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 315211 摘 要 以多层立体式无土栽培设备与营养液薄膜 NFT 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 21 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 NFT 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 Effects of Lighting Time for Soilless grown Lettuce ZHU Dongming QIU Xian CAI Xinyi ZHU Changrui ZHU Zixu WU Hongjun School of Materials and Chemical Engineering Ningbo University of Technology Ningbo 315211 China Abstracts In this study the soilless cultivation experiment of rapeseed was carried out under differ ent illumination times by using multi layer and three dimensional technology and nutrient solution thin film NFT technology the growth rate power consumption cost and other parameters of lettuce in soilless cultivation equipment were studied The results show that the cumulative fresh weight of different lighting time parameters increases with time and there is no significant difference in the cumulative power consumption of the three lighting time parameters The growth rate of different growth cycle days can be observed to be in a positive growth mode The growth cycle is taken as a dividing point at 21 days and then the parameters of different light time and growth cycle days are considered The optimization results can be used in the plant factory for the future mass produc tion Keywords plant factory soilless cultivation Nutrition Film Technique 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 Y201839269 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 mail telvin911 DOI 10 3969 j issn 1008 7109 2021 01 004 宁波工程学院学报 JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 第 33 卷第 1 期 Vol 33 No 1 2021 年 3 月 Mar 2021 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 Aeroponics 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 cm 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 mm 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 LED 灯 高压钠灯 白炽灯 荧光灯 等 其光源波段范围为 400 nm 至 720 nm 主要吸收光波段为蓝光 400 500 nm 红光 600 700 nm 及 部分的近红外光源 700 720 nm 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 hr 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 LED 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 Lux 不同 植物光源照射强度以光合 光子通量密度 PPFD 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 Light Compensation Point 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 cm 50 cm 150 cm 长 宽 高 共有 3 层种植层 每层各自配置 7 根 T8 LED 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 cm 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 Out 在同一侧 如图 1 b 所示 营养液供给 时间 供给量 EC 值 pH 值 环境温湿度 LED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 NPK20 20 20 LED 光 源照射强度均匀性为 93 测量高度为 25 cm 是以每 10 cm 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 nm 700 nm 图 2 LED 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 cm 后放置于植物生 长机中 EC 值控制在 1 200 1 400 s cm 1 pH 值控制在 6 0 6 8 范围 环境温度控制在白天 24 及夜 晚 18 湿度控制在 60 80 RH 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 hr 16 hr on off 12 hr 12 hr on off 及 8 hr 16 hr on off 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 23 天内所作的不同光照时间纪录数据 以下的 8 hr 16 hr on off 12 hr 12 hr on off 及 16 hr 8 hr on off 作为光照时间参数 各自以 8 hr 12 hr 及 16 hr 作为表示 以每台 机器种植数量 132 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 132 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 kW h 8 hr 12 hr 16 hr 8 hr 12 hr 16 hr 8 hr 12 hr 16 hr 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 31 0 39 0 1 6 4 2 5 0 1 6 2 1 2 6 18 25 0 46 0 68 5 4 0 5 0 9 8 2 2 5 3 1 21 52 0 95 0 118 0 9 0 16 0 16 5 2 3 3 3 6 23 60 0 118 0 152 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 23 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 hr 12 hr 及 16 hr 三 种参数所种植出来的结果 可以判断 16 hr 的油麦菜大小明显要比其他的种植结果好 经由营养液膜 NFT 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 hr 12 hr 及 16 hr 可以观察到 16 hr 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 hr 的 118 g 以 12 hr 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 hr 16 hr on off b 12 hr 12 hr on off 及 c 16 hr 8 hr on off 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 hr 的累计耗 电成本为最低 图 6 b 中可观察出 12 hr 参数的累计耗电量成本虽然略高于图 6 c 中 16 hr 的累计耗电 量 在累计鲜重为 40 g 时 16 hr 的耗电量成本明显高于 12 hr 与 8 hr 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 hr 16 hr on off b 12 hr 12 hr on off 及 c 16 hr 8 hr on off 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 hr 时最大鲜重为 118 g 对 12 hr 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 hr 的耗电量成本明显高于 12 hr 与 8 hr 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 JPWZ 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 S2 198 204 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 5 767 772 8 刘晨晨 马超 陈洋洋 等 微型 LED 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 LED 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 LED 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 LED 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 LED 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 LED 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 6 270 272 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 25