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第四章水培技术

1. 4.1 导言

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   在园艺作物生产中，无土种植的定义涵盖了在无土条件下提供植物生产的所有系统，在这些系统中，水和矿物质的供应是在有或没有生长介质的营养溶液中（例如石棉、泥炭、珍珠石、浮石、椰子纤维等）。 无土培养系统，通常称为水培系统，可以进一步分为开放式系统，其中多余的营养液不再循环再循环，而封闭系统则收集来自根部的多余养分流量并回收回养殖系统（图 4.1）。

   无土培养系统已经发展成为一种可能的解决办法，以避免土壤传播疾病，而这种疾病一直是温室栽培行业的一个问题。

   如今，在大多数欧洲国家，无土种植系统在园艺实践中是常见的，尽管并非每个国家都会大规模发生这种情况。 与土壤种植作物相比，无土系统的优势有：

   -从使用土壤以外的基质和/或更容易控制土壤传播的病原体开始，无病原体。 -生长和产量与耕地的土壤类型/质量无关。 -通过有针对性的营养液供应，更好地控制生长。 -重复利用营养液的潜力，从而最大限度地利用资源。 -通过更好地控制其他环境参数 (温度, 相对湿度) 和害虫, 提高产品质量.

   ！ 图片上的信息

   图 4.1 开放循环 (a) 和闭环系统 (b) 的方案

   在大多数情况下，采用开放循环或循环到废物的系统，而不是闭环或再循环系统，尽管在越来越多的欧洲国家，后者是强制性的。 在这些开放系统中，用完和/或多余的养分溶液沉积到地下水体和地表水体中，或用于露天耕作。 然而，关于经济和环境问题，无土系统应尽可能封闭，即在发生养分溶液再循环、重复使用基材和使用更可持续的材料的地方。

   封闭系统的优点是：

   -减少废弃物的数量。

   -减少对地下水和地表水的污染。

   -更有效地使用水和肥料。

   -由于更好的管理选择，产量增加。

   -由于节约材料和提高产量，成本降低。

   还有一些缺点，例如：

   -所需的高水质。

   -高投资

   -循环营养液迅速传播土壤传染病原体的风险。

   -在循环营养液中积累潜在的植物毒性代谢物和有机物质。

   在商业系统中，通过物理、化学和/或生物过滤技术对水进行消毒来解决病原体分散问题。 然而，阻碍温室作物使用循环营养溶液培养的主要因素之一是灌溉水中盐的积累。 通常情况下，由于离子的积累，导电率 (EC) 稳步增加，这些离子没有被作物完全吸收。 在鱼饲料中含有的氯化钠 (NaCl) 可能会在该系统中积累，这种情况可能尤其如此。 为了修正这个问题，建议增加海水淡化步骤可以改善多循环 AP 系统中的营养平衡（Goddek 和 Keesman 2018）。

2. 4.2 无土系统

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   在水培栽培领域进行的深入研究导致了各种种栽培系统的发展 (Hussain 等人, 2014 年)。 实际上，所有这些都可以与水产养殖结合实施；然而，为此，有些比其他人更适合（Maugili 等人，2018 年）。 由于可能使用的系统种类繁多，因此需要对不同的无土系统进行分类（表 4.1）。

   ** 表 4.1** 按不同方面划分的水培系统分类

   表 海神 tr 类 = "标题” 特性/th Th/th 示例/th /tr /thead Tbody tr 类 = "奇数” td 行跨 = "6" 无土系统 /td td 行跨 = "3" 无底板 /td TDNFT（营养膜技术）/td /tr tr 类 = "偶数” 电子语系统/TD /tr tr 类 = "奇数” TdDFT（深度流动技术）/td /tr tr 类 = "偶数” td 行跨 = "3" 带基板 /td TDD 有机基质（泥炭、椰子纤维、树皮、木纤维等） /td /tr tr 类 = "奇数” td 无机基材（石棉，浮石，沙子，珍珠石，粉丝， 膨胀粘土） /td /tr tr 类 = "偶数” TD-合成基材（聚氨酯、聚苯乙烯）/td /tr tr 类 = "奇数” td 行跨 = "2"打开/关闭系统/td TD开放或运行到废物系统/td td 这些工厂不断用 “新鲜” 的解决方案进行喂养，而不会恢复 从种植模块中排出的解决方案 (图 4.1a) /td /tr tr 类 = "偶数” TD关闭或再流通系统/td td 排出的营养液是回收利用和补充缺乏 营养物质达到正确的 EC 水平（图 4.1b） /td /tr tr 类 = "奇数” td 罗斯潘 = "2" 供水 /td TD连续性/TD TDNFT（营养膜技术）DFT（深流技术）/td /tr tr 类 = "偶数” TD期间/TD TDDrip 灌溉、潮流、空气系统 /td /tr /tbody /表格

   4.2.1 固体基板系统

   20 世纪 70 年代开始无土种植时，对许多基材进行了测试（瓦拉赫 2008 年；布洛克等人，2008 年；韦沃尔 1978 年）。 许多失败的原因包括太湿, 太干, 不可持续, 过于昂贵和释放有毒物质. 几种固体基材生存下来：石棉、珍珠石、椰子纤维、泥炭、聚氨酯泡沫和树皮。 固体基板系统可以划分如下：

   _ 纤维基板 _ 这些可以是有机（如泥炭、稻草和椰子纤维）或无机（如石棉）。 它们的特点是存在不同尺寸的纤维，这使得基材具有较高的保水能力（60—80%）和适度的空气容量（自由孔隙率）（Wallach 2008）。 工厂可以很容易获得较高比例的保留水，这直接反映在每个工厂所需的最小基质体积上，以保证充足的水供应。 在这些基材中，沿轮廓没有明显的水分和盐度梯度，因此，根部的生长速度往往更快，均匀和丰富，利用整个可用体积。

   _ 颗粒基底 _ 它们通常是无机的（例如沙子、浮石、珍珠岩、膨胀粘土），具有不同的颗粒尺寸和纹理特征；它们具有高孔隙性，并且是自由排水。 保水能力相当差 (10-40%)，而且所保留的大部分水并不容易供工厂使用 (Maher 等人, 2008 年)。 因此，每个植物所需的基材体积要高于纤维材料。 在颗粒基材中，沿轮廓观察到明显的水分梯度，这导致根部主要发育在容器底部。 工厂需要更小的颗粒尺寸、增加保水能力、水分均匀性、更高的 EC 和更低的基材体积。

   基材通常包裹在塑料覆盖物（所谓的长袋或板）中，或者插入各种尺寸和合成材料的其他类型容器中。

   种植之前的基材应该饱和，以便：

   -为整个基板提供足够的水和营养物质供应。

   -达到均匀的 EC 和 pH 值。

   -排出空气的存在，使材料的均匀润湿。

   同样重要的是，对于种植后的基质干期，刺激植物进行均匀的基底勘探，从而在各个层面获得丰富且分布良好的根系，并使根部暴露于空气中。 第二次使用基材通过再润湿可能是一个问题，因为由于塑料包络中的排水孔，无法实现饱和。 在采用短时间和频繁的灌溉转弯的有机基材（例如圆圈）中，可以恢复第二次使用它的保水能力，比惰性基材（石棉、珍珠岩）更容易（Perelli 等人，2009 年）。

   4.2.2 用于中型系统的基板

   由于其微孔和阳离子交换能力，植物的支撑和水营养机制是必要的。

   在无土系统中生长的植物的特点是不平衡的拍摄/根比，对水、空气和营养的需求远远超过开放田野条件。 在后一种情况下，生长速度较慢，基材的数量在理论上是无限的。 为了满足这些要求，必须采用单独或混合物的基材，确保最佳和稳定的化学物理和营养条件。 如图 4.2 所示，一系列具有不同特性和成本的材料可用作基板。 然而，目前还没有一种可以在所有种植环境中普遍使用的基材。

   ！ 图片-3

   ** 图 4.2** 无土体系中可用作基材的材料

   4.2.3 基材的表征

   体积密度 (BD) BD 表示的是每个体积单位的基材的干重。 它使根部的锚定，并提供植物支持。 容器中作物的最佳生产天数在 150 至 500 公斤之间不等（瓦拉赫，2008 年）。 有些基材由于其较低的 BD 和松动性，如珍珠石（约 100 千克 msup-3/SUP）、颗粒中的聚苯乙烯（约 35 千克 msup-3/ 苏普）和非压缩的泥炭（约 60 千克 mSUP-3/ 苏普）不适合单独生长的植物，特别是在植物中使用。。

   ** 表 4.2** 主要化学 — 泥炭和椰子纤维的物理特征。 (dm = 干物质)

   表 海神 tr 类 = "标题” 第一个行跨 = "2" 特征 /th 个大肠杆 = "2" 凸起的沼泽/第 /th 越野 = "2" 椰子纤维 (椰子纤维) /th /tr TR TD金发/TD TD棕色/TD TD黑/TD /tr /thead Tbody tr 类 = "偶数” TDD 有机物 (% dM) /td TD94 — 99 TD94 — 99 TD55 到 75 TD94 — 98 /tr tr 类 = "奇数” 短划线 (% 分米) /td TD1—6/td TD1—6/td TD23 — 30 TD3 到 6/td /tr tr 类 = "偶数” 总孔隙率 (% 体积) /td TD84 — 97 td88 — 93 TD55 — 83 TD94 — 96 /tr tr 类 = "奇数” TDD 保水能力 (% 卷) /td TD52 —82 TD4—88/td TD65 到 75 TD80 — 85 /tr tr 类 = "偶数” 无 TDD 孔隙率 (% 体积) /td TD15 到 42 TD6—14 TD6—8/td TD10 到 12 月至今 /tr tr 类 = "奇数” 批量密度（千克/苏普）/td TD60—120/td TD0—200 TD/320—400 TD65—110/td /tr tr 类 = "偶数” 贸发会议中心 (百分比) /td TD100 — 150 TD/120—170/td TD80—150/td TD60 — 130 /tr tr 类 = "奇数” 氮总量 (% dM) /td TD0.5—2.5/td TD0.5—2.5/td td1.5 到 3.5/td TD0.5—0.6/td /tr tr 类 = "偶数” TDC/N/TD TD30 到 80 TD20 到 75 分钟 TD10 到 35 分钟 TD70—80/td /tr tr 类 = "奇数” TD钙 (% dM) /td td<0.4/td td<0.4/td TD>2/td TD-/td /tr tr 类 = "偶数” TdpH 值（HSub2/SubO）/td TD3.0—4.0/td TD3.0—5.0/td TD5.5—7.3/td TD5.0—6.8/td /tr /tbody /表格

   资料来源：恩佐等人（2001 年）

   _ 孔隙 _ 盆栽作物的理想基板应至少有 75% 的孔隙率，具有不同百分比的大孔孔隙（15—35%）和微孔（40-60%），具体取决于栽培的物种以及环境和作物条件（Wallach 2008；Blok 等人，2008 年；Maher 等人，2008 年）。 在小型容器中，总孔隙率应达到容量的 85%（2012 年邦特）。 结构应该随着时间的推移保持稳定，并且在脱水阶段能够抵御压实和体积的减少。

   _ 保水能力 _ 保水能力确保作物充足水平的基材水分，而无需频繁进行灌溉。 然而，保水能力不得过高，以避免根部窒息和过度冷却。 植物可用水的计算方法是保留能力下的水量与枯萎点保留的水量之间的差值。 这应该是表观体积的 30-40% 左右（基普等人，2001 年）。 最后，必须考虑的是，随着生长过程中根系生物量的不断增加，基底的自由孔隙率逐渐降低，基底的水文特性得到改变。

   _ 阳离子交换容量 (CEC) _ CEC 是衡量可以在基底颗粒表面上保留多少阳离子的测量。 一般而言，有机材料具有较高的 CEC 和较高的缓冲能力（瓦拉赫 2008 年；Blok 等人，2008 年）（表 4.2）。

   pH 需要一个合适的 pH 值来满足栽培物种的需要。 pH 值低的基材更适合用于容器中的作物，因为它们通过添加碳酸钙更容易修改到所需水平，同时也因为它们能够满足更多物种的需求。 此外，由于使用富含碳酸盐的水进行灌溉，在栽培过程中 pH 值往往会上升。 pH 值也可能因使用的肥料类型而异。 更难纠正碱性基材。 然而，可以通过添加硫磺或生理酸肥料（硫酸铵、硫酸钾）或构成酸性肥料（磷酸矿物）来实现这一点。

   _ 导电率 (EC) _ 基材应具有已知的营养素含量和低 EC 值（另见表 4.4）。 通常最好使用化学惰性基质，并根据具体的作物需求添加营养物质。 必须特别注意欧共体的水平。 高 EC 水平表明存在离子（例如 Nasup+/SUP），虽然作为营养物质并不重要，但可以对基材的适用性发挥决定性作用。

   健康和安全 _ 系统中的健康和操作人员的安全是由于没有病原体（线虫、真菌、昆虫）、潜在的植物毒性物质（农药）和杂草种子而提供的。 一些工业生产的材料（膨胀粘土、珍珠石、石棉、萤毛、聚苯乙烯）由于在加工过程中施加的高温，确保了高水平的无菌性。

   _ 可持续性 _ 基材的另一个重要特征是其可持续性特征。 许多常用基材面临生态挑战，涉及其来源、生产工艺和/或后续加工以及寿命终止足迹。 在这方面，来自生态足迹较低的材料（以环保方式改造并最终可生物降解的方式）的基材是一个额外的特征，值得考虑的特点。 基材的可重复使用性也是基材可持续性的一个重要方面。

   Cost 最后但并非最不重要的是，基材必须廉价或至少具有成本效益，从化学物理角度来看，易于获得和标准化。

   4.2.4 基材类型

   基材的选择范围从存在于自然界并经过特殊加工 (例如泥炭、珍珠石、萤毛石) 的有机产品或矿物来源于人类活动的有机产品 (例如农业、工业和城市的废物或副产品)活动）和通过合成工艺（例如聚苯乙烯）获得的工业来源。

   4.2.4.1 有机材料

   这一类别包括天然有机基质，包括来自农业（粪便、稻草等）或例如工业、木材工业的副产品等或来自城市住区的残留物、废物和有机副产品，例如污水污泥等。额外的加工，如提取和成熟。

   所有可用于水培的材料也可以在 AP 中使用。 然而，由于 AP 溶液中的细菌负荷可能高于传统的水培溶液，因此可以预计有机基质可能会增加分解速率，从而导致基板压实和根部曝气问题。 因此，生长周期较短的作物可以考虑使用有机材料，而生长周期较长的作物可能更喜欢矿物基质。

   ** 泥炭 **

   泥炭单独使用或与其他基材一起使用，目前是基材制备中最重要的有机来源材料。 泥炭一词是指在厌氧条件下转化的苔藓植物残留物（Shagnum）、环孢菌 （ 三毛虫 _、__、Carex）和其他残留物衍生的产物。

   凸起的沼泽是在寒冷和非常多雨的环境中形成的。 雨水，不含盐，被苔藓和蔬菜残留物保留在表面上，从而形成饱和的环境。 在凸起的沼泽中，我们可以区分深层、多分解的深色层（_棕色泥炭 _）和稍微分解的浅色层（_blond 泥炭 _）。 两种泥炭都具有良好的结构稳定性，营养物质和酸性 pH 值非常低，但它们的结构主要不同（表 4.2）。

   毛孔非常小的褐色泥炭具有较高的保水能力和较少的空气孔隙度，并且具有较高的 CEC 和缓冲能力。 物理特性因颗粒大小而异，允许吸水从 4 到 15 倍的自身重量。 凸起的沼泽通常满足良好的基材所需要的要求。 此外，它们具有恒定和均匀的特性，因此它们可以在工业上加以利用。 然而，使用这些泥炭需要使用例如碳酸钙（CacoSub3/Sub）进行 pH 校正。 一般来说，对于 pH 值为 3—4 的泥炭，应添加 2 千克 mSup-3/ 吸液，以增加一个单位的 pH 值。 必须注意避免基材完全干燥。 还应该考虑到，泥炭会经历微生物分解过程，随着时间的推移，这可能会增加保水能力并减少自由孔隙。

   芬沼泽主要存在于温带地区（例如意大利和法国西部），在这些地区，它们占主导地位。 这些泥炭是在停滞水的存在形成的。 水中的氧气、盐和钙含量可以更快地分解和加湿，与膨胀的沼泽相比。 这会产生非常深、棕色到黑色泥炭，营养物质含量较高，特别是氮和钙，pH 值更高，体积密度更高，游离孔隙度更低（表 4.2）。 它们在干燥状态下相当脆弱，并且在潮湿状态下具有显著的可塑性，这使得高度容易受到压缩和变形。 碳/氮 (C/N) 的比例一般在 15 到 48 之间 (库里和维特 1996 年；阿巴德等人，2002 年)。 由于其特性，黑泥炭价值低，不适合作为基材，但可与其他材料混合使用。

   应当指出，一些国家正在努力减少泥炭使用和提取，以减少对环境的影响，并且已经确定了各种泥炭替代品，取得了各种成功。

   ** 椰子纤维 **

   椰子纤维（椰子纤维）是通过去除椰子纤维壳获得的，是椰子油生产和纤维萃取行业的副产品，几乎完全由木质素组成。 在使用前，它被堆肥 2—3 年，然后脱水和压缩。 在使用之前，它必须通过添加到压缩体积的 2—4 倍的水进行补水。 椰子纤维具有类似于金色泥炭的化学物理特征（表 4.2），但具有较高 pH 值的优点。 它对环境的影响也低于泥炭 (过度开发泥炭沼泽) 和石棉在处理方面存在问题。 这就是为什么它在无土系统中越来越受欢迎的原因之一（Olle 等人，2012 年；Fornes 等人，2003 年）。

   ** 木质基板 **

   来自木材或其副产品的有机基材，如树皮、木屑或锯粉，也被用于全球商业植物生产（Maher 等人，2008 年）。 基于这些材料的基材通常具有良好的空气含量和高饱和液压传导率。 缺点可能包括：保水能力低、微生物活动造成的曝气不足、颗粒大小分布不当、养分固定或盐和有毒化合物积累造成的负面影响（Dorais 等人，2006 年）。

   4.2.4.2 无机材料

   这一类别包括天然材料 (例如沙子、浮石) 和工业加工中产生的矿物产品 (例如，螨石、珍珠石) (表 4.3)。

   ** 表 4.3** 无土体系中使用的无机基材的主要化学物理特性

   表 海神 tr 类 = "标题” 策策略/th 体积密度（千克/苏普）/次 总孔隙率 (% 卷) /th 自由孔隙率 (% 卷) /th 保水容量 (% 卷) /th THCEC（目标百分比）/第 电子数据库（毫秒单位/单位） thphH/th /tr /thead Tbody tr 类 = "奇数” TD/TD 一千四百至一百六十万 TD40 到 50 年 TD1—20/td TD20 到 40 TD20 到 25 分钟 TD0.10 /td TD6.4—7.9/td /tr tr 类 = "偶数” TDPUIC/TD TD450—670 TD55 — 80 TD30 到 50 分钟 TD24 到 32 TD-/td 今年 10 月至 10 日 TD6.7—9.3/td /tr tr 类 = "奇数” TD/火山/td TD570—630 TD80 — 90 时间 75 到 85 分钟 TD2 到 5 月份 TD3 至 5 月份 TD-/td TD7.0—8.0/td /tr tr 类 = "偶数” TD/TD TD80—120/d TD70—80/td TD25 到 50 分钟 TD30 到 55/至今 TD80—150/td td0.05/td TD6.0—7.2/td /tr tr 类 = "奇数” TDper利特/TD TD90 到 130 TD50 到 75 分钟 TD30 至 60 年至今 TD15 到 35 分钟 td1.5 到 3.5/td TD02—0.04/td TD6.5—7.5/td /tr tr 类 = "偶数” Tdexpan粘土/td TD300 至 700 美元/至今 TD40 到 50 年 TD30 到 40 TD5 到 10 月份 TD3 — 12 月至今 td0.02/td TD4.5 — 9.0/td /tr tr 类 = "奇数” TDStone 羊毛/td td85 — 90 TD95 — 97 TD10 到 15 月至今 td75 到 80 TD-/td td0.01/td TD7.0—7.5/td /tr tr 类 = "偶数” 聚苯乙烯 /TD TD6—25 分钟 td55/td TD52/td td3/td TD-/td td0.01/td TD6.1/td /tr /tbody /表格

   资料来源：恩佐等人（2001 年）

   ** 沙 **

   砂是天然无机材料，颗粒直径在 0.05 至 2.0 mm 之间，源自不同矿物的风化。 砂的化学成分可能因来源而异，但一般来说，它是由 98.0—99.5% 的二氧化硅 (SiOSub2/Sub) 构成的（Perelli 等人，2009 年），pH 值主要与碳酸盐含量有关。 碳酸钙含量较低且 pH 6.4—7.0 的砂土更适合作为基底材料，因为它们不会影响磷和一些微量元素（如铁、锰）的溶解度。 与所有矿物来源基材一样，砂土具有低 CEC 和低缓冲能力（表 4.3）。 细砂 (0.05—0.5 mm) 是最适合用于水培系统中的混合物中的 10 — 30% 的体积与有机材料。 可以使用粗砂 (\ >0.5 mm) 来增加基底的排水能力。

   ** 普米奇 **

   浮石由来自火山的硅酸铝组成，非常轻，多孔，可能含有少量的钠和钾以及痕量的钙、镁和铁，具体取决于原产地。 它能够从营养液中保留钙、镁、钾和磷，并逐渐将其释放到植物中。 它通常具有中性 pH 值，但有些材料可能具有过高的 pH 值、良好的游离孔隙性，但保水能力低（表 4.3）。 然而，由于颗粒容易分解，结构往往会相当迅速地退化。 浮石，添加到泥炭，增加了排水和曝气的基板。 对于园艺用途，最好选择直径为 2 至 10 毫米的浮石颗粒（Kipp 等人，2001 年）。

   ** 火山凝灰岩 **

   凝灰岩产生于火山喷发，颗粒直径在 2 至 10 毫米之间。 它们的体积密度可能在 850 公斤至 1100 千克/苏克/苏克之间，按体积计算，保水能力在 15% 至 25% 之间（Kipp 等人，2001 年）。

   ** 有粉尘 **

   萤毛石由镁、铝和铁的水硅酸盐组成，在自然状态下具有薄层结构，可保留微小的水滴。 去角质的萤火虫通常用于园艺行业，其特点是具有较高的缓冲能力和 CEC 值与最好的泥炭类似（表 4.3），但与这些相比，它的营养可用性较高（5—8% 的钾和 9—12% 镁）（Perelli 等人，2009 年）。 NHSub4/SubP+/SUP 尤其被萤火虫保留；然而，硝化细菌的活性允许回收部分固定氮。 同样，萤火虫以不可逆的形式结合 75% 以上的磷酸盐，而其吸收能力较低，对于氯化石/SUP、NOSuB3/SuPU-SUP 和 SOUP 和 SOUB4/SuSub-SUP。 当将蛭石用作基材时，应仔细评估这些特性。 由于抗压性低，微晶结构不是很稳定，并且随着时间的推移会恶化，从而减少排水量。 它可以单独使用; 然而，最好是混合它与珍珠石或泥炭。

   ** 珀利特 **

   珍珠石由含有 75% SiOSub2/sub 和 13% AlSub2/Sub 火山原料的硅酸铝组成。 原材料经过压碎、筛选、压缩和加热至 700—1000 ℃，在这种温度下，原材料中含有的少量水通过将颗粒扩展成小型白灰色聚合物，而这些聚合物与萤毛石不同，具有封闭的细胞结构。 它非常轻，即使浸泡后也具有较高的自由孔隙度。 然而，pH 值可以很容易变化，因为缓冲能力微不足道。pH 值应该通过灌溉水的质量控制，不应低于 5.0，以避免植物毒性铝的影响。 封闭的细胞结构允许水只能保持在表面和聚集之间的空间中，因此保水能力相对于聚集体的尺寸而言是变化的。 它的销售尺寸不同，但最适合园艺的直径为 2—5 毫米。 它可以用作生根床的基材，因为它可以确保良好的曝气。 在与有机材料的混合物中，它增强了基材的柔软性、渗透性和曝气性。 珍珠石可以重复使用几年，只要在两次使用之间进行消毒。

   ** 膨胀粘土 **

   膨胀粘土是通过在约 700 C 的条件下处理粘土粉获得的，并且根据使用的粘土材料，它们在 CEC、pH 值和体积密度方面具有可变的值（表 4.3）。 膨胀粘土可以用于与有机材料的混合物，其量大约为 10—35%，为此，它提供了更多的曝气和排水（Lamanna 等人，1990 年）。 pH 值高于 7.0 的膨胀粘土不适合在无土体系中使用。

   ** 石头羊毛 **

   石棉是无土栽培中最常用的基材。 它来自铝、钙、硅酸镁和碳焦的融合，在 1500—2000 ℃ 的条件下，液化混合物以 0.05 毫米直径的绞线挤出，在压缩和添加特殊树脂后，材料具有非常轻的纤维结构，具有高孔隙率（表 4.3）。

   石棉是化学惰性的，当添加到基材时，它可以改善其曝气和排水，并为植物根部提供极好的锚固。 它单独使用，作为播种基材和无土栽培。 根据质量，用于种植的板材可以使用多个生产周期，只要该结构能够保证足够的孔隙度和氧气可用性，就可以使用多个生产周期。 通常，在几个作物周期之后，基底孔隙率的大部分是旧的死根，这是由于基材随着时间的推移的压实造成的。 结果导致灌溉策略可能需要调整的基底深度降低。

   ** 沸石 **

   沸石由水合硅酸盐组成，其特点是吸收气态元素的能力；它们具有较高的宏观元素和微量元素，它们具有较高的吸收力，并且具有较高的内表面（孔径为 0.5 mm 的结构）。 这种基材吸收并缓慢释放 KSUP+/SUP 和 NHSUP4/ SuP+/SUP 离子，同时它不能吸收对植物有害的卡苏普-/SUP 和 Nasup+/SUP。 分子筛采用 N 和 P 含量不同的配方销售，可用于种子播种、切屑生根或种植阶段（Pickering 等人，2002 年）。

   4.2.4.3 合成材料

   合成材料包括低密度塑料材料和离子交换合成树脂。 这些材料，被称为 “膨胀”，因为它们是通过扩张过程在高温下获得的，尚未广泛使用，但它们具有适合平衡其他基材的特性的物理性质。

   ** 膨胀聚苯乙烯 **

   膨胀聚苯乙烯产生直径为 4—10 mm 的颗粒，采用封闭式电池结构。 它不会分解，非常轻，孔隙率很高，但具有极低的保水能力 (表 4.3)。 它没有 CEC 和几乎零缓冲能力，因此它被添加到基材（例如泥炭）中，专门用于改善孔隙和排水。 首选颗粒尺寸为 4-5 毫米（2012 年英国国会）。

   ** 聚氨酯泡沫 **

   聚氨酯泡沫是一种低密度材料（12—18 kg msup-3/sup），具有多孔结构，允许吸收相当于其体积 70% 的水。 它在化学上是惰性的，具有几乎中性的 pH 值（6.5-7.0），不含有可供植物使用的营养物质，也不会进行分解（Kipp 等人，2001 年）。 在市场上，有可能找到它的颗粒，生根立方体或块的形式。 像石棉一样，它也可用于无土栽培。

   4.2.5 混合栽培基材的制备

   混合基材可以有助于降低总体基材成本和/或改善原始材料的某些特性。 例如，可以添加泥炭、萤火石和芦苇以提高保水能力；珍珠石、聚苯乙烯、粗砂和膨胀粘土以增加自由孔隙和排水；金发泥炭可以提高酸度；增加有机材料或适量的粘土，以增加 CEC 和缓冲液能力和低可分解基材，以提高耐久性和稳定性。 混合物的特性很少代表成分的平均值，因为通过混合，单个颗粒之间的结构会被改变，从而改变物理和化学特性的关系。 一般来说，为了能够更好地管理种植，营养含量低的混合物更可取。 混合物不同成分之间的正确关系也因其运作所处的环境条件而异。 在高温下，使用具有较高保水能力并且不允许快速蒸发（如泥炭），同时具有抗分解能力的组件是合理的。 相比之下，在潮湿环境中，太阳辐射较低的情况下，首选以高孔隙率为特征的组件，以确保良好的排水。 在这种情况下，有必要添加粗糙的基材，如沙子，浮石，膨胀粘土和膨胀聚苯乙烯（Bunt 2012）。

3. 4.3 水培系统的种类，根据水分/养分分布

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   4.3.1 深流技术

   深流技术（DFT），也称为深水技术，是在装满 10—20 厘米营养液的容器中培养浮动或悬挂支撑（木筏、板、板）的植物（Van Os 等人，2008 年）（图 4.3）。 在 AP 中，这可以达到 30 厘米。 有不同的应用形式，可以区分主要通过溶液的深度和体积，以及再循环和氧合的方法。

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   图 4.3 具有浮动面板的 DFT 系统的图示

   其中一个最简单的系统包括 20—30 厘米深的罐体，可以采用不同材料制造，并用聚乙烯薄膜进行防水处理。 水槽配备了浮筏（供应商提供多种类型），用于支撑水上的植物，同时植物的根部渗透到水中。 该系统特别令人感兴趣，因为它最大限度地减少了成本和管理。 例如，对养分溶液控制和校正的自动化需求有限，特别是在生菜等短期作物中，因为在这种情况下，相对较大的溶液只有在每个周期结束时才有利于补充营养溶液，而且只有氧含量需要定期监测。 氧水平应高于 4—5 毫克 LSUP-1/SUP；否则，由于根系统吸收性能低，可能会出现营养缺乏。 溶液循环通常会增加氧气，或者可以添加文丘里系统，从而大大增加空气进入系统。 当水温高于 23 ℃ 时，这一点尤其重要，因为这种高温可能会刺激生菜螺栓。

   4.3.2 营养膜技术

   NFT 技术无处不在，可被认为是经典的水培培养系统，营养液在水槽中流动和循环，水层为 1—2 厘米（库珀 1979；詹森和柯林斯 1985；Van Os 等人，2008）（图 4.4）。 营养液的再循环和没有基质是 NFT 系统的主要优势之一。 另一个优势是，它具有巨大的自动化潜力，可以节省劳动力成本（种植和收获），以及在作物周期中管理最佳植物密度的机会。 另一方面，由于缺乏基材和低水位，NFT 容易受到泵故障的影响，例如电源堵塞或故障。 营养液中的温度波动会导致植物压力，随后导致疾病。

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   ** 图 4.4** 由西班牙新成长系统 (NGS) 开发和销售的 NFT 系统（左图）和多层 NFT 槽的图示（右图）

   根系的发展是一个主要制约因素，因为它阻碍了长周期作物的生产（4 至 5 个月以上），其中一部分仍然悬浮在空气中，而且暴露在早期老化和功能丧失的情况下。 由于该系统很容易受温度变化的影响，因此不适用于辐照和温度高的种植环境 (例如地中海盆地南部地区)。 然而，为了应对这些挑战，我们设计了一个多层 NFT 槽，可实现更长的生产周期而不会出现堵塞问题 (NGS)。 它是由一系列相互连接的层组成的，所以即使在强大的生根植物种（如西红柿）中，营养溶液仍然会通过一个较低的定位层绕过根部堵塞层来找到它的方式。

   4.3.3 航空系统

   航空技术主要针对较小的园艺品种，由于投资和管理成本高，尚未广泛应用。 植物由塑料板或聚苯乙烯支撑，水平排列或倾斜的生长箱顶部。 这些面板由惰性材料制成的结构（塑料，塑料薄膜涂层的钢材，聚苯乙烯板）支撑，以形成封闭的箱子，其中悬浮根系统可以开发（图 4.5）。

   ！ 图片-3

   ** 图 4.5** 有氧运动技术的说明

   营养溶液是直接喷洒在根部，这是悬浮在箱子中的空气中，与静态洒水器（喷雾器），插入管道内的盒子模块。 喷雾持续时间为 30 到 60 秒，而喷雾频率根据种植期、植物的生长阶段、物种和一天中的时间而变化。 有些系统使用振动板制造微型水滴，形成蒸汽，在根部上凝结。 浸漏液收集到箱体模块底部，并输送至储罐，以便重复使用。

4. 4.4 植物生理学

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   4.4.1 吸收机制

   在植物营养所涉及的主要机制中，最重要的是吸收，对于大多数营养物质来说，这种吸收在营养液中溶解盐后以离子形式进行。

   活性根是参与营养吸收的植物的主要器官。 阴离子和阳离子从营养液中吸收，一旦植物内部，它们就会导致质子（HSUP+/SUP）或羟基（OHSUP /SUP）退出，从而保持电荷之间的平衡（海恩斯，1990 年）。 这一过程在保持离子平衡的同时，可能会导致溶液的 pH 值相对于吸收的营养物质的数量和质量发生变化（图 4.6）。

   这一过程对园艺师的实际影响有两个方面：为营养溶液提供足够的缓冲能力（如果需要添加碳酸氢盐），并在选择肥料时引起轻微的 pH 值变化。 肥料对 pH 值的影响涉及所用化合物的不同化学形式。

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   ** 图 4.6** 植物根系吸收离子

   例如，在 N 的情况下，最常用的形式是硝氮（NOSuB3/SuP-/SUP），但当 pH 值降低时，氮可以作为铵氮（NHSub4/SubP+/SUP）供应。 吸收后，这种形式会引起 HSUP+/SUP 的释放，从而导致培养基的酸化。

   气候条件，特别是空气和基底温度以及相对湿度，对营养物质的吸收产生重大影响（普雷吉策和国王 2005 年；马斯克劳斯-道布雷斯等人，2010 年；马施纳 2012 年；科尔泰拉等人，2014 年）。 一般来说，最好的生长发生在基材和空气温度之间的差异很小的地方。 然而，根系统中持续的高温水平会产生负面影响。 次优化温度会降低 N 的吸收（Dong 等人，2001 年）。 虽然 NHSub4/SubP+/SUP 可在最佳温度下有效使用，但在低温下，细菌氧化减少，导致植物内积累，从而产生毒性症状，并对根系和空中生物量造成损害。 根层的低温也抑制了 K 和 P 的同化，以及 P 转位。 虽然关于低温对吸收微量营养素的影响的现有资料不那么清楚，但看来，汞、锌、铜和钼的吸收受影响最大（Tindall 等人，1990 年；Fageria 等人，2002 年）。

   4.4.2 基本营养素及其作用和可能的对抗

   植物营养的适当管理必须基于基本方面，这些方面受到宏观和微量营养素的吸收和使用影响（Sonneveld 和 Voogt，2009 年）。 需要相对较大量的宏观营养素，而微量营养素或微量元素则需要少量。 此外，在无土系统的情况下，植物的养分可获得性或多或少呈现协同作用和拮抗现象（图 4.7）。

   _ 氮 (N) _ 氮被植物吸收，产生氨基酸、蛋白质、酶和叶绿素。 植物施肥中最常用的氮形式是硝酸盐和铵。 硝酸盐迅速被根部吸收，在植物内部具有高度可移动性，并且可以储存而不会产生毒性影响。 铵只能少量被植物吸收，而且不能大量储存，因为它会产生毒性作用。 含量高于 10 mg LSUP-1/SUP 抑制植物钙和铜的摄取，与根茎生长相比增长增长，并导致叶片呈现强烈的绿色。 氨浓度的进一步过度会导致植物毒性作用，例如沿叶片边缘发生氯化。 过量的氮气供应会导致高营养生长、延长作物周期、绿叶颜色强烈、果实低、组织中含水量高、组织木质化低和组织硝酸盐积累率高。 通常情况下，缺氮的特点是老叶片呈淡绿色（氯化症）、生长减少和衰老推进。

   ！ 图片-3

   ** 图 4.7** 离子间营养物质的协同作用和对抗。 根据箭头的方向，连接离子呈现协同或拮抗关系

   钾 (K) _ 钾是细胞分裂和扩展、蛋白质合成、酶活化和光合作用的基础，同时也作为其他元素和碳水化合物通过细胞膜的转运体。 它在保持细胞的渗透潜力平衡和调节气孔开口方面具有重要作用。 缺乏的第一个迹象表现为黄色斑点的形式，非常迅速坏死的边缘的老叶。 缺钾植物更容易受到突然温度下降、水分胁迫和真菌发作的影响（Wang 等人，2013 年）。

   _ 磷 (P) _ 磷刺激根系发育，花蕾和花量的快速生长。 P 非常容易吸收，并且可以积累而不损害植物。 其根本作用是与植物新陈代谢所需的高能化合物 (ATP) 的形成有关。 工厂所要求的平均数量相当有限 (N 和 K 需求的 10-15%) (Le Bot 等人, 1998 年)。 然而，与土壤中发生的情况不同，P 在无土作物中容易浸出。 P 的吸收似乎由于基底温度低（\ 13 ℃）或 pH 值增加（\ 6.5）而降低，这可能导致缺乏症状（Vance 等人，2003 年）。 在这些条件下，温度升高和/或 pH 值降低比磷肥的额外添加剂更有效。 P 过量可能会减少或阻止某些其他营养物质（例如 K、铜、铁）的吸收（图 4.7）。 缺磷表现为老叶片的绿紫色，除了植物顶部生长发育不良之外，还可能会发生氯化和坏死。 然而，这些症状并非特异性，因此难以识别 P 缺乏症（内田 2000 年）。

   _ 钙 (Ca) _ 钙涉及细胞壁的形成、膜渗透性、细胞分裂和扩展。 良好的可用性使植物能够对真菌发作和细菌感染产生更大的抵抗力（Liu 等人，2014 年）。 吸收与根部和空中部分之间的水流非常密切相关。 它的运动通过木质，因此尤其受到根层低温、供水减少（干旱或溶液盐度）或空气相对湿度过高的影响。 由于 Ca 在工厂内不具有移动性，因此缺陷源于最近成型的部件（亚当斯 1991 年；亚当斯和何 1992 年；Ho 等人，1993 年）。 主要症状是植物生长发育迟缓、年幼叶边缘变形、新组织淡绿色或有时含氯染色以及根系发育不良且根系不良。 缺陷以不同的方式显示，例如番茄的顶腐烂和/或生菜叶子的边缘褐变。

   _ 镁 (Mg) _ 镁参与叶绿素分子的构成。 它固定在 pH 值低于 5.5，并与 K 和 Ca 的吸收进入竞争中（图 4.7）。 缺乏症状是叶静脉和基底叶的内部氯化之间发黄。 由于 Mg 可以很容易地调动，缺镁的植物会首先分解老叶片中的叶绿素，然后将 Mg 输送到年轻的叶片上。 因此，镁缺乏症的第一个迹象是老叶片中的静脉间氯化症，与缺铁相反，最年轻的叶片中首次出现静脉叶片间氯化症（Sonneveld 和 Voogt 2009）。

   工厂所需的硫 (S) _ 硫的数量与磷相当，为了优化其吸收，它必须以 1:10 的比例与氮（McCutchan 等人，2003 年）。 它被吸收为硫酸盐。 缺乏症并不容易发现，因为这些症状可能与缺氮的症状相混淆，只是氮缺乏开始从较长的叶片中表现出来，而最年轻的树叶则表现出硫磺（Schnug 和 Haneklaus，2005 年）。 S 营养在减轻由铁缺乏造成的光合器械损害方面起着重要作用（Muneer 等人，2014 年）。

   _ 铁 (Fe) _ 铁是最重要的微营养素之一，因为它是许多生物过程中的关键，例如光合作用 (Briat 等人, 2015; Heuvelink 和基尔克尔斯 2016)。 为了提高其吸收率，营养液 pH 值应在 5.5—6.0 左右，并且不应允许 Mn 含量过高，因为这两种元素随后进入竞争中（图 4.7）。 对于大多数作物而言，Fe — Mn 的最佳比例约为 2:1（索内维尔德和 Voogt 2009）。 在低温下，同化效率降低。 缺乏症状的特点是从幼叶到较老的基底叶的静脉间氯化症，以及根系生长减少。 缺乏症状并不总是由于营养溶液中的铁存在较低，但往往是由于 Fe 不可用于植物。 螯合剂的使用可确保工厂持续获得 Fe。

   氯 (Cl) _ 氯最近被认为是一种微营养素，即使其在植物中的含量（0.2—2.0% dw）相当高。 它很容易被植物吸收，并且在其中非常移动。 它涉及到光合过程和气孔开口的调节。 缺陷，这些缺陷相当少见，伴随着叶片干燥的典型症状，特别是在边缘。 更为普遍的是由于 Cl 过量造成的损害，导致植物明显收缩，这与不同物种的不同敏感性有关。 为了避免作物损害，建议始终检查用于制备营养液的水中的 Cl 含量，并选择合适的肥料（例如 KSub2/Sub4/Sub 而不是 kCl）。

   _钠 (Na) _ 钠，如果过量，对植物有害，因为它有毒并干扰其他离子的吸收。 例如，与 K 的拮抗（图 4.7）并不总是有害的，因为在某些物种（例如西红柿），它可以改善水果的味道，而在其他物种（例如豆类），它可以减少植物的生长。 类似于 Cl，重要的是要知道用于制备营养溶液的水中的浓度（Sonneveld 和 Voogt 2009）。

   锰 (Mn) _ 锰构成许多辅酶的一部分，参与根细胞的扩展及其对病原体的抗性。 其可用性由营养液的 pH 值和与其他营养物质的竞争来控制（图 4.7）。 缺乏症状与铁的症状相似，除了在静脉间区域出现轻微沉没的区域（内田 2000）。 可以通过添加 MnSOUB4/Sub 或降低营养液的 pH 值来进行校正。

   硼 (B) _ 硼对于果实和种子发育至关重要。 吸收方法与已经描述的 Ca 相似，它可以与之竞争。 营养溶液的 pH 值必须低于 6.0，最佳水平似乎在 4.5 和 5.5 之间。 缺乏症状可以检测到在新的结构，出现深绿色，年轻的叶子大大增加了它们的厚度和具有革质的一致性。 随后，它们可能会出现氯化，然后坏死，带有生锈的着色。

   _ 锌 (Zn) _ 锌在某些酶反应中起着重要作用。 其吸收受到营养液的 pH 值和 P 供应的强烈影响。pH 值在 5.5 到 6.5 之间促进锌的吸收。 低温和高 P 水平降低了植物吸收的锌量。 锌缺乏症很少出现，其表现为叶片的静脉间区域的叶片叶片、非常短的节间、叶片末梢和生长不良（吉布森，2007 年）。

   _ 铜 (Cu) _ 铜涉及呼吸和光合过程。 在 pH 值高于 6.5 时，其吸收率会降低，而低于 5.5 的 pH 值可能导致毒性效应（鲁尼等人，2006 年）。 高含量的铵和磷与铜相互作用，减少了后者的可用性。 Cu 的过度存在干扰铁、Mn 和 Mo 的吸收。 缺陷表现为静脉间氯化症，导致叶片组织的崩溃，看起来像干燥（吉布森，2007 年）。

   _钼 (Mo) _ 钼对蛋白质合成和氮代谢至关重要。 与其他微量营养素相反，它在中性 pH 值下更好地获得。 缺乏症状始于老叶主肋的氯化和坏死，而幼叶则出现变形（吉布森，2007 年）。

   4.4.3 营养物质管理与植物要求的关系

   自 1970 年代发展无土园艺系统（Verwer 1978 年；Cooper 1979 年）以来，根据种植者的喜好开发和调整了不同的营养解决方案（表 4.4；De Kreij 等人，1999 年）。 所有混合物均遵循所有元素的过量可用性原则，以防止（双价）阳离子之间的缺陷和平衡，避免阳离子在植物营养摄取中的竞争（霍格兰和阿农 1950 年；施泰纳 1961 年；施泰纳 1984 年；索内韦尔德和 Voogt 2009 年）。 通常情况下，EC 允许在根区上升到有限的程度。 例如，在西红柿中，营养溶液通常具有约 3 dS msup-1/sup 的 EC 值，而在石棉板的根区，EC 可能会上升到 4—5 dS msup-1/sup。 然而，在北欧国家，对于在生产周期开始时第一次灌溉新的石棉板，营养液可能具有高达 5 dS msup-1/sup 的 EC，使石棉基材饱和到 10 dS msup-1/sup 的离子，随后将进行冲洗2 个星期后。 为了提供足够的根区冲洗，在典型的滴灌石棉板系统中，大约 20—50% 的剂量水被收集为排水水。 然后，排水水再循环、过滤、与淡水混合，再加上营养成分，供下一个循环使用（Van Os 1994）。

   在番茄生产中，增加 EC 可用于提高番茄红素的合成（促进果实的鲜红色色）、总可溶性固体（TSS）和果糖和葡萄糖含量（Fanasca 等人，2006 年；Wu 和 Kubota 2008）。 此外，番茄植物对 N、P、Ca 和 Mg 的吸收率较高，在早期（营养）阶段对钾的吸收率较低。 一旦植物开始开发水果，叶片产量就会减慢，导致氮和钙的需求量减少，而钾的需求量则增加（例如 Zekki 等人，1996 年；Silber，Bar-Tal，2008 年）。 另一方面，在生菜中，增加 EC 可能会在炎热生长条件下促进尖烧病。 Huett（1994 年）显示，每株有尖端烧伤病的叶片数量显著减少，当 EC 从 3.6 滴降至 0.4dS msup-1/ 水，以及当营养配方 K/Ca 从 3. 5:1 降至 1. 25:1 时，每株植物的叶片数量显著减少。 在 AP，营养物质的管理比水培学要困难，因为它们主要取决于鱼类种群密度、饲料类型和喂养速度。

   4.4.4 营养溶液特性

   磷是一种以强烈依赖于环境 pH 值的形式发生的元素。 在根区中，这种元素可以被发现为 POSuB4/SuUP、HPOSUB4/SuP2-/SUP 和 HSub2/SUP 离子，其中最后两个离子是植物接收的 P 的主要形式。 因此，当 pH 值略有酸性（pH 值 5—6）时，在营养溶液中呈现最大量的 P（De Rijck 和 Schrevens 1997）。

   钾、钙和镁可供植物使用，pH 范围广泛。 然而，其他离子的存在可能会干扰其植物的可用性，因为形成具有不同等级的溶解度的化合物。 在 pH 值高于 8.3 时，Casup2+/SUP 和 MgSup2+/SUP 离子通过与 COSub3/SuP2-/SUP 的反应很容易沉淀为碳酸盐。 还硫酸盐形成相对强大的复合物与 Casup2+/SUP 和 MgSUP2+/SUP (德里克和施雷文斯 1998). 随着 pH 值从 2 增加到 9，形成 MgSUP2+/SUP 的可溶性配合物的含量也会增加（德里克和施雷文斯，1999 年）。 一般来说，pH 值高于 7 时的植物摄取营养可用性可能会受到限制，因为由于不溶性和不可用盐而导致硼、FEUP2+/SUP、MgSup2+/SUP、SUP 和 MgSup2+/SUP 降水。 最合适的 pH 值的营养溶液，用于作物的发展是 5.5 和 6.5 之间（索内韦尔德和沃格特 2009 年）。

   4.4.5 水质和营养物质

   供水的质量在水培和 AP 系统中极为重要。 对于长期再循环，化学成分应当是众所周知的，并经常监测，以避免营养素供应不平衡，同时也避免某些元素的积累，导致毒性。 De Kreij 等人 (1999 年) 概述了水培系统对水质的化学要求.

   在开始之前，必须对供水的宏观元素和微量元素进行分析。 在分析的基础上，可以制定一个营养溶液方案。 例如，如果使用雨水，在通过未经处理的排水沟进行收集时，必须特别注意 Zn。 在自来水中，钠、钙、镁、SOUB4/Sub 和 HCOSub3/Sub 可能出现问题。 此外，可以使用表面和孔洞水，其中可能含有 Na、Cl、K、Ca、Mg、SOSuB4/Sub 和 Fe，但也含有锰、锌、B 和铜等微量元素。 需要注意的是，所有阀门和管道都应由 PVC 和 PE 等合成材料制成，不含镍或铜部件。

   经常发生供水中含有一定量的 Ca 和 Mg；因此，必须从营养液中的含量中减去含量，以避免这些离子的积累。 HCOSub3/Sub 必须最好用硝酸补偿，约 0.5 毫摩尔 LSUP-1/SUP 可作为营养液中的 pH 缓冲液保持。 磷酸和硫酸也可以用于补偿 pH 值，但两者都会迅速在营养液中产生剩余的 HSuB2/sub4/Subsu-/SUP 或 SOUP。 在 AP 系统中，硝酸（HNOSub3/Sub）和氢氧化钾（KOH）也可用于调节 pH 值，同时在系统中供应大量营养素（喷嘴等人，2018）。

   4.4.5.1 水质管理

   对于营养溶液的配方，最好使用简单的肥料（颗粒、粉末或液体）和影响 pH 值的物质（例如酸化合物）。 将营养元素整合到溶液中，考虑到每个元素的数量的最佳值。 这必须根据物种及其品种的要求进行，考虑到物候阶段和基质。 营养补充剂的计算必须考虑到所用水的条件，根据一组 _ 严格的优先事项 _ 进行。 在优先级别上，镁和硫酸盐位于底部，处于同一水平，因为它们的营养重要性较低，植物即使在营养液中存在丰富，也不会造成损害。 这一特征具有有利的实际反馈，因为它允许利用这两个元素，以便平衡营养成分与其他大量营养素的营养成分，这些营养素的缺乏或过量可能对生产造成负面影响。 例如，我们可以考虑一种营养溶液，其中只需要集成钾或仅硝酸盐。 在这种情况下，要使用的盐分别是硫酸钾或硝酸镁。 事实上，如果使用最常见的硝酸钾或硝酸钙，在第一种情况下，硝酸盐和在第二种情况下钙的含量将自动增加。 此外，如果对所用水的分析显示阳离子和阴离子之间存在不平衡，并且为了能够计算与 EC 平衡的营养溶液，则对水值进行校正，以降低镁和/或硫酸盐的含量。

   以下几点提供了营养溶液配方的指导方针：

   1. 物种和品种要求的定义。 需要考虑到种植环境和水的特点。 为了满足植物在温暖时期和强烈辐射下的需求，该溶液必须具有较低的 EC 和 K 含量，这与较高的 Ca 量形成鲜明对比。 相反，当温度和亮度达到次理想水平时，建议通过降低 Ca 值来提高 EC 和 K 的值。 重要的是，对于品种来说，由于品种的植物活力不同，特别是 NOSuB3/SubP-/SUP 的值有很大的差异。 对于西红柿，事实上，平均使用 15 毫摩尔 LSUP-1/SUP 的 NOSub3/SUP（表 4.4），在营养活力较低的品种和某些物候阶段（例如第四个桁架的果实设置），采用高达 20 毫米 LSUP-1/SUP 的 NOSuP。 如果某些元素（如 Na）存在于水中，为了减少对某些作物特别负面的影响，有必要增加 NOSuB3/SubU-/SUP 和 Ca 的含量，并可能降低 K，使 EC 保持在同一水平。

   ** 表 4.4** 荷兰生菜 (DFT) 番茄、胡椒和黄瓜 (石棉板滴灌) 水培养中的营养液 (De Kreiji 等人, 1999 年)

   表 海神 tr 类 = "标题” 行跨 = "2"/th thphH/th 特别/th 四、三、三、三、三、三、三 TH/th /th thmg/th //th SUB4/sub/th TH/th THFE/th /th /th 泰铢/次 /th THMO/th /tr tr 类 = "标题” th THD MSUP-1/SU/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th mol LSUP-1/SUP/th /tr /thead Tbody tr 类 = "奇数” 生菜 (瓦赫宁根乌尔) /td TD5.9/td TD1.7/td TD1.0/td TD4.4/td TD4.5/td TD1.8/td TD10.6/td TD1.5/td TD1.5/td TD28.1/td TD1.5/td TD6.4/td TD47.0/td TD1.0/td td0.7/td /tr tr 类 = "偶数” 电子通信/TD TD5.8/td TD1.2/td td0.7/td TD4.8/td TD2.3/td TD0.8/td TD8.9/td TD0.8/td TD1.0/td TD35.1/td TD4.9/td TD3.0/td TD18.4/td td0.5/td td0.5/td /tr tr 类 = "奇数” 电子通信/TD TD5.8/td TD1.2/td TD/td TD3.0/td TD2.5/td TD1.0/td td7.5/td TD1.0/td td0.5/td TD50.0/td TD3.7/td td0.6/td TD4.8/td td0.5/td td0.01/td /tr tr 类 = "偶数” TD番茄一代/td TD5.5/td TD2.6-3.0/td TD1.2/td td13.0/td TD4.2/td TD1.9/td TD15.4/td TD4.7/td TD1.5/td TD15.0/td TD10.0/td TD5.0/td TD30.0/td TD0.8/td td0.5/td /tr tr 类 = "奇数” TD番茄蔬菜/td TD5.5/td TD2.6/td TD1.2/td td8.3/td TD5.7/td TD2.7/td TD15.4/td TD4.7/td TD1.5/td TD15.0/td TD10.0/td TD5.0/td TD30.0/td TD0.8/td td0.5/td /tr tr 类 = "偶数” TD黄瓜/TD TD5.5/td TD3.2/td TD1.2/td TD10.4/td TD6.7/td TD2.0/td td23.3/td TD1.5-2.0/td TD1.5-2.0/td TD15.0/td TD10.0/td TD5.0/td TD25.0/td TD0.8/td td0.5/td /tr tr 类 = "奇数” 辣椒/TD TD5.6/td TD2.5-3.0/td TD1.2/td TD5-7/td TD4-5/td TD2.0/td td17.0/td TD1.8-2.0/td TD1.5-2.5/td TD25.0/td TD10.0/td td7.0/td TD30.0/td TD1.0/td td0.5/td /tr tr 类 = "偶数” TD植物传播/td TD5.5/td TD2.3/td TD1.2/td TD6.8/td TD4.5/td TD3.0/td TD16.8/td TD2.5/td td1.3/td TD25.0/td TD10.0/td TD5.0/td TD35.0/td TD1.0/td td0.5/td /tr /tbody /表格

   采用并修改从维默伦（2016 年，个人通信）

   2. 应通过从上述化学元素中减去水中化学元素的值来计算营养物需求量。 例如，已确定的需要毫克的辣椒 (_ 辣椒 _ SP.) 是 1.5 毫米 LSUP-1/SUP, 具有水在 0.5 毫米半导体/苏普, 和 1.0 毫米的半氨酸-1/SUP 的毫克应该被添加到水 (1.5 要求 — 0.5 供水 = 1.0)。

   3. 选择和计算要使用的肥料和酸。 例如，如果具有提供镁（如上面第 2 点所示），则可以使用 MgSOUB4/Sub 或 Mg（NOSuB3/Sub）亚 2。 将在作出决定时考虑到硫酸盐或硝酸盐的附带贡献。

   4.4.6 水培生产与水生产的比较

   在他们的生命周期，植物需要几个基本的宏观和微量元素来定期发育（硼，钙，碳，氯，铜，氢，铁，镁，锰，钼，氮，氧，磷，钾，硫，锌），通常从营养液吸收（Bittsanszky 等他人，2016 年）。 它们之间的营养浓度和比例是能够影响植物摄取的最重要的变量。 在 AP 系统中，鱼类代谢废物含有植物的养分，但必须考虑到，特别是在商业规模上，鱼类在 AP 系统中提供的养分浓度与水培系统相比，大多数营养物质的营养浓度明显低于且不平衡（Nicoletto 等人）。2018 年）。 通常，在 AP 地区，具有适当的鱼类放养率，硝酸盐水平足以促进植物的良好生长，而 K 和 P 的含量一般不足以实现最大的植物生长。 此外，钙和铁也可能受到限制。 这可以降低作物产量和质量，因此应该进行营养素整合，以支持有效的养分再利用。 微生物群落在 AP 系统的营养动态中发挥着至关重要的作用（Schmautz 等人，2017 年），将铵转化为硝酸盐，同时也有助于该系统中颗粒物质和溶解废物的处理（Bittsanszky 等人，2016 年）。 植物对 N 和 P 的摄取仅代表从水中去除量的一小部分（董里和白利度 2014），这表明微生物过程在植物的根区，以及在基质（如果存在）和整个系统中，发挥着重要作用。

   鱼类饲料的组成取决于鱼类的类型，这会影响鱼类代谢产量的营养释放。 通常，鱼饲料含有能量来源（碳水化合物和/或脂质）、必需氨基酸、维生素以及其他有机分子，这些是正常的新陈代谢所必需的，但有些鱼的细胞无法合成。 此外，必须考虑到植物的营养需求因物种（喷嘴等人，2018）、品种、生命周期阶段、天长和天气条件而异，最近（父母等人，2013；Baxter 2015），Liebig 定律（植物生长由最稀缺的资源控制）被考虑到各个营养物质之间的相互作用的复杂算法所取代。 这两个方面都无法简单地评估水培或 AP 系统中营养浓度变化的影响。

   因此产生的问题是，向 AP 系统添加营养物质是否必要和有效。 据 Bittsanszky 等人 (2016 年) 报告，只有通过持续监测循环水的化学成分，确保营养物质和潜在毒性成分的充分浓度和比例，AP 系统才能有效运行，因此才能成功地运行，铵 添加营养素的必要性取决于植物种类和生长阶段。 通常情况下，虽然鱼类密度是氮供应的最佳选择，但至少应该加入矿物肥料的 P 和 K（Nicoletto 等人，2018 年）。 与此相反，例如，生菜，西红柿需要结果，成熟和成熟，需要补充营养物质。 为了计算这些需求，可以使用一个软件，例如 HydroBuddy 这是一个自由软件（费尔南德斯 2016\），用于计算所需矿物营养补充剂的数量。

5. 4.5 再循环营养液消毒

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   为了尽量减少土壤传播病原体的风险，需要对循环营养液进行消毒（Postma 等人，2008 年）。 热处理 (Runia 等人, 1988 年) 是第一种方法. Van Os (2009 年) 概述了最重要的方法，摘要如下。 营养液的再循环为节省水和肥料创造了可能性（Van Os 1999）。 营养液再循环的最大缺点是将根传病原体扩散到整个生产系统的风险增加。 为了最大限度地减少这种风险，应先处理该解决方案，然后再使 由于并非所有此类病原体都能获得有效的杀虫剂，而且如果有的话，可能会出现抗药性，环境立法限制将含有杀虫剂（和营养物质）的水排放到环境中（欧洲议会和欧洲理事会2000 年. 此外，在 AP 系统中，使用杀虫剂会对鱼类健康产生负面影响，即使系统的水培和 AP 部分位于不同的房间内，也无法进行，因为喷洒化学品可能通过冷凝水或直接喷洒在基底上进入营养液板。 有鉴于此，可以采用生物控制方法来管理虫害疾病，可以通过欧盟 Aquaponics 中心概况介绍（欧盟 Aquaponics 中心）查阅。 与此同时，在使用与植物循环不兼容的兽药处理鱼类时，也可以观察到类似的问题。

   4.5.1 消毒方法说明

   循环营养溶液的消毒应持续进行。 所有返回的排水量（白天 10—12 小时）必须在 24 小时内处理，对于在基材种植中（石棉、尾叶、珍珠岩）的 1000 msup2/sup 的温室，每天消毒能力约为 1—3 msup3 msup3/sup 以消毒，估计需要剩余的滴灌水量为 30%灌溉番茄植物在 24 小时期间在夏季条件。 由于排水回收率各不相同，因此需要一个足够大的排放水的集水箱，在将水泵送到消毒装置之前将其储存在内。 消毒后，需要另一个水箱储存清洁的水，然后调整 EC 和 pH 值，并与新的水混合，以供给植物。 这两种罐体的平均尺寸为每 1000 毫安/苏克/苏克。 在营养膜系统（NFT）中，每天大约需要 10 msup3/sup 每日消毒。 人们普遍认为，这种能力消毒是不经济的（Ruijs，1994 年）。 DFT 需要类似的治疗。 这是 NFT 和 DFT 生产单位通常不会对营养液进行消毒的主要原因。 消毒是通过非化学或化学方法进行的，如下所示：

   4.5.1.1 非化学方法

   一般来说，这些方法不会改变溶液的化学成分，并且没有残留物的积聚：

   1. _ 热处理 _。 将排水加热到足够高的温度以消除细菌和病原体是最可靠的消毒方法。 每种类型的生物都有自己的致命温度。 非孢子形成细菌的致命温度在 40 至 60 摄氏度之间，真菌在 40 至 85 摄氏度之间，线虫在 45 至 55 摄氏度之间，病毒介于 80 至 95 摄氏度之间（鲁尼亚等人，1988 年），在 10 秒的暴露时间内，温度设定点为 95 摄氏度足以杀死大多数的生物。可能导致疾病的最短时间为 10 秒. 虽然这似乎非常耗费能源, 但应该指出的是, 能源是通过热交换器回收和再利用的. 提供廉价能源对于实际应用具有更大的重要性。

   2. _ 紫外线辐射 _。 紫外线辐射是波长在 200 至 400 纳米之间的电磁辐射。 波长介于 200 至 280 nm（UV-C）之间，最佳值为 254 nm，对微生物具有强烈的杀死作用，因为它最大限度地减少 DNA 链的繁殖。 不同的生物体需要不同的辐射水平，以达到同样的疗效水平。 鲁尼亚（1995 年）建议的剂量从 100 mj cmSup-2 /sup 用于消除细菌和真菌到 250 毫焦 cmSup-2/SUP 用于消除病毒。 需要使用这些相对较高的剂量来补偿水浊度的变化以及由于紫外灯周围的低湍流或紫外灯输出的变化而导致的能量渗透到溶液中的变化。 Zoschke 等人（2014 年）评述了 185 和 254 纳米的紫外线辐照可提供水有机污染物控制和消毒。 此外，Moriarty 等人（2018 年）报告说，AP 系统中紫外线辐射有效地灭活大肠杆菌。

   3. _ 过滤 _。 过滤可用于从营养液中去除任何未溶解物质。 相对于粒子尺寸范围，可提供各种类型的过滤器。 快速砂过滤器通常用于去除排水中的大颗粒，然后再添加、测量和控制 EC、pH 值和应用新肥料。 通过化肥单元后，通常会在水流中建立一个精细的合成过滤器（50—80 um），以去除未溶解的肥料盐或沉淀物，避免灌溉滴灌器堵塞。 这些合成过滤器也可用作热处理、臭氧处理或紫外线辐射的消毒方法的预处理。 随着过滤孔径的减小，流动受到抑制，因此除去非常小的颗粒需要充足的过滤器和高压结合，然后频繁清洗过滤器。 去除病原体需要相对较小的孔径（\ 10 μm；所谓的微滤、超滤或纳滤）。

   4.5.1.2 化学方法

   1. _ 臭氧 (氧化物 < Sub3/Sub) _. 臭氧是通过干燥空气和使用臭氧发生器（转换 3OSub2/Sub → 2OSub3/Sub）产生的。 鲁尼亚（1995 年）的结论是，臭氧供应每小时 10 克/小时，暴露时间为 1 小时 1 小时，足以消除包括病毒在内的所有病原体。 Nicoletto 等人（2017 年）也观察到，在使用臭氧管理的无土系统中，蔬菜生产中的微生物种群减少。 应避免人类暴露于系统或储罐中通风的臭氧，因为即使短时间暴露于浓度为 0.1 毫克 LSUP-1/SUP 的臭氧，也可能导致粘膜的刺激。 使用臭氧的一个缺点是它与铁螯合物发生反应，就像紫外线一样。 因此，需要更高剂量的铁，需要采取措施处理系统中的铁矿沉积问题。 最近对当代臭氧设施进行的研究（Van Os 2017）看起来很有希望，在这些研究中，完全消除病原体并分解剩余农药，而且没有安全问题。

   2. _ 过氧化氢 (HSub2) _. 过氧化氢是一种强烈、不稳定的氧化剂，可以反应形成 HSub2/SubO 和 O-自由基。 在溶液中添加了商业上所谓的活化剂，以稳定原始溶液并提高效率。 活化剂主要是甲酸或醋酸，这会降低营养液中的 pH 值。 建议使用不同的剂量（1995 年鲁尼亚），对于 ** ** SPP（0.005%），其他真菌（0.01%），例如，病毒（0.05%）。 0.05% 的浓度也对植物根部有害。 过氧化氢特别有助于清洁浇水系统，而消毒的用途已被其他方法所接管。 该方法被认为是廉价的，但效率不高。

   3. _ 次氯酸钠 (NaOCl) _. 次氯酸钠是一种具有不同商业名称（例如家用漂白剂）的化合物，浓度不同，但具有相同的化学结构 (NaOCl)。 它被广泛用于水处理，尤其是在游泳池。 该产品是相对便宜的。 当添加到水中时，次氯酸钠会分解为 HoCl 和 NaOH，并取决于 pH 值到 OCLUP-/SUP；后者分解为 Cl 和 Osup。 /sup 用于强氧化。 它直接与任何有机物质反应，如果有足够的次氯酸盐，它也与病原体发生反应。 Le Quillec 等人（2003 年）表明，次氯酸盐的耐用性取决于气候条件和相关的分解反应。 高温和接触空气会导致快速分解，其中 NacloSub3/Sub 形成具有植物毒性特性。 Runia（1995 年）表明，次氯酸盐不能有效消除病毒。 浓度为 1—5 毫克 ClLSUP-1/SUP，暴露时间为 2 小时，氯化处理实现了牛孢菌的 90— 99.9% 的减少，但一些孢子在所有浓度下都存活。 必须采取安全措施，以确保安全储存和处理。 次氯酸盐可能对一些病原体起作用，但不是所有的作用，但与此同时，在封闭的生长系统中，Nasup+/SUP 和 ClSUP 浓度增加，这也会导致降低作物生产率的水平，并在此时必须将营养液浸出。 尽管存在上述缺点，但该产品被商业操作人员使用和推荐作为一种廉价和有用的方法。

   4.5.2 化学方法与非化学方法

   种植者更喜欢具有优异性能和低成本的消毒方法。 通过消除病原体降低 99.9%（或降低对数 3），结合清晰、易于理解和可控的过程，可以描述良好的性能。 低成本最好与低投资、低维护成本以及不需要种植者作为实验室专家工作。 热处理、紫外线辐射和臭氧处理表现出良好的性能。 然而，在臭氧处理方面的投资非常高，导致年度费用很高。 热处理和紫外线辐射的年成本也很高，但投资较低，同时消除过程易于控制。 后两种方法在种植者中最受欢迎，尤其是在大于 1 公顷或 2 公顷的托儿所。 慢砂过滤性能不太完美，但年成本大大降低。 这种方法可以推荐给小于 1 公顷的生产者和投资资本较低的种植者，因为沙子过滤器可以由种植者自己建造。 次氯酸钠和过氧化氢也是廉价的方法，但性能不足以消除所有病原体。 此外，它是一种杀虫剂，而不是农药，这意味着通过法律，至少在欧盟，它是法律禁止使用它来消除病原体。

   4.5.3 生物布线和预处理

   消毒方法不是很有选择性的病原体和溶液中的其他有机材料。 因此，建议在热处理、紫外线辐射和臭氧处理之前对溶液进行预处理（快速砂过滤器或 50—80 um 机械过滤器）。 如果消毒后的化学方法残留物留在水中，它们可能会与浇水系统的管道中形成的生物膜发生反应。 如果生物膜从管道的壁上释放出来，它们将被运送到滴灌器并导致堵塞。 多种氧化方法（次氯酸钠、带活化剂的过氧化氢、二氧化氯）主要用于清洁管道和设备，这些方法会随着时间的推移而产生特殊的风险。