兩種微型蔬菜栽培系統的研究

余碧霞，李萍，邱許風

(1.安慶職業技術學院 園林園藝系，安徽 安慶 246000；2.蕪湖東源新農村開發股份有限公司，安徽 蕪湖 241003)

城市建設與發展的日新月異，人民生活水平大幅度提升，也讓人們漸漸失去了與自然環境及植物生長接觸的機會[1]，生活少了一些泥土的氣息；同時城市建設留下了許多內部空間，利用率低。另外，環境惡化伴隨城市擴張而凸顯。為解決空間資源緊張，應充分考慮將城市的地下內部空間進行開發再利用[2]。

我國植物工廠技術和智能溫室水培蔬菜技術[3-4]日趨成熟，利用智能控制系統對溫濕度、光照強度、CO2濃度等因素進行調節，將這種大型植物工廠的技術集成到小型栽培空間內，研制出城市小空間可以有效利用的微型智能蔬菜栽培系統對城市居民來說非常有意義。

目前市場有了一些智能蔬菜栽培的機器，價格普遍較高。2010年，在中國上海世博會上亮相的低碳智能微型植物工廠，參照工業產品設計，選擇工業材質和加工制成工藝，對家用栽培、防空洞空間利用來說價格偏高。本文結合城市建設的預留人防工程防空洞空間、辦公樓、居民樓空間的利用情況，根據實用、經濟、美觀的原則，研制適合這些空間的微型蔬菜栽培系統，以方便居民使用。

1 整體結構設計

圖1 坐凳式栽培系統

城防工程、辦公樓、家庭等環境下，空氣流通性差，光照不足，空間有限。本研究就種植的空間和環境問題，設計了微型蔬菜栽培系統。其結構采用坐凳式設計和魚菜共生立體式設計，坐凳式設計可以替換原位于公共區域內的普通坐凳，增加空間利用和擴展使用功能，魚菜共生立體式設計可以充分利用立體空間，整體外觀結構設計見圖1、圖2。

圖1為坐凳式設計，采用封閉式結構，整個過程中采用溫濕度控制，確保在寒冷的冬季及炎熱的夏季環境實現全天候種植。外觀尺寸為長1200 mm、寬500 mm、高432 mm；外面四個角采用具有承重結構的支撐柱，而兩端的側面采用冷軋鋼板，另兩個面采用玻璃材質的擋板，可以觀賞到里面的蔬菜及植物；頂部內側安裝LED人工光源，右側安裝通風設施、溫控設備及開關控制面板；底部為營養液池。

圖2 層架式栽培系統

圖2為層架式栽培系統，屬魚菜共生立體式設計，采用開放型栽培結構，適用于溫度相對恒定的區域，充分利用自然環境條件的變化，根據不同的季節種植不同品種的蔬菜。外觀尺寸為長1200 mm、寬60 mm、高1880 mm；采用四層栽培架，充分利用空間，層高36 cm，可滿足葉菜類蔬菜、菌類等對栽培空間的需求；控制面板開關和環境檢測顯示置于頂部；每層安裝LED人工光源，底部為魚池，采用魚菜共生系統；兩側分別為供液管道和回液管道。

2 控制系統設計

栽培系統采用封閉式循環系統，內部需要進行溫濕度控制，且設備置于公共生活空間，沒有專門的技術人員進行管理和控制，因此宜采用S7-200PLC 系統。PLC系統性能穩定，便于實現人機界面及上位機接口的處理[5]，便于實現光溫濕度等環境條件的自動定時控制。系統由CPU224控制器和EM231模擬量輸入模塊組成，在設備外圍連接各類傳感器和控制器，采用TPC7062K 觸摸屏作為人機界面來設定系統參數或操作執行器運行(圖3)。

圖3 控制系統結構圖

系統通過溫濕度、液位、EC、PH傳感器采集栽培間內的溫度、濕度、營養液的可溶性鹽的濃度、酸堿度及營養液的多少，根據獲得的數值與設定值進行比較，從而控制栽培系統內部的光照、溫度、濕度，并為營養液的調配提供參考依據。

3 營養液循環系統設計

營養液具有省工、節肥、產量高、無污染、不受地區限制的優點，代替天然土壤向作物提供水分、養分，使作物完成其整個生命周期[6]；蔬菜和魚之間協同生長，水生動物排泄廢物，細菌將廢物轉化成營養，植物吸收營養為水生動物改善水質，達到魚菜共同生長并且收獲2種農產品，實現養魚不換水而無水質憂患種菜不施肥的生態共生效應[7,8]，實現動物-植物-微生物三者之間達到和諧共生的平衡關系。不管是營養液還是水生動物排泄物，在栽培系統中，營養液循環控制對于蔬菜栽培系統而言是最重要的一部分，通過營養液和水生動物排泄物的合理循環確保蔬菜生長過程中所需要的營養成分，培養出放心使用的健康蔬菜，其循環系統的合理性顯得尤其重要。

營養液的輸送方式采用并聯循環供應的方式，如圖4所示，此種方式的作用原理即通過抽吸水泵，把營養液箱或魚池內的營養液抽出來，對各層架的栽培槽進行并排式供液，設置供液閥門和回液插芯，確保供液時每一層栽培架能同時供應營養液，在另一側安排回液管道，將多余的和循環的營養液統一回流，進入營養液箱或魚池，經過殺菌過濾后繼續循環。

圖4 營養液并聯循環供液方式示意圖 圖5 營養液殺菌示意圖

此外營養液的供應循環時間，會直接影響營養液的供應和所需氧氣的量，重要的是蔬菜根系氧氣供應量，根系的氧氣是否充足對蔬菜的成長有比較大的影響，氧氣不足，會造成根系呼吸不足，從而影響地上部蔬菜的生長，根據理論來說，，靜止的水會造成水中溶氧量不足，不能滿足蔬菜根系對氧氣的吸收，若營養液24 h循環，蔬菜的生長效果較好[9]。但營養液一直處于循環流動的情況下蒸發量大，水量消耗多、會造成生產成本大幅度增加，同時抽水泵的使用壽命會大大縮減，因此在考慮使用間歇式營養液循環輸送方式，一般采用每次循環將營養液槽中的營養液全部更換一遍為原則，參考試驗數據，循環周期設計15分鐘開，30分鐘停，選取小功率靜音水泵。

營養液殺菌采用UV紫外線消毒燈潛水殺菌過濾凈化設備，如圖5所示，水從進水口進入設備→經過過濾棉過濾，高密度聚脂纖維，過濾掉雜質、殘渣、浮游物→活性炭層除去異味、色素、腥味等→紫外線殺菌燈殺死細菌、病菌、綠藻、有害物質等；為紫外線對人體有傷害，采用封閉式安全結構設計。

4 LED人工光源設計

光照是蔬菜生長必不可少的環境因子，不同的光強、光周期、光質對植物的光合作用、形態建成和營養品質等方面具有顯著重大的影響，有研究資料表明，蔬菜對420～720 nm的光源敏感[10]，吸收的主要是紅澄光610～720 nm，可明顯促進作物生長，以及藍紫光400～510 nm，可促進葉綠素和干物質的積累與分配[11]。本栽培系統采用LED植物生長燈，使用不同波長的LED燈芯進行集成試驗，使合成的光譜能夠滿足蔬菜生長對光源的需求，同時考慮不同LED燈芯的光線顏色對人眼造成的刺激，在綜合考慮植物生長的需求、蔬菜的品質及對人眼的刺激等方面，通過栽培生菜、芝麻菜、松柳和碗豆芽苗菜的試驗，發現LED燈芯組合配比中紅∶藍∶白=3∶2∶1對株高、葉面積、單株重效果最好，對眼球刺激性較小，避免對人眼和室內造成的視覺沖擊，LED燈的連接線路采用并聯方式。

5 結語

當前，我國城市建設發展迅速，城市內部可利用空間越來越有限，為充分利用好城市建設中的人防工程、辦公樓、家庭空間，設計出適合在這些空間進行蔬菜種植的微型蔬菜栽培系統。經過多個蔬菜品種試驗和系統試驗，同時對這些空間的環境進行檢測，相比市場上的其他類似產品，本文研究的微型蔬菜栽培系統能耗低、成本低，可以結合空間大小靈活運用。第一種坐凳樣式的蔬菜栽培系統，功能多用，可置于人們休憩場所的公共空間用來栽培蔬菜，同時還可以用來美化空間。第二種魚菜共生立體式蔬菜栽培系統，可在防空洞等空間使用，培育蔬菜，美化環境，進行養殖。魚菜共生式蔬菜栽培系統充分利用魚類的糞便形成微性循環生態系統，培育的蔬菜安全健康，無農藥和重金屬殘留，亞硝酸鹽含量極低，滿足我們對健康蔬菜的需求，增加種養殖的樂趣。