CN110024679A

CN110024679A - 一种营养液循环控制利用系统及调控方法

Info

Publication number: CN110024679A
Application number: CN201910147879.5A
Authority: CN
Inventors: 李家练; 唐永康; 艾为党; 李婷
Original assignee: Shenzhen Greenhouse Interplanetary Space Science And Technology Research Institute; China Astronaut Research and Training Center
Current assignee: Shenzhen Greenhouse Interplanetary Space Science And Technology Research Institute; China Astronaut Research and Training Center
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2019-07-19

Abstract

本发明涉及一种营养液循环控制利用系统及调控方法，该系统包括营养液自动控制装置、营养液储液箱、母液箱、酸液箱、碱液箱及植物栽培架；营养液储液箱中设有EC传感器、pH传感器及DO传感器、曝气泵；营养液储液箱通过注水管路与植物栽培架的进口连接，植物栽培架的出口通过回水管路与营养液储液箱连接；注水管路设有注水泵；回水管路设有回水泵；母液箱、酸液箱、碱液箱通过蠕动泵与营养液储液箱连接；自动控制装置与EC传感器、pH传感器、DO传感器、曝气泵、注水泵、回水泵及蠕动泵连接，用于控制蠕动泵和曝气泵、水泵、回水泵的启停。本发明能够在植物营养液液培过程中，通过对营养液的自动和手动调控方法，实现营养液的长期循环利用。

Description

一种营养液循环控制利用系统及调控方法

技术领域

本发明属于营养液循环控制利用技术领域，尤其涉及一种营养液循环控制利用系统及调控方法。

背景技术

未来长期载人航天探索任务中航天员生命保障的根本途径，是建立以植物为核心的受控生态生保系统(CELSS)。CELSS中，植物通过光合作用可以为人类提供氧气、吸收二氧化碳，实现水的循环再生以及提供食物等等。植物的高效生产是保障密闭系统内大气、水、食物以及固废循环再生的关键，主要采用无土栽培技术来进行植物的培养和生产。地面上植物无土栽培时，主要利用营养液来为植物生长供给营养，营养液的控制指标包括电导率(EC)、pH和溶解氧(DO)。由于植物生长过程中吸收各类元素，营养液的EC值会随着时间降低，可以通过添加营养液母液的方式来进行EC值的调节。

然而，植物在不同生长阶段，对营养液中的不同元素具有选择吸收性，仅通过补充母液的方式，难以满足不同生长阶段的营养需求。目前，生产上主要采取定期更换营养液的方法来解决这个问题；但是在地外空间以及海岛、沙漠等特殊环境中，水资源匮乏，物资补给代价高昂，所有资源都要尽可能回收利用，难以通过更换营养液的方式来维持植物的正常生长。

发明内容

本发明的目的是提供一种营养液循环控制利用系统及调控方法，通过自动控制和手动控制相结合的方式，在不更换营养液的情况下，保障不同生长发育时期植物同时正常生长。

本发明提供了一种营养液循环控制利用系统，包括营养液自动控制装置、营养液储液箱、母液箱、酸液箱、碱液箱及植物栽培架；

营养液储液箱中设有分别用于监测营养液EC、pH及DO的EC传感器、pH传感器及DO传感器；营养液储液箱中还设有曝气泵；

营养液储液箱通过注水管路与植物栽培架的进口连接，植物栽培架的出口通过回水管路与营养液储液箱连接；

注水管路设有注水泵，用于将营养液储液箱中的营养液输送至植物栽培架；

回水管路设有回水泵，用于将植物栽培架中的营养液循环至营养液储液箱中；

母液箱、酸液箱、碱液箱通过蠕动泵与营养液储液箱连接，用于通过蠕动泵控制输液量向营养液储液箱输液；

自动控制装置与EC传感器、pH传感器、DO传感器、曝气泵、注水泵、回水泵及蠕动泵连接，用于基于营养液EC、pH及DO控制蠕动泵和曝气泵的启停，并通过预设的时间控制注水泵、回水泵的启停。

进一步地，该系统还包括冷凝水水箱，冷凝水水箱与营养液储液箱连接，用于收集空气中的水蒸气形成冷凝水，并将其输送至营养液储液箱中。

进一步地，回水管路还设有用于对回水管路中营养液进行杀菌消毒的紫外消毒灯。

进一步地，曝气泵为空气泵。

本发明还提供了上述营养液循环控制利用系统的调控方法，包括营养液自动调控方法及营养液手动调控方法；其中，

营养液自动调控方法包括：

通过自动控制装置按营养液配方进行营养液母液、酸液自动配制；

通过自动控制装置对营养液电导率进行上下限设定，通过营养液储箱中的EC传感器进行电导率在线监测，并通过蠕动泵添加营养液母液进行电导率控制，当营养液电导率低于设定值下限时，开始自动添加营养液母液，当营养液电导率高于设定值上限时，自动停止添加营养液母液；

通过自动控制装置对营养液酸碱度进行上下限设定，通过pH传感器自动在线监测营养液中的酸碱度，并通过蠕动泵添加酸液或碱液进行酸碱度控制，当营养液酸碱度达到设定值上限时通过蠕动泵自动向营养液加酸，当酸碱度达到设定值下限时停止向营养液加酸；

通过自动控制装置对营养液溶解氧浓度进行上下限设定，通过DO传感器自动在线监测营养液溶解氧浓度，并通过曝气泵鼓气进行溶解氧浓度控制，当营养液溶解氧浓度达到设定值下限时启动曝气泵自动向营养液储箱中通气，当达到设定值上限时停止曝气泵运行。

营养液手动控制方法包括：

对N、P、K大量元素，每隔3～5天进行一次取样检测，并根据检测结果，利用单个试剂进行补充；

每20天进行一次取样，全面测定各元素的含量水平，包括总氮、总磷、钾、钙、镁、硫酸盐、铁、锰、硼、锌、铜、钼共12个指标；并根据检测结果，利用单个试剂进行补充。

经过长期运行，统计单个试剂的添加量，获得营养液各个试剂补充规律。

进一步地，营养液自动调控方法还包括：每隔2周时间对EC传感器、pH传感器及DO传感器进行一次标定。

借由上述方案，通过营养液循环控制利用系统及调控方法，能够在植物营养液液培过程中，通过对营养液的自动和手动调控方法，实现营养液的长期循环利用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明营养液循环控制利用系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例中小麦各批次生产速率；

图3为本发明一实施例中营养液各元素变化规律；

图4为本发明一实施例中营养液试剂补充规律。

图中标号：

1-营养液自动控制装置；

2-营养液储液箱；21-EC传感器；22-pH传感器；23-DO传感器；24-曝气泵；25-蠕动泵；

3-母液箱；4-酸液箱；5-碱液箱；6-植物栽培架；7-注水管路；71-注水泵；8-回水管路；81-回水泵；82-紫外消毒灯；9-冷凝水水箱。

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。

参图1所示，本实施例提供了一种营养液循环控制利用系统，包括营养液自动控制装置1、营养液储液箱2(用于存储和配制营养液)、母液箱3、酸液箱4、碱液箱5(用于存储营养液的各类母液以及酸液和碱液)及植物栽培架6；

营养液储液箱2中设有分别用于监测营养液EC、pH及DO的EC传感器21、pH传感器22及DO传感器23；营养液储液箱1中还设有曝气泵24；

营养液储液箱2通过注水管路7与植物栽培架6的进口连接，植物栽培架6的出口通过回水管路8与营养液储液箱2连接；

注水管路7设有注水泵71，用于将营养液储液箱2中的营养液输送至植物栽培架6；

回水管路8设有回水泵81，用于将植物栽培架6中的营养液循环至营养液储液箱2中；

母液箱3、酸液箱4、碱液箱5通过蠕动泵25与营养液储液箱2连接，用于通过蠕动泵25控制输液量向营养液储液箱2输液；

自动控制装置1与EC传感器21、pH传感器22、DO传感器23、曝气泵24、注水泵71、回水泵81及蠕动泵25连接，用于基于营养液EC、pH及DO控制蠕动泵25和曝气泵24的启停，并通过预设的时间控制注水泵71、回水泵81的启停。

通过该营养液循环控制利用系统，能够在植物营养液液培过程中，通过对营养液的自动和手动调控方法，实现营养液的长期循环利用。该系统适用于密闭环境系统，可在不更换营养液的条件下，实现营养液的长期循环利用，且循环利用的营养液不会明显降低植物的产量，并同时满足不同生长阶段植物营养需求。

在本实施例中，该系统还包括冷凝水水箱9，冷凝水水箱9与营养液储液箱2连接，用于收集空气中的水蒸气形成冷凝水，并将其输送至营养液储液箱2中。

在本实施例中，回水管路8还设有用于对回水管路8中营养液进行杀菌消毒的紫外消毒灯82。

在本实施例中，曝气泵24为空气泵。

本实施例还提供了上述营养液循环控制利用系统的调控方法，包括营养液自动调控方法(模式)及营养液手动调控方法(模式)；其中，

营养液自动调控方法包括：

通过自动控制装置1按营养液配方进行营养液母液、酸液自动配制；

通过自动控制装置1对营养液电导率进行上下限设定，通过营养液储箱中的EC传感器21进行电导率在线监测，并通过蠕动泵25添加营养液母液进行电导率控制，当营养液电导率低于设定值下限时，开始自动添加营养液母液，当营养液电导率高于设定值上限时，自动停止添加营养液母液；

通过自动控制装置1对营养液酸碱度进行上下限设定，通过pH传感器22自动在线监测营养液中的酸碱度，并通过蠕动泵25添加酸液或碱液进行酸碱度控制，当营养液酸碱度达到设定值上限时通过蠕动泵25自动向营养液加酸，当酸碱度达到设定值下限时停止向营养液加酸；

通过自动控制装置1对营养液溶解氧浓度进行上下限设定，通过DO传感器23自动在线监测营养液溶解氧浓度，并通过曝气泵24鼓气进行溶解氧浓度控制，当营养液溶解氧浓度达到设定值下限时启动曝气泵24自动向营养液储箱2中通气，当达到设定值上限时停止曝气泵运行。

营养液手动控制方法包括：

对N、P、K等大量元素，每隔3～5天进行一次取样检测，并根据检测结果，利用单个试剂进行补充；

在本实施例中，营养液自动调控方法还包括：每隔2周时间对EC传感器、pH传感器及DO传感器进行一次标定。

本发明具有如下技术效果：

(1)针对性：针对特殊环境下(如地外空间、沙漠、海岛等)植物栽培需求，实现水资源的完全回收利用。地外空间飞行任务中的物资补给是一大难题，本发明能够实现营养液的长期循环利用，有效降低物资补给需求，对于未来在月球或火星建立长期有人的星球基地具有重要意义。

(2)简易性：循环利用的营养液，可以同时满足不同时期的植物营养需求。利用本发明中的营养液控制方法和试剂补充规律，可以实现不同生育期多个批次植物的连续培养，植物能够稳定持续收获，保障密闭系统内的物质流稳定和平衡。

(3)实用性：试验获得的试剂补充规律，可以应用于生产中植物营养调控。利用本发明中获得的试剂补充规律指导植物的生产实践，可以减少营养液的取样检测次数，合理高效的安排作物追肥时机。

本发明可以应用于地外空间受控生态生保系统的建立中，用于植物高效生产；此外，对于水资源紧缺的地区(如沙漠和海岛)，亦可利用此发明进行植物无土栽培生产，可以极大的提高水资源的利用效率。

下面通过具体实例对本发明作进一步详细说明。

1.试验材料

本发明中使用小麦作为试验材料，播种前采用10.6％戊唑·福美双悬浮种衣剂按照1∶60的药种比对种子进行包衣处理。

2.试验方法

2.1栽培条件

昼温为25℃±2℃，湿度为55％～75％；夜温为18℃±2℃，湿度为65％～85％。小麦每日光照时间为16h，光强为750μ molPPF·m^-2·s^-1。采用深液流培养方式栽培植物，液位深度12～15cm，参试植物培养所需的养分和水分均通过Hoagland营养液(配方见表1)进行供给，电导率控制在2.0～2.5mS·cm^-1，pH值为5.5～6.5。每个栽培盘种植面积为0.84m²，除第3批小麦种植3个栽培盘以外，其余3个批次小麦均种植9个栽培盘。

2.2栽培方法

(1)小麦育苗

按100g/盘将种子均匀平铺在小麦育苗盘中，再准备350mL的纯水倒入育苗盘中，倾倒过程均匀淋洗在小麦种子上，使小麦保持润湿状态，盖上盖子，放入28℃光照培养箱，光照培养箱设定为24h光照。浸种第3天和第5天换水，将育苗盘底盘的水倒到废液桶后加350mL的纯水。

(2)小麦春化

小麦浸种5天后，放入4℃冷藏柜中进行春化处理7天，春化第3、第5和第7天要换水，将育苗盘底盘的水倒到废液桶后加350mL的纯水。春化结束后再放入28℃光照培养箱中缓苗3天，缓苗第2天换水。

(3)小麦移栽

移栽水培时将种苗用定植海绵夹住，塞进定植篮中固定，露出根部；然后移栽到栽培盘中，以1株/孔进行定植。每个栽培盘面积为0.84m²，每个栽培盘移栽200株。

(4)批次栽培流程

小麦栽培分为四个批次：第一批次与第二批次之间播种间隔5天，第二批次与第三批次之间播种间隔10天，第三批次与第四批次之间播种间隔15天，整个试验周期为136天。

2.3营养液控制

营养液日常调控模式为：(1)营养液配方为改良的Hoagland营养液(见表1)，按营养液配方进行营养液母液、酸液配制。(2)电导率控制：营养液配制采用自动方法进行，对营养液电导率进行上下限设定(2.0～2.5mS·cm^-1)。通过营养液储箱中的电导率传感器进行电导率在线监测，并通过输液蠕动泵添加营养液母液进行电导率控制。当营养液电导率低于设定值下限(2.0mS·cm^-1)时开始自动添加营养液母液，当营养液电导率高于设定值上限时(2.5mS·cm^-1)自动停止添加营养液母液。(3)酸碱度控制：试验过程中，营养液中的酸碱度通过酸碱度传感器自动在线监测，并通过输液泵(蠕动泵)添加酸液或碱液进行酸碱度控制。当营养液酸碱度达到设定值上限(6.5)时则通过加酸泵(蠕动泵)自动向营养液加酸，当酸碱度达到设定值下限(5.5)时则停止向营养液加酸。(4)试验过程中，营养液溶解氧浓度通过溶解氧传感器自动在线监测，并通过鼓气泵(曝气泵)鼓气进行溶解氧浓度控制。设定营养液溶解氧浓度控制的上下限(4.5～5.0mg·L^-1)，当营养液溶解氧浓度达到设定值下限(4.5mg·L^-1)时则启动鼓气泵自动向营养液储箱中通气，当达到设定值上限(5.0mg·L^-1)时则停止鼓气泵运行。(5)两周对传感器进行一次标定。

营养液定量控制模式：(1)N、P、K等大量元素，每隔3～5天进行一次取样检测，并根据检测结果，利用单个试剂进行补充。(2)每20天进行一次取样，全面测定各元素的含量水平，包括总氮、总磷、钾、钙、镁、硫酸盐、铁、锰、硼、锌、铜、钼、钠共13个指标；并根据检测结果，利用单个试剂进行补充。(3)经过长期运行，统计单个试剂的添加量，获得营养液各个试剂补充规律。

表1小麦营养液配方

2.4元素检测方法

第一批小麦移栽后，每隔20天对营养液进行一次取样，每次400mL，外送至具备检验检测资质的第三方实验室进行营养液中各元素含量的检测，检测方法及检出限见表2。

表2营养液各元素测试方法及检出限

2.5植物产量统计

植物生长周期根据每种植物每批次播种和收获时间计算；含水率根据样品烘干前后重量进行计算：

含水率(％)＝(m_f-m_d)*100/m_f (1)

式中m_f为样品鲜重，单位g；m_d为样品干重，单位g。

植物生物量生产速率根据植物在生长周期内累积产生的生物量计算：

植物生物量生产速率(g·m^-2·d^-1)＝∑(m₁+m₂+…+m_n)/(a*t) (2)

式中m为试验期间每次收获的植物生物量，单位g，n为收获次数；a为栽培面积，单位m²，t为第n次收获时对应的试验天数，单位天(d)。

使用Graphpad Prism 7软件来统计分析小麦的生产速率。各项指标的数值一般用平均值±标准差表示，特别说明除外。采用单因素方差分析(ANOVA)，检验结果用“*”表示p＜0.05，“**”表示p＜0.01，“***”表示p＜0.001，“****”表示p＜0.0001。

3.试验结果

3.1植物生长和生产情况

试验期间，4个批次的小麦生长情况良好，且各个批次的小麦生长发育情况没有没有明显差异。

4个批次小麦可食部分干重的生产速率依次为7.68±0.66g·m^-2·d^-1，7.93±0.63g·m^-2·d^-1，10.7±0.33g·m^-2·d^-1，8.83±1.0g·m^-2·d^-1；各批次之间生产速率统计检验结果见图2。由统计结果可见，在营养液长期循环利用的情况下，小麦的生产速率并没有随时间延长而降低，反而有所增加，说明营养液的循环利用并不会影响小麦的产量。

3.2营养液各元素变化规律

试验期间，营养液各营养元素的变化规律如图3所示：图(a)大量元素中，K的浓度变化最大，需要重点关注；图(b)中量元素中，各元素浓度波动均较为平稳；图(c)微量元素中，Fe的浓度变化较为明显。

3.3营养液试剂补充规律

试验期间，营养液各营养元素手动补充情况如图4所示：大量元素中，由于持续利用HNO₃调整营养液pH，整个试验期间不用单独补充N；试验前期需要及时补充P，而中后期需要重点补充K。3种中量元素均不用手动补充，通过EC值自动控制补充母液即可。微量元素中，整个生长周期中均需要定期补充Fe及Mn；而Zn和Mo在生长中后期需要注意添加。

通过上上述试验可知，本发明中营养液的长期循环利用控制方法不会对植物生长和产量造成不良影响，可以应用于植物的连续长期生产，可以极大的提高水资源的利用效率，适合在密闭生态系统中进行应用。通过营养液的检测结果可知，营养液的长期循环利用中，前期需要注意P元素的检测和补充，中后期需要重点关注K元素的浓度变化并及时补充；整个生长周期中均需要定期补充Fe及Mn。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种营养液循环控制利用系统，其特征在于，包括营养液自动控制装置、营养液储液箱、母液箱、酸液箱、碱液箱及植物栽培架；

所述营养液储液箱中设有分别用于监测营养液EC、pH及DO的EC传感器、pH传感器及DO传感器；所述营养液储液箱中还设有曝气泵；

所述营养液储液箱通过注水管路与所述植物栽培架的进口连接，所述植物栽培架的出口通过回水管路与所述营养液储液箱连接；

所述注水管路设有注水泵，用于将所述营养液储液箱中的营养液输送至所述植物栽培架；

所述回水管路设有回水泵，用于将所述植物栽培架中的营养液循环至所述营养液储液箱中；

所述母液箱、酸液箱、碱液箱通过蠕动泵与所述营养液储液箱连接，用于通过所述蠕动泵控制输液量向所述营养液储液箱输液；

所述自动控制装置与所述EC传感器、pH传感器、DO传感器、曝气泵、注水泵、回水泵及蠕动泵连接，用于基于营养液EC、pH及DO控制所述蠕动泵和曝气泵的启停，并通过预设的时间控制所述注水泵、回水泵的启停。

2.根据权利要求1所述的营养液循环控制利用系统，其特征在于，还包括冷凝水水箱，所述冷凝水水箱与所述营养液储液箱连接，用于收集空气中的水蒸气形成冷凝水，并将其输送至所述营养液储液箱中。

3.根据权利要求1或2所述的营养液循环控制利用系统，其特征在于，所述回水管路还设有用于对所述回水管路中营养液进行杀菌消毒的紫外消毒灯。

4.根据权利要求1所述的营养液循环控制利用系统，其特征在于，所述曝气泵为空气泵。

5.一种权利要求1至4任一项所述的营养液循环控制利用系统的调控方法，其特征在于，包括营养液自动调控方法及营养液手动调控方法；其中，

所述营养液自动调控方法包括：

所述营养液手动控制方法包括：

6.根据权利要求5所述的调控方法，其特征在于，所述营养液自动调控方法还包括：

每隔2周时间对所述EC传感器、pH传感器及DO传感器进行一次标定。