两种微型蔬菜栽培系统的研究

余碧霞，李萍，邱许风

(1.安庆职业技术学院 园林园艺系，安徽 安庆 246000；2.芜湖东源新农村开发股份有限公司，安徽 芜湖 241003)

城市建设与发展的日新月异，人民生活水平大幅度提升，也让人们渐渐失去了与自然环境及植物生长接触的机会[1]，生活少了一些泥土的气息；同时城市建设留下了许多内部空间，利用率低。另外，环境恶化伴随城市扩张而凸显。为解决空间资源紧张，应充分考虑将城市的地下内部空间进行开发再利用[2]。

我国植物工厂技术和智能温室水培蔬菜技术[3-4]日趋成熟，利用智能控制系统对温湿度、光照强度、CO2浓度等因素进行调节，将这种大型植物工厂的技术集成到小型栽培空间内，研制出城市小空间可以有效利用的微型智能蔬菜栽培系统对城市居民来说非常有意义。

目前市场有了一些智能蔬菜栽培的机器，价格普遍较高。2010年，在中国上海世博会上亮相的低碳智能微型植物工厂，参照工业产品设计，选择工业材质和加工制成工艺，对家用栽培、防空洞空间利用来说价格偏高。本文结合城市建设的预留人防工程防空洞空间、办公楼、居民楼空间的利用情况，根据实用、经济、美观的原则，研制适合这些空间的微型蔬菜栽培系统，以方便居民使用。

1 整体结构设计

图1 坐凳式栽培系统

城防工程、办公楼、家庭等环境下，空气流通性差，光照不足，空间有限。本研究就种植的空间和环境问题，设计了微型蔬菜栽培系统。其结构采用坐凳式设计和鱼菜共生立体式设计，坐凳式设计可以替换原位于公共区域内的普通坐凳，增加空间利用和扩展使用功能，鱼菜共生立体式设计可以充分利用立体空间，整体外观结构设计见图1、图2。

图1为坐凳式设计，采用封闭式结构，整个过程中采用温湿度控制，确保在寒冷的冬季及炎热的夏季环境实现全天候种植。外观尺寸为长1200 mm、宽500 mm、高432 mm；外面四个角采用具有承重结构的支撑柱，而两端的侧面采用冷轧钢板，另两个面采用玻璃材质的挡板，可以观赏到里面的蔬菜及植物；顶部内侧安装LED人工光源，右侧安装通风设施、温控设备及开关控制面板；底部为营养液池。

图2 层架式栽培系统

图2为层架式栽培系统，属鱼菜共生立体式设计，采用开放型栽培结构，适用于温度相对恒定的区域，充分利用自然环境条件的变化，根据不同的季节种植不同品种的蔬菜。外观尺寸为长1200 mm、宽60 mm、高1880 mm；采用四层栽培架，充分利用空间，层高36 cm，可满足叶菜类蔬菜、菌类等对栽培空间的需求；控制面板开关和环境检测显示置于顶部；每层安装LED人工光源，底部为鱼池，采用鱼菜共生系统；两侧分别为供液管道和回液管道。

2 控制系统设计

栽培系统采用封闭式循环系统，内部需要进行温湿度控制，且设备置于公共生活空间，没有专门的技术人员进行管理和控制，因此宜采用S7-200PLC 系统。PLC系统性能稳定，便于实现人机界面及上位机接口的处理[5]，便于实现光温湿度等环境条件的自动定时控制。系统由CPU224控制器和EM231模拟量输入模块组成，在设备外围连接各类传感器和控制器，采用TPC7062K 触摸屏作为人机界面来设定系统参数或操作执行器运行(图3)。

图3 控制系统结构图

系统通过温湿度、液位、EC、PH传感器采集栽培间内的温度、湿度、营养液的可溶性盐的浓度、酸碱度及营养液的多少，根据获得的数值与设定值进行比较，从而控制栽培系统内部的光照、温度、湿度，并为营养液的调配提供参考依据。

3 营养液循环系统设计

营养液具有省工、节肥、产量高、无污染、不受地区限制的优点，代替天然土壤向作物提供水分、养分，使作物完成其整个生命周期[6]；蔬菜和鱼之间协同生长，水生动物排泄废物，细菌将废物转化成营养，植物吸收营养为水生动物改善水质，达到鱼菜共同生长并且收获2种农产品，实现养鱼不换水而无水质忧患种菜不施肥的生态共生效应[7,8]，实现动物-植物-微生物三者之间达到和谐共生的平衡关系。不管是营养液还是水生动物排泄物，在栽培系统中，营养液循环控制对于蔬菜栽培系统而言是最重要的一部分，通过营养液和水生动物排泄物的合理循环确保蔬菜生长过程中所需要的营养成分，培养出放心使用的健康蔬菜，其循环系统的合理性显得尤其重要。

营养液的输送方式采用并联循环供应的方式，如图4所示，此种方式的作用原理即通过抽吸水泵，把营养液箱或鱼池内的营养液抽出来，对各层架的栽培槽进行并排式供液，设置供液阀门和回液插芯，确保供液时每一层栽培架能同时供应营养液，在另一侧安排回液管道，将多余的和循环的营养液统一回流，进入营养液箱或鱼池，经过杀菌过滤后继续循环。

图4 营养液并联循环供液方式示意图 图5 营养液杀菌示意图

此外营养液的供应循环时间，会直接影响营养液的供应和所需氧气的量，重要的是蔬菜根系氧气供应量，根系的氧气是否充足对蔬菜的成长有比较大的影响，氧气不足，会造成根系呼吸不足，从而影响地上部蔬菜的生长，根据理论来说，，静止的水会造成水中溶氧量不足，不能满足蔬菜根系对氧气的吸收，若营养液24 h循环，蔬菜的生长效果较好[9]。但营养液一直处于循环流动的情况下蒸发量大，水量消耗多、会造成生产成本大幅度增加，同时抽水泵的使用寿命会大大缩减，因此在考虑使用间歇式营养液循环输送方式，一般采用每次循环将营养液槽中的营养液全部更换一遍为原则，参考试验数据，循环周期设计15分钟开，30分钟停，选取小功率静音水泵。

营养液杀菌采用UV紫外线消毒灯潜水杀菌过滤净化设备，如图5所示，水从进水口进入设备→经过过滤棉过滤，高密度聚脂纤维，过滤掉杂质、残渣、浮游物→活性炭层除去异味、色素、腥味等→紫外线杀菌灯杀死细菌、病菌、绿藻、有害物质等；为紫外线对人体有伤害，采用封闭式安全结构设计。

4 LED人工光源设计

光照是蔬菜生长必不可少的环境因子，不同的光强、光周期、光质对植物的光合作用、形态建成和营养品质等方面具有显著重大的影响，有研究资料表明，蔬菜对420～720 nm的光源敏感[10]，吸收的主要是红澄光610～720 nm，可明显促进作物生长，以及蓝紫光400～510 nm，可促进叶绿素和干物质的积累与分配[11]。本栽培系统采用LED植物生长灯，使用不同波长的LED灯芯进行集成试验，使合成的光谱能够满足蔬菜生长对光源的需求，同时考虑不同LED灯芯的光线颜色对人眼造成的刺激，在综合考虑植物生长的需求、蔬菜的品质及对人眼的刺激等方面，通过栽培生菜、芝麻菜、松柳和碗豆芽苗菜的试验，发现LED灯芯组合配比中红∶蓝∶白=3∶2∶1对株高、叶面积、单株重效果最好，对眼球刺激性较小，避免对人眼和室内造成的视觉冲击，LED灯的连接线路采用并联方式。

5 结语

当前，我国城市建设发展迅速，城市内部可利用空间越来越有限，为充分利用好城市建设中的人防工程、办公楼、家庭空间，设计出适合在这些空间进行蔬菜种植的微型蔬菜栽培系统。经过多个蔬菜品种试验和系统试验，同时对这些空间的环境进行检测，相比市场上的其他类似产品，本文研究的微型蔬菜栽培系统能耗低、成本低，可以结合空间大小灵活运用。第一种坐凳样式的蔬菜栽培系统，功能多用，可置于人们休憩场所的公共空间用来栽培蔬菜，同时还可以用来美化空间。第二种鱼菜共生立体式蔬菜栽培系统，可在防空洞等空间使用，培育蔬菜，美化环境，进行养殖。鱼菜共生式蔬菜栽培系统充分利用鱼类的粪便形成微性循环生态系统，培育的蔬菜安全健康，无农药和重金属残留，亚硝酸盐含量极低，满足我们对健康蔬菜的需求，增加种养殖的乐趣。