(转)马稚昱:现代设施农业植物光环境调控技术及应用

时间:2021-3-18 7 次浏览 分享到:
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马稚昱副院长“现代设施农业植物光环境调控技术及应用”直播回放

在我们云讲堂之前的直播中,有嘉宾分享过设施园艺的全程机械化解决方案,而除了机械化以外,环境因素在设施农业中也是扮演着重要的角色,而其中光环境更是重中之重。所有的农业作物都离不开光照环境,设施环境中的作物也一样,而且对光照的要求更是精准和高质量。

现代设施农业光环境包括了光照强度、光照时数、光质、光照分布等的组成要素,光环境调控是设施农业中仅次于热环境调控的另一个重要措施,所以都说“有收无收在于温,收多收少在于光”。

在自然光照形成的设施光照环境基础上,进行对室内光照条件适当地限制、补充和有目的地调节与控制,可以在充分利用自然光照前提下,营造有利于作物生长全过程的良好光照环境,能够使温室周年生产各种不同的园艺作物,满足市场的供应以及其他需求。

今天 “AI•农业智汇云讲堂”的第二十四期,主题是“现代设施农业植物光环境调控技术及应用”。直播嘉宾是仲恺农业工程学院机电工程学院马稚昱副院长。‍

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“有收无收在于温,收多收少在于光”,从中可以看出在植物生长过程中,光扮演着非常重要的角色,今天马稚昱副院长从以下四个方面进行分享:

植物生长光环境调控的生理基础

设施农业产业的效益提升在于环控技术的提高,在设施生产中的主要对象是植物,整个设施植物调控的部位主要集中在冠层和根区,这两个部位上发生植物的物质、能量、信号等的吸收、反应合成、传递迁移等生理过程。因此整个设施生产过程中,从节能的角度考虑,那就是冠层和根区的调控更加直接与高效。

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而在冠层和根区的调控中,主要包括环境因子优化调控和植物生理适应性调控;根区的调控目标主要是优化植物根系活力、根系吸收等生理过程;冠层的调控目标主要是植物健康和环境因子优化,优化植物的光合作用、呼吸作用和蒸腾速率等生理活动。

从中可以看出植物冠层和根区调控核心的指标就是环境中的光照和地下的营养。所以在植物生长的反应调控过程中,光照和营养的供给均一性主要受栽培系统、营养液系统和光照运行系统设计与运行质量。

本次从设施光照运行设计和相关技术展开。

设施农业人工光系统的组成

在设施农业光反应系统的类型中,尤其在现代设施农业中,光环境调控主要有两类:

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太阳光型

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太阳光型:可通过遮挡、覆盖材料、补光等方式调控设施内光环境。(被动地调控)

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人工光型

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人工光型:可控的,受电光源特性和人为控制双重影响,可呈现出稳定恒一的单一固定光照模式,也可呈现波动动态光照模式。(主动可控,完全可控)

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经过十多年的研究,这类人工光型建立起了以红蓝光为主的光源、光质组成的根本特征。在整个光环境中,出于对健康的影响,通常会回避蓝光的直接视觉显示,因此近年来出现了在蓝光芯片中增加荧光粉衍生出来的白色LED光源装置,这种进一步组合就能组合出来白+红、白+绿、白+红+黄等多种LED组合光源装置。

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以红蓝组合光谱完全可以代替连续自然光进行植物栽培,这已经在设施组培、叶菜、果菜以及草莓等实际生产中得到了广泛的验证。

所以在设施农业光环境调控中,LED光源除了本身具有的光质纯、节能、耐用、光谱调控、冷光源等优势外,作为设施农业专用电源,还要达到高效运用的目的:

01

满足植物生长需求;

02

能够智能调控光质、光强、光周期组成;

03

最大程度让植物叶片获得短距离传输的垂直光照。‍

设施农业人工光系统的组成

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光源

电器

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灯具

控制器

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光源控制器主要目的是给光源供电,控制光源的亮度并控制光源照明状态(亮灭),还可以通过给控制器触发信号来实现光源的频闪,进而大大延长光源的寿命。市面上常用的控制器有模拟控制器和数字控制器,模拟控制器通过手动调节,数字控制器可以通过电脑或其他设备远程控制。

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人工光系统的基本组成(美光源为例)‍

包括了光源、灯具、控制器部分,并且利用网络技术对控制器进行云平台自动控制。在设施农业光环境系统中,要根据设施农业的实际需求对配光和安装系统进行设计,最后加上整体的配件系统,就形成了人工光系统的基本组成。

设施农业LED光源设计与应用策略

LED光源的特点

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固态点光源

色彩丰富

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颜色和波长

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灯具总效率对照表

从上表可以非常清晰地看到LED光源在光源光效、电源效率、有效光照效率以及寿命等方面都明显优于其他光源。因此,在LED设计中,更应该注重可控性、普适性、均匀性和高光电转化率,尽量减少在设计过程中过多的设计造成光损失。

所以总的来讲,在设施农业LED中,需要从以下几个方面对光源进行优化设计组合:

01

LED 芯片光质构建

芯片选择、光谱构建等;

02

LED 阵列设计

适宜光照强度分布及均匀性;

03

LED 灯具发光面性状设计

最大冠层光能截获率;‍

04

散热系统设计

提高寿命、较好的投入产出效益。‍

1

灯珠选型‍

(转)马稚昱:现代设施农业植物光环境调控技术及应用贴片型
(转)马稚昱:现代设施农业植物光环境调控技术及应用大功率型

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贴片型和大功率型LED基本参数

LED灯珠一旦选择就决定了光源的光谱构建,所以在选择灯珠时一定要根据植物生长需求组建不同需求的光谱。

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一个高效的光谱组合是LED高效使用的基础,选择好灯珠以后就要对灯珠排列进行优化。

2

LED 阵列设计‍

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红蓝双的灯珠LED排列组合方案

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辐射照度对比

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红蓝白三色的灯珠LED排列组合方案

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单线

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双线

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错位

辐射照度对比

从上图可知,单线和双线的辐射照度的均匀性得到了非常明显地提高。并以此为基础,对单线和双线光源进行了电路管设计和灯具设计,并以市场上常用的白色植物LED等为对照,进行了实际的辐射光照强度均匀性的研究。

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双线光源

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单线光源

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对照组:

植物LED

从光照强度均匀性的结果中可以看到不同排列方式下,在光接受面上,光照强度均一性影响的不同。其中优化后的单线和双线,光照均匀性明细优于常用的对照度——白色LED植物光源。也可以看到双线设计比较合理,能够有效提高植物光源的光照均匀性和光照效果。

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不同LED植物光源对樱桃小萝卜生长发育的影响

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单线和双线光源比传统LED白灯更有利于长周期和缩短樱桃萝卜特别是地下部生提升产量,单线处理下光源最好。

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通过研究证明了通过对LED植物光源灯珠排列和光源光质组合方式的优化,可以有效提高植物光源的性能及促进植物生长,实现高效节能。

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光质对金线莲生长的影响

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多糖含量

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黄酮含量

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光周期对金线莲的生长影响‍

人工LED光源必须具备适宜的光照强度和光质调控范围

3

灯具‍

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30°倾角反光板(RG2)结构均匀度最好、光强高。

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三种灯具设计

结果发现,第一种棱形悬吊方式获得光线混合的均一性高于其他两种方式。

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通过设计光源系统可以有效改善传统植物光源空间内光线混合不均匀、有效光能利用率不高的现象。

4

控制器‍

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WIFI控制模块

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(多灯式)驱动板模块

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CO2控制模块

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软件界面

5

应用策略‍

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控制模块的终端由STM8微控芯片和CC2530Zigbee通信模块组成,通过zigbee无线传输技术获取主控终端的命令和数据,由STM8微控芯片实现数据处理和LED调光控制。

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广州市光机电技术研究院

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仲恺农业工程学院

LED人工光型环境智能调控系统应用研究示范基地‍

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系统界面

植物光环境LED智能调控装备

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云浮·罗定

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南药产业园 组培苗生产车间

LED人工光型环境智能调控系统应用研究示范基地

从以上分享中可以发现,设施农业生产中,要实现可持续发展,迫切需要一个综合性全面智能化环境系统支撑,克服环境逆境,创造适宜的生产条件。纵观数字农业发展历程,光照是继温度、湿度、二氧化碳、气流等环境因子之后又一个可以实现精准、智能控制的一个重要因素,采用LED人工环境调控可以很好的克服不适应光环境对植物生长的制约,对于保障设施农业优质高产、稳产,具有重要的意义。

人工光环境立体农场

马稚昱副院长“现代设施农业植物光环境调控技术及应用”直播

——观众提问集中回答

设施农业除了光环境因素外,还会受到哪些环境因素的制约呢?

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在设施农业中除了光环境的制约外,还有温度、湿度、二氧化碳、气流、养分等,这些都会影响到植物的健康生长。但是其他的如温度、二氧化碳、湿度以及气流等方面实际上已经有很多的技术来实现自动、智能调控。光照这一块也正在进行,这是一个多元素融合的项目。

您刚刚在讲课中提到的LED智能调控设备在技术层面会有制约吗?

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目前根据我们的研究,在LED智能调控的制约因素主要是对植物生长状态的实时监测,因为我们知道不同的植物有不同的生长阶段,就会有不同的光环境需求。

比如瓜果类的蔬菜来讲,在营养指标阶段会给他适当补充一些红色的光,来促进目标的快速成长。而到了开花结果阶段,我们就要适当补充一些蓝色的光来增加坐果率以及果实的品质。
如何判断植物的生长阶段,这就是我们需要实现的地方。所以设施农业是多学科交叉融合的,包括控制、植物学。这里面还是贯穿了很多的技术

我国在设施农业LED光源调节应用和国外一些发达国家会存在差别吗?具体怎么体现呢?

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差距还是有的,最早是日本建立了植物光型工厂,已经投入生产应用中。而我国在整个领域还需要考虑自动化,这几年虽然也在加大力度去研究。我们虽然和日本、荷兰有一些差距,但这是我们一直要努力的方向。

植物应该也要休息,一直开灯会不会死掉?如何确定不同植物的最大产能?让它休息足够,工作强度也够。

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实际上我刚刚在讲课中也提到,在光环境系统里面的研究,我们主要研究了光谱的组成、光质还有光照强度,实际上还有一个很重要的因素就是光周期。因为植物生长也具有一定的周期性,一天生长当中要完成光合作用,白天通过光照吸收光能进行光合作用;夜间就释放光能进行消化吸收,呼吸产生二氧化碳,实现能量转化。所以在植物生长过程中不会一直开灯,一直开灯的话,植物会生长的不健康。

我们也在研究光周期的植物生长,有一个最佳的光照时间,在这个时间内,植物的生长状态、形态构建,到营养成本都会比较明显。这就是人工光环系统中经常提到的根据不同的植物研究光配方。因为植物也是一个比较复杂的系统,有不同的生长阶段、不同的品种,它所需要的光环境就包括了光谱组成,光周期、光强都是不同的。

LED照明系统装备其光效提升途径有哪些呢,目前研究进展与前景您是怎么看待的呢?

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我也一直在学习,关于LED照明系统的内容。实际上提高LED光效在植物生长中具有非常重要的意义。

一方面来讲,我们要减少能耗,降低成本,因为我们大家都知道设施农业生产中,尤其是大家经常提到的植物工厂,它最大的问题就是能耗比较高。我们可以通过优化光源、光环境系统,减少能耗、降低成本。
另一方面也要通过光环境的调控,来给植物提供一个最好最适合的光照环境,来保证植物健康成长,品质优良的产出。
这是两个共同的方向,在这个问题上我们也一直在努力,所以这些年,我们一直对光环境、光系统灯具的设计,灯珠的选型都在做研究,实际上的目的就是为了提高光效利用率,这是一个重要指标。

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如果有问题想继续与马副院长交流,欢迎在评论区下方留言或者发送邮件交流。

马稚昱副院长邮箱:

[email protected]

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