生菜光抑制及光诱导特性对红蓝闪烁激光响应机制
项目来源国家自然科学基金(NSFC)
项目主持人李琨
项目受资助机构中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所
项目编号31701969
立项年度2017
立项时间未公开
项目级别国家级
研究期限未知 / 未知
受资助金额23.00万元
学科生命科学-园艺学与植物营养学-茶学
学科代码C-C15-C1508
基金类别青年科学基金项目
关键词节能 ; 植物工厂 ; 莴苣 ; 闪光 ; 激光 ; Lettuce ; Plant factory ; Flashlight ; Laser ; Energy saving
参与者巫国栋；王君；张玉琪；刘焕
参与机构中国农业科学院蔬菜花卉研究所
项目标书摘要：光源能耗是人工光栽培的重要限制因子。申请人前期研究发现红、蓝扫描激光束(闪光)能够以极低的能耗实现生菜人工光栽培，节能效果明显。但红蓝闪烁激光对光合作用各主要因子的影响及其调控机制尚不清楚。本项目拟从不同强度、频率、光暗期占空比的红蓝闪光对植物光抑制特征的影响入手，结合叶片形态结构与植物光合色素参数，探明光保护机制及能够引起最大光合速率与节能潜力的闪光参数；其次，通过研究不同参数闪光下光合诱导速率及其光能吸收、利用、分配机制，探讨光诱导规律及光合机构对闪光的响应机理，提出改善植株光合作用的闪烁激光优化参数。本研究将有助于深入了解闪光调控植物光合作用的生理机制，为人工光环境下植物高效生产与节能降耗提供理论依据和技术支撑。
Application Abstract: Energy consumption of light source is one of the major limitations for artificial light cultivation.As an innovative cultivation method,red and blue laser initiated flashlight with high energy utilization efficiency was introduced to illuminate the plants,achieved remarkable energy saving effect.However,the mechanism of red and blue flashing laser on the regulation of photosynthesis has not been investigated.This project intends to start from studying the effects of different intensity,frequency and light/dark ratio of red and blue flashing light on the characteristics of photoinhibition and the light protection mechanism,combined with the effect on photosynthetic pigment content and microstructure of the leaves.Thereafter,finding out the response mechanism of photosynthetic induction to different flashlight parameters by studying the plant photosynthetic induction curve,as well as the quantitative analysis of the absorption,utilization and distribution on light energy.With previous research results,the flash parameters of maximum photosynthetic rate and energy saving potential were proved.This study will be helpful to deeply understand the physiological nature of flash light regulation of plant photosynthesis,and provide theory evidence and technical support for optimizing the application of high efficient plant production under artificial light cultivation environment.
项目受资助省北京市
项目结题报告(全文)针对植物工厂中光源能耗大，运行成本高的问题，结合前人研究发现的高强度闪光照射能够在低能耗下保证光合效率这一光合特性，创造性地提出了“激光闪烁高效节能栽培”思路，通过激光闪烁发散装置将光合效率较高的红蓝高能激光束均匀地分散在植物冠层进行栽培，探究把激光的高能量密度优势与闪烁光方法结合起来用于蔬菜人工光栽培的效果和可行性。主要研究内容包括“激光闪烁高效节能栽培”系统构建；闪烁激光水培生菜栽培试验及能效分析评价；激光闪烁高效节能栽培系统光学模拟及分析。通过上述研究，成功构建了基于闪烁激光的栽培系统一套，采用红、蓝激光二极管阵列模组为光源，输出功率均为4000mW,出口处光斑大小分别为3.7×2.9mm和6×7mm。通过其配套电源，可对输出的激光功率进行实时的调节和控制。自主研发基于光学原理的激光发散扫描运动系统及其控制装置，实现对激光的扫描频率、扫描面积进行控制。使用该套系统进行了闪烁激光水培生菜栽培试验。发现激光照射下的生菜地上部鲜重为4.33克，较LED的11.9克低63.6%;激光栽培的叶面积为131.2 cm2,显著低于LED对照的287.9cm2,降幅达到54.4%;激光栽培条件下，其叶片数、叶宽、根长分别为 11.5,4.4cm和22.83cm,比LED对照分别低19.3%,39.7%和15.6%。电能利用率方面，激光栽培为 5.1g·kWh-1,显著低于LED对照的20g·kWh-1。即激光闪烁栽培系统能够维持植物的生长，但其等当量连续光强仍然较低，需要进一步研究其光能分布模式。开展了系统光学模拟分析及优化研究研究。对现有一字镜、反光镜等光学组件参数，红蓝激光在上述光路中透射与折射特性进行了模拟与分析，待进一步确定装置优化参数。该研究首次尝试将高能激光束应用于植物栽培领域，确认了使用激光进行植物栽培的可行性；研发了激光发散装置并对其光学特征进行了模拟和优化。该研究和取得的结果可以为设施人工光栽培及补光提供一个新的研究方向，在植物工厂节能光源研发、温室定向高效补光灯研发应用等领域具有指导意义。
排序方式： 时间 相关性1/随着植物工厂相关技术的不断成熟以及消费者对高品质蔬菜需求的不断提高,空间大型化、栽培密集化的生产型植物工厂建设规模不断扩大。常规空调+风道的环控方式受植物叶片生理活动及冠层边界层阻力影响,难以保证栽培区域各处气流均匀,导致温度场、湿度场与设定值出现偏差,部分区域热量积累严重,能源利用效率较低,环控效果较差。与此同时,蔬菜在这一环境下会出现生长受限,病害增加,产量降低等现象,达不到未来植物工厂对产量和品质的需求。针对这一问题,本研究提出针对各栽培区进行精准微环境调控的解决思路,并首次提出以栽培板和营养液间空气层作为气流通道,将适宜参数空气直接输送至蔬菜周围的解决方案。研究对根域通风这一创新的气流组织形式以及蔬菜常规环控方式（CEC）下的气流分布特征进行了CFD（Computational Fluid Dynamics）模拟,对蔬菜冠层上部自下而上及侧向通风气流特征进行了描述,明确了常规环控方式存在的问题,探明了根域通风的理论可行性。为了验证模拟的准确性,研究开发出根域通风系统（RV）,以定植栽培20天后的生菜作为试材,在同一环境条件下对低速连续通风（LCRV）、高速间隔通风（HIRV）与CEC下生菜冠层及根域环境参数变化进行对照,测试其通风调温效果,获取了根域通风方式下空气层、营养液、冠层区域的微环境变化情况。在上述试验基础上,进一步创制出根域空气层通风调温系统（ILCA）,采用基于水冷机组提供冷源的热交换器对导入水培系统空气层的空气进行温度调控。研究确定环境温度,冷水温度,冷水流量和风机流量为系统性能主要影响参数,将最低出风温度,系统平衡时间及冷却时间作为主要评价指标。通过二次通用旋转组合设计,对系统中关键运行参数进行优化,以较小的能耗满足植物微环境需求。通过上述研究,取得了以下研究结论:1)CFD模拟表明根域通风方式能够提供均匀稳定的气流,在试验转速范围内增加,各通气单元平均风速为0.051～0.11 m/s,且不同转速下各通气单元风速差异不大,优于常规通风模式。2)与CEC对照相比,根域通风方式能够大幅降低空气层和冠层下部温度2.67和1.77℃;降低相对湿度7-10%,提高冠层下部CO2浓度139×10-6。3)根域通风方式可降低营养液温度,减缓溶解氧下降趋势。在营养液中,LCRV液温较CEC降低4.03℃;HIRV大幅减缓了溶解氧下降趋势,试验结束时仍维持在3.8 mg·L-1,同期LCRV和CEC处理只有1.8 mg·L-1。4)得到了以最低出风温度,平衡时间以及冷却时间为目标函数的二次回归方程分别为:YA=24.51+2.19X1+0.77X2-0.13X3+0.12X4+0.54X1~2+0.44X2~2+0.11X3~2+0.048X4~2+0.079X1X2-0.10X1X3+0.051X1X4-0.062X2X3+0.55X2X4-0.24X3X4 YB=3.04-0.30X1-0.30X2-0.47X3-0.59X4+0.040X1~2-0.31X2~2+0.39X3~2-0.14X4~2-0.97X1X2-0.12X1X3+0.078X1X4+0.38X2X3-0.17X2X4+0.62X3X4YC=18.02+7.14X1-7.73X2+0.96X3-1.19X4+0.79X1~2-0.62X2~2+0.26X3~2-0.97X4~2-1.44X1X2-0.75X1X3-2.23X1X4+0.25X2X3+3.64X2X4-0.50X3X4上述二次回归方程均具有显著性且方程失拟不显著,与试验拟合较好。通过对上述方程的分析可知,环境温度对最低出风温度影响最大,冷水温度次之;对平衡时间影响最大的因素是风机流量,冷水流量次之,冷水温度第三;对冷却时间影响最大的因素依次为冷水温度和环境温度。以出风温度24℃为目标,系统运行时间尽量短,能耗尽量低为原则,进行优化组合筛选分析,确定ILCA系统最佳组合为环境温度28℃,冷水温度18.5℃,冷水流量0.63 L·min-1,风机流量1.2 cm~3·s-1,平衡时间4.8分钟,冷却时间5.0分钟。在此参数组合下,最低出风温度可以达到24℃。5)本研究通过生菜栽培试验验证了上述优化运行参数。通过与CEC进行对照,发现优化ILCA能够显著改善植株微环境参数:降低空气层内温度2.5℃,降低冠层内部光暗期温度1.1℃和2.1℃;保持营养液温度在21.5±0.3℃,较对照低2.3℃,缓解营养液溶解氧浓度随时间推移的下降趋势,在三天的监测时段内从5.8 mg·L-1缓慢的降低至5.4 mg·L-1。6)在上述微环境及空气流动影响下,能够在不影响产量的情况下,提高老叶存活率,限制根系生长。试验发现处理中叶片数增加13.9%,根系鲜重显著降低41.7%,根长缩短23%;其总根长度、根表面积、根投影面积、根体积及平均根系直径分别较对照也显著降低了39.1%、38.2%、37.9%、48.1%和12.1%。显著降低了无食用价值的根系养分消耗,有利于营养元素利用效率的大幅提升,对延长营养液使用时间,减少水培肥料使用,降低生产成本起到了积极作用。7)环控能耗计算结果表明,CEC对照中总耗电量627.6 k Wh,ILCA处理总耗电量294.4 k Wh;结合前述产量数据,CEC系统环控能耗产品转化率（EBCE）为29.4g·k Wh-1,ILCA系统环控能耗产品转化率为59.5 g·k Wh-1,较对照提高了102%,实现节能50.6%。综上所述,CEC中冠层与环境参数差异明显,以环境参数作为调控依据不够准确;相比之下,RV在解决传统环控方式通风温控不均匀的同时,对地上部及地下部多种微环境参数调控起到了积极作用,降低环控要求,提高空调温控效率,具有推广价值。ILCA系统能够高效改善植物微环境参数;在不影响生菜产量的同时显著降低根系重量,减少养分消耗;与CEC相比,实现节能50.6%。当室外温度低于28℃时,将其引入植物工厂内,配合优化的运行参数,ILCA可以替代常规环控方式对植物工厂内环境进行调控。
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