首页 > 分享 > 一种植物工厂营养液元素浓度校正方法及其应用

一种植物工厂营养液元素浓度校正方法及其应用

花匠小妙招
2025-07-14 20:51

本技术属于无土栽培领域，具体涉及一种植物工厂营养液元素浓度校正方法及其应用。
背景技术：
：：1、植物工厂是一种在可控环境下进行农作物高效周年生产的先进生产方式，能够有效保证食物的稳定供给。2、为了维持产品生产的标准化、洁净化和高效化，人工光植物工厂大多采用营养液循环栽培，并持续监控其电导率(ec)数值，当ec值发生变化时，通过添加基于母液配方的补充液进行调整。例如cn101491206b、cn117859632a、cn115259495a和cn212436798u中所提及的营养液补充方法与装置。3、但ec代表的是总离子量(总元素)，此补充方式不能根据植物对单种元素的需求进行调整。植物对各元素的选择性吸收和补充营养液时所用母液中各元素固定比例之间的矛盾在营养液循环利用中被多次放大，最终导致营养液元素失衡，危害植物生长，降低作物产量。此时的营养液只能弃用排放，不但造成大量的水肥浪费，同时会严重影响自然环境。为此，只有对使用后的营养液进行有针对性的元素补充才能校正其中元素的失衡，延长营养液的使用寿命。4、环境是影响植物元素吸收的重要因素，因此，在易受自然影响的温室中，营养液元素补充需要依赖定期的检测以校正因环境影响而出现的元素吸收偏差量。如savvas(improvement and validation of a decision support system to maintain optimalnutrient levels in crops grown in closed-loop soilless systems.agriculturalwater management)和gallardo(decision support systems and models for aidingirrigation and nutrient management of vegetable crops.agricultural watermanagement)结合元素化学分析和元素校正模型，通过输入少量参数及可完成营养液元素的自动调节。但定期的元素化学分析会产生高昂的检测费用，冗长的检测结果反馈周期也难以满足实际生产中栽培阶段变化与茬次更替的需要。5、出于对元素快速检测，实时校正的需要，元素检测传感器因其检测范围广、速度快、体积小等优势受到越来越多的关注。如cn107894786a、cn106508226a、cn103798116b、cn103499984b和cn118527015a中均有使用。然而，元素检测传感器抗干扰离子能力较差，长期使用易受到营养液中有机物积累的影响而导致精度降低，在营养液管理中的大范围应用仍较为困难。6、植物工厂内部环境稳定，生产操作统一规范，充分保证了植物生长的一致性。而稳定的环境使植物的元素吸收较为固定，这意味着植物工厂中栽培的植物存在着规律性的元素吸收特征，并可依此降低元素校正成本，实现高效的营养液元素校正。技术实现思路1、本发明所要解决的技术问题是植物多茬重复标准化生产过程中，如何在无需频繁检测元素的情况下精准补充营养液中的元素消耗，以延长营养液使用寿命供应多茬植物生产，节约资源并减少废弃营养液对环境的污染。2、为解决上述问题，本发明首先提供一种营养液元素校正方法，所述方法包括在植物工厂稳定环境条件下多茬水培植物的过程中，每茬向完成植物具体一个生长阶段的剩余营养液中添加稳态环境元素校正液后进行下一茬植物的所述生长阶段的步骤；3、所述稳态环境元素校正液为：针对所述稳定环境条件下以初始营养液单茬完成植物所述生长阶段栽培后营养液中元素的消耗量进行补充的补充液。4、所述元素校正，是指将完成栽培后的营养液的元素的浓度及体积恢复为与开始栽培前的营养液浓度及体积相同或相接近的过程。5、所述稳态环境元素校正液的配制方法为：检测所述稳定环境条件下以初始营养液单茬完成植物所述生长阶段营养液元素的消耗量，以对该消耗量进行补充为目标调配稳态环境元素校正液，具体包含a1、a2和a3的步骤：6、a1、检测所述稳定环境条件下初始营养液的各元素浓度和体积，在单茬完成植物所述生长阶段栽培后检测剩余营养液的各元素浓度和体积，以公式1计算各元素的消耗量：7、n＝c1v1-c2v218、式中，n为营养液中某元素的消耗量，单位为mmol或μmol；c1为初始营养液中该元素的浓度，单位为mmol·l-1或μmol·l-1；v1为单茬栽培开始时初始营养液的体积，单位为l；c2为单茬完成所述生长阶段后剩余营养液中该元素的浓度，单位为mmol·l-1或μmol·l-1；v2为单茬完成所述生长阶段后剩余营养液的体积，单位为l；9、a2、按照公式2计算所述稳态环境元素校正液的ec：10、11、式中，ecs为预设的稳态环境元素校正液的ec，即所求值；eco为添加稳态环境元素校正液后的目标ec，单位为ms/cm，同初始营养液的ec；ecr为单茬完成所述生长阶段后剩余营养液的ec；f为单茬完成所述生长阶段后剩余营养液体积v2占下一茬营养液总体积的百分比；12、a3、依据a1和a2的计算结果，设计所述稳态环境元素校正液组分及用量，同时基于公式3，以ecs达到或接近a2中预设的稳态环境元素校正液的ec为目标，对各组分用量进行调整，以达成以所述稳态环境元素校正液将所述剩余营养液补充至初始营养液体积后营养液中的元素含量和ec和所述初始营养液相同或接近，完成营养液元素校正；13、14、式中，为稳态环境元素校正液各阳离子浓度与电价乘积之和，单位meq·l-1，以钾、钙、镁和铵态氮元素浓度表示营养液中k+、ca2+、mg2+和nh4+阳离子浓度计算ec。15、上述方法中，所述生长阶段，为在植物工厂稳定环境条件下，按照对一定浓度范围内的元素吸收的规律性变化幅度较小的标准进行生长阶段的划分。例如，叶菜栽培周期短，育苗完成到采收之间的时期元素吸收的规律性变化幅度较小，可直接作为一个生长阶段。再例如，花卉、果菜往往营养生长和生殖生长时对元素吸收的规律性变化较大，往往可以划分两个甚至多个生长阶段，针对每个生长阶段分别使用适合该生长阶段的稳态环境元素校正液。16、上述方法中，所述植物，可为现有技术中适宜水培生产的各种植物，包括蔬菜、花卉、药材等；优选为叶菜，例如生菜。17、上述方法中，所述稳定环境条件，针对具体植物具体生长阶段的需求设定。18、上述方法中，所述初始营养液，根据具体植物具体生长阶段的需求设定具体组分及用量。可选择现有技术中已有的营养液配方，例如生菜栽培可选用改良型康奈尔生菜营养液、霍格兰营养液、日本园试营养液、日本山崎营养液、华南农业大学叶菜营养液等。19、上述方法中，所述初始营养液组分指配制所述初始营养液的化合物。所述稳态环境元素校正液组分指配制所述稳态环境元素校正液的化合物。20、上述方法中，所述化合物选自现有技术中配制营养液常规使用的化合物，例如含氮元素的化合物可选择kno3、ca(no3)2·4h2o、(nh4)2so4、(nh4)2hpo4和nh4h2po4中的一种或多种；含磷元素的化合物可选择(nh4)2hpo4、nh4h2po4、kh2po4、k2hpo4和(nh4)2so4中的一种或多种；含钾元素的化合物可选择kno3、k2so4、kh2po4和k2hpo4中的一种或多种；含钙元素的化合物可选择ca(no3)2·4h2o；含镁元素的化合物可选择mgso4·7h2o；含硫元素的化合物可选择mgso4·7h2o、k2so4和(nh4)2so4中的一种或多种；含铁元素的化合物可选择edta-nafe和edta-na2fe中的一种或多种；含锰元素的化合物可选择mnso4·4h2o和mnso4·h2o中的一种或多种；含锌元素的化合物可选择znso4·7h2o；含铜元素的化合物可选择cuso4·5h2o；含硼元素的化合物可选择h3bo3和na2b4o7so4·10h2o中的一种或多种；含钼元素的化合物可选择(nh4)6mo7o24·10h2o和na2moo4·2h2o中的一种或多种。21、上述方法中，所述植物为生菜，所述稳定环境条件为温度22±0.5℃，光源为led全光谱白光，光暗期16h/8h，冠层有效光合辐射200μmol·m-2·s-1，相对湿度(65±10)％，二氧化碳浓度400±50μmol/mol，所述初始营养液为改良型康奈尔生菜营养液(配方见表1)，所述生长阶段为从苗龄14天至采收，所述栽培为以80l营养液深液流栽培18天，则所述稳态环境元素校正液的配方为：0.436g/l kno3，0.784g/l ca(no3)2·4h2o，0.024g/l(nh4)2so4，0.168g/l(nh4)2hpo4，0.179g/l mgso4·7h2o，21.59mg/l edta-nafe，6.47mg/l mnso4·h2o，6.82mg/l na2b4o7·10h2o和0.06mg/lna2moo4·2h2o。22、本发明还提供稳态环境元素校正液的配制方法：其为检测稳定环境条件下以初始营养液单茬完成植物某一生长阶段营养液元素的消耗量，以对该消耗量进行补充为目标调配稳态环境元素校正液，使其能补充营养液中各元素含量及营养液体积达到或接近栽培前初始状态，理想情况下能维持营养液栽培前后元素含量和体积恒定，具体包含a1、a2和a3的步骤：23、a1、检测所述稳定环境条件下初始营养液的各元素浓度和体积，在单茬完成植物所述生长阶段栽培后检测剩余营养液的各元素浓度和体积，以公式1计算各元素的消耗量：24、n＝c1v1-c2v2125、式中，n为营养液中某元素的消耗量，单位为mmol或μmol；c1为初始营养液中该元素的浓度，单位为mmol·l-1或μmol·l-1；v1为单茬栽培开始时初始营养液的体积，单位为l；c2为单茬完成所述生长阶段后剩余营养液中该元素的浓度，单位为mmol·l-1或μmol·l-1；v2为单茬完成所述生长阶段后剩余营养液的体积，单位为l；26、a2、按照公式2预设所述稳态环境元素校正液的ec：27、28、式中，eco为添加稳态环境元素校正液后的目标ec，单位为ms/cm，同所述初始营养液的ec；ecr为单茬完成所述生长阶段后剩余营养液的ec，单位为ms/cm；ecs为预设的稳态环境元素校正液的ec，单位为ms/cm；f为单茬完成所述生长阶段后剩余营养液体积v2占下一茬营养液总体积的百分比；29、a3、依据a1和a2的计算结果，设计所述稳态环境元素校正液组分及用量，同时基于公式3，以ecs达到或接近a2中预设的稳态环境元素校正液的ec为目标，对各组分用量进行调整，以达成以所述稳态环境元素校正液将所述剩余营养液补充至初始营养液体积后营养液中的元素含量和ec和所述初始营养液相同或接近，完成营养液元素校正；30、31、式中，为稳态环境元素校正液各阳离子浓度与电价乘积之和，单位为meq·l-1；以钾、钙、镁和铵态氮元素浓度表示营养液中k+、ca2+、mg2+和nh4+阳离子浓度计算ec。32、本发明还提供以上述的配制方法生产的稳态环境元素校正液。33、本发明的实施例中记载了以上述的配制方法生产的一种用于生菜工厂化生产的稳态环境元素校正液，其配方为0.436g/l kno3，0.784g/l ca(no3)2·4h2o，0.024g/l(nh4)2so4，0.168g/l(nh4)2hpo4，0.179g/l mgso4·7h2o，21.59mg/l edta-nafe，6.47mg/lmnso4·h2o，6.82mg/l na2b4o7·10h2o和0.06mg/l na2moo4·2h2o。用于在稳定环境条件下，以初始营养液为改良型康奈尔生菜营养液、生长阶段为从苗龄14天至采收的18天的生菜多茬标准化生产中，对每茬该生长阶段栽培结束后的剩余营养液进行补充，使营养液元素校正后进行下一茬生菜该生长阶段的生产。34、本发明还提供上述方法在植物工厂化(标准化)生产中的应用。35、本发明还提供上述稳态环境元素校正液在生菜工厂化(标准化)生产中的应用。36、本发明适合在植物工厂中进行多茬重复标准化生产，在规模化生产中其优势将被进一步放大。本发明具体的有益效果如下：37、1、一旦栽培环境与操作流程固定，仅需检测新制营养液与第一茬栽培结束营养液中各元素含量及可确定适用于多茬次栽培的补充液，达到良好的营养液元素校正效果，期间无需再进行元素检测，降低元素校正成本，同时在营养液循环利用中延长营养液使用寿命。38、2、虽然本方法仍存在偏差，无法实现消耗营养元素的完全补充。但总体看来，各元素浓度较对照组更接近新制营养液平均浓度，尤其是大量元素钙、镁和硫以及微量元素锰的补充。39、3、采用本方法进行营养液循环利用期间的元素构成更适宜生菜生长。从第四茬开始，稳态环境元素校正液(element correction solution in stable environment,ecsse)处理生菜生长与仅调节ec的对照组出现显著差异，其茎粗、地上部鲜重、地下部鲜重、叶片数和叶面积较对照组分别显著提高13.6％、32.7％、41.2％、10.2％和32.8％；根系表面积、根系体积和分支数较对照组分别显著提高27.9％、38.2％和30.3％。到第五茬，ecsse处理仍保持着较对照组的优势，其茎粗、地上部鲜重和地下部鲜重较对照组分别显著提高19.1％、29.3％和36.7％；总根长和分支数较对照组分别显著提高15.0％和29.8％。当前第1页12当前第1页12