CN107306681B - 一种缩短植物生长周期的控制装置 - Google Patents

一种缩短植物生长周期的控制装置 Download PDF

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Abstract

一种缩短植物生长周期的控制装置，其特征在于该装置包括以下设备：控制装置(1)，发光控制装置、照明装置，该装置能够提供类似日光波段的光，并且还能够提植物需要波段的光，促进植物的生长。

Description

一种缩短植物生长周期的控制装置
技术领域
本发明涉及一种缩短植物生长周期的控制装置。
背景技术
由于一年中地球围绕太阳公转，地球公转的轨道面和地球的赤道面之间存在着黄赤交角，一天中白天和黑夜的长度随季节的转变是在不断变化的，这种随季节的转变而导致的一天中光照的持续时间的长短的变化在植物的生活中有很重要的意义
有的植物要求在白昼较短，黑夜较长的季节开花，如早春的报春花、秋天开花的菊花；有的植物要求在白昼较长，黑夜较短的季节开花，如夏季开花的鸢尾花。这种不同长短的昼夜交替对植物开花结实的影响，叫植物的光周期现象。根据植物对光周期反应的不同，可将植物分为长日照植物、短日照植物和中间性植物。
长日照植物：植物生长发育过程中需要一段时间，每天的光照时数超过一定限度（14～17小时）以上才能形成花芽。光照时间越长，则开花越早。生长在纬度超过60°地区的植物大多数是长日照植物。
短日照植物：植物生长发育过程中，需要有一断时间白天短（少于12小时，但不少于8小时）、夜间长的条件。在一定范围内，暗期越长，开花越短。许多原产于热带、亚热带和温带春秋季节开花的植物大多数属于此类。中间性植物：植物在生长发育过程中，对光照长短没有严格的要求，只要其他生态条件合适，在不同的日照长短下都能开花。如番茄、黄瓜、四季豆等。
植物在生长发育、成熟和衰老等生命过程中受光强、温度、水分等各种环境因素的影响，其中光照强度对植物的光合特性有着显著影响。植物在生长过程中，往往经历着因云层覆盖和植物冠层遮阴的光环境变化，直接影响植物的光合作用、水分状况及能量平衡，并且使植物的生长发育受到不同程度的影响，进而影响到植物的质量与产量。目前国内外普遍认为，遮阴使叶片叶绿素含量，尤其是叶绿素b和胡萝卜素的含量上升，光补偿点、光饱和点和光合速率降低，这些因为光的推动光合作用的动力。一般来说遮阴降低了光照强度，不利于植物最大光合潜力的发挥，因此不利于植物的正常生长。
植物的生长发育、开花结果是通过光合作用、光形态建成、光周期调节来完成的，这些都离不开光的参与和调节。光是植物生长发育过程中的重要环境因子，也是植物生长的主要能量来源，但植物对光的吸收不是全波段的而是有选择性的。光根据其波长的不同大致划分为：紫光（380-420nm）、蓝光（420-450 nm）、青光（450-490 nm）绿光（490-560 nm）、黄光（560-590 nm）、橙光（590-620 nm）、红光（620-780 nm）。发光物体的颜色，由它所发出的光内所含波长而定，称为光色。不同绿色植物对光的吸收光谱基本相同，在可见区主要集中在400-460 nm的蓝紫区和600-700 nm的红橙区，这两种不同光色的光，就如同植物所需要的两把“光肥”。日光中强度最大的恰恰是500 nm左右的绿光，而蓝光和红橙区的含量相对较弱。日光居然能促进植物的均衡地生长，但其光效并不高，因大量的绿光植物不吸收而反射浪费掉了，近年来人们一直在努力寻找模拟植物的吸收光谱，以求研制吃某种发光材料使其发射光谱最大限度地接近植物的吸收光谱以产生共振吸收，促使光合作用高效地进行。这样，不论冬天或阴雨天，温室或大棚内植物的光合作用，都能正常的进行。
发明内容
本发明专利的目的在于提供一种缩短植物生长周期的控制装置，该装置能够提供类似日光波段的光，并且还能够提植物需要波段的光，促进植物的生长。
本发明采用如下技术方案：
一种缩短植物生长周期的控制装置，其特征在于该装置包括以下设备：控制件1，发光控制装置、照明装置；
所述控制件1与发光控制装置相连；
所述发光控制装置包括发光控制器2、时间控制器3和光强控制器4；
所述照明装置包括发光装置5和聚光设备6；
所述发光装置5位于植物7的上方用于给植物7提供光源。
进一步地，发光控制器2控制发光装置5使得该装置发光；时间控制器3用于控制发光装置5的光照时间；光强控制器4用于控制发光装置5的亮度；
进一步地，所述聚光设备6用于提高发光装置5的光源利用率。
进一步地，所述发光装置5为HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯。
进一步地，所述发光装置5至植物7的距离为1-5m。
有益效果：
1、该装置简单，操作方便，成本低，效果明显。
2、该控制装置能够模仿太阳光对植物进行照射，并且能够发射出410-460 nm的蓝紫区和610-730 nm的红橙区波段的光，上述波段的光源正好是植物所属需要的，能够有效的促使植物生长。
3、经过照射使得植物表面光密度为2000-6000Lux；以茉莉幼苗、番茄幼苗、黄瓜幼苗为例，照射时间为6:00-21:00，存活率能够达到97-100%；生根率达到96-100%，完全的优于日光照射。
附图说明
图1为本发明所述一种缩短植物生长周期的控制装置的结构示意图。
其中，1-控制件；2-发光控制器；3-时间控制器；4-光强控制器；5-发光装置；6-聚光设备；7-植物。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种缩短植物生长周期的控制装置，其特征在于该装置包括以下设备：控制件1，发光控制装置、照明装置；
所述控制件1与发光控制装置相连，用于向发光控制装置提供动力和向发光控制装置输出指令；
所述发光控制装置包括发光控制器2、时间控制器3和光强控制器4；
所述照明装置包括发光装置5和聚光设备6；
所述发光装置5位于植物7的上方用于给植物7提供光源。
所述发光控制器2控制发光装置5使得该装置发光；时间控制器3用于控制发光装置5的光照时间；光强控制器4用于控制发光装置5的亮度；
所述聚光设备6用于提高发光装置5的光源利用率。
所述发光装置5为HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯。
所述发光装置5至植物7的距离为1-5m。优选1.5-3m，更优选2.5m。
该HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯上沉积多层荧光薄膜，沉积的厚度为0.6-3µm。
具体包括如下步骤：
步骤一、红色荧光材料的制备
将Gd(NO3)3·6H2O，SrCl2·6H2O，Li2CO3， (NH4)2HPO4，Na2WO4·2H2O，Sm2O3和Eu2O3以物质量比为2-x-y:1-2:0.5-2:1-2:1:x:y称取备用；
首先分别将Sm2O3，Eu2O3，置于玛瑙研钵中进行研磨10-40min，备用；将Gd(NO3)3·6H2O，Li2CO3，SrCl2·6H2O，加入至去离子水中（其中固液体积比为1-2:10-20），在50-60℃条件下搅拌30-45min，冷却得到第一悬浊液；将研磨后的Sm2O3和Eu2O3溶于浓硝酸中，配置成pH为3-5的硝酸盐溶液，再将该溶液与第一悬浊液混合制得第一混合液；按化学计量配比称取(NH4)2HPO4和Na2WO4·2H2O溶于蒸馏水中（其中固液体积比为1-2:10-20），边搅拌边加入氨水调节pH，使得pH控制在7-8，之后加入第一混合液搅拌60-120min，升温至40-55℃搅拌60-90min，将沉淀物采用去离子水清洗3-5次后放于烘干箱中烘干，将烘干后的材料进行球磨混合均匀，放入马弗炉中并在高温室中于500-600℃下烧结1-2h，升温至800-1100℃烧3-6h，之后自然降温至室温，对焙烧后的产物进行研磨获得即可制得Gd2-x-ySrLi(WO4)(PO5)Cl2: xEu3+,ySm3+；其中0.03≤x≤0.18，x/y=1-3；
步骤二，绿色荧光材料的制备
将MgCO3，Si3N4、CaF2，NH4VO3，Ce2O3和Eu2O3以物质量比为3-a-b:1-2:1-2:2-8:a:b称取备用；（其中a=0.1-0.24，a/b=1-2）
首先将MgCO3，Si3N4、CaF2、Ce2O3和Eu2O3进行研磨并加入乙醇中进行分散，得到第二分散液（固液体积比为1-2:10-20）；将NH4VO3置入坩埚中，在高温室中升温至300-400℃保温3-6h，自然冷却，与第二分散液混合搅拌均匀加入氨水调节pH值至8-9，用离心机将沉降物取出，经过去离子水洗涤3-5次，烘干后装入刚玉坩埚中，放入高温炉中在N2∶H2＝95∶5的气氛还原气氛条件下，在600-800℃热处理2-5 h，之后升温至900-1200℃热处理3-6h，待高温炉冷却后，将产物研磨粉碎、洗涤、烘干即得到最终产品Mg3-a-bCaSi3F2(VO4)6:aEu2+,bCe3+；
步骤三，蓝色荧光材料的制备
将Gd(NO3)3·5H2O， BaNO3，Na2SnO3·3H2O、GeO2，Tm2O3和Dy2O3以物质量比为2-m-n:1-2:1-2:1-3:m:n称取备用；（其中m=0.1-0.25，m/n=1-3）
首先将Tm2O3和Dy2O3置于玛瑙研钵中进行研磨20-30min，得到第三粉体；
将Gd(NO3)3·5H2O， BaNO3，Na2SnO3·3H2O、GeO2，置于去离子水中，经过搅拌1-3h得到第三悬浊液（第三悬浊液固液体积比为1-2:10-20），加入第二混合液（第二混合液由十二烷基苯磺酸钠和乙二醇以质量比为1-3:2-4组成；第三悬浊液和第二混合液的体积比为1-2:0.2-0.5）采用磁力搅拌15-60min，添加第三粉体，持续搅拌30-60min，加入氨水调节pH为9-10，通过离心机将沉淀取出，经过去离子水清洗3-6次，经过干燥后置于坩埚中，首先在600-700℃预烧2-3h，自然冷却后，取出样品，研磨40-60min，将样品重新放入坩埚中，在N2∶H2＝95∶5气氛下，再于800-1100℃烧结3-6h，而后自然冷却至室温，得到Gd2-m-nBa (SnO3)(GeO5):mTm3+,nDy3+蓝色荧光粉；
步骤四，化学沉积
通过化学气相沉积法在HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯上将红色荧光材料做为第一层，绿色荧光材料作为第二层，蓝色荧光材料作为第三层；
首先红色荧光材料第一层的沉积：将红色荧光材料溶入四氢呋喃中，分别形成浓度为0.1摩尔/升的第一溶液；将第一溶液加热至360℃保温10-15min送入气化室使其气化，形成第一混合气体；通过氩气将第一混合气体以4000sccm的流量，输送至反应器中的HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯上，所述反应器中的温度300℃，输送完毕后静置30-45min，之后将该器件的温度升高至800℃，保温30-60min，得到在HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯上形成第一层荧光薄膜；重复上述步骤将绿色荧光材料的第二层，蓝色荧光材料的第三层逐步沉积在HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯上形成三层LED荧光薄膜；所述每层镀膜的厚度为0.2-1µm，优选0.5µm，沉积薄膜总体的厚度为0.6-3µm。
通过沉积薄膜的HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯能够发射出和日光一样的颜色的光，且使得植物表面光密度为2000-6000Lux；以茉莉幼苗、番茄幼苗、黄瓜幼苗为例，照射时间为6:00-21:00，存活率能够到到97-100%；生根率达到96-100%，完全的优于日光照射；
具体照射方法如下：6:00-12:00照射在植物表面光密度为2000-4000Lux；12:00-16:00照射在植物表面光密度为3000-6000Lux；16:00-21:00照射在植物表面光密度为2000-3000Lux。
经过检测：
（一）红色荧光粉
1、采用Eu和Sm元素参杂替代了一部分Gd元素；
2、关于温度方面，首先进行低温烧结一段时间后再次升温进行高温烧结能够获得最佳的发光强度，根据实验发现，首先在高温室中于550℃下烧结2h，升温至1000℃烧5h，能够更加有效的被激发波长，现对于直接采用高温烧结的方式能够提高15%；
3、随着Sm3+掺杂量的增加，荧光强度不断增强。当Sm3+的量x为0.12时，样品的荧光强度最强。此时再增加Sm3+的掺杂量，荧光强度下降。这是由于激活中心Sm3+的浓度较低时，离子间距离较远，能量传递效率不高，所以荧光强度不大。随着Sm3+的浓度的增大，发光中心的数目增加，荧光强度增强。但Sm3+增加到一定浓度后，会产生浓度猝灭效应，使荧光发光强度迅速降低；
4、Sm元素的参杂能够有效提升荧光发射强度，随着Sm元素含量的增加, Eu3+在610-730 nm处的红色发射峰得到了极大加强，Sm含量为y=0.04时，发射峰的强度是不参杂Sm时的4.87 倍。通过XRD 分析：取代Sm元素增加了晶体晶格畸变程度；另一方面Sm元素y的含量超过0.04时, 产物的颗粒度增大, 发生明显的团聚现象，使其发光性能降低, 因此确定最佳用量Sm3+的量x=0.12，Sm元素y的量=0.04。
（二）绿色荧光粉
通过raman光谱发现具有831cm–1处为[VO4]3–反对称伸缩振动吸收带；
1、经过大量研究发现首先在在700 ℃烧结4 h ，之后升温至1100 ℃热处理5 h的条件下能够获得荧光粉，其颗粒大小均匀，表面光滑，荧光强度最高。经过扫描电镜发现其颗粒表面规则，成柱状体，颗粒直径在0.5-2μm；这是由于首先低温烧结，之后再次高温烧结使得原料的反应更加充分，杂相减少，同时，荧光粉的结晶度进一步提高。经过研究发现当热处理温度达到1200℃时，产品的颗粒尺寸增大，表面细小颗粒增多，这是由于高的热处理温度导致晶粒团聚使得颗粒继续增大；
aEu2+,bCe3+（其中a=0.1-0.24，a/b=1-2）
2、经过研究发现当Eu2+的含量a=0.18时发射强度最大，发射光谱的峰值对应的波长最小（485-495nm）；当继续增加Eu2+的含量a时，发射强度开始减弱；尤其是Eu2+的含量a从0.24增加到0.4时，发射强度大幅减弱，峰值对应波长也大幅增加（498-518nm）。这种由于随着Eu2+含量的增加，Eu2+之间的距离越来越小，从而导致Eu2+之间非辐射方式进行能量传递的几率增加，就会导致发光强度的减弱；
3、通过参杂Ce3+能够增强发射强度，具有很大的影响，经过研究发现当Ce3+的含量b=0.1时发射强度最大，经过研究发现参杂了Ce元素的发射峰的强度是不参杂Ce元素时的3.78倍；当b大于0.15后样品的主峰发射的相对发光强度反而降低，该现象主要是由于Ce元素同核离子间的浓度猝灭造成。因此最佳值为a=0.18，b=0.1。
（三）蓝色荧光粉
1、经过研究发现，掺杂Tm3+的量m=0.1-0.25之间，Tm3+增加，发450-460nm处的发光强度先增强，当m超过0.2时开始降低，这是由于当Tm3+掺杂量少时，发光中心数目少，发光强度相对较低；然而，过高的Tm3+掺杂量会引起浓度猝灭，发光强度下降，即Tm3+－Tm3+之间能量传递概率超过发射概率，进而使发射能量通过非辐射跃迁或晶格振动而耗掉；
2、Dy元素的掺杂不但可以促使其蓝光波段扩展到410-460nm，并且有效增强这个波段的发射强度，可以使产品的发光强度提高4.7倍以上。说明Dy起到了敏化作用。经过研究发现Tm的和Dy离子的最佳掺杂量m=0.2，n=0.1。
应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种缩短植物生长周期的控制装置，其特征在于该装置包括以下设备：控制件（1），发光控制装置、照明装置；
所述控制件（1）与发光控制装置相连；
所述发光控制装置包括发光控制器（2）、时间控制器（3）和光强控制器（4）；
所述照明装置包括发光装置（5）和聚光设备（6）；
所述发光装置（5）位于植物（7）的上方用于给植物（7）提供光源；所述发光装置（5）为HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯；
该HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯上沉积多层荧光薄膜，沉积的厚度为0.6-3µm；
具体包括如下步骤：
步骤一、红色荧光材料的制备
将Gd(NO3)3·6H2O，SrCl2·6H2O ，Li2CO3， (NH4)2HPO4，Na2WO4·2H2O，Sm2O3和Eu2O3以物质量比为2-x-y:1-2:0.5-2:1-2:1:x:y称取备用；
首先分别将Sm2O3，Eu2O3，置于玛瑙研钵中进行研磨10-40min，备用；将Gd(NO3)3·6H2O，Li2CO3，SrCl2·6H2O，加入至去离子水中，其中固液体积比为1-2:10-20，在50-60℃条件下搅拌30-45min，冷却得到第一悬浊液；将研磨后的Sm2O3和Eu2O3溶于浓硝酸中，配置成pH为3-5的硝酸盐溶液，再将该溶液与第一悬浊液混合制得第一混合液；按化学计量配比称取(NH4)2HPO4和Na2WO4·2H2O溶于蒸馏水中，其中固液体积比为1-2:10-20，边搅拌边加入氨水调节pH，使得pH控制在7-8，之后加入第一混合液搅拌60-120min，升温至40-55℃搅拌60-90min，将沉淀物采用去离子水清洗3-5次后放于烘干箱中烘干，将烘干后的材料进行球磨混合均匀，放入马弗炉中并在高温室中于500-600℃下烧结1-2h，升温至800-1100℃烧3-6h，之后自然降温至室温，对焙烧后的产物进行研磨获得即可制得Gd2-x-ySrLi(WO4)(PO5)Cl2 : xEu3+,ySm3+；其中0.03≤x≤0.18，x/y=1-3；
步骤二，绿色荧光材料的制备
将MgCO3，Si3N4、CaF2，NH4VO3，Ce2O3和Eu2O3以物质量比为3-a-b:1-2:1-2:2-8:a:b称取备用；其中a=0.1-0.24，a/b=1-2；
首先将MgCO3，Si3N4、CaF2、Ce2O3和Eu2O3进行研磨并加入乙醇中进行分散，得到第二分散液，固液体积比为1-2:10-20；将NH4VO3置入坩埚中，在高温室中升温至300-400℃保温3-6h，自然冷却，与第二分散液混合搅拌均匀加入氨水调节pH值至8-9，用离心机将沉降物取出，经过去离子水洗涤3-5次，烘干后装入刚玉坩埚中，放入高温炉中在N2∶H2＝95∶5的气氛还原气氛条件下，在600-800 ℃热处理2-5 h，之后升温至900-1200℃热处理3-6h，待高温炉冷却后，将产物研磨粉碎、洗涤、烘干即得到最终产品Mg3-a-bCaSi3F2 (VO4)6:aEu2+, bCe3+；
步骤三，蓝色荧光材料的制备
将Gd(NO3)3·5H2O， BaNO3，Na2SnO3·3H2O、GeO2，Tm2O3和Dy2O3以物质量比为2-m-n:1-2:1-2:1-3:m:n称取备用；其中m=0.1-0.25，m/n=1-3；
首先将Tm2O3和Dy2O3置于玛瑙研钵中进行研磨20-30min，得到第三粉体；
将Gd(NO3)3·5H2O， BaNO3，Na2SnO3·3H2O、GeO2，置于去离子水中，经过搅拌1-3h得到第三悬浊液，该第三悬浊液固液体积比为1-2:10-20，加入第二混合液采用磁力搅拌15-60min，添加第三粉体，持续搅拌30-60min，加入氨水调节pH为9-10，通过离心机将沉淀取出，经过去离子水清洗3-6次，经过干燥后置于坩埚中，首先在600-700℃预烧2-3h，自然冷却后，取出样品，研磨40-60min，将样品重新放入坩埚中，在N2∶H2＝95∶5气氛下，再于800-1100℃烧结3-6h，而后自然冷却至室温，得到Gd2-m-nBa (SnO3)(GeO5) :mTm3+,nDy3+蓝色荧光粉；所述第二混合液由十 二 烷 基 苯 磺 酸 钠和乙二醇以质量比为1-3:2-4组成；第三悬浊液和第二混合液的体积比为1-2:0.2-0.5；
步骤四，化学沉积
通过化学气相沉积法在HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯上将红色荧光材料做为第一层，绿色荧光材料作为第二层，蓝色荧光材料作为第三层；
首先红色荧光材料第一层的沉积：将红色荧光材料溶入四氢呋喃中，分别形成浓度为0.1摩尔/升的第一溶液；将第一溶液加热至360℃保温10-15min送入气化室使其气化，形成第一混合气体；通过氩气将第一混合气体以4000sccm的流量，输送至反应器中的HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯上，所述反应器中的温度300℃，输送完毕后静置30-45min，之后将该反应器的温度升高至800℃，保温30-60min，得到在HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯上形成第一层荧光薄膜；重复上述步骤将绿色荧光材料的第二层，蓝色荧光材料的第三层逐步沉积在HPS高压钠灯或者MH高压金卤灯上形成三层LED荧光薄膜；每层镀膜的厚度为0.2-1µm，沉积薄膜总体的厚度为0.6-3µm。
2.如权利要求1所述的一种缩短植物生长周期的控制装置，其特征在于，发光控制器（2）控制发光装置（5）使得该装置发光；时间控制器（3）用于控制发光装置（5）的光照时间；光强控制器（4）用于控制发光装置（5）的亮度。
3.如权利要求1所述的一种缩短植物生长周期的控制装置，其特征在于，所述聚光设备（6）用于提高发光装置（5）的光源利用率。
4.如权利要求1所述的一种缩短植物生长周期的控制装置，其特征在于，所述发光装置（5）至植物（7）的距离为1-5m。
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