基于离子选择电极与决策支持系统的闭环无土栽培钠积累智能管理研究

本研究针对闭环无土栽培系统(CLS)中钠离子(Na+)积累这一关键瓶颈问题，开发了结合离子选择电极(ISE)和新型决策支持系统(DSS)的智能管理技术。通过在黄瓜作物中验证，该技术能动态调整营养液配方，维持目标电导率(EC)，使产量与开放系统相当，同时显著提升水生产力(WP)46%和氮素农学效率(AEN)64%。该研究为利用劣质水资源实现可持续设施农业提供了创新解决方案。

　　

在当今全球水资源短缺和环境污染加剧的背景下，农业部门面临着提高资源利用效率的双重挑战。作为耗水大户，设施农业中约70%的用水用于灌溉，而传统开放式无土栽培系统不仅浪费宝贵的水资源，还会因排放富含养分的废液造成环境污染。闭环无土栽培系统(CLS)通过回收排水溶液(DS)可显著提升资源利用效率，但长期困扰业界的钠离子(Na⁺)积累问题限制了该技术的推广应用。当灌溉水中Na⁺浓度超过0.6-1 mM时，其在系统中的持续积累会导致电导率(EC)升高，引发作物盐胁迫，造成产量损失。特别是在使用次优水质(含Na⁺ 0.5-3 mM)的情况下，如何平衡Na⁺积累与营养供给成为实现CLS可持续发展的关键科学问题。

针对这一挑战，Evangelos Giannothanasis等研究人员在《Smart Agricultural Technology》发表了一项创新研究。他们开发了一套整合离子选择电极(ISE)实时监测技术和新型决策支持系统(DSS)的智能管理方案，通过在黄瓜作物上的系统验证，证明该技术可有效解决CLS中的Na⁺积累问题。研究团队采用多学科交叉方法，将传感器技术、算法开发和农艺实践有机结合，为设施农业的数字化和精准化管理提供了典范。

关键技术方法包括：1) 使用LAQUAtwin ISE每日监测排水溶液中K⁺、Ca²⁺、NO₃^-和Na⁺浓度；2) 开发NUTRISENSE DSS算法，根据实时数据动态调整营养液配方；3) 采用九罐式施肥系统实现营养液的精准调配；4) 设置开放系统、标准CLS和ISE-DSS管理CLS三种处理进行对比；5) 定期采集叶片和排水溶液样本进行实验室分析验证。

研究结果部分展示了丰富的实验发现：

"3.1. 根区-排水溶液中养分浓度的动态变化"显示，ISE-DSS处理(T3)成功将EC维持在3.0 dS m^-1目标值，与开放系统(T1)相当，而标准CLS(T2)的EC则升至4.0 dS m^-1。通过动态降低目标养分浓度补偿Na⁺积累，T3中K⁺、Ca²⁺、NO₃^-浓度较T1和T2显著降低，但均保持在安全阈值以上。

"3.2. 离子选择电极的每日测量"证实ISE测量值与实验室分析结果高度一致(R²>0.96)，K⁺、Ca²⁺、NO₃^-和Na⁺的测量偏差大多在±10%以内。这为实时精准调控提供了可靠数据支持。

"3.3. 叶片养分浓度"表明，尽管T3中根区养分浓度降低，但叶片养分状况与T1无显著差异，仅在第101天时T3叶片全氮含量(46.9 mg g^-1)显著高于T1和T2。所有处理的Na⁺和Cl^-含量均未达到毒害水平。

"3.4. 产量、水分和养分利用"部分呈现了最引人注目的成果：ISE-DSS管理下的T3产量(28.12 kg m^-2)与开放系统相当，显著高于标准CLS的T2(24.16 kg m^-2)。更重要的是，T3的水生产力(WP)达到58.2 kg m^-3，较T1和T2分别提高45.5%和15.2%。氮素农学效率(AE_N)在T3达到424.4 kg kg^-1，较T1和T2提升74%和64%。

这项研究通过技术创新和系统整合，成功解决了CLS中Na⁺积累这一长期难题。其重要意义体现在三个方面：首先，ISE与DSS的联用实现了营养管理的实时精准调控，将传统每两周一次的调整频率提升至每日，极大增强了系统响应能力；其次，提出的"等效降低"策略通过动态平衡Na⁺积累与养分供给，首次实现了在次优水质(含Na⁺ 2.5 mM)条件下CLS的稳定运行；最后，该技术使黄瓜产量保持开放系统水平的同时，显著提升了资源利用效率，为设施农业的可持续发展提供了可推广的解决方案。

研究还发现，嫁接黄瓜品种Affyne RZ F1对Na⁺的耐受性优于自根苗，能在较低根区Na⁺浓度(13 mM)下达到2.5 mM的Na⁺吸收浓度，这为今后品种选育提供了新思路。值得注意的是，该技术的成功应用需要配套的多罐施肥系统和自动化控制设备，这对推广成本提出了挑战，但考虑到其带来的资源节约和产量保障，投资回报率仍然可观。

这项研究标志着设施农业向数字化、智能化管理迈出了重要一步。通过将先进的传感技术、算法开发和农艺实践有机结合，不仅解决了CLS推广的技术瓶颈，也为应对全球水资源短缺和实现农业可持续发展提供了创新范例。未来研究可进一步优化ISE的测量精度，扩展监测离子种类，并将该技术推广至其他高价值作物，以充分发挥其在精准农业中的潜力。