|摘要|当前家庭种植装置通常采用一体化设计，给移动和装卸带来诸多不便。文章基于都市居民的居住空间特点，以家庭植物生产为设计目标，提出一种新型装配式家庭栽培装置设计方案。该装置由支撑系统、栽培系统、水肥系统和补光系统四部分组成，占地面积小、空间利用率高，结构新颖、拆装方便、成本较低、实用性强，可满足城市居民生菜、芹菜、快菜、养心菜和紫背天葵等的种植要求。经小范围改造后，还可用于植物科学试验研究。
栽培装置总体设计
设计原则
装配式栽培装置主要面向城镇居民，团队充分调研了城镇居民家庭居住空间特点，将占地面积小、空间利用率高；结构新颖、美观大方；拆装方便、简单易学；成本低廉、实用性强四个原则贯穿于设计全过程，力求达到与居家环境协调，结构造型美观得体，又经济实用的终极目标。
建造材料
支撑架选购自市场多层置物货架，长1.5 m，宽0.6 m，高2.0 m，材质为钢材，经喷塑防锈处理，支撑架四角焊接带刹车万向轮；支撑架层板选用加强筋层板，材质为经喷塑防锈处理的2 mm厚钢板，每层两块。栽培槽材质为开盖式PVC水培方管，规格为10 cm×10 cm，材质为硬PVC板，厚2.4 mm，栽培孔直径为5 cm，栽培孔间距10 cm。营养液箱或水箱选用壁厚7 mm塑料箱，长120 cm，宽50 cm，高28 cm。
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、水肥系统和补光系统四部分组成，其在系统中的分布如图1所示。
图 1 装配式栽培装置结构设计
支撑系统设计
装配式家庭栽培装置支撑系统由立柱、横梁和层板组成，立柱与横梁通过蝴蝶孔卡扣插接，拆装便捷，横梁内装加强筋层板。栽培架四角焊接带刹车的万向轮，增加栽培装置移动的灵活性。
栽培系统设计
栽培槽选用10 cm×10 cm水培方管，开盖式设计，便于清洗，可进行营养液栽培，也可进行基质培或土壤栽培。营养液栽培时，定植篮放置在定植孔，用相应规格海绵固定幼苗。基质或土壤栽培时，将海绵或纱布塞入栽培槽两端连接孔，防止基质或土壤堵塞排水系统。栽培槽两端通过内径为30 mm橡胶软管连接循环系统，有效避免了PVC胶水粘结造成的结构固化，不利于移动的缺陷。
水肥循环系统设计
营养液栽培时，使用可调节水泵将营养液加入顶层栽培槽，通过PVC管内塞控制营养液流动方向，为避免营养液流量不均衡，同层栽培槽营养液采用单向“S型”流动方式。为增加营养液含氧量，最低层营养液流出时，出水口与水箱液面设计一定落差。基质或土壤栽培时，水箱放置在顶层，浇水施肥通过滴灌系统进行，主管选用直径32 mm，壁厚2.0 mm黑色PE管，支管选用直径16 mm，壁厚1.2 mm黑色PE管，每条支管安装一个阀门，便于单独控制。滴箭用带压力补偿式直箭滴头，每孔2支，插入栽培孔幼苗根部。过量水分通过排水系统集中收集，过滤后重复利用。
补光系统设计
栽培装置用于阳台生产时，可利用阳台自然光照，无需补光或少量补光。当进行客厅或居室生产时，需进行补光设计。补光灯选用长1.2 mLED植物补光灯，通过自动定时器控制光照时间，设定光照时间为14 h，非补光时间10 h。LED补光灯每层4根，安装于层板底部，同层四根灯管进行串联，层与层之间并联。根据不同植物对光照需求的不同，可选用不同光配比的LED灯管。
装置建造
装配式家庭栽培装置构造简单（图2），建造过程简捷。第一步，根据栽培作物植株高矮确定每层高度后，将横梁插入立柱蝴蝶孔，搭建装置骨架；第二步，在层板背面加强筋上固定LED补光灯管卡扣，将层板放置在栽培架横梁内槽；第三步，栽培槽与水肥循环系统通过橡胶软管连接；第四步，安装LED灯管，设定自动定时器，放置水箱；第五步，系统调试，水箱加水后调节水泵扬程和流量，检查水肥循环系统和栽培槽连接处有无漏水，通电检查LED灯管连接和自动定时器工作情况等。
图 2 装配式栽培装置总体设计
应用与评价
生产应用
2019年该装置用于生菜、快菜、芹菜等蔬菜的室内小规模生产（图3）。2020年，在总结前期种植经验的基础上，项目团队开发了食药同源蔬菜养心菜的有机基质栽培和紫背天葵的营养液栽培技术，丰富了该装置的家庭应用范例。在近两年的生产应用中，室内气温20~25℃条件下，生菜和快菜定植25天后可采收；芹菜需生长35~40天；紫背天葵和养心菜为多年生植物，可多茬采收，紫背天葵35天左右可采收顶部10 cm左右茎叶，养心菜45天左右可采收幼嫩茎叶。采收时，生菜和快菜单株产量100~150 g；白芹和红芹单株产量100~120 g；紫背天葵初次采收产量较低，单株20~30 g，随着侧枝不断萌发，第2次采收，间隔15天左右，单株产量60~80 g；养心菜单孔产量50~80 g，间隔25天采收1次，可连续采收。
图 3 装配式栽培装置的生产应用
应用效果
经过一年多来的生产应用，该装置能充分利用居室立体空间，进行多种作物的小规模生产，其装卸操作简单易学，无需进行专业培训；通过调节水泵的扬程和流量，可避免流量过大，栽培槽营养液外溢问题；栽培槽开盖式设计，既便于使用后清洗，也便于配件损坏后更换；栽培槽与水肥循环系统的橡胶软管连接，实现了栽培槽与水肥循环系统的模块化设计，避免传统水培装置中一体化设计的弊端。另外，该装置除进行家庭家庭作物生产，可在温湿度环境可控条件下，用于科学研究，不仅能节约试验空间，而且可满足生产环境，特别是根系生长环境一致性的要求。栽培装置经简单改进后，也可满足根际环境不同处理方式的要求，在植物科学试验中得到广泛应用。
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