摘 要：針對土壤缺少水分、環(huán)境嚴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)動式光肥均等化種植機，應用于綠色蔬菜種植。由鏈輪傳動的轉(zhuǎn)動式光肥均等化種植機嘗試在有機蔬菜種植中實現(xiàn)產(chǎn)品均等化、生產(chǎn)自動化、土培和水培相結(jié)合、空間立體化、環(huán)境可控化，該裝置鏈條傳動每天轉(zhuǎn)8趟，通過控制箱控制土壤與營養(yǎng)液接觸的時間，整機運行動力由無刷電機提供，蔬菜種植槽在軌道上由鏈條帶動，移動可無級調(diào)速。通過以上操作可使營養(yǎng)液與土壤接觸更加充分，從而實現(xiàn)對土壤濕度的控制調(diào)節(jié)，有利于深入探究土壤濕度對蔬菜根部水分的影響，并通過開展土壤濕度變化測量實驗，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。

關鍵詞：轉(zhuǎn)動式種植裝置；保水性；種植介質(zhì)；濕度測試

中圖分類號：S237" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0037-06

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

0" " 引言

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

當今社會，隨著人口的不斷增長以及經(jīng)濟的加速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，對身體健康的重視程度也與日俱增，這使得人們對農(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于高品質(zhì)蔬菜的需求[2]。

當前，設施農(nóng)業(yè)已然成為蔬菜生產(chǎn)的一種重要方式。通過這種蔬菜種植方式，能夠?qū)κ卟说纳L環(huán)境進行人為調(diào)節(jié)，諸如溫度、濕度、土壤養(yǎng)分等條件均可實現(xiàn)調(diào)控，并且還能科學地控制化肥和農(nóng)藥的用量，進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)動式光肥均等化蔬菜種植機，它具備以下優(yōu)點：種植面積相對較大，可用于種植多種類別的蔬菜及稈莖類植物；此外，該種植機尤其適用于降水稀少、干旱等土地貧瘠的地區(qū)，能夠為當?shù)靥峁╅_展蔬菜種植所需的設備支持。

1" " 實驗準備

1.1" " 設計思路

在設計機器前，可以把轉(zhuǎn)動式蔬菜種植機的設計思路歸納為多個方面：機械結(jié)構(gòu)設計、種植系統(tǒng)設計以及智能控制系統(tǒng)設計。

轉(zhuǎn)動式光肥均等化蔬菜種植機運用機械化種植技術，通過優(yōu)化電路設計并提高機械自動化效率，可以實現(xiàn)對蔬菜生產(chǎn)的自動化操作，大大提高了種植的效率和產(chǎn)量。機器種植光照和營養(yǎng)供給科學合理，能夠促進植物生長，穩(wěn)定產(chǎn)量，同時減少了對土地、水資源和化肥的浪費，有利于優(yōu)化資源利用，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，縮短植物的生長周期，增加產(chǎn)量。另外，機器種植還減少了生產(chǎn)過程中的人工勞動，節(jié)約了人力成本，提高了蔬菜的質(zhì)量和商品價值[4]。

在機械結(jié)構(gòu)設計方面，轉(zhuǎn)動式蔬菜種植機需要具備良好的穩(wěn)定性和機動性，因此機械結(jié)構(gòu)設計應考慮重量均衡、懸掛系統(tǒng)設計等，設計長1.2 m、深0.3 m的種植槽，以適應不同類型和尺寸的蔬菜種植。

針對種植系統(tǒng)的設計，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)應具有種植深度調(diào)節(jié)和行距設置功能。另外，計劃引入灌溉系統(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。該種植機每個種植槽里都可以種植不同植物，可根據(jù)需求自行定制。

針對智能控制系統(tǒng)的設計，集成傳感器和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對種植機的智能化監(jiān)測和控制，如實時監(jiān)測土壤濕度、溫度和作物生長狀態(tài)等。

轉(zhuǎn)動式光肥均等化種植機采用鋁型材搭建簡易框架，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)成運動整體，機器底部為一個一半水平、一半仰角60°的營養(yǎng)液槽，采用定時電路元件，電機轉(zhuǎn)動帶動齒輪齒鏈運轉(zhuǎn)，種植槽定時到達營養(yǎng)液槽，給種植槽內(nèi)植物提供水分，每3 h機器自動運轉(zhuǎn)一輪，一天運轉(zhuǎn)8次，可給植物提供足夠的水分；種植機采用有土栽培，12個種植槽底部分別布有多個直徑約為1 cm的小孔[5]。種植者可以根據(jù)不同作物在生長周期不同階段的不同營養(yǎng)需求，實現(xiàn)肥料和光照的精確供給，從而提高作物的生長效率和品質(zhì)。

1.2" " 裝置開發(fā)

轉(zhuǎn)動式光肥均等化種植機的基礎框架如圖1所示。

1.3" " 裝置運行方式

該裝置（圖1）的運行方式如下：啟動控制箱，電機運作，電機連桿帶動主動齒輪運動，主動齒輪帶動側(cè)外鏈運作，側(cè)外鏈帶動一側(cè)鏈條轉(zhuǎn)動，而底長桿通過側(cè)外鏈的傳動，使另一側(cè)鏈條轉(zhuǎn)動，由此帶動種植槽進行周期性轉(zhuǎn)動，并且能夠均勻地浸入營養(yǎng)液槽，使得作物能夠均勻地得到肥料的補給。

2" " 實驗方案

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

有機蔬菜平面種植過程中普遍面臨土地面積需求量大、機械化程度低、勞動生產(chǎn)率低、化肥農(nóng)藥依賴性強、水需求量大以及環(huán)境污染嚴重等問題。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，選擇了椰磚營養(yǎng)土模擬有充足營養(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南方環(huán)境，黑土模擬具有較高有機質(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過程中不可或缺的一個重要條件，而水分的持有量取決于土壤物理結(jié)構(gòu)狀況。該裝置運行過程中，種植槽會先浸泡在營養(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養(yǎng)液。由于種植槽在一定的高度上滯留一定的時間，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速度[7]），所以選擇在同一天里，同時開展三個實驗進行探究，確保當天天氣、溫度和空氣濕度相同（天氣多云，溫度28 ℃，空氣濕度67%RH）。

2.1" " 實驗儀器的原理

如圖4所示，采用具備4G通信功能（信號強，覆蓋廣，使用場景多）的S21A作為土壤濕度傳感器進行遠程實驗數(shù)據(jù)采集，可在客戶端查看數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測作物狀況。土壤濕度測量儀為電壓式，其測量土壤介質(zhì)的電導率，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；該測量儀設置為每5 min記錄一次數(shù)據(jù)，通過濕度轉(zhuǎn)換的計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，對應的土壤濕度范圍為0～100%，有以下線性方程：

濕度值U=（２５５－v）/255×100%" " " " " " "（1）

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

2.2" " 測定方法及內(nèi)容

2.2.1" " 測定方法

第一種測定方法：將土壤濕度測量儀垂直插入土壤上表層，與土壤充分接觸；通過控制箱操控鏈輪運轉(zhuǎn)，將種植槽高度下降至浸入營養(yǎng)液槽；將種植槽穩(wěn)定浸泡于營養(yǎng)液槽中；提起種植槽離開營養(yǎng)液槽的方式，觀測土壤濕度的變化。

第二種測定方法：將土壤濕度測量儀整個橫向埋入土壤，確保檢測儀每根測試探針都平行于水平層，以檢測相同深度的土壤濕度。

2.2.2" " 測定內(nèi)容

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

第一步，在轉(zhuǎn)動式光肥均等化種植機底部的營養(yǎng)液槽中加入適量營養(yǎng)液，連接220 V電源，保證設備正常工作。將土壤濕度測量儀連接至電腦端口數(shù)據(jù)平臺，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，用于開展實驗。

第三步，將土壤濕度測量儀插入土壤上表層，應注意使土壤濕度測量儀與土壤充分接觸。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，得到種植槽浸入營養(yǎng)液槽前土壤的濕度，取一段時間內(nèi)的平均值，作為土壤未浸入營養(yǎng)液槽前的平均濕度，記錄未接觸營養(yǎng)液時的土壤濕度值。

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

3" " 實驗目的與分析

對自主研發(fā)的轉(zhuǎn)動式蔬菜種植機做半密封式空間工作性能實驗，轉(zhuǎn)動式蔬菜種植機主要性能指標包括不同轉(zhuǎn)速時種植槽的穩(wěn)定性、懸掛的種植槽保水性以及傷種率等，本次實驗重點測試了種植槽內(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)有一個良好的水分吸收區(qū)間，選擇深度為100 mm的土壤進行測試。

3.1" " 不同土壤同一深度濕度隨時間的變化

3.1.1" " 實驗依據(jù)

不同的土壤結(jié)構(gòu)對作物的產(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，分別對椰土、磚紅壤、沙土、黑土進行了濕度檢測。

3.1.2" " 實驗設計

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制土壤濕度變化曲線圖，每隔5 min自動測一次濕度，曲線呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢，如圖6所示。08：15—11：15溫度會慢慢上升，08：15時溫度是最低值，所以水分蒸發(fā)量較小，同理，由于11：15時溫度是最高值，所以水分蒸發(fā)量較大，據(jù)此分析土壤濕度在不同時間段的變化趨勢和變化速度，得出土壤濕度對農(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，能夠為農(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間的變化

3.2.1" " 實驗依據(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。但一般來說，土壤剖面濕度在表層相對較小，隨著深度逐漸增加，直至達到某個深度后趨于穩(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" " 實驗設計

根據(jù)對田間作物的觀察，蔬菜類作物主根區(qū)的深度大致區(qū)間為40～100 mm。在對照處理條件下，對同一土壤進行40～100 mm深度的實驗。如前所述，本次實驗采用S21系列土壤溫濕度探頭，可以每隔10 s測量一次土壤各深度（40、60、80、100 mm）的溫度和絕對水分含量，并由數(shù)據(jù)記錄器收集數(shù)據(jù)。土壤耗水量（SWC）是指整個作物生長期兩次連續(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行實驗，如圖7所示，實驗從同一時期開始，在同一時間節(jié)點測量出椰土深度為40、60、80、100 mm時的濕度，然后進行對比：土壤在100 mm處的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)都最為濕潤，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，四個深度的濕度曲線均呈現(xiàn)明顯的深度相關性。

4" " 實驗總結(jié)

本文根據(jù)實驗分析了土壤濕度對農(nóng)作物根部水分吸收的影響、營養(yǎng)液對土壤濕度的影響以及營養(yǎng)液對土壤濕度的持續(xù)效應和土壤濕度的恢復能力?；趯嶒灁?shù)據(jù)進行分析和總結(jié)如下：

1）數(shù)據(jù)表明，土壤離開營養(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，隨著時間的延長，下降速度逐漸減緩并趨于穩(wěn)定。在實驗后的2 h內(nèi)，土壤濕度未完全恢復到未接觸營養(yǎng)液時的水平。

2）由不同土壤同一深度的實驗數(shù)據(jù)分析可知，沙土的保水性是最差的，無風室內(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，能夠為農(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驗結(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，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，四個深度的濕度曲線均呈現(xiàn)明顯的深度相關性。

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收稿日期：2024-11-13

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

本文受大創(chuàng)課題（202311819023）、東莞市社會發(fā)展科技項目（20221800905102）、廣東教育廳創(chuàng)新強校重點項目（2022ZDZX4053）支持