基于臭氧的水培空心菜促生裝置及初步試驗

劉 楠，王琨琦，余禮根，趙 倩，高瑞龍，衛如雪，王利春，郭文忠

(1.西安工業大學 機電工程學院，西安 710021；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097)

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基于臭氧的水培空心菜促生裝置及初步試驗

劉 楠1,2，王琨琦1，余禮根2，趙 倩1,2，高瑞龍1,2，衛如雪2，王利春2，郭文忠2

(1.西安工業大學 機電工程學院，西安 710021；2.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097)

針對無土栽培條件下營養液易繁殖病原菌及孽生藻類的問題，設計了適用于無土栽培溫室的基于臭氧的水培生菜促生裝置。采用電暈放電法制取O3,選擇合理的自動控制策略，獲取營養液殺菌消毒過程中的pH、電導率及液位參數等，針對植物對營養液的實際需求進行動態調整，為植物提供最佳的生長環境。試驗以臺灣長葉空心菜為試驗對象，通過測定0.19mg/L(處理1)、0.38mg/L(處理2)和0.57mg/L(處理3)臭氧濃度處理下水培空心菜的生長指標及葉綠素含量，對比分析不同臭氧濃度處理與不使用臭氧消毒(對照組)條件下空心菜的生長差異。試驗結果表明：該循環消毒裝置在0.57mg/L臭氧濃度下，對空心菜的生長有一定的促進作用，可以增加空心菜產量。

臭氧；營養液；空心菜；生長指標；葉綠素；促生裝置

0 引言

蔬菜水培是無土栽培中發展最快的一個領域[1]。由于水培條件下蔬菜生長整齊、生育期短、商品性好，目前已被廣泛應用于蔬菜栽培特別是綠葉蔬菜的高效生產。其中，營養液的循環利用，是無土栽培節約水肥的重要技術措施[2-4]。但在營養液循環利用的無土栽培設施及高溫高濕條件下容易引起并快速繁殖一些病原菌及孽生藻類，妨礙根的呼吸，嚴重時會造成大量作物死亡，導致整個栽培系統崩潰[5-7]。因此，在營養液循環利用時有必要進行殺菌，除掉其中的病原物以利于植株更好的生長。

目前，傳統的營養液消毒方法主要包括高溫消毒、臭氧消毒及紫外線消毒等，不同的消毒方法各有優勢。植物生長快慢最重要的是氧氣環境[8]，臭氧具有極強氧化性，易分解為氧氣，有利于植物的有氧呼吸；同時，也是一種廣譜消毒殺菌劑，有利于殺菌滅藻[9-11]。因此，將臭氧通入營養液，對其進行殺菌消毒是一種綠色環保的消毒手段。

為使營養液消毒更加智能便捷化，本文主要利用具有可在高溫、高濕的復雜環境下穩定工作的電暈放電法制取O3，采用自動控制的方式，設計了一種營養液循環利用裝置，并利用該裝置實現給營養液殺菌消毒及營養液的循環利用，有效解決了營養液細菌滋生的問題。

1 促生裝置結構與工作原理

1.1 基于臭氧的水培生菜促生裝置結構設計

該系統主要由數據采集系統、控制系統和循環系統3部分組成，如圖1所示。

1.攪拌器 2.水泵 3.液位傳感器 4.曝氣石 5.PH傳感器 6.EC傳感器 7.進水管 8.電磁閥 9.回液管 10.栽培床 11.供液管12.貯液罐

其中，數據采集系統由各種傳感器，包括貯液池的液位傳感器、栽培床里的pH傳感器和電導率傳感器組成?？刂葡到y主要是由I/O接口、中間繼電器及電磁閥組成。臭氧發生裝置控制所有的電磁閥及攪拌棒，系統通過各個傳感器采集到各種信號，反饋給控制器，驅動各執行機構，從而實現營養液的攪拌、添加的控制。營養液循環系統包括栽培床、貯液罐、供液管、回液管及水泵等。母液、酸液、堿液和清水通過電磁閥的控制流入貯液罐，營養液利用水泵，通過供液管傳送至栽培床，給作物提供基本的養分和水分，經栽培床的營養液通過回液管回流至貯液池，從而形成營養液循環系統。

1.2 工作原理

臭氧發生器在高頻高壓電流狀態下產生臭氧并經氣泵送出，通過曝氣石將臭氧均勻送入貯液池，混合為臭氧水，經由供液管至栽培床，實現營養液的殺菌消毒。系統根據設定好的環境參數，通過傳感器采集模塊，實時監測并采集栽培槽及貯液罐中pH、電導率及液位等數值，并將所有信號通過RS-485總線上傳至PC機，分別將其與設定值進行比較，根據比較結果控制各電磁閥的開閉等。當液位傳感器顯示值低于設定值時，根據設定好的母液、酸液、堿液濃度及清水容積開啟閥門將其輸出至貯液罐，達到液位上限時關閉閥門；并通過攪拌器攪拌營養液，待其均勻后將其輸出，經進液管為栽培床中的植物供液，為植物根系的生長提供良好的根系環境；之后，經回流管返回到貯液罐，從而完成一個循環控制過程。

2 基于臭氧濃度的營養液循環系統試驗

2.1 試驗方法

2.1.1 試驗設計

試驗于2015年8-9月在北京市小湯山國家精準農業研究示范基地無土栽培溫室中進行，以空心菜為供試材料，采用營養液膜培法(NFT，Nutrient Film Technique)進行栽培。2015年8月20日種子經浸種催芽后播于聚氨酯泡沫育苗塊上，真葉露心時分苗于泡沫板；于9月1日將空心菜幼苗按12.5cm×16cm的密度定植于DFT(深水液流系統，Deep Flow Technique)栽培槽(長4.8m，寬0.58m)中；定植后經1周緩苗，開始利用水培空心菜促生裝置進行初步的臭氧對水培空心菜生長的影響試驗；于每天8：00-18：00進行間歇性臭氧曝氣，對空心菜設定4個臭氧濃度處理：分別為對照組(不通臭氧)、處理1(濃度為0.19mg/L)、處理2(濃度為0.38mg/L)、處理3(濃度為0.57mg/L)。各處理組和對照組均為130L營養液循環使用，當液位低于50L時添加母液、酸液、堿液及清水至原始濃度和液位。

2.1.2 測定項目和方法

定植后，每間隔4天測定空心菜的葉片數、株高、莖粗及葉綠素含量。利用卷尺測量空心菜的株高(定植板向上至葉部頂端距離)，游標卡尺測量空心菜莖粗(莖基部直徑)，葉片葉綠素含量測定采用便攜式葉綠素測定儀(SPAD-502，日本柯尼卡美能達控股株式會社)測定;每次隨機選擇6株進行測定，記錄數值，并計算平均值，重復3次。

2.2 數據處理方法

利用Microsoft Excel軟件進行分析和作圖,采用SPSS 13.0進行試驗數據處理。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 不同臭氧濃度處理對空心菜生長的影響

從開始通氣至收獲時空心菜株高、莖粗、葉片數的變化過程如圖2～圖4所示。結果表明：隨著定植天數的增加，不同處理下空心菜葉片數、株高、莖粗總體呈現上升趨勢。處理初期，空心菜生長緩慢，處理2的葉片數與處理1、對照組無顯著性差異，處理3顯著高于其他處理；不同臭氧濃度處理下水培空心菜的莖粗和莖高表現為：處理3>處理2>處理1>對照組，處理3顯著高于處理1和對照組。隨著空心菜的生長，臭氧濃度處理對空心菜葉片數、株高、莖粗的積累從第14d開始產生顯著差異，對照組和處理1的葉片數和莖粗無顯著性差異，但處理1的莖高顯著高于對照組。處理3下的空心菜生長狀態最好，其葉片數、莖粗、株高均為最大；采收時，處理3(即0.57mg/L)條件下空心菜的葉片數、株高、莖粗均高于其他處理，處理1的莖粗和葉片數略低于對照組；處理3的莖高明顯高于對照組，分別比對照組增加了16.1%，比處理1增加14.4%，比處理2增加12.1%。經監測，不同臭氧濃度處理下營養液中的pH與電導率無顯著差異。

圖2 不同臭氧濃度對空心菜莖粗的影響

圖3 不同臭氧濃度對空心菜株高的影響

圖4 不同臭氧濃度對空心菜葉片數的影響

植物的葉片數的減小，植物的矮化和莖縮短是空心菜最直觀的衰老腐敗現象[12]。試驗結果表明：適宜濃度的臭氧處理對促進空心菜的生長效果顯著，但濃度過小會導致部分植株的矮化和葉片數減小。

2.3.2 不同臭氧濃度處理對空心菜葉綠素的影響

葉綠素是植物光合作用的關鍵物質和有機營養的基礎，其含量的下降是葉片衰老最明顯的特征。作為一種可見的特征，葉綠素含量被視為逆環境中監測植物生長的受害程度的指標[13]。不同臭氧濃度處理對空心菜SPAD值的影響如圖5所示。

圖5 不同臭氧濃度對水培空心菜中葉綠素含量的影響

由圖5明顯可以看出：處理3的空心菜SPAD值含量變化較為劇烈，始終高于其他處理，在第7天到19天處理1、2與對照組的SPAD含量變化相差不大，且變化相對較為緩慢。其中，處理1臭氧處理11天時空心菜中的SPAD值僅比未進行處理時高0.28，處理2增大了0.22。在處理初期，各處理間無顯著差異，隨著時間的延長，處理3較處理2、處理1和對照組而言具有顯著差異，且在最后收獲時各處理SPAD值達到最大。

3 結論

1)設計了基于臭氧的水培空心菜促生裝置，利用臭氧的強氧化性及易分解等特性，針對營養液循環易繁殖病原菌、孽生藻類等問題，可利用該促生裝置進行殺菌消毒，使得營養液消毒更加智能化。

2)試驗結果表明：隨著臭氧濃度的增大，空心菜的長勢越來越旺盛，0.57mg/L臭氧處理促進了水培空心菜莖粗、株高、葉片數及葉綠素含量的提高。因此，臭氧濃度有利于促進水培空心菜的生長，不僅可以增加空心菜產量，也可改善空心菜的品質。對于臭氧在營養液消毒及水培空心菜的影響等需進一步的試驗研究。

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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

北京市農林科學院青年基金項目(QNJJ201421)

劉 楠(1990-),女，陜西渭南人，碩士研究生，(E-mail) 372394830@qq.com。

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

S317

A

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