蚯蚓護苗裝置

徐俊科 黎沐函

一、提出課題

在參加楊梅樹栽培實踐活動時，我們聽實踐活動基地的負責人說，第一年楊梅幼苗被移栽后因為雜草多、干旱、病蟲害等因素出現了大面積死亡現象，成活率不到50%。實踐活動結束后，老師布置了一項作業，要求思考提高移栽的楊梅幼苗成活率的方法。我們兩個對生物很感興趣，于是在老師和家長的幫助下一起就這個問題進行研究。

二、設計思路

蚯蚓在土壤中以腐爛的有機物為食，蚯蚓糞便中的無機鹽可以為楊梅提供營養，同時改良土壤，增加土壤肥力，而且蚯蚓和楊梅都喜歡濕潤的環境，所以，我們想到設計一種裝置，覆蓋移栽的楊梅幼苗周圍一定范圍并通過其中的蚯蚓飼養裝置為移栽的幼苗創造適宜生長的環境，從而提高幼苗成活率。“覆蓋”指用玻璃、塑料等材料制作的部件蓋在苗木周圍，防止雜草生長和水肥流失。“蚯蚓飼養裝置”是安裝在覆蓋材料上的一個可以裝取的活動部件，其底部有許多小孔，有利于水肥向下滲透。

三、檢測土壤濕度

我們設計土壤濕度檢測實驗，以通過檢測不同土壤的濕度來確定自動澆灌的土壤濕度值。

（一）實驗步驟

第一步，分別到果園、菜地、農田采集土壤，用保鮮袋封裝保濕。

第二步，在實驗室里，用手分別握緊不同的土壤樣本再松開，分別記錄松開后土壤樣本的狀況。

第三步，用土壤濕度傳感器檢測不同土壤樣本的濕度，具體情況見表1。

第四步，把所有的土壤樣本分別稱重100 g并放入盤子，在盤子上分別貼上標簽1、2、3、4、5、6，再放入電烤箱中調溫至230 ℃烘烤35 min，烤干土壤樣本，然后計算各種土壤樣本的含水量，具體數據見表2。

（二）實驗現象分析

通過檢測以及分析用手握緊再松開后土壤樣本的狀況，得出濕度為25%～30%的土壤最適宜植物幼苗生長，所以將自動澆灌的土壤濕度值定為25%。

四、制作裝置

（一）總體方案

在實驗研究的基礎上，根據裝置的功能要求，我們設計了蚯蚓護苗裝置的總體技術方案。蚯蚓護苗裝置主要由四個部分組成：幼苗環境部分、蚯蚓飼養盤、供水模塊、控制模塊。當土壤濕度低于設定值（25%）時，蚯蚓護苗裝置中的噴頭就會往蚯蚓飼養盤內噴水，水流經蚯蚓飼養盤后浸入土壤，同時把蚯蚓分解有機物產生的無機鹽等養分帶入幼苗根部，達到澆水、施肥以提高移栽幼苗成活率的目的。

（二）主要部件構造

幼苗環境部分由2塊護苗板和4個護苗支架構成。蚯蚓飼養盤被卡在護苗板上，大致置于幼苗根系邊緣上方，底部和四周有均勻分布的小孔，既能防止蚯蚓鉆出去，又能讓噴淋的水及時澆灌幼苗根部。蚯蚓飼養盤有一部分露出地面，有利于水肥被幼苗根系充分吸收。

供水模塊由1臺自吸泵、水管和2個直徑為0.5 mm的噴頭構成。主進水管設計在兩塊護苗板連接處下方，利用鎖卡卡住，到中央分為兩根進水管，分別延伸到蚯蚓飼養盤上方。

控制部分由12 V直流供電電源、太陽能電池板、5 V降壓板、STM32單片機核心板、0.96寸OLED顯示屏、濕度繼電器、土壤濕度傳感器、UG NX綜合建模并3D打印成的控制盒等構成。護苗板上立一個支架以托住太陽能電池板，電源連通5 V降壓板、STM32單片機核心板、濕度繼電器、土壤濕度傳感器和OLED顯示屏。

（三）控制流程

主程序每500 ms讀取一次土壤濕度傳感器經過模數轉換的土壤濕度值。設定的土壤濕度值下限為25%，連續檢測20次土壤濕度，如果土壤濕度值均低于25%，則控制自吸泵的繼電器吸合（為防止人為或電壓波動導致誤動作，只要有一次土壤濕度值高于25%，則檢測次數清零，重新檢測），自吸泵開始工作，通過噴頭向土壤噴水23 s，隨后程序控制繼電器斷開自吸泵電路。之后重復以上控制流程。

（四）制作過程

我們購買制作蚯蚓護苗裝置所需的材料，在老師的指導和幫助下，按照設計方案制作蚯蚓護苗裝置。

1.用硬塑料等材料制作兩塊中間帶有半圓形缺口的護苗板，再將它們組裝在一起，用卡扣固定，中央剛好留出可調節大小的固定幼苗的位置。然后在護苗板上設計兩個對稱的圓孔，用來放置蚯蚓飼養盤。

2.把制作好的蚯蚓飼養盤置于護苗板上的圓孔內。

3.連接水管和自吸泵，在延伸到蚯蚓飼養盤上方的水管端口安裝噴頭。

4.組裝控制部分。在護苗板上安裝支架，將太陽能電池板裝在支架上。然后，將電源與5 V降壓板、STM32單片機核心板、濕度繼電器、土壤濕度傳感器和OLED顯示屏等連接。

5.往控制盒內倒入土壤，移栽幼苗后將護苗板和控制盒組裝在一起，再用護苗支架固定幼苗。接著，將濕度傳感器插入土壤，連通電路。

五、測試與實驗

（一）性能測試

我們打開電源開關，土壤濕度值顯示為60%，這時繼電器沒有吸合自吸泵電路，自吸泵沒有啟動。隨后將土壤濕度傳感器拔出，置于干燥的土壤中，顯示土壤濕度值為1%，控制自吸泵的繼電器吸合，自吸泵開始工作，通過噴頭向蚯蚓飼養盤噴水23 s，清水經過蚯蚓飼養盤流到幼苗根部，達到灌溉和施肥的目的。通過多次測試，裝置性能穩定，滿足設計要求。

（二）實驗過程

1.選取兩棵大小、高矮和根的生長情況基本相同的楊梅幼苗。

2.用枝剪把根部剪齊，同時剪去部分葉片和上部三分之一的枝條，以減少葉片的蒸騰作用。

3.在同一果園土質相同的兩個地方栽種兩棵楊梅幼苗，兩者相距5 m左右，注意使根部充分展開，覆土后壓緊根部（讓根與土壤緊密貼合），同時澆好定根水。

4.其中一組不用蚯蚓護苗裝置，將其設為A組；另一組利用蚯蚓護苗裝置，將其設為B組。

（三）實驗現象

去年2月15日移栽楊梅幼苗后，每個星期觀察一次。第一個月兩組沒有明顯區別。從去年4月開始，A組附近長有雜草，B組附近基本沒有雜草。去年5月，B組幼苗生長正常，A組幼苗出現營養不良，有的雜草已經長至幼苗的高度。去年6月，明顯能看出B組幼苗長得比A組幼苗旺盛，B組幼苗的枝條比A組的大約長4厘米。去年7月，B組樹苗的生長優勢更加明顯。去年8月至10月，由于天氣干旱和雜草太多，A組樹苗基本沒有生長，還出現了葉片發黃的現象，B組樹苗仍然正常生長，枝條比A組的長20厘米。這足以說明，蚯蚓護苗裝置對移栽的楊梅幼苗成活率的提高和生長有明顯的效果。

六、創新點

蚯蚓護苗裝置將護苗板組件、蚯蚓飼養盤和自動噴灌系統相結合，創新了幼苗移栽設備；利用蚯蚓分解菜葉、果皮等產生有機肥料，創造適于幼苗生長的環境，創新了提高苗木成活率的方法。在推廣使用時，會考慮用電磁閥代替自吸泵來實現功能。

（指導老師：潘道正? ?王普獻? ?徐智）

專家點評

徐俊科、黎沐函同學的蚯蚓護苗裝置是一件富有內涵的原創性發明作品。

這個作品乍看似乎并無過人之處，然而，你認真看完作品產生的過程，了解它的作用與效果后，會由衷地感嘆與贊美。

這個作品產生的過程，突出體現了：其一，指導老師和學生的科創態度端正。從校園學習實踐活動中獲得了課題，就實實在在地進行探究，注重創新成長，而不是總想弄個奪人眼球的題目去獲獎。淡泊名利、弘揚中國科學家為祖國和人民的奉獻精神，這正是新時代科創實踐活動所倡導的。其二，把握了科學研究的基本規律，遵循了學生認知規律和身心發展的基本規律。我們常說，青少年的科創實踐“心動不如行動，行動不如‘聰動”，這表明，我們有了創新的熱情還不夠，還要敢于行動。而行動不是盲目的，是要有科研智慧與方法指導的。其三，這個作品既維護了生態平衡，又讓植物生長得更好，簡單實用，是一個“常規問題‘精細化”的典型作品。