一种新型阳台水培装置的设计组装与应用
时间：2021-01-22 18:00:50 来源：达达文档网 本文已影响 人 
陶柳 朱红 刘星辰 张文浩 李瑞 王长义
|摘要|随着人们收入水平的不断提升和城镇化步伐加快，都市“微农业”作为传统农业的拓展与延伸悄然兴起。然而，作为家庭园艺“微农业”，市场销售的阳台水培装置种类少，且结构简单、实用与美观兼顾性差。本研究团队根据阳台空间特点和植物生长对环境的要求，设计出一款“菱形”阳台水培装置。该装置采用支架系统与营养液系统一体化设计，由立体支架、管道栽培槽、营养液循环系统等组成，营养液流动过程中通过与溶液表面空气接触、多级落差、瀑布跌落式设计等形式增加营养液含氧量，具有结构新颖、成本低廉、安装方便、实用性强等优点。
家庭园艺作为传统农业的拓展，一方面可以满足城市居民的生活所需，提高自己的观赏情趣，美化自己的生活环境;另一方面借由实际接触和运用园艺材料，接触自然环境而纾解工作压力与放松心灵。美国《华尔街日报》报道，学者研究发现“景观园艺”能够减缓心跳速度，改善情绪，减轻疼痛，对病人康复具有很大的帮助作用。近年来，中国阳台农业得到了较快发展，针对阳台作物专用的种植技术和装备研究也取得一定进展，张晓磊[1]等以小白菜品种‘快菜30为试验材料，通过调整基质配比、栽培密度和营养液配方建立了适合阳台生产的小白菜栽培技术体系。黄碧阳[2]等通过研究根域体积对阳台种植菠菜生长与品质的影响，得出阳台菠菜根域体积500 cm3时，地上部和根系生长较协调，根系发达，菠菜品质最佳，产量最高。叶菜类栽培简单，生长季节较短，是适合阳台种植的一类蔬菜，为此研究人员针对不同种类、不同品种的叶菜，测定了发芽率、株高、叶片数、单株重等指标，筛选适宜阳台种植的叶菜品种[3]。无土栽培作为一种新型的阳台种植方式，因其干净卫生、生长周期短越来越受到市场的追捧。颜志明[4]等根据市场需求开发了“A”字型和“屋脊”型两种阳台水培装置;郭恒源[5]研制了“阶梯式”阳台蔬菜种植设备，并进行了生菜种植试验，取得了良好效果。本研究团队根据市场需求和阳台空间特点，开发出一款新型阳台水培装置，具有结构新颖、成本低廉、安装方便、实用性强等特点。
材料与方法
材料
试验材料选购自建材市场，PVC管3种，直径分别为110、75、50 mm中财国标排水管，PVC管三通、四通、弯头、堵头等选用中财或联塑国标配件;粘合剂选用PVC管专用胶进行粘合。
方法
根据实用、经济、新颖的原则，使用AutoCAD（2017版）绘制装置立体图，确立各部分参数，然后根据PVC管配件材料尺寸调整设计样图。根据设计图纸，利用PVC管切割机，充电钻等电动工具切割PVC管材，并在PVC管材（110 mm）上打定植孔。均匀涂抹PVC专用胶水后分层连接，试水无渗漏后，进行整体组装，组装完成后注水测试。
新型阳台水培装置的结构设计
栽培架设计
本装置基于三角形稳定性和阳台空间特点设计为菱形，共4层，旨在充分利用阳台空间并增加栽培株数。同时，注重栽培架的新颖性、实用性、经济性和便于操作。
◆栽培管
栽培管作为植物生长的主体结构，本装置选用直径为110 mm的国标PVC 排水管，定植孔可根据种植作物的不同选用35、40、45、50 mm等不同的孔径。植株的株距为定植孔直径的2倍，即70、80、90、100 mm等不同植株间距。栽培管两端选用110 mm转50 mm的变径接头与连接管连接。
◆连接管
平面连接管采用两组类型，一组由斜四通加2个15°弯头组成，另一组由水平四通加2个30°弯头组成。四通与弯头、弯头与栽培管间用直径为50 mm PVC排水管连接（图1）。
◆支架设计
本装置的立体支架采用营养液兼容性设计方案，既体现了本装置简洁、实用、新颖的特点，又节省了装置建造成本。如图2所示，整个装置高约1.8 m，共4层，最底层高50 cm，其上4层之间距离均为40 cm。整个支架由直径为75 mm的国标PVC排水管组成。为增加支架系统的牢固性，装置采用直径为75 mm的国标PVC排水管组成长方形底座。
营养液循环系统设计
根际含氧量与水培植物生长密切相关，富氧的根系环境可以显著提升植物根系活力。营养液栽培模式有多种，本装置采用的是营养液深液流模式，装置运行时液位深度3.65 cm，该模式中营养液含氧量控制技术是核心。本装置的营养液循环系统采用立体支架一体化设计，采取单向循环流动模式，营养液在栽培管循环流动过程中与空气进行氧气交换，提升营养液含氧量;同时，通过不同栽培层之间的落差设计、回流液以瀑布跌落的方式注入回液箱，增加水体与空气的氧气交换频率，实现增氧效果;另外进液口的落差设计，也起到了一定的增氧效果，运行时溶氧含量为6～8 mg/L。为保证营养液的单向流动，通过PVC管内堵頭人为阻断PVC立柱管材的流通性。
间歇式循环流动是营养液栽培的通用模式，间歇式循环供氧不仅满足了植物根系对氧气的需求，而且能充足供给植物所需的矿质营养和水分。根据水体溶氧含量的变化规律和前期研究积累，本设计采取供液20 min，停40 min，昼夜循环模式，一方面保证营养液含氧量满足植物根系呼吸的要求，同时延长设备使用寿命，减少电能消耗。
新型阳台水培装置的组装与应用
水培装置的安装与调试
本装置采用模块化分层安装模式进行组装。
栽培层安装 如图3所示，用PVC专用胶水将110 mm转50 mm的异径直通安装到110 mm PVC栽培管上;按照图1所示，用PVC专用胶水将组合一和组合二进行粘接;在确保栽培层水平条件下将栽培管与组合一、组合二进行粘接;待胶水粘结牢固后，根据栽培密度，在栽培管上打直径为5 mm的栽培孔。
底座和立柱的安装 底座和立柱安装采用由下而上的安装方式进行。为节省空间，装置底座改用十字交叉型，中间用四通连接，确保其处于同一水平面。底座完成后，将50 cm PVC管插入四角，将第一层栽培架放置在立柱上，用PVC专用胶水固定;粘结牢固后，搭建第二层栽培架，直至4层栽培架全部搭建完成。
密闭性和牢固性测试 栽培装置搭建完成，通水测试PVC管粘合密闭性，如遇渗水或漏水，及时进行补胶，确保不会发生渗漏。完全通水后，测试其稳固性，确保栽培层水平，各管道水流基本一致，同时确保底座和栽培支架具有足够的支撑作用。
阳台水培装置的应用
本装置可用于生菜等叶菜的种植，建议植株株高在35 cm以下。以生菜和水晶菜种植为例，采用岩棉育苗，将生菜和水晶菜种子55℃温汤浸种6 h，恒温催芽，待种子胚根露出后，播种到3 cm×4 cm的岩棉块中进行育苗，白天25℃，夜间20℃。2020年5月8日，大约在播种后10天左右，幼苗长至2叶1心时定植到栽培篮，将栽培篮放置到栽培孔，营养液采用生菜专用营养液（表1），生菜生长最适pH是6.0～6.9，EC以1.0～1.8 mS/cm为宜，待植株生长20天左右，可进行收获（图4）。
新型阳台水培装置的设计特点与
应用分析
支架与营养液循环系统的一体化设计
中国现有阳台面积普遍不大，如何充分利用阳台有限空间，减少冗余结构、降低装置遮光性是本设计首先考虑的问题。因此，本装置采用了支架系统与营养液循环系统的一体化设计，支架、栽培管道、营养液循环系统采用整体设计，不仅降低了成本，减少冗余支架对光线的影响，更能体现简洁实用、美观新颖的设计效果。
实用与美观的兼容性设计
阳台的主要功能是让使用者更好更完全地感受新鲜的空气和阳光，而在这种惬意的环境下，如果设置一个小型家庭园艺景观，可以更好地让使用者感到舒适，同时又增加家庭园艺设计的美观性。因此，本装置设计的首要原则是美观性和新颖性，确保设计方案既适用于家庭阳台空间，又具有一定的新颖性。作为都市微农业的一种形式，实用性设计是确保发挥最大生产潜力的主要举措，本装置设计为4层，每层5根栽培管，并根据栽培植物的不同设置不同的种植孔径和种植孔距，充分利用了阳台的立体空间。
营养液闭环式设计
本设计的营养液循环系统通过闭环式设计，营养液在系统内滤后循环流动，并根据作物利用情况及时补充新鲜营养液，营养液循环利用一段时间后，或一个栽培季完成后，剩余的营养液可用于盆栽花草或小区树木的施肥，避免直接排放，对周边水体造成不良影响。
设计的局限性与改进措施
由于采用了无外支架设计，且受限于PVC配件的固有特性，本设计连接件所占比例稍高，导致其空间利用率低于有外支撑的设计类型;同时，由于PVC管作为立柱，支撑栽培层的全部重量，造成该装置体型不宜过大。有鉴于上述局限性，在后期改良中采用直径110 mm 的PVC管做立柱，可有效解决支架系统牢固性与稳定性不足的缺点;同时，通过简化栽培层管道数量和排布，解决栽培层连接件过于复杂，占比较高的问题，使该装置更趋简单实用。
总结
在水培装置的设计过程中，既要满足植物生长的要求，又要考虑阳台有限空间的合理利用，本研究开发的新型阳台水培装置，不仅具有结构新颖、成本低廉、拆装方便、实用性强等优点，而且具有便于操作、空間利用率高、安装简单等特点。同时栽培管长度、栽培孔直径和栽培孔孔距的多样化，为不同的阳台空间提供了多样化选择，适用于叶菜类、野生草本植株以及部分中药材的小面积种植，后期通过结构的进一步优化，使之更趋经济性和实用性，具有广阔的市场空间。
参考文献
[1] 张晓磊，信丽媛，王艳婕，等.适用于阳台农业小白菜种植技术的建立[J].天津农业科学， 2018，24（9）：46-48.
[2] 黄碧阳，林碧英，柯彦，等.根域体积对阳台种植菠菜生长与品质的影响[J].亚热带农业研究， 2017， 13（2）：
121-126.
[3] 张晓磊，信丽媛，王艳婕，等.适用于阳台农业种植的叶菜品种筛选研究[J].天津农林科技，2019（4）：16-21.
[4] 颜志明，史红林，蔡善亚，等.两种阳台蔬菜水培装置的开发与应用[J].南方园艺，2016，27（1）：35-39.
[5] 郭恒源.阳台蔬菜种植设备的研制及在生菜上的试验研究[D].新疆农业大学，2016.
*项目支持：土壤与可持续农业国家重点实验室开放基金（编号：Y412201447）;江苏省大学生创业创新项目（编号：201813573031Y）。
作者简介：陶柳（1997-），女，四川武胜人，研究方向为设施作物无土栽培和微型园艺装置设计。E-mail：
978377092@qq.com。
**通信作者：王长义（1975- ），男，山东济南人，副教授，研究方向为温室环境工程及园艺作物生理生态研究。E-mail：
cywang@jit.edu.cn。
[引用信息]陶柳，朱红，刘星辰，等.一种新型阳台水培装置的设计组装与应用[J].农业工程技术，2020，40（19）：76-79.
