一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置的制作方法

本发明涉及无土栽培技术领域，更具体地，涉及一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置和精确控制植物根系温度的方法。

背景技术：

水耕栽培(hydroponicculture)又可称为无土栽培或养液栽培，就是利用适当的设施及介质，将植物所需的养液及空气供应于其根部，因而无需使用土壤的科学栽培方法。近代环境的变迁剧烈，以往关于节气及气象的相关经验，已无法有效地适用于今日的气候，农业因而大受影响。人口激增，而土壤有使用效期/期限，要维持土壤中所供给植物生长的养分，必须进行休耕或轮作，但这将令世界各地都会面临到粮食短缺的情形。因此，利用温室栽培植物已逐渐成为现代农业的重点项目。温室中也有利用地面原来土壤以栽培的方式，可以节省设施的费用。然而，由于土壤的养分很难控制，故一般温室中已倾向于采用无需依赖土壤，其所需的水分及培养液则由人工调配的水耕栽培法。

在水耕栽培研究过程中发现，植物根系温度对植物根系水分、养分的吸收以及植物生产有显著的关联，合理的根系温度不仅能够促进植物生长，提高植物的产量，而且在冬季植物生产中，能显著降低植物生产的加温成本。

有国外研究表明，在冬季夜间气温为9℃和5℃、地温为25℃的条件下栽培番茄，可以分别节约能源20％和30％，而且产量不会降低(vander，2005)。由于根系土壤不与外界空气直接接触，其热量散失途径较长，热量损失较小，周年温度变化较小。因此，在植物栽培中，根系温度的控制比空气温度的控制更显重要。

目前，植物栽培根系温度的控制方法主要是通过在植物根系区域埋设地热线的方式加热，然后通过连接温控器，可以加热地温来提高根系温度，但这种方式无法主动降低根系温度，加温均匀度很差，也不利于植物栽培耕作；另外还用电热棒加温营养液灌溉的方式，这种方式在植物水培中应用较多，加热效果较好，但容易导致营养液变性，电热棒上容易腐蚀与积累水垢。

在中国专利cn201010132166.0中提供了一种根系控温装置，利用在外箱体内设置无盖的内箱体，并在内箱体和外箱体之间的间层设有隔热材料，通过在间层填充不同的隔热和填充材料来控制根系温度，并利用内衬隔热膜很好的解决了内外温差产生凝结水问题，以保证隔热材料的保温效果。该专利虽然解决了电热棒容易腐蚀的问题，但是其仍然无法解决植物根系降温的技术问题。

而一旦植物根系温度较高，高温的植物根系使得根系呼吸作用加剧，不利于植物的生长。因此，设计一种结构简单、使用方便、并可精准控制植物根系温度的装置成为水耕栽培所急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种可精确控制植物根系温度的栽培装置和精确控制植物根系温度的方法，以解决现有栽培中无法对植物根系进行精确均匀的温度控制及灌溉施肥导致植物根系温度波动的缺陷。

根据本发明的一个方面，提供一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，其特征在于，其包括：用于栽培植物的栽培槽、用于存储营养液并可进行水温调节的营养液池，所述的营养液池内置一水泵，所述的水泵通过一供液管与所述的栽培槽相连通，并在所述的栽培槽底部设有一回液管，所述的回液管与所述的营养液池相连通。

在上述方案基础上优选，所述的营养液池包括池体和设置在所述池体上的冷热交换管路，所述的冷热交换管路与一恒温冷热水机相连。

在上述方案基础上优选，所述的营养液池内设有一用于获取营养液温度的温度感应器。

在上述方案基础上优选，所述的栽培槽内还设有一用于控制营养液水位的液位控制器。

在上述方案基础上优选，所述的栽培槽内设有一用于采集根系温度的温度传感器。

在上述方案基础上优选，其还包括一控制器，所述的温度感应器和温度传感器获取温度数据，并将其发送至所述控制器，所述的控制器通过调节所述恒温冷热水机、水泵及液位控制器，用以调节所述的栽培槽内营养液温度及水位。

在上述方案基础上优选，所述的冷热交换管路设置在所述的池体内侧面，并在所述的冷热交换管路表面设有一防渗膜。

在上述方案基础上优选，所述的池体由导热材料所构成，且所述的冷热交换管路设置在所述的池体外侧面。

在上述方案基础上优选，所述的营养液池是由冷热交换管路所围设而成，所述的冷热交换管路与一恒温冷热水机相连。

在上述方案基础上优选，所述的恒温冷热水机由两个以上的恒温冷热子机并联而成。

在上述方案基础上优选，所述栽培槽中设有定植盆，且该定植盆装设用于固定植物根系的基质。

本发明还提供了一种精确控制植物根系温度的方法，其特征在于：其包括以下步骤，

a1.根据目标栽培植物所需的根系温度，调节营养液池内营养液的温度至目标温度，获取一定温度的营养液；

a2.将获取的营养液输送至栽培槽内，以改变栽培槽内目标栽培植物根系温度。

在上述方案基础上优选，当需要目标栽培植物的根系温度低于室温时，调节营养液池内营养液的温度至低于目标栽培植物所需根系温度的3-5度，可显著节约根系温度达到目标值时间。

在上述方案基础上优选，当需要目标栽培植物的根系温度高于室温时，调节营养液池内营养液的温度至高于目标栽培植物所需根系温度的3-5度，可显著节约根系温度达到目标值时间。

本申请提出一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，将可进行温度调节的营养液池与用于栽培植物的栽培槽相连通，利用加热或降温的方式改变营养液池内的营养液温度，然后，将营养液导入栽培槽中，利用营养液与植物根系直接接触，以达到调节植物根系温度的目的，以提供一种快速改变根系温度的方法。

本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，其结构简单、制造成本低廉、布置方便且控制精准，方便植物栽培与管理。与传统采用埋设地热线和电棒加热方式相比较，由于营养液直接与根系接触进行热量交换，热量交换效率搞，因此，可大幅度降低植物生产中空气加降温的能耗，同时又保证了植物养分的均匀与稳定供应。且本发明采用密闭式的栽培环境，避免了土壤根系加温中土传病虫害高发的影响，根系温度以及营养液浓度可控性强，生产操作方便，有利于植物提产节能生产，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置的结构示意图；

图2为本发明的栽培槽第一种实施例的结构示意图；

图3为本发明的栽培槽第二种实施例的结构示意图

图4为本发明的根系固定网的结构示意图；

图5为本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置的另一种结构示意图；

图6为本发明的实验组与对照组的番茄产量对比示意图；；

图7为本发明的冬茬番茄晴天时基质与营养液温度的分布示意图；

图8为本发明的冬茬番茄晴天时基质与营养液温度的分布示意图；

图9为本发明的冬茬加温番茄晴天时基质与营养液温度的分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

请参阅图1所示，本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，其包括栽培槽10和营养液池20，其中，栽培槽10内用于栽培植物，营养液池20用于存储营养液。

本发明的营养液池20可进行水温调节，以改变营养液池20内的营养液温度，并在营养液池20内设置一水泵21，水泵21输出端通过一供液管22与栽培槽10相连通，为栽培槽10提供植物所需营养液。并在栽培槽10底部装设一用于回收营养液的回液管23，回液管23的输出端连接至营养液池20。

使用时，在栽培槽10内栽培植物，并根据所栽种的植物和环境，通过调节营养液池20的温度，以调节存储在营养液池20内的营养液温度，然后，将营养液通过供液管22输送至栽培槽10内，使栽培植物的根系与营养液直接接触，一方面为所栽培的植物提供生长所需营养液，另一方面，利用营养液的温度为植物根系提供相应的温度，以达到其最佳生长状态的温度，保证植物生长。

如图2和图3所示，本发明的栽培槽10可以是长条形的，并由防水或铺有防渗膜26的泡沫槽或砖槽所构成，并在栽培槽10中均匀设置一定数量的定植盆11，通过在定植盆11中装设一定量的基质12，用以栽培植物。配合在栽培槽10底部装设营养液，以为栽培植物提供一定的养料。

本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，与传统采用埋设地热线和电棒加热方式相比较，由于营养液直接与根系接触进行热量交换，热量交换效率搞，因此，可大幅度降低植物生产中空气加降温的能耗，同时又保证了植物养分的均匀与稳定供应。

实施例二

请参阅图1和图2所示，本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，其包括栽培槽10和营养液池20，其中，栽培槽10内用于栽培植物，营养液池20用于存储营养液。营养液池20内置一水泵21，并将水泵21输出端通过供液管22与栽培槽10相连通为栽培槽10提供植物所需营养液，优选的，在该供液管22上设有一流量控制阀28，以实现对营养液输入的控制，防止栽培槽10内营养液过剩，影响其吸收。栽培槽10底部设置一回液管23与营养液池20相连通，以达到回收营养液的目的。

其中，本实施例中的营养液池20包括池体24和设置在该池体24上的冷热交换管路25，冷热交换管路25与恒温冷热水机27相连。使用时，通过恒温冷热水机27向冷热交换管路25中提供一定温度的热水或冷水，以改变池体24中的营养液温度。采用恒温冷热水机27，以实现营养液池20内水温的调节，其成本低廉、使用方便快捷。

实施例三

请参阅图1和图2所示，本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，其包括栽培槽10和营养液池20，其中，栽培槽10内用于栽培植物，营养液池20用于存储营养液。营养液池20内置一水泵21，并将水泵21输出端与栽培槽10相连通为栽培槽10提供植物所需营养液。栽培槽10底部设置一回液管23与营养液池20相连通，以达到回收营养液的目的。

本实施例中的营养液池20包括池体24和设置在该池体24上的冷热交换管路25，营养液池20包括池体24和设置在所述池体24上的冷热交换管路25，所述的冷热交换管路25与一恒温冷热水机27相连。

其中，冷热交换管路25设置在池体24内侧面，使冷热交换管路25中的水体温度直接与池体24内营养液直接进行温度交换，以提高其热量交换效率，提高其加热速度。为了避免营养液对冷热交换管产生腐蚀，本实施例在冷热交换管路25表面设有一防渗膜26，该防渗膜26可以隔断营养液与冷热交换管之间的接触，但是不影响其热量传导。即保证了热量交换效率的同时，有效保护了冷热交换管不被腐蚀。

实施例四

请参阅图1和图2所示，本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，其包括栽培槽10和营养液池20，其中，栽培槽10内用于栽培植物，营养液池20用于存储营养液。营养液池20内置一水泵21，并将水泵21输出端与栽培槽10相连通为栽培槽10提供植物所需营养液。栽培槽10底部设置一回液管23与营养液池20相连通，以达到回收营养液的目的。

本实施例中的营养液池20包括池体24和设置在该池体24上的冷热交换管路25，营养液池20包括池体24和设置在所述池体24上的冷热交换管路25，所述的冷热交换管路25与一恒温冷热水机27相连。

其中，池体24由导热材料所构成，且冷热交换管路25设置在池体24外侧面。即利用恒温冷热水机27向冷热交换管内供入冷热水，冷热水的热量经冷水水管路传递至池体24上，利用池体24以实现其对营养液的加热或降温。

实施例五

请参阅图1和图2所示，本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，其包括栽培槽10和营养液池20，其中，栽培槽10内用于栽培植物，营养液池20用于存储营养液。营养液池20内置一水泵21，并将水泵21输出端与栽培槽10相连通为栽培槽10提供植物所需营养液。栽培槽10底部设置一回液管23与营养液池20相连通，以达到回收营养液的目的。

本实施例中的营养液池20包括池体24和设置在该池体24上的冷热交换管路25，营养液池20是由冷热交换管路25所围设而成，冷热交换管路25与一恒温冷热水机27相连。使用时，冷热交换管路25中水体的温度直接经冷热交换管体传递至营养液池20中，以实现对营养液池20中营养液的加热或降温。其结构简单、加工成本更加低廉。

实施例六

请参阅图1和图2所示，本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，其包括栽培槽10和营养液池20，其中，栽培槽10内用于栽培植物，营养液池20用于存储营养液。营养液池20内置一水泵21，并将水泵21输出端与栽培槽10相连通为栽培槽10提供植物所需营养液。栽培槽10底部设置一回液管23与营养液池20相连通，以达到回收营养液的目的。

其中，本实施例中的营养液池20包括池体24和设置在该池体24上的冷热交换管路25，冷热交换管路25与恒温冷热水机27相连。

本实施例在营养液池20内设有一温度感应器31，用于感应营养液池20中营养液的温度，以确保栽培槽10中营养液温度的准确性，以防止提供过高温度或过低温度的营养液，从而造成对植物根系的损伤，并在该营养液池20内设置一液位计36以检测营养液池20中营养液水位。配合在栽培槽10内设有一用于感知栽培槽10内温度的温度传感器33

本实施例还在该栽培槽10内还设有一用于控制营养液水位的液位控制器32，该液位控制器32一端通过回液管23与营养液相连通，并在供液管22上设置一流量控制阀28。

为了实现本发明的智能化控制，本实施例还包括一控制器30，温度传感器33、温度感应器31、液位控制器32、流量控制阀28、水泵21和恒温冷热水机27分别与控制器30电性相连，控制器30由一电源34提供其工作电压。

使用时，控制器30控制恒温冷热水机27产生一定温度的水，并输送至冷热交换管内，以改变营养液池20内的营养液温度，并利用温度感应器31检测营养液池20内营养液的温度发送至控制器30，当营养液达到所需温度，控制驱动水泵21工作，将营养液输送到栽培槽10中，利用栽培槽10中的温度传感器33，获取植物根系的温度，当根系温度较低时，可通过控制恒温冷热水机27提高营养液温度，反之亦然，以实现其自动化智能控制栽培槽10内根系温度。从而，实现营养液池20及根系温度的反馈调节控制，以准确控制根系温度。

实施例七

请参阅图1和图2所示，本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，其包括栽培槽10和营养液池20，其中，栽培槽10内用于栽培植物，营养液池20用于存储营养液。营养液池20内置一水泵21，并将水泵21输出端与栽培槽10相连通为栽培槽10提供植物所需营养液。栽培槽10底部设置一回液管23与营养液池20相连通，以达到回收营养液的目的。

其中，本实施例中的营养液池20包括池体24和设置在该池体24上的冷热交换管路25，冷热交换管路25与恒温冷热水机27相连。

为了实现其对营养液池20内营养液以及栽培内植物根系温度达到不同温度连续自动控制，本实施例中的恒温冷热水机27由两个以上的恒温冷热子机并联而成，并将每一个恒温冷热子机连接在一个接触开关35上，控制器30与接触开关35相连。使用时，可通过设定每个循环式恒温冷热水机27的水温，使营养液池20以及栽培内根系温度达到不同温度连续自动控制，以达到设置作物根系温度变换曲线升温的目的。具体结构见图5所示。

本发明还提供了一种精确控制植物根系温度的方法，其特征在于：其包括以下步骤，

a1.根据目标栽培植物所需的根系温度，调节营养液池20内营养液的温度至目标温度，获取一定温度的营养液。

a2.将获取的营养液输送至栽培槽10内，以改变栽培槽10内目标栽培植物根系温度。

为了进一步缩短温度控制时间，提高温控效果。当需要目标栽培植物的根系温度低于室温时，调节营养液池20内营养液的温度至低于目标栽培植物所需根系温度的3-5度；当需要目标栽培植物的根系温度高于室温时，调节营养液池20内营养液的温度至高于目标栽培植物所需根系温度的3-5度。

为了证实本发明的技术效果，在宁夏园艺产业园科研温室内进行了试验，将本发明的用于植物根系温度精确控制的栽培装置，用来栽培番茄进行试验。

实验组，采用泡沫材质的栽培槽10以增加栽培槽10其保温性，在实验组中在栽培槽10上放置有基质的定植盆11，不仅可实现了对栽培槽内植物根系温度的保温作用，而且还避免了传统需采用固定的工序，缩减了栽培流程，提高了栽培效率，具体结构见如图2所示。营养液池20的池体24周围采用钛管制作而成冷热交换管路25进行换热加温，以确保根系温度处于目标温度范围内。在栽培槽10内分别种植京丹红1号、f-189和红太子1801三种不同品种的番茄，并分别统计三种不同番茄在进行根系温度控制后的产品。

对照实验组，采用泡沫材质的栽培槽10以增加栽培槽10其透气性，并在栽培槽10内设置有装有基质12的基质袋以期固定根系，并利用营养液池20为栽培槽10提供营养液，唯一与实验组不同的是，对照实验组的营养液池20内的营养液温度不发生变化。在栽培槽10内分别种植京丹红1号、f-189和红太子1801三种不同品种的番茄，并分别统计三种不同番茄在进行根系温度控制后的产品。

将对照实验组和实验组中的所收获的三种不同品种番茄的产量进行比较，如图6所示，可以看出，进行根系温度控制番茄的产量要明显高于无根系温度控制的番茄产量。因此，通过营养液池20加温能显著提高冬茬番茄产量，具有很好的推广价值。

为了进一步确定根系温度与营养液池20中营养液之间的温度关系，本发明对冬茬番茄晴天、夏茬番茄晴天及冬茬加温番茄晴天时，营养液温度、内设基质12的基质袋温度进行测量研究，研究结果图7、图8、图9所示。

由图7、图8、图9可以看出夏季晴天营养液灌溉温度与基质袋内温度无差异，而在冬茬番茄室内温度高于营养液温度时，营养液温度要略低于基质袋温度1℃左右；而在冬茬番茄营养液加温后，室温要低于营养液温度时，营养液温度要略高于基质袋温度1℃左右。因此，在冬季使用本发明的装置时，需要将营养液池20中营养液温度升温至高于根系目标温度的1℃，以达到准确控制根系温度的目的。

由于栽培槽10内根系固定方式、液位高度、栽培槽10长度以及保温性能都会对根区温度精确控制稳定时间带来一定影响，因此，本发明通过采用根系固定网13的方式，以及温度传感器33的方式，通过控制营养液循环时间来达到精确控制根系温度的目的。其中，根系固定网13的结构见图4所示。如图2和图3所示，本发明的根系固定网13可以通过装设在栽培槽10中的支撑架14予以固定。

本申请提出一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，将可进行温度调节的营养液池20与用于栽培植物的栽培槽10相连通，利用加热或降温的方式改变营养液池20内的营养液温度，然后，将营养液导入栽培槽10中，利用营养液与植物根系直接接触，以达到调节植物根系温度的目的，以提供一种快速改变根系温度的方法。

本发明的一种用于植物根系温度精确控制的栽培装置，其结构简单、制造成本低廉、布置方便且控制精准，方便植物栽培与管理。与传统采用埋设地热线和电棒加热方式相比较，由于营养液直接与根系接触进行热量交换，热量交换效率搞，因此，可大幅度降低植物生产中空气加降温的能耗，同时又保证了植物养分的均匀与稳定供应。且本发明采用密闭式的栽培环境，避免了土壤根系加温中土传病虫害高发的影响，根系温度以及营养液浓度可控性强，生产操作方便，有利于植物提产节能生产，应用前景广阔。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。