【摘要】目前，家用种植装置通常采用一体化设计，给搬运、装卸带来诸多不便。本文基于城市居民的居住空间特点和家庭植物生产的设计目标，提出了一种新型预制式家用种植装置设计。该装置由支撑系统、栽培系统、水肥系统和光照补充系统（多为LED植物生长灯）四个部分组成，具有占地面积小、空间利用率高、结构新颖、拆装方便、成本低、实用性强等优点，能够满足城市居民种植生菜、芹菜、速生蔬菜、营养卷心菜和秋海棠等植物的需求。稍加改造，也可用于植物科学实验研究。

耕作设备总体设计

设计原则

该预制栽培装置主要面向城市居民。团队充分调研了城市居民的居住空间特点，包括占地面积小、空间利用率高、结构新颖美观、拆装便捷、操作简单易学、成本低廉且实用性强。这四大原则贯穿整个设计过程，力求最终实现与家居环境和谐统一、结构美观大方、经济实用等目标。

所需材料

支撑架购自市场上的多层货架产品，长1.5米，宽0.6米，高2.0米。材质为钢材，经喷漆防锈处理，支撑架四角焊接有带刹车的万向轮；支撑架层板选用加强筋板加固，层板为2毫米厚钢板，经喷塑防锈处理，每层两片。栽培槽采用开口式PVC水培方管，尺寸为10厘米×10厘米。材质为硬质PVC板，厚度2.4毫米。栽培孔直径5厘米，孔间距10厘米。营养液箱或水箱采用壁厚7毫米的塑料箱，长120厘米，宽50厘米，高28厘米。

培养装置结构设计

根据总体设计方案，预制式家庭种植装置由四部分组成：支撑系统、种植系统、水肥系统和光照补充系统（主要为LED植物生长灯）。系统布局如图1所示。

图 1 显示了系统中的分布情况。

支持系统设计

预制式家庭种植装置的支撑系统由立柱、横梁和垫板组成。立柱和横梁通过蝶形扣插入，便于拆装。横梁上设有加强筋垫板。种植架的四个角焊接有带刹车的万向轮，以提高种植装置移动的灵活性。

栽培系统设计

栽培槽为10cm×10cm的方形水培管，采用敞开式盖设计，易于清洗，可用于营养液栽培、基质栽培或土壤栽培。营养液栽培时，将种植篮放入种植孔中，并用相应规格的海绵固定幼苗。基质栽培或土壤栽培时，在栽培槽两端的连接孔内塞入海绵或纱布，以防止基质或土壤堵塞排水系统。栽培槽两端通过内径30mm的橡胶软管与循环系统连接，有效避免了PVC胶粘造成的结构固化缺陷，且不利于移动。

水肥循环系统设计

在营养液栽培中，使用可调泵将营养液添加到上层栽培槽，并通过PVC管的内塞控制营养液的流向。为避免营养液流动不均，同层栽培槽内的营养液采用单向“S”形流动方式。为提高营养液的含氧量，当最底层营养液流出时，在出水口与水箱液位之间设计一定的间隙。在基质或土壤栽培中，水箱置于上层，通过滴灌系统进行浇水和施肥。主管为直径32mm、壁厚2.0mm的黑色PE管，支管为直径16mm、壁厚1.2mm的黑色PE管。每个支管均安装阀门进行独立控制。滴灌系统采用压力补偿式直滴头，每个栽培穴安装两个，插入幼苗根部。多余的水通过排水系统收集，过滤后循环利用。

光补充系统

当栽培装置用于阳台种植时，可直接利用阳台的自然光，无需或只需少量补光。若在客厅种植，则必须进行补光设计。该灯具为1.2米长的LED植物生长灯，光照时间由自动定时器控制，设定为14小时，非补光时间为10小时。每层安装4根LED灯管，安装于每层底部。同一层的4根灯管串联，各层并联。可根据不同植物的光照需求，选择不同光谱的LED灯。

设备组装

该预制家用种植装置结构简单（图2），组装过程也十分便捷。第一步，根据种植作物的高度确定各层的高度，将横梁插入立柱的蝶形孔中，搭建装置骨架；第二步，将LED植物生长灯管固定在各层背面的加强筋上，并将该层放置在种植架横梁的内槽中；第三步，用橡胶软管连接种植槽和水肥循环系统；第四步，安装LED灯管，设置自动定时器，并放置水箱；第五步——系统调试，向水箱加水，调整水泵扬程和流量后，检查水肥循环系统和种植箱连接处是否存在漏水，接通电源，检查LED灯管连接情况和自动定时器的工作状态。

图2，预制培养装置的总体设计

应用与评估

栽培应用

2019年，该设备将用于小规模室内蔬菜种植，例如生菜、大白菜和芹菜（图3）。2020年，项目团队在总结以往种植经验的基础上，开发了食用药用同源蔬菜的有机基质栽培技术以及秋海棠（Begonia fimbristipula hance）的营养液栽培技术，丰富了该设备的家庭应用案例。过去两年的种植和应用经验表明，在20-25℃的室内温度下，生菜和速生蔬菜可在栽培25天后收获；芹菜需要生长35-40天；秋海棠和大白菜均为多年生植物，可多次采收；秋海棠可在约35天后采收顶部10厘米的茎叶，而大白菜的嫩茎叶可在约45天后采收。收获时，生菜和白菜每株产量为100~150克；白芹菜和红芹菜每株产量为100~120克；秋海棠（Begonia fimbristipula Hance）第一次收获产量较低，每株20-30克，随着侧枝不断萌发，可以进行第二次收获，间隔约15天，每株产量为60-80克；营养菜孔每25天收获一次，可以连续收获。

图3，预制栽培装置的生产应用

应用效果

经过一年多的生产和应用，该设备能够充分利用室内三维空间，进行多种作物的小规模生产。其装卸操作简便易学，无需专业培训。通过调节水泵的扬程和流量，可以避免栽培槽内营养液流量过大和溢出的问题。栽培槽采用开放式顶盖设计，不仅便于使用后的清洁，也便于配件损坏时的更换。栽培槽通过橡胶软管与水肥循环系统连接，实现了栽培槽与水肥循环系统的模块化设计，避免了传统水培设备一体化设计的弊端。此外，该设备除了用于家庭作物生产外，还可用于在可控温湿度条件下进行科学研究。它不仅节省了试验空间，而且满足了生产环境的要求，特别是对根系生长环境一致性的要求。经过简单的改进，该栽培装置也能满足不同根际环境处理方法的要求，并已广泛应用于植物科学实验中。

文章来源：微信公众号农业工程技术（温室园艺） 

参考资料：王飞，王昌义，史敬轩，等。预制式家庭种植装置的设计与应用[J].农业工程技术,2021,41(16):12-15.