转动式种植装置开发及种植土壤保水性测试

相关调查显示，每年每500m2的蔬菜大棚里会产生大约1.2t的农业废弃物，且大量农业废弃物没有得到有效的回收利用[1]。当今社会，随着人口的不断增长以及经济的加速发展，人们的生活水平日益提高，对身体健康的重视程度也与日俱增，这使得人们对农产品的质量要求也在持续提升，在此背景下，传统的大批量生产的农业生产方式已难以满足人们对于高品质蔬菜的需求[2]。当前，设施农业已然成为蔬菜生产的一种重要方式。通过这种蔬菜种植方式，能够对蔬菜的生长环境进行人为调节，诸如温度、湿度、土壤养分等条件均可实现调控，并且还能科学地控制化肥和农药的用量，进而有效提高蔬菜的质量。基于上述情况，本文提出了一种转动式光肥均等化蔬菜种植机，它具备以下优点：种植面积相对较大，可用于种植多种类别的蔬菜及秆茎类植物；此外，该种植机尤其适用于降水稀少、干旱等土地贫瘠的地区，能够为当地提供开展蔬菜种植所需的设备支持。1、实验准备1.1设计思路在设计机器前，可以把转动式蔬菜种植机的设计思路归纳为多个方面：机械结构设计、种植系统设计以及智能控制系统设计。转动式光肥均等化蔬菜种植机运用机械化种植技术，通过优化电路设计并提高机械自动化效率，可以实现对蔬菜生产的自动化操作，大大提高了种植的效率和产量。机器种植光照和营养供给科学合理，能够促进植物生长，稳定产量，同时减少了对土地、水资源和化肥的浪费，有利于优化资源利用，实现农业的可持续发展，缩短植物的生长周期，增加产量。另外，机器种植还减少了生产过程中的人工劳动，节约了人力成本，提高了蔬菜的质量和商品价值[4]。在机械结构设计方面，转动式蔬菜种植机需要具备良好的稳定性和机动性，因此机械结构设计应考虑重量均衡、悬挂系统设计等，设计长1.2m、深0.3m的种植槽，以适应不同类型和尺寸的蔬菜种植。针对种植系统的设计，可使用高效的种植系统，如滚筒式种植系统或带有自动播种装置的种植系统，以提高种植效率。考虑到不同蔬菜的种植要求，种植系统应具有种植深度调节和行距设置功能。另外，计划引入灌溉系统，根据土壤湿度和气候条件调整灌溉量，提高水资源利用效率。该种植机每个种植槽里都可以种植不同植物，可根据需求自行定制。针对智能控制系统的设计，集成传感器和控制系统，实现对种植机的智能化监测和控制，如实时监测土壤湿度、温度和作物生长状态等。转动式光肥均等化种植机采用铝型材搭建简易框架，利用立体空间，显著减少占地面积，面积利用率提高了3～6倍；由四组齿轮齿链联合构成运动整体，机器底部为一个一半水平、一半仰角60°的营养液槽，采用定时电路元件，电机转动带动齿轮齿链运转，种植槽定时到达营养液槽，给种植槽内植物提供水分，每3h机器自动运转一轮，一天运转8次，可给植物提供足够的水分；种植机采用有土栽培，12个种植槽底部分别布有多个直径约为1cm的小孔[5]。种植者可以根据不同作物在生长周期不同阶段的不同营养需求，实现肥料和光照的精确供给，从而提高作物的生长效率和品质。1.2装置开发转动式光肥均等化种植机的基础框架如图1所示。1.3装置运行方式该装置（图1）的运行方式如下：启动控制箱，电机运作，电机连杆带动主动齿轮运动，主动齿轮带动侧外链运作，侧外链带动一侧链条转动，而底长杆通过侧外链的传动，使另一侧链条转动，由此带动种植槽进行周期性转动，并且能够均匀地浸入营养液槽，使得作物能够均匀地得到肥料的补给。2、实验方案实验材料及工器具：转动式光肥均等化种植机、220V家庭用电、土壤多合一传感器、工业级485协议转换器、氮磷钾浓缩通用营养液、干稻秆、椰砖营养土、砖红壤、黑土、沙土（图2）。有机蔬菜平面种植过程中普遍面临土地面积需求量大、机械化程度低、劳动生产率低、化肥农药依赖性强、水需求量大以及环境污染严重等问题。在0～10cm土层，土壤含水量如下：水稻田[（535.52±96.66）g/kg]＞旱田[（441.04±3.65）g/kg]＞撂荒地[（299.83±13.22）g/kg]。在10～20cm土层，土壤含水量有同样的规律：水稻田土壤含水量最大，其值为（489.96±97.26）g/kg；撂荒地土壤含水量最小，其值为（252.30±27.68）g/kg[6]。为模拟该困境，选择了椰砖营养土模拟有充足营养提供的环境，黏稠性较大的砖红壤模拟湿度较高的中国南方环境，黑土模拟具有较高有机质含量的土壤环境，沙土（撂荒地土壤）模拟贫瘠、容易水土流失的环境，以便观测悬吊的种植槽里土壤湿度的变化，如图3所示。另外，分别在每个种植槽下方横向铺垫好干稻秆，以增加一定的保湿性，并避免泥土流失。土壤中的水分是作物生长过程中不可或缺的一个重要条件，而水分的持有量取决于土壤物理结构状况。该装置运行过程中，种植槽会先浸泡在营养液中，然后上升到一定的高度；种植槽下面有小孔，用于给作物提供空气并排除多余的营养液。由于种植槽在一定的高度上滞留一定的时间，土壤的保水性未知（保水性是指土壤水分状况，它直接影响着作物的成活率和生长速度[7]），所以选择在同一天里，同时开展三个实验进行探究，确保当天天气、温度和空气湿度相同（天气多云，温度28℃，空气湿度67%RH）。2.1实验仪器的原理如图4所示，采用具备4G通信功能（信号强，覆盖广，使用场景多）的S21A作为土壤湿度传感器进行远程实验数据采集，可在客户端查看数据，实时监测作物状况。土壤湿度测量仪为电压式，其测量土壤介质的电导率，并将模拟信号转换为数字信号；该测量仪设置为每5min记录一次数据，通过湿度转换的计算公式得到土壤的具体湿度百分比。该土壤湿度传感器输出电压为0～5V，对应的土壤湿度范围为0～100%，有以下线性方程：式中：V为单片机对土壤湿度模块AO引脚的电压采样值；U为湿度值计算结果，即需将土壤湿度传感器测得的电压转换为16进制的数字信号，湿度越大，电压采样值越小。2.2测定方法及内容2.2.1

测定方法第一种测定方法：将土壤湿度测量仪垂直插入土壤上表层，与土壤充分接触；通过控制箱操控链轮运转，将种植槽高度下降至浸入营养液槽；将种植槽稳定浸泡于营养液槽中；提起种植槽离开营养液槽的方式，观测土壤湿度的变化。第二种测定方法：将土壤湿度测量仪整个横向埋入土壤，确保检测仪每根测试探针都平行于水平层，以检测相同深度的土壤湿度。2.2.2

测定内容比较上述两种土壤湿度测定方法后，选择第一种测量方法，以便测量土表到测量深度的水分区间，更直观地了解土壤的保水性[8-9]。第一步，在转动式光肥均等化种植机底部的营养液槽中加入适量营养液，连接220V电源，保证设备正常工作。将土壤湿度测量仪连接至电脑端口数据平台，确保数据传输正常。第二步，取一定范围内的土壤样品，用于开展实验。第三步，将土壤湿度测量仪插入土壤上表层，应注意使土壤湿度测量仪与土壤充分接触。待数据稳定后，得到种植槽浸入营养液槽前土壤的湿度，取一段时间内的平均值，作为土壤未浸入营养液槽前的平均湿度，记录未接触营养液时的土壤湿度值。第四步，通过操控控制箱使种植槽下降浸入营养液槽，待土壤充分浸泡于营养液后，种植槽上升脱离营养液槽，使用土壤湿度测量仪测量土壤湿度，记录测量值及测量时间。设置装置转动周期为3h，每隔5min自动采集一次土壤湿度，通过数据采集界面记录测量值和时间，数据采集界面如图5所示，并生成土壤温湿度随时间变化的曲线图，得到种植槽离开营养液槽一段时间内土壤湿度的变化情况。3、实验目的与分析对自主研发的转动式蔬菜种植机做半密封式空间工作性能实验，转动式蔬菜种植机主要性能指标包括不同转速时种植槽的稳定性、悬挂的种植槽保水性以及伤种率等，本次实验重点测试了种植槽内种植介质的保水性能。考虑到蔬菜的根茎和吸收水分区间等因素，即大部分蔬菜的根部深度在100mm以内，且100mm的范围内有一个良好的水分吸收区间，选择深度为100mm的土壤进行测试。3.1不同土壤同一深度湿度随时间的变化3.1.1

实验依据不同的土壤结构对作物的产量具有不同的影响，为了探究不同土壤结构的保湿性，分别对椰土、砖红壤、沙土、黑土进行了湿度检测。3.1.2

实验设计根据实验数据绘制土壤湿度变化曲线图，每隔5min自动测一次湿度，曲线呈现单调下降的趋势，如图6所示。08：15—11：15温度会慢慢上升，08：15时温度是最低值，所以水分蒸发量较小，同理，由于11：15时温度是最高值，所以水分蒸发量较大，据此分析土壤湿度在不同时间段的变化趋势和变化速度，得出土壤湿度对农作物根部水分吸收的影响。如图6所示，椰土和黑土由于保水性较好，湿度整体变化不大，能够为农作物根部提供稳定的水分环境，有利于其持续吸收水分。沙土的湿度下降较快，保水性差，容易失水，因此需要频繁灌溉以维持适宜的湿度，确保农作物根部不缺水。砖红壤虽然湿度变化较小，但初始湿度较低，保水性一般，需要额外的水分管理措施来保证农作物根部获得足够的水分。

3.2同一土壤不同深度湿度随时间的变化3.2.1

实验依据不同地区的土壤剖面湿度变化规律可能存在差异，这取决于土壤类型、降雨量、温度等多种因素。但一般来说，土壤剖面湿度在表层相对较小，随着深度逐渐增加，直至达到某个深度后趋于稳定，这是由于表层土壤更容易受到降雨、蒸发等因素的影响。3.2.2

实验设计根据对田间作物的观察，蔬菜类作物主根区的深度大致区间为40～100mm。在对照处理条件下，对同一土壤进行40～100mm深度的实验。如前所述，本次实验采用S21系列土壤温湿度探头，可以每隔10s测量一次土壤各深度（40、60、80、100mm）的温度和绝对水分含量，并由数据记录器收集数据。土壤耗水量（SWC）是指整个作物生长期两次连续灌溉之间根区（40～100mm）的累积土壤减水量。土壤水分减少的总和估算公式如下：式中：θIB,l,i+1（cm3·cm-3）是第i次灌溉前第l土层的土壤含水量；θIA,l,i（cm3·cm-3）是第i次灌溉后第l土层的土壤含水量；h1（mm）是第l土层的厚度；m是土层的数量；n是灌溉的数量。SMEP定义为第l层土壤水分减少量与所有土层内总土壤水分减少量的比率，计算如下：式中：h1（mm）是第l土层的厚度；θ1（cm3·cm-3）是第l土层的土壤水分减少量[10]。由于椰土的保水性比较好，所以选择以椰土为样本进行实验，如图7所示，实验从同一时期开始，在同一时间节点测量出椰土深度为40、60、80、100mm时的湿度，然后进行对比：土壤在100mm处的初始状态和最终状态都最为湿润，因此100mm深度的土壤湿度线条变化更小，越浅的土层湿度变化就越大，四个深度的湿度曲线均呈现明显的深度相关性。4、实验总结本文根据实验分析了土壤湿度对农作物根部水分吸收的影响、营养液对土壤湿度的影响以及营养液对土壤湿度的持续效应和土壤湿度的恢复能力。基于实验数据进行分析和总结如下：1）数据表明，土壤离开营养液后，不同土壤在同一深度和同一土壤不同深度的湿度变化曲线都呈现下降趋势，随着时间的延长，下降速度逐渐减缓并趋于稳定。在实验后的2h内，土壤湿度未完全恢复到未接触营养液时的水平。2）由不同土壤同一深度的实验数据分析可知，沙土的保水性是最差的，无风室内蒸发量很少，但沙土的湿度变化率仍在5%左右，因此需要频繁