光照時間對無土栽培油麥菜生長的影響.pdf

光 照時間對無土栽培油麥菜生長的影響 朱棟銘 邱嫻 蔡心怡 朱昌瑞 朱子旭 吳泓均 寧波工程學院 材料與化學工程學院 浙江 寧波 315211 摘 要 以多層立體式無土栽培設備與營養(yǎng)液薄膜 NFT 技術 在不同光照時間下進行油麥菜無土栽培種植實驗 探討油 麥菜在無土栽培設備上的生長速率 耗電量成本 并比對其他參數(shù) 實驗結果顯示 在不同光照時間參數(shù)下累計鮮重皆是 隨時間增加而增長 三種光照時間參數(shù)下的累計耗電量并無太大差異 研究油麥菜在不同生長周期天數(shù)的生長速率 可 觀察出油麥菜以正成長方式進行生長 其生長周期在 21 天時作為一分界點 進而考慮不同的光照時間與生長周期天數(shù) 參數(shù)選擇 優(yōu)化結果未來可作為植物工廠量產使用 關鍵詞 植物工廠 無土栽培 營養(yǎng)液膜流 NFT 中圖分類號 TS743 文獻標識碼 A 文章編號 1008 7109 2021 01 0021 05 0 引言 植物工廠是通過高精度環(huán)境系統(tǒng)控制實現(xiàn)農作物合適生長環(huán)境的農業(yè)系統(tǒng) 但其生產過程與設備 成本極高 尚無法推廣至平民大眾 其中尤以種植過程中的水 電消耗量最大 因此如何降低生產成本 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 基金項目 國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 201911058009 浙江省教育廳一般科研項目 Y201839269 通信作者 吳泓均 1976 男 臺灣新竹人 博士 副教授 主要從事納米材料與半導體先進電子構裝研究 E mail telvin911 DOI 10 3969 j issn 1008 7109 2021 01 004 寧波工程學院學報 JOURNAL OF NINGBO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 第 33 卷第 1 期 Vol 33 No 1 2021 年 3 月 Mar 2021 寧 波工程學院學報 2021 年第 1 期 將成為這一行業(yè)最大獲利關鍵 1 6 無土栽培技術可分為氣霧培 Aeroponics 深水流 DFT 及營養(yǎng)液薄膜 NFT 等方式 氣霧培技術使用噴頭加壓方式將營養(yǎng)液及水分破碎為氣霧狀 并附著于植物根部表面 可促進根部吸收效率 但其裝置昂貴 需要不斷循環(huán) 斷電時容易造成植物根部缺水死亡 深液流技術 為營養(yǎng)液的液層較深 2 10 cm 植物根部大部分浸泡于營養(yǎng)液中 雖然可使根部不易缺水而壞死 但缺 點是根部因長時間浸泡于營養(yǎng)液中容易缺氧腐爛 需要使營養(yǎng)液保持循環(huán)流動 增加營養(yǎng)液的含氧量 減少根部表面有害的代謝物質 營養(yǎng)液膜技術 是將植物根部部分浸泡于營養(yǎng)液中 液層較淺 5 10 mm 根部大部分暴露于濕氣中 缺點為其根部容易受環(huán)境溫度影響而造成產量下降 優(yōu)點為根部可充 分得到氧氣 且設備價格較低 7 植物生長光源是目前植物工廠技術中最為核心的技術 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 在栽培過程中 需要依照植物需求調整其光強度與光照時間 8 可由光 源光譜圖上換算其光強度值 常用紅 R 藍光 B 強度比例可為 R B 1 4 1 6 適合生殖生長期開化結果 的植物 營養(yǎng)生長期植物可用 R B 2 1 光源進行照射 整體植物生長過程的光照時間可設定為 8 24 hr 依照不同植物品種與生長時期需求而定 光強度值的演算方法可使用積分球直接測出光源功率 并 在積分區(qū)間內計算出不同波長的范圍內的輻射總功率 推算至 LED 燈珠的計算法 可用 Ra 數(shù)值作為 R B 比 9 光源強度均勻性是植物工廠中標準化量產的重要參數(shù) 如均勻性太低 將無法生產一致性的 農產品 以燈具而言 需要安裝反光鏡或透鏡的方式進行勻光設計 進而達到高均勻性 90 的光強度 分布 光強度均勻性是將光強度照射至植物冠層上的范圍內 取其分布點各點的光強度平均值 并與最 高強度值比對 得到百分比的均勻值 與室內照明光照射強度單位 Lux 不同 植物光源照射強度以光合 光子通量密度 PPFD 作為表示 是根據植物在光合作用有效光源波段范圍內的能量單位光合輻射照度 作為計算基礎 植物生長所需要的最低光源強度為光補償點 Light Compensation Point 植物照射光源 強度應保持在光補償點之上 10 18 本實驗改變光源照射時間 進行栽培成本分析 以期達到優(yōu)化最佳結 果 同時作為植物工廠營運參考 可降低生產成本 1 材料與方法 1 1 試驗材料 實驗采用立體多層式無土栽培設備與營養(yǎng)液膜技術進行油麥菜栽培 如圖 1 a 所示 整臺設備尺寸 為 120 cm 50 cm 150 cm 長 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 每條栽培槽上設計 11 個種植孔 種植孔間距為 10 cm 每層可種植 44 株植物 整臺設備可同時種植 132 株植物 使用 蛇型連通方式進行營養(yǎng)液供給 營養(yǎng)液進口 In 與 出口 Out 在同一側 如圖 1 b 所示 營養(yǎng)液供給 時間 供給量 EC 值 pH 值 環(huán)境溫濕度 LED光 源照射時間為可控制條件 營養(yǎng)液使用市面上容 易取得的通用水溶液肥 NPK20 20 20 LED 光 源照射強度均勻性為 93 測量高度為 25 cm 是以每 10 cm 種植孔為間距 作為光強度量測 點 光譜圖如圖 2 所示 其光強度比例紅藍為 4 圖 1 多層式無土栽培設備圖 a 立體多層式無土栽培設備 b 營養(yǎng)液供給連通系統(tǒng) 22 1 可觀察出由藍光至紅光 波長為 400 nm 700 nm 圖 2 LED 光譜圖 1 2 試驗方法 首先將種子泡于 60 溫水中半小時 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 并放置在水槽內保持巖棉潮濕 等待長出根系長度 5 cm 后放置于植物生 長機中 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周期二個階段 育苗周期本文不討論 以移植到無土栽培設備上的生長周期種植情況做分析 生長周期的光照射時間參數(shù)為 8 hr 16 hr on off 12 hr 12 hr on off 及 8 hr 16 hr on off 三種 以此三種光照時間作為油麥菜生長過程分析的實驗參數(shù) 2 結果與討論 2 1 不同光照時間的生長對比分析 表 1 為油麥菜在生長周期 23 天內所作的不同光照時間紀錄數(shù)據 以下的 8 hr 16 hr on off 12 hr 12 hr on off 及 16 hr 8 hr on off 作為光照時間參數(shù) 各自以 8 hr 12 hr 及 16 hr 作為表示 以每臺 機器種植數(shù)量 132 株來計算 觀察結果包含累計鮮重 生長速率及累計耗電量成本的紀錄 經由累計每 天油麥菜增加的鮮重數(shù)據 可觀察油麥菜生長曲線 生長速率則是觀察不同天數(shù)油麥菜鮮重的增加情 況 最后根據耗累計耗電數(shù)據來計算整體油麥菜的種植成本 累計耗電量是以整體設備與系統(tǒng)所消耗 的電量來做合計 其參數(shù)可深入探討耗電量與種植鮮重之間的關系 并取得優(yōu)化的種植參數(shù) 耗電量成 本是以每臺耗電量在 132 株植物基準上做的計算 表 1 油麥菜采收數(shù)據 注 以 23 天為生長周期進行記錄 天數(shù) d 累計鮮重 g 生長速率 g d 1 累計耗電量 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 光照時間對無土栽培油麥菜生長的影響 23 寧 波工程學院學報 2021 年第 1 期 2 2 各種生物量指標對比分析 圖 3 為油麥菜在生長周期第 8 天時所拍攝的照片 由右至左分別為光照時間 8 hr 12 hr 及 16 hr 三 種參數(shù)所種植出來的結果 可以判斷 16 hr 的油麥菜大小明顯要比其他的種植結果好 經由營養(yǎng)液膜 NFT 哉培出來的根系也明顯比土培植物健康 19 圖 4 為不同生長周期天數(shù)時的累計鮮重曲線圖 在比 對三種光照時間參數(shù) 8 hr 12 hr 及 16 hr 可以觀察到 16 hr 曲線的累計鮮重為最大 可與圖 3 照片 觀察結果相呼應 整體來看 三個時間參數(shù)的累計鮮重皆是隨時間增加而成長 從實驗中可得知生長周 期 21 天時 最大鮮重為 16 hr 的 118 g 以 12 hr 參數(shù)而言 累計鮮重達到 118 g 時為 23 天 圖 5 為不 同生長周期天數(shù)時的生長速率曲線圖 與累計鮮重曲線類似 皆是以正成長方式進行生長 但在生長周 期第 21 天時可以觀察到 其生長速率開始下降 雖然是以正成長進行 但其生長速率減慢 逐漸達到頂 峰并下降 三種光照時間參數(shù)皆在第 21 天生長周期時開始下降 可以初步認定油麥菜在生長周期第 21 天時 其生長速率開始減緩 圖 6 為不同光照射時間的生長周期在 a 8 hr 16 hr on off b 12 hr 12 hr on off 及 c 16 hr 8 hr on off 的累計耗電量成本與累計鮮重的曲線圖 有圖線可知 累計鮮重 20g 時 三 種光照時間參數(shù)的累計耗電量并無太大差異性 在累計鮮重 20 40 g 范圍內 圖 6 a 中 8 hr 的累計耗 電成本為最低 圖 6 b 中可觀察出 12 hr 參數(shù)的累計耗電量成本雖然略高于圖 6 c 中 16 hr 的累計耗電 量 在累計鮮重為 40 g 時 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 油麥菜在不同時期時的生長狀況圖 圖 4 不同生長周期天數(shù)與累計鮮重的曲線圖 圖 5 不同生長周期天數(shù)與生長速率的曲線圖 24 圖 6 累計耗電量成本與累計鮮重的曲線圖 a 8 hr 16 hr on off b 12 hr 12 hr on off 及 c 16 hr 8 hr on off 為不同光照射時間的生長周期 3 結論 基于不同光照時間參數(shù)進行油麥菜無土栽培種植實驗的設計 對其進行光照時間實驗測試 研究 結果表明 1 在生長周期 21 天時 在光照時間為 16 hr 時最大鮮重為 118 g 對 12 hr 參數(shù)而言 累計鮮重 達到 118 g 時生長周期為 23 天 2 在不同光照時間下累計鮮重為 40 g 時 16 hr 的耗電量成本明顯高于 12 hr 與 8 hr 的耗電量 成本 3 在不同生長周期下考查生長速率 可得知以生長周期 21 天做為分界點 產業(yè)可判斷其栽培成 本進行參數(shù)選擇 作為未來植物工廠種植參數(shù)的使用參考 參考文獻 1 高菊玲 孔德志 微型植物工廠的設計 J 科技信息 2012 32 227 2 高菊玲 植物工廠發(fā)展趨勢探討 J 輕工科技 2012 9 129 130 3 劉文科 植物工廠的定義與分類方法辨析 J 照明工程學報 2016 5 83 86 4 張曉慧 周增產 王峻峰 植物工廠關鍵技術的研究與應用 J 北方園藝 2010 4 204 207 5 商守海 周增產 李東星 JPWZ 1 型微型植物工廠的研制 J 農業(yè)工程 2012 1 44 47 6 艾海波 魏晉宏 邱權 微型植物工廠智能控制系統(tǒng) J 農業(yè)機械學報 2013 S2 198 204 7 趙旭 趙艷芝 王靜 等 霧培對西紅柿根系生長及其營養(yǎng)吸收的影響 J 浙江農業(yè)學報 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生菜生長的影響 J 寧波工程學院學報 2017 4 45 49 9 劉彤 劉雯 馬建設 可調紅藍光子比例的 LED 植物光元配光設計方法 J 農業(yè)工程學報 2014 30 1 154 159 10 王君 仝宇欣 楊其長 LED 光源紅藍光配比對生菜光合作用及能量利用效率的影響 2018 34 234 240 11 楊其長 張成波 植物工廠系列談 七 植物工廠光照和溫度調控 J 農村實用工程技術 溫室園藝 2005 11 31 33 12 劉剛 植物生長 LED 照明控制系統(tǒng)的研究 D 天津 天津職業(yè)技術師范大學 2014 13 徐圓圓 覃儀 楊梅 LED 光源在植物工廠中的應用 J 現(xiàn)代農業(yè)科技 2016 6 161 162 14 劉穎 LED 用于擬南芥生長光源的研究 D 上海 復旦大學 2013 15 李東星 周增產 張雪嬌 閉鎖型育苗系統(tǒng)中不同光源對生菜生長的影響 J 長江蔬菜 2012 20 42 44 16 鄭曉蕾 丸尾達 朱月林 植物工廠條件下光質對散葉萵苣生長和燒邊發(fā)生的影響 J 江蘇農業(yè)科學 2011 6 270 272 17 魏靈玲 楊其長 劉水麗 密閉式植物種苗工廠的設計及其光環(huán)境研究 J 中國農學通報 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生菜生長的影響 J 長江蔬菜 2012 24 50 52 19 孔妤 王忠 顧蘊潔 等 土培和水培吊蘭根系結構的觀察 J 園藝學報 2009 4 533 538 累 計 耗 電 量 成 本 k w h 累計鮮重 g 累計鮮重 g累計鮮重 g 累 計 耗 電 量 成 本 k w h 累 計 耗 電 量 成 本 k w h 朱棟銘等 光照時間對無土栽培油麥菜生長的影響 25