基于物理方法的苗床基質(zhì)土壤凈化裝置

◆湖南省寧鄉(xiāng)市第一高級(jí)中學(xué) 楊舒甯

湖南寧鄉(xiāng)雙江口地區(qū)為傳統(tǒng)農(nóng)耕區(qū)，蔬菜大棚種植面積廣，單種農(nóng)業(yè)作物易產(chǎn)生病蟲(chóng)害，常見(jiàn)的有猝倒病、立枯病、灰霉病、炭疽病、枯萎病等，害蟲(chóng)種類主要有螻蛄、土蠶、潛葉蠅、蚜蟲(chóng)等，它們危害植株根系，造成吸收障礙，甚至缺窩斷苗。

為避免病蟲(chóng)害，目前，人們對(duì)蔬菜苗床主要通過(guò)太陽(yáng)暴曬、噴灑農(nóng)藥藥劑兩種方法進(jìn)行消毒處理。但這兩種方法都存在一定的缺陷，比如受制于氣候、污染環(huán)境、有損人體健康等。如果采用取土經(jīng)高溫蒸煮或蒸汽消毒后返回苗床的方法，成本又太高。因此，我考慮設(shè)計(jì)一款利用高溫蒸汽對(duì)苗床土壤進(jìn)行消毒的農(nóng)業(yè)機(jī)械，以便實(shí)踐推廣。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在老師的指導(dǎo)下，我設(shè)計(jì)了苗床基質(zhì)土壤凈化裝置，它由排插執(zhí)行頭、蒸汽發(fā)生器、控制器、蒸汽管、土壤濕度探測(cè)器、小型推車等結(jié)構(gòu)組成。

圖1 苗床基質(zhì)土壤凈化裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2 用最初的裝置實(shí)物進(jìn)行測(cè)試

圖3 改進(jìn)后的裝置

二、使用原理

裝置通過(guò)控制器工作，將排插執(zhí)行頭插入疏松后的土壤中，濕度探測(cè)器探測(cè)土壤的濕度并將信息反饋給控制器，控制器調(diào)節(jié)、確定每次排插執(zhí)行頭的作業(yè)時(shí)間，再控制蒸汽發(fā)生器打開(kāi)控制閥。

蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的100 ℃以上的高溫蒸汽通過(guò)蒸汽管及排插頭排入土壤，對(duì)土壤中的病菌及害蟲(chóng)進(jìn)行高溫蒸汽消毒。小型推車用于裝載和移動(dòng)位置。

圖4 苗床基質(zhì)土壤凈化裝置作業(yè)流程圖

三、實(shí)驗(yàn)測(cè)試

（一）土壤溫度、濕度與土壤中蟲(chóng)害狀況的關(guān)系

1.探究目的

（1）探究土壤中蟲(chóng)害數(shù)量與土壤溫度、濕度的關(guān)系。

（2）為苗床基質(zhì)土壤凈化裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.探究過(guò)程

（1）取樣。在同一戶外區(qū)域選取三塊干、濕度不同的菜地，并將其編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，三塊菜地均未進(jìn)行消毒滅害處理。1號(hào)菜地土壤含水量低，易失水，長(zhǎng)期干旱；2號(hào)菜地土壤含水量適中；3號(hào)菜地土壤含水量較高，長(zhǎng)期潮潤(rùn)。

（2）分時(shí)段記錄土壤中的病蟲(chóng)害數(shù)量。分別在氣溫較高的夏秋季節(jié)和氣溫較低的冬春季節(jié)采集土壤樣本，記錄土壤中生物的數(shù)量，并進(jìn)行對(duì)比分析。

3.探究結(jié)果

（1）同等條件下，土壤濕度越大，其中的病蟲(chóng)害數(shù)量越多。氣溫較高時(shí)，土壤中的病蟲(chóng)害數(shù)量增多。

（2）病蟲(chóng)害主要集中在土壤表面以下5~15 cm處，其中在約12 cm處病蟲(chóng)害數(shù)量最多，之后隨著深度的增加迅速減少。

（3）三塊菜地中的病蟲(chóng)害數(shù)量在不同季節(jié)有所不同，具體見(jiàn)表1。

表1 不同地塊在不同季節(jié)的病蟲(chóng)害分布

表2 不同地塊的消毒效果

（二）苗床基質(zhì)土壤凈化裝置模型測(cè)試

1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）對(duì)1號(hào)菜地進(jìn)行松土處理。

（2）在1號(hào)菜地中部取200 g土壤樣本，并記錄土壤中的病蟲(chóng)害數(shù)量。

（3）按照操作要求使用苗床基質(zhì)土壤凈化裝置對(duì)菜地土壤進(jìn)行消毒作業(yè)。

（4）在1號(hào)菜地中部取200 g土壤樣本，記錄土壤中病蟲(chóng)害活體數(shù)量，對(duì)比分析兩次的取樣結(jié)果，計(jì)算病蟲(chóng)害滅殺率。

（5）對(duì)2號(hào)菜地、3號(hào)菜地重復(fù)以上步驟。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)計(jì)算和分析，苗床基質(zhì)土壤凈化裝置對(duì)菜地土壤進(jìn)行消毒作業(yè)后，病蟲(chóng)害滅殺率達(dá)98℅以上，土壤的濕度越大，需消毒的時(shí)間越長(zhǎng)。

四、創(chuàng)新點(diǎn)

1.研究了土壤的物理參數(shù)（溫度、濕度）與土壤中的病蟲(chóng)害分布的關(guān)系，為本項(xiàng)目創(chuàng)新提供了客觀依據(jù)。

2.設(shè)計(jì)了排插執(zhí)行頭裝置，有利于提高作業(yè)效率。

3.結(jié)合傳感及自動(dòng)控制技術(shù)，采用有差異性的滅菌作業(yè)。（指導(dǎo)老師：康志良 謝 樣）

專家點(diǎn)評(píng)

“基于物理方法的苗床基質(zhì)土壤凈化裝置”是一項(xiàng)基于農(nóng)業(yè)方面的創(chuàng)新作品。該項(xiàng)目的特點(diǎn)在于：

其一，作者關(guān)注農(nóng)業(yè)、關(guān)心家鄉(xiāng)，選題基于當(dāng)?shù)卮笈锸卟朔N植育苗所遇到的病蟲(chóng)害的實(shí)際情況，富有愛(ài)心與創(chuàng)新意識(shí)。

其二，作者勇于探索，用高溫蒸汽通過(guò)蒸汽管及排插頭滲入土壤，對(duì)土壤進(jìn)行高溫蒸汽消滅病蟲(chóng)害，敢想敢做，解決問(wèn)題的方式獨(dú)特。

其三，這個(gè)作品雖然只是一個(gè)有一定演示效果的模型，從制作材料、制作技術(shù)等方面必然要求助于相關(guān)的專業(yè)技術(shù)人員，但作者能在學(xué)習(xí)任務(wù)緊張的情況下將其完成，表明其具有創(chuàng)新毅力。

在此必須指出的是：高溫蒸汽消滅土壤中病蟲(chóng)害的方法必定會(huì)將土壤中有益的微生物、動(dòng)物（如蚯蚓）等消滅，其利弊究竟如何，還需要進(jìn)行深入研究后才能確定。

另外，從新修訂的全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽相關(guān)文件中所指的作品類別來(lái)看，這項(xiàng)作品應(yīng)屬于專業(yè)性較強(qiáng)的A類作品。楊舒甯同學(xué)在文章中應(yīng)對(duì)“指導(dǎo)教師或他人協(xié)助完成的內(nèi)容及所利用的資源”等進(jìn)行明確說(shuō)明。