【摘要】：人工光植物工廠因多層立體栽培,顯著提高了生菜單位面積的產(chǎn)量,但是其建設、運行、維護成本高抑制了其發(fā)展,其中人工光源耗能最大,約占總耗電量的82%。針對該問題,本研究采用自然光和人工光相結合的方式,將多層立體栽培模式應用于自然光植物工廠中,既提高自然光植物工廠空間利用率,又解決了人工光植物工廠中補光燈能耗大的問題。本研究的主要內(nèi)容是探究多層立體栽培植物工廠在自然光條件下的不同補光策略,分析在自然光和人工光結合的條件下對生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,并計算不同補光策略的經(jīng)濟性。本試驗在北京一自然光植物工廠內(nèi)進行,采用兩組完全相同的三層立體栽培架,每層間距為0.6 m,進行生菜種植試驗。本研究主要內(nèi)容與結論如下:(1)選擇全年中典型節(jié)氣作為研究時間,對典型氣候條件下自然光型植物工廠內(nèi)光照分布情況進行分析可知:夏季上、中、下層的光照日累積量平均分別為36.2、12.4、3.7 mol/(m~2·d);冬季分別為9.7、3、2.4 mol/(m~2·d);春秋季節(jié)上、中、下層的光照日累積量平均分別為17.7、8、4.7 mol/(m~2·d)和17.7、7.7、4.3 mol/(m~2·d)。根據(jù)生菜對光照需要其日累積量需滿足6-12mol/(m~2·d),因此以冬季補光量最多的季節(jié)為例,中層需補光3-9 mol/(m~2·d)下層需補光3.6-9.6mol/(m~2·d)方可滿足生菜正常生長的光照需求。(2)自然光植物工廠生菜多層立體栽培梯度補光對生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。在自然光植物工廠對中、下層生菜補光強度的初步探究中發(fā)現(xiàn),中層補光3 mol/(m~2·d)和6 mol/(m~2·d)較中層自然光照下的生菜產(chǎn)量分別提高了66.4%和72.0%,補光處理間差異不顯著。下層補光6 mol/(m~2·d)和9 mol/(m~2·d)較下層自然光照下的生菜產(chǎn)量分別提高了77.6%和79.5%,補光處理間差異不顯著。因此,栽培架中、下層建議補光強度分別為3、6 mol/(m~2·d)補光方案最優(yōu),其單位面積產(chǎn)量是傳統(tǒng)溫室的3.2倍。(3)自然光植物工廠內(nèi)多層立體栽培不同光質(zhì)補光對紫葉生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。在對自然光植物工廠內(nèi)下層紫葉生菜進行全光譜和紅藍光補光試驗中發(fā)現(xiàn),R/B=9:1處理下的紫葉生菜具有可溶糖含量高和花青素含量高的優(yōu)勢。因此R/B=9:1處理下所得到的紫葉生菜品質(zhì)更優(yōu)。(4)補光經(jīng)濟效益分析,本研究設計的植物工廠在保證較高生菜品質(zhì)的同時其單位面積產(chǎn)量是傳統(tǒng)溫室的3.2倍,通過控制補光強度、使用濕簾風機系統(tǒng)等措施將運行成本降為人工光植物工廠的19.4%,即節(jié)能了80.6%,其中補光燈的能源消耗較人工光植物工廠每平米每天可節(jié)約3 kw·h/m~2。體現(xiàn)出了自然光植物工廠立體栽培巨大的成本優(yōu)勢和產(chǎn)量優(yōu)勢。綜上所述,冬季自然光植物工廠內(nèi)多層立體栽培條件下,考慮到生菜生長所需的光照強度選擇最優(yōu)補光方式即中層補光3 mol/(m~2·d),下層補光6 mol/(m~2·d)進行紅藍光栽培綠葉和紫葉生菜,在增加產(chǎn)量的同時可提高生菜的品質(zhì),特別是顯著提高了紫葉生菜花青素含量。且整體運行成本較植物工廠節(jié)能80.6%,其中補光燈的能源消耗較人工光植物工廠每平米每天可節(jié)約3kw·h/m~2。
【學位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)科學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S636.2;S626
【圖文】：

技術路線

圖 2- 1 栽培面布點情況Fig. 2-1 Condition of planting surface cloth2.2 結果與分析2.2.1 栽培面的東西和南北方向上全天光強變化情況

圖 2- 2 栽培面的不同層東、西方向太陽輻射全天變化情況（（a）上層，（b）中層，（c）下層）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)分別在上、中、下三層選取位置相同的三個點，代表南側、中間、北側，用手持式 LI-1500對 6:00-18:00 時段太陽輻射進行測量。栽培面的不同層南、北方向太陽輻射全天變化情況如圖 2-所示。由圖 2-3 可以看出，上層栽培面上南北方向的光照強度變化表現(xiàn)為從 6:00 到 18:00 先逐漸

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