北京市夏季屋頂菜園設計及自動化灌溉技術應用

【摘要】屋頂菜園是屋頂綠化的重要方面，夏季屋頂菜園存在費工費水，管理難度大的問題，通過集成基質根區改造和應用太陽能自動灌溉測控一體化設備實現了屋頂菜園的智能化水分管理，達到了節水省工的目的。

屋頂綠化是指在樓頂、陽臺和露臺等離開自然土壤的建筑物頂面上進行的植物栽培，包括屋頂綠化、垂直綠化及市民家庭在自家屋頂上或陽臺上設立小花園、小菜園、小果園、小草藥園等。如果選擇種植具有經濟價值的蔬菜、水果乃至藥材，則不僅有利于美化環境，還可收獲一定數量的農產品。

由于城市規模的快速發展，北京市的水資源和可用于綠化的土地資源短缺，在城市用地緊張，地價昂貴的情況下，開發屋頂綠化技術對于緩解北京市綠化土地資源緊缺和改善生態環境具有重要作用。此外，屋頂綠化還可以為屋頂提供額外的保溫和隔熱作用，達到降低夏季室內能耗、增加空氣濕度的作用，并有吸收空氣中污染氣體、降塵等作用。以北京市現有屋頂面積2億m2計，若10%進行屋頂綠化，則綠化面積應達2000萬m2。因此，北京市發展屋頂綠化潛力巨大。

隨著環境意識的增強，屋頂綠化在國外方興未艾。例如瑞士鮮花小鎮尼永城內從建筑的外墻到屋頂到處都是鮮花和綠植，整個小鎮就是一片花海。漫步其中，猶如進入畫境，屋頂綠化成效顯著。盡管中國和瑞士氣候特點不同，但發展北京特色的智能化屋頂花園，對于改善北京空氣質量，也將起到重要作用。為此，試驗嘗試在北京樓頂應用智能水肥一體化新技術改善根區水肥供應種植蔬菜，利用測控一體自動灌溉新技術來克服根區水分供應的生長障礙，實現屋頂蔬菜栽培的科學管理和省水省力。

北京地區地處暖溫帶南端，氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，晝夜溫差大，日照充足、雨量較少，呈現出夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促，年平均氣溫13.3℃。極端天氣最低溫度為零下27.4℃，極端天氣最高溫度為42℃以上。全年無霜期180～200天，降水季節分配很不均勻，全年降水的80%集中在夏季6～8月份。因此北京氣候特點為春季冷暖空氣活動頻繁，氣溫多變，日較差大，易發生大風、沙塵天氣；夏季炎熱多雨，是雷暴、大風、強降水等對流性天氣的多發季節；秋季晴朗少雨，舒適宜人；冬季寒冷干燥、多風少雪。與地面相比，高層屋頂具有光照強、溫度變化快、風速大、土層薄、水分易蒸發等特點，在植物選擇上受到一定限制，對水分灌溉頻度要求較高。

材料與方法

試驗地點

高層屋頂光照強、風速大、土層薄、水分易蒸發等特點限制了栽培植物的類型，特別是耗水量大的蔬菜不易栽植，在植物選擇上受到一定限制，因此屋頂綠化大多數植物均選擇高度小、根系淺、抗風、耐寒耐旱易管理的種類，而大多數蔬菜品種不符合這些特點，因而建立屋頂菜園難度較大。要想建立屋頂菜園，必需考慮配套灌溉設施。試驗于2016年5～10月，在北京市豐臺區南四環西路188號3區2號樓中電投遠達環保工程有限公司的7層樓頂進行，樓頂東西長16 m，南北寬12 m，總面積約192 m2。

試驗材料

蔬菜品種

屋頂花園常用的綠化植物主要為景天科植物、蔥類植物、菊科植物等耐旱保水植物，如佛甲草、垂盆草、三七景天、八寶景天等。然而長時間、大面積的栽培某種植物，會導致群落結構脆弱，從而造成植物退化、病蟲害增加等情況，使植物大面積死亡。此外，以上植物均屬綠化植物，基本沒有食用價值和經濟價值。而在屋頂種植蔬菜不僅具有綠化效果，還可以滿足城市居民采摘新鮮蔬菜的需求，有明顯的經濟價值，因此該設計方案選擇蔬菜作物構建屋頂菜園，蔬菜品種類型包括速生低矮的韭菜、小白菜等葉菜以及栽培期較長且連續采收的番茄、辣椒類果菜類園藝作物進行栽培。

栽培基質

由于屋頂的承重能力有限，屋頂綠化的基質不能直接采用容重較大的園田土，需要人工專門配制重量輕，易于搬運的栽培基質，對基質的要求是環保、吸水保水、適氣性好、保肥供肥和pH適宜。為此試驗采用園田土﹕草炭﹕蛭石體積比為5：3：2的栽培基質，并適當增施有機肥的方法，既降低了栽培成本，又改善了植物的根區環境，特別是在根區增施的草碳蛭石基質在一定程度上提高了根際的保水保肥性。

試驗方法

由于屋頂植物基質淺，保水能力差，養分容易流失，加上屋頂綠化的下墊面大都是混凝土，且屋頂日照強度大、風力大，植物蒸騰作用強烈，導致栽培基質容易缺水，因此，試驗采用太陽能供電的智能膜下自動滴灌系統可根據土壤水分含量值的變化隨時供水來解決供水問題，同時還具有保水、節水效果。

應用的栽培技術

溫室育苗

針對北京地區早春氣候不穩定的特點，對番茄、辣椒等果菜類蔬菜采取在日光溫室內4月初進行基質穴盤育苗，保證幼苗生長的溫光水肥條件，待蔬菜苗生長健壯后，5月份直接定植即可使植物根系發育良好，迅速獲得獲取水分的能力。

根區基質改良

為了解決屋頂土壤栽培土層薄、保水性差的問題，在原有栽培土基礎上，按體積比增加施用草碳及蛭石，在園田土栽培槽中部開挖“V”形溝，填入保水性良好的草炭：蛭石體積比為3：2的栽培基質以改善根區環境，提高基質的保水保肥性，然后將果菜穴盤苗栽培到草碳蛭石基質中。

鋪設地膜及膜下滴箭

在栽培基質槽表面鋪設黑白雙面膜（白面向上，黑面向下）以對栽培基質進行保濕，防止水分蒸發的同時還能降低白天地溫，這樣不僅保溫保濕效果良好，而且還可防止雜草滋生。可將滴箭與水分傳感器同時插至植株根區附近。

太陽能肥水一體化自動灌溉

屋頂蔬菜栽培直接使用自來水為灌溉水源，在水源端加設手動開關和電磁閥開關，智能灌溉時手動開關打開即可。由于屋頂蔬菜栽培，蒸騰耗水多，因此如何及時灌溉是保證蔬菜正常生長的關鍵。為此試驗應用了美國ANC公司上海艾美克生產的GC001C太陽能自動灌溉控制器（圖1），此灌溉控制器可根據設置的土壤濕度上下限，自動控制電磁閥的開關，與滴灌管系統配套使用，實現節水科學灌溉，設備所有供電均由太陽能光伏發電后充入電池提供。該控制設備是在滴灌系統供水系統前端安裝太陽能自動灌溉控制器包括水分傳感器、電磁閥、電池及太陽能板充電裝置。其工作原理是土壤濕度傳感器周期性采集土壤水分數據，送到灌溉控制主機，控制主機根據收到的數據，自動分析基質含水量值的范圍，當基質水分低于設定值35%時，將開啟電磁閥開關，對栽培基質進行灌溉，當水分含量達到上限值43%后，則停止灌溉，從而通過對蔬菜根區供水的科學管理實現了節水省工高效。

應用效果與結論

2016年夏季通過應用新技術改進屋頂菜園栽培管理實際應用（圖2），基于基質栽培與智能灌溉新技術的屋頂菜園設計方案在生產應用中取得了良好的應用效果，在保證蔬菜正常生長水分需求的同時，具有省水省工，降低人工成本等優勢，此外，該技術的智能化改造投入并不高，僅1000多元。實踐結果表明，蔬菜生長旺盛，收獲了較多的蔬菜產品。

由此可見，在屋頂菜園中應用智能化自動灌溉控制水分供應結合基質栽培，可以保證屋頂菜園的水分供應，克服人工灌溉供水不及時、灌溉量過多等問題，解決屋頂菜園植物灌溉管理的問題，實現屋頂蔬菜的正常生產，表明應用測水灌溉控制技術可以實現對屋頂園藝作物水分的按需供應，同時結合根區栽培基質改良和地膜覆蓋，提高了保水蓄水性，可以保證蔬菜植物的正常生長。在實際應用中，屋頂綠化多采用園藝耐旱植物，但由于北京干濕分明，如果完全依靠雨水灌溉，無法滿足植物需要，憑經驗人工灌溉，又費工費水，因此采用精準測水灌溉技術，擴大了屋頂栽培植物的種類范圍和面積。使屋頂植物栽培不僅適用于花卉、草坪等園藝植物栽培，還可用于蔬菜栽培。屋頂菜園設計方案擴展了城市屋頂綠化的植物種類，為屋頂綠化應用開辟了新途徑，有助于在城市中更廣泛地推廣應用屋頂綠化技術。

參考文獻

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項目支持：北京市農委農業科技項目（20160149），中國保加利亞政府間科技合作項目（15-8）和農業部園藝作物生物學與種質創制重點實驗室資助項目。

通信作者：賀超興（1965-），男，陜西銅川人，研究員，研究方向：設施蔬菜栽培。

[引用信息]熊樂歌，賀超興.北京市夏季屋頂菜園設計及自動化灌溉技術應用[J].農業工程技術，2017，37（34）：69-71.