基于LED光源水培生菜最佳光配方的筛选.pdf

崔世钢 陈 苗 张永立 等 基于 LED 光源水培生菜最佳光配方的筛选 J 江苏农业科学 2020 48 16 152 155 doi 10 15889 j issn 1002 1302 2020 16 028 基于 LED 光源水培生菜最佳光配方的筛选 崔世钢 陈 苗 张永立 何 林 吴兴利 天津职业技术师范大学 天津市信息传感与智能控制重点实验室 天津 300222 摘要 随着 LED 光源在植物工厂的广泛应用 研究培养植物的光环境参数显得尤为重要 以芭拉里娜生菜为试 验材料 采用光照度梯度试验和均匀性仿真的方法 研究在植物工厂中培养芭拉里娜生菜的最佳光配方 研究结果表 明 芭拉里娜生菜的最佳光配方是矩阵式排列的 LED 光源距离生菜 26 cm 幼苗期以红蓝光比例为 7 1 的复合光进 行照射 生长期以红蓝光比例为 6 1 的复合光进行培养 光照度为 400 mol m 2 s 光照时间均为 12 h d 关键词 光配方 LED 光源 矩阵式排列 均匀性 水培生菜 中图分类号 S636 204 文献标志码 A 文章编号 1002 1302 2020 16 0152 04 收稿日期 2019 08 07 基金项目 国家重点研发计划 编号 2017YFB0403904 作者简介 崔世钢 1963 年 男 天津人 博士 教授 主要从事机 器人控制 人工智能研究 E mail cuisg 163 com 通信作者 陈 苗 硕士研究生 主要从事智能控制研究 E mail 954315190 qq com 近年来 植物工厂作为一种能够完全实现人工 控制 不受自然光照等条件限制的新型农业生产方 式 成为广大研究人员的新宠儿 光照是农作物能 量的来源 是植物光合作用 生长发育 形态建成以 及物质消耗等多方面的必要条件之一 众多学者 针对植物的影响因素如光质 光照时间等开展了相 关研 究 但是基于植物工厂发光二极管 light emitting diode 简称 LED 光源对水培生菜的光配方 尚未见报道 生菜在我国不少地区均有栽培 叶片脆嫩 营 养价值高 并有保健功能 是发展前景较好的蔬 菜 1 光配方是由飞利浦公司提出的一个概念 即 在某种生长环境下 某种作物的某个生长阶段所需 的光照条件 2 光配方包含 3 个方面 1 光照度 光照均匀性 光质 光照时间和 LED 光源放置位置 2 基于光配方条件下的其他环境参数 如温度 湿 度等 3 其他效果 如节能效果 LED 是一种具有 PN 结的发光二极管 它凭借 耗能低 控制简单 使用时间长 小巧轻便等诸多优 点 已经在植物工厂中得到了广泛的应用 光照度 E 是指物体光照接收面在单位面积 S 内所接收到的光通量大小 计算方法如公式 1 所示 在 LED 人工光源下 光照度随电源电压 的调节而变化 该值可由光分度计进行测试 E S 1 光照均匀度 U 0 指的是在一定的照射面积内 光照接收面光照度最小值 E min 与所有光照度平均 值 E av 的比值 计算方法如公式 2 所示 光照均 匀度的值为 0 1 数值越接近于 1 生菜接收的光 线越均匀 整体生长情况越好 U 0 E min E av 2 生菜培育分为 3 个阶段 分别是播种期 幼苗期 和生长期 培养周期约 90 d 播种期不需要光照处 理 幼苗期调配红蓝光比例为 7 1 的复合光 生长 期调配红蓝光比例为 6 1 的复合光 3 幼苗期 生 长期光照时间均在 12 h 为宜 通常将 LED 光源等 间距放置 光源的排布方式也将影响生菜接收光照 的均匀性 本试验针对 LED 光源的不同光照度和 排布方式进行研究 1 光照度梯度试验 1 1 试验材料 试验材料为 2018 年 9 月 1 日播种于天津职业 技术师范大学植物工厂重点实验室水培植物生长 架 2018 年 9 月 10 日出芽的芭拉里娜生菜幼苗 1 2 试验环境 LED 光源选取市场上常用的深圳慧盈生态科 技有限公司合鸣 LED 植物灯 环境温度为 20 湿度为 70 80 光照时间为 12 h d LED 光源 距离生菜 26 cm 251 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 16 期 1 3 试验设计 为明确不同光照度对芭拉里娜生菜生长的影 响 随机选取 32 株芭拉里娜生菜幼苗 以每 8 株为 1 组分别放置在 4 组光强条件下 光照度分别设置 为 200 300 400 500 mol m 2 s 每天记载其株高 叶长 叶宽和鲜质量 培养 至 90 d 时 生菜成熟 1 4 结果与分析 培养至 90 d 时的生菜生长情况见表 1 生菜株 高见图 1 生菜叶长见图 2 生菜叶宽见图 3 从表 1 可以看出 不同光照度条件下的生菜生 长情况差异明显 在植物形态方面 每组的生菜叶 片均嫩绿且饱满 但在 500 mol m 2 s 光照培养 条件下的生菜叶片数量明显少于前 3 组 在干物质 积累方面 以培养至 90 d 时生菜鲜质量为依据 400 mol m 2 s 光照度下的生菜生物量积累得 最多 比 200 mol m 2 s 培养条件下增产 62 比 300 mol m 2 s 光照条件下增产 50 比 500 mol m 2 s 光照处理下增产 233 试验 结果表明 400 mol m 2 s 的光照度更适合水培 生菜生长 从图 1 图 2 图 3 可以看出 随着光照培养时间 的增加 芭拉里娜生菜的株高 叶长 叶宽都呈现出 表 1 不同光照度条件下的生菜生长情况 光照度 mol m 2 s 生菜鲜质量 g 生菜生长状况 200 185 300 200 400 300 500 90 351 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 16 期 上升的趋势 表明本次光照度梯度试验设置较为合 理 在不同生长指标中 各组处理生菜生长情况均表 现为 400 mol m 2 s 处理组 300 mol m 2 s 处理组 200 mol m 2 s 处理组 500 mol m 2 s 处理组 试验结果表明 当光照度设置在 400 mol m 2 s 以下时 逐步增加光照度可以促 进生菜的生长 当光照度达到 400 mol m 2 s 时 再增加光照度则抑制生菜的生长 原因可能是 由于高光照度的灯板产生的热量高 导致植物缺 水 试验结果表明 400 mol m 2 s 的光照度更 适合水培生菜的生长 2 光照均匀度仿真试验 2 1 试验设计 通常 LED 光源的排布有矩阵式 三角形和圆形 排列 为了探究何种排列方式的 LED 光源光照均 匀性更好 基于 TracePro 软件光学仿真和 Matlab 软 件三维构图 对比分析 3 种布局方法的优劣 2 1 1 基于 TracePro 软件试验方法 在 TracePro 光学仿真环境下 选取 16 颗相同的 LED 灯珠依次 以矩阵式 三角形式和圆形式排列 间距设置为 4 cm 光源距离生菜 26 cm 植物工厂重点实验室的其 他环境参数设置完毕后 运行软件导出仿真图 2 1 2 基于 Matlab 软件试验方法 基于 Matlab 软 件 以采集的光照度数据构建三维立体图 试验步 骤是将 LED 光源间距 4 cm 依次以矩阵式 三角形 式 圆形式的排布方式固定在灯架上 光源距离坐 标纸 26 cm 坐标纸规格为 100 cm 100 cm 由 1 cm 1 cm 的小方格组成 准备就绪后 用光照度传 感器依次测量每个小方格处的光照度 最终汇总数 据形成三维图 2 2 结果与分析 2 2 1 基于 TracePro 软件的仿真结果与分析 从 图 4 图 5 图 6 可以看出 3 种排列方式均显示出光 照接收面中间区域较明亮 四周逐渐变暗的光照分 布特点 其中 LED 光源矩阵式排布的整体亮度明 显优于三角形式 圆形式排布 考量光照均匀度的 指标是光照度均匀性 由仿真结果可知 矩阵式的 光照均匀性为 80 2 图 4 三角形式的光照均匀 性为 70 50 图 5 圆形式的光照均匀性为 78 5 图 6 由此可知 在 TracePro 光学仿真软件下 矩 阵式的 LED 光源排列方式为最佳排列方式 2 2 2 基于 Matlab仿真结果与分析 构建的三维 451 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 16 期 立体图中 不同颜色代表光照接收面的光照度不 同 若邻近区域颜色越接近或者波峰位置平面面 积越大 说明其接收到的光照度相差较小 均匀性 较高 图 7 图 8 和图 9 的中间区域均呈现出红色 暗红色 橙色等相近颜色 图 7 图 9 中间区域相近 颜色多于图 8 比较图 7 图 9 在波峰位置均具有 一定的平面面积 图 7 中的平面面积明显多于图 9 表明基于实测光照度数据下 矩阵式排列方式为最 佳排列方式 3 讨论与结论 培养植物的光环境参数主要由光源 光照度 光照均匀性 光质 光照时间等组成 众多学者针 对其中的部分因素开展了研究 李东星等指出 采 用 16 h 连续光照的生菜生长态势总体优于采用 16 h 间歇光照的生菜生长情况 4 丁娟娟探究了 LED 不同占空比对生菜生长 产量 品质及光合特 性的影响 5 光照度和植物接收光的均匀性同样 也是组成芭拉里娜生菜光配方不可或缺的部分 本研究通过对光照度设置梯度试验 结果表 明 在 400 mol m 2 s 的光照度下生菜的生长情 况明显优于其他 3 种光照度 TracePro 软件 Matlab 软件的仿真结果表明 相对于三角形式和圆形式排 布 矩阵式 LED 光源排布方式的均匀性最高 本试 验结果表明 适合植物工厂条件下芭拉里娜生菜的 最佳光配方是环境温度为 20 湿度为 70 80 矩阵式排列的 LED 光源距离生菜 26 cm 幼苗 期以红蓝光比例为 7 1 的复合光进行照射 生长期 以红蓝光比例为 6 1 的复合光进行培养 光照度为 400 mol m 2 s 光照时间均为 12 h d 该光配方可作为植物工厂大规模培育芭拉里 娜生菜的通用方案 也可以为其他品种生菜的培养 提供参考依据 对于推进植物工厂生菜培养 具有 一定的实际意义 在今后的研究中 可以考虑将光 照度梯度设置小一些 使试验结果更准确 参考文献 1 方舒玲 胡笑涛 冉 辉 等 光强和营养液对水培生菜光合特性 和叶绿素荧光参数的影响 J 北方园艺 2018 11 15 21 2 刘文科 刘义飞 LED 智能植物工厂光配方构建与应用 J 中 国照明电器 2017 10 1 3 3 王海鸥 李广安 认识照明 LED J 中国照明电器 2004 2 2 4 4 李东星 商守海 周增产 等 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 5 丁娟娟 LED 不同占空比对生菜生长 产量 品质及光合特性的 影响 D 杨凌 西北农林科技大学 2014 551 江苏农业科学 2020 年第 48 卷第 16 期