基于臭氧的水培空心菜促生装置及初步试验

刘 楠，王琨琦，余礼根，赵 倩，高瑞龙，卫如雪，王利春，郭文忠

(1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)



基于臭氧的水培空心菜促生装置及初步试验

刘 楠1,2，王琨琦1，余礼根2，赵 倩1,2，高瑞龙1,2，卫如雪2，王利春2，郭文忠2

(1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097)

针对无土栽培条件下营养液易繁殖病原菌及孽生藻类的问题，设计了适用于无土栽培温室的基于臭氧的水培生菜促生装置。采用电晕放电法制取O3,选择合理的自动控制策略，获取营养液杀菌消毒过程中的pH、电导率及液位参数等，针对植物对营养液的实际需求进行动态调整，为植物提供最佳的生长环境。试验以台湾长叶空心菜为试验对象，通过测定0.19mg/L(处理1)、0.38mg/L(处理2)和0.57mg/L(处理3)臭氧浓度处理下水培空心菜的生长指标及叶绿素含量，对比分析不同臭氧浓度处理与不使用臭氧消毒(对照组)条件下空心菜的生长差异。试验结果表明：该循环消毒装置在0.57mg/L臭氧浓度下，对空心菜的生长有一定的促进作用，可以增加空心菜产量。

臭氧；营养液；空心菜；生长指标；叶绿素；促生装置

0 引言

蔬菜水培是无土栽培中发展最快的一个领域[1]。由于水培条件下蔬菜生长整齐、生育期短、商品性好，目前已被广泛应用于蔬菜栽培特别是绿叶蔬菜的高效生产。其中，营养液的循环利用，是无土栽培节约水肥的重要技术措施[2-4]。但在营养液循环利用的无土栽培设施及高温高湿条件下容易引起并快速繁殖一些病原菌及孽生藻类，妨碍根的呼吸，严重时会造成大量作物死亡，导致整个栽培系统崩溃[5-7]。因此，在营养液循环利用时有必要进行杀菌，除掉其中的病原物以利于植株更好的生长。

目前，传统的营养液消毒方法主要包括高温消毒、臭氧消毒及紫外线消毒等，不同的消毒方法各有优势。植物生长快慢最重要的是氧气环境[8]，臭氧具有极强氧化性，易分解为氧气，有利于植物的有氧呼吸；同时，也是一种广谱消毒杀菌剂，有利于杀菌灭藻[9-11]。因此，将臭氧通入营养液，对其进行杀菌消毒是一种绿色环保的消毒手段。

为使营养液消毒更加智能便捷化，本文主要利用具有可在高温、高湿的复杂环境下稳定工作的电晕放电法制取O3，采用自动控制的方式，设计了一种营养液循环利用装置，并利用该装置实现给营养液杀菌消毒及营养液的循环利用，有效解决了营养液细菌滋生的问题。

1 促生装置结构与工作原理

1.1 基于臭氧的水培生菜促生装置结构设计

该系统主要由数据采集系统、控制系统和循环系统3部分组成，如图1所示。

1.搅拌器 2.水泵 3.液位传感器 4.曝气石 5.PH传感器 6.EC传感器 7.进水管 8.电磁阀 9.回液管 10.栽培床 11.供液管12.贮液罐

其中，数据采集系统由各种传感器，包括贮液池的液位传感器、栽培床里的pH传感器和电导率传感器组成。控制系统主要是由I/O接口、中间继电器及电磁阀组成。臭氧发生装置控制所有的电磁阀及搅拌棒，系统通过各个传感器采集到各种信号，反馈给控制器，驱动各执行机构，从而实现营养液的搅拌、添加的控制。营养液循环系统包括栽培床、贮液罐、供液管、回液管及水泵等。母液、酸液、碱液和清水通过电磁阀的控制流入贮液罐，营养液利用水泵，通过供液管传送至栽培床，给作物提供基本的养分和水分，经栽培床的营养液通过回液管回流至贮液池，从而形成营养液循环系统。

1.2 工作原理

臭氧发生器在高频高压电流状态下产生臭氧并经气泵送出，通过曝气石将臭氧均匀送入贮液池，混合为臭氧水，经由供液管至栽培床，实现营养液的杀菌消毒。系统根据设定好的环境参数，通过传感器采集模块，实时监测并采集栽培槽及贮液罐中pH、电导率及液位等数值，并将所有信号通过RS-485总线上传至PC机，分别将其与设定值进行比较，根据比较结果控制各电磁阀的开闭等。当液位传感器显示值低于设定值时，根据设定好的母液、酸液、碱液浓度及清水容积开启阀门将其输出至贮液罐，达到液位上限时关闭阀门；并通过搅拌器搅拌营养液，待其均匀后将其输出，经进液管为栽培床中的植物供液，为植物根系的生长提供良好的根系环境；之后，经回流管返回到贮液罐，从而完成一个循环控制过程。

2 基于臭氧浓度的营养液循环系统试验

2.1 试验方法

2.1.1 试验设计

试验于2015年8-9月在北京市小汤山国家精准农业研究示范基地无土栽培温室中进行，以空心菜为供试材料，采用营养液膜培法(NFT，Nutrient Film Technique)进行栽培。2015年8月20日种子经浸种催芽后播于聚氨酯泡沫育苗块上，真叶露心时分苗于泡沫板；于9月1日将空心菜幼苗按12.5cm×16cm的密度定植于DFT(深水液流系统，Deep Flow Technique)栽培槽(长4.8m，宽0.58m)中；定植后经1周缓苗，开始利用水培空心菜促生装置进行初步的臭氧对水培空心菜生长的影响试验；于每天8：00-18：00进行间歇性臭氧曝气，对空心菜设定4个臭氧浓度处理：分别为对照组(不通臭氧)、处理1(浓度为0.19mg/L)、处理2(浓度为0.38mg/L)、处理3(浓度为0.57mg/L)。各处理组和对照组均为130L营养液循环使用，当液位低于50L时添加母液、酸液、碱液及清水至原始浓度和液位。

2.1.2 测定项目和方法

定植后，每间隔4天测定空心菜的叶片数、株高、茎粗及叶绿素含量。利用卷尺测量空心菜的株高(定植板向上至叶部顶端距离)，游标卡尺测量空心菜茎粗(茎基部直径)，叶片叶绿素含量测定采用便携式叶绿素测定仪(SPAD-502，日本柯尼卡美能达控股株式会社)测定;每次随机选择6株进行测定，记录数值，并计算平均值，重复3次。

2.2 数据处理方法

利用Microsoft Excel软件进行分析和作图,采用SPSS 13.0进行试验数据处理。

2.3 试验结果分析

2.3.1 不同臭氧浓度处理对空心菜生长的影响

从开始通气至收获时空心菜株高、茎粗、叶片数的变化过程如图2～图4所示。结果表明：随着定植天数的增加，不同处理下空心菜叶片数、株高、茎粗总体呈现上升趋势。处理初期，空心菜生长缓慢，处理2的叶片数与处理1、对照组无显著性差异，处理3显著高于其他处理；不同臭氧浓度处理下水培空心菜的茎粗和茎高表现为：处理3>处理2>处理1>对照组，处理3显著高于处理1和对照组。随着空心菜的生长，臭氧浓度处理对空心菜叶片数、株高、茎粗的积累从第14d开始产生显著差异，对照组和处理1的叶片数和茎粗无显著性差异，但处理1的茎高显著高于对照组。处理3下的空心菜生长状态最好，其叶片数、茎粗、株高均为最大；采收时，处理3(即0.57mg/L)条件下空心菜的叶片数、株高、茎粗均高于其他处理，处理1的茎粗和叶片数略低于对照组；处理3的茎高明显高于对照组，分别比对照组增加了16.1%，比处理1增加14.4%，比处理2增加12.1%。经监测，不同臭氧浓度处理下营养液中的pH与电导率无显著差异。

图2 不同臭氧浓度对空心菜茎粗的影响

图3 不同臭氧浓度对空心菜株高的影响

图4 不同臭氧浓度对空心菜叶片数的影响

植物的叶片数的减小，植物的矮化和茎缩短是空心菜最直观的衰老腐败现象[12]。试验结果表明：适宜浓度的臭氧处理对促进空心菜的生长效果显著，但浓度过小会导致部分植株的矮化和叶片数减小。

2.3.2 不同臭氧浓度处理对空心菜叶绿素的影响

叶绿素是植物光合作用的关键物质和有机营养的基础，其含量的下降是叶片衰老最明显的特征。作为一种可见的特征，叶绿素含量被视为逆环境中监测植物生长的受害程度的指标[13]。不同臭氧浓度处理对空心菜SPAD值的影响如图5所示。

图5 不同臭氧浓度对水培空心菜中叶绿素含量的影响

由图5明显可以看出：处理3的空心菜SPAD值含量变化较为剧烈，始终高于其他处理，在第7天到19天处理1、2与对照组的SPAD含量变化相差不大，且变化相对较为缓慢。其中，处理1臭氧处理11天时空心菜中的SPAD值仅比未进行处理时高0.28，处理2增大了0.22。在处理初期，各处理间无显著差异，随着时间的延长，处理3较处理2、处理1和对照组而言具有显著差异，且在最后收获时各处理SPAD值达到最大。

3 结论

1)设计了基于臭氧的水培空心菜促生装置，利用臭氧的强氧化性及易分解等特性，针对营养液循环易繁殖病原菌、孽生藻类等问题，可利用该促生装置进行杀菌消毒，使得营养液消毒更加智能化。

2)试验结果表明：随着臭氧浓度的增大，空心菜的长势越来越旺盛，0.57mg/L臭氧处理促进了水培空心菜茎粗、株高、叶片数及叶绿素含量的提高。因此，臭氧浓度有利于促进水培空心菜的生长，不仅可以增加空心菜产量，也可改善空心菜的品质。对于臭氧在营养液消毒及水培空心菜的影响等需进一步的试验研究。

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The Growth Device and Preliminary Test for Hydroponic Spinach Based on Ozone Concentration

Liu Nan1,2, Wang Kunqi1,Yu Ligen2, Zhao Qian1,2,Gao Ruilong1,2，Wei Ruxue2,Wang Lichun2,Guo Wenzhong2

(1.School of Mechatronic Engineering，Xi’an Technological University, Xi’an 710021, China; 2.Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture,Beijing 100097,China)

To solve the problems with pathogenic bacteria and growing algae existed in nutrient liquid under soilless cultivation condition, this paper was destined to design a growth device with circulating disinfection based on ozone treatment. The ozone gas was produced by high voltage power. The parameters of pH, EC and liquid level were observed by automatic control system, which could be dynamically adjusted according to the actual demand of plant nutrition by control algorithm, in order to create the best growing condition for plants. In this paper, Taiwan water spinach was chosen as the test object, the differences among different levels of ozone treatment has been investigated by measuring growth index of water spinach at 0.19, 0.38 and 0.57mg/L mass concentrations of ozone. The results showed that the ozone concentration at 0.57 mg/l can significantly promote the growth of water spinach, the yield of water spinach could be increased and the quality could also be improved. This research will provide basic data and theoretical basis for the application of ozone disinfection technology in soilless culture system.

ozone;nutrient solution; spinach;growth index; chlorophyll; grouth device

2015-12-23

北京市农林科学院青年基金项目(QNJJ201421)

刘 楠(1990-),女，陕西渭南人，硕士研究生，(E-mail) 372394830@qq.com。

王琨琦(1955-)，男，陕西岐山人，教授，(E-mail)372122167@qq.com。

S317

A

1003-188X(2017)01-0092-04