蚯蚓護苗裝置

徐俊科 黎沐函

一、提出課題

在參加楊梅樹栽培實踐活動時，我們聽實踐活動基地的負(fù)責(zé)人說，第一年楊梅幼苗被移栽后因為雜草多、干旱、病蟲害等因素出現(xiàn)了大面積死亡現(xiàn)象，成活率不到50%。實踐活動結(jié)束后，老師布置了一項作業(yè)，要求思考提高移栽的楊梅幼苗成活率的方法。我們兩個對生物很感興趣，于是在老師和家長的幫助下一起就這個問題進行研究。

二、設(shè)計思路

蚯蚓在土壤中以腐爛的有機物為食，蚯蚓糞便中的無機鹽可以為楊梅提供營養(yǎng)，同時改良土壤，增加土壤肥力，而且蚯蚓和楊梅都喜歡濕潤的環(huán)境，所以，我們想到設(shè)計一種裝置，覆蓋移栽的楊梅幼苗周圍一定范圍并通過其中的蚯蚓飼養(yǎng)裝置為移栽的幼苗創(chuàng)造適宜生長的環(huán)境，從而提高幼苗成活率。“覆蓋”指用玻璃、塑料等材料制作的部件蓋在苗木周圍，防止雜草生長和水肥流失。“蚯蚓飼養(yǎng)裝置”是安裝在覆蓋材料上的一個可以裝取的活動部件，其底部有許多小孔，有利于水肥向下滲透。

三、檢測土壤濕度

我們設(shè)計土壤濕度檢測實驗，以通過檢測不同土壤的濕度來確定自動澆灌的土壤濕度值。

（一）實驗步驟

第一步，分別到果園、菜地、農(nóng)田采集土壤，用保鮮袋封裝保濕。

第二步，在實驗室里，用手分別握緊不同的土壤樣本再松開，分別記錄松開后土壤樣本的狀況。

第三步，用土壤濕度傳感器檢測不同土壤樣本的濕度，具體情況見表1。

第四步，把所有的土壤樣本分別稱重100 g并放入盤子，在盤子上分別貼上標(biāo)簽1、2、3、4、5、6，再放入電烤箱中調(diào)溫至230 ℃烘烤35 min，烤干土壤樣本，然后計算各種土壤樣本的含水量，具體數(shù)據(jù)見表2。

（二）實驗現(xiàn)象分析

通過檢測以及分析用手握緊再松開后土壤樣本的狀況，得出濕度為25%～30%的土壤最適宜植物幼苗生長，所以將自動澆灌的土壤濕度值定為25%。

四、制作裝置

（一）總體方案

在實驗研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)裝置的功能要求，我們設(shè)計了蚯蚓護苗裝置的總體技術(shù)方案。蚯蚓護苗裝置主要由四個部分組成：幼苗環(huán)境部分、蚯蚓飼養(yǎng)盤、供水模塊、控制模塊。當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值（25%）時，蚯蚓護苗裝置中的噴頭就會往蚯蚓飼養(yǎng)盤內(nèi)噴水，水流經(jīng)蚯蚓飼養(yǎng)盤后浸入土壤，同時把蚯蚓分解有機物產(chǎn)生的無機鹽等養(yǎng)分帶入幼苗根部，達到澆水、施肥以提高移栽幼苗成活率的目的。

（二）主要部件構(gòu)造

幼苗環(huán)境部分由2塊護苗板和4個護苗支架構(gòu)成。蚯蚓飼養(yǎng)盤被卡在護苗板上，大致置于幼苗根系邊緣上方，底部和四周有均勻分布的小孔，既能防止蚯蚓鉆出去，又能讓噴淋的水及時澆灌幼苗根部。蚯蚓飼養(yǎng)盤有一部分露出地面，有利于水肥被幼苗根系充分吸收。

供水模塊由1臺自吸泵、水管和2個直徑為0.5 mm的噴頭構(gòu)成。主進水管設(shè)計在兩塊護苗板連接處下方，利用鎖卡卡住，到中央分為兩根進水管，分別延伸到蚯蚓飼養(yǎng)盤上方。

控制部分由12 V直流供電電源、太陽能電池板、5 V降壓板、STM32單片機核心板、0.96寸OLED顯示屏、濕度繼電器、土壤濕度傳感器、UG NX綜合建模并3D打印成的控制盒等構(gòu)成。護苗板上立一個支架以托住太陽能電池板，電源連通5 V降壓板、STM32單片機核心板、濕度繼電器、土壤濕度傳感器和OLED顯示屏。

（三）控制流程

主程序每500 ms讀取一次土壤濕度傳感器經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的土壤濕度值。設(shè)定的土壤濕度值下限為25%，連續(xù)檢測20次土壤濕度，如果土壤濕度值均低于25%，則控制自吸泵的繼電器吸合（為防止人為或電壓波動導(dǎo)致誤動作，只要有一次土壤濕度值高于25%，則檢測次數(shù)清零，重新檢測），自吸泵開始工作，通過噴頭向土壤噴水23 s，隨后程序控制繼電器斷開自吸泵電路。之后重復(fù)以上控制流程。

（四）制作過程

我們購買制作蚯蚓護苗裝置所需的材料，在老師的指導(dǎo)和幫助下，按照設(shè)計方案制作蚯蚓護苗裝置。

1.用硬塑料等材料制作兩塊中間帶有半圓形缺口的護苗板，再將它們組裝在一起，用卡扣固定，中央剛好留出可調(diào)節(jié)大小的固定幼苗的位置。然后在護苗板上設(shè)計兩個對稱的圓孔，用來放置蚯蚓飼養(yǎng)盤。

2.把制作好的蚯蚓飼養(yǎng)盤置于護苗板上的圓孔內(nèi)。

3.連接水管和自吸泵，在延伸到蚯蚓飼養(yǎng)盤上方的水管端口安裝噴頭。

4.組裝控制部分。在護苗板上安裝支架，將太陽能電池板裝在支架上。然后，將電源與5 V降壓板、STM32單片機核心板、濕度繼電器、土壤濕度傳感器和OLED顯示屏等連接。

5.往控制盒內(nèi)倒入土壤，移栽幼苗后將護苗板和控制盒組裝在一起，再用護苗支架固定幼苗。接著，將濕度傳感器插入土壤，連通電路。

五、測試與實驗

（一）性能測試

我們打開電源開關(guān)，土壤濕度值顯示為60%，這時繼電器沒有吸合自吸泵電路，自吸泵沒有啟動。隨后將土壤濕度傳感器拔出，置于干燥的土壤中，顯示土壤濕度值為1%，控制自吸泵的繼電器吸合，自吸泵開始工作，通過噴頭向蚯蚓飼養(yǎng)盤噴水23 s，清水經(jīng)過蚯蚓飼養(yǎng)盤流到幼苗根部，達到灌溉和施肥的目的。通過多次測試，裝置性能穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。

（二）實驗過程

1.選取兩棵大小、高矮和根的生長情況基本相同的楊梅幼苗。

2.用枝剪把根部剪齊，同時剪去部分葉片和上部三分之一的枝條，以減少葉片的蒸騰作用。

3.在同一果園土質(zhì)相同的兩個地方栽種兩棵楊梅幼苗，兩者相距5 m左右，注意使根部充分展開，覆土后壓緊根部（讓根與土壤緊密貼合），同時澆好定根水。

4.其中一組不用蚯蚓護苗裝置，將其設(shè)為A組；另一組利用蚯蚓護苗裝置，將其設(shè)為B組。

（三）實驗現(xiàn)象

去年2月15日移栽楊梅幼苗后，每個星期觀察一次。第一個月兩組沒有明顯區(qū)別。從去年4月開始，A組附近長有雜草，B組附近基本沒有雜草。去年5月，B組幼苗生長正常，A組幼苗出現(xiàn)營養(yǎng)不良，有的雜草已經(jīng)長至幼苗的高度。去年6月，明顯能看出B組幼苗長得比A組幼苗旺盛，B組幼苗的枝條比A組的大約長4厘米。去年7月，B組樹苗的生長優(yōu)勢更加明顯。去年8月至10月，由于天氣干旱和雜草太多，A組樹苗基本沒有生長，還出現(xiàn)了葉片發(fā)黃的現(xiàn)象，B組樹苗仍然正常生長，枝條比A組的長20厘米。這足以說明，蚯蚓護苗裝置對移栽的楊梅幼苗成活率的提高和生長有明顯的效果。

六、創(chuàng)新點

蚯蚓護苗裝置將護苗板組件、蚯蚓飼養(yǎng)盤和自動噴灌系統(tǒng)相結(jié)合，創(chuàng)新了幼苗移栽設(shè)備；利用蚯蚓分解菜葉、果皮等產(chǎn)生有機肥料，創(chuàng)造適于幼苗生長的環(huán)境，創(chuàng)新了提高苗木成活率的方法。在推廣使用時，會考慮用電磁閥代替自吸泵來實現(xiàn)功能。

（指導(dǎo)老師：潘道正? ?王普獻? ?徐智）

專家點評

徐俊科、黎沐函同學(xué)的蚯蚓護苗裝置是一件富有內(nèi)涵的原創(chuàng)性發(fā)明作品。

這個作品乍看似乎并無過人之處，然而，你認(rèn)真看完作品產(chǎn)生的過程，了解它的作用與效果后，會由衷地感嘆與贊美。

這個作品產(chǎn)生的過程，突出體現(xiàn)了：其一，指導(dǎo)老師和學(xué)生的科創(chuàng)態(tài)度端正。從校園學(xué)習(xí)實踐活動中獲得了課題，就實實在在地進行探究，注重創(chuàng)新成長，而不是總想弄個奪人眼球的題目去獲獎。淡泊名利、弘揚中國科學(xué)家為祖國和人民的奉獻精神，這正是新時代科創(chuàng)實踐活動所倡導(dǎo)的。其二，把握了科學(xué)研究的基本規(guī)律，遵循了學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和身心發(fā)展的基本規(guī)律。我們常說，青少年的科創(chuàng)實踐“心動不如行動，行動不如‘聰動”，這表明，我們有了創(chuàng)新的熱情還不夠，還要敢于行動。而行動不是盲目的，是要有科研智慧與方法指導(dǎo)的。其三，這個作品既維護了生態(tài)平衡，又讓植物生長得更好，簡單實用，是一個“常規(guī)問題‘精細(xì)化”的典型作品。