第 7 章营养液
在水培 / 无土栽培领域，恐怕没有哪个方面比营养液的成分构成与使用方法更易被误解了。大多数相关文献仅向读者提供营养液配方列表、推荐的试剂来源以及必要的重量和计量方法。尽管这些信息对于正确配制营养液至关重要，但要实现成功种植，对营养液管理方法建立扎实的理解即便不算更重要，其重要性也绝不亚于前者。许多种植者并不了解营养液成分与使用方式之间复杂的相互关系，而遗憾的是，在营养液管理的这一关键环节上，大部分文献要么提供的帮助微乎其微，要么完全没有涉及。
有一款用于生菜和香草种植的新型种植设备名为 “Omagagarden 机”，在一篇介绍该设备的文章中，其研发人员表示：“最难的部分在于调配出合适的植物养分，并确定投喂量”（Simon，2004b）。许多曾在水培文献中众多营养液配方的选择与使用上倍感棘手的人，都会对这一观点深有同感。
产量低下、植株瘦弱、水资源与试剂成本高昂 —— 事实上，几乎所有未能实现圆满种植的典型问题，都可能直接与营养液配方不当或管理不善有关。遗憾的是，没有任何一位水培技术顾问能为种植者提供一套绝对固定的 “灵丹妙药” 或配方。种植者必须在自己的种植系统中不断尝试：观察植株生长状况、检测营养液指标、调整配方与用量，直到针对自身特定种植环境和特定作物，找到营养液成分与使用方式之间的最佳平衡。
以一位温室水培番茄种植者为例，在五年的种植过程中，他先是采用珍珠岩袋栽培，随后改用桶栽珍珠岩，最终又换成桶栽腐熟粉碎松皮，且每更换一次种植系统，都会多次调整营养液配方。然而，这些调整都未对番茄的产量和品质产生显著影响，不过有一项改进效果十分明显：当使用粉碎腐熟松皮作为育苗基质时，植株出现营养元素缺乏的情况明显减少。即便到如今，这位种植者仍在思考，下一步该做出怎样的调整才能显著提高番茄产量。
尽管目前对于如何最优地配制和管理营养液，我们仍有许多未知之处，但关于哪些做法可行、哪些不可行，已经有了不少可靠的线索。本章将专门对这些线索进行阐释。种植者可利用这些线索，制定出最适合自身环境种植系统与作物的管理方案。他们还需尝试各种技术，在实现作物高产优质的同时，最大限度地提高营养液的利用率。
选择特定的营养液配方时，应基于以下三个因素：
1.水培种植技术类型
2.向植物根系供应营养液的频率与用量
3.作物对营养元素的需求
本章及第 11 章将对所有这些相互影响、相互作用的因素展开讨论。
配制营养液需要大量（且需求量可能相当大）的相对 “纯净” 的水，这类水要么可直接获取，要么需要通过处理生成。
水质
所有水培 / 无土栽培系统都需要大量相对纯净的水。即便是优质的生活用水或农业用水，也常常含有会对植物生长产生或积极、或消极影响的物质与元素。即便从温室覆盖物收集的雨水，也可能含有无机和有机物质，进而影响植物生长。在美国许多地区乃至全球范围内，由于水受到各种无机和有机物质的污染，水质问题已成为水培 / 无土栽培应用中的一大难题。
因此，对用于任何类型水培 / 无土栽培系统的水进行全面分析至关重要。如果水源是河流、浅井或其他地表水源，水质分析应同时涵盖无机成分和有机成分；若水源并非上述类型，仅通过无机元素检测即可确定水中元素的组成与浓度。
天然水源中某些植物必需元素的浓度可能较高，尤其是钙（Ca）和镁（Mg）。在以石灰岩为含水层的区域，水中钙的浓度高达 100 毫克 / 升（ppm）、镁的浓度高达 30 毫克 / 升（ppm）的情况并不罕见。部分天然水中钠（Na）以及碳酸氢根（HCO₃⁻）、碳酸根（CO₃²⁻）、硫酸根（SO₄²⁻）、氯离子（Cl⁻）等阴离子的浓度也可能较高。在一些地区，硼（B）的浓度也可能处于较高水平。此外，部分天然水中还存在硫化物（S²⁻）—— 主要以硫化亚铁的形式存在，会使水散发出 “臭鸡蛋” 味。
目前已有文献公布了适用于水培及灌溉的水质建议成分特征。Verwer 与 Wellman（1980）确定了岩棉栽培用水中矿物质的最高允许浓度，具体数据如表 7.1 所示。Farnhand 等人（1985）则基于盐度、电导率（EC）、总溶解固体（TDS）和离子含量，制定了灌溉用水的标准（如表 7.2 所示）。Waters 等人（1972）设定了盆栽植物灌溉用水的适宜性标准，相关数据如表 7.3 所示。Smith（1999）提出了水培用水中各元素的最高允许浓度（如表 7.4 所示）。穴盘育苗的理想水质指南以及优质灌溉水的特征分别如表 7.5 和表 7.6 所示。
表 7.1 岩棉栽培灌溉用水中矿物质的最高允许浓度
|
元素 / 离子 |
最高浓度（毫克 / 升，ppm） |
|
氯离子（Cl） |
50-100 |
|
钠（Na） |
30-50 |
|
碳酸根（CO₃） |
4.0 |
|
硼（B） |
0.7 |
|
铁（Fe） |
1.0 |
|
锰（Mn） |
1.0 |
|
锌（Zn） |
1.0 |
来源：Verwer, F.L. 与 Wellman, J.J.C.，1980 年，发表于《第五届国际无土栽培大会论文集》，国际无土栽培学会，荷兰瓦赫宁根。
表 7.2 灌溉用水水质指南
|
特征 |
问题程度 |
||
|
无问题 |
问题加剧 |
严重问题 |
|
|
电导率（EC）， decisiemens / 米（dS/m）^a |
<0.75 |
0.75-3.0 |
>3.0 |
|
总溶解固体（TDS），毫克 / 升（mg/L）^b |
<480 |
480-1920 |
>1920 |
|
钠（Na）钠吸附比（SAR 值） |
<3 |
3-9 |
>9 |
|
氯离子（Cl），毫克 / 升（mg/L） |
<70 |
70-345 |
>345 |
|
硼（B），毫克 / 升（mg/L） |
1.0 |
1.0-2.0 |
2.0-10.0 |
|
铵根（NH₄）与硝酸根（NO₃），毫克 / 升（mg/L） |
<5 |
5-30 |
>30 |
|
碳酸氢根（HCO₃），毫克 / 升（mg/L） |
<40 |
40-520 |
>520 |
^a 电导率（Electrical conductance）
^b 总溶解固体（Total dissolved solids）
来源：Farnhand, D.S.、Hasek, R.F. 与 Paul, J.L.，1985 年，《水质》，第 2995 号传单，加利福尼亚大学戴维斯分校农业科学部，美国加利福尼亚州戴维斯市。
表 7.3 盆栽植物灌溉用水的适宜性标准
|
水质分类 |
电导率（毫米西门子 / 厘米，mmho/cm） |
总溶解固体（盐类），毫克 / 升（ppm） |
钠（占总固体的百分比，%） |
硼（毫克 / 升，ppm） |
|
极佳 |
<0.25 |
<175 |
<20 |
<0.33 |
|
良好 |
0.25-0.75 |
175-525 |
20-40 |
0.33-0.67 |
|
可接受 |
0.75-2.0 |
525-1400 |
40-60 |
0.67-1.00 |
|
存疑 |
2.0-3.0 |
1400-2100 |
60-80 |
1.00-1.25 |
|
不适宜 |
>3.0 |
>2100 |
>80 |
>1.25 |
来源：Waters, W.E.、Geraldson, C.M. 与 Woltz, S.S.，1972 年，《不同方法对可溶性盐测试与土壤分析的解读》，AREC 油印报告 GC-1972，美国佛罗里达州布雷登顿。
地表水或池塘水中可能含有致病微生物或藻类，这些物质会引发一系列问题。藻类在大多数水培系统中生长速度极快，可能堵塞管道、污染阀门。因此，必须对水进行过滤或采用其他预处理方式，以确保用于配制营养液的水中不含这些有害微生物和悬浮物。
在大多数情况下，要配制并维持适宜的营养液，都需要对水进行一定程度的处理。根据水源分析结果，有时可能无需特殊处理或过滤即可去除悬浮物；但在水质 spectrum 的一端，种植者可能只需通过沙床或细孔过滤器过滤掉杂质即可；而在另一端，则可能需要采用离子交换或反渗透等先进系统来去除水中的离子（匿名作者，1997a）。
在硬水地区，水中钙和镁的含量可能足以满足植物部分甚至全部的需求。此外，微量营养元素的浓度也可能较高，无需再向营养液中添加这类元素。不过，这些判断都必须基于对水质的元素分析。
表 7.4 通用水培用水中常见化合物及元素的最高允许含量
|
元素 |
浓度（毫克 / 升，ppm） |
|
硼（B） |
<1 |
|
钙（Ca） |
<200 |
|
碳酸根（CO₃） |
<60 |
|
氯离子（Cl） |
<70 |
|
镁（Mg） |
<60 |
|
钠（Na） |
<180 |
来源：Smith, R.，1999 年，《种植前沿》第 11 卷（1）：14-16 页。
表 7.5 穴盘育苗的理想水质指南
|
元素 / 成分 |
适宜范围（毫克 / 升，ppm） |
|
硼（B） |
<0.5^a |
|
铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn） |
<1.0^a |
|
钙（Ca） |
50-125^b |
|
氯离子（Cl） |
<100 |
|
氟化物（F） |
<1.0 |
|
镁（Mg） |
5-25^b |
|
磷酸根（P） |
<5 |
|
钠（Na） |
<50 |
|
碳酸氢盐碱度 |
<120^c |
|
以碳酸钙计的碱度 |
<100^c |
|
总可溶性盐 |
650-1050 |
|
pH 值 |
5.8-6.4^d |
^a 市售水溶性肥料通常含有足量的微量元素。若水中某类微量元素含量较高（1-5 毫克 / 升），应咨询水质专家。
^b 此浓度范围内的钙和镁可在营养层面为植物提供益处，确定向幼苗投喂哪些微量元素时可参考这些数值。
^c 水质分析报告可能会直接列出碳酸氢盐碱度，或用碳酸钙含量表示总碱度。
^d 此 pH 值范围内，水的碱度较低且易于控制。
^e 目前电导率（EC）的单位为毫西门子（mS），部分报告可能仍使用旧单位毫西门子 / 厘米（mmho/cm），二者数值相等。报告中 “总可溶性盐”（TSS）的数值由电导率计算得出，1 微西门子 / 厘米（μS/cm）约等于 650-700 ppm 的总盐量。
来源：Faulkner, S.P.，1998b，《种植前沿》第 10 卷（1）：87-88 页。
有机化学品与水质检测
有机化学品（如杀虫剂和除草剂）中，许多具有水溶性。即便这些化学品浓度很低，也会对植物生长产生显著影响。在农业种植密集区域，取自浅井或地表水源的水，均需检测是否存在这类化学品。
只有当水的化学和（或）物理成分有必要时，才应采取处理措施。显然，种植者在特定环境下制定财务和管理计划时，必须将生产营养纯净水的成本纳入考量。例如，从经济角度出发，接受因使用非纯净水导致的部分作物损失，可能比投入资金处理水质以收回成本更为明智。水质处理的方式多样，既可以是简单且低成本的操作（如酸化水体以去除碳酸氢盐（HCO₃⁻）和碳酸盐（CO₃²⁻）），也可能是成本高昂的工艺（如通过反渗透技术完全去除离子）。
在使用水源前，应将水样送至检测实验室进行全面分析；且每当更换水源时，都需重复进行此项分析。此外，在使用初始营养液前，建议对其进行检测，以确保其成分符合预期要求。监测水和营养液时，可使用仪器设备及分析试剂盒（详见第 13 章）。
pH 值
水的 pH 值波动范围可能很大，而且如果水中离子含量极少，其 pH 值还难以准确测定。例如，纯净水的 pH 值不易精确测量；若将纯净水暴露在空气中，其 pH 值会根据吸收二氧化碳（CO₂）的量而发生变化。
溶液中阳离子与阴离子的比例、离子类型及其浓度，共同决定了水的 pH 值。例如，硫酸钙（CaSO₄）饱和溶液呈酸性，因为硫酸钙是强酸与弱碱反应生成的盐；而氯化钠（NaCl）溶液的 pH 值接近中性，因为氯化钠是强酸与强碱反应生成的盐。其他盐类溶液的 pH 值也可依此规律进行类比判断。含有多种离子的水，其 pH 值可能覆盖更广泛的范围。此外，溶解在水中的二氧化碳含量也会对 pH 值产生影响 —— 相较于离子含量高的水，离子含量低的水中二氧化碳对 pH 值的影响更为显著。
水与营养液的过滤
水源中的所有悬浮物质都应通过砂床或类似的过滤系统去除（匿名作者，1997a）。这些悬浮物质可能含有致病微生物、成为藻类的滋生源，或者在配制营养液时与试剂发生反应，导致部分元素沉淀。
在封闭式循环系统中持续使用营养液时，每一次流经植物根系和（或）基质，营养液的性质都会发生改变：不仅植物根系会吸收部分元素，导致营养液化学成分变化；根系脱落的组织以及基质中含有的或伴随基质产生的物质，也会进入营养液，使其成分进一步改变。因此，当营养液回流至储液罐时，其物理和化学性质都会发生变化 —— 不仅元素含量改变，还会存在悬浮沉淀物、微生物及有机残渣。
对于短期使用（少于 5 天）的营养液，其物理或化学性质的变化可能影响不大。但如果营养液需长期使用（超过 5 天），则必须补充已被消耗的元素以延长其使用时间，同时还需过滤去除悬浮颗粒。
不过，过滤营养液并非普遍做法，大多数水培相关文献也不推荐这一操作，唯一的例外是用于滴灌系统的水 —— 此类水中不得含有悬浮颗粒，否则会堵塞滴灌设备。
遗憾的是，精密过滤系统成本高昂，且需要精心维护才能确保正常运行，这无疑会增加水培种植的成本。因此，必须权衡过滤带来的收益与额外增加的成本。此外，目前关于 “过滤成本与植物生长效益提升” 的研究及实用数据较为匮乏，种植者需结合自身运营条件及保守假设，自行分析判断是否需要过滤。
过滤系统的尺寸、类型及安装要求，取决于水的体积、使用频率以及营养液中积累的悬浮物质总量。建议选用筒式过滤器，因为大多数水培系统中，反冲洗操作通常不可行或不实用，而筒式过滤器的滤芯更换更为便捷。过滤设备应安装在从储液罐或储液容器通向种植床的出水管路上，且需按照 “先粗滤、后精滤” 的顺序安装过滤器（先安装孔径较大的粗过滤器，再安装孔径较小的精过滤器）。
种植者在选择营养液过滤方式时，有多种方案可供选择：
l 泳池型过滤系统可去除 50微米及以上的悬浮颗粒；
l 若需去除 50 微米以下的颗粒，则需安装精密过滤系统（如密理博过滤器，生产厂家：密理博公司，地址：美国马萨诸塞州贝德福德市阿什比路，邮编 01730）。这类系统能够去除微观尺寸（小于 1 微米）的物质，因此不仅可清除大型污染物，还能去除营养液中的多种致病微生物。
除使用密理博过滤器外，若要在一定程度上控制微生物（如细菌等），还可让营养液流经紫外线辐射装置（布扬诺夫斯基等人，1981；埃文斯，1995）。实践证明，紫外线（UV）消毒器可有效降低微生物数量 —— 当在营养液流路上安装两个 16 瓦的紫外线灯，且营养液流速控制在每分钟 13.5 升（3 加仑）时，每平方米每小时的紫外线总照射量可达 573 焦耳，消毒效果显著。
度量单位
多数水培 / 无土栽培相关文献中，会同时使用两套度量单位体系，具体如下表所示：
|
单位类型 |
英制单位（非国际单位制） |
公制单位（国际单位制，SI） |
|
重量单位 |
盎司（oz）、磅（lb） |
克（g）、千克（kg） |
|
体积单位 |
品脱（pt）、夸脱（qt）、加仑（gal） |
立方厘米（cc）、毫升（mL）、升（L） |
|
长度单位 |
英寸（in）、英尺（ft）、码（yd） |
毫米（mm）、厘米（cm）、米（m） |
|
面积单位 |
– |
公顷（ha）、英亩（A） |
通常，英制单位被称为 “非国际单位制（非 SI）单位”，公制单位则称为 “国际单位制（SI）单位”。非国际单位制与国际单位制之间的换算表，详见附录 D。
本书中，数据单位均依据原始文献标注，并在适当时机提供换算后的单位。尽管全球范围内一直在努力统一度量单位，但水培 / 无土栽培领域的文献仍存在单位混用的情况。
营养液计算常用换算值
0 磅（lb）= 454 克（g）
2 磅（lb）= 1 千克（kg）
1 克（g）= 1000 毫克（mg）
1 加仑（gal）= 3.78 升（L）
1 升（L）= 1000 毫升（mL）
1 毫克 / 升（mg/L）= 1 百万分之一（ppm，即毫克 / 千克）
1 磅（lb）= 16 盎司（oz）
1 加仑（gal）水 = 8.3 磅（lb）
1 夸脱（qt）= 0.95 升（L）
1 加仑（gal）= 128 盎司（oz）
1 加仑（gal）= 3780 毫升（mL）
营养液配方
营养液配方的制定，通常先制备浓缩液，再将浓缩液稀释并混合，最终得到可用于浇灌植物根系的营养液。浓缩液的标识方式多样：可能标注为 A 液、B 液等；也可能分为 “大量元素浓缩液”（含主要营养元素）和 “微量元素浓缩液”（含微量营养元素）；部分情况下，浓缩液中可能同时包含大量元素和微量元素。
浓缩液稀释为最终 “待使用” 营养液时，最常见的稀释比例是 1:100（即 1 份浓缩液兑 100 份水），不过实际应用中也会采用其他稀释比例。
表 7.5 穴盘育苗理想水质指南
|
元素 / 成分 |
最适范围（mg/L，即 ppm） |
|
硼（B） |
＜0.5ⁿ |
|
铁（Fe）、铜（Cu）、锌（Zn）、锰（Mn） |
＜1.0ⁿ |
|
钙（Ca） |
50-125ᵇ |
|
氯（Cl） |
＜100 |
|
氟（F） |
＜1.0 |
|
镁（Mg） |
5-25ᵇ |
|
磷酸盐（P） |
＜5 |
|
钠（Na） |
＜50 |
|
碳酸氢盐碱度 |
＜120ᶜ |
|
以碳酸钙计的碱度 |
＜100ᶜ |
|
总可溶性盐 |
650-1050 |
|
pH 值 |
5.8-6.4ᵈ |
|
电导率（EC） |
1.0-1.5 微西门子 / 厘米（μS/cm），最好更低ᵉ |
ⁿ市售水溶性肥料通常含有足量的微量元素。若水中某类微量元素含量较高（1-5mg/L），请咨询水质专家。
ᵇ此浓度范围内的钙和镁可提供营养益处，确定幼苗需补充的微量元素种类时，可参考该数值。
ᶜ水质分析报告可能直接标注碳酸氢盐碱度，或用碳酸钙含量表示总碱度。
ᵈ此 pH 值范围内，水的碱度较低且易于调控。
ᵉ目前电导率（EC）的单位通常为毫西门子（mS），部分报告可能仍使用旧单位毫姆欧 / 厘米（mmho/cm），二者数值相等。实验室报告中的 “总可溶性盐（TSS）” 数值由电导率计算得出，1 微西门子 / 厘米（μS/cm）约等于 650-700ppm 总盐量。
来源：福克纳（S.P. Faulkner），1998b，《生长前沿》10 (1)：87-88。
试剂
营养液的成分由所使用的试剂决定。文献中记载了多种营养液配方，但存在一个易混淆的问题：配方制定者有时仅标注试剂名称，却未说明其化学式。例如，仅标注 “磷酸钾” 并不足够，因为磷酸钾存在两种形式 —— 磷酸二氢钾（KH₂PO₄，又称单钾磷酸盐）和磷酸氢二钾（K₂HPO₄，又称双钾磷酸盐）。其中，磷酸二氢钾中钾（K）和磷（P）的含量分别为 30% 和 32%，而磷酸氢二钾中钾和磷的含量分别为 22% 和 18%。
另一个易造成混淆的因素是 “指定试剂的结晶水数量”。一般而言，配制营养液所用的大多数试剂都有特定的结晶水数量，且多为常见的商品形态，因此在识别上通常无太大问题，但并非所有试剂都符合这一情况。例如：
l 硝酸钙（Ca (NO₃)₂）的常见商品形态是四水硝酸钙（Ca (NO₃)₂・4H₂O，含 4 个结晶水），但也存在无水硝酸钙（Ca (NO₃)₂），只是后者并不常用；
l 铜（Cu）的常见商品形态是五水硫酸铜（CuSO₄・5H₂O，含 5 个结晶水），但无水硫酸铜（CuSO₄）同样有售；
l 锰（Mn）的常见商品形态是四水硫酸锰（MnSO₄・4H₂O，含 4 个结晶水），不过市场上还存在含 2 个、3 个和 5 个结晶水的硫酸锰。
表 7.6 优质灌溉水特性指标
|
特性 |
理想水平 |
上限值 |
|
可溶性盐（EC） |
0.2-0.5 微西门子 / 厘米（μS/cm） |
穴盘育苗：0.75μS/cm；常规种植：1.5μS/cm |
|
可溶性盐（总溶解固体） |
128-320ppm |
穴盘育苗：480ppm；常规种植：960ppm |
|
pH 值 |
5.4-6.8 |
7.0 |
|
碱度（以碳酸钙计） |
40-65ppm（0.8-1.3 毫当量 / 升，meq/L） |
150ppm（3meq/L） |
|
碳酸氢盐 |
40-65ppm（0.70-1.1meq/L） |
122ppm（2meq/L） |
|
硬度（以碳酸钙计） |
＜100ppm（2meq/L） |
150ppm（3meq/L） |
|
钠（Na） |
＜50ppm（2meq/L） |
69ppm（3meq/L） |
|
氯（Cl） |
＜71ppm（2meq/L） |
108ppm（3meq/L） |
|
钠吸附比（SAR）ⁿ |
＜4 |
8 |
|
氮（N） |
＜5ppm（0.36meq/L） |
10ppm（0.72meq/L） |
|
硝酸盐（NO₃⁻） |
＜5ppm（0.08meq/L） |
10ppm（0.16meq/L） |
|
铵盐（NH₄⁺） |
＜5ppm（0.28meq/L） |
10ppm（0.56meq/L） |
|
磷（P） |
＜1ppm（0.3meq/L） |
5ppm（1.5meq/L） |
|
磷酸二氢根（H₂PO₄⁻） |
＜1ppm（0.01meq/L） |
5ppm（0.05meq/L） |
|
钾（K） |
＜10ppm（0.26meq/L） |
20ppm（0.52meq/L） |
|
钙（Ca） |
＜60ppm（3meq/L） |
120ppm（6meq/L） |
|
硫酸盐（SO₄²⁻） |
＜30ppm（0.63meq/L） |
45ppm（0.94meq/L） |
|
镁（Mg） |
＜5ppm（0.42meq/L） |
24ppm（2meq/L） |
|
锰（Mn） |
＜1ppm |
2ppm |
|
铁（Fe） |
＜1ppm |
5ppm |
|
硼（B） |
＜0.3ppm |
0.5ppm |
|
铜（Cu） |
＜0.1ppm |
0.2ppm |
|
锌（Zn） |
＜2ppm |
5ppm |
|
铝（Al） |
＜2ppm |
5ppm |
|
氟（F） |
＜1ppm |
1ppm |
ⁿ 钠吸附比（SAR）计算公式：SAR = Na⁺/√[(Ca²⁺ + Mg²⁺)/2]
来源：惠普克（B.E. Whipker）、多尔（J.M. Dole）、卡文斯（T.J. Cavins）、戈布森（J.L. Gobson），2003，收录于哈姆里克（D. Hamrick）主编的《鲍尔红皮书：作物生产》第 2 卷（第 17 版），鲍尔出版社，美国伊利诺伊州巴达维亚市。
试剂的元素组成决定了其式量，而式量又会影响配制营养液时所需试剂的用量。以硫酸铜为例：五水硫酸铜（CuSO₄・5H₂O）的式量为 249.71，而无水硫酸铜（CuSO₄）的式量为 159.63。常用营养液配制试剂的特性，详见表 7.7、表 7.8 和表 7.9。
表 7.7 常用试剂级化合物中的植物营养元素含量
|
试剂（中文） |
化学式 |
试剂级化合物中营养元素含量（%） |
|
硝酸铵 |
NH₄NO₃ |
氮（N）：35.0 |
|
硫酸铵 |
(NH₄)₂SO₄ |
氮（N）：21.2；硫（S）：24.2 |
|
尿素 |
CO(NH₂)₂ |
氮（N）：46.6 |
|
硝酸钙（四水合物） |
Ca(NO₃)₂·4H₂O |
氮（N）：11.9；钙（Ca）：17.0 |
|
硝酸镁（六水合物） |
Mg(NO₃)₂·6H₂O |
氮（N）：10.9；镁（Mg）：9.5 |
|
硝酸钾 |
KNO₃ |
氮（N）：13.8；钾（K）：38.7 |
|
硝酸钠 |
NaNO₃ |
氮（N）：16.5 |
|
磷酸二氢铵 |
NH₄H₂PO₄ |
氮（N）：12.2；磷（P）：27.0 |
|
磷酸氢二铵 |
(NH₄)₂HPO₄ |
氮（N）：21.2；磷（P）：23.5 |
|
磷酸二氢钙（一水合物） |
Ca(H₂PO₄)₂·H₂O |
磷（P）：24.6；钙（Ca）：15.9 |
|
磷酸氢钙 |
CaHPO₄ |
磷（P）：22.8；钙（Ca）：29.5 |
|
磷酸二氢钾 |
KH₂PO₄ |
磷（P）：22.8；钾（K）：28.7 |
|
磷酸二氢钠（一水合物） |
NaH₂PO₄·H₂O |
磷（P）：22.5 |
|
氯化钾 |
KCl |
钾（K）：52.4 |
|
硫酸钾 |
K₂SO₄ |
钾（K）：44.9；硫（S）：18.4 |
|
硫酸钠 |
Na₂SO₄ |
硫（S）：22.6 |
|
硫酸钙（石膏，二水合物） |
CaSO₄·2H₂O |
钙（Ca）：23.3；硫（S）：18.6 |
|
碳酸钙 |
CaCO₃ |
钙（Ca）：40.0 |
|
碳酸镁 |
MgCO₃ |
镁（Mg）：28.8 |
|
硫酸镁（泻盐，七水合物） |
MgSO₄·7H₂O |
镁（Mg）：9.9；硫（S）：13.0 |
|
硫酸亚铁（七水合物） |
FeSO₄·7H₂O |
铁（Fe）：20.1；硫（S）：11.5 |
|
硫酸锰（一水合物） |
MnSO₄·H₂O |
锰（Mn）：32.5；硫（S）：19.0 |
|
硫酸锌（七水合物） |
ZnSO₄·7H₂O |
锌（Zn）：22.7；硫（S）：11.2 |
|
氧化锌 |
ZnO |
锌（Zn）：80.3 |
|
硫酸铜（五水合物） |
CuSO₄·5H₂O |
铜（Cu）：25.5；硫（S）：12.8 |
|
硼酸钠（硼砂，十水合物） |
Na₂B₄O₇·10H₂O |
硼（B）：11.3 |
|
硼酸 |
H₃BO₃ |
硼（B）：17.5 |
|
钼酸钠 |
Na₂MoO₄ |
钼（Mo）：46.6 |
此外，试剂的等级（肥料级、药用级（USP）或试剂级）也需关注，不同等级的核心差异在于纯度。通常情况下，肥料级试剂虽纯度低于药用级和试剂级（且价格更低），但已能满足营养液配制需求。不过需注意：不同等级试剂中目标元素的含量可能存在细微差异，且肥料级试剂中目标元素含量通常更低，还可能含有少量杂质元素（例如，钾肥料中可能含有钠（Na））。
在本书中，作者未对文中收录的各类营养液配方格式进行任何修改，而是保留了配方开发者原本呈现的格式。由于目前不存在统一的标准格式，因此营养液的制备体积、单位（英制或公制）以及使用说明均以配方开发者提供的内容为准。在某些情况下，书中会列出用于特定作物和 / 或特定水培 / 无土栽培方式的营养液中的元素含量，可能附带配方数据，也可能不附带。若缺少配方制备说明，使用者需自行判断确定。
尽管目前已公开的营养液制备配方数量众多，但这些配方在特定栽培系统中的正确应用方式，以及针对特定植物品种需求的适配性，却常常被忽视。大多数水培营养液配方的设计基础，都源于 1950 年《加利福尼亚农业试验站通报》（第 347 期）中收录的两个配方，该通报由霍格兰德（Hoagland）与阿农（Arnon）于 1950 年撰写，是所有作物科学文献中被引用最广泛的文献之一。
科学文献中充斥着各类水培配方，这些配方多被标注为 “改良霍格兰营养液”，但关于具体改良内容的描述却寥寥无几。大多数人并不了解，霍格兰 – 阿农营养液配方有明确的使用参数要求：每株植物需配备 4 加仑（约 15.14 升）营养液，且每周需更换一次。若其中任意参数发生改变（如营养液体积、植物数量、更换频率），都可能对植物生长表现产生显著影响 —— 而这一因素，或许并未被那些推荐特定营养液配方的人充分理解或纳入考量。霍格兰 – 阿农 1 号和 2 号营养液的营养元素含量详见表 7.10。
表 7.8 营养液制备常用试剂的化学式、分子量、水溶性及元素含量百分比
|
试剂（中文） |
化学式 |
冷水溶解度（15℃，克 / 升） |
分子量 |
元素含量（%） |
|
大量元素试剂 |
||||
|
氯化铵 |
NH₄Cl |
35 |
53.5 |
氮（N）：26 |
|
硝酸铵 |
NH₄NO₃ |
1183 |
80.0 |
氮（N）：35 |
|
硫酸铵 |
(NH₄)₂SO₄ |
706 |
132.1 |
氮（N）：21.2；硫（S）：24.3 |
|
氯化钙 |
CaCl₂ |
350 |
219.1 |
钙（Ca）：18.3 |
|
硝酸钙（四水合物） |
Ca(NO₃)₂·4H₂O |
2660 |
236.1 |
钙（Ca）：17.0；氮（N）：11.9 |
|
硫酸钙 |
CaSO₄ |
2.41 |
172.2 |
钙（Ca）：23.3；硫（S）：18.6 |
|
磷酸氢二铵 |
(NH₄)₂HPO₄ |
575 |
132.0 |
氮（N）：21.2；磷（P）：23.5 |
|
磷酸氢二钾 |
K₂HPO₄ |
1670 |
174.2 |
钾（K）：44.9；磷（P）：17.8 |
|
硝酸镁 |
Mg(NO₃)₂ |
1250 |
256.4 |
镁（Mg）：9.5；氮（N）：10.9 |
|
磷酸二氢铵 |
NH₄H₂PO₄ |
227 |
119.0 |
氮（N）：11.8；磷（P）：26 |
|
磷酸 |
H₃PO₄ |
5480 |
98 |
磷（P）：31 |
|
氯化钾 |
KCl |
238 |
74.6 |
钾（K）：52.4 |
|
磷酸二氢钾 |
KH₂PO₄ |
330 |
136.1 |
钾（K）：28.7；磷（P）：23.5 |
|
硝酸钾 |
KNO₃ |
133 |
101.1 |
钾（K）：38.7；氮（N）：13.8 |
|
硫酸钾 |
K₂SO₄ |
120 |
174.3 |
钾（K）：44.9；硫（S）：18.4 |
|
硝酸钠 |
NaNO₃ |
921 |
85.0 |
氮（N）：16.5 |
|
尿素 |
CO(NH₂)₂ |
1000 |
60.0 |
氮（N）：46.7 |
|
微量元素试剂 |
||||
|
钼酸铵（四水合物） |
(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O |
430 |
1236 |
钼（Mo）：53 |
|
硼酸 |
H₃BO₃ |
63.5 |
61.8 |
硼（B）：17.5 |
|
硫酸铜（五水合物） |
CuSO₄·5H₂O |
316 |
249.7 |
铜（Cu）：25.4 |
|
硫酸亚铁 |
FeSO₄ |
156 |
278.0 |
铁（Fe）：20.1；硫（S）：11.5 |
|
氯化锰（四水合物） |
MnCl₂·4H₂O |
1510 |
197.9 |
锰（Mn）：27.7 |
|
硫酸锰（五水合物） |
MnSO₄·5H₂O |
1240 |
241.0 |
锰（Mn）：22.8 |
|
硫酸锰（一水合物） |
MnSO₄·H₂O |
985 |
169.0 |
锰（Mn）：32.4 |
|
硫酸锰（四水合物） |
MnSO₄·4H₂O |
1053 |
223.0 |
锰（Mn）：24.6 |
|
硼酸钠（硼砂，十水合物） |
Na₂B₄O₇·10H₂O |
20.1 |
381.4 |
硼（B）：11.3 |
|
钼酸钠 |
NaMoO₄ |
443 |
205.9 |
钼（Mo）：46.6 |
|
钼酸钠（二水合物） |
NaMoO₄·2H₂O |
562 |
241.9 |
钼（Mo）：39.6 |
|
硫酸锌（七水合物） |
ZnSO₄·7H₂O |
965 |
287.5 |
锌（Zn）：22.7 |
表 7.9 水培营养液常用试剂在冷水与热水中的最大溶解度
|
试剂 |
化学式 |
分子量（克） |
最大溶解度（克 / 升） |
最大摩尔溶解度（摩尔 / 升） |
||
|
冷水 |
热水 |
冷水 |
热水 |
|||
|
磷酸二氢钾 |
KH₂PO₄ |
136.1 |
330 |
835 |
2.4 |
6.1 |
|
磷酸氢二钾 |
K₂HPO₄ |
174.2 |
1670 |
极易溶 |
9.6 |
极易溶 |
|
硫酸钾 |
K₂SO₄ |
174.3 |
120 |
240 |
0.68 |
1.4 |
|
氯化钾 |
KCl |
74.6 |
347 |
567 |
4.7 |
7.6 |
|
硝酸钾 |
KNO₃ |
101.1 |
133 |
2470 |
1.33 |
24.4 |
|
氢氧化钾 |
KOH |
56.1 |
1070 |
1780 |
19.0 |
31.7 |
|
碳酸氢钾 |
KHCO₃ |
101.0 |
224 |
600 |
2.2 |
5.9 |
|
碳酸钾（二水合物） |
K₂CO₃·2H₂O |
174.2 |
1470 |
3310 |
8.4 |
19.0 |
|
碳酸钙 |
CaCO₃ |
100.0 |
0.014 |
0.018 |
0.00014 |
0.00018 |
|
硝酸钙（四水合物） |
Ca(NO₃)₂·4H₂O |
236.2 |
2660 |
6600 |
11.3 |
27.9 |
|
氯化钙（二水合物） |
CaCl₂·2H₂O |
147.0 |
477 |
3260 |
6.6 |
22.2 |
|
硫酸钙（二水合物） |
CaSO₄·2H₂O |
172.2 |
2.41 |
2.22 |
0.014 |
0.013 |
|
磷酸二氢钙（一水合物） |
Ca(H₂PO₄)·H₂O |
252.1 |
18 |
分解 |
0.07 |
— |
|
氢氧化钙 |
Ca(OH)₂ |
74.1 |
1.85 |
0.77 |
0.025 |
0.01 |
|
硫酸镁（七水合物） |
MgSO₄·7H₂O |
246.5 |
710 |
910 |
2.88 |
9.69 |
|
硝酸镁（六水合物） |
Mg(NO₃)₂·6H₂O |
256.4 |
3300 |
1250 |
12.9 |
4.86 |
|
氯化镁（六水合物） |
MgCl₂·6H₂O |
203.3 |
1670 |
3670 |
8.2 |
18.1 |
|
碳酸铵（一水合物） |
(NH₄)₂CO₃·H₂O |
114.1 |
1000 |
分解 |
8.76 |
— |
|
硝酸铵 |
NH₄NO₃ |
80.0 |
1180 |
8710 |
14.75 |
108.9 |
|
磷酸二氢铵 |
NH₄H₂PO₄ |
115.0 |
227 |
1732 |
1.97 |
15.1 |
|
硫酸铵 |
(NH₄)₂SO₄ |
132 |
||||
无论采用何种水培 / 无土栽培系统，运营计划中都必须纳入与试剂和水资源成本相关的常规管理考量，以及输送营养液所需的能源需求与成本。其中一项重要的财务决策涉及平衡营养液补充周期与投入成本、损耗之间的关系，同时还要考虑一次性使用和排放带来的环境要求（Johnson，2002c）。当前（截至 2024 年 5 月）及未来影响最大的因素将是水资源的可获得性与成本。
表 7.10 霍格兰 – 阿农（Hoagland/Arnon）1 号和 2 号营养液：配方及元素含量
使用的储备液：毫升 / 升（mL/L）
1 号营养液
l 1 摩尔磷酸二氢钾（KH₂PO₄）：1.0 毫升 / 升
l 1 摩尔硝酸钾（KNO₃）：5.0 毫升 / 升
l 1 摩尔硝酸钙 [Ca (NO₃)₂・4H₂O]：5.0 毫升 / 升
l 1 摩尔硫酸镁（MgSO₄・7H₂O）：2.0 毫升 / 升
2 号营养液
l 1 摩尔磷酸二氢铵（NH₄H₂PO₄）：1.0 毫升 / 升
l 1 摩尔硝酸钾（KNO₃）：6.0 毫升 / 升
l 1 摩尔硝酸钙 [Ca (NO₃)₂・4H₂O]：4.0 毫升 / 升
l 1 摩尔硫酸镁（MgSO₄・7H₂O）：2.0 毫升 / 升
微量元素储备液
l 硼酸（H₃BO₃）：2.86毫克 / 升（mg/L）
l 氯化锰（MnCl₂・4H₂O）：1.81毫克 / 升（mg/L）
l 硫酸锌（ZnSO₄・5H₂O）：0.22毫克 / 升（mg/L）
l 硫酸铜（CuSO₄・5H₂O）：0.08毫克 / 升（mg/L）
l 钼酸（H₂MoO₄・H₂O）：0.02毫克 / 升（mg/L）
使用方法：每升营养液中加入 1 毫升（mL/L）上述微量元素储备液
铁元素添加
l 1 号营养液：使用 0.5% 柠檬酸铁铵，添加量为 1 毫升 / 升（mL/L）营养液
l 2 号营养液：使用 0.5% 螯合铁，添加量为 2 毫升 / 升（mL/L）营养液
霍格兰 – 阿农营养液元素含量（单位：ppm，百万分之一）
|
元素 |
霍格兰 1 号 |
霍格兰 2 号 |
|
氮（NO₃⁻形式） |
242 |
220 |
|
氮（NH₄⁺形式） |
—（无） |
12.6 |
|
磷（P） |
31 |
24 |
|
钾（K） |
232 |
230 |
|
钙（Ca） |
224 |
179 |
|
镁（Mg） |
49 |
49 |
|
硫（S） |
113 |
113 |
|
硼（B） |
0.45 |
0.45 |
|
铜（Cu） |
0.02 |
0.02 |
|
铁（Fe） |
—（无） |
7.0 |
|
锰（Mn） |
0.50 |
0.05 |
|
钼（Mo） |
0.0106 |
0.0106 |
|
锌（Zn） |
0.48 |
0.48 |
源：霍格兰（D.R. Hoagland）与阿农（D.I. Arnon），1950 年，《无土栽培植物水培法》，第 347 号通报，加利福尼亚农业试验站，加利福尼亚大学伯克利分校，美国加利福尼亚州。
营养液中的元素浓度
尽管营养液配方可根据特定使用需求进行调整，但合理管理所需的关键要求往往被忽视或未被充分理解。水培领域的文献中，关于营养液组成的讨论多集中在溶液中元素浓度层面，却几乎未提及如何以 “单株用量”“施用频率” 等简单管理指标来使用营养液。若采用营养液循环系统，则应明确规定营养液更新前特定元素的补充与替换方式。
在讨论特定营养液的使用问题时，营养液膜技术（NFT）的开发者库珀（Cooper，1979b）曾指出：“关于这一主题的可用信息非常有限”（Cooper，1988）。在一项有趣的实验中，他发现当番茄植株每周每株接触 60 升（约 13.3 加仑）营养液时，生长状况达到最佳。起初他认为，充足的营养液量能带走根系分泌物，从而促进植株生长，因此他进一步研究了根系容器尺寸与营养液流速之间的关系。然而实验结果显示，植株生长主要受根系容器尺寸和流经容器的营养液体积影响，而非根系分泌物的清除。库珀由此得出结论：要确定实现植株最佳生长所需的营养液最佳体积和流动特性，还需开展更多基础研究。他还观察到，“植株对养分供应的耐受性极强”。
这一观察结果似乎与斯坦纳配方（表 7.11）的开发者斯坦纳（Steiner，1980）的观点一致。斯坦纳认为，若植株生长环境中有充足的营养液流动，它们 “能够自主选择对其生长发育有利的离子比例”。现有证据表明，流动营养液系统的优势在于植株可获取的营养液体积更大，这不仅增加了植株与必需元素的接触机会，还降低了抑制性物质的浓度。
斯坦纳（1961）提出，实用的营养液配方数量有限；只要能维持元素间的离子平衡，即使是同一种配方，也足以满足大多数植物的需求。他认为，大多数植物在一种 “通用营养液” 中就能生长得非常良好，该营养液中阴离子与阳离子的当量百分比比例如下：
（阴离子比例）
l 硝酸根（NO₃⁻）：占阴离子总量的50%-70%
l 磷酸二氢根（H₂PO₄⁻）：占阴离子总量的3%-20%
l 硫酸根（SO₄²⁻）：占阴离子总量的25%-40%
（阳离子比例）
l 钾离子（K⁺）：占阳离子总量的30%-40%
l 钙离子（Ca²⁺）：占阳离子总量的35%-55%
l 镁离子（Mg²⁺）：占阳离子总量的15%-30%
（示例比例）
NO₃⁻:H₂PO₄⁻:SO₄²⁻ = 60:5:35
K⁺:Ca²⁺:Mg²⁺ = 35:45:20
斯坦纳（1980）的理论基于一个假设：即使离子比例与植株正常吸收特性不符，植株也能适应；但如果必需元素的离子比例符合上述平衡要求，植株消耗的能量会显著减少。这一理论在一定程度上解释了为何许多种植者使用霍格兰型营养液配方能成功培育植物 —— 即使离子比例未处于最佳生长所需范围，植株显然仍能适应营养液的组成。斯坦纳还提出，要实现营养液中离子的合理平衡与高效利用，最佳方式是采用他提出的 “通用营养液配方”（Steiner，1984）。
与斯坦纳的理念不同，舍恩（Schon，1992）强调需根据植株需求定制营养液。福克纳（Faulkner，1998a）则介绍了一种改良型斯坦纳营养液的配制方法，该营养液为 “全营养型”，其组成如表 7.12 所示。福克纳认为，斯坦纳营养液是 “一种用途广泛的‘全营养’营养液，非常适合多种温室作物的常规水培种植”。表 7.13 给出了配制 100 加仑（约 378 升）斯坦纳营养液的配方。
霍格兰与阿农（1950）提出的营养液配方，是另一个 “原理未被充分理解、应用方式存在偏差” 的例子。他们的两种营养液配方均基于番茄植株平均元素含量的测定结果：假设单株番茄生长在 4 加仑营养液中，且营养液每周更换一次，据此计算出所需的元素浓度。自然地，人们可能会提出疑问：“若种植的不是番茄，或植株与营养液的体积比并非‘单株 4 加仑’，或营养液补充周期短于或长于一周，这些营养液配方的效果会如何？”
表 7.11 斯坦纳通用营养液配制方法
核心理念
斯坦纳提出了一个关键问题：决定植株离子吸收量的，是元素间的相对浓度，还是元素的绝对含量？他认为，必然存在一个 “最低浓度阈值”—— 低于该阈值时，植株无法吸收离子；高于某一 “过量浓度阈值” 时，会出现 “奢侈吸收” 现象，进而导致植株体内毒性积累。然而，在这两个阈值之间，元素间的相对比例也会影响离子吸收。因此，营养液的组成必须保持特定平衡，才能满足植株对必需元素的需求。
配制方法
斯坦纳的目标是研发一种可满足以下特定要求的营养液配制方法：
1.特定的阳离子相对比例
2.特定的阴离子相对比例
3.特定的总离子浓度
4.特定的 pH 值
针对三种主要阴离子（NO₃⁻、H₂PO₄⁻、SO₄²⁻）和三种主要阳离子（K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺），斯坦纳确定了以下当量百分比比例（前文已提及）。
斯坦纳采用 5 种不同的原料试剂及特定体积的试剂溶液，以实现目标离子比例，且总离子浓度不超过 30 毫克 / 升（mg/L），具体配方如下：
|
试剂 |
当量浓度（N） |
每 10 升溶液添加量（mL） |
|
磷酸二氢钾（KH₂PO₄） |
1 |
8.22 |
|
硝酸钙（Ca (NO₃)₂・4H₂O） |
0 |
1.644 |
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
2 |
8.22 |
|
硝酸钾（KNO₃） |
11 |
15.07 |
在配制不同营养液以维持目标离子比例和 pH 值的过程中，斯坦纳发现一个明显规律：若总离子浓度超过 30 毫克 / 升（mg/L）且 pH 值高于 6.5，为避免沉淀问题，仅少数几种试剂组合可行。
研究结果
斯坦纳的研究表明，有可能配制出 “离子比例特定、总离子浓度固定、pH 值固定” 的营养液。他提出了一种极具参考价值的营养液配方研发思路，该思路值得进一步研究，以纳入其他必需元素形态（如硝态氮 NO₃-N、铵态氮 NH₄-N）及相关应用技术。
来源：斯坦纳（A.A. Steiner），1980 年，收录于赫德（R.G. Hurd）、亚当斯（P. Adams）、马西（D.M. Massey）、普莱斯（D. Price）主编的《循环水培研究研讨会论文集》，《园艺学报》第 98 卷，荷兰海牙。
表 7.12 由两种 4 升储备液组成的基础斯坦纳配方
|
试剂 |
化学式 |
克（盎司）ⁿ |
|
储备液 1 |
||
|
硝酸钙（含 15.5% 氮、19% 钙） |
Ca(NO₃)₂·4H₂O |
364.9（12.9） |
|
储备液 2 |
||
|
磷酸二氢钾（含 22.7% 磷、28.5% 钾） |
KH₂PO₄ |
83.1（2.9） |
|
硝酸钾（含 13.75% 氮、38% 钾） |
KNO₃ |
55.0（1.9） |
|
硫酸钾（含 43% 钾、17.5% 硫） |
K₂SO₄ |
177.2（6.3） |
|
乙二胺四乙酸铁（含 13% 铁） |
— |
8.7（施用高锰溶液时可增至 14.5 克） |
|
乙二胺四乙酸锌（含 14% 锌） |
— |
5.0（0.17） |
|
乙二胺四乙酸铜（含 14.5% 铜） |
— |
0.3（春季晴朗天气时可增至 1.3 克，以减少果实开裂问题） |
|
乙二胺四乙酸锰（含 12% 锰） |
— |
3.1（种植番茄时，冬季阴天可增至 6.3 克，以减少缺素问题） |
|
钼酸钠（含 39.6% 钼） |
— |
0.1（0.0035） |
|
硼砂或硼酸钠（含 11.3% 硼） |
— |
3.3（最高可增至 6.7 克） |
|
储备液 3 |
||
|
泻盐或硫酸镁（含 9.7% 镁、13% 硫） |
MgSO₄·7H₂O |
193.1（6.8） |
ⁿ所有试剂用量均为每 4 升蒸馏水配制的最终体积用量。
休伊特（Hewitt）在 1966 年发表了首篇涵盖一个多世纪水培方法的综合综述，文中列出了 100 多种营养液配方的组成，展现了自 1860 年以来这些配方的发展历程。
马克尔（Muckle）在其 1993 年的著作中，列出了 33 种 “通用及历史配方”，时间跨度从 1933 年至 1943 年，同时还包含了专为康乃馨、生菜、草莓和番茄种植设计的配方。雷什（Resh）在 1995 年从文献中整理出 36 种配方，时间范围为 1865 年至 1990 年；琼斯（Jones）在 1998 年发表了 22 种大量元素配方以及 3 种微量元素配方，这些配方源自 19 世纪末至近年的文献（见表 7.14）；尤斯特（Yuste）与戈斯廷卡（Gostincar）在 1999 年列出了 34 种未命名配方及 6 种命名配方（包括霍格兰配方、特纳– 赫里配方、埃利斯 – 斯沃尼配方、米尔 – 施瓦茨配方、基普林 – 劳里配方和斯坦纳配方），时间跨度为 1865 年至 1960 年。
全浓度斯坦纳溶液的元素组成
|
元素 |
100% 浓度溶液中的浓度（毫克 / 升，即 ppm） |
|
氮（N） |
170 |
|
磷（P） |
50 |
|
钾（K） |
320 |
|
钙（Ca） |
183 |
|
镁（Mg） |
50 |
|
硫（S） |
148 |
|
铁（Fe） |
3-4ⁿ |
|
锰（Mn） |
1-2ⁿ |
|
硼（B） |
1-2 |
|
锌（Zn） |
0.2 |
|
铜（Cu） |
0.1-0.5ᵇ |
|
钼（Mo） |
0.1 |
ⁿ阴天时，需将锰浓度增至2ppm，铁浓度增至 4ppm。
ᵇ春季晴朗天气时，需将铜浓度增至 0.5ppm，以减少果实开裂。
来源：福克纳（S.P. Faulkner），1998 年，《The Growing Edge》（《种植前沿》），9（4）：43-49。
表 7.13 100 加仑斯坦纳营养液配方
|
试剂 |
克ⁿ |
盎司ⁿ |
元素浓度（ppm） |
|
硝酸钾（KNO₃） |
67 |
2.4 |
氮 25、钾 65 |
|
硝酸钙 [Ca (NO₃)₂ 4H₂O] |
360 |
12.7 |
氮 147、钙 180 |
|
硫酸钾镁 |
167 |
5.9 |
钾 80、镁 48、硫 37 |
|
硫酸钾（K₂SO₄） |
140 |
5.0 |
钾 154、硫 63 |
|
螯合铁（Fe 330，含铁 330-10%） |
11.5 |
0.4 |
铁 3 |
|
磷酸（H₃PO₄）（75% 浓度） |
—（50 毫升） |
— |
磷 48 |
|
微量元素浓缩液（见下文） |
—（200 毫升） |
— |
— |
|
16 升微量元素浓缩液配方 |
|||
|
硫酸锰（MnSO₄4H₂O） |
55.0 |
— |
锰 0.5 |
|
硼酸（H₃BO₃） |
86.5 |
— |
硼 0.5 |
|
硫酸锌（ZnSO₄7H₂O） |
16.8 |
— |
锌 0.2 |
|
硫酸铜（CuSO₄5H₂O） |
24.2 |
— |
铜 0.2 |
|
三氧化钼（MoO₃）（含钼 66%） |
4.6 |
— |
钼 0.1 |
ⁿ每 100 加仑水对应的克数和盎司数。
来源：拉森（J.E. Larsen），1979 年，收录于《第一届水培年度会议论文集：无土栽培替代方案》，美国水培学会，加利福尼亚州布伦特伍德。
从这些及其他来源的资料中可有趣地发现，不同营养液配方中元素浓度存在一定范围，该范围在马克尔（1993 年）、巴里（Barry，1996 年）、琼斯（1997 年）、尤斯特与戈斯廷卡（1999 年）的著作中，以及《The Growing Edge》（《种植前沿》）杂志发表的两篇文章中均有提及（见表 7.15）。这种浓度范围存在的原因有两种可能解释：一是水培种植方式不同，二是种植的作物不同。然而，元素浓度的变化范围似乎异常宽泛，其合理性或许难以论证。典型营养液中大量元素与微量元素的浓度范围及离子形态见表 7.16。
《The Growing Edge》（《种植前沿》）杂志已发表 18 篇与营养液配方及应用相关的文章，这些文章的详细信息见表 7.17。文中包含了关于营养液配制与使用的各类观点。
通用型配方
史密斯（Smith）在 1999 年提出了一种被其称为 “通用基础营养液配方” 的营养液配方（见表 7.18）。布拉德利（Bradley）与塔巴雷斯（Tabares）在 2000 年提出的一种营养液配方，已在 “多个发展中国家应用，适用于 30 多种蔬菜、观赏植物和药用草本植物”（见表 7.19）。近年，摩根（Morgan）在 2002 年的文章中（2002e）列出了其定义的 “通用水培溶液” 的成分（见表 7.20）。赫西（Hershey）在 1990 年也介绍了其所述的 “几种常见营养液的组成”（见表 7.21）。洛伦茨（Lorenz）与梅纳德（Maynard）在 1988 年发表了 4 种研究人员提出的营养液配方，这些配方仅适用于商业温室蔬菜种植（见表 7.22）。
营养液的作物需求调整
普遍认为，不同作物对特定营养元素存在特定需求，这一需求会体现在用于该作物的营养液元素组成中。关于不同元素与作物的推荐搭配示例，见表 7.23 和表 7.24。此外，随着作物生命周期的推进，也需对营养液组成进行调整。基于作物因素的营养液配方将在第 8 章至第 11 章中详细探讨。
营养液控制
此外，水培 / 无土栽培系统的运营与规划中，还必须纳入常规管理考量因素，包括试剂与水的成本，以及驱动营养液流动所需的能源成本。其中一项重要财务决策是平衡营养液补充周期与投入成本，以及单次使用和排放造成的损失之间的关系。
描述两种营养液管理方法的术语为 “开放式” 和 “封闭式”。“开放式” 系统指营养液仅在通过根系容器的单向流程中使用一次；在 “封闭式” 系统中，营养液通过循环实现重复利用（赫德等人，Hurd et al.，1980 年）。这两种营养液管理方式给种植者带来的问题不同，后续将详细讨论。
福克纳（1998b）提出了五项营养液特性，这些特性由美国得克萨斯农工大学（Texas A&M University）园艺学荣誉退休教授约翰・拉森（John Larson）博士提出，适用于 “无病害温室番茄、黄瓜及其他作物的最佳生产”，具体如下：
1.在根区使用配比适宜的平衡营养液
2.将 pH 值调节至利于植物吸收的最佳范围
3.不存在达到毒性剂量或可能干扰其他离子吸收的离子
4.使营养液中的总盐浓度保持在 1500 至 4000 ppm（百万分之一浓度）范围内
表 7.14 早期水培文献中的营养液配制配方列表
|
名称 |
试剂 |
克 / 升（毫克 / 毫升） |
|
|
克诺普溶液ⁿ |
硝酸钾（KNO₃） |
0.2 |
|
|
硝酸钙（Ca (NO₃)₂） |
0.8 |
||
|
磷酸二氢钾（KH₂PO₄） |
0.2 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.2 |
||
|
磷酸铁（FePO₄） |
0.1 |
||
|
克朗溶液 |
硝酸钾（KNO₃） |
1.00；0.75；0.75 |
|
|
磷酸钙（Ca₃(PO₄)₂） |
0.25；0.25；0.25 |
||
|
硫酸钙（CaSO₄・2H₂O） |
0.25；0.25；0.50 |
||
|
磷酸铁（Fe₃(PO₄)₂・8H₂O） |
0.25；0.25；0.25 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.25；0.25；0.50 |
||
|
霍格兰 – 斯奈德配方 |
硝酸钾（KNO₃） |
0.31 |
|
|
硝酸钙（Ca (NO₃)₂） |
0.82 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.49 |
||
|
磷酸二氢钾（KH₂PO₄） |
0.136 |
||
|
酒石酸铁，每升溶液添加 1 毫升 0.5% 浓度的酒石酸铁溶液 |
— |
||
|
微量元素：A 至 Z 溶液 |
— |
||
|
特里利斯 – 特里利斯配方 |
硝酸钾（KNO₃） |
0.683 |
|
|
硫酸铵（(NH₄)₂SO₄） |
0.0679 |
||
|
磷酸二氢钾（KH₂PO₄） |
0.3468 |
||
|
磷酸氢二钾（K₂HPO₄） |
0.01233 |
||
|
氯化钙（CaCl₂） |
0.4373 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.7478 |
||
|
硫酸亚铁（FeSO₄・7H₂O） |
0.00278 |
||
|
改良型克朗配方、 |
硝酸钾（KNO₃） |
1.0；1.0；1.0；1.0 |
|
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.3；0.3；0.5；0.5 |
||
|
磷酸二氢钾（KH₂PO₄） |
0.45；0.4；0.3；— |
||
|
磷酸氢二钾（K₂HPO₄） |
0.0675；0.133；0.27；— |
||
|
硫酸钙（CaSO₄・2H₂O） |
0.5；0.5；0.5；0.5 |
||
|
磷酸钙（Ca₃(PO₄)₂） |
—；—；—；0.25 |
||
|
磷酸铁（Fe₃(PO₄)₂・8H₂O） |
—；—；—；0.25 |
||
|
三氯化铁（FeCl₃） |
0.04；0.04；0.04；— |
||
|
硼酸（H₃BO₃） |
0.001；0.001；0.001；0.001 |
||
|
硫酸锰（MnSO₄・4H₂O） |
0.001；0.001；0.001；0.001 |
||
|
阿农配方（1938 年）ⁿ |
硝酸钾（KNO₃） |
0.656 |
|
|
硝酸钙（Ca (NO₃)₂） |
0.656 |
||
|
磷酸二氢铵（NH₄H₂PO₄） |
0.115 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.49 |
||
|
硫酸亚铁（FeSO₄・7H₂O）（0.5% 浓度） |
— |
||
|
酒石酸（0.4% 浓度） |
每周每 1.3 倍溶液添加 0.06 毫升 |
||
|
硼酸（H₃BO₃） |
2.86 毫克 |
||
|
氯化锰（MnCl₂・4H₂O） |
1.81 毫克 |
||
|
硫酸铜（CuSO₄・5H₂O） |
0.08 毫克 |
||
|
硫酸锌（ZnSO₄・7H₂O） |
0.22 毫克 |
||
|
钼酸（H₂MoO₄）（即 MoO₃+H₂O） |
0.09 毫克 |
||
|
阿农 – 霍格兰配方 |
硝酸钾（KNO₃） |
1.02 |
|
|
硝酸钙（Ca (NO₃)₂） |
0.492 |
||
|
磷酸二氢铵（NH₄H₂PO₄） |
0.230 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.49 |
||
|
微量元素：参见阿农微量元素配方 |
— |
||
|
希夫– 罗宾斯配方  |
硝酸钙（Ca (NO₃)₂） |
0.938 |
|
|
硫酸铵（(NH₄)₂SO₄） |
0.0924 |
||
|
磷酸二氢钾（KH₂PO₄） |
0.313 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.567 |
||
|
硫酸亚铁（FeSO₄・7H₂O） |
5.50 毫克 |
||
|
硼酸（H₃BO₃） |
0.57 毫克 |
||
|
硫酸锰（MnSO₄・4H₂O） |
0.57 毫克 |
||
|
硫酸锌（ZnSO₄・5H₂O） |
0.57 毫克 |
||
|
希夫 – 罗宾斯配方 |
硝酸钠（NaNO₃） |
0.34 |
|
|
氯化钙（CaCl₂） |
0.1665 |
||
|
磷酸二氢钾（KH₂PO₄） |
0.214 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.514 |
||
|
铁和微量元素：同配方Ⅰ |
— |
||
|
派珀配方 |
硝酸钾（KNO₃） |
1.3 |
|
|
磷酸二氢钾（KH₂PO₄） |
0.3 |
||
|
氯化钠（NaCl） |
0.1 |
||
|
印度孟加拉基础配方ᵇ |
硝酸钠（NaNO₃） |
0.17 |
|
|
硫酸铵（(NH₄)₂SO₄） |
0.08 |
||
|
硫酸钙（CaSO₄） |
0.04 |
||
|
磷酸氢钙（CaHPO₄） |
|||
|
硫酸锌（ZnSO₄・5H₂O） |
0.06 毫克 |
||
|
硫酸铜（CuSO₄・5H₂O） |
0.06 毫克 |
||
|
硼酸（H₃BO₃） |
0.59 毫克 |
||
|
波兰弗罗茨瓦夫配方ⁿ |
硝酸钾（KNO₃） |
0.6 |
|
|
硝酸钙（Ca (NO₃)₂） |
0.7 |
||
|
硝酸铵（NH₄NO₃） |
0.1 |
||
|
磷酸氢钙（CaHPO₄） |
0.5 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.25 |
||
|
硫酸铁（Fe₂(SO₄)₃） |
0.12 |
||
|
硼酸（H₃BO₃） |
0.60 毫克 |
||
|
硫酸锰（MnSO₄・H₂O） |
0.60 毫克 |
||
|
硫酸锌（ZnSO₄・5H₂O） |
0.06 毫克 |
||
|
硫酸铜（CuSO₄・5H₂O） |
0.30 毫克 |
||
|
四水合七钼酸铵（(NH₄)₆Mo₇O₂₄・4H₂O） |
0.06 毫克 |
||
|
以色列沃尔卡尼研究所配方ⁿ |
硝酸钾（KNO₃） |
0.45 |
|
|
硝酸铵（NH₄NO₃） |
0.35 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・5H₂O） |
0.05 |
||
|
磷酸（H₃PO₄） |
100 毫升 |
||
|
彭宁斯菲尔德北非配方ⁿ |
硝酸钾（KNO₃） |
0.38 |
|
|
硝酸钙（Ca (NO₃)₂） |
0.21 |
||
|
磷酸二氢铵（NH₄H₂PO₄） |
0.04 |
||
|
磷酸二氢钾（KH₂PO₄） |
0.14 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.19 |
||
|
硫酸铁（Fe₂(SO₄)₃） |
0.01 |
||
|
十水合四硼酸钠（Na₂B₄O₇・10H₂O） |
2.5 毫克 |
||
|
硫酸锰（MnSO₄・H₂O） |
2.5 毫克 |
||
|
硫酸铜（CuSO₄・5H₂O） |
2.5 毫克 |
||
|
四水合七钼酸铵（(NH₄)₆Mo₇O₂₄・4H₂O） |
0.75 毫克 |
||
|
硫酸锌（ZnSO₄・5H₂O） |
0.02 毫克 |
||
|
美国农业部配方ⁿ（马里兰州，微量元素配方见下文） |
硝酸钾（KNO₃） |
0.52 |
|
|
硫酸铵（(NH₄)₂SO₄） |
0.088 |
||
|
硫酸钙（CaSO₄） |
0.22 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.40 |
||
|
硫酸钙（CaSO₄） |
0.43 |
||
|
农业推广服务中心配方ⁿ（佛罗里达州，微量元素配方见下文） |
硝酸钾（KNO₃） |
0.36 |
|
|
硫酸铵（(NH₄)₂SO₄） |
0.08 |
||
|
磷酸氢钙（CaHPO₄） |
0.17 |
||
|
硫酸镁（MgSO₄・7H₂O） |
0.16 |
||
|
硫酸钙（CaSO₄） |
0.90 |
||
|
美国农业部与农业推广服务中心通用微量元素配方ⁿ |
硫酸铁（Fe₂(SO₄)₃） |
9.50 毫克 |
|
|
硫酸锰（MnSO₄・H₂O） |
0.63 毫克 |
||
|
硫酸铜（CuSO₄・5H₂O） |
0.29 毫克 |
||
|
十水合四硼酸钠（Na₂B₄O₇・10H₂O） |
7.20 毫克 |
||
|
硫酸锌（ZnSO₄・5H₂O） |
0.29 毫克 |
||
|
微量元素 A |
硫酸铝（Al₂(SO₄)₈） |
0.055 |
|
|
碘化钾（KI） |
0.027 |
||
|
溴化钾（KBr） |
0.027 |
||
|
二氧化钛（TiO₂） |
0.055 |
||
|
二水合氯化亚锡（SnCl₂・2H₂O） |
0.027 |
||
|
氯化锂（LiCl） |
0.027 |
||
|
四水合氯化锰（MnCl₂・4H₂O） |
0.38 |
||
|
硼酸（H₃BO₃） |
0.61 |
||
|
硫酸锌（ZnSO₄・5H₂O） |
0.055 |
||
|
三水合硫酸铜（CuSO₄・3H₂O） |
0.055 |
||
|
六水合硫酸镍（NiSO₄・6H₂O） |
0.055 |
||
|
六水合硝酸钴（Co (NO₃)₂・6H₂O） |
0.055 |
||
|
微量元素 B |
三氧化二砷（As₂O₃） |
0.0055 |
|
|
氯化钡（BaCl₂） |
0.027 |
||
|
氯化镉（CdCl₂） |
0.0055 |
||
|
硝酸铋（Bi (NO₃)₂） |
0.0055 |
||
|
硫酸铷（Rb₂SO₄） |
0.0055 |
||
|
铬酸钾（K₂CrO₄） |
0.027 |
||
|
氟化钾（KF） |
0.0035 |
||
|
氯化铅（PbCl₂） |
0.0055 |
||
|
氯化汞（HgCl₂） |
0.0055 |
||
|
三氧化钼（MoO₃） |
0.023 |
||
|
硒酸（H₂SeO₄） |
0.0055 |
||
|
硫酸锶（SrSO₄） |
0.027 |
||
|
三氯化钒（VCl₃） |
0.0055 |
||
|
阿农微量元素配方ᵃ |
硼酸（H₃BO₃） |
0.48 毫克 / 升 |
|
|
硫酸锰（MnSO₄・H₂O） |
0.25 毫克 / 升 |
||
|
硫酸锌（ZnSO₄・5H₂O） |
0.035 毫克 / 升 |
||
|
三水合硫酸铜（CuSO₄・3H₂O） |
0.008 毫克 / 升 |
||
|
二水合三氧化钼（MoO₃・2H₂O） |
0.1104 毫克/ 升 |
||
|
|
|
|
|
来源：
ᵃ休伊特（E.J.），1966 年。《植物营养学研究中使用的砂培与水培方法》，第 22 号技术通讯（修订版），英国肯特郡梅德斯通市英联邦农业局。
ⁿ道格拉斯（J.S.），1976 年。《水培高级指南》，德雷克出版社，美国纽约。
实现 “无病害温室番茄、黄瓜及其他作物最佳产量” 的关键要点：
l 在根区使用营养均衡的营养液
l 将 pH 值调节至适宜植物吸收的最佳范围
l 确保无任何离子以有毒剂量存在，或处于可能干扰其他离子吸收的浓度水平
l 将营养液中的总盐浓度控制在1500 至 4000ppm（百万分之一浓度）范围内
l 保证根际环境通气良好，并将环境温度维持在约 65 至 75 华氏度（18 至 24 摄氏度）之间
表 7.15 常见营养液中营养元素浓度范围
|
元素 |
浓度范围（ppm） |
||||
|
巴里（1996）ᵃ |
琼斯（1997）ⁿ |
尤斯特 / 科斯廷卡（1999）ᶜ |
《种植前沿》1999 年，10 (5)ᵈ |
《种植前沿》2000 年，11 (5)ᵉ |
|
|
氮（N） |
|||||
|
（硝态氮，NO₃⁻-N） |
70-250 |
100-200 |
47-284 |
– |
– |
|
（铵态氮，NH₄⁺-N） |
140-300 |
100-200 |
– |
14-33 |
– |
|
磷（P） |
15-80 |
30-50 |
4-448 |
31-80 |
15-90 |
|
钾（K） |
150-400 |
100-200 |
65-993 |
160-300 |
80-350 |
|
钙（Ca） |
70-200 |
100-200 |
50-500 |
100-400 |
122-220 |
|
镁（Mg） |
15-80 |
30-70 |
22-484 |
24-75 |
26-96 |
|
硫（S） |
20-200 |
– |
32-640 |
– |
32-400 |
|
硼（B） |
0.1-0.6 |
0.2-0.4 |
0.1-1.0 |
0.06-1.0 |
0.4-1.5 |
|
铜（Cu） |
0.05-0.3 |
0.01-0.1 |
0.005-0.15 |
0.02-0.75 |
0.07-0.1 |
|
铁（Fe） |
0.8-6.0 |
2-12 |
微量 – 20 |
0.75-5.0 |
4-10 |
|
锰（Mn） |
0.5-2.0 |
0.5-2.0 |
0.1-1.67 |
0.1-2.0 |
0.5-1.0 |
|
钼（Mo） |
0.05-0.15 |
0.05-0.20 |
0.001-2.5 |
0.001-0.04 |
0.05-0.06 |
|
锌（Zn） |
0.1-0.5 |
0.05-0.10 |
0.05-0.59 |
0.04-0.7 |
0.5-2.5 |
来源说明：
ᵃ 卡尔・巴里，1996 年，《营养素：水培营养液手册》，卡斯珀出版有限公司，澳大利亚新南威尔士州纳拉宾。
ⁿ 小本顿・J・琼斯，1997 年，《水培：无土栽培实用指南》，圣卢西出版社，美国佛罗里达州博卡拉顿。
ᶜ 尤斯特（M.P.）、戈斯廷卡（J.）（主编），1999 年，《农业手册》，马塞尔・德克尔出版社，美国纽约州纽约市。
ᵈ 《种植前沿》，1999 年，10 (5)：13
ᵉ 《种植前沿》，2000 年，11 (5)：25
综合来源：卡尔・巴里，1996 年，《营养素：水培营养液手册》，卡斯珀出版有限公司，澳大利亚新南威尔士州纳拉宾；小本顿・J・琼斯，1997 年，《水培：无土栽培实用指南》，圣卢西出版社，美国佛罗里达州博卡拉顿；尤斯特、戈斯廷卡（主编），1999 年，《农业手册》，马塞尔・德克尔出版社，美国纽约州纽约市。
所有营养液管理系统，无论开放式还是封闭式，都必须能够精确控制营养液成分 —— 以便根据植物生长的已知生理阶段，以及种植者对作物生长状况的判断，调整各元素的浓度（舍恩，1992 年）。初次配制营养液时，建议通过实验室分析对其进行检测。此类分析可确保营养液中所有元素的浓度均符合配方规定的标准。
在封闭式循环水培系统中，向营养液中补充水分以维持初始体积至关重要。此外，部分元素会随水分一同流失，这些流失的元素可通过补充水进行补充。但问题在于 “应补充哪些元素，以及补充多少量”。一种常用做法是通过测量营养液的电导率（EC）来判断所需的补充量。令人意外的是，这种方法的效果相当不错。但遗憾的是，该测量方法无法确定各元素浓度的差异变化 —— 而只有明确这种差异，种植者才能针对性地补充每种流失的元素。
要进行此类判断，需对营养液进行全面的元素分析（详见第 13 章）。
在使用过程中，营养液中浓度变化最显著的元素通常是氮（N）和钾（K）。一个实用的经验法则是：仅对初始营养液配方中的主要元素进行稀释，将稀释后的溶液作为补充水加入，其浓度约为原营养液浓度的 1/4 至 1/3。为避免因补充量过多或过少导致离子失衡，需通过实验和检测来确定合适的补充液浓度。补充营养液中绝不应包含微量营养素，这样可最大限度降低微量营养素过量带来的风险。磷（P）也可能需要排除在补充液之外。后续将针对特定水培系统，给出补充水成分的具体建议。
表 7.16 大多数营养液中主要元素与微量元素的离子形态及常规浓度范围
|
元素类别 |
元素 |
离子形态 |
常规浓度范围ᵃ（毫克 / 升，即 ppm） |
|
主要元素 |
氮（N） |
NO₃⁻、NH₄⁺ⁿ |
100-200 |
|
磷（P） |
HPO₄²⁻、H₂PO₄⁻ᶜ |
15-30 |
|
|
钾（K） |
K⁺ |
100-200 |
|
|
钙（Ca） |
Ca²⁺ |
200-300 |
|
|
镁（Mg） |
Mg²⁺ |
30-80 |
|
|
硫（S） |
SO₄²⁻ |
70-150 |
|
|
微量元素 |
硼（B） |
BO₃³⁻ᵈ |
0.30 |
|
氯（Cl） |
Cl⁻ |
无数据 |
|
|
铜（Cu） |
Cu²⁺ |
0.01-0.10 |
|
|
铁（Fe） |
Fe²⁺、Fe³⁺ᵉ |
2-12 |
|
|
锰（Mn） |
Mn²⁺ |
0.5-2.0 |
|
|
钼（Mo） |
MoO₄⁻ |
0.05 |
|
|
锌（Zn） |
Zn²⁺ |
0.05-0.50 |
注：
ᵃ浓度范围基于当前文献中的数据。
ⁿ营养液配方中的尿素可被植物根系直接吸收。
ᶜ离子形态取决于营养液的 pH 值。
ᵈ硼酸分子（H₃BO₃）可被植物根系吸收。
ᵉ离子形态取决于营养液的 pH 值和氧气含量。
表 7.17 1990-2002 年《种植前沿》杂志发表的与营养液及其管理相关的文章
|
卷（期） |
页码 |
年份 |
文章标题 |
作者 |
|
第 1 卷（第 1 期）：53 页 |
53 |
1990 |
《营养液管理》 |
埃里克森（Erikson） |
|
第 1 卷（第 2 期）：47 页 |
47 |
1990 |
《水培营养液的化学动力学》 |
布鲁克（Brooke） |
|
第 4 卷（第 2 期）：50 页 |
50 |
1992-1993 |
《气体在营养液中的作用》 |
托马斯（Thomas） |
|
第 4 卷（第 2 期）：60 页 |
60 |
1992-1993 |
《初学者水培营养液指南》 |
帕克（Parker） |
|
第 4 卷（第 4 期）：18 页 |
18 |
1993 |
《水培有机系统》 |
托马斯（Thomas） |
|
第 5 卷（第 3 期）：45 页 |
45 |
1994 |
《测试你的营养液知识水平》 |
布鲁克（Brooke） |
|
第 8 卷（第 1 期）：21 页 |
21 |
1996 |
《延长营养液的使用寿命》 |
托马斯（Thomas） |
|
第 9 卷（第 2 期）：32 页 |
32 |
1997 |
《水培用有机肥料》 |
摩根（Morgan） |
|
第 9 卷（第 4 期）：25 页 |
25 |
1998 |
《水培中的 pH 值影响因素》 |
摩根（Morgan） |
|
第 9 卷（第 4 期）：43 页 |
43 |
1998 |
《改良型斯坦纳溶液 —— 一种全营养配方营养液》 |
福克纳（Faulkner） |
|
第 9 卷（第 5 期）：25 页 |
25 |
1998 |
《水培中的电导率》 |
摩根（Morgan） |
|
第 10 卷（第 1 期）：87 页 |
87 |
1998 |
《缓释营养改良剂混合物》 |
福克纳（Faulkner） |
|
第 11 卷（第 3 期）：40 页 |
40 |
2000 |
《水培中的有益元素：植物营养研究新视角》 |
摩根（Morgan） |
|
第 12 卷（第 5 期）：32 页 |
32 |
2001 |
《有机水培法》 |
马丁斯 / 卡拉姆（Martins/Karam） |
|
第 13 卷（第 1 期）：60 页 |
60 |
2001 |
《自制营养液配方》 |
马斯格雷夫（Musgrave） |
|
第 13 卷（第 1 期）：68 页 |
68 |
2001 |
《营养液定量添加装置：循环系统的自动化方案》 |
克里斯蒂安（Christian） |
|
第 13 卷（第 6 期）：39 页 |
39 |
2002 |
《温室营养液管理：法规与处理方案》 |
约翰逊（Johnson） |
|
第 14 卷（第 1 期）：63 页 |
63 |
2002 |
《水培法与腐殖酸：现代农业中的古老有机酸》 |
瓦西连科（Vasilenko） |
（《营养液》，第 97 页）
表 7.18 通用基础营养液配方
|
试剂 |
化学式 |
用量 |
|
|
克（g） |
盎司（oz） |
||
|
A 组物料 |
|||
|
硝酸钙 |
Ca(NO₃)₂·4H₂O |
2000 |
70.60 |
|
B 组物料 |
|||
|
硝酸钾 |
KNO₃ |
2275 |
80.25 |
|
硫酸镁 |
MgSO₄·7H₂O |
1757 |
62.00 |
|
磷酸二氢钾 |
KH₂PO₄a |
878 |
31.00 |
|
乙二胺四乙酸铁（螯合铁） |
— |
132 |
4.65 |
|
硫酸锰 |
MnSO₄ |
24.5 |
0.864 |
|
硼酸 |
H₃BO₃ |
6.0 |
0.200 |
|
硫酸铜 |
CuSO₄·5H₂O |
2.0 |
0.070 |
|
硫酸锌 |
ZnSO₄·5H₂O |
1.5 |
0.053 |
|
钼酸铵 |
(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O |
0.35 |
0.0125 |
使用方法：向 10 升（2.65 加仑）水中加入 1 平茶匙 A 组物料，搅拌至溶解，再加入 1 平茶匙 B 组物料，搅拌至溶解。
a 假设化学式
来源：史密斯（Smith, R.），1999 年，《种植前沿》第 11 卷（第 1 期）：14-16 页。
表 7.19 常见水培园基础营养液配方
|
试剂 |
化学式 |
用量 |
|
A 组营养液（大量元素） |
||
|
磷酸二氢铵 |
NH₄H₂PO₄ |
每 10 升水 340 克 |
|
硝酸钙 |
Ca(NO₃)₂·4H₂O |
每 10 升水 2080 克 |
|
硝酸钾 |
KNO₃ |
每 10 升水 1100 克 |
|
B 组营养液（微量元素） |
||
|
硫酸镁 |
MgSO₄·7H₂O |
每 4 升水 492.00 克 |
|
硫酸锰 |
MnSO₄·4H₂O |
每 4 升水 2.48 克 |
|
硼酸 |
H₃BO₃ |
每 4 升水 6.20 克 |
|
硫酸铜 |
CuSO₄·5H₂O |
每 4 升水 0.48 克 |
|
硫酸锌 |
ZnSO₄·7H₂O |
每 4 升水 1.20 克 |
|
钼酸铵 |
(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O |
每 4 升水 0.02 克 |
|
乙二胺四乙酸铁（螯合铁） |
— |
每 4 升水 8.46 克 |
使用方法：向 1 升水中加入 5 毫升 A 组营养液（大量元素）和 2 毫升 B 组营养液（微量元素），混合均匀即可。
来源：布拉德利（Bradley, P.）、塔巴雷斯（Tabares, C.H.M.），2000 年，《推广简易水培法：家庭水培园》，全球水培网络，俄勒冈州科瓦利斯市。
表 7.20 通用型水培营养液配方
|
试剂 |
化学式 |
用量（克） |
|
A 部分 |
||
|
硝酸钙 |
Ca(NO₃)₂·4H₂O |
13110 |
|
硝酸钾 |
KNO₃ |
2557 |
|
螯合铁 |
— |
500 |
|
B 部分 |
||
|
硝酸钾 |
KNO₃ |
2557 |
|
磷酸二氢钾 |
KH₂PO₄ |
3567 |
|
硫酸镁 |
MgSO₄·7H₂O |
6625 |
|
硫酸锰 |
MnSO₄·4H₂O |
121 |
|
硫酸锌 |
ZnSO₄·7H₂O |
11 |
|
硼酸 |
H₃BO₃ |
39 |
|
硫酸铜 |
CuSO₄·5H₂O |
3 |
|
钼酸铵 |
(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O |
1.02 |
制备方法：在两个 26 加仑（100 升）的储备液罐中分别溶解 A 部分和 B 部分试剂。
使用方法：将 A 部分和 B 部分储备液均按 1:100 的比例稀释（即 1 份储备液兑 100 份水），稀释后溶液的电导率（EC）为 2.5，总溶解固体（TDS）为 1806。
来源：摩根（Morgan, L.），2002 年 e 期，《种植前沿》第 14 卷（第 1 期）：11 页。
表 7.21 几种常见营养液配方的成分（毫克 / 升）
|
元素 |
霍格兰配方（Hoagland） |
Nutri-Sol 配方 |
Miracle-Gro 配方 |
|
总氮（N） |
210 |
210 |
210 |
|
其中：硝酸盐（NO₃） |
210 |
135 |
0 |
|
铵盐（NH₄） |
0 |
45 |
96 |
|
尿素 |
0 |
30 |
114 |
|
磷（P） |
31 |
65 |
181 |
|
钾（K） |
235 |
249 |
174 |
|
钙（Ca） |
200 |
54 |
0 |
|
镁（Mg） |
48 |
9 |
0 |
|
硫（S） |
64 |
15 |
0 |
|
铁（Fe） |
5 |
2.3 |
1.4 |
|
硼（B） |
0.5 |
0.3 |
0 |
|
锰（Mn） |
0.05 |
1.2 |
0.7 |
|
锌（Zn） |
0.05 |
0.8 |
0.7 |
|
铜（Cu） |
0.02 |
0.8 |
0.7 |
|
钼（Mo） |
0.01 |
0 |
0 |
|
氯（Cl） |
0.6 |
微量 |
微量 |
来源：赫希（Hershey, D.R.），1990 年，《科学教师》第 57 期：42-45 页。
还需考虑的另一个因素是：哪些元素会残留在生根基质中。残留量会因基质特性、营养液成分及循环频率的不同而有所差异。对于部分栽培系统，建议进行一项重要检测：定期从取样口抽取生根基质中的溶液或从基质流出的溶液，测定其电导率（EC）。当电导率达到某一预设值时，需用水冲洗生根基质，以去除积累的盐分。
表 7.22 商业温室蔬菜生产用营养液的元素浓度
|
试剂 |
约翰逊配方（Johnson） |
延森配方（Jensen） |
拉尔森配方（Larson） |
库珀配方（Cooper） |
|
用量（每 100 加仑水的克数 / 毫升数） |
||||
|
硝酸钾 |
95 克 |
77 克 |
67 克 |
221 克 |
|
磷酸二氢钾 |
54 克 |
103 克 |
— |
99 克 |
|
硫酸钾镁 |
— |
— |
167 克 |
— |
|
硫酸钾 |
— |
— |
130 克 |
— |
|
硝酸钙 |
173 克 |
189 克 |
360 克 |
380 克 |
|
硫酸镁 |
95 克 |
187 克 |
— |
194 克 |
|
磷酸（75%） |
— |
— |
40 毫升 |
— |
|
螯合铁（FeDTPA） |
9 克 |
9.6 克 |
12 克 |
30 克 |
|
硼酸 |
0.5 克 |
1.0 克 |
2.2 克 |
0.6 克 |
|
硫酸铜 |
0.01 克 |
— |
0.1 克 |
0.5 克 |
|
氯化铜 |
— |
0.05 克 |
— |
— |
|
硫酸锰 |
0.3 克 |
0.9 克 |
1.5 克 |
2.3 克 |
|
硫酸锌 |
0.04 克 |
0.15 克 |
0.5 克 |
0.17 克 |
|
钼酸 |
0.005 克 |
0.02 克 |
0.04 克 |
— |
|
钼酸铵 |
— |
— |
— |
0.14 克 |
|
主要元素 |
||||
|
溶液中浓度（毫克 / 升，ppm） |
||||
|
氮（N） |
105 |
106 |
172 |
236 |
|
磷（P） |
33 |
62 |
41 |
60 |
|
钾（K） |
138 |
156 |
300 |
300 |
|
钙（Ca） |
85 |
93 |
180 |
185 |
|
镁（Mg） |
25 |
48 |
48 |
50 |
|
硫（S） |
33 |
64 |
158 |
68 |
|
微量营养素 |
||||
|
硼（B） |
0.23 |
0.46 |
1.0 |
0.3 |
|
铜（Cu） |
0.01 |
0.05 |
0.3 |
0.1 |
|
铁（Fe） |
2.3 |
3.8 |
3.0 |
12.0 |
|
锰（Mn） |
0.26 |
0.81 |
1.3 |
2.0 |
|
钼（Mo） |
0.007 |
0.03 |
0.07 |
0.2 |
|
锌（Zn） |
0.024 |
0.09 |
0.3 |
0.1 |
来源：洛伦兹（Lorenz, O.A.）、梅纳德（Maynard, D.N.），1988 年，《诺特蔬菜种植手册》（第 3 版），约翰威利父子出版公司，纽约州纽约市。
表 7.23 不同作物营养液中主要元素的推荐浓度
|
作物 |
主要元素浓度（毫克 / 升，ppm） |
||||
|
氮 |
磷 |
钾 |
钙 |
镁 |
|
|
黄瓜 |
230 |
40 |
315 |
175 |
42 |
|
茄子 |
175 |
30 |
235 |
150 |
28 |
|
草本植物 |
210 |
80 |
275 |
180 |
67 |
|
生菜 |
200 |
50 |
300 |
200 |
65 |
|
甜瓜 |
186 |
39 |
235 |
180 |
25 |
|
辣椒 |
175 |
39 |
235 |
150 |
28 |
|
番茄 |
200 |
50 |
360 |
185 |
45 |
来源：舍恩（Schon, M.），1992 年，收录于沙克特（D. Schact）主编的《美国水培协会第
表 7.24 番茄、生菜和玫瑰水培生产用营养液配方
|
试剂（肥料级，克 / 100 升） |
番茄 |
生菜 |
玫瑰 |
|
大量元素 |
– |
– |
– |
|
硝酸钙（15.5-0-0） |
680 |
407 |
543 |
|
硫酸镁 |
250 |
185 |
185 |
|
硝酸钾（13-0-44） |
350 |
404 |
429 |
|
氯化钾（0-0-60） |
170 |
— |
— |
|
磷酸二氢钾（0-53-34） |
200 |
136 |
204 |
|
硝酸铵（33.5-0-0） |
— |
60 |
20 |
|
微量元素 |
– |
– |
– |
|
螯合铁（含铁 10%） |
15.0 |
19.6 |
19.6 |
|
硫酸锰（含锰 28%） |
1.78 |
0.960 |
3.9 |
|
硼肥（ solubor，含硼 20.5%） |
2.43 |
0.970 |
1.1 |
|
硫酸锌（含锌 36%） |
0.280 |
0.552 |
0.448 |
|
硫酸铜（含铜 25%） |
0.120 |
0.120 |
0.120 |
|
钼酸钠（含钼 39%） |
0.128 |
0.128 |
0.128 |
注：表格中试剂型号（如 15.5-0-0）为肥料常见的 N-P₂O₅-K₂O（氮 – 五氧化二磷 – 氧化钾）含量标识，用于直观体现肥料的养分比例；“—” 表示该作物的营养液配方中不添加此试剂。
来源：范津德伦巴克（E.M. van Zinderen Bakker），1986 年，收录于《第七届水培年度会议论文集：不断发展的技术，不断发展的科学》，美国水培协会，加利福尼亚州康科德市。
图 7.1 土壤 pH 值对矿质土壤中影响根系吸收的必需元素有效性的作用
例如，任何使用碎石作为生根基质的人可能都注意到，随着时间的推移，会逐渐形成一种灰白色淤泥（主要成分为沉淀的磷酸钙和硫酸钙），这种淤泥还可能包裹其他元素，尤其是微量元素。若将手伸入碎石中搅动，取出时手上会附着一层浅灰色淤泥。无论营养液中添加了何种成分，这种淤泥都可能成为植物吸收元素的重要来源。淤泥的堆积及其被植物吸收利用，可能导致植物体内元素含量发生渐进式或突发性的显著变化，而这种变化往往是不利的。
因此，控制此类淤泥堆积必须成为营养液管理方案的一部分。作者建议，应像分析土壤一样采集栽培基质样本并进行检测（Jones，2001），然后根据检测结果调整营养液配方。有一位种植者发现其碎石 – 集液槽栽培系统中某些元素（主要是钙、镁、磷、硫、铁、锰、铜和锌）大量堆积后，对营养液配方进行了调整 —— 调整后的营养液仅包含钾、氮和硼三种元素，并将其用于浇灌番茄植株。这一调整不仅大幅降低了试剂成本，还可能避免了潜在的营养元素不足问题。
pH 值
营养液的 “理想 pH 值” 或 “最适 pH 范围”，主要来源于两方面数据的结合：一是 pH 值对土壤（图 7.1）或无土有机基质（图 7.2）中营养元素有效性的影响数据，二是植物物种自身的特性数据。Argo 和 Fisher（2003）撰写了一份题为《Understanding pH Management》（《pH 值管理解析》）的综合性报告，其中详细阐述了 pH 值测量的各个方面以及 pH 值对植物的影响，极具参考价值。
Morgan（1998a）提出了 22 种可水培作物的最适 pH 范围，这 22 种作物的适宜 pH 值均介于 5.0 至 7.5 之间。总体而言，大多数水培营养液及无机栽培基质的建议 pH 范围为 5.8 至 6.5。大多数营养液在初始配制时，pH 值通常处于 5.0 至 6.0 之间。目前，针对营养液 “理想 pH 值” 或 “最适 pH 范围” 的专项实验非常有限，无论营养液的使用方式如何。需要注意的是，营养液的 pH 值受多种因素影响，包括温度、无机和有机离子及物质的含量、离子类型以及二氧化碳（CO₂）含量等。
营养液 pH 值会出现昼夜波动，这是由于 CO₂在营养液中的溶解度随时间变化所致，但这种波动幅度通常较小，无需每日调整。在任意时间点，营养液的 pH 值都会围绕某个基准点上下波动，波动幅度可能高达 0.5 个 pH 单位。因此，建议持续监测并调整营养液 pH 值的做法，不仅成本高昂，而且对作物生长未必有实际益处。
图 7.2 基质 pH 值对有机无土混合基质中影响根系吸收的必需元素有效性的作用。（来源：Agroand Fisher，2003 年）
图 7.2 根系基质 pH 值对有机无土混合基质中影响根系吸收的必需元素有效性的作用。来源：Argo 和 Fisher（2003）
|
元素 |
根系基质 pH 值范围 |
|
氮（Nitrogen） |
4.5-7.5 |
|
磷（Phosphorous） |
4.5-7.5 |
|
钾（Potassium） |
4.5-7.5 |
|
钙（Calcium） |
4.5-7.5 |
|
镁（Magnesium） |
4.5-7.5 |
|
硫（Sulfur） |
4.5-7.5 |
|
铁（Iron） |
4.5-7.5 |
|
锰（Manganese） |
4.5-7.5 |
|
锌（Zinc） |
4.5-7.5 |
|
铜（Copper） |
4.5-7.5 |
|
硼（Boron） |
4.5-7.5 |
|
钼（Molybdenum） |
4.5-7.5 |
（参见《水培法：无土栽培实用指南》第 104 页）
若需调整营养液的 pH 值，可根据实际需求添加酸或碱，分别实现 pH 值的降低或升高。一种常见的操作方法是：在营养液输送过程中持续监测其 pH 值，并根据需要向流动的营养液中注入酸或碱。氢氧化钠（NaOH）和氢氧化钾（KOH）溶液均可用作提高 pH 值的碱类物质；氢氧化铵（NH₄OH）也可使用，但它的安全操作难度较大，且向营养液中引入铵根离子（NH₄⁺）可能并非理想选择。
硝酸（HNO₃）、硫酸（H₂SO₄）和盐酸（HCl）可用于降低 pH 值。使用硝酸的优势或劣势在于其会向营养液中引入硝酸根离子（NO₃⁻）；磷酸（H₃PO₄）同样可用于降 pH，但它会增加营养液中磷（P）的含量，这在某些情况下可能并不合适。
图 7.3 硝态氮与铵态氮比例对小麦（Triticum aestivium）根系接触的营养液中 pH 值变化速率及方向的影响。来源：Trelease, S.F. 和 Trelease, H.M.，1935，《Science》（《科学》）78:438-439
因此，相较于含有一种或多种必需元素的酸和碱，不含这些元素的酸和碱更适合用于 pH 值调整。不过，氢氧化钠仍是首选的碱类，硫酸或盐酸则是首选的酸类 —— 尽管它们也含有必需元素，但少量添加对营养液整体成分的影响极小。市面上销售的营养液专用 pH 调节液，通常就是由这些试剂配制而成。
如前所述，营养液的 pH 值及其变化受多种因素影响，例如氮源（硝酸根离子 NO₃⁻与铵根离子 NH₄⁺）、营养元素缺乏（如缺磷植株会导致 pH 值下降）、植物种类以及植物生长阶段等。Ikeda 和 Osawa（1981）的研究发现，当营养液 pH 值在 5.0 至 7.0 之间变化时，20 种不同的蔬菜品种。
对氮源（NO₃⁻态氮或 NH₄⁺态氮）表现出相似的偏好性。在营养液初始配制时，只需设定特定的 NO₃⁻与 NH₄⁺比例，就能在很大程度上实现对 pH 值的控制。
如图 7.3 所示，若 NO₃⁻与 NH₄⁺的比例大于 9:1，营养液的 pH 值会随时间推移而升高；若比例为 8:1 或更低，pH 值则会随时间下降。Hershey（1992）还研究了营养液中 NO₃⁻和 NH₄⁺含量在植物生长过程中对pH 值的影响（参见表 7.25），并指出：“在溶液中，NH₄⁺的酸化作用远强于 NO₃⁻的碱化作用，因此，只需在氮源中加入相对少量的 NH₄⁺态氮，就能有效稳定营养液的 pH 值。”
另一种控制 pH 值及减少其他不良影响的方法，是使用螯合态微量元素 ——Wallace（1971，1989）已明确了这类螯合态微量元素的形态及浓度水平。此外，使用钙（Ca）或钾（K）的磷酸一氢盐（HPO₄²⁻）与磷酸二氢盐（H₂PO₄⁻）的适当组合，也能在一定程度上实现对 pH 值的长期控制。
表 7.25 植物导致营养液 pH 值升高或降低的情况
|
pH 值变化 |
溶液条件 |
植物种类 |
|
升高 |
氮源全部为 NO₃⁻态氮 |
大多数植物 |
|
降低 |
氮源全部为 NO₃⁻态氮 |
部分植物 |
|
降低 |
氮源为 NH₄⁺态氮或尿素 |
大多数植物 |
|
降低 |
氮源全部为 NO₃⁻态氮，不含铁（Fe） |
耐缺铁植物 |
|
降低 |
氮源全部为 NO₃⁻态氮，不含磷（P） |
部分植物 |
|
降低 |
不含氮（N） |
大多数植物 |
|
降低 |
不含氮（N） |
固氮植物 |
|
降低 |
氮源全部为 NO₃⁻态氮 |
冬青卫矛（Euonymus japonica）枝条萌发期 |
|
降低 |
氮源全部为 NO₃⁻态氮 |
大多数植物（可能） |
|
降低 |
氮源全部为 NO₃⁻态氮，溶液耗尽 |
– |
|
降低 |
氮源全部为 NO₃⁻态氮，枝条处于黑暗环境 |
冬青卫矛（Euonymus japonica） |
来源：Hershey, D.R.，1992，《J. Biol. Educ.》（《生物学教育杂志》）26 (2):107-111
如前文（第 4 章）所述，部分植物能够有效降低其根系周边营养液的 pH 值。这种酸化作用可增强植物对某些元素的吸收能力，其中最重要的元素可能是铁（Fe）（Rodriguez de Cianzio，1991）。若持续将营养液 pH 值上调至中性，可能会干扰植物通过自然酸化提升元素离子吸收能力的过程。因此，有研究者建议，不应持续调整营养液的 pH 值，而应让其自然达到平衡状态。对于水培条件下对铁敏感的植物，以及其他对 pH 值相关元素存在特殊敏感性的植物而言，这种做法可能更为适宜。
营养液的 pH 值控制，可能与前文讨论的营养液过滤问题类似 —— 人们对 pH 值控制及其对植物潜在影响的关注度，或许超出了实际经验所能证实的范畴。因此，是否需要进行 pH 值控制，需结合管理决策综合判断，在控制成本与预期收益之间找到平衡。显然，营养液的 pH 值不应允许达到极端水平，但在大多数营养液配方及其实际应用中，极端 pH 值情况极少出现，因此，探讨如何维持 pH 值以避免极端情况，在某种程度上可能只是理论层面的问题。
温度
营养液的温度绝不应低于环境空气温度，尤其对于植物根系会间歇性接触大量营养液冲击的栽培系统而言。在温暖天气里，植物的大气需求（指植物对水分、养分等因大气环境产生的需求）较高，此时根系接触低于环境温度的营养液会导致植物萎蔫，给植物带来不利胁迫。若植物根系处于温度较低或寒冷的营养液中，其吸收的水分和营养元素将无法满足暴露在温暖空气与充足光照下的植株地上部分的需求。反复接触低温营养液会使植物生长状况与生长表现低于预期水平，具体表现为坐果率低、果实品质差以及成熟时间延迟。在这种情况下，可能需要对营养液进行加热，以避免此类胁迫。另一方面，不建议将营养液温度加热至高于环境温度，否则可能对作物造成损害。
廷德尔等人（Tindall et al., 1990）的研究发现，对于温室水培番茄，当环境空气温度为 70 华氏度（21 摄氏度）时：
l 营养液温度为 80 华氏度（26.7 摄氏度）时，营养元素吸收率达到最高；
l 而要实现根系与地上部分的最大生长量、最高地上部分生长速率及最大吸水量，最适宜的根系温度为 77 华氏度（25 摄氏度）。
电导率（EC）
营养液及栽培基质中的电导率（EC）会显著影响植物生长。大多数营养液配方在初始配制时，电导率都相对较低，通常低于 3.0 西门子 / 米（dS/m，等同于毫西门子 / 厘米 mmhos/cm）。例如，表 7.10 中所示的霍格兰 – 阿农 1 号营养液（Hoagland/Arnon No.1），其电导率为 2.7 西门子 / 米。在配制营养液时，可通过选择盐指数较低的化合物（见表 7.26），将营养液配方中的 “盐害效应” 降至最低。可溶性盐问题通常在营养液的使用或重复使用过程中产生：当营养液与植物根系接触时，若水分因高温、低湿度等环境因素快速大量流失（如炎热干燥天气常见情况），且流失的水分未得到及时补充，营养液的电导率就会升高。尤其当营养液处于循环利用状态，且蒸腾作用导致的水分流失未被立即补充时，这一问题会更为严重。
测量营养液的电导率还可用于确定营养液重复使用前所需的营养元素补充量。根据以往的测定数据，向营养液中添加补充液的量需以电导率测量结果为依据。尽管这种营养液管理方式在实际应用中效果尚可，但它无法考虑到营养液中各营养元素因根系吸收或被栽培基质吸附而产生的单独损耗。因此，仅基于电导率测量结果进行补充，可能无法使营养液的元素组成完全恢复至初始状态。
以岩棉袋培和珍珠岩袋培为例，通过测量岩棉块或珍珠岩中留存营养液的部分样品的电导率，或测量从其中排出的废液的电导率，可判断何时需要进行淋洗处理，以清除积累的盐分。
电导率及相关术语的计量单位如下：
l 西门子 / 米（dS/m）
l 毫西门子 / 厘米（mS/cm）
l 微西门子 / 厘米（μS/cm）
换算关系：
l 1 西门子 / 米（dS/m）= 1 毫西门子 / 厘米（mS/cm）= 1000 微西门子 / 厘米（μS/cm）= 1 毫姆欧 / 厘米（mmho/cm）
l 1 微西门子 / 厘米（μS/cm）= 0.001 西门子 / 米（dS/m）
l 电导率（单位：dS/m）× 640 = 总溶解固体（TDS，单位：mg/L 或 ppm）（此为近似值，具体数值取决于盐的种类）
l 电导率系数（cf.）为 10 时，等同于 1 西门子 / 米（dS/m）
充氧
营养液或栽培基质中的氧气（O₂）含量会影响根系的活动速率与功能，尤其会影响根系吸收水分和营养元素的速率。部分营养膜技术（NFT）系统失败的主要原因之一，便是操作系统无法为营养膜栽培槽中不断生长扩大的根系维持充足的氧气供应。这也是为何营养膜栽培槽的长度会成为关键因素 —— 在栽培槽的末端，流经的营养液中可能几乎不含氧气。在营养液进入栽培基质前对其进行充氧，这种做法的效果存在争议。在开放环境中，向营养液中通入空气或氧气（即 “曝气”）虽能增加营养液中的氧气含量，但氧气的吸附量会受营养液温度与成分的影响。例如，即便营养液已达到氧气饱和状态，当其流经根系或栽培基质时，其中的氧气也可能被迅速耗尽。只有处于营养液初始接触位置的根系能从中获益，其他位置的根系则无法获得氧气。
这种营养膜技术中出现的氧气耗尽现象，同样会发生在垂直水培 / 无土栽培系统中（参见第 148 页）：当营养液从栽培基质柱顶部输送而下时，其含有的氧气会在流经基质柱的过程中被完全消耗。
营养液的供应方式与供应时机
营养液的配制与供应有两种主要方式：
l 直接配制供应：按目标浓度配制营养液，直接输送至栽培容器中。潮汐式栽培、营养膜栽培（NFT）、雾培等系统均采用这种方式；此外，营养液流经栽培容器后可回收再利用的系统，也适用该方式。
l 浓缩液注入供应：先制备营养元素浓缩液，再通过注入器（见图 7.4-1 和图 7.4-2）将一定体积的浓缩液注入流动的水流中，使最终供应的营养液恰好达到配方规定的元素组成（Christian, 2001）。滴灌系统普遍采用这种方式。
表 7.26 配制营养液常用试剂的相对盐指数
|
试剂（Reagent） |
化学式（Formula） |
相对盐指数（Relative Salt Index） |
|
硝酸铵 |
NH₄NO₃ |
104 |
|
硫酸铵 |
(NH₄)₂SO₄ |
69 |
|
硝酸钙 |
Ca(NO₃)₂·4H₂O |
52 |
|
硫酸钙 |
CaSO₄·2H₂O |
8 |
|
磷酸二铵 |
(NH₄)₂HPO₄ |
29 |
|
硫酸镁 |
MgSO₄·7H₂O |
44 |
|
磷酸一铵 |
NH₄H₂PO₄ |
34 |
|
磷酸氢钙 |
CaHPO₄ |
15 |
|
磷酸二氢钾 |
KH₂PO₄ |
30 |
|
氯化钾 |
KCl |
16 |
|
硝酸钾 |
KNO₃ |
73 |
|
硫酸钾 |
K₂SO₄ |
46 |
|
硝酸钠 |
NaNO₃ |
100 |
|
尿素 |
CO(NH₂)₂ |
75 |
营养液的供应时机与供应技术会影响其最终作用于植物的实际成分。若营养液的供应计划主要依据作物的需水量制定，可能会出现以下情况：当植株对营养元素的需求已得到满足时（即此时无需额外补充营养元素），种植者仍在供应营养液。尽管单独为植物供应无营养水的能力在某些场景下较为理想，但这并非常规操作。
如前文所述，营养液的供应频率越高，其营养元素浓度应越低（参见表 3.1）。有一种观点认为：
l 在大气需求较高的日子（植物蒸腾作用旺盛时），若营养液配方是针对当前环境、作物等条件专门配制的，那么营养液所提供的水分与营养元素的量，应能接近满足植物对二者的需求，且二者供需比例基本匹配；
l 在大气需求较低的日子，植物对水分和营养元素的需求均会减少，但二者的供需比例仍可保持匹配。
若不调整营养液的成分，理论上可认为水分需求与营养元素需求之间能达到合理平衡。实践表明，在大多数情况下，这一理念是基本成立的。然而，随着影响植物生长发育的各项因素得到更精准的控制，这种 “水分需求与营养元素需求比例匹配” 的假设可能不再成立。
根系体积也是影响水分和营养元素吸收的重要因素（Barber & Bouldin, 1984）：根系表面积越大，通过根系吸收的水分和营养元素就越多。在水培系统中，人们可能会问：“根系体积需达到多大，才能确保满足植物对水分和营养元素的需求？” 遗憾的是，目前尚无充分研究对此作出明确解答。有部分证据表明，相较于根系体积，根系活性更为重要；过大的根系体积甚至可能对植物的最佳生长发育产生不利影响。
如今，在袋培、桶培（盆栽）和岩棉块培等水培系统中，最常用的营养液供应方式是滴灌。如图 7.5 所示，滴灌系统会将营养液间歇性地输送至植株地上部分基部位置。
根据预先设定的程序，营养液从储液罐流出，经滴头滴出。滴灌的频率与流量通常取决于植物生长阶段、大气环境条件等因素。当滴头开启时，滴灌点周围区域会被营养液浸透；当滴头关闭时，营养液会逐渐排走，导致根系环境不断变化 —— 这种变化可能并非最利于植物生长发育的状态。不过，营养液从注入点排走的过程也被认为具有积极意义：因为这一过程会将空气吸入栽培基质，同时带入氧气。
通常情况下，供应的营养液量需足够多，以确保滴头正下方区域被充分淋洗，从而将未被吸收而积累的营养元素推向袋、桶（盆）或岩棉块的更深处。栽培容器的底部通常是开口的，以便多余的营养液流出。容器底部的排水孔或切口会略高于容器最低点，使少量营养液能在容器底部积聚，供根系吸收利用。
通过分析从栽培基质中抽取的营养液样品或从容器中排出的废液样品（通常是测量其电导率），种植者会定期通过滴灌系统向基质中浇水，以淋洗掉基质中积累的盐分（即未被吸收的营养元素盐类）。
图 7.4-1：用于输送营养液母液的多仕创（Dosatron）注入器
图 7.4-2：营养液母液输送注入器安装在母液桶上方。（注入器可调节，能将特定体积的营养液母液注入水流中，配制成供植物吸收的营养液。每种营养液母液需配备一个专用注入器。
图 7.5：滴灌系统向植株基部供应营养液示意图
（摘自《营养液》相关章节）
营养液（节选）
在潮汐式水培系统中，营养液从储液罐被泵送到栽培基质中，使基质在短时间内被营养液淹没；随后，营养液会回流至储液罐（参见相关页码）。营养液从栽培基质中流出的过程会将空气吸入根床，为根系提供氧气（O₂）来源。植物能从湿润的栽培基质中获取水分和营养元素。不过，在这种营养液供给系统中，根系所处的环境会不断变化 —— 尽管采用这种水培技术时，植物的生长表现通常尚可，但这种变化的环境未必最利于植物生长发育。在栽培基质（此类系统常用的两种基质为粗砂和砾石）中，随着时间推移，当基质变干时，未被吸收的营养元素会以沉淀物的形式积累。这些沉淀物主要是磷酸钙和硫酸钙的混合物，还会吸附营养液中其他元素（即微量元素），使其无法被植物吸收。由于这些沉淀物无法通过淋溶作用从栽培基质中去除，因此要么需要用浓酸进行深度淋溶以清除沉淀物，要么就必须更换栽培基质 —— 否则，不断积累的沉淀物会对植物生长发育产生显著的不良影响。
对于静态曝气系统（参见 123-127 页），植物根系悬浮在持续曝气的营养液中。根据营养液体积与植物数量的比例不同，营养液的成分会发生显著变化，因此需要定期补充或更换营养液：当植物数量较多且 / 或营养液体积较小时，补充或更换营养液的频率需更高。若在需要补充或更换时未及时操作，会导致植物生长表现不佳。
在 NFT（营养膜技术）水培系统中，营养液在容纳植物根系的沟槽内流动（参见 127-141 页）。随着与营养液注入点距离的增加，营养液的特性会发生显著变化：首先，营养液中的溶解氧（O₂）会逐渐消散（Antkowiak，1993），其次，营养液的元素组成也会发生改变。因此，营养液的流动距离至关重要。随着根系生物量的增加，营养液可能会从根系表面或周围流过，而非穿过根系，这会对植物生长表现产生显著影响。
在垂直栽培柱中（参见 148 页），营养液从栽培柱顶部向下流动到底部的过程中，其元素组成和氧气含量会发生较大变化，这与 NFT 系统的情况类似。栽培柱的长度和植物数量会决定这种变化的程度。无论是按固定时间供应营养液，还是根据环境需求供应，营养液的体积都应足够大，以确保栽培基质从顶部到底部被充分浸润，并能从栽培柱底部流出。
在雾培系统中，营养液会以细雾的形式定期喷洒根系；雾滴越细小，植物生长表现通常越好（参见 142-143 页）。雾培系统中不存在缺氧问题，但喷雾频率必须足够高，以确保根系获得充足水分，满足植物的蒸腾需求。在环境需水量较高的条件下，可能需要在栽培容器底部设置一个小型储水或储营养液装置，让根尖能够获取这部分水分或营养液。
尽管上述几种常用的营养液供给系统都能为植物提供充足的水分和必需元素，以维持植物生长，但每种系统都存在一些不足之处。关键问题在于：“哪种系统能最有效地利用水分和营养元素，从而实现植物的优良生长表现？” 目前的答案是，尚无任何一种系统能完全满足这一要求，适用于商业生产的理想营养液供给与利用系统仍有待研发。
稳定性
在目前采用的水培 / 无土栽培系统中，无法将栽培基质中的营养元素含量维持在恒定水平。每次向栽培基质供应营养液时，植物根系接触到的营养元素混合物，既包括前一次供应后残留的营养元素，也包括本次新供应的营养元素。
以下实验证明了在栽培基质中维持合理稳定的营养元素浓度所带来的益处：菜豆种植在以珍珠岩为栽培基质的花盆中。实验先确定了淋洗整个珍珠岩基质所需的水量以及珍珠岩的保水体积。在每天人工施加一定量营养液之前，先向珍珠岩中缓慢浇灌足量水分，以补充前一天供应后基质中残留的营养液量。待水分从珍珠岩中沥干后，再根据补充水量添加相应量的营养液。整个实验期间每天都遵循这一操作流程。结果显示，采用该方法种植的菜豆，其生长状况和豆荚产量均显著优于以往的实验 —— 无论是采用静态曝气营养液法，还是根据需水量定期向珍珠岩滴灌营养液（同时提供充足水分和必需营养元素）的方法。
目前，唯一能在一定程度上维持水分和营养元素稳定性的水培方法是雾培（参见 142-143 页）。遗憾的是，由于多种原因，雾培技术尚未得到广泛应用。作者研发的 “GroSystem” 方法（参见 162-165 页）在维持营养元素稳定性方面也取得了较好的效果。
可编程控制器
市面上有多种用于控制营养液供应时间的控制系统。控制器既可以是按预设时间运行的定时钟（可供应定量营养液），也可以是复杂的计算机控制系统（根据需求判断 —— 如累计辐射量监测结果 —— 来供应营养液）。此外，控制器还可控制其他功能，例如将 pH 调节液混入营养液流中，或添加特定试剂以改变营养液的组成。
由于此类技术会随着新设备的出现而不断更新，因此描述一种很快就会过时的系统并无意义。这些控制设备在作物管理和温室运营中的作用（Kano，1995）将在第 11 章和第 12 章中进一步探讨。
总结
不存在所谓 “理想” 的营养液配方，但可能存在 1-2 种适用于大多数作物的配方，且这些配方能在多种种植条件和环境条件下使用。Steiner（1980，1984）提出的阳离子与阴离子平衡理念值得进一步研究。若将生长迅速的植物置于静态曝气营养液中，植物会迅速消耗营养液中的钾离子（K⁺）和硝酸根离子（NO₃⁻）—— 主要是一价阳离子和阴离子（可能还包括硼元素），而营养液中的其他大多数元素含量变化相对较小。由于植物对不同必需元素的吸收难易程度不同，若营养液与根系接触时间较长，如何维持营养液的平衡就成为配方研发者面临的一大挑战。理想的水培系统应能确保供应给植物根系的营养液元素组成保持恒定。NFT 水培法和雾培法在维持这种稳定性方面已较为接近理想状态。
Asher 和 Edwards（1978a，b）在一系列有趣的实验中发现：若让植物在成分恒定且快速流动的营养液中生长，可在保证植物正常生长的前提下，大幅降低营养液中的元素浓度（参见表 3.1）。事实上，他们发现，除非将大多数元素（尤其是磷）的浓度降至远低于大多数营养液配方推荐值的水平 [<2.6 毫克 / 升（ppm）]，否则这些元素会对植物产生毒性。这一结果表明：若能让植物在无限体积的营养液中生长，使植物吸收不会影响营养液中的元素浓度，那么这种系统就是 “理想” 的水培系统。
需要注意的是，在基质培水培系统中（NFT 水培系统在一定程度上也存在类似情况），植物实际上从三个不同的营养元素库中获取营养：一是当前施加的营养液；二是残留在栽培基质溶液中的离子（可通过电导率（EC）测量确定）；三是以沉淀物形式积累的营养元素。这三个营养库都会对植物的元素吸收产生重要影响，这可能是导致植物营养元素不足、进而影响植物生长及果实产量和品质的主要因素之一。营养元素供给系统的目标应是 “按需供给”，既不多供，也不少供。
Geraldson（1963，1982）提出的 “数量与平衡法” 虽最初为露地土壤种植番茄设计，但在水培中也具有应用潜力。研究发现，该方法适用于多种温室蔬菜（Bruce 等人，1980）和园艺蔬菜（Jones，1980）的无土基质栽培系统，也是 GroSystems 公司研发的 “Aqua-Nutrient” 栽培系统（参见www.GroSystems.com）的设计基础。该系统之所以接近 “理想” 状态，是因为植物根系能持续获得稳定的水分和必需元素供应。
当前营养液配方及使用过程中存在的部分问题如下：
1. 总体而言，大多数营养液配方的平衡性欠佳，尤其是在大量元素氮（N）和钾（K）的配比方面。
2. 大多数营养液的总元素浓度超出了满足作物需求的合理范围。植物出现的大多数营养元素不足问题，并非由某一种或几种元素缺乏引起，而是由所施加营养液中的离子失衡导致。
3. 环境需水量应作为确定营养液总元素浓度的依据，同时也应作为确定营养液供应频率的因素 —— 环境需水量越高，营养液中的元素离子浓度应越低，且供应频率需相应提高。
4. 营养液供给系统的设计应能实现 “单独供水” 功能，尤其在植物环境需水量较高的时期。此外，在供应营养液过程中，若能轻松调整稀释比例，也将极大提升系统实用性。
5. 大多数营养液配方中磷（P）的浓度约为实际需求的两倍，这可能是导致植物中铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn），尤其是锌（Zn）等微量元素不足的主要原因。
6. 营养液中氮（N）的浓度可能是决定果实产量和品质的主要因素 —— 氮浓度越高，果实产量越低，品质越差。通常情况下，营养液中的氮含量应控制在配方推荐值的下限，并根据环境需水量进行调整：环境需水量越高，营养液中的氮浓度应越低。
7. 营养液中钾（K）与钙（Ca）的比例可能是决定果实产量和品质的重要因素。对于大多数作物，营养液中这两种元素的比例应保持在 1:1 左右。
8. 螯合态微量元素的使用，可能是导致植物中铜（Cu）（尤其是锌（Zn））缺乏的主要原因。
9. 大多数营养液配方中锌（Zn）含量不足，可能是导致植物体内锌水平偏低的主要原因。建议将营养液中锌的含量提高到大多数配方推荐值的两倍。需注意的是，营养液中高浓度的磷会抑制植物对锌的吸收和转运；螯合态铁的使用也会在一定程度上降低植物对锌的吸收和转运。
10. 在营养液配方中添加铵态氮（NH₄-N）可促进植物对硝态氮（NO₃-N）的吸收，这种作用可能是有益的，也可能是有害的。若将营养液中总氮量的 5% 设为铵态氮，可使总氮量降低 10%-20%。
11. 除非营养液的 pH 值超出 5.2-6.5 的适宜范围，否则无需将其调节至特定数值。需注意的是，植物根系周围微区域的 pH 值由根系自身决定。
12. 除非有迫切需求需限制植物对水分和营养元素的吸收，否则无需将营养液的电导率（EC）调节至特定值。
13. 无论是无机基质还是有机基质，随着时间推移，栽培基质中以沉淀物形式积累的元素都会对植物营养吸收产生显著影响。因此，应随着时间推移降低所施加营养液中大多数元素的浓度，尤其是钙（Ca）、镁（Mg）、磷（P）、硫（S）和锰（Mn）。
14. 通过精心调整营养液配方、供应频率，以及在环境需水量高时实现 “单独供水”，可大幅减少因未被吸收元素积累而需对栽培基质进行淋溶的次数。
15. 通常通过测量流出栽培基质的溶液或基质内部溶液的电导率（EC），来判断何时需要对栽培基质进行淋溶。但需将 “需淋溶” 视为一种警示信号，表明当前施加的营养元素量已超过作物需求。若在营养液配方设计和施加过程中更加谨慎，可大幅减少淋溶需求 —— 理想状态是无需进行淋溶。对流出基质或残留在基质中的营养液进行元素分析，可确定哪些元素正在积累，从而为调整营养液配方、减少元素积累提供依据。
16. 栽培基质的重复利用可能存在问题，因为基质中会残留大量无法通过淋溶去除的、以沉淀物形式积累的营养元素，再次使用时会初始携带较高的营养负荷。
17. 在封闭式营养液系统中，营养液在每次使用间隔期间必须进行过滤和灭菌处理。
18. 营养液配制完成后，应首先检测其元素含量，确保所有元素均符合配方要求。在制备储备液时，很容易出现原料选择错误、称量误差和混合不当等问题，且剂量器（参见图 7.4-1 和图 7.4-2）发生故障也较为常见。