北京市夏季屋頂菜園設(shè)計(jì)及自動(dòng)化灌溉技術(shù)應(yīng)用

【摘要】屋頂菜園是屋頂綠化的重要方面，夏季屋頂菜園存在費(fèi)工費(fèi)水，管理難度大的問題，通過集成基質(zhì)根區(qū)改造和應(yīng)用太陽能自動(dòng)灌溉測(cè)控一體化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了屋頂菜園的智能化水分管理，達(dá)到了節(jié)水省工的目的。

屋頂綠化是指在樓頂、陽臺(tái)和露臺(tái)等離開自然土壤的建筑物頂面上進(jìn)行的植物栽培，包括屋頂綠化、垂直綠化及市民家庭在自家屋頂上或陽臺(tái)上設(shè)立小花園、小菜園、小果園、小草藥園等。如果選擇種植具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的蔬菜、水果乃至藥材，則不僅有利于美化環(huán)境，還可收獲一定數(shù)量的農(nóng)產(chǎn)品。

由于城市規(guī)模的快速發(fā)展，北京市的水資源和可用于綠化的土地資源短缺，在城市用地緊張，地價(jià)昂貴的情況下，開發(fā)屋頂綠化技術(shù)對(duì)于緩解北京市綠化土地資源緊缺和改善生態(tài)環(huán)境具有重要作用。此外，屋頂綠化還可以為屋頂提供額外的保溫和隔熱作用，達(dá)到降低夏季室內(nèi)能耗、增加空氣濕度的作用，并有吸收空氣中污染氣體、降塵等作用。以北京市現(xiàn)有屋頂面積2億m2計(jì)，若10%進(jìn)行屋頂綠化，則綠化面積應(yīng)達(dá)2000萬m2。因此，北京市發(fā)展屋頂綠化潛力巨大。

隨著環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，屋頂綠化在國(guó)外方興未艾。例如瑞士鮮花小鎮(zhèn)尼永城內(nèi)從建筑的外墻到屋頂?shù)教幎际酋r花和綠植，整個(gè)小鎮(zhèn)就是一片花海。漫步其中，猶如進(jìn)入畫境，屋頂綠化成效顯著。盡管中國(guó)和瑞士氣候特點(diǎn)不同，但發(fā)展北京特色的智能化屋頂花園，對(duì)于改善北京空氣質(zhì)量，也將起到重要作用。為此，試驗(yàn)嘗試在北京樓頂應(yīng)用智能水肥一體化新技術(shù)改善根區(qū)水肥供應(yīng)種植蔬菜，利用測(cè)控一體自動(dòng)灌溉新技術(shù)來克服根區(qū)水分供應(yīng)的生長(zhǎng)障礙，實(shí)現(xiàn)屋頂蔬菜栽培的科學(xué)管理和省水省力。

北京地區(qū)地處暖溫帶南端，氣候?yàn)榈湫偷呐瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，晝夜溫差大，日照充足、雨量較少，呈現(xiàn)出夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，年平均氣溫13.3℃。極端天氣最低溫度為零下27.4℃，極端天氣最高溫度為42℃以上。全年無霜期180～200天，降水季節(jié)分配很不均勻，全年降水的80%集中在夏季6～8月份。因此北京氣候特點(diǎn)為春季冷暖空氣活動(dòng)頻繁，氣溫多變，日較差大，易發(fā)生大風(fēng)、沙塵天氣；夏季炎熱多雨，是雷暴、大風(fēng)、強(qiáng)降水等對(duì)流性天氣的多發(fā)季節(jié)；秋季晴朗少雨，舒適宜人；冬季寒冷干燥、多風(fēng)少雪。與地面相比，高層屋頂具有光照強(qiáng)、溫度變化快、風(fēng)速大、土層薄、水分易蒸發(fā)等特點(diǎn)，在植物選擇上受到一定限制，對(duì)水分灌溉頻度要求較高。

材料與方法

試驗(yàn)地點(diǎn)

高層屋頂光照強(qiáng)、風(fēng)速大、土層薄、水分易蒸發(fā)等特點(diǎn)限制了栽培植物的類型，特別是耗水量大的蔬菜不易栽植，在植物選擇上受到一定限制，因此屋頂綠化大多數(shù)植物均選擇高度小、根系淺、抗風(fēng)、耐寒耐旱易管理的種類，而大多數(shù)蔬菜品種不符合這些特點(diǎn)，因而建立屋頂菜園難度較大。要想建立屋頂菜園，必需考慮配套灌溉設(shè)施。試驗(yàn)于2016年5～10月，在北京市豐臺(tái)區(qū)南四環(huán)西路188號(hào)3區(qū)2號(hào)樓中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司的7層樓頂進(jìn)行，樓頂東西長(zhǎng)16 m，南北寬12 m，總面積約192 m2。

試驗(yàn)材料

蔬菜品種

屋頂花園常用的綠化植物主要為景天科植物、蔥類植物、菊科植物等耐旱保水植物，如佛甲草、垂盆草、三七景天、八寶景天等。然而長(zhǎng)時(shí)間、大面積的栽培某種植物，會(huì)導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)脆弱，從而造成植物退化、病蟲害增加等情況，使植物大面積死亡。此外，以上植物均屬綠化植物，基本沒有食用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而在屋頂種植蔬菜不僅具有綠化效果，還可以滿足城市居民采摘新鮮蔬菜的需求，有明顯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此該設(shè)計(jì)方案選擇蔬菜作物構(gòu)建屋頂菜園，蔬菜品種類型包括速生低矮的韭菜、小白菜等葉菜以及栽培期較長(zhǎng)且連續(xù)采收的番茄、辣椒類果菜類園藝作物進(jìn)行栽培。

栽培基質(zhì)

由于屋頂?shù)某兄啬芰τ邢?，屋頂綠化的基質(zhì)不能直接采用容重較大的園田土，需要人工專門配制重量輕，易于搬運(yùn)的栽培基質(zhì)，對(duì)基質(zhì)的要求是環(huán)保、吸水保水、適氣性好、保肥供肥和pH適宜。為此試驗(yàn)采用園田土﹕草炭﹕蛭石體積比為5：3：2的栽培基質(zhì)，并適當(dāng)增施有機(jī)肥的方法，既降低了栽培成本，又改善了植物的根區(qū)環(huán)境，特別是在根區(qū)增施的草碳蛭石基質(zhì)在一定程度上提高了根際的保水保肥性。

試驗(yàn)方法

由于屋頂植物基質(zhì)淺，保水能力差，養(yǎng)分容易流失，加上屋頂綠化的下墊面大都是混凝土，且屋頂日照強(qiáng)度大、風(fēng)力大，植物蒸騰作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致栽培基質(zhì)容易缺水，因此，試驗(yàn)采用太陽能供電的智能膜下自動(dòng)滴灌系統(tǒng)可根據(jù)土壤水分含量值的變化隨時(shí)供水來解決供水問題，同時(shí)還具有保水、節(jié)水效果。

應(yīng)用的栽培技術(shù)

溫室育苗

針對(duì)北京地區(qū)早春氣候不穩(wěn)定的特點(diǎn)，對(duì)番茄、辣椒等果菜類蔬菜采取在日光溫室內(nèi)4月初進(jìn)行基質(zhì)穴盤育苗，保證幼苗生長(zhǎng)的溫光水肥條件，待蔬菜苗生長(zhǎng)健壯后，5月份直接定植即可使植物根系發(fā)育良好，迅速獲得獲取水分的能力。

根區(qū)基質(zhì)改良

為了解決屋頂土壤栽培土層薄、保水性差的問題，在原有栽培土基礎(chǔ)上，按體積比增加施用草碳及蛭石，在園田土栽培槽中部開挖“V”形溝，填入保水性良好的草炭：蛭石體積比為3：2的栽培基質(zhì)以改善根區(qū)環(huán)境，提高基質(zhì)的保水保肥性，然后將果菜穴盤苗栽培到草碳蛭石基質(zhì)中。

鋪設(shè)地膜及膜下滴箭

在栽培基質(zhì)槽表面鋪設(shè)黑白雙面膜（白面向上，黑面向下）以對(duì)栽培基質(zhì)進(jìn)行保濕，防止水分蒸發(fā)的同時(shí)還能降低白天地溫，這樣不僅保溫保濕效果良好，而且還可防止雜草滋生?？蓪⒌渭c水分傳感器同時(shí)插至植株根區(qū)附近。

太陽能肥水一體化自動(dòng)灌溉

屋頂蔬菜栽培直接使用自來水為灌溉水源，在水源端加設(shè)手動(dòng)開關(guān)和電磁閥開關(guān)，智能灌溉時(shí)手動(dòng)開關(guān)打開即可。由于屋頂蔬菜栽培，蒸騰耗水多，因此如何及時(shí)灌溉是保證蔬菜正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵。為此試驗(yàn)應(yīng)用了美國(guó)ANC公司上海艾美克生產(chǎn)的GC001C太陽能自動(dòng)灌溉控制器（圖1），此灌溉控制器可根據(jù)設(shè)置的土壤濕度上下限，自動(dòng)控制電磁閥的開關(guān)，與滴灌管系統(tǒng)配套使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)水科學(xué)灌溉，設(shè)備所有供電均由太陽能光伏發(fā)電后充入電池提供。該控制設(shè)備是在滴灌系統(tǒng)供水系統(tǒng)前端安裝太陽能自動(dòng)灌溉控制器包括水分傳感器、電磁閥、電池及太陽能板充電裝置。其工作原理是土壤濕度傳感器周期性采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，送到灌溉控制主機(jī)，控制主機(jī)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析基質(zhì)含水量值的范圍，當(dāng)基質(zhì)水分低于設(shè)定值35%時(shí)，將開啟電磁閥開關(guān)，對(duì)栽培基質(zhì)進(jìn)行灌溉，當(dāng)水分含量達(dá)到上限值43%后，則停止灌溉，從而通過對(duì)蔬菜根區(qū)供水的科學(xué)管理實(shí)現(xiàn)了節(jié)水省工高效。

應(yīng)用效果與結(jié)論

2016年夏季通過應(yīng)用新技術(shù)改進(jìn)屋頂菜園栽培管理實(shí)際應(yīng)用（圖2），基于基質(zhì)栽培與智能灌溉新技術(shù)的屋頂菜園設(shè)計(jì)方案在生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果，在保證蔬菜正常生長(zhǎng)水分需求的同時(shí)，具有省水省工，降低人工成本等優(yōu)勢(shì)，此外，該技術(shù)的智能化改造投入并不高，僅1000多元。實(shí)踐結(jié)果表明，蔬菜生長(zhǎng)旺盛，收獲了較多的蔬菜產(chǎn)品。

由此可見，在屋頂菜園中應(yīng)用智能化自動(dòng)灌溉控制水分供應(yīng)結(jié)合基質(zhì)栽培，可以保證屋頂菜園的水分供應(yīng)，克服人工灌溉供水不及時(shí)、灌溉量過多等問題，解決屋頂菜園植物灌溉管理的問題，實(shí)現(xiàn)屋頂蔬菜的正常生產(chǎn)，表明應(yīng)用測(cè)水灌溉控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)屋頂園藝作物水分的按需供應(yīng)，同時(shí)結(jié)合根區(qū)栽培基質(zhì)改良和地膜覆蓋，提高了保水蓄水性，可以保證蔬菜植物的正常生長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，屋頂綠化多采用園藝耐旱植物，但由于北京干濕分明，如果完全依靠雨水灌溉，無法滿足植物需要，憑經(jīng)驗(yàn)人工灌溉，又費(fèi)工費(fèi)水，因此采用精準(zhǔn)測(cè)水灌溉技術(shù)，擴(kuò)大了屋頂栽培植物的種類范圍和面積。使屋頂植物栽培不僅適用于花卉、草坪等園藝植物栽培，還可用于蔬菜栽培。屋頂菜園設(shè)計(jì)方案擴(kuò)展了城市屋頂綠化的植物種類，為屋頂綠化應(yīng)用開辟了新途徑，有助于在城市中更廣泛地推廣應(yīng)用屋頂綠化技術(shù)。

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項(xiàng)目支持：北京市農(nóng)委農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目（20160149），中國(guó)保加利亞政府間科技合作項(xiàng)目（15-8）和農(nóng)業(yè)部園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目。

通信作者：賀超興（1965-），男，陜西銅川人，研究員，研究方向：設(shè)施蔬菜栽培。

[引用信息]熊樂歌，賀超興.北京市夏季屋頂菜園設(shè)計(jì)及自動(dòng)化灌溉技術(shù)應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（34）：69-71.