基于离子当量浓度比与实时监测的闭环水培系统营养液离子平衡调控技术

为解决闭环水培系统中营养液离子失衡问题，研究人员开发了一种结合电导率（EC）与离子选择性电极（ISEs）的智能营养管理系统。通过实时监测NO3–、K+、Ca2+浓度并计算离子当量浓度比，采用非线性编程算法动态调整肥料配比。实验表明，该系统使目标离子比误差降低58%（RMSE 5.9%），显著优于传统EC调控，为可持续农业提供了精准化解决方案。

　　

随着全球农业用水需求激增与气候变化加剧，传统水培系统面临营养液浪费和离子失衡的双重挑战。闭环水培技术虽能回收水和养分，但依赖电导率（EC）的常规调控常导致离子比例失调，引发植物生理障碍（如萎黄、坏死）。韩国研究人员在《Computers and Electronics in Agriculture》发表的研究中，创新性地将离子选择性电极（ISEs）与EC调控结合，通过实时监测NO₃^–、K⁺、Ca²⁺浓度并计算离子当量浓度比，开发出自适应营养管理系统。

关键技术包括：1）实验室自研ISEs阵列实时监测离子浓度；2）基于非线性编程的肥料配比算法；3）动态调整Ca(NO₃)₂·4H₂O等6种肥料与H₃PO₄的投加量；4）以生菜（Lactuca sativa L.）为模型验证系统性能。

研究结果
Ion-monitoring performance
ISEs监测NO₃^–、K⁺、Ca²⁺的RMSE分别为39.18、17.79、20.64 mg L^?1，与化学分析结果高度吻合。
Conclusions
系统使目标离子比误差较纯EC调控降低58%，最终RMSE达5.9%，有效维持了Hoagland标准溶液的离子平衡。

该研究突破了传统EC调控的局限性，通过ISEs实时反馈与智能算法实现了营养液精准管理，为闭环水培系统的长期稳定运行提供了技术支撑。其创新点在于将离子当量浓度比作为调控靶标，既规避了ISEs测量偏差的影响，又显著提升了离子平衡的维持效率。Min-Seok Gang等团队的工作为智慧农业中的资源优化与可持续发展树立了新范式。