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智能设施

花匠小妙招
2024-12-12 11:48

目前，中国已经成为全球最重要的番茄制品生产国和出口国，是继美国、欧盟之后的第三大生产地区和第一大出口国。据不完全统计，截止到目前连栋玻璃智能温室于国内的种植面积达到了630 hm2，且玻璃温室种植面积仍处于不断扩大中。温室中配备现代化设备，可以调整温室内作物的生长温度、湿度、CO2 浓度、光照及营养液等环境因素，创造适宜植物生长发育的环境条件，进而实现作物周年连续生产。

连栋玻璃智能温室番茄种植生产一般采用无土栽培方式，水肥管理是其中的重要一环。以高标准水肥一体化硬件系统为基础，针对作物生长阶段，调控适宜的营养液浓度及配方并制定合适的灌溉策略，来实现作物的最佳生长状态，实现最终的高产目标。智能温室分传统连栋温室与新型半封闭温室，目前国内智能温室主要以传统连栋玻璃温室为主，通常在9 月份定植，次年7 月份拉秧，生产周期长达10 个月，采收期长达8 个月。本文将以凯盛浩丰德州番茄生产基地为例，对番茄不同生长阶段水肥灌溉的硬件配置、灌溉管理、配方调整、回液管理、营养液管理等方面进行总结，为玻璃温室番茄周年种植生产提供技术参考。

硬件配套

连栋玻璃温室灌溉设备的主要配套硬件有施肥机、清水池、回液池与消毒池、UV 消毒机、母液池、RO 反渗透制水、压力补偿器及滴箭、基质称等。

基质秤（图1）是一种集进回液量、dry-down（基质含水量损耗率）、EC、pH、基质重量、基质含水量等于一体的数据测量收集、存储与实时传输的智能设备，为种植者提供更多有关基质与根系的信息，以便实现精确灌溉。国内目前主要灌溉水包括RO 水、地下井水及雨水，雨水由于其可免费获得，且含有较少的矿物盐，较低的EC 被广泛使用，因此需要配套雨水池进行雨水收集。

图1 基质秤

灌溉管理

工厂化生产采用精准化灌溉管理系统，实现了水肥的精准供应。一般来说水肥的精确供应主要涉及的技术要点有灌溉阶段、单次灌溉量/ 灌溉总量、灌溉频率与辐射积累量、灌溉起始时间等方面。

表1 灌溉阶段的定义

注 :dry-down 定义有多种，此外的计算为 ( 饱和基质重量 - 次日首次灌溉前基质重量 )/ 饱和基质重量。

灌溉阶段

灌溉阶段根据EC 与基质含水量WC 变化情况，主要分为日出后- 出现回液、回液稳定阶段、日落前灌溉3 个阶段。3 个阶段的具体定义见表1。第一阶段灌溉的目的在于冲洗基质中营养元素，促使基质WC 达到饱和，结束时必须保证出现回液，其主要为第二阶段高辐射条件下的高蒸腾量高光合速率做准备。第二阶段高频率灌溉事情，目的是满足植株在高辐射情况下高蒸腾速率对水的需求。第三阶段一般于日落前2~3 h（晴天）、3~5 h（阴天）时结束，末次灌溉结束时间与灌溉量主要用于调节dry-down 以植株营养生长与生殖生长之前的平衡。

灌溉量

灌溉量分为单次灌溉量与当日灌溉总量，其多少均与辐射积累量有直接关系。以凯盛浩丰德州为例，温室透光率约为50%，作物截光率经计算为75%，在室外光积累量为1000 J 情况下，在维持合适根际EC 的情况下，灌溉辐射比不小于2.24 cc/m2/J。一般番茄成株期每天每株的需水量在1.5~2.0 L。荷兰经典灌溉模型为每积累1 J/cm2 的辐射情况下，给与3 cc/m2 的灌溉量。但该模型计算值与温度、湿度有很大的关系，此维持合适的绝对湿度HD（3~7）或者水蒸气压差VPD（0.8~1.2）对于维持正常的蒸腾作用至关重要。

单次灌溉量的多少取决于灌溉阶段以及基质与植株状态。一般而言，每个基质条单次灌溉量按照2.5%~5% 的灌溉基质比（基质条单次灌溉总量/ 基质条泡发后体积比）给与灌溉，其目的在于充分的冲洗替换基质中的矿质元素，偏多与偏少都会导致基质中部分区域未得到完全冲洗，进而导致营养元素的梯度如图2 所示。2.5% 的灌溉基质比积比意味着单次灌溉量少但频繁灌溉，即触发灌溉的辐射积累量低，而5% 则意味着低频率高灌溉量高辐射积累量触发值。灌溉频率的高低与基质种类相关，椰糠保水性及缓冲性优于岩棉，因此选用椰糠的情况下，其灌溉频率要低于岩棉，即选择更大的灌溉基质比，便于灌溉后氧气进入椰糠。

图2 单次灌溉量对基质的冲洗情况

注 : 颜色越深代表基质含水量越高。

选用不同的灌溉基质比决定了单次灌溉量与频率，如植株偏向营养生长，则可以适当提高灌溉基质比，扩大灌溉间隔，降低灌溉频率。此外，单次灌溉量因当日不同阶段而有所区分，以当日第一阶段为例，如dry-down 测量值为10%，单位面积基质量为8.0 L/m2，在第一阶段24 h 平均温度22℃，日间均湿为75% 的情况下，如光积累量为400 J，初步计算蒸腾量为2 mL/J，加上10% 的dry-down，如果要将基质含水量WC 恢复到饱和情况下，则第一阶段灌溉总量为800 mL+800 L×10%×1000，即约为1600 mL，灌溉辐射比约为4。

灌溉频率与辐射积累量

灌溉频率即1 天内的灌溉次数及每次的灌溉量，其灌溉次数与灌溉总量、辐射积累量、最小/ 最大间隔时间相关。一般在晴天下，触发灌溉的辐射积累量（即当达到一定辐射积累量时触发一次灌溉）以凯盛浩丰德州番茄生产基地为例，第一阶段辐射积累量触发灌溉值为120 J，第二阶段为90 J，第三阶段则为150 J，具体的灌溉次数与当日辐射积累量有关。

而在阴天情况下，由于辐射积累量无法达到设定值，会导致灌溉间隔时间过长，为维持合适的基质WC，则需要设置最小间隔与最大间隔，最小间隔的目的在于避免两次灌溉间隔时间过短，常用于夏季高辐射季节，一般为15~30 min，而最大时间间隔一般用于阴天，一般120~150 min。

灌溉起始时间

灌溉起始时间即当日首次灌溉的启动时间与末次灌溉的结束时间，其与辐射积累量、湿度、阴晴天气相关。一般日出后2 h 进行首次灌溉，大约10:00 结束。需要注意炎热天气日出后1.0~1.5 h 进行第1 次灌溉，而阴天时则通常在日出后3~4 h 进行第1 次灌溉。末次灌溉最早在日落前5 h 进行，最晚在日落前2 h 进行。阴天时提前结束灌溉，晴天则延迟。

灌溉目的是满足作物因蒸腾作用而触发根系对水肥的吸收，如果空气湿度偏高( 相对湿度RH>85%，或HD<2)，则当下空气可再容纳的水蒸气空间变小，当及时辐射积累量超过灌溉设定值时，植株的蒸腾作用仍比较弱，此时若灌溉太早，则会打破植株水分平衡状态，表现为花穗柄细长（图3），坐果后果柄折断导致落果严重，因此日出后要及时通风除湿。

图3 植株花穗柄细长

配方调整

配方的最初来源是基于植株灰分测试后，从植株各个元素的含量组成归纳出作物的配方。表2 是番茄初始配方，分别代表开放系统（无回液循环使用）、营养液循环使用系统以及根际各离子浓度。

表2 岩棉栽培下番茄初始配方

配方的调整是基于定期的营养液/ 叶片组织检测结果情况下，在基础配方的水平上进行调整。

回液管理

回液是灌溉时多余的营养液从基质袋中流出的液体，回液量计算值为单个基质条回液量与灌溉总量的比值。在荷兰由于严格的环境保护法律，限制种植者将回液排放到周边，因此在荷兰现代化温室中，回液需要经收集系统、UV 消毒机后循环再用。目前灌溉系统分为开放系统与循环系统，前者将回液直接外排，而后者则将营养液回收消毒后再进行使用。

回液的目的在于确保植株有足够的水肥供应，维持根际EC 与各离子浓度在合适的范围，具体可以参考表2。一般而言，对于每一日的回液，其主要来源于第二阶段，第一阶段排液量不应超过当日总回液的40%，第三阶段不应出现回液。回液量的多少则主要取决于单日辐射积累量，通常植株于晴天高辐射情况下根系吸水量多于吸肥量，因此在晴天应增加回液量，确保根际EC 稳定并处于合理范围内，每日回液控制可参见表3。

消毒后的回液存储于回液消毒池中，在循环使用回液的情况下，需要定期（每月2~4 次）的营养液成分检测，以便根据回液调整母液配方，一般滴箭进液端，回液的用量不超过进液EC 的1/3，即进液为3 的情况下，回液使用的EC 不超过1。当回液中某一离子浓度超过进液目标浓度时，则进液中该离子来源于母液的浓度不应低于目标浓度的50%，例如进液中B 元素目标浓度50 nmol，回液中该离子浓度为60 nmol，则来源于母液的B 元素浓度不应低于25 nmol，以确保回液成分多变的情况下保证进液离子浓度，避免植株缺素出现。

表3 不同辐射积累量情况下回液控制范围

营养液管理

营养液的管理工作主要包含营养/ 回液EC、pH、温度检测与控制。EC 反映的是营养液中大量元素阴离子与阳离子浓度和，其值越高代表营养液中离子浓度之和越高，番茄于不同生长阶段适宜EC 有所不同，夏季番茄植株对水的需求量高于营养离子，因此夏季低进液EC 与根际EC，一般建议根际EC 于3~5 mS/cm，进液EC 在2.5~3.5 mS/cm，冬季辐射强度低，湿度高，植株容易偏营养生长，因此维持稍高的进液EC 与根际EC，一般建议根际EC 于4~6 mS/cm，进液EC 在3.5~4.0 mS/cm 左右。

营养液pH 以及根际pH 的适宜范围为5.5~6.5 偏弱酸性，其主要考虑的是根际各离子可被植株吸收的有效性（图4），在不同pH 环境下，各元素其对应的稳态离子在5.5~6.5 时其不易发生沉淀，可被植物吸收，因此维持合适的根际EC 可以避免植株缺素的发生。

图4 各元素离子在不同pH 下沉淀

大多数作物合适的 pH 区间

注：ACidic 酸性，Netural 中性，Alkeline 碱性。

根际pH 的调节可以通过以下两种方式进行，一种是调节进液的pH，用硝酸、磷酸或者氢氧化钾进行调节，并对基质进行大量灌溉，以使得基质pH 恢复正常值。另外一种情况通过生理碱性盐（硝酸盐）或者生理酸性盐（铵盐）进行，根系在吸收NH4+ 离子会释放H+ 导致根际pH 下降，而吸收NO3- 离子时，会释放OH- 离子，导致根际pH 上升，一般营养液中NH4+ 浓度不应超过1.5 mmol。

番茄生产过程中，每天需要对灌溉液和回液的EC 与pH 进行监测，一般于当日末次灌溉结束30 min 后进行检测。此外，对于配方的调整，建议每周进行一次进液与回液的检测，基于检测值确保配方的准确性，并根据检测结果实时调整配方，每周送检营养液，在出现缺素情况下则同时送检叶片，其检测结果如图5。营养液温度一般维持在18~24 ℃，温度过低会导致根系及细胞中酶活性降低，影响对水肥的吸收，温度偏高则会导致营养液中溶解氧降低，导致根系缺氧。

图5 番茄叶片检测