余碧霞，李萍，邱許風

(1.安慶職業(yè)技術學院 園林園藝系，安徽 安慶 246000；2.蕪湖東源新農村開發(fā)股份有限公司，安徽 蕪湖 241003)

城市建設與發(fā)展的日新月異，人民生活水平大幅度提升，也讓人們漸漸失去了與自然環(huán)境及植物生長接觸的機會[1]，生活少了一些泥土的氣息；同時城市建設留下了許多內部空間，利用率低。另外，環(huán)境惡化伴隨城市擴張而凸顯。為解決空間資源緊張，應充分考慮將城市的地下內部空間進行開發(fā)再利用[2]。

我國植物工廠技術和智能溫室水培蔬菜技術[3-4]日趨成熟，利用智能控制系統(tǒng)對溫濕度、光照強度、CO2濃度等因素進行調節(jié)，將這種大型植物工廠的技術集成到小型栽培空間內，研制出城市小空間可以有效利用的微型智能蔬菜栽培系統(tǒng)對城市居民來說非常有意義。

目前市場有了一些智能蔬菜栽培的機器，價格普遍較高。2010年，在中國上海世博會上亮相的低碳智能微型植物工廠，參照工業(yè)產品設計，選擇工業(yè)材質和加工制成工藝，對家用栽培、防空洞空間利用來說價格偏高。本文結合城市建設的預留人防工程防空洞空間、辦公樓、居民樓空間的利用情況，根據(jù)實用、經濟、美觀的原則，研制適合這些空間的微型蔬菜栽培系統(tǒng)，以方便居民使用。

1 整體結構設計

圖1 坐凳式栽培系統(tǒng)

城防工程、辦公樓、家庭等環(huán)境下，空氣流通性差，光照不足，空間有限。本研究就種植的空間和環(huán)境問題，設計了微型蔬菜栽培系統(tǒng)。其結構采用坐凳式設計和魚菜共生立體式設計，坐凳式設計可以替換原位于公共區(qū)域內的普通坐凳，增加空間利用和擴展使用功能，魚菜共生立體式設計可以充分利用立體空間，整體外觀結構設計見圖1、圖2。

圖1為坐凳式設計，采用封閉式結構，整個過程中采用溫濕度控制，確保在寒冷的冬季及炎熱的夏季環(huán)境實現(xiàn)全天候種植。外觀尺寸為長1200 mm、寬500 mm、高432 mm；外面四個角采用具有承重結構的支撐柱，而兩端的側面采用冷軋鋼板，另兩個面采用玻璃材質的擋板，可以觀賞到里面的蔬菜及植物；頂部內側安裝LED人工光源，右側安裝通風設施、溫控設備及開關控制面板；底部為營養(yǎng)液池。

圖2 層架式栽培系統(tǒng)

圖2為層架式栽培系統(tǒng)，屬魚菜共生立體式設計，采用開放型栽培結構，適用于溫度相對恒定的區(qū)域，充分利用自然環(huán)境條件的變化，根據(jù)不同的季節(jié)種植不同品種的蔬菜。外觀尺寸為長1200 mm、寬60 mm、高1880 mm；采用四層栽培架，充分利用空間，層高36 cm，可滿足葉菜類蔬菜、菌類等對栽培空間的需求；控制面板開關和環(huán)境檢測顯示置于頂部；每層安裝LED人工光源，底部為魚池，采用魚菜共生系統(tǒng)；兩側分別為供液管道和回液管道。

2 控制系統(tǒng)設計

栽培系統(tǒng)采用封閉式循環(huán)系統(tǒng)，內部需要進行溫濕度控制，且設備置于公共生活空間，沒有專門的技術人員進行管理和控制，因此宜采用S7-200PLC 系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)性能穩(wěn)定，便于實現(xiàn)人機界面及上位機接口的處理[5]，便于實現(xiàn)光溫濕度等環(huán)境條件的自動定時控制。系統(tǒng)由CPU224控制器和EM231模擬量輸入模塊組成，在設備外圍連接各類傳感器和控制器，采用TPC7062K 觸摸屏作為人機界面來設定系統(tǒng)參數(shù)或操作執(zhí)行器運行(圖3)。

圖3 控制系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)通過溫濕度、液位、EC、PH傳感器采集栽培間內的溫度、濕度、營養(yǎng)液的可溶性鹽的濃度、酸堿度及營養(yǎng)液的多少，根據(jù)獲得的數(shù)值與設定值進行比較，從而控制栽培系統(tǒng)內部的光照、溫度、濕度，并為營養(yǎng)液的調配提供參考依據(jù)。

3 營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)設計

營養(yǎng)液具有省工、節(jié)肥、產量高、無污染、不受地區(qū)限制的優(yōu)點，代替天然土壤向作物提供水分、養(yǎng)分，使作物完成其整個生命周期[6]；蔬菜和魚之間協(xié)同生長，水生動物排泄廢物，細菌將廢物轉化成營養(yǎng)，植物吸收營養(yǎng)為水生動物改善水質，達到魚菜共同生長并且收獲2種農產品，實現(xiàn)養(yǎng)魚不換水而無水質憂患種菜不施肥的生態(tài)共生效應[7,8]，實現(xiàn)動物-植物-微生物三者之間達到和諧共生的平衡關系。不管是營養(yǎng)液還是水生動物排泄物，在栽培系統(tǒng)中，營養(yǎng)液循環(huán)控制對于蔬菜栽培系統(tǒng)而言是最重要的一部分，通過營養(yǎng)液和水生動物排泄物的合理循環(huán)確保蔬菜生長過程中所需要的營養(yǎng)成分，培養(yǎng)出放心使用的健康蔬菜，其循環(huán)系統(tǒng)的合理性顯得尤其重要。

營養(yǎng)液的輸送方式采用并聯(lián)循環(huán)供應的方式，如圖4所示，此種方式的作用原理即通過抽吸水泵，把營養(yǎng)液箱或魚池內的營養(yǎng)液抽出來，對各層架的栽培槽進行并排式供液，設置供液閥門和回液插芯，確保供液時每一層栽培架能同時供應營養(yǎng)液，在另一側安排回液管道，將多余的和循環(huán)的營養(yǎng)液統(tǒng)一回流，進入營養(yǎng)液箱或魚池，經過殺菌過濾后繼續(xù)循環(huán)。

圖4 營養(yǎng)液并聯(lián)循環(huán)供液方式示意圖 圖5 營養(yǎng)液殺菌示意圖

此外營養(yǎng)液的供應循環(huán)時間，會直接影響營養(yǎng)液的供應和所需氧氣的量，重要的是蔬菜根系氧氣供應量，根系的氧氣是否充足對蔬菜的成長有比較大的影響，氧氣不足，會造成根系呼吸不足，從而影響地上部蔬菜的生長，根據(jù)理論來說，，靜止的水會造成水中溶氧量不足，不能滿足蔬菜根系對氧氣的吸收，若營養(yǎng)液24 h循環(huán)，蔬菜的生長效果較好[9]。但營養(yǎng)液一直處于循環(huán)流動的情況下蒸發(fā)量大，水量消耗多、會造成生產成本大幅度增加，同時抽水泵的使用壽命會大大縮減，因此在考慮使用間歇式營養(yǎng)液循環(huán)輸送方式，一般采用每次循環(huán)將營養(yǎng)液槽中的營養(yǎng)液全部更換一遍為原則，參考試驗數(shù)據(jù)，循環(huán)周期設計15分鐘開，30分鐘停，選取小功率靜音水泵。

營養(yǎng)液殺菌采用UV紫外線消毒燈潛水殺菌過濾凈化設備，如圖5所示，水從進水口進入設備→經過過濾棉過濾，高密度聚脂纖維，過濾掉雜質、殘渣、浮游物→活性炭層除去異味、色素、腥味等→紫外線殺菌燈殺死細菌、病菌、綠藻、有害物質等；為紫外線對人體有傷害，采用封閉式安全結構設計。

4 LED人工光源設計

光照是蔬菜生長必不可少的環(huán)境因子，不同的光強、光周期、光質對植物的光合作用、形態(tài)建成和營養(yǎng)品質等方面具有顯著重大的影響，有研究資料表明，蔬菜對420～720 nm的光源敏感[10]，吸收的主要是紅澄光610～720 nm，可明顯促進作物生長，以及藍紫光400～510 nm，可促進葉綠素和干物質的積累與分配[11]。本栽培系統(tǒng)采用LED植物生長燈，使用不同波長的LED燈芯進行集成試驗，使合成的光譜能夠滿足蔬菜生長對光源的需求，同時考慮不同LED燈芯的光線顏色對人眼造成的刺激，在綜合考慮植物生長的需求、蔬菜的品質及對人眼的刺激等方面，通過栽培生菜、芝麻菜、松柳和碗豆芽苗菜的試驗，發(fā)現(xiàn)LED燈芯組合配比中紅∶藍∶白=3∶2∶1對株高、葉面積、單株重效果最好，對眼球刺激性較小，避免對人眼和室內造成的視覺沖擊，LED燈的連接線路采用并聯(lián)方式。

5 結語

當前，我國城市建設發(fā)展迅速，城市內部可利用空間越來越有限，為充分利用好城市建設中的人防工程、辦公樓、家庭空間，設計出適合在這些空間進行蔬菜種植的微型蔬菜栽培系統(tǒng)。經過多個蔬菜品種試驗和系統(tǒng)試驗，同時對這些空間的環(huán)境進行檢測，相比市場上的其他類似產品，本文研究的微型蔬菜栽培系統(tǒng)能耗低、成本低，可以結合空間大小靈活運用。第一種坐凳樣式的蔬菜栽培系統(tǒng)，功能多用，可置于人們休憩場所的公共空間用來栽培蔬菜，同時還可以用來美化空間。第二種魚菜共生立體式蔬菜栽培系統(tǒng)，可在防空洞等空間使用，培育蔬菜，美化環(huán)境，進行養(yǎng)殖。魚菜共生式蔬菜栽培系統(tǒng)充分利用魚類的糞便形成微性循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，培育的蔬菜安全健康，無農藥和重金屬殘留，亞硝酸鹽含量極低，滿足我們對健康蔬菜的需求，增加種養(yǎng)殖的樂趣。