CN104557292A - 一种水培营养液pH值调控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设施农业无土栽培技术与装备领域，尤其涉及一种水培营养液pH值调控方法及装置。该调控方法以两种无机酸混合形成混合酸溶液，并施加混合酸溶液至水培营养液中进行pH值调控。优选地，以水培营养液的当前pH值是否满足pH值阈值为判断条件，施加混合酸溶液；且间隔预设混合反应时间后进行下一次的所述判断。应用本发明，在调控营养液pH值的同时避免了营养液中单一酸根过量使用的缺陷，可有效控制作物硝酸盐含量，从而减小了过量摄入硝酸盐对人们健康造成威胁，同时还能够避免对环境产生的不良影响。试验结果表征，与使用单一的无机酸调控营养液pH值相比，利用本发明进行营养液调控能使蔬菜的产量增加30％以上，且营养液利用效率提高10％以上。

Description

一种水培营养液pH值调控方法及装置

技术领域

本发明涉及设施农业无土栽培技术与装备领域，尤其涉及一种水培营养液pH值调控方法及装置。

背景技术

无土栽培采用营养液或者人工基质浇灌营养液的方式种植蔬菜，摆脱了天然土壤的束缚，同时也避免了传统土壤栽培连作障碍和土传性疾病的发生，减少了蔬菜生产过程中农药的施用，在提高蔬菜品质的同时降低了农业生产成本；由此，可以实现周年连续生产，成为高产、优质高效生产蔬菜的一种新途径。水培是无土栽培技术中发展较快的一种形式，其核心是利用营养液代替土壤向作物提供养分，通过对营养液的调控管理实现养分的充足供应，使作物的生长期缩短、产量和品质提高。

水培条件下的作物根系浸没于营养液中，由于没有土壤的缓冲作用，蔬菜作物的生长极易受到根际环境(pH值、EC、养分)波动的影响。目前，商业化水培的营养液通用配方主要有氮、磷、钾、钙、镁、硫六种元素，作物根系对氮、磷、钾的吸收量往往大于对钙、镁、硫的吸收量，即作物对这六种元素的吸收又是非均衡的。众所周知，营养液的pH值在5.5～6.5之间即可满足多数情况下的作物生长需求，而营养液成分比例发生变化时，其pH值往往会升高，由此将导致磷、钙、镁、铁、锰、硼、锌的有效性会降低，作物根系对水分、养分的吸收功能也会受到影响，进而影响其产量。

在现有的封闭式栽培系统中，通常通过添加无机酸的方法将营养液的pH值控制在适宜的范围内，例如，硝酸、硫酸或磷酸。然而，现有技术中通过添加无机酸的方式存在以下不足：

首先，受单一无机酸调控营养液pH值的原理限制，均存在无法克服缺陷。具体表现为：

其一，利用硝酸在调节营养液pH值的同时也向营养液中引入了大量的硝酸根，大大提高了营养液中硝酸盐的比例，过量的硝酸盐会在蔬菜体内硝酸盐富集，会影响其品质。有研究表明，摄入过量的硝酸盐容易导致高铁血红蛋白症或者在肠道微生物的作用下降硝酸盐还原成强致癌的亚硝酸盐，引起人体消化系统癌变。人体摄入的硝酸盐主要来自蔬菜，尤其是叶菜，显然，蔬菜硝酸盐含量的控制是营养液pH值调节过程中不可忽视的关键问题。

其二，由于作物对硫酸根离子需求相对较小，使用硫酸进行pH值调控会导致营养液中硫酸根过高，一方面营养液中过量的硫酸根离子容易对作物产生渗透胁迫，影响其生长。

其三，虽然作物对磷离子的需求量大于对硫酸根离子的需求量，但是只用磷酸调控营养液pH值仍然会导致营养液中磷酸根离子过量，过量的磷酸根离子会产生拮抗作用，影响蔬菜根系对其它离子的吸收；同时将富含磷的营养液废液排放到环境中也会对当地水体环境的污染造成一定的影响。

其次，现有根据pH传感器采集的实时信息进行营养液pH值调控，控制精度无法保证。一方面，由于营养液本身是一个较为复杂的缓冲溶液，尚不能用简单的化学方法计算出当营养液pH值调控至设定范围内所需的调节剂的量。另一方面，由于在作物生长过程中，封闭式栽培系统中的营养液的组分是不断变化的，且分布于栽培槽和储液池中。若仅依据pH传感器采集的信息实时对营养液pH值进行调控，无法判断pH值调节剂是否与营养液充分反应，是否形成理想的稳定溶液。由此使得，通过控制系统自动对商业化栽培的营养液pH值进行调控尚存在一定的困难。目前的营养液pH值调控技术，多以类似于酸碱中和的滴定法为主，多在人工操作下完成，比较费时费力。

有鉴于此，亟待针对现有水培作物过程中营养液pH值调控技术进行优化设计，以在调控营养液pH值的同时还能兼顾营养液主要养分的平衡，且可实现营养液pH值的自动化调控，在此基础上建立优质高效的生产模式。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术中单一无机酸调控营养液pH值的缺陷。进一步地，解决现有技术所存在的调控精度较低及可操作性差的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水培营养液pH值调控方法，所述调控方法以两种无机酸混合形成混合酸溶液，并施加所述混合酸溶液至水培营养液中进行pH值调控。

优选地，所述混合酸溶液由硝酸和磷酸混合形成。

优选地，所述硝酸和磷酸的浓度为3％～8％。

优选地，所述硝酸和磷酸的浓度为5％，且两者体积比为5：1～10：1。

优选地，以水培营养液的当前pH值是否满足pH值阈值为判断条件，施加所述混合酸溶液；且间隔预设混合反应时间后进行下一次的所述判断。

本发明还提供了一种水培营养液pH值调控装置，包括pH值调节剂存放罐、泵送部件、pH传感器和控制器；其中，所述pH值调节剂存放罐用于容置以两种无机酸混合形成混合酸溶液，所述泵送部件用于将所述混合酸溶液泵送至水培营养液中，所述pH传感器用于采集所述水培营养液的pH值，所述控制器根据所述pH传感器获得的当前pH值，输出施加混合酸溶液的控制指令至所述泵送部件的控制端。

优选地，所述泵送部件为蠕动泵。

优选地，所述控制器包括：存储单元，用于储存预设的pH值阈值；比较单元，根据所述pH传感器获得的当前pH值和所述pH值阈值，获得是否需要施加所述混合酸溶液的判断结果；输出单元，用于根据所述判断结果输出控制指令。

优选地，所述存储单元还用于储存调节0.1个pH值单位时的调节剂量ΔV，以便所述比较单元获得所述混合酸溶液的当前施加量。

优选地，所述存储单元还用于储存施加所述混合酸溶液后的预设混合反应时间Δt，以便所述比较单元间隔进行下一次的所述判断。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

首先，本发明将两种调节pH值用的无机酸按照一定比例混合，形成作为营养液pH值调节剂的该混合酸；由此，在调控营养液pH值的同时兼顾营养液中单一酸根过量的缺陷，可有效控制作物硝酸盐残留影响食用者健康，避免了营造作物优质生长环境的障碍，同时还能够避免营养液废液排放对环境产生的不良影响。试验结果表征，与使用单一的无机酸调控营养液pH值相比，利用本发明进行营养液pH值调控能使蔬菜的产量增加30％以上，且营养液利用效率提高10％以上。

在本发明的优选方案中，优选采用硝酸和磷酸混合形成该混合酸溶液，可进一步有效地兼顾营养液氮、磷的平衡，减少pH值调控过程中硝酸的投入量；此外，适当增加磷酸的使用量，避免营养液调控过程中出现营养液中的磷亏缺和作物对硝酸盐的过量吸收，能使蔬菜的品质指标有所改善：硝酸盐含量降低20％左右，VC含量有显著提高。具有较好的应用前景。

在本发明的另一优选方案中，以水培营养液的当前pH值是否满足pH值阈值为判断条件，施加混合酸溶液；且间隔预设混合反应时间后进行下一次的判断。如此设置，充分考虑了混合酸调节剂与栽培系统内营养液充分混合反应的时间，也就是说，采取递进法对营养液pH值进行逐步调控，可完全规避出现营养液pH值调节剂过量加入等现象导致营养液pH值过低或者过高，对作物根系造成的伤害。本优选方案，在确保水培营养液pH值调控精度的基础上，减小营养液pH值调控次数和硝酸的投入量，同时对营养液pH调控流程进行了改进，实现营养液pH的自动调控的同时，节约了人力资源成本，从而可建立优质高效的生产模式。

附图说明

图1是本发明实施方式所述水培营养液pH值调控装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施方式所述控制器的结构框图；

图3是本发明实施方式所述水培营养液pH值调控装置的控制流程图；

图4是实施例一所述不同pH值调控方法营养液的pH值动态变化过程示意图；

图5是实施例一所述分别采用混合酸以及硝酸、磷酸、硫酸三种单一酸进行营养液pH值调控管理产出的产量结果示意图(单株空心菜)；

图6示出了实施例一所述分别采用混合酸以及硝酸、磷酸、硫酸三种单一酸进行营养液pH值调控管理产出的品质结果表(表中数据为新鲜蔬菜中硝酸盐和VC的含量)。

图中：

1：pH值调节剂存放罐；2：蠕动泵进液管；3：蠕动泵；4：蠕动泵电源线；5：控制器；51：存储单元；52：比较单元；53：输出单元；6：pH传感器；7：蠕动泵排液管；8：营养液栽培系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

与传统水培作物的营状液pH值调控技术相比，本实施方式另辟蹊径提供了一种水培营养液pH值调控方法，该调控方法以两种无机酸混合形成混合酸溶液，施加该混合酸溶液至水培营养液中进行pH值调控。由此，有效控制了调控营养液pH值的同时兼顾营养液中单一酸根过量的缺陷。这里，所述“无机酸”是指可适用于水培营养液pH值调节的硝酸、磷酸和硫酸等类型，具体可以根据不同作物的生长需要进行匹配，只要应用本发明上述核心设计构思均在本申请请求保护的范围内。

当然，对于食用作物而言，优选采用硝酸和磷酸混合形成所述混合酸溶液。实际应用时，硝酸和磷酸混合酸进行营养液pH值调控，在调控营养液pH值的同时兼顾营养液中氮、磷的平衡，减少pH值调控过程中硝酸的投入量，同时适当增加磷酸的使用量，避免营养液调控过程中出现营养液中的磷亏缺和作物对硝酸盐的过量吸收。应当理解，不同蔬菜等食用作物，硝酸和磷酸(两种无机酸)比例可以根据作物对营养液中氮和磷(或其他酸根离子)的实际吸收量的比值来确定，或者根据标准营养液中氮和磷的比例确定。实际应用中，可以将浓硝酸和浓磷酸稀释为3％～8％的稀酸，按照一定比例混合后使用，为了降低具体匹配复杂程度，混合酸可采用5％浓度的硝酸和磷酸配制，两者体积比为5：1～10：1即可达成相辅相成的效果。

本方案，采用混合酸溶液作为水培营养液pH值调节剂，同样需要考虑充分混合反应的时间，特别是，对于控制区域围度较大的商业化水培，充分混合反应时间对于形成稳定溶液重要性尤为突出。为了避免pH传感器获取信息的滞后性，可以采取递进的方式进行逐步调控，以水培营养液的当前pH值是否满足pH值阈值为判断条件，施加混合酸溶液；且间隔预设混合反应时间后进行下一次的所述判断。

根据栽培系统的实际情况，确定出所用营养液pH值调节0.1个pH值单位时，需要加入该混合酸的调节剂量ΔV，以及加入调节剂后直至营养液pH值稳定所需的混合反应时间Δt。其中，ΔV和Δt均采用常规滴定法确定即可，本领域人员基于现有技术完全可以实现，故本文不再赘述。

下面以pH值阈值范围取5.5～6.5为例进行详细说明，显然，该pH值阈值范围对本申请所限定的技术方案并不构成限制。

具体而言，首先根据安装在营养液栽培系统储液池中的pH传感器，对营养液pH值的动态变化过程进行实时监测；当营养液pH值高于6.5时，向营养液栽培系统的储液池中加入ΔV的pH值调节剂，在Δt后(此时营养液pH值已经稳定)，此时对营养液pH值进行检测，判断营养液pH值是否小于或等于5.5，若仍然大于5.5，进一步添加ΔV的pH值调节剂(混合酸)，并在Δt后检测营养液pH值，决定是否需要加入pH值调节剂，直至营养液pH值达到目标值5.5。由此，即实现了营养液pH值的自动调控，同时考虑了所添加混合酸调节剂与栽培系统中营养液充分反应的时间，可完全规避pH值调节剂添加过量的情况发生。

除前述调控方法外，本实施方式还提供一种实用该方法的水培营养液pH值调控装置。请参见图1，该图示出了本实施方式所述水培营养液pH值调控装置的整体结构示意图。

该装置主要包括pH值调节剂存放罐1、蠕动泵3、控制器5和pH传感器。其中，pH值调节剂存放罐1，用于容置以两种无机酸混合形成混合酸溶液；pH传感器6用于采集水培营养液的pH值，实时采集营养液栽培系统8的水培营养液当前pH值，并传送至控制器5；控制器5根据pH传感器6获得的当前pH值，输出施加混合酸溶液的控制指令至蠕动泵3的控制端。图中所示，控制器5通过蠕动泵电源线4输出控制指令开启蠕动泵3，最终由蠕动泵3将混合酸溶液通过蠕动泵排液管7泵送至营养液栽培系统8的水培营养液中。

本方案中，采用蠕动泵3作为动力源泵送营养液，其进液口通过蠕动泵进液管2与pH值调节剂存放罐1内腔连通，以泵取调节剂。工作过程中，通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送混合酸，其原理类似于用两根手指夹挤软管，随着手指的移动在管内形成负压，进而混合酸溶液随之流动，更适合调节剂供给的工作场合。

另外，基于前述方法的调控策略，控制器5可以包括：用于储存预设的pH值阈值的存储单元51，比较单元52和输出单元53；其中，比较单元52根据pH传感器6获得的当前pH值和pH值阈值，获得是否施加该混合酸溶液的判断结果，并通过输出单元53的根据该判断结果输出控制指令至蠕动泵3。具体请一并参见图2和图3，图2所示为该控制器的结构框图，图3所示为该水培营养液pH值调控装置的控制流程图。

不失一般性，下面以常用的闭合式营养液栽培系统为技术基础，详细阐述应用本发明提出的水培营养液pH值调控方法与装置的操作步骤：

(1)在水培蔬菜定植前，按照通用的水培营养液配方来配制营养液。需要注意的是，将配方中硝酸盐用量减半，营养液配制完毕后先用硝酸将营养液的pH值调节至5.5，然后再定植蔬菜并按照日常生产管理模式进行管理；

(2)在蔬菜营养液栽培过程中定期利用该发明提出的装置营养液pH值和营养液消耗量进行监测。当营养液pH值大于6.5时，利用配制的混合酸溶液对营养液栽培系统中营养液的pH值进行调控，直至将营养液的pH值调节至5.5；

(3)当营养液消耗到原来体积的1/2时，添加步骤(1)中所用的pH值为5.5的营养液至原体积。

(4)重复步骤2-3，直至种植结束。

特别说明的是，步骤(1)的营养液可选取常规营养液，可以根据当地水源情况选取通用配方进行配置。此外，除蔬菜外，本发明还适用于其他水培作物。

进一步地，存储单元51还用于储存调节0.1个pH值单位时的调节剂量ΔV，以便比较单元52获得混合酸溶液的当前施加量；存储单元51还用于储存施加混合酸溶液后的预设混合反应时间Δt，以便比较单元52间隔进行下一次的所述判断，为了避免pH传感器获取信息的滞后性，本装置充分考虑了营养液pH值调节剂与栽培系统内营养液充分混合反应的时间，采取递进法对营养液pH值进行逐步调控，防止出现营养液pH值调节剂过量加入或者而导致营养液pH值过低或者过高对作物根系造成伤害。具体调控原理如前所述。

实施例一：在北京市昌平区小汤山国家精准农业示范基地实验区温室内进行空心菜营养液水培，系统用营养液配方的选用除硝态氮外，其余元素浓度与山崎莴苣营养液配方一致。

(1)配制营养液：营养液中各种成分浓度如下：四水硝酸钙118mg/L，硝酸钾202mg/L，氯化钾149mg/L，磷酸二氢铵57mg/L，硫酸镁123mg/L，上述营养液的pH值在7.5左右，使用前需要用5％的硝酸将营养液的pH值调节至5.5±0.1。共配制营养液100L。

(2)混合酸溶液的配制：首先将浓硝酸和浓磷酸稀释为5％的稀酸，按照体积比7.7:1的比例(山崎莴苣营养液配方中硝态氮和磷的质量比)进行混合配制。

(3)将两片真叶展开的空心菜幼苗定植在水培槽中，并用步骤(1)配制的营养液进行循环供液，循环频率为15分钟/小时，利用前述营养液pH值调控策略及装置对营养液的pH值进行调控管理。这里，空心菜的管理方式与常规水培蔬菜管理一致。

为了对上述营养液pH值调控方法的效果进行验证，同时布置了3个采用单酸(硝酸、磷酸、硫酸)调节营养液pH值的平行试验，均采用常规的滴定法进行营养液pH值管理。选取任意选取空心菜生长期间一个时间段对pH值动态变化过程进行分析，见图4。空心菜收获后测定其产量与品质，同时与分别采用硝酸、磷酸、硫酸三种单一酸进行营养液pH值调控管理产出的空心菜进行比较，产量结果见图5，品质结果表见图6。

结果表明，采用本发明进行营养液pH值调控可以提高营养液pH值的稳定性，在营养液pH值调控后的3天内使营养液的pH值维持在5.5-6.5的范围内；空心菜产量测定结果表明使用混合酸调控营养液的pH值比使用其他单一酸进行营养液pH值调控空显著提高了心菜的产量；空心品质指标的分析结果表明采用本发明提出的营养液pH值调控方法显著提高了空心菜的VC含量，降低了硝酸盐的含量。同时，采用本方法进行营养液pH值调控减少了硝酸的投入量和营养液pH值调控次数，大大提高了营养液的氮肥利用率，同时利用该装置实现了营养液pH值的自动调控，节约了人工成本。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水培营养液pH值调控方法，其特征在于，所述调控方法以两种无机酸混合形成混合酸溶液，并施加所述混合酸溶液至水培营养液中进行pH值调控。

2.根据权利要求1所述的水培营养液pH值调控方法，其特征在于，所述混合酸溶液由硝酸和磷酸混合形成。

3.根据权利要求2所述的水培营养液pH值调控方法，其特征在于，所述硝酸和磷酸的浓度为3％～8％。

4.根据权利要求3所述的水培营养液pH值调控方法，其特征在于，所述硝酸和磷酸的浓度为5％，且两者体积比为5：1～10：1。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的水培营养液pH值调控方法，其特征在于，以水培营养液的当前pH值是否满足pH值阈值为判断条件，施加所述混合酸溶液；且间隔预设混合反应时间后进行下一次的所述判断。

6.一种水培营养液pH值调控装置，其特征在于，包括：

pH值调节剂存放罐，用于容置以两种无机酸混合形成混合酸溶液；

泵送部件，用于将所述混合酸溶液泵送至水培营养液中；

pH传感器，用于采集所述水培营养液的pH值；

控制器，根据所述pH传感器获得的当前pH值，输出施加混合酸溶液的控制指令至所述泵送部件的控制端。

7.根据权利要求6所述的水培营养液pH值调控装置，其特征在于，所述泵送部件为蠕动泵。

8.根据权利要求6或7所述的水培营养液pH值调控装置，其特征在于，所述控制器包括：

存储单元，用于储存预设的pH值阈值；

比较单元，根据所述pH传感器获得的当前pH值和所述pH值阈值，获得是否需要施加所述混合酸溶液的判断结果；

输出单元，用于根据所述判断结果输出控制指令。

9.根据权利要求8所述的水培营养液pH值调控装置，其特征在于，所述存储单元还用于储存调节0.1个pH值单位时的调节剂量ΔV，以便所述比较单元获得所述混合酸溶液的当前施加量。

10.根据权利要求9所述的水培营养液pH值调控装置，其特征在于，所述存储单元还用于储存施加所述混合酸溶液后的预设混合反应时间Δt，以便所述比较单元间隔进行下一次的所述判断。