CN106538257A - 一种植物培养方法及系统 - Google Patents

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丁娟娟
王晓旭
何蔚
陈丹艳
胡晓婷
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    • A01G7/00—Botany in general
    • A01G7/04—Electric or magnetic or acoustic treatment of plants for promoting growth
    • A01G7/045—Electric or magnetic or acoustic treatment of plants for promoting growth with electric lighting
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Abstract

本发明公开一种植物培养的方法及系统。通过获取植物补光光源的光照强度并判断是否大于第一设定值，当不满足时调节光源的光照强度大于第一设定值；通过获取光源的频率并判断所述光源的频率是否满足1Hz≤f≤10KHz，当不满足时，调节光源的频率f满足1Hz≤f≤10KHz；通过获取所述光源的占空比，并判断光源的占空比是否满足50％≤D≤90％，当不满足时，调节光源的占空比D满足50％≤D≤90％。通过同时设定三个参数，以实现对植物培养的控制。采用本发明的方法及系统，植物的叶绿素含量、鲜重、干重、叶面积均有不同程度的提高，耗电量有所降低，电能转换效率有所提高，因此从不同程度上达到了节能增产的效果。

Description

一种植物培养方法及系统
技术领域
本发明涉及植物培养领域，特别是涉及一种植物培养方法及系统。
背景技术
农业发展过程中，作为植物培养的系统，植物工厂是常见的形式。因其具有不受时间和空间限制、环境可控、减轻劳动力等优点，自20世纪50年代建立以来就在世界各地广泛应用。按照光能利用方式的不同将植物培养系统分为完全太阳光利用型、人工光利用型(完全控制型)、太阳光和人工光并用型。
植物培养系统面临的最大问题是其高昂的建设成本，包括设备建造、人工光源及空调系统的运行费用，据报道，能耗成本约占总体运行费用的50％。特别是对于完全控制型植物培养系统来说，这一成本所占比例更高。而且传统的人工光源，如日光灯、卤化物灯、钠灯等，光衰高寿命短，使用1-2年后光强会下降40％-50％。同时照明时会散发大量热量，对植株造成伤害，使得植物产量降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种植物培养方法及系统，以解决传统植物培养系统能耗高同时产量低的问题，以达到节能增产的目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种植物培养方法，所述方法包括：
获取植物补光光源的光照强度；
判断所述光源的光照强度是否大于第一设定值；
如果否，则调节所述光源的光照强度大于第一设定值；
获取所述光源的频率；
判断所述光源的频率是否满足1Hz≤f≤10KHz，其中f为所述光源的频率；
如果否，则调节所述光源的频率f满足1Hz≤f≤10KHz；
获取所述光源的占空比；
判断所述光源的占空比是否满足50％≤D≤90％，其中D为所述光源的占空比；
如果否，则调节所述光源的占空比D满足50％≤D≤90％。
可选的，所述第一设定值具体为：
43.6μmol·m-2·s-1≤M≤56.4μmol·m-2·s-1，其中M为所述第一设定值。
可选的，所述获取所述光源的占空比具体包括：
获取所述光源一个闪光周期内光照时间TL；
获取黑暗时间即所述光源一个闪光周期内未光照时间TD；
利用公式计算所述光源的占空比D。
一种植物培养方法，所述方法包括：
将培养箱周围用遮光布和黑布遮盖；
将LED灯固定于所述培养箱顶部，作为所述植物的光源，垂直照射植物；
所述光源光照强度大于第一设定值，频率为1Hz-10KHz，占空比为50％-90％，所述占空比为一个闪光周期内光脉冲持续时间占周期的百分比。
可选的，所述第一设定值具体为：
43.6μmol·m-2·s-1≤N≤56.4μmol·m-2·s-1，其中N为所述第一设定值。
一种植物培养系统，所述系统包括：
光照强度获取模块，用于获取植物补光光源的光照强度；
光照强度判断模块，用于判断所述光源的光照强度是否大于第一设定值；
光照强度调节模块，用于当所述光源的光照强度不大于第一设定值时，调节所述光源的光照强度大于第一设定值；
频率获取模块，用于获取所述光源的频率；
频率判断模块，用于判断所述光源的频率是否满足1Hz≤f≤10KHz，其中f为所述光源的频率；
频率调节模块，用于当所述光源的频率不满足1Hz≤f≤10KHz时，调节所述光源的频率f满足1Hz≤f≤10KHz；
占空比获取模块，用于获取所述光源的占空比；
占空比判断模块，用于判断所述光源的占空比是否满足50％≤D≤90％，其中D为所述光源的占空比；
占空比调节模块，用于当所述光源的占空比D不满足50％≤D≤90％时，调节所述光源的占空比D满足50％≤D≤90％。
可选的，所述第一设定值具体为：43.6μmol·m-2·s-1≤M≤56.4μmol·m-2·s-1，其中M为所述第一设定值。
一种植物培养系统，所述系统包括：培养箱、植物和LED灯；所述培养箱周围用遮光布和黑布遮盖；所述LED灯固定于所述培养箱顶部，用于作为所述植物的光源，垂直照射植物；所述LED灯光照强度大于第一设定值，频率为1Hz-10KHz，占空比为50％-90％，所述占空比为一个闪光周期内光脉冲持续时间占周期的百分比。
可选的，所述第一设定值具体为：43.6μmol·m-2·s-1≤N≤56.4μmol·m-2·s-1，其中N为所述第一设定值。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
在正常的植物培养方法及系统上，采用本发明的植物培养方法及系统，植物的叶绿素含量、鲜重、干重、叶面积均有不同程度的提高，耗电量有所降低，电能转换效率有所提高，因此从不同程度上达到了节能增产的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明植物培养方法流程图；
图2为本发明植物培养系统结构图；
图3为本发明培养方法及系统另一实施例的光谱分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明植物培养方法流程图。如图1所示，所述方法包括：
步骤101：获取植物补光光源的光照强度；获取光源的光照强度可以通过接收光纤光谱仪测得的光谱信号得到光源的光照强度。
步骤102：判断光源的光照强度是否大于设定值；如果是，执行步骤104，否则，执行步骤103。其中设定值的取值可以为[43.6，56.4]μmol·m-2·s-1范围之间的数值，例如设定值可以为49μmol·m-2·s-1，也可以为51μmol·m-2·s-1。
步骤103：调节光源的光照强度大于设定值，设定值的取值为步骤102中的设定值。
步骤104：获取光源的频率。
步骤105：判断光源的频率是否满足[1Hz，10KHz]，即是否满足1Hz≤f≤10KHz，其中f为光源的频率。如果是，执行步骤107，否则，执行步骤106。
步骤106：调节光源的频率f满足[1Hz，10KHz]之间。
步骤107：获取光源的占空比，其中占空比为一个闪光周期内光脉冲持续时间占周期的百分比。例如光源频率为1Hz，则闪光周期为1秒，占空比则表示闪光周期1秒内光照的比例，比如，占空比为30％表示闪光周期1秒内0.3秒为光照时间，0.7秒为不光照时间。
步骤108：判断占空比是否满足[50％，90％]，也就是50％≤D≤90％，其中D为占空比，如果否，则调节占空比满足[50％，90％]。
步骤109：调节占空比满足[50％，90％]，也就是使得占空比D满足50％≤D≤90％，调节占空比的方法可以为通过控制器自动调节光源的占空比；还可以为通过人工控制调节光源的占空比。
本发明培养方法具体实施过程中步骤101、步骤104和步骤107为并列关系，对这三个步骤的执行无固定先后顺序。
图2为本发明植物培养系统结构图。如图2所示，所述系统包括：
光强获取模块201，光强判断模块202，光强调节模块203，频率获取模块204，频率判断模块205，频率调节模块206，占空比获取模块207，占空比判断模块208，占空比调节模块209。
光强获取模块201，用于获取植物补光光源的光照强度，可以通过接收光纤光谱仪测得的光谱信号得到光源的光照强度；植物补光光源可以为LED灯，LED灯可以为由红光(660nm)、远红光(735nm)、绿光(525nm)和蓝光(475nm)4种颜色的灯珠组成的平板灯。
光强判断模块202，用于判断所述光源的光照强度是否大于第一设定值；其中第一设定值的取值可以为[43.6，56.4]μmol·m-2·s-1范围之间的数值，例如设定值可以为49μmol·m-2·s-1，也可以为51μmol·m-2·s-1。
光强调节模块203，用于当所述光源的光照强度不大于第一设定值时，调节所述光源的光照强度大于第一设定值；可以通过选择LED灯不同的灯珠实现对光强的调节。
频率获取模块204，用于获取所述光源的频率。
频率判断模块205，用于判断所述光源的频率是否满足1Hz≤f≤10KHz，其中f为所述光源的频率；可以通过接收的信号自动判断，也可以通过测得的数据人工判断。
频率调节模块206，用于当所述光源的频率不满足1Hz≤f≤10KHz时，调节所述光源的频率f满足1Hz≤f≤10KHz；可以通过设定不满足设定条件时自动调节改变光源的频率，也可以通过不满足条件时提醒，通过人工设置进行调节。
占空比获取模块207，用于获取所述光源的占空比。
占空比判断模块208，用于判断所述光源的占空比是否满足50％≤D≤90％，其中D为所述光源的占空比；
占空比调节模块209，用于当所述光源的占空比D不满足50％≤D≤90％时，调节所述光源的占空比D满足50％≤D≤90％。占空比调节模块209可以为通过控制器自动调节光源的占空比；还可以为通过人工控制调节光源的占空比。
作为本发明植物培养方法的另一实施例还可以为：
供试植物为生菜，品种“香港玻璃”，种子在20℃催芽24h后播于50孔穴盘中，置于人工气候箱中培养，条件为：光周期12h/12h，温度22℃/19℃，白天空气相对湿度70％，夜间空气相对湿度60％。10天后选取2-3片真叶的幼苗定植于营养钵(7㎝×7㎝×7㎝)中，基质为草炭：蛭石：珍珠岩＝3:1:1(体积比)混合基质。将营养钵分别置于4个平板灯下培养，每个光板下25株，栽培条件为：白天温度21±2℃，空气相对湿度55±5％，夜间温度19±2℃，空气相对湿度50±5％，营养液采用日本园式通用配方，pH值为6.0±0.5，EC值(2±0.5)mS/cm，每3天浇一次营养液。
光源采用LED平板灯，由红光(660nm)、远红光(735nm)、绿光(525nm)和蓝光(475nm)4种颜色的灯珠组成。距离光板下方10㎝处的光谱分布如图3所示，由光纤光谱仪测得。LED平板灯固定于培养箱顶部，垂直照射植物，根据植株生长高度适时调节培养箱高度。培养箱四周用遮光布和黑布遮盖以避免外界光源的影响。
对植物采用以下T1、T2、T3、T4四种方法进行培养，如表1所示
表1
按上述四种方法培养28天后，选取每种培养方法的6株长势一致的生菜，用钢尺测定植株的株高、数显游标卡尺测定子叶下方茎粗、计算主茎上黄化面积小于50％的叶片的叶面积，称量植株的干、鲜重，计算相对生长速率，参见表2。
表2
培养期间测定LED平板灯及控制器日耗电量，参见表3。
表3
测定生长点以下的第3或第4片真叶的净光合速率、叶绿素含量每种培养方法下随机选取6片真叶测定，参见表4。
表4
由上述数据得知，LED灯光源连续光和不同频率及占空比的间歇光处理对生菜的形态、生物量形成和光合特性的影响各异。在日接收光量子数相同的情况下，间歇光处理总体上促进了生菜的株高、茎粗、叶面积和生长速率。低频率低占空比的间歇光不利于叶绿素的合成与光合作用，但耗电量低，且有利于干物质积累，故电能转换率较连续光高。T2、T3、T4这3个间歇光培养方法中，T3处理净光合速率最高，干物质积累仅次于T3，而电能转换效率最高，故最适于应用于实际生产中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种植物培养方法，其特征在于，所述方法包括：
获取植物补光光源的光照强度；
判断所述光源的光照强度是否大于第一设定值；
如果否，则调节所述光源的光照强度大于第一设定值；
获取所述光源的频率；
判断所述光源的频率是否满足1Hz≤f≤10KHz，其中f为所述光源的频率；
如果否，则调节所述光源的频率f满足1Hz≤f≤10KHz；
获取所述光源的占空比；
判断所述光源的占空比是否满足50％≤D≤90％，其中D为所述光源的占空比；
如果否，则调节所述光源的占空比D满足50％≤D≤90％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一设定值具体为：
43.6μmol·m-2·s-1≤M≤56.4μmol·m-2·s-1，其中M为所述第一设定值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述光源的占空比具体包括：
获取所述光源一个闪光周期内光照时间TL；
获取黑暗时间即所述光源一个闪光周期内未光照时间TD；
利用公式计算所述光源的占空比D。
4.一种植物培养方法，其特征在于，所述方法包括：
将培养箱周围用遮光布和黑布遮盖；
将LED灯固定于所述培养箱顶部，作为所述植物的光源，垂直照射植物；
所述光源光照强度大于第一设定值，频率为1Hz-10KHz，占空比为50％-90％，所述占空比为一个闪光周期内光脉冲持续时间占周期的百分比。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一设定值具体为：
43.6μmol·m-2·s-1≤N≤56.4μmol·m-2·s-1，其中N为所述第一设定值。
6.一种植物培养系统，其特征在于，所述系统包括：
光照强度获取模块，用于获取植物补光光源的光照强度；
光照强度判断模块，用于判断所述光源的光照强度是否大于第一设定值；
光照强度调节模块，用于当所述光源的光照强度不大于第一设定值时，调节所述光源的光照强度大于第一设定值；
频率获取模块，用于获取所述光源的频率；
频率判断模块，用于判断所述光源的频率是否满足1Hz≤f≤10KHz，其中f为所述光源的频率；
频率调节模块，用于当所述光源的频率不满足1Hz≤f≤10KHz时，调节所述光源的频率f满足1Hz≤f≤10KHz；
占空比获取模块，用于获取所述光源的占空比；
占空比判断模块，用于判断所述光源的占空比是否满足50％≤D≤90％，其中D为所述光源的占空比；
占空比调节模块，用于当所述光源的占空比D不满足50％≤D≤90％时，调节所述光源的占空比D满足50％≤D≤90％。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一设定值具体为：43.6μmol·m-2·s-1≤M≤56.4μmol·m-2·s-1，其中M为所述第一设定值。
8.一种植物培养系统，其特征在于，所述系统包括：培养箱、植物和LED灯；所述培养箱周围用遮光布和黑布遮盖；所述LED灯固定于所述培养箱顶部，用于作为所述植物的光源，垂直照射植物；所述LED灯光照强度大于第一设定值，频率为1Hz-10KHz，占空比为50％-90％，所述占空比为一个闪光周期内光脉冲持续时间占周期的百分比。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一设定值具体为：43.6μmol·m-2·s-1≤N≤56.4μmol·m-2·s-1，其中N为所述第一设定值。
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