智能恒温富贵竹水培系统①

郑 璜 陈士伟 毛丽君 李美琪 龙浩栋 陈滢澜 黄 贞③

（1 岭南师范学院物理科学与技术学院 广东湛江524048；2 广东农垦热带农业研究有限公司 广东广州511365；3 农业农村部剑麻及制品质量监督检验测试中心 广东湛江524022）

水培植物的养护过程中不需要天然土壤，养护的水培植物通过含有植物生长发育所必需的元素营养液供给营养。水培植物的养护是一种使植物能够正常地完成整个生命周期的种植技术，它是一种新兴的农业技术，是继20 世纪60年代以来的一次“绿色栽培革命”，简而言之就是使用无土栽培技术种植的植物，水培植物可以实现在培植装置的上面花香满室、下面鱼儿畅游的效果，与传统的土培植物比较，水培植物具有既卫生环保又省事等优点，所以又被人们给予称号为“懒人花卉”，特别适合用于室内摆设，深受人们尤其是中、青年人的喜爱［1]。富贵竹为龙舌兰科、龙血树属的小乔木观叶植物。富贵竹是湛江出口创汇的拳头农产品，而湛江也是我国乃至全球最大的富贵竹生产、加工、出口一条龙基地［2]。但是近年来，湛江冬季持续出现的低温，导致富贵竹生长缓慢，发芽率低，严重影响富贵竹的品质和供货量。智能恒温富贵竹水培系统的研究对促进湛江地区富贵竹产业的良性循环起到重要的意义。目前，国内外最为完善的植物环境控制设备为植物工厂，植物工厂作为一种可以实现高精度环境控制的设施，由PLC、单片机或工控机对分别植物生长过程中光量子流密度、空气温湿度、CO2浓度、营养液、温度和植物风速进行自动控制调节，系统可以不受外界环境条件制约其内部的作物可以实现连续高效生产。植物工厂是集生物技术、工程技术和系统管理于一体的现代农业可持续生产系统。温度影响植物的光合作用和呼吸作用，对植物的生长起特别重要的作用，较适宜的温度可以显著促进植物的光合作用，缩短植物的生长周期和提高植物的产量，极端的高低温对植物的生长影响更大。我国地理气候差异比较明显，冬季温度比较低，大多数农作物植物不能正常生长，需要人工补温，而夏季温度较高，需要人工降温。植物工厂中的温度测量存在一定的延迟，而且温度执行器动作也存在一定的时滞，植物工厂内部不同区域温度测量存在差异，温度环境因子受光照强度和空气湿度影响，植物的不同生长周期需要不同的适宜温度，所以植物工厂的温度控制系统是一个非线性、时变、大时滞和多输入的控制对象，因而建立数学模型存在一定的困难［3]。

目前，尚未见富贵竹水培繁殖温控研究的相关报道。对富贵竹水培繁殖条件进行研究，试图找到一种最佳的繁殖方法，旨为工厂化育苗和提高观赏效果提供理论依据［4]。

1 实验装置与试验方法

1.1 实验装置

装置见图1，由HW-603B 外置过滤桶静音潜水泵、缸底吸水泵、美德时TH10 温湿度记录仪3 个、美德时TH21E 温湿度记录仪1 个、臣源智能温控器2 个、鱼缸加热棒若干个、塑料线槽若干米、培植盆3个、水位检测仪、储水桶组成。

图1 装置示意图

1.2 方法

1.2.1 试验设计

基于富贵竹的生物学特性设计试验，其生物学特性表现为：喜温暖，生长适温为18～24℃，低于13℃将生长停滞，进入休眠期，越冬最低温为10℃，耐阴，在弱光下仍能健壮生长，适合居室养护［5]。

为了提供充足的养分与清洁植物生长过程中排出的有机物和毒素，这里采用了2 种解决方法，第1 种为传统的换水法，以一定时间为周期直接换水；另一种方法为添加过滤体系，24 h 不间断换水加过滤，称之为水循环系统。将水循环系统与人工换水的优劣性作对比，选择最优方案。为解决冬季水分蒸发而无法及时补充的问题，研制出智能加水体系，制作出可以同时实现智能控温和水循环净化的培植盆，其具体功能示意图见图2。

基于富贵竹的生长特性，本装置设计的基本框架要为了实现设计功能，主要分为两大系统，分别是温控系统和水循环系统，其中水循环系统又细分为检测加水系统和过滤系统。

要确保水培植物的良好生长，就必须经常保持卫生清洁［6]，及时补充蒸发水分以及植物消耗的水中的氧气。针对供氧，补水与竹子的水位设计了检测加水系统，由液位控制器导出的红线为水位上限传感器，蓝线为水位下限传感器。通过液位控制器对水位的上下限进行检测，当水位低于下限时控制储水水泵进行工作，储水水泵抽取储水桶中的水从高度差10cm 处流出进行物理补氧，当水补充至液位控制器上限时，将停止对储水水泵供电，使富贵竹的基部始终处于1cm 的水位中（图3）。

图2 功能示意图

图3 检测加水系统详细示意图

同理，温控系统由水温检测仪与加热棒两部分组成。水温检测仪的检测传感器置于培植盆中间以检测全局温度，两个加热棒分别置于培植盆两边，使其距传感器的距离a 与b 相等，且a 与b间放置富贵竹。设计上下限温度值，当温度低于下限温度时，水温检测仪控制加热棒工作至上限温度时停止工作，以保持一个最适温度区间供植物生长（图4）。

图4 温控系统详细示意图

选用DF-96D 型水泵全自动液位控制器与储水桶相连接，组成检测自动加水系统（图5），该系统可控制液差在1cm 范围内，通过调整其水位，水位始终高于富贵竹基部1～2cm［7]，既解决了水分蒸发的问题，又可使富贵竹保持最佳生长位置。

图5 从左到右为液位控制器与储水水泵实物

过滤系统选用HW-603B 外置过滤桶静音潜水泵作为过滤水泵，通过物理方法过滤微生物，过滤水泵对培植盆中的水进行增氧处理，与检测自动加水系统组合成一套完善的水循环系统（图6）。

图6 过滤水泵实物

臣源WK-SM1型电子液晶智能温控器（图7）通过插座与两个50 W 的加热棒（图8）连接，组成温控系统。当温度低于下限阈值时，加热棒通电开始加热，当温度高于上限阈值时，加热棒自动断电，通过此温控系统，使水温保持在合适区间内。

1.2.2 测定项目及方法

通常情况下，富贵竹喜温，最适温度为18～28℃，水培应选择在5～6月。生根快慢和温度相关。为了模拟在湛江冬天的室内温度，将实验室利用空调，全天保持16℃低温。设计3 组实验，每组均选择未生根发芽、生长状况基本相同的富贵竹30 根用于试验。空白组采用人工换水，每7 d 换1 次，实验A 组和B 组均增加温控系统与水循环系统，其中A 组水温区间为24～27℃，B 组为27～30℃，水培49 d，以期筛选出水培富贵竹生根发芽的最适水温区间。具体实物见图9。

图7 温度检测仪实物

图8 加热棒实物

图9 新型智能恒温富贵竹水培系统装置

图9 中从左到右分别为空白组、实验组A、实验组B，上层摆放的是2 个实验组的温控系统与各个实验组的温度记录仪。为了使富贵竹基部充分的吸收水分和养分，需要固定富贵竹的放置位置，以保持水位刚好没过富贵竹基部1～2cm。本设计采用线槽作为富贵竹的固定板，用切割机将其挖空一定宽度，再使用橡皮筋将其固定一定距离于线槽中再放入培植盆中，见图10，每排6 个植株，每个植株间隔15cm，以保持足够的生长空间，每个培植盆5排，3盆3个组。

试验步骤：（1）将实验小组摆放相邻并处于相同环境（室温16℃，光照充足）；（2）自富贵竹植入水培系统后，开始记录富贵竹的根与芽的生长状况，于每天中午记录数据；（3）空白组7 d 换一次水；（4）拍摄记录各个阶段的富贵竹生长状况。

图10 线槽

2 结果与分析

2.1 试验因子对富贵竹根与芽的生长影响

图11 和图12 分别为富贵竹根的生长情况统计图和对应的芽生长情况。

由图11 可知，第20 天时，实验组B 富贵竹最先长根，其次为实验组A；在第32天时，空白组和实验组A的根数超过实验组B，生长速度持续增长。由图12 可知，第13 天，实验组B 最先发芽，第14天后空白组与实验组A 开始长芽；其中实验组B 的芽数量较多。到第30 天时，3 组的长芽数量基本一致。

图11 富贵竹根的生长情况

图12 富贵竹芽的生长情况

在相同条件下，先发芽后长根，在出芽7 d后，开始长根，另外，增加水循环系统的实验组A 与实验组B 中富贵竹生根速度均比空白组快，说明水循环系统对富贵竹生根较为有利。

试验前期，实验组B 富贵竹首先发芽，生长速度比其他两组快，说明水温27～30℃时对富贵竹芽的生长较为有利。对于根的生长，最先长根的为实验组B，但在一个月后，根长得最多的是空白组，其次是实验组A，说明水培一个月后将富贵竹置于水温16～27℃的环境中更有利于根的生长。

3 结论

本文针对湛江冬季期间富贵竹生根发芽周期变长与生长缓慢问题，设计了智能恒温富贵竹水培系统，并且对富贵竹生长所需最佳水温区间与水循环系统的适用性进行了研究，结果显示，不同生长时期富贵竹所需最佳水温区间不同，水循环系统可促进富贵竹生根。本装置可以根据试验结果对温度区间进行精准调控，试验结果还表明，本装置可对温度进行准确调控，时刻保持富贵竹处于最佳生长位和水温环境，对提高富贵竹培植效率有一定的促进作用，可应用于富贵竹的商业化水培中。

致谢

感谢湛江市和富园艺花卉公司为本文提供部分试验材料及试验场所。