植物生長系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及植物在包含人工基質(zhì)的水培生長體系中的生長。尤其地但不限于，本發(fā)明涉及用于監(jiān)控植物生長條件的體系和方法，更特別是礦物棉基質(zhì)用于植物生長時的植物生長條件。
【背景技術(shù)】
[0002]本領(lǐng)域已知水培生長體系用于在不含土壤的礦物營養(yǎng)液中種植植物(即無土培養(yǎng))的目的。水培生長系統(tǒng)中的植物可以在不同類型的基質(zhì)中生長，例如礦物棉、玻璃棉、椰糠(椰殼纖維)或泥炭板。
[0003]已知的是，植物可在礦物棉生長基質(zhì)中生長。這種生長基質(zhì)通常以連貫的插塞(plug)、塊體(block)、板或墊/毯的形式提供，并且一般包含粘結(jié)劑(通常為有機粘結(jié)劑)以提供產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的整體性。
[0004]通常，植物生長過程分為兩個階段來管理:由“播種者(propagator) ”管理的第一階段，在該階段中，植物由種子開始生長；以及由“栽培者(grower) ”管理的第二階段，在該階段中，維持植物的生長并進行收割。例如，在番茄種植的情況中，播種者可將每個番茄種子播種于厚度為25-30mm且半徑為約20_30mm的圓柱狀插塞中。在種子發(fā)芽之后，播種者將插塞置于立方塊體中，以使根系和植株繼續(xù)生長。然后培育位于塊體中的各植株，直至可將其由播種者移至栽培者的階段。
[0005]盡管通常每個塊體中僅放置單個植株，但是也可在每個塊體中放置多個植株。在一些實例中，通過在生長的初期將莖劈開而將塊體中的單個植株一分為二，從而得到了共用一個根系的兩個植株。在另一實例中，可將多個植株嫁接在一起并在一個塊體中生長。
[0006]播種者使用單獨的插塞和塊體并非對所有植株而言都是必須的，但是在(例如)歐洲專利申請EP2111746中描述了該做法可提供數(shù)個優(yōu)點。具體而言，插塞的小尺寸使得能夠在初始階段對植物進行更為規(guī)律的灌溉，而不會使基質(zhì)飽和。
[0007]在栽培者由播種者獲得塊體之后，栽培者將數(shù)個塊體置于一個礦物棉板上，以形成植物生長系統(tǒng)。除了礦物棉板中位于上表面的開口(其用于接收種有植株的塊體)以及設(shè)于下表面的排水孔以外，礦物棉板的其他部分通常被包在金屬箔或其他隔水層內(nèi)。
[0008]在接下來的植株生長過程中，利用滴頭(dripper)提供水和營養(yǎng)物，其中滴頭將含有水和營養(yǎng)物的液體通過直接輸送至塊體或者輸送至板中的方式到達(dá)系統(tǒng)。植株通過根部吸收塊體和板中的水和營養(yǎng)物，并由此進行生長。未被植株吸收的水和營養(yǎng)物保存在基質(zhì)體系中，或者通過排水孔被排出。
[0009]希望在生長過程中盡可能有效地利用水和營養(yǎng)物。這是出于成本以及環(huán)保的原因。具體而言，營養(yǎng)物的獲得價格高，而含有這種營養(yǎng)物的廢水因為環(huán)境法規(guī)而難以處理。隨著原料(尤其是磷酸鹽等肥料)變得更為稀少，這些壓力將會增加。人們期望改善植物生長條件，并由此通過該方式提高由植株獲得的果實的產(chǎn)量和質(zhì)量，這與避免這種浪費的期望是一致的。
[0010]與常規(guī)的基于土壤的生長方法相比，使用礦物棉本身提供了這方面的極大益處，但在進一步改善這些特性方面存在持續(xù)的需求。具體而言，在植物生長過程中收獲更多且消耗更少這兩方面存在矛盾的期望。即，人們期望植物的產(chǎn)量更高，同時降低水和/或營養(yǎng)物的用量。在實際中，現(xiàn)有的生長方法和/或基質(zhì)在這兩方面的均有局限性。
[0011]在此方面中，植物生長系統(tǒng)的重要品質(zhì)包括其保水性、再飽和性、以及水/營養(yǎng)物分布。保水性反映了該系統(tǒng)可保持的水量，水的分布反映了水和營養(yǎng)物在板中所處的位置。再飽和性是指新添加溶液提高基質(zhì)的水和營養(yǎng)物水平、而非替換現(xiàn)有溶液或溢出的趨勢。
[0012]影響保水性、水分布和再飽和性的具體考慮要素包括:重力作用，其趨向于將水向下引導(dǎo)并由此引向排水孔；以及毛細(xì)管作用，其能將水向上吸引。在實際中，板通常置于略微傾斜的斜面上，其排水孔位于底面的最下端，這有助于確保重力將水引向排水孔。除了重力作用和毛細(xì)管作用之外，還應(yīng)當(dāng)考慮介質(zhì)的流動阻力，其具有防止水由滴頭通過板直至排水孔的作用。總之，如果要優(yōu)化根莖和植物生長，則需要確保在生長根莖的基質(zhì)區(qū)域中實現(xiàn)最優(yōu)條件。
[0013]如人們所預(yù)料的，基質(zhì)的非最優(yōu)(sub-optimal)保水性會導(dǎo)致水不足或者水過剩。在水不足的情況中，這會造成水通過排水孔而損失，從而造成浪費。水分布也是重要的，這是因為板中的水需要達(dá)到植物根部。例如，當(dāng)剛剛將植株置于板上時，根部會緩慢地伸入板的上部區(qū)域中。如果水不能到達(dá)根部，則會造成生長速度的損失，從而使產(chǎn)量受損。具體而言，為了確保位于板的上部區(qū)域中的植株根部充分地被水灌溉，則需要栽培者向板提供過量的水以維持根部周圍存在充足的水，這造成更多的廢液通過排水孔并造成額外的成本。一方面，水量過多還會造成真菌生長，或者另一方面造成氧損耗，這會損害植株。
[0014]植物生長中的重要因素是營養(yǎng)物的保持和分布。盡管通常將營養(yǎng)物和水一同引入，但是它們并非一定通過相同的方式分布并保持于板中。營養(yǎng)物通常包括含有氮、磷、鉀、鈣、鎂和類似元素的溶解鹽。營養(yǎng)物溶解于水中，并且其移動通過板受到平流(advect1n)、分散和擴散等過程的影響。平流是營養(yǎng)物與水流一同通過板的運動，分散是當(dāng)營養(yǎng)物通過板中的復(fù)合孔結(jié)構(gòu)而發(fā)生的營養(yǎng)物的混合，擴散涉及顆粒在板中的無規(guī)運動，其統(tǒng)計學(xué)趨勢會降低濃度梯度。
[0015]與水本身一樣，營養(yǎng)物達(dá)到植物根部是非常重要的。如果營養(yǎng)物分布不均，或者營養(yǎng)物由板處發(fā)生損失，那么板作為整體則需要過量的營養(yǎng)物以使植株獲得所需營養(yǎng)物。這當(dāng)然會造成營養(yǎng)物浪費。
[0016]對于人工基質(zhì)而言，影響植物生長的另一考慮因素是營養(yǎng)物的更新效率(S卩，更新營養(yǎng)物的灌溉效率)。這涉及到所引入的新鮮營養(yǎng)物溶液是否會將板內(nèi)的已有營養(yǎng)物沖走。在一些情況中，可能會期望在生長過程中改變板內(nèi)的營養(yǎng)物濃度。實現(xiàn)這一目的的能力取決于是否能夠有效地取代整個板內(nèi)的已有營養(yǎng)物、或者至少取代板內(nèi)進行根莖生長的區(qū)域中的已有營養(yǎng)物。此外，在一些實例中，如果營養(yǎng)物未被取代，則營養(yǎng)物的累積會達(dá)到造成脫水的程度、或者至少達(dá)到對于植株生長不理想的程度。
[0017]鑒于此，已經(jīng)認(rèn)識到在植物生長中，向植物提供的水和營養(yǎng)物的量起到了關(guān)鍵作用。通常是通過分析外界因素(例如光照時間或溫度)并推斷該系統(tǒng)的可能行為(蒸發(fā)方面的行為等)，從而做出水和營養(yǎng)物的量的選擇。
[0018]測量植物生長基質(zhì)中的水和/或營養(yǎng)物的含量是已知的。例如，國際專利申請W02010/031773描述了通過電容的測量從而確定礦物棉基質(zhì)中的水含量的水含量測量裝置。類似地，國際專利申請WO 03/005807描述了植物生長基質(zhì)中的水的氧含量的測量方法。然而，盡管這些技術(shù)能夠向栽培者提供有用的信息，但是這些技術(shù)本身無法確保改善板內(nèi)的水、營養(yǎng)物和氧的含量和分布。此外，實施這樣的系統(tǒng)要求用戶以相對高的費用安裝多個昂貴的組件，為了節(jié)約用于測量多個區(qū)域或生長系統(tǒng)的成本而對這些系統(tǒng)進行重新布置可能是耗時的且勞動強度大的。
[0019]美國專利申請US 4015366描述了設(shè)置在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中具有傳感器的有線傳感和流體輸送系統(tǒng)。所述傳感器測量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的土壤中硝酸鹽、磷酸鹽、或鉀的量，以確定土壤中這些成分中的一個或多個的量是否足夠?；趥鞲衅鞯淖x數(shù)，可以激活營養(yǎng)物配送周期。美國專利申請US 2007/082600描述了包含傳感器和探針的手持裝置，其用于測量和顯示氣候和/或土壤參數(shù)。雖然這樣的系統(tǒng)和設(shè)備可以提供有關(guān)耕種土壤組成的有用信息，并且可以有助于土壤的灌溉自動化，但它沒有提供有效管理水培生長系統(tǒng)(如礦物棉基質(zhì))中水分和水分/營養(yǎng)物分布的解決方案。
[0020]對于改善用戶在水培生長系統(tǒng)中植物生長期間用于植物灌溉管理的系統(tǒng)存在持續(xù)的要求。水培系統(tǒng)中的基質(zhì)往往具有固定的體積，這不同于土壤和土壤中的輸送，水可以在其中向任何方向蔓延至無限的基質(zhì)體積。由于現(xiàn)有技術(shù)既無法對生長條件提供恰當(dāng)靈活的監(jiān)測和控制，也不能提供足夠準(zhǔn)確且可調(diào)節(jié)的響應(yīng)策略，因此常常會導(dǎo)致水和/或營養(yǎng)物的損失和/或過度供應(yīng)；而且現(xiàn)有系統(tǒng)的重新配置是勞動強大的，并且會因為分別和單獨地重新配置系統(tǒng)中的各個組件所涉及的諸多步驟而導(dǎo)致錯誤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種用于控制植物生長條件的系統(tǒng)，其包括:
[0022]至少一個檢測器；以及
[0023]中央檢測器數(shù)據(jù)處理裝置；
[0024]所述檢測器或每個檢測器被配置成測量表征植物生長基質(zhì)的溫度、水含量和營養(yǎng)物含量的一個或多個屬性；
[0025]所述檢測器或每個檢測器還被配置成通過通信線路向所述中央檢測器數(shù)據(jù)處理裝置傳送檢測器識別符和一個或多個屬性的測量值；
[0026]所述中央檢測器數(shù)據(jù)處理裝置被配置為:
[0027]將預(yù)定義的灌溉數(shù)據(jù)保存在存儲器中，所述預(yù)定義的灌溉數(shù)據(jù)定義以下二者之間的關(guān)系:
[0028]用于表征所述基質(zhì)的溫度、pH值、水含量和/或營養(yǎng)物含量中的一者或多者的多個數(shù)值；和
[0029]多個所需的灌溉輸出值；
[0030]處理接收自每個檢測器的屬性測量值，以確定所述基質(zhì)的屬性計算值；以及
[0031]基于接收自一個或多個所述檢測器的屬性計算值和所述預(yù)定義的灌溉數(shù)據(jù)提供輸出，所述輸出表示所述生長基質(zhì)所需的灌溉輸入。將測得的屬性傳輸至中央處理裝置，用于轉(zhuǎn)換和創(chuàng)建表征基質(zhì)所需灌溉輸入的輸出，從而能夠更靈活和更精確地控制生長條件，其可以根據(jù)新的數(shù)據(jù)或者其它影響因素(例如，環(huán)境因素或者系統(tǒng)中所用的植物或基質(zhì)或其它材料的改變)容易地和集中地重新配置。所述系統(tǒng)可以使用一個或多個檢測器，優(yōu)選的實施方式可以包括3至5個檢測器。有利的是，所述系統(tǒng)可以無線設(shè)置在監(jiān)測區(qū)域，這將在下文中進行更詳細(xì)的描述。
[0032]因此，與單個因素水平相反，本發(fā)明使用表征溫度(即，根溫度)、水含量和營養(yǎng)物含量的屬性確定(例如)基質(zhì)中流體的電導(dǎo)率，從而準(zhǔn)確地確定人工基質(zhì)中的營養(yǎng)物的含量。因此，與現(xiàn)有的系統(tǒng)不同，本發(fā)明提供了一種具體針對水培系統(tǒng)的無土栽培中水資源浪費問題的解決方案。如上所述，水培系統(tǒng)中的基質(zhì)往往具有固定的水容積，這不同于土壤和土壤中的輸送，水可以在其中向任何方向蔓延至無限的基質(zhì)體積。水培系統(tǒng)的固定水容積通常為約每平方米1至30升，最常見的是每平方米4至15升。對于每株植物，固定水容積通常介于1.5至10升。與植物在土壤中的生根區(qū)域相比，水培系統(tǒng)的固定水容積也相當(dāng)小。
[0033]水培系統(tǒng)的無土基質(zhì)可以位于土壤、水槽、移動工作臺等的上方。相對較小的水體積與無土栽培相結(jié)合，使得種植者能夠收集過量的水，對水進行消毒并重復(fù)將水用于新的營養(yǎng)液。排出的水量是比較少的(例如，夏天每公頃20-60m3)。對于現(xiàn)有的消毒系統(tǒng)(使用諸如專用于此目的的栗)，所收集的排出水通常能夠在24小時之內(nèi)消毒，因此可以為第二天的使用做好準(zhǔn)備。
[0034]人工基質(zhì)中，例如，植物對于吸收水分施加的吸入壓力通常在pF 0至2的范圍內(nèi)，最常見介于PF 0至1.5之間。雖然該范圍內(nèi)植物的