CN111373948B

CN111373948B - 一种用于多层种植系统的光调控方法

Info

Publication number: CN111373948B
Application number: CN202010301288.1A
Authority: CN
Inventors: 李阳; 陈艺群; 马健; 罗梅秀; 杨玉凯
Original assignee: Fujian Sanan Sino Science Photobiotech Co Ltd
Current assignee: Fujian Sanan Sino Science Photobiotech Co Ltd
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2040-04-16
Also published as: WO2021208214A1; CN111373948A

Abstract

本发明公开了一种用于多层种植系统的光调控方法，在多层植物种植系统中针对层与层环境温度的差异性设置不同组成的光谱对植物进行照射，实现植物产量、形态、代谢物质的调控，提高产品品质的一致性和合格率。

Description

一种用于多层种植系统的光调控方法

技术领域

本发明涉及植物照明技术领域，具体涉及一种用于多层种植系统的光调控方法。

背景技术

垂直种植是采用多层立体种植设备，将光、温度、营养液、二氧化碳浓度等环境因子系统结合起来形成的先进生产系统，常用于太阳光玻璃温室和全人工光植物工厂中，可以显著提高单位面积的目标植物的产量，是一项农业工业化的新兴技术。现有技术中有公开的专利《一种多层栽培系统》(申请号2016112203415)，《一种温室育苗多层苗床》(申请号2016206408076)，《水培单元和系统》(申请号201680001402.0)等提出多层种植的基本结构框架或具体的设备方案，为垂直种植生产系统的建设提供方案，但对于其实际植物种植效果并没有给出任何记载。在当前的垂直种植生产系统上，突出的限制因子是：空间环境温度场的不均匀性，特别是在垂直方向上，导致不同高度种植层的温度不同，严重影响植物的产量、形态和品质。目前针对这种空间环境温度场的不均匀性虽然通过空调通风系统，控制冷热气流的出风速度、出风量、精心组织气流的路径，尽可能降低温度场的不均匀性，但是不同层高的植物生长差异性非常明显，同时极大提高建造成本，技术难以推广。

温度是影响植物正常生长发育的另一个重要的环境因子。通常对具体的某种植物都有一个最适宜的生长温度范围，在最适宜的温度范围内植物才能更好地正常生长发育，温度高于最髙点或低于最低点，植物都会受到胁迫而不能正常生长，或停止生长，并出现伤害。空间环境温度场的不均匀性导致不同高度种植层的温度不同，以南方普通玻璃温室为例，总层架2米高的5层栽培系统，其底层种植区和顶层种植区温度最大差异在3-7℃。在相同的生长时间内，光照及其他生长环境一致时，温度较高时幼苗容易出现徒长，温度较低的环境中幼苗生长缓慢，导致不同层的幼苗叶面积、生物量、壮苗指数差异较大，质量层次不齐，降低成品苗的合格率，影响育苗的质量及出苗时间，导致产能不能达到预定的目标；在全人工光植物工厂的垂直栽培系统中，在总层高2.5米的6层栽培系统中，最底层和最高层的种植区最大差异在3-5℃.

光不仅是作物光合作用的原料，也是调节作物形态建成、生理代谢及光周期等生命活动的最终能源与信号物质，本发明方案通过研究光与温度在植物生长发育中的协同和拮抗作用，提出一种解决多层垂直栽培系统中温度场不均匀性导致植物差异化生长的光调控技术。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种多层种植系统的光调控方法，其针对不同层高温度的差异性，通过光质的差异化设置，改善由于温度差异性导致的植物生长状态的差异较大现象，实现植物产品质量的一致性，同时提高单位面积产品合格率。

本发明采取的具体技术方案是：

一种用于多层种植系统的光调控方法，在多层植物种植系统中针对层与层环境温度的差异性设置不同组成的光谱对植物进行照射，实现植物产量、形态、代谢物质的调控，提高产品品质的一致性和合格率。

进一步地，在进行植物栽培时，首先在光照周期期间，测试不同高度种植层内的环境温度，通过理论分析和实际试验得到不同温度下对目标植物的生长发育的影响，进一步通过设置不同种植层中植物灯光谱中蓝光(400-499nm)、黄绿光(500-599nm)、红光(600-780nm)的能量分布，实现植物产量、形态、代谢物质的调控，提高产品品质的一致性和合格率。

进一步地，在调控叶菜品质时，主要通过调整蓝光(400-499nm)占比实现；或，在调控花卉花量时，主要通过调整蓝光(400-499nm)和红光(600-780nm)占比实现；或，在调控甜椒产量时，主要通过调整蓝光(400-499nm)和红光(700-780nm)占比实现；或，在调控幼苗形态时，主要通过调整蓝光(400-499nm)和红光(600-710nm)占比实现。

更进一步地，在调控叶菜品质时，蓝光(400-499nm)光子占比为13-27％；

更进一步地，在调控花卉花量时，蓝光(400-499nm)光子占比为13-26％，红光(600-780nm)光子占比为61-69％。

更进一步地，在调控甜椒产量时，蓝光(400-499nm)光子占比为13-18％，红光(700-780nm)光子占比为2-16％

更进一步地，在调控幼苗形态时，蓝光(400-499nm)光子占比为21-100％，红光(600-710nm)光子占比为0-56％。

进一步地，不同层补光强度可以相同或不同。

本发明还提供了上述光调控方法在太阳光玻璃温室中或全人工光植物工厂中的应用。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：

1.本发明方法应用在垂直农业生产中，根据每层种植区的温度差异性，设置不同的光谱分布，改善由于温度差异性导致的植物生长状态的差异较大的现象，实现植物产品的产量和品质的一致性，同时提高单位面积产品合格率；

2.本发明方案是解决空间环境温度场不均匀性的低成本、高性价比方案，传统的空调通风系统，建造成本高，能耗成本高，后期维护成本高。

附图说明

图1为显示为多层种植系统。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

实施例1

一种在全人工光植物工厂中，叶菜多层栽培的光调控方法，包括如下步骤：

(1)播种和育苗：将紫美生菜种子浸种后，播到海绵方块中，每穴1粒，后放到23℃催芽箱中进行催芽，待种子露白后，移到水培营养液中进行育苗管理，营养液EC值为0.8-1.2mS/cm，pH为6.0-7.0，直至培育到4-5片真叶。(2)栽培：挑选整齐一致的幼苗移栽定植到定植板上，定植行间距15cm×20cm，并放到5层栽培架上进行培养，每层生长空间高度32cm,采用营养液膜栽培技术，营养液EC控制在1.5-1.8mS/cm之间，pH为6.0-7.0，同时整个定植期间，营养液温度控制在21℃，溶氧量为5-6mg/L，环控系统中设置环境温度条件为白天21℃，夜间为18℃，空气湿度为60-70％。

(3)测试光照周期内，各层温度如表1所示，显然各层温度不尽相同，第一层与第五层同一时间段最高可相差3.5℃；设置各层光环境，光质：第五层和第四层为G1,第三层和第二层为：G2，第一层为：G3。光照强度250μmol/m²·s,光周期10h/d。光源采用LED灯，G1-G3光谱分布如表1所示：

表1

(4)定植20d，采收并测试产量和维生素C含量，如下表5所示：

表2

对照组1光环境设置如下：从第一层到第五层全部采用光质G1，光照强度250μmol/m²·s，光周期10h/d。定植20d，采收并测试产量和维生素C含量，如下表3所示：

表3

由表2和表3对比可知，通过改变蓝光(400-499nm)、黄绿光(500-599nm)与红光(600-780nm)的光子之比调整光质组成，可有效抵抗上下温差带来维生素C含量的巨大差异，提高蔬菜维生素C含量，提升产品合格率。

实施例2

一种在全人工光植物工厂中，食用花卉多层栽培的光调控方法，包括如下步骤：

(1)播种和育苗：将三色堇种子浸种4h后，播到海绵方块中，每穴1粒，后放到23℃催芽箱中进行催芽，待种子露白后，移到水培营养液中进行育苗管理，营养液EC值为0.8-1.2mS/cm，pH为6.0-7.0，直至培育到4-5片真叶。

(2)栽培：挑选整齐一致的幼苗移栽定植到定植板上，定植行间距15cm×20cm，并放到5层栽培架上进行培养，每层生长空间高度35cm，采用营养液膜栽培技术，营养液EC控制在1.5-1.8mS/cm之间，pH为6.0-7.0，同时整个定植期间，营养液温度控制在21℃，溶氧量为5-6mg/L，空气湿度为60-70％。

(3)测试光照周期内，各层温度如表4所示，第一层与第五层同一时间段最高可相差3.9℃。设置试验组各层光环境，第五层和第四层为光质M1，第三层为光质M2，第二层和第一层为光质M3，光照强度250μmol/m²·s，光周期12h/d，光源采用LED灯，M1-M3光谱分布如表4所示。对照组2光环境从第一层到第五层全部采用光质M1，光照强度250μmol/m²·s，光周期12h/d。

表4

(4)定植40d，统计各处理花量数据，如下表所示：

表5

由表5试验组和对照组花量数据可知，通过改变蓝光(400-499nm)、黄绿光(500-599nm)与红光(600-780nm)的光子之比调整光质组成，可有效抵抗上下温差带来花量的巨大差异，提高花卉开花量和整齐度。

实施例3

一种在全人工光植物工厂中，甜椒多层栽培的光调控方法，包括如下步骤：

(1)播种和育苗：将金华星甜椒种子进行55℃温水中温汤浸种10min，后置于清水中浸种8h，后播到海绵方块中，每穴1粒，后放到30℃催芽箱中进行催芽，待种子露白后，移到人工光源下进行育苗管理，营养液EC值为0.8-1.2mS/cm，pH为6.0-7.0，直至培育到4-5片真叶。

(2)栽培：挑选整齐一致的幼苗移栽定植到定植板上，定植行间距30cm×40cm，并放到3层栽培架上进行培养，每层生长空间高度100cm，采用营养液膜栽培技术，营养液EC控制在2.0-2.5mS/cm之间，pH为6.0-7.0，同时整个定植期间，营养液温度控制在21℃，溶氧量为5-6mg/L，空气湿度为60-70％。

(3)测试光照周期内，各层温度如表6所示，第一层与第三层同一时间段最高可相差4.5℃。设置试验组各层光环境，第三层为光质N1，第二层为光质N2，第一层为光质N3，光照强度500μmol/m²·s，光周期13h/d，光源采用LED灯，N1-N3光谱分布如表6所示。对照组3光环境从第一层到第三层全部采用光质N1，光照强度500μmol/m²·s，光周期13h/d。

表6

(4)定植80d，统计各处理甜椒产量数据，如下表所示：

表7

表8

由表7和表8可知，通过改变蓝光(400-499nm)、黄绿光(500-599nm)与红光(600-780nm)的光子之比调整光质组成，可有效抵抗上下温差带来甜椒产量的差异，提高甜椒产量和减少畸形果率，提高甜椒商品合格率。

实施例4

一种在太阳光玻璃温室中，黄瓜育苗的多层栽培的光调控方法，包括如下步骤：

(1)将草炭：蛭石＝2:1的基质装入72孔的穴盘中，并吸满水，将经过RO水浸泡6小时的黄瓜种子播于穴盘中，每穴一粒，播种深度为1cm，覆土，放于育苗层架的各层，各层层高35cm,在基质含水量在50％时再浇透水，在黄瓜子叶展开和一叶一心时分别浇两次营养液(EC为1.5-1.8ms/cm之间，pH为6.0-7.0)，其他时间都为清水。

(2)测试每一层温度和湿度变化规律各层同一时间各层温度不尽相同，第一层与第五层同一时间段最高可相差5.7℃，各层温度场不同，并测试自然光下各层的光照强度；

(3)设置补光光环境，光质：第一层为S1，第二层为S2,第三层为：S3，第四层为：S4，第五层为：S5。光照强度200μmol/㎡·s,b补光周期12h/d。光源采用LED灯，S1-S5光谱分布如表1所示：

表9

(4)待幼苗长至两叶一心时测定生长指标，并计算壮苗指数，如下表2所示：

表10

对照组1补光光环境设置如下：从第一层到第五层全部采用光质S5，光照强度200μmol/㎡·s补光周期12h/d。待幼苗长至两叶一心时测定生长指标，并计算壮苗指数，如下表3所示：

表11

壮苗指标[壮苗指数＝(茎粗/株高+地下部干重/地上部干重)*全株干重]。

由表9和表10对比可知，通过改变蓝光(400-499nm)与红光(600-710nm)的光子之比调整光质组成，可有效抵抗上下温差带来的问题，使得黄瓜幼苗壮苗指数高，出苗质量均匀。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims

1.一种用于多层种植系统的光调控方法，其特征在于，在多层植物种植系统中针对层与层环境温度的差异性设置不同组成的光谱对植物进行照射，改善由于温度差异性导致的植物生长状态的差异较大的现象，实现植物产量、形态、代谢物质的调控，提高产品品质的一致性和合格率；具体为在进行植物栽培时，通过设置不同种植层中植物灯光谱中蓝光400-499 nm、黄绿光500-599 nm、红光600-780 nm的能量分布，实现植物产量、形态、代谢物质的调控，提高产品品质的一致性和合格率，

进行紫美生菜栽培时，幼苗移栽定植到定植板上，定植行间距15 cm×20 cm，并放到5层栽培架上进行培养，每层生长空间高度32 cm,采用营养液膜栽培技术，各层的光谱组成为：第五层和第四层：400-499nm占比13.48%，500-599nm占比18.53%，600-780nm占比67.99%；第三层和第二层：400-499nm占比21.87%，500-599nm占比14.72%，600-780nm占比63.41%；第一层：400-499nm占比26.28%，500-599nm占比11.83%，600-780nm占比61.89%；

进行三色堇栽培时，幼苗移栽定植到定植板上，定植行间距15 cm×20 cm，并放到5层栽培架上进行培养，每层生长空间高度35 cm，采用营养液膜栽培技术，各层的光谱组成为：第五层和第四层：400-499nm占比13.50%，500-599nm占比18.35%，600-780nm占比68.15%；第三层：400-499nm占比20.85%，500-599nm占比15.87%，600-780nm占比63.28%；第二层和第一层：400-499nm占比25.35%，500-599nm占比12.82%，600-780nm占比61.83%；

进行甜椒栽培时，幼苗移栽定植到定植板上，定植行间距30 cm×40 cm，并放到3层栽培架上进行培养，每层生长空间高度100cm，采用营养液膜栽培技术，各层的光谱组成为：第三层：400-499nm占比13.88%，500-599nm占比19.56%，600-699nm占比50.88%，700-780nm占比15.68%；第二层：400-499nm占比14.01%，500-599nm占比20.43%，600-699nm占比53.93%，700-780nm占比11.63%；第一层：400-499nm占比17.92%，500-599nm占比32.07%，600-699nm占比47.35%，700-780nm占比2.66%；

进行黄瓜育苗时，黄瓜种子播于穴盘中，放于五层育苗层架中，各层层高35cm，各层的光谱组成为：第五层：400-499nm占比21.04%，500-599nm占比23.69%，600-710nm占比55.27%；第四层：400-499nm占比48.04%，500-599nm占比15.15%，600-710nm占比36.81%；第三层：400-499nm占比55.40%，500-599nm占比13.40%，600-710nm占比31.20%；第二层：400-499nm占比72.54%，500-599nm占比7.88%，600-710nm占比19.58%；第一层：400-499nm占比100%，500-599nm占比0%，600-710nm占比0%。

2.权利要求1所述的方法在太阳光玻璃温室中或全人工光植物工厂中的应用。