专利：一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法.pdf

19 中华 人民共和国 国家知识产权局 12 发明 专利申请 10 申请公布号 43 申请公布日 21 申请 号 202011627350 2 22 申请日 2020 12 31 71 申请人 北京农业智能装备技 术研究中心 地址 100097 北京市海淀区曙光 花园中路 11号农科 大厦A座1 107 72 发明人 王利春 弓瑶 李友丽 郭文 忠 魏晓明 徐凡 74 专利代理 机构 北京路浩知识产权代理有限 公司 1 1002 代理人 盛大文 51 Int Cl G01N 33 00 2006 01 54 发明名称 一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方 法 57 摘要 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 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 112816621 A 2021 05 18 CN 112816621 A 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 2 根据权利要求1所述的水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法 其特征在于 步骤3 中 作物的营养液消耗 量 NSC如下式 NSC ET rKc 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 3 根据权利要求2所述的水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法 其特征在于 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 为干湿表常数 e s为饱和水汽压 ea为实际水汽压 R n为辐射 T mean为日平均气温 4 根据权利要求2所述的水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法 其特征在于 步骤3 中 作物系数 Kc如下式 Kc al nLAI b 3 其中 LAI 为作物的叶面积指数 a b为常数 优选通过参数优化拟合的方法确定 5 根据权利要求1所述的水培蔬菜生产 营养液钾浓度的测定方法 其特征在于 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 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 6 根据权利要求5所述的水培蔬菜生产 营养液钾浓度的测定方法 其特征在于 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 7 根据权利要求1所述的水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法 其特征在于 步骤4 中 t时刻栽培系统中营养液的体积V t如下式 Vt V 0 Va1 Va2 Vat 1 NSC1 NSC2 NSCt 1 6 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 Va2 Vat 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 8 根据权利要求1所述的水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法 其特征在于 步骤4 权 利 要 求 书 1 2 页 2 CN 112816621 A 中 t 时刻作物钾吸收总量UK t 1如下式 UK t UK 1 UK2 UKt 1 1CK1NSC1 2CK2NSC2 t 1CKt 1NSCt 1 7 其中 UK 1 UK 2 UKt 1为1 2 t 1时刻作物钾吸收总量 1 2 t 1为1 2 t 1时刻作物 钾吸 收因子 CK 1 CK 2 CKt 1为1 2 t 1时刻营养液栽培系统中钾离 子浓度 9 根据权利要求1所述的水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法 其特征在于 步骤4 中 t时刻作物钾吸 收因子 t如下式 其中 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 CKt 1为t 1时刻营养液栽培系统中营养液钾离 子浓度 10 根据权利要求1所述的水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方法 其特征在于 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 CKat 1为1 2 t 1时刻向栽培系统中添 加的营养液钾浓度 V 0为蔬菜定植前新配制营养液的体积 V a1 V a2 Vat 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 UKt 1为1 2 3 t 1时刻作物钾吸收 量 权 利 要 求 书 2 2 页 3 CN 112816621 A 一种水培蔬菜生产营养液钾浓度的测定方 法 技术领域 0001 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 0002 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 0003 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 0004 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 0005 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 0006 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 0007 1 获取温室内的气象信息 0008 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 0009 3 对作物的营养液消耗 量进行估算 说 明 书 1 5 页 4 CN 112816621 A 0010 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 0011 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 0012 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 0013 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 0014 NSC ET rKc 1 0015 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 0016 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 0017 0018 其中 为饱和水汽压的斜率 G为栽培介质热通量 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 0019 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 Kc如下式 0020 Kc al nLAI b 3 0021 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 0022 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 0023 LAI LAI0 m GTD n 4 0024 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 0025 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 0026 0027 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 0028 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 0029 Vt V 0 Va1 Va2 Vat 1 NSC1 NSC2 NSCt 1 6 说 明 书 2 5 页 5 CN 112816621 A 0030 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 Va1 V a2 Vat 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 0031 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 0032 UKt UK 1 UK2 UKt 1 1CK1NSC1 2CK2NSC2 t 1CKt 1NSCt 1 7 0033 其中 UK 1 UK 2 UKt 1为1 2 t 1时刻作物钾吸收总量 1 2 t 1为1 2 t 1时 刻作物钾吸 收因子 CK 1 CK 2 CKt 1为1 2 t 1时刻营养液栽培系统中钾离 子浓度 0034 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 t如下式 0035 0036 其中 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 0037 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 0038 0039 其中 CK 0为营养液钾 离子初始浓度 K a1 K a2 Kat 1为1 2 t 1时刻向栽培系统中 添加的营养液钾浓度 V 0为蔬菜定植前新配制营养液的体积 V a1 V a2 Vat 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 UKt 1为1 2 3 t 1时刻作物钾吸收 量 0040 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 0041 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 0042 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 说 明 书 3 5 页 6 CN 112816621 A 0043 图1为本发明实施例水培生菜的耗水量动态 0044 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 0045 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 0046 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 0047 实施例1 0048 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 0049 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 0050 2 记录蔬菜定植前新配制营养液的体积V 0 100L和营养液钾浓度K 0 122cm g 1 0051 3 计算作物的营养液消耗 量 NSC 如图1所示 0052 NSC ET rKc 1 0053 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 0054 0055 Kc al nLAI b 3 0056 式中 为饱和水汽压的斜率 G为栽培介质热通量 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 0057 LAI LAI0 m GTD n 4 0058 式中 m n为待优化参数 0 39 n 0 45 LAI 0为移栽定植生菜的初始叶面积指 数 直接测定为0 32 图 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 0059 0060 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 0061 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 Vat以及添加营养液钾浓度K a1 K a2 K a3 Kat 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 0062 Vt V 0 Va1 Va2 Vat 1 NSC1 NSC2 NSCt 1 6 UKt UK 1 UK2 UKt 1 说 明 书 4 5 页 7 CN 112816621 A 1CK1NSC1 2CK2NSC2 t 1CKt 1NSCt 1 7 0063 式中 UK 1 UK 2 UK 3 UKt为1 2 3 t时刻作物钾吸收总量 1 2 3 t为1 2 3 t 时刻作物钾吸 收因子 t用下式表示 0064 0065 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 0066 5 t时刻营养液的钾浓度K t为 0067 0068 其中 CK 0为营养液钾离子初始浓度 CK a1 CK a2 CKat 1为1 2 t 1时刻向栽培系统 中添加的营养液钾浓度 V 0为蔬菜定植前新配制营养液的体积 V a1 V a2 Vat 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 UKt 1为1 2 3 t 1时刻作物钾吸 收量 0069 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 0070 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 0071 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 0072 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 说 明 书 5 5 页 8 CN 112816621 A 图1 图2 说 明 书 附 图 1 2 页 9 CN 112816621 A 图3 说 明 书 附 图 2 2 页 10 CN 112816621 A