李傳輝

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福州 350003）

NFT 栽培（Nutrient film technique）即營(yíng)養(yǎng)液膜栽培，指營(yíng)養(yǎng)液以淺層流動(dòng)的形式在種植槽中從較高一端流向較低一端的水培方式［1］。淺液流特點(diǎn)是循環(huán)供液的液流呈膜狀，僅以數(shù)毫米厚的淺液流流經(jīng)栽培槽底部，水培作物的根底部接觸淺液流吸水吸肥，上部暴露在空氣中吸氧，較好地解決了根系吸水與吸氧的矛盾［1］。NFT 栽培是一種新型的無(wú)土栽培技術(shù)，與傳統(tǒng)的有土栽培相比，能夠提高水肥的利用率，節(jié)省勞力，增加蔬菜產(chǎn)量，解決土壤連作障礙，提高土地利用率，可控性強(qiáng)，便于生產(chǎn)上工廠化穩(wěn)定生產(chǎn)和應(yīng)用推廣。國(guó)內(nèi)學(xué)者設(shè)計(jì)了一些專門針對(duì)NFT 的水肥系統(tǒng)并進(jìn)行了試驗(yàn)分析。魏靈玲等［2］研制了多功能水耕栽培系統(tǒng)，適用于NFT 模式，實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)液的自動(dòng)控制。劉現(xiàn)等［3］設(shè)計(jì)了一款能自動(dòng)灌溉、混肥、潔桶、洗槽等功能的營(yíng)養(yǎng)液膜（NFT）栽培試驗(yàn)儀，可用于NFT 栽培品種篩選試驗(yàn)。沈子堯等［4］概述了NFT 水培蔬菜規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)并分析NFT 水培蔬菜的效益，得出NFT 水培栽培蔬菜年利潤(rùn)可觀的結(jié)論。卯練練等［5］設(shè)計(jì)了一種能夠自動(dòng)沖洗管道的管道NFT 水培葉菜系統(tǒng)。

本研究設(shè)計(jì)的NFT 栽培系統(tǒng)能夠使?fàn)I養(yǎng)液按設(shè)定的EC 和pH，通過(guò)灌溉管道輸送到設(shè)定的NFT栽培區(qū)中，能夠自行設(shè)定灌溉時(shí)間和灌溉周期，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域輪流灌溉，營(yíng)養(yǎng)液可循環(huán)利用。目前已成功應(yīng)用于上海青、生菜、快白、空心菜、花瓶菜、香菜等葉菜類蔬菜種植。以福州市種植華冠上海青為例，從移栽至栽培槽，再到采收，生長(zhǎng)周期夏季為20~30 d，冬季為28~35 d，蔬菜生產(chǎn)可控性強(qiáng)，周期短，采收完可立即進(jìn)行下一茬種植，周年栽培的情況下年產(chǎn)量可達(dá)375 t/hm2。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具備了溫室水培灌溉的基本功能，滿足作物的灌溉需求，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

NFT 水肥一體化栽培系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由吸肥系統(tǒng)、NFT 灌溉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三大部分組成。吸肥系統(tǒng)主要包括母液桶（A 液、B 液、H 液）、文丘里、配肥自吸泵、EC 及pH 傳感器、液位傳感器等，吸肥系統(tǒng)主要功能為從3 個(gè)母液桶中按比例吸收肥料母液并添加到儲(chǔ)液池中，完成吸肥動(dòng)作。NFT 栽培系統(tǒng)由儲(chǔ)液池、灌溉出水泵、灌溉分區(qū)電磁閥、NFT 栽培管道、回液池等組成，它的主要功能為將儲(chǔ)液池中配置好的營(yíng)養(yǎng)液按照系統(tǒng)要求灌溉到NFT栽培區(qū)域中，并實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液的回收利用?？刂葡到y(tǒng)主要由PLC、HMI 觸摸屏、擴(kuò)展模塊等組成，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制和人機(jī)交互。

圖1 NFT 水肥一體化栽培系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

NFT 栽培區(qū)主要由栽培槽、栽培支架等組成。植株是在NFT 栽培槽的種植孔中生長(zhǎng)，建議栽培槽寬度70 cm、高度50 cm、長(zhǎng)度6 m，種植孔直徑5 cm、孔距20 cm。栽培槽管道不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)出現(xiàn)因營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)供給不勻而導(dǎo)致末端蔬菜生長(zhǎng)欠佳。栽培槽兩端分別設(shè)有進(jìn)水管道、出水管道，在進(jìn)水管道上安裝灌溉分區(qū)電池閥，在出水管道上安裝過(guò)濾裝置，以達(dá)到過(guò)濾雜質(zhì)及殺滅營(yíng)養(yǎng)液中有害病菌的目的。栽培支架起到支撐栽培槽的作用，建議栽培支架坡度為1.5%、橫向柱之間間距1.6 m、縱向柱之間間距2 m、支架高度75 cm。灌溉儲(chǔ)液池的大小根據(jù)栽培面積，一般循環(huán)的營(yíng)養(yǎng)液量不超過(guò)總量的50%為宜。

1.2 系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)營(yíng)養(yǎng)液的配置、檢測(cè)。它能根據(jù)管理人員設(shè)定的EC 和pH，自動(dòng)配制儲(chǔ)液池中的營(yíng)養(yǎng)液，制備的過(guò)程是多種肥料母液和清水充分混合并達(dá)到預(yù)設(shè)EC 和pH 的動(dòng)態(tài)過(guò)程［6］。儲(chǔ)液池中安裝有液位傳感器，系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)儲(chǔ)液池中液位情況。在儲(chǔ)液池液位值下降至設(shè)置下限時(shí)，啟動(dòng)儲(chǔ)液池自動(dòng)補(bǔ)液程序，開(kāi)啟清水補(bǔ)水閥并啟動(dòng)吸肥系統(tǒng)，吸肥系統(tǒng)通過(guò)EC、pH 傳感器實(shí)時(shí)值，結(jié)合用戶設(shè)置的EC，自動(dòng)判斷需補(bǔ)充量，在文丘里效應(yīng)的作用下，各母液桶里的肥料母液通過(guò)各配肥電磁閥的開(kāi)關(guān)控制按比例被吸到文丘里管中，在文丘里管中與儲(chǔ)液池中抽取的營(yíng)養(yǎng)液混合后重新注入儲(chǔ)液池中。當(dāng)儲(chǔ)液池液位值重新升至設(shè)置上限時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉儲(chǔ)液池自動(dòng)補(bǔ)液程序，關(guān)閉清水補(bǔ)水閥和吸肥系統(tǒng)，保證儲(chǔ)液池中營(yíng)養(yǎng)液的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。

需要灌溉時(shí)，儲(chǔ)液池里的營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)灌溉出水泵，將營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)管道經(jīng)各分區(qū)電磁閥依次輸送到NFT 各個(gè)栽培區(qū)，流經(jīng)作物根系后回流至回液過(guò)濾池中，回液過(guò)濾池中的回液經(jīng)過(guò)沉淀達(dá)到一定液位時(shí)，經(jīng)過(guò)濾裝置返回至儲(chǔ)液池內(nèi)，完成一次循環(huán)。

NFT 灌溉系統(tǒng)采用分區(qū)灌溉，當(dāng)灌溉營(yíng)養(yǎng)液配制完成時(shí)，按照系統(tǒng)設(shè)置的灌溉方式，控制灌溉分區(qū)電磁閥開(kāi)閉以及開(kāi)閉時(shí)間來(lái)進(jìn)行灌溉。系統(tǒng)可以自行設(shè)置灌溉起止時(shí)間和間隔時(shí)間，在灌溉起止時(shí)間內(nèi)，控制灌溉出水泵、灌溉分區(qū)電磁閥等來(lái)完成間歇性灌溉。

當(dāng)種植結(jié)束或需要清洗儲(chǔ)液池時(shí)，需要將池內(nèi)剩余的廢液排出，此時(shí)可關(guān)閉各個(gè)分區(qū)電磁閥，開(kāi)啟灌溉泵，開(kāi)啟排污電磁閥，經(jīng)排污管道將儲(chǔ)液池內(nèi)廢液排至廢液收集池做進(jìn)一步處理。

1.3 系統(tǒng)控制框圖

系統(tǒng)控制框如圖2 所示，選用PLC 作為控制主機(jī)，設(shè)計(jì)模擬量輸入有液位、EC、pH、流量等。設(shè)計(jì)數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸出有配肥電磁閥、配肥自吸泵、灌溉出水泵、灌溉分區(qū)電磁閥、清水補(bǔ)水閥、排污電磁閥等。人機(jī)交互界面選用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，觸摸屏經(jīng)GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)PC 和手機(jī)端的遠(yuǎn)程監(jiān)控，PLC 與觸摸屏則通過(guò)485 總線實(shí)現(xiàn)通訊。

圖2 系統(tǒng)控制框圖

2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

選用維控觸摸屏PI7080 作為人機(jī)交互界面，觸摸屏可從PLC 中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令并監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能。觸摸屏主顯示界面如圖3 所示，對(duì)應(yīng)的6 個(gè)按鈕實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能設(shè)置及控制。①灌溉程序按鈕，設(shè)置NFT 各分區(qū)的栽培灌溉時(shí)間段、每次的灌溉時(shí)間、灌溉間隔時(shí)間；②配肥設(shè)置按鈕，設(shè)置各種肥料母液的配比、設(shè)定所需的營(yíng)養(yǎng)液pH 和EC；③手動(dòng)控制按鈕，配肥電磁閥、配肥自吸泵、灌溉出水泵、灌溉分區(qū)電磁閥、清水補(bǔ)水閥等設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制；④運(yùn)行狀態(tài)按鈕：可實(shí)時(shí)顯示營(yíng)養(yǎng)液EC 和pH、儲(chǔ)液池液位、各灌溉分區(qū)的灌溉情況等；⑤數(shù)據(jù)記錄按鈕：記錄營(yíng)養(yǎng)液EC 和pH、儲(chǔ)液池液位等的實(shí)時(shí)變化曲線；⑥系統(tǒng)設(shè)置按鈕：設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。運(yùn)行狀態(tài)界面見(jiàn)圖4。

圖3 觸摸屏主顯示界面

圖4 運(yùn)行狀態(tài)界面

3 NFT 系統(tǒng)能耗分析

3.1 系統(tǒng)試驗(yàn)

在中以示范農(nóng)場(chǎng)一個(gè)NFT 栽培溫室內(nèi)種植上海青（華冠青梗菜），采用NFT 水肥一體化栽培系統(tǒng)進(jìn)行灌溉。試驗(yàn)栽培面積90 m2，共有70 根NFT 栽培槽，每根栽培槽有38 個(gè)種植孔，總共可定植2 660株，即栽培密度為30 萬(wàn)株/hm2。上海青于2020 年9月30 日播種，2020 年10 月23 日定植，2020 年11 月22 日采收，全生育期為54 d。在整個(gè)上海青NFT 栽培過(guò)程中，計(jì)算所需要的直接生產(chǎn)成本及產(chǎn)量。直接生產(chǎn)成本主要計(jì)算育苗費(fèi)用、肥料費(fèi)用、水電費(fèi)、人員工資等4 類。育苗費(fèi)用指購(gòu)買種子、基質(zhì)土、苗期營(yíng)養(yǎng)液灌溉等費(fèi)用；肥料費(fèi)用指定植過(guò)程消耗的肥料的成本；水電費(fèi)指種植過(guò)程消耗于灌溉或營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)等用水、用電的費(fèi)用；人員工資指栽培期間工人定植、采收等工人工資和管理人員管理工資。上海青產(chǎn)量測(cè)量方法為：采收時(shí)取長(zhǎng)勢(shì)較一致的10株，取地上可食部分稱量后取平均值。

育苗所需的基質(zhì)為品氏泥炭土和蛭石按照6∶1的比例混合，將其填充在育苗穴盤（2 cm×2 cm×5 cm）中，然后采用機(jī)器播種，每孔一粒種子，每盤有442 個(gè)孔，即每個(gè)育苗盤需要442 粒種子。播種完成后將育苗盤放置在育苗架上。苗期管理均使用自動(dòng)澆灌系統(tǒng)進(jìn)行澆灌，施用養(yǎng)力多育苗肥，育苗肥液EC 為1.2 mS/cm，pH 為6。

NTF 定值栽培過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)母液配方以及水肥系統(tǒng)的控制將直接影響作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)。營(yíng)養(yǎng)液母液分為A 液、B 液，100 L 的A 液配方為硝酸鈣8 kg、硝酸鉀3 kg 組成的大量元素溶液；B 液配方為硫酸鎂5 kg、磷酸二氫鉀1.5 kg、螯合鐵0.23 kg、硼酸0.03 kg、硫 酸 鋅0.03 kg、硫 酸 錳0.06 kg、硫 酸 銅0.002 kg、鉬酸銨0.000 7 kg 組成的大量元素和微量元素溶液。

3.2 結(jié)果分析

本試驗(yàn)栽培面積90 m2，共需2 660 株苗，按種子發(fā)芽率80%左右計(jì)算，需播種8 個(gè)育苗盤，需要3 526 粒種子。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，NFT 水肥一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了NFT 營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)、間歇灌溉，系統(tǒng)穩(wěn)定，配肥精度高，EC 控制精度為±0.3 mS/cm。上海青栽培的育苗費(fèi)用、肥料費(fèi)用、水電費(fèi)、人員工資等直接生產(chǎn)成本及產(chǎn)量如下。①育苗費(fèi)用：種子費(fèi)用2 元，基質(zhì)土24 元，人工8 元（機(jī)器播種一盤人工成本1 元），育苗肥料8 元，水電約1 元，總計(jì)43 元。②肥料費(fèi)用200 元。③水電費(fèi)54 元。④人工工資：工人擺管及定植2.0 h，采收及衛(wèi)生清理8.5 h，每小時(shí)15.0 元，工人費(fèi)用總計(jì)157.5 元。按1 個(gè)管理人員可管理10 000 m2種植面積，每月管理工資7 000 元計(jì)算，本試驗(yàn)面積管理人員費(fèi)用63 元。因此，總計(jì)人工成本220.5 元。⑤產(chǎn)量：上海青每株平均產(chǎn)量0.118 kg。

本試驗(yàn)面積內(nèi)的上海青直接成本為517.5 元，故上海青直接成本為0.195 元/株，每株平均產(chǎn)量為0.118 kg。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的NFT 栽培系統(tǒng)采用PLC 作為控制器，觸摸屏作為人機(jī)交互界面，系統(tǒng)能夠使?fàn)I養(yǎng)液按設(shè)定的EC 值、pH，通過(guò)灌溉管道輸送到設(shè)定的NFT栽培區(qū)中，能夠自行設(shè)定灌溉周期，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域輪流灌溉，并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。經(jīng)實(shí)際運(yùn)用證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、耐用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了NFT 營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)、間歇灌溉，配肥精度高，EC 值控制精度為±0.3 mS/cm，滿足溫室NFT 系統(tǒng)栽培灌溉的需求。運(yùn)用該NFT 水肥一體化系統(tǒng)栽培的上海青直接成本為0.195 元/株，上海青每株產(chǎn)量為0.118 kg。本試驗(yàn)的不足之處為成本計(jì)算時(shí)只計(jì)算了育苗費(fèi)用、肥料費(fèi)用、水電費(fèi)、人員工資等直接成本，未考慮基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和設(shè)備設(shè)施折舊費(fèi)、土地租賃費(fèi)等成本。