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NFT与DFT之争没有胜负,产量由选择之后的运营决定

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水耕栽培白色根系的特写。无论NFT还是DFT,决定产量的是根系状态

方式的优劣不决定产量

每当谈到要新建营养液系统,或者改造现有系统,最先碰到的问题往往是”选NFT还是DFT”。薄流还是深液。一查资料,比较表层出不穷,两边各有道理,反而更难做决定——这种踌躇,一拖就是好几天。你有没有这种感觉?

越研究,越觉得”找不到决定性因素”。听说NFT因为水在流动所以不容易烂根,心想那就NFT吧。但又看到DFT水量大,停电或故障时更耐得住、出了问题能多争取些时间,便又摇摆回来,觉得大量生产叶菜的话还是DFT更稳妥。看比较表,每一项都有一边打圈,加起来几乎打平。这与其说是研究不够,不如说本来就被设计成打平的——你有没有这种感觉?无论选哪个,最终都看后续的水管理,那么在这第一个分叉上花这么多时间,到底是在干什么?

事实上,见过的现场多了,就会发现”被设计成打平”这个看法才是对的。那些比较表只是把两种方式的特性并排,并没有把决定现场产量的变量纳入进去。多年观察生菜,每次追溯产量或品质波动的原因,几乎每次都不是”方式”,而是”当天的流量、营养液温度、溶解氧”中的某一个。NFT出现烂根,不是方式的问题,是流量下降、液膜断裂、根尖干燥时才出现的。DFT出现徒长、株型松散,也不是方式的问题,是营养液温度升高、溶解氧流失、根系衰弱时才出现的。无论选哪种方式,归根到底都取决于每天有没有盯着这些指标。所以比较表总分打平是理所当然的,在那里非要分出胜负,本身就是问错了问题。

那么方式怎么定?这其实可以很直接。由手边的制约条件决定。停电或故障时想撑多少分钟,想把水量当作这份安全余量的话就偏向DFT。想多加几层货架、做得轻一些、配管也简单的话就偏向NFT。在规模和自己能接受的风险范围内,几乎是自动就能决定的。不值得纠结好几天。

真正应该花时间精力的,是选定之后的事。两种方式共同有效的,是”停了能马上发现的机制”。水泵停了、营养液温度升了——在没有人站在货架前的时段里,怎么捕捉到这些信号?NFT以流动为命脉,停了就来得快;DFT有水量,就算发现慢一点也还有些余地——有这个区别,但无论哪种,“发现太迟、为时已晚”都是最大的损失。所以与其把纠结的时间用在方式的优劣上,不如先把这个问题定下来:“无论选哪种方式,停了之后几分钟内能发现?“把这个定了,方式的选择就成了挂在下面的小选择,自然就决定了。

“被设计成打平”在比较研究中也得到印证。DWC(深水培)与DFT同属深液类。让NFT和DWC各自种植生菜等叶菜,比较生长量和产量,有报告显示两者并无显著差异,都能达到采收适期的重量。方式本身难以拉开差距,这不只是现场的直觉,比较试验里同样有体现。(参考: 1

牵引方式选择的是能接受的时间和规模

从零开始搭建营养液系统,或者改造它的时候,产量不是由方式的优劣本身决定的——以上说的都是这个意思。那差距从哪里来?上一章末尾留下的问题——“停了之后几分钟内能发现?“——接下来就来深入探讨这个。

象征"停了到发现之间能接受的时间"的一只时钟

提出这个问题,马上就会浮现一个疑问:那个”几分钟”,归根到底不就是从方式反推出来的吗?NFT停了干得快,所以必须以能接受的时间很短为前提来设计监控。DFT有水量的余地,可以稍微宽松一点。如果是这样,说是先决定”几分钟内能发现”,实际上根据方式不同,所要求的严格程度也不一样。在选方式之前,真的能先把”自己能接受几分钟”定下来吗?还是说,能接受的时间是先有的,从那里自然引出偏DFT还是偏NFT?

顺序是明确的。能接受的时间在前。不是从方式反推。能接受的时间不是由方式决定,而是由现场实际情况决定。夜间或清晨无人值守的时间有多长,发现异常后有人赶到货架需要几分钟,一个货架停了会损失多少株苗、折算成多少钱。这些数字在现场从一开始就存在,远早于选择方式。在人工光型的密闭室里,假设室温全年基本恒定,那么在停机风险这一面真正起作用的,几乎就只有”无人时段的长度和赶到现场所需的时间”。当然,现实中地板能承受的水重和估算、已有设备等具体制约也会牵引方式的选择。但这些同样不是盯着比较表能得出的答案,它们也是现场从一开始就有的数字。

一旦”能接受的时间”定下来,方式不是反推得出,而是作为必要条件被缩窄。比如,夜间无人四小时、赶到需要三十分钟的现场,就来不及——NFT流量一停,液膜断裂、根尖干燥的速度太快了。所以选NFT不是要把监控做得更严,而是从一开始就很难选它。反过来,如果能用水量来换取余地,就偏向DFT。不是方式决定监控的严格程度,而是先有的能接受时间,同时牵引方式和水量的选择。所以并不矛盾。“我能接受几分钟”在现场先于方式决定,方式不过是满足这个时间的一种手段。是用水量换时间,还是用监控和快速响应体制换时间,这是分配问题。而实际上,选了DFT但不看溶解氧,余地就是幻觉;选了NFT但一旦停了能立刻知道,速度就没什么可怕的。最终还是回到选定之后的运营。所以,把能接受的时间先写在纸上,把方式挂在它下面——这个顺序才是对的。

还有一个直接牵引方式选择的手边实情:规模,以及机械化程度。规模小、靠手工运转时,NFT的轻便和简单的配管很合适;但规模扩大、定植、搬运、采收都走向机械化之后,可以整块托盘移动操作的深液式就更合拍了。不过,这不是”规模大了就定DFT”的结论。真正起作用的不是方式本身,而是”人手接触那些水几次”。手工阶段,就算停了,人就在旁边,发现得快。所以NFT的速度没什么可怕。机械化之后,人站在货架前的时间大幅减少。于是,前面说的”无人时段和赶到时间”一下子拉长了。也就是说,规模和自动化看起来是在直接决定方式,实际上是在改变”能接受的时间”。通过那一层,才影响到方式的选择。规模扩大、走向机械化、人离开水边、无人时段拉长、能接受的时间缩短——要用水量买回那段缩短的时间,就偏向DFT。这是一条连锁反应。

现实中是混在一起的。规模大了也未必全部机械化,自动化产线上只要把传感器和通知好好搭起来,无人状态也能找回”停了立刻知道”。所以规模大了NFT也不会消失。反过来,规模小但夜间完全无人,DFT的水量也能起作用。所以不能一刀切地说”规模大了就DFT”。规模和自动化确实影响方式选择,但影响的方式不是直接决定方式,而是改变人接触水的次数、改变无人时段、改变能接受的时间——是在动上面那一层。所以规模变化时,第一个要重新核算的不是比较表,而是”现在这个规模,无人会持续几分钟,停了能在几分钟内发现?“方式,还是挂在那下面的。

选定之后每天要看的流量、营养液温度和溶解氧

选定之后,注意力完全转移到”每天看哪里”上。方式讨论中反复出现的是三个指标:流量、营养液温度、溶解氧。那么每天看这三个的时候,实际上应该看什么、怎么看?假设早上巡视一圈,三个按什么顺序看,看哪些数字,“这个没问题”和”这个有问题”怎么划线?三个的观察时机是否相同?像营养液温度这种白天缓慢变化的,和流量这种一停就出局的,看法是不同的。

贮液罐。流量、营养液温度、溶解氧每天都要看的现场运营

其实,区分”一停就出局”和”缓慢变化”这个感觉本身,已经是答案了。三个指标的观察方式,清晰地分成两条线。

首先,流量明确属于”一停就出局”型。所以它和”早上巡视一圈用眼睛确认”的方式并不相配。如果在没有人站在前面的时段停了,那到下一个人去看之前,一直都是出局的状态在持续。因此,流量这一项不靠人的眼睛,靠机器来捕捉。水泵或流量一下降,立刻检测到,通知发给人。这里交给机制来负责。而且流量不只是”有没有停”,还有一个合适的区间。太慢了液膜断裂、根尖干燥;太快了根系也定不下来。所以除了”有没有停”,还要看”大致在这个区间里吗”。具体数字要在现场摸索,这里不做断言,但最好有个感觉:太慢和太快两边都有问题。

流量存在合适区间,这在数字上也很清楚。NFT生菜的流量实验中,产量最高的出现在1.0 L/min附近。比这慢的0.5 L/min,水分吸收和气孔活动迟钝,鲜重下降近三成(约28%),叶片硝酸盐也升高。反过来,增加到4.0 L/min,根系受到物理损伤、变黑,吸收能力下降。(参考: 2)另一项关于瑞士甜菜的实验也显示出拱形响应:适度的流量对根系是良性刺激,但过量后根系收缩、生长下降。(参考: 3)既不是”有水流就安心”,也不是”越多越好”,收在不快不慢的区间里,才能发挥它的本来特性。

另一方面,营养液温度和溶解氧属于”缓慢变化”型。它们只是在空调系统效果欠佳的时段稍微漂移,用每天目视和记录就能捕捉到。早上巡视时看一下营养液温度和溶解氧,把当天的数值记下来。和前一天、前前天的数值并排,缓慢的变化就能以曲线形式呈现出来。而且这两个不是独立的,是联动的——营养液温度升高,水中能溶解的氧气就减少。所以如果营养液温度在上升却没有关注溶解氧,根系就会在不知不觉中因缺氧而衰弱。特别是DFT水量大,底部的氧气容易流失。这与其说是方式的弱点,不如说是水的特性,所以从运营侧用曝气来弥补——向水中送入空气。营养液温度这个”进入的一侧”和曝气这个”补充的一侧”,从两侧来维持溶解氧的区间。

从运营侧补充溶解氧也有依据。向深液中用微细气泡(微气泡)送入空气,比普通曝气更容易维持较高的溶解氧,小松菜和菠菜的叶菜生长都同样得到改善——同一研究团队的报告如此显示。(参考: 4, 5)但这也不是”送得越多越好”。曝气的强度有一个峰值,超过某个程度后效果趋于平稳,太强反而会导致生长下降。和流量一样,这里也有适量的区间。

所以,每天的运营是两条轨道。骤然停止的流量,机器捕捉到就立即通知。缓慢变化的营养液温度和溶解氧,人在早上巡视时目视记录。自动检测承担”不漏掉突然停止”的角色,人的目视承担”轻微异常在为时已晚之前发现”的角色。只有其中一个就会出现漏洞。只靠机器,就会漏掉”虽然没停、但在缓慢变差”。只靠人,就赶不上无人时段骤然停止的情况。两个车轮一起转,选定的方式才能发挥出它本来的实力。

二选一之外,以及可逆与不可逆的分界线

NFT和DFT不是唯一的选项。DWC(深水培)是把根系深深浸入深液的方式,就”蓄水”这个意义而言,几乎属于DFT的同类。可以归入深液式一类来看,到此为止关于DFT的说法几乎完全适用。雾培式是向根系喷雾的方式,就溶解氧而言是最优越的。根系暴露在空气中,氧气最为充足。但翻过来看,正因为不蓄水,停了之后干得最快。我在说NFT时提到”流量停了液膜断裂、根尖干燥”,雾培式的这个速度更为突出。所以它适合限定场合——能够相当完善地搭建即时检测和停机对策的现场。如果能搭起来,就很强,但把它当作眼下二选一的延伸来理解就足够了,不必单独费神纠结。

可以堵住的和堵不住的分界线,以”可逆还是不可逆”来划。像DFT的溶解氧和流量区间那样,偏离了、发现了、纠正了就能回到区间、根系能恢复——这类可逆的,属于靠运营来堵的一侧。每天观察,偏离了就出手拉回来。这是人和记录的工作。另一方面,NFT流量停了、根尖干燥,那种干燥是回不来的。根尖一旦受损,就算把水送回来也恢复不到原来的状态。这靠运营目视是堵不住的。所以依靠检测和通知、以及备用电源和备用水泵——从设备和体制这一侧,提前把”停机本身”消灭掉。分界线是这样的:可逆的靠运营来应对;不可逆的不让运营背负,靠设备和部署提前消除。缓慢变化的可逆问题靠人来看,突然来临的不可逆问题靠机器和备案来挡。

不过有一点要补充:可逆还是不可逆,不是贴在方式上的标签。流量也好,加得太快根系就会不可逆地受损;DFT也好,夏季高营养液温度或停滞放任不管,大量的水这次就变成降不下来的温水,根系腐烂——水量多这个优点,一旦放任就会反转。所以不能断言”DFT有水量所以安全”。移动这条边界线的,不是方式的属性,而是”偏离的幅度,以及放任了多久”。DFT为你争取的是”发现并采取行动之前的余地”,而不是可以不用看的保险。

这篇文章的适用范围和带回去的一句话

最后,说明一下范围。以上内容是以人工光型密闭室里用清洁水栽培叶菜为前提的。换成果菜或深根作物、大规模生产、与引入太阳光的温室比较收益性的话,即使用同样的轴,权重的分配也应该会有变化。那些请当作”用这个视角来看应该会是这样”的推测来读。另外,选定之后营养液本身的调整方法——EC和pH值怎么校准、病害怎么抑制——是与方式选择分开、需要另立一篇专门来讲的话题。

在这个基础上,把以上内容用一句话总结,就是这样。无论面对”NFT还是DFT”这个问题多少天,产量不在那里决定。方式不过是顺着规模和手边的制约条件自然定下来的东西,既没有”绝对这个更优”的答案,也没有”由此一锤定音”的条件。真正起作用的,是选定之后每天看流量、营养液温度、溶解氧,以及停了能马上发现的机制。所以用一句话说就是:把纠结方式选择的时间,用到选定之后的运营上。仅此而已。

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参考文献

  1. M.A.C. Griffith, George Paul Buss, Paige Ann Carroll, Xiusheng Yang, John L. Griffis, Galen Papkov, Sarah E. Bauer, Kathryn Jackson, Ankit Singh(2023) The Comparative Performance of Nutrient Film Technique and Deep-Water Culture Hydroponics Method using GREENBOX Technology. https://doi.org/10.13031/aim.202300258
  2. Cleiton Dalastra, Marcelo Carvalho Minhoto Teixeira Filho, Marcelo R da Silva, Thiago AR Nogueira, Guilherme Carlos Fernandes(2020) Head lettuce production and nutrition in relation to nutrient solution flow. Horticultura Brasileira. https://doi.org/10.1590/s0102-053620200103
  3. Bateer Baiyin, Kotaro Tagawa, Mina Yamada, Xinyan Wang, Satoshi Yamada, Yang Shao, Ping An, Sadahiro Yamamoto, Yasuomi Ibaraki(2021) Effect of Nutrient Solution Flow Rate on Hydroponic Plant Growth and Root Morphology. Plants. https://doi.org/10.3390/plants10091840
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  1. Hiromi Ikeura, Hideaki Takahashi, Fumiyuki Kobayashi, Mayuko Sato, Masahiko Tamaki(2017) Effects of microbubble generation methods and dissolved oxygen concentrations on growth of Japanese mustard spinach in hydroponic culture. The Journal of Horticultural Science and Biotechnology. https://doi.org/10.1080/14620316.2017.1391718
  2. Hiromi Ikeura, Keita Tsukada, Masahiko Tamaki(2017) Effect of microbubbles in deep flow hydroponic culture on Spinach growth. Journal of Plant Nutrition. https://doi.org/10.1080/01904167.2017.1346663