基于電生功能水的設施蔬菜灌溉系統的研究

王文莉 侯加林 李立成

摘 要：針對設施蔬菜種植過程中病蟲害發生頻繁、農藥濫用嚴重的情況，本研究設計了一套基于電生功能水的設施蔬菜灌溉系統，主要包括電生功能水制取裝置和設施蔬菜灌溉系統。該系統正常運行時主要參數的調節范圍為：原水流量0～4.0 L/min，電解電流0～2.00 A，電解質溶液濃度0～2%，電解質溶液流量0～40 mL/min。對設備所產功能水的有效存儲時間和設備穩定運行時間進行試驗，并在山東農業大學實驗基地黃瓜溫室中進行整機試驗和殺菌效果驗證，結果表明：設備所產功能水的有效存儲時間為4天，設備運行12 min后達到穩定，使用電生功能水灌溉的黃瓜葉片得病率明顯降低，用電生功能水浸泡處理黃瓜果實的殺菌效果比普通水提高了2倍多。

關鍵詞：電生功能水；設施蔬菜灌溉；殺菌效果

中圖分類號：S625.3文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）05-0142-06

Abstract Considering the situations of diseases and insect pests occur frequently and pesticides are abused severely during greenhouse vegetable planting process， a greenhouse vegetable irrigation system was designed based on electrolyzed functional water. It was mainly comprised of electrolyzed functional water production device and greenhouse vegetable irrigation system. During normal operation of the system， the adjustment range of major parameters were as follows： the raw water flow rate of 0～4.0 L/min， the electrolytic current of 0～2.00 A， the concentration of electrolyte solution as 0～2% and the flow rate of electrolyte solution as 0～40 mL/min. The effective storage time of electrolyzed functional water and the stable running time of the equipment were ascertained. Meanwhile， the whole machine was tested and the bactericidal effect was verified in the cucumber greenhouse in Shandong Agricultural University experimental base. The results showed that， the effective storage time of electrolyzed functional water was four days and the equipment ran stably after being started for 12 minutes. The electrolyzed functional water could obviously decrease the incidence rate of cucumber leaves. For the cucumber fruits， the bactericidal effect of electrolyzed functional water was more than 2 times higher than that of ordinary water.

Key words Electrolyzed functional water； Greenhouse vegetable irrigation； Bactericidal effect

近幾年，隨著科學技術的進步、栽培技術的日益完善和推廣、農業產業結構的調整以及人民生活水平的提高，我國設施蔬菜種植面積逐年擴大，并朝著集約化和專業化方向發展，設施蔬菜逐漸成為我國農業中最具活力的新型產業之一[1]。聯合國糧農組織統計的數據顯示，我國作為最大的蔬菜生產和消費國，設施蔬菜種植面積位居世界前列，并且發展速度極快，2008年達到了444.5萬公頃，是2002年（190萬公頃）的兩倍多。

溫室大棚內濕度大、溫度高、風速低，為各種病害的發生與流行提供了有利條件[2]，再加上倒茬困難，致使某些病害菌源尤其是一些土傳病毒積累增多[3]。而在病蟲害防治時，菜農用藥隨意性大[4]，常將幾種農藥胡亂混配，并隨意提高使用濃度，不僅降低了其對病蟲害防治的有效性，對蔬菜造成嚴重的藥害，而且殘留的大量農藥也會嚴重危害人體健康。

電生功能水作為一種新型消毒試劑，殺菌后還原為普通水，對環境無污染，殺菌能力強，適用范圍廣，制造成本低廉，使用簡單方便，并且對人體無毒、副作用，長期使用不會導致病菌抗性的形成[5～6]。其在設施蔬菜生產的各個環節都有廣闊的發展應用前景，如病蟲害防治[7～10]，蔬菜貯存和保鮮[11～12]，促進蔬菜生長[13]，提高蔬菜品質，改良土壤[14～15]以及克服土壤連作帶來的危害。

將電生功能水和設施蔬菜灌溉相結合，利用電生功能水的廣譜殺菌效果，可以在一定程度上替代農藥，減少亂用農藥的現象，降低殘留農藥對人體的危害，而且可在一定程度上促進作物生長。

1 系統設計原理

1.1 系統整體結構

系統主要包括電生功能水制取和設施蔬菜灌溉兩大部分。電生功能水制取裝置主要是通過調節一定的設備參數，產生所需指標的電生功能水，作為設施蔬菜灌溉用水。設施蔬菜灌溉部分主要通過灌溉控制系統將電生功能水制取裝置產生的功能水進行設施蔬菜灌溉。系統的結構如圖1所示，系統設備運行的主要技術參數如表1所示。

1.2 電生功能水制取裝置

1.2.1 工作原理 電生功能水又稱為電解水或電位水，是利用特殊裝置對添加一定濃度含氯電解質的水進行處理，使水的pH值、氧化還原電位（ORP）、電導率（EC）、有效氯濃度（ACC）等指標發生改變而產生的具有特殊功能的電解水[15]。發生的主要化學反應如下：

1.2.2 電生功能水制取裝置結構設計 電生功能水制取主要包括原水供應部分、電解質溶液供應部分、電解部分、混合部分、電氣控制部分，其中電解部分又分為電解槽和電解電源，其工作原理如圖2所示。

原水供應部分主要是為裝置供應原水，并將其與電解產生的氯氣混合，還可以對裝置管道進行清洗。電解質溶液供應部分主要是為電解槽提供電解液，維持系統電解，持續產生電解產物。電解部分主要包括電解槽和電解電源，電解槽作為電生功能水制取裝置的核心部分，對電解質進行電解，發生相應化學反應；電解電源主要是提供電解所需能量。混合部分主要是將電解產生的氯氣與原水相混合，經過一定距離的混合管道，形成符合指標的電生功能水。電氣部分主要是對以上各個部件進行協調控制，通過設置在設備箱體上的一個單獨的控制面板進行，從而簡化了對設備的控制。電生功能水制取裝置工作流程如圖3所示，結構如圖4所示。

1.3 設施蔬菜灌溉系統

設施蔬菜灌溉系統主要包括灌溉硬件部分和控制部分。

1.3.1 灌溉硬件部分 灌溉系統的硬件部分主要包括滴灌管道、一級過濾、一級緩沖桶、水質軟化、二級緩沖桶、二級過濾以及灌溉其它組件。具體流程如圖5所示。

1.3.2 灌溉控制部分 灌溉系統控制部分主要包括灌溉閥門控制、現場控制、遠程控制等部分。由于灌溉試驗組別較多，因此需要在溫室內設置多個閥門控制節點，由現場控制將閥門控制節點進行匯聚，然后通過GPRS進行遠程控制。灌溉系統控制部分簡要結構如圖6所示。

閥門控制節點主要由電磁閥、單片機控制器、繼電器驅動電路、供電電路等組成。電磁閥接口外直徑為20 mm，供電電壓為直流24 V。單片機控制器選用32位的STM32F103作為主控芯片，其工作頻率72 MHz，供電電壓2.0～3.6 V。

現場控制主要是將閥門節點中的電磁閥進行集中控制，實現手動控制和定時控制。手動控制是通過控制器對各個電磁閥進行單獨控制。定時控制是設定一定的灌溉時間，當灌溉時間達到后電磁閥關閉，停止灌溉。

遠程控制是通過GPRS（General Packet Radio Service）模塊與Internet網絡以及服務器共同作用，實現遠程控制。其中GPRS模塊選擇ZWG-23A型的GPRS DTU模塊，該模塊實現點對中心的信息傳輸方式；然后通過使用具有GPRS功能的SIM（Subscriber Identity Module）卡，并對GPRS 模塊進行配置，實現GPRS模塊的基本功能。遠程控制工作流程如圖7所示。

2 驗證試驗

2.1 試驗材料和試驗地點

2.1.1 試驗材料 無菌操作臺、高溫滅菌鍋、恒溫培養箱、電子天平、pH計、均拍器（用于將黃瓜均勻拍碎）、均質袋（用于盛放處理過的黃瓜，并搗碎配成原液）、試管、錐形瓶、移液槍、酒精燈、一次性培養皿、秒表、涂布棒等。

試驗所需藥劑：去離子水、氯化鈉、胰蛋白胨、酵母浸膏、葡萄糖、瓊脂等。

2.1.2 試驗地點 以山東農業大學實驗基地種植年份為6年的黃瓜溫室大棚進行試驗。該大棚面積為40 m×9 m，壟寬60 cm，走道80 cm，其前坡面夜間用保溫被覆蓋，東、西、北三面為圍護墻體。

2.2 設備穩定運行時間

設備運行參數：電解電流為0.91 A，電解質溶液濃度為2%，電解質溶液流量為11.08 mL/min，原水流量為4 L/min。在此條件下每隔3 min使用10 L的塑料水桶采集一次制取的電生功能水樣本，并對其pH值、氧化還原電位（ORP）、電導率（EC）和有效氯濃度（ACC）進行測定分析，結果如圖8～11所示。可以看出：電生功能水的pH值、ORP、EC、ACC值均在制取開始后6～12 min達到動態穩定，基本滿足使用要求。因此制取電生功能水時，應保證設備運行12 min后再對電生功能水進行相關操作。

2.3 電生功能水的存儲時間

通過控制相應變量制得兩種不同指標的電生功能水，編號為1號和2號。1號電生功能水制

取時電解質溶液濃度為2%，電解質溶液流量為15.77 mL/min，電解電流為1.9 A，原水流量為4 L/min；得到的電生功能水相應指標為pH值5.97，ORP 941.7 mV，EC 403 μS/cm，ACC 59.45 mg/L。2號電生功能水制取時電解質溶液濃度為2%，電解質溶液流量為15.77 mL/min，電解電流為1.0 A，原水流量為4 L/min；得到的電生功能水相應指標為pH值5.63，ORP 953.2 mV，EC 407 μS/cm，ACC 71.28 mg/L。1號和2號電生功能水各制取6瓶，分別分成兩組，一組放在室溫普通位置離暖氣較遠處，分別標號1-1和2-1，另一組放在暖氣片上，分別標號1-2和2-2，均用500 mL的敞口燒杯儲存放置，室內做到最大程度不透風。

根據試驗整體效果，選在上午7∶40對1號和2號電生功能水進行各項指標的曲線繪制和數據比較，結果見表2、表3。

隨儲存時間的延長，電生功能水的pH值逐漸增大，且放置在暖氣片上的變化速度更快； ORP逐漸降低，同樣放在暖氣片上的變化快。正常條件下儲存的電生功能水EC值變化很小，而暖氣片處的電生功能水開始階段EC值比較穩定，一段時間后急劇減小，最后減為零。電生功能水中ACC隨儲存時間的延長逐漸增加，暖氣片位置處的電生功能水變化最快，儲存至2月12日時，靠近暖氣片位置處的電生功能水ACC值已經不能滿足電生功能水應有的標準要求。

2.4 殺菌效果驗證

2.4.1 大棚試驗 在本課題組全體成員的共同參與下，于選擇的大棚中進行了基于電生功能水的設施蔬菜灌溉系統的現場調試和試驗，現場工作如圖12所示。

分別使用電生功能水和普通水對大棚中的黃瓜進行灌溉，3周后對兩種處理的黃瓜病害情況進行調查對比，結果發現使用電生功能水灌溉的黃瓜，其葉片得病程度整體較低（圖13）。

2.4.2 黃瓜樣品試驗 從大棚中隨機摘取一部分黃瓜，用保鮮膜包裹帶回實驗室；將黃瓜樣品分為兩組，分別使用電生功能水和普通水進行浸泡處理，放在室溫下保存。使用的電生功能水指標為pH值5.77，ORP 942.9 mV，EC 419 μS/cm，ACC 77.48 mg/L。

將處理后的黃瓜樣品研碎，梯度稀釋后利用平板計數法調查菌落數。采用的瓊脂培養基配方為胰蛋白胨5.0 g、酵母浸膏2.5 g、葡萄糖1.0 g、瓊脂15 g；梯度稀釋液配方為氯化鈉8.5 g、去離子水1 000 mL。培養48 h后，取菌落總數在30～300的平板進行計數，如圖14所示，具體計數結果見表4、表5。

根據菌落總數計算公式計算得出使用普通水處理的黃瓜菌落總數為4.4×105 cfu/g，使用功能水處理的黃瓜菌落總數為1.3×105 cfu/g（實際為1.25×105 cfu/g，按照第三位數字“四舍五入”，取前兩位數字，后面用零代替的原則進行了修約），殺菌效果比普通水提高了2倍多。

3 結論

（1）對電生功能水制取裝置進行整體設計，并完成了樣機的試制，樣機正常工作條件：電解質溶液流量為0～40 mL/min，電解質濃度為0～2%，原水流量為0～4.0 L/min，電解電流為0～2.00 A。

（2）對設施蔬菜灌溉系統進行設計，采用現場控制和遠程控制相結合的方式進行控制，控制系統采用32位的STM32型單片機處理器作為核心。

（3）將電生功能水制取與設施蔬菜灌溉系統結合，形成一套完整的灌溉系統，并對設備穩定運行時間和電生功能水的儲存時間進行了試驗，結果顯示設備運行12 min后達到穩定，制取的電生功能水在室內正常條件下的有效儲存時間為4天。另外，分別以設施灌溉黃瓜植株和處理黃瓜果實的方式對電生功能水的殺菌效果進行了試驗，結果顯示，用電生功能水灌溉的黃瓜植株病害明顯減輕；浸泡后黃瓜果實上的菌落數明顯減少，表明電生功能水具有比較顯著的殺菌效果。

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