裝配式家庭栽培裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用＊

王 菲，王長義，施晶瑄，高沁玲，石程前，羅浩宇，張 婧（金陵科技學(xué)院園藝園林學(xué)院，南京 210038）

隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長，人們生活水平不斷提高，消費(fèi)結(jié)構(gòu)從“溫飽型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍l(fā)展型”和“享受型”[1]，家庭園藝應(yīng)運(yùn)而生。“家庭園藝”順應(yīng)了城鎮(zhèn)居民消費(fèi)結(jié)構(gòu)的變化，不僅可以增加城市就業(yè)，而且起到綠化城市環(huán)境的作用，成為園藝產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方式之一。在經(jīng)濟(jì)危機(jī)下的希臘，研究人員為緩解Thessaloniki 居民對(duì)新鮮蔬菜的需求，設(shè)計(jì)比較了幾種陽臺(tái)水培裝置，并最終篩選出一款占地僅0.09 m2，每周節(jié)省7.68 歐元（約折合人民幣58.96 元），一年節(jié)省59.64 歐元（約折合人民幣457.89 元）的堆疊式陽臺(tái)水培系統(tǒng)，極大方便和滿足了當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)新鮮蔬菜的需求[2]。國內(nèi)家庭園藝作為一種嶄新的家庭生活時(shí)尚逐漸流行，王星怡等[3]研發(fā)了一種節(jié)省空間、方便拆裝、蔬菜和食用菌同步管理的家庭陽臺(tái)裝配式立體栽培菌菜共生裝置；張俊峰等[4]設(shè)計(jì)了陽臺(tái)立體栽培裝置、陽臺(tái)背景墻、陽臺(tái)立體菜園和陽臺(tái)雙面種植架；寇亞平等[5]設(shè)計(jì)了適合家庭園藝種植的智能旋轉(zhuǎn)植物種植裝置，用于客廳和辦公室的綠色無公害蔬菜生產(chǎn)。然而，目前市場上銷售的家庭栽培裝置多為固定式，配件通過PVC 膠水連接后，不能拆分，移動(dòng)和改裝均不方便。為此，本研究以植物貨架為藍(lán)本，結(jié)合植物生長特性進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，以滿足都市家庭植物種植的需求。

栽培裝置總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則

裝配式栽培裝置主要面向城鎮(zhèn)居民，團(tuán)隊(duì)充分調(diào)研了城鎮(zhèn)居民家庭居住空間特點(diǎn)，將占地面積小、空間利用率高；結(jié)構(gòu)新穎、美觀大方；拆裝方便、簡單易學(xué)；成本低廉、實(shí)用性強(qiáng)四個(gè)原則貫穿于設(shè)計(jì)全過程，力求達(dá)到與居家環(huán)境協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)造型美觀得體，又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的終極目標(biāo)。

占地面積小 空間利用率高

2018 年中國城鎮(zhèn)居民人均住房建筑面積為39 m2，比1998 年房改時(shí)人均18.7 m2增加20.3 m2，由此表明中國城鎮(zhèn)居民居住環(huán)境得到了極大改善[6]。然而，與歐美主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體相比，中國城鎮(zhèn)居民居住面積仍明顯低于美國（人均65.03 m2）與英國（人均49.4 m2）[6]。家庭栽培裝置作為改善居住環(huán)境，提升城鎮(zhèn)居民居住質(zhì)量的重要手段，產(chǎn)品設(shè)計(jì)不應(yīng)過度擠占家庭有限空間。為此，項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)確立了占地面積小、空間利用率高的原則。

結(jié)構(gòu)新穎 美觀大方

作為客廳、陽臺(tái)或居室的一部分，家庭栽培裝置設(shè)計(jì)需與家庭的整體結(jié)構(gòu)布局和諧統(tǒng)一，滿足植物生長對(duì)環(huán)境要求的同時(shí)，還要注重結(jié)構(gòu)的新穎性，使藝術(shù)、美感和科學(xué)得以充分體現(xiàn)。

拆裝方便 簡單易學(xué)

日常生活中，搬家、新舊家具置換或空間布局調(diào)整等均可能會(huì)導(dǎo)致整體布局發(fā)生改變，因此家庭栽培裝置的拆裝便利極為重要。作物植株高矮不同，當(dāng)進(jìn)行不同植株類型的作物生產(chǎn)時(shí)，靈活的層高為家庭種植提供了更多的品種選擇。簡單易學(xué)的裝卸方式，可有效解決缺少“工科”背景家庭的使用煩惱。

成本低廉 實(shí)用性強(qiáng)

家庭栽培作為提高生活質(zhì)量的一種生產(chǎn)方式，并不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的規(guī)模化生產(chǎn)，其功能更多側(cè)重于文化和精神層面，特別是新冠肺炎疫爆發(fā)期間，家庭園藝可在一定程度上緩解菜品緊張問題。然而，高昂的價(jià)格并不利于家庭栽培裝置的落地應(yīng)用和市場推廣，特別是在發(fā)展中國家。為此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)既要注重產(chǎn)品的實(shí)用性和安全性，又要避免過高的建造成本。

建造材料

支撐架選購自市場多層置物貨架，長1.5 m，寬0.6 m，高2.0 m，材質(zhì)為鋼材，經(jīng)噴塑防銹處理，支撐架四角焊接帶剎車萬向輪；支撐架層板選用加強(qiáng)筋層板，材質(zhì)為經(jīng)噴塑防銹處理的2 mm 厚鋼板，每層兩塊。栽培槽材質(zhì)為開蓋式PVC 水培方管，規(guī)格為10 cm×10 cm，材質(zhì)為硬PVC板，厚2.4 mm，栽培孔直徑為5 cm，栽培孔間距10 cm。營養(yǎng)液箱或水箱選用壁厚7 mm 塑料箱，長120 cm，寬50 cm，高28 cm。

設(shè)計(jì)方案可行性分析

該裝備使用材料為市場常見材料，獲取渠道廣泛，價(jià)格透明。設(shè)計(jì)方案注重了經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、安全性和建造過程的可操控性，設(shè)計(jì)方案為后續(xù)智能化改造提供了預(yù)留空間。裝備應(yīng)用環(huán)節(jié)注重作物對(duì)環(huán)境適應(yīng)性和生產(chǎn)的可持續(xù)性設(shè)計(jì)，并為不同作物生產(chǎn)預(yù)留了種植調(diào)整空間。

栽培裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，裝配式家庭栽培裝置由支撐系統(tǒng)、栽培系統(tǒng)、水肥系統(tǒng)和補(bǔ)光系統(tǒng)四部分組成，其在系統(tǒng)中的分布如圖1 所示。

圖1 裝配式栽培裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝配式家庭栽培裝置支撐系統(tǒng)由立柱、橫梁和層板組成，立柱與橫梁通過蝴蝶孔卡扣插接，拆裝便捷，橫梁內(nèi)裝加強(qiáng)筋層板。栽培架四角焊接帶剎車的萬向輪，增加栽培裝置移動(dòng)的靈活性。

栽培系統(tǒng)設(shè)計(jì)

栽培槽選用10 cm×10 cm 水培方管，開蓋式設(shè)計(jì)，便于清洗，可進(jìn)行營養(yǎng)液栽培，也可進(jìn)行基質(zhì)培或土壤栽培。營養(yǎng)液栽培時(shí)，定植籃放置在定植孔，用相應(yīng)規(guī)格海綿固定幼苗。基質(zhì)或土壤栽培時(shí)，將海綿或紗布塞入栽培槽兩端連接孔，防止基質(zhì)或土壤堵塞排水系統(tǒng)。栽培槽兩端通過內(nèi)徑為30 mm 橡膠軟管連接循環(huán)系統(tǒng)，有效避免了PVC 膠水粘結(jié)造成的結(jié)構(gòu)固化，不利于移動(dòng)的缺陷。

水肥循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

營養(yǎng)液栽培時(shí)，使用可調(diào)節(jié)水泵將營養(yǎng)液加入頂層栽培槽，通過PVC 管內(nèi)塞控制營養(yǎng)液流動(dòng)方向，為避免營養(yǎng)液流量不均衡，同層栽培槽營養(yǎng)液采用單向“S 型”流動(dòng)方式。為增加營養(yǎng)液含氧量，最低層營養(yǎng)液流出時(shí)，出水口與水箱液面設(shè)計(jì)一定落差。基質(zhì)或土壤栽培時(shí)，水箱放置在頂層，澆水施肥通過滴灌系統(tǒng)進(jìn)行，主管選用直徑32 mm，壁厚2.0 mm 黑色PE 管，支管選用直徑16 mm，壁厚1.2 mm 黑色PE 管，每條支管安裝一個(gè)閥門，便于單獨(dú)控制。滴箭用帶壓力補(bǔ)償式直箭滴頭，每孔2 支，插入栽培孔幼苗根部。過量水分通過排水系統(tǒng)集中收集，過濾后重復(fù)利用。

補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

栽培裝置用于陽臺(tái)生產(chǎn)時(shí)，可利用陽臺(tái)自然光照，無需補(bǔ)光或少量補(bǔ)光。當(dāng)進(jìn)行客廳或居室生產(chǎn)時(shí)，需進(jìn)行補(bǔ)光設(shè)計(jì)。補(bǔ)光燈選用長1.2 m LED 植物補(bǔ)光燈，通過自動(dòng)定時(shí)器控制光照時(shí)間，設(shè)定光照時(shí)間為14 h，非補(bǔ)光時(shí)間10 h。LED 補(bǔ)光燈每層4 根，安裝于層板底部，同層四根燈管進(jìn)行串聯(lián)，層與層之間并聯(lián)。根據(jù)不同植物對(duì)光照需求的不同，可選用不同光配比的LED 燈管。

裝置建造

裝配式家庭栽培裝置構(gòu)造簡單（圖2），建造過程簡捷。第一步，根據(jù)栽培作物植株高矮確定每層高度后，將橫梁插入立柱蝴蝶孔，搭建裝置骨架；第二步，在層板背面加強(qiáng)筋上固定LED補(bǔ)光燈管卡扣，將層板放置在栽培架橫梁內(nèi)槽；第三步，栽培槽與水肥循環(huán)系統(tǒng)通過橡膠軟管連接；第四步，安裝LED 燈管，設(shè)定自動(dòng)定時(shí)器，放置水箱；第五步，系統(tǒng)調(diào)試，水箱加水后調(diào)節(jié)水泵揚(yáng)程和流量，檢查水肥循環(huán)系統(tǒng)和栽培槽連接處有無漏水，通電檢查LED 燈管連接和自動(dòng)定時(shí)器工作情況等。

圖2 裝配式栽培裝置總體設(shè)計(jì)

應(yīng)用與評(píng)價(jià)

生產(chǎn)應(yīng)用

2019 年該裝置用于生菜、快菜、芹菜等蔬菜的室內(nèi)小規(guī)模生產(chǎn)（圖3）。2020 年，在總結(jié)前期種植經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了食藥同源蔬菜養(yǎng)心菜的有機(jī)基質(zhì)栽培和紫背天葵的營養(yǎng)液栽培技術(shù)，豐富了該裝置的家庭應(yīng)用范例。在近兩年的生產(chǎn)應(yīng)用中，室內(nèi)氣溫20～25℃條件下，生菜和快菜定植25 天后可采收；芹菜需生長35～40 天；紫背天葵和養(yǎng)心菜為多年生植物，可多茬采收，紫背天葵35 天左右可采收頂部10 cm 左右莖葉，養(yǎng)心菜45 天左右可采收幼嫩莖葉。采收時(shí)，生菜和快菜單株產(chǎn)量100～150 g；白芹和紅芹單株產(chǎn)量100～120 g；紫背天葵初次采收產(chǎn)量較低，單株20～30 g，隨著側(cè)枝不斷萌發(fā)，第2 次采收，間隔15天左右，單株產(chǎn)量60～80 g；養(yǎng)心菜單孔產(chǎn)量50～80 g，間隔25 天采收1 次，可連續(xù)采收。

圖3 裝配式栽培裝置的生產(chǎn)應(yīng)用

應(yīng)用效果

經(jīng)過一年多來的生產(chǎn)應(yīng)用，該裝置能充分利用居室立體空間，進(jìn)行多種作物的小規(guī)模生產(chǎn)，其裝卸操作簡單易學(xué)，無需進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)；通過調(diào)節(jié)水泵的揚(yáng)程和流量，可避免流量過大，栽培槽營養(yǎng)液外溢問題；栽培槽開蓋式設(shè)計(jì)，既便于使用后清洗，也便于配件損壞后更換；栽培槽與水肥循環(huán)系統(tǒng)的橡膠軟管連接，實(shí)現(xiàn)了栽培槽與水肥循環(huán)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，避免傳統(tǒng)水培裝置中一體化設(shè)計(jì)的弊端。另外，該裝置除進(jìn)行家庭家庭作物生產(chǎn)，可在溫濕度環(huán)境可控條件下，用于科學(xué)研究，不僅能節(jié)約試驗(yàn)空間，而且可滿足生產(chǎn)環(huán)境，特別是根系生長環(huán)境一致性的要求。栽培裝置經(jīng)簡單改進(jìn)后，也可滿足根際環(huán)境不同處理方式的要求，在植物科學(xué)試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。

總結(jié)

本研究根據(jù)都市家庭居室特點(diǎn)，利用市場常見的材料，通過科學(xué)論證，設(shè)計(jì)出一種新型立體栽培裝置，并進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用。該裝置解決了家庭園藝市場上傳統(tǒng)裝置一體化設(shè)計(jì)的弊端，通過簡化組裝步驟，靈活的層高設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了模塊化、裝配式建造過程，具有良好的市場推廣前景。該裝置有機(jī)栽培模式設(shè)計(jì)，結(jié)合有機(jī)肥的合理使用，可實(shí)現(xiàn)只澆水即可達(dá)到蔬菜生產(chǎn)的目的，滿足了都市居民對(duì)有機(jī)、綠色食品的健康需求，而食藥同源蔬菜“養(yǎng)心菜”和“紫背天葵”的家庭有機(jī)生產(chǎn)模式的開發(fā)，拓展了該裝置的應(yīng)用空間。在外界溫濕度環(huán)境可控條件下，該裝置可滿足不同生長環(huán)境下，作物差異性比較研究，進(jìn)一步拓展了該裝置的應(yīng)用范圍。