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2016年6月12日 作者:xwz2367609 [返回]
构建螺旋梯田式垂直农场与垂直农业技术丞需解决与研究的内容

     针对当前垂直农场与垂直农业存在建设成本高,环控及补光耗电大的技术屏障,本项目另辟蹊径,走太阳光利用型设施简易化的螺旋梯田式垂直农场道路,把束之高阁的构想变成农民可实践的实用技术,将是垂直农场科研领域的一大突破。利用十多年耕作技术与设施技术的集成,拟构建以下几种垂直农场与垂直农业技术模式,建立示范普及推广。本项目拟开发以下几大类型垂直农场构架:基于螺旋梯田的垂直果园耕作系统,基于螺旋梯田的鱼植(花果菜药)共生系统;基于螺旋梯田的牧草工厂及发酵床养殖的复合农场系统;基于螺旋梯田的蔬果雾培耕作系统;拟完成以下几大垂直农业模式的设施与控制开发,柱式雾培、塔架雾培、管道化水气培、垂面雾培;拟研发适合垂直农场自动化控制管理的专有软件系统、传感器、和物联远程控制系统;构建低成本全太阳光型或少量补光的垂直设施,完善低成本的环境调控技术及雨水和雾气收集循环利用技术,实现节能化调控与省力化管理。融合肥皂技术,实现寒季的隔热保温及夏日的蔗荫降温;融合风能太阳能发电技术,实现边远无电网地区的离网生产;融合冷却塔技术,实现垂直农场的高效降温与调湿,融合无动力开窗技术,实现离网区的通风管理;融合土楼建筑风格,建设生产生活生态融为一体的综合性垂直农场;融合鸟巢温室技术,构建全天候的温室型垂直农场构架;结合相变材料及镜面园艺技术,实现温光的节能化调控。本项目是多领域多学科的集成创新,涉及建筑设计、环境控制、生物生态、种养科技、能源技术、信息通讯、工业工艺等领域,是专家智慧及生产实践的有机结合;但旨在实用重在推广,建成低成本、高效节能、生态零排放、单位产额最大化(数十倍于平面耕作)垂直耕作系统,为农业转型升级指明方向及提供建设标准。

迷你垂直农场构造模型


研究开发内容
    1、螺旋梯田结构的构建
    螺旋形也可以说是自然界的重要元素,是生命物质组成结构与生命活动生长方式,如有机大分子DNA就是典型的双螺旋结构,非生命的许多晶体其生长也是螺旋式生长,藤本植物攀爬方式也是螺旋式卷曲,更有大多数植物的分枝展叶数学模型也作螺旋伸展。植物的螺旋分枝与伸展方式有利于光照的充分利用,提高光效及减少洒落光,更利于光的反射与折射,让植株各方位的叶片更有效的利用太阳辐射。螺旋梯田方式与楼层式相比,挡光大在减少,只要科学设好梯田宽度及层高,基本无需进行补光种植,解决了传统垂直农场的光照问题。另外螺旋梯结构模拟DNA的双螺旋构造,在结构力学上更为科学,可以用最省的材料创造最佳的力学效果与最大的可耕表面积。这也是自然界的杰作。研究发现,DNA 螺栓结构可以在有限的细胞空间内获取更大的表面积,而且是最为节能的方式构建,就如公寓空间受限而采用螺旋梯设计是一样的道理。生物细胞的许多微型构造都偏好螺旋结构,是自然进化的巧夺天工,是适应狭小空间最大化利用的构建方式,也是由分子间引力作用之结果,如晶体的螺旋生长。大至宇宙构造,发现70%的银河系呈螺旋状结构。
    垂直农场采用螺旋构造,可以解决梯面的受力问题,利用普通温室管材(镀锌管)即可建成强大承重性的螺旋梯面,而且采用短程材料的三角空间桁架模式构建,就如DNA上的氢键与离子键,形成碱基堆积力,让结构更为稳定。采用螺旋梯面方式构建的梯田,构建成整体张接力,解决了栽培及管理的承重问题,另外一定坡度及层高的螺旋盘绕设计,解决了光照的有效利用问题,这是垂直农场实现太阳光耕作的关键,也是节能实用的重要技术环节,是该项目能成为实用生产的重要创新。
    螺旋梯架由内梯柱外梯柱及螺旋梯面组成,内外梯柱主要起到垂直的承重作用,梯面为整体张拉网构造,以形成整体张力,构建梯面的强大承重性,是实现梯面耕作及管理的理想构造,就如蜘蛛网细细的网丝可以缚做庞大的昆虫,在于有效发挥整体张力。
    2、耕作模式研究
    植物的光合作用,就是利用太阳光进行光电反应的过程,叶片的表面积越大捕获的太阳光有效幅射就越多,生物积累与转化的效率也就越高,表现为单位产额的最大化,即农业单产的最大化。构建于垂直农场梯面上的栽培系统,就如细胞内的生物膜系统,创造表面积越大,能量物质信息交换的效率就越高,表现为高效的生物生化反应与快速的代谢发育。垂直农场梯面的布设同样采用该原理进行垂直农业技术布局与融合,最大化创造可利用空间,如方便空中架设的管道化水气培,适合平面布设的立柱雾培及梯架塔架雾培等,使光合表面积数倍提高。比如作6层盘绕的螺旋梯面再结合每层的垂直农业技术,以提高3倍计,整体单位面积耕作表面积即可提升至18倍,即一亩顶18亩的耕作效果,再加上可控化精准生产,使植物生长效率提高,预计可实现20-30倍于平面耕作的效率。在当前众多的栽培模式中,更为高效而且投入最省的模式要数气雾培与水气培,它是一种无任何基质的栽培方式,可以有效解决垂直农场的承重问题,也有利于空间化的构造,成本低且实用。另外气雾培模式可以解决品种局限问题,它可以适合所有植物种类的栽培,不像水培,只限于少量的瓜果蔬菜。基质栽培会为病虫滋生创造场所,不利于无害化免农药耕作,所以垂直农场理想的栽培模式还是以雾培为主。
    对于垂直果园系统的构建,可以结合鱼果共生系统,果树的生长原本就是立木式,构建垂直果园时,只需于梯面上设计种植槽即可,槽内铺设陶粒轻型基质,垂直农场基座的养殖水进行灌溉循环即可,该模式构建的协同共生系统,可以稳定水质又确保果树生长的肥水需求,是未来垂直果园系统的趋势模式。
    垂直牧场系统,是融合牧草工厂与草食动物养殖的自循环协同共生系统,利用垂直农场的基座或下层空间养殖草食动物,无需外界草料的投入即可满足集约化养殖的草料需求,而且动物的排泄又可发酵后作为水培液肥供牧草生长,或者作为蚯蚓培育再行水产养殖,构建一个动物植物微生物协同共生的耕作系统。
    生产生活生态三生融合的垂直农场系统,该系统借鉴我国福建土楼的建设理念,土楼温室外圈用于种养循环耕作,内圈空间用于生活生态建设,结合养生休闲渡假农家乐等功能,建成宜产宜学宜乐宜游宜养的垂直农场综合体。 
    3、水循环利用的研究
    建于都市或城镇社区的垂直农场通常有较为方便的自来水供给,而不需考虑水源的接入问题。但对于一些特殊环境或特定气候条件下进行垂直农场构建,得解决水资源的获取问题。对于垂直农场的耕作技术,从栽培模式来说就是水的科学循环利用的技术,如水培,在于养液水的循环,雾培在于水的弥雾供给,基质培在于水的灌溉循环利用。用于垂直农场的循环水,大多得符合饮用水标准,未达标的水质得经由反渗透处理后再行应用。对于缺乏淡水的海岛,可以采用雨水收集技术进行水资源的利用,海岛环境大多有较高的年降雨量,通过收集过滤即可作为垂直农场的水份供给。垂直农场用水量与传统耕作相比,只需10%的灌溉用水,是最为节水的生产方式,特别是雾培甚至只需传统耕作的5%用水量,年降雨量达1000毫米的地区基本可用雨水收集法满足垂直农场的供水要求。对于高海拔或者干旱无灌溉水的地区,可以采用空气获水技术,利用早晚温差变化造成的雾气凝水原理,可以于垂直农场建筑的外肤皮进行挂网收集法,捕获空气中的湿气,垂直农场成为一个庞大的雾气收集塔,在高山多雾区,通过早晚雾水收集基本可满足农场的水份需求,如果供水不足可以另设外置的雾气收集网,加大捕获面积。采用无土耕作的水培或雾培基本少有废水外排,特别是雾培可完全实现零排放,对少许外排的水可以经由反渗透后重新循环利用,实现垂直农场用水的零外排。
    4、环境调控技术的研究
    不管采用什么样的耕作模式,要达到高效生产,必须有环境微气候因子的科学调控作为保障,垂直农场耕作可以适当结合补光技术,解决局部区域光照不足的生长障碍问题;对于垂直农场最为重要的因子除了光照处就是温度的调控,除了配有适当的冬季加温设备外,还可以结合节能蓄热措施以减少冬季的耗能。垂直农场的中心区域一般建成水体,用于养殖,同时利用水的蓄热性减少加温耗能,另外也可以采用相变材料作为垂直农场的部份建材;对于夏日降温,可以于垂直农场中心水体处安装喷泉降温,也可以于水体上方建成冷却塔,也可以于垂直农场顶处安装细雾微喷降温系统。通风管理,筒式的垂直农场具烟囱和涡旋效应,风速可以于垂直系统中得以加速,通风效果优于普通的垂直建筑或温室,而且夏日可以把垂直农场的外覆盖物换成防虫网栽培。除了上述的调控外,建于北方地区的垂直农场其内外撑柱部份可以建成双层构造,可以利用夹层空间进行肥皂泡填充保温处理,夹层厚约为0.5米,填满后基本实现绝缘的保温效果,夏日也可以利用肥皂泡进行遮光处理。 寒季垂直农场内部二氧化碳的供给可以采用干冰法或者发酵法产生。养液温度的调控可以结合水加温与致冷系统,实现根区温度的精准控制,因为根温差异1度相当于气温3-5度的调控效果,也是一种节能的技术措施。对于水培耕作的垂直农场系统,还可以于养液池中安装纳米气泡系统,实现水的超饱和溶氧,是高效生产的重要增益措施。
    5、离网技术及自动控制研究
    都市环境的垂直农场大多不涉及离网问题,但建于高山哨所孤岛或荒漠地区的垂直农场,就必须考虑脱离电网条件下的电力自给问题,可以采用节能的耕作模式与太阳能风能发电的结合。另外在温光气热肥水等参数气候因子与栽培控制上,可以结合本团队早年研制的计算机控制系统进行升级开发,开发一款适合垂直农场专用的控制系统软硬件。并增加离网条件下的无线远程控制模块,实现离网情况下的的数据图像远程传送,建成可视化物联系统集成的计算机管理系统。

    6、无害化生产技术研究
    垂直农场是一种工厂化清洁化生产方式,对于病虫的控制,除了保持环境清洁减少滋生场所外;对于虫害一般采用物理隔离方法处理,出入口处全部装设防虫网材料,再结合黄板及灭虫灯诱杀处理。也可以于栽培系统中纳入伴生栽培与陷阱栽培模式,或者套种部份捕虫草。对于虫害滋生后,不得已时,也可以采用汉氏配方,如栽培部份辣椒、烟草、雷公藤等药草,利用浸榨的液体进行防治。
对于垂直农场的病害管理,可以采用物理防控技术,采用我团队早年开发的电功能水技术进行防治,该技术采用水加盐的溶液再行高压电离形成的带电强酸水,带电强酸水能瞬间改变真菌细菌的细胞电位,从而达到物理杀灭的效果,在杀菌后短时间可还原为普通水,对环境没有任何污染。
    空间病菌的杀灭,可以结合本团队早年开发的电场技术,于垂直农场顶处中心区域设置放电球,进行阶段性的电场处理,可以杀灭空间的细菌及真菌,减少病害传播路径,同时,电场也起到促进光合作用的效果,特别是弱光环境下电场的结合,促生效果更为明显。
    还可以结合声波助长技术,通过物理额定声频的震动,达到促进生长减少病虫害的目的。
    7、专用种苗的培育研究
    林业树种及果树,是陆生性极为显著的植物,用这些品种进行无土化水气栽培,必须对根系进行前处理。或者从种苗培育的初始环节,就进行无性快繁育苗,不采纳土壤培育的嫁接苗。利用珍珠岩基质进行林果苗木的无性快繁,当形成发达的水生根时即可以进行水培、气培、水气培种植,这些种苗具发达的薄壁组织,在水环境中能有强大的生态适应性,可以在较短时间内形成适合环境的水生根、气生根或者通气组织的发育,这是果树水气栽培是否适应垂直农场耕作的关键。
    对于蔬果种苗,可以于垂直农场的基座处建设一小型的补光型闭锁育苗工厂,实现周年稳定供苗。
    8、垂直农场用于城市空气树及生态建筑上的研究
    垂直农场是未来农业生产的高效生态机器外,还是城市的重要生态元素,可以减少城市碳排与减缓热岛效应。就如一株巨大的树木,快速构建城市绿色空间,与传统绿化相比,该模式可以减少移栽大树的生态资源破坏,在上海世博会上展出的空气树概念也是垂直农场的创新模式之一。采用螺旋梯田垂直农场的硬件构建技术,再结合绿化树木及果树花卉的容器培或者陶粒水培,构建能量自供,循环零排的自耕作系统。螺旋梯田的基座部份可以建成城市居民的休闲化园,空中螺旋延伸的绿植梯面创造出无限延伸的空间感,是城市亮丽的风景线。
    模拟自然山丘的立体效应,采用人工梯田的钢构建模技术,融合喷浆建筑法,把庇所建成表面耕作内部居住的生态模式,既创造了居所空间又增加耕作表面积,是一款实用的生态建筑型垂直农场

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