的。由前人研究结果可知, 叶菜类生长适宜的基质含水量为80%[19], 基质含水量降低至40%时将对植株造成干旱胁迫[20]。在NSCD中, 根系在形态上表现为体积较大, 总根长较长, 在生理上表现为根系活力较强。这一结果与Kirk[21]关于供氧充足条件下植株的根尖数有降低趋势而根长会增加的结论相一致。
本文基于作物根系需求特性以及流体力学特性研制一种新型潮汐式无土栽培设施, 并对其供水特性和应用效果进行了研究。试验结果表明NSCD和CK具有相似的抗张强度, 可以将NSCD作为CK的替代品使用; NSCD中水对分隔板的压力远高于CK中水对分隔板的压力, 这也是影响NSCD供水特性的首要因素; 供水期间NSCD能在15 min之内快速供水至基质含水量的80%, 充分满足植物根系对水分和氧气的需求, 促进地上部的生长, 显著提高作物的产量, 进而使IWUE提高34.13%。另外, NSCD的制作材料成本减少7.77%。总之, NSCD具有较好的供水特性, 能极大提高IWUE, 是一种经济适用的新型潮汐式无土栽培设施。
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