CN103004443A - 一种温室叶菜硝酸盐含量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种温室叶菜硝酸盐含量控制方法，属于现代农业精确灌溉施肥领域。本发明采用微电极技术对温室叶菜的硝酸根离子浓度与硝酸盐含量的关系进行标定，通过检测叶菜食用部位硝酸根离子浓度，并根据对应的硝酸根离子浓度与硝酸盐含量关系模型得到叶菜食用部位的硝酸盐含量，按照设定的叶菜硝酸盐含量标准，采用模糊控制调节灌水量、氮肥施用量等相应的措施来控制采收期叶菜硝酸盐含量，提高叶菜品质的同时提高叶菜的产量。

Description

一种温室叶菜硝酸盐含量控制方法

技术领域

本发明属于温室控制技术领域，特别是涉及一种温室叶菜采收期硝酸盐含量控制方法。

背景技术

叶菜类蔬菜是以植物肥嫩的叶片和叶柄作为食用部位的一类蔬菜，其含有多种人体所必需的维生素、矿物质、碳水化合物、蛋白质、类胡萝卜素等营养成分，是人们日常生活中必不可少的重要食物，其品质的优劣对人们的身体健康有极大影响。调查表明，人们摄入体内的硝酸盐中80％～90％来自蔬菜，但消费量较大的叶菜类蔬菜硝酸盐含量普遍偏高。硝酸盐本身对人体无害，但在人体内被还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐的强氧化作用可严重影响人体健康。因此，如何控制硝酸盐含量，提高叶菜类蔬菜品质已成为人们极为关注的问题。

目前叶菜硝酸盐含量控制主要根据人工经验来降低叶菜硝酸盐含量，如专利申请号201110120928.X中公开的一种通过γ-氨基丁酸降低叶菜类蔬菜硝酸盐含量的方法，专利申请号201110135830.1中公开的低硝酸盐含量叶菜类蔬菜的栽培方法，专利申请号201010232777.2中公开的一种大白菜硝酸盐含量精确控制方法，这些方法的不足之处在于不能实时检测作物体内的硝酸盐含量，不能实时、精确地控制叶菜硝酸盐含量。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供一种温室叶菜硝酸盐含量控制方法。该方法根据叶菜植株内硝酸根离子浓度，控制灌溉量和氮肥施用量，调节叶菜的硝酸盐含量。

本发明的温室叶菜硝酸盐含量控制方法，包括如下步骤：

步骤1、叶菜食用部位硝酸根离子浓度与硝酸盐含量关系的确定：

选取n组叶菜的食用部位进行检测，分别测量硝酸根离子浓度，记为C_n，测量硝酸盐含量，记为M_n，得到n组硝酸根离子浓度与硝酸盐含量的对应点，记作(C_n，M_n)，n为样本组数，对n组样本的对应点采用最小二乘法进行曲线拟合，得到n组叶菜硝酸根离子浓度与硝酸盐含量的关系模型：

M＝a₁C²+a₂C+a₃  (1)

式中，M为硝酸盐含量，C为硝酸根离子浓度，a₁、a₂、a₃为模型拟合参数；

步骤2、检测待控制的温室叶菜：

记采收日前2周的日期为当天，抽取待控制的温室叶菜作为样本，在日落时间段检测样本食用部位硝酸根离子浓度，记做当天样本的硝酸根离子浓度C_k，根据式(1)得出当天样本的硝酸盐含量M_k；

记录前一天样本的硝酸根离子浓度C_k-1，根据式(1)得出前一天样本的硝酸盐含量M_k-1；

步骤3、计算当天样本参数：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_k=\frac{M_k-M_S}{M_S}\\ {\mathrm{ec}}_k=e_k-e_{k-1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，M_S为叶菜硝酸盐含量标准值，e_k为当天叶菜硝酸盐含量偏差百分比，e_k-1为前一天叶菜硝酸盐含量偏差百分比；ec_k为当天的偏差变化率；

步骤4、计算当天叶菜硝酸盐含量控制量：

当天叶菜硝酸盐含量控制量u_k的计算公式如下：

$u_k=\left\{\begin{array}{cc}1-k_p\·e_k,& \left|e_k\right|>\mathrm{EP}\\ 1+k_u\·\mathrm{\Δ}{u}_k,& \left|e_k\right|\≤\mathrm{EP}\end{array}\right.---\left(3\right)$

k_p为比例控制系数，在1.5～2间取值；EP为设定阈值；k_u为模糊增益系数，在5％～10％间取值；Δu_k为当天模糊控制量，当u_k＜0，则取u_k＝0；

步骤5、计算灌水量、氮肥施用量：

当天灌水量、氮肥施用量计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_k=u_k\·Q_{k-1}\\ N_k=u_k\·N_{k-1}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，Q_k为当天灌水量，Q_k-1为前一天灌水量；N_k为当天氮肥施用量，N_k-1为前一天氮肥施用量。

采用上述的控制方法，每天对温室叶菜的硝酸盐含量进行测定，并调整灌水量、氮肥施用量，即可实现叶菜硝酸盐含量的控制。

本发明具有的有益效果是：

1.采用硝酸根离子微电极能对叶菜的硝酸根离子浓度进行在线无损检测，不需要耗费大量的人力、物力进行取样、测定、数据分析，对叶菜的伤害极小且检测精度高；

2.根据检测到的叶菜植株硝酸盐含量来进行控制，控制精确高；

3.在降低叶菜硝酸盐含量、提高叶菜品质的同时，可以提高叶菜产量。

具体实施方式

本发明采用的技术方案是使用离子选择性微电极测量叶菜食用部位硝酸根离子浓度，根据硝酸根离子浓度-硝酸盐含量关系模型得到叶菜食用部位的硝酸盐含量，与设定的叶菜硝酸盐含量进行比较，然后采用模糊控制算法控制灌溉量和氮肥施用量，达到控制叶菜硝酸盐含量的目的。

结合具体实施例对本发明的温室叶菜硝酸盐含量控制方法作进一步说明。

实施例

下面以温室生菜采收期的硝酸盐含量控制方法为例，对实施过程进行说明。

步骤1、生菜食用部位硝酸根离子浓度与硝酸盐含量关系的确定

a在生菜食用部位取5份1g的样本，采用专利申请号“201110364562.0”中公开的“温室作物氮钾测量微电极及氮钾测量方法”对每一份样本进行检测，得到样本平均硝酸根离子浓度，记为C₁。再对每一份样本采用化学试剂法测定其硝酸盐含量，得到样本平均硝酸盐含量，记为M₁，得到该硝酸根离子浓度对应的硝酸盐含量对(C₁，M₁)。

选取n组生菜食用部位，采用专利申请号“201110364562.0”中公开的“温室作物氮钾测量微电极及氮钾测量方法”对每一份样本进行检测，分别测量硝酸根离子浓度，记为C_n，测量硝酸盐含量，记为M_n，得到n组硝酸根离子浓度与硝酸盐含量的对应点，记作(C_n，M_n)，n为样本组数，对n组样本的对应点采用最小二乘法进行曲线拟合，得到n组叶菜硝酸根离子浓度与硝酸盐含量的关系模型：

M＝a₁C²+a₂C+a₃  (1)

式中，M为生菜食用部位硝酸盐含量，C为生菜食用部位硝酸根离子浓度，a₁、a₂、a₃为模型拟合参数；

步骤2、检测待控制的温室生菜：

正常种植的生菜硝酸盐含量在一天中是随着时间而变化的，并在日落时达到最小值，在这一时间段进行采收可以达到经济效益最大化。因此以该时刻生菜的硝酸盐含量为基准进行生菜硝酸盐含量的控制。所述的日落时间段六月、七月、八月为18.00~19.00点之间，十二月、一月、二月为16.00~17.00点之间，其它月份为17.00~18.00点之间。

记采收日前2周的日期为当天，抽取待控制的温室生菜作为样本，在日落时间段检测样本食用部位硝酸根离子浓度，记做当天样本的硝酸根离子浓度C_k，根据式(1)得出当天样本的硝酸盐含量M_k；参考沈明珠等1982年11月发表在《园艺学报》第9卷第4期的论文——蔬菜硝酸盐累积的研究，将叶菜硝酸盐含量标准值M_S设定为432mg/kg。

记录前一天样本的硝酸根离子浓度C_k-1，根据式(1)得出前一天样本的硝酸盐含量M_k-1；

步骤3、计算当天样本参数：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_k=\frac{M_k-M_S}{M_S}\\ {\mathrm{ec}}_k=e_k-e_{k-1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，M_S为叶菜硝酸盐含量标准值，e_k为当天生菜硝酸盐含量偏差百分比，e_k-1为前一天生菜硝酸盐含量偏差百分比；ec_k为当天的偏差变化率；

步骤4、计算当天生菜硝酸盐含量控制量：

当天生菜硝酸盐含量控制量u_k的计算公式如下：

$u_k=\left\{\begin{array}{cc}1-k_p\·e_k,& {|e}_k|>\mathrm{EP}\\ 1+k_u\·\mathrm{\Δ}{u}_k,& \left|e_k\right|\≤\mathrm{EP}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，k_p为比例控制系数，初始值取1.75，根据控制效果在1.5～2间取值；k_u为模糊增益系数，初始值取7.5％，根据控制效果在5％～10％间取值；EP为设定阈值，取30％；Δu_k为当天模糊控制量，当u_k＜0，则取u_k＝0。

式3中的控制方法为现有技术，以下给出该控制方法的一种具体实施内容，根据式3可知，

当|e_k|＞EP时采用比例控制；

当|e_k|≤EP时，采用模糊控制。

设模糊控制语言为{NL(-4)，NS(-2)，ZO(0)，PS(2)，PL(4)}，则根据生菜硝酸盐含量控制的人工经验确定如表1所示的模糊规则表。将e_k和ec_k进行模糊化，再根据该规则表采用三角形隶属函数和中心值平均法进行反模糊化即可得模糊控制器控制量Δu_k。

表1.生菜硝酸盐含量控制模糊规则表

步骤5、计算灌水量、氮肥施用量：

当天灌水量、氮肥施用量计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_k=u_k\·Q_{k-1}\\ N_k=u_k\·N_{k-1}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，Q_k为当天灌水量，Q_k-1为前一天灌水量；N_k为当天氮肥施用量，N_k-1为前一天氮肥施用量。

Claims (1)

1.一种温室叶菜硝酸盐含量控制方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、叶菜食用部位硝酸根离子浓度与硝酸盐含量关系的确定：

选取n组叶菜的食用部位进行检测，分别测量硝酸根离子浓度，记为C_n，测量硝酸盐含量，记为M_n，得到n组硝酸根离子浓度与硝酸盐含量的对应点，记作(C_n，M_n)，n为样本组数，对n组样本的对应点采用最小二乘法进行曲线拟合，得到n组叶菜硝酸根离子浓度与硝酸盐含量的关系模型：

M＝a₁C²+a₂C+a₃  (1)

式中，M为硝酸盐含量，C为硝酸根离子浓度，a₁、a₂、a₃为模型拟合参数；

步骤2、检测待控制的温室叶菜：

记采收日前2周的日期为当天，抽取待控制的温室叶菜作为样本，在日落时间段检测样本食用部位硝酸根离子浓度，记做当天样本的硝酸根离子浓度C_k，根据式(1)得出当天样本的硝酸盐含量M_k；

记录前一天样本的硝酸根离子浓度C_k-1，根据式(1)得出前一天样本的硝酸盐含量M_k-1；

步骤3、计算当天样本参数：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_k=\frac{M_k-M_S}{M_S}\\ {\mathrm{ec}}_k=e_k-e_{k-1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，M_S为叶菜硝酸盐含量标准值，e_k为当天叶菜硝酸盐含量偏差百分比，e_k-1为前一天叶菜硝酸盐含量偏差百分比；ec_k为当天的偏差变化率；

步骤4、计算当天叶菜硝酸盐含量控制量：

当天叶菜硝酸盐含量控制量u_k的计算公式如下：

$u_k=\left\{\begin{array}{cc}1-k_p\·e_k,& \left|e_k\right|>\mathrm{EP}\\ 1+k_u\·\mathrm{\Δ}{u}_k,& \left|e_k\right|\≤\mathrm{EP}\end{array}\right.---\left(3\right)$

k_p为比例控制系数，在1.5～2间取值；EP为设定阈值；k_u为模糊增益系数，在5％～10％间取值；Δu_k为当天模糊控制量，当u_k＜0，则取u_k＝0；

步骤5、计算灌水量、氮肥施用量：

当天灌水量、氮肥施用量计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_k=u_k\·Q_{k-1}\\ N_k=u_k\·N_{k-1}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，Q_k为当天灌水量，Q_k-1为前一天灌水量；N_k为当天氮肥施用量，N_k-1为前一天氮肥施用量。