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   水耕营养液调配与管理





    一、前言
    植物生长过程中必需由空气中获得二氧化碳、氧气及水及由土壤中吸收必需元
    素如氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、锌、铜、硼、钼、氯等以维持其基本之生命
    能量。因之,若将植物生长中所需之必需元素或无机化合物之方式溶解于水溶液中,
    之后,再提供水耕植物吸收利用,此溶液即称为营养液。在进行水耕栽培时营养液之
    调配及例行管理与用于调制营养液时之用水水质和化学原料之纯度、营养液配方及栽
    培过程营养液之酸碱度、电导度和化学组成分之变化都与水耕植物可否正常生育有决
    定性;以下将一一述明之。
    二、用水特性
    在进行养液调配?#20445;?#39318;先需考虑之要件为使用来调制营养液的水知水质良好否。
    所?#20581;?#29992;水之水?#30465;?#31995;泛指供为水质中化学成分含量的多寡,即用水水质中之酸碱度
    (pH),电导度(EC, electric conductivity)和氨态氮(NH4-N)、钾(K+
    )、钙(Ca+2)、钠
    (Na+
    )、铁(Fe+3)、锰(Mn+2)、硼(B+5)等阳离子及硝酸态氮(NO3-N)、磷酸根(PO4-P)、硫
    酸根(SO4
    =
    )、碳酸根(CO3
    =
    )、及氯(Cl-
    )等阴离子含量和有机质(organic matter)、
    溶氧量(DO, dissolved oxygen)及生物性需氧量(BOD, biological oxygen demand)
    之多寡,为评鉴此用水是否可供为养液调配之基准。
    用水水质良好否之检测限值如表1 所示,其EC 值需在0.5mS/㎝以下,pH 值需在
    8.0 以下,硝酸态氮(NO3-N)、氨态氮(NH4-N)、硫酸根(SO4-S)、磷酸根(PO4-P)、及
    钾(K)?#22756;?#23376;含量需在5ppm 以下,调配碳酸根(CO3
    =
    )需在 10ppm 以下,钙离?#26377;?#22312;
    40ppm 以下,镁离子(Mg)需在20ppm 以下,铁离子(Fe)需在1ppm 以下,硼离子(B)需
    在0.3ppm 以下,Zn(锌)、铜(Cu)、锰(Mn)?#22756;胱有?#22312;0.5ppm 以下、氯(Cl)及钠(Na)
    离?#26377;?#22312;30ppm 以下,有机质在5ppm 以下、溶氧量在5ppm 以上。
    三、用水来源
    ?#35805;?#32780;言,进行水耕栽培用水之可使用雨水、河川水、地下水、井水、涌泉、自来水,
    唯使?#20204;?#38656;先检定或经水质处理后始得运用。表 2 显示台湾各种用水之水质,若以
    pH 及EC 为度量标准,则以雨水及自来水之水?#24335;?#20026;稳定而河川水及地下水之水?#24335;?br>    差。再者,?#23665;?#24180;来农家送检之水质分析结果显示,电导度值在1.2~0.3mS/㎝间及
    pH 值在7.3~8.9 间,且离子含量以钙离子超过50 ppm (120~55ppm)、镁离子超过40 ppm (43~ 73ppm)、铁离子超过10ppm (3~12ppm)、钠离子超过5ppm (20 ~50ppm)及氯
    离子超过 30 ppm (30~50 ppm) 居多。究明其原因,以用水之水源水质不良居多,其
    次为经「树脂处理」再生后之过滤水中过多量之钠离子及?#22756;?#23376;所致。用水之水质经
    测定后,若其EC 值在0.5mS/㎝以?#40092;保?#27492;水样之水质不良,不宜供为调制养液;解
    决之道需另觅水源或进行水质改善,或进行水质改善。?#35805;?#27700;质改善之方法,主要以
    理化方法为主,例如利用树脂过滤法,去除水中过多之「钙」、「镁」离子,或利用氧
    化还原法去除水中过多之「铁」离子。唯以树脂法过滤用水后,在进行「再生」时会
    产生过多之钠及?#22756;?#23376;。究明其原因系?#35805;?#22312;进行树脂法过滤用水之过多的钙、镁离
    子?#20445;?#19968;旦树脂过滤效率下降?#20445;?#38656;立即行「再生」处理。?#35805;?#34892;再生处理时大致以
    氯化钠(NaCl)水溶液清洗。因之,清洗过程中之过滤水不可用来调配营养液,否则
    会因过滤水中含有过多之?#22756;?#23376;及钠离子而降?#22303;朔市А?#24403;用水之酸检度超过 7.5
    以?#40092;保?#22312;调配养液过程会发生沉淀现象。因之,在用水之酸碱度超过7.5 ?#20445;?#23452;以
    每1000 公升用水量置入20 毫生之95﹪浓硫酸为准,将用水之酸碱度下降至7.0 以
    下。总之,用于调配养液之用水其电导度需在0.5mS/㎝以?#24405;?#37240;碱度在5.5 -7.5 间。
    表 1 调制水耕营养液适用之水质特性
    化学成分别 基 准 量
    电导度(EC)
    酸碱度(pH)
    有机质(OM)
    溶氧量(DO)
    硝酸态氮(NO3-N)
    氨态氮(NH4-N)
    钙离子(Ca ion)
    镁离子(Mg ion)
    钾(K ion)
    硫酸根(SO4-S)
    磷酸根(PO4-P)
    碳酸根(CO3
    =
    )
    钠离子(Na ion)
    ?#22756;?#23376;(Cl ion)
    铁离子(Fe ion)
    锰离子(Mn ion)
    硼离子(B ion)
    锌离子(Zn ion)
    铜离子(Cu ion)
    <00.5mS/cm
    5~8
    <5ppm
    >5ppm
    微量
    微量
    <4ppm
    <20ppm
    <5ppm
    <5ppm
    <5ppm
    <10ppm
    <30ppm
     <30ppm~40ppm
    <1ppm
    <0.5ppm
    <0.3ppm
    <0.5ppm
    <0.5ppm 表 2 台湾不同水源之水质特性
    用水别 pH EC (mS/cm)
    地下水
    井水
    涌泉
    雨水
    河川水
    自来水
    5-8 0.3-1.4
    5-8 0.1-0.8
    6-7 0.1-0.6
    3.5-7.8 0.05-0.3
    5.9-8.2 0.2-1.2
    6.4-7.4 0.2-0.4
    四、 营养液之化学组成分
    行养液栽培之目的系利用液体方式提供植物生长所需之营养元素,植物生长所需
    之必需元素有十六种,分别为碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、
    镁(Mg)、硫(S)、铁(Fe)、硼(B)、锰(Mn)、锌(Zn)、铜(Cu)、钼(Mo)及氯(Cl)等,前
    9 种因植物需求较多称之巨量元素,后7 种植物需要量较少,称之微量元素。因之,
    所谓营养液者,即将十六种生长之必需元素以化合物方式,完全溶解于水中来供给植
    物之根或叶片吸收者。作物养液栽培之配方依作物种类别及季节别而异,如表3 所
    示,为?#25910;?#24320;发供为栽培蔬果用之配?#20581;?br>    表3 ?#25910;?#24320;发之蔬果用配方(公克/1000 公升)
    组成分 叶菜 莴苣 芥蓝 番茄
    硝酸钙 118 94 165 1,180~1,776
    硝酸钾 606 484 848 606~909
    磷酸一铵 77 62 107 77~116
    硫酸镁 492 394 689 492~738
    磷酸一钙 84 67 118 84~126
    钳形铁 20 20 20 20
    硼酸 1.2 1.2 1.2 1.2
    氯化锰 0.72 0.72 0.72 0.72
    硫酸锌 0.09 0.09 0.09 0.09
    硫酸铜 0.04 0.04 0.04 0.04
    钼酸钠 0.01 0.01 0.01 0.01
    pH 6.0 6.0 6.0 6.0
    EC(mS/cm) 1.4 1.1 2.0 1.4~2.1 五、养液管理基准
    植物土长过程中,根部会分泌些许物质,且由营养液中吸收各种成分。
    因之,营养液组成分之浓度及酸碱度会逐渐变化,根据?#25910;?#20043;研究成果显
    示,营养液之浓度及酸碱度之变化不能超过配方量之20%,否则水耕植物
    生育不正常。?#35805;?#32780;言,营养液浓度之测量单位为mS/cm,即以电导度计
    (electrical conductivity meter, EC meter, 详如图一)来度量之,而
    营养液酸碱度之测量单位为pH,即以酸碱度计(pH meter 如图二)来度量
    之,?#35805;?#24066;售之酸碱度计可分成单点校正式及双点校正式两种,其度量值
    由1~14,7 为中性,1 为强酸,14 为强碱。使用酸碱度计去度量水质或营
    养液?#20445;?#38656;先以pH=4.0 及pH=7.0 标准液校正之,否则所度量之测量值不
    准确。因之,以单点校正式酸碱度计去度量之测量?#24335;?#19981;准确。酸碱
    度为一种度量固体肥料调配成营养液后或用水中氢离?#20248;?#24230;之多寡,?#35805;?br>    以其浓度之指数来表示,称为pH,即1 公升的溶液中含有氢离子克数之倒
    数的常用对数值:
     pH=-log[H+
    ]=1÷log[H+
    ]或[H+
    ]=10-PH
     若溶液中 [H+
    ]较 [OH─
    ]大?#20445;?#27492;溶液即为酸性,反之即碱性。因之,
    (1)[H+
    ]=[OH-
    ]时 pH=7,(2)[H+
    ]>[OH-
    ]时 pH≒1~7,及(3)[H+
    ]<[OH-
    ]时 pH≒7~14
    。
     在栽培过程,养液之浓度及pH 值,会随栽种蔬菜之种类及外界气候
    环境而变。因之,必需定期检验其成分而调整之。
    图一电导度计(EC mete ) ,右图为电导度
    计之电级区及左图为白金杆和温度感应?#36865;?#20108;常用之酸碱度计,单点校正式(左)及
    双点校正式(右)
    六、 营养液调配作业
    依栽种作物别、季节别及及表9 之基本配方中成分,各组成分化学药?#37327;上?#22346;
    间化工原料行购买,巨量元素以选购食品级或工业级为宜,微量元素则以分析级最佳
    ,购买时需了解各成?#20998;?#26377;效成分(浓度),及不纯物之种类和成分量,否则一旦含过
    量之重金属时将危害?#36739;?#36153;者之健康。表4 为台湾坊间水耕用固体肥料之化学特性及
    参?#25216;?#26684;。
    调配养液可依下列步骤进行:(1)选择适当之养液配方(如表3),(2)估算
    预调配之配方量,(3)估算配方中之各肥料量,(4)在了解各肥料之纯度后(如
    表4)称取正?#20998;?#32933;料量,(5)依各肥料特性个别溶解之,(6)依肥?#38686;?#20043;相容性
    依序溶入用水中,(7)度量养液之酸碱度再依表5、表6 之校正表将养液调整至
    7.0-6.0 间,(8)测量电导度。表 4 台湾坊间水耕栽培用肥料之特性
    以龙岩区农业改良场叶菜配方为准,来调配3,000 公升之养液,倘若用水
    之pH 值为7.8,EC 值为0.35 mS/㎝,因之,调配作业步骤如下:
    步骤一:于3,000 公升水溶液中加入95﹪浓硫酸60 毫升(20 毫升/1000 公升×
    3),使水溶液 pH 值降至 6.7。
     
    步骤二:估算配方中各肥料需求量并考虑到各肥料之纯度后,精算各肥料之正
    确量(如表 6-5)
    步骤三?#33322;?#34920;五中之个别各肥料之?#23548;?#29992;量一一以清水完全溶解后,分别倒入
    3 ,000 公升之用水中,再倾倒肥?#40092;保?,000 公升之用水需以搅拌机将
    用水充分搅拌。各肥料之倾倒顺序分别为硝酸钾、硫酸镁、磷酸一铵、
    硝酸钙、蟹合铁、硼酸、硫酸锌、硫酸铜、硫酸?#30899;?#38076;酸铵。
    步骤四:3,000 公升之养液经充分搅拌后,以酸碱度测定酸检度值,若数值在7.0 以
    上则先以每3,000 公升养液先加入毫升95﹪硫酸将之降至7.0 左右,再依表
    6-6 之参考值添加9.5﹪硫酸1165.8 毫升(368.6 毫升×3),或6.5﹪硝酸11.7
    毫升(933.9 毫升×3)或8.5﹪磷酸2.1 毫升(940.7 毫升×3),将养液之酸
    碱度降至 6.0 左右备用。反之,若养液太酸?#20445;?#21487;依表6-7 之参考值将之调
    升到 6.0。
    步骤五:依电导度计测定养液之电导度值,依龙岩区农业改良场之配方值为1.4mS/
    ㎝,用水之电导度值在0.3 ms/㎝,因之,该养液之电导度值应落在1.7 mS/
    肥 料 名 称 纯度(%)
    溶解度 20℃
    公克/公升
    参?#25216;?#26684;
    (元/公斤)
    硝酸钙[Ca(NO3) 2.4H2O]
    硝酸钾(KNO3)
    磷酸一铵(NH4H2PO4)
    磷酸一钙[Ca(H2PO4) 2. H2O]
    硫酸镁(MgSO4.7H2O)
    钳形铁(Fe.EDTA)
    硼酸(H3BO3)
    硫酸铜(CuSO4.5H2O)
    硫酸锌(ZnSO4.7H2O)
    氯化锰(MnCl2.4H2O)
    钼酸钠(Na2MoO4.2H2O)
    70~80
    90~95
    95~98
    20~30
    45~50
    95
    99
    99
    99
    99
    99
    1,270
    315
    368
    18
    356
    421
    46
    366
    168
    735
    100
    40~50
    25~30
    65~80
    50~60
    10~20
    300~500
    55~60
    30~40
    35~45
    45~55
    850~1,400 ㎝(1.4+0.3)左右。
    表 5、养液调配?#36816;?#34920;
    步骤一步骤二步骤三步骤四步骤五
    配方
    组成份
    配方
    成份用量
    (公克/1000公升)
    配方
    需求量
    (以3,000公升为例)
    肥料
    纯度
    (%)
    ?#23548;?#32933;料
    需求量
    (公克/3000公升)
    硝酸钾 606 1818 90 2,020
    硝酸钙 118 708 85 944
    硫酸镁 492 1476 75 2,688
    磷酸一铵 77 285 90 317
    磷酸一钙 84 254 70 360
    蟹合铁 20 60 90 67
    氯酸锰 0.72 2.2 90 2.4
    硫酸锌 0.09 0.27 90 0.3
    硫酸铜 0.04 0.12 90 4.0
    硼酸 1.2 3.6 90 10.0
    钼酸钠 0.01 0.03 90 0.033
    表6、每1000 公升不同碱性水溶液降至pH6.0时所需硫酸(H2SO4)或磷酸(H3PO4)
    或硝酸(HNO3) 之填加量(毫升)
    注:市售硫酸浓度为95~98﹪,硝酸为65﹪,磷酸为85﹪
    pH 值
    9.5﹪
    H2SO4
    8.5﹪
    H3PO4
    6.5﹪
    HNO3
    7.0 368.6 940.7 933.9
    6.9 336.7 891.7 861.7
    6.8 303.7 832.7 784.8
    6.7 269.0 763.7 703.1
    6.6 234.3 684.6 616.8
    6.5 198.0 595.6 525.7
    6.4 160.6 496.5 430.0
    6.3 122.1 387.4 329.6
    6.2 82.5 268.3 224.4
    6.1 41.8 139.1 114.6
    6.0 - - - 表7、1000 公升不同酸性水溶液调升至pH6.0 时所需氢氧化钠(NaOH)或氢
    氧化钾(KOH)之填加量(毫升)
    pH 值
    4.0﹪
    NaOH
    4.0﹪
    KOH
    5.0 477.8 707.9
    5.1 446.1 666.8
    5.2 410.9 619.2
    5.3 372.1 564.9
    5.4 329.8 504.0
    5.5 283.8 436.5
    5.6 234.2 362.5
    5.7 181.0 281.8
    5.8 124.3 194.4
    5.9 63.9 100.5
    6.0 - -
    注:市售氢氧化钾及氢氧化钠为高纯度之固体粒剂或粉剂
     
    七、浓缩养液之调配作业
    为了配合养液滴灌系?#25345;?#36816;作,必须将养液配方分成如表8 部分组合并调配成
    浓缩液,依龙岩区农业改良场配方如表6-5 为例,若要调配成2000 公升之500 倍浓
    缩液,则可依表 8 之步骤进行之。
    调配营养液?#20445;?#25152;有肥料之组成分的来源及纯度要预先了解,以龙岩区农改良
    场叶菜类标准配方为例,硝酸钙Ca(NO3) 2.4H2O 之配方量为118 公克/1000 公升。
    操作?#20445;?#39318;先需了解使用之硝酸钙是否亦含4H2O(4 个结晶水),以无结晶水之Ca(NO3)
    2为例,其含Ca 之百分率24.4%,而配方中Ca(NO3) 2.4H2O 之Ca 百分率为16.9%而言,
    若采用无结晶水之Ca(NO3) 2来配营养液,则称取肥料量需减少为:
    118 公克/1000 公升x (16.9%÷24.4%)=81.7 公克
    又配方中所提及成分量系指肥料来源为100%纯度下的成分量,因之,若采用工业级
    之肥料其纯度?#35805;?#20165;50~90%间,则?#23548;?#25805;作时需依?#22756;?#22686;量之,以Ca(NO3) 2
    . 4H2O 之配方量为118 公克/1000 公升而言,若使用纯度仅80%之工业级肥料,则实
    际称取量为:118 公克/1000 公升÷80%=147.5 公克/1000 公升。
    ?#35805;?#20892;用肥?#20808;?#23615;素、硫酸铵、过磷酸钙、氯化钾等,因纯度不高,不纯物太多且不
    能完全溶于水,故不宜为营养液之原料。而台肥公司出售之液体肥料中,组成分仅为
    氮、磷、钾、镁、硫等,而缺乏植物所需之矿物质(即微量元素),故不宜为营养液之
    原料。在国外大规模商业水耕农场,均使用固体形态之水耕肥料,而依其栽种作物之
    专用配方(如表7)以每1公吨用量为准,将调配成A、B 二大包为一组,其中A、B 为
    巨量元素而微量元素则置于A 及B 中;而A 及B之分组原则为含钙(Ca)之原料需与含硫酸根(SO4-S) 之原料分开否则在高浓度浓缩下会发生。然而不论使用固体肥料或液
    肥为原?#20808;?#35843;配?#20445;?#39318;先需确定用水之组成分及pH 值,若在7.5 以?#40092;?#38656;添?#20248;?#30827;
    酸,使之降至6.0 左右,否则部分组成分会沉淀,例如若超过7.5 ?#20445;?#30813;酸钙将无法
    完全溶解而呈灰色悬浮液。?#35805;?#32780;言,每一吨水欲下降1 个pH 单位?#20445;?#38656;添加95%
    浓硫酸 25~50 ml。反之若养液pH 低5.0,可填加40%之氢氧化钠饱和溶液,?#21487;?#39640; 1
    个 pH 单位,每一吨水需加入 50~100ml。进行养液调配?#20445;?#21508;组成分需先充分溶解后,
    再?#26469;?#21152;入养液槽中,不可?#40644;?#28151;入。再者,初次调配养液?#20445;?#30001;于成分量太多不易
    充分混合,因此需分成几天逐量添加,以40 公吨为例,大约成分5~7 天为宜。最后
    将A 及B part 充分溶解后以浓硫酸或浓硝酸将浓缩液之酸碱度降至5.0 左右。
    表 8、浓缩养液调配?#36816;?#34920;
    步骤一步骤二步骤三步骤四步骤五
    浓缩液别
    肥料
    配方
    (公克/1000公升)
    肥料配方
    需求量
    (以调配2,000公升,
    500倍浓缩液为例)
    肥料
    纯度
    (%)
    ?#23548;?#32933;料
    需求量
    (公克/2000公升)
    Part A
    硝酸钾 500 500,000 90 555,555
    硫酸镁 492 492,000 75 656,000
    磷酸一铵 77 77,000 90 105,555
    硫酸锰 0.72 720 90 3,333
    硫酸锌 0.09 90 90 1,111
    硫酸铜 0.04 40 90 2,222
    Part B
    硝酸钾 106 106,000 90 235,061
    硝酸钙 118 118,000 85 554,190
    磷酸一钙 84 84,000 70 120,000
    蟹合铁 20 20000 90 23,333
    硼酸 3.0 3000 90 3,333
    钼酸钠 0.01 10 90 11


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