CN112816621B - 一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，包括：1)获取温室内的气象信息；2)获取作物定植前所配制营养液的体积和钾离子初始浓度；3)对作物的营养液消耗量进行估算；4)记录作物生长过程中添加的营养液体积、添加营养液中钾离子浓度；对t时刻栽培系统中营养液的体积和钾的吸收量进行计算；5)对t时刻营养液的钾浓度进行计算。本发明的方法能够解决水培蔬菜养分调控过程中存在的营养液钾浓度实时获取成本高、操作复杂，在商品化无土栽培蔬菜生产营养液钾浓度动态精准管理难度大的问题。

Description

一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法

技术领域

本发明涉及无土栽培作物营养液养分浓度实时检测技术领域，尤其涉及一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法。

背景技术

水培蔬菜生产将作物直接种植在营养液中，摆脱了对天然土壤的依赖，克服了土传性病虫害的发生，实现蔬菜的优质高效生产。在水培模式下，作物所需的水分和养分均由营养液提供，当营养液的组分和特性发生变化生长时，就会在短时间内做作物的生长产生不良影响。特别是作物需求较大的氮、磷、钾，当营养液中浓度过低时，在养分胁迫的作用下，作物的生长受到抑制，浓度过高时会造成养分资源的浪费，是无土栽培营养液管理的重点调控对象。

由于无机氮和水溶性磷的排放会引起水土环境的污染，国内外专家围绕水培蔬菜的营养液氮磷的检测和调控开展大量研究，但对于营养液钾关注相对较少。近年来农业钾肥价格高企，就节约生产成本，提高加肥利用效率而言，农业从业者对作物钾肥的精准管理和高效利用需求越发迫切；另外对肾脏功能不全的人来说，摄入过量的钾会导致血钾的指标超标，引发严重的健康问题。水培条件下，营养液钾离子是作物钾肥的唯一来源，可以通过对水培蔬菜的营养液钾离子浓度进行精准管理，在不影响蔬菜产量的同时，降低钾肥的投入量，节约生产成本的同时，降低蔬菜的钾含量，产出特殊需求的低钾功能性蔬菜。

对钾离子浓度进行实时监测是蔬菜营养液钾肥调控的基础。当前营养液钾浓度的监测方法主要有利用钾离子选择电极检测和实验室分析测定两种方法。在栽培系统中安装钾离子选择电极虽然可以实现营养液钾离子的实时快速测定，但由于钾离子选择电极价格昂贵，寿命较短，一般仅为半年左右，且使用过程中极易发生漂移，需要频繁标定，故在实际生产中少有采用，多用于科研试验中。实验室分析测定则需要定期收集营养液样品，送至实验室利用原子吸收分光光度计或火焰光度计进行分析测定，虽然精度较高，但较为费时费力，不能实现营养液钾浓度的实时检测。目前亟需提供一种应用成本低廉、快捷高效的无土栽培营养液钾离子浓度测定方法，为商业化无土栽培的蔬菜生产营养液钾浓度监测与调控提供技术支持。

发明内容

本发明实施例提供一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，以解决水培蔬菜养分调控过程中存在的营养液钾浓度实时获取成本高，操作复杂，以至于在商品化无土栽培蔬菜生产营养液钾浓度精准管理难度较大的问题。

本发明实施例提供一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，所述方法包括：

1)获取温室内的气象信息；

2)获取作物定植前所配制营养液的体积和钾离子初始浓度；

3)对作物的营养液消耗量进行估算；

4)记录作物生长过程中添加的营养液体积、营养液中钾离子浓度；对t时刻栽培系统中营养液的体积和钾的吸收量进行计算；

5)对t时刻营养液的钾浓度进行计算。本发明中，所述方法能够解决水培蔬菜养分调控过程中存在的营养液钾浓度实时获取成本高、操作复杂，在商品化无土栽培蔬菜生产营养液钾精准管理难度大的问题。通过上述方法可完成定植后任一时刻无土栽培营养液钾浓度CK_t的估算。尤其通过采用构建相关模拟模型的物理数学方法，能够对营养液中的钾离子进行实时估算，从而可以便捷快速得获取营养液钾浓度变化信息，为蔬菜栽培营养液钾浓度调控提供技术支持。

根据本发明提供的一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，步骤1)中，通过温湿度传感器和辐射传感器，对所述温室内的气象信息进行采集。

根据本发明提供的一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，步骤3)中，作物的营养液消耗量NSC如下式：

NSC＝ET_rK_c (1)

其中，NSC为营养液消耗量，K_c为作物系数，ET_r为参考作物蒸散量。

根据本发明提供的一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，步骤3)中，利用所述气象信息计算参考作物蒸散量ET_r；优选的，参考作物蒸散量ET_r如下式：

其中，△为饱和水汽压的斜率，G为栽培介质热通量；γ为干湿表常数，e_s为饱和水汽压，e_a为实际水汽压，R_n为辐射，T_mean为日平均气温。

根据本发明提供的一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，步骤3)中，作物系数K_c如下式：

K_c＝alnLAI+b (3)

其中，LAI为作物的叶面积指数，a、b为常数，通过参数优化拟合的方法确定。

根据本发明提供的一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，对作物的叶面积指数LAI的变化过程进行模拟估算：

LAI＝LAI₀+m×GTD+n (4)

其中，LAI₀为移栽定植作物的初始叶面积指数，m、n为待优化参数，GTD为生长度日。

根据本发明提供的一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，所述生长度日GTD如下式：

其中，T_max为日最高气温，T_min为日最低气温，T_b为基点温度。优选的，T_max、T_min通过温度传感器测定。

根据本发明提供的一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，步骤4)中，t时刻栽培系统中营养液的体积V_t如下式:

V_t＝V₀+V_a1+V_a2+…+V_at-1-NSC₁-NSC₂-…-NSC_t-1 (6)

其中，V_t为t时刻栽培系统中营养液的体积；V₀为蔬菜定植前新配制营养液的体积；V_a1、V_a2…V_at-1为1、2…t-1时刻向营养液栽培系统中添加营养液的体积；NSC₁、NSC₂、NSC_t-1为1、2…t-1时刻营养液消耗量。

根据本发明提供的一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，步骤4)中，t时刻作物钾吸收总量UK_t-1如下式：

UK_t＝UK₁+UK₂+…+UK_t-1＝δ₁CK₁NSC₁+δ₂CK₂NSC₂+…+δ_t-1CK_t-1NSC_t-1 (7)

其中，UK₁、UK₂…UK_t-1为1、2…t-1时刻作物钾吸收总量；δ₁、δ₂…δ_t-1为1、2…t-1时刻作物钾吸收因子；CK₁、CK₂…CK_t-1为1、2…t-1时刻营养液栽培系统中钾离子浓度。

根据本发明提供的一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，步骤4)中，t时刻作物钾吸收因子δ_t如下式：

其中，δ_t为t时刻作物钾吸收因子，e、f为待优化参数，可以通过数据拟合的方法获取，CK_t-1为t-1时刻营养液栽培系统中营养液钾离子浓度。

根据本发明提供的一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，步骤5)中，t时刻营养液的钾浓度K_t如下式：

其中，CK₀为营养液钾离子初始浓度，K_a1、K_a2…K_at-1为1、2…t-1时刻向栽培系统中添加的营养液钾浓度；V₀为蔬菜定植前新配制营养液的体积；V_a1、V_a2…V_at-1为1、2…t-1时刻向营养液栽培系统中添加营养液的体积；UK₁、UK₂、UK₃…UK_t-1为1、2、3…t-1时刻作物钾吸收量。

本发明基于作物钾吸收特性与栽培系统中物质平衡原理统筹考虑，提供了一种水培蔬菜生产营养液钾浓度虚拟检测方法。尤其是，通过构建水培作物的水分消耗、钾肥吸收模型以及营养液钾离子动态变化模型，实现了水培蔬菜生菜系统的营养液钾浓度实时获取，更好的解决水培蔬菜生产系统中营养液钾离子浓度获取成本高、周期长、操作繁琐的技术问题，从而水培蔬菜营养液钾浓度的实时调控提供了技术支持；提高了钾肥的利用效率，也为低钾功能蔬菜的生产奠定了基础，具有广泛的应用前景。

本发明的有益效果至少在于：本发明提供的营养液钾浓度的实时监测方法与离子选择电极法相比，克服了离子选择电极寿命短、易漂移、成本高的缺点，仅需利用温室环控系统配套的温湿度传感器和辐射传感器采集的数据，利用一系列数学物理模型，对营养液中的钾浓度仅需连续动态估算，避免了实验室化验测定需要配套相关的耗材、仪器设备，以及测定过程的时间滞后性，从而为无土栽培营养液钾肥的精准调控提供技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例水培生菜的耗水量动态；

图2为本发明实施例水培生菜的叶面积指数生长动态模拟；

图3为本发明实施例营养液钾浓度动态估算值与实测值对比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法。该方法可以应用于设施无土栽培作物的营养液钾浓度实时检测，本实施例为在设施水培生菜生产过程中钾营养液检测，包括：

1.通过温室内安装的温湿度传感器、辐射传感器采集温室内的气象信息。

2.记录蔬菜定植前新配制营养液的体积V₀＝100L和营养液钾浓度K₀＝122cm·g^-1。

3.计算作物的营养液消耗量NSC(如图1所示)。

NSC＝ET_rK_c (1)

式中，NSC为营养液消耗量；ET_r为实际蒸散量；利用温湿度和辐射传感器采集的气象信息由彭曼公式计算得到(式4)；K_c为作物系数，可以将作物系数表示为下式。

K_c＝alnLAI+b (3)

式中，△为饱和水汽压的斜率，G为栽培介质热通量；γ为干湿表常数；e_s为饱和水汽压；e_a为实际水汽压；R_n和T_mean分别为辐射和日平均气温；a、b为常数，对于生菜而言，a＝0.39；b＝0.49。LAI为叶面积指数。对LAI的变化过程进行模拟估算：

LAI＝LAI₀+m×GTD+n (4)

式中，m、n为待优化参数；m＝0.39，n＝0.45。LAI₀为移栽定植生菜的初始叶面积指数，直接测定为0.32；图2为实施例中水培生菜的叶面积指数动态变化过程模拟；GTD为生长度日，用下式计算：

式中，T_max和T_min分别为日最高气温和日最低气温，通过温度传感器测定，℃；T_b为基点温度，T_b＝4℃。

4.在生菜生长过程中，实时记录1、2、3…t时刻向营养液栽培系统中添加营养液的体积V_a1、V_a2、V_a3…V_at以及添加营养液钾浓度K_a1、K_a2、K_a3…K_at，并估算t时刻栽培系统中营养液的体积V_t和作物钾的吸收量UK _t(若未添加营养液则，V_a＝0；K_a＝0)：

V_t＝V₀+V_a1+V_a2+…+V_at-1-NSC₁-NSC₂-…-NSC_t-1 (6)UK_t＝UK₁+UK₂+…+UK_t-1＝δ₁CK₁NSC₁+δ₂CK₂NSC₂+…+δ_t-1CK_t-1NSC_t-1 (7)

式中，UK₁、UK₂、UK₃…UK_t为1、2、3…t时刻作物钾吸收总量；δ₁、δ₂、δ₃…δ_t为1、2、3…t时刻作物钾吸收因子，δ_t用下式表示：

式中，CK_t-1为t-1时刻营养液栽培系统中营养液钾离子浓度，e、f为待优化参数，可以通过数据拟合的方法获取。

5.t时刻营养液的钾浓度K_t为：

其中，CK₀为营养液钾离子初始浓度，CK_a1、CK_a2…CK_at-1为1、2…t-1时刻向栽培系统中添加的营养液钾浓度；V₀为蔬菜定植前新配制营养液的体积；V_a1、V_a2…V_at-1为1、2…t-1时刻向营养液栽培系统中添加营养液的体积；UK₁、UK₂、UK₃…UK_t-1为1、2、3…t-1时刻作物钾吸收量。

由此即可完成定植后对任一时刻无土栽培营养液钾浓度的估算，与营养液取样用原子吸收分光光度计的实测值结果对比见图3。可见，采用本发明提出的方法对营养液钾浓度模拟值与实测值吻合较好。

利用本发明提供的方法可以便捷获取营养液钾浓度变化动态，不依赖离子浓度传感器或水位传感器，应用成本低廉，结果可靠，可为水培生菜的营养液钾浓度调控提供支持。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

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 (1)

1.一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法，其特征在于，包括：

1）获取温室内的气象信息；

2）获取作物定植前所配制营养液的体积和钾离子初始浓度；

3）对作物的营养液消耗量进行估算；

4）记录作物生长过程中添加的营养液体积、添加营养液中钾离子浓度；对t时刻栽培系统中营养液的体积和钾的吸收量进行计算；

5）对t时刻营养液的钾浓度进行计算；

步骤3）中，作物的营养液消耗量NSC如下式：

其中，NSC为营养液消耗量，K _c 为作物系数，ET _r为参考作物蒸散量；

利用所述气象信息计算参考作物蒸散量ET _r ；参考作物蒸散量ET _r 如下式：

其中，△为饱和水汽压的斜率，G为栽培介质热通量；γ为干湿表常数，e _s 为饱和水汽压，e _a 为实际水汽压，R _n 为辐射，T _mean 为日平均气温；

作物系数K_c如下式：

其中，LAI为作物的叶面积指数，a、b为常数，通过参数优化拟合的方法确定；

对作物的叶面积指数LAI的变化过程进行模拟估算：

其中，LAI ₀ 为移栽定植作物的初始叶面积指数，m、n为待优化参数，GTD为生长度日；

生长度日GTD如下式：

其中，T _max 为日最高气温，T _min 为日最低气温，T _b 为基点温度；

步骤4）中，t时刻栽培系统中营养液的体积V _t 如下式:

其中，V _t 为t时刻栽培系统中营养液的体积；V ₀ 为蔬菜定植前新配制营养液的体积；V _a1 、V _a2 …V _at-1 为1、2…t-1时刻向营养液栽培系统中添加营养液的体积；NSC ₁、NSC ₂、NSC _t-1为1、2…t-1时刻营养液消耗量；

步骤4）中，t时刻作物钾吸收总量UK _t-1 如下式：

其中，UK ₁ 、UK ₂ …UK _t-1 为1、2…t-1时刻作物钾吸收总量；δ ₁ 、δ ₂ …δ _t-1 为1、2…t-1时刻作物钾吸收因子；CK ₁ 、CK ₂ …CK _t-1 为1、2…t-1时刻营养液栽培系统中钾离子浓度；

步骤4）中，t时刻作物钾吸收因子δ _t 如下式：

其中，δ _t 为t时刻作物钾吸收因子，e、f为待优化参数，可以通过数据拟合的方法获取，CK _t-1 为t-1时刻营养液栽培系统中营养液钾离子浓度；

步骤5）中，t时刻营养液的钾浓度K_t如下式：

其中，CK ₀ 为营养液钾离子初始浓度，CK _a1 、CK _a2 …CK _at-1 为1、2…t-1时刻向栽培系统中添加的营养液钾浓度；V₀为蔬菜定植前新配制营养液的体积；V _a1 、V _a2 …V _at-1 为1、2…t-1时刻向营养液栽培系统中添加营养液的体积；UK ₁ 、UK ₂ 、UK ₃ …UK _t-1 为1、2、3…t-1时刻作物钾吸收量。

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