我国设施农业发展迅速,总面积世界第一,对丰富人们餐桌、促进农业经济发展发挥了巨大的作用。由于设施农业产出量大、肥料消耗高,有些生产经营者为了避免作物缺素,往往过量施用氮、磷、钾肥,不仅造成肥料资源的浪费,而且容易造成环境面源污染,引起作物品质下降,甚至减产。水肥精确施用,需要对作物营养状态进行检测。传统的营养检测方法需要对作物进行破坏性取样,影响作物生长,取样、测定、数据分析等需要耗费大量的人力、物力,时效性差;光学或光谱检测方法只能检测叶片表面,不能直接检测作物内部营养离子浓度,因此需要采用微电极技术直接检测作物内部营养浓度;测得的作物内部营养离子浓度只是当时的营养状态,不能全面反应作物的生长状态,还需要考虑作物的长势信息,才能更全面地反应作物真实的水肥需求状况。针对上述问题,本文以温室典型果菜番茄为对象,提出创制多管离子选择性微电极技术检测植株体内营养离子浓度信息,结合茎直径、株高等作物长势信息、作物荧光参数和环境因子等数据,对番茄需水需肥量和配方进行决策的精确施肥方法,在此基础上开发了精确调控系统。本文的主要工作和创造性成果有:（1）研制了一种适用于番茄叶片营养离子浓度检测的多管离子选择性微电极。确定了微电极的插入叶片的适宜深度范围为25.60μm～35.59μm;分析了微电极穿刺过程中不同尖端长度尺寸微电极的变形情况,确定了最佳的微电极尖端长度尺寸范围。筛选了硝酸根离子、铵根离子和钾离子的离子敏感剂,确定了微电极拉制制作工艺参数。建立了多管离子选择性微电极输出信号与硝酸根、铵根和钾离子浓度的信号解析模型,检测相对误差分别为1.83%、2.12%和2.84%。（2）提出了基于多管离子选择性微电极的番茄营养离子浓度检测方法。研究了营养液中硝态氮营养、铵态氮营养和钾营养等单一营养组分和交互对番茄植株氮、钾含量的影响。测定了番茄植株从顶端生长点开始往下数第3枝～第7枝叶,每枝叶取上位叶、中位叶和下位叶3个位置的羽叶,每片羽叶取外叶、内叶和叶心3个区域的SPAD值,分析了每枝叶的SPAD平均值与番茄植株氮含量的相关系数,确定了番茄植株营养的检测部位为第6枝叶的中位叶叶心区域和上位叶中叶区域;建立了番茄氮素营养信息检测模型和番茄钾营养信息检测模型,模型检验结果表明:植株氮素、钾素含量的检测平均相对误差分别为3.32%和3.44%。（3）提出了基于营养离子和长势信息的番茄需肥模型建模方法。分析了气候环境参数对番茄需肥量的影响,建立了基于时间序列理论的环境参数预测模型,温度预测相对误差为1.1%。建立了基于番茄营养生长期日生理发育效应的茎直径生长速率预测模型,预测相对误差为3.5%。研究了营养液配方对番茄叶片荧光参数的影响,筛选出线性电子流、叶绿素荧光下降速率和质子流出速率分别作为营养液中硝态氮营养离子浓度、铵根离子浓度和钾离子浓度的快速预测表征值,并建立了回归预测模型;研究了营养液配方对番茄品质和产量的影响规律。分别提出了根据营养离子浓度信息、荧光参数、预期品质和预期产量等4种营养液配方修正的方法。通过水肥耦合试验分析了灌溉量和施肥量对番茄产量和水肥利用效率的影响规律,确定了番茄生长的基础灌溉量和施肥量;采用实际株高和茎直径生长速率与标准生长速率的差值表征番茄的水肥盈缺情况,利用番茄积温得到番茄标准生长速率模型,建立了番茄需肥与需水量预测模型。（4）提出了多通道营养液精确调配方法。分析了常见压差式、吸入式和注入式等3种母液添加方式的优缺点,确定选用结构简单、成本低的吸入式作为系统的母液添加方式;研究了单营养组分母液添加量和多营养组分母液添加量与EC、p H的关系;建立了母液加入后营养液的EC值和p H值的回归方程,经试验验证,该回归模型EC值的预测相对误差平均为1.64%,最大为2.75%;p H值的预测相对误差平均为1.76%,最大为2.85%;提出了母液配比调控方法,在营养液配方已知的情况下,将营养液的EC值和p H值转换为PWM占空比的一元函数;建立了母液配比误差修正模型,实现最大配比误差不大于3%;采用融合单独P控制的模糊PID控制算法,结合预估算法,设计了营养液EC值和p H值控制器,制订了营养液EC值和p H值控制规则,不同灌溉流量下EC值和p H值的控制误差分别为0.08m S/cm和0.06。（5）开发了基于营养离子浓度和长势信息的温室营养液精确调控系统。确定了系统主要性能和技术指标要求,制订了系统整机运行流程;设计了自动灌溉施肥机系统结构和控制系统的硬件和软件,试制了WGF-6-12型温室自动灌溉施肥机样机,EC值、p H值和灌溉量控制误差分别为0.05m S/cm、0.01和1.0%,营养元素配比误差为0.6%～2.8%。整机性能检验数据表明:相对于实验组EP2和对照组CP处理,实验组EP1处理下的番茄产量分别提高了12.16%和8.13%,水分利用效率分别提高了35.07%和20.84%,肥料利用效率提高了30.25%和-0.80%,番茄单株经济效益提高了16.52%和18.06%,总糖含量提高了8.40%和16.35%,总酸含量下降了9.76%和13.95%,维生素C含量提高了4.48%和12.93%。通过以上研究,给出了硝酸根、铵根和钾离子多管离子选择性微电极信号与番茄植株氮钾含量的关系,能够快速、即时检测出番茄植株氮钾营养状态,同时根据营养离子浓度、长势信息和荧光参数等信息反馈后能够进行水肥精确调控,为水肥调控提供了营养检测和灌溉施肥量决策方法,对提高温室生产经济效益、促进设施农业科技进步具有重要意义。