張 梅，馬 偉，唐 境，李 星，許 娟（1.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院，成都 611130；.成都農(nóng)業(yè)科技中心，成都 610000；3.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院5G+智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)應(yīng)用研究中心，成都 611130）

家庭型植物工廠是指在人們?nèi)粘＜揖迎h(huán)境中，依靠人工光和水培方式，對作物生長微氣候環(huán)境進(jìn)行控制，實現(xiàn)蔬菜連續(xù)高效培育的小型設(shè)施，起到家庭蔬菜生產(chǎn)和心情調(diào)節(jié)的作用。家庭型植物工廠多用于栽培葉菜，根據(jù)需要調(diào)整人工光配方，也可以栽培果菜。蔬菜的品質(zhì)好壞受到栽培過程中的光、溫、肥的影響。光、溫、肥脅迫是通過人工手段改變作物生長的外界環(huán)境，研究作物外界環(huán)境的極限條件，作物和外界環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系。作物由于受到脅迫，正常的生長因此受到影響。本文探索光溫環(huán)境對家庭植物工廠作物生長的影響。

材料和方法

試驗材料

所用試驗材料為奶油生菜，品牌為“華煜”，在河北省青縣繁育，播種日期為2021 年12 月4 日。栽培箱容積可調(diào)節(jié)，本次試驗單層栽培，栽培面積0.4 m2。水培的肥料采用復(fù)合肥和水按照5:20 比例稀釋后，加入栽培箱的純凈水中。試驗在室溫條件下進(jìn)行，7 天內(nèi)平均溫度為7～10℃，室內(nèi)光環(huán)境為自然光環(huán)境。

試驗方法

采用2 套配置相同的家庭型植物工廠，在同等條件下進(jìn)行栽培。先進(jìn)行光脅迫試驗，具體方法是第一組栽培采用間隔2 天，補光6 h；第二組栽培每天補光6 h。然后進(jìn)行溫度脅迫，將栽培溶液加熱到45℃以上，持續(xù)24 h 后恢復(fù)到室溫。

數(shù)據(jù)處理方法

采用圖像處理的方法，通過俯視圖和側(cè)視圖，求出生菜的葉面積（圖1）。

圖1 提取的生菜圖像

結(jié)果和分析

光脅迫對生菜的影響

采用不同的補光方案對同時播種的生菜進(jìn)行補光，根據(jù)生菜的生長需要，選用生菜專用的補光燈，采用白光、紅光、藍(lán)光組合（圖2）。正常進(jìn)行人工補光的分組每天都進(jìn)行累計時長6 h的補光，作為對照組的生菜，采用縮短補光時間的方法，補光時間縮減到1/3。播種后第7 天，兩組存在顯著的差異，如圖3 所示，采用上圖的圖像數(shù)據(jù)處理方法統(tǒng)計，減少補光分組栽培的生菜莖葉細(xì)長，葉片面積較??；減少補光分組的葉面積不足正常補光組的葉面積的40%。播種后第10 天，減少補光組的葉片面積持續(xù)下降，不足正常補光組的28%。試驗結(jié)果說明光對生菜生長具有重要作用，在第7 天之后差距逐漸加劇，補光不足會引發(fā)生菜長勢不良。

圖2 LED 補光燈

圖3 人工補光處理

溫度脅迫對生菜的影響

通過逐步升高溫度來觀察在正常人工補光條件下，溫度對生菜的影響。先將正常補光的分組放置在家庭型植物工廠架子上，在架子下1 m 位置處放置加熱設(shè)施。先將生菜周圍溫度從15℃加熱到25℃，水培溶液加熱到22℃，溫度保持3 天，即到了播種13 天后，生菜長勢旺盛，見圖4，說明溫度提升顯著加快了生菜的長勢。

圖4 生菜長勢俯視圖

從圖5 也可看出，從栽培基質(zhì)外部對比根系的長度、粗細(xì)和顏色，生菜的根系比之前更加發(fā)達(dá)，溫度的提升同時促進(jìn)了葉片和根系的快速生長。為了更好的統(tǒng)計升溫對生菜的影響，需要通過實時獲取葉面積和葉片邊緣的缺水情況，觀察升溫脅迫對葉片水分的影響，因此圖像處理方法需要滿足條件包括檢測速度快，對硬件要求低，穩(wěn)定光源下識別準(zhǔn)確率高。為了觀察和統(tǒng)計升溫對生菜生長和邊緣的影響，通過HSV 閾值分割的方法，快速識別出穩(wěn)定光源場景下生菜俯視圖和側(cè)視圖中的葉片形狀和輪廓，見圖6。結(jié)合計算出的生菜葉面積，比升溫前的葉片面積增加了11 倍以上。試驗結(jié)果可為后續(xù)的生菜管理、采收等環(huán)節(jié)的裝備研發(fā)和栽培工藝提供數(shù)據(jù)支撐。

圖5 生菜生長側(cè)視圖

圖6 穩(wěn)定光源場景下生菜俯視圖和側(cè)視圖

試驗使用家用型加熱器，品牌為“格力”，通過加熱裝置升溫，營養(yǎng)液溫度最高可至45℃，持續(xù)24 h 后通過提取的圖像發(fā)現(xiàn)葉片的邊緣開始脫水枯萎，說明升溫影響了生菜的葉片生長。停止加熱60 h 后，再一次統(tǒng)計生菜葉面積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)生菜的葉面積沒有變化，根系變黑，見圖7。在經(jīng)過70 h 后統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，葉面積仍無變化?？梢娚郎?fù)p壞了生菜的葉片和根系，抑制了生菜的正常生長。

圖7 升溫后生菜葉片

總結(jié)

本文利用家庭型植物工廠栽培生菜，通過試驗探索光、溫脅迫的方式對生菜的影響，通過圖像處理的方法，定量地獲得光、溫脅迫條件下生菜的變化。研究表明，人工光對植物的長勢有顯著影響，補光不足會制約生菜的生長。冬季升溫到25℃能有效促進(jìn)生菜生長，但升溫到45℃以上會損傷生菜的葉和根，抑制生菜生長。