超聲波霧化栽培裝置的研制和應(yīng)用效果

江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2012， 24( 1) : 23 25Acta Agriculturae Jiangxi超聲波霧化栽培裝置的研制和應(yīng)用效果聞 婧1， 程瑞鋒2， 孟力力1， 韋金河1， 楊其長(zhǎng)2， 張 俊1收稿日期 : 2011 11 08基金項(xiàng)目 : 中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng) ( BSRF201109) ; 國家科技支撐計(jì)劃 ( 2011BAE01B00) ; 國家自然科學(xué)基金 ( 31000689) ;江蘇省農(nóng)業(yè)技術(shù)自主創(chuàng)新基金 ( CX( 10) 204、CX( 11) 2013) 。作者簡(jiǎn)介 : 聞婧 ( 1983) ， 女 ， 內(nèi)蒙古呼和浩特人 ， 碩士研究生 ， 主要從事設(shè)施栽培方面的研究 。( 1 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技展示中心 ， 江蘇 南京 210014;2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 、農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化開放試驗(yàn)室 ， 北京 100081)摘 要 : 霧培是解決植物根系水氣矛盾的一種最佳栽培模式之一 ， 為解決現(xiàn)有霧培方式中霧滴直徑大 、沖力強(qiáng)和霧化均勻度低的問題 ， 該文介紹了一種新型超聲波霧化栽培裝置 。該裝置將超聲波霧化技術(shù)與植物種植系統(tǒng)相結(jié)合 ， 所形成的水霧在空氣中飄浮時(shí)間大于 1 min， 并自然彌漫至根系各個(gè)部位 ， 使植物根系能夠均勻吸收養(yǎng)分和水分 。此外 ， 通過生菜栽培試驗(yàn)表明 : 該裝置比水培裝置節(jié)省用水 70%， 冬季生產(chǎn)時(shí)可提高植物根系環(huán)境溫度 4 7 ， 并可顯著提高生菜植株的根系活力 。關(guān)鍵詞 : 超聲波 ; 霧培 ; 栽培裝置 ; 生菜中圖分類號(hào) : S6253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A 文章編號(hào) : 1001 8581( 2012) 01 0023 03Development and Application Effect of Ultrasonic Aeroponic Cultivation DeviceWEN Jing1， CHENG Rui feng2， MENG Li li1， WEI Jin he1， YANG Qi chang2， ZHANG Jun1( 1 Exhibition Center of Modern Agriculture Science and Technology， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing210014， China; 2 Institute of Agricultural Environment and Sustainable Development， Chinese Academy of Agricultural Sciences;Open Laboratory of Agricultural Environment and Climate Change， Ministry of Agriculture， Beijing 100081， China)Abstract: Aeroponic cultivation is one of the best cultivation modes to solve the contradiction between water and air in the rootsystem of plants In order to solve some problems in the current aeroponic cultivation， such as larger diameter， strong momentum andlow spray evenness of droplets， this paper introduced a new ultrasonic aeroponic cultivation device This device was a combination ofultrasonic aeroponic technology and plant cultivation system The water mist formed by the device could float around the root systemand stay for more than 1 min in the air， and make the root system uniformly absorb the nutriment and moisture In addition， the resultsof lettuce cultivation experiment showed that this device consumed water 70% less than water cultivation device， it could increase therhizospheric temperature of the plants by 4 7 ， and significantly enhance the root vigor of lettuce plants in winter productionKey words: Ultrasonic; Aeroponic culture; Cultivation device; Lettuce植物霧化栽培 ( Aeroponics， spray culture， mist cul-ture 等 ) 是指植物的根系懸掛生長(zhǎng)在封閉 、不透光的容器內(nèi) ， 營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)特殊設(shè)備處理后形成霧狀 ， 間歇性噴到植物根系上 ， 以提供植物生長(zhǎng)所需的水分和養(yǎng)分的一種無土栽培技術(shù) 1 3。霧化栽培中植物根系生長(zhǎng)在相對(duì)濕度 100%的空氣中 ， 氧氣得以最大化供給 ， 水 、肥通過霧化方式提供 ， 只要營(yíng)養(yǎng)液配方正確 ， 根系將處于最佳的水 、氣 、肥環(huán)境中 ， 使植物發(fā)揮出最大的生長(zhǎng)潛能 4。與常規(guī)栽培模式相比 ，霧化栽培具有節(jié)水節(jié)肥 、提高植物生長(zhǎng)速度等優(yōu)點(diǎn) 5 7，是速生高產(chǎn) 、環(huán)境友好型的植物生產(chǎn)模式 。目前營(yíng)養(yǎng)液霧化多采用壓力式霧化和機(jī)械高速旋轉(zhuǎn)離心霧化的方式 ， 存在因霧化霧滴沖擊力大導(dǎo)致的洗根現(xiàn)象 ， 以及由于霧滴體積大 ， 在空氣中存留時(shí)間短 ， 不利于根系吸收的問題 8 10。此外 ， 隨著植物根系越長(zhǎng)越濃密 ， 霧化霧滴只能噴灑在外圍根系 ， 很難穿透整個(gè)根系 ， 造成營(yíng)養(yǎng)液霧滴噴灑不均勻 ， 外濕內(nèi)干的現(xiàn)象 。本文針對(duì)上述問題 ， 利用超聲波霧化具有霧滴細(xì)微 ， 可較長(zhǎng)時(shí)間在空中飄浮和移動(dòng)的特點(diǎn) ， 研制超聲波霧化栽培裝置 ，并通過生菜栽培試驗(yàn)評(píng)估該裝置的性能 。1 超聲波霧化栽培裝置的設(shè)計(jì)新型超聲波霧化栽培裝置由超聲波霧化器 、超聲波霧化栽培槽 、種植板和營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)組成 ( 如圖 1 所示 ) 。1 超聲波霧化器 ， 2 超聲波霧化栽培床 ， 3 種植板 ， 5 種植孔 ，6 矩形突起 ， 7 水箱 ， 8 水泵 ， 9 回液管 ， 10 供液管圖 1 超聲波霧化栽培裝置結(jié)構(gòu)示意圖DOI:10.19386/j.cnki.jxnyxb.2012.01.0081 1 超聲波霧化器 超聲波霧化器長(zhǎng) 125 mm、寬 88mm、高 56 mm， 表面均勻分布 10 個(gè)直徑為 20 mm 的圓形霧化片 ， 可將營(yíng)養(yǎng)液均勻霧化 ， 霧化量為 3 L/h， 功率為250 W。圖 2 超聲波霧化器及霧化效果圖12 超聲波霧化栽培床 超聲波霧化栽培床由多個(gè)寬500 mm、高 100 mm、長(zhǎng) 500 mm 的栽培槽組合而成 ， 可以根據(jù)實(shí)際需要 ， 調(diào)整栽培床的長(zhǎng)度 ; 底面從邊緣到中間有5的下傾角 ， 防止種植槽意外積水 ; 底部中間有寬 90mm、高 60 mm 的矩形凹槽 ， 用于放置超聲波霧化器 。栽培床上蓋種植板 ， 每塊種植板寬 500 mm、長(zhǎng) 500 mm， 嵌合在栽培槽上 ， 板面均勻分布有直徑為 20 mm 的種植孔 ， 種植板底面中間有長(zhǎng) 500 mm、寬 88 mm、高 50 mm 的矩形凸起 ， 可阻擋霧化器噴濺出來的水滴 。1 超聲波霧化器 ， 2 超聲波霧化栽培槽 ，3 種植板 ， 4 矩形凹槽 ， 5 種植孔 ， 6 矩形突起圖 3 栽培床剖面圖13 營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng) 營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)由水箱 、水泵 、供液管和回液管組成 。栽培床每延長(zhǎng) 500 mm， 營(yíng)養(yǎng)液需增加 27 L， 因此長(zhǎng) 2 m 的栽培床 ， 50 L 的水箱即可滿足栽培床和整體循環(huán)系統(tǒng)的需求 。2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)21 處理 本試驗(yàn)采用超聲波霧培 、壓力噴霧培 、水培3 種方式 ， 進(jìn)行生菜栽培試驗(yàn) 。211 超聲波霧培 采用上述超聲波霧化栽培裝置 ， 栽培床長(zhǎng) 2 m， 內(nèi)鋪黑色塑料防水膜 ， 使用超聲波霧化器兩個(gè) ， 定植生菜 24 株 ; 水箱容積 50 L， 水泵功率 45 W， 最大流量 2500 L/h; 系統(tǒng)供液與霧化器工作時(shí)間由定時(shí)器統(tǒng)一控制 ， 每隔 3 min， 工作 2 min。212 壓力噴霧培 壓力噴霧培裝置主要由栽培箱 、霧化噴頭 、供液管 、回液管 、水泵 、定時(shí)器 、壓力表組成 。栽培箱為長(zhǎng) 500 mm、寬 300 mm、高 400 mm 的保溫泡沫箱 ，每個(gè)栽培箱定植 8 株 ， 共 3 個(gè)栽培箱 。霧化噴頭為四頭噴頭 ， 每個(gè)栽培箱中設(shè)兩個(gè) ， 由供液管與水泵連接 。水泵功率 120 W， 最大流量 6000 L/h， 供液管道液壓在 0 5Pa。每個(gè)栽培床下接有回液管 ， 營(yíng)養(yǎng)液可循環(huán)使用 ， 水箱容積 50 L。系統(tǒng)供液時(shí)間由定時(shí)器控制 ， 每隔 3 min， 工作 2 min。213 水培 使用長(zhǎng) 2 m、寬 0 5 m、高 0 1 m 的栽培床 ， 定植 24 株 ， 設(shè)有水箱 、供液管 、回液管 、水泵和定時(shí)器 ， 水箱容積 150 L， 水泵功率 45 W， 最大流量 2500 L/h，每隔 3 min， 工作 2 min。22 材料與環(huán)境條件 試驗(yàn)地點(diǎn)在北京 ( 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所樓頂智能溫室 ) 。以生菜為材料 ( 品種 : 耐抽薹生菜 ) ， 2010 年 11 月 15 日播種于育苗盤中 ， 置于溫室內(nèi)育苗 ， 待幼苗 2 葉 1 心時(shí) ( 2010年 12 月 1 日 ) 定植 。試驗(yàn)使用營(yíng)養(yǎng)液均為 pH 65 70，EC 13 1 5 mS/cm。試驗(yàn)期間溫室白天溫度 22 30， 夜間 15 20 。23 數(shù)據(jù)測(cè)量 裝置初運(yùn)行時(shí) ， 使用量筒測(cè)量不同裝置運(yùn)行所需營(yíng)養(yǎng)液用量 。植物生長(zhǎng)期間使用溫度計(jì)測(cè)量植物根際環(huán)境溫度 ， 采用 40 d 最低溫度平均值和最高溫度平均值代表根際環(huán)境溫度變化范圍 。生菜在不同栽培模式下定植 40 d 后 ， 分別測(cè)定株高 、莖粗 、葉片數(shù) 、干鮮重 、葉綠素含量 、可溶性糖含量 、根系活力等指標(biāo) 。其中葉綠素含量 、可溶性糖含量 、根系活力的測(cè)定均采用比色法 11。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 3 個(gè)重復(fù)的平均值 ， 用 DPS v301 數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 ， 用 t檢驗(yàn)進(jìn)行處理間的顯著性差異分析 。3 結(jié)果與分析31 不同裝置運(yùn)行情況比較 從表 1 可知 ， 在生菜栽培數(shù)量相同的情況下 ， 水培裝置的需液量是霧培裝置的 3倍 。超聲波霧培裝置較壓力噴霧培和水培可以提高根際環(huán)境溫度 4 7 ， 同時(shí)由于霧滴直徑小 ， 在空中停留時(shí)間長(zhǎng) ， 更有利于植物吸收 。表 1 不同裝置運(yùn)行情況比較處理裝置運(yùn)行需液量 /L根際環(huán)境溫度 /霧滴直徑霧滴空中停留時(shí)間 /min超聲波霧培 50 24 30 3 10 mm 1壓力噴霧培 50 17 26 01 1 mm 1水培 150 20 25 / /32 不同處理生菜形態(tài)指標(biāo)比較 從表 2 可知 ， 不同處理中生菜的株高 、莖粗 、植株干重均無顯著差異 ， 兩種霧培生菜的葉片數(shù)和根干重均顯著高于水培生菜 ， 其中超聲波霧培和壓力噴霧培栽培生菜的各項(xiàng)指標(biāo)均無顯著差異 。33 不同處理生菜生理指標(biāo)比較 從表 3 可知 ， 不同處理中生菜葉綠素 b 和可溶性糖含量無顯著差異 ; 葉綠素 a含量存在顯著差異 : 水培 壓力噴霧培 超聲波霧培 ; 根42 江 西 農(nóng) 業(yè) 學(xué) 報(bào) 24 卷系活力存在顯著差異 : 超聲波霧培 壓力噴霧培 水培 。表 2 不同處理生菜生長(zhǎng)指標(biāo)比較處理株高/cm莖粗/cm植株干重/g葉片數(shù)根干重/g超聲波霧培 23 a 08 a 18 a 12 a 031 a壓力噴霧培 23 a 08 a 19 a 11 a 034 a水培 21 a 08 a 15 a 8 b 026 b注 : 同列的不同小寫字母代表 P 005 水平顯著性檢驗(yàn) 。下同 。表 3 不同處理生菜生理指標(biāo)比較處理葉綠素 a/( mg/g)葉綠素 b/( mg/g)可溶性糖含量 /%根系活力/ g/( gh) 超聲波霧培 048 c 022 a 045 a 3013 a壓力噴霧培 055 b 024 a 046 a 2848 b水培 068 a 025 a 046 a 1468 c4 結(jié)論與討論經(jīng)過生菜栽培試驗(yàn)表明 ， 超聲波霧化栽培裝置運(yùn)行效果良好 ， 較水培可以顯著降低用液量 ， 節(jié)省用水 70%。同時(shí) ， 在冬季生產(chǎn)時(shí) ， 可提高根際環(huán)境溫度 4 7 ， 并延長(zhǎng)霧滴在空氣中的停留時(shí)間 。但是在超聲波霧化量和霧化時(shí)間方面仍處在探索階段 ， 還需要在今后的工作中做精確化的研究 。兩種霧培較水培顯著提高了葉片數(shù) ， 并提高植物干重 20%， 說明霧培更有利于生菜的生長(zhǎng) ， 這與霧培顯著提高了生菜的根干重和根系活力有直接關(guān)系 。由于植物根系是活躍的吸收器官和合成器官 ， 根的生長(zhǎng)情況和活力水平直接影響植株產(chǎn)量水平 12， 通過霧培模式 ， 可以有效提高根系干重和根系活力 ， 這有利于進(jìn)一步提高植株的產(chǎn)量 ， 而在超聲波霧培下生菜的根系活力顯著高于壓力噴霧培 。參考文獻(xiàn) : 1 郭世榮 無土栽培學(xué) M 北京 : 中國農(nóng)業(yè)出版社 ， 2003: 259263 2 徐偉忠 ， 王利炳 ， 詹喜法 ， 等 一種新型栽培模式 : 氣霧培的研究 J 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) ， 2006( 7) : 30 34 3 王玲 ， 劉廣晶 ， 孫周平 霧培對(duì)黃瓜植株生長(zhǎng) 、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) ， 2009( 1) : 174 177 4 張靜嫻 ， 林天明 ， 林水明 氣培植物的方法和發(fā)展前景 J 福建農(nóng)業(yè)科技 ， 1991( 4) : 35 36 5 安娜 ， 須輝 ， 孫周平 ， 等 霧培番茄不同營(yíng)養(yǎng)液配方的生產(chǎn)效果比較 J 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2006， 37( 3) : 495 497 6 施智雄 ， 董加強(qiáng) ， 陳曉萍 超聲波霧培裝置的設(shè)計(jì)與使用 J 西南園藝 ， 2006， 34( 1) : 16 19 7 張敬濤 ， 王成 ， 王謙玉 ， 等 不同栽培模式對(duì)大豆產(chǎn)量及生長(zhǎng)發(fā)育的影響 J 中國農(nóng)學(xué)通報(bào) ， 2002， 18( 5) : 8 10 8 李功義 ， 梁杰 汽霧法生產(chǎn)馬鈴薯微型薯技術(shù)的研究 J 吉林農(nóng)業(yè)科學(xué) ， 2007， 32( 3) : 21 22 9 何慶學(xué) ， 王季春 ， 康道彬 ， 等 提高霧化栽培馬鈴薯結(jié)薯能力的初步研究 J 中國馬鈴薯 ， 2003， 17( 2) : 70 73 10 尚有軍 ， 趙明 ， 閻建河 ， 等 超聲波霧化技術(shù)在作物根系培養(yǎng)中的應(yīng)用 J 作物雜志 ， 1998( 6) : 3 4 11 李合生 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù) M 北京 : 高等教育出版社 ， 2000: 119 194 12 曾凡清 氣霧栽培及其在桃樹上的應(yīng)用試驗(yàn) J 落葉果樹 ，2006， 34( 5) :櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗櫗9 11( 上接第 22 頁 )在 8 周內(nèi)蕎麥 ( Fagopyrum esculentum L ) 開花率達(dá)到100% 10。有報(bào)道認(rèn)為 ， 植株花芽分化與培養(yǎng)基內(nèi)的碳氮比有關(guān) ， 當(dāng)碳氮比高時(shí) ， 植株便能正常開花 ， 而當(dāng)碳氮比較低時(shí) ， 植株不能順利開花 11?？兹覆菰嚬芘囵B(yǎng)中添加高濃度蔗糖 ， 提高了植株體內(nèi)的碳氮比 ， 從而植株能和在自然界一樣正常開花 。此外 ， 蔗糖濃度還可以調(diào)節(jié)試管花的狀態(tài) ， 在本研究中高濃度蔗糖培養(yǎng)基使花朵重瓣性保持良好 ， 花色艷麗 ， 單朵花期和對(duì)照組比延長(zhǎng) 11d， 因此試管花卉中應(yīng)用蔗糖調(diào)整株型和花期效果好 。致謝 : 感謝華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院何燕紅老師提供孔雀草試驗(yàn)種子 。參考文獻(xiàn) : 1 陳永寧 未來植物開花研究之管見 J 植物生理學(xué)通訊 ，1995， 31( 5) : 375 384 2 黃淺 ， 賴鐘雄 ， 欒愛業(yè)等 試管花卉的生產(chǎn)與應(yīng)用 J 亞熱帶農(nóng)業(yè)研究 ， 2007( 4) : 300 304 3 劉義存 ， 周俊輝 ， 白志川 試管開花的研究評(píng)述 J 西南園藝 ，2006， 34( 9) : 20 22 4 葉煒 ， 周輝明 ， 羅慶國 ， 等 試管花卉 “天使花房 “組織培養(yǎng)技術(shù)初探 J 三明農(nóng)業(yè)科技 ， 2007， 109( 3) : 16 17 5 齊迎春 ， 寧國貴 ， 包滿珠 應(yīng)用 ISSR 分子標(biāo)記和表型性狀評(píng)價(jià)孔雀草自交系的遺傳關(guān)系 J 中國農(nóng)業(yè)科學(xué) ， 2007， 40( 6) :1236 1241 6 齊迎春 ， 葉要妹 ， 劉國峰 ， 等 不同基因型孔雀草高效植株再生體系的建立 J 中國農(nóng)業(yè)科學(xué) ， 2005， 38( 7) : 1414 1417 7 熊曉山 ， 張信忠 ， 常先志 多效唑和 B9 對(duì)幼齡桃樹生長(zhǎng)著果的影響 J 西南園藝 ， 2000， 28 ( 2) : 14 8 鄭成淑 ， 石鐵源 ， 全雪麗 ， 等 B9 對(duì)菊花生長(zhǎng)與開花的影響 J 延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào) ， 22( 1) : 38 40， 47 9 弓德強(qiáng) ， 鄭鵬 ， 任小林 ， 等 B9 對(duì)牡丹生長(zhǎng)及開花的影響 J 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) ， 2003， 12( 1) : 81 83 10 Yongsak Kachonpadungkitti， Supot Romchatngoen， Koji Hasega-wa， et al Efficient flower induction from cultured buckwheat( Fagopyrum esculentum L ) node segments in vitro J PlantGrowth Regulation， 2001， 35: 37 45 11 溫云飛 ， 魯潤(rùn)龍 ， 謝子立 霍山石斛的快速繁殖和花芽誘導(dǎo) J 植物生理學(xué)通訊 ， 1999( 4) : 54 56521 期 聞婧等 : 超聲波霧化栽培裝置的研制和應(yīng)用效果