NFT 水肥一體化栽培系統的設計及能耗分析

李傳輝

（福建省農業科學院數字農業研究所，福州 350003）

NFT 栽培（Nutrient film technique）即營養液膜栽培，指營養液以淺層流動的形式在種植槽中從較高一端流向較低一端的水培方式［1］。淺液流特點是循環供液的液流呈膜狀，僅以數毫米厚的淺液流流經栽培槽底部，水培作物的根底部接觸淺液流吸水吸肥，上部暴露在空氣中吸氧，較好地解決了根系吸水與吸氧的矛盾［1］。NFT 栽培是一種新型的無土栽培技術，與傳統的有土栽培相比，能夠提高水肥的利用率，節省勞力，增加蔬菜產量，解決土壤連作障礙，提高土地利用率，可控性強，便于生產上工廠化穩定生產和應用推廣。國內學者設計了一些專門針對NFT 的水肥系統并進行了試驗分析。魏靈玲等［2］研制了多功能水耕栽培系統，適用于NFT 模式，實現了營養液的自動控制。劉現等［3］設計了一款能自動灌溉、混肥、潔桶、洗槽等功能的營養液膜（NFT）栽培試驗儀，可用于NFT 栽培品種篩選試驗。沈子堯等［4］概述了NFT 水培蔬菜規模化生產技術并分析NFT 水培蔬菜的效益，得出NFT 水培栽培蔬菜年利潤可觀的結論。卯練練等［5］設計了一種能夠自動沖洗管道的管道NFT 水培葉菜系統。

本研究設計的NFT 栽培系統能夠使營養液按設定的EC 和pH，通過灌溉管道輸送到設定的NFT栽培區中，能夠自行設定灌溉時間和灌溉周期，實現分區域輪流灌溉，營養液可循環利用。目前已成功應用于上海青、生菜、快白、空心菜、花瓶菜、香菜等葉菜類蔬菜種植。以福州市種植華冠上海青為例，從移栽至栽培槽，再到采收，生長周期夏季為20~30 d，冬季為28~35 d，蔬菜生產可控性強，周期短，采收完可立即進行下一茬種植，周年栽培的情況下年產量可達375 t/hm2。該系統運行穩定，具備了溫室水培灌溉的基本功能，滿足作物的灌溉需求，具有一定的應用和推廣價值。

1 系統設計

1.1 系統總體結構

NFT 水肥一體化栽培系統結構如圖1 所示，主要由吸肥系統、NFT 灌溉系統、控制系統三大部分組成。吸肥系統主要包括母液桶（A 液、B 液、H 液）、文丘里、配肥自吸泵、EC 及pH 傳感器、液位傳感器等，吸肥系統主要功能為從3 個母液桶中按比例吸收肥料母液并添加到儲液池中，完成吸肥動作。NFT 栽培系統由儲液池、灌溉出水泵、灌溉分區電磁閥、NFT 栽培管道、回液池等組成，它的主要功能為將儲液池中配置好的營養液按照系統要求灌溉到NFT栽培區域中，并實現營養液的回收利用。控制系統主要由PLC、HMI 觸摸屏、擴展模塊等組成，主要實現系統的自動控制和人機交互。

圖1 NFT 水肥一體化栽培系統結構

NFT 栽培區主要由栽培槽、栽培支架等組成。植株是在NFT 栽培槽的種植孔中生長，建議栽培槽寬度70 cm、高度50 cm、長度6 m，種植孔直徑5 cm、孔距20 cm。栽培槽管道不宜過長，否則會出現因營養液循環供給不勻而導致末端蔬菜生長欠佳。栽培槽兩端分別設有進水管道、出水管道，在進水管道上安裝灌溉分區電池閥，在出水管道上安裝過濾裝置，以達到過濾雜質及殺滅營養液中有害病菌的目的。栽培支架起到支撐栽培槽的作用，建議栽培支架坡度為1.5%、橫向柱之間間距1.6 m、縱向柱之間間距2 m、支架高度75 cm。灌溉儲液池的大小根據栽培面積，一般循環的營養液量不超過總量的50%為宜。

1.2 系統工作原理

控制系統是整個系統的核心，負責營養液的配置、檢測。它能根據管理人員設定的EC 和pH，自動配制儲液池中的營養液，制備的過程是多種肥料母液和清水充分混合并達到預設EC 和pH 的動態過程［6］。儲液池中安裝有液位傳感器，系統實時在線檢測儲液池中液位情況。在儲液池液位值下降至設置下限時，啟動儲液池自動補液程序，開啟清水補水閥并啟動吸肥系統，吸肥系統通過EC、pH 傳感器實時值，結合用戶設置的EC，自動判斷需補充量，在文丘里效應的作用下，各母液桶里的肥料母液通過各配肥電磁閥的開關控制按比例被吸到文丘里管中，在文丘里管中與儲液池中抽取的營養液混合后重新注入儲液池中。當儲液池液位值重新升至設置上限時，系統關閉儲液池自動補液程序，關閉清水補水閥和吸肥系統，保證儲液池中營養液的持續穩定供應。

需要灌溉時，儲液池里的營養液通過灌溉出水泵，將營養液通過管道經各分區電磁閥依次輸送到NFT 各個栽培區，流經作物根系后回流至回液過濾池中，回液過濾池中的回液經過沉淀達到一定液位時，經過濾裝置返回至儲液池內，完成一次循環。

NFT 灌溉系統采用分區灌溉，當灌溉營養液配制完成時，按照系統設置的灌溉方式，控制灌溉分區電磁閥開閉以及開閉時間來進行灌溉。系統可以自行設置灌溉起止時間和間隔時間，在灌溉起止時間內，控制灌溉出水泵、灌溉分區電磁閥等來完成間歇性灌溉。

當種植結束或需要清洗儲液池時，需要將池內剩余的廢液排出，此時可關閉各個分區電磁閥，開啟灌溉泵，開啟排污電磁閥，經排污管道將儲液池內廢液排至廢液收集池做進一步處理。

1.3 系統控制框圖

系統控制框如圖2 所示，選用PLC 作為控制主機，設計模擬量輸入有液位、EC、pH、流量等。設計數字開關量輸出有配肥電磁閥、配肥自吸泵、灌溉出水泵、灌溉分區電磁閥、清水補水閥、排污電磁閥等。人機交互界面選用觸摸屏作為人機交互界面，觸摸屏經GPRS 數據傳輸模塊，實現了系統PC 和手機端的遠程監控，PLC 與觸摸屏則通過485 總線實現通訊。

圖2 系統控制框圖

2 人機交互界面設計

選用維控觸摸屏PI7080 作為人機交互界面，觸摸屏可從PLC 中實時采集數據，發出控制命令并監控設備的運行狀態，實現系統控制功能。觸摸屏主顯示界面如圖3 所示，對應的6 個按鈕實現相應的功能設置及控制。①灌溉程序按鈕，設置NFT 各分區的栽培灌溉時間段、每次的灌溉時間、灌溉間隔時間；②配肥設置按鈕，設置各種肥料母液的配比、設定所需的營養液pH 和EC；③手動控制按鈕，配肥電磁閥、配肥自吸泵、灌溉出水泵、灌溉分區電磁閥、清水補水閥等設備進行手動控制；④運行狀態按鈕：可實時顯示營養液EC 和pH、儲液池液位、各灌溉分區的灌溉情況等；⑤數據記錄按鈕：記錄營養液EC 和pH、儲液池液位等的實時變化曲線；⑥系統設置按鈕：設置系統參數。運行狀態界面見圖4。

圖3 觸摸屏主顯示界面

圖4 運行狀態界面

3 NFT 系統能耗分析

3.1 系統試驗

在中以示范農場一個NFT 栽培溫室內種植上海青（華冠青梗菜），采用NFT 水肥一體化栽培系統進行灌溉。試驗栽培面積90 m2，共有70 根NFT 栽培槽，每根栽培槽有38 個種植孔，總共可定植2 660株，即栽培密度為30 萬株/hm2。上海青于2020 年9月30 日播種，2020 年10 月23 日定植，2020 年11 月22 日采收，全生育期為54 d。在整個上海青NFT 栽培過程中，計算所需要的直接生產成本及產量。直接生產成本主要計算育苗費用、肥料費用、水電費、人員工資等4 類。育苗費用指購買種子、基質土、苗期營養液灌溉等費用；肥料費用指定植過程消耗的肥料的成本；水電費指種植過程消耗于灌溉或營養液循環等用水、用電的費用；人員工資指栽培期間工人定植、采收等工人工資和管理人員管理工資。上海青產量測量方法為：采收時取長勢較一致的10株，取地上可食部分稱量后取平均值。

育苗所需的基質為品氏泥炭土和蛭石按照6∶1的比例混合，將其填充在育苗穴盤（2 cm×2 cm×5 cm）中，然后采用機器播種，每孔一粒種子，每盤有442 個孔，即每個育苗盤需要442 粒種子。播種完成后將育苗盤放置在育苗架上。苗期管理均使用自動澆灌系統進行澆灌，施用養力多育苗肥，育苗肥液EC 為1.2 mS/cm，pH 為6。

NTF 定值栽培過程中營養母液配方以及水肥系統的控制將直接影響作物的生長、產量和品質。營養液母液分為A 液、B 液，100 L 的A 液配方為硝酸鈣8 kg、硝酸鉀3 kg 組成的大量元素溶液；B 液配方為硫酸鎂5 kg、磷酸二氫鉀1.5 kg、螯合鐵0.23 kg、硼酸0.03 kg、硫 酸 鋅0.03 kg、硫 酸 錳0.06 kg、硫 酸 銅0.002 kg、鉬酸銨0.000 7 kg 組成的大量元素和微量元素溶液。

3.2 結果分析

本試驗栽培面積90 m2，共需2 660 株苗，按種子發芽率80%左右計算，需播種8 個育苗盤，需要3 526 粒種子。經試驗測試，NFT 水肥一體化系統實現了NFT 營養液的循環、間歇灌溉，系統穩定，配肥精度高，EC 控制精度為±0.3 mS/cm。上海青栽培的育苗費用、肥料費用、水電費、人員工資等直接生產成本及產量如下。①育苗費用：種子費用2 元，基質土24 元，人工8 元（機器播種一盤人工成本1 元），育苗肥料8 元，水電約1 元，總計43 元。②肥料費用200 元。③水電費54 元。④人工工資：工人擺管及定植2.0 h，采收及衛生清理8.5 h，每小時15.0 元，工人費用總計157.5 元。按1 個管理人員可管理10 000 m2種植面積，每月管理工資7 000 元計算，本試驗面積管理人員費用63 元。因此，總計人工成本220.5 元。⑤產量：上海青每株平均產量0.118 kg。

本試驗面積內的上海青直接成本為517.5 元，故上海青直接成本為0.195 元/株，每株平均產量為0.118 kg。

4 結論

本研究設計的NFT 栽培系統采用PLC 作為控制器，觸摸屏作為人機交互界面，系統能夠使營養液按設定的EC 值、pH，通過灌溉管道輸送到設定的NFT栽培區中，能夠自行設定灌溉周期，實現分區域輪流灌溉，并具有遠程監控功能。經實際運用證明該系統運行穩定、操作方便、耐用性強，實現了NFT 營養液的循環、間歇灌溉，配肥精度高，EC 值控制精度為±0.3 mS/cm，滿足溫室NFT 系統栽培灌溉的需求。運用該NFT 水肥一體化系統栽培的上海青直接成本為0.195 元/株，上海青每株產量為0.118 kg。本試驗的不足之處為成本計算時只計算了育苗費用、肥料費用、水電費、人員工資等直接成本，未考慮基礎設施建設和設備設施折舊費、土地租賃費等成本。