劉 楠，王琨琦，余禮根，趙 倩，高瑞龍，衛(wèi)如雪，王利春，郭文忠

(1.西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

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基于臭氧的水培空心菜促生裝置及初步試驗

劉 楠1,2，王琨琦1，余禮根2，趙 倩1,2，高瑞龍1,2，衛(wèi)如雪2，王利春2，郭文忠2

(1.西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021；2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097)

針對無土栽培條件下營養(yǎng)液易繁殖病原菌及孽生藻類的問題，設(shè)計了適用于無土栽培溫室的基于臭氧的水培生菜促生裝置。采用電暈放電法制取O3,選擇合理的自動控制策略，獲取營養(yǎng)液殺菌消毒過程中的pH、電導(dǎo)率及液位參數(shù)等，針對植物對營養(yǎng)液的實際需求進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，為植物提供最佳的生長環(huán)境。試驗以臺灣長葉空心菜為試驗對象，通過測定0.19mg/L(處理1)、0.38mg/L(處理2)和0.57mg/L(處理3)臭氧濃度處理下水培空心菜的生長指標(biāo)及葉綠素含量，對比分析不同臭氧濃度處理與不使用臭氧消毒(對照組)條件下空心菜的生長差異。試驗結(jié)果表明：該循環(huán)消毒裝置在0.57mg/L臭氧濃度下，對空心菜的生長有一定的促進(jìn)作用，可以增加空心菜產(chǎn)量。

臭氧；營養(yǎng)液；空心菜；生長指標(biāo)；葉綠素；促生裝置

0 引言

蔬菜水培是無土栽培中發(fā)展最快的一個領(lǐng)域[1]。由于水培條件下蔬菜生長整齊、生育期短、商品性好，目前已被廣泛應(yīng)用于蔬菜栽培特別是綠葉蔬菜的高效生產(chǎn)。其中，營養(yǎng)液的循環(huán)利用，是無土栽培節(jié)約水肥的重要技術(shù)措施[2-4]。但在營養(yǎng)液循環(huán)利用的無土栽培設(shè)施及高溫高濕條件下容易引起并快速繁殖一些病原菌及孽生藻類，妨礙根的呼吸，嚴(yán)重時會造成大量作物死亡，導(dǎo)致整個栽培系統(tǒng)崩潰[5-7]。因此，在營養(yǎng)液循環(huán)利用時有必要進(jìn)行殺菌，除掉其中的病原物以利于植株更好的生長。

目前，傳統(tǒng)的營養(yǎng)液消毒方法主要包括高溫消毒、臭氧消毒及紫外線消毒等，不同的消毒方法各有優(yōu)勢。植物生長快慢最重要的是氧氣環(huán)境[8]，臭氧具有極強氧化性，易分解為氧氣，有利于植物的有氧呼吸；同時，也是一種廣譜消毒殺菌劑，有利于殺菌滅藻[9-11]。因此，將臭氧通入營養(yǎng)液，對其進(jìn)行殺菌消毒是一種綠色環(huán)保的消毒手段。

為使?fàn)I養(yǎng)液消毒更加智能便捷化，本文主要利用具有可在高溫、高濕的復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作的電暈放電法制取O3，采用自動控制的方式，設(shè)計了一種營養(yǎng)液循環(huán)利用裝置，并利用該裝置實現(xiàn)給營養(yǎng)液殺菌消毒及營養(yǎng)液的循環(huán)利用，有效解決了營養(yǎng)液細(xì)菌滋生的問題。

1 促生裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基于臭氧的水培生菜促生裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。

1.攪拌器 2.水泵 3.液位傳感器 4.曝氣石 5.PH傳感器 6.EC傳感器 7.進(jìn)水管 8.電磁閥 9.回液管 10.栽培床 11.供液管12.貯液罐

其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由各種傳感器，包括貯液池的液位傳感器、栽培床里的pH傳感器和電導(dǎo)率傳感器組成?？刂葡到y(tǒng)主要是由I/O接口、中間繼電器及電磁閥組成。臭氧發(fā)生裝置控制所有的電磁閥及攪拌棒，系統(tǒng)通過各個傳感器采集到各種信號，反饋給控制器，驅(qū)動各執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)營養(yǎng)液的攪拌、添加的控制。營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)包括栽培床、貯液罐、供液管、回液管及水泵等。母液、酸液、堿液和清水通過電磁閥的控制流入貯液罐，營養(yǎng)液利用水泵，通過供液管傳送至栽培床，給作物提供基本的養(yǎng)分和水分，經(jīng)栽培床的營養(yǎng)液通過回液管回流至貯液池，從而形成營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)。

1.2 工作原理

臭氧發(fā)生器在高頻高壓電流狀態(tài)下產(chǎn)生臭氧并經(jīng)氣泵送出，通過曝氣石將臭氧均勻送入貯液池，混合為臭氧水，經(jīng)由供液管至栽培床，實現(xiàn)營養(yǎng)液的殺菌消毒。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的環(huán)境參數(shù)，通過傳感器采集模塊，實時監(jiān)測并采集栽培槽及貯液罐中pH、電導(dǎo)率及液位等數(shù)值，并將所有信號通過RS-485總線上傳至PC機，分別將其與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制各電磁閥的開閉等。當(dāng)液位傳感器顯示值低于設(shè)定值時，根據(jù)設(shè)定好的母液、酸液、堿液濃度及清水容積開啟閥門將其輸出至貯液罐，達(dá)到液位上限時關(guān)閉閥門；并通過攪拌器攪拌營養(yǎng)液，待其均勻后將其輸出，經(jīng)進(jìn)液管為栽培床中的植物供液，為植物根系的生長提供良好的根系環(huán)境；之后，經(jīng)回流管返回到貯液罐，從而完成一個循環(huán)控制過程。

2 基于臭氧濃度的營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)試驗

2.1 試驗方法

2.1.1 試驗設(shè)計

試驗于2015年8-9月在北京市小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地?zé)o土栽培溫室中進(jìn)行，以空心菜為供試材料，采用營養(yǎng)液膜培法(NFT，Nutrient Film Technique)進(jìn)行栽培。2015年8月20日種子經(jīng)浸種催芽后播于聚氨酯泡沫育苗塊上，真葉露心時分苗于泡沫板；于9月1日將空心菜幼苗按12.5cm×16cm的密度定植于DFT(深水液流系統(tǒng)，Deep Flow Technique)栽培槽(長4.8m，寬0.58m)中；定植后經(jīng)1周緩苗，開始利用水培空心菜促生裝置進(jìn)行初步的臭氧對水培空心菜生長的影響試驗；于每天8：00-18：00進(jìn)行間歇性臭氧曝氣，對空心菜設(shè)定4個臭氧濃度處理：分別為對照組(不通臭氧)、處理1(濃度為0.19mg/L)、處理2(濃度為0.38mg/L)、處理3(濃度為0.57mg/L)。各處理組和對照組均為130L營養(yǎng)液循環(huán)使用，當(dāng)液位低于50L時添加母液、酸液、堿液及清水至原始濃度和液位。

2.1.2 測定項目和方法

定植后，每間隔4天測定空心菜的葉片數(shù)、株高、莖粗及葉綠素含量。利用卷尺測量空心菜的株高(定植板向上至葉部頂端距離)，游標(biāo)卡尺測量空心菜莖粗(莖基部直徑)，葉片葉綠素含量測定采用便攜式葉綠素測定儀(SPAD-502，日本柯尼卡美能達(dá)控股株式會社)測定;每次隨機選擇6株進(jìn)行測定，記錄數(shù)值，并計算平均值，重復(fù)3次。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

利用Microsoft Excel軟件進(jìn)行分析和作圖,采用SPSS 13.0進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)處理。

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 不同臭氧濃度處理對空心菜生長的影響

從開始通氣至收獲時空心菜株高、莖粗、葉片數(shù)的變化過程如圖2～圖4所示。結(jié)果表明：隨著定植天數(shù)的增加，不同處理下空心菜葉片數(shù)、株高、莖粗總體呈現(xiàn)上升趨勢。處理初期，空心菜生長緩慢，處理2的葉片數(shù)與處理1、對照組無顯著性差異，處理3顯著高于其他處理；不同臭氧濃度處理下水培空心菜的莖粗和莖高表現(xiàn)為：處理3>處理2>處理1>對照組，處理3顯著高于處理1和對照組。隨著空心菜的生長，臭氧濃度處理對空心菜葉片數(shù)、株高、莖粗的積累從第14d開始產(chǎn)生顯著差異，對照組和處理1的葉片數(shù)和莖粗無顯著性差異，但處理1的莖高顯著高于對照組。處理3下的空心菜生長狀態(tài)最好，其葉片數(shù)、莖粗、株高均為最大；采收時，處理3(即0.57mg/L)條件下空心菜的葉片數(shù)、株高、莖粗均高于其他處理，處理1的莖粗和葉片數(shù)略低于對照組；處理3的莖高明顯高于對照組，分別比對照組增加了16.1%，比處理1增加14.4%，比處理2增加12.1%。經(jīng)監(jiān)測，不同臭氧濃度處理下營養(yǎng)液中的pH與電導(dǎo)率無顯著差異。

圖2 不同臭氧濃度對空心菜莖粗的影響

圖3 不同臭氧濃度對空心菜株高的影響

圖4 不同臭氧濃度對空心菜葉片數(shù)的影響

植物的葉片數(shù)的減小，植物的矮化和莖縮短是空心菜最直觀的衰老腐敗現(xiàn)象[12]。試驗結(jié)果表明：適宜濃度的臭氧處理對促進(jìn)空心菜的生長效果顯著，但濃度過小會導(dǎo)致部分植株的矮化和葉片數(shù)減小。

2.3.2 不同臭氧濃度處理對空心菜葉綠素的影響

葉綠素是植物光合作用的關(guān)鍵物質(zhì)和有機營養(yǎng)的基礎(chǔ)，其含量的下降是葉片衰老最明顯的特征。作為一種可見的特征，葉綠素含量被視為逆環(huán)境中監(jiān)測植物生長的受害程度的指標(biāo)[13]。不同臭氧濃度處理對空心菜SPAD值的影響如圖5所示。

圖5 不同臭氧濃度對水培空心菜中葉綠素含量的影響

由圖5明顯可以看出：處理3的空心菜SPAD值含量變化較為劇烈，始終高于其他處理，在第7天到19天處理1、2與對照組的SPAD含量變化相差不大，且變化相對較為緩慢。其中，處理1臭氧處理11天時空心菜中的SPAD值僅比未進(jìn)行處理時高0.28，處理2增大了0.22。在處理初期，各處理間無顯著差異，隨著時間的延長，處理3較處理2、處理1和對照組而言具有顯著差異，且在最后收獲時各處理SPAD值達(dá)到最大。

3 結(jié)論

1)設(shè)計了基于臭氧的水培空心菜促生裝置，利用臭氧的強氧化性及易分解等特性，針對營養(yǎng)液循環(huán)易繁殖病原菌、孽生藻類等問題，可利用該促生裝置進(jìn)行殺菌消毒，使得營養(yǎng)液消毒更加智能化。

2)試驗結(jié)果表明：隨著臭氧濃度的增大，空心菜的長勢越來越旺盛，0.57mg/L臭氧處理促進(jìn)了水培空心菜莖粗、株高、葉片數(shù)及葉綠素含量的提高。因此，臭氧濃度有利于促進(jìn)水培空心菜的生長，不僅可以增加空心菜產(chǎn)量，也可改善空心菜的品質(zhì)。對于臭氧在營養(yǎng)液消毒及水培空心菜的影響等需進(jìn)一步的試驗研究。

[1] Blom-Zandstra M,Eenink A H.Nitrate concentration and reduction in different genotypes of lettuce[J].Journal of the American Society for Horticultural Science,1986, 11(6):908-911.

[2] Kotsirasa A,Olympiosa C M,Drosopoulosb J,et al.Effects of nitrogen form and concentration on the distribution of ions within cucumber fruits[J].Scientia Horticulturae,2002,95(3):175-183.

[3] Rios-Gonzalez K,Erdei L,Lips S H.The activity of antioxidant enzymes in maize and sunflower seedlings as affected by salinity and different nitrogen sources[J].Plant Science, 2002,162(6):923- 930.

[4] 別之龍,徐家林,楊曉峰.營養(yǎng)液濃度對水培生菜生長和硝酸鹽積累的影響[J].農(nóng)機化研究,2005,21(S2)：109-112.

[5] 宋衛(wèi)堂,孫廣明,劉芬,等.臭氧殺滅循環(huán)營養(yǎng)液中三種土傳病原菌的試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(6):189-193.

[6] 劉偉,陳殿奎,E A vanOs.無土栽培營養(yǎng)液消毒技術(shù)研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(S2):121-124.

[7] 王冬華,袁小艷,宋衛(wèi)堂.無土栽培循環(huán)營養(yǎng)液的滅菌[J].北方園藝,2005(4):18-19.

[8] 劉向輝.無土栽培循環(huán)營養(yǎng)液紫外線滅菌技術(shù)的研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

[9] 丁明.臭氧在溫室黃瓜無公害生產(chǎn)上的應(yīng)用研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2004，21(S2):109-112.

[10] 孫震.臭氧防治溫室病蟲害裝置及其控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué),2010.

[11] 高南飛.臭氧技術(shù)在處理生活污水方面的應(yīng)用研究[D].長春:吉林大學(xué),2004.

[12] 郭明俊,管婉青,徐夢玲.基于臭氧的智能防治病蟲害系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2013(18):86-88.

[13] 彭春霞.鐵營養(yǎng)對蕹菜生長和品質(zhì)影響研究[D].長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

The Growth Device and Preliminary Test for Hydroponic Spinach Based on Ozone Concentration

Liu Nan1,2, Wang Kunqi1,Yu Ligen2, Zhao Qian1,2,Gao Ruilong1,2，Wei Ruxue2,Wang Lichun2,Guo Wenzhong2

(1.School of Mechatronic Engineering，Xi’an Technological University, Xi’an 710021, China; 2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture,Beijing 100097,China)

To solve the problems with pathogenic bacteria and growing algae existed in nutrient liquid under soilless cultivation condition, this paper was destined to design a growth device with circulating disinfection based on ozone treatment. The ozone gas was produced by high voltage power. The parameters of pH, EC and liquid level were observed by automatic control system, which could be dynamically adjusted according to the actual demand of plant nutrition by control algorithm, in order to create the best growing condition for plants. In this paper, Taiwan water spinach was chosen as the test object, the differences among different levels of ozone treatment has been investigated by measuring growth index of water spinach at 0.19, 0.38 and 0.57mg/L mass concentrations of ozone. The results showed that the ozone concentration at 0.57 mg/l can significantly promote the growth of water spinach, the yield of water spinach could be increased and the quality could also be improved. This research will provide basic data and theoretical basis for the application of ozone disinfection technology in soilless culture system.

ozone;nutrient solution; spinach;growth index; chlorophyll; grouth device

2015-12-23

北京市農(nóng)林科學(xué)院青年基金項目(QNJJ201421)

劉 楠(1990-),女，陜西渭南人，碩士研究生，(E-mail) 372394830@qq.com。

王琨琦(1955-)，男，陜西岐山人，教授，(E-mail)372122167@qq.com。

S317

A

1003-188X(2017)01-0092-04