旋转式水培设备的设计与试验

徐迪娟，胡瑶玫，李小杰

(北京农业职业学院，北京 102208)

0 引言

随着城市化的不断发展，城市人口越来越多，城市人均居住面积不断减少，城市绿化面积也越来越有限；加之生态环境的不断恶化，阳台农业逐渐成为社会关注的热点，对小型化栽培设备的需求也随之加大[1-2]。小型化无土栽培是传统大型无土栽培的分支[3]，利用小型水培装置种植蔬菜花卉，不仅能为家庭提供新鲜健康的农产品，同时也因其洁净、美观、简易的特点达到改善居室环境的目的[4-5]。

阳台农业的主要种植地点为阳台，其空间种植的局限性是由阳台的客观性所决定的。在阳台上进行农业活动，受到阳台朝向、面积等因素影响，光照条件差且空间有限，相对传统水培技术，对设备的方便性、采光性、空间利用率及生产效率等要求更高[6]。目前，国内尚缺乏专门研究开发生产和销售家庭用水培装置的企业，造成水培技术难以广泛应用于阳台农业[7]。国内现有用于家庭栽培的小型水培设备主要包括水培箱、复合式水培设备及分体式水培设备等，其主要特点是结构复杂，移动困难；放置在阳台上，光照面单一，植物出现向阳效果明显，易出现黄叶、死叶等现象；生长不匀称，管理不便且生产效率低，因此无法得到大范围推广应用[8-9]。

本文根据阳台采光特点，通过分析传统小型水培设备存在的问题，设计了一种可移动旋转式水培。其通过定时、自动旋转及营养液定时自动循环，保证作物光照均匀性，提高空间利用率和单位面积产量。

1 整体结构及工作原理

1.1 整体结构

移动可旋转式水培设备由栽培盘单体、旋转装置、营养液循环装置、集水桶、定时器和行走轮组成，如图1所示。

1.主水管 2.连接管 3.万向轮 4.集液桶 5.栽培盘单体 6.进水管

其中，旋转装置主要包括旋转电机和皮带轮等；营养液循环装置包括供液电机、水泵、主水管、进水管及连接管，主水管安装于空心立柱内，连接管用于连接上下两相邻栽培盘；栽培盘单体均匀安装在立柱上，承载营养液和植物；设备旋转电机和供液电机均位于集液桶内，由安装在集液桶侧边的定时器控制。

1.2 工作原理

设备主要完成旋转和供液两部分工作。设备旋转工作由旋转电机通过皮带轮带动立柱旋转，保证设备不同方向植物受光的均匀性。当旋转电机供电时，定时器获取实时时间，若时间在设定旋转工作时间范围内，电机工作；否则电机不工作。设备供液电机通过定时器控制普通水泵定时供液，营养液通过集液桶-主水管-进水管-栽培盘-连接管-集液桶实现循环。设备底部安装4个万向轮，使设备的移动更加方便、省力。

2 主要部件设计

2.1 栽培盘空间布局

根据植物对光照的需求，在栽培盘单体空间布局设计时应保证栽培盘内所有植物均可受到阳光照射。栽培盘空间设计如图2所示。

1.立柱 2.栽培盘

当栽培盘单体固定安装时，上下两栽培盘竖直间距计算公式为

hmin=R·arctanα

(1)

其中，R为上下两相邻栽培盘沿太阳入射方向水平最大距离；hmin为上下两相邻栽培盘在竖直方向最小间距；α为一天中最大太阳高度角。在传统立式水培设备的设计过程中，一般通过增加竖直间距h或减小R保证栽培盘内所有植物可接受阳光照射，且在背光面不安装栽培盘。相对于水平水培设备而言，立式水培设备虽在一定程度上提高了空间利用率，但仍存在利用率较低的问题，且受阳台环境影响，植物多为单面受光。

栽培盘单体围绕立柱做圆周运动时，在计算栽培盘空间布局时计算公式中R变为栽培盘距立柱最大距离R′(见图2)。在栽培盘结构相同条件下，上下两相邻栽培盘竖直间距h仅为固定式的1/2，且保证了植物不同方向受光的均匀性。

2.2 营养液循环系统

生长在营养液中的根系呼吸所需的氧主要来源于营养液和地上部分输送到根系的氧，一般不耐涝渍的旱地植物主要利用营养液中的溶存氧[10-11]。在水培设备中，植物长期生长在营养液中，若营养液静止不动，营养液中氧气浓度不足，影响植物根系细胞分化，使根毛减少、根系活力降低、吸收功能减弱，最终影响植物最终产量和品质；且容易导致栽培盘中营养分布不均匀，造成作物生长不均衡，影响植物整体素质和整齐度[12-14]。

为保证植物生长过程中培养盘内溶氧量和营养的均匀性，本设备在传统水培设备基础上加入营养液循环系统，以实现营养液定时并自动循环。其工作原理为：种子或幼苗种入栽培盘，加入营养物质后，营养液循环装置总开关打开，设备供液电机定时器获取实时时间；若在设定循环时间范围则打开供液电机，营养液通过主水管输送至装置顶部栽培盘，各栽培盘通过连接管连接；当上层培养盘内营养液达到设定要求时，营养液溢出流入下层培养盘，最终流回集液桶，实现营养液定时及自动循环。

从初至走时反演得到的速度模型构成了更复杂的正演试错模拟的起点。这项技术为使用解释人员在地震记录上识别出的后续震相（包括折射和反射）建立复杂多层的地球模型提供了可能。因此，这样的模拟过程有高度的客观性。它包括运动学（走时）和动力学（振幅）信息，使模型计算数据与记录数据更加符合。

2.3 立柱转速

植物在环境光照发生变化时，其光合特性不会马上随之变化，存在 “光合滞后”现象[15]。其主要原因是：1, 5-二磷酸核酮糖羧化酶活性的变化及气孔关闭和开放均需一定时间的生理调节[15-16]。利用植物的“光合滞后”原理，在传统固定水培设备的基础上，设计了一种电动旋转机构，使设备不同方向植物叶片均可接受间歇式阳光照射，在一个圆周运动周期内，植物叶片光环境虽发生改变，但其光合速率不会发生明显变化。

3 栽培试验

3.1 材料与方法

3.1.1 试验设计

为确定最佳立柱转速并对设备效益进行评价，设计了不同转速下对比试验。试验中可旋转式水培设备设置5个不同立柱转速(1、2、3、4、5r/min)作为5个处理，以传统固定式水培设备作为对照，每个处理均设2组重复。试验过程中均种植 “意大利奶油生菜”，于2016年4月将生菜幼苗移栽至栽培盘内，每盘6株，30天后收获。

收获前1天进行光合参数测定，测定过程分别在每组处理中选取两个不同方向(方向1、方向2)上3片结构叶进行测定。可移动式水培设备中任选一方向作为方向1，与其相差180°方向为方向2；对照组中方向1为向光面方向，方向2为背光面。

3.1.2 测定项目与方法

光合特性参数采用美国Li-6400便携式光合作用测定仪测定，测定内容包括：净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、细胞间隙CO2浓度(Ci)。测定过程中光强约为(720±20)μmol/(m2·s)，大气温度(23±1)℃，大气CO2浓度变化范围为(360±10)μmol/L。

收获后分别测定每组处理下生菜根长、根体积及总产量，并计算单株平均鲜重及单位面积产量，单位面积产量计算时面积为设备所占阳台地面面积。

3.1.3 数据统计分析

试验数据采用SPSS11.5软件进行统计分析，方差分析采用软件的ANOVA过程处理，显著性检验采用邓肯式新复极差法。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 光合特性

不同转速下不同方向叶片光合特性各指标对比，如图3所示。

(a) Pn (b) Gs

(c) Ci (d) Tr

可旋转式水培设备不同立柱转速对比试验表明：各方向光合特性变化趋势相似，当转速小于3r/min时，随立柱转速增大，生菜叶片光合特性各指标均随之增大；当立柱转速为3r/min时，光合特性指标达到最大值(见表1)；当转速大于3r/min时，随立柱转速增大，叶片光合特性各指标均开始下降。当立柱转速过小时，各方向叶片均间歇性接受阳光照射，但由于转速过慢，叶片光合作用出现间歇性增大和减小现象，光合作用不连续；当立柱转速控制在3r/min附近时，叶片虽间歇性接受阳光照射，但由于光合“光合滞后”现象，叶片处于背光时间段内光合作用未出现明显变化，叶片可连续进行光合作用；当立柱转速大于3r/min时，虽各方向叶片均可接受充足光照，但由于转速过大，营养液出现不均匀分布现象，影响养分供应，光合特性各指标出现下降趋势。

最佳立柱转速(3r/min)与固定式水培设备不同方向光合特性各指标如表1所示。与对照组(固定式)相比，在向光方向(方向1)，可旋转式水培设备在各转速下光合特性各指标值均小于固定式设备。主要原因是固定式设备栽培盘固定，向光面叶片接受持续光照；而可旋转式水培设备栽培盘围绕立轴旋转，叶片间歇性接受阳光照射。在背光方向(方向2)，可旋转式水培设备表现出明显优势，叶片光合特性各指标均明显大于固定式，净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度分别为处理2的1.67、1.74、2.07、1.91倍。主要原因是固定式水培设备背光方向叶片不能接收阳光直射，仅依靠反射光进行光合作用，光合特性各指标极低，远小于方向1；而可旋转式水培设备中不同方向叶片均间歇性接受阳光照射，光合特性与方向1近似。假设植物向光部分与背光部分相等，则可旋转式水培设备生菜光合特性为固定式水培设备的1.19(Pn)、1.11(Gs)、1.15(Ci)、1.22(Tr)倍。

表1 固定式和最佳转速下水培设备不同方向叶片光合特性

3.2.2 根系及产量

不同处理下生菜根系及最终产量，如表2所示。

表2 不同处理下生菜根部发育及产量

与对照组(固定式)相比，可旋转式水培设备均表现出明显优势。最优转速下生菜根长平均高出对照组3.72cm，根鲜重平均高出32%。试验过程中可旋转水培设备营养液定时循环，使营养液保持稳定可靠的溶氧量和养分含量，为生菜根系提供良好的生长环境；固定式水培设备中营养液静止不动，在整个生长期内仅少量更换营养液，随着生菜根系生长及对营养液中养分吸收，营养液溶氧量和养分含量不断减少，影响根系细胞分化和养分吸收，造成生菜根系生长受阻，最终影响生菜产量。

不同处理下生菜最终产量对比可知：最佳立柱转速(3r/min)下，生菜单株产量最高(21.33g)，是对照组(固定式)的1.24倍，单位面积产量是对照组的2.97倍，表现出显著优势。其原因：在3r/min时，生菜叶片光合作用最强，且营养液定时循环，保证了氧气和养分的充足供应。此外，在设备高度和单个栽培盘面积相等的条件下，固定式水培设备栽培盘仅有5个，而可旋转式水培设备栽培盘则为12个，大大提高了设备空间利用率和单位面积产量。

4 结论

1)设备可实现定时、自动旋转。通过电机、定时器、皮带轮使水培立柱实现定时自动旋转，保证了水培作物的光照均匀度，提高了太阳光能利用率，增强了作物光合作用，从而提高了作物的产量和品质，也方便了作物的种植和采收。

2)设备移动方便、省时、省力。水培设备整体质量较大，通常在30～50kg以上，通过在集液桶下方安装万向轮，使水培设备的移动变得更加方便、省力。

3)营养液定时自动循环。采用普通循环水泵控制营养液的循环，通过简单的定时器，即可自动控制每天营养液的循环时间，在保证作物正常生长的同时节约能源。

4)空间利用率高。采用立体栽培，将空间利用率最大化，提高了单位面积产量。

5)试验结果表明：与传统水培设备相比，移动可旋转水培设备平均提高生菜光合特性19%(Pn)、11%(Gs)、15%(Ci)、22%(Tr)倍，单株产量提高24%，根鲜重提高32%，单位面积产量提高197%。

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