[发明专利]一种优化植物氮肥施用量的实验系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及氮肥施用量研究、自动化水培装置的技术领域，尤其涉及一种优化植物氮肥施用量的实验系统和方法。

背景技术

精细农业是现代农业的发展趋势，精细化的按需施肥是精细农业的重要组成部分。目前田间的施肥作业大多过量施肥，造成了环境污染、资源浪费等诸多问题，研究植物的按需施肥对现代农业的发展及自然环境的保护有重要意义。氮素是构成植物众多有机质中的一种重要元素，如何准确确定植物所需氮肥量对精细化的按需施肥有重大意义，同时也是当前精细农业领域的研究热点。

例如，申请公布号CN101743798A的专利申请提供了一种用于确定小麦精确施用氮肥用量的方法，该方法是：氮肥用量由施氮量＝输出-土壤氮素表观矿化量-环境养分投入氮量-秸秆还田带入氮量-种子带入氮量-播前1米土层硝态氮；其中输出包括：作物吸氮量、收获后土壤硝态氮残留安全量以及土壤氮素损失；收获后土壤硝态氮残留安全量由对播种地大量土壤1米土层取样分析得出。该发明根据氮素输入与输出土壤植物系统的数量应相平衡，来确定氮肥用量，从而达到精确施用氮肥，提高作物产量和氮素吸收利用。

植物水培技术多用于植物工厂等领域，国内还鲜有将水培技术应用于优化植物氮肥施用量的实验系统。目前对植物氮肥施量的研究多采用传统实验室方法，该方法的时间、物质成本均较高。尽管有光谱检测、图像检测等快速检测植物氮肥实用量的方法，但都由于较高的成本、误差难以推广。本发明的优化植物氮肥施用量的实验系统和方法，对快速准确研究植物的氮肥施用量有重要意义，为精细农业领域的按需施肥提供有力支撑。

发明内容

本发明提供了一种优化植物氮肥施用量的实验系统和方法，该实验系统基本实现无人化管理，便于精确研究实验；该实验方法设置若干个梯度的氮肥施用量分别进行实验，根据随着氮肥施用量的增加植物体内氮素含量的变化确定优化的植物氮肥施用量。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种优化植物氮肥施用量的实验系统，包括密闭的栽培室，所述的栽培室内设有支架，支架上放置有一个或多个培养皿，各培养皿通过两路输液管与为植物提供不同氮素含量营养液的营养液循环装置连通；

所述栽培室还设有用于栽培室内外空气互换的换气装置，以及为植物提供生长所需光照、温度和湿度的环境控制装置。

其中，所述的营养液循环装置包括储存含有某种氮肥的水培营养液的储液箱和用于调节储液箱中营养液的ph值和EC值的调节箱，该调节箱内储存有不含氮肥的营养浓缩液；所述的储液箱内设有ph值传感器和EC值传感器。ph值传感器和EC值传感器用于检测营养液的ph值和EC值，若某一项值不合格，则向营养液中输入不含氮肥的营养浓缩液，直至营养液的ph值和EC值达到合格指标位置。

同时，所述的储液箱经通气管与向营养液供氧的抽气机连通，用于将外界空气通入储液箱内的营养液中，为营养液定时供氧。

本发明中，两路输液管均通入所述的储液箱，其中一路输液管用于向培养皿输送营养液，另一路输液管用于引导培养皿内的营养液回流至所述的储液箱。一路输液管输送营养液，另一路输液管排出营养液，用于培养皿内营养液的定时更新或更换不同氮含量的营养液。

其中，输送营养液的输液管上设有营养液温度调节器，为植物提供生长所需的营养液温度；回流营养液的输液管上设有营养液消毒器，用于对回流的营养液进行消毒，利于重复利用。且所述培养皿底部设有控制输液管流向的单向进液阀门。

所述的换气装置包括设置在栽培室侧壁上的单向进气阀门，位于单向进气阀门相对侧的抽气装置和气体过滤器，及用于检测气体中N含量的检测器。外界空气通过单向进气阀门进入栽培室内，室内空气通过抽气装置排出，气体过滤器用于对抽出的气体进行过滤，实现栽培室内外空气的互换。

其中，所述的环境控制装置包括安装在栽培室顶部的红蓝光LED灯、温度调节器和湿度调节器，分别用于调节栽培室内的光照、温度和湿度；光照还可以采用自然光提供，并相应在栽培室顶部设置透光窗。

根据上述的试验系统，本发明还提供了一种优化植物氮肥施用量的方法，包括以下步骤：

1)准备N₁₅标记的氮素含量依次增加的多组营养液；

2)将氮素含量较低的营养液注入储液箱，利用营养液对各培养皿种的植物进行培养，并定时对营养液和内部空气进行更新；

3)待植物生长至特定时间或生长期时，测量挥发至空气中N质量a、培养皿的营养液中的N质量b和植株内N质量c，算得植物施用氮肥中总的N质量m，m＝a+b+c；