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营养液浓度的表示方法和计算 用以表示营养液浓度的方法很多，常用的主要有以下两类表示方法： 一、直接表示法 在一定重量或一定体积的营养液中，所含有的营养元素或化合物的量来表示营养液浓度的方法统称为直接表示法。在无土栽培的营养液配制中最常用的是用一定体积的营养液含有营养元素或化合物的数量来表示其浓度。 1、化合物重量/升(g/L，mg/L) 即每升(L)营养液中含有某种化合物重量的多少。常用克/升(g/L)或毫克/升(mg/L)来表示。例如，一个配方中Ca(NO3)2.4H2O、KNO3、KH2PO4和MgSO4·7H2O的浓度分别为590mg/L、404mg/L、136mg/L和246mg/L，即表示按这个配方配制的营养液中，每升营养液含有Ca(NO3)2.4H2O、KNO3、KH2PO4和MgSO4.7H2O分别为590毫克、404毫克、136毫克和246毫克。 由于在配制营养液的具体操作时是以这种浓度表示法来进行化合物称量的，因此，这种营养液浓度的表示法又称工作浓度或操作浓度。 2、元素重量/升(g/L，mg/L) 指在每升营养液中某种营养元素重量的多少。常用克/升(g/L)或毫克/升(mg/L)来表示。例如一个配方中营养元素N、P、K的含量分别为150、80和170mg/L，即表示这一配方中每升含有营养元素氮150毫克、磷80毫克和钾170毫克。 用这种单位体积中营养元素重量表示营养液浓度的方法在营养液配制时不能够直接应用，因为实际称量时不能够称取某种元素，因此，要把单位体积中某种营养元素含量换算成为某种营养化合物才能称量。在换算时首先要确定提供这种元素的化合物形态究竟是什么，然后才将提供这种元素的化合物所含该元素的百分数来除以这种元素的含量。例如，某一配方中K的含量为160mg/L，而此时的钾是由硝酸钾来提供的，查表或计算可知硝酸钾含K量为38.67%，则该配方中提供160mgK所需要KNO3的数量=160mg÷38.67%=413.76mg，也即要提供160mg的K需要有413.76mg的KNO3。 用单位体积元素重量来表示的营养液浓度虽然不能够作为直接配制营养液来操作使用，但它可以作为不同的营养液配方之间浓度的比较。因为不同的营养液配方提供一种营养元素可能会用到不同的化合物，而不同的化合物中含有某种营养元素的百分数是不相同的，单纯从营养液配方中化合物的数量难以真正了解究竟哪个配方的某种营养元素的含量较高，哪个配方的较低。这时就可以将配方中的不同化合物的含量转化为某种元素的含量来进行比较。例如，一个配方的氮源是以Ca(NO3)2·4H2O 1.0g/L来提供的，而另一配方的氮源是以NH4NO3 0.4g/L来提供的。单纯从化合物含量来看，前一配方的含量比后一配方的多了1.5倍，不能够比较这两种配方氮的含量的高低。经过换算后可知，1.0g/L Ca(NO3)2·4H2O提供的N为118.7mg/L，而0.4mg/L提供的N为140mg/L，这样就可以清楚地看到后一配方的N含量要比前一配方的高。 3、摩尔/升(mol/L) 指在每升营养液中某种物质的摩尔数(mol)。而某种物质可以是化合物(分子)，也可以是离子或元素。每一摩尔某种物质的数量相当于这种物质的分子量、离子量或原子量，其质量单位为克(g)。例如，1摩尔的钾元素(K)相当于39.1g，1摩尔的钾离子(K+)相当于39.1克，1摩尔的硝酸钾(KNO3)相当于101.1克。 由于无土栽培营养液的浓度较低，因此，常用毫摩尔/升(mmol/L)来表示。1mol/L=1000mmol/L。 在配制营养液的操作过程中，不能够以毫摩尔/升来称量，需要经过换算成重量/升后才能称量配制。换算时将每升营养液中某种物质的摩尔数(mol/L)与该物质的分子量、离子量或原子量相乘，即可得知该物质的用量。例如，2mol/L的KNO3相当于KNO3的重量=2mol/L×101.1g/mol=202.2g/L 二、间接表示法 1、电导率(Electric Conductivity，EC) 由于配制营养液所用的原料大多数为无机盐类，而这些无机盐类多为强电解质，在水中电离为带有正负电荷的离子，因此，营养液具有导电作用。其导电能力的大小用电导率来表示。电导率是指单位距离的溶液其导电能力的大小。它通常以毫西门子/厘米(ms/cm)或微西门子/厘米(μs/cm)来表示[以前用毫姆欧/厘米(m /cm)或微姆欧(μ /cm)来表示，现已不用此单位]。 因为作为配制营养液的盐类溶解于水后而电离为带正负电荷的离子，因此，营养液的浓度又称为盐度或离子浓度。营养液中的盐度不同，其导电性也不相同。在一定的浓度范围之内，营养液的电导率随着浓度的提高而增加；反之，营养液浓度较低时，其电导率也降低。因此，通过测定营养液中的电导率可以反映其盐类含量，也即可以反映营养液的浓度。 通过测定营养液的电导率只能够反映其总的盐分含量，不能够反映出营养液中个别无机盐类的盐分含量。当种植作物时间较长之后，由于根系分泌物、根系生长过程脱落的外层细胞以及部分根系死亡之后在营养液中腐烂分解和在硬水条件下钙、镁、硫等元素的累积也可提高营养液的电导率，此时通过电导率仪测定所得的电导率值并不能够反映营养液中实际的盐分含量。为解决这个问题，应对使用时间较长的营养液进行个别营养元素含量的测定，一般在生产中可每隔1个半月或2个月左右测定一次大量元素的含量，而微量元素含量一般不进行测定。如果发现养分含量太高，或者电导率值很高而实际养分含量较低的情况，应更换营养液，以确保生产的顺利进行。 在无土栽培生产中为了方便营养液的管理，应根据所选用的营养液配方为1个剂量，并以此为基础浓度(S)，然后以一定的浓度梯度差(如每相距0.1或0.2个剂量)来配制一系列浓度梯度差的营养液，并用电导率仪测定每一个级差浓度的电导率值。由于营养液浓度(S)与电导率值(EC)之间存在着正相关的关系，这种正相关的关系可用线性回归方程来表示： EC=a+bS (a、b为直线回归系数) 例如，山崎(1987)用园试配方的不同浓度梯度差所配制的营养液的电导率值见表3-2。从表中的数据可以计算出电导率与营养液浓度之间的线性回归方程为： EC=0.279+2.12S (r(10)=0.9994) 通过实际测定得到某个营养液配方的电导率值与浓度之间的线性回归方程之后，就可在作物生长过程中，测定出营养液的电导率值，并利用此回归方程来计算出营养液的浓度，依此判断营养液浓度的高低来决定是否需要补充养分。 表3-2 园试配方各浓度梯度差的营养液电导率值(山崎，1987) 浓度梯度(S) 测得的电导率(EC) 各浓度级差大量元素含量(mg/L) 2.0 4.465 4.80 1.8 4.030 4.32 1.6 3.685 3.84 1.4 3.275 3.36 1.2 2.865 2.88 1.0 2.435 2.40 0.8 2.000 1.92 0.6 1.575 1.44 0.4 1.105 0.96 0.2 0.628 0.48 上述的园试配方如果确定为1个剂量的浓度来种植作物，在生产中把需要补充的浓度下限定为0.4个剂量，而且每次补充营养时都将营养液浓度补充到1.0个剂量。如果在作物某个生长时期测定营养液的电导率值为0.65ms/cm，经代入上述回归方程计算： 0.66-0.279 S= =0.18 < 0.4 由此可知，此时的营养液浓度只有0.18个剂量，低于营养补充的浓度下限0.4个剂量，因此需补充营养。而营养补充的多少剂量可将原先确定需要补充恢复的浓度与实际所测定的浓度之间的差值来计算。这样计算出来的只是需补充的剂量水平，还要通过计算营养液配方中的各种化合物的实际用量来补充。具体计算方法：分别计算出单位体积(L)补充营养恢复的浓度和实际测定当时营养液浓度各种化合物的用量，计算出这两个浓度水平下各种化合物用量的差值，然后根据种植系统中营养液的体积来具体算出各种化合物用量(见表3-3)。 表3-3 园试配方各营养化合物补充量的计算 化合物 A：补充恢复营养液剂量(1.0)养分用量(g/L) B：实际测得剂量(0.18)下的养分存有量(1) (g/L) C：单位体积养分的补充量(2) (g/L) 整个种植系统中养分的补充量(3) (g, 1000L为例) 化合物 A：补充恢复营养液剂量(1.0)养分用量(g/L) B：实际测得剂量(0.18)下的养分存有量(1) (g/L) C：单位体积养分的补充量(2) (g/L) 整个种植系统中养分的补充量(3) (g, 1000L为例) Ca(NO3)2.4H2O 0.945 0.170 0.775 775 KNO3 0.809 0.146 0.663 663 NH4H2PO4 0.153 0.03 0.150 150 MgSO4.7H2O 0.493 0.09 0.484 484 注： (1)实际测定剂量(0.18)的营养液的养分存有量=配方中各化合物用量×实际测定的剂量(0.18) (2)单位体积养分补充量C=A-B (3)整个种植系统养分补充量=C(g/L)×整个种植系统营养液的体积(L) 由于营养液配方不同，其所含的各种营养物质的种类和数量也不一样，这些都会影响营养液的电导率值的差异。因此，各地要根据当地选定配方和水质的情况，实际配制不同浓度梯度水平的营养液来测定其电导率值，以建立能够真实反映情况、较为准确的营养液浓度和电导率值之间的线性回归关系。 在无土栽培生产中，由于作物品种不同、生育期不同、栽培季节不同和水质、肥料原料纯度等的不同，会使得营养液的电导率也不相同。某种作物适宜的电导率水平，应根据当地的情况经试验后才能够确定，不同作物、不同栽培季节甚至同一作物不同的生育期也不尽相同，没有一个统一的标准。一般地，在作物生长前期和在作物蒸腾量较大的夏秋季节，营养液浓度可较低一些，一般控制在电导率不超过3ms/cm；而在生长盛期、营养液吸收量最大的时期，电导率也尽量不要超过5~6ms/cm，否则可能造成营养液浓度过高而对作物产生伤害。 可根据下列经验公式，利用测定的电导率值来估计营养液中总盐分浓度： 营养液总盐分浓度(g/L)=1.0×EC(ms/cm) 式中的1.0时多次测定总盐分浓度与营养液电导率值之间相互关系的近似值。如果要准确地了解某一配方浓度与电导率值之间的关系，还得经过实际测定才行。 营养液的电导率值与其渗透压之间也可用一个经验公式来表示： 渗透压(P, atm)=0.36×EC(ms/cm) 2、渗透压(Osmosis) 渗透压是指半透性膜(水等分子较小的物质可自由通过而溶质等分子较大的物质不能透过的膜)阻隔的两种浓度不同的溶液，当水从浓度低的溶液经过半透性膜而进入浓度高的溶液时所产生的压力。浓度越高，渗透压越大。因此，可以利用渗透压来反映溶液的浓度。 植物根细胞的原生质膜为半透性的。根系生长在介质中，当营养液的浓度低于根细胞内溶液的浓度时，营养液的水可透过根细胞的原生质膜而进入根细胞；相反，当营养液浓度高于根细胞内的溶液浓度时，根细胞中的水反而会通过原生质膜而渗透到营养液中，这个过程即为生理失水。生理失水严重时植物会出现萎焉甚至缺水死亡。因此，渗透压可以作为反映营养液浓度是否适宜作物生长的重要指标。 渗透压的单位用帕(Pa)表示。它与大气压(atm)的关系为： 1atm=101325Pa 渗透压的测定可以用冰点下降法、蒸汽压法和渗透计法等来进行，但测定的方法很繁琐，不易进行，一般可用下列的范特荷甫(Van’t Hoff)稀溶液的渗透压定律的溶液渗透压计算公式来进行理论计算： 273+t P=C×0.0224×------------- 273 式中： P------溶液的渗透压，以大气压(atm)为单位； C------溶液的浓度，以溶液中所有的正负离子的总浓度来表示，以每升毫摩尔(mmol/L)为单位； t------溶液的液温(℃) 表3-4为华南农业大学番茄配方1个剂量时的各种化合物用量及各种正负离子的浓度。从表中可知该营养液配方的正负离子合计的总浓度为19.5mmol/L，假定是在25℃时使用该营养液，可通过代入上式计算得到其渗透压值： 273+25 P=19.5×0.0224× =0.4768 273 表3-4 华南农业大学番茄配方1个剂量的化合物及离子浓度(mmol/L) (华南农业大学无土栽培技术研究室，1994) 化合物 化合物浓度(mg/L) 离子浓度(mmol/L) 小计(mmol/L) Ca(NO3)2·4H2O 594 Ca2+:2.5, NO3-: 5.0 7.5 KNO3 404 K+:4.0, NO3-:4.0 8.0 KH2PO4 136 K+:1.0, H2PO4-:1.0 2.0 MgSO4·7H2O 246 Mg2+:1.0, SO42-:1.0 2.0 合计： 19.5mmol/L 对已知各种溶质物质及浓度的溶液可以采用上述方法来进行溶液渗透压的理论计算。如果溶液的浓度是未知的，例如种植一段时间之后的营养液，由于营养液中的化合物被植物吸收之后而使其浓度成为未知数，则不能够用公式计算出其渗透压了。但可以通过测定营养液的电导率值，利用电导率值与渗透压之间的经验公式来计算此时营养液的渗透压
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