光照時(shí)間對(duì)無(wú)土栽培油麥菜生長(zhǎng)的影響.pdf

光 照時(shí)間對(duì)無(wú)土栽培油麥菜生長(zhǎng)的影響 朱棟銘 邱嫻 蔡心怡 朱昌瑞 朱子旭 吳泓均 寧波工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院 浙江 寧波 315211 摘 要 以多層立體式無(wú)土栽培設(shè)備與營(yíng)養(yǎng)液薄膜 NFT 技術(shù) 在不同光照時(shí)間下進(jìn)行油麥菜無(wú)土栽培種植實(shí)驗(yàn) 探討油 麥菜在無(wú)土栽培設(shè)備上的生長(zhǎng)速率 耗電量成本 并比對(duì)其他參數(shù) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 在不同光照時(shí)間參數(shù)下累計(jì)鮮重皆是 隨時(shí)間增加而增長(zhǎng) 三種光照時(shí)間參數(shù)下的累計(jì)耗電量并無(wú)太大差異 研究油麥菜在不同生長(zhǎng)周期天數(shù)的生長(zhǎng)速率 可 觀察出油麥菜以正成長(zhǎng)方式進(jìn)行生長(zhǎng) 其生長(zhǎng)周期在 21 天時(shí)作為一分界點(diǎn) 進(jìn)而考慮不同的光照時(shí)間與生長(zhǎng)周期天數(shù) 參數(shù)選擇 優(yōu)化結(jié)果未來(lái)可作為植物工廠量產(chǎn)使用 關(guān)鍵詞 植物工廠 無(wú)土栽培 營(yíng)養(yǎng)液膜流 NFT 中圖分類(lèi)號(hào) TS743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1008 7109 2021 01 0021 05 0 引言 植物工廠是通過(guò)高精度環(huán)境系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物合適生長(zhǎng)環(huán)境的農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 但其生產(chǎn)過(guò)程與設(shè)備 成本極高 尚無(wú)法推廣至平民大眾 其中尤以種植過(guò)程中的水 電消耗量最大 因此如何降低生產(chǎn)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 基金項(xiàng)目 國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 201911058009 浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目 Y201839269 通信作者 吳泓均 1976 男 臺(tái)灣新竹人 博士 副教授 主要從事納米材料與半導(dǎo)體先進(jìn)電子構(gòu)裝研究 E mail telvin911 DOI 10 3969 j issn 1008 7109 2021 01 004 寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào) JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 第 33 卷第 1 期 Vol 33 No 1 2021 年 3 月 Mar 2021 寧 波工程學(xué)院學(xué)報(bào) 2021 年第 1 期 將成為這一行業(yè)最大獲利關(guān)鍵 1 6 無(wú)土栽培技術(shù)可分為氣霧培 Aeroponics 深水流 DFT 及營(yíng)養(yǎng)液薄膜 NFT 等方式 氣霧培技術(shù)使用噴頭加壓方式將營(yíng)養(yǎng)液及水分破碎為氣霧狀 并附著于植物根部表面 可促進(jìn)根部吸收效率 但其裝置昂貴 需要不斷循環(huán) 斷電時(shí)容易造成植物根部缺水死亡 深液流技術(shù) 為營(yíng)養(yǎng)液的液層較深 2 10 cm 植物根部大部分浸泡于營(yíng)養(yǎng)液中 雖然可使根部不易缺水而壞死 但缺 點(diǎn)是根部因長(zhǎng)時(shí)間浸泡于營(yíng)養(yǎng)液中容易缺氧腐爛 需要使?fàn)I養(yǎng)液保持循環(huán)流動(dòng) 增加營(yíng)養(yǎng)液的含氧量 減少根部表面有害的代謝物質(zhì) 營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù) 是將植物根部部分浸泡于營(yíng)養(yǎng)液中 液層較淺 5 10 mm 根部大部分暴露于濕氣中 缺點(diǎn)為其根部容易受環(huán)境溫度影響而造成產(chǎn)量下降 優(yōu)點(diǎn)為根部可充 分得到氧氣 且設(shè)備價(jià)格較低 7 植物生長(zhǎng)光源是目前植物工廠技術(shù)中最為核心的技術(shù) 包括 LED 燈 高壓鈉燈 白熾燈 熒光燈 等 其光源波段范圍為 400 nm 至 720 nm 主要吸收光波段為藍(lán)光 400 500 nm 紅光 600 700 nm 及 部分的近紅外光源 700 720 nm 在栽培過(guò)程中 需要依照植物需求調(diào)整其光強(qiáng)度與光照時(shí)間 8 可由光 源光譜圖上換算其光強(qiáng)度值 常用紅 R 藍(lán)光 B 強(qiáng)度比例可為 R B 1 4 1 6 適合生殖生長(zhǎng)期開(kāi)化結(jié)果 的植物 營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期植物可用 R B 2 1 光源進(jìn)行照射 整體植物生長(zhǎng)過(guò)程的光照時(shí)間可設(shè)定為 8 24 hr 依照不同植物品種與生長(zhǎng)時(shí)期需求而定 光強(qiáng)度值的演算方法可使用積分球直接測(cè)出光源功率 并 在積分區(qū)間內(nèi)計(jì)算出不同波長(zhǎng)的范圍內(nèi)的輻射總功率 推算至 LED 燈珠的計(jì)算法 可用 Ra 數(shù)值作為 R B 比 9 光源強(qiáng)度均勻性是植物工廠中標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)的重要參數(shù) 如均勻性太低 將無(wú)法生產(chǎn)一致性的 農(nóng)產(chǎn)品 以燈具而言 需要安裝反光鏡或透鏡的方式進(jìn)行勻光設(shè)計(jì) 進(jìn)而達(dá)到高均勻性 90 的光強(qiáng)度 分布 光強(qiáng)度均勻性是將光強(qiáng)度照射至植物冠層上的范圍內(nèi) 取其分布點(diǎn)各點(diǎn)的光強(qiáng)度平均值 并與最 高強(qiáng)度值比對(duì) 得到百分比的均勻值 與室內(nèi)照明光照射強(qiáng)度單位 Lux 不同 植物光源照射強(qiáng)度以光合 光子通量密度 PPFD 作為表示 是根據(jù)植物在光合作用有效光源波段范圍內(nèi)的能量單位光合輻射照度 作為計(jì)算基礎(chǔ) 植物生長(zhǎng)所需要的最低光源強(qiáng)度為光補(bǔ)償點(diǎn) Light Compensation Point 植物照射光源 強(qiáng)度應(yīng)保持在光補(bǔ)償點(diǎn)之上 10 18 本實(shí)驗(yàn)改變光源照射時(shí)間 進(jìn)行栽培成本分析 以期達(dá)到優(yōu)化最佳結(jié) 果 同時(shí)作為植物工廠營(yíng)運(yùn)參考 可降低生產(chǎn)成本 1 材料與方法 1 1 試驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)采用立體多層式無(wú)土栽培設(shè)備與營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)進(jìn)行油麥菜栽培 如圖 1 a 所示 整臺(tái)設(shè)備尺寸 為 120 cm 50 cm 150 cm 長(zhǎng) 寬 高 共有 3 層種植層 每層各自配置 7 根 T8 LED 60W 的條形燈光 源 每層包含 4 條栽培槽 每條栽培槽上設(shè)計(jì) 11 個(gè)種植孔 種植孔間距為 10 cm 每層可種植 44 株植物 整臺(tái)設(shè)備可同時(shí)種植 132 株植物 使用 蛇型連通方式進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液供給 營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)口 In 與 出口 Out 在同一側(cè) 如圖 1 b 所示 營(yíng)養(yǎng)液供給 時(shí)間 供給量 EC 值 pH 值 環(huán)境溫濕度 LED光 源照射時(shí)間為可控制條件 營(yíng)養(yǎng)液使用市面上容 易取得的通用水溶液肥 NPK20 20 20 LED 光 源照射強(qiáng)度均勻性為 93 測(cè)量高度為 25 cm 是以每 10 cm 種植孔為間距 作為光強(qiáng)度量測(cè) 點(diǎn) 光譜圖如圖 2 所示 其光強(qiáng)度比例紅藍(lán)為 4 圖 1 多層式無(wú)土栽培設(shè)備圖 a 立體多層式無(wú)土栽培設(shè)備 b 營(yíng)養(yǎng)液供給連通系統(tǒng) 22 1 可觀察出由藍(lán)光至紅光 波長(zhǎng)為 400 nm 700 nm 圖 2 LED 光譜圖 1 2 試驗(yàn)方法 首先將種子泡于 60 溫水中半小時(shí) 泡完溫水的種子放置在潮濕環(huán)境中等待發(fā)芽 待種子發(fā)芽至 一芯兩葉后 移植至巖棉中 并放置在水槽內(nèi)保持巖棉潮濕 等待長(zhǎng)出根系長(zhǎng)度 5 cm 后放置于植物生 長(zhǎng)機(jī)中 EC 值控制在 1 200 1 400 s cm 1 pH 值控制在 6 0 6 8 范圍 環(huán)境溫度控制在白天 24 及夜 晚 18 濕度控制在 60 80 RH 油麥菜分為育苗周期與生長(zhǎng)周期二個(gè)階段 育苗周期本文不討論 以移植到無(wú)土栽培設(shè)備上的生長(zhǎng)周期種植情況做分析 生長(zhǎng)周期的光照射時(shí)間參數(shù)為 8 hr 16 hr on off 12 hr 12 hr on off 及 8 hr 16 hr on off 三種 以此三種光照時(shí)間作為油麥菜生長(zhǎng)過(guò)程分析的實(shí)驗(yàn)參數(shù) 2 結(jié)果與討論 2 1 不同光照時(shí)間的生長(zhǎng)對(duì)比分析 表 1 為油麥菜在生長(zhǎng)周期 23 天內(nèi)所作的不同光照時(shí)間紀(jì)錄數(shù)據(jù) 以下的 8 hr 16 hr on off 12 hr 12 hr on off 及 16 hr 8 hr on off 作為光照時(shí)間參數(shù) 各自以 8 hr 12 hr 及 16 hr 作為表示 以每臺(tái) 機(jī)器種植數(shù)量 132 株來(lái)計(jì)算 觀察結(jié)果包含累計(jì)鮮重 生長(zhǎng)速率及累計(jì)耗電量成本的紀(jì)錄 經(jīng)由累計(jì)每 天油麥菜增加的鮮重?cái)?shù)據(jù) 可觀察油麥菜生長(zhǎng)曲線 生長(zhǎng)速率則是觀察不同天數(shù)油麥菜鮮重的增加情 況 最后根據(jù)耗累計(jì)耗電數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算整體油麥菜的種植成本 累計(jì)耗電量是以整體設(shè)備與系統(tǒng)所消耗 的電量來(lái)做合計(jì) 其參數(shù)可深入探討耗電量與種植鮮重之間的關(guān)系 并取得優(yōu)化的種植參數(shù) 耗電量成 本是以每臺(tái)耗電量在 132 株植物基準(zhǔn)上做的計(jì)算 表 1 油麥菜采收數(shù)據(jù) 注 以 23 天為生長(zhǎng)周期進(jìn)行記錄 天數(shù) d 累計(jì)鮮重 g 生長(zhǎng)速率 g d 1 累計(jì)耗電量 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 朱棟銘等 光照時(shí)間對(duì)無(wú)土栽培油麥菜生長(zhǎng)的影響 23 寧 波工程學(xué)院學(xué)報(bào) 2021 年第 1 期 2 2 各種生物量指標(biāo)對(duì)比分析 圖 3 為油麥菜在生長(zhǎng)周期第 8 天時(shí)所拍攝的照片 由右至左分別為光照時(shí)間 8 hr 12 hr 及 16 hr 三 種參數(shù)所種植出來(lái)的結(jié)果 可以判斷 16 hr 的油麥菜大小明顯要比其他的種植結(jié)果好 經(jīng)由營(yíng)養(yǎng)液膜 NFT 哉培出來(lái)的根系也明顯比土培植物健康 19 圖 4 為不同生長(zhǎng)周期天數(shù)時(shí)的累計(jì)鮮重曲線圖 在比 對(duì)三種光照時(shí)間參數(shù) 8 hr 12 hr 及 16 hr 可以觀察到 16 hr 曲線的累計(jì)鮮重為最大 可與圖 3 照片 觀察結(jié)果相呼應(yīng) 整體來(lái)看 三個(gè)時(shí)間參數(shù)的累計(jì)鮮重皆是隨時(shí)間增加而成長(zhǎng) 從實(shí)驗(yàn)中可得知生長(zhǎng)周 期 21 天時(shí) 最大鮮重為 16 hr 的 118 g 以 12 hr 參數(shù)而言 累計(jì)鮮重達(dá)到 118 g 時(shí)為 23 天 圖 5 為不 同生長(zhǎng)周期天數(shù)時(shí)的生長(zhǎng)速率曲線圖 與累計(jì)鮮重曲線類(lèi)似 皆是以正成長(zhǎng)方式進(jìn)行生長(zhǎng) 但在生長(zhǎng)周 期第 21 天時(shí)可以觀察到 其生長(zhǎng)速率開(kāi)始下降 雖然是以正成長(zhǎng)進(jìn)行 但其生長(zhǎng)速率減慢 逐漸達(dá)到頂 峰并下降 三種光照時(shí)間參數(shù)皆在第 21 天生長(zhǎng)周期時(shí)開(kāi)始下降 可以初步認(rèn)定油麥菜在生長(zhǎng)周期第 21 天時(shí) 其生長(zhǎng)速率開(kāi)始減緩 圖 6 為不同光照射時(shí)間的生長(zhǎng)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 的累計(jì)耗電量成本與累計(jì)鮮重的曲線圖 有圖線可知 累計(jì)鮮重 20g 時(shí) 三 種光照時(shí)間參數(shù)的累計(jì)耗電量并無(wú)太大差異性 在累計(jì)鮮重 20 40 g 范圍內(nèi) 圖 6 a 中 8 hr 的累計(jì)耗 電成本為最低 圖 6 b 中可觀察出 12 hr 參數(shù)的累計(jì)耗電量成本雖然略高于圖 6 c 中 16 hr 的累計(jì)耗電 量 在累計(jì)鮮重為 40 g 時(shí) 16 hr 的耗電量成本明顯高于 12 hr 與 8 hr 的耗電量成本 圖 3 油麥菜在不同時(shí)期時(shí)的生長(zhǎng)狀況圖 圖 4 不同生長(zhǎng)周期天數(shù)與累計(jì)鮮重的曲線圖 圖 5 不同生長(zhǎng)周期天數(shù)與生長(zhǎng)速率的曲線圖 24 圖 6 累計(jì)耗電量成本與累計(jì)鮮重的曲線圖 a 8 hr 16 hr on off b 12 hr 12 hr on off 及 c 16 hr 8 hr on off 為不同光照射時(shí)間的生長(zhǎng)周期 3 結(jié)論 基于不同光照時(shí)間參數(shù)進(jìn)行油麥菜無(wú)土栽培種植實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 對(duì)其進(jìn)行光照時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)試 研究 結(jié)果表明 1 在生長(zhǎng)周期 21 天時(shí) 在光照時(shí)間為 16 hr 時(shí)最大鮮重為 118 g 對(duì) 12 hr 參數(shù)而言 累計(jì)鮮重 達(dá)到 118 g 時(shí)生長(zhǎng)周期為 23 天 2 在不同光照時(shí)間下累計(jì)鮮重為 40 g 時(shí) 16 hr 的耗電量成本明顯高于 12 hr 與 8 hr 的耗電量 成本 3 在不同生長(zhǎng)周期下考查生長(zhǎng)速率 可得知以生長(zhǎng)周期 21 天做為分界點(diǎn) 產(chǎn)業(yè)可判斷其栽培成 本進(jìn)行參數(shù)選擇 作為未來(lái)植物工廠種植參數(shù)的使用參考 參考文獻(xiàn) 1 高菊玲 孔德志 微型植物工廠的設(shè)計(jì) J 科技信息 2012 32 227 2 高菊玲 植物工廠發(fā)展趨勢(shì)探討 J 輕工科技 2012 9 129 130 3 劉文科 植物工廠的定義與分類(lèi)方法辨析 J 照明工程學(xué)報(bào) 2016 5 83 86 4 張曉慧 周增產(chǎn) 王峻峰 植物工廠關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用 J 北方園藝 2010 4 204 207 5 商守海 周增產(chǎn) 李東星 JPWZ 1 型微型植物工廠的研制 J 農(nóng)業(yè)工程 2012 1 44 47 6 艾海波 魏晉宏 邱權(quán) 微型植物工廠智能控制系統(tǒng) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2013 S2 198 204 7 趙旭 趙艷芝 王靜 等 霧培對(duì)西紅柿根系生長(zhǎng)及其營(yíng)養(yǎng)吸收的影響 J 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2017 5 767 772 8 劉晨晨 馬超 陳洋洋 等 微型 LED 人工光植物工廠不同種子對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響 J 寧波工程學(xué)院學(xué)報(bào) 2017 4 45 49 9 劉彤 劉雯 馬建設(shè) 可調(diào)紅藍(lán)光子比例的 LED 植物光元配光設(shè)計(jì)方法 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2014 30 1 154 159 10 王君 仝宇欣 楊其長(zhǎng) LED 光源紅藍(lán)光配比對(duì)生菜光合作用及能量利用效率的影響 2018 34 234 240 11 楊其長(zhǎng) 張成波 植物工廠系列談 七 植物工廠光照和溫度調(diào)控 J 農(nóng)村實(shí)用工程技術(shù) 溫室園藝 2005 11 31 33 12 劉剛 植物生長(zhǎng) LED 照明控制系統(tǒng)的研究 D 天津 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2014 13 徐圓圓 覃儀 楊梅 LED 光源在植物工廠中的應(yīng)用 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 2016 6 161 162 14 劉穎 LED 用于擬南芥生長(zhǎng)光源的研究 D 上海 復(fù)旦大學(xué) 2013 15 李東星 周增產(chǎn) 張雪嬌 閉鎖型育苗系統(tǒng)中不同光源對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響 J 長(zhǎng)江蔬菜 2012 20 42 44 16 鄭曉蕾 丸尾達(dá) 朱月林 植物工廠條件下光質(zhì)對(duì)散葉萵苣生長(zhǎng)和燒邊發(fā)生的影響 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2011 6 270 272 17 魏靈玲 楊其長(zhǎng) 劉水麗 密閉式植物種苗工廠的設(shè)計(jì)及其光環(huán)境研究 J 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào) 2007 12 415 419 18 李東星 商守海 蘭立波 植物工廠不同光源和光照方式對(duì)生菜生長(zhǎng)的影響 J 長(zhǎng)江蔬菜 2012 24 50 52 19 孔妤 王忠 顧蘊(yùn)潔 等 土培和水培吊蘭根系結(jié)構(gòu)的觀察 J 園藝學(xué)報(bào) 2009 4 533 538 累 計(jì) 耗 電 量 成 本 k w h 累計(jì)鮮重 g 累計(jì)鮮重 g累計(jì)鮮重 g 累 計(jì) 耗 電 量 成 本 k w h 累 計(jì) 耗 電 量 成 本 k w h 朱棟銘等 光照時(shí)間對(duì)無(wú)土栽培油麥菜生長(zhǎng)的影響 25