CN111869559A - 一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法 - Google Patents

Abstract

一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法，涉及蔬菜栽培技术领域，所采用的技术方案包括将催芽育苗后的叶类蔬菜移栽于全人工光生产系统中，用无土栽培营养液进行深液流栽培，培养过程中的光照处理方法为在总光强为150～200μmol m^‑2s^‑1的情况下，将总光强按照叶片腹面：叶片背面＝(1～3)：1的比例分配后分别照射于叶类蔬菜叶片腹面和叶片背面，提高了叶类蔬菜的光能利用率和产量；本发明在提高叶类蔬菜产量的同时还降低了电能消耗，既提高了生产效益，又降低了生产成本，从而促进了蔬菜产业的节能高产和绿色可持续发展。

Description

一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法

技术领域

本发明涉及蔬菜栽培技术领域，涉及通过光能分配提高蔬菜产量的方法，尤其涉及一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法。

背景技术

全人工光植物生产系统利用计算机系统对蔬菜生长过程的温度、湿度、光照、二氧化碳等主要环境因子进行精准控制，利用该生产系统生产蔬菜不再受地域、光照、温度等自然环境因素的影响，可全年不间断的种植蔬菜，使蔬菜生产智能化、数据化、可控化和标准化，符合蔬菜生产产业现代化的发展趋势。但是全人工光生产系统的光源为人工光源，电能消耗大，导致生产成本高，阻碍了全人工光生产系统在蔬菜生产产业的推广应用。

中国作为世界上最大的蔬菜生产国，2019年全年蔬菜产量达到7亿吨，且需求量还在逐年增长，随着城市化进程，大幅增加农业耕地面积的可能性已不复存在，进一步提高农作物的光合作用效率成为未来大幅提高农作物产量潜力的重要甚至唯一可行的途径。目前，植物光合作用系统远未达到其最大光合效率，利用现代技术手段人工干预，优化改造光合作用系统，提高光合效率，将在解决未来的粮食、能源和维持可持续的生态环境方面发挥更重要的作用。目前，由于化肥的过度使用，土地和河流的富营养化已成为我国的一大环境问题，通过提高光能利用效率，创造高产高效的农作物，减少化肥的使用，是未来创造绿色可持续农业发展的关键，也是建设国家生态文明的重要组成部分。

发明内容

本发明提供了一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法，在全人工光生产系统中，将现有技术中的光照强度分配后照射于叶类蔬菜的叶片腹面和叶片背面，旨在通过提高叶类蔬菜的光合作用效率提高叶类蔬菜单位面积产量，同时通过降低电能消耗降低生产成本，实现叶类蔬菜节能高产发展。

本发明提供如下的技术方案：一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法，包括：

(1)催芽育苗；

(2)将育苗结束后的叶类蔬菜移栽于全人工光生产系统中，用无土栽培营养液进行深液流栽培，培养过程中的光照处理方法为：在总光强为150～200μmol m-2s-1的情况下，将总光强按照叶片腹面：叶片背面＝(1～3)：1的比例分配后分别从顶部和底部照射于叶类蔬菜叶片腹面和叶片背面。

进一步的，所述催芽育苗中的培养过程中的光照处理的光照时间为12小时/天。进一步的，所述育苗操作步骤为：将菜种播种于湿润海绵上，1天后进行光期和暗期的交替照射，光源是红蓝光5：1的LED灯，光照强度为120μmol m^-2s^-1，光照时间为12小时/天，CO₂浓度为400～500μmol/mol，育苗环境温度为22±2℃，育苗环境湿度为60％～70％，育苗后期添加无土栽培培养液。

进一步的，所述深液流栽培条件为：可溶性盐浓度值为1.8～2.0dS/m，pH值为6.0～6.5，CO₂浓度为400～500μmol/mol，生长环境温度为20～25℃，生长环境湿度为60％～70％。

进一步的，所述叶片腹面或者背面照射的光源均为白色LED光源。

进一步的，所述叶类蔬菜的代表性品种有奶油生菜、橡叶生菜、油菜、小白菜。

本发明的有益效果是：

(1)本发明对现有人工光栽培的光照方法进行改进，将原有总光强按照一定比例分配后照射于叶类蔬菜的叶片腹面和叶片背面，在降低电能消耗的同时提高了叶类蔬菜的光能利用率，既提高了叶类蔬菜产量，又降低了生产成本，促进了叶类蔬菜节能高产发展。

(2)本发明所采用LED光源体积小、散热少，使用LED光源对叶类蔬菜进行近距离照射，不会发生灼伤现象，同时通过LED光源实现叶片腹面和叶片背面的照射光强的单独控制，实现顶部和底部照射光强的精准控制，促进了叶类蔬菜的标准化生产。

(3)本发明通过重新分配光源提高叶类蔬菜的光合效率，优化改造现有的光合作用系统，使叶类蔬菜达到最佳光合效率，从而减少化肥使用，促进叶类蔬菜产业的绿色环保和可持续发展。

附图说明

图1为本发明一个实施例的对照组的光源照射方式；

图2为本发明一个实施例的实施组的光源照射方式；

图3为本发明一个实施例的不同腹背光强处理后奶油生菜的植物表型图；

图4为本发明实施例2的实施组和对照组的奶油生菜叶片光合色素含量分析结果；

图5为本发明实施例2的对照组奶油生菜叶片显微结构图；

图6为本发明实施例2的实施组奶油生菜叶片显微结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

本发明所述光能分配提高叶类蔬菜产量的方法，包括：

(1)催芽育苗；

(2)将育苗结束后的叶类蔬菜移栽于全人工光生产系统中，用无土栽培营养液进行深液流栽培，其特征在于，培养过程中的光照处理方法为：在总光强为150～200μmol m^{- 2}s^-1的情况下，将总光强按照叶片腹面：叶片背面＝(1～3)：1的比例分配后分别从顶部和底部照射于叶类蔬菜叶片腹面和叶片背面。

本发明将现有技术中的总光强按照一定比例分配后，一部分从叶类蔬菜顶部照射于叶片腹面，另一部分从底部照射于叶片背面，提高叶类蔬菜生物量的同时降低了电能消耗，既提高了生产效益，又兼顾了生产成本，促进了蔬菜产业的绿色可持续发展。

实施例1

(1)将奶油生菜菜种播种于湿润海绵上，避光1天后进行光期和暗期的交替照射，光源是红蓝光5：1的LED灯，光照强度为120μmol m^-2s^-1，光照时间为12小时/天，CO₂浓度为400～500μmol/mol，育苗环境温度为22±2℃，育苗环境湿度为60％～70％，育苗后期添加无土栽培培养液。

(2)育苗3周后，待奶油生菜幼苗为四叶一心时进行移栽，将长势一致的奶油生菜幼苗移栽于全人工光生产系统中，用霍格兰根无土栽培营养液进行深液流栽培，所述深液流栽培条件为：可溶性盐浓度值为1.8～2.0dS/m，pH值为6.0～6.5，CO₂浓度为400～500μmol/mol，环境温度为20～25℃，湿度为60％～70％，生长过程中的光照处理方法为：将180μmol m^-2s^-1的总光强按照叶片腹面：叶片背面等于3：1、2：1、1：1和1：2的比例分配后从顶部和底部分别照射于奶油生菜的叶片腹面和叶片背面，即叶片腹面受光光强和叶片背面受光光强分别为135和45μmol m^-2s^-1、120和60μmol m^-2s^-1、90和90μmol m^-2s^-1、60和120μmol m^{- 2}s^-1，光照时间为12小时/天，深液流栽培2周后收获奶油生菜，吸干根部的水分，用电子称重计获得奶油生菜的生物量，此处生物量为叶类蔬菜的净重。

所述深液流栽培时光照处理的光源采用白色LED光源，LED光源的固定方式如图1和图2所示，实施组为叶片腹面和叶片背面同时受光，将照射叶片背面的LED灯安装在蔬菜下方的栽培板上，照射叶片背面，使叶片背面受光，将照射叶片腹面的LED光源(腹光)安装在栽培板正上方，照射叶片腹面，使叶片腹面受光；对照组为纯腹光照射，LED光源位于叶片上方，照射光强为180μmol m^-2s^-1，其余处理方法均与实施组相同；通过朗本电力监测仪分别记录从移栽到采收期间照射叶片腹面的LED灯与照射叶片背面的LED灯的功率和用电量；

比较对照组(纯腹光照射)和实施组(叶片腹面和背面同时受光)的生物量和用电量，计算生物量增量和电能节省量；

生物量增量＝(实施组生物量-对照组生物量)/对照组生物量×100％；

电能节省量＝(实施组腹背光用电总量-对照组腹背光用电总量)/对照组腹背光用电总量×100％。

不同比例腹背光强处理后奶油生菜的生物量及生物量增量研究结果如表1和图3所示，在总光强(180μmol m^-2s^-1)不变的情况下，将总光强按照叶片腹面：叶片背面＝(1～3)：1的比例分配后分别从顶部和底部照射于奶油生菜的叶片腹面和叶片背面，奶油生菜的光合作用能力增加，与纯腹光照射相比，奶油生菜的生物量增量为4.7％～53.0％。

不同比例腹背光强处理后奶油生菜的用电量及电能节省量研究结果如表2所示，在总光强(180μmol m^-2s^-1)不变的情况下，将总光强按照叶片腹面：叶片背面等于3：1、2：1、1：1和1：2的比例分配后从顶部和底部分别照射后，电能消耗降低了15.1％～37.4％。

上述结果表明，在不增加总的光照强度(180μmol m^-2s^-1)的前提下，将总光强按照叶片腹面：叶片背面＝(1～3)：1的比例分配后，奶油生菜的产量升高，而将总光强按照叶片腹面：叶片背面＝1：2的比例分配后，对奶油生菜的产量不具有升高作用，但按照各个比例分配后的照射方法均可显著降低电能消耗，节约能源，从而降低生产成本。前期预研结果如下：

表1不同比例腹背光强处理后奶油生菜的生物量

表2不同腹背光强处理下光源功率及用电量比较

实施例2

(1)将奶油生菜、橡叶生菜、油菜和小白菜菜种播种于湿润海绵上，避光1天后进行光期和暗期的交替照射，光源是红蓝光5：1的LED灯，光照强度为120μmol m^-2s^-1，光照时间为12小时/天，CO₂浓度为400～500μmol/mol，育苗环境温度为22±2℃，育苗环境湿度为60％～70％，育苗后期添加无土栽培培养液。

(2)育苗3周后，将长势一致的奶油生菜、橡叶生菜、油菜和小白菜幼苗移栽于全人工光生产系统中，用霍格兰根无土栽培营养液进行深液流栽培，所述深液流栽培条件为：可溶性盐浓度值为1.8～2.0dS/m，pH值为6.0～6.5，CO₂浓度为400～500μmol/mol，生长环境温度为20～25℃，生长环境湿度为60％～70％，生长过程中的光照处理方法优选实施例1中的最佳比例，即将180μmol m^-2s^-1的总光强按照叶片腹面：叶片背面＝2：1的比例分配后从顶部和底部照射于蔬菜叶片腹面和叶片背面，即叶片腹面受光光强和叶片背面受光光强分别为120和60μmol m^-2s^-1，光照时间为12小时/天。深液流栽培2周后收获奶油生菜、橡叶生菜、油菜和小白菜，吸干根部的水分，用电子称重计获得奶油生菜、橡叶生菜、油菜和小白菜的生物量，此处生物量为叶类蔬菜的净重。

对照组均为纯腹光照射，LED光源位于叶片上方，照射光强为180μmol m^-2s^-1，其余处理方法均与实施组相同。比较对照组(纯腹光照射)和实施组(叶片腹面和背面同时受光)的生物量并计算生物量增量，生物量增量＝(实施组生物量-对照组生物量)/对照组生物量×100％。

结果如表3所示，将180μmol m^-2s^-1的总光强按照叶片腹面：叶片背面＝2：1的比例分配后，与纯腹光照射相比，四种叶类蔬菜的生物量均增加，奶油生菜的生物量增量为53.0％、橡叶生菜的生物量增量为35.8％、油菜的生物量增量为41.2％、小白菜的生物量增量为45.5％。

上述结果表明，在不增加总的光照强度(180μmol m^-2s^-1)的前提下，将总光强按照叶片腹面：叶片背面＝2：1的比例分配后，四种叶类蔬菜的生物量均明显增加，表明该发明可以显著增加叶类蔬菜的产量。进一步的预研究证明结果如下：

表3腹背光强比例2：1处理后四种叶类蔬菜的生物量

当下全人工光植物生产系统的植物照明多采用腹面(顶光)照射，叶类蔬菜在快速生长期容易相互遮挡，一般只有最上层叶片可以接受光照，当顶部光强接近或超过上层叶片腹光光饱合点时，光合速率增速放缓至趋于稳定，光能利用率显著降低，造成光源浪费。若将叶腹光饱合点前的若干光照资源用于叶背供光，在不增加光能投入的条件下，将显著增强植物整体光合效率，提高光能利用率。本课题组进一步对采收得到的实施组和最优对照组(腹背光比例2：1)的奶油生菜植株最外层1～4片功能叶(腹背受光功能叶)进行光合色素含量分析及叶片显微结构分析。

结果如图4～6所示，腹背同时受光的叶片光合色素明显高于纯腹光照射，且腹背同时受光叶片的叶肉海绵组织细胞更密，叶绿体数量增加，光合能力增强。因此，同时充分利用叶片腹面和背面的光合能力，叶片整体光合能力显著增加。

以上为本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法，包括：

(1)催芽育苗；

(2)将育苗结束后的叶类蔬菜移栽于全人工光生产系统中，用无土栽培营养液进行深液流栽培，其特征在于，培养过程中的光照处理方法为：在总光强为150～200μmol m^-2s^-1的情况下，将总光强按照叶片腹面：叶片背面＝(1～3)：1的比例分配后分别从顶部和底部照射于叶类蔬菜叶片腹面和叶片背面。

2.根据权利要求1所述的一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法，其特征在于，所述培养过程中的光照处理的光照时间为12小时/天。

3.根据权利要求1所述的一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法，其特征在于，所述催芽育苗中的育苗操作步骤为：将菜种播种于湿润海绵上，1天后进行光期和暗期的交替照射，光源是红蓝光5：1的LED灯，光照强度为120μmol m^-2s^-1，光照时间为12小时/天，CO₂浓度为400～500μmol/mol，育苗环境温度为22±2℃，育苗环境湿度为60％～70％，育苗后期添加无土栽培培养液。

4.根据权利要求1所述的一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法，其特征在于，所述深液流栽培条件为：可溶性盐浓度值为1.8～2.0dS/m，pH值为6.0～6.5，CO₂浓度为400～500μmol/mol，生长环境温度为20～25℃，生长环境湿度为60％～70％。

5.根据权利要求1所述的一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法，其特征在于，所述叶片腹面或者背面照射的光源均为白色LED光源。

6.根据权利要求1所述的一种光能分配提高叶类蔬菜产量的方法，其特征在于，所述叶类蔬菜的代表性品种有奶油生菜、橡叶生菜、油菜、小白菜。

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