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“微農業(yè)”作為傳統(tǒng)農業(yè)的拓展與延伸悄然興起。然而，作為家庭園藝“微農業(yè)”，市場銷售的陽臺水培裝置種類少，且結構簡單、實用與美觀兼顧性差。本研究團隊根據(jù)陽臺空間特點和植物生長對環(huán)境的要求，設計出一款“菱形”陽臺水培裝置。該裝置采用支架系統(tǒng)與營養(yǎng)液系統(tǒng)一體化設計，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)液流動過程中通過與溶液表面空氣接觸、多級落差、瀑布跌落式設計等形式增加營養(yǎng)液含氧量，具有結構新穎、成本低廉、安裝方便、實用性強等優(yōu)點。

家庭園藝作為傳統(tǒng)農業(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;另一方面借由實際接觸和運用園藝材料，接觸自然環(huán)境而紓解工作壓力與放松心靈。美國《華爾街日報》報道，學者研究發(fā)現(xiàn)“景觀園藝”能夠減緩心跳速度，改善情緒，減輕疼痛，對病人康復具有很大的幫助作用。近年來，中國陽臺農業(yè)得到了較快發(fā)展，針對陽臺作物專用的種植技術和裝備研究也取得一定進展，張曉磊[1]等以小白菜品種‘快菜30為試驗材料，通過調整基質配比、栽培密度和營養(yǎng)液配方建立了適合陽臺生產的小白菜栽培技術體系。黃碧陽[2]等通過研究根域體積對陽臺種植菠菜生長與品質的影響，得出陽臺菠菜根域體積500 cm3時，地上部和根系生長較協(xié)調，根系發(fā)達，菠菜品質最佳，產量最高。葉菜類栽培簡單，生長季節(jié)較短，是適合陽臺種植的一類蔬菜，為此研究人員針對不同種類、不同品種的葉菜，測定了發(fā)芽率、株高、葉片數(shù)、單株重等指標，篩選適宜陽臺種植的葉菜品種[3]。無土栽培作為一種新型的陽臺種植方式，因其干凈衛(wèi)生、生長周期短越來越受到市場的追捧。顏志明[4]等根據(jù)市場需求開發(fā)了“A”字型和“屋脊”型兩種陽臺水培裝置;郭恒源[5]研制了“階梯式”陽臺蔬菜種植設備，并進行了生菜種植試驗，取得了良好效果。本研究團隊根據(jù)市場需求和陽臺空間特點，開發(fā)出一款新型陽臺水培裝置，具有結構新穎、成本低廉、安裝方便、實用性強等特點。

材料與方法

材料

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

方法

根據(jù)實用、經濟、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管配件材料尺寸調整設計樣圖。根據(jù)設計圖紙，利用PVC管切割機，充電鉆等電動工具切割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，進行整體組裝，組裝完成后注水測試。

新型陽臺水培裝置的結構設計

栽培架設計

本裝置基于三角形穩(wěn)定性和陽臺空間特點設計為菱形，共4層，旨在充分利用陽臺空間并增加栽培株數(shù)。同時，注重栽培架的新穎性、實用性、經濟性和便于操作。

◆栽培管

栽培管作為植物生長的主體結構，本裝置選用直徑為110 mm的國標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15°彎頭組成，另一組由水平四通加2個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）。

◆支架設計

本裝置的立體支架采用營養(yǎng)液兼容性設計方案，既體現(xiàn)了本裝置簡潔、實用、新穎的特點，又節(jié)省了裝置建造成本。如圖2所示，整個裝置高約1.8 m，共4層，最底層高50 cm，其上4層之間距離均為40 cm。整個支架由直徑為75 mm的國標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PVC排水管組成長方形底座。

營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)設計

根際含氧量與水培植物生長密切相關，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，裝置運行時液位深度3.65 cm，該模式中營養(yǎng)液含氧量控制技術是核心。本裝置的營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)采用立體支架一體化設計，采取單向循環(huán)流動模式，營養(yǎng)液在栽培管循環(huán)流動過程中與空氣進行氧氣交換，提升營養(yǎng)液含氧量;同時，通過不同栽培層之間的落差設計、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，實現(xiàn)增氧效果;另外進液口的落差設計，也起到了一定的增氧效果，運行時溶氧含量為6～8 mg/L。為保證營養(yǎng)液的單向流動，通過PVC管內堵頭人為阻斷PVC立柱管材的流通性。

間歇式循環(huán)流動是營養(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氧氣的需求，而且能充足供給植物所需的礦質營養(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，本設計采取供液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，同時延長設備使用壽命，減少電能消耗。

新型陽臺水培裝置的組裝與應用

水培裝置的安裝與調試

本裝置采用模塊化分層安裝模式進行組裝。

栽培層安裝 如圖3所示，用PVC專用膠水將110 mm轉50 mm的異徑直通安裝到110 mm PVC栽培管上;按照圖1所示，用PVC專用膠水將組合一和組合二進行粘接;在確保栽培層水平條件下將栽培管與組合一、組合二進行粘接;待膠水粘結牢固后，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。

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

陽臺水培裝置的應用

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，可進行收獲（圖4）。

新型陽臺水培裝置的設計特點與

應用分析

支架與營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)的一體化設計

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

實用與美觀的兼容性設計

陽臺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，如果設置一個小型家庭園藝景觀，可以更好地讓使用者感到舒適，同時又增加家庭園藝設計的美觀性。因此，本裝置設計的首要原則是美觀性和新穎性，確保設計方案既適用于家庭陽臺空間，又具有一定的新穎性。作為都市微農業(yè)的一種形式，實用性設計是確保發(fā)揮最大生產潛力的主要舉措，本裝置設計為4層，每層5根栽培管，并根據(jù)栽培植物的不同設置不同的種植孔徑和種植孔距，充分利用了陽臺的立體空間。

營養(yǎng)液閉環(huán)式設計

本設計的營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)通過閉環(huán)式設計，營養(yǎng)液在系統(tǒng)內濾后循環(huán)流動，并根據(jù)作物利用情況及時補充新鮮營養(yǎng)液，營養(yǎng)液循環(huán)利用一段時間后，或一個栽培季完成后，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，對周邊水體造成不良影響。

設計的局限性與改進措施

由于采用了無外支架設計，且受限于PVC配件的固有特性，本設計連接件所占比例稍高，導致其空間利用率低于有外支撐的設計類型;同時，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;同時，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雜，占比較高的問題，使該裝置更趨簡單實用。

總結

在水培裝置的設計過程中，既要滿足植物生長的要求，又要考慮陽臺有限空間的合理利用，本研究開發(fā)的新型陽臺水培裝置，不僅具有結構新穎、成本低廉、拆裝方便、實用性強等優(yōu)點，而且具有便于操作、空間利用率高、安裝簡單等特點。同時栽培管長度、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，后期通過結構的進一步優(yōu)化，使之更趨經濟性和實用性，具有廣闊的市場空間。

參考文獻

[1] 張曉磊，信麗媛，王艷婕，等.適用于陽臺農業(yè)小白菜種植技術的建立[J].天津農業(yè)科學， 2018，24（9）：46-48.

[2] 黃碧陽，林碧英，柯彥，等.根域體積對陽臺種植菠菜生長與品質的影響[J].亞熱帶農業(yè)研究， 2017， 13（2）： 121-126.

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[4] 顏志明，史紅林，蔡善亞，等.兩種陽臺蔬菜水培裝置的開發(fā)與應用[J].南方園藝，2016，27（1）：35-39.

[5] 郭恒源.陽臺蔬菜種植設備的研制及在生菜上的試驗研究[D].新疆農業(yè)大學，2016.

*項目支持：土壤與可持續(xù)農業(yè)國家重點實驗室開放基金（編號：Y412201447）;江蘇省大學生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項目（編號：201813573031Y）。

作者簡介：陶柳（1997-），女，四川武勝人，研究方向為設施作物無土栽培和微型園藝裝置設計。E-mail： 978377092@qq.com。

**通信作者：王長義（1975- ），男，山東濟南人，副教授，研究方向為溫室環(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.一種新型陽臺水培裝置的設計組裝與應用[J].農業(yè)工程技術，2020，40（19）：76-79.