氣霧培是當前的一種新栽培技術。下面這篇文章主要為全面深入研究氣霧培環(huán)境下植物的優(yōu)質、高效生產技術及進一步完善氣霧培生產技術體系，推動氣霧培技術的廣泛應用創(chuàng)造條件。

1 氣霧培生產系統(tǒng)組成及工作過程

氣霧培整個生產系統(tǒng)由貯液池、供液與回液系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、栽培床等組成。其工作原理如圖1所示。其中，供液系統(tǒng)包括穩(wěn)壓恒壓泵、吸管、過濾器、主干管路、區(qū)域主干管路、電磁閥、支管路、區(qū)域主干管路手動控制閥、栽培床手動控制閥、分管路和霧化噴頭；回液系統(tǒng)包括回流管路、過濾網；控制系統(tǒng)包括貯液池內的板式加熱板、液體溫度傳感器、液位傳感器、主干管路壓力表、營養(yǎng)液EC傳感器、濕度傳感器、PLC控制器和液晶顯示器等。

工作過程包括營養(yǎng)液供給過程、營養(yǎng)液回流過程和控制過程。

1）營養(yǎng)液供給過程。穩(wěn)壓恒壓泵通過吸管將貯液池內的營養(yǎng)液吸入主干管路中，經過濾器過濾，主干管路壓力表監(jiān)控，送入區(qū)域主干管路，隨后依次經過每個區(qū)域的支管路、分管路，進入霧化管路，之后由倒懸在栽培床內部的霧化噴頭將營養(yǎng)液霧化至植物根系。

圖1 氣霧培生產系統(tǒng)工作原理示意圖

Fig.1 Working principle of Aerosol-Culture Production System

（1：穩(wěn)壓恒壓泵，2：過濾器，3：主干管路壓力表，4：PLC控制器，5：主干管路，6：液晶顯示器，7：電磁閥，8：支管路，9：區(qū)域主干管路手動控制閥，10：栽培床手動控制閥，11：分管路，12：栽培床，13：霧化噴頭，14：濕度傳感器，15：回流管路，16：區(qū)域主干管路，17：過濾池，18：過濾網，19：貯液池，20：營養(yǎng)液，21：板式加熱器，22：液體溫度傳感器，23：營養(yǎng)液EC傳感器，24：吸管，25：液位傳感器）

2）營養(yǎng)液回流過程。未被吸收的營養(yǎng)液順著根系滴落至栽培床底后，流經支回流管路、主回流管路，最后經安裝在過濾池內的過濾網后流入貯液池內。

3）控制過程?？刂七^程包括：貯液池內營養(yǎng)液EC值監(jiān)控；貯液池內營養(yǎng)液溫度監(jiān)控；貯液池水位監(jiān)控；水泵電機定時控制；主干管路供液壓力監(jiān)控；區(qū)域主干管路電磁閥的準確切換控制；栽培床內溫濕度監(jiān)控?？刂七^程涵蓋氣霧培生產全過程，同時監(jiān)控采集數據，使生產環(huán)境處于正常范圍，在出現(xiàn)異常情況時，立刻采取應對措施。

生產系統(tǒng)在日光溫室內的分布（溫室鋼架結構、覆蓋材料、準備間等已省略）如圖2。

圖2 日光溫室氣霧培生產系統(tǒng)

2 氣霧培生產系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計要求

根據植物對生長環(huán)境的需求，設計要求：系統(tǒng)霧化霧滴達到水霧（霧滴直徑0.15-0.5 mm）狀態(tài)；回流管路營養(yǎng)液回流時間≤30 min；霧化量可以調整同時達到滿足植物生長及環(huán)境濕度要求的較佳范圍；營養(yǎng)液溫度穩(wěn)定在植物根系生長的較佳范圍；氣霧栽培床布置達到植物對光照的需求；栽培床每個位置都可以均勻采光；各種工作參數可以合理監(jiān)測調控。

2.2 控制系統(tǒng)

生產系統(tǒng)控制（圖3）功能主要包括：

1）貯液池內營養(yǎng)液EC值監(jiān)控。當應用一種營養(yǎng)液時，通過實驗測得營養(yǎng)液EC值與母液量的線性回歸直線，并在液晶顯示器中設定。當營養(yǎng)液EC值低于設定值時，控制系統(tǒng)報警提示，并在液晶顯示器上自動顯示補充營養(yǎng)液中母液與水量。

2）貯液池內營養(yǎng)液溫度監(jiān)控。設定適宜于植物生長的營養(yǎng)液溫度環(huán)境范圍，液體溫度傳感器監(jiān)測營養(yǎng)液溫度低于設定值時，板式加熱器的繼電器控制電源導通，開始緩慢加熱，當達到設定值時，停止加熱，循環(huán)運行。為了使監(jiān)測準確，采用多個液體溫度傳感器，通過對比監(jiān)測值確定監(jiān)測結果的準確性，如果出現(xiàn)監(jiān)測溫度、溫差不在設定范圍內，控制系統(tǒng)立刻停止供液，防止溫度傳感器故障導致營養(yǎng)液溫度過高或過低對植物造成的損害。

圖3 控制系統(tǒng)

3）貯液池液位監(jiān)控。通過兩個液位傳感器監(jiān)測貯液池液位，當貯液池的營養(yǎng)液沒有及時供給，次低液位的液位傳感器露出液面，控制系統(tǒng)報警提示；最低液位的液位傳感器露出液面，控制水泵電機停止工作，并報警提示補充營養(yǎng)液。

4）水泵電機定時控制。根據種植作物不同，通過液晶觸摸顯示屏設置控制電機工作的時間及持續(xù)的時間。由于氣霧栽培環(huán)境不需要持續(xù)供液，每個區(qū)域水泵持續(xù)工作15 s，間隔28 min，8個區(qū)域輪流連續(xù)供液進行設計。

5）主干管路供液壓力監(jiān)控。通過壓力傳感器實時監(jiān)測，檢測值在液晶顯示器顯示，當主干管路供液壓力異常，由控制系統(tǒng)控制切斷穩(wěn)壓恒壓泵電源，并報警提示。

6）區(qū)域主干管路電磁閥的準確切換。采用控制電磁閥循環(huán)導通控制依次輪流向各區(qū)域主干管路供給營養(yǎng)液。電磁閥通斷時間信息均在液晶顯示器顯示。每次供液只能有一個電磁閥工作，當因電磁閥的故障導致供液管路壓力異常時，通過壓力傳感器的監(jiān)測值及時調整切斷電源，并報警提示，保護設備及管路。系統(tǒng)設定每區(qū)依次供液15 s，即每個電磁閥開斷間隔15 s，從第一個區(qū)域供液到第八個區(qū)域供液共持續(xù)2 min，然后控制水泵電機停止工作28 min后，仍然從第一區(qū)域開始供液，循環(huán)運行。

7）栽培床內溫濕度監(jiān)控。在8個供液區(qū)域的每個區(qū)域里離主干管路供液距離最遠的栽培床內均設置一個溫濕度傳感器，通過液晶觸摸顯示器實時顯示溫濕度，并設定濕度極限值，監(jiān)測栽培床溫濕度變化規(guī)律，當一個區(qū)域的濕度低于極限值時，控制水泵電機向該區(qū)域供液；當栽培床內溫度異常，調控加熱板工作參數。

2.3 貯液池

貯液池主要是貯存植物生長所需營養(yǎng)液，位于整個供液區(qū)域的中間位置。本設計共分8個區(qū)域，每區(qū)域每天共需供液480 L，每天營養(yǎng)液輸出量為3.84 m3，以營養(yǎng)液4-5日補充一次設計，貯液池實際貯液容量設計為17.5 m3。長方體蓄水池尺寸（長×寬×高）7×1.5×2.1 m3，池底位于地下1.8 m。采用經防滲透處理的磚砌混凝土結構。貯液池內液位至少低于回流管路20 mm，貯液池的營養(yǎng)液液位低于地面130 mm。在貯液池旁設置過濾池，尺寸0.3×0.3×0.42 m3，池內鋪設可以拆裝更換的網狀過濾器，過濾精度80 μm。在貯液池底部放置鑄鋁板式加熱器（1000×500×30 mm3），功率5 kW，保持溫度20-25 ℃，超過25 ℃，停止加熱，通過營養(yǎng)液自身的熱傳遞、對流降低溫度。

將兩個水位傳感器分別倒懸在貯液池池壁設定的最低液位、次最低液位，通過提升或降低液位傳感器來調整貯液池內提示報警的液位。在穩(wěn)壓恒壓泵的吸管末端與最低液位傳感器垂直距離之間，距離吸管1 m位置的池壁上設定營養(yǎng)液EC傳感器，由控制系統(tǒng)控制。

2.4 供液系統(tǒng)

2.4.1 配套動力 本系統(tǒng)選用三相電動變頻穩(wěn)壓恒壓泵為配套動力，工作壓力350-450 kPa，其工作時間由控制系統(tǒng)控制。每個區(qū)域每天供液12 min，每區(qū)每次供液10 L，動力系統(tǒng)每次工作需供液80 L，供液速度為2 400 L/h，每天動力系統(tǒng)工作時間約1.6 h，共需工作48次。

2.4.2 營養(yǎng)液供給管路 營養(yǎng)液供給管路主要完成營養(yǎng)液的供給，由主干管路、區(qū)域主干管路、支管路、分管路組成（圖4）。除與穩(wěn)壓恒壓泵連接及過濾器過濾處理外，主干管路供液主體均埋設于靠近溫室保溫墻一側地下80 mm處，走向沿溫室長度方向，主干管路采用φ40 mm PVC管，將營養(yǎng)液輸送至8個供液區(qū)域。本設計整個管路中，每一區(qū)域的區(qū)域主干管路、支管路的分布形式、布置、數量均相同。區(qū)域主干管路每個區(qū)域設置一條，垂直于溫室長度方向平面分布，將營養(yǎng)液由地下的主管路引入栽培床上側分布的支管路中，區(qū)域主干管路采用φ40 mm PVC管。為了避免栽培床上方供液管路過多，影響采光，每區(qū)域支管路沿溫室長度方向呈主干樹狀形式5排平行分布。支管路每排間距為1.6 m，每排分布8個分管路，間距為1.5 m。

在支管路通向每個栽培床的分管路上，設置手動控制閥。所有支管路均由吊線懸掛在日光溫室桁架或橫桿上。每個區(qū)域均采用φ25 mm PVC管。距離穩(wěn)壓恒壓泵1 m處，采用單體疊片過濾器，過濾精度60 μm，進行營養(yǎng)液過濾。區(qū)域主干管路手動控制閥設置在區(qū)域主干管豎直走向的1.5 m的位置，接通或切斷主干管路對某區(qū)域的供液。與區(qū)域主干管路手動控制閥并聯(lián)一手動控制閥，防止電磁閥故障。

圖4 營養(yǎng)液供給管路

（I. 第1-3供液區(qū)域；II. 第4供液區(qū)域；III. 第5供液區(qū)域；IV. 第6-8供液區(qū)域。1：霧化管路及噴頭，2：分管路，3：栽培床手動控制閥，4：支管路，5：區(qū)域主干管路，6：區(qū)域主干管路手動控制閥，7：電磁閥，8：穩(wěn)壓恒壓泵，9：主干管路）

2.4.3 營養(yǎng)液霧化管路及噴頭 每個供液分管路末端通過Y型四通接口連接3個十字四頭微噴頭（帶防滴器）。每個栽培床內垂直方向上分布的微噴頭間隔0.53 m，距離栽培床上下底面0.27 m。選擇微噴頭霧化直徑0.8-1.2 m，流量20 L/h，霧化壓力300±20 kPa。

2.5 栽培床

栽培床是植物的垂直種植載體，其內部是植物根系吸收營養(yǎng)液的空間。將日光溫室內貯液池兩側的320座栽培床劃分為8個供液區(qū)域（每個區(qū)域5排，每排8座栽培床，共40座栽培床），每側4個區(qū)域。栽培床相鄰兩排交錯分布，每排的每個栽培床均分布在其相鄰一排距離該栽培床最近距離的兩個栽培床水平方向中心連線的垂直平分線上（圖5）。

栽培床整體呈六棱柱狀（圖5），正六邊形邊長35 cm，高度1.6 m，垂直種植面積為3.36 m2，占地面積0.32 m2。

栽培床包括側面栽培板、上支撐定位蓋、營養(yǎng)液匯集板、下承重定位盤、萬向輪等。栽培床種植區(qū)域主要由6塊側面栽培板通過牙式嚙合構成（圖5）。栽培板為16 mm厚泡沫材料，其上的穴孔φ30-50 mm，均勻分布，與海綿一起固定植物根莖。

圖5 栽培床結構

（1：支管路，2：分管路，3：栽培床手動控制閥，4：上支撐定位蓋，5：栽培板，6：霧化噴頭，7： 營養(yǎng)液匯集板，8：下承重定位盤，9：萬向旋轉輪，10：支回流管路，11： 回流管路的地上接口，12：土壤，13：栽培床固定板）

上支撐定位蓋為輕質塑料材質，中心開φ50 mm孔。下承重定位盤為輕質塑料材質，中央向下為一體管孔，其內徑與回流管路的地上接口管孔部分外徑相等，實現(xiàn)整個栽培床中心定位。下方距中心14 cm處的圓周上布置6個萬向旋轉輪，實現(xiàn)栽培床繞回流管路的地上接口管孔原地旋轉，便于作物栽培、管理、收獲和各個方向作物的均勻采光。

栽培床上方由上支撐定位蓋限位，下方通過下承重定位盤支撐定位，防止側面栽培板分開，形成栽培床支撐狀態(tài)。

營養(yǎng)液匯集板為發(fā)泡材料，四周高，中間比較低，在中間位置設置排液管孔口，管孔外徑小于回流管路的地上接口管孔內徑，可以直接伸入其接口內，使匯集后的營養(yǎng)液通過排液管孔口直接進入回流支管內。營養(yǎng)液匯集板放在下承重定位盤內，邊緣上放置側面栽培板。

栽培床固定板為高強度纖維水泥混凝土材質，φ750 mm，厚40 mm，呈圓板狀，中間開孔直徑略大于回流管路的地上接口管孔外徑，誤差小于2 mm，放在地面上?；亓鞴苈返牡厣辖涌谕ㄟ^栽培床固定板的中央圓孔與栽培床下承重定位盤中央管孔配合。

栽培床間距、高度以當地冬至日正午太陽高度角來設計參考。

式中：s為栽培床排距（m）；H為栽培床高度（m）；α為當地冬至日正午太陽高度角（o）；r為栽培床橫截面外接圓半徑（m）；k為校正系數，k∈[1, 2]。

式中：n為每排栽培床數量（個）；W為日光溫室長度（m）；b為常數，b∈[0.7, 1.2]。

式中：p—氣霧培土地利用率。

本設計中，以山東艾維有限公司農場為例（東經121°37'9.87"，北緯37°14'56.16"），冬至日正午太陽高度角29.33°，k=1.25，日光溫室沿溫室長度方向相鄰栽培床間距1.5 m，垂直溫室長度方向相鄰栽培床間距1.6 m，可利用面積約占91%，高度在2.2 m以下的面積約占可利用面積的15%，該面積可進行土壤種植，其他非種植平面約為可利用面積的5%，栽培床可以旋轉，可以增加地面種植面積占可利用面積40%以上，垂直種植面積氣霧培系統(tǒng)種植面積為1 075 m2，土壤種植面積為400 m2。

2.6 營養(yǎng)液回流管路

營養(yǎng)液回流管路（圖6）收集每個栽培床內多余營養(yǎng)液經支回流管路、主回流管路經過濾重新流入貯液池，完成營養(yǎng)液的匯集再利用。主回流管路、支回流管路除接口之外的主體部分均分布在地面以下100 mm處，均采用φ90 mm PVC管，每一管路分段連接，與水平面成0.5o-1o，不需要額外提供動力，依靠重力流入貯液池。

圖6 營養(yǎng)液回流管路

（1：支回流管路，2：回流管路的地上接口，3：主回流管路，4：貯液池，5：出液口）

3 性能試驗分析

3.1 試驗環(huán)境

本試驗于2016年11月6日在山東艾維農業(yè)科技有限公司實驗（煙臺市牟平區(qū)）進行。溫室外部溫度為8-12 ℃，日光溫室內溫度20-21 ℃，貯液池內營養(yǎng)液初始溫度13 ℃，氣霧栽培床內溫度19℃。

3.2 測試方法

本試驗以系統(tǒng)正常工作狀態(tài)進行試驗，將壓力變送器連接在每個區(qū)域最末端供給管路的分管路末端，貯液池內營養(yǎng)液控制溫度設定為22 ℃，20 min 后，系統(tǒng)開始按照實際生產過程運行8 h，即16個循環(huán)，測定供液管路每個區(qū)域最末端栽培床供液壓力、最末端栽培床內溫度和濕度、回流管路營養(yǎng)液回流時間。供液管路每個區(qū)域最末端供給管路壓力，即每個區(qū)域離主干管路最遠的支管路最末端的分管路內的壓力，每一個循環(huán)，每個區(qū)域每1 s采集一次壓力值，去除前2個值，將后13個采集值平均，將運行時間內的16個循環(huán)的每個區(qū)域的壓力平均值，即得每一循環(huán)每個區(qū)域最末端供給管路壓力。最末端栽培床內的溫度與濕度均在每個循環(huán)每個區(qū)域供液結束時測定?；亓鞴苈穬葼I養(yǎng)液回流時間，從每一循環(huán)供液開始計時，當回流管路出液口的回流營養(yǎng)液開始斷流計時止。

3.3 測試指標與測試儀器

測試指標：供液管路每個區(qū)域最末端栽培床供液壓力、最末端栽培床內溫度、濕度、回流管路營養(yǎng)液回流時間。

試驗測試儀器：MIK-P300壓力變送器、RC-4HA溫濕度記錄儀、JM-806機械秒表、DTM-280型數顯溫度計。

3.4 測試結果及分析

試驗結果表明，各區(qū)域管路終端壓力穩(wěn)定，管路終端壓力變化范圍在3%以內；各區(qū)終端栽培床內溫度差異最大1.2 ℃，與貯液池內營養(yǎng)液溫度差異1.7 ℃，均小于2 ℃（圖7）；各區(qū)終端栽培床內濕度小于1%；回流管回流時間小于30 min，可以通過時間保證貯液池內的營養(yǎng)液在下一循環(huán)供液時處于最大儲量。該系統(tǒng)控制準確，管路無滲漏，工作性能穩(wěn)定，試驗測試指標合格，能夠滿足實際生產需要。

4 總結

本文以植物莖葉光照、植物根系環(huán)境溫度、濕度等主要影響植物生產的環(huán)境因素為中心，確定氣霧培生產系統(tǒng)優(yōu)化氣霧培生產系統(tǒng)結構組成、形式及工作、尺寸、布局參數，確定PLC控制結構及參數，設計了適用于實際生產要求的日光溫室氣霧培生產系統(tǒng)，整個系統(tǒng)根據不同植物生長的環(huán)境指標由控制系統(tǒng)根據設定值自動調控、監(jiān)測，可以精準的模擬每天不同時段及生長周期的不同階段的理想生長環(huán)境，提高生產系統(tǒng)的自動化、智能化程度，系統(tǒng)運行原理簡單、系統(tǒng)運行效果穩(wěn)定，進一步優(yōu)化植物生長環(huán)境。

圖7 試驗結果

本生產系統(tǒng)有效解決了目前氣霧培生產中植物根系環(huán)境濕度無法控制、溫度基本依靠溫室，植物莖葉光照條件考慮不科學、不全面導致不合理設計等問題，在克服了土壤栽培、水培、其他無土栽培形式無法有效、全面調控優(yōu)化植物生長環(huán)境等缺點的同時，大幅提高種植面積，優(yōu)化植物生長環(huán)境，更好輔助農業(yè)科學栽培，為促進該技術實現(xiàn)優(yōu)質、高效、高產創(chuàng)造條件，為設施農業(yè)高新技術工程的推廣應用提供借鑒。

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