气雾栽培
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2015年11月12日 作者:xwz2367609 [返回]
水质处理与生产复合的水上林果耕作系统研究与应用

立项背景与意义
    地球生态圈之所以能相对平衡而保持气候稳定的运行,关键在于地球生态圈有大量的水域及森林,它们在保持及稳定生态环境起到极为关键的作用。地球是一个水球,它覆盖了地球70%的表面,由于水的存在而稳定了气候的骤变,给地球以温和的气候条件,创造适宜的人居环境,也正由于森林及湿地,而使水得以循环的利用,森林与湿地起到了对水的修复过滤净化作用,同时也是重要的光合固碳放氧器官,所以森林与湿地是地球的肺与肾。
    农业生产一直是以陆地耕作为主的生产方式,但现在农业的发展,耕作载体不再限于陆地,其实从植物进化角度来说,所有的植物都是由水生到陆生的演变过程,所以说所有植物都具有强大的对水环境适应性,这已被我们十多年的水生诱导研究所证实。既然这样,那么未来所有植物的耕作也同样可以由陆地返回至水域,回归进化之初的自然生态。江河湖泊溪流等水体面积巨大,作为未来耕作的可利用空间,可以说是无限的,对于耕地的思考也得以突破。人类不再限于陆地耕作,可以向广阔的水域进军。
    随着人口增长,食物供应如果仅靠现有的耕地,人类将会走入困境与困惑。解决耕地问题,有以下几大思路,一是把荒漠改造成耕地,二是向空间发展,三就是上山与入水。空间的发展目前国内外对于垂直农场的提法较多,而且已渐渐进入实践化阶段,对于沙漠的开发,也已进行着,而对于水上农场的开发应用,现在还较少,特别是大生物量林果系统进入水域耕作,目前国内外尚属空白。果林系统融合到水域构建水上森林与果园,其意义巨大,一是可以创造耕地,二是可以净化水质,实现林果渔复合耕作体系,为农业生产的空间拓展,功能提升,产品安全保障,都将起到巅覆性的革新。
国内外研究现状及发展趋势
    水上进行耕作,在国内外都有悠久的历史,中国古代的浮伐栽培,及古墨西哥的阿兹特克文明,是该民族智慧的创作,利用水上农场养活20万人口的城邦。上世纪九十年代,日本开发用于水质处理的人工浮岛技术,结合浮岛湿地进行水域的水质治理。但在这些研究及实践中,大多数选择草本的植物或者蔬果作物,没有进行大生物量果林的偿试应用。因为前者的根系具有极强的适应水环境能量,而陆生的森林与果树,对水环境的适应性存在障碍。
    2003年,我团队率先研究成功水生诱导技术,可以实现所有植物的水生栽培,及静止水培。在该领域的研究,我们近十多年的经验积累,也进行了广泛的推广应用,特别是在水培花卉的生产上,形成了完备的技术体系及生产工艺与流程,这些技术都为现在的水上果林耕作系统构建奠定了扎实可行的理论基础与实践经验。
    2006年,我团队成功实现杜鹃、茶花、仙人掌科植物、铁树等植物的水上漂浮栽培,为木本植物进入水域耕作奠定了基础。2007年至今,对大量的木本植物进行水气培耕作的研究,成功栽培了桃、葡萄、枣、柑桔、佛手、猕猴桃、金银花、苹果、玫瑰、果桑、紫薇等近百余个品种,为水上森林及果园的技术集成及熟化做了大量的前期技术贮备工作。

水上林果耕作农场设计图


项目主要研究开发内容、技术关键及创新点
    水上果林耕作系统,集成了水生诱导技术、漂浮耕作技术、水气栽培技术、人工湿地技术、自动控制技术、浮体建造技术、物理防控技术、水上生态构建技术、阿科蔓人工水草技术等数十项先进的技术集成。建立起一个既生态又生产的复合水上生态浮岛,利用水域的隔断减少虫害入侵,利用水域的养分实现零施肥管理,利用物理防控实现病害控制,利用太阳能及风能发电解决离网生产问题,利用钢构浮体技术解决水上农场的抗风问题,利用水生诱导实现所有陆生林木的水上栽培。
    它的作用与意义,不仅仅是耕地的拓宽,更是水质处理与污水治理的新技术路径与可持续解决方案。农业生产每年施入大量的化肥农药,最终大多数都经由渗漏进入地下水系统而汇入江河湖泊,对水域造成严重的污染。利用含量肥料的水域进行水上果林系统构建,可以实现零施肥免农药生产,把污染的水资源转化为生产的肥源,系统可以源源不断的从污染水域中汲取富营养化物质,通过果林系统转化为可利用的生物量。是最为生态的水处理方式,再通过水下人工水草阿科蔓技术结合,加剧污染水域的矿化,培育大量有益微生物,形成水下水上复合的生物处理体系,达到高效生产与高效处理的协同效果。
一、研究开发内容
1、浮体构建技术研究
    浮体构建是水上林果耕作系统建设的最基础建设工艺,可以采用大口径密封管材也采用废旧的化工桶,进行简易构建,较为专业的材料可以用商业化的专用浮体。浮体总排水量等于水上林果耕作农场的总重量,包括栽培容器、树体生物量、栽培相关设施、管理人员负载等,设计时以预超总排水量一倍为浮体总数量,最好设计成方便加载安装方式,随着树木的生长酌情增加浮体。目前的水上林果耕作农场,面积较大的一般采用简易网架式构建耕作平面,投资省整体张拉强度大,抗水浪及强风能力强。也可以设计成一浮体一树木的独木型耕作。见图:
2、栽培模式研究
    通过多年的实践经验,可用于水上林果农场建设的耕作模式共有五种:A、碎石或者陶粒培;B、水培模式;C、水气培模式;D、雾培模式;E复合模式;按照栽培循环用水的不同,分为纯河水耕作、河水与养液水复合耕作、纯养液耕作。以上几种模式与方式可因水体水质不同及投资要求不同和耕作品种不同进行灵活选择。
    各种模式各有特点与优势,碎石或陶粒培,能为果树的根域创造更佳的肥水气环境,可以实现陆生根、水根、气根三根并存的模式种植,不同的根发挥不同的功能,三根并存,可以无需进行根系的驯化诱导,就可以用陆生苗直接种植建园。其缺点就是会大大提高总排水量,增加了基质的负载。
    果树水培模式,它的优势是构建简单,系统排水量小,可以直接用河道水循环,也可以用营养液循环构建(当水质清澈,水体中富含养分少时),纯水培建园,必须选择已经过驯化的果树苗木或者对大树水生根诱导后方可用于水培建园。注意,该模式适合采用河道或湖泊深入的水循环耕作,有利于水温稳定,减少因水温升高而致夏日烂根问题发生。
    水气培模式,通常采用容器式与管道式两种,复合水培与气培的优点,是最为科学模式,而且设施负载轻,构建快速方便,果树对系统的适应性强,但种苗也需进行特殊培育或者后处理才可定植。
    雾培模式,对于水质清澈,无需系统处理水质功能时,可以用外源的纯营养液进行雾培耕作,对树体来说,该模式是一种生长速度最快,果树综合产能最高及品质最佳的一种模式,只利用水域空间,无需作水质处理时,可以采用该模式,系统承重轻,构建快速便捷。
    复合模式,把上述几种模式,按照水质处理及生产情况进行复合布局的一种模式,以如基质培用于水质悬浮物滤化,滤化后的水再行水培、雾培或水气培的一种综合处理模式,系统构建相对复杂,但可以对水质进行多级处理,有利于被处理水质的综合指标优化。
    上述模式可以因地因时因品种及条件情况进行灵活选择构建,或者组合创建。
3、水循环技术研究
    水循环是实行耕作及水处理的关键,一般如果利用河道湖泊的水,可以设成开环式循环,即汲取、生物滤化、回流河道水体,不作灌溉水的回收循环。这种模式,特别适合,水质较差,以水处理为耕作主目标的生产方式。回流循环模式,构建闭环灌溉系统,就是林果耕作全部采用养液配方供应,用于水质较为清澈,无需发挥水处理功能,只需利用水域空间时,采用该模式,是林果生长潜力发挥最佳的生产模式。河道水与养液水双系统可切换的复合模式,适合水质受污程度不大的水体,可以采用双系统切换模式供液,实现林果生产与水处理双向兼顾。
4、复合化水处理技术研究
    水上林果农场,不仅是是生产功能,更重要的它还是水处理的生态功能。要强化生态功能,在耕作模式及辅助措施的融合结合上极为关键。如为了强化水处理功能,基质培系统中可以加入适量的竹炭或者木炭作为填育基质,以提高基质的过滤性和基质的总表面积,扩大微生物滋生表面积,形成更为强大的生物滤化膜。
    于浮体沉水部份,配装阿科蔓人工水草系统,因阿科蔓材料,具强大的表面积效应,其纤维材料通过高科技编织,可产生250倍的表面积增效,可以为水体创造巨大的微生物滋生场所,有利于促进水体有机物的矿化转化过程,对水处理起到很好的增效作用。
    在果林耕作系统中,可以配用气液混合泵作为循环的动力泵,有利于提高水中溶氧量,改善水质催化水体自净功能形成。最为先进的是,于农场供液或供水循环处增加纳米增氧系统,对水处理的催化更为明显。
上述模式可以因水质污染程度的不同,进行水处理功能的科学复合,形成强大的水处理功能与生产产能。
5、离网技术及自动控制研究
    离网是大水域漂浮农场最为显著特征,因远离陆地,所以它的供电系统必须自给,可以采用太阳能发电及风能发电结合的模式解决系统供电问题,甚至未来海上农场的构建还可以结合潮汐发电技术。水上太阳能或风能发电比陆地效率高,因四周空旷无阻挡遮障。可按系统的需电量不同配以不同功率的发电装置。
    离网有时还体现在水的供应上,如果水体的用水无法满足无土栽培养液配制要求的水质时,还需对系统配制反渗透水处理装置,或者拦雾取水装置。
    离网还体现在管道通道上,如果系统远离陆地,不方便巡视管理时,还需安装无线通讯,远程视频监控与控制。
    水上林果耕作系统,不管是水循环还是水质监测及环境管理,全部采用自动化控制技术,这是解决水上耕作不便利性的关键,通过自动化控制,实现省力化管理及精准化标准化管理,提高产量与产能,增加水处理效果。自动控制研究,我们已有强大的基础与经验,在该项目中,重点融入水质各指标的在线监测,水中溶氧、氨氮、PH值、EC值、液温水位等,实现环境监测与管理的综合控制。
6、无害化生产技术研究
    水上耕作是对污染水的再次净化利用,不能如陆地耕作一样,进行化肥农药的施洒。不能对水体造成二次污染,所以在病虫的防控上必须结合无害化技术措施。其中虫害因耕作环境变化,大大减少滋生基数,另外一些大水域的水上耕作农场,因远离陆地的物理隔离,一些近距离迁移的虫害基本隔断传播,而远距离可迁移的害虫,可通过于浮体下方水域安装水灯的方式进行诱杀,昆虫入水后成为鱼的饵料。
    对于水上农场的病害,可以采用物理防控技术,采用我团队早年开发的电功能水技术进行防治,该技术采用水加盐的溶液再行高压电离形成的带电强酸水,带电强酸水能瞬间改变真菌细菌的细胞电位,从而达到物理杀灭的效果,在杀菌后短时间可还原为普通水,对环境没有任何污染。
    还可以结合声波助长技术,通过物理额定声频的震动,达到促进生长减少病虫害的目的。这也是我团队早年的科研成果,在水上林果耕作系统上结合效果会更佳。
7、专用种苗的培育研究
    林业树种及果树,是陆生性极为显著的植物,用这些品种进行无土化水气栽培,必须对根系进行前处理。或者从种苗培育的初始环节,就进行无性快繁育苗,不采纳土壤培育的嫁接苗。利用珍珠岩基质进行林果苗木的无性快繁,当形成发达的水生根时即可以进行水培、气培、水气培种植,这些种苗具发达的薄壁组织,在水环境中能有强大的生态适应性,可以在较短时间内形成适合环境的水生根、气生根或者通气组织的发育,这是果树水气栽培是否适应的关键。
    也可以结合当前我们研发的气雾快繁,培育的种苗同样具发达的水气根,可以直接适应水上耕作环境。对于一些大树或者土壤培育的种苗,可以进行断根催根处理,让根系转变为发达的薄壁组织根系,或者是适合静止水培的通气组织根系形成。这方面我们于早年水生诱导的研究上已积累近十余年的经验,可以集成整合至水上林果耕作体系上应用。还可以采用高压育苗法,高压育苗与快繁一样,可以形成薄壁组织发达的不定根,这种苗也可以直接用于水上林果农场的构建。
8、水上林果系统品种的选择研究
    对水体含有害物质,如重金属超标的水体,一般只适合构建上水森林或者水上园林景观,不用于农业的食物生产。对于常规富营养化水体,无有害物超标的,可以构建水上果园系统,生产无害化果品。对于特定水质,可以进行特定品种的选择,在进化过程中,许多植物形成对某种元素的嗜好富集,利用该特性,有针对性的进行品种筛选,形成水质与品种对应的科学配置,让水上林果耕作系统发挥最佳的生产与生态功能。
9、林果渔复合耕作的研究
    养殖水体的水质处理,是非常实用的结合,一般养殖池富营养化的水无重金属等有害污染,养殖水又能源源不断提供有机的鱼水粪便及饲料沉渣等,结合水上林果农场构建,对养殖水体的水质养护起到非常重要的生态净化与循环增氧作用,可以构建更为完整的生态养殖体系,可以为鱼的生长创造更佳的水质环境及水下生态环境。而培育的林果树木因充足的肥水供应,能发挥更佳的生长潜力。
二、技术关键
1、林果树木的水气根的诱导
    培育适合水生环境的水气根诱导是实现所有林果水上栽培的关键,如果采用沉水无循环的静止式漂浮种植,还需对树体根系的进行通气组织的诱导,方可稳定的适应水生栽培。常规的水培、雾培、水气培模式,只需培育发达的薄壁组织根系即可,让植株的根系能进行良好的继分化生长。形成适合种植模式的水根或气根的根构体系。
2、网架式水上耕作平台建造
    网架式水上耕作平台,比其它结构更具抗性,同样的材料强度更大,能充分发挥结构的张拉力学特性,形成与设施一体化的整体受力体系,采用网架式构造,节省材料,与浮体之间的浮力作用能保持整体性,这也是水上果园力学结构的关键技术措施。
3、组件化可拆卸浮体的开发
    浮体可拆卸组件的专业化开发,能随着树体生物量的积累,随时可以增加浮体排水量,在生产实用上非常重要。也可以通过浮体的增减来调节耕作平台的高度,组件组合化开发,让商业化建造更为便捷,对产业化推进显得极为重要。
4、适合离网耕作的微控制系统开发
    水上林果农场除了系统的完整性需求外,建设成本的控制直接影响产业发展与技术实用性。开发低成本的水上果园专用管理系统,是该技术迈向实用化的关键,套用现有设施温室栽培的系统,会使建园成本大大提高,不利于产业推广,所以离网耕作控制系统的微型化显得非常重要。另外水上构建微型化也提高的设备在水上环境运行的可靠性与安全性。
5、水上林果耕作农场的防风技术解决
    水体环境往往无风障,常有强风的影响,构建栽培容器或设施与网架耕作平台一体化的模式显得极为重要。减少树体的摇晃,提高树体的稳固性,水上林果耕作农场,根系无土壤基质的固定,抗风措施的结合也是建园的关键技术,除了栽培容器或管道与平台实行一体化构建化,定植树苗时必须配合硬质的PVC套管作这定植管结合,甚至可以套高强度的不锈钢铁管增强树体抗性。也可以在网架平台基础上进行树体的篱棚架绑枝栽培。
三、创新点
    该项目的创新点较多,但与国内外相关领域相比,以下几项创新颇具突破性:
1、水上果林耕作农场构建在国内外尚属首例。
2、林果生产与水质处理结合在国内外也属首例。
3、水气根及通气组织的诱导工艺及技术理论,在国际上同样具有领先性。
4、离网控制及远程物联技术结合,具有一定的先进性
5、在养殖水体上构建水上林果农场,通过大生物量树体培育,融合到水生态系统中,在国内外具有一定的先进性。
项目预期目标(主要技术经济指标、社会效益、技术应用、产业化前景及获取自主知识产权情况)
1、    技术经济指标
以建造约一亩地面积的水上林果耕作农场计算,其投资如下:

    开垦一亩山坡梯地,投资估计约为16000元,水上林果农场的建设是山地果园成本的一倍,但管理用工与陆地果园相比,可节少70%的用工,及80%的农药肥料投入,水上果园的管理50亩日常巡护只需一个,而陆地果园至少3-5人长年管理,以平均每劳动力年工资30000元计,50亩陆地果园需年支付管理用工成本9-15万元。作为多年生的林果农场,用工的投入是主体成本,综合建设及日常管理成本合计,最终水上林果农场比陆地要低的多。建设水上林果农场除了生产功能外,其产生的水质处理功能,是无法用经济来衡量的。
2、    生态效益指标
    该项目完成后,对于净化江河湖泊的水质来说,是一项可持续高效率的综合系统。也是拓宽耕地,减少陆地开垦性破坏的重要解决路径,向水面进军,把水体改造成林果农场,即解决生产用地问题又修复水体生态,而且更利于绿色食品的安全生产,是一项利国利民的可持续永继耕作新模式。可以在现代农业发展及生态文明建设中广泛推广应用。

3、社会效益
    蔬果的安全是当前最重要的民生问题,通过水上林果农场构建,为社会提供免农药的农产品;同时也解决了当前农业创业耕地的制限问题,为更多的创业者开辟一条崭新的产业发展道路。承包水体,构建水上特色林果农场,其间除了纯粹的生产功能外,还是一项很好的科普观光休闲旅游贡目,可以作为二三产业融合发展的切入项目。
4、技术应用
A、少耕地的沿海湖泊地区,作为拓宽可耕空间,用于水上林果农耕体系构建
B、用于水域水质治理,既生产又生态,是永继可持续的水体治理技术
C、用于养殖业的生态介入技术使用,可以有效净化水质,提高养殖效率与效益
D、用于科普观光示范园的生态科技展示
5、产业前景
    该技术成功研究及应用,可以形成一个全新的产业---“水上农耕”。并构建水上农耕特有的产品标识,凡是水上农耕生产的蔬果必是免农药与安全的绿色食品,这是陆地耕作无可取代的硬性标识。由于耕作环境的制限,绝对控制农药使用,是生产者逼迫遵守的耕作模式,因一旦使用农药,水中鱼虾作为指示生物将全军覆没,所以采用水上农耕生产的果蔬必然是免农药的。把生态与耕作优势全面转化为产品的竞争优势,这必将会带动更多的人投身到水上果林农场的构建中。
    大生物量树木的生态滤化再结合综合性的水处理技术,构建水体可持续永续水质处理模式,用于河道湖泊治理,将会是一个庞大的产业技术体系。另外用于水上园林景观的建设,又为观光科普旅游催生出一个全新的创新项目。对于农旅结合的综合体农业来说,开拓水域,构建水上农耕文明,展示科技创新魅力与前景,对增进对现代农业信心及生态文明教育,都将起到积极的推进作用。
6、自主知识产权情况
通过项目实施,可形成以下几大自主创新的科技成果
A、    低成本浮体网架农场构建技术。
B、    生产与生态治理污水相合的复合耕作模式是本项目的重要创新。
C、    开发一款低成本集自动化与物联网结合的远程微控制系统。
D、    陆生根转变水气根的驯化诱导技术。
E、    水质与树种的匹配研究成果。
F、    林渔复合耕作模式。

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