植物工厂水培生菜LED红蓝光供给模式优化研究
以发光二极管（Light-emittingdiode，LED）作为光源的植物工厂是未来设施园艺发展的必然趋势。目前，人工光植物工厂存在的主要问题有：初期建设成本过高，能耗较大（人工光源的电能消耗为主），供光模式较单一，经济效益不显著等。由于建设成本难以降低，因此，降低能耗，提高作物的产量和品质是人工光植物工厂生产所追求的目标。对于人工光植物工厂而言，人工光源的性能以及供光模式是影响作物生产和经济效益的主要因素。通过研究作物在不同生长阶段和不同时段最适的“光配方”，根据作物实际生长周期按需供光，不仅在控制能耗方面有着重要意义，而且在提升作物产量和品质等方面具有显著影响。本研究基于红蓝光对植物生长发育的重要作用，提出在人工光植物工厂中创新供光模式，优化生育期供光模式和日供光模式，研究其对水培生菜产量及其品质的影响，探索在相等能耗下红蓝光的最优供光策略，为植物工厂的系统能效提升及未来植物工厂的广泛应用提供科学的理论支撑。主要研究内容与结论如下： （1）在红蓝光比例4∶1，光周期18/6h的条件下，以恒定供光模式（CK，200μmol·m-2·s-1）为对照，在生菜生长前期、中期和后期研究了五种动态供光模式（L1处理，前期、中期、后期光强设置为100、100和400μmol·m-2·s-1；L2处理，前期、中期、后期光强设置为100、150和350μmol·m-2·s-1；L3处理，前期、中期、后期光强设置为100、200和300μmol·m-2·s-1；L4处理，前期、中期、后期光强设置为100、250和250μmol·m-2·s-1；L5处理，前期、中期、后期光强设置为100、300和200μmol·m-2·s-1）对水培生菜生长、营养品质和抗氧化系统的影响。结果表明：生长前期，低光强处理显著降低了生物量和抗氧化物质含量；生长中期，随光强升高，抗氧化物质含量显著得到提高，活性氧含量也得到显著提升；生长后期：L1处理在满足生菜产量的同时显著提高了可溶性糖、可溶性蛋白、淀粉、抗坏血酸（Ascorbicacid，AsA）、总酚和类黄酮的含量且植株抗氧化能力达到最高水平。相同能耗条件下，在保证生菜生长前期和中期正常生长前提下适当降低光强，在生长后期适当增加光强能够显著提高生菜营养品质和抗氧化能力。 （2）在光强为240μmol·m-2·s-1，光周期18/6h的条件下，以恒定供光模式（RB，4R∶1B）为对照，在生菜生长前期、中期和后期研究了三种动态供光模式（RB1处理，前期、中期、后期光质设置为3R∶1B、4R∶1B和5R∶1B；RB2处理，前期、中期、后期光质设置为5R∶1B、4R∶1B和3R∶1B；RB3处理，前期、中期、后期光质设置为4R∶1B、3R∶1B和5R∶1B）对水培生菜生长和品质的影响。结果表明：在相同DLI条件下，生育期红蓝光质比例变化对各生长阶段生菜的生物量无影响；生长前期，RB2处理促进了生菜营养物质（尤其是抗氧化物质）的积累；生长中期，红蓝光质比例波动的处理不同程度的降低了可溶性糖、总酚、类黄酮和AsA的含量；生长后期，红蓝光质比例波动的处理显著降低了可溶性糖、可溶性蛋白、总酚和类黄酮的含量。综合来看，生育期内红蓝光质比例恒定供光模式优于红蓝光质比例波动的供光模式，更有利于生菜品质的提高。 （3）在日累积光量（Dailylightintegral，DLI）相同条件下，研究了在红蓝光比例4∶1，18/6h光周期内，恒定光照（NL，200μmol·m-2·s-1）与3种动态光照（M1处理:光强先升高后降低；M2处理:强弱光交替；M3处理:光强先降低后升高）在生菜生长前期、中期和后期，对生菜生长和品质的影响。结果表明：生长前期，3种动态光照处理显著提高了可溶性糖、类黄酮以及AsA含量，降低了硝酸盐含量；生长中期，相比NL处理，M1处理显著提高了总酚、类黄酮及AsA含量；生长后期，M1处理显著提高了可溶性糖、可溶性蛋白及AsA含量，M3处理的总酚和类黄酮含量达到最高。综合来看，在相同DLI条件下，相比于恒定光照，动态光更有利于促进生菜营养物质及抗氧化物质的累积。 （4）在光强240μmol·m-2·s-1，光周期18/6h条件下，将18h光期均分为3段，分别用T1、T2和T3表示，每段设置不同的光质处理，以恒定光照（RB，4R∶1B）为对照，研究了三种动态光照（RB1处理，T1、T2和T3光质设置为3R∶1B、4R∶1B和5R∶1B；RB2处理，T1、T2和T3光质设置为5R∶1B、4R∶1B和3R∶1B；RB3处理，T1、T2和T3光质设置为4R∶1B、3R∶1B和5R∶1B）对生菜生长和品质的影响。结果表明：在相同DLI条件下，RB1处理对生菜生物量有一定提高，光周期内红蓝光质比例恒定供光模式有利于营养物质（可溶性糖、淀粉）的累积，光周期内红蓝光比例波动供光模式有利于抗氧化物质（总酚、类黄酮）的累积。
人工光植物工厂;水培生菜;发光二极管;红蓝光供给;最优供光策略
中国农业科学院
硕士
农业工程与信息技术
刘文科
2022
中文
S62
2023-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）