轉(zhuǎn)動(dòng)式種植裝置開發(fā)及種植土壤保水性測(cè)試

摘 要：針對(duì)土壤缺少水分、環(huán)境嚴(yán)重污染和土地荒漠化等農(nóng)業(yè)種植困境，提出了一種立體化農(nóng)業(yè)的有效策略——轉(zhuǎn)動(dòng)式光肥均等化種植機(jī)，應(yīng)用于綠色蔬菜種植。由鏈輪傳動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)式光肥均等化種植機(jī)嘗試在有機(jī)蔬菜種植中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品均等化、生產(chǎn)自動(dòng)化、土培和水培相結(jié)合、空間立體化、環(huán)境可控化，該裝置鏈條傳動(dòng)每天轉(zhuǎn)8趟，通過(guò)控制箱控制土壤與營(yíng)養(yǎng)液接觸的時(shí)間，整機(jī)運(yùn)行動(dòng)力由無(wú)刷電機(jī)提供，蔬菜種植槽在軌道上由鏈條帶動(dòng)，移動(dòng)可無(wú)級(jí)調(diào)速。通過(guò)以上操作可使?fàn)I養(yǎng)液與土壤接觸更加充分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度的控制調(diào)節(jié)，有利于深入探究土壤濕度對(duì)蔬菜根部水分的影響，并通過(guò)開展土壤濕度變化測(cè)量實(shí)驗(yàn)，收集及處理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，探究不同土壤的保水性規(guī)律。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)動(dòng)式種植裝置；保水性；種植介質(zhì)；濕度測(cè)試

中圖分類號(hào)：S237" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）04-0037-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.009

0" " 引言

相關(guān)調(diào)查顯示，每年每500 m2的蔬菜大棚里會(huì)產(chǎn)生大約1.2 t的農(nóng)業(yè)廢棄物，且大量農(nóng)業(yè)廢棄物沒(méi)有得到有效的回收利用[1]。

當(dāng)今社會(huì)，隨著人口的不斷增長(zhǎng)以及經(jīng)濟(jì)的加速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，對(duì)身體健康的重視程度也與日俱增，這使得人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量要求也在持續(xù)提升，在此背景下，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式已難以滿足人們對(duì)于高品質(zhì)蔬菜的需求[2]。

當(dāng)前，設(shè)施農(nóng)業(yè)已然成為蔬菜生產(chǎn)的一種重要方式。通過(guò)這種蔬菜種植方式，能夠?qū)κ卟说纳L(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行人為調(diào)節(jié)，諸如溫度、濕度、土壤養(yǎng)分等條件均可實(shí)現(xiàn)調(diào)控，并且還能科學(xué)地控制化肥和農(nóng)藥的用量，進(jìn)而有效提高蔬菜的質(zhì)量[3]。

基于上述情況，本文提出了一種轉(zhuǎn)動(dòng)式光肥均等化蔬菜種植機(jī)，它具備以下優(yōu)點(diǎn)：種植面積相對(duì)較大，可用于種植多種類別的蔬菜及稈莖類植物；此外，該種植機(jī)尤其適用于降水稀少、干旱等土地貧瘠的地區(qū)，能夠?yàn)楫?dāng)?shù)靥峁╅_展蔬菜種植所需的設(shè)備支持。

1" " 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1" " 設(shè)計(jì)思路

在設(shè)計(jì)機(jī)器前，可以把轉(zhuǎn)動(dòng)式蔬菜種植機(jī)的設(shè)計(jì)思路歸納為多個(gè)方面：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

轉(zhuǎn)動(dòng)式光肥均等化蔬菜種植機(jī)運(yùn)用機(jī)械化種植技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)并提高機(jī)械自動(dòng)化效率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜生產(chǎn)的自動(dòng)化操作，大大提高了種植的效率和產(chǎn)量。機(jī)器種植光照和營(yíng)養(yǎng)供給科學(xué)合理，能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，穩(wěn)定產(chǎn)量，同時(shí)減少了對(duì)土地、水資源和化肥的浪費(fèi)，有利于優(yōu)化資源利用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，縮短植物的生長(zhǎng)周期，增加產(chǎn)量。另外，機(jī)器種植還減少了生產(chǎn)過(guò)程中的人工勞動(dòng)，節(jié)約了人力成本，提高了蔬菜的質(zhì)量和商品價(jià)值[4]。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，轉(zhuǎn)動(dòng)式蔬菜種植機(jī)需要具備良好的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮重量均衡、懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，設(shè)計(jì)長(zhǎng)1.2 m、深0.3 m的種植槽，以適應(yīng)不同類型和尺寸的蔬菜種植。

針對(duì)種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可使用高效的種植系統(tǒng)，如滾筒式種植系統(tǒng)或帶有自動(dòng)播種裝置的種植系統(tǒng)，以提高種植效率?？紤]到不同蔬菜的種植要求，種植系統(tǒng)應(yīng)具有種植深度調(diào)節(jié)和行距設(shè)置功能。另外，計(jì)劃引入灌溉系統(tǒng)，根據(jù)土壤濕度和氣候條件調(diào)整灌溉量，提高水資源利用效率。該種植機(jī)每個(gè)種植槽里都可以種植不同植物，可根據(jù)需求自行定制。

針對(duì)智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，集成傳感器和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)種植機(jī)的智能化監(jiān)測(cè)和控制，如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度、溫度和作物生長(zhǎng)狀態(tài)等。

轉(zhuǎn)動(dòng)式光肥均等化種植機(jī)采用鋁型材搭建簡(jiǎn)易框架，利用立體空間，顯著減少占地面積，面積利用率提高了3～6倍；由四組齒輪齒鏈聯(lián)合構(gòu)成運(yùn)動(dòng)整體，機(jī)器底部為一個(gè)一半水平、一半仰角60°的營(yíng)養(yǎng)液槽，采用定時(shí)電路元件，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪齒鏈運(yùn)轉(zhuǎn)，種植槽定時(shí)到達(dá)營(yíng)養(yǎng)液槽，給種植槽內(nèi)植物提供水分，每3 h機(jī)器自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)一輪，一天運(yùn)轉(zhuǎn)8次，可給植物提供足夠的水分；種植機(jī)采用有土栽培，12個(gè)種植槽底部分別布有多個(gè)直徑約為1 cm的小孔[5]。種植者可以根據(jù)不同作物在生長(zhǎng)周期不同階段的不同營(yíng)養(yǎng)需求，實(shí)現(xiàn)肥料和光照的精確供給，從而提高作物的生長(zhǎng)效率和品質(zhì)。

1.2" " 裝置開發(fā)

轉(zhuǎn)動(dòng)式光肥均等化種植機(jī)的基礎(chǔ)框架如圖1所示。

1.3" " 裝置運(yùn)行方式

該裝置（圖1）的運(yùn)行方式如下：?jiǎn)?dòng)控制箱，電機(jī)運(yùn)作，電機(jī)連桿帶動(dòng)主動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)齒輪帶動(dòng)側(cè)外鏈運(yùn)作，側(cè)外鏈帶動(dòng)一側(cè)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，而底長(zhǎng)桿通過(guò)側(cè)外鏈的傳動(dòng)，使另一側(cè)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)，由此帶動(dòng)種植槽進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，并且能夠均勻地浸入營(yíng)養(yǎng)液槽，使得作物能夠均勻地得到肥料的補(bǔ)給。

2" " 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)材料及工器具：轉(zhuǎn)動(dòng)式光肥均等化種植機(jī)、220 V家庭用電、土壤多合一傳感器、工業(yè)級(jí)485協(xié)議轉(zhuǎn)換器、氮磷鉀濃縮通用營(yíng)養(yǎng)液、干稻稈、椰磚營(yíng)養(yǎng)土、磚紅壤、黑土、沙土（圖2）。

有機(jī)蔬菜平面種植過(guò)程中普遍面臨土地面積需求量大、機(jī)械化程度低、勞動(dòng)生產(chǎn)率低、化肥農(nóng)藥依賴性強(qiáng)、水需求量大以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。在0～10 cm土層，土壤含水量如下：水稻田[（535.52±96.66）g/kg]＞旱田[（441.04±3.65）g3kg]＞撂荒地[（299.83±13.22）g/kg]。在10～20 cm土層，土壤含水量有同樣的規(guī)律：水稻田土壤含水量最大，其值為（489.96±97.26）g/kg；撂荒地土壤含水量最小，其值為（252.30±27.68）g/kg[6]。為模擬該困境，選擇了椰磚營(yíng)養(yǎng)土模擬有充足營(yíng)養(yǎng)提供的環(huán)境，黏稠性較大的磚紅壤模擬濕度較高的中國(guó)南方環(huán)境，黑土模擬具有較高有機(jī)質(zhì)含量的土壤環(huán)境，沙土（撂荒地土壤）模擬貧瘠、容易水土流失的環(huán)境，以便觀測(cè)懸吊的種植槽里土壤濕度的變化，如圖3所示。另外，分別在每個(gè)種植槽下方橫向鋪墊好干稻稈，以增加一定的保濕性，并避免泥土流失。

土壤中的水分是作物生長(zhǎng)過(guò)程中不可或缺的一個(gè)重要條件，而水分的持有量取決于土壤物理結(jié)構(gòu)狀況。該裝置運(yùn)行過(guò)程中，種植槽會(huì)先浸泡在營(yíng)養(yǎng)液中，然后上升到一定的高度；種植槽下面有小孔，用于給作物提供空氣并排除多余的營(yíng)養(yǎng)液。由于種植槽在一定的高度上滯留一定的時(shí)間，土壤的保水性未知（保水性是指土壤水分狀況，它直接影響著作物的成活率和生長(zhǎng)速度[7]），所以選擇在同一天里，同時(shí)開展三個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，確保當(dāng)天天氣、溫度和空氣濕度相同（天氣多云，溫度28 ℃，空氣濕度67%RH）。

2.1" " 實(shí)驗(yàn)儀器的原理

如圖4所示，采用具備4G通信功能（信號(hào)強(qiáng)，覆蓋廣，使用場(chǎng)景多）的S21A作為土壤濕度傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，可在客戶端查看數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作物狀況。土壤濕度測(cè)量?jī)x為電壓式，其測(cè)量土壤介質(zhì)的電導(dǎo)率，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；該測(cè)量?jī)x設(shè)置為每5 min記錄一次數(shù)據(jù)，通過(guò)濕度轉(zhuǎn)換的計(jì)算公式得到土壤的具體濕度百分比。該土壤濕度傳感器輸出電壓為0～5 V，對(duì)應(yīng)的土壤濕度范圍為0～100%，有以下線性方程：

濕度值U=（２５５－v）/255×100%" " " " " " "（1）

式中：V為單片機(jī)對(duì)土壤濕度模塊AO引腳的電壓采樣值；U為濕度值計(jì)算結(jié)果，即需將土壤濕度傳感器測(cè)得的電壓轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，濕度越大，電壓采樣值越小。

2.2" " 測(cè)定方法及內(nèi)容

2.2.1" " 測(cè)定方法

第一種測(cè)定方法：將土壤濕度測(cè)量?jī)x垂直插入土壤上表層，與土壤充分接觸；通過(guò)控制箱操控鏈輪運(yùn)轉(zhuǎn)，將種植槽高度下降至浸入營(yíng)養(yǎng)液槽；將種植槽穩(wěn)定浸泡于營(yíng)養(yǎng)液槽中；提起種植槽離開營(yíng)養(yǎng)液槽的方式，觀測(cè)土壤濕度的變化。

第二種測(cè)定方法：將土壤濕度測(cè)量?jī)x整個(gè)橫向埋入土壤，確保檢測(cè)儀每根測(cè)試探針都平行于水平層，以檢測(cè)相同深度的土壤濕度。

2.2.2" " 測(cè)定內(nèi)容

比較上述兩種土壤濕度測(cè)定方法后，選擇第一種測(cè)量方法，以便測(cè)量土表到測(cè)量深度的水分區(qū)間，更直觀地了解土壤的保水性[8-9]。

第一步，在轉(zhuǎn)動(dòng)式光肥均等化種植機(jī)底部的營(yíng)養(yǎng)液槽中加入適量營(yíng)養(yǎng)液，連接220 V電源，保證設(shè)備正常工作。將土壤濕度測(cè)量?jī)x連接至電腦端口數(shù)據(jù)平臺(tái)，確保數(shù)據(jù)傳輸正常。

第二步，取一定范圍內(nèi)的土壤樣品，用于開展實(shí)驗(yàn)。

第三步，將土壤濕度測(cè)量?jī)x插入土壤上表層，應(yīng)注意使土壤濕度測(cè)量?jī)x與土壤充分接觸。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，得到種植槽浸入營(yíng)養(yǎng)液槽前土壤的濕度，取一段時(shí)間內(nèi)的平均值，作為土壤未浸入營(yíng)養(yǎng)液槽前的平均濕度，記錄未接觸營(yíng)養(yǎng)液時(shí)的土壤濕度值。

第四步，通過(guò)操控控制箱使種植槽下降浸入營(yíng)養(yǎng)液槽，待土壤充分浸泡于營(yíng)養(yǎng)液后，種植槽上升脫離營(yíng)養(yǎng)液槽，使用土壤濕度測(cè)量?jī)x測(cè)量土壤濕度，記錄測(cè)量值及測(cè)量時(shí)間。設(shè)置裝置轉(zhuǎn)動(dòng)周期為3 h，每隔5 min自動(dòng)采集一次土壤濕度，通過(guò)數(shù)據(jù)采集界面記錄測(cè)量值和時(shí)間，數(shù)據(jù)采集界面如圖5所示，并生成土壤溫濕度隨時(shí)間變化的曲線圖，得到種植槽離開營(yíng)養(yǎng)液槽一段時(shí)間內(nèi)土壤濕度的變化情況。

3" " 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c分析

對(duì)自主研發(fā)的轉(zhuǎn)動(dòng)式蔬菜種植機(jī)做半密封式空間工作性能實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)式蔬菜種植機(jī)主要性能指標(biāo)包括不同轉(zhuǎn)速時(shí)種植槽的穩(wěn)定性、懸掛的種植槽保水性以及傷種率等，本次實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)測(cè)試了種植槽內(nèi)種植介質(zhì)的保水性能?？紤]到蔬菜的根莖和吸收水分區(qū)間等因素，即大部分蔬菜的根部深度在100 mm以內(nèi)，且100 mm的范圍內(nèi)有一個(gè)良好的水分吸收區(qū)間，選擇深度為100 mm的土壤進(jìn)行測(cè)試。

3.1" " 不同土壤同一深度濕度隨時(shí)間的變化

3.1.1" " 實(shí)驗(yàn)依據(jù)

不同的土壤結(jié)構(gòu)對(duì)作物的產(chǎn)量具有不同的影響，為了探究不同土壤結(jié)構(gòu)的保濕性，分別對(duì)椰土、磚紅壤、沙土、黑土進(jìn)行了濕度檢測(cè)。

3.1.2" " 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制土壤濕度變化曲線圖，每隔5 min自動(dòng)測(cè)一次濕度，曲線呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì)，如圖6所示。08：15—11：15溫度會(huì)慢慢上升，08：15時(shí)溫度是最低值，所以水分蒸發(fā)量較小，同理，由于11：15時(shí)溫度是最高值，所以水分蒸發(fā)量較大，據(jù)此分析土壤濕度在不同時(shí)間段的變化趨勢(shì)和變化速度，得出土壤濕度對(duì)農(nóng)作物根部水分吸收的影響。

如圖6所示，椰土和黑土由于保水性較好，濕度整體變化不大，能夠?yàn)檗r(nóng)作物根部提供穩(wěn)定的水分環(huán)境，有利于其持續(xù)吸收水分。沙土的濕度下降較快，保水性差，容易失水，因此需要頻繁灌溉以維持適宜的濕度，確保農(nóng)作物根部不缺水。磚紅壤雖然濕度變化較小，但初始濕度較低，保水性一般，需要額外的水分管理措施來(lái)保證農(nóng)作物根部獲得足夠的水分。

3.2" " 同一土壤不同深度濕度隨時(shí)間的變化

3.2.1" " 實(shí)驗(yàn)依據(jù)

不同地區(qū)的土壤剖面濕度變化規(guī)律可能存在差異，這取決于土壤類型、降雨量、溫度等多種因素。但一般來(lái)說(shuō)，土壤剖面濕度在表層相對(duì)較小，隨著深度逐漸增加，直至達(dá)到某個(gè)深度后趨于穩(wěn)定，這是由于表層土壤更容易受到降雨、蒸發(fā)等因素的影響。

3.2.2" " 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)田間作物的觀察，蔬菜類作物主根區(qū)的深度大致區(qū)間為40～100 mm。在對(duì)照處理?xiàng)l件下，對(duì)同一土壤進(jìn)行40～100 mm深度的實(shí)驗(yàn)。如前所述，本次實(shí)驗(yàn)采用S21系列土壤溫濕度探頭，可以每隔10 s測(cè)量一次土壤各深度（40、60、80、100 mm）的溫度和絕對(duì)水分含量，并由數(shù)據(jù)記錄器收集數(shù)據(jù)。土壤耗水量（SWC）是指整個(gè)作物生長(zhǎng)期兩次連續(xù)灌溉之間根區(qū)（40～100 mm）的累積土壤減水量。土壤水分減少的總和估算公式如下：

式中：θIB，l，i+1是第i次灌溉前第l土層的土壤含水量；θIA，l，i是第i次灌溉后第l土層的土壤含水量；h1是第l土層的厚度；m是土層的數(shù)量；n是灌溉的數(shù)量。

SMEP定義為第l層土壤水分減少量與所有土層內(nèi)總土壤水分減少量的比率，計(jì)算如下：

式中：hl是第l土層的厚度；θl是第l土層的土壤水分減少量[10]。

由于椰土的保水性比較好，所以選擇以椰土為樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖7所示，實(shí)驗(yàn)從同一時(shí)期開始，在同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)測(cè)量出椰土深度為40、60、80、100 mm時(shí)的濕度，然后進(jìn)行對(duì)比：土壤在100 mm處的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)都最為濕潤(rùn)，因此100 mm深度的土壤濕度線條變化更小，越淺的土層濕度變化就越大，四個(gè)深度的濕度曲線均呈現(xiàn)明顯的深度相關(guān)性。

4" " 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析了土壤濕度對(duì)農(nóng)作物根部水分吸收的影響、營(yíng)養(yǎng)液對(duì)土壤濕度的影響以及營(yíng)養(yǎng)液對(duì)土壤濕度的持續(xù)效應(yīng)和土壤濕度的恢復(fù)能力?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)如下：

1）數(shù)據(jù)表明，土壤離開營(yíng)養(yǎng)液后，不同土壤在同一深度和同一土壤不同深度的濕度變化曲線都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，下降速度逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)后的2 h內(nèi)，土壤濕度未完全恢復(fù)到未接觸營(yíng)養(yǎng)液時(shí)的水平。

2）由不同土壤同一深度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，沙土的保水性是最差的，無(wú)風(fēng)室內(nèi)蒸發(fā)量很少，但沙土的濕度變化率仍在5%左右，因此需要頻繁灌溉以維持適宜的濕度，確保農(nóng)作物根部不缺水；其次是比較黏稠的磚紅壤，其初始濕度較低，保水性一般，需要額外的水分管理措施來(lái)保證農(nóng)作物根部獲得足夠的水分；椰土和黑土由于保水性最好，濕度整體變化不大，能夠?yàn)檗r(nóng)作物根部提供穩(wěn)定的水分環(huán)境，有利于農(nóng)作物持續(xù)吸收水分。

3）同一土壤不同深度土層的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同土層的保水性也有較大不同，土壤在100 mm處的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)都最為濕潤(rùn)，因此100 mm深度的土壤濕度線條變化更小，越淺的土層濕度變化就越大，四個(gè)深度的濕度曲線均呈現(xiàn)明顯的深度相關(guān)性。

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收稿日期：2024-11-13

作者簡(jiǎn)介：莫逸飛（2002—），男，廣東肇慶人，研究方向：機(jī)械工程裝備開發(fā)。

本文受大創(chuàng)課題（202311819023）、東莞市社會(huì)發(fā)展科技項(xiàng)目（20221800905102）、廣東教育廳創(chuàng)新強(qiáng)校重點(diǎn)項(xiàng)目（2022ZDZX4053）支持