崔世鋼 陳 苗 張永立 等 基于 LED 光源水培生菜最佳光配方的篩選 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 48 16 152 155 doi 10 15889 j issn 1002 1302 2020 16 028 基于 LED 光源水培生菜最佳光配方的篩選 崔世鋼 陳 苗 張永立 何 林 吳興利 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市信息傳感與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300222 摘要 隨著 LED 光源在植物工廠的廣泛應(yīng)用 研究培養(yǎng)植物的光環(huán)境參數(shù)顯得尤為重要 以芭拉里娜生菜為試 驗(yàn)材料 采用光照度梯度試驗(yàn)和均勻性仿真的方法 研究在植物工廠中培養(yǎng)芭拉里娜生菜的最佳光配方 研究結(jié)果表 明 芭拉里娜生菜的最佳光配方是矩陣式排列的 LED 光源距離生菜 26 cm 幼苗期以紅藍(lán)光比例為 7 1 的復(fù)合光進(jìn) 行照射 生長(zhǎng)期以紅藍(lán)光比例為 6 1 的復(fù)合光進(jìn)行培養(yǎng) 光照度為 400 mol m 2 s 光照時(shí)間均為 12 h d 關(guān)鍵詞 光配方 LED 光源 矩陣式排列 均勻性 水培生菜 中圖分類號(hào) S636 204 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 1302 2020 16 0152 04 收稿日期 2019 08 07 基金項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 編號(hào) 2017YFB0403904 作者簡(jiǎn)介 崔世鋼 1963 年 男 天津人 博士 教授 主要從事機(jī) 器人控制 人工智能研究 E mail cuisg 163 com 通信作者 陳 苗 碩士研究生 主要從事智能控制研究 E mail 954315190 qq com 近年來 植物工廠作為一種能夠完全實(shí)現(xiàn)人工 控制 不受自然光照等條件限制的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方 式 成為廣大研究人員的新寵兒 光照是農(nóng)作物能 量的來源 是植物光合作用 生長(zhǎng)發(fā)育 形態(tài)建成以 及物質(zhì)消耗等多方面的必要條件之一 眾多學(xué)者 針對(duì)植物的影響因素如光質(zhì) 光照時(shí)間等開展了相 關(guān)研 究 但是基于植物工廠發(fā)光二極管 light emitting diode 簡(jiǎn)稱 LED 光源對(duì)水培生菜的光配方 尚未見報(bào)道 生菜在我國(guó)不少地區(qū)均有栽培 葉片脆嫩 營(yíng) 養(yǎng)價(jià)值高 并有保健功能 是發(fā)展前景較好的蔬 菜 1 光配方是由飛利浦公司提出的一個(gè)概念 即 在某種生長(zhǎng)環(huán)境下 某種作物的某個(gè)生長(zhǎng)階段所需 的光照條件 2 光配方包含 3 個(gè)方面 1 光照度 光照均勻性 光質(zhì) 光照時(shí)間和 LED 光源放置位置 2 基于光配方條件下的其他環(huán)境參數(shù) 如溫度 濕 度等 3 其他效果 如節(jié)能效果 LED 是一種具有 PN 結(jié)的發(fā)光二極管 它憑借 耗能低 控制簡(jiǎn)單 使用時(shí)間長(zhǎng) 小巧輕便等諸多優(yōu) 點(diǎn) 已經(jīng)在植物工廠中得到了廣泛的應(yīng)用 光照度 E 是指物體光照接收面在單位面積 S 內(nèi)所接收到的光通量大小 計(jì)算方法如公式 1 所示 在 LED 人工光源下 光照度隨電源電壓 的調(diào)節(jié)而變化 該值可由光分度計(jì)進(jìn)行測(cè)試 E S 1 光照均勻度 U 0 指的是在一定的照射面積內(nèi) 光照接收面光照度最小值 E min 與所有光照度平均 值 E av 的比值 計(jì)算方法如公式 2 所示 光照均 勻度的值為 0 1 數(shù)值越接近于 1 生菜接收的光 線越均勻 整體生長(zhǎng)情況越好 U 0 E min E av 2 生菜培育分為 3 個(gè)階段 分別是播種期 幼苗期 和生長(zhǎng)期 培養(yǎng)周期約 90 d 播種期不需要光照處 理 幼苗期調(diào)配紅藍(lán)光比例為 7 1 的復(fù)合光 生長(zhǎng) 期調(diào)配紅藍(lán)光比例為 6 1 的復(fù)合光 3 幼苗期 生 長(zhǎng)期光照時(shí)間均在 12 h 為宜 通常將 LED 光源等 間距放置 光源的排布方式也將影響生菜接收光照 的均勻性 本試驗(yàn)針對(duì) LED 光源的不同光照度和 排布方式進(jìn)行研究 1 光照度梯度試驗(yàn) 1 1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)材料為 2018 年 9 月 1 日播種于天津職業(yè) 技術(shù)師范大學(xué)植物工廠重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水培植物生長(zhǎng) 架 2018 年 9 月 10 日出芽的芭拉里娜生菜幼苗 1 2 試驗(yàn)環(huán)境 LED 光源選取市場(chǎng)上常用的深圳慧盈生態(tài)科 技有限公司合鳴 LED 植物燈 環(huán)境溫度為 20 濕度為 70 80 光照時(shí)間為 12 h d LED 光源 距離生菜 26 cm 251 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 16 期 1 3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 為明確不同光照度對(duì)芭拉里娜生菜生長(zhǎng)的影 響 隨機(jī)選取 32 株芭拉里娜生菜幼苗 以每 8 株為 1 組分別放置在 4 組光強(qiáng)條件下 光照度分別設(shè)置 為 200 300 400 500 mol m 2 s 每天記載其株高 葉長(zhǎng) 葉寬和鮮質(zhì)量 培養(yǎng) 至 90 d 時(shí) 生菜成熟 1 4 結(jié)果與分析 培養(yǎng)至 90 d 時(shí)的生菜生長(zhǎng)情況見表 1 生菜株 高見圖 1 生菜葉長(zhǎng)見圖 2 生菜葉寬見圖 3 從表 1 可以看出 不同光照度條件下的生菜生 長(zhǎng)情況差異明顯 在植物形態(tài)方面 每組的生菜葉 片均嫩綠且飽滿 但在 500 mol m 2 s 光照培養(yǎng) 條件下的生菜葉片數(shù)量明顯少于前 3 組 在干物質(zhì) 積累方面 以培養(yǎng)至 90 d 時(shí)生菜鮮質(zhì)量為依據(jù) 400 mol m 2 s 光照度下的生菜生物量積累得 最多 比 200 mol m 2 s 培養(yǎng)條件下增產(chǎn) 62 比 300 mol m 2 s 光照條件下增產(chǎn) 50 比 500 mol m 2 s 光照處理下增產(chǎn) 233 試驗(yàn) 結(jié)果表明 400 mol m 2 s 的光照度更適合水培 生菜生長(zhǎng) 從圖 1 圖 2 圖 3 可以看出 隨著光照培養(yǎng)時(shí)間 的增加 芭拉里娜生菜的株高 葉長(zhǎng) 葉寬都呈現(xiàn)出 表 1 不同光照度條件下的生菜生長(zhǎng)情況 光照度 mol m 2 s 生菜鮮質(zhì)量 g 生菜生長(zhǎng)狀況 200 185 300 200 400 300 500 90 351 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 16 期 上升的趨勢(shì) 表明本次光照度梯度試驗(yàn)設(shè)置較為合 理 在不同生長(zhǎng)指標(biāo)中 各組處理生菜生長(zhǎng)情況均表 現(xiàn)為 400 mol m 2 s 處理組 300 mol m 2 s 處理組 200 mol m 2 s 處理組 500 mol m 2 s 處理組 試驗(yàn)結(jié)果表明 當(dāng)光照度設(shè)置在 400 mol m 2 s 以下時(shí) 逐步增加光照度可以促 進(jìn)生菜的生長(zhǎng) 當(dāng)光照度達(dá)到 400 mol m 2 s 時(shí) 再增加光照度則抑制生菜的生長(zhǎng) 原因可能是 由于高光照度的燈板產(chǎn)生的熱量高 導(dǎo)致植物缺 水 試驗(yàn)結(jié)果表明 400 mol m 2 s 的光照度更 適合水培生菜的生長(zhǎng) 2 光照均勻度仿真試驗(yàn) 2 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 通常 LED 光源的排布有矩陣式 三角形和圓形 排列 為了探究何種排列方式的 LED 光源光照均 勻性更好 基于 TracePro 軟件光學(xué)仿真和 Matlab 軟 件三維構(gòu)圖 對(duì)比分析 3 種布局方法的優(yōu)劣 2 1 1 基于 TracePro 軟件試驗(yàn)方法 在 TracePro 光學(xué)仿真環(huán)境下 選取 16 顆相同的 LED 燈珠依次 以矩陣式 三角形式和圓形式排列 間距設(shè)置為 4 cm 光源距離生菜 26 cm 植物工廠重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的其 他環(huán)境參數(shù)設(shè)置完畢后 運(yùn)行軟件導(dǎo)出仿真圖 2 1 2 基于 Matlab 軟件試驗(yàn)方法 基于 Matlab 軟 件 以采集的光照度數(shù)據(jù)構(gòu)建三維立體圖 試驗(yàn)步 驟是將 LED 光源間距 4 cm 依次以矩陣式 三角形 式 圓形式的排布方式固定在燈架上 光源距離坐 標(biāo)紙 26 cm 坐標(biāo)紙規(guī)格為 100 cm 100 cm 由 1 cm 1 cm 的小方格組成 準(zhǔn)備就緒后 用光照度傳 感器依次測(cè)量每個(gè)小方格處的光照度 最終匯總數(shù) 據(jù)形成三維圖 2 2 結(jié)果與分析 2 2 1 基于 TracePro 軟件的仿真結(jié)果與分析 從 圖 4 圖 5 圖 6 可以看出 3 種排列方式均顯示出光 照接收面中間區(qū)域較明亮 四周逐漸變暗的光照分 布特點(diǎn) 其中 LED 光源矩陣式排布的整體亮度明 顯優(yōu)于三角形式 圓形式排布 考量光照均勻度的 指標(biāo)是光照度均勻性 由仿真結(jié)果可知 矩陣式的 光照均勻性為 80 2 圖 4 三角形式的光照均勻 性為 70 50 圖 5 圓形式的光照均勻性為 78 5 圖 6 由此可知 在 TracePro 光學(xué)仿真軟件下 矩 陣式的 LED 光源排列方式為最佳排列方式 2 2 2 基于 Matlab仿真結(jié)果與分析 構(gòu)建的三維 451 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 16 期 立體圖中 不同顏色代表光照接收面的光照度不 同 若鄰近區(qū)域顏色越接近或者波峰位置平面面 積越大 說明其接收到的光照度相差較小 均勻性 較高 圖 7 圖 8 和圖 9 的中間區(qū)域均呈現(xiàn)出紅色 暗紅色 橙色等相近顏色 圖 7 圖 9 中間區(qū)域相近 顏色多于圖 8 比較圖 7 圖 9 在波峰位置均具有 一定的平面面積 圖 7 中的平面面積明顯多于圖 9 表明基于實(shí)測(cè)光照度數(shù)據(jù)下 矩陣式排列方式為最 佳排列方式 3 討論與結(jié)論 培養(yǎng)植物的光環(huán)境參數(shù)主要由光源 光照度 光照均勻性 光質(zhì) 光照時(shí)間等組成 眾多學(xué)者針 對(duì)其中的部分因素開展了研究 李東星等指出 采 用 16 h 連續(xù)光照的生菜生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)總體優(yōu)于采用 16 h 間歇光照的生菜生長(zhǎng)情況 4 丁娟娟探究了 LED 不同占空比對(duì)生菜生長(zhǎng) 產(chǎn)量 品質(zhì)及光合特 性的影響 5 光照度和植物接收光的均勻性同樣 也是組成芭拉里娜生菜光配方不可或缺的部分 本研究通過對(duì)光照度設(shè)置梯度試驗(yàn) 結(jié)果表 明 在 400 mol m 2 s 的光照度下生菜的生長(zhǎng)情 況明顯優(yōu)于其他 3 種光照度 TracePro 軟件 Matlab 軟件的仿真結(jié)果表明 相對(duì)于三角形式和圓形式排 布 矩陣式 LED 光源排布方式的均勻性最高 本試 驗(yàn)結(jié)果表明 適合植物工廠條件下芭拉里娜生菜的 最佳光配方是環(huán)境溫度為 20 濕度為 70 80 矩陣式排列的 LED 光源距離生菜 26 cm 幼苗 期以紅藍(lán)光比例為 7 1 的復(fù)合光進(jìn)行照射 生長(zhǎng)期 以紅藍(lán)光比例為 6 1 的復(fù)合光進(jìn)行培養(yǎng) 光照度為 400 mol m 2 s 光照時(shí)間均為 12 h d 該光配方可作為植物工廠大規(guī)模培育芭拉里 娜生菜的通用方案 也可以為其他品種生菜的培養(yǎng) 提供參考依據(jù) 對(duì)于推進(jìn)植物工廠生菜培養(yǎng) 具有 一定的實(shí)際意義 在今后的研究中 可以考慮將光 照度梯度設(shè)置小一些 使試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確 參考文獻(xiàn) 1 方舒玲 胡笑濤 冉 輝 等 光強(qiáng)和營(yíng)養(yǎng)液對(duì)水培生菜光合特性 和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響 J 北方園藝 2018 11 15 21 2 劉文科 劉義飛 LED 智能植物工廠光配方構(gòu)建與應(yīng)用 J 中 國(guó)照明電器 2017 10 1 3 3 王海鷗 李廣安 認(rèn)識(shí)照明 LED J 中國(guó)照明電器 2004 2 2 4 4 李東星 商守海 周增產(chǎn) 等 植物工廠不同光源和光照方式對(duì)生 菜生長(zhǎng)的影響 J 長(zhǎng)江蔬菜 2012 24 50 52 5 丁娟娟 LED 不同占空比對(duì)生菜生長(zhǎng) 產(chǎn)量 品質(zhì)及光合特性的 影響 D 楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué) 2014 551 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020 年第 48 卷第 16 期