一種新型陽臺(tái)水培裝置的設(shè)計(jì)組裝與應(yīng)用

陶柳 朱紅 劉星辰 張文浩 李瑞 王長義

|摘要|隨著人們收入水平的不斷提升和城鎮(zhèn)化步伐加快，都市“微農(nóng)業(yè)”作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的拓展與延伸悄然興起。然而，作為家庭園藝“微農(nóng)業(yè)”，市場(chǎng)銷售的陽臺(tái)水培裝置種類少，且結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用與美觀兼顧性差。本研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)陽臺(tái)空間特點(diǎn)和植物生長對(duì)環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)出一款“菱形”陽臺(tái)水培裝置。該裝置采用支架系統(tǒng)與營養(yǎng)液系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，由立體支架、管道栽培槽、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)等組成，營養(yǎng)液流動(dòng)過程中通過與溶液表面空氣接觸、多級(jí)落差、瀑布跌落式設(shè)計(jì)等形式增加營養(yǎng)液含氧量，具有結(jié)構(gòu)新穎、成本低廉、安裝方便、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

家庭園藝作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的拓展，一方面可以滿足城市居民的生活所需，提高自己的觀賞情趣，美化自己的生活環(huán)境;另一方面借由實(shí)際接觸和運(yùn)用園藝材料，接觸自然環(huán)境而紓解工作壓力與放松心靈。美國《華爾街日?qǐng)?bào)》報(bào)道，學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)“景觀園藝”能夠減緩心跳速度，改善情緒，減輕疼痛，對(duì)病人康復(fù)具有很大的幫助作用。近年來，中國陽臺(tái)農(nóng)業(yè)得到了較快發(fā)展，針對(duì)陽臺(tái)作物專用的種植技術(shù)和裝備研究也取得一定進(jìn)展，張曉磊[1]等以小白菜品種‘快菜30為試驗(yàn)材料，通過調(diào)整基質(zhì)配比、栽培密度和營養(yǎng)液配方建立了適合陽臺(tái)生產(chǎn)的小白菜栽培技術(shù)體系。黃碧陽[2]等通過研究根域體積對(duì)陽臺(tái)種植菠菜生長與品質(zhì)的影響，得出陽臺(tái)菠菜根域體積500 cm3時(shí)，地上部和根系生長較協(xié)調(diào)，根系發(fā)達(dá)，菠菜品質(zhì)最佳，產(chǎn)量最高。葉菜類栽培簡單，生長季節(jié)較短，是適合陽臺(tái)種植的一類蔬菜，為此研究人員針對(duì)不同種類、不同品種的葉菜，測(cè)定了發(fā)芽率、株高、葉片數(shù)、單株重等指標(biāo)，篩選適宜陽臺(tái)種植的葉菜品種[3]。無土栽培作為一種新型的陽臺(tái)種植方式，因其干凈衛(wèi)生、生長周期短越來越受到市場(chǎng)的追捧。顏志明[4]等根據(jù)市場(chǎng)需求開發(fā)了“A”字型和“屋脊”型兩種陽臺(tái)水培裝置;郭恒源[5]研制了“階梯式”陽臺(tái)蔬菜種植設(shè)備，并進(jìn)行了生菜種植試驗(yàn)，取得了良好效果。本研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)市場(chǎng)需求和陽臺(tái)空間特點(diǎn)，開發(fā)出一款新型陽臺(tái)水培裝置，具有結(jié)構(gòu)新穎、成本低廉、安裝方便、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

材料與方法

材料

試驗(yàn)材料選購自建材市場(chǎng)，PVC管3種，直徑分別為110、75、50 mm中財(cái)國標(biāo)排水管，PVC管三通、四通、彎頭、堵頭等選用中財(cái)或聯(lián)塑國標(biāo)配件;粘合劑選用PVC管專用膠進(jìn)行粘合。

方法

根據(jù)實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、新穎的原則，使用AutoCAD（2017版）繪制裝置立體圖，確立各部分參數(shù)，然后根據(jù)PVC管配件材料尺寸調(diào)整設(shè)計(jì)樣圖。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，利用PVC管切割機(jī)，充電鉆等電動(dòng)工具切割PVC管材，并在PVC管材（110 mm）上打定植孔。均勻涂抹PVC專用膠水后分層連接，試水無滲漏后，進(jìn)行整體組裝，組裝完成后注水測(cè)試。

新型陽臺(tái)水培裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

栽培架設(shè)計(jì)

本裝置基于三角形穩(wěn)定性和陽臺(tái)空間特點(diǎn)設(shè)計(jì)為菱形，共4層，旨在充分利用陽臺(tái)空間并增加栽培株數(shù)。同時(shí)，注重栽培架的新穎性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和便于操作。

◆栽培管

栽培管作為植物生長的主體結(jié)構(gòu)，本裝置選用直徑為110 mm的國標(biāo)PVC 排水管，定植孔可根據(jù)種植作物的不同選用35、40、45、50 mm等不同的孔徑。植株的株距為定植孔直徑的2倍，即70、80、90、100 mm等不同植株間距。栽培管兩端選用110 mm轉(zhuǎn)50 mm的變徑接頭與連接管連接。

◆連接管

平面連接管采用兩組類型，一組由斜四通加2個(gè)15°彎頭組成，另一組由水平四通加2個(gè)30°彎頭組成。四通與彎頭、彎頭與栽培管間用直徑為50 mm PVC排水管連接（圖1）。

◆支架設(shè)計(jì)

本裝置的立體支架采用營養(yǎng)液兼容性設(shè)計(jì)方案，既體現(xiàn)了本裝置簡潔、實(shí)用、新穎的特點(diǎn)，又節(jié)省了裝置建造成本。如圖2所示，整個(gè)裝置高約1.8 m，共4層，最底層高50 cm，其上4層之間距離均為40 cm。整個(gè)支架由直徑為75 mm的國標(biāo)PVC排水管組成。為增加支架系統(tǒng)的牢固性，裝置采用直徑為75 mm的國標(biāo)PVC排水管組成長方形底座。

營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根際含氧量與水培植物生長密切相關(guān)，富氧的根系環(huán)境可以顯著提升植物根系活力。營養(yǎng)液栽培模式有多種，本裝置采用的是營養(yǎng)液深液流模式，裝置運(yùn)行時(shí)液位深度3.65 cm，該模式中營養(yǎng)液含氧量控制技術(shù)是核心。本裝置的營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)采用立體支架一體化設(shè)計(jì)，采取單向循環(huán)流動(dòng)模式，營養(yǎng)液在栽培管循環(huán)流動(dòng)過程中與空氣進(jìn)行氧氣交換，提升營養(yǎng)液含氧量;同時(shí)，通過不同栽培層之間的落差設(shè)計(jì)、回流液以瀑布跌落的方式注入回液箱，增加水體與空氣的氧氣交換頻率，實(shí)現(xiàn)增氧效果;另外進(jìn)液口的落差設(shè)計(jì)，也起到了一定的增氧效果，運(yùn)行時(shí)溶氧含量為6～8 mg/L。為保證營養(yǎng)液的單向流動(dòng)，通過PVC管內(nèi)堵頭人為阻斷PVC立柱管材的流通性。

間歇式循環(huán)流動(dòng)是營養(yǎng)液栽培的通用模式，間歇式循環(huán)供氧不僅滿足了植物根系對(duì)氧氣的需求，而且能充足供給植物所需的礦質(zhì)營養(yǎng)和水分。根據(jù)水體溶氧含量的變化規(guī)律和前期研究積累，本設(shè)計(jì)采取供液20 min，停40 min，晝夜循環(huán)模式，一方面保證營養(yǎng)液含氧量滿足植物根系呼吸的要求，同時(shí)延長設(shè)備使用壽命，減少電能消耗。

新型陽臺(tái)水培裝置的組裝與應(yīng)用

水培裝置的安裝與調(diào)試

本裝置采用模塊化分層安裝模式進(jìn)行組裝。

栽培層安裝 如圖3所示，用PVC專用膠水將110 mm轉(zhuǎn)50 mm的異徑直通安裝到110 mm PVC栽培管上;按照?qǐng)D1所示，用PVC專用膠水將組合一和組合二進(jìn)行粘接;在確保栽培層水平條件下將栽培管與組合一、組合二進(jìn)行粘接;待膠水粘結(jié)牢固后，根據(jù)栽培密度，在栽培管上打直徑為5 mm的栽培孔。

底座和立柱的安裝 底座和立柱安裝采用由下而上的安裝方式進(jìn)行。為節(jié)省空間，裝置底座改用十字交叉型，中間用四通連接，確保其處于同一水平面。底座完成后，將50 cm PVC管插入四角，將第一層栽培架放置在立柱上，用PVC專用膠水固定;粘結(jié)牢固后，搭建第二層栽培架，直至4層栽培架全部搭建完成。

密閉性和牢固性測(cè)試 栽培裝置搭建完成，通水測(cè)試PVC管粘合密閉性，如遇滲水或漏水，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)膠，確保不會(huì)發(fā)生滲漏。完全通水后，測(cè)試其穩(wěn)固性，確保栽培層水平，各管道水流基本一致，同時(shí)確保底座和栽培支架具有足夠的支撐作用。

陽臺(tái)水培裝置的應(yīng)用

本裝置可用于生菜等葉菜的種植，建議植株株高在35 cm以下。以生菜和水晶菜種植為例，采用巖棉育苗，將生菜和水晶菜種子55℃溫湯浸種6 h，恒溫催芽，待種子胚根露出后，播種到3 cm×4 cm的巖棉塊中進(jìn)行育苗，白天25℃，夜間20℃。2020年5月8日，大約在播種后10天左右，幼苗長至2葉1心時(shí)定植到栽培籃，將栽培籃放置到栽培孔，營養(yǎng)液采用生菜專用營養(yǎng)液（表1），生菜生長最適pH是6.0～6.9，EC以1.0～1.8 mS/cm為宜，待植株生長20天左右，可進(jìn)行收獲（圖4）。

新型陽臺(tái)水培裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與

應(yīng)用分析

支架與營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)

中國現(xiàn)有陽臺(tái)面積普遍不大，如何充分利用陽臺(tái)有限空間，減少冗余結(jié)構(gòu)、降低裝置遮光性是本設(shè)計(jì)首先考慮的問題。因此，本裝置采用了支架系統(tǒng)與營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，支架、栽培管道、營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)采用整體設(shè)計(jì)，不僅降低了成本，減少冗余支架對(duì)光線的影響，更能體現(xiàn)簡潔實(shí)用、美觀新穎的設(shè)計(jì)效果。

實(shí)用與美觀的兼容性設(shè)計(jì)

陽臺(tái)的主要功能是讓使用者更好更完全地感受新鮮的空氣和陽光，而在這種愜意的環(huán)境下，如果設(shè)置一個(gè)小型家庭園藝景觀，可以更好地讓使用者感到舒適，同時(shí)又增加家庭園藝設(shè)計(jì)的美觀性。因此，本裝置設(shè)計(jì)的首要原則是美觀性和新穎性，確保設(shè)計(jì)方案既適用于家庭陽臺(tái)空間，又具有一定的新穎性。作為都市微農(nóng)業(yè)的一種形式，實(shí)用性設(shè)計(jì)是確保發(fā)揮最大生產(chǎn)潛力的主要舉措，本裝置設(shè)計(jì)為4層，每層5根栽培管，并根據(jù)栽培植物的不同設(shè)置不同的種植孔徑和種植孔距，充分利用了陽臺(tái)的立體空間。

營養(yǎng)液閉環(huán)式設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)通過閉環(huán)式設(shè)計(jì)，營養(yǎng)液在系統(tǒng)內(nèi)濾后循環(huán)流動(dòng)，并根據(jù)作物利用情況及時(shí)補(bǔ)充新鮮營養(yǎng)液，營養(yǎng)液循環(huán)利用一段時(shí)間后，或一個(gè)栽培季完成后，剩余的營養(yǎng)液可用于盆栽花草或小區(qū)樹木的施肥，避免直接排放，對(duì)周邊水體造成不良影響。

設(shè)計(jì)的局限性與改進(jìn)措施

由于采用了無外支架設(shè)計(jì)，且受限于PVC配件的固有特性，本設(shè)計(jì)連接件所占比例稍高，導(dǎo)致其空間利用率低于有外支撐的設(shè)計(jì)類型;同時(shí)，由于PVC管作為立柱，支撐栽培層的全部重量，造成該裝置體型不宜過大。有鑒于上述局限性，在后期改良中采用直徑110 mm 的PVC管做立柱，可有效解決支架系統(tǒng)牢固性與穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn);同時(shí)，通過簡化栽培層管道數(shù)量和排布，解決栽培層連接件過于復(fù)雜，占比較高的問題，使該裝置更趨簡單實(shí)用。

總結(jié)

在水培裝置的設(shè)計(jì)過程中，既要滿足植物生長的要求，又要考慮陽臺(tái)有限空間的合理利用，本研究開發(fā)的新型陽臺(tái)水培裝置，不僅具有結(jié)構(gòu)新穎、成本低廉、拆裝方便、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且具有便于操作、空間利用率高、安裝簡單等特點(diǎn)。同時(shí)栽培管長度、栽培孔直徑和栽培孔孔距的多樣化，為不同的陽臺(tái)空間提供了多樣化選擇，適用于葉菜類、野生草本植株以及部分中藥材的小面積種植，后期通過結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，使之更趨經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，具有廣闊的市場(chǎng)空間。

參考文獻(xiàn)

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[5] 郭恒源.陽臺(tái)蔬菜種植設(shè)備的研制及在生菜上的試驗(yàn)研究[D].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

*項(xiàng)目支持：土壤與可持續(xù)農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（編號(hào)：Y412201447）;江蘇省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：201813573031Y）。

作者簡介：陶柳（1997-），女，四川武勝人，研究方向?yàn)樵O(shè)施作物無土栽培和微型園藝裝置設(shè)計(jì)。E-mail： 978377092@qq.com。

**通信作者：王長義（1975- ），男，山東濟(jì)南人，副教授，研究方向?yàn)闇厥噎h(huán)境工程及園藝作物生理生態(tài)研究。E-mail： cywang@jit.edu.cn。

[引用信息]陶柳，朱紅，劉星辰，等.一種新型陽臺(tái)水培裝置的設(shè)計(jì)組裝與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（19）：76-79.