[Tóm tắt] Hiện nay, các thiết bị trồng cây tại nhà thường sử dụng thiết kế tích hợp, gây nhiều bất tiện trong việc di chuyển và bốc dỡ. Dựa trên đặc điểm không gian sống của cư dân thành thị và mục tiêu thiết kế sản xuất cây trồng tại gia đình, bài báo này đề xuất một thiết kế thiết bị trồng cây tại nhà kiểu mới, lắp ráp sẵn. Thiết bị gồm bốn phần: hệ thống giá đỡ, hệ thống canh tác, hệ thống tưới nước và bón phân, và hệ thống chiếu sáng bổ sung (chủ yếu là đèn LED trồng cây). Thiết bị có diện tích chiếm dụng nhỏ, tận dụng không gian cao, cấu trúc mới lạ, dễ dàng tháo lắp, chi phí thấp và tính thực tiễn cao. Nó có thể đáp ứng nhu cầu của cư dân thành thị về trồng rau diếp, cần tây, rau nhanh nảy mầm, bắp cải bổ dưỡng và cây đậu đũa. Sau khi được cải tiến ở quy mô nhỏ, nó cũng có thể được sử dụng cho nghiên cứu thí nghiệm khoa học về thực vật.

Thiết kế tổng thể của thiết bị canh tác

Nguyên tắc thiết kế

Thiết bị trồng trọt lắp ghép sẵn chủ yếu hướng đến cư dân thành thị. Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu kỹ lưỡng đặc điểm không gian sống của cư dân thành thị. Diện tích nhỏ và tỷ lệ sử dụng không gian cao; cấu trúc mới lạ và đẹp mắt; dễ dàng tháo lắp, đơn giản và dễ học; chi phí thấp và tính thực tiễn cao. Bốn nguyên tắc này xuyên suốt toàn bộ quá trình thiết kế, nhằm đạt được mục tiêu cuối cùng là hài hòa với môi trường sống, cấu trúc đẹp và trang nhã, đồng thời mang lại giá trị sử dụng kinh tế và thiết thực.

Vật liệu cần sử dụng

Khung đỡ được mua từ cửa hàng bán lẻ loại kệ nhiều tầng, dài 1,5 m, rộng 0,6 m và cao 2,0 m. Vật liệu là thép, được phun sơn chống gỉ, và bốn góc của khung đỡ được hàn chắc chắn với bánh xe phanh đa năng; tấm thép gia cường được chọn để tăng cường lớp khung đỡ, được làm bằng thép tấm dày 2 mm đã được xử lý chống gỉ bằng sơn phun, hai tấm mỗi lớp. Máng trồng được làm bằng ống vuông PVC hở nắp dùng trong thủy canh, kích thước 10 cm × 10 cm. Vật liệu là tấm PVC cứng, dày 2,4 mm. Đường kính lỗ trồng là 5 cm, khoảng cách giữa các lỗ trồng là 10 cm. Bể chứa dung dịch dinh dưỡng hoặc bể chứa nước được làm bằng hộp nhựa có thành dày 7 mm, dài 120 cm, rộng 50 cm và cao 28 cm.

Thiết kế cấu trúc thiết bị nuôi trồng

Theo kế hoạch thiết kế tổng thể, thiết bị trồng trọt gia đình lắp ghép sẵn bao gồm bốn phần: hệ thống giá đỡ, hệ thống trồng trọt, hệ thống tưới nước và bón phân, và hệ thống chiếu sáng bổ sung (chủ yếu là đèn LED trồng cây). Sơ đồ bố trí các bộ phận trong hệ thống được thể hiện trong Hình 1.

Hình 1 thể hiện sự phân bố trong hệ thống.

Thiết kế hệ thống hỗ trợ

Hệ thống khung đỡ của thiết bị canh tác gia đình lắp ghép sẵn bao gồm một cột đứng, một dầm và một tấm ghép. Cột và dầm được lắp ghép bằng khóa hình bướm, thuận tiện cho việc tháo lắp. Dầm được trang bị tấm ghép có gân gia cường. Bốn góc của khung canh tác được hàn với bánh xe vạn năng có phanh để tăng tính linh hoạt khi di chuyển của thiết bị canh tác.

Thiết kế hệ thống canh tác

Bể trồng là ống vuông thủy canh kích thước 10 cm × 10 cm với thiết kế nắp mở, dễ vệ sinh và có thể sử dụng để trồng bằng dung dịch dinh dưỡng, giá thể hoặc đất. Khi trồng bằng dung dịch dinh dưỡng, giỏ trồng được đặt vào lỗ trồng, và cây con được cố định bằng miếng xốp có kích thước phù hợp. Khi trồng bằng giá thể hoặc đất, miếng xốp hoặc vải gạc được nhét vào các lỗ nối ở hai đầu máng trồng để ngăn giá thể hoặc đất làm tắc hệ thống thoát nước. Hai đầu của bể trồng được nối với hệ thống tuần hoàn bằng ống cao su có đường kính trong 30 mm, giúp tránh hiệu quả các khuyết điểm do keo PVC gây ra như sự cứng hóa cấu trúc, vốn không thuận lợi cho sự chuyển động.

Thiết kế hệ thống tuần hoàn nước và phân bón

Trong phương pháp trồng bằng dung dịch dinh dưỡng, sử dụng bơm điều chỉnh để thêm dung dịch dinh dưỡng vào bể trồng ở tầng trên cùng, và điều khiển hướng dòng chảy của dung dịch dinh dưỡng thông qua nút bên trong của ống PVC. Để tránh dòng chảy không đều của dung dịch dinh dưỡng, dung dịch dinh dưỡng trong bể trồng cùng tầng được chảy theo phương pháp hình chữ “S” một chiều. Để tăng hàm lượng oxy trong dung dịch dinh dưỡng, khi dung dịch dinh dưỡng ở lớp dưới cùng chảy ra, một khoảng cách nhất định được thiết kế giữa cửa thoát nước và mực nước trong bể chứa. Trong phương pháp trồng bằng giá thể hoặc đất, bể chứa nước được đặt ở tầng trên cùng, và việc tưới tiêu và bón phân được thực hiện thông qua hệ thống tưới nhỏ giọt. Ống chính là ống PE màu đen có đường kính 32 mm và độ dày thành ống 2,0 mm, và ống nhánh là ống PE màu đen có đường kính 16 mm và độ dày thành ống 1,2 mm. Mỗi ống nhánh đều được lắp đặt một van để điều khiển riêng. Đầu nhỏ giọt sử dụng loại đầu nhỏ giọt thẳng bù áp, 2 đầu mỗi lỗ, được cắm vào rễ cây con trong lỗ trồng. Nước thừa được thu gom qua hệ thống thoát nước, lọc và tái sử dụng.

Hệ thống bổ sung ánh sáng

Khi sử dụng thiết bị trồng trọt trên ban công, có thể sử dụng ánh sáng tự nhiên từ ban công mà không cần đèn chiếu sáng bổ sung hoặc chỉ cần một lượng nhỏ đèn chiếu sáng bổ sung. Khi trồng trong phòng khách, cần phải thiết kế hệ thống chiếu sáng bổ sung. Hệ thống chiếu sáng là đèn LED trồng cây dài 1,2 m, thời gian chiếu sáng được điều khiển bằng bộ hẹn giờ tự động. Thời gian chiếu sáng được cài đặt là 14 giờ, và thời gian không chiếu sáng bổ sung là 10 giờ. Mỗi tầng có 4 đèn LED, được lắp đặt ở đáy tầng. Bốn đèn trên cùng một tầng được mắc nối tiếp, và các tầng được mắc song song. Tùy theo nhu cầu chiếu sáng khác nhau của các loại cây khác nhau, có thể lựa chọn đèn LED có quang phổ khác nhau.

Lắp ráp thiết bị

Thiết bị trồng trọt tại nhà lắp ghép sẵn có cấu trúc đơn giản (Hình 2) và quy trình lắp ráp dễ dàng. Bước đầu tiên, sau khi xác định chiều cao của mỗi tầng theo chiều cao của cây trồng, hãy lắp thanh đỡ vào lỗ hình bướm của cột đứng để tạo khung thiết bị; bước thứ hai, cố định ống đèn LED trồng cây lên thanh gia cường ở mặt sau của tầng, và đặt tầng vào rãnh bên trong của thanh ngang khung trồng; bước thứ ba, nối máng trồng và hệ thống tuần hoàn nước và phân bón bằng ống cao su; bước thứ tư, lắp đặt ống đèn LED, cài đặt bộ hẹn giờ tự động và đặt bể chứa nước; bước thứ năm - hiệu chỉnh hệ thống, thêm nước vào bể chứa nước. Sau khi điều chỉnh đầu bơm và lưu lượng, kiểm tra hệ thống tuần hoàn nước và phân bón và kết nối của bể trồng xem có rò rỉ nước không, bật nguồn và kiểm tra kết nối đèn LED và tình trạng hoạt động của bộ hẹn giờ tự động.

Hình 2, thiết kế tổng thể của thiết bị nuôi trồng lắp ghép sẵn.

Ứng dụng và Đánh giá

Ứng dụng canh tác

Năm 2019, thiết bị sẽ được sử dụng để trồng rau trong nhà quy mô nhỏ như xà lách, bắp cải và cần tây (Hình 3). Năm 2020, trên cơ sở tổng kết kinh nghiệm canh tác trước đó, nhóm dự án đã phát triển phương pháp trồng rau dùng làm thực phẩm và dược liệu trên giá thể hữu cơ và công nghệ trồng cây Begonia fimbristipula hance bằng dung dịch dinh dưỡng, làm phong phú thêm các ví dụ ứng dụng tại nhà của thiết bị. Trong hai năm canh tác và ứng dụng vừa qua, xà lách và các loại rau sinh trưởng nhanh có thể thu hoạch sau 25 ngày trồng ở nhiệt độ trong nhà 20-25℃; cần tây cần 35-40 ngày để sinh trưởng; Begonia fimbristipula Hance và bắp cải là cây lâu năm có thể thu hoạch nhiều lần; Begonia fimbristipula có thể thu hoạch 10 cm thân và lá non sau khoảng 35 ngày, và bắp cải có thể thu hoạch thân và lá non sau khoảng 45 ngày. Khi thu hoạch, năng suất xà lách và bắp cải đạt 100~150 g/cây; Năng suất cần tây trắng và cần tây đỏ mỗi cây là 100-120 g; năng suất của Begonia fimbristipula Hance trong lần thu hoạch đầu tiên thấp, 20-30 g mỗi cây, nhưng với sự nảy mầm liên tục của các cành bên, có thể thu hoạch lần thứ hai, cách nhau khoảng 15 ngày và năng suất đạt 60-80 g mỗi cây; năng suất của cây rau mùi tây (dinh dưỡng dạng lỗ) là 50-80 g, thu hoạch 25 ngày một lần và có thể thu hoạch liên tục.

Hình 3, Ứng dụng sản xuất của thiết bị trồng trọt lắp ghép sẵn

Hiệu ứng ứng dụng

Sau hơn một năm sản xuất và ứng dụng, thiết bị có thể tận dụng tối đa không gian ba chiều của phòng để sản xuất quy mô nhỏ nhiều loại cây trồng. Thao tác nạp và dỡ hàng đơn giản, dễ học và không cần đào tạo chuyên nghiệp. Bằng cách điều chỉnh áp suất và lưu lượng của bơm nước, vấn đề lưu lượng quá mức và tràn dung dịch dinh dưỡng trong bể trồng có thể được khắc phục. Thiết kế nắp mở của bể trồng không chỉ dễ vệ sinh sau khi sử dụng mà còn dễ thay thế khi phụ kiện bị hỏng. Bể trồng được kết nối với ống cao su của hệ thống tuần hoàn nước và phân bón, giúp thiết kế theo dạng mô-đun giữa bể trồng và hệ thống tuần hoàn nước và phân bón, đồng thời tránh được nhược điểm của thiết kế tích hợp trong các thiết bị thủy canh truyền thống. Ngoài ra, thiết bị có thể được sử dụng cho nghiên cứu khoa học trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm được kiểm soát, bên cạnh sản xuất cây trồng tại gia. Nó không chỉ tiết kiệm không gian thử nghiệm mà còn đáp ứng các yêu cầu của môi trường sản xuất, đặc biệt là tính nhất quán của môi trường phát triển rễ. Sau khi được cải tiến đơn giản, thiết bị canh tác cũng có thể đáp ứng các yêu cầu của các phương pháp xử lý khác nhau đối với môi trường vùng rễ và đã được sử dụng rộng rãi trong các thí nghiệm khoa học về thực vật.

Nguồn bài viết: Tài khoản WeChat củaCông nghệ kỹ thuật nông nghiệp (trồng trọt trong nhà kính) 

Thông tin tham khảo: Wang Fei, Wang Changyi, Shi Jingxuan, et al.Thiết kế và ứng dụng thiết bị canh tác gia đình lắp ghép sẵn[J].Công nghệ kỹ thuật nông nghiệp, 2021, 41(16):12-15.