新农夫技能贴——植物工厂的水培系统

植物工厂最大的优势在于情况可控，使农业摆脱了地区和自然情况的限制，实现了农业生产的高产和高品格；而可控的情况除了光照、温度、气体等情况因素，还包括水分和营养。本日我们就来讨论一下植物工厂里水分和营养的调控。

水耕栽培的由来

植物工厂中大多采用水耕栽培(Hydroponics)技能，这是植物工厂的焦点技能之一。水耕栽培也叫营养液栽培，是将植物生长需要的养分制成营养液供植物吸收的栽培技能，不需要土壤，植物的根系生长在营养液中。

植物根系生长在营养液中，不需要土壤。

汗青上有纪录的最早提出不用土壤种植植物而用水培(water culture)的是英国文艺复兴时期的散文家、哲学家，弗朗西斯·培根，他不仅在哲学发展史上做出了重大贡献，被马克思、恩格斯称为“英国唯物主义的第一创始人”，培根也是实验科学的先锋，直到他去世之前，还在试验冷冻对肉类防腐的作用。培根去世一年后的1627年，他提出的水扶植物理论才被出版，从此人们开始关注水培技能。

弗朗西斯·培根。图

此后，履历了科学家们的试验研究，发现蒸馏的纯净水不能满意植物生长需求，含有特定的营养元素成分的溶液才是关键，由此人们把用含有矿质营养的溶液种植植物的技能叫做“溶液栽培”(solutionculture)，这项技能很快成为研究热点；而本日，我们把这种溶液栽培称为水耕栽培，Hydroponics源自希腊语，意为农业耕作中土壤换成了水。

水耕栽培为何风靡至今

自从水耕栽培技能被提出，相关的学术研究和技能创新不断，至今一直受到广泛的关注，这是因为水耕栽培具有显而易见的优势。

首先让我们看一下营养液是如何被植物使用的。水由根部被吸收，颠末根茎木质部运输到植物体各部位，一部分水分用于植物生长，大部分经过叶片气孔蒸腾出去，蒸腾出去的水分又需要补充，所以蒸腾作用也是根部吸水的主要动力，根系吸水与蒸腾作用形成了植物体的水循环；矿质营养的运输则依靠水的运输而流入植物生长所需的各个部位，所以，根系是植物水分与养分的最主要泉源，也因此，根系外部情况密切影响着植物对水分和营养的吸收。

水由植物根系吸收，颠末木质部导管运输到叶片，从叶片表面的气孔蒸腾进入大气。图：ss0.bdstat

营养液可以为植物提供稳定的、源源不断的水分和营养元素，这对原本依赖于土壤中水分和矿质营养生存的植物来说简直是从粗茶淡饭到自助大餐的区别。因此，在营养液中生长的植物生长速率远高于土壤中生长的植物，并且人工可控的营养供给使产品格量也得到了提高。

脱离了含有各种有害病菌的土壤，水耕栽培避免了一大部分植物病害，大大低落了喷施农药的需求，植物工厂中的蔬菜是安全无公害的优质产品。

中环易达黄河三角洲农业高新技能产业示范区项目标植物工厂内水耕栽培的安全无公害生菜。

同时，水耕栽培便于自动化操作，节省人力，甚至还可以达到节省水分肥料的效果。以中环易达果菜工厂为例，采取了水耕栽培技能，将灌溉与施肥融为一体，借助压力系统和EC/pH传感器，将液体肥母液按作物种类和需肥特点举行水、肥配比，并依据智能温室提供的温湿度、光照强度等条件，举行全自动智能调节，实现全生育期水分和养分定量、定时、按比例供应，有效控制灌溉水量和施肥量，达到科学种植与提高水肥使用率的效果。同时，通过对灌溉余水举行接纳，消毒，再配比的循环使用可以或许实现50%的节肥率和高达90%的节水率。

中环易达植物工厂的水肥一体化灌溉系统。

营养液配方

水耕栽培技能的关键无疑是营养液的配方，植物需要哪些矿质元素，多少浓度下有利于植物吸收，都是配制营养液需要答复的问题。从16世纪著名的柳树实验起，植物生理学履历了几个世纪的发展，植物生理学家们把植物根系吸收的生长发育必需的营养元素分为大量元素和微量元素，大量元素有氮、磷、硫、钾、钙、镁、硅，这些元素是植物需要量较多的元素，所以常见的人工化肥也以氮肥、磷肥等居多；微量元素包括铁、锰、锌、铜、钼、氯、钠、镍等。这些矿质元素以矿质离子的形式存在于营养液中被植物根系吸收。

除了碳、氢、氧以外，植物生长所必需的所有营养元素都是由根部吸收进入植物体内。图

虽然植物对大量元素与微量元素有需要量多少的差别，但它们都是必不可少的营养元素，各自对植物生长起着独特的作用，缺少任何一种元素都会影响到植物的正常发育。不同的植物缺少矿质元素的表现也是不同的，三杯鸡中的配菜罗勒是植物工厂常见的水耕栽培作物，美国康奈尔大学的NeilMattson博士和TanyaMerrill对罗勒的缺素症举行了相对完整的对比实验，效果表明每一种矿质元素的缺少都会给植物造成病症：

氮肥的缺少会导致老叶变黄，植株个头较小；

缺少磷肥导致老叶出现紫色斑点，长期缺磷则导致紫色斑点扩大，叶片缺绿，且植株提早着花；

缺钾会造成罗勒叶片出现坏死，叶片变黄；

缺钙导致嫩叶首先出现坏死，且根部变黄；

缺镁会造成叶片缺绿，继承恶化则会出现叶片坏死；

缺硫会使整片叶片变黄，植株生长量显着低落；

长期缺铁会导致嫩叶首先出现缺绿症状；

缺硼会导致叶片缺绿以及根系生长受到抑制。

显然，营养液的配制需要颠末反复实验，调整各种矿质元素的浓度，针对不同种类的作物，大概同一种作物的不同品种，配制出专用的营养液，甚至同一品种的作物不同生长时期在矿质营养的需求方面都会有差别。别的，各种矿质离子全都溶于营养液，营养液总的离子浓度和酸碱度也要控制在适宜植物生长的范围内，这就要思量到各种离子之间的化学反应、溶解度等。

如果说先进的技能设备为植物工厂的运营提供了坚固的硬件底子，那么营养液配方和光配方就是植物工厂实现高效高品格生产最重要的技能后援。中环易达的植物工厂在培养不同品种的果菜、叶菜时给植物定制营养配方，保证了不同作物对矿质营养的不同需求一一得到满意，从而实现高效的生产。

中环易达植物工厂拥有不同作物的营养液配方。

植物工厂的营养液循环与控制系统

对一株植物举行水耕栽培很简朴，但是对于成百成千株植物就不同了：水耕作物工厂化生产的过程中，定期换水是不现实的，而造就过程中，营养液中大概产生的水藻、植物本身代谢产生的有毒物质会抑制植物的生长，以及造就液的浓度、酸碱度等性质也会随着植物吸收水分和营养而改变，这些因素给植物工厂水耕栽培带来了挑战。

现在，营养液循环与控制系统是植物工厂中十分重要的水肥控制系统，它是一种将植物使用后剩余的营养液接纳使用的技能，完成了对植物的营养液供给与调控举行统一化、自动化的控制。

中环易达黄河三角洲农业高新技能产业示范区项目标植物工厂内采用了智能化的营养液循环控制设备。

营养液循环控制系统主要包含栽培床，营养液池，检测传感器，循环水泵，过滤与消毒装置和自动控制装置等部分。

营养液池内的营养液由检测传感器监测，保证它的离子浓度、酸碱度、氧含量和温度处于适宜植物生长的范围，离子浓度和酸碱度的调节是通过参加已经配好的营养液母液或酸碱液，氧含量的增加是通过搅拌装置或造就液的循环活动，液温则是通过加热或制冷装置举行。

营养液由水泵抽入栽培床，多余的营养液颠末过滤和消毒重新流入营养液池，这就是营养液的循环过程。下图以中环易达设计的人工光型植物工厂为例，展示了植物工厂的营养液循环与控制系统。

营养液循环控制系统的优化

营养液循环控制系统实现了对水分和营养的充分使用，避免了向外界排放营养液废液造成的情况污染，既节省资源，又具有情况友好的特点。然而，现在的营养液循环控制系统依然有优化的空间。

营养液的循环使用固然节省资源、保护情况，然而植物生长代谢过程中分泌的有机酸等不利于植物生长的物质使得营养液循环液中有害物质的堆积，去除这些有害物质极有利于实现营养液循环使用。

现在，最适合的方法是光催化法，它是使用特殊材料纳米二氧化钛吸收紫外光所产生的强氧化效应，将营养液中的有机酸分解成二氧化碳、水和别的小分子。光催化法在净化情况污染方面已经有广泛的应用，而在营养液净化方面的应用尚处在研究阶段，这种方法不仅高效、无毒，还对蔬菜的质量没有影响，是十分有应用远景的营养液净化方法。

纳米二氧化钛。图

植物的生长过程是无法完全量化的，正如“世界上没有两片完全相同的叶子”，每一轮的作物生长都会使营养液的成分发生不同的改变，虽然营养液的浓度和酸碱度可以被实时监测并相应作出调控决议，然而单一营养元素的检测却仍然无法举行实时监测。

随着传感技能在农业范畴的不断发展，单一营养元素的检测技能也处在快速发展的阶段，也许不久的未来，单一营养元素实时检测技能可以被运用到营养液循环控制系统中，当植物工厂中生长的作物对某种元素吸收较多时，它可以实时检测到该元素的浓度迅速低落，进而在营养液中增加这种元素的剂量。这样就真正做到了对植物的生长“对症下药”，而前文提到的各种缺素症将不再出现在植物工厂中了。