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一种新型栽培模式----气雾培的研究

一种新型栽培模式----气雾培的研究

一种新型栽培模式----气雾培的研究

摘要

      研究分析了当前农业生产中各种栽培模式对植物生长的影响,提出了根域环境控制最优化以实现植物快速生长的理论基础,并就各种栽培模式的生长限制因子进行分析,形成了以气雾培为核心的植物快速生长栽培模式,阐明了气雾培对植物生长发育潜力发挥所起的关键作用,开发了用于生产与科研的各种气雾培栽培系统,并与计算机控制技术结合实现了气雾培环境模拟控制的最优化精确化,达到植物生长潜力的最大化发挥,为巨型植物栽培与气雾培植物工厂的建立提供了理论基础与技术支撑,最后综合展望了该技术广阔的运用前景与发展空间。

关键词

      栽培模式、根域环境、气雾培、氧气、计算机控制、传感器、生长模式、营养液、无土栽培
引言

      农业生产上一切生产技术措施都是为了让经济植物长得更快更好,以求获取更高的产量与更优的品质与最佳的效益。土壤是植物生存生长的主要场所,是生物进化过程赖以生存的是基本条件。所以在传统农业生产中,把对土壤的研究作为一个重要的课题,通过对土壤结构、类型、矿质元素、微生物发育、有机质含量、耕作方法等的研究, 以图为经济植物的生长发育创造最佳根域环境,从而制定改良与培肥地力的技术措施,为此专门成立了土肥专业,就是研究土壤肥力与作物生长关系的学科。在外界气候条件一定的情况下,植物的生长发育好坏主要由植物的根域环境所决定,一种良好的土壤耕作制度都能使作物的产量与质量获得大幅度提高。所以土壤耕作是传统农业生产中最为重要且管理投入劳动力成本最大的技术环节,一切农业技术措施的制定中都有必不可少的肥水管理与土壤改良方面的操作。为了保持良好的土壤结构与肥水,需施入大量的有机物,为了促进植物的阶段性发育需进行定期追肥管理,为了保持良好的疏松通气性,又需进行中耕除草,为了提高抗旱性又需进行覆膜保墒,为了防止水涝还需设计好科学的排水系统,这些组成了农业劳动力及成本投入的主要部份,那么有没有一种耕作制度使根域环境的管理简易化呢?随着科技的发展出现了水培与基质培等无土栽培技术,这些采用人工基质或者利用水培营养液作为根域环境创造的载体,使根系离开了土壤,使管理的对象从土壤变成营养液与基质的管理,这可使田间操作的工作量大大减轻,劳动效率得以大幅度的提高。这些耕作制度在发达国家已成为农业生产中瓜果蔬菜栽培的主要技术而被广泛推广运用。但不管哪种技术都存在着优缺点,如土壤栽培存在培肥与改良问题,基质培存在营养液的科学滴灌问题,水培存在如何提高水中溶氧以防烂根的问题。那么还有没有一种技术可以完全不受上述因子的困扰而形成一种更先进的新型耕作制度呢?这就是气雾耕作制度的产生。气雾耕也叫气雾培,它是让植物的根系离开了基质与水,而让其生长在营养气雾环境中的一种新型栽培技术,它具有比其它任何一种耕作方法生长更快,管理更方便,投工更小的特点,它将成为未来农业生产中的一种重要栽培方式[1]。

模式探索比品种选育或技术措施的研究更重要

      植物在生长过程中,根系环境及气候环境是它生长中最重要的的两个环境,其中气候环境如光照温度及湿度为植物枝叶的光合作用创造条件,根系环境为植物根系吸收营养及水份创造条件,这些环境因子的适宜与否将直接影响到光合速率与吸收营养和水份的速度。只有光合作用处于高效状态,根系处于最快速吸收营养及水份的条件下,植物方可表现出快速生长和超常规产量的形成[2]。这两方面的因子在自然状况下大多是由外界的气候条件及人为的土肥水管理而决定,而要实现这两者环境的最优化,在土壤栽培的自然环境下难以实现。但同一品种的植物在不同的环境下表现却有极大的不同,在常规模式且环境相同的条件下,它的生长特性及产量状况是基本稳定的,不会有太大影响与波动。但随着现代农业技术的不断发展,研究植物品种特性应该从传统观念及模式中跳出来,从土壤环境到水环境与气环境,从自然环境到设施环境到植物工厂,不同的环境下植物都表现为不同的生长发育特性,都表现的不同的形态特征,及不同的生物量或产量。这些变化都是基于根域环境及气候环境的变化而造成的。特别是根域环境的变化,对产量的影响是最大的,从土壤栽培到无土基质培再到水培与气培,每次根域环境上的技术变革都导致植物产量与质量发生跨越式的飞跃,如营养液水培比土壤栽培生长要快,而气雾培又比水培植物生长要快,据研究表明,大多数品种速度可增快3-5倍[3],这么大的增产幅度是其他任何一项技术措施所不能比的,所以从这个角度来说,植物栽培模式的研究与探究具有比常规条件下某一单项措施增产的研究更有重要,具更有彻底与跨越式的意义。

      遗传是基础,环境是动力,一切遗传基因的表达都需以环境为基础条件,环境的变化都会影响到不同基因的表达以及表达是否充分。这种基于环境的变化而形成表现性状的不同,叫做非遗传的表现型。但对于农业生产来说,改变遗传固然重要,但让遗传基因充分彻底的表达其实更有实用意义。它能使常规的品种发挥出超常规的生长,如番茄树的巨大与丰产效果,就是采用遗传基因最为优良的品种,也是不能与之相比的。从这个角度来说科研者如果从根域环境或环境调控方面来研究,以发挥植物潜在基因或基因充分表达,比化太多的心血去研究品种的改良更有意义,它是提高产量与品质的最有效捷径。那么根域环境的研究为什么一直以来在方法上没有大的突破,而一直在土壤栽培、基质培或水培模式上徘徊,没有采用最先进的气雾培进行研究开发呢?这主要与气雾培技术上要求的严格性,与一般农民难以掌握该技术有关。气雾培环境比其它任何一种方法具有更快的生长速度,这已被发达国家生产科研的运用上所证实。随着我国工业技术的发展,与气雾培相关的各种设施的出现,为气雾培的生产研究开避了一条崭新道路,也为农业生产实现高产优质探索出一种新型的栽培模式。

      植物土中长,在传统栽培中土壤的各种物理化学性状与微生物环境都将对根域环境及根系生长带来较大的影响,如合理的土壤三相结构,适合的酸碱度环境、丰富的有益微生物,及充足的水份与营养,这些都组成了影响根系生长与代谢的相关因子。而对于传统栽培的研究大多从土壤理化性状的改良及制定合理的农耕措施来使根域环境得以优化,如中耕除草、多施有机肥、适时的追肥与灌溉等,但这种所带来的增产潜力已极为有限,不能再有更大的突破。而最近我国用于瓜果蔬菜花卉栽培的无土栽培基质培,从根域环境角度的改进来说,就是利用人工基质优良的理化性状以代替自然界的土壤,从而减免了土壤管理的许多操作,同时结合营养液滴灌技术又使水份与营养的环境进一步优化,也使追肥浇水所需的大量劳动力得以降低,这些根环境的优化技术还有当前的水培,它把植物的根系完全置于营养液中,使根系吸收营养及水份更充足,使植物根系生长的机械阻力大大降低,从而使它比另外两种模式有更快的生产速度及更简易的耕作管理。那么,除了上述提及的三种模式外,是否还有更先进的根域优化技术呢?其实没有任何基质与水的气雾培是根环境优化技术中要求最高、效果最好、植物最适的一种新技术,它使根系处于水份充足、氧气富有、营养直接的最佳条件下,所以这种模式极可能成为目前与未来农业生产最先进的技术,它的研究与应用将比品种选育及传统技术措施的研发更具实用的意义,它所速来的增产效应是其它任何一种技术改进所不以比拟的。

气雾培模式能为植物生长创造最佳的根域环境

      气雾培就是把植物的根系完全置于气雾环境下进行生长发育的一种模式,它通过雾化的水气满足植物根系对水肥的需求,并具有最充足的氧气与最自由伸展的空间,根系在毫无阻力的情况下生长。那么,为什么说气雾培的根域环境是最适的环境呢?首先植物生长所需的各种条件决定了这种模式的综合优越性,植物能否正常或快速的生长,主要由两大代谢所决定,一个是以枝叶为中心的光合代谢,另一个是以根系为中心的吸收代谢,这两大代谢的正常与否或能否超常规的优化创造,都可使植物的生长速度发生变化,品质得以改变。

      以下就植物根系发育所需的三大环境因子进行分析,以阐明气雾培耕作模式的先进性与科学性。构成植物生物量主要由光合作用合成的碳水化合物与水份组成,其余少量的是被称为灰分的矿质元素。这些总生物量的构成中水占居了绝大部份,这除了它是一切代谢的载体外,还是根环境调控中最重要的参数,合适的水份条件是一切有生命植物生存生长的基础,而碳水化合物虽是光合形成组成干物质的主要部份,但这个过程需在水分与矿质营养充分保障的情况下才能进行,因植物的光合代谢是个极复杂的过程,许多矿质元素都是光合相关酶的重要组成部份或者金属离子的活性中心,没有水份与矿质元素的保障,最好的光合条件都不能进行。同时碳水化合物又是能量代谢的底物,植物的各种生理活动过程都需在有能量动力的基础上进行,而为其提供动力与能量的就是呼吸作用,也就是说呼吸作用越旺盛,能量代谢效率越高,各种植物生理活动就越旺盛,根系吸收水份与营养的速度也就更快。而矿质营养的供给是一切代谢与活动的基础,只有在适合而全价的营养液供给下,才能为植株快速生长提供更多的营养物质,才使一切代谢活动得能激化,比如缺铁时会影响叶绿素的形成及与光合相关酶的活性,缺硼就会影响授粉受精,使花粉管的发育伸长受阻而影响果实产量的提高,缺钾,会使光合产物运输速率下降,甚至出现光合产物积累于叶面局部而表现出的光合抑制现象,在植物所需的各种元素中任何一种元素的缺乏都会影响代谢与生长,而土壤栽培常会因缺乏某种元素或者不充足而造成生长发育上的不良表现,这些都说明了,矿质营养充分而直接的供给也是根域环境创造中极为重要的因子。而根系的呼吸代谢除了地上部份供给充足的呼吸底物外,最重要是要有富足的氧气参与,只有充足的氧气才可以促进加速有氧呼吸过程,才可使呼吸代谢过程的能量转换率最大化,才能为根系吸收水分及矿质营养提供更大更多的能量,只有吸收的加快,才能使地上部份光合成与生长的加快。以上的这些因素间是相辅相成的,是一种紧密而不可分离的依存关系。
      现就气雾根域环境与其他各种耕作方法的根域环境进行比较分析,为气雾培模式的建立提供理论基础与生产指导。

1、土壤培根域的限制因子

      土壤除了起固定植株的作用外,更重要是为植物生长的创造水份营养氧气条件,其中合理的固相液相与气相比就是为根系的发挥提供适合的水份与空气,而固相有固定植株稳定生长空间作用外,同时也形成了对根系穿透伸长发育的阻力,植物为了克服阻力必然会消耗能量与营养,或者向外界分泌各种根系分泌物而无谓地耗去了部份营养及能量,分泌量大的植物甚至可消耗掉占总光合形成量1/3,这也是土壤栽培无法与水培气培相比的原因之一。另外,自然环境的多变性,又会使三相处于动态的变化中,如干旱的胁迫使土壤失水,浸水成涝又会使气相比例大减,根系处于受淹的缺氧状态,这种动态不稳定的相变是不利于植株生长与发育的,特别是根系在逆境胁迫下,产生的信号激素,可以使地上部份的生长速度大大地影响。除此以外,土壤环境中,根系从基质中获取营养的路径是间接的,甚至是经微生物分解后才能被利用,这样也不利于根系对营养直接而快速地吸收。而且许多营养元素还会被土壤固定而使肥效受到影响,甚至出现缺素等不良现象。

      以上的三相结构与机械阻力是土壤的物理环境,另外,化学环境与微生物环境也会对生长造成不良的影响,过酸与过碱或盐化的土壤都会影响土壤中矿质营养的均衡吸收,在过酸的环境下会出现缺钾与缺镁症,在过碱性的环境下易导致失绿缺铁,这些不良的PH值与盐度环境都会大大地影响矿质代谢与水份吸收,从而间接地影响植物的生长。那么微生物环境的影响是利是弊呢?有利于根系生长的方面在于它能促进与加速土壤中有机物的分解,但同时也会一些有害菌滋生而成为侵染根系的病原,使植株的生长因病菌感染而受抑或死苗,如黄萎病、瘁倒病、立枯病等,常因土壤残留与水份的传播而造成。不过也有些与根系共生有益的微生物菌根能起到促进植物生长的作用,如VA菌根及根瘤菌就起到了促进生长的作用。为了使土壤三相结构科学化,矿质营养合理化,微生物活动有益化,农业生产常赖于各种土肥水管理措施来实现,这也就难免使许多无谓的管理与劳动力增加,甚至许多作物栽培中土肥水的管理占居了最重要的劳动及成本份额,这对于实现省力化轻便化规模化的现代农业来说是极为不利的。

2、基质培根域的限制因子

      为了优化土壤的理化性状,人们选择了一些河沙珍珠岩或者蛭石泥炭等混合基质作为无土栽培的人工植土。这种按一定比例配成的人工培养土具有科学合理的三相比例,即保水又透气,再加上人工滴灌技术,可以为植物创造较为适宜的水份氧气矿质营养条件,但根系在固态的环境中总还存在机械阻力与基质对矿质营养的吸附吸收或固定,根系还是不能像水培那样直接接触营养液那样便捷地摄取。同时也会由于灌溉的不科学不精确而影响三相的科学比例,因我国目前的无土栽培灌溉还大多是凭人工经验灌溉,没有像发达国家那样精确的计算机灌溉控制,所以有时还会造成水份过多或过少的现象,还会出现肥料中矿质营养的不均衡或不直接而影响根系的吸收及生长。所以基质培比土壤栽培有了很大的进步,使植物的生长速度又快进了一步,但还不是最佳的根域环境。

3、纯水培根域的限制因子

      它是让植物的根系直接地浸泡于营养液中,让根系以最直接的方法最快速地摄取植株生长所需的各种矿质元素,而且没有基质吸附的营养液环境均匀而一致,根系也不会像基质土壤栽培那样存在生长的阻力,也不会像土壤栽培中出现的土壤固定与微生物的分解与影响,在这样的环境下,根系具有最直接地吸收水份与矿质营养的路径,而且根与营养液的接触表面积也得以最大化,不管主动吸收或被动吸收都比基质或土培栽培摄吸更多的水份与营养。但水培植物根系对于水份及矿质营养的吸收还受限于营养液中的溶解氧水平,当栽培营养液中的溶解氧含量低时,尽管根系是直接浸渍于养液中,但会因氧气不足而影响有氧呼吸的正常进行,从而使根系不能获取更多的呼吸代谢转换能,不能发挥最佳的根系吸收功能,只有营养液中的溶氧达到适宜或超富氧状态,才可使根系吸收营养及水份的优势得以最大发挥,也就是说营养液中的溶解氧是水培技术中最关键的限制因子。

4、气雾培根域环境最优化

      它将克服上述各种栽培模式的缺点,形成一种独特而较易实现根域环境最优化的新模式。它与其它栽培方法相比,具有根系伸展自由、氧气摄取直接方便而富足、水份吸收快速便捷而均匀,矿质营养实现全价搭配弥雾供给,为植物的根域环境创造了最利吸收与代谢生长的环境空间,这是其他任何一种栽培模式所不能比拟的。通过上述各种方式的比较,可以看出,植物生长快慢的影响因子中以以下四大因子较为关键,人们只要围绕这四大因子进行研究与优化,就可基本解决植物生长速度的问题:根系伸展的机械阻力;水份供给;氧气代谢;矿质吸收。只要让上述四大因子最适化,就可为根域环境创造最优化,当然其它因子还诸如光照温度甚至二氧化碳及人工氧环境或者微生物等,但这四大因子是基础与关键的影响因子。以下就气雾培四大因子对植物的影响及其它相关因子的促进作用进行分析,以形成一种全新的栽培模式与技术体系。
高效根构型与毫无阻隔的生长空间

      可以让根构型及生长方式得以最充分最自由的体现,通常植物的根构型会因根域环境的不同而表现不同的根构型,不同的根构型对于根系吸收营养及水份有不同的效率与适应性,在气雾环境下,根构型大多是不定根的二叉分枝构型,这种构型吸收营养与水份最为直接,运输的路径最短、级数最少更利于快速的营养运转。而且不管是木本或草本植物,一旦置于气雾空间中,其出根与分级的方式立即就会发生变化,形成大量的不定根,这种不定根具有水生根及呼吸根的双重特性,具有极强的呼吸作用功能,而且有些植物还会形成大量的根毛,这种根毛发育比任何一种栽培方式都要发达,具有吸收营养最广的表面积,这些根形态与构型的形成只有在无限制无阻力的空间环境中才能得以发育,一旦进入水环境或基质环境,就会形成了机械化组织及多级分枝的根构型,根色加深,表皮层机械化,也就是胞壁加厚,从而吸收水分与营养的效率也降低。而在气雾环境中大多数植物的根系能保持较为发达的薄壁组织,具有更强的再生与修复能力,如果对其进行根修剪,能以最快的速度得以恢复,这也为生理调控与生长控制创造了方便,可以通过根系修剪来调控生理及发育。这种发达的不定根根系,在气雾环境下,根的伸长区特长,这也是快速生长与修复的生理基础。

营养的充分供给是生长的物质基础

      具有最佳的矿质营养基础,在气雾培中,营养液的供给是以雾化的方式补给,通过弥雾或超声波雾化技术让营养液均匀间歇地喷附于根系的表面,在雾化良好的情况下,根表面能均匀地吸附营养液,而且能做到比水培更富溶氧的营养,能使吸收营养的活性增强,根系接触营养液的表面积是其他水培及基质培与土壤栽培所不能比的,而且是富含氧分子的活性水,在气雾供给或超声波雾化的过程中能使营养液中的溶氧达到最大化,甚至还会使空间形成更多的负离子,对根系又起到促进与保护的作用。气雾环境下,庞大的根系加上最大化的营养液表面积使它比其他任何栽培方式具有更佳的矿质营养基础,这也是其快速生长的一大因子之一,另外,气雾培环境下,对于营养液的浓度控制没有其它栽培模式那样严格,稍为偏高或偏低的养液对于生长影响不大,这也便于生产上的养液管理。

水份的均匀高效供给是速长的基本条件

      在基质或土壤栽培培,常由于不同土壤构层间水份分布的差异而导致吸收根的区域性分布,不可能像气雾培哪样根系能均匀地扩展至整个根域空间,而且与根生长的相关环境因子均衡一致。而气雾栽培能使雾化的营养液弥漫至根域环境的整个空间,让根系有充足的水分保障,不会像土壤栽培那样出现水分过多或过少时的生理吸收障碍。而且采用这种水份供给方式,能够最大化地提高水的利用率,在土壤中或基质培水培中,水份的蒸发或流少的损耗比气雾培要大,因气雾培的雾化水气是在完全密闭的空间内供予植物的根系,而基质培或土壤栽培都会造成大量水份的空间蒸发与散失,所以气雾培的水份供给方式是最省水的,植物对水利用率最高的模式。

氧气的充分供给是高效代谢的关键

      根系凭藉呼吸作用提供吸收水分与营养所需的各种能量与动力,呼吸底物在氧气最充分的根域空间环境中,能产生最大化的代谢转换能,使根系的吸收速度大大加快,这种栽培模式能为根系的呼吸作用提供最充足的氧气源,它是其它任何一种模式所不可比拟的,所以用这种模式栽培的植物也具有其它模式下所不可比拟的生长速度。根系直接悬挂于气雾空间内,根系的每一部份都可直接从根域空间中摄取氧气,如水培方式,常因水温及大气压的变化而引起营养液缺氧,造成生长不良与烂根现象,但气雾培则无此顾忌,不管在什么样的环境下,根都可源源不断地从根域空间中直接摄取氧气,如果结合在密闭的根域空间内增施氧气与二氧化碳,还可使植物的生长速度提高,现在发达的国家常采用气雾培进行植物工厂式的栽培,就可结合根域环境的强制供气技术来最大化地发挥植物生长潜能,加快生长速度以提高产量与质量。而其它的不管哪种栽培模式在根域环境中供气都存在实施不便或效率过低难操作的缺点,而气雾培可轻松实现。

      气雾培的根域空间环境以其最适的水份、矿质营养及氧气环境,为根系的生长发育、生理代谢、功能基因的表达创造了最佳的环境,使植物的生长速度得以最大化地发挥,让植物的生长结果特点超常规地表现。气雾培可以用于各种农业生产中植物的高产优质栽培,可以用于科研生产上的植物潜能研究开发,也是太空宇宙农业的最佳生产方式,更是未来农业发展中耕作模式变革的一种最新趋势。
气雾培相关设施设备

      气雾栽培与其它水培或基质培相似,需要建设相配套的设施与设备,现就气雾栽培相关的组成部份与运用机理进行简单的介绍,以供生产科研者参考。气雾培与水培一样由三部份组成:栽培系统、营养液供给与调控系统、计算机自动控制的管理系统。

1、栽培系统的建造:因栽培植物类型与植株大小或栽培目的的不同而构建不同的栽培系统,目前就科研与生产上常用与易于普及的系统进行说明。

      (1)苗床式:苗床式是用于农业生产中较为普及与最易建造与操作的一种,它就是在平地上建造宽1.2m,高20-25cm,长15-20m的砖彻水泥苗床,床底需铺建成稍带坡降且不渗漏的水泥底面,以利于营养液的回流与循环利用,在苗床稍低洼的一端留置养液回流孔以用于养液的回流与收集。再于床底铺设弥雾管道并按每50cm安装一个朝上喷射的雾化喷头,以确保栽培时能让苗床整个内空间均匀雾化,不能安装留有死角雾化不匀的折射式喷头,如果要用这号喷头也需调好喷头方向,以实现交叉无死角雾化。建好苗床与雾化供液管道后,就是扣置定植板,定植板是固定植株与封盖苗床创造封闭根域空间所用的栽培板,可因种植密度的不同在板上打孔或刻划条槽,通常选择强度较高的泡沫板作为定植用板,用海绵条作为包缚固定植株所用的填塞材料,种植时把植株用海绵包缚植入孔中即可,也可直接把植株卡植入有海绵条填充的条槽中。这种栽培系统大多用于叶菜类或植株较为矮小或者可以引缚固蔓的植株。

      (2)立桶式:立桶式是一种以简易围桶作为根域空间,以大空间雾化作为供液方式的栽培系统。这种栽培系统大多用于大植株的栽培,如番茄树、南瓜王、西瓜王、黄瓜树蔬菜树等,具有培育与创造最佳的根域空间发挥最大生长潜能的作用。在建造该栽培系统时,需按目标植株的大小来确定根域空间大小,再去选择设定围桶的大小尺寸,如以巨型的番茄树为例,它需设定一个至少1m3以上的根域空间才能培养出单株结千果或万果的巨型番茄树,因为根系的大小与植株的大小是成全息对应相关的。现就番茄树气雾栽培系培的建造进行说明,在生产与科研中为了从实用及简易低成本的角度出发,可以把传统的塑料桶栽培变为可随机编制大小的铁丝网围桶栽培,选择宽1.2m,长可任意剪制的铁丝网为材料,制作时先计算好一定大小直径围桶的周长,然后进行取材,如直径为1m的围桶就需截至长3.14m,宽1.2m的方格铁丝网一张,把网两端围接在一起,就成为高度1.2m,直径1m的围桶,再把围桶水平立放于已整好的水平地面上,以地面为桶底,于桶内壁铺衬不漏水的黑色薄膜一张,起到内衬与防漏作用,这样就制成了一个高1.2m,直径1m的立桶,就形成了一个用于番茄栽培的根域大空间,再于立桶的外壁围衬一层反光膜起到反光降温及减少强光透射的作用,为根域创造无光黑暗且相对温度较低的空间环境。立桶制作完毕,接下来的工作就是布设回流管与进液管,回流进液管全可埋设于地下,并把从桶底引出的回流支管联接至回流主管上,以实现雾化后养液的收集循环再利用,在桶底回流孔的开口处,需做好内衬薄膜与回流管间的扣接紧固与密封防漏,这样就可以毫无渗漏地把经弥雾的养液全部收集回流至贮液池进行重复利用。这些都按要求做好布设与制作后,就可加扣桶盖、开设定植孔与制作根系生长支承网架。一般桶盖可选择三合板制作的圆板,但内面要喷涂防水漆或衬膜,以防长期的湿气环境造成腐蚀,在圆板的中心部位打一定植孔。如果栽培根系较为庞大的巨型植物,最好定植孔要大,以商售的栅栏状圆桶塑料框作为定植篮,并最好要在篮底绑固上一张具有一定承载力的细筛网架,作为根系平面生长舒展的支承网,有了它作支承,可以防止因重力作用而使根系成束密集与成团,不利于营养液的均匀弥雾。这些工作完毕后再于立桶的四周均匀悬挂3-5个雾化性能较好的喷头,并且是可以自由升降调节的悬挂式安装,利于调整根域空间的雾化均匀度。这种方法种植时也是极为简单,只需把包缚有海绵条的植株定植于定植孔或定植篮内即可。这种方式植物生长特快,可以作为观光园区内各种瓜果蔬菜或木本植物栽培,把其栽培具有巨大树体的植物之王,是当前观光农业发展的一个好项目。

      (3)金字塔式

      当前农业的种植已渐渐从平面发展至空间,可以大大提高单位面积的使用效率,而利用泡沫扣板搭建而成的金字塔式的栽培系统,现已被科研及生产者所运用,在日本的气雾培植物工厂中,为了充分利用人工光照就是利用这种栽培系统,它具有建造方便,管理容易之特点。该栽培系统在叶菜类的栽培中应用较多,搭建栽培系统时,选择厚5cm,宽100cm,长200cm的泡沫板为材料,并在板上按种植的密度进行均匀地打孔,作为植苗的定植孔。把这些打孔的定植板倒V形的搭扣在预先建好的简易苗床上,这种简易苗床是用砖彻围床沿再于底面铺设薄膜而成,以收集回流营养液。泡沫板间的联接缝以泡沫胶粘固,如果为了牢固起见,可以先在苗床上方搭建一个金字塔形的木条框架,再把定植板扣贴在框架上。搭建好由泡沫板组成的塔式种植系统后,再于塔内的中心位置悬吊弥雾管道,可以是1-2道,做到雾化均匀不留死角即可,经这样的建造,一个密封隔热不透光的根域空间就被营造而成了,种植时只需用海绵固定,把植株包缚后植于孔内即行,该系统在生产上还常常与氧气或二氧化碳的供给技术相结合,可以使植物的生长速度及产量得以更大幅度的提高,也就是把二氧化碳气或氧气直接输入根域空间,使根系吸收固定更多的碳源,使根系的有氧呼吸更加旺盛,更利于植物的快速生长。

      (4)管道式:当前用于家庭或观光园区的营养液管道循环栽培系统也叫管道化栽培系统,大多是采用PVC塑料管作为创造根域空间的栽培系统,再把植株定植于打孔的管道上。然后结合营养液的间歇循环,以实现蔬菜花卉草莓等植物的管道式栽培。它具有造型多样化、外观美观与便于立体化建设的特点,但也存在高温季节管道内温度高与根域空间小所造成的缺氧现象,如果改成气雾系统就可轻松地得以解决。气雾式的管道栽培系统只需在栽培管道内安装微喷管道即可,也可用超声波雾化器把营养液雾化后用微型鼓风机吹送至栽培管道内以供根系对水份与营养的需要。用这种弥雾方式代替水循环后可有效地防止高温时缺氧,这样的改进使管道化栽培系统得以在阳台楼顶等高温环境下摆设栽培,使它的运用空间更大。

2、营养液供给系统:营养液是植物生长发育的矿质营养基础与水份基础,它除了配方合理营养元素间的比例匀衡外,还需有适合的浓度与适宜的酸碱度,也就是电导率EC值与PH值要做到科学调配,如果是水培方式还需对营养液的溶氧及液温进行控制,但在雾培情况下,溶氧可以不必考虑,液温的要求也没有水培这么严格,这样可使营养液的调控实现简易化。在生产中只需对养液的浓度及PH值进行控制即可,这些调控都可集中在一个回流的营养液池中完成。把相关参数调控适宜后再经营养液供给管道以弥雾的方式供应到栽培系统的根域空间内,实现根系的气雾培养。营养供给系统由动力系统、管道、喷头组成,其中管道又分供液管与养液收集回流管组成,供液管又由主管及各级的支管或毛管联接而成,动力系统是实现营养液雾化的动力源,它可以是水泵也可以是压力罐,配置功率或压力的大小由面积及喷头所需的压力来决定,面积大动力功率与压力就要大,可通过计算后确定配置。

3、计算机自动控制系统:在规模化生产或植物工厂中,营养液的调控、系统运行及各种执行动作都是通过计算机自动控制来实现,用于气雾栽培的计算机控制系统具有以下三方面功能,其一是对养液的科学调控,其二是对外环境的自动调控,其三是对根域环境的自动控制。这三者的控制构成了气雾培的自动控制系统。计算机控制系统由三大部份组成,传感器、运算中心、执行动作部件,三者之间的控制逻辑如下,传感器采集外环境、养液及根域环境的各种参数,比如营养液的EC值、PH值、液温、还有根域环境的温度与湿度,然后计算机按专家系统或植物生长模式进行运算判断发出执行指令,再自动开启相关的执行部件进行调控,如养液的EC值过低,就自动添加母液,过高就注入清水,通过开启相关电磁阀来实现启闭。用于雾培的计算机控制系统与水培及温室智能控制上有许多是类同的这里就不作介绍,本文就有异于其它栽培模式所不具有的控制部份进行说明。特别是养液的间歇弥雾控制与根域环境的二氧化碳与氧气供给控制,这两种控制是当前气雾培植物工厂有异于其它模式的关键所在,当然在常规气雾培中可以不需考虑二氧化碳气与氧气的根域控制,但这二种气体的科学供给能为植物的生长能发挥出更大的生产潜力,所以也被目前广大的气雾培生产科研单位所应用。

      (1)如何实现弥雾的间歇控制,间歇弥雾控制最简单的方法就是在计算机程序中设定与外界环境温度相关的时间模块控制技术,也就是当外界温度升高时,弥雾越频繁,温度降低时,间歇时间越长,并可因植物生长的不同阶段进行频率及间歇时间的人为调整,这种方法是以采集的环境参数为参照来确定弥雾方式与间歇时间,虽也较科学但不是最精确。

      (2)以茎胀速与昼夜变量为参数参照的精确控制方法。采用微米级的微位移传感器夹置于植株的茎干或叶片上,利用水份变化胀落对茎干直径产生影响的机理来运算确定弥雾方式与时间的控制方法。当植株失水时会使干茎甚至是叶片的厚薄发生微胀落,再按胀落的幅度参数为参照确定弥雾的强度与时间。达到精确控制科学供雾的目的,这种方式在日本的植物工厂中已被运用,它的技术关键在于不同植物生长模式或专家系统的科学建立,在于计算机的精确传感与控制。对于我国目前的生产力水平来说,大多是采用第一种控制方案较易被生产及科研所运用。但随着高新技术的不断发展一些以生理传感器采集数据,以精准生长模式为判断的更先进控制技术也将渐渐地被生产科研单位得以开发与运用。

      (3)根域环境的供气控制技术。叶片是吸收二氧化碳进行光合作用的重要器官,这已是众所周知的常识,但其实植物的根系也具有强大的吸收与固定转化二氧化碳的能力,这对于加快生长速度及产量来说也是一项较为重要的辅助技术,特别是在气雾培中具有比其它任何一种模式更易实施的优点,可以向根域环境内直接施放二氧化碳气与氧气,也可以把氧气及二氧化碳气采用气液混合技术溶入营养液中,通过弥雾一起供给。对于根域环境的二氧化碳浓度一般以1000-1500ppm为量佳浓度,可以采用二氧化碳传感器进行精确控制,也可用间歇供给方式进行模糊控制。据生产表明这种基于气雾培的二氧化碳及氧气供给技术的实施对于设施条件下气雾培的增产效应极为明显。

气雾培是一种新型的栽培模式,它是基于工程技术、生物技术、计算机控制技术基础上的一种全新栽培模式,据专家分析预测,它将是未来高效农业模式中最为先进,对植物生长潜能开发最为有效的栽培模式,相信不久的将来也会在我国得以普及与运用。

生产运用与发展前景

      气雾培具有其他任何一种栽培所不能比拟的优势,特别是在植物生长潜能发挥上,可以让植物处于一种最佳的根域状态下进行生长发育,对于加快植物生长速度缩短生育苗,提高产量与生物量来说具有它独特的技术优势。现已被生产与科研广泛地运用,特别是发达国家如日本已把气雾培技术作为植物工厂建设中的一项重要项目,特别是在提高设施利用率方面气雾培也具有独特的优势,生长速度加快增加收获的茬数,也利于实施立体式的空间栽培以提高单位面积产量,它在未来设施农业中将占有重要地位,专家预测该栽培模式将是未来农业生产中最先进的栽培方式。另外雾化的供液方式更适于失重状态下栽培,在宇宙太空站,宇宙飞船上都有它的技术优势;此外,在科研上,如植物根系的研究具有直观便于观察与控制的特点,美国亚里桑那州大学的根系研究所就是采用大型的气雾室作为研究植物根系的实验室,甚至科研人员可以在气雾室中穿梭走动。它更是当前植物王栽培的一种重要栽培模式,如各种蔬菜树的栽培,气雾培具有更大的生理潜能,而且在设施投资上也相对较省,如日本的水气耕技术栽培的单株结16500个果的西红柿树,也是利用气雾法进行供液。还在种苗的培育上,运用气雾法进行植物离体材料的催根,比其它基质环境要快而且根系更发达,这也已在生产上被运用,叫气雾增殖技术。总之,采用气雾培技术通常可以比常规模式栽培的植物生长速度要快3-5倍,甚至更高,在生产及科研上具有广阔的发展空间与运用前景。

 

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