管道霧培設施技術的設計與應用

[摘要]研究一種基于Arduino調節自動添加營養液可循環霧培設施，在傳統無土栽培的基礎上，加入自動循環、單層可控、光譜補償、營養液自動監測、預警以及添加霧培系統等新技術，將無土栽培變得更加智能化，在葉類蔬菜工廠化、規模化生產中應用前景廣闊。

[關鍵詞] Arduino;自動;霧培;葉菜類

中圖分類號：S636 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.201810

霧培（Spray Culture）又稱氣增或氣霧培，是一種利用氣霧裝置將營養液壓縮成氣霧狀，直接噴射到植物根系的栽培方法，為植物提供生長發育必需的水、氣、肥的一種無土栽培模式[1]。在培養過程中，植株根系裸露，不僅能夠擺脫植物對土壤的依賴、土壤污染、連作障礙和次生鹽漬化等對作物生產的限制和影響，還能夠有效解決普通水培中根系供氧問題[2]，具有安全、環保、節水節肥、提高作物生長速度等特點，達到優質高產，在蔬菜領域中具有廣闊的應用前景。本文在傳統的霧培基礎上，提出新改良的管道霧培裝置與實際葉菜類蔬菜種植栽培相結合，為無土栽培行業提供支持。

1 管道霧培裝置

1.1 提出背景

隨著消費水平的提高，人們越來越重視飲食平衡，以素菜為主、葷菜為輔的飲食習慣成為潮流，其中主要蔬菜組成為葉菜類蔬菜，如生菜、青菜等。農業生產企業為滿足日益增長的消費需求，需要提高生產效率。現許多采用無土栽培模式種植蔬菜，目前市場上銷售的葉菜類蔬菜栽培設備大都以土培和水培為主，相比于土培和水培的栽培設備，管道霧培的葉菜類蔬菜不僅擺脫了傳統栽培對土壤的依賴，不受土壤污染、連作障礙等對作物生產的限制，還有效地解決了普通水培中生菜根系供氧問題，同時具有養分和水分利用率高的優點。同時，管道霧培生菜相比其他葉菜類蔬菜栽培方法（土培、水培、傳統霧培），具有營養液循環利用、生長更快、管理更方便、用工更少、成本更低、生產效率更高等優勢，是未來高效農業模式中最為先進、對葉菜類蔬菜生長潛能開發最為有效的栽培模式。

目前市場上的管道霧培設備較少，且大部分為普通的霧培設備，造價格外昂貴、產品品質較低，原因在于對植物營養液需求以及供應時間把控不夠準確。本研究設計了一種基于Arduino調節自動添加營養液可循環霧培設施，在傳統無土栽培的基礎上，加入自動循環、單層可控、光譜補償、營養液自動監測、預警以及添加霧培系統等新技術，能夠自動控制對根系噴灑營養液的時間與用量，達到智能培育的目的，還可縮短葉菜類蔬菜的生長發育周期，增加收獲茬數，提高蔬菜品質。目前實際應用的主要有四種基本形式，即循環式水培、營養液膜栽培、巖棉栽培和其他固體基質培。

1.2 其他無土栽培設施優缺點

1.2.1 水培

水培相對傳統土地栽培技術，擁有占地面積小、生產速度快的優點，可減少生產周期，產量高、病蟲害少、用藥量少，甚至可以不用藥。但是也存在一些缺陷，例如A型架型水培裝置存在上部蔬菜長勢優于下部蔬菜、水培液中容易滋生蚊蟲以及營養液循環更換和營養液浪費等問題。

1.2.2 氣霧培

氣霧栽培是利用特制的設施通過噴頭將營養液直接均勻地噴灑在蔬菜根基部的一種新型栽培方式。除具備傳統水培的優點外，還具有一些其他優點：（1）采用立體化種植的方式，將土地利用率提高至6～8倍。（2）可以增加蔬菜產量、改善蔬菜品質、縮短蔬菜的上市周期等目的。（3）通過智能化系統配備，控制氣霧噴射時間和間斷周期，將營養液利用率提高，節約資源和能源，防止浪費和污染。（4）通過氣霧栽培，使蔬菜根系更加發達，增加抗病性，有效減少黑腐等病害。（5）有研究表明氣霧栽培可以顯著提高某些營養元素含量。

市面上的氣霧栽培也存在一些缺點：（1）設備投入成本過高。包括管道、智能控制系統、建設成本、推廣成本。（2）氣霧栽培對水質、營養液配比要求嚴格，若不達標容易出現產量下降等問題。（3）氣霧栽培目前還處于實驗階段，對于噴霧時間和周期控制以及補光系統等還在進一步研究當中。

1.3 管道霧培裝置簡介

管道霧培裝置基于管道霧培的設計理念，將霧化的營養液通過管道循環輸送，自動、均勻地將霧狀營養液送達蔬菜根系，避免了土培及水培中蔬菜根系呼吸困難，使得葉菜類蔬菜的根、莖、葉能獲得對水、肥、氣、溫、光的最大滿足，從而使葉菜類蔬菜快速生長，提高產量，同時可大量節約用水，提高土地使用率、降低病蟲害，實現真正的綠色食品栽培。

1.4 管道霧培裝置工作原理

研究提出一種基于Arduino可調節自動添加營養液的可循環霧培設施，包括控制模塊、霧培噴頭、多層的總支撐框架、以水平滑軌支撐于總支撐框架的分層處的一個以上的霧培管道架。總支撐框架處設有水泵和貯有營養液的水箱，霧培管道架在總支撐框架自上而下分布，各層水培管道架處設有水培管道、EC測量儀，水泵與水箱和水培管道相連以向霧培管道補充營養液。總支撐框架處設有光敏傳感器和管道架動力電機，當光敏傳感器測得的環境光強度達到植物生長所需閾值時，管道架動力電機驅動霧培管道架伸出總支撐框架以使植物接受光照。本產品在傳統無土栽培的基礎上，加入自動循環、單層可控、光譜補償、營養液自動監測預警以及添加霧培系統等新技術，將無土栽培變得更加智能化。

1.5 具體實施原理

管道霧培裝置示意見圖1。

基于Arduino可調節自動添加營養液可循環設施包括可調支架2、控制模塊、多層的總支撐框架5、以水平滑軌支撐于總支撐框架的分層處的一個以上的水培管道架。總支撐框架處設有水泵和貯有營養液的水箱3，所述霧培管道架在總支撐框架自上而下分布，各層霧培管道架處設有霧培管道6、EC測量儀1，所述水泵與水箱和水培管道相連以向霧培管道補充營養液。所述總支撐框架處設有光敏傳感器和管道架動力電機4，當光敏傳感器測得的環境光強度達到植物生長所需閾值時，管道架動力電機驅動水培管道架伸出總支撐框架以使植物接受光照。

2 霧培葉類蔬菜

葉類蔬菜是按照產品器官的分類，以葉片或葉球、葉叢、變態葉和葉柄為產品的一類蔬菜[3]。葉類蔬菜主要分為四大類：（1）普通類葉菜。如芹菜、小白菜、菠菜、生菜、油麥菜、莧菜等。（2）結球類葉萊。如大白菜、結球甘藍、結球萵苣、包心芥菜等。（3）辛香類葉菜。如小（香）蔥、韭菜、茼蒿、芫荽、小茴香等。（4）特菜類葉菜。如紅薯葉、萵筍葉，該類蔬菜多為非主流，屬于兼用型葉菜類[4]。葉類蔬菜富含維生素（如維生素C、維生素K）、礦物質、碳水化合物等，是一類高纖維、低熱量的蔬菜。據調查，葉類蔬菜多在溫室或簡易大棚栽培種植，結合基質栽培、地膜覆蓋等手段，但易遭受病蟲害。霧培作為一種新型耕作制度，可有效解決天然土壤栽培中所存在的連作障礙以及水培中蔬菜根系缺氧的問題，此外，還可使蔬菜有效吸收養分，生長迅速、增加產量。根據研究表明，通過霧培種植，促進了蔬菜的生長，有些品種甚至可加速3～5倍。

2.1 霧培生菜

生菜（Lactuea sativa）又稱葉用萵苣，為菊科萵苣屬一年生或二年生草本作物，原產歐洲地中海沿岸，由野生種馴化而來[5]。生菜葉片富含蛋白質、脂肪、碳水化合物、維生素以及微量元素等，葉片含有萵苣素[6]，有促進血液循環、鎮痛、利尿、安眠等保健功效，食用方式常以烹炒或做成沙拉。因其生長周期短、產量高，是市場上霧培裝置主要栽植的品種之一。據研究表明，采用管道霧培能有效提高生菜葉片的維生素C含量，氨基酸含量變化不顯著，單茬產量有所提高。此外，作為喜硝類蔬菜，管道霧配可有效降低生菜對硝酸鹽的吸收量，提高生菜品質，使得食用更安全。

2.2 霧培青菜

青菜（Brassica chinensis L.）是十字花科蕓薹屬一年或二年生草本植物，是含維生素和礦物質最豐富的蔬菜之一。據研究，若每天吃500g青菜，就能滿足一個成年人所需的維生素、胡蘿卜素、鈣、鐵等[7]，不僅能增強機體免疫能力、保持血管彈性，還具有防癌抗癌的作用。通過管道霧培設施種植青菜可提高青菜的維生素C、粗纖維、總氨基酸含量，縮短生長周期，增加茬數與產量。

2.3 霧培香菜

香菜（Coriandrum sativum L.），又稱“芫荽”，為傘形科云姜屬的香辛植物。香菜不僅營養豐富，其藥用價值也非常高。中醫認為，香菜辛溫香竄、內通心脾、外達四肢、辟一切不正之氣，為溫中健胃養生食品[8]。營養分析表明，香菜中含有蛋白質、脂肪、碳水化合物、粗纖維、維生素B1、維生素B2、維生素C、胡蘿卜素、礦物質（鈣、磷、鐵、鉀等）等營養成分，其香氣是由醇類和烯類組成的揮發油及蘋果酸鉀引起的，食用后可增加胃液分泌、增進食欲、調節胃腸蠕動、提高人體消化能力[9]。據研究，在露地栽培過程中，香菜具有極為嚴重的連作障礙，且隨種植面積擴大而加劇，目前香菜主要病害有香菜菌核病、香菜葉枯病、香菜斑枯病、香菜根腐病[10]。通過管道霧培設施種植栽培香菜，可有效提高植株維生素C含量，增加葉片數，縮短生長周期提高產量，但其氨基酸含量較傳統栽培模式效果不顯著，管道霧培可有效規避連作障礙，減少病蟲害發生，通過實施“邊采收邊定植”的方式，可有效提高產量。

3 結 論

傳統霧培有A型霧培、立柱式霧培、半霧培三種方式，管道霧培較傳統霧培具有水分養分利用率更高、減少廢液形成、節約成本、管理較為方便、植株地上部與地下部可相互協調等優點。霧培種植葉菜類蔬菜看似容易，但若想進行規模化生產，還有許多技術細節和生產性問題需要研究和探索，如不同葉菜類蔬菜最適營養液濃度以及N、P、K的比例等。營養液是無土栽培的關鍵影響因素，不僅影響蔬菜的生長發育和產量形成，也直接影響生產成本、經濟效益和養分利用效率，若能研究出一種符合所有葉菜類蔬菜生長發育過程中的營養所需的營養液，可在確保植株生長的同時提高其品質與產量，達到綠色環保的目的，將是無土栽培領域中的重大突破。

參考文獻

[1] 洪南.基于AVR單片機溫室氣霧培控制系統的設計與實現[D].青島：中國海洋大學，2010.

[2] 丁文雅.高產優質生菜氣霧栽培系統中營養液調控技術的研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[3] 梁磊.葉菜類觀賞蔬菜的評價及應用研究[D].杭州：浙江農林大學，2011.

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[8] 奶茶.美味香菜餃[J].為了孩子：0-3歲（上），2015（6）：65.

[9] 王延群.香菜—添食欲、利健康[J].祝您健康，2012（11）：37.

[10] 趙海臣，趙美林.保護地香菜常見病防治[J].農藥市場信息， 2015（2）：60.

Design and Application of Pipe Fog Culture Facilities

Luo Zihang， Lin Xiahui， Song Shuang， Liu Zuhui

（College of Horticulture， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002）

Abstract： Study on an automatic adding nutrient solution Recycling Fog Culture Facility based on arduino Regulation. On the basis of traditional soilless cultivation， adding automatic circulation， single layer controllable， spectral compensation， nutrition liquid automatic monitoring and new techniques such as early warning and adding Fog Culture system. The soilless cultivation will become more intelligent and will have a broad application prospect in the industrialized and large-scale production of leafy vegetables.

Key Words： arduino， automatic， fog culture， leafy vegetables