冬笋生长培育监控行走小车

◆湖南省益阳市箴言中学 何雅涵 潘亚舟 严 谨

益阳是“中国竹子之乡”，其境内的桃江竹林面积位居湖南省第一位，全国第三位。随着环保力度的加大，国家取缔了一些竹制品加工企业，竹子的需求量骤减，多处竹林被毁，竹子被贱卖。我们想通过调查桃江及益阳竹产业的实际情况，探寻一种提高竹林经济效益的途径和方法，保护竹林不被过度砍伐。

竹子主要进行无性生殖，每年春季从地下的竹鞭上长出竹笋来，然后发育成新竹。1年生的竹子已具备繁殖能力，2～3年生的竹子的竹鞭繁殖能力最强，5年生的竹子竹鞭基本不具备繁殖能力。因此竹子长到一定的年限要适度砍伐，让竹林中的竹子不断更新，保持竹林旺盛的生命力。通过调研，我们了解到，竹笋中以冬笋的经济价值最大，未加工的冬笋售价约为每千克40元，与2000千克的竹子等值。

从2018年上学期开始，我们利用假期，对冬笋的功效、价值、探测与培育等进行了研究。

我们了解到，冬笋生长过程中不能从土壤外汲取养分和水分。冬笋喜湿但又怕湿，若土壤长期处于干燥状态，冬笋会因缺水而死亡；如果土壤中的水分过多，冬笋会因水多而腐烂。因此，冬笋只有生长在竹鞭靠近主竹竹梢倒垂的位置时，依靠竹梢滴落的露水来保持土壤的适宜湿度，才有可能长成健壮的冬笋。

同时，冬笋不能进行光合作用，因此只能靠汲取主竹的养分生存，大部分侧芽发育的冬笋因生存条件不适宜而死亡。如果对冬笋的生长环境进行适当的管理，就能提高冬笋的成活率。

目前，冬笋的探测还只能依靠人工经验判断，无法了解冬笋的生长环境，一旦探到就挖，存在很大的误采、空采的几率。由于冬笋价格高，在利益的驱使下，每到冬季，冬笋“采挖大军”进入竹林，竹林中到处留下探测、挖采后的坑。盲目的探测、采挖冬笋不仅损害竹根，还会破坏竹林的土壤，不利于水土保持，阻碍竹子的繁殖。

为了提高冬笋的成活率，保持竹林的自然生态环境，我们设计了一种冬笋生长培育监控行走小车。

一、结构设计

冬笋生长培育监控行走小车由主控装置、检测控制机构、营养检测补充机构三部分组成。

主控装置上设有用于扫描土壤表面裂痕或土包情况的视频监测仪，用于检测土壤裂痕处的土壤湿度、二氧化碳浓度的检测控制机构以及提供电源的主控器。

检测控制机构上设有与湿度传感器、二氧化碳传感器连接的升降检测头，它垂直升降运动时能带动扩穴器深入土壤，扩穴器内的湿度检测探头、二氧化碳检测探头分别与湿度传感器、二氧化碳传感器连接，随升降检测头升降探测冬笋。

营养检测补充机构包括营养液箱、排液管、液泵，营养液箱经液泵与排液管连通，主控器连接控制液泵。

图1 冬笋生长培育监控行走小车原理图

图2 冬笋生长培育监控行走小车结构示意图

图3 冬笋生长培育监控行走小车实物图

二、模拟实验

（一）冬笋裂痕位置土壤水分对比检测实验

1.实验目的

测定冬笋位置裂痕的土壤与其周围土壤含水量的差异，探究湿度变化检测的方法及途径。在不同时间段测定竹林中有冬笋生长处的土壤，观察其同一时间湿度的差别与不同时间内其差值的变化。

2.实验原理

裂痕中有冬笋时，由于冬笋夜间代谢旺盛，呼出的大量水分残留在土壤中，其生长处的土壤的含水量大于其他地方的。90%以上的冬笋生长在竹梢倒垂的位置，冬天早上，竹梢上的露水滴落在冬笋生长处，也会造成该处土壤含水量增加。随着水分的蒸发，不同时段土壤的含水量不同，但在同一时段，其裂痕外部的含水量明显高于内部的。

3.实验结论

裂痕中越靠近冬笋的位置，其相对湿度越大，接近土层表面的相对湿度稍大于其所处竹林的平均湿度。裂痕中土壤的湿度与竹林中的平均湿度维持在一定的范围内，若超过该范围，就会导致冬笋生长迟缓，甚至死亡。

由此可见，控水对冬笋的生长有很重要的作用，通过检测土壤中的含水量也可以进一步确认裂痕中是否有冬笋。

（二）冬笋裂痕位置二氧化碳浓度的变化对比检测实验

1.实验目的

通过对冬笋生长位置的二氧化碳浓度的检测，把冬笋的生命气息转化为理化指标，若土壤满足该检测理化指标，则可判定其中必有冬笋。

2.实验原理

冬笋在土壤中进行呼吸作用，呼出的二氧化碳滞留在土壤中，导致其浓度高于外界空气中二氧化碳的浓度。裂痕中如没有冬笋则不存在呼吸作用，其二氧化碳浓度也与空气中的一致。

3.实验结论

冬笋在土壤中只能通过细小的裂痕与外界进行气体交换，其局部空间中二氧化碳的浓度一定高于外界空气中二氧化碳的浓度，用这一指标可以确认裂痕中存在冬笋。

三、创新点

1.开辟了用土壤裂痕、土壤湿度、土壤中二氧化碳的浓度等理化指标来探明是否有冬笋、判定冬笋生长位置的先例。

2.实现了对冬笋生长状况的实时监控，检测冬笋生长时的养分与水分状况，并根据需要进行实时分类补充，解决冬笋无法培育的难题。

四、改进与完善

未来，我们还想让该小车能在丘陵地区行走自如，让其在即使有重物覆盖的情况下也能准确判断冬笋的位置，并找到能确定冬笋生长位置的方法。

专家点评

冬笋炒腊肉是深受南方人喜爱的一道美味佳肴。不过冬笋虽然好吃，要挖采到却有些困难，更没有培育生长的先例。而何雅涵、潘亚舟、严谨等同学完成的“冬笋生长培育监控行走小车”是一项基于本地优质农产品的开发，创立了通过土壤裂痕、土壤湿度、土壤中二氧化碳浓度等理化指标来探明冬笋生长位置的新技术；实现了对冬笋生长状况实时监控，检测冬笋生长时的养分与水分状况，进行实时分类补充，解决冬笋无法培育难题的原创性发明项目。

据了解，这项发明的灵感源自学生的亲身体验，因为看到爸爸妈妈挖采冬笋太辛苦，便向辅导老师提出希望找到便捷方法的发明课题。两位辅导老师及时认可了学生的课题，同时发挥各自的专业特长，精心带领他们进行了一系列的科学实验与探究。