轉動式種植裝置開發及種植土壤保水性測試

摘 要：針對土壤缺少水分、環境嚴重污染和土地荒漠化等農業種植困境，提出了一種立體化農業的有效策略——轉動式光肥均等化種植機，應用于綠色蔬菜種植。由鏈輪傳動的轉動式光肥均等化種植機嘗試在有機蔬菜種植中實現產品均等化、生產自動化、土培和水培相結合、空間立體化、環境可控化，該裝置鏈條傳動每天轉8趟，通過控制箱控制土壤與營養液接觸的時間，整機運行動力由無刷電機提供，蔬菜種植槽在軌道上由鏈條帶動，移動可無級調速。通過以上操作可使營養液與土壤接觸更加充分，從而實現對土壤濕度的控制調節，有利于深入探究土壤濕度對蔬菜根部水分的影響，并通過開展土壤濕度變化測量實驗，收集及處理物聯網系統數據，探究不同土壤的保水性規律。

關鍵詞：轉動式種植裝置；保水性；種植介質；濕度測試

中圖分類號：S237" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）04-0037-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.04.009

0" " 引言

相關調查顯示，每年每500 m2的蔬菜大棚里會產生大約1.2 t的農業廢棄物，且大量農業廢棄物沒有得到有效的回收利用[1]。

當今社會，隨著人口的不斷增長以及經濟的加速發展，人們的生活水平日益提高，對身體健康的重視程度也與日俱增，這使得人們對農產品的質量要求也在持續提升，在此背景下，傳統的大批量生產的農業生產方式已難以滿足人們對于高品質蔬菜的需求[2]。

當前，設施農業已然成為蔬菜生產的一種重要方式。通過這種蔬菜種植方式，能夠對蔬菜的生長環境進行人為調節，諸如溫度、濕度、土壤養分等條件均可實現調控，并且還能科學地控制化肥和農藥的用量，進而有效提高蔬菜的質量[3]。

基于上述情況，本文提出了一種轉動式光肥均等化蔬菜種植機，它具備以下優點：種植面積相對較大，可用于種植多種類別的蔬菜及稈莖類植物；此外，該種植機尤其適用于降水稀少、干旱等土地貧瘠的地區，能夠為當地提供開展蔬菜種植所需的設備支持。

1" " 實驗準備

1.1" " 設計思路

在設計機器前，可以把轉動式蔬菜種植機的設計思路歸納為多個方面：機械結構設計、種植系統設計以及智能控制系統設計。

轉動式光肥均等化蔬菜種植機運用機械化種植技術，通過優化電路設計并提高機械自動化效率，可以實現對蔬菜生產的自動化操作，大大提高了種植的效率和產量。機器種植光照和營養供給科學合理，能夠促進植物生長，穩定產量，同時減少了對土地、水資源和化肥的浪費，有利于優化資源利用，實現農業的可持續發展，縮短植物的生長周期，增加產量。另外，機器種植還減少了生產過程中的人工勞動，節約了人力成本，提高了蔬菜的質量和商品價值[4]。

在機械結構設計方面，轉動式蔬菜種植機需要具備良好的穩定性和機動性，因此機械結構設計應考慮重量均衡、懸掛系統設計等，設計長1.2 m、深0.3 m的種植槽，以適應不同類型和尺寸的蔬菜種植。

針對種植系統的設計，可使用高效的種植系統，如滾筒式種植系統或帶有自動播種裝置的種植系統，以提高種植效率。考慮到不同蔬菜的種植要求，種植系統應具有種植深度調節和行距設置功能。另外，計劃引入灌溉系統，根據土壤濕度和氣候條件調整灌溉量，提高水資源利用效率。該種植機每個種植槽里都可以種植不同植物，可根據需求自行定制。

針對智能控制系統的設計，集成傳感器和控制系統，實現對種植機的智能化監測和控制，如實時監測土壤濕度、溫度和作物生長狀態等。

轉動式光肥均等化種植機采用鋁型材搭建簡易框架，利用立體空間，顯著減少占地面積，面積利用率提高了3～6倍；由四組齒輪齒鏈聯合構成運動整體，機器底部為一個一半水平、一半仰角60°的營養液槽，采用定時電路元件，電機轉動帶動齒輪齒鏈運轉，種植槽定時到達營養液槽，給種植槽內植物提供水分，每3 h機器自動運轉一輪，一天運轉8次，可給植物提供足夠的水分；種植機采用有土栽培，12個種植槽底部分別布有多個直徑約為1 cm的小孔[5]。種植者可以根據不同作物在生長周期不同階段的不同營養需求，實現肥料和光照的精確供給，從而提高作物的生長效率和品質。

1.2" " 裝置開發

轉動式光肥均等化種植機的基礎框架如圖1所示。

1.3" " 裝置運行方式

該裝置（圖1）的運行方式如下：啟動控制箱，電機運作，電機連桿帶動主動齒輪運動，主動齒輪帶動側外鏈運作，側外鏈帶動一側鏈條轉動，而底長桿通過側外鏈的傳動，使另一側鏈條轉動，由此帶動種植槽進行周期性轉動，并且能夠均勻地浸入營養液槽，使得作物能夠均勻地得到肥料的補給。

2" " 實驗方案

實驗材料及工器具：轉動式光肥均等化種植機、220 V家庭用電、土壤多合一傳感器、工業級485協議轉換器、氮磷鉀濃縮通用營養液、干稻稈、椰磚營養土、磚紅壤、黑土、沙土（圖2）。

有機蔬菜平面種植過程中普遍面臨土地面積需求量大、機械化程度低、勞動生產率低、化肥農藥依賴性強、水需求量大以及環境污染嚴重等問題。在0～10 cm土層，土壤含水量如下：水稻田[（535.52±96.66）g/kg]＞旱田[（441.04±3.65）g3kg]＞撂荒地[（299.83±13.22）g/kg]。在10～20 cm土層，土壤含水量有同樣的規律：水稻田土壤含水量最大，其值為（489.96±97.26）g/kg；撂荒地土壤含水量最小，其值為（252.30±27.68）g/kg[6]。為模擬該困境，選擇了椰磚營養土模擬有充足營養提供的環境，黏稠性較大的磚紅壤模擬濕度較高的中國南方環境，黑土模擬具有較高有機質含量的土壤環境，沙土（撂荒地土壤）模擬貧瘠、容易水土流失的環境，以便觀測懸吊的種植槽里土壤濕度的變化，如圖3所示。另外，分別在每個種植槽下方橫向鋪墊好干稻稈，以增加一定的保濕性，并避免泥土流失。

土壤中的水分是作物生長過程中不可或缺的一個重要條件，而水分的持有量取決于土壤物理結構狀況。該裝置運行過程中，種植槽會先浸泡在營養液中，然后上升到一定的高度；種植槽下面有小孔，用于給作物提供空氣并排除多余的營養液。由于種植槽在一定的高度上滯留一定的時間，土壤的保水性未知（保水性是指土壤水分狀況，它直接影響著作物的成活率和生長速度[7]），所以選擇在同一天里，同時開展三個實驗進行探究，確保當天天氣、溫度和空氣濕度相同（天氣多云，溫度28 ℃，空氣濕度67%RH）。

2.1" " 實驗儀器的原理

如圖4所示，采用具備4G通信功能（信號強，覆蓋廣，使用場景多）的S21A作為土壤濕度傳感器進行遠程實驗數據采集，可在客戶端查看數據，實時監測作物狀況。土壤濕度測量儀為電壓式，其測量土壤介質的電導率，并將模擬信號轉換為數字信號；該測量儀設置為每5 min記錄一次數據，通過濕度轉換的計算公式得到土壤的具體濕度百分比。該土壤濕度傳感器輸出電壓為0～5 V，對應的土壤濕度范圍為0～100%，有以下線性方程：

濕度值U=（２５５－v）/255×100%" " " " " " "（1）

式中：V為單片機對土壤濕度模塊AO引腳的電壓采樣值；U為濕度值計算結果，即需將土壤濕度傳感器測得的電壓轉換為16進制的數字信號，濕度越大，電壓采樣值越小。

2.2" " 測定方法及內容

2.2.1" " 測定方法

第一種測定方法：將土壤濕度測量儀垂直插入土壤上表層，與土壤充分接觸；通過控制箱操控鏈輪運轉，將種植槽高度下降至浸入營養液槽；將種植槽穩定浸泡于營養液槽中；提起種植槽離開營養液槽的方式，觀測土壤濕度的變化。

第二種測定方法：將土壤濕度測量儀整個橫向埋入土壤，確保檢測儀每根測試探針都平行于水平層，以檢測相同深度的土壤濕度。

2.2.2" " 測定內容

比較上述兩種土壤濕度測定方法后，選擇第一種測量方法，以便測量土表到測量深度的水分區間，更直觀地了解土壤的保水性[8-9]。

第一步，在轉動式光肥均等化種植機底部的營養液槽中加入適量營養液，連接220 V電源，保證設備正常工作。將土壤濕度測量儀連接至電腦端口數據平臺，確保數據傳輸正常。

第二步，取一定范圍內的土壤樣品，用于開展實驗。

第三步，將土壤濕度測量儀插入土壤上表層，應注意使土壤濕度測量儀與土壤充分接觸。待數據穩定后，得到種植槽浸入營養液槽前土壤的濕度，取一段時間內的平均值，作為土壤未浸入營養液槽前的平均濕度，記錄未接觸營養液時的土壤濕度值。

第四步，通過操控控制箱使種植槽下降浸入營養液槽，待土壤充分浸泡于營養液后，種植槽上升脫離營養液槽，使用土壤濕度測量儀測量土壤濕度，記錄測量值及測量時間。設置裝置轉動周期為3 h，每隔5 min自動采集一次土壤濕度，通過數據采集界面記錄測量值和時間，數據采集界面如圖5所示，并生成土壤溫濕度隨時間變化的曲線圖，得到種植槽離開營養液槽一段時間內土壤濕度的變化情況。

3" " 實驗目的與分析

對自主研發的轉動式蔬菜種植機做半密封式空間工作性能實驗，轉動式蔬菜種植機主要性能指標包括不同轉速時種植槽的穩定性、懸掛的種植槽保水性以及傷種率等，本次實驗重點測試了種植槽內種植介質的保水性能。考慮到蔬菜的根莖和吸收水分區間等因素，即大部分蔬菜的根部深度在100 mm以內，且100 mm的范圍內有一個良好的水分吸收區間，選擇深度為100 mm的土壤進行測試。

3.1" " 不同土壤同一深度濕度隨時間的變化

3.1.1" " 實驗依據

不同的土壤結構對作物的產量具有不同的影響，為了探究不同土壤結構的保濕性，分別對椰土、磚紅壤、沙土、黑土進行了濕度檢測。

3.1.2" " 實驗設計

根據實驗數據繪制土壤濕度變化曲線圖，每隔5 min自動測一次濕度，曲線呈現單調下降的趨勢，如圖6所示。08：15—11：15溫度會慢慢上升，08：15時溫度是最低值，所以水分蒸發量較小，同理，由于11：15時溫度是最高值，所以水分蒸發量較大，據此分析土壤濕度在不同時間段的變化趨勢和變化速度，得出土壤濕度對農作物根部水分吸收的影響。

如圖6所示，椰土和黑土由于保水性較好，濕度整體變化不大，能夠為農作物根部提供穩定的水分環境，有利于其持續吸收水分。沙土的濕度下降較快，保水性差，容易失水，因此需要頻繁灌溉以維持適宜的濕度，確保農作物根部不缺水。磚紅壤雖然濕度變化較小，但初始濕度較低，保水性一般，需要額外的水分管理措施來保證農作物根部獲得足夠的水分。

3.2" " 同一土壤不同深度濕度隨時間的變化

3.2.1" " 實驗依據

不同地區的土壤剖面濕度變化規律可能存在差異，這取決于土壤類型、降雨量、溫度等多種因素。但一般來說，土壤剖面濕度在表層相對較小，隨著深度逐漸增加，直至達到某個深度后趨于穩定，這是由于表層土壤更容易受到降雨、蒸發等因素的影響。

3.2.2" " 實驗設計

根據對田間作物的觀察，蔬菜類作物主根區的深度大致區間為40～100 mm。在對照處理條件下，對同一土壤進行40～100 mm深度的實驗。如前所述，本次實驗采用S21系列土壤溫濕度探頭，可以每隔10 s測量一次土壤各深度（40、60、80、100 mm）的溫度和絕對水分含量，并由數據記錄器收集數據。土壤耗水量（SWC）是指整個作物生長期兩次連續灌溉之間根區（40～100 mm）的累積土壤減水量。土壤水分減少的總和估算公式如下：

式中：θIB，l，i+1是第i次灌溉前第l土層的土壤含水量；θIA，l，i是第i次灌溉后第l土層的土壤含水量；h1是第l土層的厚度；m是土層的數量；n是灌溉的數量。

SMEP定義為第l層土壤水分減少量與所有土層內總土壤水分減少量的比率，計算如下：

式中：hl是第l土層的厚度；θl是第l土層的土壤水分減少量[10]。

由于椰土的保水性比較好，所以選擇以椰土為樣本進行實驗，如圖7所示，實驗從同一時期開始，在同一時間節點測量出椰土深度為40、60、80、100 mm時的濕度，然后進行對比：土壤在100 mm處的初始狀態和最終狀態都最為濕潤，因此100 mm深度的土壤濕度線條變化更小，越淺的土層濕度變化就越大，四個深度的濕度曲線均呈現明顯的深度相關性。

4" " 實驗總結

本文根據實驗分析了土壤濕度對農作物根部水分吸收的影響、營養液對土壤濕度的影響以及營養液對土壤濕度的持續效應和土壤濕度的恢復能力。基于實驗數據進行分析和總結如下：

1）數據表明，土壤離開營養液后，不同土壤在同一深度和同一土壤不同深度的濕度變化曲線都呈現下降趨勢，隨著時間的延長，下降速度逐漸減緩并趨于穩定。在實驗后的2 h內，土壤濕度未完全恢復到未接觸營養液時的水平。

2）由不同土壤同一深度的實驗數據分析可知，沙土的保水性是最差的，無風室內蒸發量很少，但沙土的濕度變化率仍在5%左右，因此需要頻繁灌溉以維持適宜的濕度，確保農作物根部不缺水；其次是比較黏稠的磚紅壤，其初始濕度較低，保水性一般，需要額外的水分管理措施來保證農作物根部獲得足夠的水分；椰土和黑土由于保水性最好，濕度整體變化不大，能夠為農作物根部提供穩定的水分環境，有利于農作物持續吸收水分。

3）同一土壤不同深度土層的實驗結果顯示，不同土層的保水性也有較大不同，土壤在100 mm處的初始狀態和最終狀態都最為濕潤，因此100 mm深度的土壤濕度線條變化更小，越淺的土層濕度變化就越大，四個深度的濕度曲線均呈現明顯的深度相關性。

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收稿日期：2024-11-13

作者簡介：莫逸飛（2002—），男，廣東肇慶人，研究方向：機械工程裝備開發。

本文受大創課題（202311819023）、東莞市社會發展科技項目（20221800905102）、廣東教育廳創新強校重點項目（2022ZDZX4053）支持