CN101080166A - 溶液栽培方法及其使用的组件 - Google Patents

Abstract

一种溶液栽培植物材料的方法和组件。所述组件包括有限容器、有限的灌溉/施肥系统、田地和植物传感器、植物支撑系统以及覆盖结构。这些组件的每一个都可单独使用或彼此结合以增加植物材料的生长和产量，减少栽培的相关花费，并且减少对环境的负面影响。

Description

溶液栽培方法及其使用的组件

技术领域

本发明主要涉及一种溶液栽培方法及用于该溶液栽培的组件，更特别地涉及一种增加植物产量同时减少相关的时间、劳力、生长空间、肥料、熏蒸、水等的花费并且减少相关的环境影响的方法和组件。

背景技术

植物和用于消费的植物材料的商业生产遭遇与天然植物学特性和植物生长的环境相关的诸多困难。采取正确的园艺措施来减少这些困难并且使植物生长和产量最大化对于确保商业可行性生产是必需的。

商业农场已经发展为有组织地成行种植植物。成行种植有助于简化种植、施肥、修剪、施肥、灌溉、维护以及植物或植物长出的食品的采收。传统的生产实践常常采用漫灌技术以及大面积喷洒熏蒸或施肥的化学物质。

漫灌以及大面积喷洒除了浪费水和化学物资之外，还可能破坏土壤表层以及地下水和地表水资源。施加于田地的漫灌水加快了侵蚀作用并且促使流失的肥料和杀虫剂进入水资源。在干旱的环境下漫灌常常导致与表层盐堆积相关的土壤矿化。漫灌还造成土壤内水分含量的巨幅振荡，从而对植物造成胁迫。

农田，特别是那些年复一年连续使用的农田，经常被破坏植物根部的有害线虫侵染。抗线虫的植物品种的发展和作物轮作可在一定程度上减轻线虫侵染的问题。通常在种植前用如溴化甲烷这样的物质熏蒸田地以杀死线虫，但收效甚微，因为有害线虫生活在低于地表约12英寸的土地中。溴化甲烷的使用在某些地区也严重受限或完全被禁止，因为其使用对环境造成非常不利的影响。溴化甲烷和其它熏蒸剂也会杀死土壤中许多对植物有益的生物。

此外，在传统的漫灌中，浇于田地的水相当一部分通过蒸发至空气或在植物的有效根际下面移动而损失。水的向下流动还导致将肥料、杀虫剂和农药带入地下水的不良后果。这项技术浪费水资源，更先进的喷灌技术也如此，只是程度较轻。

因此在土壤中栽培的传统方法非常浪费资源，资源不能集中于植物生产上，并且对环境具有恶劣影响。

之前已经有人使用溶液栽培法来栽培不会产生巨大根系的蔬菜、花卉以及其它一年生作物。但是，还未有人使用溶液栽培法来栽培通常产生巨大根系的多年生植物如树木、藤本植物、灌木和灌木丛。之前认为栽培这样的植物需要巨大的栽培容器以利于根系发展，这在花费上是不划算的。

发明内容

本发明使用多种技术和组件来促进植物生产。根据植物材料、栽培容器、有限灌溉和施肥、栽培容器中和植物上的传感器、保护性株托、植物支撑结构以及植物覆盖结构，使用多种可能的不同组合的栽培方法以增加植物产量。使用这些组件和相关方法的另一个优点在于减少空间的使用、采收的时间、水的使用、肥料的使用、杀虫剂的使用、劳力以及由于天气导致的植物损失。本方法和组件还大大减少了对环境的负面影响。

附图说明

图1为根据本发明栽培的一排幼果树的透视图；

图2为根据本发明栽培的一棵树的细节图；

图3为图1所示的组件的剖视图，包括容器和生长介质的剖视图；以及

图4为描述将添加剂混合入灌溉水中的方法的流程图。

具体实施方式

如附图所示，本发明的一个组件为栽培容器10，为植物根部的生长提供有限的空间。栽培介质可以为任何通常使用的介质，如80％的泥炭苔和20％的珍珠岩盆栽土的混合物。栽培容器10上的开口12使得容器内多余的水分得以排出。

栽培容器10也可被隔离不与下面的土壤直接接触。可通过如将容器10置于构造于下部土壤上面的一个底板上、将一片塑料或其它隔离层置于土壤和容器之间或抬高容器这几种方式来实现。优选的方法在附图中已示出，为在底座14上架高容器10。这不仅将容器10从土壤隔离，还有助于更好地排水。

通过将容器10隔离避免与地直接接触，土传生物如线虫、病原体、杂草等造成的污染被大大减轻，也减少了施加杀虫剂和除草剂的需要。

周期性的根部修剪对于良好的植物健康和生长也是非常必要的。根部在容器10内的过度生长可堵塞排水口12。根部修剪还有助于植物的快速生长并增加容器内供给的肥料、水分和养分的吸收。周期性地去除某些根群造成植物的根/冠比的不均衡，激发一种促进植物生长的激素的释放。但是，植物在有限空间如容器10内的生长制造了一种盆缚条件，导致植物矮化。植物生理生长的受阻导致植物更早地到达生殖成熟期。因此，对于产生水果或坚果的植物，水果或坚果产生得更早，同时植物的高度使得不需要梯子或其它种植就可以采收水果和坚果。

植物在容器10内生长还具有其它优点。容器10和其内的生长介质都位于地上，故而更快地被周围环境暖化，提供了延长的和改进的生长期。例如对于柑橘类树木，二月中旬通常是其新梢快速生长期。容器10内更温暖的生长介质在一年中的这个时间促使新梢更高程度地生长。到三月初时，该新梢就开始开花，也是得益于更温暖的生长介质。生长介质从容器10的排出也提供了更干燥的环境。更暖、更干的生长介质使植物更好地生长，从而得到更好的开花和最终果实产量。

更干燥的生长介质还使得土壤的充氧作用更高效，并且增加了传至植物根部的氧气，促进了植物的周年生长。

在春天，更暖更干的生长介质可提高水果尤其是柑橘类的品质。更暖更干的生长介质使得柑橘类水果的含糖量更高并且含酸量更低，同时引起水果品质的提高。

容器还可防止破坏栽培在地上的植物的根部的动物如囊地鼠和黄鼠对植物的破坏作用。

如前所述并且下面将要讨论，容器10还使得可更有效地向容器10内植物根际供给水分和养分。通过使用有限的灌溉系统如滴灌、微喷、毛细灌溉或湿床灌溉系统，其内包含的水分和养分可以最大化植物生长、发育和生产的需要以受控的方式连续地供至容器。

有限的吸收根系统的发育的其它优点将会根据下面对本发明的讨论更为清楚。使用典型的路肩和漫灌导致不受限的和扩张的吸收根的发育，这就更易于遭受线虫侵染并且不能享有本发明的方法和组件带来的诸多优点。

本领域技术人员都清楚，该技术既可用于单株植物也可用于附图所示的成行植物的商业生产中。

本发明的另一个组件为有限灌溉和施肥的使用。有限灌溉和施肥系统的所述实施例包括沿植物行在容器10上方使用标准工业塑料供给管20。但是，供给管20可为任何种类的液体输送管如多种材料制成的导管、管路或软管。

如图1所示，滴灌系统包括沿导管20设置的滴式灌溉头22，液体藉此被分配。优选滴式灌溉头22位于植物基部并且滴式灌溉头22位于植物的每一侧。例如，用于果树时，滴式灌溉头22可被置于树木的基部以及容器的每一侧。可选地，几个滴灌溉头22可围绕植物以不同的间隔距离设置在容器10上。滴式灌溉头22可简单地为一个小孔或为导管20内缓慢排出液体的滴式灌溉头。滴式灌溉头22也可为从导管20伸出并进入容器10内的一个小管。

可选地，有限灌溉和施肥系统可包括微喷灌溉头24，如图2所示。微喷灌溉头24将喷洒的液体量限定仅在每个容器10的范围内，以限制浪费并控制植物需要的灌溉量。

对于需要持续的湿润或具有潮湿耐受力的植物来说，有限灌溉和施肥系统的另一个可选实施例(未示出)可使用毛细或湿床灌溉系统，其中容器10可被置于一个低矮的被供以灌溉水的围壁内。水(具有任何溶解的肥料和养分)通过底部的开口12渗入容器内。

精确的灌溉频率和持续时间取决于植物类型、植物年龄、一年中的季节以及蒸发蒸腾率。例如，用于树木时，对于幼树来说可能每隔2-3天灌溉一次，一次灌溉2小时即可。当树木已经具有几年的树龄时，可能1小时内灌溉数次，每次灌溉10分钟。后面将要进一步讨论的田间传感器的使用可用于确定所需的灌溉量。

灌溉头22、24的特定性能特性以及它们在容器内的精确间隔对于有限灌溉和施肥系统的最终水、肥分布(后面将会详细讨论)并非决定性的。有限灌溉和施肥系统的目的就是在需要的地方和需要的时机供应水、肥，因此减少消耗和水、肥的成本。有限灌溉和施肥系统确保水、肥仅在容器10内被供应。

从容器10中流出的多余的水分可被收集和回收。如图1所示，在容器10下部有一个收集多余水、肥的浅槽26。这就减少了水、肥的浪费，并且避免了对下面的土壤的污染以及流入地表和地下水源。

本发明的另一个方面在于电子传感器的使用。传感器包括土下传感器(如张力计)30和位于植物自身的植物传感器32。

需要供给植物的水量可通过埋设于容器10内的土下传感器30来确定。目的是保持植物灌溉得当，并且防止不必要的灌溉过量。

也可对植物的果实、茎、杆和叶片施加额外的植物传感器，以监控植物的生理变化并且精确测量一定量的水用以灌溉植物。果实的生理角色之一就是作为水存储器。灌溉后，果实立即膨胀至其最大尺寸，但是通过蒸腾作用植物失水时果实的尺寸又缩小。植物传感器32根据这些变化直接进行反馈并且可用于确定最佳的灌溉模式。类似的植物传感器32也可记录茎和杆变化的同等反应，以及叶片的温度变化。如需要，植物传感器32也可获取气温和湿度的读数。

来自土下水分传感器30和植物传感器32的输入数据可用于为灌溉控制系统(未示出)提供信号，根据传感器30、32反馈的生长介质和植物的情况确定并自动执行最佳灌溉模式。

在有限灌溉和施肥系统中，肥料也可直接被混合在水中。这就是本发明的施肥组件。在一个简单的实施例中，供液罐40将肥料和养分供应至混合罐42，在此肥料与来自给水系统的水被混合在一起。用于施肥系统的水先通过一个过滤器44以去除可能堵塞灌溉头或喷灌系统的颗粒。得到的混合物以预定浓度通过泵46，通过导管20和灌溉头22、24分配给植物。施肥控制单元(未示出)可用于控制将肥料和养分从不同的供液罐供给不同的混合罐以提供不同供液配方的溶液。施肥控制单元可能与灌溉控制系统相结合，可电子地控制通过计算机连接于连续成行的计量器的流量阀，其中计量器用以测量水中添加剂的水平。因此，滴灌系统的主要水分供给具有受施肥控制单元调节的植物所需的适宜水平的肥料和养分量。添加的肥料和养分种类以及施加的频率和持续时间由植物的各个品种类型、年龄、一年中的时节以及植物的生长发育阶段来决定。

通过持续供给植物最优的含水量和养分水平，典型地具有大型根系统的植物可以在受限的容器内进行溶液栽培。与传统的观念相反，用这样的栽培法栽培植物，尽管会矮化植物的物理尺寸，实际上却使得植物的初期生长加快，并且在更短时间内增加果实或坚果产量。因此，对于这些植物来说，受限空间内由更小型的、更易采收的不具备扩张的根部发育的植物产出更多的果实或坚果。这种方法实际上使得植物可以在世界上任何地方在受控的环境条件下商业地并且经济可行地被栽培。

另一个优点在于，受限的灌溉/施肥系统在植物生长期间通过连续地给植物提供最优的养分，得到具有更高营养价值的水果、坚果或其它被采收用于消费的植物材料。因此，从营养的角度出发，这些水果、坚果或其它植物材料也具有更高的品质。

溶液栽培法栽培植物的一个缺陷在于：容器10内的水通过蒸发作用的损失会导致在生长介质内的养分浓度大于最优值，最终产生对植物有害的环境。已经发现，用纯水冲洗(此处的冲洗(flushing)和之前的开花植物在春天的生长(flushing)不要混淆)容器以去除多余的养分同样对植物有害。用纯水冲洗将多余的养分从生长介质中快速去除，但是具有将养分从植物里抽吸出来的负面效果。这对植物造成巨大的胁迫。

为解决冲洗问题，冲洗处理使用与用于灌溉和施肥组件中所用的相同类型的溶液，其内溶解有最优量的肥料和养分。用这样的溶液冲洗将多余的养分从生长介质中去除并且维持其最优量的养分而不会胁迫植物。多余的养分和溶液可在槽26内或通过其它收集装置被收集，并且被回收以备将来使用。

本发明的栽培系统的上述组件的每一个的使用都导致不同植物迅速地但矮化地生长。通过限定植物的吸收根，每个植物固有的根/冠比迫使植物限制其生长。一旦植物达到一定尺寸时它就阻碍植物的生长。但是，有限栽培和施肥系统还为植物提供了促使植物快速生长的最优量的水分和养分。综合的效果就是植物迅速生长至矮化尺寸，此时植物被“欺骗”，误“信”它已经成熟了。对于产生水果和坚果的植物来说，这种早熟是非常有利的，因为水果或坚果的产生也开始得更早了。此外，因为在某个定点后后的植物的生长被阻碍，植物的能量就更少地花费在植物生长上，而更多地用于水果或坚果的产生上，这就引起水果或坚果产量的增加。

水果或坚果早生成的一个后果就是幼树还未强壮到足以承受水果或坚果作物重量的程度。如果没有人工支撑，幼树上的水果或坚果作物简直可以把枝条从植物的树干上撕裂。为克服这个问题，需要使用一个支撑系统。

优选支撑系统为如用于生长藤本作物如葡萄的棚架系统。棚架具有支柱50，在支柱50之间的不同高度上缠绕着线52。因而植物的枝条被悬挂的线52支撑，并且棚架支撑载有水果的枝条而非植物的树干。

示出的支撑系统的另一个优点在于植物过度伸出的枝条可被控制为沿棚架生长。因此，例如一排树木的枝条可以沿棚架生长从而形成一个树篱。对于生成水果和坚果的植物来说这是非常优选的，因为这增加了沿整排和邻近排的阳光。生长受阻的或矮化的植物与树篱构型的组合使得每株植物得到更多阳光，使得空间减小(给定面积内栽培的植物量增加)，并且使得水果或坚果作物的采收更加容易。

当描绘本发明的附图用于柑橘类幼树时，必须了解，许多产生或不产生水果或坚果的植物都可从该栽培方法和相关组件中受益。这些植物包括但不局限于柑橘类树木、落叶树木、亚热带树木、灌木、灌木丛和藤本植物。此处的术语“水果”也包括浆果。

图1所示的最后一个组件是一个覆盖结构。该覆盖结构的一个实施例包括被支撑在植物上方的网70。网70被安装于垂直延伸的柱子(未示出)或其它结构上的钢索72所支撑。优选提供喷雾发生器74从而必要时在热或冷的环境下提供保护性水雾。

网70带来多种优点。网70可用于部分阻挡到达植物的光量。在某些环境下，对于某些植物来说，过强的光会胁迫植物。过强的光加热植物，可能“日灼”植物，并且导致植物蒸发和土壤蒸发过量，使植物脱水。

网70还在其下部提供了一个空间，这样当发生恶劣的气候时更易于被操作。如果发生极热的天气，喷雾发生器74可用于冷却网下的空间。喷雾发生器74还可在取决于网的孔隙度和外部风力条件的有限范围内增加空间内的湿度到有限程度。类似地，在极冷的条件下，喷雾发生器74也可用于使植物免受霜冻或冻害的破坏。网70还提供了一种隔离效应，将土壤辐射的热量捕捉或防止外部的热空气与结构内部的冷空气混合。

网70还保护植物免受与恶劣天气相关的条件的影响。风、冰雹和暴雨可导致落花。风还可以对植物的枝条和叶片造成破坏，并且风驱动的撞击和摩擦会损坏果实。风还在植物的叶片上覆满灰尘。灰尘层减少了叶片吸收光能的能力。网70基本避免了灰尘层的形成。网70还可向下延伸到地面，形成墙壁，完全覆盖给定区域。

网70还可减少有害生物如飞虫和鸟的侵扰。

已知故而在附图中未示出的另一个覆盖结构在特定的天气条件下是必要的，那就是温室。

从上述描述可看出，本发明的方法和组件提供了很多优点。对于植物自身，这些优点包括提高的生长率、早熟、早果以及水果、坚果和采收的植物材料的产量的提高，更早采收，植物上的胁近更少，水果、坚果、和植物材料的品质增加，以及在给定区域范围内可栽培的植物量的增加。就经济利益来说，节约了劳力，节约了水、肥料、除草剂和杀虫剂，并且增加了植物产量和总收益。就环境利益而言，节约了水、肥资源，减少了对环境有害的化学物质，流入水资源的废水减少，侵蚀减少，并且减少了用于农业的土地量。

本发明已经参照特定实施例被描述，但必须了解，可能对本发明做出许多改变、改进和其它可选实施例，并且因此所有这些改变、改进和可选实施例都视为在本发明的权利要求的保护范围和精神之内。

Claims (27)

1.一种植物材料的溶液栽培法，包括如下步骤：

为植物提供发展根部的容器和生长介质，容器的尺寸限定了植物根部的发展因而阻碍了植物的整个生理生长；以及

在容器内提供养分和水分以促进植物生长。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括从下列群体中提供所述植物材料：柑橘类树木、落叶果树、坚果树、藤本作物、亚热带果树以及产生浆果的灌木和灌木丛。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供在正常的未受限条件下可发育巨大根系统的植物材料的步骤。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在容器内提供养分和水分的步骤还包括提供有限的灌溉和施肥系统。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

提供一个灌溉导管；

提供一个液体灌溉头；以及

在预定时间通过所述导管提供水，通过所述灌溉头向所述容器提供灌溉水。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述灌溉头位于所述容器上方。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供多个容器以成排栽培植物材料的步骤。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述容器内提供排出口的步骤。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括隔离容器使之不与下面的土壤直接接触的步骤。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，通过抬高容器使所述容器与下面的土壤隔离。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述容器被置于一个底座上。

12.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述灌溉头为滴式灌溉头。

13.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述灌溉头为微喷灌溉头。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在所述容器中提供土下湿度传感器的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括提供一种自动灌溉系统的步骤，所述自动灌溉系统根据所述土下湿度传感器的湿度水平输入值控制通过灌溉导管的水分供应。

16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在植物上提供植物传感器以测定植物的生理变化的步骤。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述植物传感器还提供温度和湿度读数。

18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括在灌溉期间在水里提供肥料和养分添加剂的步骤。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括一个自动施肥单元，其根据预定比例将水和添加剂预混合。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供一种植物支撑系统的步骤。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述植物支撑系统为固定植物一部分的升高的棚架。

22.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在植物上方提供覆盖结构的步骤。

23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供喷水的喷雾发生器的步骤。

24.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括周期性地修剪植物根部的步骤。

25.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括用水和所述添加剂形成的溶液周期性地冲洗容器的步骤。

26.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括提供用于收集来自容器的任何流出物的装置的步骤。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述用于收集流出物的装置为一个位于容器下部的槽。

Images