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不同蓝光强度连续供光对生菜形态建成、光合特性及营养离子吸收的影响

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中国生态农业学报（中英文） 2024年第5期32卷 839-850页

作者：贾梦晗杨洋张一含陈灿仝宇欣中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081

植物工厂光环境的优化调控是提高果蔬产量和品质最主要的途径,其中蓝光对植物的形态建成和光合特性均有显著的调控作用。本试验以‘Tiberius’生菜为研究对象,将一天24 h周期分为两个时段,时段一(H_(1))为18:00—次日10:00,时段二(H_(2)... 详细信息

植物工厂光环境的优化调控是提高果蔬产量和品质最主要的途径,其中蓝光对植物的形态建成和光合特性均有显著的调控作用。本试验以‘Tiberius’生菜为研究对象,将一天24 h周期分为两个时段,时段一(H_(1))为18:00—次日10:00,时段二(H_(2))为10:00—18:00。H_(1)时段均给予光照强度为200μmol·m^(-2)·s^(-1),光质配比为红蓝4∶1的光照环境。在H_(2)时段设置了不同强度蓝光处理,分别为对照组(B0,无光)以及3个光处理组(B28、B60、B100),光照强度(μmol·m^(-2)·s^(-1))分别为28、60、100,调查不同蓝光强度连续供光下生菜的形态建成、光合特性以及营养离子吸收情况。结果表明:1)与B0相比,B28、B60和B100处理下的生菜株高和茎叶与水平面夹角均显著增加,叶片较为细长,蓝光强度越弱,变化效果越显著;2)与B0相比,B28、B60和B100处理下的叶片腹部气孔密度和叶片厚度均显著下降;3)不同强度蓝光处理均促进了叶绿素的增加,其中B60处理下的叶绿素含量增加最高;4)B28处理下的氮、镁、钾和铁含量增加最高,较B0分别增加18.2%、33.3%、65.9%和72.7%。因此,在植物工厂中,连续光照结合不同的蓝光补光强度,可以有目的地调控生菜的形态以及光合特性,有利于提高单位面积的栽培株数和产量。

关键词：生菜连续供光蓝光形态光合特性离子吸收

不同波长脉冲LED光源的频率和占空比对植物光合速率和光碳能力的影响

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激光生物学报 2024年第1期33卷 48-56页

作者：魏伟仝宇欣卢大军林金填陈磊房倩吴优匡宇涵孙铭浩李倩宋金德董贞芬邹军盐城师范学院盐城224007 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 中实创科技广东公司东莞523000 上海应用技术大学上海201418 旭宇光电(深圳)股份有限公司深圳518101 江苏杏杰科技有限公司盐城224000 宿迁学院宿迁223600

本文分析了脉冲发光二极管(LED)光源的研究进展,制作了不同波长的脉冲LED光源面板;测量了灯面板下方25 cm处光合光子通量密度(PPFD)随光源波长、频率和占空比的变化;在固定光源工作周期条件下,研究了光合速率随频率的变化,发现在不同波... 详细信息

本文分析了脉冲发光二极管(LED)光源的研究进展,制作了不同波长的脉冲LED光源面板;测量了灯面板下方25 cm处光合光子通量密度(PPFD)随光源波长、频率和占空比的变化;在固定光源工作周期条件下,研究了光合速率随频率的变化,发现在不同波长下,植物光合速率具有最佳频率;在固定光源频率条件下,研究了光合速率随占空比的变化,发现在不同的占空比下,植物的光合速率有其最佳的占空周期;由于在固定频率或固定占空比条件下,其PPFD不能随着占空比和频率的变化而保持恒定,因此提出了光碳能力的概念(光碳能力=光合速率⋅PPFD^(-1)=Pn⋅PPFD^(-1),其中Pn为光合速率,其生物学意义是一个光子能量转换多少二氧化碳分子进行光合作用);在固定光源占空比条件下,研究了光碳能力随频率的变化。每种光源,均有对应优化的频率,对应得到此种光源下最大的光合速率;每种光源,均有对应优化的频率,对应得到此种光源下最大的PPFD;每种光源,均有对应优化的频率,对应得到此种光源下最大的光碳能力。本文通过提出光碳能力来衡量植物光照参数与碳减排量之间的对应的关系,希望以后光学设计可以通过优化此参数获得最优化的光照条件来获得最经济的碳减排量。

关键词：全光谱光碳能力光合速率 PPFD 脉冲光

光期湿度对植物工厂生菜干烧心及其营养品质的影响

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中国农业科学 2022年第20期55卷 4011-4019页

作者：李扬眉刘鑫贾梦晗仝宇欣中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所

【背景】近年来，植物工厂因具有可在垂直立体空间进行周年计划性、省力化和无农药、洁净安全生产等传统农业无可比拟的优势，在全球得到蓬勃发展。然而，由于植物工厂内叶菜生长速度较快，而新叶部位的蒸腾较弱等原因，较易发生干烧心... 详细信息

【背景】近年来，植物工厂因具有可在垂直立体空间进行周年计划性、省力化和无农药、洁净安全生产等传统农业无可比拟的优势，在全球得到蓬勃发展。然而，由于植物工厂内叶菜生长速度较快，而新叶部位的蒸腾较弱等原因，较易发生干烧心，大幅降低叶菜外观和内在品质。【目的】研究光期不同湿度对水培生菜干烧心、生长及其营养品质的影响，优化预防或减缓生菜干烧心发生的植物工厂湿度环境参数，为防控生菜干烧心发生，提高植物工厂生菜品质和运行效益提供技术和理论支撑。【方法】选用在植物工厂环境下较易发生干烧心的‘Tiberius’生菜作为研究对象，在光环境、温度、二氧化碳等环境条件保持一致的情况下，使光期（16 h）各处理空气相对湿度分别维持在50%(RH50)、70%(RH70)和90%(RH90)，暗期（8 h）各处理空气相对湿度保持一致为70%，湿度控制正负误差在5%以内。调查各处理组生菜干烧心发生情况、叶片光合参数、产量及营养品质的差异。【结果】与RH70和RH90相比：（1）RH50处理显著提高了生菜新叶中钙离子含量，降低了采收时干烧心发生率，并且随着相对湿度水平降低，干烧心的初次发生时间得到显著推迟；（2）RH50处理未对试验光强下生菜的净光合速率产生影响，但却显著增加了生菜气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度，促进了茎叶的钙离子运输；（3）RH50处理未显著降低生菜的总叶面积及茎叶鲜重，但却明显改善了生菜营养品质，使淀粉、抗坏血酸和可溶性蛋白的含量得到显著提高。【结论】植物工厂高湿环境是生菜干烧心频发的原因之一，通过合理降低湿度水平能够在不显著影响生菜光合能力及产量的情况下，有效减缓生菜干烧心的发生，提高生菜的外观和营养品质，增加其商品价值，保障植物工厂优质高效生产。

关键词：植物工厂湿度调控干烧心生菜营养品质

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植物工厂导气栽培槽通风对冠层环境影响模拟

农业工程学报 2023年第16期39卷 208-214页

作者：方慧张义伍纲李琨张一晗仝宇欣中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室北京100081

为了增加植物工厂多层栽培模式中作物冠层内部气流扰动和简化通气管道施工工艺,该研究设计了一种集栽培床和通风管路于一体的导气栽培槽(cultivation bed integrated with draft-tube,CBT)。利用流体计算软件(computational fluid dynam... 详细信息

为了增加植物工厂多层栽培模式中作物冠层内部气流扰动和简化通气管道施工工艺,该研究设计了一种集栽培床和通风管路于一体的导气栽培槽(cultivation bed integrated with draft-tube,CBT)。利用流体计算软件(computational fluid dynamics,CFD)构建了CBT模型,通过模拟和实测入口速度为5.0 m/s时植物冠层内部的气流速度,得到栽培区域几何中心截面速度的模拟值与实测值分布趋势一致,计算模拟值与实测值的均方根误差为0.22 m/s,表明该模型能准确模拟气流速度。利用验证的模型模拟了不同进气速度对作物冠层内部气流分布的影响得到入口速度为6.0 m/s时,植物冠层空间适宜的气流区域体积占比最高,为56.3%,该入口速度下冠层区域的气流平均速度为0.15 m/s。根据模拟结果,选取6.0 m/s为CBT的入口速度,以成熟期生菜作为试验材料,在同一环境条件下对比CBT通风模式和传统通风模式(traditional ventilation control,TVC)下生菜冠层内部微环境,测试通风调温效果。结果表明,CBT处理的冠层内光期温度为22.4℃,低于TVC处理的23.7℃,暗期处理间温度差异不明显;CBT模式冠层内的光、暗期平均相对湿度分别为65.8%和71.6%,比TVC处理低11.4和3.0个百分点。由此可见,相比于传统通风模式,CBT对冠层内多种微环境参数调控起到了积极作用,降低环控要求,提高了空调温控效率,具有推广价值。

关键词：通风植物工厂栽培槽气流速度环境调控

营养液铁源及铁素浓度对白菜型油菜育苗效果的影响

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中国农业大学学报 2023年第1期28卷 102-110页

作者：刘鑫李扬眉贾梦晗仝宇欣中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室北京100081

为筛选植物工厂环境下白菜型油菜育苗适用铁源并探究铁素浓度对油菜幼苗生长的影响,在铁素浓度2.8 mg/L下比较了EDDHA-Fe与EDTA-Fe这2种螯合铁的育苗效果;在优选铁源的基础上,设置3个铁素水平(0、2.8和5.6 mg/L)进行油菜育苗,重点调查... 详细信息

为筛选植物工厂环境下白菜型油菜育苗适用铁源并探究铁素浓度对油菜幼苗生长的影响,在铁素浓度2.8 mg/L下比较了EDDHA-Fe与EDTA-Fe这2种螯合铁的育苗效果;在优选铁源的基础上,设置3个铁素水平(0、2.8和5.6 mg/L)进行油菜育苗,重点调查油菜幼苗根系形态指标、根系活力、茎叶的形态指标以及活性铁含量等。结果表明:1)相同铁素浓度下,利用铁源EDTA-Fe培育的油菜茎叶中活性铁含量较EDDHA-Fe提升了12.6%,具有更高的根系活力;油菜对价格较为低廉的铁源EDTA-Fe的吸收利用效率较高;2)采用优选出的铁源EDTA-Fe进行油菜育苗,相较于2.8 mg/L铁素,铁素浓度为5.6 mg/L时培育的油菜幼苗根系表面积、根系分枝数和根系总长度均得到显著提高,幼苗叶面积提高29.1%,干物质积累量提高18.4%。油菜幼苗在无铁处理组中不能正常生长,侧根发育受阻,未发现二级侧根的形成。综上可知,油菜育苗工厂中铁肥选用EDTA-Fe效益高于EDDHA-Fe,在本试验所设置的环境温湿度及光照条件下,提高铁素浓度至5.6 mg/L更有利于油菜的生长。

关键词：白菜型油菜铁源活性铁根系形态

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人工光植物工厂风机和空调协同降温节能效果

农业工程学报 2013年第3期29卷 177-183页

作者：王君杨其长魏灵玲仝宇欣中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室北京100081

为减少人工光植物工厂中空调降温耗电量,该文利用风机引进外界低温空气与空调协同降温方式,以低功率的风机减少高功率空调的运行时间。结果表明,与仅利用空调进行降温的对照植物工厂相比,利用风机和空调协同降温的试验植物工厂节能效果... 详细信息

为减少人工光植物工厂中空调降温耗电量,该文利用风机引进外界低温空气与空调协同降温方式,以低功率的风机减少高功率空调的运行时间。结果表明,与仅利用空调进行降温的对照植物工厂相比,利用风机和空调协同降温的试验植物工厂节能效果明显,当植物工厂内部明、暗期空气温度分别设定在25℃和15℃,外界空气温度在-4～12℃时,明期耗电量的节省率为24.6%～63.0%,暗期为2.3%～33.6%,其节能效果随着外界空气温度的降低而增加;并且该降温方式可以将植物工厂内空气温度控制在目标值。因此,采用风机与空调协同方式对植物工厂内空气温度进行调控,可以减少植物工厂降温耗电量,降低其运行成本。

关键词：节能降温空调人工光植物工厂外界空气温度

LED光源红蓝光配比对生菜光合作用及能量利用效率的影响

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农业工程学报 2018年第14期34卷 234-240页

作者：王君仝宇欣杨其长中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室北京100081

为了提高植物光能及电能利用效率,降低植物工厂光源的投入产出比,该文从不同红蓝光配比(R/B)对生菜光合作用影响机理入手,分析不同R/B对生菜光能及电能利用效率的影响。以荧光灯处理(FL)作为对照,通过设置不同红蓝光配比(R/B)共7个处理... 详细信息

为了提高植物光能及电能利用效率,降低植物工厂光源的投入产出比,该文从不同红蓝光配比(R/B)对生菜光合作用影响机理入手,分析不同R/B对生菜光能及电能利用效率的影响。以荧光灯处理(FL)作为对照,通过设置不同红蓝光配比(R/B)共7个处理进行试验,测定不同R/B下生菜的Ru Bis Co羧化速率和氧化速率、光合电子流分配以及叶氮分配。结果表明:1)当R/B≥8时,增大蓝光比例显著降低了总电子传递速率向参与光呼吸的光合电子流的分配,促进了叶氮向羧化系统和生物能学系统中的投入,提高了叶片的光合作用;2)当R/B≤8时,生菜电能利用效率(electric-energy use efficiency,EUE)和光能利用效率(light use efficiency,LUE)随着R/B增加而显著增大,R/B≥8处理间EUE无显著性差异,但R/B=12处理下LUE较R/B=8处理高12.5%。综上所述,在光强为200μmol/(m2·s)的红蓝LED植物工厂中,R/B为8是影响生菜光合作用、光能及电能利用效率的转折点;为保证生菜高效生产,以红蓝光配比不小于8为宜。

关键词：光合作用作物光源能量利用效率红蓝光光合电子流分配叶氮分配

基于CFD的植物工厂圆形锯齿状水冷LED灯管降温效果模拟

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农业工程学报 2021年第7期37卷 212-217页

作者：方慧程瑞锋仝宇欣李琨中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室北京100081

为及时将LED灯管芯片产生的热量传导出去,提升LED灯的性能,延长其使用寿命,设计了一种圆形锯齿状水冷LED灯管,并通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件构建水冷LED灯管模型,对其降温效果进行研究。在模型中将LED灯珠... 详细信息

为及时将LED灯管芯片产生的热量传导出去,提升LED灯的性能,延长其使用寿命,设计了一种圆形锯齿状水冷LED灯管,并通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件构建水冷LED灯管模型,对其降温效果进行研究。在模型中将LED灯珠芯片设置为内热源,热流密度根据灯珠的数量和电光转化效率计算,其值为1.7×10^(7) W/m^(3)。验证试验表明,模拟值与实测值吻合较好,最大误差为16.4%,构建的CFD模型能准确模拟灯管各结构的温度分布。利用验证的模型模拟不同水流速度对水冷LED灯管温度分布及水流压降的影响。结果表明:不同流速下水冷LED灯管的金属散热灯罩、灯珠芯片和水流的温度分布比较均匀,表明该灯管的结构设计合理,灯珠芯片释放的热量能很快传导到水流中并被带走;当灯管入口水流速度从0.10 m/s增加到0.25 m/s时,进出水温差从1.4℃下降到0.5℃。因此,在对水冷LED灯管进行串联时,可根据进水温度和环境温度的差来计算可串接灯管数量;入口水流速度的增加亦会增加水流阻力,根据模拟得到灯管进出水压差计算出灯管对水流的阻力系数为2.2,为水泵选型提供了依据。

关键词：温度计算流体力学植物工厂人工光源模拟水流速度

基于CFD的植物工厂冠层微环境管道通风效果模拟

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农业工程学报 2021年第22期37卷 188-193页

作者：方慧伍纲程瑞锋仝宇欣中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所北京100081 农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室北京100081

为增加植物工厂多层栽培模式中作物冠层内部气流扰动,该研究设计了一种冠层微环境管道通风装置,利用计算流体力学软件(Computational Fluid Dynamics,CFD)构建三维栽培模型。在模型中,将植物冠层区域考虑为多孔介质,多孔介质的黏滞阻力... 详细信息

为增加植物工厂多层栽培模式中作物冠层内部气流扰动,该研究设计了一种冠层微环境管道通风装置,利用计算流体力学软件(Computational Fluid Dynamics,CFD)构建三维栽培模型。在模型中,将植物冠层区域考虑为多孔介质,多孔介质的黏滞阻力系数为25,惯性阻力系数为1.3;LED灯管设置为热源模型,热源模型散热量为297525 kW/m^(3)。利用模型模拟并实测入口速度为8 m/s时植物冠层表面和上部空间气流速度,发现空气流域的平均误差为16%,模拟值与实测值吻合较好。利用验证的模型模拟不同入口速度下植物冠层的气流分布,结果表明:进气速度设置为8 m/s,该速度下植物冠层内部适宜速度区域体积占比为67.58%,冠层表面适宜速度区域面积占比为55.23%,冠层内部气流平均速度为0.14 m/s。研究表明植物工厂冠层微环境管道通风模式能有效增加冠层气流扰动。

关键词：通风植物工厂气流速度多孔介质 CFD