CN104620959B - 一种优化植物氮肥施用量的实验系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种优化植物氮肥施用量的实验系统，包括密闭的栽培室，所述的栽培室内设有支架，支架上放置有一个或多个培养皿，各培养皿通过两路输液管与为植物提供不同氮素含量营养液的营养液循环装置连通；所述栽培室还设有用于栽培室内外空气互换的换气装置，以及为植物提供生长所需光照、温度和湿度的环境控制装置。本发明还公开了一种优化植物氮肥施用量的方法。本发明的整个实验周期极少需要人工操作，各个变量可基本实现自动化控制，可实现实验的便利进行；并为植物生长提供适宜的生长环境，防止因植物生长状况不合格对实验造成不利影响。
Description
技术领域
本发明涉及氮肥施用量研究、自动化水培装置的技术领域，尤其涉及一种优化植物氮肥施用量的实验系统和方法。
背景技术
精细农业是现代农业的发展趋势，精细化的按需施肥是精细农业的重要组成部分。目前田间的施肥作业大多过量施肥，造成了环境污染、资源浪费等诸多问题，研究植物的按需施肥对现代农业的发展及自然环境的保护有重要意义。氮素是构成植物众多有机质中的一种重要元素，如何准确确定植物所需氮肥量对精细化的按需施肥有重大意义，同时也是当前精细农业领域的研究热点。
例如，申请公布号CN101743798A的专利申请提供了一种用于确定小麦精确施用氮肥用量的方法，该方法是：氮肥用量由施氮量＝输出-土壤氮素表观矿化量-环境养分投入氮量-秸秆还田带入氮量-种子带入氮量-播前1米土层硝态氮；其中输出包括：作物吸氮量、收获后土壤硝态氮残留安全量以及土壤氮素损失；收获后土壤硝态氮残留安全量由对播种地大量土壤1米土层取样分析得出。该发明根据氮素输入与输出土壤植物系统的数量应相平衡，来确定氮肥用量，从而达到精确施用氮肥，提高作物产量和氮素吸收利用。
植物水培技术多用于植物工厂等领域，国内还鲜有将水培技术应用于优化植物氮肥施用量的实验系统。目前对植物氮肥施量的研究多采用传统实验室方法，该方法的时间、物质成本均较高。尽管有光谱检测、图像检测等快速检测植物氮肥实用量的方法，但都由于较高的成本、误差难以推广。本发明的优化植物氮肥施用量的实验系统和方法，对快速准确研究植物的氮肥施用量有重要意义，为精细农业领域的按需施肥提供有力支撑。
发明内容
本发明提供了一种优化植物氮肥施用量的实验系统和方法，该实验系统基本实现无人化管理，便于精确研究实验；该实验方法设置若干个梯度的氮肥施用量分别进行实验，根据随着氮肥施用量的增加植物体内氮素含量的变化确定优化的植物氮肥施用量。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种优化植物氮肥施用量的实验系统，包括密闭的栽培室，所述的栽培室内设有支架，支架上放置有一个或多个培养皿，各培养皿通过两路输液管与为植物提供不同氮素含量营养液的营养液循环装置连通；
所述栽培室还设有用于栽培室内外空气互换的换气装置，以及为植物提供生长所需光照、温度和湿度的环境控制装置。
其中，所述的营养液循环装置包括储存含有某种氮肥的水培营养液的储液箱和用于调节储液箱中营养液的ph值和EC值的调节箱，该调节箱内储存有不含氮肥的营养浓缩液；所述的储液箱内设有ph值传感器和EC值传感器。ph值传感器和EC值传感器用于检测营养液的ph值和EC值，若某一项值不合格，则向营养液中输入不含氮肥的营养浓缩液，直至营养液的ph值和EC值达到合格指标位置。
同时，所述的储液箱经通气管与向营养液供氧的抽气机连通，用于将外界空气通入储液箱内的营养液中，为营养液定时供氧。
本发明中，两路输液管均通入所述的储液箱，其中一路输液管用于向培养皿输送营养液，另一路输液管用于引导培养皿内的营养液回流至所述的储液箱。一路输液管输送营养液，另一路输液管排出营养液，用于培养皿内营养液的定时更新或更换不同氮含量的营养液。
其中，输送营养液的输液管上设有营养液温度调节器，为植物提供生长所需的营养液温度；回流营养液的输液管上设有营养液消毒器，用于对回流的营养液进行消毒，利于重复利用。且所述培养皿底部设有控制输液管流向的单向进液阀门。
所述的换气装置包括设置在栽培室侧壁上的单向进气阀门，位于单向进气阀门相对侧的抽气装置和气体过滤器，及用于检测气体中N含量的检测器。外界空气通过单向进气阀门进入栽培室内，室内空气通过抽气装置排出，气体过滤器用于对抽出的气体进行过滤，实现栽培室内外空气的互换。
其中，所述的环境控制装置包括安装在栽培室顶部的红蓝光LED灯、温度调节器和湿度调节器，分别用于调节栽培室内的光照、温度和湿度；光照还可以采用自然光提供，并相应在栽培室顶部设置透光窗。
根据上述的试验系统，本发明还提供了一种优化植物氮肥施用量的方法，包括以下步骤：
1)准备N15标记的氮素含量依次增加的多组营养液；
2)将氮素含量较低的营养液注入储液箱，利用营养液对各培养皿种的植物进行培养，并定时对营养液和内部空气进行更新；
3)待植物生长至特定时间或生长期时，测量挥发至空气中N质量a、培养皿的营养液中的N质量b和植株内N质量c，算得植物施用氮肥中总的N质量m，m＝a+b+c；
4)依次更换氮素含量较高的营养液，重复步骤2)和步骤3)，得到各组营养液对应的a、b、c和m，通过比较分析确定植物氮肥施用量。
与传统的实验装置相比，本发明的优点为：
(1)整个实验周期极少需要人工操作，各个变量可基本实现自动化控制，可实现实验的便利进行；
(2)本实验系统可以为植物生长提供适宜的生长环境，防止因植物生长状况不合格对实验造成不利影响。
附图说明
图1为本发明一种优化植物氮肥施用量的实验系统的结构示意图。
其中，1、植物栽培室；2、控制装置；3、气体中N15含量检测器；4、红蓝光LED灯；5、温度调节器；6、湿度调节器；7、单向进气阀门；8、抽气机；9、通气管；10、气体过滤器；11、带有底座的立柱；12、带有双通液管管的支架；13、培养皿；14、单向进液阀门；15、储液箱；16、ph值传感器；17、EC值传感器；18、液泵；19、营养液温度调节器；20、输液管；21、可控阀门；22、输液管；23、营养液消毒器；24、液泵；25、调节箱；26、液泵；27、输液管；28、抽气机；29、通气管；30、液晶显示屏；31、键盘。
具体实施方式
如图1所示，一种优化植物氮肥施用量的实验系统，包括全封闭不透光的植物栽培室1、带有底座的立柱11、带有双通输液管的支架12、培养皿13、红蓝光LED灯4、温度调节器5、湿度调节器6、换气装置、营养液循环系统、带有液晶显示屏30和键盘31的控制装置。
其中，带有双通液管的支架呈十字型，内有双路输液管分别在十字中心附近交汇，双路输液管的另一端在十字型支架的四个端末和培养皿连接。培养皿底部设有单向进液阀门，内部盛有陶粒砂来固定植株。
换气装置包括单向进气阀门、抽气机、通气管、气体中N15含量检测器及气体过滤器。
营养液循环系统包括：储存含有某种氮肥的水培营养液的储液箱，用于调节储液箱中营养液的ph值和EC值的调节箱，用于连接储液箱至培养皿、培养皿至储液箱、调节箱至储液箱的三条输液管。
本实施例中，氮肥中的氮元素用N15标记，储液箱包括ph传感器、EC传感器及供氧器，供氧器为一抽气机和一根通气管相连，通气管的另一端侵入营养液内。连接储液箱至培养皿的输液管设有液泵及温度调节器，连接培养皿至储液箱的输液管设有可控阀门、营养液消器、液泵，连接调节箱至储液箱的输液管设有液泵。
控制装置将传感器采集的各个信息进行处理后控制各个执行元件执行相应动作，从而对各个变量诸如植物栽培室内的温度、湿度、营养液的温度、ph值、EC值等进行控制。
为了方便实验人员对植物栽培室进行监控，控制装置上设有人机界面，实验人员可以在人机界面的液晶显示屏上查看植物栽培室内的各个参数，并可通过键盘直接对植物栽培室内的执行元件诸如温度调节器、湿度调节器、红蓝光LED灯、气泵、水泵等进行控制。
本实施例中，假设设置4个梯度的氮肥施用量，先准备A、B、C、D四组营养液，A、B、C、D营养液中的氮素含量按一定间距量依次增加，氮元素用N15标记，四份营养液中的其他营养元素含量都相同。
(1)将营养液A注入储液箱15，向调节箱25中注入某种不含氮肥的营养浓缩液，向四个培养皿13中分别种下某种植物的种子，通过键盘31操作启动液泵18，向培养皿13中输入适量营养液，停止液泵18，启动自动模式；通过键盘设定营养液更新间隔时间t1和温室内空气更新时间t2。
本发明的营养液循环过程具体如下：经过时间t1后可控阀门21在控制装置的控制下打开，由于储液箱15和调节箱25在一个水平面，且高度低于培养皿13，培养皿13中的经过植物吸收的营养液在重力作用下沿输液管22流至营养液消毒器23，经过营养液消毒器23的营养液在液泵24的作用下回流至储液箱；经过某特定时间，可认为培养皿13中的旧营养液已泄完，关闭可控阀门21、营养液消毒器23、液泵24。此时ph值传感器16和EC值传感器17将检测储液箱15中的营养液的ph值和EC值，若都合格，则进入(a)过程，启动液泵18和营养液温度调节器19，将营养液沿输液管20输送至培养皿13，经过某设定时间后停止液泵18和营养液温度调节器19；若有一个不合格，则进入(b)过程，启动液泵26向储液箱中输送营养浓缩液，待ph值传感器16和EC值传感器17检测到ph值、EC值达到合格指标时，由控制装置停止液泵26，之后再进行(a)过程。
本发明的换气装置的工作过程如下：先有控制装置读取N15检测器3中的植物栽培室内空气中N15的含量，存入内存中，并记为a，此后每次换气时检测到的值均累加到a；启动抽气机8，由于7为只允许外界空气进入植物栽培室的单向进气阀门，外面的空气会通过7进入植物栽培室，排出的空气通过气体过滤器10消除N15后至外界环境，经过某时间，关闭气泵，换气结束。
红蓝光LED灯4、温度调节器5、湿度调节器6在控制装置的控制下提供适合的光照、温度、湿度，抽气机28定时启动向营养液供氧。
(2)植物生长至符合实验要求的形态时，先进行一次换气，a为挥发至空气中的N15的质量；将留在储液罐15、输液管20及输液管22、培养皿13中的营养液收集起来，测量其中N15的质量，记为b；取出培养皿中的植株，采用托马斯燃烧法测得植株内N15的质量c。m＝a+b+c为对植物施用氮肥中总的N15质量。
(3)分别将营养液B、C、D注入储液箱15，其他按照(1)至(3)重复进行实验，每组实验均得到a、b、c、m四个值。将其列表如下：
| 营养液组别 | A | B | C | D |
由于m1<m2<m3<m4，若有c1<c2<c3，且c3与c4差距很小，则认为当施用氮素量超过m3时，植株吸收的氮素量基本维持在c3不再增加，从而确定该植物优化的氮素施量为m3。
可根据实验需要设置不同个梯度的氮肥，可根据实验需要测定不同时间或生长期所需最佳氮肥施用量。
Claims (7)
1.一种优化植物氮肥施用量的实验系统，包括密闭的栽培室，其特征在于，所述的栽培室内设有支架，支架上放置有一个或多个培养皿，各培养皿通过两路输液管与为植物提供不同氮素含量营养液的营养液循环装置连通；
所述栽培室还设有用于栽培室内外空气互换的换气装置，以及为植物提供生长所需光照、温度和湿度的环境控制装置；
所述的营养液循环装置包括：储存含有某种氮肥的水培营养液的储液箱，箱内设置pH值传感器和EC值传感器；用于调节储液箱中营养液的pH值和EC值的调节箱，该调节箱内储存有不含氮肥的营养浓缩液；
所述的换气装置包括设置在栽培室侧壁上的单向进气阀门，位于单向进气阀门相对侧的抽气装置和气体过滤器，及用于检测气体中N含量的检测器。
2.如权利要求1所述的优化植物氮肥施用量的实验系统，其特征在于，所述的储液箱经通气管与向营养液供氧的抽气机连通。
3.如权利要求1或2所述的优化植物氮肥施用量的实验系统，其特征在于，两路输液管均通入所述的储液箱，其中一路输液管用于向培养皿输送营养液，另一路输液管用于引导培养皿内的营养液回流至所述的储液箱。
4.如权利要求3所述的优化植物氮肥施用量的实验系统，其特征在于，输送营养液的输液管上设有营养液温度调节器，回流营养液的输液管上设有营养液消毒器。
5.如权利要求4所述的优化植物氮肥施用量的实验系统，其特征在于，所述培养皿底部设有控制输液管流向的单向进液阀门。
6.如权利要求1所述的优化植物氮肥施用量的实验系统，其特征在于，所述的环境控制装置包括安装在栽培室顶部的红蓝光LED灯、温度调节器和湿度调节器。
7.一种基于权利要求1～6任一项所述实验系统的方法，其特征在于， 包括以下步骤：
1)准备N15标记氮素含量依次增加的多组营养液；
2)将其中一组营养液注入储液箱，利用营养液对各培养皿种的植物进行培养，并定时对营养液和内部空气进行更新；
3)待植物生长至特定时间或生长期时，测量挥发至空气中N质量a、培养皿的营养液中的N质量b和植株内N质量c，算得植物施用氮肥中总的N质量m，m＝a+b+c；
4)依次应用剩余的各组不同氮素含量营养液，重复步骤2)和步骤3)，得到各组营养液对应的a、b、c和m，通过比较分析确定植物氮肥施用量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |