李 斌，魏鑫鈺，陳 夕,2，趙俊宏，羅毅智，周星星

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，廣東 廣州 510640；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642)

【研究意義】光是影響植物生長(zhǎng)、發(fā)育、代謝及外部表型最為重要的一個(gè)因素［1-4］。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中，利用人工光源代替自然光對(duì)種苗進(jìn)行合理的補(bǔ)光操作，可有效提高果蔬的品質(zhì)、產(chǎn)量和效率、縮短種植周期。此外，光還影響種苗生長(zhǎng)過(guò)程中的光合速率和光合強(qiáng)度，同時(shí)也能作為信號(hào)傳播，影響其生長(zhǎng)發(fā)育表型特征和應(yīng)激反應(yīng)等。【前人研究進(jìn)展】季方等［5］利用補(bǔ)光系統(tǒng)對(duì)番茄種苗進(jìn)行補(bǔ)光，結(jié)合光能利用率和電能利用效率特點(diǎn)，分析不同紅藍(lán)光配比對(duì)番茄種苗表型形狀、壯苗指數(shù)、生物量和光合能力的影響，發(fā)現(xiàn)不同光配方和光強(qiáng)結(jié)合對(duì)種苗生長(zhǎng)有積極影響。廖自月等［6］通過(guò)設(shè)計(jì)不同梯度的光強(qiáng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，合適的光照模式有利于黃瓜嫁接苗的愈合生長(zhǎng)及幼苗質(zhì)量的提高。楊興有等［7］發(fā)現(xiàn)適度的光照可促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，反之，則對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的阻礙。植物受到光脅迫時(shí)，形態(tài)主要表現(xiàn)為株高過(guò)高、莖粗較細(xì)弱、節(jié)間長(zhǎng)、葉片脆薄細(xì)小、顏色較淺、組織柔嫩、根量少、根系不發(fā)達(dá)，整體外觀瘦弱高小，形成高腳苗［8］。綜上，只有給予適宜的光照強(qiáng)度才能促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量［9］。

人工光源型植物工廠是標(biāo)準(zhǔn)化高效育苗的重要途徑之一。光源能耗成本是育苗成本的最大組成部分，對(duì)工廠化育苗技術(shù)的推廣與應(yīng)用有著重要的影響［10］。傳統(tǒng)的補(bǔ)光儀器，如金屬鹵化物燈［11］、高壓鈉燈［12］和白熾燈［13］等雖可作為補(bǔ)光設(shè)備［14］，但該類設(shè)備光源波長(zhǎng)繁雜、能耗較高，無(wú)法對(duì)植株進(jìn)行針對(duì)性的光源補(bǔ)光，對(duì)植株生長(zhǎng)效益偏低，不適合長(zhǎng)期應(yīng)用。利用LED 補(bǔ)光具有環(huán)保節(jié)源、光譜靈活可調(diào)、集中高效補(bǔ)光等優(yōu)點(diǎn)［15］，可解決傳統(tǒng)光源光質(zhì)單一、光強(qiáng)不可調(diào)和波段冗雜等問(wèn)題［16］。LED 補(bǔ)光還具有產(chǎn)熱低的特點(diǎn)，可近距離為植物補(bǔ)光，提高空間利用率［17］，目前已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用［18］。在植物工廠中，人工光源能耗占植物工廠總能耗的60%～80%［19-20］，但其能量轉(zhuǎn)換效率僅為30%～40%［21］，其余能量以熱量或輻射的形式散失到室內(nèi)［22］。因此，如何提高發(fā)光效率與光能轉(zhuǎn)化、降低人工光能源損耗是植物工廠領(lǐng)域人工光應(yīng)用的重要課題之一［23］。

【本研究切入點(diǎn)】PWM 調(diào)光（Pulse-Width Modulation）又稱脈沖寬度調(diào)制調(diào)光，是一種通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖恒流源的脈沖寬度而調(diào)節(jié) LED 亮度的調(diào)光方法［24］，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)補(bǔ)光［25-27］。陳方園等［25］采用模糊控制算法設(shè)計(jì)了一種LED 植物補(bǔ)光照明系統(tǒng)，并通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整不同占空比的PWM 信號(hào)進(jìn)而調(diào)整光強(qiáng)度。賀斐斐等［26］根據(jù)專家系統(tǒng)和并行粒子群算法推算出最優(yōu)補(bǔ)光量以及補(bǔ)光位置，并通過(guò) PWM調(diào)節(jié)光照度。在控制模型方面，周靜［28］基于遺傳算法建立了生菜生長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，獲取了在不同溫度條件下不同生長(zhǎng)時(shí)間生菜最大干重所對(duì)應(yīng)的空間光量子通量密度（PPFD）目標(biāo)值。由于光源到補(bǔ)光作物的距離決定了作物的光照強(qiáng)度，且距離作物越近光照強(qiáng)度越強(qiáng)，但目前研究層高可調(diào)的種苗培育平臺(tái)文獻(xiàn)較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】針對(duì)上述植物工廠培育平臺(tái)層高固定、能耗高且難以匹配種苗生長(zhǎng)光需求等問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)一種基于 可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的層高可調(diào)種苗精準(zhǔn)光培育平臺(tái)，建立平臺(tái)光輻射源損耗模型，通過(guò)改變平臺(tái)輻射距離與光源運(yùn)行功率，從而達(dá)到提高光源利用率、降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)，為植物工廠的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 升降平臺(tái)搭建

根據(jù)種苗培育需求設(shè)計(jì)種苗精準(zhǔn)光培育平臺(tái)（圖1），其結(jié)構(gòu)主要包括架體、水肥一體化系統(tǒng)、升降系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中升降系統(tǒng)中光源和升降機(jī)構(gòu)之間采用剛性連接方式，實(shí)現(xiàn)光源與作物之間距離的自動(dòng)調(diào)節(jié)；升降系統(tǒng)主要通過(guò)控制步進(jìn)推桿電機(jī)（BJXL，24V30W，推力250 N，行程350 mm，常州路易推桿有限公司），改變平臺(tái)光源對(duì)種苗托盤(pán)的光輻射距離，以此調(diào)節(jié)光輻射強(qiáng)度與LED 燈板運(yùn)行功率，從而達(dá)到節(jié)能減耗目的；水肥一體化系統(tǒng)包括苗盤(pán)、水泵（YAH 24V30W，流量2.7 L/min，恒為達(dá)科技有限公司）、電磁閥、水肥管道和液位傳感器等，可通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水肥潮汐灌溉；控制系統(tǒng)可通過(guò)當(dāng)前種苗生長(zhǎng)高度與光需求設(shè)定升降高度參數(shù)與光強(qiáng)，也可通過(guò)選用內(nèi)部光輻射能耗模型計(jì)算平臺(tái)調(diào)控最優(yōu)調(diào)控高度，從而實(shí)現(xiàn)種苗光培育的精準(zhǔn)調(diào)控。

圖1 種苗精準(zhǔn)光培育平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of precise light cultivation platform for seedlings

在種苗生長(zhǎng)過(guò)程中，隨著種苗高度的增加，燈板的高度隨之增加，使兩者在整個(gè)過(guò)程中都保持相同距離。當(dāng)需要調(diào)整時(shí)，控制器3 將指令發(fā)送到步進(jìn)推桿1 和燈板6，分別控制燈板的高度和強(qiáng)度；當(dāng)步進(jìn)推桿1 接收到指令后，推桿伸長(zhǎng)，促使燈架5 沿著滑軌4 上升給定距離，從而調(diào)整距離。通過(guò)上述系統(tǒng)設(shè)定潮汐管理時(shí)間和容量，到點(diǎn)后自動(dòng)開(kāi)啟水泵往苗床注入水肥，到達(dá)指定容量時(shí)水泵關(guān)閉；待浸泡時(shí)間結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟電磁閥，將水肥回收進(jìn)入收集桶，待下一次使用。

1.2 燈珠優(yōu)化設(shè)計(jì)

為擴(kuò)大照射角度，增加受光平面的均勻性，在燈板上同一位置的三色LED燈源加入一透鏡（圖2A）。本試驗(yàn)主要探究燈架光源設(shè)備工作過(guò)程中的光量子通量密度與耗電量間的關(guān)系，基于光輻射高度、光源（燈板）占空比、光輻射距離與PPFD 之間函數(shù)關(guān)系，從而建立光輻射能耗模型。采用UPRtek PG200N 光譜儀測(cè)量PPFD 的空間分布。本試驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)托盤(pán)共進(jìn)行20 個(gè)點(diǎn)的PPFD 值測(cè)試，因中心光強(qiáng)與其他點(diǎn)位數(shù)值差異較大，本試驗(yàn)未將中心測(cè)試點(diǎn)的數(shù)值納入測(cè)量范圍，具體測(cè)試位置如圖2 所示。

圖2 LED 燈板與測(cè)試位置Fig.2 LED lamp board and testing position

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高種苗精準(zhǔn)培育平臺(tái)使用的穩(wěn)定性，采用PLC 開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)，主要由三菱PLC 控制模塊、HMI（Human Machine Interface）觸摸屏與智能網(wǎng)關(guān)等組成，可完成植物工廠內(nèi)部光輻射強(qiáng)度、光輻射距離、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)的收集、處理與上傳，并可根據(jù)育種目標(biāo)，利用現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程的方式對(duì)種苗生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)控，為育苗提供可靠穩(wěn)定的培育環(huán)境。種苗精準(zhǔn)光培育平臺(tái)控制系統(tǒng)，主要包括種苗生長(zhǎng)環(huán)境綜合調(diào)控系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)兩部分，具體分為信息感知層、控制決策層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層3 個(gè)控制層面（圖3）。

圖3 種苗精準(zhǔn)光培育平臺(tái)整體架構(gòu)Fig.3 Overall architecture of precise light cultivation platform for seedlings

其中，種苗生長(zhǎng)環(huán)境控制系統(tǒng)主要分為環(huán)境控制系統(tǒng)和光調(diào)控系統(tǒng)。環(huán)境控制系統(tǒng)包括環(huán)境溫度、濕度、氣體交換等；光調(diào)控系統(tǒng)包括光環(huán)境、光輻射距離和水肥潮汐灌溉系統(tǒng)等，具體硬件設(shè)計(jì)線路見(jiàn)圖4。

圖4 種苗精準(zhǔn)光培育平臺(tái)控制電路與控制邏輯Fig.4 Control circuit and control logic of precise light breeding platform for seedlings

1.4 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2022 年6 月至2023 年3 月在廣東省廣州市廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所人工氣候室內(nèi)進(jìn)行，本研究以‘津春5 號(hào)’黃瓜品種為試驗(yàn)對(duì)象。為防止周圍環(huán)境對(duì)幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生影響，將室內(nèi)溫度設(shè)定為26（±0.5）℃，濕度設(shè)定為75（±5）%，該環(huán)境條件滿足黃瓜幼苗三時(shí)期（子葉展平期、一葉一心期和兩葉一心期）正常生長(zhǎng)的所需環(huán)境。

營(yíng)養(yǎng)液參照霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液配方配制，幼苗三時(shí)期均使用2 倍濃度營(yíng)養(yǎng)液，通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)獲得幼苗出芽至兩葉一心期的營(yíng)養(yǎng)液蒸發(fā)量約為5 g/d。全程利用滴灌進(jìn)行澆灌營(yíng)養(yǎng)液，出芽至兩葉一心期每隔2 d 滴灌1 次，滴灌量為10 mL，營(yíng)養(yǎng)液pH 為5.5～6.5。

基于植物工廠種苗培育邊界條件（不低于種苗生長(zhǎng)最大株高），預(yù)試驗(yàn)得出幼苗三時(shí)期的最優(yōu)升降高度分別為3、6 和8 cm（對(duì)應(yīng)實(shí)際高度H為19、22 和24 cm）；將預(yù)試驗(yàn)得出的幼苗三時(shí)期光照強(qiáng)度控制方案：1 20、150 和120 μmol/m2·s 作為y值PPFD 輸入，以幼苗三時(shí)期恒光恒高處理為對(duì)照（CK）。

1.5 指標(biāo)測(cè)量方法

1.5.1 株高和莖粗測(cè)量 利用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量株高（根基部到莖頂端生長(zhǎng)點(diǎn)的自然高度）和莖粗（根基部距畦面約1 cm 處的直徑）［29］；

1.5.2 葉面積和葉周長(zhǎng)測(cè)量 采用實(shí)驗(yàn)室已有的結(jié)構(gòu)光三維點(diǎn)云采集機(jī)器人對(duì)黃瓜葉片進(jìn)行動(dòng)態(tài)三維點(diǎn)云參數(shù)（子葉與真葉）的無(wú)損采集，獲得葉片葉面積與葉周長(zhǎng)。

1.5.3 干鮮質(zhì)量及壯苗指數(shù) 將幼 苗進(jìn)行清洗擦拭，從根基部剪斷，采用高精準(zhǔn)度電子天平（千分之一）稱量地上部和地下部鮮質(zhì)量；隨后將幼苗放入烘箱105 ℃殺青15 min，70 ℃烘干至恒重，測(cè)定地上部和地下部干質(zhì)量［30］。壯苗指數(shù)（Healthy Index，HI）是判斷種苗健康程度的一項(xiàng)重要指標(biāo)［31］，可分為鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，計(jì)算公式如下：

HI（鮮）=（莖粗/株高+地下部鮮質(zhì)量/地上部鮮質(zhì)量）× 全株鮮質(zhì)量

HI（干）=（莖粗/株高+地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量）× 全株干質(zhì)量

1.6 光輻射能耗模型與PPFD 精度評(píng)價(jià)方法

采用光輻射高度、光源占空比與光輻射距離作為多元線性回歸函數(shù)的自變量，設(shè)b0為函數(shù)修正常數(shù)，b1、b2、b3為回歸系數(shù)，y為P PFD 輸出，建立的光輻射能耗模型如下：

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3

采用SPSS 軟件利用多元線性回歸方法分析數(shù)據(jù)并構(gòu)建函數(shù)。本試驗(yàn)有3 輸入1 輸出，其中2 個(gè)輸入是5 水平因素變量和1 個(gè)輸入是20 水平因素，共500 個(gè)水平組合輸出量。

PPFD 精度表示本設(shè)計(jì)升降平臺(tái)計(jì)劃輸出PPFD 與實(shí)際PPFD 之間的差異，通過(guò)計(jì)算相對(duì)誤差δ比較可得，誤差越小可表示平臺(tái)輸出PPFD精度越高，其計(jì)算方式如下所示：

式中，L為實(shí)際測(cè)量PPFD，L0為預(yù)測(cè)值PPFD。

2 結(jié)果與分析

2.1 燈板光強(qiáng)空間分布

將優(yōu)化后的LED 燈板與原LED 燈板在同等高度下滿功率運(yùn)行狀態(tài)的PPFD 分布進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5A 所示。由圖5A 可知，同等高度下，優(yōu)化后燈板的PPFD 極差控制在50 μmol/m2·s 范圍內(nèi)，原燈板極差最大可達(dá)80～90 μmol/m2·s。由此可見(jiàn)，優(yōu)化后的LED 燈板均勻性顯著高于原燈板。

圖5 PPFD 光強(qiáng)分布圖Fig.5 PPFD distribution of light intensity

設(shè)計(jì)平臺(tái)升降高度與燈板運(yùn)行功率性能正交試驗(yàn)，升降高度每次5 cm，從0 cm 開(kāi)始共進(jìn)5 次平臺(tái)上升操作，平臺(tái)默認(rèn)步進(jìn)推桿下限為最低高度，即為H=16cm，每次升降后的高度分別為21、26、31、36 和41 cm。每次升降高度后分別測(cè)量該高度下燈板運(yùn)行占空比為20、40、60、80、100 時(shí)，培育平臺(tái)上20 個(gè)受光點(diǎn)位的光輻射強(qiáng)度如圖5B 所示。隨著培育平臺(tái)的高度變化，平面接受到光強(qiáng)分布也會(huì)發(fā)生改變，且隨燈板高度下降，平面PPFD 極差減小。當(dāng)燈板滿功率運(yùn)行時(shí)，距幼苗距離最近（距離幼苗培養(yǎng)缽5 cm，距離平面16 cm）時(shí)，測(cè)量到的中心光量子通量密度可達(dá)300 μmol/m2·s。從圖5B 上可以看出，各高度對(duì)應(yīng)的平均光強(qiáng)分別為241.4、207.9、179.5、155.1 和135.8 μmol/m2·s，且每升高5 cm，其平均光照強(qiáng)度下降33.5、28.4、24.4 和19.3 μmol/m2·s。

2.2 平臺(tái)光輻射能耗模型

本平臺(tái)光輻射能耗模型為3 輸入1 輸出的多元回歸關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)得到同一個(gè)測(cè)量點(diǎn)PPFD隨不同占空比和升降高度的分布情況（圖6）可以看出，隨著占空比升高，最小高度與最大高度對(duì)應(yīng)的PPFD 差值逐漸增大，說(shuō)明占空比越大時(shí)，升降高度對(duì)光強(qiáng)的影響越顯著。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，5 個(gè)不同占空比下PPFD 的分布曲線R2均大于0.985，說(shuō)明同一測(cè)量點(diǎn)位下，PPFD 與光輻射距離、光源占空比與平臺(tái)高度之間存在著明顯的線性關(guān)系，因此，選擇SPSS 的多元線性回歸方法進(jìn)行數(shù)值擬合，得到因變量系數(shù)b0、b1、b2、b3分析結(jié)果（表1）。

表1 因變量系數(shù)分析結(jié)果T able 1 Analysis results of de pendent variable coefficient

圖6 不同占空比和升降高度下燈板PPFD 的分布情況Fig.6 Distribution of PPFD under different duty cycle and lifting height of lamp board

由表1 中的回歸系數(shù)b可知，x1系數(shù)為1.663，對(duì)PPFD 起促進(jìn)作用；x2系數(shù)為-3.525，對(duì)PPFD 起抑制作用。而測(cè)量點(diǎn)位置x3的顯著性為0.719＞0.05，表明不同測(cè)量點(diǎn)在同一x2、x1時(shí)對(duì)PPFD 影響不顯著，因此PPFD 輸出（y）公式可表示為：

y=74.943+1.663x1-3.525x2+0.066x3，其中平臺(tái)實(shí)際高度H=x2+16。

2.3 平臺(tái)光輻射能耗模型驗(yàn)證

通過(guò)函數(shù)比較預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值之間的相對(duì)誤差（表2）。由表2 可知，隨測(cè)試點(diǎn)位逐漸靠近內(nèi)部時(shí)，相對(duì)誤差越小，符合LED 燈珠分布特性的向內(nèi)疊加趨勢(shì)變化。數(shù)據(jù)相對(duì)誤差為±10%，預(yù)測(cè)效果良好。以傳統(tǒng)植物工廠光培育的平臺(tái)高度H=35 cm［32］（x2=19 cm）、測(cè)試點(diǎn)位11（中心點(diǎn)為誤差較小）為例，同一燈板下此高度最大光強(qiáng)為175 μmol/m2·s，運(yùn)行功率為80 W。當(dāng)平臺(tái)降至最低高度H=16 cm（x2=0 cm）達(dá)到相同光強(qiáng)時(shí)，運(yùn)行功率為47.48 W，降低了40.65%，有效地降低了平臺(tái)運(yùn)行功率，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

表2 不同試驗(yàn)組別誤差統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of error in different tests

2.4 栽培試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)光強(qiáng)需求階梯節(jié)能調(diào)控策略設(shè)置的試驗(yàn)組（T1）與對(duì)照組（CK）幼苗在相同時(shí)間下達(dá)到兩葉一心時(shí)期，測(cè)定2 組的生長(zhǎng)指標(biāo)，如株高、莖粗、葉面積、葉周長(zhǎng)、全株鮮質(zhì)量、全株干質(zhì)量、地上部鮮質(zhì)量、地上部干質(zhì)量（表3），并根據(jù)公式計(jì)算壯苗指數(shù)，分析兩種處理對(duì)生長(zhǎng)指標(biāo)的影響。得到T1 與CK 的HI(鮮)分別為0.891和0.911、HI(干)分別為0.043 和0.046。結(jié)果表明，T1 與CK 之間差異不顯著，均在誤差允許范圍內(nèi)，兩組的植株生長(zhǎng)狀況如圖7 所示。

表3 試驗(yàn)組與對(duì)照組的生長(zhǎng)指標(biāo)比較Table 3 Comparison of phenotypic indexes between experimental group and control group

圖7 不同光照條件下種苗的生長(zhǎng)狀況Fig.7 Growth status of seedlings under different light conditions

3 討論

本研究搭建了基于PLC 技術(shù)的可升降培育平臺(tái)，并采用多元線性回歸方式建立該平臺(tái)的光輻射能耗模型。結(jié)合光需求調(diào)控方案、升降式平臺(tái)與平臺(tái)光輻射能耗模型，制定節(jié)能光調(diào)控策略，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證策略的可行性。

由前期試驗(yàn)結(jié)論可知，黃瓜幼苗從出芽至子葉展平期（K1）、子葉展平期至一葉一心期（K2）與一葉一心期至兩葉一心期（K3）3 個(gè)時(shí)期的培育周期分別為4、6、6 d，從播種至出芽所需時(shí)間為3 d，培育總時(shí)長(zhǎng)共19 d，每天光輻射時(shí)長(zhǎng)為14 h。光輻射強(qiáng)度調(diào)控方案分別為120、150、120 μmol/m2·s。對(duì)照組選用的培育方案為恒光150 μmol/m2·s 培育16 d。根據(jù)人工光育苗邊界條件，本系統(tǒng)的光調(diào)控策略上升最優(yōu)高度分別為3、5、8 cm，對(duì)照組選擇的是植物工廠傳統(tǒng)恒高（H=35 cm，x2=19）光培育平臺(tái)，光輻射位置以點(diǎn)11 進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)光輻射能耗模型計(jì)算可得，K1 處理燈板功率損耗為26.42 W，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為56 h，總耗電量為1.48 kWh；K2 處理燈板功率損耗為44.24 W，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為184 h，總耗電量為3.72 kWh；K3 處理燈板功率損耗為34.90 W，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為84 h，總耗電量為2.93 kWh。調(diào)控策略組3個(gè)時(shí)期總耗電量為8.13 kWh，而對(duì)照組的燈板功率損耗為74.19 W，3 個(gè)時(shí)期總耗電量為16.62 kWh。

人工光型植物工廠可有效縮短育苗周期，提高種苗質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)種苗的標(biāo)準(zhǔn)化與工廠化生產(chǎn)，但因其建設(shè)成本高和耗電量大等問(wèn)題導(dǎo)致難以推廣普及［5］。降低人工光型植物工廠的用電成本就必須提高育苗系統(tǒng)的電能利用效率（Electric Energy Use Efficiency，EUE）和光能利用效率（Light Energy UseEfficiency，LUE）［33］。與CK 相比，本系統(tǒng)使用的黃瓜幼苗光強(qiáng)需求階梯節(jié)能調(diào)控策略的LED 光源耗電量分別降低了64.38%、40.31%和52.99%，總運(yùn)行成本降低了51.08%。但由于種苗各個(gè)時(shí)期培育時(shí)間與LED 運(yùn)行功率不同，因此，當(dāng)每個(gè)時(shí)期分別進(jìn)行耗電量評(píng)估時(shí)與總運(yùn)行耗電量存在一定的計(jì)算誤差。

4 結(jié)論

針對(duì)植物工廠培育平臺(tái)層高固定、能耗高且難以匹配種苗生長(zhǎng)光需求等問(wèn)題，本研究開(kāi)發(fā)了基于PLC 的種苗精準(zhǔn)光培育平臺(tái)及其控制系統(tǒng)，針對(duì)種苗生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中株高與光需求的變化進(jìn)行節(jié)能補(bǔ)光調(diào)控。試驗(yàn)表明，在相同光強(qiáng)處理下，通過(guò)對(duì)比種苗精準(zhǔn)光培育平臺(tái)與傳統(tǒng)層高固定平臺(tái)對(duì)比，幼苗表型參數(shù)與壯苗指數(shù)無(wú)顯著性差異，且該平臺(tái)可節(jié)省40.65%的電能損耗。因此，本平臺(tái)具有較高的實(shí)用性，有良好的推廣應(yīng)用前景。