溫室智能裝備系列之一百三十一家庭型植物工廠栽培中光溫脅迫對奶油生菜的影響＊

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(shí)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(yàn)材料

所用試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)，具體方法是第一組栽培采用間隔2 天，補(bǔ)光6 h；第二組栽培每天補(bǔ)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(bǔ)光方案對同時(shí)播種的生菜進(jìn)行補(bǔ)光，根據(jù)生菜的生長需要，選用生菜專用的補(bǔ)光燈，采用白光、紅光、藍(lán)光組合（圖2）。正常進(jìn)行人工補(bǔ)光的分組每天都進(jìn)行累計(jì)時(shí)長6 h的補(bǔ)光，作為對照組的生菜，采用縮短補(bǔ)光時(shí)間的方法，補(bǔ)光時(shí)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(jì)，減少補(bǔ)光分組栽培的生菜莖葉細(xì)長，葉片面積較?。粶p少補(bǔ)光分組的葉面積不足正常補(bǔ)光組的葉面積的40%。播種后第10 天，減少補(bǔ)光組的葉片面積持續(xù)下降，不足正常補(bǔ)光組的28%。試驗(yàn)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(bǔ)光不足會(huì)引發(fā)生菜長勢不良。

圖2 LED 補(bǔ)光燈

圖3 人工補(bǔ)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(bǔ)光條件下，溫度對生菜的影響。先將正常補(bǔ)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(shí)促進(jìn)了葉片和根系的快速生長。為了更好的統(tǒng)計(jì)升溫對生菜的影響，需要通過實(shí)時(shí)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(jì)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(jì)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(yàn)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(yàn)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(jì)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(jì)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(yàn)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(bǔ)光不足會(huì)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(huì)損傷生菜的葉和根，抑制生菜生長。