光照时间对无土栽培油麦菜生长的影响

2021-04-01朱栋铭邱娴蔡心怡朱昌瑞朱子旭吴泓均

宁波工程学院学报 2021年1期

朱栋铭，邱娴，蔡心怡，朱昌瑞，朱子旭，吴泓均

（宁波工程学院材料与化学工程学院,浙江宁波315211）

0 引言

植物工厂是通过高精度环境系统控制实现农作物合适生长环境的农业系统，但其生产过程与设备成本极高，尚无法推广至平民大众，其中尤以种植过程中的水、电消耗量最大，因此如何降低生产成本将成为这一行业最大获利关键[1-6]。无土栽培技术可分为气雾培(Aeroponics)、深水流(DFT)及营养液薄膜(NFT)等方式，气雾培技术使用喷头加压方式将营养液及水分破碎为气雾状，并附着于植物根部表面，可促进根部吸收效率，但其装置昂贵，需要不断循环，断电时容易造成植物根部缺水死亡。深液流技术为营养液的液层较深(2~10 cm)，植物根部大部分浸泡于营养液中，虽然可使根部不易缺水而坏死，但缺点是根部因长时间浸泡于营养液中容易缺氧腐烂，需要使营养液保持循环流动，增加营养液的含氧量、减少根部表面有害的代谢物质。营养液膜技术，是将植物根部部分浸泡于营养液中，液层较浅(5~10 mm)，根部大部分暴露于湿气中，缺点为其根部容易受环境温度影响而造成产量下降，优点为根部可充分得到氧气，且设备价格较低[7]。

植物生长光源是目前植物工厂技术中最为核心的技术，包括LED灯、高压钠灯、白炽灯、荧光灯等，其光源波段范围为400 nm至720 nm，主要吸收光波段为蓝光400~500 nm、红光600~700 nm及部分的近红外光源700~720 nm，在栽培过程中，需要依照植物需求调整其光强度与光照时间[8]。可由光源光谱图上换算其光强度值，常用红(R)、蓝光(B)强度比例可为R/B=1/4-1/6，适合生殖生长期开化结果的植物，营养生长期植物可用R/B=2/1光源进行照射，整体植物生长过程的光照时间可设定为8～24 hr，依照不同植物品种与生长时期需求而定，光强度值的演算方法可使用积分球直接测出光源功率，并在积分区间内计算出不同波长的范围内的辐射总功率，推算至LED灯珠的计算法，可用Ra数值作为R/B比[9]。光源强度均匀性是植物工厂中标准化量产的重要参数，如均匀性太低，将无法生产一致性的农产品，以灯具而言，需要安装反光镜或透镜的方式进行匀光设计，进而达到高均匀性(>90%)的光强度分布。光强度均匀性是将光强度照射至植物冠层上的范围内，取其分布点各点的光强度平均值，并与最高强度值比对，得到百分比的均匀值，与室内照明光照射强度单位Lux不同，植物光源照射强度以光合光子通量密度(PPFD)作为表示，是根据植物在光合作用有效光源波段范围内的能量单位光合辐射照度作为计算基础，植物生长所需要的最低光源强度为光补偿点(Light Compensation Point)，植物照射光源强度应保持在光补偿点之上[10-18]。本实验改变光源照射时间，进行栽培成本分析，以期达到优化最佳结果，同时作为植物工厂营运参考，可降低生产成本。

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验采用立体多层式无土栽培设备与营养液膜技术进行油麦菜栽培，如图1(a)所示，整台设备尺寸为120 cm×50 cm×150 cm(长×宽×高)，共有3层种植层，每层各自配置7根T8 LED 60W的条形灯光源，每层包含4条栽培槽，每条栽培槽上设计11个种植孔，种植孔间距为10 cm，每层可种植44株植物，整台设备可同时种植132株植物，使用蛇型连通方式进行营养液供给，营养液进口(In)与出口(Out)在同一侧，如图1(b)所示，营养液供给时间、供给量、EC值、pH值、环境温湿度、LED光源照射时间为可控制条件，营养液使用市面上容易取得的通用水溶液肥(NPK20-20-20)，LED光源照射强度均匀性为93%(测量高度为25 cm)，是以每10 cm种植孔为间距，作为光强度量测点，光谱图如图2所示，其光强度比例红蓝为4∶1，可观察出由蓝光至红光，波长为400 nm~700 nm。

图1 多层式无土栽培设备图：(a)立体多层式无土栽培设备；(b)营养液供给连通系统

图2 LED光谱图

1.2 试验方法

首先将种子泡于60℃温水中半小时，泡完温水的种子放置在潮湿环境中等待发芽，待种子发芽至一芯两叶后，移植至岩棉中，并放置在水槽内保持岩棉潮湿，等待长出根系长度5 cm后放置于植物生长机中。EC值控制在1 200～1 400μs·cm-1，pH值控制在6.0～6.8范围，环境温度控制在白天24℃及夜晚18℃,湿度控制在60～80 RH%。油麦菜分为育苗周期与生长周期二个阶段，育苗周期本文不讨论，以移植到无土栽培设备上的生长周期种植情况做分析。生长周期的光照射时间参数为8 hr/16 hr(on/off)、12 hr/12 hr(on/off)、及8 hr/16 hr(on/off)三种，以此三种光照时间作为油麦菜生长过程分析的实验参数。

2 结果与讨论

2.1 不同光照时间的生长对比分析

表1 为油麦菜在生长周期23天内所作的不同光照时间纪录数据，以下的8 hr/16 hr(on/off)、12 hr/12 hr(on/off)及16 hr/8 hr(on/off)作为光照时间参数，各自以8 hr、12 hr、及16 hr作为表示。以每台机器种植数量132株来计算，观察结果包含累计鲜重、生长速率及累计耗电量成本的纪录。经由累计每天油麦菜增加的鲜重数据，可观察油麦菜生长曲线；生长速率则是观察不同天数油麦菜鲜重的增加情况。最后根据耗累计耗电数据来计算整体油麦菜的种植成本，累计耗电量是以整体设备与系统所消耗的电量来做合计。其参数可深入探讨耗电量与种植鲜重之间的关系，并取得优化的种植参数，耗电量成本是以每台耗电量在132株植物基准上做的计算。

表1 油麦菜采收数据

2.2 各种生物量指标对比分析

图3 为油麦菜在生长周期第8天时所拍摄的照片，由右至左分别为光照时间8 hr、12 hr及16 hr三种参数所种植出来的结果，可以判断，16 hr的油麦菜大小明显要比其他的种植结果好，经由营养液膜(NFT)哉培出来的根系也明显比土培植物健康[19]。图4为不同生长周期天数时的累计鲜重曲线图，在比对三种光照时间参数8 hr、12 hr、及16 hr，可以观察到16 hr曲线的累计鲜重为最大，可与图3照片观察结果相呼应，整体来看，三个时间参数的累计鲜重皆是随时间增加而成长。从实验中可得知生长周期21天时，最大鲜重为16 hr的118 g，以12 hr参数而言，累计鲜重达到118 g时为23天。图5为不同生长周期天数时的生长速率曲线图，与累计鲜重曲线类似，皆是以正成长方式进行生长；但在生长周期第21天时可以观察到，其生长速率开始下降，虽然是以正成长进行，但其生长速率减慢，逐渐达到顶峰并下降。三种光照时间参数皆在第21天生长周期时开始下降，可以初步认定油麦菜在生长周期第21天时，其生长速率开始减缓。图6为不同光照射时间的生长周期在(a)8 hr/16 hr(on/off)、(b)12 hr/12 hr（on/off）及（c）16 hr/8 hr（on/off）的累计耗电量成本与累计鲜重的曲线图。有图线可知，累计鲜重<20g时，三种光照时间参数的累计耗电量并无太大差异性，在累计鲜重20~40 g范围内，图6(a)中8 hr的累计耗电成本为最低，图6(b)中可观察出12 hr参数的累计耗电量成本虽然略高于图6(c)中16 hr的累计耗电量，在累计鲜重为40 g时，16 hr的耗电量成本明显高于12 hr与8 hr的耗电量成本。