一种基于离子活度核算营养液离子EC贡献率和电导度的方法技术

本发明专利技术提供一种基于离子活度核算特定配方营养液的离子EC贡献率和电导度的方法，以期利用电导度实际测量和离子EC贡献率来反算营养液各离子浓度。该方法不仅可以用于特定配方营养液的电导度和酸碱度的核算，还可利用营养液电导度的实际测量反向推测各离子浓度，为设施无土栽培中营养液较难实现的基于离子浓度的动态调控提供理论依据和技术支持。该方法简单易行、准确度高，可用于营养液调控系统开发，从而满足不同作物在不同生育阶段对营养液既定EC和pH与各离子浓度之间的智能匹配需求和配方调整的自动控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于离子活度核算营养液离子EC贡献率和电导度的方法
本专利技术属于无土栽培技术和水肥一体化
，具体地说，涉及一种基于离子活度核算营养液离子EC贡献率和电导度的方法。
技术介绍
无土栽培以其节水、省肥、省工、促产等优点受到设施蔬菜产业的普遍认可。基于电导度(EC)和酸碱度(pH)调控的营养液灌溉系统虽然能够大致满足作物生长发育的需要，但很难保证作物在不同生育阶段对特定无机离子的需求变化。因此，能否根据作物生长需求进行营养液离子浓度的反馈控制是实现设施蔬菜高效优质生产的关键。利用离子选择性电极的无机离子动态监测技术仍存在精度差、寿命短、价格昂贵等问题，导致基于离子浓度调控的营养液灌溉系统还未能应用到生产实际，主流设备仍以营养液EC和pH的动态调控为主。为此，针对设施栽培作物的特定配方营养液应用，探索一种通过EC和pH反馈控制营养液各组成离子浓度的新方法，就可以突破离子选择性电极的技术制约，从而使利用EC和pH传感器对浓缩母液进行稀释的营养液灌溉系统实现营养液主要组成各离子浓度的反馈调控。EC是组成营养液的各无机离子有效浓度对混合溶液综合作用的结果，各离子对营养液EC的贡献不仅与该离子的摩尔浓度有关，还与离子所带的电荷数与体积参数等密切相关。调控营养液EC仅能反映营养液中总含盐量或综合离子浓度的变化，而不能准确地掌握营养液主要组成的各离子浓度水平。营养液pH亦会间接地影响多种无机离子的有效性。pH过高会导致铁、锰、铜、锌离子的沉淀，尤其是对铁离子活性有显著影响，pH偏低则会由于氢离子的拮抗作用导致作物对钙离子的吸收障碍。为了调控营养液主要组成的各离子浓度以适应不同生育阶段作物对主要无机离子的动态需求，基于营养液中主要组成的各无机离子的离子活度就能计算其对混合溶液的离子EC贡献率，从而明确特定配方营养液主要组成的各离子浓度与其EC之间的定量关系，最终为营养液各离子浓度的动态反馈调控提供理论依据和技术支持。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有营养液灌溉系统的EC和pH调控难以反映各无机离子浓度水平，提供一种基于离子活度核算营养液离子EC贡献率与EC的方法，探索一种利用离子EC贡献率和EC实际测量反算营养液主要组成各离子浓度的新方法，从而为实现营养液的各离子浓度反馈调控提供理论依据和技术支撑。为了实现本专利技术目的，提出营养液离子EC贡献率的指标与计算方法，并提出基于离子活度进行营养液EC估测的统计回归模型，从而掌握营养液主要组成各离子浓度与EC之间的定量关系，利用离子EC贡献率和营养液EC实际测量来反算各离子浓度。本专利技术的具体技术方案如下。1)离子EC贡献率表征各离子活性影响营养液EC的百分比，由离子活度和极限摩尔电导率计算：式中，ECi为离子i的离子EC贡献率，％；Zi为离子i所带电荷数；Ti为离子i的离子活度，mol/L；λ∞为离子i的极限摩尔电导率，m2S/mol；2)离子活度Ti表征电解质溶液中离子发挥作用的有效浓度，为营养液离子发挥静电作用的浓度，由离子活度系数和离子浓度计算：Ti＝γi·Ci式中，Ti为离子i的离子活度，mol/L；γi为离子i的离子活度系数；Ci为离子i的离子浓度，mol/L。3)平均离子活度T表征营养液中某单盐的离子综合浓度或综合活性，由组成该单盐溶液或混合溶液的阴阳离子的离子活度的几何均值计算：式中，T为某单盐溶液或混合溶液的平均离子活度，mol/L；Ti和Tj分别为组成单盐溶液或混合溶液的阳离子活度和阴离子活度，mol/L；vi和vj为组成单盐溶液混混合溶液的阳离子和阴离子的个数。4)离子活度系数γi表征实际溶液与理想溶液之间偏差大小的校正系数，为溶液的热力学参数，由适用于营养液的Debye-Hückel极限定律计算：式中，γi为离子i的离子活度系数；A为与温度有关的常量，25℃时为0.5091；B为与离子大小有关的常量，25℃时为0.328；Zi为离子i所带电荷数；ri为离子i的体积参数；I为溶液的离子强度，mol/L；5)离子强度I表征溶液中存在的离子所产生的电场强度，由组成溶液的各离子浓度与其所带电荷数计算：式中，I为溶液中离子i的离子强度，mol/L；Ci为离子i的离子浓度，mol/L；Zi为离子i所带电荷数；6)基于营养液中各单盐的平均离子活度，采用多元线性回归模型，估测营养液的EC，并利用实测的营养液EC和各离子EC贡献率反算出营养液的各离子浓度。进一步，所述营养液是基于园试通用配方和山崎番茄配方配制的营养液。进一步，所述营养液配置成标准浓度的0.20、0.25、0.33、0.50、0.67、1.00、1.33、1.50、1.80和2.00倍，共计10个浓度梯度。进一步，所述公式中的离子是指与植物生长密切相关的NO3-、H2PO4-、SO42-、NH4+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等主要无机离子。进一步，所述营养液中各离子浓度的实际测量方法如下：硝态氮含量采用分光光度法在210nm处进行比色测量；铵态氮基于腚酚蓝比色法采用分光光度计在630nm处进行比色测量；有效磷基于钼蓝法采用分光光光度计在680nm处进行比色测量；有效硫基于硫酸钡沉淀法采用分光光度计在535nm处进行比浊测量；有效氯离子采用硝酸银滴定显色法测量；有效钾离子基于火焰发射法采用原子吸收分光光度计，在766.5nm处进行测量；有效钙、镁和铁离子基于火焰吸收法采用原子吸收分光光度计分别在422.7nm、285.2nm和248.3nm处进行测量。进一步，所述每种营养液中添加不同浓度的Ca(NO3)2·4H2O、KNO3、MgSO4·7H2O、NH4H2PO4，K2SO4、KCl、及KH2PO4单盐，添加到营养液中的单盐浓度为0.0、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8和2.0倍，共计12个浓度梯度。进一步，基于营养液各离子的离子活度，利用多元线性回归模型估测营养液EC的结果如下：表1特定配方营养液的各离子活度与其EC和pH的多元线性回归模型其中T1-8分别表示营养液中NO3-、H2PO4-、SO42-、K+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Fe2+的离子活度。本专利技术提供针对特定配方的营养液主要组成成分的平均离子活度用来估测营养液EC和pH的多元线性回归模型。例如，基于园试通用营养液和山崎番茄营养液的组成成分的平均离子活度与其EC和pH的多元线性回归模型如下：表2营养液组成的单盐平均离子活度与其EC和pH的多元线性回归模型本专利技术还明确了在营养液中添加某特定单盐后的平均离子活度对其EC的影响是线性的。例如，在园试通用营养液和山崎番茄营养液中添加特定单盐后的平均离子活度与其EC的线性回归模型如下：表3营养液中添加特定单盐后的平均离子活度对其EC的影响本专利技术同样提供了在营养液中添加特定单盐后各主要组成的平均离子活度与营养液EC的多元线性回归模型如下：表4营养液中添加特定单盐后的平均离子活度与其EC的多元线性回归模型注：表中的Tx表示所添加特定单盐的平均离子活度。本专利技术的有益效果本专利技术方法的技术核心在于基于离子活度核算特定配方营养液的离子EC贡献率和电导度的方法，可用于基于营养液配方的设施栽培管理，可以将设施栽培中营养液管理从EC水平提高到离子浓度水平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于离子活度核算营养液离子EC贡献率和电导度的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)基于离子活度提出离子EC贡献率，用于表征营养液中各离子活性影响其EC的百分比，由离子活度和极限摩尔电导率计算：

【技术特征摘要】
1.一种基于离子活度核算营养液离子EC贡献率和电导度的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)基于离子活度提出离子EC贡献率，用于表征营养液中各离子活性影响其EC的百分比，由离子活度和极限摩尔电导率计算：式中，ECi为离子i的离子EC贡献率，％；Zi为离子i所带电荷数；Ti为离子i的离子活度，mol/L；λ∞为离子i的极限摩尔电导率，m2S/mol；2)离子活度表征电解质溶液中离子发挥作用的有效浓度，为营养液离子发挥静电作用的浓度，由离子活度系数和浓度计算：Ti＝γiCi式中，Ti为离子i的离子活度，mol/L；γi为离子i的离子活度系数；Ci为离子i的离子浓度，mol/L；3)平均离子活度表征某一单盐溶液或混合溶液的离子综合活度或综合活性，由该组成单盐溶液或混合溶液的阴阳离子的离子活度的几何均值计算：式中，T为某单盐溶液或混合溶液的平均离子活度，mol/L；Ti和Tj分别为组成单盐溶液或混合溶液的阳离子活度和阴离子活度，mol/L；vi和vj为组成组成单盐溶液或混合溶液的阳离子和阴离子的个数；4)离子活度系数为衡量实际溶液与理想溶液之间偏差大小的校正系数，由适用于营养液特性的Debye-Hückel极限定律计算：式中，γi为离子i的离子活度系数；A为与温度有关的常量，25℃时为0.5091；B为与离子大小有关的常量，25℃时为0.328；Zi为离子i所带电荷数；ri为离子i体积参数；I为营养液的离子强度，mol/L；5)离子强度表征营养液中存在的离子所产生的电场强度，由营养液中各离子浓度与其所带电荷数计算：式中，I为营养液的离子强度，mol/L；Ci为离子i的离子浓度，mol/L；Zi为离子i所带电荷数；6)基于营养液中各单盐的平均离子活...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺冬仙，宋金修，徐林，杜维芬，古在丰树，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11