一種新型陽臺水培裝置的設計組裝與應用.pdf

溫室園藝 2020 07 76 家庭園藝 Home Gardening 一種新型陽臺水培裝置的 設計組裝與應用 DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 19 015 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 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 cm 3 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 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 根據實用 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 PVC 管配件材料尺寸調整 設計樣圖 根據設計圖紙 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 溫室園藝 2020 07 77 農業(yè)工程技術 溫室園藝 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 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 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 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 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 30 彎頭 30 30 120 平面四通 異徑直通 平面三通 斜四通 栽培孔 栽培管 組合一 組合一 組合二 組合二 15 彎頭 圖 1 栽培管和連接管的平面布局 40 cm 40 cm 40 cm 50 cm 圖 2 支架和營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)的設計 PVC 管內堵頭 溫室園藝 2020 07 78 家庭園藝 Home Gardening 新型陽臺水培裝置的組裝與應用 本裝置采用模塊化分層安裝模式進行組裝 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 根據栽培密度 在栽培管上打直徑為5 mm 的栽培孔 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 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 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 表 1 生菜專用營養(yǎng)液配方 名稱 用量 mg L 四水硝酸鈣 910 硝酸鉀 238 磷酸二氫鉀 185 七水硫酸鎂 500 EDTA 鐵鈉鹽 16 硼酸 3 一水硫酸錳 2 七水硫酸鋅 0 2 五水硫酸銅 0 08 鉬酸銨 0 02 圖 3 陽臺水培裝置的組裝 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 圖 4 栽培裝置在生菜和水晶菜種植上的應用 栽培層 立柱 底座 溫室園藝 2020 07 79 農業(yè)工程技術 溫室園藝 新型陽臺水培裝置的設計特點與 應用分析 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 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 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 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 3 張曉磊 信麗媛 王艷婕 等 適用于陽臺農業(yè)種植的葉菜品種 篩選研究 J 天津農林科技 2019 4 16 21 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 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