自然光植物工厂多层立体栽培补光对生菜产量与品质的影响

发布时间：2020-07-10 06:20

【摘要】：人工光植物工厂因多层立体栽培,显著提高了生菜单位面积的产量,但是其建设、运行、维护成本高抑制了其发展,其中人工光源耗能最大,约占总耗电量的82%。针对该问题,本研究采用自然光和人工光相结合的方式,将多层立体栽培模式应用于自然光植物工厂中,既提高自然光植物工厂空间利用率,又解决了人工光植物工厂中补光灯能耗大的问题。本研究的主要内容是探究多层立体栽培植物工厂在自然光条件下的不同补光策略,分析在自然光和人工光结合的条件下对生菜产量和品质的影响,并计算不同补光策略的经济性。本试验在北京一自然光植物工厂内进行,采用两组完全相同的三层立体栽培架,每层间距为0.6 m,进行生菜种植试验。本研究主要内容与结论如下:(1)选择全年中典型节气作为研究时间,对典型气候条件下自然光型植物工厂内光照分布情况进行分析可知:夏季上、中、下层的光照日累积量平均分别为36.2、12.4、3.7 mol/(m~2·d);冬季分别为9.7、3、2.4 mol/(m~2·d);春秋季节上、中、下层的光照日累积量平均分别为17.7、8、4.7 mol/(m~2·d)和17.7、7.7、4.3 mol/(m~2·d)。根据生菜对光照需要其日累积量需满足6-12mol/(m~2·d),因此以冬季补光量最多的季节为例,中层需补光3-9 mol/(m~2·d)下层需补光3.6-9.6mol/(m~2·d)方可满足生菜正常生长的光照需求。(2)自然光植物工厂生菜多层立体栽培梯度补光对生菜产量和品质的影响。在自然光植物工厂对中、下层生菜补光强度的初步探究中发现,中层补光3 mol/(m~2·d)和6 mol/(m~2·d)较中层自然光照下的生菜产量分别提高了66.4%和72.0%,补光处理间差异不显著。下层补光6 mol/(m~2·d)和9 mol/(m~2·d)较下层自然光照下的生菜产量分别提高了77.6%和79.5%,补光处理间差异不显著。因此,栽培架中、下层建议补光强度分别为3、6 mol/(m~2·d)补光方案最优,其单位面积产量是传统温室的3.2倍。(3)自然光植物工厂内多层立体栽培不同光质补光对紫叶生菜产量和品质的影响。在对自然光植物工厂内下层紫叶生菜进行全光谱和红蓝光补光试验中发现,R/B=9:1处理下的紫叶生菜具有可溶糖含量高和花青素含量高的优势。因此R/B=9:1处理下所得到的紫叶生菜品质更优。(4)补光经济效益分析,本研究设计的植物工厂在保证较高生菜品质的同时其单位面积产量是传统温室的3.2倍,通过控制补光强度、使用湿帘风机系统等措施将运行成本降为人工光植物工厂的19.4%,即节能了80.6%,其中补光灯的能源消耗较人工光植物工厂每平米每天可节约3 kw·h/m~2。体现出了自然光植物工厂立体栽培巨大的成本优势和产量优势。综上所述,冬季自然光植物工厂内多层立体栽培条件下,考虑到生菜生长所需的光照强度选择最优补光方式即中层补光3 mol/(m~2·d),下层补光6 mol/(m~2·d)进行红蓝光栽培绿叶和紫叶生菜,在增加产量的同时可提高生菜的品质,特别是显著提高了紫叶生菜花青素含量。且整体运行成本较植物工厂节能80.6%,其中补光灯的能源消耗较人工光植物工厂每平米每天可节约3kw·h/m~2。
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S636.2;S626
【图文】：

技术路线图,技术路线

技术路线

情况,光强变化

图 2- 1 栽培面布点情况Fig. 2-1 Condition of planting surface cloth2.2 结果与分析2.2.1 栽培面的东西和南北方向上全天光强变化情况

变化情况图,变化情况,变化表,光照强度

图 2- 2 栽培面的不同层东、西方向太阳辐射全天变化情况（（a）上层，（b）中层，（c）下层）Fig. 2-2 Diurnal variation of eastern and Western solar radiation in different layers of cultivation surface ((a) upper laye(b) middle layer, (c) lower layer)分别在上、中、下三层选取位置相同的三个点，代表南侧、中间、北侧，用手持式 LI-1500对 6:00-18:00 时段太阳辐射进行测量。栽培面的不同层南、北方向太阳辐射全天变化情况如图 2-所示。由图 2-3 可以看出，上层栽培面上南北方向的光照强度变化表现为从 6:00 到 18:00 先逐渐

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