基于电生功能水的设施蔬菜灌溉系统的研究

王文莉 侯加林 李立成

摘 要：针对设施蔬菜种植过程中病虫害发生频繁、农药滥用严重的情况，本研究设计了一套基于电生功能水的设施蔬菜灌溉系统，主要包括电生功能水制取装置和设施蔬菜灌溉系统。该系统正常运行时主要参数的调节范围为：原水流量0～4.0 L/min，电解电流0～2.00 A，电解质溶液浓度0～2%，电解质溶液流量0～40 mL/min。对设备所产功能水的有效存储时间和设备稳定运行时间进行试验，并在山东农业大学实验基地黄瓜温室中进行整机试验和杀菌效果验证，结果表明：设备所产功能水的有效存储时间为4天，设备运行12 min后达到稳定，使用电生功能水灌溉的黄瓜叶片得病率明显降低，用电生功能水浸泡处理黄瓜果实的杀菌效果比普通水提高了2倍多。

关键词：电生功能水；设施蔬菜灌溉；杀菌效果

中图分类号：S625.3文献标识号：A文章编号：1001-4942（2016）05-0142-06

Abstract Considering the situations of diseases and insect pests occur frequently and pesticides are abused severely during greenhouse vegetable planting process， a greenhouse vegetable irrigation system was designed based on electrolyzed functional water. It was mainly comprised of electrolyzed functional water production device and greenhouse vegetable irrigation system. During normal operation of the system， the adjustment range of major parameters were as follows： the raw water flow rate of 0～4.0 L/min， the electrolytic current of 0～2.00 A， the concentration of electrolyte solution as 0～2% and the flow rate of electrolyte solution as 0～40 mL/min. The effective storage time of electrolyzed functional water and the stable running time of the equipment were ascertained. Meanwhile， the whole machine was tested and the bactericidal effect was verified in the cucumber greenhouse in Shandong Agricultural University experimental base. The results showed that， the effective storage time of electrolyzed functional water was four days and the equipment ran stably after being started for 12 minutes. The electrolyzed functional water could obviously decrease the incidence rate of cucumber leaves. For the cucumber fruits， the bactericidal effect of electrolyzed functional water was more than 2 times higher than that of ordinary water.

Key words Electrolyzed functional water； Greenhouse vegetable irrigation； Bactericidal effect

近几年，随着科学技术的进步、栽培技术的日益完善和推广、农业产业结构的调整以及人民生活水平的提高，我国设施蔬菜种植面积逐年扩大，并朝着集约化和专业化方向发展，设施蔬菜逐渐成为我国农业中最具活力的新型产业之一[1]。联合国粮农组织统计的数据显示，我国作为最大的蔬菜生产和消费国，设施蔬菜种植面积位居世界前列，并且发展速度极快，2008年达到了444.5万公顷，是2002年（190万公顷）的两倍多。

温室大棚内湿度大、温度高、风速低，为各种病害的发生与流行提供了有利条件[2]，再加上倒茬困难，致使某些病害菌源尤其是一些土传病毒积累增多[3]。而在病虫害防治时，菜农用药随意性大[4]，常将几种农药胡乱混配，并随意提高使用浓度，不仅降低了其对病虫害防治的有效性，对蔬菜造成严重的药害，而且残留的大量农药也会严重危害人体健康。

电生功能水作为一种新型消毒试剂，杀菌后还原为普通水，对环境无污染，杀菌能力强，适用范围广，制造成本低廉，使用简单方便，并且对人体无毒、副作用，长期使用不会导致病菌抗性的形成[5～6]。其在设施蔬菜生产的各个环节都有广阔的发展应用前景，如病虫害防治[7～10]，蔬菜贮存和保鲜[11～12]，促进蔬菜生长[13]，提高蔬菜品质，改良土壤[14～15]以及克服土壤连作带来的危害。

将电生功能水和设施蔬菜灌溉相结合，利用电生功能水的广谱杀菌效果，可以在一定程度上替代农药，减少乱用农药的现象，降低残留农药对人体的危害，而且可在一定程度上促进作物生长。

1 系统设计原理

1.1 系统整体结构

系统主要包括电生功能水制取和设施蔬菜灌溉两大部分。电生功能水制取装置主要是通过调节一定的设备参数，产生所需指标的电生功能水，作为设施蔬菜灌溉用水。设施蔬菜灌溉部分主要通过灌溉控制系统将电生功能水制取装置产生的功能水进行设施蔬菜灌溉。系统的结构如图1所示，系统设备运行的主要技术参数如表1所示。

1.2 电生功能水制取装置

1.2.1 工作原理 电生功能水又称为电解水或电位水，是利用特殊装置对添加一定浓度含氯电解质的水进行处理，使水的pH值、氧化还原电位（ORP）、电导率（EC）、有效氯浓度（ACC）等指标发生改变而产生的具有特殊功能的电解水[15]。发生的主要化学反应如下：

1.2.2 电生功能水制取装置结构设计 电生功能水制取主要包括原水供应部分、电解质溶液供应部分、电解部分、混合部分、电气控制部分，其中电解部分又分为电解槽和电解电源，其工作原理如图2所示。

原水供应部分主要是为装置供应原水，并将其与电解产生的氯气混合，还可以对装置管道进行清洗。电解质溶液供应部分主要是为电解槽提供电解液，维持系统电解，持续产生电解产物。电解部分主要包括电解槽和电解电源，电解槽作为电生功能水制取装置的核心部分，对电解质进行电解，发生相应化学反应；电解电源主要是提供电解所需能量。混合部分主要是将电解产生的氯气与原水相混合，经过一定距离的混合管道，形成符合指标的电生功能水。电气部分主要是对以上各个部件进行协调控制，通过设置在设备箱体上的一个单独的控制面板进行，从而简化了对设备的控制。电生功能水制取装置工作流程如图3所示，结构如图4所示。

1.3 设施蔬菜灌溉系统

设施蔬菜灌溉系统主要包括灌溉硬件部分和控制部分。

1.3.1 灌溉硬件部分 灌溉系统的硬件部分主要包括滴灌管道、一级过滤、一级缓冲桶、水质软化、二级缓冲桶、二级过滤以及灌溉其它组件。具体流程如图5所示。

1.3.2 灌溉控制部分 灌溉系统控制部分主要包括灌溉阀门控制、现场控制、远程控制等部分。由于灌溉试验组别较多，因此需要在温室内设置多个阀门控制节点，由现场控制将阀门控制节点进行汇聚，然后通过GPRS进行远程控制。灌溉系统控制部分简要结构如图6所示。

阀门控制节点主要由电磁阀、单片机控制器、继电器驱动电路、供电电路等组成。电磁阀接口外直径为20 mm，供电电压为直流24 V。单片机控制器选用32位的STM32F103作为主控芯片，其工作频率72 MHz，供电电压2.0～3.6 V。

现场控制主要是将阀门节点中的电磁阀进行集中控制，实现手动控制和定时控制。手动控制是通过控制器对各个电磁阀进行单独控制。定时控制是设定一定的灌溉时间，当灌溉时间达到后电磁阀关闭，停止灌溉。

远程控制是通过GPRS（General Packet Radio Service）模块与Internet网络以及服务器共同作用，实现远程控制。其中GPRS模块选择ZWG-23A型的GPRS DTU模块，该模块实现点对中心的信息传输方式；然后通过使用具有GPRS功能的SIM（Subscriber Identity Module）卡，并对GPRS 模块进行配置，实现GPRS模块的基本功能。远程控制工作流程如图7所示。

2 验证试验

2.1 试验材料和试验地点

2.1.1 试验材料 无菌操作台、高温灭菌锅、恒温培养箱、电子天平、pH计、均拍器（用于将黄瓜均匀拍碎）、均质袋（用于盛放处理过的黄瓜，并捣碎配成原液）、试管、锥形瓶、移液枪、酒精灯、一次性培养皿、秒表、涂布棒等。

试验所需药剂：去离子水、氯化钠、胰蛋白胨、酵母浸膏、葡萄糖、琼脂等。

2.1.2 试验地点 以山东农业大学实验基地种植年份为6年的黄瓜温室大棚进行试验。该大棚面积为40 m×9 m，垄宽60 cm，走道80 cm，其前坡面夜间用保温被覆盖，东、西、北三面为围护墙体。

2.2 设备稳定运行时间

设备运行参数：电解电流为0.91 A，电解质溶液浓度为2%，电解质溶液流量为11.08 mL/min，原水流量为4 L/min。在此条件下每隔3 min使用10 L的塑料水桶采集一次制取的电生功能水样本，并对其pH值、氧化还原电位（ORP）、电导率（EC）和有效氯浓度（ACC）进行测定分析，结果如图8～11所示。可以看出：电生功能水的pH值、ORP、EC、ACC值均在制取开始后6～12 min达到动态稳定，基本满足使用要求。因此制取电生功能水时，应保证设备运行12 min后再对电生功能水进行相关操作。

2.3 电生功能水的存储时间

通过控制相应变量制得两种不同指标的电生功能水，编号为1号和2号。1号电生功能水制

取时电解质溶液浓度为2%，电解质溶液流量为15.77 mL/min，电解电流为1.9 A，原水流量为4 L/min；得到的电生功能水相应指标为pH值5.97，ORP 941.7 mV，EC 403 μS/cm，ACC 59.45 mg/L。2号电生功能水制取时电解质溶液浓度为2%，电解质溶液流量为15.77 mL/min，电解电流为1.0 A，原水流量为4 L/min；得到的电生功能水相应指标为pH值5.63，ORP 953.2 mV，EC 407 μS/cm，ACC 71.28 mg/L。1号和2号电生功能水各制取6瓶，分别分成两组，一组放在室温普通位置离暖气较远处，分别标号1-1和2-1，另一组放在暖气片上，分别标号1-2和2-2，均用500 mL的敞口烧杯储存放置，室内做到最大程度不透风。

根据试验整体效果，选在上午7∶40对1号和2号电生功能水进行各项指标的曲线绘制和数据比较，结果见表2、表3。

随储存时间的延长，电生功能水的pH值逐渐增大，且放置在暖气片上的变化速度更快； ORP逐渐降低，同样放在暖气片上的变化快。正常条件下储存的电生功能水EC值变化很小，而暖气片处的电生功能水开始阶段EC值比较稳定，一段时间后急剧减小，最后减为零。电生功能水中ACC随储存时间的延长逐渐增加，暖气片位置处的电生功能水变化最快，储存至2月12日时，靠近暖气片位置处的电生功能水ACC值已经不能满足电生功能水应有的标准要求。

2.4 杀菌效果验证

2.4.1 大棚试验 在本课题组全体成员的共同参与下，于选择的大棚中进行了基于电生功能水的设施蔬菜灌溉系统的现场调试和试验，现场工作如图12所示。

分别使用电生功能水和普通水对大棚中的黄瓜进行灌溉，3周后对两种处理的黄瓜病害情况进行调查对比，结果发现使用电生功能水灌溉的黄瓜，其叶片得病程度整体较低（图13）。

2.4.2 黄瓜样品试验 从大棚中随机摘取一部分黄瓜，用保鲜膜包裹带回实验室；将黄瓜样品分为两组，分别使用电生功能水和普通水进行浸泡处理，放在室温下保存。使用的电生功能水指标为pH值5.77，ORP 942.9 mV，EC 419 μS/cm，ACC 77.48 mg/L。

将处理后的黄瓜样品研碎，梯度稀释后利用平板计数法调查菌落数。采用的琼脂培养基配方为胰蛋白胨5.0 g、酵母浸膏2.5 g、葡萄糖1.0 g、琼脂15 g；梯度稀释液配方为氯化钠8.5 g、去离子水1 000 mL。培养48 h后，取菌落总数在30～300的平板进行计数，如图14所示，具体计数结果见表4、表5。

根据菌落总数计算公式计算得出使用普通水处理的黄瓜菌落总数为4.4×105 cfu/g，使用功能水处理的黄瓜菌落总数为1.3×105 cfu/g（实际为1.25×105 cfu/g，按照第三位数字“四舍五入”，取前两位数字，后面用零代替的原则进行了修约），杀菌效果比普通水提高了2倍多。

3 结论

（1）对电生功能水制取装置进行整体设计，并完成了样机的试制，样机正常工作条件：电解质溶液流量为0～40 mL/min，电解质浓度为0～2%，原水流量为0～4.0 L/min，电解电流为0～2.00 A。

（2）对设施蔬菜灌溉系统进行设计，采用现场控制和远程控制相结合的方式进行控制，控制系统采用32位的STM32型单片机处理器作为核心。

（3）将电生功能水制取与设施蔬菜灌溉系统结合，形成一套完整的灌溉系统，并对设备稳定运行时间和电生功能水的储存时间进行了试验，结果显示设备运行12 min后达到稳定，制取的电生功能水在室内正常条件下的有效储存时间为4天。另外，分别以设施灌溉黄瓜植株和处理黄瓜果实的方式对电生功能水的杀菌效果进行了试验，结果显示，用电生功能水灌溉的黄瓜植株病害明显减轻；浸泡后黄瓜果实上的菌落数明显减少，表明电生功能水具有比较显著的杀菌效果。

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