CN1302535A - 柱墙田技术 - Google Patents

Abstract

柱墙田技术是一种新的集约化立体栽培技术,其特征是:将土地由传统的“X－Y”平面上移入新的“ρ－Z”立面内(ρ是“X－Y”平面上有限长的直线、折线、曲线或封闭曲线),使土地的实际使用面积扩展数倍至数十倍。这种新的立体栽培体系是由多边柱田、圆柱田、板式墙田、网式墙田等四种基本形式的立体栽培田,按一定的规则组合而成的半封闭或全封闭立体栽培系统。它不仅能产生巨大的经济、社会效益,同时能使全人类一劳永逸地远离饥荒。

Description

柱墙田技术

本发明属于农业领域之工厂化集约化立体栽培技术。

其基本特征是：将土地由传统的“X-Y”平面上移入新的“ρ-Z”立面内(ρ是“X-Y”平面上有限长的直线、折线、曲线或封闭曲线)，以达到将土地的实际使用面积扩展数倍至数十倍的目的。

我们知道，地球的表面积是个定数，耕地只是其中极小的一部份。随着全球工业化进程之加速，城市、工厂、铁路、公路等工业用地日益增多，土地荒漠化日益加剧，致使耕地面积日益减缩。而人口却在日益增加(据专家测算，即使全体公民都自觉遵守一对夫妻只生一个孩子的政策，到2050年前后，我国的人口也会接近或超过20亿)，这是摆在全人类面前的一个十分尖锐的矛盾，我国面临的形势尤为严峻！

值得指出的是：拥有近13亿人口的中国之所以能免于饥荒，仅仅是因为袁隆平等农业科学家，意外地从野生稻中发现了雄性不育植株，并用它不断地复制出永不退化的杂交水稻良种，使水稻的单位面积产量得到成倍地增长。否则，就凭中国仅占全球1/20还不到的耕地，是无论如何也养不活占全球1/5还多的中国人口的。

然而，这仅仅是目前的状况。五十年、一百年、二百年以后呢(那时我国的人口也许会超过30亿？还能再育出一个使单产水平进一步翻倍的新品种吗？显然，这是不现实的！何况，即使还能再翻一倍甚至二倍，也还是远远不够呀！这就是说，人们必须通过其他途径找到解决办法，否则眼前的平衡是会很快被打破的。

出路何在呢？许多人都想到了向空间开发。比如，西方早就有人提出在太空舱内生产粮食和向外星移民的大胆设想。可惜这些想法完全脱离实际，是根本不能兑现的。因为即使现代航天技术可以做到这一点，但是将一个活人送入太空轨道所耗费的能源，比他在地球上活一辈子所消耗的能源总和还要多得多！因而此法非但不能延长人类在地球上存在的时间，相反会加速地球的灭亡！更何况，那个适合人类生存的另一个星球在哪里？有没有？还是个大问题。

也有人想到了在近地空间找出路。比如：在我国农村的塑料大棚内，有人用木料或角铁制成多层的搁架，每层都承土栽培农作物(多用于育苗和食用菌栽培)，使土地的使用面积得到数倍的扩展。又如从以色列等国进口的高级温室内，有用长达1-2米的塑料袋和水泥管，内盛栽培基质，周边多层开洞植入农作物(多见于花卉培育)，用绳索和铁丝以近于垂直的姿态悬吊在温室的金属梁架上进行培育的做法，据说其单位面积产量可比露地栽培提高5-10倍。遗憾的是，这些设施都缺乏固定性、稳定性、永久性和规范性，不能长期使用，通风、采光不良(常用灯光和强制通风加以弥补)，成本太高，管理繁琐，操作不便，很难普及推广。

本发明所涉及的柱墙田技术，包括“柱式田”和“墙式田”二类。每类又各自有“多边柱田”、“圆柱田”，和“板式墙田”、“网式墙田”二种基本形式。

下面先对照附图简介构成柱墙田的六种基本构件；然后逐一介绍多边柱田、圆柱田、板式墙田、网式墙田的构成方法和技术特征；最后介绍二种实用型组合柱墙田工程体系的结构和技术特征。

1、柱墙田的基本构件：

附图1-6所示，为柱墙田所用的6种基本构件的外观和剖面示意图。它们通常都是标准化、规范化的混凝土予制件。其中：

图1所示，为柱墙田专用的标准空心砌块(以下简称“标块1”)。它的外型、规格均与普通建筑用混凝土空心砌块一致(即规格为L×B×H=400×200×200毫米)。其区别是：第一、其前后左右四面有6个圆形通孔，孔径d≈1/2H，圆孔中心与方孔的横轴对齐；第二、其骨料配方不同于建筑砌块(后文另有专述)。

图2为箕形承土杯(以下简称“箕形杯2”)，其形状有如将一个口大底小的方斗沿纵轴剖为二半的产物，其上部口宽为4/5B×2/5B(B为标块1的宽度，下同)，下口宽为2/3B×1/3B，深度为4/5H，壁厚10-15毫米，底部有2-3个疏水孔。

图3为空心圆柱管(以下简称“标柱3”)，其外径D=120～200毫米，高度H=4～5米，壁厚为15～25毫米，柱壁上每距0.4～0.6米有一排(4～8个)长圆形通孔，孔的宽×高≈40×80毫米，管壁部有4～8根予埋钢筋。

图4为碗形承土杯(以下简称“碗形杯4”)，其形状有如一个特大而无底的碗，其口径等于2～3D(D为标柱3的外径，下同)，底部内径略大于D，高度约等于D，壁厚10～20毫米，其环形底上有2～4个黄豆般大的疏水孔。

图5为箕斗形承土杯(以下简称“箕斗杯5”)，其形状、大小与图2所示的箕形杯2一致，区别是：它的背部有平面的壁，壁上有2支予埋的铁挂钩。

图6为圆形堵片(以下简称“堵片6”)，它的直径比图1中所示标块1上的圆孔略小，厚度15～20毫米。

2、多边柱田的构成方法及技术特征：

多边柱田最常见的实用型式是方柱田。

方柱田中最有代表性的是“一砖柱田”(即边长等于标块1长度L的方柱田)，其次是“一砖半柱田”(即边长等于

L的方柱田)。

一砖柱田的构成方法是：用图1所示的标块1，每层平卧2块(方孔朝上)，上层依次交叉叠放，直至设计高度(砌筑方法与建筑施工相同)；然后将图2所示的箕形杯2一面敷设水泥浆，粘结在标块1相应圆孔的下沿；再用图6所示的堵片6将过密的(用不上的)圆孔堵塞。  数天后从方柱顶部的四个方孔内往下装填栽培基质(方孔是上下对齐直通的，基质会透过圆孔自行溢入每个承土杯内)，直至全部装满。此一砖柱田即已告成。

一砖半柱田的构成方法，与一砖柱田完全一致，区别仅在于：每层平卧4块，两两相互搭头(一砖半柱田的截面积为600×600(毫米)²)，上层依次交错叠放。

用图1所示的标块1，还能构成其他形式的多边柱田(比如截面为十字形的柱田等)，但实用性不及方柱田。

方柱田对土地使用面积的扩展倍数，取决于柱的高度和承土杯的分布密度。制约柱高的主要因素是柱的稳定性；承土杯分布密度则由农作物植株的大小所决定。

一般来说，一砖柱田的实用高度以5米为宜，一砖半柱田则可达8米，若用钢筋混凝土对一砖半柱田进行加强(一砖半柱田芯部有200×200毫米的空间)，则一砖半柱田可达10米以上，并且可兼作承重柱使用。如果农作物的平均高度为0.5米，上述三种方柱田可分别设置10层、16层、20层承土杯，即可分别将土地使用面积扩展10倍、16倍和20倍。

多边柱田的基本特征可描述为：一种用标块1和箕形杯2构成的，能多层次栽培农作物的多边塔形永久性设施。

3、圆柱田的构成方法及技术特征：

先将图3所示的标柱3，底部插入混凝土地基上予留的圆洞内，使其严格垂直，向柱与洞壁之间的间隙内注入混凝土浆；数天后，将图4所示的碗形杯4，自圆柱顶部逐个下落，先以3枚木楔使其在各排长圆通孔下沿定位，尔后用混凝土浆从上下两面抹实间隙。数天后，从标柱3的顶部向下装填栽培基质(基质会自行透过每排长圆孔溢入每个承土杯内)，此圆柱田即已构成。

圆柱田对土地使用面积的扩展倍数，取决于柱的高度和承土杯的层间距离。圆柱田的实用高度一般在4米以内，若承土杯的层间距离亦为0.5米，则可将土地使用面积扩展9倍(圆柱占地极小、其底部仍可设置一层平栽田)。

圆柱田的基本特征可描述为：一种由标柱3和碗形杯4所构成的，能多层环状栽培农作物的圆塔形永久性设施。

4、板式墙田的构成方法和技术特征：

先用图1所示的标块1，砌成标准墙(砌法与建筑施工一样)；再将图2所示的箕形杯2用水泥浆粘结在对应圆孔的下沿；然后用图6所示的堵片6将过密的(不宜设置承土杯的)圆孔堵塞；数天后从墙的顶部向所有方孔内装填基质(方孔是上下直通的，基质会透过圆孔自行溢入承土杯内)，此板式墙田即已告成。

板式墙田对土地使用面积的扩展倍数，取决于墙的高度和承土杯的分布密度。板式墙田的实用高度一般在4米以内，可将土地使用面积扩展10倍左右。

若将板式墙田与方柱田相结合(即每隔一定距离在墙上设一方柱)，或将墙的底线由直线改为折线(即将墙面砌成锯齿波形)，均有利于提升墙的高度(使土地使用面积得到更大的扩展)。

板式墙田的基本特征可描述为：一种由标块1和箕形杯2构成的，可双面多层次栽培农作物的永久性墙。

板式墙田的缺点是：通风、采光、视野、通行条件不佳(墙二面空气不能直接对流；一面迎光时，另一面只有散射光；不能从墙的一面看见另一面的情形；不能从墙的一面很快到达另一面)。实用中常把板式墙田设在一个大型柱墙田工程的界面上(即用它兼作围墙)，此时它的上述缺点又全部转化为优点了。

5、网式墙田的构成方法和技术特征：

网式墙田是将图5中所示的箕斗杯5，按一定规则悬挂在固定的网式墙上构成的。网式墙常与方柱田共生，它是用金属网、钢管、角铁三种材料构成的。

其构成方法是(以高×宽=5×6米的网墙田举例)：将一根足够粗的钢管横搁在二个高5米，相距6米远的方柱田的顶端，并以混凝土固定；将3支长5米的角铁垂直焊结在该钢管的正中和二端，底部以混凝土小方墩予以固定；将幅宽为3米的冲切式大网格钢板网(它是成卷供货的，网格为大菱形)在地面上展开、敲平，然后截取长4.8米的二段，将此二片钢板网的上、左、右三边分别与钢管下沿和角铁点焊固定。网式墙即已告成。将盛满栽培基质的箕斗杯5按一定的分布密度悬挂在该网式墙的二面(网格)上，即构成网式墙田。

网式墙田的基本特征可描述为：一种可双面按任意密度悬挂栽培容器、多层次栽培农作物的永久性网格墙。

网式墙田的优点是：通风、采光、视野、通行条件优于板式墙田；其栽培钵是活动的，可随时随意调节其分布密度。最适于栽培蔓藤类农作物(如草莓、西瓜、甜瓜、香瓜等)。

6、用于露地栽培的半封闭实用型柱墙田工程体系的基本结构和技术特征：

图7是这种半封闭柱墙田工程体系的结构示意图。它是由主体工程(柱墙田组合群落)和附属工程(滴灌设施)二部分构成的。

其主体工程由板式墙田1(设在界面上，兼作围墙)，圆柱田2(它是个巨大的群阵、是本柱墙田工程的主体)，平栽田3(圆柱田下除通道以外的平面空间，它是用普通建筑砖围成的方块形地面无土栽培田)，以及卷闸门4和通道5所构成。

其附属工程由配液池6、水泵7、水塔8、总阀9、总管10、分配阀11、分配管12、出水咀13、滴灌管14等9部分构成。其中：6～10一般设在界外，12架设在板墙田1和圆柱田2的顶端，13对准1和2顶端的方孔和圆孔开设，14的末端应埋入基质内数公分深度。该滴灌设施的运作机制及机理，与一般常见的滴灌系统没啥两样，不再详述。

如图7所示的半封闭柱墙田工程体系，其基本特征可描述为：一种以板式墙田为界田，以圆柱田群阵为主体，可多层次栽培农作物，并与常规滴灌技术相结合的永久性栽培体系。

半封闭式柱墙田体系在我国无霜期较长的长江中下游及其以南的广大地区有很大的实用价值。其基本优势是：

第一、由于它不设置顶棚，其范围可以做得很大(每片可达数千亩甚至上万亩)；由于其内部只有单一的圆柱田，故其通风、采光、视野、通行等条件极好，极为壮观，也极便于管理；第三、由于圆柱田各层次的农作物都分布在同一个平面范围内，处于较高层次农作物的花粉会自行飘落到以下各层农作物的层面上，故其授粉率(尤其是异花受粉)特别高，特别有利于提高农作物的产量和质量水平；第四、由于圆柱田的结构重量最轻，比造价最低；与其配套的滴灌设施由液体高位落差自行驱动，管路压力较小，可大量使用廉价的钙塑管件；其实际使用面积又比占地面积扩展10倍以上。故而本系统的比造价极低。

关于本系统的适用范围，原则上除树木和特大型农作物(如高梁、玉米、甘蔗等)不宜外，其他各种农作物均宜。尤其适用于杂交稻的制种，因为只需在圆柱田的最上一层栽培父本稻，其下各层均可栽母本稻(处于上层的雄性花粉会自行飘落到其下各层母本稻上)，比之常规制种将父、母本隔行栽培，以人工拢行帮助授粉省事得多，并且种子的产量和质量也必定会高得多。

7、全封闭式柱墙田实用工程体系的结构和技术特征：

全封闭式柱墙田实用工程体系，就是在半封闭体系上增加顶盖和加温设施即成。其顶盖构造，与一般高档次的塑料大棚差不多；其加温系统可用红外线灯阵或沼气灯阵解决(只须保证棚内温度在5℃以上，使棚顶不积雪、管路不结冰即可)。不再绘图详述。

在结构方面，需要指出：第一、必须将其中1/10～1/20的圆柱田改为方柱田，并使方柱高出圆柱1米以上；第二、由于本系统内没有任何横向载荷(红外线灯和沼气灯的重量极轻，可略去不计)，故尔可省去粗重的纵、横梁(只须将用轻合金钢管拼焊而成的拱形棚顶直接搁置在方柱田的顶端，并以混凝土固定即可)，因而本系统的顶盖特别省钱，施工极为简便。

全封闭式柱墙田工程体系的基本特征，可描述为：一种以板式墙田为界面，以方柱田为承重柱，以圆柱田为主体，包括网式墙田和平栽田在内，能多层次栽培农作物，并与常规滴灌技术、加温技术相结合的永久性全天候保护栽培体系。

本体系的突出优势在于：第一、由于围墙和承重柱由板式墙田和方柱田兼作(等于这二部分实际上没花钱)；省去了粗重的纵梁和横梁；实际栽培面积比占地面积大10倍以上。故尔本系统的比造价(每百平米实际栽培面积的造价)，不到同类保护栽培设施的1/10。第二、由于本系统的范围极大(每片可达数百亩，而一般全封闭保护设施的建筑面积仅有数百平米)；棚内净高可在10米以上(一般设施在3米以内)；又没有纵横梁的阻挡。故尔本系统内的通风、采光条件接近于露地栽培，大型作业机械和载重卡车可在系统内通行无阻。这是其他全封闭保护栽培设施不可企及的。

8、需要交待的几个相关技术问题：

第一、图1～6所示的6种混凝土构件，其骨料配方中一般不含沙石，而是以粗粒煤渣为主(占70～80％)，配以多种矿粉(占20～30％)。所用的矿粉以磷、钾矿粉为主，硫、铁、钙、镁等矿粉适量。需要指出：这些构件也可用发泡钙塑或玻璃钢等轻型材料制作，以方便运输；

第二、柱墙田所用的栽培基质，以火烧土为主(火烧土是以细土与农作物茎秆、柴草等有机物混合堆烧的产物)。对无土地区(如纯岩、沙漠地区)，可用细岩粉、细沙与有机物混合堆烧，效果同等；当然，在装填之前，还需根据所栽培农作物的特性，配入适量的长效肥料(如：钙镁磷、硫酸铵、氯化钾等)；

第三、柱墙田所用的滴灌液，以稀沼水为主(稀沼水是将农作物茎稿、杂草、树枝叶等有机物，投入沼气池内密闭发酵后，经过滤并以30～50倍清水稀释的产物)。对特种经济作物(如油菜、瓜果、烟叶等)，还须配入少量含硼、锌、锰等元素的水溶性微肥；

第四、关于栽培基质的消毒和更换：火烧土在开头3～5年内，绝不会发生土传病害。但日久年深之后，也有感染土传病毒的可能。当有迹像发生时，拟用蒸汽杀毒。其做法是：将小型手推式锅炉推入柱墙田间，以头部尖锐的细长钢管，从柱墙田顶部插入基质深部，用115℃以上的过热蒸汽连续喷射，并在设有承土杯的层面上停留几秒钟(当蒸汽开通时，钢管极易插入)。这样不仅能彻底杀灭一切土传病菌，同时能使基质松软如初，恢复活力；

柱墙田的栽培基质一般无须更换，只要定期向承土杯内补充长效肥料即可；

第五、与柱墙田工程配套的沼气池群，可与柱墙田工程共生。一般将池体做在柱墙田地下，进料口做在界内，出料口做在界外。这样既可节约工程用地，又可压缩工程造价(因为柱墙田工程的地基面一般都是混凝土地坪)。

本发明的现实意义在于：

第一、在确保农作物总产出水平比现有水平提高1～3倍的前提下，还可让半数以上的农田退耕还林(即今后国家无须保留这么多耕地)，从而使地球环境和大气质量得到明显改善。

第二、水资源和水环境将得到有效保护。因为柱墙田不仅可节约70％以上的灌溉用水，更主要的是没有挟带残余农药和化肥的废水排入江河(柱墙田系统内的滴灌液几乎全部被农作物根系吸收，然后通过叶面蒸发返回大气层)；

第三、缺土少水的纯岩和沙漠地区，有可能成为巨大的农业生产基地。因为柱墙田根本不用土(以岩粉和细沙替代细土烧制火烧土效果一样)，用水量不到常规栽培的30％(少量的水总是好解决的)；

第四、第一、二产业之间的传统界线将被打破。柱墙田栽培是高度集约化、工业化的生产过程，其农业工人的工作环境、劳动强度、收入水平，都明显优于现阶段的产业工人；

第五、将促使半数以上的拖拉机厂、农药厂转产。因为柱墙田根本无须耕作，不存在土传病害，其他病虫害发生的机率也比目前小得多。同时将促使水泥、建材行业迅猛地发展，因为柱墙田所用的6种构件通常均为混凝土制品；

第六、将使社会财富总量和发达水平跃上一个新的台阶。因为以柱墙田为特征的未来农业，无论其生产规模、产出总量、生产成本，都是传统农业无法比拟的。

本发明的深远历史意义在于：将使人类一劳永逸地远离饥荒。

Claims (6)

1、一种新的农业栽培方法，其特征是：将土地由传统的“X-Y”平面上移入新的“ρ-Z”立面内(ρ是“X-Y”平面上有限长的直线、折线、曲线或封闭曲线)，使土地的实际使用面积扩展数倍至数十倍；这种新的立体栽培体系是由多边柱田、圆柱田、板式墙田、网式墙田等四种基本形式的立体栽培田，按一定的规则组合，并和常规的滴灌技术、加温技术、无土栽培技术相结合而构成的。

2、权利要求1中所述的多边柱田和板式墙田，其特征是：先用标准空心砌块砌成多边柱/连续墙，再将箕形承土杯粘结在多边柱/连续墙之予留通孔上而构成的。

3、权利要求1中所述的圆柱田，其特征是：先将空心圆柱垂直插入混凝土地基上的予留圆洞内，再将碗形承土杯粘结在该空心圆柱上各排予留长孔之下沿而构成的。

4、权利要求1中所述的网式墙田，其特征是：将活动的箕斗形承土杯按任意密度悬挂在永久性网格墙之两面而构成的。

5、权利要求1中所述的按一定的规则组合，通常是指：以板式墙田为界面、以多边柱田为承重柱、以圆柱田为主体，包括网式墙田和平栽田在内的半封闭或全封闭立体栽培体系。但也不排除以别的形式进行组合。

6、权利要求2、3、4中所述的标准空心砌块、箕形承土杯、空心圆柱、碗形承土杯、箕斗形承土杯等构件，通常是混凝土制品。但也不排除用发泡钙塑、玻璃钢等材料制作。

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