目的:在密闭空间内种植高等植物,是目前航天和潜艇研发领域研究的重点。在航天器内的植物种植体系研究较多,大部分为土壤或基质培育体系,也有少数植物-尿液复合培养体系的报道,这些体系均占地较大且需要复杂的供能和管道设备。在潜艇内的高等植物种植体系目前尚没有成熟的先例。因此本课题的研究目标是为潜艇设计并制造一种的密闭空间植物无土栽培装置体系,该体系可以在潜艇内无土培育生菜,提供新鲜可食用的蔬菜,同时实现尿液的循环利用,改善密闭空间内部人员的生存环境,并且可成为潜艇内的一种辅助供氧方式。方法:(1)设计并制作植物无土栽培装置体系,包括以imec膜技术为基础的核心板、装置支架和尿液净化装置。在组建好完整的无土栽培装置体系后,验证该体系可以在潜艇相同条件(25℃C～30℃C,白色荧光灯)下培育生菜20 d以上。(2)在不同定植密度条件下(16孔/核心板和25孔/核心板),在无土栽培装置上培育生菜,检测生菜的生长指标和营养指标确定无土栽培装置核心板的最佳定植密度。(3)构建尿液净化装置,对收集的男性尿液进行净化,测定净化前后尿液的氨氮和无机盐含量来评估装置的净化能力;使用不同配比的净化尿液和山崎生菜营养液组成的混合营养液(净化尿液含量依次为0%、20%、40%、60%、80%、100%)培育生菜,测定生菜的生长指标和营养指标,考查混合营养液中净化尿液含量对无土栽培生菜的影响。(4)利用特制的OTC群落光合-呼吸测定仪,测定不同光源(红、蓝、白荧光灯)和不同定植密度条件(16孔/核心板和25孔/核心板)下无土栽培装置的净光合作用速率,探究利用该体系进行植物培养是否可以成为潜艇内的一种辅助供氧方式。结果:本研究构建了包括核心板、装置支架、尿液净化装置三部分组成的植物无土栽培装置体系。核心板(30cm×30cm×2cm)包括imec膜袋、底座和顶盖,imec膜袋固定在底座和顶盖之间,底座和顶盖是由7075T6航空铝和亚克力板材经机械加工制成,并设计了 16孔/核心板和25孔/核心板两种定植密度;一个装置支架承托3块核心板,通过支架的旋转可以设定无土栽培装置的最佳追光位置,获得最大光照强度;尿液净化装置是以椰壳活性炭和混床型离子交换树脂为填充物的过滤柱。整个无土栽培装置体系占地体积仅为0.007225 m3。构建的植物无土栽培装置体系可以类似潜艇空间环境条件下(25℃～30℃,白色荧光灯)培育生菜20 d以上。核心板的最佳定植密度为25株/核心板,每块核心板可以提供40 g新鲜生菜。该密度培育下生菜的主要营养指标,可溶性蛋白含量为4.84mg/g FW,可溶性糖含量为181.96mg/g FW。与常规土培对比,核心板培养生菜的各项营养指标均略低,但仍符合食用要求。构建的尿液净化装置一次可以净化1L尿液,所得净化尿液无色无嗅,对原尿液无机盐的清除率达99.9%以上(净化后尿液中可溶性固体总量4.5 mg/L,可溶性盐含量9.0 μs/cm),氨氮清除率达99.7%以上(净化后尿液中氨氮含量3.63 mg/L)。结果表明净化后的尿液可以作为无土栽培装置体系的营养液补充液。混合营养液培育生菜实验结果表明,随着净化尿液在混合营养液中占比的上升,生菜的发育受到抑制,含20%净化尿液组为混合营养液的最佳配比。在该配比下,所得生菜鲜重和纯营养液(即0%净化尿液组)相比上升了 23.2%,但可溶性蛋白含量(3.70 mg/g FW)和可溶性糖含量(100.65mg/g FW)与纯营养液培养相比有所降低。不同光源和定植密度条件下植物无土栽培体系净光合速率实验结果表明,在红色荧光灯照射下,25孔核心板的净光合作用速率最高,达0.120 mg/(cm2.h),高于同条件下城市草坪群落的净光合作用速率(-0.0569 mg/(cm2.h)),可以作为一种有效的供氧补充方式。本研究设计并构建的密闭空间内植物无土栽培装置体系,结构简单,安装方便,经济环保,节能高效。本体系的构建对实现潜艇内的高等植物种植有现实意义,且为探索密闭空间内无土培养对植物生理状况的影响提供了较好的理论基础。