一種優化植物氮肥施用量的實驗系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及氮肥施用量研宄、自動化水培裝置的技術領域，尤其涉及一種優化植 物氮肥施用量的實驗系統和方法。
【背景技術】
[0002] 精細農業是現代農業的發展趨勢，精細化的按需施肥是精細農業的重要組成部 分。目前田間的施肥作業大多過量施肥，造成了環境污染、資源浪費等諸多問題，研宄植物 的按需施肥對現代農業的發展及自然環境的保護有重要意義。氮素是構成植物眾多有機質 中的一種重要元素，如何準確確定植物所需氮肥量對精細化的按需施肥有重大意義，同時 也是當前精細農業領域的研宄熱點。
[0003] 例如，申請公布號CN101743798A的專利申請提供了一種用于確定小麥精確施用 氮肥用量的方法，該方法是：氮肥用量由施氮量=輸出-土壤氮素表觀礦化量-環境養分投 入氮量_秸桿還田帶入氮量-種子帶入氮量-播前1米土層硝態氮；其中輸出包括：作物吸 氮量、收獲后土壤硝態氮殘留安全量以及土壤氮素損失；收獲后土壤硝態氮殘留安全量由 對播種地大量土壤1米土層取樣分析得出。該發明根據氮素輸入與輸出土壤植物系統的數 量應相平衡，來確定氮肥用量，從而達到精確施用氮肥，提高作物產量和氮素吸收利用。
[0004] 植物水培技術多用于植物工廠等領域，國內還鮮有將水培技術應用于優化植物氮 肥施用量的實驗系統。目前對植物氮肥施量的研宄多采用傳統實驗室方法，該方法的時間、 物質成本均較高。盡管有光譜檢測、圖像檢測等快速檢測植物氮肥實用量的方法，但都由于 較高的成本、誤差難以推廣。本發明的優化植物氮肥施用量的實驗系統和方法，對快速準確 研宄植物的氮肥施用量有重要意義，為精細農業領域的按需施肥提供有力支撐。

【發明內容】

[0005] 本發明提供了一種優化植物氮肥施用量的實驗系統和方法，該實驗系統基本實現 無人化管理，便于精確研宄實驗；該實驗方法設置若干個梯度的氮肥施用量分別進行實驗， 根據隨著氮肥施用量的增加植物體內氮素含量的變化確定優化的植物氮肥施用量。
[0006] 本發明所采用的具體技術方案如下：
[0007] -種優化植物氮肥施用量的實驗系統，包括密閉的栽培室，所述的栽培室內設有 支架，支架上放置有一個或多個培養皿，各培養皿通過兩路輸液管與為植物提供不同氮素 含量營養液的營養液循環裝置連通；
[0008] 所述栽培室還設有用于栽培室內外空氣互換的換氣裝置，以及為植物提供生長所 需光照、溫度和濕度的環境控制裝置。
[0009] 其中，所述的營養液循環裝置包括儲存含有某種氮肥的水培營養液的儲液箱和用 于調節儲液箱中營養液的ph值和EC值的調節箱，該調節箱內儲存有不含氮肥的營養濃縮 液；所述的儲液箱內設有ph值傳感器和EC值傳感器。ph值傳感器和EC值傳感器用于檢 測營養液的ph值和EC值，若某一項值不合格，則向營養液中輸入不含氮肥的營養濃縮液， 直至營養液的ph值和EC值達到合格指標位置。
[0010] 同時，所述的儲液箱經通氣管與向營養液供氧的抽氣機連通，用于將外界空氣通 入儲液箱內的營養液中，為營養液定時供氧。
[0011] 本發明中，兩路輸液管均通入所述的儲液箱，其中一路輸液管用于向培養皿輸送 營養液，另一路輸液管用于引導培養皿內的營養液回流至所述的儲液箱。一路輸液管輸送 營養液，另一路輸液管排出營養液，用于培養皿內營養液的定時更新或更換不同氮含量的 營養液。
[0012] 其中，輸送營養液的輸液管上設有營養液溫度調節器，為植物提供生長所需的營 養液溫度；回流營養液的輸液管上設有營養液消毒器，用于對回流的營養液進行消毒，利于 重復利用。且所述培養皿底部設有控制輸液管流向的單向進液閥門。
[0013] 所述的換氣裝置包括設置在栽培室側壁上的單向進氣閥門，位于單向進氣閥門相 對側的抽氣裝置和氣體過濾器，及用于檢測氣體中N含量的檢測器。外界空氣通過單向進 氣閥門進入栽培室內，室內空氣通過抽氣裝置排出，氣體過濾器用于對抽出的氣體進行過 濾，實現栽培室內外空氣的互換。
[0014] 其中，所述的環境控制裝置包括安裝在栽培室頂部的紅藍光LED燈、溫度調節器 和濕度調節器，分別用于調節栽培室內的光照、溫度和濕度；光照還可以采用自然光提供， 并相應在栽培室頂部設置透光窗。
[0015] 根據上述的試驗系統，本發明還提供了一種優化植物氮肥施用量的方法，包括以 下步驟：
[0016] 1)準備N15標記的氮素含量依次增加的多組營養液；
[0017] 2)將氮素含量較低的營養液注入儲液箱，利用營養液對各培養皿種的植物進行培 養，并定時對營養液和內部空氣進行更新；
[0018] 3)待植物生長至特定時間或生長期時，測量揮發至空氣中N質量a、培養皿的營養 液中的N質量b和植株內N質量c，算得植物施用氮肥中總的N質量m，m=a+b+c;
[0019] 4)依次更換氮素含量較高的營養液，重復步驟2)和步驟3)，得到各組營養液對應 的a、b、c和m，通過比較分析確定植物氮肥施用量。
[0020] 與傳統的實驗裝置相比，本發明的優點為：
[0021] (1)整個實驗周期極少需要人工操作，各個變量可基本實現自動化控制，可實現實 驗的便利進行；
[0022] (2)本實驗系統可以為植物生長提供適宜的生長環境，防止因植物生長狀況不合 格對實驗造成不利影響。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明一種優化植物氮肥施用量的實驗系統的結構示意圖。
[0024] 其中，1、植物栽培室；2、控制裝置；3、氣體中N15含量檢測器；4、紅藍光LED燈；5、 溫度調節器；6、濕度調節器；7、單向進氣閥門；8、抽氣機；9、通氣管；10、氣體過濾器；11、 帶有底座的立柱；12、帶有雙通液管管的支架；13、培養皿；14、單向進液閥門；15、儲液箱； 16、ph值傳感器；17、EC值傳感器；18、液泵；19、營養液溫度調節器；20、輸液管；21、可控閥 門；22、輸液管；23、營養液消毒器；24、液泵；25、調節箱；26、液泵；27、輸液管；28、抽氣機； 29、通氣管；30、液晶顯不屏；31、鍵盤。
【具體實施方式】
[0025] 如圖1所示，一種優化植物氮肥施用量的實驗系統，包括全封閉不透光的植物栽 培室1、帶有底座的立柱11、帶有雙通輸液管的支架12、培養皿13、紅藍光LED燈4、溫度調 節器5、濕度調節器6、換氣裝置、營養液循環系統、帶有液晶顯示屏30和鍵盤31的控制裝 置。
[0026] 其中，帶有雙通液管的支架呈十字型，內有雙路輸液管分別在十字中心附近交匯， 雙路輸液管的另一端在十字型支架的四個端末和培養皿連接。培養皿底部設有單向進液閥 門，內部盛有陶粒砂來固定植株。
[0027] 換氣裝置包括單向進氣閥門、抽氣機、通氣管、氣體中N15含量檢測器及氣體過濾 器。
[0028]營養液循環系統包括：儲存含有某種氮肥的水培營養液的儲液箱，用于調節儲液 箱中營養液的ph值和EC值的調節箱，用于連接儲液箱至培養皿、培養皿至儲液箱、調節箱 至儲液箱的三條輸液管。
[0029] 本實施例中，氮肥中的氮元素用N15標記，儲