超声波雾化栽培装置的研制和应用效果

江西农业学报 2012， 24 1 23 ～25Acta Agriculturae Jiangxi超声波雾化栽培装置的研制和应用效果闻 婧1， 程瑞锋2， 孟力力1， 韦金河1， 杨其长2， 张 俊1收稿日期 2011 －11 －08基金项目 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 BSRF201109 ; 国家科技支撑计划 2011BAE01B00 ; 国家自然科学基金 31000689 ;江苏省农业技术自主创新基金 CX 10 204、CX 11 2013 。作者简介 闻婧 1983─ ， 女 ， 内蒙古呼和浩特人 ， 硕士研究生 ， 主要从事设施栽培方面的研究 。 1． 江苏省农业科学院 现代农业科技展示中心 ， 江苏 南京 210014;2． 中国农业科学院 农业环境与可持续发展研究所 、农业部农业环境与气候变化开放试验室 ， 北京 100081摘 要 雾培是解决植物根系水气矛盾的一种最佳栽培模式之一 ， 为解决现有雾培方式中雾滴直径大 、冲力强和雾化均匀度低的问题 ， 该文介绍了一种新型超声波雾化栽培装置 。该装置将超声波雾化技术与植物种植系统相结合 ， 所形成的水雾在空气中飘浮时间大于 1 min， 并自然弥漫至根系各个部位 ， 使植物根系能够均匀吸收养分和水分 。此外 ， 通过生菜栽培试验表明 该装置比水培装置节省用水 70， 冬季生产时可提高植物根系环境温度 4 ～7 ℃， 并可显著提高生菜植株的根系活力 。关键词 超声波 ; 雾培 ; 栽培装置 ; 生菜中图分类号 S625．3 文献标识码 A 文章编号 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， ChinaAbstract 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 ed by the device could float around the root systemand stay for more than 1 min in the air， and make the root system unily 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 production．Key words Ultrasonic; Aeroponic culture; Cultivation device; Lettuce植物雾化栽培 Aeroponics， spray culture， mist － cul-ture 等 是指植物的根系悬挂生长在封闭 、不透光的容器内 ， 营养液经特殊设备处理后形成雾状 ， 间歇性喷到植物根系上 ， 以提供植物生长所需的水分和养分的一种无土栽培技术［ 1 －3］。雾化栽培中植物根系生长在相对湿度 100的空气中 ， 氧气得以最大化供给 ， 水 、肥通过雾化方式提供 ， 只要营养液配方正确 ， 根系将处于最佳的水 、气 、肥环境中 ， 使植物发挥出最大的生长潜能［ 4］。与常规栽培模式相比 ，雾化栽培具有节水节肥 、提高植物生长速度等优点［ 5 －7］，是速生高产 、环境友好型的植物生产模式 。目前营养液雾化多采用压力式雾化和机械高速旋转离心雾化的方式 ， 存在因雾化雾滴冲击力大导致的洗根现象 ， 以及由于雾滴体积大 ， 在空气中存留时间短 ， 不利于根系吸收的问题［ 8 －10］。此外 ， 随着植物根系越长越浓密 ， 雾化雾滴只能喷洒在外围根系 ， 很难穿透整个根系 ， 造成营养液雾滴喷洒不均匀 ， 外湿内干的现象 。本文针对上述问题 ， 利用超声波雾化具有雾滴细微 ， 可较长时间在空中飘浮和移动的特点 ， 研制超声波雾化栽培装置 ，并通过生菜栽培试验评估该装置的性能 。1 超声波雾化栽培装置的设计新型超声波雾化栽培装置由超声波雾化器 、超声波雾化栽培槽 、种植板和营养液循环系统组成 如图 1 所示 。1． 超声波雾化器 ， 2． 超声波雾化栽培床 ， 3． 种植板 ， 5． 种植孔 ，6． 矩形突起 ， 7． 水箱 ， 8． 水泵 ， 9． 回液管 ， 10． 供液管图 1 超声波雾化栽培装置结构示意图DOI10.19386/ki.jxnyxb.2012.01.0081． 1 超声波雾化器 超声波雾化器长 125 mm、宽 88mm、高 56 mm， 表面均匀分布 10 个直径为 20 mm 的圆形雾化片 ， 可将营养液均匀雾化 ， 雾化量为 3 L/h， 功率为250 W。图 2 超声波雾化器及雾化效果图1．2 超声波雾化栽培床 超声波雾化栽培床由多个宽500 mm、高 100 mm、长 500 mm 的栽培槽组合而成 ， 可以根据实际需要 ， 调整栽培床的长度 ; 底面从边缘到中间有5°的下倾角 ， 防止种植槽意外积水 ; 底部中间有宽 90mm、高 60 mm 的矩形凹槽 ， 用于放置超声波雾化器 。栽培床上盖种植板 ， 每块种植板宽 500 mm、长 500 mm， 嵌合在栽培槽上 ， 板面均匀分布有直径为 20 mm 的种植孔 ， 种植板底面中间有长 500 mm、宽 88 mm、高 50 mm 的矩形凸起 ， 可阻挡雾化器喷溅出来的水滴 。1． 超声波雾化器 ， 2． 超声波雾化栽培槽 ，3． 种植板 ， 4． 矩形凹槽 ， 5． 种植孔 ， 6． 矩形突起图 3 栽培床剖面图1．3 营养液循环系统 营养液循环系统由水箱 、水泵 、供液管和回液管组成 。栽培床每延长 500 mm， 营养液需增加 2．7 L， 因此长 2 m 的栽培床 ， 50 L 的水箱即可满足栽培床和整体循环系统的需求 。2 试验设计2．1 处理 本试验采用超声波雾培 、压力喷雾培 、水培3 种方式 ， 进行生菜栽培试验 。2．1．1 超声波雾培 采用上述超声波雾化栽培装置 ， 栽培床长 2 m， 内铺黑色塑料防水膜 ， 使用超声波雾化器两个 ， 定植生菜 24 株 ; 水箱容积 50 L， 水泵功率 45 W， 最大流量 2500 L/h; 系统供液与雾化器工作时间由定时器统一控制 ， 每隔 3 min， 工作 2 min。2．1．2 压力喷雾培 压力喷雾培装置主要由栽培箱 、雾化喷头 、供液管 、回液管 、水泵 、定时器 、压力表组成 。栽培箱为长 500 mm、宽 300 mm、高 400 mm 的保温泡沫箱 ，每个栽培箱定植 8 株 ， 共 3 个栽培箱 。雾化喷头为四头喷头 ， 每个栽培箱中设两个 ， 由供液管与水泵连接 。水泵功率 120 W， 最大流量 6000 L/h， 供液管道液压在 0． 5Pa。每个栽培床下接有回液管 ， 营养液可循环使用 ， 水箱容积 50 L。系统供液时间由定时器控制 ， 每隔 3 min， 工作 2 min。2．1．3 水培 使用长 2 m、宽 0． 5 m、高 0． 1 m 的栽培床 ， 定植 24 株 ， 设有水箱 、供液管 、回液管 、水泵和定时器 ， 水箱容积 150 L， 水泵功率 45 W， 最大流量 2500 L/h，每隔 3 min， 工作 2 min。2．2 材料与环境条件 试验地点在北京 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所楼顶智能温室 。以生菜为材料 品种 耐抽薹生菜 ， 2010 年 11 月 15 日播种于育苗盘中 ， 置于温室内育苗 ， 待幼苗 2 叶 1 心时 2010年 12 月 1 日 定植 。试验使用营养液均为 pH 6．5 ～7．0，EC 1．3 ～1． 5 mS/cm。试验期间温室白天温度 22 ～30℃， 夜间 15 ～20 ℃。2．3 数据测量 装置初运行时 ， 使用量筒测量不同装置运行所需营养液用量 。植物生长期间使用温度计测量植物根际环境温度 ， 采用 40 d 最低温度平均值和最高温度平均值代表根际环境温度变化范围 。生菜在不同栽培模式下定植 40 d 后 ， 分别测定株高 、茎粗 、叶片数 、干鲜重 、叶绿素含量 、可溶性糖含量 、根系活力等指标 。其中叶绿素含量 、可溶性糖含量 、根系活力的测定均采用比色法［ 11］。试验数据采用 3 个重复的平均值 ， 用 DPS v3．01 数据处理软件进行统计分析 ， 用 t检验进行处理间的显著性差异分析 。3 结果与分析3．1 不同装置运行情况比较 从表 1 可知 ， 在生菜栽培数量相同的情况下 ， 水培装置的需液量是雾培装置的 3倍 。超声波雾培装置较压力喷雾培和水培可以提高根际环境温度 4 ～7 ℃， 同时由于雾滴直径小 ， 在空中停留时间长 ， 更有利于植物吸收 。表 1 不同装置运行情况比较处理装置运行需液量 /L根际环境温度 /℃雾滴直径雾滴空中停留时间 /min超声波雾培 50 24 ～30 3 ～10 μmm ＞1压力喷雾培 50 17 ～26 0．1 ～1 mm ＜1水培 150 20 ～25 / /3．2 不同处理生菜形态指标比较 从表 2 可知 ， 不同处理中生菜的株高 、茎粗 、植株干重均无显著差异 ， 两种雾培生菜的叶片数和根干重均显著高于水培生菜 ， 其中超声波雾培和压力喷雾培栽培生菜的各项指标均无显著差异 。3．3 不同处理生菜生理指标比较 从表 3 可知 ， 不同处理中生菜叶绿素 b 和可溶性糖含量无显著差异 ; 叶绿素 a含量存在显著差异 水培 ＞ 压力喷雾培 ＞ 超声波雾培 ; 根42 江 西 农 业 学 报 24 卷系活力存在显著差异 超声波雾培 ＞压力喷雾培 ＞水培 。表 2 不同处理生菜生长指标比较处理株高/cm茎粗/cm植株干重/g叶片数根干重/g超声波雾培 23 a 0．8 a 1．8 a 12 a 0．31 a压力喷雾培 23 a 0．8 a 1．9 a 11 a 0．34 a水培 21 a 0．8 a 1．5 a 8 b 0．26 b注 同列的不同小写字母代表 P ＜0．05 水平显著性检验 。下同 。表 3 不同处理生菜生理指标比较处理叶绿素 a/ mg/g叶绿素 b/ mg/g可溶性糖含量 /根系活力/［ μg/ g·h ］超声波雾培 0．48 c 0．22 a 0．45 a 301．3 a压力喷雾培 0．55 b 0．24 a 0．46 a 284．8 b水培 0．68 a 0．25 a 0．46 a 146．8 c4 结论与讨论经过生菜栽培试验表明 ， 超声波雾化栽培装置运行效果良好 ， 较水培可以显著降低用液量 ， 节省用水 70。同时 ， 在冬季生产时 ， 可提高根际环境温度 4 ～7 ℃， 并延长雾滴在空气中的停留时间 。但是在超声波雾化量和雾化时间方面仍处在探索阶段 ， 还需要在今后的工作中做精确化的研究 。两种雾培较水培显著提高了叶片数 ， 并提高植物干重 20， 说明雾培更有利于生菜的生长 ， 这与雾培显著提高了生菜的根干重和根系活力有直接关系 。由于植物根系是活跃的吸收器官和合成器官 ， 根的生长情况和活力水平直接影响植株产量水平［ 12］， 通过雾培模式 ， 可以有效提高根系干重和根系活力 ， 这有利于进一步提高植株的产量 ， 而在超声波雾培下生菜的根系活力显著高于压力喷雾培 。参考文献 ［ 1］ 郭世荣 ． 无土栽培学 ［ M］ ． 北京 中国农业出版社 ， 2003 259－263．［ 2］ 徐伟忠 ， 王利炳 ， 詹喜法 ， 等 ． 一种新型栽培模式 气雾培的研究 ［ J］ ． 广东农业科学 ， 2006 7 30 －34．［ 3］ 王玲 ， 刘广晶 ， 孙周平 ． 雾培对黄瓜植株生长 、产量和品质的影响 ［ J］ ． 江苏农业科学 ， 2009 1 174 －177．［ 4］ 张静娴 ， 林天明 ， 林水明 ． 气培植物的方法和发展前景 ［ J］ ． 福建农业科技 ， 1991 4 35 －36．［ 5］ 安娜 ， 须辉 ， 孙周平 ， 等 ． 雾培番茄不同营养液配方的生产效果比较 ［ J］ ． 沈阳农业大学学报 ， 2006， 37 3 495 －497．［ 6］ 施智雄 ， 董加强 ， 陈晓萍 ． 超声波雾培装置的设计与使用 ［ J］ ．西南园艺 ， 2006， 34 1 16 －19．［ 7］ 张敬涛 ， 王成 ， 王谦玉 ， 等 ． 不同栽培模式对大豆产量及生长发育的影响 ［ J］ ． 中国农学通报 ， 2002， 18 5 8 －10．［ 8］ 李功义 ， 梁杰 ． 汽雾法生产马铃薯微型薯技术的研究 ［ J］ ． 吉林农业科学 ， 2007， 32 3 21 －22．［ 9］ 何庆学 ， 王季春 ， 康道彬 ， 等 ． 提高雾化栽培马铃薯结薯能力的初步研究 ［ J］ ． 中国马铃薯 ， 2003， 17 2 70 －73．［ 10］ 尚有军 ， 赵明 ， 阎建河 ， 等 ． 超声波雾化技术在作物根系培养中的应用 ［ J］ ． 作物杂志 ， 1998 6 3 －4．［ 11］ 李合生 ． 植物生理生化实验原理和技术 ［ M］ ． 北京 高等教育出版社 ， 2000 119 －194．［ 12］ 曾凡清 ． 气雾栽培及其在桃树上的应用试验 ［ J］ ． 落叶果树 ，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 页 在 8 周内荞麦 Fagopyrum esculentum L． 开花率达到100［ 10］。有报道认为 ， 植株花芽分化与培养基内的碳氮比有关 ， 当碳氮比高时 ， 植株便能正常开花 ， 而当碳氮比较低时 ， 植株不能顺利开花［ 11］。孔雀草试管培养中添加高浓度蔗糖 ， 提高了植株体内的碳氮比 ， 从而植株能和在自然界一样正常开花 。此外 ， 蔗糖浓度还可以调节试管花的状态 ， 在本研究中高浓度蔗糖培养基使花朵重瓣性保持良好 ， 花色艳丽 ， 单朵花期和对照组比延长 11d， 因此试管花卉中应用蔗糖调整株型和花期效果好 。致谢 感谢华中农业大学园艺林学学院何燕红老师提供孔雀草试验种子 。参考文献 ［ 1］ 陈永宁 ． 未来植物开花研究之管见 ［ J］ ． 植物生理学通讯 ，1995， 31 5 375 －384．［ 2］ 黄浅 ， 赖钟雄 ， 栾爱业等 ． 试管花卉的生产与应用 ［ J］ ． 亚热带农业研究 ， 2007 4 300 －304．［ 3］ 刘义存 ， 周俊辉 ， 白志川 ． 试管开花的研究评述 ［ J］ ． 西南园艺 ，2006， 34 9 20 －22．［ 4］ 叶炜 ， 周辉明 ， 罗庆国 ， 等 ． 试管花卉 “天使花房 “组织培养技术初探 ［ J］ ． 三明农业科技 ， 2007， 109 3 16 －17．［ 5］ 齐迎春 ， 宁国贵 ， 包满珠 ． 应用 ISSR 分子标记和表型性状评价孔雀草自交系的遗传关系 ［ J］ ． 中国农业科学 ， 2007， 40 6 1236 －1241．［ 6］ 齐迎春 ， 叶要妹 ， 刘国峰 ， 等 ． 不同基因型孔雀草高效植株再生体系的建立 ［ J］ ． 中国农业科学 ， 2005， 38 7 1414 －1417．［ 7］ 熊晓山 ， 张信忠 ， 常先志 ． 多效唑和 B9 对幼龄桃树生长着果的影响 ［ J］ ． 西南园艺 ， 2000， 28 2 14．［ 8］ 郑成淑 ， 石铁源 ， 全雪丽 ， 等 ． B9 对菊花生长与开花的影响［ J］ ． 延边大学农学学报 ， 22 1 38 －40， 47．［ 9］ 弓德强 ， 郑鹏 ， 任小林 ， 等 ． B9 对牡丹生长及开花的影响 ［ J］ ．西北农业学报 ， 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］ 温云飞 ， 鲁润龙 ， 谢子立 ． 霍山石斛的快速繁殖和花芽诱导［ J］ ． 植物生理学通讯 ， 1999 4 54 －56．521 期 闻婧等 超声波雾化栽培装置的研制和应用效果