智能恒溫富貴竹水培系統(tǒng)①

鄭 璜 陳士偉 毛麗君 李美琪 龍浩棟 陳瀅瀾 黃 貞③

（1 嶺南師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 廣東湛江524048；2 廣東農(nóng)墾熱帶農(nóng)業(yè)研究有限公司 廣東廣州511365；3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部劍麻及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心 廣東湛江524022）

水培植物的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中不需要天然土壤，養(yǎng)護(hù)的水培植物通過(guò)含有植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的元素營(yíng)養(yǎng)液供給營(yíng)養(yǎng)。水培植物的養(yǎng)護(hù)是一種使植物能夠正常地完成整個(gè)生命周期的種植技術(shù)，它是一種新興的農(nóng)業(yè)技術(shù)，是繼20 世紀(jì)60年代以來(lái)的一次“綠色栽培革命”，簡(jiǎn)而言之就是使用無(wú)土栽培技術(shù)種植的植物，水培植物可以實(shí)現(xiàn)在培植裝置的上面花香滿(mǎn)室、下面魚(yú)兒暢游的效果，與傳統(tǒng)的土培植物比較，水培植物具有既衛(wèi)生環(huán)保又省事等優(yōu)點(diǎn)，所以又被人們給予稱(chēng)號(hào)為“懶人花卉”，特別適合用于室內(nèi)擺設(shè)，深受人們尤其是中、青年人的喜愛(ài)［1]。富貴竹為龍舌蘭科、龍血樹(shù)屬的小喬木觀葉植物。富貴竹是湛江出口創(chuàng)匯的拳頭農(nóng)產(chǎn)品，而湛江也是我國(guó)乃至全球最大的富貴竹生產(chǎn)、加工、出口一條龍基地［2]。但是近年來(lái)，湛江冬季持續(xù)出現(xiàn)的低溫，導(dǎo)致富貴竹生長(zhǎng)緩慢，發(fā)芽率低，嚴(yán)重影響富貴竹的品質(zhì)和供貨量。智能恒溫富貴竹水培系統(tǒng)的研究對(duì)促進(jìn)湛江地區(qū)富貴竹產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)起到重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外最為完善的植物環(huán)境控制設(shè)備為植物工廠(chǎng)，植物工廠(chǎng)作為一種可以實(shí)現(xiàn)高精度環(huán)境控制的設(shè)施，由PLC、單片機(jī)或工控機(jī)對(duì)分別植物生長(zhǎng)過(guò)程中光量子流密度、空氣溫濕度、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液、溫度和植物風(fēng)速進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可以不受外界環(huán)境條件制約其內(nèi)部的作物可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)高效生產(chǎn)。植物工廠(chǎng)是集生物技術(shù)、工程技術(shù)和系統(tǒng)管理于一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)。溫度影響植物的光合作用和呼吸作用，對(duì)植物的生長(zhǎng)起特別重要的作用，較適宜的溫度可以顯著促進(jìn)植物的光合作用，縮短植物的生長(zhǎng)周期和提高植物的產(chǎn)量，極端的高低溫對(duì)植物的生長(zhǎng)影響更大。我國(guó)地理氣候差異比較明顯，冬季溫度比較低，大多數(shù)農(nóng)作物植物不能正常生長(zhǎng)，需要人工補(bǔ)溫，而夏季溫度較高，需要人工降溫。植物工廠(chǎng)中的溫度測(cè)量存在一定的延遲，而且溫度執(zhí)行器動(dòng)作也存在一定的時(shí)滯，植物工廠(chǎng)內(nèi)部不同區(qū)域溫度測(cè)量存在差異，溫度環(huán)境因子受光照強(qiáng)度和空氣濕度影響，植物的不同生長(zhǎng)周期需要不同的適宜溫度，所以植物工廠(chǎng)的溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)非線(xiàn)性、時(shí)變、大時(shí)滯和多輸入的控制對(duì)象，因而建立數(shù)學(xué)模型存在一定的困難［3]。

目前，尚未見(jiàn)富貴竹水培繁殖溫控研究的相關(guān)報(bào)道。對(duì)富貴竹水培繁殖條件進(jìn)行研究，試圖找到一種最佳的繁殖方法，旨為工廠(chǎng)化育苗和提高觀賞效果提供理論依據(jù)［4]。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

裝置見(jiàn)圖1，由HW-603B 外置過(guò)濾桶靜音潛水泵、缸底吸水泵、美德時(shí)TH10 溫濕度記錄儀3 個(gè)、美德時(shí)TH21E 溫濕度記錄儀1 個(gè)、臣源智能溫控器2 個(gè)、魚(yú)缸加熱棒若干個(gè)、塑料線(xiàn)槽若干米、培植盆3個(gè)、水位檢測(cè)儀、儲(chǔ)水桶組成。

圖1 裝置示意圖

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于富貴竹的生物學(xué)特性設(shè)計(jì)試驗(yàn)，其生物學(xué)特性表現(xiàn)為：喜溫暖，生長(zhǎng)適溫為18～24℃，低于13℃將生長(zhǎng)停滯，進(jìn)入休眠期，越冬最低溫為10℃，耐陰，在弱光下仍能健壯生長(zhǎng)，適合居室養(yǎng)護(hù)［5]。

為了提供充足的養(yǎng)分與清潔植物生長(zhǎng)過(guò)程中排出的有機(jī)物和毒素，這里采用了2 種解決方法，第1 種為傳統(tǒng)的換水法，以一定時(shí)間為周期直接換水；另一種方法為添加過(guò)濾體系，24 h 不間斷換水加過(guò)濾，稱(chēng)之為水循環(huán)系統(tǒng)。將水循環(huán)系統(tǒng)與人工換水的優(yōu)劣性作對(duì)比，選擇最優(yōu)方案。為解決冬季水分蒸發(fā)而無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充的問(wèn)題，研制出智能加水體系，制作出可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)智能控溫和水循環(huán)凈化的培植盆，其具體功能示意圖見(jiàn)圖2。

基于富貴竹的生長(zhǎng)特性，本裝置設(shè)計(jì)的基本框架要為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，主要分為兩大系統(tǒng)，分別是溫控系統(tǒng)和水循環(huán)系統(tǒng)，其中水循環(huán)系統(tǒng)又細(xì)分為檢測(cè)加水系統(tǒng)和過(guò)濾系統(tǒng)。

要確保水培植物的良好生長(zhǎng)，就必須經(jīng)常保持衛(wèi)生清潔［6]，及時(shí)補(bǔ)充蒸發(fā)水分以及植物消耗的水中的氧氣。針對(duì)供氧，補(bǔ)水與竹子的水位設(shè)計(jì)了檢測(cè)加水系統(tǒng)，由液位控制器導(dǎo)出的紅線(xiàn)為水位上限傳感器，藍(lán)線(xiàn)為水位下限傳感器。通過(guò)液位控制器對(duì)水位的上下限進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)水位低于下限時(shí)控制儲(chǔ)水水泵進(jìn)行工作，儲(chǔ)水水泵抽取儲(chǔ)水桶中的水從高度差10cm 處流出進(jìn)行物理補(bǔ)氧，當(dāng)水補(bǔ)充至液位控制器上限時(shí)，將停止對(duì)儲(chǔ)水水泵供電，使富貴竹的基部始終處于1cm 的水位中（圖3）。

圖2 功能示意圖

圖3 檢測(cè)加水系統(tǒng)詳細(xì)示意圖

同理，溫控系統(tǒng)由水溫檢測(cè)儀與加熱棒兩部分組成。水溫檢測(cè)儀的檢測(cè)傳感器置于培植盆中間以檢測(cè)全局溫度，兩個(gè)加熱棒分別置于培植盆兩邊，使其距傳感器的距離a 與b 相等，且a 與b間放置富貴竹。設(shè)計(jì)上下限溫度值，當(dāng)溫度低于下限溫度時(shí)，水溫檢測(cè)儀控制加熱棒工作至上限溫度時(shí)停止工作，以保持一個(gè)最適溫度區(qū)間供植物生長(zhǎng)（圖4）。

圖4 溫控系統(tǒng)詳細(xì)示意圖

選用DF-96D 型水泵全自動(dòng)液位控制器與儲(chǔ)水桶相連接，組成檢測(cè)自動(dòng)加水系統(tǒng)（圖5），該系統(tǒng)可控制液差在1cm 范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整其水位，水位始終高于富貴竹基部1～2cm［7]，既解決了水分蒸發(fā)的問(wèn)題，又可使富貴竹保持最佳生長(zhǎng)位置。

圖5 從左到右為液位控制器與儲(chǔ)水水泵實(shí)物

過(guò)濾系統(tǒng)選用HW-603B 外置過(guò)濾桶靜音潛水泵作為過(guò)濾水泵，通過(guò)物理方法過(guò)濾微生物，過(guò)濾水泵對(duì)培植盆中的水進(jìn)行增氧處理，與檢測(cè)自動(dòng)加水系統(tǒng)組合成一套完善的水循環(huán)系統(tǒng)（圖6）。

圖6 過(guò)濾水泵實(shí)物

臣源WK-SM1型電子液晶智能溫控器（圖7）通過(guò)插座與兩個(gè)50 W 的加熱棒（圖8）連接，組成溫控系統(tǒng)。當(dāng)溫度低于下限閾值時(shí)，加熱棒通電開(kāi)始加熱，當(dāng)溫度高于上限閾值時(shí)，加熱棒自動(dòng)斷電，通過(guò)此溫控系統(tǒng)，使水溫保持在合適區(qū)間內(nèi)。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

通常情況下，富貴竹喜溫，最適溫度為18～28℃，水培應(yīng)選擇在5～6月。生根快慢和溫度相關(guān)。為了模擬在湛江冬天的室內(nèi)溫度，將實(shí)驗(yàn)室利用空調(diào)，全天保持16℃低溫。設(shè)計(jì)3 組實(shí)驗(yàn)，每組均選擇未生根發(fā)芽、生長(zhǎng)狀況基本相同的富貴竹30 根用于試驗(yàn)。空白組采用人工換水，每7 d 換1 次，實(shí)驗(yàn)A 組和B 組均增加溫控系統(tǒng)與水循環(huán)系統(tǒng)，其中A 組水溫區(qū)間為24～27℃，B 組為27～30℃，水培49 d，以期篩選出水培富貴竹生根發(fā)芽的最適水溫區(qū)間。具體實(shí)物見(jiàn)圖9。

圖7 溫度檢測(cè)儀實(shí)物

圖8 加熱棒實(shí)物

圖9 新型智能恒溫富貴竹水培系統(tǒng)裝置

圖9 中從左到右分別為空白組、實(shí)驗(yàn)組A、實(shí)驗(yàn)組B，上層擺放的是2 個(gè)實(shí)驗(yàn)組的溫控系統(tǒng)與各個(gè)實(shí)驗(yàn)組的溫度記錄儀。為了使富貴竹基部充分的吸收水分和養(yǎng)分，需要固定富貴竹的放置位置，以保持水位剛好沒(méi)過(guò)富貴竹基部1～2cm。本設(shè)計(jì)采用線(xiàn)槽作為富貴竹的固定板，用切割機(jī)將其挖空一定寬度，再使用橡皮筋將其固定一定距離于線(xiàn)槽中再放入培植盆中，見(jiàn)圖10，每排6 個(gè)植株，每個(gè)植株間隔15cm，以保持足夠的生長(zhǎng)空間，每個(gè)培植盆5排，3盆3個(gè)組。

試驗(yàn)步驟：（1）將實(shí)驗(yàn)小組擺放相鄰并處于相同環(huán)境（室溫16℃，光照充足）；（2）自富貴竹植入水培系統(tǒng)后，開(kāi)始記錄富貴竹的根與芽的生長(zhǎng)狀況，于每天中午記錄數(shù)據(jù)；（3）空白組7 d 換一次水；（4）拍攝記錄各個(gè)階段的富貴竹生長(zhǎng)狀況。

圖10 線(xiàn)槽

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)因子對(duì)富貴竹根與芽的生長(zhǎng)影響

圖11 和圖12 分別為富貴竹根的生長(zhǎng)情況統(tǒng)計(jì)圖和對(duì)應(yīng)的芽生長(zhǎng)情況。

由圖11 可知，第20 天時(shí)，實(shí)驗(yàn)組B 富貴竹最先長(zhǎng)根，其次為實(shí)驗(yàn)組A；在第32天時(shí)，空白組和實(shí)驗(yàn)組A的根數(shù)超過(guò)實(shí)驗(yàn)組B，生長(zhǎng)速度持續(xù)增長(zhǎng)。由圖12 可知，第13 天，實(shí)驗(yàn)組B 最先發(fā)芽，第14天后空白組與實(shí)驗(yàn)組A 開(kāi)始長(zhǎng)芽；其中實(shí)驗(yàn)組B 的芽數(shù)量較多。到第30 天時(shí)，3 組的長(zhǎng)芽數(shù)量基本一致。

圖11 富貴竹根的生長(zhǎng)情況

圖12 富貴竹芽的生長(zhǎng)情況

在相同條件下，先發(fā)芽后長(zhǎng)根，在出芽7 d后，開(kāi)始長(zhǎng)根，另外，增加水循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)組A 與實(shí)驗(yàn)組B 中富貴竹生根速度均比空白組快，說(shuō)明水循環(huán)系統(tǒng)對(duì)富貴竹生根較為有利。

試驗(yàn)前期，實(shí)驗(yàn)組B 富貴竹首先發(fā)芽，生長(zhǎng)速度比其他兩組快，說(shuō)明水溫27～30℃時(shí)對(duì)富貴竹芽的生長(zhǎng)較為有利。對(duì)于根的生長(zhǎng)，最先長(zhǎng)根的為實(shí)驗(yàn)組B，但在一個(gè)月后，根長(zhǎng)得最多的是空白組，其次是實(shí)驗(yàn)組A，說(shuō)明水培一個(gè)月后將富貴竹置于水溫16～27℃的環(huán)境中更有利于根的生長(zhǎng)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)湛江冬季期間富貴竹生根發(fā)芽周期變長(zhǎng)與生長(zhǎng)緩慢問(wèn)題，設(shè)計(jì)了智能恒溫富貴竹水培系統(tǒng)，并且對(duì)富貴竹生長(zhǎng)所需最佳水溫區(qū)間與水循環(huán)系統(tǒng)的適用性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，不同生長(zhǎng)時(shí)期富貴竹所需最佳水溫區(qū)間不同，水循環(huán)系統(tǒng)可促進(jìn)富貴竹生根。本裝置可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)溫度區(qū)間進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，試驗(yàn)結(jié)果還表明，本裝置可對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)控，時(shí)刻保持富貴竹處于最佳生長(zhǎng)位和水溫環(huán)境，對(duì)提高富貴竹培植效率有一定的促進(jìn)作用，可應(yīng)用于富貴竹的商業(yè)化水培中。

致謝

感謝湛江市和富園藝花卉公司為本文提供部分試驗(yàn)材料及試驗(yàn)場(chǎng)所。