郭 翼， 张桂琴

（1. 北京农业职业学院，北京 102442； 2. 北京绿山谷芽菜有限责任公司，北京 100074）

0 引言

我国家庭园艺是随着经济发展、城市化进程和人们对居住水平要求的提高应运而生的，是一个方兴未艾的产业。它以解决城市化进程中人与自然和谐共生的矛盾为核心，是释放城市人压力和回归自然的纽带与桥梁[1]。家庭园艺是集环保、低碳、食用、观赏、美化、娱乐和科普为一体的现代都市农业生活[2]。阳台蔬菜是现代家庭园艺生活的一部分，也是都市家庭休闲的一种重要方式[3]。阳台蔬菜主要是指利用城市楼房中的阳台、天台及院子对蔬菜进行种植[4]。它既可以满足人们能够在快节奏的城市生活中食用绿色无公害蔬菜的要求，同时也能够使人们享受到种植带来的乐趣[5]。家庭园艺越来越受到城市居民的青睐，家庭园艺也在向科技化、创新化方向发展[6]。芽苗菜是用作物种子或其他繁殖材料，在黑暗或弱光照环境中培养出的可食用的嫩芽苗、嫩梢、芽球及幼茎[7]。芽苗菜周期较短，不需要施肥料、不用农药即可获得较好效果，属于真正的绿色无公害食品[8]。为了实现把阳台变成丰产的菜园，且满足阳台景观化效果，根据阳台空间布局，合理设计蔬菜栽培装置变得尤为重要[9]。由于空间的局限性，伴随人们对居家环境干净卫生的要求，很多的阳台蔬菜已经趋向于无土化，更加适宜人们目前的生活需求[10]。近年来，针对阳台作物专用的种植技术和装备研究也取得一定进展，出现了城市家庭蔬菜栽培装置、新型立体栽培装置、智能绿色栽培装置、叶菜立体栽培装置、装配式立体栽培共生装置、阳台型鱼菜共生装置及无土立体栽培系统等研究成果[11-18]。

分析上述文献中设计的栽培装置可知，现有的研究成果结构一般比较复杂，栽培装置制作成本高。为解决了居家蔬菜栽培对于实用性和经济性的现实需求，在借鉴上述栽培装置设计经验的基础上，从叶类蔬菜和芽苗类蔬菜生长周期短、易于管理、特别适用于阳台种植的特点出发，设计了一种重点用于叶类蔬菜和芽苗类蔬菜栽培的环形居家蔬菜立体栽培装置。其外形美观、空间利用率高、操作简便，能够利用互联网，实现灌溉和施肥作业远程控制，可以使居民摆脱经常性管理的困扰。该装置不仅适用于水培蔬菜，而且适用于基质栽培蔬菜，可以用于多种叶类蔬菜和芽苗类蔬菜的栽培。同时，通过居室内蔬菜栽培形成独特的植物景观，可作为居家绿色装饰之用，易于在居家蔬菜栽培领域进行推广。

1 总体结构及工作方式

环型居家蔬菜立体栽培装置由主体结构、灌溉及施肥系统、控制系统等组成，如图1 所示。主体结构用于连接安装各部件，灌溉及施肥系统用于蔬菜灌溉和施肥，控制系统用于控制灌溉和施肥系统的工作。

图1 环型居家蔬菜立体栽培装置Fig. 1 Circular stereoscopic household vegetable cultivation device

工作时，首先将栽培的蔬菜以盆栽的形式放入栽培槽内，或将芽苗菜种子以育苗盘的形式放于栽培槽内。然后在水箱内装入灌溉用水，在肥料罐内装入液体肥料。当需要灌溉时，利用手机APP 打开水泵控制端，水泵从水箱吸水，通过供水主管道和支管道向栽培槽内供水。当栽培槽内的水位到达回水管限定的高度后，多余的水从回水管道流回水箱，保持栽培槽内有一定量的水。当采用盆栽形式栽培蔬菜时，栽培盆内的栽培基质，利用毛细作用，从栽培槽内吸取水分，供蔬菜生长。当以育苗盘形式栽培芽苗类蔬菜时，芽苗菜的根系生长从育苗盘的筛孔伸入栽培槽内吸收水分，供芽苗菜生长。若需结束灌溉，可直接利用手机APP关闭灌溉系统。当需要给蔬菜施肥时，利用手机APP打开控制器的肥料泵控制端，肥料泵从肥料罐内吸收液体肥料，并注入供水管道，肥料随灌溉水流入各栽培槽内，实现施肥操作。

2 零部件设计

2.1 主体结构

主体结构由底座、栽培架、栽培槽和地轮组成，如图2 所示。为满足居家蔬菜栽培对于栽培装置外形美观的需求，本设计底座采用半圆形结构，栽培架采用圆环形结构，栽培槽采用圆柱形。本栽培装置一是造型美观，符合大众的审美；二是采用立体栽培方式，提高了空间利用率，同时所栽培的蔬菜能够很好地接受阳光，满足蔬菜生长对于光照的需求。

图2 主体结构Fig. 2 Main structure

底座为中空结构，内部用于安装灌溉及施肥系统水箱、水泵、肥料箱和肥料泵，以及控制系统的控制器。栽培架采用中空钢管焊接而成，钢管可以喷涂多种颜色，适用于不同用户审美的需求。钢管的内部中空部分用于安装灌溉和施肥系统的主管道，支管道则从栽培槽相应位置的开孔穿出。在栽培架的6 个对称的位置有6 个栽培槽。栽培槽为圆盘，每个栽培槽与栽培架对应的位置有2 个通孔，上方的通孔用于灌溉和施肥系统的供水支管道穿入，下方的通孔用于安装回水支管。为简化结构，降低制造成本，栽培槽以焊接的形式与栽培架连接。底座底部安装有4 个地轮，便于装置移动。

2.2 灌溉及施肥系统

灌溉及施肥系统由水箱、水泵、供水管道、滴头、回水管道、肥料罐、肥料泵和输肥管道等组成，如图3所示。水箱用于存放灌溉用水，安装于底座内部，截面为扁圆形。水泵用于给水箱内的水加压，并输送至供水管道。由于灌溉水循环利用，回流入水箱的灌溉水中，可能会含有杂质，水泵采用带有过滤器的潜水泵，可过滤灌溉水中的杂质，防止供水管道及滴头的堵塞。供水管道由供水主管和供水支管组成，供水主管与水泵连接，使水输送到各供水支管。供水主管安装于栽培架的内部，供水支管从各栽培槽相应位置穿出。滴头安装于各供水支管的末端，由于各滴头的安装高度不同，会产生压力差，造成供水不均匀，本设计采用压力补偿型的滴头，可保证各栽培槽内的供水均匀。回水管道包括回水支管和回水主管。回水支管一端通过接头连接各栽培槽，另一端与回水主管连接。栽培槽内的水位到达所限定的高度后，灌溉水会从回水支管流入回水主管，回水主管的出口放置在水箱内，各支管从栽培槽内回流的水沿回水主管流回水箱。肥料罐用于存放液体肥料。肥料泵为潜水泵，安装于肥料罐内，肥料泵通过输肥管道与供水主管相连，当肥料泵工作时，可以将肥料罐内的肥料输送至供水主管，肥料随灌溉水一起从各滴头输入栽培槽内。

图3 灌溉及施肥系统Fig. 3 Irrigation and fertilization system

2.3 控制系统

采用网络远程控制器作为控制系统，控制系统工作流程如图4 所示。用户可通过手机APP 或小程序实现远程的灌溉和施肥。控制器采用两路控制器，一路用于控制水泵的开启和关闭，另一路用于控制肥料泵的开启和关闭。

图4 控制系统工作流程Fig. 4 Work flow of control system

3 样机试验

依据上述设计结果制作了环形居家蔬菜立体栽培装置的样机。利用样机进行了豌豆芽苗菜、荞麦芽苗菜、芸松芽苗菜等多种芽苗菜的种植试验。试验栽培时间为2021 年6 月13-21 日。管理便捷度、观赏性和用户综合满意度指标采用用户调查方法采集，5 分为最佳。试验结果如表1 所示。结果表明：能够满足芽苗菜的栽培要求，生长情况良好，从平均苗高和单位面积鲜质量指标看，栽培效果优于普通立体栽培装置；管理便捷度、观赏性、用户综合满意度也优于普通立体栽培装置。

表1 芽苗菜栽培试验Tab. 1 sprout cultivation test

4 结束语

环形居家蔬菜立体栽培装置外形美观、空间利用率高、操作简便，利用互联网可实现灌溉和施肥作业远程控制。适用于居家水培和基质栽培多种叶类和芽苗类蔬菜的栽培；可形成独特的植物景观，可作为绿色装饰之用；易于在居家蔬菜栽培领域进行推广。