一种环境自适应的土壤微量元素施肥装置及施肥方法

摘要

本发明涉及农业领域，特别是一种环境自适应的土壤微量元素施肥装置。其特征是：包括惰性电极、微量元素电极、电源，将所述惰性电极和所述微量元素电极埋入土壤或没入灌溉水，所述惰性电极接电源负极、所述微量元素电极接电源正极对土壤或灌溉水释放微量元素离子，所述电源为太阳能器件和/或温差能器件，太阳能器件负责白天供电，温差能器件负责夜晚供电。有益效果是：提供一种环境自适应的土壤微量元素施肥装置，实现土壤中微量元素的精确施加，进一步实现昼夜变更及植物生长全生命周期的微量元素精确调节。

说明书

技术领域

本发明涉及农业领域，特别是一种环境自适应的土壤微量元素施肥装置。

背景技术

微量元素指占生物体总质量0.01%以下，微量元素为植物体必需但需求量很少的一些元素。这些元素在土壤中缺少或不能被植物利用时，植物生长不良，过多又容易引起中毒。目前多数科学家比较一致的看法，认为生命必需的元素共有28种，在28种生命元素中，按体内含量的高低可分为宏量元素(或常量元素)和微量元素。微量元素占人体总质量的0.03%左右，这些微量元素在体内的含量虽小，但在生命活动过程中的作用是十分重要的，而人体中的微量元素来自食物，人体内必需的微量元素有铁、锌、铜、锰、铬、钼、钴、硒、镍、矾、锡、氟、碘、硅；非必需的微量元素中属于可能必需的有铷、砷、锶、硼、锗；属于无害的则有钡、钛、铌、锆、等；有害的微量元素有铋、碲、铍、镉、汞、铅、铝、等。

按照国际植物营养学会的规定，植物必需元素在生理上应具备 3个特征：对植物生长或生理代谢有直接作用；缺乏时植物不能正常生长发育；其生理功能不可用其他元素代替，以下为植物需要的几种主要微量元素对植物生长的作用：

（1）硼(B)的生理作用：硼是影响生殖器官发育，影响作物体内细胞的伸长和分裂，对开花结实有重要作用。

植物缺硼症状：顶端停止生长并逐渐死亡，根系不发达，叶色变绿，叶片肥厚，皱缩，植株矮化，茎及叶柄易开裂，脆而粗，花发育不全，花而不实，蕾花易脱落。

一般植物的吸收的峰值为白天，季节为结果季节。

（2）铁(Fe)的生理作用：是细胞色素、血红素、铁氧还蛋白及多种酶的重要组分，在植物体内起传递电子的作用，是叶绿素合成中必不可少的物质。

植物缺铁症状：在植物体内不易移动，缺铁时首先表现在幼叶上。表现为脉间失绿，严重时整个幼叶呈黄白色，缺铁常在高PH土壤中发生。

一般植物的吸收的峰值为夜间，季节为生长季节。

（3）锌(Zn)的生理作用：是多种酶的组分和活化剂，已发现80多种含锌酶，参与生长素的合成。

植物缺锌症状：老组织先出现缺锌时生长素含量下降，植物生长受阻，节间缩短,叶片扩展受抑制，表现为小叶簇生，称为小叶病或簇叶病。玉米缺锌出现白条症。

一般植物的吸收的峰值为夜间，季节为生长季节。

（4）锰(Mn)的生理作用：锰是叶绿体的成分，促进种子发育和幼苗早期生长，对光合作用和蛋白质的形成有重要作用。

植物缺锰症状：症状从新叶开始，叶片脉间失绿，叶脉仍为绿色，叶片上出现褐色或灰色斑点，逐渐连成条状，严重时叶色失绿并坏死。

一般植物的吸收的峰值为夜间，季节为生长季节。

（5）钼(Mo)的生理作用：是需要量最少的必需元素。MoO42-是硝酸还原酶、固氮酶的组成成分；是黄嘌吟脱氢酶及脱落酸合成中的某些氧化酶的成分，豆科植物根瘤菌的固氮特别需要钼，固氮酶是由铁蛋白和铁钼蛋白组成的。

植物缺钼症状：新叶畸形，有斑点。散布于叶片上。生长不良，植株矮小，豆科植物缺钼会影响固氮，荚粒不饱满 。

一般植物的吸收的峰值为夜间，季节为生长季节。

以上列举了5种主要微量元素的作用，本案以这5种微量元素为例，当然不排除其它已知或未知的微量元素，如铜、铬、钴、硒、镍、矾、锡、氟、碘、硅等。

我国推广或将要应用的微肥有：硼肥、钼肥、锌肥、铜肥、锰肥、 铁肥。它们在农作物、林木、牧草、果树、蔬菜上施用，均有相互不能代替的作用，针对缺素土壤和敏感植物施用微肥，增产效果十分显著。传统的微量元素施肥方法是添加或喷洒含有某种微量元素的化合物，主要缺点是：（1）不能精确控制用量（过多、过少都对植物不利，作物对微量元素需要量是很少的，而微量元素对作物的适宜和中毒量之间范围又很窄，所以施用微肥一定要求适量，否则用过量或施用不均匀会有不同程度的中毒受害，不仅不能增产，而且会造成减产）；（2）化合物的分解产物会使土壤板结（植物生理反应使肥料经过植物吸收离子后，余下的另一种离子在溶液里的反应，例如施用硫酸铁后，植物吸收了铁离子，遗留下较多的硫酸根，与水反应产生硫酸，使溶液呈酸性反应，这种肥料使土壤酸性化）；（3）不能精确地满足植物的生理周期及生长期，包括昼夜变更植物对微量元素的需求变化，植物生长期的生命周期对微量元素的需求变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种环境自适应的土壤微量元素施肥装置，实现土壤中微量元素的精确施加，进一步实现昼夜变更及植物生长全生命周期的微量元素精确调节。

本发明的技术方案是：

一种环境自适应的土壤微量元素施肥装置，其特征是：包括惰性电极、微量元素电极、电源，将所述惰性电极和所述微量元素电极埋入土壤或没入灌溉水，所述惰性电极接电源负极、所述微量元素电极接电源正极对土壤或灌溉水释放微量元素离子，所述电源为太阳能器件和/或温差能器件，太阳能器件负责白天供电，温差能器件负责夜晚供电。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置，其特征是：微量元素电极由多种微量元素合成或化合。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置，其特征是：微量元素电极由多个不同的微量元素电极排列组成。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置，其特征是：电源回路中设置有环境敏感器件。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置，其特征是：所述环境敏感器件是温度敏感电阻和/或湿度敏感电阻和/或气压敏感电阻。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置，其特征是：所述温度敏感电阻采用负温度系数热敏电阻，温度上升电阻下降，电极回路的电流变大以适合环境温度上升或夏季增加微量元素离子的释放。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置，其特征是：所述温度敏感电阻采用正温度系数热敏电阻，温度下降电阻下降，电极回路的电流变大以适合环境温度下降或冬季增加微量元素离子的释放。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置，其特征是：微量元素电极由如下元素材料之一制成或其化合物：B、Fe、Zn、Mn、Mo。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置，其特征是：连接Fe铁电极的电源采用太阳能白天供电，连接Mn锰电极的电源采用温差方式夜晚供电。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置，其特征是：连接Fe铁电极的电源采用温差能夜晚供电，连接Mn锰电极的电源采用太阳能方式白天供电。

一种环境自适应的土壤微量元素施肥装置的施肥方法，施肥装置包括微型单元（太阳能单元方式\微量元素i）、微型单元（温差单元方式\微量元素i）、微型单元（太阳能/温差方式\微量元素i）,i为微量元素代号，其特征是：将微型单元以数量百分比分布于土壤或置于灌溉水，比例关系为：（太阳能单元方式\微量元素i）x%、（温差单元方式\微量元素i）y%、（太阳能/温差方式\微量元素i）z%，总施肥量为x%+ y%+ z%=100%，x%为微型单元（太阳能单元方式\微量元素i）的数量，y%为微型单元（温差单元方式\微量元素i）的数量，z%为微型单元（太阳能/温差方式\微量元素i）的数量。

一种环境自适应的土壤微量元素施肥装置的施肥方法，施肥装置包括微型单元（太阳能单元方式/环境敏感器件k\微量元素i）、微型单元（温差单元方式/环境敏感器件k\微量元素i）、微型单元（太阳能/温差方式/环境敏感器件k \微量元素i），i为微量元素代号，k为环境敏感器件代号，其特征是：将微型单元以数量百分比分布于土壤或置于灌溉水，比例关系为：（太阳能单元方式/环境敏感器件k \微量元素i）x%、（温差单元方式/环境敏感器件k \微量元素i）y%、（太阳能/温差方式/环境敏感器件k \微量元素i）z%，总施肥量为x%+ y%+ z%=100%，x%为微型单元（太阳能单元方式/环境敏感器件k \微量元素i）的数量，y%为微型单元（温差单元方式/环境敏感器件k \微量元素i）的数量，z%为微型单元（太阳能/温差方式/环境敏感器件k \微量元素i）的数量。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置的施肥方法，其特征还在于，包括：对于有拮抗作用的微量元素的微型单元不采用相同的供电模式，避免植物对微量元素吸收的拮抗作用。

所述的环境自适应的土壤微量元素施肥装置的施肥方法，其特征还在于，包括：对于有协和作用的微量元素的微型单元采用相同的供电模式，实现植物对微量元素吸收的协合作用。

本发明的有益效果是：提供一种环境自适应的土壤微量元素施肥装置，实现土壤中微量元素的精确施加，进一步实现昼夜变更及植物生长全生命周期的微量元素精确调节。

附图说明

图1为本发明太阳能器件白天适应的土壤微量元素施肥装置原理图。

图2为本发明采用数个微量元素电极构成电极组的实施方案（太阳能器件白天适应）。

图3为本发明温差能器件夜晚适应的土壤微量元素施肥装置原理图。

图4为本发明采用数个微量元素电极构成电极组的实施方案（温差能器件夜晚适应）。

图5为本发明太阳能器件、温差能器件自适应的土壤微量元素施肥装置原理图。

图6为本发明太阳能器件白天适应的土壤微量元素施肥装置原理图（增加环境敏感器件）。

图7为本发明温差能器件夜晚适应的土壤微量元素施肥装置原理图（增加环境敏感器件）。

图8为本发明微型化比例混合微量元素施肥方式。

图9为图8实施方案增加环境敏感器件的实施方案。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1为本发明太阳能器件白天适应的土壤微量元素施肥装置原理图，101为植物，102为植物根系，103为土壤，104为惰性电极，105为微量元素电极，将惰性电极104和微量元素电极105埋入土壤，惰性电极104接电源负极、微量元素电极105接电源正极，土壤一般分为中性、酸性、碱性土壤，在土壤中包含由各种有机或无机盐离子，这些离子是导电的，通电后微量元素电极的材料失去电子，使该微量元素离子释放至土壤中，106为太阳能器件，植物的光合作用发生在白天，大部分植物对微量元素的需求高峰也在白天，因此选择适合白天吸收的某种微量元素采用太阳能供电是符合白天适应的。当然，该装置的电极可以没入灌溉水对灌溉水释放微量元素离子（灌溉水中有杂质离子，所以也是导电的），再由灌溉水浇灌土壤提供给植物。

图1中，104为惰性电极，惰性电极可以由石墨或不锈钢制成，105为微量元素电极，微量元素电极由该微量元素材料制成，微量元素有硼、铁、锌、锰、钼、铜、铬、钴、硒、镍、矾、锡、氟、碘、硅等，微量元素还包括未知的其它微量元素，微量元素电极可以由微量元素材料单质制成，也可以将数个微量元素材料合成或化合制成。

图2为本发明采用数个微量元素电极构成电极组的实施方案（太阳能器件白天适应），图中以硼B、铁Fe、锌Zn、锰Mn、钼Mo五种常用微量元素为例，201为硼B材料电极，202为铁Fe材料电极，203为锌Zn材料电极，204为锰Mn材料电极，205为钼Mo材料电极，惰性电极104接电源负极，各微量元素电极分别接电源正极，通电后微量元素电极的材料失去电子，使该微量元素离子释放至土壤中。当然，该装置的电极可以没入灌溉水对灌溉水释放或吸收微量元素离子，再由灌溉水浇灌土壤提供给植物。

图3为本发明温差能器件夜晚适应的土壤微量元素施肥装置原理图，301为温差能器件，温差能器件在夜晚为电极提供电压，植物生长在昼夜更替时对不同的微量元素吸收的峰值时段不同，如很多植物对钼Mo的吸收在夜晚时段，所以采用温差能器件是夜晚适应的。

图4为本发明采用数个微量元素电极构成电极组的实施方案（温差能器件夜晚适应），图中以硼B、铁Fe、锌Zn、锰Mn、钼Mo五种常用微量元素为例，201为硼B材料电极，202为铁Fe材料电极，203为锌Zn材料电极，204为锰Mn材料电极，205为钼Mo材料电极，惰性电极104接电源负极，各微量元素电极分别接电源正极，通电后微量元素电极的材料失去电子，使该微量元素离子释放至土壤中。当然，该装置的电极可以没入灌溉水对灌溉水释放或吸收微量元素离子，再由灌溉水浇灌土壤提供给植物。

图5为本发明太阳能器件、温差能器件自适应的土壤微量元素施肥装置原理图，大部分植物对硼B、铁Fe、锌Zn元素的吸收峰值在白天，所以硼B、铁Fe、锌Zn电极连接太阳能器件106的正极，植物对锰Mn、钼Mo的吸收峰值在夜晚，所以锰Mn、钼Mo电极连接温差能器件301的正极，这样白天、黑夜均能实现自适应。

图6为本发明太阳能器件白天适应的土壤微量元素施肥装置原理图（增加环境敏感器件）, 环境敏感器件包括温度敏感电阻和/或湿度敏感电阻和/或气压敏感电阻，增加环境敏感器件的目的是为了适应植物随环境变化而对微量元素的吸收产生的变化，如气温高时对硼(B)的吸收明显上升，又如对于多年生植物，多年生植物一般在冬天气温低时生长缓慢或休眠，冬天对微量元素的需求降低或停止，所以在气温低时要减少或停止施肥。采用温度敏感电阻时可以采用负温度系数热敏电阻（NTC），这样温度上升电阻下降，电极回路的电流变大以适合增加微量元素离子的释放，相反，如果采用正温度系数热敏电阻（PTC）则适合于低温环境吸收某种微量元素的植物。图中601为环境敏感器件，环境敏感器件601串接在电源、惰性电极104、微量元素电极105的回路中，环境敏感器件一般为变阻器件，这样回路电流会跟随环境变化而发生相应的变化。

图7为本发明温差能器件夜晚适应的土壤微量元素施肥装置原理图（增加环境敏感器件），环境敏感器件包括温度敏感电阻和/或湿度敏感电阻和/或气压敏感电阻，增加环境敏感器件的目的是为了适应植物随环境变化而对微量元素的吸收产生的变化，如气温高时对硼(B)的吸收明显上升，又如对于多年生植物，多年生植物一般在冬天气温低时生长缓慢或休眠，冬天对微量元素的需求降低或停止，所以在气温低时要减少或停止施肥。采用温度敏感电阻时可以采用负温度系数热敏电阻（NTC），这样温度上升电阻下降，电极回路的电流变大以适合增加微量元素离子的释放，相反，如果采用正温度系数热敏电阻（PTC）则适合于低温环境吸收某种微量元素的植物。图中601为环境敏感器件，环境敏感器件601串接在电源、惰性电极104、微量元素电极105的回路中，环境敏感器件一般为变阻器件，这样回路电流会跟随环境变化而发生相应的变化。

图8为本发明微型化比例混合微量元素施肥方式，本发明的一个实施方式是微型化，将装置制成微型单元，按电源方式分为a太阳能单元方式、b温差单元方式、c太阳能/温差方式，继续按不同的微量元素配置又可以分不同的微型单元，以B、Fe、Zn、Mn、Mo为例：

a太阳能单元方式：B、Fe、Zn、Mn、Mo；

b温差单元方式：B、Fe、Zn、Mn、Mo；

c太阳能/温差方式：B、Fe、Zn、Mn、Mo。

植物所需的微量元素是多种的，如硼、铁、锌、锰、钼、铜、铬、钴、硒、镍、矾、锡、氟、碘、硅等，微量元素还包括未知的其它微量元素，微型单元可以记为（太阳能单元方式\微量元素i）、（温差单元方式\微量元素i）、（太阳能/温差方式\微量元素i）,i为微量元素代号，进一步，微型单元还包括环境敏感器件：（太阳能单元方式/环境敏感器件k\微量元素i）、（温差单元方式/环境敏感器件k \微量元素i）、（太阳能/温差方式/环境敏感器件k \微量元素i）,k为环境敏感器件代号，如k1为温度、k2为湿度、k3为气压等。

由于不同的植物、在不同的生命周期时段、在昼夜更替的不同时刻对不同的微量元素的需求峰值不同，甚至气温、湿度、光照度、气压等都对植物吸收不同的微量元素产生影响，即植物体内正常的代谢作用不仅要求有足够的必需营养元素，而且要求各种元素的含量保持相对平衡，但一种营养元素的过量，常会抑制另一种元素的吸收利用，这种现象称为元素间的拮抗作用，常见的有氮钾、钾镁、铁锰、磷锌之间的拮抗等，产生拮抗的原因比较复杂，大致有：①吸收被抑制，如Fe+离子和Mn+离子因半径相似，存在着竞争性吸收，前者常对后者的吸收有抑制作用（采用本发明装置可以将Fe+离子和Mn+离子的释放时间错开以避免吸收抑制，如连接铁电极的电源采用太阳能白天供电，连接锰电极的电源采用温差方式夜晚供电，或连接铁电极的电源采用温差能夜晚供电，连接锰电极的电源采用太阳能方式白天供电）；②溶解度降低，如高浓度的磷酸盐可与吸收的锌离子结合而沉淀造成锌的不足；③稀释效应，如氮素过多，植物生长量显著增加，使其他养分相应被稀释，甚至导致缺素症。元素间除拮抗作用外，还有协合作用，即一种离子的存在可促进植物对另一种离子的吸收。不同的元素(离子)间产生协合作用或拮抗作用，因条件而异，某一浓度下元素（离子）间的拮抗作用关系，可在另一浓度下变为协合作用（维茨效应）。不同的植物对微量元素的需求不同，如苹果对Zn、B需求较大，山枣需要Sr、Cu、Mn、Zn、Fe、Mg、Ca、Se、K、Ge、P共11种微量元素，菠菜对Fe、Zn需求较大，同一种植物在不同的时段对同一种微量元素的需求也是不同的，如如苹果，苹果树从6月份到一直摘完果实都处在花芽分化的过程中，在采摘果实以前一直需要硼，苹果树缺硼会造成果实出现缩果病，失去商品价值，锌在果树上基本四季都需要，缺锌会造成苹果树叶片整体黄化，锌一般在苹果树开花以前施加。通过大量的实验可以获得各种植物对不同微量元素的需求以时间、气温、湿度、光照度、气压等为维度的比例关系：（太阳能单元方式\微量元素i）x%、（温差单元方式\微量元素i）y%、（太阳能/温差方式\微量元素i）z%，总施肥量为x%+ y%+ z%=100%，x%为微型单元（太阳能单元方式\微量元素i）的数量，y%为微型单元（温差单元方式\微量元素i）的数量，z%为微型单元（太阳能/温差方式\微量元素i）的数量，进一步，参照图9，引入环境敏感器件，施肥比例为：（太阳能单元方式/环境敏感器件k\微量元素i）x%、（温差单元方式/环境敏感器件k \微量元素i）y%、（太阳能/温差方式/环境敏感器件k \微量元素i）z%。

对于有拮抗作用的微量元素的微型单元采用不同的供电模式，避免植物对微量元素吸收的拮抗作用。

对于有协和作用的微量元素的微型单元采用相同的供电模式，实现植物对微量元素吸收的协合作用。

上述应用模式及规则均不限定本发明的方法及应用的基本特征，并非限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。