旋轉式水培設備的設計與試驗

徐迪娟，胡瑤玫，李小杰

(北京農業職業學院，北京 102208)

0 引言

隨著城市化的不斷發展，城市人口越來越多，城市人均居住面積不斷減少，城市綠化面積也越來越有限；加之生態環境的不斷惡化，陽臺農業逐漸成為社會關注的熱點，對小型化栽培設備的需求也隨之加大[1-2]。小型化無土栽培是傳統大型無土栽培的分支[3]，利用小型水培裝置種植蔬菜花卉，不僅能為家庭提供新鮮健康的農產品，同時也因其潔凈、美觀、簡易的特點達到改善居室環境的目的[4-5]。

陽臺農業的主要種植地點為陽臺，其空間種植的局限性是由陽臺的客觀性所決定的。在陽臺上進行農業活動，受到陽臺朝向、面積等因素影響，光照條件差且空間有限，相對傳統水培技術，對設備的方便性、采光性、空間利用率及生產效率等要求更高[6]。目前，國內尚缺乏專門研究開發生產和銷售家庭用水培裝置的企業，造成水培技術難以廣泛應用于陽臺農業[7]。國內現有用于家庭栽培的小型水培設備主要包括水培箱、復合式水培設備及分體式水培設備等，其主要特點是結構復雜，移動困難；放置在陽臺上，光照面單一，植物出現向陽效果明顯，易出現黃葉、死葉等現象；生長不勻稱，管理不便且生產效率低，因此無法得到大范圍推廣應用[8-9]。

本文根據陽臺采光特點，通過分析傳統小型水培設備存在的問題，設計了一種可移動旋轉式水培。其通過定時、自動旋轉及營養液定時自動循環，保證作物光照均勻性，提高空間利用率和單位面積產量。

1 整體結構及工作原理

1.1 整體結構

移動可旋轉式水培設備由栽培盤單體、旋轉裝置、營養液循環裝置、集水桶、定時器和行走輪組成，如圖1所示。

1.主水管 2.連接管 3.萬向輪 4.集液桶 5.栽培盤單體 6.進水管

其中，旋轉裝置主要包括旋轉電機和皮帶輪等；營養液循環裝置包括供液電機、水泵、主水管、進水管及連接管，主水管安裝于空心立柱內，連接管用于連接上下兩相鄰栽培盤；栽培盤單體均勻安裝在立柱上，承載營養液和植物；設備旋轉電機和供液電機均位于集液桶內，由安裝在集液桶側邊的定時器控制。

1.2 工作原理

設備主要完成旋轉和供液兩部分工作。設備旋轉工作由旋轉電機通過皮帶輪帶動立柱旋轉，保證設備不同方向植物受光的均勻性。當旋轉電機供電時，定時器獲取實時時間，若時間在設定旋轉工作時間范圍內，電機工作；否則電機不工作。設備供液電機通過定時器控制普通水泵定時供液，營養液通過集液桶-主水管-進水管-栽培盤-連接管-集液桶實現循環。設備底部安裝4個萬向輪，使設備的移動更加方便、省力。

2 主要部件設計

2.1 栽培盤空間布局

根據植物對光照的需求，在栽培盤單體空間布局設計時應保證栽培盤內所有植物均可受到陽光照射。栽培盤空間設計如圖2所示。

1.立柱 2.栽培盤

當栽培盤單體固定安裝時，上下兩栽培盤豎直間距計算公式為

hmin=R·arctanα

(1)

其中，R為上下兩相鄰栽培盤沿太陽入射方向水平最大距離；hmin為上下兩相鄰栽培盤在豎直方向最小間距；α為一天中最大太陽高度角。在傳統立式水培設備的設計過程中，一般通過增加豎直間距h或減小R保證栽培盤內所有植物可接受陽光照射，且在背光面不安裝栽培盤。相對于水平水培設備而言，立式水培設備雖在一定程度上提高了空間利用率，但仍存在利用率較低的問題，且受陽臺環境影響，植物多為單面受光。

栽培盤單體圍繞立柱做圓周運動時，在計算栽培盤空間布局時計算公式中R變為栽培盤距立柱最大距離R′(見圖2)。在栽培盤結構相同條件下，上下兩相鄰栽培盤豎直間距h僅為固定式的1/2，且保證了植物不同方向受光的均勻性。

2.2 營養液循環系統

生長在營養液中的根系呼吸所需的氧主要來源于營養液和地上部分輸送到根系的氧，一般不耐澇漬的旱地植物主要利用營養液中的溶存氧[10-11]。在水培設備中，植物長期生長在營養液中，若營養液靜止不動，營養液中氧氣濃度不足，影響植物根系細胞分化，使根毛減少、根系活力降低、吸收功能減弱，最終影響植物最終產量和品質；且容易導致栽培盤中營養分布不均勻，造成作物生長不均衡，影響植物整體素質和整齊度[12-14]。

為保證植物生長過程中培養盤內溶氧量和營養的均勻性，本設備在傳統水培設備基礎上加入營養液循環系統，以實現營養液定時并自動循環。其工作原理為：種子或幼苗種入栽培盤，加入營養物質后，營養液循環裝置總開關打開，設備供液電機定時器獲取實時時間；若在設定循環時間范圍則打開供液電機，營養液通過主水管輸送至裝置頂部栽培盤，各栽培盤通過連接管連接；當上層培養盤內營養液達到設定要求時，營養液溢出流入下層培養盤，最終流回集液桶，實現營養液定時及自動循環。

從初至走時反演得到的速度模型構成了更復雜的正演試錯模擬的起點。這項技術為使用解釋人員在地震記錄上識別出的后續震相（包括折射和反射）建立復雜多層的地球模型提供了可能。因此，這樣的模擬過程有高度的客觀性。它包括運動學（走時）和動力學（振幅）信息，使模型計算數據與記錄數據更加符合。

2.3 立柱轉速

植物在環境光照發生變化時，其光合特性不會馬上隨之變化，存在 “光合滯后”現象[15]。其主要原因是：1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶活性的變化及氣孔關閉和開放均需一定時間的生理調節[15-16]。利用植物的“光合滯后”原理，在傳統固定水培設備的基礎上，設計了一種電動旋轉機構，使設備不同方向植物葉片均可接受間歇式陽光照射，在一個圓周運動周期內，植物葉片光環境雖發生改變，但其光合速率不會發生明顯變化。

3 栽培試驗

3.1 材料與方法

3.1.1 試驗設計

為確定最佳立柱轉速并對設備效益進行評價，設計了不同轉速下對比試驗。試驗中可旋轉式水培設備設置5個不同立柱轉速(1、2、3、4、5r/min)作為5個處理，以傳統固定式水培設備作為對照，每個處理均設2組重復。試驗過程中均種植 “意大利奶油生菜”，于2016年4月將生菜幼苗移栽至栽培盤內，每盤6株，30天后收獲。

收獲前1天進行光合參數測定，測定過程分別在每組處理中選取兩個不同方向(方向1、方向2)上3片結構葉進行測定。可移動式水培設備中任選一方向作為方向1，與其相差180°方向為方向2；對照組中方向1為向光面方向，方向2為背光面。

3.1.2 測定項目與方法

光合特性參數采用美國Li-6400便攜式光合作用測定儀測定，測定內容包括：凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、細胞間隙CO2濃度(Ci)。測定過程中光強約為(720±20)μmol/(m2·s)，大氣溫度(23±1)℃，大氣CO2濃度變化范圍為(360±10)μmol/L。

收獲后分別測定每組處理下生菜根長、根體積及總產量，并計算單株平均鮮重及單位面積產量，單位面積產量計算時面積為設備所占陽臺地面面積。

3.1.3 數據統計分析

試驗數據采用SPSS11.5軟件進行統計分析，方差分析采用軟件的ANOVA過程處理，顯著性檢驗采用鄧肯式新復極差法。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 光合特性

不同轉速下不同方向葉片光合特性各指標對比，如圖3所示。

(a) Pn (b) Gs

(c) Ci (d) Tr

可旋轉式水培設備不同立柱轉速對比試驗表明：各方向光合特性變化趨勢相似，當轉速小于3r/min時，隨立柱轉速增大，生菜葉片光合特性各指標均隨之增大；當立柱轉速為3r/min時，光合特性指標達到最大值(見表1)；當轉速大于3r/min時，隨立柱轉速增大，葉片光合特性各指標均開始下降。當立柱轉速過小時，各方向葉片均間歇性接受陽光照射，但由于轉速過慢，葉片光合作用出現間歇性增大和減小現象，光合作用不連續；當立柱轉速控制在3r/min附近時，葉片雖間歇性接受陽光照射，但由于光合“光合滯后”現象，葉片處于背光時間段內光合作用未出現明顯變化，葉片可連續進行光合作用；當立柱轉速大于3r/min時，雖各方向葉片均可接受充足光照，但由于轉速過大，營養液出現不均勻分布現象，影響養分供應，光合特性各指標出現下降趨勢。

最佳立柱轉速(3r/min)與固定式水培設備不同方向光合特性各指標如表1所示。與對照組(固定式)相比，在向光方向(方向1)，可旋轉式水培設備在各轉速下光合特性各指標值均小于固定式設備。主要原因是固定式設備栽培盤固定，向光面葉片接受持續光照；而可旋轉式水培設備栽培盤圍繞立軸旋轉，葉片間歇性接受陽光照射。在背光方向(方向2)，可旋轉式水培設備表現出明顯優勢，葉片光合特性各指標均明顯大于固定式，凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、胞間CO2濃度分別為處理2的1.67、1.74、2.07、1.91倍。主要原因是固定式水培設備背光方向葉片不能接收陽光直射，僅依靠反射光進行光合作用，光合特性各指標極低，遠小于方向1；而可旋轉式水培設備中不同方向葉片均間歇性接受陽光照射，光合特性與方向1近似。假設植物向光部分與背光部分相等，則可旋轉式水培設備生菜光合特性為固定式水培設備的1.19(Pn)、1.11(Gs)、1.15(Ci)、1.22(Tr)倍。

表1 固定式和最佳轉速下水培設備不同方向葉片光合特性

3.2.2 根系及產量

不同處理下生菜根系及最終產量，如表2所示。

表2 不同處理下生菜根部發育及產量

與對照組(固定式)相比，可旋轉式水培設備均表現出明顯優勢。最優轉速下生菜根長平均高出對照組3.72cm，根鮮重平均高出32%。試驗過程中可旋轉水培設備營養液定時循環，使營養液保持穩定可靠的溶氧量和養分含量，為生菜根系提供良好的生長環境；固定式水培設備中營養液靜止不動，在整個生長期內僅少量更換營養液，隨著生菜根系生長及對營養液中養分吸收，營養液溶氧量和養分含量不斷減少，影響根系細胞分化和養分吸收，造成生菜根系生長受阻，最終影響生菜產量。

不同處理下生菜最終產量對比可知：最佳立柱轉速(3r/min)下，生菜單株產量最高(21.33g)，是對照組(固定式)的1.24倍，單位面積產量是對照組的2.97倍，表現出顯著優勢。其原因：在3r/min時，生菜葉片光合作用最強，且營養液定時循環，保證了氧氣和養分的充足供應。此外，在設備高度和單個栽培盤面積相等的條件下，固定式水培設備栽培盤僅有5個，而可旋轉式水培設備栽培盤則為12個，大大提高了設備空間利用率和單位面積產量。

4 結論

1)設備可實現定時、自動旋轉。通過電機、定時器、皮帶輪使水培立柱實現定時自動旋轉，保證了水培作物的光照均勻度，提高了太陽光能利用率，增強了作物光合作用，從而提高了作物的產量和品質，也方便了作物的種植和采收。

2)設備移動方便、省時、省力。水培設備整體質量較大，通常在30～50kg以上，通過在集液桶下方安裝萬向輪，使水培設備的移動變得更加方便、省力。

3)營養液定時自動循環。采用普通循環水泵控制營養液的循環，通過簡單的定時器，即可自動控制每天營養液的循環時間，在保證作物正常生長的同時節約能源。

4)空間利用率高。采用立體栽培，將空間利用率最大化，提高了單位面積產量。

5)試驗結果表明：與傳統水培設備相比，移動可旋轉水培設備平均提高生菜光合特性19%(Pn)、11%(Gs)、15%(Ci)、22%(Tr)倍，單株產量提高24%，根鮮重提高32%，單位面積產量提高197%。

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