一种水培营养液pH值调控方法及装置

• 花匠小妙招
• 2024-12-18 22:29

技术领域

本发明涉及设施农业无土栽培技术与装备领域，尤其涉及一种水培营养液pH值调控方法及装置。

背景技术

无土栽培采用营养液或者人工基质浇灌营养液的方式种植蔬菜，摆脱了天然土壤的束缚，同时也避免了传统土壤栽培连作障碍和土传性疾病的发生，减少了蔬菜生产过程中农药的施用，在提高蔬菜品质的同时降低了农业生产成本；由此，可以实现周年连续生产，成为高产、优质高效生产蔬菜的一种新途径。水培是无土栽培技术中发展较快的一种形式，其核心是利用营养液代替土壤向作物提供养分，通过对营养液的调控管理实现养分的充足供应，使作物的生长期缩短、产量和品质提高。

水培条件下的作物根系浸没于营养液中，由于没有土壤的缓冲作用，蔬菜作物的生长极易受到根际环境(pH值、EC、养分)波动的影响。目前，商业化水培的营养液通用配方主要有氮、磷、钾、钙、镁、硫六种元素，作物根系对氮、磷、钾的吸收量往往大于对钙、镁、硫的吸收量，即作物对这六种元素的吸收又是非均衡的。众所周知，营养液的pH值在5.5～6.5之间即可满足多数情况下的作物生长需求，而营养液成分比例发生变化时，其pH值往往会升高，由此将导致磷、钙、镁、铁、锰、硼、锌的有效性会降低，作物根系对水分、养分的吸收功能也会受到影响，进而影响其产量。

在现有的封闭式栽培系统中，通常通过添加无机酸的方法将营养液的pH值控制在适宜的范围内，例如，硝酸、硫酸或磷酸。然而，现有技术中通过添加无机酸的方式存在以下不足：

首先，受单一无机酸调控营养液pH值的原理限制，均存在无法克服缺陷。具体表现为：

其一，利用硝酸在调节营养液pH值的同时也向营养液中引入了大量的硝酸根，大大提高了营养液中硝酸盐的比例，过量的硝酸盐会在蔬菜体内硝酸盐富集，会影响其品质。有研究表明，摄入过量的硝酸盐容易导致高铁血红蛋白症或者在肠道微生物的作用下降硝酸盐还原成强致癌的亚硝酸盐，引起人体消化系统癌变。人体摄入的硝酸盐主要来自蔬菜，尤其是叶菜，显然，蔬菜硝酸盐含量的控制是营养液pH值调节过程中不可忽视的关键问题。

其二，由于作物对硫酸根离子需求相对较小，使用硫酸进行pH值调控会导致营养液中硫酸根过高，一方面营养液中过量的硫酸根离子容易对作物产生渗透胁迫，影响其生长。

其三，虽然作物对磷离子的需求量大于对硫酸根离子的需求量，但是只用磷酸调控营养液pH值仍然会导致营养液中磷酸根离子过量，过量的磷酸根离子会产生拮抗作用，影响蔬菜根系对其它离子的吸收；同时将富含磷的营养液废液排放到环境中也会对当地水体环境的污染造成一定的影响。

其次，现有根据pH传感器采集的实时信息进行营养液pH值调控，控制精度无法保证。一方面，由于营养液本身是一个较为复杂的缓冲溶液，尚不能用简单的化学方法计算出当营养液pH值调控至设定范围内所需的调节剂的量。另一方面，由于在作物生长过程中，封闭式栽培系统中的营养液的组分是不断变化的，且分布于栽培槽和储液池中。若仅依据pH传感器采集的信息实时对营养液pH值进行调控，无法判断pH值调节剂是否与营养液充分反应，是否形成理想的稳定溶液。由此使得，通过控制系统自动对商业化栽培的营养液pH值进行调控尚存在一定的困难。目前的营养液pH值调控技术，多以类似于酸碱中和的滴定法为主，多在人工操作下完成，比较费时费力。

有鉴于此，亟待针对现有水培作物过程中营养液pH值调控技术进行优化设计，以在调控营养液pH值的同时还能兼顾营养液主要养分的平衡，且可实现营养液pH值的自动化调控，在此基础上建立优质高效的生产模式。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术中单一无机酸调控营养液pH值的缺陷。进一步地，解决现有技术所存在的调控精度较低及可操作性差的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水培营养液pH值调控方法，所述调控方法以两种无机酸混合形成混合酸溶液，并施加所述混合酸溶液至水培营养液中进行pH值调控。

优选地，所述混合酸溶液由硝酸和磷酸混合形成。

优选地，所述硝酸和磷酸的浓度为3％～8％。

优选地，所述硝酸和磷酸的浓度为5％，且两者体积比为5：1～10：1。

优选地，以水培营养液的当前pH值是否满足pH值阈值为判断条件，施加所述混合酸溶液；且间隔预设混合反应时间后进行下一次的所述判断。

本发明还提供了一种水培营养液pH值调控装置，包括pH值调节剂存放罐、泵送部件、pH传感器和控制器；其中，所述pH值调节剂存放罐用于容置以两种无机酸混合形成混合酸溶液，所述泵送部件用于将所述混合酸溶液泵送至水培营养液中，所述pH传感器用于采集所述水培营养液的pH值，所述控制器根据所述pH传感器获得的当前pH值，输出施加混合酸溶液的控制指令至所述泵送部件的控制端。

优选地，所述泵送部件为蠕动泵。

优选地，所述控制器包括：存储单元，用于储存预设的pH值阈值；比较单元，根据所述pH传感器获得的当前pH值和所述pH值阈值，获得是否需要施加所述混合酸溶液的判断结果；输出单元，用于根据所述判断结果输出控制指令。

优选地，所述存储单元还用于储存调节0.1个pH值单位时的调节剂量ΔV，以便所述比较单元获得所述混合酸溶液的当前施加量。

优选地，所述存储单元还用于储存施加所述混合酸溶液后的预设混合反应时间Δt，以便所述比较单元间隔进行下一次的所述判断。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

首先，本发明将两种调节pH值用的无机酸按照一定比例混合，形成作为营养液pH值调节剂的该混合酸；由此，在调控营养液pH值的同时兼顾营养液中单一酸根过量的缺陷，可有效控制作物硝酸盐残留影响食用者健康，避免了营造作物优质生长环境的障碍，同时还能够避免营养液废液排放对环境产生的不良影响。试验结果表征，与使用单一的无机酸调控营养液pH值相比，利用本发明进行营养液pH值调控能使蔬菜的产量增加30％以上，且营养液利用效率提高10％以上。

在本发明的优选方案中，优选采用硝酸和磷酸混合形成该混合酸溶液，可进一步有效地兼顾营养液氮、磷的平衡，减少pH值调控过程中硝酸的投入量；此外，适当增加磷酸的使用量，避免营养液调控过程中出现营养液中的磷亏缺和作物对硝酸盐的过量吸收，能使蔬菜的品质指标有所改善：硝酸盐含量降低20％左右，VC含量有显著提高。具有较好的应用前景。

在本发明的另一优选方案中，以水培营养液的当前pH值是否满足pH值阈值为判断条件，施加混合酸溶液；且间隔预设混合反应时间后进行下一次的判断。如此设置，充分考虑了混合酸调节剂与栽培系统内营养液充分混合反应的时间，也就是说，采取递进法对营养液pH值进行逐步调控，可完全规避出现营养液pH值调节剂过量加入等现象导致营养液pH值过低或者过高，对作物根系造成的伤害。本优选方案，在确保水培营养液pH值调控精度的基础上，减小营养液pH值调控次数和硝酸的投入量，同时对营养液pH调控流程进行了改进，实现营养液pH的自动调控的同时，节约了人力资源成本，从而可建立优质高效的生产模式。

附图说明

图1是本发明实施方式所述水培营养液pH值调控装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施方式所述控制器的结构框图；

图3是本发明实施方式所述水培营养液pH值调控装置的控制流程图；

图4是实施例一所述不同pH值调控方法营养液的pH值动态变化过程示意图；

图5是实施例一所述分别采用混合酸以及硝酸、磷酸、硫酸三种单一酸进行营养液pH值调控管理产出的产量结果示意图(单株空心菜)；

图6示出了实施例一所述分别采用混合酸以及硝酸、磷酸、硫酸三种单一酸进行营养液pH值调控管理产出的品质结果表(表中数据为新鲜蔬菜中硝酸盐和VC的含量)。

图中：

1：pH值调节剂存放罐；2：蠕动泵进液管；3：蠕动泵；4：蠕动泵电源线；5：控制器；51：存储单元；52：比较单元；53：输出单元；6：pH传感器；7：蠕动泵排液管；8：营养液栽培系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

与传统水培作物的营状液pH值调控技术相比，本实施方式另辟蹊径提供了一种水培营养液pH值调控方法，该调控方法以两种无机酸混合形成混合酸溶液，施加该混合酸溶液至水培营养液中进行pH值调控。由此，有效控制了调控营养液pH值的同时兼顾营养液中单一酸根过量的缺陷。这里，所述“无机酸”是指可适用于水培营养液pH值调节的硝酸、磷酸和硫酸等类型，具体可以根据不同作物的生长需要进行匹配，只要应用本发明上述核心设计构思均在本申请请求保护的范围内。

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