AQu @teach：水培系统

2020年9月3日 · Aqu@teach

有三种主要类型的水培系统（另见模块 1）。在介质床水培植植物生长在一个基底。在营养膜技术 (NFT) 系统中，植物的根源在广泛的管道中生长，并提供一流的水。在深水培养 (DWC) 或浮筏系统中，植物使用浮筏悬浮在水槽上。每种类型都有其优点和缺点，下面将详细讨论。就水生系统作物生产的相对效率而言，证据有些矛盾。伦纳德和 Leonard (2006) 比较了生菜生产的三个水培子系统，发现砾石介质床产量最高，其次是 DWC 和 NFT。然而，[潘塔内拉 * 等人 * 2012] 的后续研究 (https://www.was.org/meetings/ShowAbstract.aspx?Id=26225) 发现 NFT 表现与 DWC 一样，而介质床的产量一直低于表现。

关于水培组件的设计对水生系统整体性能和用水量的作用，[Mauperi *等人 2018] 的一份文献回顾（https://www.agronomy.it/index.php/agro/article/view/1012/918）发现，NFT 效率低于培养基床或 DWC 水培，尽管结果并不明确. 水培成分直接影响水质，而水质对养鱼至关重要，也是植物蒸散导致水分流失的主要来源。因此，水培组件的设计直接影响到整个过程的可持续性，无论是从水消耗和（或）间接的系统管理成本方面。水培组件的选择也将影响整个系统的设计。例如，在介质床系统中，基板通常为细菌生长和过滤提供足够的表面积，而在 NFT 通道中，表面积不足，需要安装额外的生物过滤器（[Maucii et al. 2018]（https://www.agronomy.it/index.php/agro/article/view/1012/918))。

#介质床水培学

在培养基床水培中，使用无土生长的培养基或基质来帮助根部支撑植物的重量。介质床也可作为生物和物理过滤器。在水培子系统中，介质床具有最有效的生物过滤，因为表面积较大，含有硝化和其他细菌的生物膜可以殖民。该基材还可捕获固体和悬浮鱼类废物以及其他浮动有机颗粒，尽管这种物理过滤器的有效性将取决于基材的颗粒和颗粒大小以及水流速率。随着时间的推移，有机颗粒被生物和物理过程慢慢分解成简单的分子和离子，供植物吸收（萨默维尔 * 等人 * 2014b)。

基材可以是有机的、无机的、天然的或合成的（图 1），并且存放在不同形式的生长容器中。它需要有足够的表面积，同时保持水和空气渗透性，从而使细菌生长、水流、植物根部能够呼吸。它必须是无毒的，具有中性的 pH 值，以免影响水质，并且能耐霉菌生长。它也不能如此轻便，以至于浮动。保水、曝气和 pH 平衡是根据基材的不同而有所不同的方面。水保留在颗粒表面和孔隙空间内，因此保水量取决于颗粒的大小、形状和孔隙度。颗粒越小，它们的包装越接近，表面积和孔隙空间就越大，因此保水量越大。与光滑的圆形颗粒相比，不规则形状的颗粒具有更大的表面积，因此具有更高的保水性。多孔材料可以在颗粒内储存水；因此，保水率很高。虽然基材必须能够良好的保水性，但它也必须能够良好的排水。因此，必须避免过度精细的材料，以防止过度的水分滞留和基底内缺乏氧气运动。所有基材都需要定期清洗（瑞士 2013）。

基材也可以分为颗粒或纤维。颗粒基材包括轻质膨胀粘土、砾石、粉丝、珍珠岩和浮石。纤维基材包括石棉和椰子纤维。水主要存放在基底的微孔空间内，而大孔有助于快速排水和空气进入（Drzal *等人 * 1999）。因此，充分结合大孔和小孔是必不可少的（拉维夫 * 等人 * 2002）。颗粒基材具有较高的大孔隙率（空气可用性），但微孔率相对较低（水分可用性），而纤维基材具有较高的微孔度，但相对较低的大孔隙率。

与其他基材相比，轻质膨胀粘土（LECA）非常轻盈，非常适合屋顶水上乐器。它有多种尺寸；建议使用直径为 8-20 毫米的较大尺寸用于水上乐器（萨默维尔 * 等人 * 2014）。更大的孔隙空间（大孔隙度）意味着溶液通过基材更好地渗透，更好的空气供应，即使在生物膜覆盖表面时也是如此。然而，LECAA 的微孔小，因此没有良好的保水能力。

火山碎石（凝灰岩）的表面积与体积比非常高，为细菌的殖民提供了充足的空间，而且几乎是化学惰性的，除了铁和镁等微量元素的释放以及在头几个月内吸收磷酸盐和钾离子之外。建议大小的火山砾石直径为 8-20 毫米。较小的砾石可能会堵塞固体废物，而较大的砾石不能提供所需的表面积或植物支撑 (萨默维尔 * 等 *，2014b)。

石灰石砾石不建议作为基材，虽然它有时被使用。石灰石的表面与体积比低于火山碎石，相对重，而且不是惰性。石灰石主要由碳酸钙（CaCo ₃）组成，其溶解在水中。这将增加 pH 值，因此只应在水源碱度或酸性非常低的情况下使用。尽管如此，少量添加石灰石可以帮助抵消硝化细菌的酸化作用，这可以抵消平衡良好的水生系统对定期缓冲水的需求（Somerville *等人 * 2014b）。

萤火虫是一种胶束矿物质，当加热到 1000 ℃ 以上时会膨胀，水变成蒸汽，形成小型、多孔、海绵状的核。蛭石重量非常轻，可以吸收大量的水。在化学上，它是一种水合镁-铝-铁硅酸盐。它具有中性反应，具有良好的缓冲性能，具有较高的阳离子交换能力，因此可以保留营养物质并随后释放出来。它还含有一些镁和钾，可供植物使用（瑞希 2013）。

珍珠石是一种有机硅的材料，从熔岩流中开采。它被加热到 760 C，从而将少量的水变成蒸汽，从而将颗粒扩大到小的海绵状核。珍珠石是非常轻量级，可容纳三到四倍的水重量。它基本上是中性的，pH 值为 6.0—8.0，但没有缓冲能力；与萤火虫不同，它没有阳离子交换能力，也不含任何次要的营养物质。它不应单独使用，而应与另一种基质混合，以便改善排水和曝气，从而防止营养物的积聚和随后的毒性问题，同时为根部生长提供富含氧的环境（[Resh 2013]（https://www.crcpress.com/Hydroponic-Food-Production-A-Definitive-Guidebook-for-the-Advanced-Home/Resh/p/book/9781439878675))。

浮石，像珍珠石一样，是一种来自火山的硅质材料，具有基本相同的性质。然而，它是经过粉碎和筛选后的粗矿石，没有任何加热过程，因此它较重，不容易吸收水分，因为它没有水合（[Resh]（https://www.crcpress.com/Hydroponic-Food-Production-A-Definitive-Guidebook-for-the-Advanced-Home/Resh/p/book/9781439878675) 2013)。

岩棉是由玄武岩制成的，在温度为 1500 ℃ 的炉中熔化，然后将液体玄武岩纺成螺纹，压缩成羊毛包，切成板块或插头。过去二十年来，温室产业迅速发展的大部分都是石棉文化。然而，近年来，人们对其处置提出了关切，因为它不会在垃圾填埋场中分解。现在，许多种植者正在转向更具可持续性的基板 — 椰子纤维（Resh 2013）。

椰子纤维（或椰子纤维）是一种来自磨损和磨碎椰壳的有机基质。它接近 pH 值中性，能够保持水分，同时为根部提供大量氧气 (Resh 2013)。

表 1：不同生长媒介的特征（在 [萨默维尔 * 等人 * 2014 年 b] 之后（https://learn.farmhub.ag/resources/small-scale-aquaponic-food-production/））

石重质石中高中型贫穷CA中线中短短裤

基板	表面积 (m ² /m ³)	pH 值	成本	重量	寿命	保水	厂支撑
石灰石砾	150-200	基本	低		长	差	优良
火山碎石	300-400	中	性	中	长中长	中差	优
浮	200-300	中	性	光
长		中	型
LE	250-300	性	高	轻	长	中型贫穷中型
圈	200-400（可变）	性	低中	轻
	高	中

根据基材的类型，它将占据大约总介质床体积的 30-60%。介质床的深度非常重要，因为它控制单元中的根空间体积量，这反过来决定了可以种植的蔬菜类型。大型果蔬，如西红柿，秋葵和卷心菜将需要一个衬底深度为 30 厘米，以允许足够的根部空间，并防止根垫和营养缺乏。绿叶小蔬菜只需要 15-20 厘米的衬底深度（萨默维尔 * 等人 * 2014 年 b）。

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图 2：带滴灌和 LECA 基板的介质床容器系统中生长的番茄移植 < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:Hydroponic_Farming.jpg >

将富含营养的水输送到培养基床有不同的技术。它可以简单地从连接在介质上均匀分布的管道上的滴管中流出（见图 2）。或者，一种称为 “洪水和排水” 的方法会导致介质床周期性地被水淹没，然后排回水库。洪水和排水之间的交替确保植物有新鲜的营养物质和足够的空气流动在根区，从而补充氧气水平。它还确保床上始终有足够的水分，以便细菌能够在最佳条件下茁壮成长。洪水和排水介质床的性质产生了三个不同的区域，这些区域根据其水和氧含量而区分（萨默维尔 *等人 * 2014b：

-顶部 2-5 厘米是干燥区，它作为光屏障，最大限度地减少蒸发，并防止光线直接击中水，从而导致藻类生长。它还可以防止生长的真菌和有害细菌在植物茎的基部，这可能会导致衣领腐烂和其他疾病。

-干/湿区域既具有潮湿和高气体交换。这是 10-20 厘米的区域，介质床间歇性地洪水和排水渠。如果不使用洪水和排水技术，这个区域将是水流经介质的路径。大多数生物活动发生在这个区域。

-湿区是床底 3-5 厘米，保持永久湿润。小颗粒固体废物积聚在这一区域，因此最活跃的矿化生物也位于这里，包括异养细菌和其他微生物，这些微生物将废物分解成较小的部分和可被植物吸收的分子通过矿化过程 (萨默维尔 * 等人 * 2014 年 b).

营养膜技术 (NFT)

NFT 是一种解决方案文化系统，其中薄膜（深度 2 至 3 毫米）沿着根系统所在的小通道底部不断流动。对于 NFT，目标是发育中的根垫的一部分是在营养流中，但其他根部悬浮在潮湿的空气中，从而获取氧气而不被淹没（Somerville *等人 * 2014b）。

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图 3：NFT 圆管系统 < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

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图 4：NFT 矩形管道系统 < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

通道通常以管道的形式（图 3）。具有矩形截面（图 4）的管道是最好的，宽度大于高度，因为这意味着更大量的水击中根部，从而增加营养吸收和植物生长。较大的结果蔬菜和多文化（种植不同类型的蔬菜）需要的管道比快速生长的绿叶蔬菜和小根群的小蔬菜所需要的管道更大。管道的长度可能会有所不同，但值得注意的是，由于第一批植物已经剥离了营养物质，因此植物在很长的管道末端可能会出现营养不足（图 5）。应使用白色管道，因为颜色反射太阳的光线，从而保持管道内部凉爽。通道必须位于斜坡上（图 5），以便营养液以良好的流速流动，对于大多数系统来说，流速大约为 1 升/分钟（Somerville *等人 * 2014a）。

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图 5：倾斜 NFT 通道。 NFT 通道长 12.5 米，通过邻近鱼缸的水进给。没有补充营养物质。人们可以观察到沿通道日益增加的营养限制

NFT 系统主要用于生产快速周转作物，如生菜、草药、草莓、绿色蔬菜、饲料和微绿。

深水培养 (DWC)

DWC 或浮筏系统是一种水培系统，其中植物使用浮筏悬浮在水箱上，根部被浸入营养液中，并通过气泵进行加气。然而，与 NFT 系统不同的是，根层水的小薄膜中的营养物质迅速枯竭，而 DWC 运河中含有大量的水，使植物能够使用大量的营养物质。因此，运河的长度不是问题，它们的范围可以从 1 米到 10 米。建议的深度为 30 厘米，以允许足够的植物根空间，虽然小绿叶蔬菜如生菜只需要 10 厘米甚至更少的深度。进入每条运河的水流量相对较低，通常每条运河的保留时间（更换容器中的所有水所需的时间）为 1-4 小时。这样可以在每条运河内充分补充营养物质，尽管深运河中的水量和营养物质足以长期滋养植物（Somerville * 等人 * 2014b）。另一方面，可能需要额外的曝气，因为流速不足以提供足够的氧气。

一些植物，如生菜，在水中生长，通常使用深水培养生长。 DWC 是种植一种特定作物（通常是生菜、沙拉叶或罗勒）的大型商业经营中最常见的方法，更适合机械化。

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图 6：艾伯塔省布鲁克斯疾病控制中心南 Aquaponics 温室中生长的罗勒和其他植物 (< https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CDC_South_Aquaponics_Raft_Tank_1_2010-07.jpg >)

航空运动

在空气系统中，植物通过悬浮在空气中的根部结构和定期喷洒营养液来生长和滋养植物。有两种主要类型的空气飞行系统：高压有氧运动和低压空气运动，主要区别在于每种情况下使用的喷雾液滴大小。低压航空运动使用低压、高流量泵，而高压航空运动则使用高压（约 120 PSI）、低流量泵将水雾化并产生 50 微米或更少的水滴。在类似于雾的极细雾的情况下，“fogponics” 一词用于表示第三种类型的气声系统。使用气动系统种植的植物的生长速度往往比其他类型的水培系统生长更快，因为它们充分接触到氧气增加（Li * 等人 .* 2018）。

营养膜技术 (NFT)

深水培养 (DWC)

航空运动

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