CN116338109A - 一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法及系统 - Google Patents
一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法及系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116338109A CN116338109A CN202310560383.7A CN202310560383A CN116338109A CN 116338109 A CN116338109 A CN 116338109A CN 202310560383 A CN202310560383 A CN 202310560383A CN 116338109 A CN116338109 A CN 116338109A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lettuce
- absorption
- temperature
- concentration
- environment
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 235000003228 Lactuca sativa Nutrition 0.000 title claims abstract description 116
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims abstract description 103
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 240000008415 Lactuca sativa Species 0.000 title 1
- 241000208822 Lactuca Species 0.000 claims abstract description 115
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 62
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 40
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 35
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims abstract 4
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims description 37
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 29
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 15
- 235000003642 hunger Nutrition 0.000 claims description 13
- 230000037351 starvation Effects 0.000 claims description 11
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 claims description 10
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 10
- -1 nitrate ions Chemical class 0.000 claims description 9
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 claims description 6
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 claims description 6
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims description 5
- 238000012258 culturing Methods 0.000 claims description 4
- 235000015816 nutrient absorption Nutrition 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 239000005708 Sodium hypochlorite Substances 0.000 claims description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000035784 germination Effects 0.000 claims description 3
- 238000011534 incubation Methods 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 3
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000007480 spreading Effects 0.000 claims description 3
- 238000003892 spreading Methods 0.000 claims description 3
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 3
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 7
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 3
- 241000894007 species Species 0.000 description 3
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 2
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 2
- 239000003501 hydroponics Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000006911 enzymatic reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- 238000010983 kinetics study Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
- A01G31/00—Soilless cultivation, e.g. hydroponics
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0098—Plants or trees
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D27/00—Simultaneous control of variables covered by two or more of main groups G05D1/00 - G05D25/00
- G05D27/02—Simultaneous control of variables covered by two or more of main groups G05D1/00 - G05D25/00 characterised by the use of electric means
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P60/00—Technologies relating to agriculture, livestock or agroalimentary industries
- Y02P60/20—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions in agriculture, e.g. CO2
- Y02P60/21—Dinitrogen oxide [N2O], e.g. using aquaponics, hydroponics or efficiency measures
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Botany (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Hydroponics (AREA)
Abstract
本发明一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法及系统，涉及智慧农业技术领域，现有技术缺少基于对生菜吸收动力学进行分析，对生菜生长环境进行调控，以促进生菜生长方法的问题。本发明分别在不同的温度梯度下，将生菜放入一定浓度的硝酸根离子吸收液中，分别在放入后的0、1、2、4、6、8、10h时间阶段测定吸收液中
离子浓度，结束后立即剪取生菜根系并吸干表面水分，称重并记录；以测定时间为横坐标，吸收液样品中
离子浓度为纵坐标，拟合各温度下生菜吸氮的动力学曲线方程，求解不同温度下生菜吸氮的动力学参数，确定生菜根系吸氮对外界温度变化的响应，从而制定调控策略。本发明为水培系统环境调控及离子调控提供新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及智慧农业技术领域，具体而言，涉及一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法及系统。
背景技术
植物工厂是未来农业的一大发展趋势，它通过调节人工光温室内的环境因素为植物提供最优的生长环境。其中的水培通过营养液的循环使用为植物根系提供生长必需的大量元素，然而，封闭水培系统中营养液的长时间循环会导致营养元素比例失衡、根系自毒物质的积累，对植物的产量与质量产生不利影响。
吸收动力学方法是一种有效的方法，可以比较不同植物的不同营养吸收特性(Tang等人，2011)。Claassen和Barber(1974)首先使用耗竭法获得各种动力学参数，并采用水培法测定营养液中离子浓度随时间的变化。Nielsen和Barber(1978)根据酶催化反应的Michaelis-Menten方程，改进并提出了离子吸收补偿点Cmin。在过去的吸收动力学研究中，耗竭法多用于确定同一植物不同物种的动力学参数，并比较不同物种的动力学参数，以获得更多的优势物种，植物根系吸收动力学参数对外界环境的反应很少。然而，对不同温度下生菜根系的硝酸根吸收率还没有充分的研究；因此，亟需针对如何选择有助于生菜吸收能力更强的温度，将温度作为水培系统的调节变量，以提高生菜的产量的研究。
本发明要解决的技术问题是：
现有技术缺少基于对生菜吸收动力学进行分析，对生菜生长环境进行调控，以促进生菜生长方法的问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案：
本发明提供了一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法，基于耗竭法进行生菜吸收动力学实验，分别在不同的温度梯度下，将生菜放入一定浓度的硝酸根离子吸收液中，分别在放入后的0、1、2、4、6、8、10h时间阶段测定吸收液中
离子浓度，结束后立即剪取生菜根系并吸干表面水分，称重并记录；
以测定时间为横坐标，吸收液样品中
离子浓度为纵坐标，拟合各温度下生菜吸氮的动力学曲线方程，求解不同温度下生菜吸氮的动力学参数，确定生菜根系吸氮对外界温度变化的响应，从而制定调控策略。
进一步地，所述温度梯度为：14、17、20、23、26、29℃。
进一步地，所述吸收液中硝酸根离子浓度为4.8～5.2mmol/L的营养液；
优选的，所述吸收液中硝酸根离子浓度为5mmol/L的营养液。
进一步地，测定吸收液中
离子的浓度，采用/>
离子传感器测量吸收液中的
离子浓度。
进一步地，在生菜吸收动力学实验之前，还包括对生菜进行饥饿处理，具体为：在与生菜吸收动力学实验相同的温度梯度下，将生菜苗放入饥饿液中46～48h，每天光照11～12h，光照强度为180～200μmol/(m2·s)。
优选的，所述饥饿处理过程为，将生菜苗放入饥饿液中48h，每天光照12h，光照强度为200μmol/(m2·s)。
进一步地，所述饥饿液为0.2mmol/LCaSO4的溶液。
进一步地，所述生菜苗是按照如下方法培养得到的：将生菜种子用1％次氯酸钠消毒5min后，分散放置在纱布上，转移到盛有适量水的育苗盘中，并覆盖一层吸水纸，保持种子湿润，种子发芽后，去除吸水纸让幼苗自由生长，同时保证育苗盘中水超过根部，待幼苗展开第一对子叶，将育苗盘移至温室中培养架上给予光照，待生菜长出4叶一心，用海绵包裹幼苗根部，将生菜幼苗移栽至营养液中培养，每层培养架的光照强度为170～200μmol/(m2·s)，每日从早5点到晚9点光照16h，且培养过程中水泵以2000L/H的流量每隔20分钟循环2分钟。
进一步地，所述生菜吸收
离子的动力学曲线方程的表达式为：
Y＝aX2+bX+c (1)
对方程求一阶导数得到浓度变化速率方程：
Y'＝2aX+b (2)
其中，Y表示营养液中离子的浓度，X表示植物根系吸收离子的时间，Y'表示介质浓度的变化速率，a为二次项系数，b为一次项系数，c为常数项；
由于离子消耗曲线为开口向上且递减的二次曲线，所以当X＝0即Y'＝b时，介质浓度有最大变化速率，选择根系鲜重为度量单位，求得最大吸收速率Vmax，即
其中，V为养分吸收试验液体的原体积，RFW为根系鲜重；
吸收速率为
时溶液的离子浓度为米氏常数Km，令/>
解得/>
将X代入公式(1)求得：
为了增强对比性，选择用
来表示根系对养分离子的亲和力；当吸收速率为0时介质中离子的浓度为平衡浓度Cmin，即Y'＝0，求解X带入公式(1)求得：
流入速率公式为：
一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控系统，包括：
环境监测模块，包括二氧化碳传感器、光照度传感器、温度传感器和湿度传感器，用于监测环境数据，并发送；
营养液监测模块，包括PH传感器、EC传感器、
传感器和温度传感器，用于监测营养液的酸碱度、离子浓度、/>
离子浓度和温度，并发送；
控制模块，接收环境监测模块和营养液监测模块发送的数据，包括与环境监测模块和营养液监测模块传感器相对应的多个控制器，发送控制指令，其中，环境温度的控制根据生菜吸收动力学分析模型确定的最佳温度目标值，确定需要调控的温度数据；
环境执行模块，接收控制数据，以此对环境进行调整，包括与环境监测模块中传感器对应的执行设备，包括：CO2发生器、生长灯、压缩机、风扇、加湿器；
营养液执行模块，接收控制数据，以此对营养液环境进行调整，包括水泵；
所述生菜吸收动力学分析模型通过如下方式构建：
首先，根据环境温度参数，基于耗竭法进行生菜吸收动力学实验，在不同温度梯度下，将生菜放入一定浓度的硝酸根离子吸收液中，分别在0、1、2、4、6、8、10h时间阶段测定吸收液中
离子浓度，结束后立即剪取生菜根系并吸干表面水分，称重并记录；
其次，以测定时间为横坐标，吸收液样品中
离子浓度为纵坐标，拟合各温度下生菜吸氮的动力学曲线方程，求解不同温度下生菜吸氮的动力学参数，选择流入速率值最大的温度作为最佳温度。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法及系统，本发明基于耗竭法，根据不同温度下的硝酸根离子吸收的动力学参数，探讨了温度对动力学参数的影响，选择生菜生长的最佳温度，以指导温度调节。本发明采用结合Michaelis-Menten酶促反应动力学方程，探究温度对于方程参数最大吸收速率Vmax、米式常数Km、平衡浓度Cmin的影响，以获取生菜最佳生长温度。本发明为水培系统环境调控、及进一步对离子调控进行研究提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明实施例中基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控系统示意图；
图2为本发明实施例中的不同温度下的Vmax的曲线图；
图3为本发明实施例中的不同温度下的Am的曲线图；
图4为本发明实施例中的不同温度下的Cmin的曲线图；
图5为本发明实施例中不同温度下
的流入速率曲线图。
具体实施方式
在本发明的描述中，应当说明的是，在本发明的实施例中所提到的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，并不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
实施例1、生菜的培养
将生菜种子用1％次氯酸钠消毒5min后，分散放置在纱布上，转移到盛有适量水的育苗盘中，并覆盖一层吸水纸，保持种子湿润，种子发芽后，去除吸水纸让幼苗自由生长，同时保证育苗盘中水超过根部，待幼苗展开第一对子叶，将育苗盘移至温室中培养架上给予光照，待生菜长出4叶一心，用海绵包裹幼苗根部，将生菜幼苗移栽至营养液中培养，每层培养架的光照强度为170～200μmol/(m2·s)，每日从早5点到晚9点光照16h，且培养过程中水泵以2000L/H的流量每隔20分钟循环2分钟。
过程中所用培养液选自欧马新农公司的无土栽培固态肥，溶于水后按1：300比例配置，用0.1mol/L的NaOH和H2SO4调节pH至6.2-6.6。
实施例2、饥饿处理
分别在温度为14、17、20、23、26、29℃下，将生菜苗放入0.2mmol/L CaSO4溶液中48h，将，每天光照11～12h，光照强度为180～200μmol/(m2·s)。
优选的，所述饥饿处理过程为，将生菜苗放入饥饿液中48h，每天光照12h，光照强度为200μmol/(m2·s)。
实施例3、基于耗竭法的生菜吸收动力学实验
分别在14、17、20、23、26、29℃的温度梯度下，湿度恒定为65％，将生菜放入硝酸根离子浓度为5mmol/L的营养液中，分别在放入后的0、1、2、4、6、8、10h时间阶段，采用
离子传感器测定吸收液中/>
离子浓度，结束后立即剪取生菜根系并吸干表面水分，称重并记录；
以测定时间为横坐标，吸收液样品中
离子浓度为纵坐标，拟合各温度下生菜吸氮的动力学曲线方程，求解不同温度下生菜吸氮的动力学参数，确定生菜根系吸氮对外界温度变化的响应，从而制定调控策略。
本实施例中的吸收液采用的市售欧马新农公司的无土栽培固态肥进行配置，通过
离子传感器进行测量，确保吸收液中硝酸根离子浓度为5mmol/L。
本实施例得到的生菜吸收
离子的动力学曲线方程的表达式为：
Y＝aX2+bX+c (1)
对方程求一阶导数得到浓度变化速率方程：
Y'＝2aX+b (2)
其中，Y表示营养液中离子的浓度，X表示植物根系吸收离子的时间，Y'表示介质浓度的变化速率，a为二次项系数，b为一次项系数，c为常数项；
由于离子消耗曲线为开口向上且递减的二次曲线，所以当X＝0即Y'＝b时，介质浓度有最大变化速率，选择根系鲜重为度量单位，求得最大吸收速率Vmax，即
其中，V为养分吸收试验液体的原体积，RFW为根系鲜重；
吸收速率为
时溶液的离子浓度为米氏常数Km，令/>
解得/>
将X代入公式(1)求得：
为了增强对比性，选择用
来表示根系对养分离子的亲和力；当吸收速率为0时介质中离子的浓度为平衡浓度Cmin，即Y'＝0，求解X带入公式(1)求得：
流入速率公式为：
实施例4、如图1所示，基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控系统，包括：
环境监测模块，包括二氧化碳传感器、光照度传感器、温度传感器和湿度传感器，用于监测环境数据，并发送；
营养液监测模块，包括PH传感器、EC传感器、
传感器和温度传感器，用于监测营养液的酸碱度、离子浓度、/>
离子浓度和温度，并发送；
控制模块，接收环境监测模块和营养液监测模块发送的数据，包括与环境监测模块和营养液监测模块传感器相对应的多个控制器，发送控制指令，其中，环境温度的控制根据生菜吸收动力学分析模型确定的最佳温度目标值，确定需要调控的温度数据；
环境执行模块，接收控制数据，以此对环境进行调整，包括与环境监测模块中传感器对应的执行设备，包括：CO2发生器、生长灯、压缩机、风扇、加湿器；
营养液执行模块，接收控制数据，以此对营养液环境进行调整，包括水泵；
所述生菜吸收动力学分析模型通过如下方式构建：
首先，根据环境温度参数，基于耗竭法进行生菜吸收动力学实验，在不同温度梯度下，将生菜放入一定浓度的硝酸根离子吸收液中，分别在0、1、2、4、6、8、10h时间阶段测定吸收液中
离子浓度，结束后立即剪取生菜根系并吸干表面水分，称重并记录；
其次，以测定时间为横坐标，吸收液样品中
离子浓度为纵坐标，拟合各温度下生菜吸氮的动力学曲线方程，求解不同温度下生菜吸氮的动力学参数，选择流入速率值最大的温度作为最佳温度。
结果与分析
对不同温度下的数据拟合结果如表1所示，生菜根对硝酸盐离子的吸收在不同温度下的非线性相关度均在0.95以上，且均显著相关，表明用Michaelis-Menten方程描述生菜根系对
离子的吸收方面准确可靠，吸收动力学参数能较好的反映生菜根系氮素吸收的实际情况。
表1
温度对Vmax的影响
Vmax值表示当根中所有转运位点达到饱和时，或当这些运输工具的转换达到最大值时，对离子的吸收量最大。如图2所示，从14℃到29℃，29℃时，生菜根系的Vmax均值最大，为6.9656μmol·g-1·h-1，是20℃温度下Vmax的4.2倍，23℃时的Vmax为6.6144μmol·g-1·h-1，结果与29℃处理接近。因此，生菜根部在29℃时会有更多的氮素吸收点，或者这些转运体在质膜中的转化率提高了。然而，不同温度下的Vmax值没有统计学差异。
温度对Am的影响
Am表示根细胞膜对离子的亲和力，值越大，更易于吸收离子。如图3所示，生菜根系的Am在不同温度下变化明显，随着温度从14℃上升到29℃，Am总体呈上升趋势，这表明，生菜对硝酸盐离子的亲和力逐渐增强，因此在溶液中吸收硝酸盐离子的效率更高(de Paula等，2018)。Am与温度之间存在显著的非线性关系(y＝0.001x2-0.017x+0.347,R2＝0.93*)。此外，不同温度下的Am值有明显的统计差异。
温度对Cmin的影响
Cmin值表示植物开始吸收某一离子的离子最低浓度，其值越低说明根系对培养基中该离子的浓度要求越低，种植潜力越大。如图4所示，生菜根系的Cmin在29℃时最低，为2.0597mmol·L-1。在这个温度下，生菜的根系对硝酸盐离子的吸收能力最强。从实用的角度来看，这意味着在低营养供应条件下有更大的栽培潜力。这可以帮助优化生菜的生长条件，提高生产效率，降低成本，并最大限度地减少地下水污染。一般来说，Cmin随着温度的升高而降低，Cmin与温度之间存在明显的线性关系(y＝-0.136x+6.165,R2＝0.81*)。同样，与Am相比，不同温度下的Cmin值也有明显的统计差异。
不同温度下
的流入率
如图5所示，在23、26和29℃下，当溶液中硝酸盐离子浓度较低(<3mmol/L)时，生菜以更线性的方式吸收硝酸盐离子，表明可能存在高亲和力运输系统(HATS)和低亲和力运输系统(LATS)的表现。这是因为相应温度下的Am值更高，与其他温度处理相比，23℃和29℃的流入率明显更高，说明生菜的生长能力更强。
本发明基于耗竭法，确定了不同环境温度条件下生菜根系对硝酸盐离子吸收的动力学参数，以选择生菜生长的最佳温度。最终确定最佳温度为23℃和29℃，在该温度下生菜的动力学参数优于其他温度。
的吸收在23、26和29℃下呈现出两相吸收模式，这表明存在着低亲和力和高亲和力的吸收运输系统。同时，温度与吸收动力学参数Vmax和Cmin呈明显的线性相关，与Am呈明显的非线性相关。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本发明领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法，其特征在于，基于耗竭法进行生菜吸收动力学实验，分别在不同的温度梯度下，将生菜放入一定浓度的硝酸根离子吸收液中，分别在放入后的0、1、2、4、6、8、10h时间阶段测定吸收液中
离子浓度，结束后立即剪取生菜根系并吸干表面水分，称重并记录；
以测定时间为横坐标，吸收液样品中
离子浓度为纵坐标，拟合各温度下生菜吸氮的动力学曲线方程，求解不同温度下生菜吸氮的动力学参数，确定生菜根系吸氮对外界温度变化的响应，从而制定调控策略。
2.根据权利要求1所述的基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法，其特征在于，所述温度梯度为：14、17、20、23、26、29℃。
3.根据权利要求2所述的基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法，其特征在于，所述吸收液中硝酸根离子浓度为4.8～5.2mmol/L的营养液；
优选的，所述吸收液中硝酸根离子浓度为5mmol/L的营养液。
4.根据权利要求1所述的基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法，其特征在于，测定吸收液中
离子的浓度，采用/>
离子传感器测量吸收液中的/>
离子浓度。
5.根据权利要求1所述的基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法，其特征在于，在生菜吸收动力学实验之前，还包括对生菜进行饥饿处理，具体为：在与生菜吸收动力学实验相同的温度梯度下，将生菜苗放入饥饿液中46～48h，每天光照11～12h，光照强度为180～200μmol/(m2·s)。
优选的，所述饥饿处理过程为，将生菜苗放入饥饿液中48h，每天光照12h，光照强度为200μmol/(m2·s)。
6.根据权利要求5所述的基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法，其特征在于，所述饥饿液为0.2mmol/LCaSO4的溶液。
7.根据权利要求1所述的基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法，其特征在于，所述生菜苗是按照如下方法培养得到的：将生菜种子用1％次氯酸钠消毒5min后，分散放置在纱布上，转移到盛有适量水的育苗盘中，并覆盖一层吸水纸，保持种子湿润，种子发芽后，去除吸水纸让幼苗自由生长，同时保证育苗盘中水超过根部，待幼苗展开第一对子叶，将育苗盘移至温室中培养架上给予光照，待生菜长出4叶一心，用海绵包裹幼苗根部，将生菜幼苗移栽至营养液中培养，每层培养架的光照强度为170～200μmol/(m2·s)，每日从早5点到晚9点光照16h，且培养过程中水泵以2000L/H的流量每隔20分钟循环2分钟。
8.根据权利要求1所述的基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法，其特征在于，所述生菜吸收
离子的动力学曲线方程的表达式为：
Y＝aX2+bX+c (1)
对方程求一阶导数得到浓度变化速率方程：
Y'＝2aX+b (2)
其中，Y表示营养液中离子的浓度，X表示植物根系吸收离子的时间，Y'表示介质浓度的变化速率，a为二次项系数，b为一次项系数，c为常数项；
由于离子消耗曲线为开口向上且递减的二次曲线，所以当X＝0即Y'＝b时，介质浓度有最大变化速率，选择根系鲜重为度量单位，求得最大吸收速率Vmax，即
其中，V为养分吸收试验液体的原体积，RFW为根系鲜重；
吸收速率为
时溶液的离子浓度为米氏常数Km，令/>
解得/>
将X代入公式(1)求得：
为了增强对比性，选择用
来表示根系对养分离子的亲和力；当吸收速率为0时介质中离子的浓度为平衡浓度Cmin，即Y'＝0，求解X带入公式(1)求得：
流入速率公式为：
9.一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控系统，其特征在于，包括：
环境监测模块，包括二氧化碳传感器、光照度传感器、温度传感器和湿度传感器，用于监测环境数据，并发送；
营养液监测模块，包括PH传感器、EC传感器、
传感器和温度传感器，用于监测营养液的酸碱度、离子浓度、/>
离子浓度和温度，并发送；
控制模块，接收环境监测模块和营养液监测模块发送的数据，包括与环境监测模块和营养液监测模块传感器相对应的多个控制器，发送控制指令，其中，环境温度的控制根据生菜吸收动力学分析模型确定的最佳温度目标值，确定需要调控的温度数据；
环境执行模块，接收控制数据，以此对环境进行调整，包括与环境监测模块中传感器对应的执行设备，包括：CO2发生器、生长灯、压缩机、风扇、加湿器；
营养液执行模块，接收控制数据，以此对营养液环境进行调整，包括水泵；
所述生菜吸收动力学分析模型通过如下方式构建：
首先，根据环境温度参数，基于耗竭法进行生菜吸收动力学实验，在不同温度梯度下，将生菜放入一定浓度的硝酸根离子吸收液中，分别在0、1、2、4、6、8、10h时间阶段测定吸收液中
离子浓度，结束后立即剪取生菜根系并吸干表面水分，称重并记录；
其次，以测定时间为横坐标，吸收液样品中
离子浓度为纵坐标，拟合各温度下生菜吸氮的动力学曲线方程，求解不同温度下生菜吸氮的动力学参数，选择流入速率值最大的温度作为最佳温度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310560383.7A CN116338109A (zh) | 2023-05-18 | 2023-05-18 | 一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310560383.7A CN116338109A (zh) | 2023-05-18 | 2023-05-18 | 一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116338109A true CN116338109A (zh) | 2023-06-27 |
Family
ID=86882603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310560383.7A Pending CN116338109A (zh) | 2023-05-18 | 2023-05-18 | 一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116338109A (zh) |
-
2023
- 2023-05-18 CN CN202310560383.7A patent/CN116338109A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kläring et al. | Model-based control of CO2 concentration in greenhouses at ambient levels increases cucumber yield | |
| Kläring | Strategies to control water and nutrient supplies to greenhouse crops. A review | |
| El‐Sharkawy et al. | Potential photosynthesis of cassava as affected by growth conditions | |
| CN201015317Y (zh) | 一种植物工厂 | |
| CN111642262A (zh) | 一种控制植物生长的方法 | |
| CN105993876A (zh) | 蔬菜穴盘育苗基质以及育苗方法 | |
| Ergashovich et al. | Some Characteristics Of Transpiration Of Promising Soybean’s Varieties | |
| WO2020013283A1 (ja) | 養液栽培システム | |
| CN112544422A (zh) | 一种促进谷类作物一年4-5熟的植物工厂种植方法 | |
| Dresbøll | Effect of growing media composition, compaction and periods of anoxia on the quality and keeping quality of potted roses (Rosa sp.) | |
| CN108713485A (zh) | 一种提高植物工厂内叶菜类蔬菜Vc含量的方法 | |
| CN113625806B (zh) | 面向碳中和需求的效率最优温室植物调控方法 | |
| Azad et al. | Growth and development of komatsuna (Brassica rapaL. Nothovar) in NFT (nutrient film technique) system, as influenced by natural mineral | |
| CN110024679A (zh) | 一种营养液循环控制利用系统及调控方法 | |
| Choi et al. | Analysis of the changes in medium moisture content according to a crop irrigation strategy and the medium properties for precise moisture content control in rock wool | |
| KR102163281B1 (ko) | 주야간 온도 조절에 의한 토마토 플러그묘의 도장 억제 방법 | |
| CN116338109A (zh) | 一种基于吸收动力学方程的生菜生长环境调控方法及系统 | |
| van Iersel et al. | Nutrient solution concentration affects whole-plant CO2 exchange and growth of subirrigated pansy | |
| CN110476633A (zh) | 一种褪黑素提高干旱胁迫下北美冬青光合能力的研究方法 | |
| CN109618592A (zh) | 一种筛选低积累有毒重金属的水稻品种的方法 | |
| Ferrarezi et al. | Plant growth response of subirrigated salvia'Vista Red'to increasing water levels at two substrates | |
| Martinez et al. | Growth and physiological response of tomato plants to different periods of nitrogen starvation and recovery | |
| Li et al. | Effects of deficit irrigation and planting modes on leaves' water physiological characteristics and grain yield of winter wheat | |
| Hartanto et al. | Automatic hydroponic nutrient mixing for hydroponic NFT and fertigation | |
| CN111955187B (zh) | 利用相互嫁接体定量分析植物气孔关闭与根部基因型关系的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |