光照时间对无土栽培油麦菜生长的影响.pdf

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 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