开发和评估无土栽培番茄生产中的灌溉施肥自动控制系统

1、开发和评估无土栽培番茄生产中的灌溉施肥自动控制系统文章信息文章历史Received 21 October 2013Received in revised form 27 January 2014Accepted 1 February 2014关键词:植物蒸腾作用电导率水分利用率营养输送系统无土栽培温室摘要 自动控制系统的开发是为了在无土栽培番茄生产中实时制备和应用营养液。这个控制策略是基于通过PenmanMonteith模型对蒸腾作用的评估和通过电导率的测量获得渗滤液浓度。在温室条件下用沙作培养基栽培番茄时对灌溉施肥系统性能进行了评估。商业作物产量是4.74 kg m -2，所有溶于番茄果实中

2、的物质的甜度平均是4.50 Brix。开发的这个控制系统使番茄栽培的水分利用率为17.94kgm-3。生产1kg的番茄果实必须要44.42L的营养液。该系统在调节施肥灌溉周期的频率和控制制备营养液的浓度中是非常效率的，有助于减少关于污水处理的环境问题和节约肥料和水资源。2014 Elsevier B.V. All rights reserved.1介绍对于大量的、高质量的蔬菜产品的需要，来满足世界人口不断增长的需求，说明了发展技术同步营养液的供给和需求以实现温室作物产量优是有道理的。有关植物对水和营养吸收方面的知识，对于开发提供必要的水和营养物，最大化作物生长发展的控制策略至关重要。根大部分摄

3、入的水分在植物的蒸腾作用中流失，在温室条件下占了接近90%。因此，控制灌溉频率，基于蒸腾速率的测量或估算，提供一个供给植物真正需水量的复杂方案。通过zolnler et al,(2004)，就会对植物生产的自动化系统有很大兴趣。温室的灌溉时间可以使用生长模型来优化，那就是通过使用蒸散模型模拟叶子区域扩张，能够模拟出农作物在整个成长阶段水分的消耗。自动化控制系统已经被应用到几乎所有工程领域，并取得巨大成功。在自动化灌溉领域，测量土壤、植物和空气的变化联系植物水分状态，能够提供以前行为的重要信息，来计算出灌溉的频率和持续时间。出于低成本和实用性方面的原因，最常用的控制营养液浓度的方法基于电导率的测

4、量，它可以间接确定溶液中溶解的离子的数量。在另一方面，要监视和控制营养液浓度，可以通过特定离子传感器测量当前每种营养物质在溶液中的含量，如离子选择性电极（ISE）和离子选择性场效应晶体管（ISFET）传感器。然而,许多涉及ISE和ISFET传感器的实际困难问题，仍然需要解决，特别是，测量系统的稳定性和稳固性、传感器的寿命以及它们的高成本。在过去的25年时间里，控制系统的发展，能够自动操作为溶液培养和无土栽培备制和管理营养液。在这些研究中，控制策略一般基于数学模型及测定其导电率，个别离子的浓度，PH值及作物的环境气候变量。当前进行的工作是开发一个灌溉施肥自动化控制系统，评估其在温室条件下西红柿作

5、物在沙作为基质中生长的表现。这个控制策略基于通过PenmanMonteith模型对作物蒸腾作用的评估和通过电导率的测量获得渗滤液浓度。开发的控制系统所提供的关于积累量（灌溉施肥和沥出物），商业作物产量，果实质量和水的使用效率的结果被评估。2材料和方法2.1灌溉施肥自动控制系统灌溉施肥自动控制系统（FACS）的核心基于作对物蒸腾作用和沥出物的浓度的评估，这是通过耗尽的营养液的导电性间接测量的。该系统是一个闭合回路控制器，意味会获得来自估计和测量变化反馈。FACS可以用一台最低硬件要求的计算机所控制，由软件（Hidro-Control）所管理，具体的打算用C+语言来编写。除了计算机，这个控制系统由

6、储液器、用量和施肥泵、电子电路和传感器组成。准备一个有30L容量的混合储液器来储存用于灌溉施肥的营养液。同时，准备两个100L的储液器用于储存溶液（A和B），用一个100L的储液器储存稀释水的溶液（图1）。图1 储液器图（混合，准备溶液A、B，水）和FACS的计算机。此外，三个7.5W的水泵连接到每个解决方案的储液器下面，为了混合储液器的剂量更加精确。在混合储液器中稀释了溶液A和B后，通过一个32W的小灌溉泵给作物施加营养液。在混合储液器里面通过一个接有接触传感器的电路完成对营养液水平面高低的调节，它的开发是为了避免自动制备过程中溶液的溢出。用于估计植物蒸腾作用需要的培养环境的气象变量，以一分

7、钟的间隔实时测量的。探针包括一个集成的温湿度传感器(model Humitter 50Y, Vaisala Inc., Woburn, USA),放置一个吸气的辐射护罩和一个测量太阳辐射的日射强度计(model CM3, Kipp & Zonen, Delft, Netherlands),2个都定位在一个可调节的支架上，放置在顶棚以上0.5M。另一个集成的温湿度传感器安装在温室天沟下面有多层板保护的外部。环境传感器被连接到数据采集板和一个多路复用面板(models CYDAS 1602HR and CYEXP 32, CyberResearch Inc., Branford, USA),2个都

8、安装在计算机主板上。此外，机电继电器板(model ERA-01, Keithley Instruments Inc., Cleveland, USA) 被连接到数据采集板来用于启动配制和施肥泵。实时的检测营养液浓度的电子电路是专门为测量电导率在0.10到10.15dSm-1开发的。由于营养液温度的变化，电导率值被另个测量10C到40C的营养液的电子电路补偿到25C。导电性小房间或单元(model EW 19500-20, ColeParmer Instrument Company, Chicago, USA),每个都由2个涂有铂的电极（K=1cm-1）和一个10K的热敏电阻组成，把它连接到电

9、子电路测量渗滤液电导率。温度、电导率和营养液液面高度的信息，都用数字信号传送，被数据采集板测量。 营养液的pH值是由一个放大电极监测(model PHE-1304-NB, Omega, Stamford, USA)。由于都沉浸在同一溶液时，电子信号间的相互干扰来自PH电极和EC单元，所以PH在每一周的基础上测量。因此如果有必要，将会对营养液PH值进行调整，使它保持在5.6和6.0之间。可以通过加入硫酸或氢氧化钾来减少或者增加PH值。2.2控制策略 FACS的控制策略是通过Hidro-Control算法实现的，开发的目的是为了实现同步植物营养液的需求和供给。这个控制策略分离为2个子策略：第一个是

10、基于植物蒸腾作用的评估用于控制营养液的供给；二是基于渗滤液电导率的测量用于控制所制备的营养液浓度。2.2.1营养液供给子策略 FACS被设计根据温室栽培环境的大气需求通过调整灌溉施肥频率来控制植物营养液的供给。 蒸腾作用是决定灌溉施肥频率的主要变量，它主要基于Penman Monteith模型，参数由联合国粮农组织定制。根据温热时间（积温）获得作物系数，从先前温室环境下无土栽培番茄的蒸腾作用测量中获得营养生长模型，番茄作物在10C温度下计算出日度值。 培养基的表面覆盖着透明的塑料薄膜以减少水分蒸发，大气只被植物蒸腾的占用。 一些输入进PenmanMonteith模型的变量被艾伦等人发现，尤其是

11、那些净长波辐射和作物的气动阻力有关的变量，他们对预测方程做了修改，以达到跟加准确的估计温室环境下的蒸腾作用。因此采用程序对净长波辐射的评估和沃克等人的评估是相似的：（1）其中Rnl是净长波辐射（Wm-2）,s是温室内表面的平均放射率，t是热传递系数,是StefanBoltzmann常数（5.6697x10-8Wm-2K-4），Ti是温室内空气温度（K），a是表观的大气辐射，Te是温室外部空气的温度（K）,因素s，t，和a分别被设定为0.85，0.80,0.86。 作物的气动阻力的估计考虑到了空气和植物的相互作用，定义为解耦因子。根据Pereira (2004),这一因素（方程（2）的的变化范围

12、从0到1。（2） 其中是去耦系数，是湿度恒定（kPaK-1）,饱和蒸发压力曲线（kPaK-1）,rs是表面电阻（sm-1），ra是气动阻力（sm-1）。 考虑假定一个0.12米的参考作物，一个固定的表面电阻为70sm-1，屋顶的反射系数0.23类似于统一高度绿草表面延生的蒸发。活跃的生长充分的浇水，平均分离因素为0.8。将=0.8和rs=70sm-1带入（方程（2）可以估算出气动阻力：（3） 方程（3）超过了ra的估算方法，这个参数来自联合国粮农组织，当空气速度趋向于0或者非常小时，作物的气动阻力不会趋向于无穷大。在温室条件下这些都被证实，同时它重要的强调采用不耦合系数，对空气速度没有更多的要

13、求。 图2 介绍了营养液供给子策略示意图，由环境传感器测量的气象变量作为导入Hidro-Control软件的数据来计算植的物蒸腾作用。蒸腾积累是的关于启动用量和施肥泵的主要变量。 每个灌溉周期的持续时间是建立在沙土的保水能力上的，同时对基质的物理特性的确定和对植物根的大量研究。研究显示，最多消耗基质25%的持水量可以避免植物水分胁迫。这个消耗值可以被FACS通过在一分钟的基础上作物蒸腾值的累积来自动检测。因此Iniesta建议，运行周期可以通过使用可变频率和固定时间来建立。 除了基质的保水量被消耗，还必要的营养液补充植物蒸腾量，考虑需要20%的渗滤液分数和平均滴头的流量（1.3Lh-1）,因此

14、每个运行周期的持续时间设定为100秒。图2对营养液的供给子策略示意图2.2.2营养液浓度子策略 该系统也被设计来控制制备的营养液浓度, 基于对渗沥液的电导率测量, 考虑到它代表的是平均浓度。FASC控制管理泵以1比1的比例把准备的溶液A和B和水注入混合储液器的间隔时间。这个程序的目的是在灌溉周期中实现混合储液器里面达到合适的营养液浓度。此外，在建立在Hidro-Control算法的基础上，它能够保持预先设定的电导率浓度。 电导率是每次施肥周期前准备营养液的主要变量。因此这个控制策略能最小化测量的渗沥液浓度和用户预设值之间的波动，根据植物每个物候生长阶段的营养需求。 图3 介绍了营养液浓度的子策

15、略示意图，其中测量沙子中流出的营养液的电导率被输入到Hidro-Control软件中来管理植物营养供给。基于渗沥液的平均电导率，来确定剂量泵的运行时间。这样就能达到用户在Hidro-Control软件中设定的电导率的目标，以及考虑它的上限和下限。因此，FACS完成了在备置营养液中电导率的逐渐递增或递减。2.3。实验和评价特点 试验是在巴西Minas Gerais州的Vicosa联邦大学的一个气候温室内实现的，地理坐标是：纬度204545S,经度4252 04 W，海拔690m。根据Kppen分类学，当地气候是CWA（暖温带中热），在干燥的冬季和夏季多雨。 温室是采用钢拱架与盖上一个透明的聚乙烯

16、薄膜（150 L M）。它的侧壁是厚度1cm的透明聚碳酸酯板。温室长度为18.3m，宽6.5m，高2.9m。环境控制包括蒸发冷却（垫风扇）和空气加热（聚管）系统，都被恒温器控制。 温室内种植番茄（Lycopersicon esculentum Mill）。Duradoro杂交，种子在酚醛泡沫小方块上发芽。后来，苗分别移植到10L的装满沙子基质的塑料盆（直径和深度30cm），其中可见密度为1.36kgdm-3，粒度在1到3毫米之间。在每个盆底钻一个洞用于渗滤液流入下方的收集槽。 番茄植株被A和B稀释的营养液灌溉，根据物候期（初，中、晚季），由Moraes and Furlani建议。这两种溶液被

17、50倍浓缩，基于稀释溶液的3dsm-1。准备的溶液A是由硝酸钾和硝酸钙配制，溶液B由磷酸一铵配制，硫酸镁，氯化钾和微量营养素（硫酸铜，硫酸锌，硫酸锰，硼酸，钼酸钠，铁螯合物）。在植物的生长阶段根据移栽的天数（DAT）对营养液的成分进行改进，由前期季节（播种后30DAT），中间的季节（从30到60DAT），和后期季节（后60DAT）。在初始阶段，主要的元素组成平均为12.31mM N，7.78mM K，0.99mM P，4.49mM Ca和1.59mM Mg。在中间阶段，主要的元素组成平均为13.47 mM N, 8.02 mM K, 0.99 mM P, 5.48 mM Ca, 1.59 mM

18、 Mg。最后，后期的阶段平均组成为14.57 mM N, 10.06 mM K, 0.99 mM P, 6.03 mM Ca, 1.59 mM Mg。通过滴灌系统把营养液供给给植物。图3 介绍了营养液浓度的子策略示意图 之所以选择开环的无土栽培系统，是因为封闭系统更难管理营养液，由于循环后再形成的营养液可能导致毒性或者特别养分的耗尽，此外还会引起病菌在基质上传播。灌溉施肥周期被控制允许最大营养液20%的排水。渗滤液馏分推荐范围是20%到30%，Sonneveld 和Voogt建议的良好开放系统。同时，这个程序提供了一个很好的基质中的营养液平衡，有助于更好的控制根中盐分的累积。 排出的渗透液被重

19、新用于温室附近其他蔬菜水果作物，最大限度地减少营养液丢弃所造成的环境污染。 实验由32株，八行，密度每m-2 2株。本设计是本研究开发的系统的第一评估，这需要一些在控制策略方面的调整。每个种植行4盆 ，间隔0.5m，放置在纵向4%倾斜的聚丙烯槽上面，利于渗滤液排出（如图3）。槽的上表面有间隔0.5m的孔，用于接收盆里的渗透液。在槽的末端安装电导率单元用于实时监测渗滤液的浓度。实验中，通过使用在25C时导电率为1.4118dSm-1的0.01N Kcl标准溶液对电极进行评估。 作为Duradoro杂交的不确定生长，对植株进行短剪第五困以上维持3叶。同时，也要进行蔬果，每个困上6个番茄，才能达到增

20、加番茄大小和品质的目的。因此，每个植株生产30个番茄，总共960个果实。 基于Duradoro杂交的农艺学推荐，3dSm-1的渗滤液电导率被设定在Hidro-Control软件中是适当的。还建议在热带温室无土栽培环境下最佳营养液浓度值为3dSm-1。这两个备置溶液和水溶液（0.07dSm-1）被FACS自动在混合储液器里混合。因此，达到渗透液电导率波动最小化（3 0.8dSm-1）的目标。 FACS关于积累量（滴灌和渗透液）方面的性能被评估，还包括：商业作物产量，果实品质（可溶性固形物），水分利用率（WUE）和营养液的量必须能生产1kg的番茄水果。 番茄幼苗移栽到装满沙子基质的塑料盆里后对累积

21、量（滴灌和渗滤液）进行计算。确定施肥量的积累，施肥周期总数，单株使用营养液的平均值，采用每个周期和密度相乘。每个周期中每株使用营养液的平均值被计算，依据周期中塑料瓶收集的营养液量。累积的渗透液量通过增加每行植物日常排水量确定。 番茄作物的商业产量通过每个果实的果径和鲜质量测定，依据美国队温室番茄的等级标准。用游标卡尺测定番茄尺寸（500系列，三丰公司，东京，日本）和精确天平计算他们的新鲜量（新型铝500，MARTE的，圣保罗，巴西）。 探讨营养液浓度对番茄品质的影响，选择了可溶性固形物含量分析。在实验室对每个植株第一个成熟的果实用数字投射仪测量。 WUE被作为商业作物产量和累积的施肥量的比被计

22、算出来，考虑了整个实验的时间。被Marouelli 和 Silva提出。 生产1kg番茄必须要营养液的量，通过考虑植株的密度，累积灌溉量和平均总产量来计算。3结果与讨论 通过FACS来估计连续14天的蒸腾速率与灌溉的日变化量,。如图4。这一时期的选择，由于在作物蒸腾速率，在应用于植物营养液量和施肥周期的频率的对比。图4中的值通过每小时测量获取。 FACS对发生在对作物蒸腾速率的估计过程波动的适当回应来建立灌溉（图4）。因此，在中度或者高度的阴暗（114,115和120DAT）的日子里,减少了过度营养液供应。同时，由于Hidro-Control软件设定允许最大消耗基质持水量的20%，避免了在高的

23、大气需求下的植物水分胁迫，因此，FACS控制策略允许同步作物营养液需求和供给，允许渗滤液分数最大达到应用量的20%。这实现了基质中营养物的适当平衡和防止根本盐分。 图4中考虑了这样连续的几天，更大的蒸腾速率发生在栽培后的第109天，随之而来FACS建立了大量的灌溉周期。（如图5）因此这个图解显示灌溉泵运行状态，回应这几天蒸腾速率的变化。 全球太阳辐射是影响作物蒸腾速率的主要气象变量，因为它为水从叶表面到大气的运输提供能量。因此，栽植后109天，每天全球太阳辐射分布曲线和蒸腾作用表现的图像非常相似。（图5）因此，它可以验证，从早上6点到下午2点灌溉周期的频率是FACS增强的，应对作物蒸腾速率的增

24、强，主要是由于全球太阳辐射的增加和低云量。在一瞬间，作物蒸腾速率最大达到3.44mL /每株每分钟，全球太阳辐射为567.05Wm-2。下午期间，FACS降低了灌溉周期频率可能是应为运量增加，这导致蒸腾速率下降。估计蒸腾作用为1.76L每株植物每天，全球太阳辐射为12.02MJ每平方米每天，在这期间FACS执行了82%的灌溉周期。 相比之下，图4中给出了在栽培后114天，这一时期显示了轻微的蒸腾速率，因此FACS建立了减少灌溉频率（图6）。同时这个图显示了灌溉泵的运行状态回应这天的蒸腾速率变化。 由于移栽后114天的这一时期的高云量，这一天的灌溉频率更加均匀相较于栽植后109天，也许这是因为作

25、物对水的需求，表现为蒸腾速率，更好的在一天内分布。（图6）在一瞬间作物蒸腾速率达到最大值2.55L每株每分钟，太阳辐射为348.9W每平方米。从下午1:30到下午3点，FACS适当降低了灌溉周期频率以响应云量增加和蒸腾速率的降低。估计蒸腾作用为1.06L每株每天，太阳辐射为4.10MJ每平方米每天。期间FACS执行了73%的灌溉周期。 在栽植114天后的时期，FACS完成了灌溉（图6）比栽植后109天少40%的周期，（图5）考虑到相同作物的生长阶段。在营养液消耗方面，这两天的差异大概是25L每天所有的植株。因此，这可以证实，气象传感器实时对估算蒸腾速率进行调整，然后FACS控制灌溉周期频率为了

26、与作物水分需求相适应。因此，FACS减少了不必要的灌溉周期和随之而来的营养液浪费，当植物水分需求很小时。 这些结果和Harmanto等人获得的相吻合。他使用PenmanMonteith模型估计的在温室条件下番茄作物的需水量。这些作者证实每天需要的灌溉对温室运行环境的波动。 图7介绍从107到120天，日常振荡的渗滤液的电导率和备置营养液。相同的图解，在Hidro-Control软件中的预设目标值为适应渗滤液的电导率，也显示了他的上限下限（3 0.8dSm-1）。图7中的值 每小时的测量获得。 尽管从107到120天渗滤液电导率具有连续波动，其平均值为3.16dSm-1,这与预定目标值（3dSm

27、-1）相近的。渗滤液电导率不断提高被FACS减弱，最小化基质的盐化。 FACS对于保持渗滤液的电导率在预定范围内是有效的(图7)。这样的效率是直接与每个灌溉周期之前的混合储液器里面备置的营养液浓度的动态联系的，基于以前的渗透液电导率测量（前馈控制）。因此，从109到119天的使用与植物的营养液浓度逐渐减小，防止渗滤液电导率的增加（图7）。考虑整个实验期间，有些时候，渗滤液电导率的波动是低于3dSm-1。在这些时候，在混合储液器中备置的营养液浓度高于预设目标值。 结果从控制策略在Hidro-Control算法中的实现获得证明，就是控制营养液对植物的供给（图4）比控制营养液浓度更有效（图7）。在控制渗透液电导率的困难，也许是由于营养物质的分层，沙面的营养液使用点沿着水平和垂直于基质的侧面。在番茄的石棉板中测定电导率和验证值在4.5到10dSm-1之间，应用2dSm-1的营养液。同时种植生菜用2dSm-1的营养液。发现沙床的浓度在1.8到6.5dSm-1之间。应用的营养液的电导率和基质中营养液在根部吸收的动态是合理的之间的差异，作物根系形态，基质性质（物理和化学），容器的形状和容量，温室气候条件。 表一 显示了农艺形状被测定为了评定FACS在温室条件下沙基栽培番茄期间的性能。 在实验过程中累积灌溉量的变化，它是沿着物候生长阶段的作物系数，作物系数评估是个S型函