王 謝 張建華 龐良玉 唐 甜 田俊俊 李廷平

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川成都 310027)

桑樹智能霧化栽培系統(tǒng)概述

王 謝 張建華 龐良玉 唐 甜 田俊俊 李廷平

(四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川成都 310027)

介紹了桑樹智能霧化栽培系統(tǒng)(以下簡稱霧化栽培系統(tǒng))的硬件組成、營養(yǎng)液配方、日常管理維護(hù)技術(shù)，該霧化栽培系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，如桑樹養(yǎng)分供給水平、需水與抗旱特征、重金屬耐性與抗性、專用液體肥料肥效、耐鹽性等生理生態(tài)學(xué)研究，以及其應(yīng)用成效。該霧化栽培系統(tǒng)不僅能降低科研人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還能避免水培條件下淹水脅迫和養(yǎng)分不均一對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。同時(shí)，還指出了該霧化栽培系統(tǒng)存在的不足與改進(jìn)辦法，為開展桑樹生理生態(tài)學(xué)研究提供了可借鑒的技術(shù)設(shè)備。

桑樹；無土栽培；霧化栽培；肥水管理；自動(dòng)化

桑樹根際空氣較少時(shí)，桑樹根系會(huì)出現(xiàn)呼吸障礙，影響桑根吸收養(yǎng)分，同時(shí)嫌氣性細(xì)菌活躍，產(chǎn)生有毒物質(zhì)，甚至出現(xiàn)桑根腐爛、光合產(chǎn)物減少、桑葉萎蔫黃落等現(xiàn)象[1]；因此，桑樹水培在用于桑樹生理學(xué)研究中存在一定的弊端。而霧化栽培，作為無土栽培的一種，可以較好地解決根系的水氣矛盾，能夠同時(shí)滿足植株對(duì)水分、養(yǎng)分和氧氣的需求[2]。因此，基于肥水一體化和無土栽培兩大技術(shù)的支撐，四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所研制出了一套用于科研試驗(yàn)的室內(nèi)桑樹智能霧化栽培系統(tǒng)(以下簡稱霧化栽培系統(tǒng))[3]。本文將從霧化栽培系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、營養(yǎng)液配方、管理養(yǎng)護(hù)、應(yīng)用前景和不足之處等5個(gè)方面對(duì)該霧化栽培系統(tǒng)進(jìn)行簡要的說明，以期能為其他桑樹生理學(xué)研究提供一定的硬件參考。

1 霧化栽培系統(tǒng)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和使用注意事項(xiàng)

1.1 霧化栽培系統(tǒng)特點(diǎn)

霧化栽培系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用半自動(dòng)化操作，具有自動(dòng)化控制、機(jī)械化物理操作、全局結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特征。霧化栽培系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以新型智能霧化栽培技術(shù)為核心，具有較高的密封性和穩(wěn)定性，可用于對(duì)一些較微觀或精細(xì)化的生理生態(tài)學(xué)試驗(yàn)的研究。因此，安裝和使用中需定時(shí)或不定時(shí)地進(jìn)行一系列嚴(yán)密的調(diào)試和檢查工作。

對(duì)于科研人員而言，該霧化栽培系統(tǒng)可明顯降低桑樹生理生態(tài)學(xué)試驗(yàn)的工作強(qiáng)度，明顯增加對(duì)試驗(yàn)環(huán)境因子的可控性。對(duì)于開展遺傳學(xué)水平的桑樹生理學(xué)特征研究具有重要意義。

1.2 霧化栽培系統(tǒng)的硬件組成

從桑樹霧化栽培系統(tǒng)示意圖(圖1)可以看出，該霧化栽培系統(tǒng)由首部、管網(wǎng)和培養(yǎng)箱3個(gè)部分組成。第一部分，首部由供水系統(tǒng)、營養(yǎng)桶、水泵、供電系統(tǒng)、時(shí)控開關(guān)、供肥系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)構(gòu)成。其中，供水系統(tǒng)、供電系統(tǒng)主要提供基本的能源保障；供肥系統(tǒng)主要用于添加配方營養(yǎng)液體；營養(yǎng)桶主要用于貯藏和收集營養(yǎng)液；水泵是首部的心臟，是增壓霧化的關(guān)鍵；時(shí)控開關(guān)的功能是按照設(shè)定參數(shù)自動(dòng)控制霧化栽培系統(tǒng)運(yùn)行與否；過濾系統(tǒng)主要用于過濾各種可能堵塞噴頭的雜質(zhì)；監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)控營養(yǎng)桶中營養(yǎng)液質(zhì)量的變化。第二部分，管網(wǎng)主要起輸送營養(yǎng)液到特定位置的作用。鑒于管網(wǎng)要求的管材應(yīng)具有長期蠕變性能和常溫下不溶于任何已知溶劑的特性，管網(wǎng)推薦使用三型聚丙烯材質(zhì)的管材(polypropylene random，PPR管)。管網(wǎng)的進(jìn)水管，推薦參數(shù)為壁厚2.3 mm、外徑25.0 mm。第三部分，培養(yǎng)箱由霧化栽培箱箱體、霧化噴頭、桑樹固定支架和回水系統(tǒng)組成。其中，霧化栽培箱箱體主要是為桑樹根系的生長提供空間；霧化噴頭主要用于霧化營養(yǎng)液；桑樹固定支架不僅可以讓苗木保持直立，讓根系垂直懸空，還可以阻擋霧化水的蒸騰耗散，讓霧化營養(yǎng)液重新液化；回水系統(tǒng)主要起引導(dǎo)重新液化的營養(yǎng)液回流入營養(yǎng)桶的作用，安裝回水系統(tǒng)時(shí)回水管需要適度傾斜，傾斜角度不低于5°?；厮到y(tǒng)的管材依然推薦使用PPR管，推薦參數(shù)為壁厚3.7 mm、外徑40.0 mm。

1.供水系統(tǒng)，2.管網(wǎng)，3.營養(yǎng)桶，4.水泵，5.供電系統(tǒng)，6.時(shí)控開關(guān)，7.供肥系統(tǒng)，8.監(jiān)控系統(tǒng)，9.過濾系統(tǒng)，10.霧化栽培箱箱體，11.霧化噴頭，12.桑樹固定支架，13.回水系統(tǒng)。圖1 桑樹霧化栽培系統(tǒng)示意圖

1.3 霧化栽培系統(tǒng)桑樹營養(yǎng)液配方

四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所提出了一種普適性的霧化栽培系統(tǒng)桑樹營養(yǎng)液配方，具體組成成份及質(zhì)量濃度如表1所示。

1.4 霧化栽培系統(tǒng)的維護(hù)和日常管理

1.4.1 營養(yǎng)液的補(bǔ)充和更換 以每個(gè)系統(tǒng)栽9株桑樹為例，每個(gè)系統(tǒng)配置的營養(yǎng)液體積為100 L，由于植物的蒸騰作用會(huì)消耗掉部分水分，當(dāng)營養(yǎng)桶的水位低于80 L時(shí)，自動(dòng)或手動(dòng)補(bǔ)水至100 L。補(bǔ)水時(shí)不用注肥。當(dāng)補(bǔ)水次數(shù)大于5次時(shí)，需要更換營養(yǎng)液；當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示營養(yǎng)液pH值和電導(dǎo)率異常時(shí)，需要更換營養(yǎng)液。

根據(jù)根系分泌物和脫落細(xì)根的腐敗情況，需不定時(shí)地更換營養(yǎng)液。據(jù)我們?cè)囼?yàn)，成都平原的室內(nèi)大棚，更換營養(yǎng)液的時(shí)間間隔為春季15 d，夏季7 d，秋季10 d，冬季20 d。更換營養(yǎng)液時(shí)，需用1%雙氧水清洗消毒營養(yǎng)桶后再添加新的營養(yǎng)液。

表1 霧化栽培系統(tǒng)桑樹營養(yǎng)液配方 mg/L

1.4.2 時(shí)控開關(guān)的設(shè)置 根據(jù)室內(nèi)溫度和天氣情況設(shè)定每套霧化栽培系統(tǒng)的噴霧時(shí)間。當(dāng)溫度在20～25 ℃，每間隔30 min噴霧2 min；當(dāng)溫度在26～30 ℃，每間隔10 min噴霧2 min；當(dāng)溫度在31～35 ℃，每間隔3 min噴霧3 min；當(dāng)溫度在35～40 ℃，每間隔1 min噴霧2 min；當(dāng)溫度大于40 ℃時(shí)，必須進(jìn)行遮蔭處理，遮蔭后要按照實(shí)際溫度設(shè)置相應(yīng)的噴霧時(shí)間間隔和噴霧時(shí)長。

1.4.3 自吸泵的檢修維護(hù) 定期對(duì)自吸泵進(jìn)行檢修維護(hù)，檢修維護(hù)主要包括檢查接口是否漏氣、水流是否通暢、箱體內(nèi)是否有異物堵塞、渦輪是否磨損、電路是否正常等6個(gè)主要方面，注意發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決。

1.4.4 過濾器的維護(hù) 該霧化栽培系統(tǒng)采用的疊片式過濾器，一般1～2個(gè)月清洗1次。清洗頻率與營養(yǎng)液更換頻率、營養(yǎng)液溫度、植物生長代謝速率等密切相關(guān)。

1.4.5 霧化噴頭的日常檢修 利用聽音法，判斷是否有水柱沖擊霧化栽培箱箱體的情況，若出現(xiàn)異常，需清理并加固霧化噴頭。

1.4.6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的維護(hù) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是監(jiān)測(cè)營養(yǎng)液的溫度、酸堿度和電導(dǎo)率。平均每2 d監(jiān)測(cè)1次營養(yǎng)液狀況，防止出現(xiàn)異常。在不檢測(cè)時(shí)，需按照設(shè)備使用說明，保護(hù)好監(jiān)測(cè)探頭。

2 霧化栽培系統(tǒng)在桑樹生理生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用范圍與效果

2.1 霧化栽培系統(tǒng)在桑樹生理生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用范圍

2.1.1 支持桑樹養(yǎng)分供給水平的研究 利用該霧化栽培系統(tǒng)，通過改變營養(yǎng)液的營養(yǎng)配方，調(diào)節(jié)養(yǎng)分梯度和盈虧狀態(tài)，可開展養(yǎng)分供給[4]對(duì)桑樹所造成的毒害或缺素病癥方面的研究。

2.1.2 支持桑樹需水與抗旱特征研究 利用該霧化栽培系統(tǒng)，通過改變供水時(shí)間的間隔參數(shù)，調(diào)控水分供應(yīng)狀況，可開展水分豐缺[5]對(duì)桑樹生理生態(tài)學(xué)特征的影響方面的研究。

2.1.3 支持桑樹重金屬耐性與抗性研究 利用該霧化栽培系統(tǒng)，通過添加外源重金屬，模擬土壤重金屬超標(biāo)，可開展桑樹對(duì)重金屬[6]的耐性和抗性機(jī)制方面的研究。

2.1.4 支持桑樹專用液體肥料肥效研究 利用該霧化栽培系統(tǒng)，通過將不同的液體肥料替換或添加入營養(yǎng)液中，模擬施肥，可開展不同肥料[7-8]對(duì)桑樹增產(chǎn)潛力方面的研究。

2.1.5 支持桑樹耐鹽性研究 利用該霧化栽培系統(tǒng)，通過添加不同濃度的無機(jī)鹽，模擬鹽堿化環(huán)境，可開展桑樹耐鹽性[9-10]機(jī)制方面的研究。

2.2 霧化栽培系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用情況及取得的效果

在實(shí)際應(yīng)用中,我們以包含桑樹生長所必須的13種營養(yǎng)元素的營養(yǎng)液配方(表1)培養(yǎng)的桑樹為對(duì)照，在利用植物缺素癥研究配方計(jì)算軟件[11]計(jì)算出缺素癥研究所需的非全營養(yǎng)配方的基礎(chǔ)上，基于14套桑樹霧化栽培系統(tǒng)，同時(shí)研究了13種養(yǎng)分缺失條件下桑樹的營養(yǎng)失調(diào)癥狀表現(xiàn)。通過1年多的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該霧化栽培系統(tǒng)在缺素癥研究的應(yīng)用中表現(xiàn)良好，不僅試驗(yàn)效果比水培[12]的試驗(yàn)效果更加清晰，其試驗(yàn)系統(tǒng)維護(hù)的花費(fèi)也比水培的要低。據(jù)我們初步調(diào)查估算，同一熟練工利用該霧化栽培系統(tǒng)完成整個(gè)試驗(yàn)步驟所需工時(shí)僅為水培下操作的1/6，用水量也僅為水培的3/5。實(shí)踐表明，利用該霧化栽培系統(tǒng)進(jìn)行桑樹生理學(xué)研究不僅可以大大降低科研人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以避免水培條件下淹水脅迫和養(yǎng)分不均一對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

3 霧化栽培系統(tǒng)存在的不足與改進(jìn)辦法

3.1 霧化栽培系統(tǒng)智能化特征尚有較大拓展空間

該霧化栽培系統(tǒng)屬于第一代科研產(chǎn)品，在技術(shù)上和操作中主要采用半自動(dòng)化的特征。隨著對(duì)桑樹生理生態(tài)學(xué)特征更加深入地了解，可以進(jìn)一步依靠溫度、濕度、光照強(qiáng)度、養(yǎng)分濃度的識(shí)別模塊進(jìn)行更為智能化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制，完全釋放科研工作中栽培環(huán)節(jié)的勞動(dòng)力，如自動(dòng)遮蔭、自動(dòng)微噴葉面降溫、箱體自動(dòng)降溫、注肥系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和配肥等。

3.2 桑樹營養(yǎng)液配方尚需進(jìn)一步完善

隨著桑樹營養(yǎng)學(xué)試驗(yàn)的不斷開展，除了氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、硼、錳、鋅、銅、鉬、氯等13種桑樹必須的礦質(zhì)營養(yǎng)元素外的其他一些可能的必要礦質(zhì)營養(yǎng)元素，如鎳[13]、鈉[14]、鈷[15]、硅[16]等的功用將進(jìn)一步被發(fā)現(xiàn)。這些營養(yǎng)元素功用的發(fā)現(xiàn)，將有助于完善桑樹營養(yǎng)液配方，使桑樹在各個(gè)生長期均能獲取全營養(yǎng)成分，保持整體的營養(yǎng)平衡。

3.3 霧化栽培系統(tǒng)建設(shè)有待平臺(tái)化

隨著精細(xì)的工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展和科研試驗(yàn)精細(xì)水平的不斷提升，可嘗試建設(shè)類似于風(fēng)洞的桑樹生理生態(tài)學(xué)試驗(yàn)支撐平臺(tái)。該試驗(yàn)支撐平臺(tái)的建設(shè)將使得桑樹生理生態(tài)學(xué)研究更加現(xiàn)代化、科技化、綠色環(huán)保化。

3.4 霧化栽培系統(tǒng)管理有待專業(yè)化

只有長期有效地進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)，霧化栽培系統(tǒng)才能更加持久地為科研服務(wù)，才能增大其應(yīng)用價(jià)值。因此，制訂一套專門的管理技術(shù)規(guī)程和開展專業(yè)的技術(shù)人員培訓(xùn)是不可或缺的。

[1] 呂鴻聲.栽桑學(xué)原理[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2008：66-67.

[2] 聞婧, 程瑞鋒, 孟力力,等.超聲波霧化栽培裝置的研制和應(yīng)用效果[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 24(1):23-25.

[3] 張建華，王謝，姚莉，等.一種霧培缺素癥試驗(yàn)系統(tǒng)：CN201620313366.9[P].2016-08-17.

[4] 葉舒婭，郭熙盛，朱宏斌，等.鉀肥對(duì)桑樹生長、桑葉產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收的影響[J].蠶業(yè)科學(xué)，2000，26(4)：261-264.

[5] 大西敏夫，張雨青.桑樹蒸騰與吸水作用的同時(shí)測(cè)定法[J].中國蠶業(yè)，1992，13(4)：51-52.

[6] 劉旭輝，李月蘭，李秋明，等.鋅和鎘脅迫下的桑樹幼苗盆栽試驗(yàn)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(4)：335-339.

[7] 方慶洪.桑樹施用生物活性有機(jī)液體肥料試驗(yàn)[J].蠶桑通報(bào)，1994，25(1)：24.

[8] 龔壘.螯合態(tài)多元復(fù)合微肥對(duì)桑樹的增產(chǎn)效應(yīng)研究初報(bào)[J].中國蠶業(yè)，2001，22(3)：19-20.

[9] 蔣澤平，李榮錦，張敏，等.鹽脅迫對(duì)桑樹離體培養(yǎng)中組培苗生長的影響[J].中國蠶業(yè)，2008，29(2)：38-40.

[10]于翠，胡興明，鄧文，等.桑樹耐鹽性研究進(jìn)展[J].蠶桑通報(bào)，2012，43(2)：6-9.

[11]四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所.植物缺素癥研究配方計(jì)算軟件(PNDD V1.0):2016SR312620[P].2016-10-31.

[12]龐良玉，雷強(qiáng)，伍仁軍，等.一種作物缺素實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：CN201410730798.5 [P].2016-08-24.

[13]龍新憲，楊肖娥.植物鎳營養(yǎng)[J].土壤通報(bào)，2000，31(1)：39-42.

[14]王岳定.關(guān)于植物鈉、硅、鈷營養(yǎng)研究的概況[J].土壤通報(bào)，1964(1)：47-51.

[15]劉雪華.土壤中的鈷及其對(duì)植物的影響[J].土壤學(xué)進(jìn)展，1991(5)：9-15.

[16]張玉龍，王喜艷，劉鳴達(dá).植物硅素營養(yǎng)與土壤硅素肥力研究現(xiàn)狀和展望[J].土壤通報(bào)，2004，35(6)：785-788.

10．16839 /j．cnki．zgcy．2017．01．017

2016-08-30;接受日期：2016-12-09

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(編號(hào) CARS-22)。

信息：王謝(1987—)，男，四川雅安，博士，助理研究員。 Tel：028-84784147，E-mail:wangxiechangde@hotmail.com

信息：張建華(1965—)，男，四川眉山，研究員。 Tel：028-84784147，E-mail:zjhu-11@163.com

S888.2

B

1007-0982(2017)01-0075-04

ISSN 1007-0982; CN 32-1421 /S