装配式家庭栽培装置设计与应用＊

王 菲，王长义，施晶瑄，高沁玲，石程前，罗浩宇，张 婧（金陵科技学院园艺园林学院，南京 210038）

随着中国经济的持续快速增长，人们生活水平不断提高，消费结构从“温饱型”转变为“发展型”和“享受型”[1]，家庭园艺应运而生。“家庭园艺”顺应了城镇居民消费结构的变化，不仅可以增加城市就业，而且起到绿化城市环境的作用，成为园艺产业转型升级的重要方式之一。在经济危机下的希腊，研究人员为缓解Thessaloniki 居民对新鲜蔬菜的需求，设计比较了几种阳台水培装置，并最终筛选出一款占地仅0.09 m2，每周节省7.68 欧元（约折合人民币58.96 元），一年节省59.64 欧元（约折合人民币457.89 元）的堆叠式阳台水培系统，极大方便和满足了当地居民对新鲜蔬菜的需求[2]。国内家庭园艺作为一种崭新的家庭生活时尚逐渐流行，王星怡等[3]研发了一种节省空间、方便拆装、蔬菜和食用菌同步管理的家庭阳台装配式立体栽培菌菜共生装置；张俊峰等[4]设计了阳台立体栽培装置、阳台背景墙、阳台立体菜园和阳台双面种植架；寇亚平等[5]设计了适合家庭园艺种植的智能旋转植物种植装置，用于客厅和办公室的绿色无公害蔬菜生产。然而，目前市场上销售的家庭栽培装置多为固定式，配件通过PVC 胶水连接后，不能拆分，移动和改装均不方便。为此，本研究以植物货架为蓝本，结合植物生长特性进行了总体设计，以满足都市家庭植物种植的需求。

栽培装置总体设计

设计原则

装配式栽培装置主要面向城镇居民，团队充分调研了城镇居民家庭居住空间特点，将占地面积小、空间利用率高；结构新颖、美观大方；拆装方便、简单易学；成本低廉、实用性强四个原则贯穿于设计全过程，力求达到与居家环境协调，结构造型美观得体，又经济实用的终极目标。

占地面积小 空间利用率高

2018 年中国城镇居民人均住房建筑面积为39 m2，比1998 年房改时人均18.7 m2增加20.3 m2，由此表明中国城镇居民居住环境得到了极大改善[6]。然而，与欧美主要发达经济体相比，中国城镇居民居住面积仍明显低于美国（人均65.03 m2）与英国（人均49.4 m2）[6]。家庭栽培装置作为改善居住环境，提升城镇居民居住质量的重要手段，产品设计不应过度挤占家庭有限空间。为此，项目设计团队确立了占地面积小、空间利用率高的原则。

结构新颖 美观大方

作为客厅、阳台或居室的一部分，家庭栽培装置设计需与家庭的整体结构布局和谐统一，满足植物生长对环境要求的同时，还要注重结构的新颖性，使艺术、美感和科学得以充分体现。

拆装方便 简单易学

日常生活中，搬家、新旧家具置换或空间布局调整等均可能会导致整体布局发生改变，因此家庭栽培装置的拆装便利极为重要。作物植株高矮不同，当进行不同植株类型的作物生产时，灵活的层高为家庭种植提供了更多的品种选择。简单易学的装卸方式，可有效解决缺少“工科”背景家庭的使用烦恼。

成本低廉 实用性强

家庭栽培作为提高生活质量的一种生产方式，并不能代替传统的规模化生产，其功能更多侧重于文化和精神层面，特别是新冠肺炎疫爆发期间，家庭园艺可在一定程度上缓解菜品紧张问题。然而，高昂的价格并不利于家庭栽培装置的落地应用和市场推广，特别是在发展中国家。为此，在产品设计时既要注重产品的实用性和安全性，又要避免过高的建造成本。

建造材料

支撑架选购自市场多层置物货架，长1.5 m，宽0.6 m，高2.0 m，材质为钢材，经喷塑防锈处理，支撑架四角焊接带刹车万向轮；支撑架层板选用加强筋层板，材质为经喷塑防锈处理的2 mm 厚钢板，每层两块。栽培槽材质为开盖式PVC 水培方管，规格为10 cm×10 cm，材质为硬PVC板，厚2.4 mm，栽培孔直径为5 cm，栽培孔间距10 cm。营养液箱或水箱选用壁厚7 mm 塑料箱，长120 cm，宽50 cm，高28 cm。

设计方案可行性分析

该装备使用材料为市场常见材料，获取渠道广泛，价格透明。设计方案注重了经济性、实用性、安全性和建造过程的可操控性，设计方案为后续智能化改造提供了预留空间。装备应用环节注重作物对环境适应性和生产的可持续性设计，并为不同作物生产预留了种植调整空间。

栽培装置结构设计

根据总体设计方案，装配式家庭栽培装置由支撑系统、栽培系统、水肥系统和补光系统四部分组成，其在系统中的分布如图1 所示。

图1 装配式栽培装置结构设计

支撑系统设计

装配式家庭栽培装置支撑系统由立柱、横梁和层板组成，立柱与横梁通过蝴蝶孔卡扣插接，拆装便捷，横梁内装加强筋层板。栽培架四角焊接带刹车的万向轮，增加栽培装置移动的灵活性。

栽培系统设计

栽培槽选用10 cm×10 cm 水培方管，开盖式设计，便于清洗，可进行营养液栽培，也可进行基质培或土壤栽培。营养液栽培时，定植篮放置在定植孔，用相应规格海绵固定幼苗。基质或土壤栽培时，将海绵或纱布塞入栽培槽两端连接孔，防止基质或土壤堵塞排水系统。栽培槽两端通过内径为30 mm 橡胶软管连接循环系统，有效避免了PVC 胶水粘结造成的结构固化，不利于移动的缺陷。

水肥循环系统设计

营养液栽培时，使用可调节水泵将营养液加入顶层栽培槽，通过PVC 管内塞控制营养液流动方向，为避免营养液流量不均衡，同层栽培槽营养液采用单向“S 型”流动方式。为增加营养液含氧量，最低层营养液流出时，出水口与水箱液面设计一定落差。基质或土壤栽培时，水箱放置在顶层，浇水施肥通过滴灌系统进行，主管选用直径32 mm，壁厚2.0 mm 黑色PE 管，支管选用直径16 mm，壁厚1.2 mm 黑色PE 管，每条支管安装一个阀门，便于单独控制。滴箭用带压力补偿式直箭滴头，每孔2 支，插入栽培孔幼苗根部。过量水分通过排水系统集中收集，过滤后重复利用。

补光系统设计

栽培装置用于阳台生产时，可利用阳台自然光照，无需补光或少量补光。当进行客厅或居室生产时，需进行补光设计。补光灯选用长1.2 m LED 植物补光灯，通过自动定时器控制光照时间，设定光照时间为14 h，非补光时间10 h。LED 补光灯每层4 根，安装于层板底部，同层四根灯管进行串联，层与层之间并联。根据不同植物对光照需求的不同，可选用不同光配比的LED 灯管。

装置建造

装配式家庭栽培装置构造简单（图2），建造过程简捷。第一步，根据栽培作物植株高矮确定每层高度后，将横梁插入立柱蝴蝶孔，搭建装置骨架；第二步，在层板背面加强筋上固定LED补光灯管卡扣，将层板放置在栽培架横梁内槽；第三步，栽培槽与水肥循环系统通过橡胶软管连接；第四步，安装LED 灯管，设定自动定时器，放置水箱；第五步，系统调试，水箱加水后调节水泵扬程和流量，检查水肥循环系统和栽培槽连接处有无漏水，通电检查LED 灯管连接和自动定时器工作情况等。

图2 装配式栽培装置总体设计

应用与评价

生产应用

2019 年该装置用于生菜、快菜、芹菜等蔬菜的室内小规模生产（图3）。2020 年，在总结前期种植经验的基础上，项目团队开发了食药同源蔬菜养心菜的有机基质栽培和紫背天葵的营养液栽培技术，丰富了该装置的家庭应用范例。在近两年的生产应用中，室内气温20～25℃条件下，生菜和快菜定植25 天后可采收；芹菜需生长35～40 天；紫背天葵和养心菜为多年生植物，可多茬采收，紫背天葵35 天左右可采收顶部10 cm 左右茎叶，养心菜45 天左右可采收幼嫩茎叶。采收时，生菜和快菜单株产量100～150 g；白芹和红芹单株产量100～120 g；紫背天葵初次采收产量较低，单株20～30 g，随着侧枝不断萌发，第2 次采收，间隔15天左右，单株产量60～80 g；养心菜单孔产量50～80 g，间隔25 天采收1 次，可连续采收。

图3 装配式栽培装置的生产应用

应用效果

经过一年多来的生产应用，该装置能充分利用居室立体空间，进行多种作物的小规模生产，其装卸操作简单易学，无需进行专业培训；通过调节水泵的扬程和流量，可避免流量过大，栽培槽营养液外溢问题；栽培槽开盖式设计，既便于使用后清洗，也便于配件损坏后更换；栽培槽与水肥循环系统的橡胶软管连接，实现了栽培槽与水肥循环系统的模块化设计，避免传统水培装置中一体化设计的弊端。另外，该装置除进行家庭家庭作物生产，可在温湿度环境可控条件下，用于科学研究，不仅能节约试验空间，而且可满足生产环境，特别是根系生长环境一致性的要求。栽培装置经简单改进后，也可满足根际环境不同处理方式的要求，在植物科学试验中得到广泛应用。

总结

本研究根据都市家庭居室特点，利用市场常见的材料，通过科学论证，设计出一种新型立体栽培装置，并进行了生产应用。该装置解决了家庭园艺市场上传统装置一体化设计的弊端，通过简化组装步骤，灵活的层高设计，同时实现了模块化、装配式建造过程，具有良好的市场推广前景。该装置有机栽培模式设计，结合有机肥的合理使用，可实现只浇水即可达到蔬菜生产的目的，满足了都市居民对有机、绿色食品的健康需求，而食药同源蔬菜“养心菜”和“紫背天葵”的家庭有机生产模式的开发，拓展了该装置的应用空间。在外界温湿度环境可控条件下，该装置可满足不同生长环境下，作物差异性比较研究，进一步拓展了该装置的应用范围。