[摘要]目前，家庭种植设备多采用一体化设计，给移动和装卸带来诸多不便。基于城市居民生活空间的特点和家庭植物生产的设计目标，本文提出了一种新型的装配式家庭种植装置设计。该装置由支撑系统、栽培系统、水肥系统、补光系统（多为LED植物灯）四部分组成。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。可满足城市居民对芹菜生菜、速食蔬菜、滋补白菜、海棠的需求。经小规模改造后，还可用于植物科学实验研究

栽培设备总体设计

设计原则

装配式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征。占地面积小，空间利用率高；结构新颖美观；拆装方便，简单易学；成本低，实用性强。这四项原则贯穿于整个设计过程，力求达到与家居环境相协调、结构美观大方、经济实用的使用价值为最终目标。

使用材料

支撑架采购自市场多层货架产品，长1.5m，宽0.6m，高2.0m。材质为钢材，喷塑防锈，支撑架四个角焊有刹车万向轮；支撑架层板选用2mm厚钢板喷塑防锈处理加强支撑架层板，每层两块。栽培槽为开盖PVC水培方管，10cm×10cm。材质为硬质PVC板，厚度为2.4mm。栽培孔直径为5厘米，栽培孔间距为10厘米。营养液槽或水槽由壁厚7mm、长120cm、宽50cm、高28cm的塑料盒制成。

栽培装置结构设计

根据总体设计方案，装配式家庭栽培装置由支撑系统、栽培系统、水肥系统、补光系统（多为LED植物灯）四部分组成。在系统中的分布如图1所示。

图1，在系统中的分布如图所示。

支持系统设计

装配式家庭栽培器的支撑系统由立杆、横梁和层板组成。立杆和横梁通过蝶孔卡扣插入，拆装方便。梁上装有加强筋层板。栽培架的四个角焊接有带刹车的万向轮，增加了栽培装置移动的灵活性。

培养系统设计

栽培槽为10cm×10cm水培方管，开盖设计，清洗方便，可用于营养液栽培、基质栽培或土壤栽培。营养液栽培时，将栽培筐放在栽植穴中，用相应规格的海绵固定苗木。栽培基质或土壤时，将海绵或纱布塞入栽培槽两端的连接孔内，防止基质或土壤堵塞排水系统。培养槽两端通过内径30mm的胶管与循环系统相连，有效避免了PVC胶水粘合造成的结构凝固不利于移动的缺陷。

水肥循环系统设计

营养液培养时，用可调泵将营养液加到顶层培养槽中，通过PVC管内塞控制营养液的流向。为避免营养液流动不均，同层培养槽内的营养液采用单向“S”型流动方式。为了增加营养液的含氧量，当最底层的营养液流出时，在出水口与水箱液面之间设计了一定的间隙。在基质或土壤栽培中，水箱置于顶层，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。每条支管安装一个阀门进行单独控制。滴箭采用带压力补偿的直箭滴头，每穴2支，插入栽培穴中苗木根部。多余的水通过排水系统收集、过滤和再利用。

补光系统

本栽培装置用于阳台生产时，可利用阳台的自然光，无需补光或少量补光。在客厅养花时，需要进行补光设计。照明灯具为1.2米长的LED植物生长灯，光照时间由自动定时器控制。光照时间设置为14 h，非补光时间为10 h。每层有4个LED灯，安装在该层的底部。同层四管串联，层间并联。根据不同植物的不同光照需求，可选择不同光谱的LED灯。

设备组装

装配式家庭栽培装置结构简单（图2），组装过程简单。第一步，根据所栽作物的高度确定每层高度后，将横梁插入立杆的蝶形孔内，搭建设备骨架；第二步，将LED植物灯管固定在层板背面的加强筋上，并将层板放置在栽培架横梁的内槽内。第三步，栽培槽与水肥循环系统用胶管连接；第四步，安装LED灯管，设置自动定时器，放置水箱；第五步系统调试，给水箱加水调整好水泵扬程和流量后，检查水肥循环系统和培养箱连接处有无漏水，通电检查LED灯连接和工作情况自动定时器的状态。

图2 预制化栽培装置总体设计

申请与评估

栽培应用

2019年，该设备将用于生菜、大白菜、芹菜等蔬菜的室内小规模栽培（图3）。2020年，项目组在总结以往栽培经验的基础上，开发了食药同源蔬菜有机基质栽培和海棠营养液栽培技术，丰富了该装置的家庭应用实例。在近两年的栽培应用中，生菜和速食蔬菜在20-25℃的室内温度下栽培25天后即可收获；芹菜需要生长35-40天；秋海棠、大白菜为多年生植物，可多次收获；秋海棠35天左右可采收顶部10厘米的茎叶，45天左右可采收幼茎叶，用于栽培白菜。收获时，生菜、大白菜单株产量100～150克；白芹菜、红芹菜单株产量100～120克；秋海棠第一次采收产量较低，单株20-30克，随着侧枝不断发芽，可进行第二次采收，间隔15天左右，产量60-每株80克；滋补菜穴产量50-80克，25天采收一次，可连续采收。

图3、装配式栽培装置生产应用

应用效果

经过一年多的生产应用，该设备可以充分利用房间的立体空间，进行多种农作物的小规模生产。其装卸操作简单易学，无需专业培训。通过调节水泵的扬程和流量，可以避免培养槽内营养液流量过大和溢出的问题。栽培缸开盖设计，不仅使用后易于清洗，配件损坏时也便于更换。栽培槽与水肥循环系统胶管相连，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，该装置除可用于家庭作物生产外，还可用于可控温湿度条件下的科学研究。既节省了测试空间，又满足了生产环境的要求，尤其是根系生长环境的一致性。该栽培装置经过简单改进，也能满足不同根际环境处理方式的要求，已广泛应用于植物科学实验。

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，王长义，史敬轩，等。家庭装配式耕作装置的设计与应用[J].农业工程技术,2021,41(16):12-15.