徐迪娟，胡瑤玫，李小杰

(北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102208)

0 引言

隨著城市化的不斷發(fā)展，城市人口越來(lái)越多，城市人均居住面積不斷減少，城市綠化面積也越來(lái)越有限；加之生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)逐漸成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，對(duì)小型化栽培設(shè)備的需求也隨之加大[1-2]。小型化無(wú)土栽培是傳統(tǒng)大型無(wú)土栽培的分支[3]，利用小型水培裝置種植蔬菜花卉，不僅能為家庭提供新鮮健康的農(nóng)產(chǎn)品，同時(shí)也因其潔凈、美觀、簡(jiǎn)易的特點(diǎn)達(dá)到改善居室環(huán)境的目的[4-5]。

陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)的主要種植地點(diǎn)為陽(yáng)臺(tái)，其空間種植的局限性是由陽(yáng)臺(tái)的客觀性所決定的。在陽(yáng)臺(tái)上進(jìn)行農(nóng)業(yè)活動(dòng)，受到陽(yáng)臺(tái)朝向、面積等因素影響，光照條件差且空間有限，相對(duì)傳統(tǒng)水培技術(shù)，對(duì)設(shè)備的方便性、采光性、空間利用率及生產(chǎn)效率等要求更高[6]。目前，國(guó)內(nèi)尚缺乏專門研究開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和銷售家庭用水培裝置的企業(yè)，造成水培技術(shù)難以廣泛應(yīng)用于陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)[7]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有用于家庭栽培的小型水培設(shè)備主要包括水培箱、復(fù)合式水培設(shè)備及分體式水培設(shè)備等，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，移動(dòng)困難；放置在陽(yáng)臺(tái)上，光照面單一，植物出現(xiàn)向陽(yáng)效果明顯，易出現(xiàn)黃葉、死葉等現(xiàn)象；生長(zhǎng)不勻稱，管理不便且生產(chǎn)效率低，因此無(wú)法得到大范圍推廣應(yīng)用[8-9]。

本文根據(jù)陽(yáng)臺(tái)采光特點(diǎn)，通過(guò)分析傳統(tǒng)小型水培設(shè)備存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)旋轉(zhuǎn)式水培。其通過(guò)定時(shí)、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)及營(yíng)養(yǎng)液定時(shí)自動(dòng)循環(huán)，保證作物光照均勻性，提高空間利用率和單位面積產(chǎn)量。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

移動(dòng)可旋轉(zhuǎn)式水培設(shè)備由栽培盤單體、旋轉(zhuǎn)裝置、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)裝置、集水桶、定時(shí)器和行走輪組成，如圖1所示。

1.主水管 2.連接管 3.萬(wàn)向輪 4.集液桶 5.栽培盤單體 6.進(jìn)水管

其中，旋轉(zhuǎn)裝置主要包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)和皮帶輪等；營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)裝置包括供液電機(jī)、水泵、主水管、進(jìn)水管及連接管，主水管安裝于空心立柱內(nèi)，連接管用于連接上下兩相鄰栽培盤；栽培盤單體均勻安裝在立柱上，承載營(yíng)養(yǎng)液和植物；設(shè)備旋轉(zhuǎn)電機(jī)和供液電機(jī)均位于集液桶內(nèi)，由安裝在集液桶側(cè)邊的定時(shí)器控制。

1.2 工作原理

設(shè)備主要完成旋轉(zhuǎn)和供液兩部分工作。設(shè)備旋轉(zhuǎn)工作由旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)立柱旋轉(zhuǎn)，保證設(shè)備不同方向植物受光的均勻性。當(dāng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)供電時(shí)，定時(shí)器獲取實(shí)時(shí)時(shí)間，若時(shí)間在設(shè)定旋轉(zhuǎn)工作時(shí)間范圍內(nèi)，電機(jī)工作；否則電機(jī)不工作。設(shè)備供液電機(jī)通過(guò)定時(shí)器控制普通水泵定時(shí)供液，營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)集液桶-主水管-進(jìn)水管-栽培盤-連接管-集液桶實(shí)現(xiàn)循環(huán)。設(shè)備底部安裝4個(gè)萬(wàn)向輪，使設(shè)備的移動(dòng)更加方便、省力。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 栽培盤空間布局

根據(jù)植物對(duì)光照的需求，在栽培盤單體空間布局設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證栽培盤內(nèi)所有植物均可受到陽(yáng)光照射。栽培盤空間設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.立柱 2.栽培盤

當(dāng)栽培盤單體固定安裝時(shí)，上下兩栽培盤豎直間距計(jì)算公式為

hmin=R·arctanα

(1)

其中，R為上下兩相鄰栽培盤沿太陽(yáng)入射方向水平最大距離；hmin為上下兩相鄰栽培盤在豎直方向最小間距；α為一天中最大太陽(yáng)高度角。在傳統(tǒng)立式水培設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般通過(guò)增加豎直間距h或減小R保證栽培盤內(nèi)所有植物可接受陽(yáng)光照射，且在背光面不安裝栽培盤。相對(duì)于水平水培設(shè)備而言，立式水培設(shè)備雖在一定程度上提高了空間利用率，但仍存在利用率較低的問(wèn)題，且受陽(yáng)臺(tái)環(huán)境影響，植物多為單面受光。

栽培盤單體圍繞立柱做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，在計(jì)算栽培盤空間布局時(shí)計(jì)算公式中R變?yōu)樵耘啾P距立柱最大距離R′(見(jiàn)圖2)。在栽培盤結(jié)構(gòu)相同條件下，上下兩相鄰栽培盤豎直間距h僅為固定式的1/2，且保證了植物不同方向受光的均勻性。

2.2 營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)

生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)液中的根系呼吸所需的氧主要來(lái)源于營(yíng)養(yǎng)液和地上部分輸送到根系的氧，一般不耐澇漬的旱地植物主要利用營(yíng)養(yǎng)液中的溶存氧[10-11]。在水培設(shè)備中，植物長(zhǎng)期生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)液中，若營(yíng)養(yǎng)液靜止不動(dòng)，營(yíng)養(yǎng)液中氧氣濃度不足，影響植物根系細(xì)胞分化，使根毛減少、根系活力降低、吸收功能減弱，最終影響植物最終產(chǎn)量和品質(zhì)；且容易導(dǎo)致栽培盤中營(yíng)養(yǎng)分布不均勻，造成作物生長(zhǎng)不均衡，影響植物整體素質(zhì)和整齊度[12-14]。

為保證植物生長(zhǎng)過(guò)程中培養(yǎng)盤內(nèi)溶氧量和營(yíng)養(yǎng)的均勻性，本設(shè)備在傳統(tǒng)水培設(shè)備基礎(chǔ)上加入營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液定時(shí)并自動(dòng)循環(huán)。其工作原理為：種子或幼苗種入栽培盤，加入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后，營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)裝置總開(kāi)關(guān)打開(kāi)，設(shè)備供液電機(jī)定時(shí)器獲取實(shí)時(shí)時(shí)間；若在設(shè)定循環(huán)時(shí)間范圍則打開(kāi)供液電機(jī)，營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)主水管輸送至裝置頂部栽培盤，各栽培盤通過(guò)連接管連接；當(dāng)上層培養(yǎng)盤內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，營(yíng)養(yǎng)液溢出流入下層培養(yǎng)盤，最終流回集液桶，實(shí)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)液定時(shí)及自動(dòng)循環(huán)。

從初至走時(shí)反演得到的速度模型構(gòu)成了更復(fù)雜的正演試錯(cuò)模擬的起點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)為使用解釋人員在地震記錄上識(shí)別出的后續(xù)震相（包括折射和反射）建立復(fù)雜多層的地球模型提供了可能。因此，這樣的模擬過(guò)程有高度的客觀性。它包括運(yùn)動(dòng)學(xué)（走時(shí)）和動(dòng)力學(xué)（振幅）信息，使模型計(jì)算數(shù)據(jù)與記錄數(shù)據(jù)更加符合。

2.3 立柱轉(zhuǎn)速

植物在環(huán)境光照發(fā)生變化時(shí)，其光合特性不會(huì)馬上隨之變化，存在 “光合滯后”現(xiàn)象[15]。其主要原因是：1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶活性的變化及氣孔關(guān)閉和開(kāi)放均需一定時(shí)間的生理調(diào)節(jié)[15-16]。利用植物的“光合滯后”原理，在傳統(tǒng)固定水培設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使設(shè)備不同方向植物葉片均可接受間歇式陽(yáng)光照射，在一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，植物葉片光環(huán)境雖發(fā)生改變，但其光合速率不會(huì)發(fā)生明顯變化。

3 栽培試驗(yàn)

3.1 材料與方法

3.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為確定最佳立柱轉(zhuǎn)速并對(duì)設(shè)備效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)了不同轉(zhuǎn)速下對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中可旋轉(zhuǎn)式水培設(shè)備設(shè)置5個(gè)不同立柱轉(zhuǎn)速(1、2、3、4、5r/min)作為5個(gè)處理，以傳統(tǒng)固定式水培設(shè)備作為對(duì)照，每個(gè)處理均設(shè)2組重復(fù)。試驗(yàn)過(guò)程中均種植 “意大利奶油生菜”，于2016年4月將生菜幼苗移栽至栽培盤內(nèi)，每盤6株，30天后收獲。

收獲前1天進(jìn)行光合參數(shù)測(cè)定，測(cè)定過(guò)程分別在每組處理中選取兩個(gè)不同方向(方向1、方向2)上3片結(jié)構(gòu)葉進(jìn)行測(cè)定?？梢苿?dòng)式水培設(shè)備中任選一方向作為方向1，與其相差180°方向?yàn)榉较?；對(duì)照組中方向1為向光面方向，方向2為背光面。

3.1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

光合特性參數(shù)采用美國(guó)Li-6400便攜式光合作用測(cè)定儀測(cè)定，測(cè)定內(nèi)容包括：凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、細(xì)胞間隙CO2濃度(Ci)。測(cè)定過(guò)程中光強(qiáng)約為(720±20)μmol/(m2·s)，大氣溫度(23±1)℃，大氣CO2濃度變化范圍為(360±10)μmol/L。

收獲后分別測(cè)定每組處理下生菜根長(zhǎng)、根體積及總產(chǎn)量，并計(jì)算單株平均鮮重及單位面積產(chǎn)量，單位面積產(chǎn)量計(jì)算時(shí)面積為設(shè)備所占陽(yáng)臺(tái)地面面積。

3.1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS11.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，方差分析采用軟件的ANOVA過(guò)程處理，顯著性檢驗(yàn)采用鄧肯式新復(fù)極差法。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 光合特性

不同轉(zhuǎn)速下不同方向葉片光合特性各指標(biāo)對(duì)比，如圖3所示。

(a) Pn (b) Gs

(c) Ci (d) Tr

可旋轉(zhuǎn)式水培設(shè)備不同立柱轉(zhuǎn)速對(duì)比試驗(yàn)表明：各方向光合特性變化趨勢(shì)相似，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于3r/min時(shí)，隨立柱轉(zhuǎn)速增大，生菜葉片光合特性各指標(biāo)均隨之增大；當(dāng)立柱轉(zhuǎn)速為3r/min時(shí)，光合特性指標(biāo)達(dá)到最大值(見(jiàn)表1)；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于3r/min時(shí)，隨立柱轉(zhuǎn)速增大，葉片光合特性各指標(biāo)均開(kāi)始下降。當(dāng)立柱轉(zhuǎn)速過(guò)小時(shí)，各方向葉片均間歇性接受陽(yáng)光照射，但由于轉(zhuǎn)速過(guò)慢，葉片光合作用出現(xiàn)間歇性增大和減小現(xiàn)象，光合作用不連續(xù)；當(dāng)立柱轉(zhuǎn)速控制在3r/min附近時(shí)，葉片雖間歇性接受陽(yáng)光照射，但由于光合“光合滯后”現(xiàn)象，葉片處于背光時(shí)間段內(nèi)光合作用未出現(xiàn)明顯變化，葉片可連續(xù)進(jìn)行光合作用；當(dāng)立柱轉(zhuǎn)速大于3r/min時(shí)，雖各方向葉片均可接受充足光照，但由于轉(zhuǎn)速過(guò)大，營(yíng)養(yǎng)液出現(xiàn)不均勻分布現(xiàn)象，影響?zhàn)B分供應(yīng)，光合特性各指標(biāo)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

最佳立柱轉(zhuǎn)速(3r/min)與固定式水培設(shè)備不同方向光合特性各指標(biāo)如表1所示。與對(duì)照組(固定式)相比，在向光方向(方向1)，可旋轉(zhuǎn)式水培設(shè)備在各轉(zhuǎn)速下光合特性各指標(biāo)值均小于固定式設(shè)備。主要原因是固定式設(shè)備栽培盤固定，向光面葉片接受持續(xù)光照；而可旋轉(zhuǎn)式水培設(shè)備栽培盤圍繞立軸旋轉(zhuǎn)，葉片間歇性接受陽(yáng)光照射。在背光方向(方向2)，可旋轉(zhuǎn)式水培設(shè)備表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，葉片光合特性各指標(biāo)均明顯大于固定式，凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率、胞間CO2濃度分別為處理2的1.67、1.74、2.07、1.91倍。主要原因是固定式水培設(shè)備背光方向葉片不能接收陽(yáng)光直射，僅依靠反射光進(jìn)行光合作用，光合特性各指標(biāo)極低，遠(yuǎn)小于方向1；而可旋轉(zhuǎn)式水培設(shè)備中不同方向葉片均間歇性接受陽(yáng)光照射，光合特性與方向1近似。假設(shè)植物向光部分與背光部分相等，則可旋轉(zhuǎn)式水培設(shè)備生菜光合特性為固定式水培設(shè)備的1.19(Pn)、1.11(Gs)、1.15(Ci)、1.22(Tr)倍。

表1 固定式和最佳轉(zhuǎn)速下水培設(shè)備不同方向葉片光合特性

3.2.2 根系及產(chǎn)量

不同處理下生菜根系及最終產(chǎn)量，如表2所示。

表2 不同處理下生菜根部發(fā)育及產(chǎn)量

與對(duì)照組(固定式)相比，可旋轉(zhuǎn)式水培設(shè)備均表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。最優(yōu)轉(zhuǎn)速下生菜根長(zhǎng)平均高出對(duì)照組3.72cm，根鮮重平均高出32%。試驗(yàn)過(guò)程中可旋轉(zhuǎn)水培設(shè)備營(yíng)養(yǎng)液定時(shí)循環(huán)，使?fàn)I養(yǎng)液保持穩(wěn)定可靠的溶氧量和養(yǎng)分含量，為生菜根系提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境；固定式水培設(shè)備中營(yíng)養(yǎng)液靜止不動(dòng)，在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)僅少量更換營(yíng)養(yǎng)液，隨著生菜根系生長(zhǎng)及對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中養(yǎng)分吸收，營(yíng)養(yǎng)液溶氧量和養(yǎng)分含量不斷減少，影響根系細(xì)胞分化和養(yǎng)分吸收，造成生菜根系生長(zhǎng)受阻，最終影響生菜產(chǎn)量。

不同處理下生菜最終產(chǎn)量對(duì)比可知：最佳立柱轉(zhuǎn)速(3r/min)下，生菜單株產(chǎn)量最高(21.33g)，是對(duì)照組(固定式)的1.24倍，單位面積產(chǎn)量是對(duì)照組的2.97倍，表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。其原因：在3r/min時(shí)，生菜葉片光合作用最強(qiáng)，且營(yíng)養(yǎng)液定時(shí)循環(huán)，保證了氧氣和養(yǎng)分的充足供應(yīng)。此外，在設(shè)備高度和單個(gè)栽培盤面積相等的條件下，固定式水培設(shè)備栽培盤僅有5個(gè)，而可旋轉(zhuǎn)式水培設(shè)備栽培盤則為12個(gè)，大大提高了設(shè)備空間利用率和單位面積產(chǎn)量。

4 結(jié)論

1)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)。通過(guò)電機(jī)、定時(shí)器、皮帶輪使水培立柱實(shí)現(xiàn)定時(shí)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，保證了水培作物的光照均勻度，提高了太陽(yáng)光能利用率，增強(qiáng)了作物光合作用，從而提高了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，也方便了作物的種植和采收。

2)設(shè)備移動(dòng)方便、省時(shí)、省力。水培設(shè)備整體質(zhì)量較大，通常在30～50kg以上，通過(guò)在集液桶下方安裝萬(wàn)向輪，使水培設(shè)備的移動(dòng)變得更加方便、省力。

3)營(yíng)養(yǎng)液定時(shí)自動(dòng)循環(huán)。采用普通循環(huán)水泵控制營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)，通過(guò)簡(jiǎn)單的定時(shí)器，即可自動(dòng)控制每天營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)時(shí)間，在保證作物正常生長(zhǎng)的同時(shí)節(jié)約能源。

4)空間利用率高。采用立體栽培，將空間利用率最大化，提高了單位面積產(chǎn)量。

5)試驗(yàn)結(jié)果表明：與傳統(tǒng)水培設(shè)備相比，移動(dòng)可旋轉(zhuǎn)水培設(shè)備平均提高生菜光合特性19%(Pn)、11%(Gs)、15%(Ci)、22%(Tr)倍，單株產(chǎn)量提高24%，根鮮重提高32%，單位面積產(chǎn)量提高197%。

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