无土栽培是设施农业生产中提高水肥管理水平的关键技术之一。根据作物生长需求进行合理的水肥供应不仅可以提高设施作物的产量和品质,还能提高水肥利用效率,减少对环境的污染。由于受到离子选择性电极研发滞后、易受干扰、精度差、寿命短、价格昂贵等限制,营养液灌溉系统通常为基于EC和pH的反馈控制,无法实现营养液离子浓度的精准控制。本文以钾素为例,探讨了营养液供钾水平对基质培番茄的植株生长、果实发育和品质形成的影响,明确了番茄植株在不同生育时期的各器官含钾量和对营养液钾素的动态需求。通过营养液中各离子活度对其EC和pH的影响,建立了基于离子活度核算特定配方营养液EC和pH的回归模型,并提出了离子EC贡献率的概念,结合营养液EC实际测量可以将营养液离子动态调控装置的EC控制水平提高到离子浓度控制水平,从而满足不同生育时期作物生产对营养液离子浓度的动态需求。本文的主要结果和结论如下:(1)钾离子浓度为1、4、8、12及16mmol/L(K1、K2、K8、K12、K16)的营养液供钾水平下对基质培番茄的植株生长、果实发育和品质形成进行了分析。结果表明:适当提高营养液供钾水平可以显著提高番茄的株高、茎粗、叶数、花序数,及生物量积累,有效地改善了果实的单果重、单株产量、番茄红素与维生素C含量,但K12和K16实验区之间没有显著性差异。综合番茄植株的各器官含钾量在不同生育时期对营养液供钾水平的响应,为保证番茄植株营养生长和生殖生长的平衡,建议基质培番茄在幼苗期的营养液供钾量为8～10 mmol/L、开花期为10～12 mmol/L、坐果期为12～13mmol/L、果实成熟期为13～15mmol/L。因此,日本园试通用营养液适用于设施番茄栽培,但需要在不同生育时期动态地调控钾离子浓度。(2)特定配方营养液中各离子活度与营养液EC和pH之间存在显著的线性相关和二次相关关系,不同相对浓度的营养液中各离子EC贡献率未出现显著性变化。在添加特定单盐后的混合营养液中,所添加单盐的阴阳离子的离子EC贡献率显著增加,其他离子的离子EC贡献率相应减小。添加相同钾离子浓度的不同单盐时,钾离子的离子EC贡献率的变化规律相近,但阴离子的离子EC贡献率的变化规律各不相同。利用基于离子活度的回归模型估测不同相对浓度的园试通用营养液和山崎番茄营养液的EC与实测值之间的相对偏差仅为1.33%和1.84%,pH的估测偏差也仅为0.22%和0.09%;即使在添加特定单盐后的两种营养液中的EC和pH估测偏差也低于0.4%和0.5%。因此,基于离子活度可以准确地估测特定配方营养液的EC和pH,而本文提出的离子EC贡献率结合EC实际测量为核算营养液中各离子浓度提供了可能。(3)营养液离子动态调控装置由营养液控制装置、信息采集装置、营养液配制与灌溉装置、以及箱体等辅助装置组成。本文对EC/pH采集器和营养液EC控制进行了调试与研究。EC和pH采集装置主要是通过EC/pH采集器的温度补偿与校正功能等优化实现了高精度、长寿命、低成本化的EC和pH测量。通过提出母液添加用高速电磁阀的占空比控制的自学习设计,不仅能提高营养液配制制精度,还能提供母液或单盐的精准添加量,结合离子EC贡献率的算法和EC实际测量使得营养液离子动态调控装置从EC控制水平提高到离子浓度控制水平。