朱棟銘，邱嫻，蔡心怡，朱昌瑞，朱子旭，吳泓均

（寧波工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院,浙江 寧波315211）

0 引言

植物工廠是通過高精度環(huán)境系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物合適生長(zhǎng)環(huán)境的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，但其生產(chǎn)過程與設(shè)備成本極高，尚無法推廣至平民大眾，其中尤以種植過程中的水、電消耗量最大，因此如何降低生產(chǎn)成本將成為這一行業(yè)最大獲利關(guān)鍵[1-6]。無土栽培技術(shù)可分為氣霧培(Aeroponics)、深水流(DFT)及營(yíng)養(yǎng)液薄膜(NFT)等方式，氣霧培技術(shù)使用噴頭加壓方式將營(yíng)養(yǎng)液及水分破碎為氣霧狀，并附著于植物根部表面，可促進(jìn)根部吸收效率，但其裝置昂貴，需要不斷循環(huán)，斷電時(shí)容易造成植物根部缺水死亡。深液流技術(shù)為營(yíng)養(yǎng)液的液層較深(2~10 cm)，植物根部大部分浸泡于營(yíng)養(yǎng)液中，雖然可使根部不易缺水而壞死，但缺點(diǎn)是根部因長(zhǎng)時(shí)間浸泡于營(yíng)養(yǎng)液中容易缺氧腐爛，需要使?fàn)I養(yǎng)液保持循環(huán)流動(dòng)，增加營(yíng)養(yǎng)液的含氧量、減少根部表面有害的代謝物質(zhì)。營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)，是將植物根部部分浸泡于營(yíng)養(yǎng)液中，液層較淺(5~10 mm)，根部大部分暴露于濕氣中，缺點(diǎn)為其根部容易受環(huán)境溫度影響而造成產(chǎn)量下降，優(yōu)點(diǎn)為根部可充分得到氧氣，且設(shè)備價(jià)格較低[7]。

植物生長(zhǎng)光源是目前植物工廠技術(shù)中最為核心的技術(shù)，包括LED燈、高壓鈉燈、白熾燈、熒光燈等，其光源波段范圍為400 nm至720 nm，主要吸收光波段為藍(lán)光400~500 nm、紅光600~700 nm及部分的近紅外光源700~720 nm，在栽培過程中，需要依照植物需求調(diào)整其光強(qiáng)度與光照時(shí)間[8]?？捎晒庠垂庾V圖上換算其光強(qiáng)度值，常用紅(R)、藍(lán)光(B)強(qiáng)度比例可為R/B=1/4-1/6，適合生殖生長(zhǎng)期開化結(jié)果的植物，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期植物可用R/B=2/1光源進(jìn)行照射，整體植物生長(zhǎng)過程的光照時(shí)間可設(shè)定為8～24 hr，依照不同植物品種與生長(zhǎng)時(shí)期需求而定，光強(qiáng)度值的演算方法可使用積分球直接測(cè)出光源功率，并在積分區(qū)間內(nèi)計(jì)算出不同波長(zhǎng)的范圍內(nèi)的輻射總功率，推算至LED燈珠的計(jì)算法，可用Ra數(shù)值作為R/B比[9]。光源強(qiáng)度均勻性是植物工廠中標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)的重要參數(shù)，如均勻性太低，將無法生產(chǎn)一致性的農(nóng)產(chǎn)品，以燈具而言，需要安裝反光鏡或透鏡的方式進(jìn)行勻光設(shè)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到高均勻性(>90%)的光強(qiáng)度分布。光強(qiáng)度均勻性是將光強(qiáng)度照射至植物冠層上的范圍內(nèi)，取其分布點(diǎn)各點(diǎn)的光強(qiáng)度平均值，并與最高強(qiáng)度值比對(duì)，得到百分比的均勻值，與室內(nèi)照明光照射強(qiáng)度單位Lux不同，植物光源照射強(qiáng)度以光合光子通量密度(PPFD)作為表示，是根據(jù)植物在光合作用有效光源波段范圍內(nèi)的能量單位光合輻射照度作為計(jì)算基礎(chǔ)，植物生長(zhǎng)所需要的最低光源強(qiáng)度為光補(bǔ)償點(diǎn)(Light Compensation Point)，植物照射光源強(qiáng)度應(yīng)保持在光補(bǔ)償點(diǎn)之上[10-18]。本實(shí)驗(yàn)改變光源照射時(shí)間，進(jìn)行栽培成本分析，以期達(dá)到優(yōu)化最佳結(jié)果，同時(shí)作為植物工廠營(yíng)運(yùn)參考，可降低生產(chǎn)成本。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用立體多層式無土栽培設(shè)備與營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)進(jìn)行油麥菜栽培，如圖1(a)所示，整臺(tái)設(shè)備尺寸為120 cm×50 cm×150 cm(長(zhǎng)×寬×高)，共有3層種植層，每層各自配置7根T8 LED 60W的條形燈光源，每層包含4條栽培槽，每條栽培槽上設(shè)計(jì)11個(gè)種植孔，種植孔間距為10 cm，每層可種植44株植物，整臺(tái)設(shè)備可同時(shí)種植132株植物，使用蛇型連通方式進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液供給，營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)口(In)與出口(Out)在同一側(cè)，如圖1(b)所示，營(yíng)養(yǎng)液供給時(shí)間、供給量、EC值、pH值、環(huán)境溫濕度、LED光源照射時(shí)間為可控制條件，營(yíng)養(yǎng)液使用市面上容易取得的通用水溶液肥(NPK20-20-20)，LED光源照射強(qiáng)度均勻性為93%(測(cè)量高度為25 cm)，是以每10 cm種植孔為間距，作為光強(qiáng)度量測(cè)點(diǎn)，光譜圖如圖2所示，其光強(qiáng)度比例紅藍(lán)為4∶1，可觀察出由藍(lán)光至紅光，波長(zhǎng)為400 nm~700 nm。

圖1 多層式無土栽培設(shè)備圖：(a)立體多層式無土栽培設(shè)備；(b)營(yíng)養(yǎng)液供給連通系統(tǒng)

圖2 LED光譜圖

1.2 試驗(yàn)方法

首先將種子泡于60℃溫水中半小時(shí)，泡完溫水的種子放置在潮濕環(huán)境中等待發(fā)芽，待種子發(fā)芽至一芯兩葉后，移植至巖棉中，并放置在水槽內(nèi)保持巖棉潮濕，等待長(zhǎng)出根系長(zhǎng)度5 cm后放置于植物生長(zhǎng)機(jī)中。EC值控制在1 200～1 400μs·cm-1，pH值控制在6.0～6.8范圍，環(huán)境溫度控制在白天24℃及夜晚18℃,濕度控制在60～80 RH%。油麥菜分為育苗周期與生長(zhǎng)周期二個(gè)階段，育苗周期本文不討論，以移植到無土栽培設(shè)備上的生長(zhǎng)周期種植情況做分析。生長(zhǎng)周期的光照射時(shí)間參數(shù)為8 hr/16 hr(on/off)、12 hr/12 hr(on/off)、及8 hr/16 hr(on/off)三種，以此三種光照時(shí)間作為油麥菜生長(zhǎng)過程分析的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同光照時(shí)間的生長(zhǎng)對(duì)比分析

表1 為油麥菜在生長(zhǎng)周期23天內(nèi)所作的不同光照時(shí)間紀(jì)錄數(shù)據(jù)，以下的8 hr/16 hr(on/off)、12 hr/12 hr(on/off)及16 hr/8 hr(on/off)作為光照時(shí)間參數(shù)，各自以8 hr、12 hr、及16 hr作為表示。以每臺(tái)機(jī)器種植數(shù)量132株來計(jì)算，觀察結(jié)果包含累計(jì)鮮重、生長(zhǎng)速率及累計(jì)耗電量成本的紀(jì)錄。經(jīng)由累計(jì)每天油麥菜增加的鮮重?cái)?shù)據(jù)，可觀察油麥菜生長(zhǎng)曲線；生長(zhǎng)速率則是觀察不同天數(shù)油麥菜鮮重的增加情況。最后根據(jù)耗累計(jì)耗電數(shù)據(jù)來計(jì)算整體油麥菜的種植成本，累計(jì)耗電量是以整體設(shè)備與系統(tǒng)所消耗的電量來做合計(jì)。其參數(shù)可深入探討耗電量與種植鮮重之間的關(guān)系，并取得優(yōu)化的種植參數(shù)，耗電量成本是以每臺(tái)耗電量在132株植物基準(zhǔn)上做的計(jì)算。

表1 油麥菜采收數(shù)據(jù)

2.2 各種生物量指標(biāo)對(duì)比分析

圖3 為油麥菜在生長(zhǎng)周期第8天時(shí)所拍攝的照片，由右至左分別為光照時(shí)間8 hr、12 hr及16 hr三種參數(shù)所種植出來的結(jié)果，可以判斷，16 hr的油麥菜大小明顯要比其他的種植結(jié)果好，經(jīng)由營(yíng)養(yǎng)液膜(NFT)哉培出來的根系也明顯比土培植物健康[19]。圖4為不同生長(zhǎng)周期天數(shù)時(shí)的累計(jì)鮮重曲線圖，在比對(duì)三種光照時(shí)間參數(shù)8 hr、12 hr、及16 hr，可以觀察到16 hr曲線的累計(jì)鮮重為最大，可與圖3照片觀察結(jié)果相呼應(yīng)，整體來看，三個(gè)時(shí)間參數(shù)的累計(jì)鮮重皆是隨時(shí)間增加而成長(zhǎng)。從實(shí)驗(yàn)中可得知生長(zhǎng)周期21天時(shí)，最大鮮重為16 hr的118 g，以12 hr參數(shù)而言，累計(jì)鮮重達(dá)到118 g時(shí)為23天。圖5為不同生長(zhǎng)周期天數(shù)時(shí)的生長(zhǎng)速率曲線圖，與累計(jì)鮮重曲線類似，皆是以正成長(zhǎng)方式進(jìn)行生長(zhǎng)；但在生長(zhǎng)周期第21天時(shí)可以觀察到，其生長(zhǎng)速率開始下降，雖然是以正成長(zhǎng)進(jìn)行，但其生長(zhǎng)速率減慢，逐漸達(dá)到頂峰并下降。三種光照時(shí)間參數(shù)皆在第21天生長(zhǎng)周期時(shí)開始下降，可以初步認(rèn)定油麥菜在生長(zhǎng)周期第21天時(shí)，其生長(zhǎng)速率開始減緩。圖6為不同光照射時(shí)間的生長(zhǎng)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）的累計(jì)耗電量成本與累計(jì)鮮重的曲線圖。有圖線可知，累計(jì)鮮重<20g時(shí)，三種光照時(shí)間參數(shù)的累計(jì)耗電量并無太大差異性，在累計(jì)鮮重20~40 g范圍內(nèi)，圖6(a)中8 hr的累計(jì)耗電成本為最低，圖6(b)中可觀察出12 hr參數(shù)的累計(jì)耗電量成本雖然略高于圖6(c)中16 hr的累計(jì)耗電量，在累計(jì)鮮重為40 g時(shí)，16 hr的耗電量成本明顯高于12 hr與8 hr的耗電量成本。

圖3 油麥菜在不同時(shí)期時(shí)的生長(zhǎng)狀況圖

圖4 不同生長(zhǎng)周期天數(shù)與累計(jì)鮮重的曲線圖

圖5 不同生長(zhǎng)周期天數(shù)與生長(zhǎng)速率的曲線圖

圖6 累計(jì)耗電量成本與累計(jì)鮮重的曲線圖：(a)8 hr/16 hr(on/off)；(b)12 hr/12 hr(on/off)及(c)16 hr/8 hr(on/off)為不同光照射時(shí)間的生長(zhǎng)周期

3 結(jié)論

基于不同光照時(shí)間參數(shù)進(jìn)行油麥菜無土栽培種植實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行光照時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究結(jié)果表明：

（1）在生長(zhǎng)周期21天時(shí)，在光照時(shí)間為16 hr時(shí)最大鮮重為118 g；對(duì)12 hr參數(shù)而言，累計(jì)鮮重達(dá)到118 g時(shí)生長(zhǎng)周期為23天。

（2）在不同光照時(shí)間下累計(jì)鮮重為40 g時(shí)，16 hr的耗電量成本明顯高于12 hr與8 hr的耗電量成本。

（3）在不同生長(zhǎng)周期下考查生長(zhǎng)速率，可得知以生長(zhǎng)周期21天做為分界點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)可判斷其栽培成本進(jìn)行參數(shù)選擇，作為未來植物工廠種植參數(shù)的使用參考。