光照时间对无土栽培油麦菜生长的影响.pdf-

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光照时间对无土栽培油麦菜生长的影响朱栋铭邱娴蔡心怡朱昌瑞朱子旭吴泓均宁波工程学院材料与化学工程学院浙江宁波 3152 11 摘要以多层立体式无土栽培设备与营养液薄膜 N FT 技术在不同光照时间下进行油麦菜无土栽培种植实验探讨油麦菜在无土栽培设备上的生长速率耗电量成本并比对其他参数实验结果显示在不同光照时间参数下累计鲜重皆是随时间增加而增长三种光照时间参数下的累计耗电量并无太大差异研究油麦菜在不同生长周期天数的生长速率可观察出油麦菜以正成长方式进行生长其生长周期在 2 1天时作为一分界点进而考虑不同的光照时间与生长周期天数参数选择优化结果未来可作为植物工厂量产使用关键词植物工厂无土栽培营养液膜流 N FT 中图分类号 TS743 文献标识码 A 文章编号 1008 7109 2021 01 0021 05 0 引言植物工厂是通过高精度环境系统控制实现农作物合适生长环境的农业系统但其生产过程与设备成本极高尚无法推广至平民大众其中尤以种植过程中的水电消耗量最大因此如何降低生产成本 E f f e c t s o f L i g h t i n g T i m e f o r S o i l l e s s g r o w n L e t t u c e ZH U D o n g m i n g QI U Xi a n C AI Xi n y i ZH U C h a n g r u i ZH U Zi x u W U H o n g j u n Sc h o o l o f M a t e r i a l s a n d C h e m i c a l En g i n e e r i n g Ni n g b o U n i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y Ni n g b o 315211 C h i n a A b s t r a c t s I n t h i s s t u d y t h e s o i l l e s s c u l t i v a t i o n e x p e r i m e n t o f r a p e s e e d w a s c a r r i e d o u t u n d e r d i f f e r e n t i l l u m i n a t i o n t i m e s b y u s i n g m u l t i l a y e r a n d t h r e e d i m e n s i o n a l t e c h n o l o g y a n d n u t r i e n t s o l u t i o n t h i n f i l m NFT t e c h n o l o g y t h e g r o w t h r a t e p o w e r c o n s u m p t i o n c o s t a n d o t h e r p a r a m e t e r s o f l e t t u c e i n s o i l l e s s c u l t i v a t i o n e q u i p m e n t w e r e s t u d i e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c u m u l a t i v e f r e s h w e i g h t o f d i f f e r e n t l i g h t i n g t i m e p a r a m e t e r s i n c r e a s e s w i t h t i m e a n d t h e r e i s n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e i n t h e c u m u l a t i v e p o w e r c o n s u m p t i o n o f t h e t h r e e l i g h t i n g t i m e p a r a m e t e r s Th e g r o w t h r a t e o f d i f f e r e n t g r o w t h c y c l e d a y s c a n b e o b s e r v e d t o b e i n a p o s i t i v e g r o w t h m o d e Th e g r o w t h c y c l e i s t a k e n a s a d i v i d i n g p o i n t a t 21 d a y s a n d t h e n t h e p a r a m e t e r s o f d i f f e r e n t l i g h t t i m e a n d g r o w t h c y c l e d a y s a r e c o n s i d e r e d Th e o p t i m i z a t i o n r e s u l t s c a n b e u s e d i n t h e p l a n t f a c t o r y f o r t h e f u t u r e m a s s p r o d u c t i o n K e y w o r d s p l a n t f a c t o r y s o i l l e s s c u l t i v a t i o n Nu t r i t i o n Fi l m Te c h n i q u e NFT 收稿日期 2019 12 26 修回日期 2020 10 21 基金项目国家级大学生创新创业训练计划项目 201911058009 浙江省教育厅一般科研项目 Y 20183926 9 通信作者吴泓均 1976 男台湾新竹人博士副教授主要从事纳米材料与半导体先进电子构装研究 E m a i l t e l v i n 911 h o t m a i l c o m DOI 10 3969 j i s s n 1008 7109 2 02 1 01 004 宁波工程学院学报 J OU R N AL OF N IN GBO U N IV ER S IT Y OF T ECHN OLOGY 第 33卷第 1期 V o l 33 N o 1 2 02 1年 3月 M a r 2 02 1 宁波工程学院学报 2021年第 1期将成为这一行业最大获利关键 1 6 无土栽培技术可分为气雾培 Ae r o p o n i c s 深水流 DFT 及营养液薄膜 NFT 等方式气雾培技术使用喷头加压方式将营养液及水分破碎为气雾状并附着于植物根部表面可促进根部吸收效率但其装置昂贵需要不断循环断电时容易造成植物根部缺水死亡深液流技术为营养液的液层较深 2 10 c m 植物根部大部分浸泡于营养液中虽然可使根部不易缺水而坏死但缺点是根部因长时间浸泡于营养液中容易缺氧腐烂需要使营养液保持循环流动增加营养液的含氧量减少根部表面有害的代谢物质营养液膜技术是将植物根部部分浸泡于营养液中液层较浅 5 10 m m 根部大部分暴露于湿气中缺点为其根部容易受环境温度影响而造成产量下降优点为根部可充分得到氧气且设备价格较低 7 植物生长光源是目前植物工厂技术中最为核心的技术包括 LE D灯高压钠灯白炽灯荧光灯等其光源波段范围为 400 n m 至 720 n m 主要吸收光波段为蓝光 400 500 n m 红光 600 700 n m 及部分的近红外光源 700 720 n m 在栽培过程中需要依照植物需求调整其光强度与光照时间 8 可由光源光谱图上换算其光强度值常用红 R 蓝光 B 强度比例可为 R B 1 4 1 6 适合生殖生长期开化结果的植物营养生长期植物可用 R B 2 1光源进行照射整体植物生长过程的光照时间可设定为 8 24 h r 依照不同植物品种与生长时期需求而定光强度值的演算方法可使用积分球直接测出光源功率并在积分区间内计算出不同波长的范围内的辐射总功率推算至 LE D灯珠的计算法可用 Ra 数值作为 R B比 9 光源强度均匀性是植物工厂中标准化量产的重要参数如均匀性太低将无法生产一致性的农产品以灯具而言需要安装反光镜或透镜的方式进行匀光设计进而达到高均匀性 90 的光强度分布光强度均匀性是将光强度照射至植物冠层上的范围内取其分布点各点的光强度平均值并与最高强度值比对得到百分比的均匀值与室内照明光照射强度单位 Lu x 不同植物光源照射强度以光合光子通量密度 P P FD 作为表示是根据植物在光合作用有效光源波段范围内的能量单位光合辐射照度作为计算基础植物生长所需要的最低光源强度为光补偿点 Li g h t Co m p e n s a t i o n P o i n t 植物照射光源强度应保持在光补偿点之上 10 18 本实验改变光源照射时间进行栽培成本分析以期达到优化最佳结果同时作为植物工厂营运参考可降低生产成本 1 材料与方法 1 1 试验材料实验采用立体多层式无土栽培设备与营养液膜技术进行油麦菜栽培如图 1 a 所示整台设备尺寸为 120 c m 50 c m 150 c m 长宽高共有 3 层种植层每层各自配置 7 根 T8 LE D 60W的条形灯光源每层包含 4条栽培槽每条栽培槽上设计 11 个种植孔种植孔间距为 10 c m 每层可种植 44 株植物整台设备可同时种植 132株植物使用蛇型连通方式进行营养液供给营养液进口 In 与出口 Ou t 在同一侧如图 1 b 所示营养液供给时间供给量 E C值 p H 值环境温湿度 LE D光源照射时间为可控制条件营养液使用市面上容易取得的通用水溶液肥 NP K20 20 20 LE D光源照射强度均匀性为 93 测量高度为 25 c m 是以每 10 c m 种植孔为间距作为光强度量测点光谱图如图 2所示其光强度比例红蓝为 4 图 1 多层式无土栽培设备图 a 立体多层式无土栽培设备 b 营养液供给连通系统 22 1 可观察出由蓝光至红光波长为 400 n m 7 00 n m 图 2 L E D 光谱图 1 2 试验方法首先将种子泡于 60 温水中半小时泡完温水的种子放置在潮湿环境中等待发芽待种子发芽至一芯两叶后移植至岩棉中并放置在水槽内保持岩棉潮湿等待长出根系长度 5 c m 后放置于植物生长机中 E C 值控制在 1 2 00 1 400 s c m 1 p H 值控制在 6 0 6 8范围环境温度控制在白天 2 4 及夜晚 18 湿度控制在 60 80 R H 油麦菜分为育苗周期与生长周期二个阶段育苗周期本文不讨论以移植到无土栽培设备上的生长周期种植情况做分析生长周期的光照射时间参数为 8 h r 16 h r o n o f f 12 h r 12 h r o n o f f 及 8 h r 16 h r o n o f f 三种以此三种光照时间作为油麦菜生长过程分析的实验参数 2 结果与讨论 2 1 不同光照时间的生长对比分析表 1为油麦菜在生长周期 2 3 天内所作的不同光照时间纪录数据以下的 8 h r 16 h r o n o f f 12 h r 12 h r o n o f f 及 16 h r 8 h r o n o f f 作为光照时间参数各自以 8 h r 12 h r 及 16 h r 作为表示以每台机器种植数量 13 2 株来计算观察结果包含累计鲜重生长速率及累计耗电量成本的纪录经由累计每天油麦菜增加的鲜重数据可观察油麦菜生长曲线生长速率则是观察不同天数油麦菜鲜重的增加情况最后根据耗累计耗电数据来计算整体油麦菜的种植成本累计耗电量是以整体设备与系统所消耗的电量来做合计其参数可深入探讨耗电量与种植鲜重之间的关系并取得优化的种植参数耗电量成本是以每台耗电量在 13 2 株植物基准上做的计算表 1 油麦菜采收数据注以 23 天为生长周期进行记录天数 d 累计鲜重 g 生长速率 g d 1 累计耗电量 k W h 8 h r 12 h r 16 h r 8 h r 12 h r 16 h r 8 h r 12 h r 16 h r 6 2 4 3 6 4 5 0 8 1 1 2 8 3 6 6 4 7 2 0 6 1 4 1 4 1 1 3 1 5 10 5 2 9 8 14 2 0 6 1 7 3 5 1 2 1 6 1 9 15 13 0 3 1 0 3 9 0 1 6 4 2 5 0 1 6 2 1 2 6 18 25 0 4 6 0 6 8 5 4 0 5 0 9 8 2 2 5 3 1 21 5 2 0 9 5 0 118 0 9 0 16 0 16 5 2 3 3 3 6 23 6 0 0 118 0 15 2 0 4 0 11 5 17 0 2 5 3 2 4 朱栋铭等光照时间对无土栽培油麦菜生长的影响 2 3 宁波工程学院学报 2021 年第 1 期 2 2 各种生物量指标对比分析图 3为油麦菜在生长周期第 8天时所拍摄的照片由右至左分别为光照时间 8 h r 12 h r 及 16 h r 三种参数所种植出来的结果可以判断 16 h r 的油麦菜大小明显要比其他的种植结果好经由营养液膜 N F T 哉培出来的根系也明显比土培植物健康 19 图 4为不同生长周期天数时的累计鲜重曲线图在比对三种光照时间参数 8 h r 12 h r 及 16 h r 可以观察到 16 h r 曲线的累计鲜重为最大可与图 3照片观察结果相呼应整体来看三个时间参数的累计鲜重皆是随时间增加而成长从实验中可得知生长周期 21 天时最大鲜重为 16 h r 的 118 g 以 12 h r 参数而言累计鲜重达到 118 g 时为 23天图 5为不同生长周期天数时的生长速率曲线图与累计鲜重曲线类似皆是以正成长方式进行生长但在生长周期第 21 天时可以观察到其生长速率开始下降虽然是以正成长进行但其生长速率减慢逐渐达到顶峰并下降三种光照时间参数皆在第 21 天生长周期时开始下降可以初步认定油麦菜在生长周期第 21 天时其生长速率开始减缓图 6 为不同光照射时间的生长周期在 a 8 h r 16 h r o n o f f b 12 h r 12 h r o n o f f 及 c 16 h r 8 h r o n o f f 的累计耗电量成本与累计鲜重的曲线图有图线可知累计鲜重 20g 时三种光照时间参数的累计耗电量并无太大差异性在累计鲜重 20 40 g 范围内图 6 a 中 8 h r 的累计耗电成本为最低图 6 b 中可观察出 12 h r 参数的累计耗电量成本虽然略高于图 6 c 中 16 h r 的累计耗电量在累计鲜重为 40 g 时 16 h r 的耗电量成本明显高于 12 h r 与 8 h r 的耗电量成本图 3 油麦菜在不同时期时的生长状况图图 4 不同生长周期天数与累计鲜重的曲线图图 5 不同生长周期天数与生长速率的曲线图 24 图 6 累计耗电量成本与累计鲜重的曲线图 a 8 h r 16 h r o n o f f b 12 h r 12 h r o n o f f 及 c 16 h r 8 h r o n o f f 为不同光照射时间的生长周期 3 结论基于不同光照时间参数进行油麦菜无土栽培种植实验的设计对其进行光照时间实验测试研究结果表明 1 在生长周期 21 天时在光照时间为 16 h r 时最大鲜重为 118 g 对 12 h r 参数而言累计鲜重达到 118 g 时生长周期为 23天 2 在不同光照时间下累计鲜重为 40 g 时 16 h r 的耗电量成本明显高于 12 h r 与 8 h r 的耗电量成本 3 在不同生长周期下考查生长速率可得知以生长周期 21 天做为分界点产业可判断其栽培成本进行参数选择作为未来植物工厂种植参数的使用参考参考文献 1 高菊玲孔德志微型植物工厂的设计 J 科技信息 2012 32 227 2 高菊玲植物工厂发展趋势探讨 J 轻工科技 2012 9 129 130 3 刘文科植物工厂的定义与分类方法辨析 J 照明工程学报 2016 5 83 86 4 张晓慧周增产王峻峰植物工厂关键技术的研究与应用 J 北方园艺 2010 4 204 207 5 商守海周增产李东星 J P W Z 1 型微型植物工厂的研制 J 农业工程 2012 1 44 47 6 艾海波魏晋宏邱权微型植物工厂智能控制系统 J 农业机械学报 2013 S 2 19 8 204 7 赵旭赵艳芝王静等雾培对西红柿根系生长及其营养吸收的影响 J 浙江农业学报 2017 5 7 67 7 7 2 8 刘晨晨马超陈洋洋等微型 L E D 人工光植物工厂不同种子对生菜生长的影响 J 宁波工程学院学报 2017 4 45 49 9 刘彤刘雯马建设可调红蓝光子比例的 L E D 植物光元配光设计方法 J 农业工程学报 2014 30 1 154 159 10 王君仝宇欣杨其长 L E D 光源红蓝光配比对生菜光合作用及能量利用效率的影响 2018 34 234 240 11 杨其长张成波植物工厂系列谈七植物工厂光照和温度调控 J 农村实用工程技术温室园艺 2005 11 31 33 12 刘刚植物生长 L E D 照明控制系统的研究 D 天津天津职业技术师范大学 2014 13 徐圆圆覃仪杨梅 L E D 光源在植物工厂中的应用 J 现代农业科技 2016 6 161 162 14 刘颖 L E D 用于拟南芥生长光源的研究 D 上海复旦大学 2013 15 李东星周增产张雪娇闭锁型育苗系统中不同光源对生菜生长的影响 J 长江蔬菜 2012 20 42 44 16 郑晓蕾丸尾达朱月林植物工厂条件下光质对散叶莴苣生长和烧边发生的影响 J 江苏农业科学 2011 6 27 0 27 2 17 魏灵玲杨其长刘水丽密闭式植物种苗工厂的设计及其光环境研究 J 中国农学通报 2007 12 415 419 18 李东星商守海兰立波植物工厂不同光源和光照方式对生菜生长的影响 J 长江蔬菜 2012 24 50 52 19 孔妤王忠顾蕴洁等土培和水培吊兰根系结构的观察 J 园艺学报 2009 4 533 538 累计耗电量成本 k w h 累计鲜重 g 累计鲜重 g 累计鲜重 g 累计耗电量成本 k w h 累计耗电量成本 k w h 朱栋铭等光照时间对无土栽培油麦菜生长的影响 2 5

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