一种促进抗氧化物质积累的生菜栽培系统及栽培方法

摘要

本发明公开了一种促进抗氧化物质积累的生菜栽培系统及其栽培方法，所述生菜栽培系统包括太阳能供电组件、生菜栽培组件和PLC自动控制系统组件，所述生菜栽培系统可根据生菜的不同生长特性以及各种监测参数自动调节生菜生长环境。本发明还公开了利用上述系统栽培生菜的方法，通过对作物生长所需光的质量控制，促进抗氧化物质的形成；通过调配有机基质配方，促进生菜启动抗氧化系统的遗传表达；利用LED蓝光和紫外光的优化配置，促进生菜体内抗氧化活性物质积累；根据生菜的不同生育期生长特性与环境响应，设定和智能调控生菜生长参数条件，非常适合高抗氧化物质品质的生菜栽培。

说明书

技术领域

本发明涉及一种蔬菜栽培系统和栽培方法，具体涉及一种促进抗氧化物质积累 的生菜栽培系统及栽培方法。

背景技术

叶用莴苣，又名生菜，为菊科莴苣属(Lactuca sativa L.)一年或二年生植物， 是世界范围内广泛种植的蔬菜之一。因其富含许多具有高活性的抗氧化性物质(如 多酚化合物、抗坏血酸、类胡萝卜素和维生素E 等)和膳食纤维，因此又被称之为 “健康食品”。迷你生菜，是一款具有高附加值的生菜产品。与栽培普通生菜相比， 迷你生菜更在意内含营养成分和口感，因此对栽培期间的水肥、温度管理更加苛刻。 现代温室具有不受自然气候影响、可实现自动实施获取温室内微环境数据并可自动 化调控、使用潮汐灌溉实现水肥精准控制等优点，与常规蔬菜种植相比，使用潮汐 方法培养的生菜具有产量高、品质好、病虫害少、无农药化肥、清洁卫生等诸多优 点，能够更好地满足社会对于蔬菜品质和安全性的要求，同时，采用一定的栽培措 施能显著提高生菜内的抗氧化活性物质的生物活性。

在植物栽培架领域，现有的栽培架设置多为控制温室内空气温度，从而调节作 物生长小气候，鲜有通过调控营养液温度控制植物根系生长温度从而调控植物内源 物质的合成的装置研究，也鲜有利用太阳能作为驱动能源的相关研究和利用降压真 空技术种植植物的相关研究，同时，利用减压栽培系统进行蔬菜栽培也未见报道。

在能源使用方面，现有的植物生长系统多采用电能，鲜有利用太阳能作为能源 的系统。

在栽培方法方面，对于蔬菜高产的栽培方法研究已经很多，但鲜有针对其营养 指标的如抗氧化活性的研究。

在栽培介质方面，现有的培养方式多采取无机营养液培养，鲜有使用有机液态 肥循环供给与有机基质混用的研究。

在作物光管理方面，现有的培养方式多采用单一光配方，鲜有使用四段式光照 组合调控的研究。

在作物微环境温度控制方面，现有的控制方式多通过空调恒温控制或使用煤炭 加温等方式控制整个温室温度，鲜有针对控制作物根际温度从而控制植株生长温度 的研究。

在营养液消毒方法方面，现有的消毒方式多采用臭氧消毒，鲜有针对活性氧消 毒方式对作物代谢调节影响的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种促进抗氧化物质积累的生菜栽培系统，该系统具有 太阳能发电驱动，使用有机营养液恒温系统调控最适宜生菜生长的温湿度微环境， 使用CO₂发生器、O₂发生器和控压装置调节最适宜生菜生长的气体气压微环境等 特点，还配置了适宜的光配方进行补光的功能，能精准控制生菜最适宜生长的水肥， 高效利用空间。

本发明所采用的技术方案为：一种促进抗氧化物质积累的生菜栽培系统，包括： 太阳能供电组件、生菜栽培组件和PLC自动控制系统组件；

太阳能供电组件与生菜栽培组件和PLC自动控制系统组件电连接，用于提供 电能供给；

生菜栽培组件包括营养液调配循环系统、CO₂发生器、O₂发生器、气压控制 器、光照系统和至少一个生菜生长架，所述生菜生长架提供生菜的生长空间，所述 营养液调配循环系统用于向栽培中的生菜提供营养液，所述CO₂发生器和O₂发生 器用于制造栽培环境中的CO₂和O₂，所述气压控制器用于调节栽培环境中的气压， 所述光照系统用于调节适宜的光照；

PLC自动控制系统组件分别与生菜栽培组件中的营养液调配循环系统、CO₂发生器、O₂发生器、气压控制器和光照系统电连接，分别用于控制营养液的配比、 酸碱度和温度，CO₂和O₂的比例、气压的大小以及光照的选择和强度。

进一步地，所述太阳能供电组件包括太阳能发电机、蓄电池和变压器。

进一步地，所述生菜生长架为多层架体，每个栽培层的底部设置有栽培槽，栽 培槽内注有营养液，栽培槽上覆盖有栽培网。

优选地，每个栽培层的高度为40cm，栽培槽深度为10cm。

优选地，所述栽培网由塑料制成，所述栽培网用于提供多个结构稳定的栽培孔 并固定穴盘使穴盘能放置于网孔中，营养液可透过穴盘下方的孔进入盘内，使生菜 苗的根部能浸没在营养液中，叶片露出在液面之上；所述栽培网的厚度优选为0.1 cm。

优选地，每个栽培层的四周侧壁采用真空玻璃磨砂板，在该磨砂板内嵌设有滤 光层和太阳光滤光转换器，能根据实际情况选择透过单色光、复合光或不透光。

进一步地，每个栽培层的顶部设置有LED复合光配方补光灯，所述LED复合 光配方补光灯和真空玻璃磨砂板、滤光层、太阳光滤光转换器构成光照系统。

进一步地，每个栽培层设置有可开闭的门，该门闭合时该栽培层形成一个封闭 的独立系统；优选地，所述门为真空玻璃磨砂板材质，内嵌有滤光层和太阳光滤光 转换器。

优选地，所述生菜生长架的底下设置有滚动轮。

进一步地，在所述栽培槽的两端设置有营养液通入管道和营养液输出管道。

优选地，在所述栽培槽的液面下设置有营养液温度感应器、营养液溶O₂检测器和O₂通入管道。

优选地，在所述栽培槽内设置有溢水管，用于控制所述营养液的液面高度。

进一步地，所述营养液调配循环组件包括储液罐、酸碱罐、水源、至少一个营 养液母液罐、多个阀门、栽培槽及其营养液通入管道和营养液输出管道，以及营养 液回流装置；所述酸碱灌、水源和至少一个营养液母液罐均与所述储液罐相连，在 PLC自动控制系统组件的控制下，通过阀门的开闭将营养液母液罐中的肥料与酸 碱液混合后输送至储液罐，在所述储液罐中再与水混合，配制成最终的营养液，通 过管道注入所述栽培槽内；多余或培养后剩余的营养液再通过营养液回流装置流回 所述储液罐内。

优选地，所述营养液调配循环组件还包括恒温装置，所述恒温装置包括温度 传感器、加热装置和制冷装置，所述温度传感器接入储液罐和/或栽培槽中的营养 液内，所述加热装置和制冷装置接入储液罐内，所述恒温装置受所述PLC自动控 制系统组件的控制；营养液进入储液罐时被加热或冷却至设定的温度，然后流入栽 培槽内，经过培养一段时间后温度超出设定范围的培养液经回流装置流回储液罐中 被重新加热或冷却后，再次流入栽培槽内，不断循环。

优选地，所述营养液母液罐为三个，第一罐内装有有机碳素肥料，第二罐内装 有有机氮素肥料，第三罐内装有微量元素(包含硒和碘)肥料。

优选地，所述营养液回流装置包括回流管道和回流过滤器，所述回流过滤 器一端与回管道相连，另一端与储液罐相连，回流营养液通过回流管道经回流 过滤器过滤后回到储液罐内；所述回流过滤器优选为膜过滤器。

优选地，所述营养液调配循环组件还包括消毒装置，所述消毒装置优选设置于 储液罐处，用于对储液罐中的营养液进行消毒。

优选地，所述消毒装置采用活性氧消毒器进行消毒。

优选地，所述营养液调配循环组件还可包括：注肥泵，用于将从所述营养液母 液罐或酸碱罐中流出的肥料或酸碱液加压后注入储液罐中；供液泵，用于将从储液 罐中流出的营养液加压后注入栽培槽；压力表，用于检测从储液罐和/或营养液母 液罐流出的营养液的压力；给液过滤器，用于过滤从储液罐内流出的营养液；给液 电磁阀，用于控制栽培槽营养液通入管道的流通与否；节流阀，用于控制营养液流 入栽培槽的流速；排液电磁阀，用于控制栽培槽营养液输出管道的流通与否；回液 泵，用于给回流管道内的营养液加压。

进一步地，所述CO₂发生器和O₂发生器被设置在同一个装置中，其产生的CO₂ 通过CO₂通入管道通入所述栽培层的空气中，产生的O₂通过O₂通入管道通入所 述栽培层的栽培槽内的营养液中。

进一步地，所述气压控制器通过抽真空管道控制所述栽培层内的空气压力；当 栽培层内的压力高于设定范围时，所述气压控制器抽出其内的空气；当栽培层内的 压力低于设定范围时，所述气压控制器向其内释放外部空气。

进一步地，所述PLC自动控制系统组件包括检测系统和控制系统；所述检测 系统包括营养液温度传感器、营养液电导率传感器、营养液酸碱度传感器、营养液 溶O₂检测器、相对湿度传感器、CO₂浓度检测器、光照传感器和气压传感器；所 述控制系统根据实际需要及检测系统的检测数据控制营养液调配循环系统、CO₂发生器、O₂发生器、气压控制器和光照系统来调节营养液的温度、配比和酸碱度， 营养液中O₂的浓度、环境中的相对湿度、CO₂的浓度和气压的大小，以及光照的 选择和强度。

优选地，所述PLC自动控制系统组件还包括液位控制器、可编程时间控制器 等。

在本发明的一个优选实施例中，所述生菜栽培组件包括三个生菜生长架：一号 生长架、二号生长架和三号生长架，其栽培层栽培孔孔径为6cm，相邻两个栽培 孔的圆心距为9cm。

本发明还提供了一种利用上述促进抗氧化物质积累的生菜栽培系统栽培生菜 的方法，包括以下步骤：

1)将生菜种子播种于穴盘中，穴盘基质为有机生态型基质，并将穴盘移入催 芽箱中进行催芽处理；

2)将已发芽的穴盘移入一号生长架内；一号生长架内使用光配方1栽培1天；

3)一号生长架内使用光配方2生长阶段，第2-9天；

4)二号生长架内使用光配方3生长阶段，第10-20天；

5)三号生长架内使用光配方4生长阶段，第21-35天；

6)第35-41天收获。

进一步地，所述光配方1为：设置滤光器为不透光；设置LED复合光配方补 光灯为蓝光光源，设置光量50μmole/m²/s；所述光配方2为：设置滤光器为不透 光；设置LED复合光配方补光灯为蓝光光源，设置光量250μmole/m²/s，每日补光 16h，太阳光量不够时进行LED补光；所述光配方3为：设置滤光器滤去可见光、 LED补光灯为蓝光，设置光量250μmole/m²/s，每日补光16h，太阳光量不够时进 行LED补光；所述光配方4为：设置滤光器滤去可见光、LED补光灯为蓝光，设 置光量250μmole/m²/s，每日补光16h，太阳光量不够时进行人工补光。

所述的不同生长架之间是LED灯光组合调控，目的是突破传统的生菜培育过 程，简化栽培程序。

优选地，所述生菜品种为迷你生菜；进一步优选地，所述迷你生菜栽培品种为 Lollo Rossa、Rossa Ricciolina Da Taglio或Parella Rossa。

本发明具有以下有益技术效果：

1、本发明将LED补光灯改为太阳光滤光转换器和LED复合光配方补光灯， 本系统可以选择性利用单色光和复合光，也能利用太阳光，本发明采用自行研制的 四段式复合光配方培养，具有显著提升生菜体内抗氧化活性物质积累的作用。LED 蓝光有利于苗期生菜壮苗，LED蓝光和紫外光补光灯有利于生菜体内抗氧化活性 物质积累。

2、本发明利用太阳能驱动，有利于节约能源。

3、本发明将UV消毒装置改为活性氧消毒装置，并与作物代谢进行协同调控， 能增加生菜产量、抗氧化活性物质含量，同时能去除营养液中的自毒物质。

4、本发明通过控制营养液温度控制生菜根际温度，从而调整适生微环境温度 和相对湿度，较传统使用空调和加湿器控制温湿度更为简单方便，且效果更好。

5、本发明使用液态有机肥代替传统无机营养液，更有利于抗氧化活性物质的 积累。同时，本发明采用自制肥料配方，包括碘、硒等微量元素的添加，能增加所 培养的生菜抗氧化物质的积累并不影响产量。

6、本发明使用减压装置实现生菜减压栽培，有利于抗氧化活性物质的积累。

7、根据生菜的不同生育期生长特性，本发明设置多个多层生长架和配套的栽 培过程适宜的生长参数条件，有利于生菜的大规模生产和控制。

8、本发明降低了夜间的环境温度，增大了昼夜温差，有利于生菜抗氧化物的 积累。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的连接关系图；

图2为本发明一个优选实施例的生菜生长架正视示意图；

图3为图2中的优选实施例的最左侧单元的一个栽培层的正视示意图；

图4为图3中的栽培层的左视剖面示意图；

图5为栽培网上的栽培孔的排布示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技 术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。 这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：太阳能供电组件A、PLC自动控制系统组件B、 以及生菜栽培组件C(图中虚线框出部分)，所述生菜栽培组件包括三个相互并联 的生菜生长架：一号生菜生长架1、二号生菜生长架2和三号生菜生长架3；三个 营养液母液罐：第一营养液母液罐4、第二营养液母液罐5和第三营养液母液罐6； 酸碱罐7、市政水管8、进水电磁阀9、储液罐10、恒温装置11、消毒装置12、 CO₂和O₂发生器13、膜过滤器14。此外，所述生菜栽培系统还包括注肥泵、供 液泵、给液电磁阀、排液电磁阀。

如图2所示，本实施例的生菜生长架为四个单元的并列结构，每个单元有2 列和12个栽培层，设置有一对开门，具有通风功能并方便搬运生菜苗，该对开门 关闭时，对应的单元内形成一个密封的独立空间，该生菜生长架的底部设置多个滚 轮，所述生菜生长架为钛合金材质。此外，每个单元的每个栽培层的尺寸为4m(长) ×3m(宽)×0.4m(高)。在每个栽培层的顶部按一定规律设置多个LED复合光配 方补光灯15。

图3为本实施例最左侧单元的一个栽培层的正视示意图，图4为其左视剖面示 意图。栽培层的顶部设置有LED复合光配方补光灯15，所述补光灯为三排灯管并 列设置，底部为栽培槽16，栽培槽内通入培养液，在栽培槽上覆盖有栽培网17， 厚度为0.1cm。栽培槽16的左侧下部设置有营养液通入管道18，右侧下部设置有 营养液输出管道19，三个生菜生长架的营养液输出管道均与回流管道20相连通， 该回流管道最终通回储液罐10，其中回流的营养液经过膜过滤器过滤后回到储液 罐中再次被加热或冷却，循环使用。栽培槽16的底部还设置有营养液温度感应器 21。

在该栽培层的四周为带有滤光层的真空磨砂玻璃，所述玻璃中设置有滤光层 和太阳光滤光转换器，左侧玻璃中嵌有O₂通入管道22和CO₂通入管道23，其中 O₂通入管道22通至液面下；右侧玻璃上设置有感应器组件24，感应器组件24部 分设置在液面下，且液面下那部分感应器包括营养液电导率传感器、营养液酸碱度 传感器、营养液溶O₂检测器。在另一个优选实施例中，所述感应器组件也可以四 个单元的同一栽培层仅设置一个，设置在最右侧单元的右侧玻璃上。

此外，在所述栽培层的后壁上还设置有抽真空管道(图中未示出)，所述抽真 空管道与气压控制器相连，可向栽培中输入或从栽培层中抽出空气。

感应器组件24在营养液液面上的部分包括CO₂浓度检测器、光照传感器、相 对湿度传感器和气压传感器。

图5所示为生菜生长架中的栽培网排布示意图，每个单元的每个栽培层设置有 两片栽培网，每片栽培网上有多列多行对齐排列的小圆孔，孔的直径为6cm，相 邻两个圆孔的圆心距为9cm；所述栽培网由塑料制成，所述栽培网用于提供结构 稳定的栽培孔并固定穴盘使穴盘能放置于网孔中，营养液可透过穴盘下方的孔径进 入盘内，生菜苗的根部可浸没在营养液中，叶片露出在液面之上，栽培网的厚度为 0.1cm。

上述生菜栽培组件中的第一营养液母液罐4、第二营养液母液罐5、第三营养 液母液罐6、酸碱罐7、市政水管8、进水电磁阀9、储液罐10、三个栽培槽16及 其营养液通入管道18和营养液输出管道19、回流管道20以及各部件之间的其它 连接管道和管道上的控制阀构成了营养液调配循环组件。

本实施例中，所述消毒装置使用TiO₂光催化消毒器，用于对储液罐内的营养 液进行消毒。

使用本发明培养生菜时，由PLC自动控制系统组件B输出指令，根据感应器 组件24和营养液温度感应器21的检测数据，开启LED复合光配方补光灯15、真 空磨砂玻璃中的太阳光滤光转换器，同时开启注肥泵将营养液母液罐4、5、6和酸 碱罐7中的肥料与酸碱液混合后输送至储液罐10，打开市政水管8的进水电磁阀9， 将肥料、酸碱液、水混合，制成所需营养液，启动营养液恒温装置11，将营养液 加热或降温至所需温度。打开供液泵和三个生长架的给液电磁阀，营养液经过消毒 装置12消毒后被输送至一号生菜生长架1、二号生菜生长架2和三号生菜生长架3， 关闭三个生长架的排液电磁阀，营养液在栽培槽内的水位不断升高，水位由灌溉时 间确定，同时设有溢流管，到达预期水位后，关闭给液电磁阀。根据营养液溶O₂检测器的检测数据开启O₂发生器，根据CO₂浓度检测器的检测数据开启CO₂发生 器，制造适宜生菜生长的微环境。根据栽培槽的营养液温度感应器21的数据，当 温度低于或高于预设值时，打开排水电池阀和回液泵，营养液回流到储液箱10， 完成一个灌溉周期。

本实施例提供的优选栽培方法，包括以下步骤：

第一步，使用市售32孔穴盘进行育苗，并将穴盘移入催芽箱中进行催芽处理 至种子发芽(约为3天)，穴盘基质为有机生态型基质，生菜品种为Lollo Rossa、 Rossa Ricciolina Da Taglio、Parella Rossa等优选种。

第二步，种子在32孔穴盘内发芽后移入一号生菜生长架的栽培孔中，使用光 配方1(设置滤光器为不透光；设置LED复合光配方补光灯为蓝光光源，设置光 量50mole/m²/s)照射1天；设置营养液温度为25摄氏度，设置有机营养液EC值 1200S cm^-1，溶氧量8ppm，pH 5.5，标准气压。

第三步，第2-9天，幼苗在一号生菜生长架的栽培孔中，使用光配方2(设置 滤光器为不透光；设置LED复合光配方补光灯为蓝光光源，设置光量250 μmole/m²/s，每日补光16h，太阳光量不够时进行LED补光)进行培养，设置CO₂浓度1200ppm，无光阶段400ppm，设置水温白天25摄氏度，夜晚19摄氏度， 设置有机营养液EC值1200S cm^-1，溶氧量8ppm；相对湿度30％-70％，pH 5.5， 标准气压。

第四步，第10-20天，幼苗从一号生菜生长架中移栽至二号生菜生长架的栽培 孔中，使用光配方3(设置滤光器滤去可见光、LED补光灯为蓝光，设置光量250 μmole/m²/s，每日补光16h，太阳光量不够时进行LED补光)进行培养，设置CO₂浓度1200ppm，无光阶段400ppm，设置营养液温度白天22摄氏度，夜晚15摄 氏度，设置有机营养液EC值2400S cm^-1，溶氧量8ppm，相对湿度30％-70％，pH 5.5，标准气压。

第五步，第21-35天，幼苗由二号生菜生长架中移栽至三号生菜生长架的栽培 孔中，使用光配方4(设置滤光器滤去可见光、LED补光灯为蓝光，设置光量250 μmole/m²/s，每日补光16h，太阳光量不够时进行人工补光)进行培养，设置CO₂浓度1500ppm，无光阶段400ppm，设置水温白天22摄氏度，夜晚15摄氏度， 设置有机营养液EC值2400S cm^-1，溶氧量4ppm，相对湿度30％-70％，pH 5.5， 气压为0.8×10⁵Pa。

第六步，第35-41天，收获。

实施例2

对本发明的栽培方法获得的生菜的抗氧化物质和抗氧化活性进行验证实验， 具体过程如下：

使用Lollo Rossa品种迷你生菜种子播种于32孔穴盘进行育苗至种子发芽， 移栽至按照实施例1上述的栽培系统中，按照实施例1的栽培方法栽培35天(记 为处理1)，并设置常规栽培对照(按照DB31/T 333-2005《安全卫生优质结球生菜 生产与加工技术操作规范》进行栽培)，实验设置3次生物学重复。

(1)生菜中主要抗氧化剂含量测定

多酚含量测定采用福林酚比色法，采摘新鲜生菜叶样品2.5g，液氮研磨至粉末 状，加入v/v＝1：1的盐酸(0.1mol/L)甲醇缓冲液5ml，匀浆，移至离心管中于 9000转离心30min，重复3次，合并萃取液，最后用甲醇定容至25ml。

取提取液0.5ml，加入福林酚水溶液(v/v＝1:4)2ml，3min后，加入w/v＝10％ 和碳酸钠溶液10ml，反应30min后于735nm检测吸光度，使用没食子酸做标准曲 线。维生素C含量测定使用GB/T 6195-1986(2,6-二氯靛酚法)。

(2)生菜抗氧化活性测定

使用1，1-二苯基-2-三硝基苯肼清除能力检测法(DPPH法)和氧自由 基清除能力检测法(ORAC法)评估生菜抗氧化活性。

(3)结果与分析

表1示出了上述采用实施例1的栽培系统和栽培方法栽培的生菜与采用常 规栽培方法栽培的生菜抗氧化活性各项指标的对比结果。

表1不同栽培方式对生菜抗氧化活性的影响

注：表中不同字母代表差异极显著，P＜0.01，LSD法

使用该系统栽培下生菜抗氧化活性如表1所示，已有的研究表明多酚和VC是 生菜体内主要的抗氧化物，较对照而言，处理1多酚总量、VC总量均极显著高于 对照，DPPH法和ORAC法测定的生菜抗氧化活性也与对照差异极显著。以上结 果表明该系统能极显著的增加了生菜体内的抗氧化物含量并提高了抗氧化活性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领 域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的 实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。