朱棟銘，邱嫻，蔡心怡，朱昌瑞，朱子旭，吳泓均

（寧波工程學院 材料與化學工程學院,浙江 寧波315211）

0 引言

植物工廠是通過高精度環(huán)境系統(tǒng)控制實現(xiàn)農作物合適生長環(huán)境的農業(yè)系統(tǒng)，但其生產過程與設備成本極高，尚無法推廣至平民大眾，其中尤以種植過程中的水、電消耗量最大，因此如何降低生產成本將成為這一行業(yè)最大獲利關鍵[1-6]。無土栽培技術可分為氣霧培(Aeroponics)、深水流(DFT)及營養(yǎng)液薄膜(NFT)等方式，氣霧培技術使用噴頭加壓方式將營養(yǎng)液及水分破碎為氣霧狀，并附著于植物根部表面，可促進根部吸收效率，但其裝置昂貴，需要不斷循環(huán)，斷電時容易造成植物根部缺水死亡。深液流技術為營養(yǎng)液的液層較深(2~10 cm)，植物根部大部分浸泡于營養(yǎng)液中，雖然可使根部不易缺水而壞死，但缺點是根部因長時間浸泡于營養(yǎng)液中容易缺氧腐爛，需要使營養(yǎng)液保持循環(huán)流動，增加營養(yǎng)液的含氧量、減少根部表面有害的代謝物質。營養(yǎng)液膜技術，是將植物根部部分浸泡于營養(yǎng)液中，液層較淺(5~10 mm)，根部大部分暴露于濕氣中，缺點為其根部容易受環(huán)境溫度影響而造成產量下降，優(yōu)點為根部可充分得到氧氣，且設備價格較低[7]。

植物生長光源是目前植物工廠技術中最為核心的技術，包括LED燈、高壓鈉燈、白熾燈、熒光燈等，其光源波段范圍為400 nm至720 nm，主要吸收光波段為藍光400~500 nm、紅光600~700 nm及部分的近紅外光源700~720 nm，在栽培過程中，需要依照植物需求調整其光強度與光照時間[8]?？捎晒庠垂庾V圖上換算其光強度值，常用紅(R)、藍光(B)強度比例可為R/B=1/4-1/6，適合生殖生長期開化結果的植物，營養(yǎng)生長期植物可用R/B=2/1光源進行照射，整體植物生長過程的光照時間可設定為8～24 hr，依照不同植物品種與生長時期需求而定，光強度值的演算方法可使用積分球直接測出光源功率，并在積分區(qū)間內計算出不同波長的范圍內的輻射總功率，推算至LED燈珠的計算法，可用Ra數值作為R/B比[9]。光源強度均勻性是植物工廠中標準化量產的重要參數，如均勻性太低，將無法生產一致性的農產品，以燈具而言，需要安裝反光鏡或透鏡的方式進行勻光設計，進而達到高均勻性(>90%)的光強度分布。光強度均勻性是將光強度照射至植物冠層上的范圍內，取其分布點各點的光強度平均值，并與最高強度值比對，得到百分比的均勻值，與室內照明光照射強度單位Lux不同，植物光源照射強度以光合光子通量密度(PPFD)作為表示，是根據植物在光合作用有效光源波段范圍內的能量單位光合輻射照度作為計算基礎，植物生長所需要的最低光源強度為光補償點(Light Compensation Point)，植物照射光源強度應保持在光補償點之上[10-18]。本實驗改變光源照射時間，進行栽培成本分析，以期達到優(yōu)化最佳結果，同時作為植物工廠營運參考，可降低生產成本。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

實驗采用立體多層式無土栽培設備與營養(yǎng)液膜技術進行油麥菜栽培，如圖1(a)所示，整臺設備尺寸為120 cm×50 cm×150 cm(長×寬×高)，共有3層種植層，每層各自配置7根T8 LED 60W的條形燈光源，每層包含4條栽培槽，每條栽培槽上設計11個種植孔，種植孔間距為10 cm，每層可種植44株植物，整臺設備可同時種植132株植物，使用蛇型連通方式進行營養(yǎng)液供給，營養(yǎng)液進口(In)與出口(Out)在同一側，如圖1(b)所示，營養(yǎng)液供給時間、供給量、EC值、pH值、環(huán)境溫濕度、LED光源照射時間為可控制條件，營養(yǎng)液使用市面上容易取得的通用水溶液肥(NPK20-20-20)，LED光源照射強度均勻性為93%(測量高度為25 cm)，是以每10 cm種植孔為間距，作為光強度量測點，光譜圖如圖2所示，其光強度比例紅藍為4∶1，可觀察出由藍光至紅光，波長為400 nm~700 nm。

圖1 多層式無土栽培設備圖：(a)立體多層式無土栽培設備；(b)營養(yǎng)液供給連通系統(tǒng)

圖2 LED光譜圖

1.2 試驗方法

首先將種子泡于60℃溫水中半小時，泡完溫水的種子放置在潮濕環(huán)境中等待發(fā)芽，待種子發(fā)芽至一芯兩葉后，移植至巖棉中，并放置在水槽內保持巖棉潮濕，等待長出根系長度5 cm后放置于植物生長機中。EC值控制在1 200～1 400μs·cm-1，pH值控制在6.0～6.8范圍，環(huán)境溫度控制在白天24℃及夜晚18℃,濕度控制在60～80 RH%。油麥菜分為育苗周期與生長周期二個階段，育苗周期本文不討論，以移植到無土栽培設備上的生長周期種植情況做分析。生長周期的光照射時間參數為8 hr/16 hr(on/off)、12 hr/12 hr(on/off)、及8 hr/16 hr(on/off)三種，以此三種光照時間作為油麥菜生長過程分析的實驗參數。

2 結果與討論

2.1 不同光照時間的生長對比分析

表1 為油麥菜在生長周期23天內所作的不同光照時間紀錄數據，以下的8 hr/16 hr(on/off)、12 hr/12 hr(on/off)及16 hr/8 hr(on/off)作為光照時間參數，各自以8 hr、12 hr、及16 hr作為表示。以每臺機器種植數量132株來計算，觀察結果包含累計鮮重、生長速率及累計耗電量成本的紀錄。經由累計每天油麥菜增加的鮮重數據，可觀察油麥菜生長曲線；生長速率則是觀察不同天數油麥菜鮮重的增加情況。最后根據耗累計耗電數據來計算整體油麥菜的種植成本，累計耗電量是以整體設備與系統(tǒng)所消耗的電量來做合計。其參數可深入探討耗電量與種植鮮重之間的關系，并取得優(yōu)化的種植參數，耗電量成本是以每臺耗電量在132株植物基準上做的計算。

表1 油麥菜采收數據

2.2 各種生物量指標對比分析

圖3 為油麥菜在生長周期第8天時所拍攝的照片，由右至左分別為光照時間8 hr、12 hr及16 hr三種參數所種植出來的結果，可以判斷，16 hr的油麥菜大小明顯要比其他的種植結果好，經由營養(yǎng)液膜(NFT)哉培出來的根系也明顯比土培植物健康[19]。圖4為不同生長周期天數時的累計鮮重曲線圖，在比對三種光照時間參數8 hr、12 hr、及16 hr，可以觀察到16 hr曲線的累計鮮重為最大，可與圖3照片觀察結果相呼應，整體來看，三個時間參數的累計鮮重皆是隨時間增加而成長。從實驗中可得知生長周期21天時，最大鮮重為16 hr的118 g，以12 hr參數而言，累計鮮重達到118 g時為23天。圖5為不同生長周期天數時的生長速率曲線圖，與累計鮮重曲線類似，皆是以正成長方式進行生長；但在生長周期第21天時可以觀察到，其生長速率開始下降，雖然是以正成長進行，但其生長速率減慢，逐漸達到頂峰并下降。三種光照時間參數皆在第21天生長周期時開始下降，可以初步認定油麥菜在生長周期第21天時，其生長速率開始減緩。圖6為不同光照射時間的生長周期在(a)8 hr/16 hr(on/off)、(b)12 hr/12 hr（on/off）及（c）16 hr/8 hr（on/off）的累計耗電量成本與累計鮮重的曲線圖。有圖線可知，累計鮮重<20g時，三種光照時間參數的累計耗電量并無太大差異性，在累計鮮重20~40 g范圍內，圖6(a)中8 hr的累計耗電成本為最低，圖6(b)中可觀察出12 hr參數的累計耗電量成本雖然略高于圖6(c)中16 hr的累計耗電量，在累計鮮重為40 g時，16 hr的耗電量成本明顯高于12 hr與8 hr的耗電量成本。

圖3 油麥菜在不同時期時的生長狀況圖

圖4 不同生長周期天數與累計鮮重的曲線圖

圖5 不同生長周期天數與生長速率的曲線圖

圖6 累計耗電量成本與累計鮮重的曲線圖：(a)8 hr/16 hr(on/off)；(b)12 hr/12 hr(on/off)及(c)16 hr/8 hr(on/off)為不同光照射時間的生長周期

3 結論

基于不同光照時間參數進行油麥菜無土栽培種植實驗的設計，對其進行光照時間實驗測試，研究結果表明：

（1）在生長周期21天時，在光照時間為16 hr時最大鮮重為118 g；對12 hr參數而言，累計鮮重達到118 g時生長周期為23天。

（2）在不同光照時間下累計鮮重為40 g時，16 hr的耗電量成本明顯高于12 hr與8 hr的耗電量成本。

（3）在不同生長周期下考查生長速率，可得知以生長周期21天做為分界點，產業(yè)可判斷其栽培成本進行參數選擇，作為未來植物工廠種植參數的使用參考。