在至少部分受调节的环境中生长植物的系统和方法

摘要

一种用于在至少部分受调节的环境中生长植物(1)的系统，其包含栽培基座(11)，用于接纳其中具有植物根系(4)的栽培基质(3)。提供了能够并适合于向根系施加预定根温的根温控制手段(12)，以及能够并适合于将植物的叶暴露于光化性人造光的光照手段(20，21，22)。根据本发明，还提供了叶加热手段，其能够并且适合于向植物的叶施加不同于环境温度的叶温。因此，在用于生长植物的方法中，植物叶系统的二氧化碳同化管理受到影响，并且光化性光的供应、根温和二氧化碳同化管理彼此互相适应。

说明书

本发明涉及用于在至少部分受调节的环境中生长植物的系统，所 述系统包含用于接受其中具有植物根系的栽培基质的栽培基座，能够 并适合于向根系施加预定根温的根温控制手段，并包含能够并适合于 将植物的叶暴露于光化性人造光的光照手段。此外，本发明涉及以至 少部分受调节的方式生长植物的方法，其中向植物提供光化性光，并 且其中将植物根系的根温维持在所需值。

这样的系统和这样的方法适合大规模应用于温室中的玻璃园艺学 中。其中，在玻璃后面至少基本上封闭和受调节的环境中产生人造气 候，并使其尽可能地适应于植物栽培的最适生长条件。由此能够在植 物不能在户外生存或至少不能达到完全发育的地区和季节生长植物。 此外，由此能够精确地将植物的生产调适至所需的收获时间。因此能 够事先相对精确地估计获得植物的量和时间。此外，如果需要，同样 的产物可以全年生长，并且可以栽培出处于生命所有阶段的植物和花。

在传统的玻璃园艺中，太阳光被用作光化性光的主要光源，所述 光化性光即是其波长能够引发或影响植物的响应、例如叶中的光合作 用或确定的生长状态的任选可见光。此外，太阳光以红外辐射的形式 提供热，由此可以在温室中维持与外部温度相比升高的空气温度。在 不存在太阳光的情况下、例如特别是在夜里，可以进行加热以维持这 种升高的空气温度，而在白天可以利用部分遮挡或过滤来阻止太阳光 的过度进入，并且也可以利用通风来调节气候。总的说来，温室中的 气候可以由此被控制在一定限度内，并可以调适到植物栽培所需的生 长发育，所述生长发育进一步利用受控剂量的水分和营养以及杀虫剂 来控制。这里的另一种组成要素是根温。已经发现，可以通过控制根 温来影响植物的生长。鉴于此，可以提供根温控制手段以便维持根温 有别于空气温度。

然而，经典的玻璃园艺学也具有缺点。首先，这里必须特别考虑 到环境。它消耗能量以保持温室温暖，并且对于某些植物来说需要日 夜照明。因此，重要的是尽可能有效地调节能量管理。此外，当温室 建造在人口稠密地区中或附近时，空间方面也是一个重要因素。传统 温室终归需要太阳光的进入并在这些地区占用相对大量的昂贵的土地 面积，这些土地否则可用于办公室、住宅建设或基础设施。为了解决 这个问题，正在寻求低日光、特别是地下的无日光和多层的解决方案， 以便能够综合利用同一土地面积。因为在这种情况下，需要人工提供 的不仅有热、而且还有光化性光，能量管理更加成问题，因此对于尽 可能高效的植物栽培存在着需求。

本发明的目标尤其是提供在至少部分受调节的环境中生长植物的 系统和方法，其能够进一步提高效率。

为了实现所述目标，前言中所述类型的系统的本发明特点在于提 供了叶加热手段，所述叶加热手段能够并且适合于向植物的叶施加不 同于环境温度的叶温。由此，本发明的系统通过调节叶上能量的正确 量，并且在光的量方面和在为植物生长反应起见的光谱比值例如蓝光/ 红光和红光/远红光比值方面、以及特定反应例如色素形成所需的光谱 方面控制光照，以及控制和优化根压活性，从而提供了凭借叶的受控 蒸发和二氧化碳同化作用的选择。这都发生在至少部分受调节的环境 中，其中在空气湿度平衡、室温和二氧化碳浓度以及用于植物的水和 营养等因素方面，可以将气候控制在狭窄的限度内。

本发明是基于下述认识，即成功的植物发育基本上由三种因素负 责，即光合作用、在优势根压(prevailing root pressure)的影响下植物 中向上推的茎流、以及主要通过植物的叶系统的二氧化碳同化作用， 并且这三种因素必须总是相互适应，以便在事实上实现最佳的植物生 长。除了根温和光化性光的进入之外，植物的二氧化碳同化管理也可 以通过在本发明的系统中提供叶加热手段来控制。由于附加的加热， 叶中的气孔将进一步打开，从而增加了二氧化碳进入叶和水分从叶的 蒸发。如果植物中的茎流受到根温升高的刺激，后者将是特别重要的， 因为这种茎流将必须通过同样的气孔排出。相反，在较低茎流下可以 降低叶温，以便阻止不想要的植物干旱。总而言之，可以由此控制负 责植物发育的最重要的气候参数，以便能够在每个这些组成要素中实 现最佳效率，同时将能量消耗降到最低。

系统的具体实施方案的本发明特点在于，光照手段能够并且适用 于发射能够适应于所栽培植物的所期望的光合作用和/或生长状态的光 照谱。因此，能够仅仅以精确足够的强度供应植物发育所需的光化性 光成分，同时尽可能避免非光化性成分或过量，以便限制系统的总体 能量消耗和/或对植物发育的可能的有害效应。

在另一个具体实施方案中，本发明的系统的特征在于光照手段包 含一组发光二极管，这些二极管能够并且适合于发射不同波长的辐射， 并且可各个地、优选成组地控制。这种所谓的LED元件产生基本上单 色的光，并可获得不同波长，特别是在光谱的远红光、黄光、绿光和 蓝光可见部分中。因此，通过各个LED的组合和选择，能够构建并任 选修改最适合植物具体需要的光合成活性(PAR)光谱。

叶加热手段本身可以用各种方式形成，尽管在优选实施方案中， 本发明系统的特征在于叶加热手段包含能够并且适用于用红外辐射对 叶进行辐照的至少一个热源。除了全部或部分通过中介介质传导的加 热手段之外，还能够与叶进行热交换式接触，这种热源主要通过直接 辐射产生热交换式接触。这不仅引起叶系统的高效并且有效率的加热， 而且还由此以特别有效的方式实现了所打算的与环境的温度差，其有 助于所需的气孔扩大。在另一个优选实施方案中，本发明系统的特征 在于光照手段和热源容纳在相互分开的装置中，以便由此从光化性光 源的调节范围中排除热源自身不可避免的热散逸的可能的破坏性影 响。

尽管根温控制手段本身也能以各种各样的方式实现，但本发明系 统的优选实施方案的特征在于根温控制手段包含用于在运行过程中在 其中接纳具有受控温度的液体流的封闭导管系统，其中导管系统能够 并适合于产生与栽培基质的热交换式接触。这样的导管系统可以由例 如栽培基质中或下方的管或散热片系统形成，液体流在其中交替迂回 流动。通过如此对其中接纳根系的栽培基质进行加热和冷却，能够统 一控制根温。本发明系统的另一个实施方案的特征在于在叶加热手段 与根温控制手段之间提供控制，其使叶温和根温相互依赖。在例如正 常生长轨道中，叶温将因此依从根温的变化，任选地以成正比的方式 而变，使得同化管理与根压变化保持同步。

为了实现所述目标，前言中所述类型的方法的本发明特点在于植 物叶系统的二氧化碳同化管理也受影响，并且光化性光的供应、根温 和二氧化碳同化管理彼此互相适应。这种方法与上面描述的认识相一 致，即根温、所供应的光谱和叶的二氧化碳同化管理不是独立的实体， 而是只有相互关联才能获得最优结果。本发明的方法以例如这些生长 因素的植物依赖性和/或生长阶段依赖性调整的形式，提供了安排这种 相互关联性的选择。

在具体实施方案中，本发明方法的特征在于通过调节叶系统的叶 温以使其不同于环境温度，来影响二氧化碳同化管理。上面描述的本 发明的系统非常适合于实施这种方法，因为除了控制其他所述的生长 因素之外，还可以由此调节叶温，使得如果需要的话，它不同于环境 温度。在另一个具体实施方案中，本发明方法的特征在于光的供应、 根温和叶温取决于植物而彼此相互适应。

出于优化植物的光合作用和生长状态的目的，本发明方法的另一 个具体实施方案的特征在于所提供的光化性人造光的光谱适应于所打 算的植物光合作用和/或生长状态。通过如此特定调适在植物的光合作 用和生长发育中扮演角色的各种光成分的相互比例和强度，在相对低 的总光强度和能耗下仍然能够实现高产率。在本发明的情形中，本发 明方法的另一个具体实施方案的特征在于人造光光谱、叶的叶温和根 温取决于植物而被彼此独立但相互关联地控制。

现在将在示例性实施方案和附图的基础上对本发明进行进一步阐 述。在图中：

图1显示了本发明系统的示例性实施方案中的装置的横截面局部 视图。

图是纯粹示意性的，没有按比例绘制。为了清楚起见，一些具体 尺寸可能程度或多或少地被夸大。图中对应的部件尽可能用相同的参 考数字指称。

图1中显示的系统使用了植物1的多层栽培，以便能够最大可能 地利用可用表面积。植物容纳在培养盘2中，盘中具有适合的栽培基 质3，例如土壤、玻璃棉、石棉或仅仅是水，用于接纳其中植物的根系 4。培养盘2一个在另一个上方放置在几乎完全由不锈钢构造而成的框 架10的梁11上。因此可以将任何所需数量的这种轮架10组合起来， 以形成受调节环境中的完整栽培体系，植物在其中以完全受控的方式 进行充分发育。灌溉和施肥设备(没有进一步显示)安排在轮架10上 或其中，以便为植物提供充足的水和必要的养分。

轮架的梁11各包含以规则的间距迂回的软管或管的封闭导管系统 12。在这点上，连续的中空散热片系统也可以任选用作导管系统。这 种导管系统12，穿过它可以导引受控温度的载热介质例如水以便控制 根系的温度，形成了根温控制手段的一部分。加热的介质在运行过程 中将热释放给例如梁，所述梁接着将热经培养盘传导给其中具有植物 根系的栽培基质。相反，也可以利用冷却的载热介质从根床提取热量。 因此，按照本文描述的方法，在运行期间将根系以或高或低的精确度 保持在所需根温。为了给这种热运输提供更特异的控制，从而提供更 有效的热交换能力，梁采取多层的形式，具有泡沫塑料例如聚氨基甲 酸酯泡沫或聚苯乙烯泡沫的隔热基底13，具有反射顶层14例如反射金 属涂层或提供有这种涂层的其他中间层，然后是导管系统12和在其上 的具有良好导热性的金属板15例如不锈钢。

栽培体系10的每一层都提供有照明装置形式的人造光源20，其中 具有发光二极管(LED)组21，此外还可能有其他光源22例如紫外或 红外辐射器。第一组中的LED二极管发射的光至少主要在光谱的可见 部分中，特别是红、黄、绿或蓝光，而第二组22向其中加入不可见组 分例如红外光和近紫外光。照明装置20提供有控制器(没有进一步显 示)，使用它可以选择性并个别地控制不同的组和组中的元件，以便 在运行过程中使发射光的具体光谱组成适合于所栽培的植物1的需求 和类型。因为梁任选以显著的程度彼此分离，因此如果需要可以向每 根梁提供不同的光谱，以便由此彼此组合地栽培不同的植物并为每种 植物提供最适光谱。这种系统非常适合应用在低日照或甚至无日照环 境中，例如在地下场所中。

在栽培体系中还提供了红外辐射器形式的叶加热手段30，其置于 层中轮架的架子的任一侧上。红外辐射器在植物的叶的方向上发射直 接热辐射，因此如果需要的话，能够使叶的叶温相对于环境温度升高。 由此可以在相当程度上控制叶的二氧化碳同化管理，特别是适应于植 物中由根系4产生的茎流的根压。这是因为叶的加热导致叶中气孔的 扩大，由此使它们更好地能够通过允许水蒸发而释放过剩的根压，同 时光合作用所需的充分的二氧化碳同化继而使用光照手段激活和控 制，仍然通过这些同样的气孔继续。然而，另一方面，如果取的是植 物的插条，则叶系统不被加热或至少在根增长模拟(increased root  simulation)下加热较少，从而限制了蒸发并确保在插条表面上存在多 余水分。总而言之，在本发明的系统中能够由此个别地调节主要的生 长因素，即光合作用、根压和二氧化碳同化，并且这些因素在每个生 长阶段并对于每个植物相互关联地精确调适，以便增进最佳生长和生 长状态。

尽管上面仅仅在一个示例性实施方案的基础上对本发明进行了进 一步阐述，但显然本发明决不仅限于此。相反，专业技术人员不需以 不太明显的方式脱离本发明的范围，就能做出许多其他修改和实施方 案。因此，根温控制手段也能包含直接位于栽培基质中的导管系统， 其或多或少直接与根系进行热交换式接触。在水或水性基质例如玻璃 棉或石棉上进行栽培的情形下，也可以通过受控地控制向其供应的水 的温度，来控制根温。

在实例中使用的人造光是利用发光二极管(LED)，尽管在本发 明的范围内常规的生长用白炽灯也可以适合地代用，并且本发明也适 用于完全或部分日光的情况。

在给定实例中使用的是在活动轮架上的多层栽培，尽管在本发明 的范围内也可以设想以单层栽培和/或以固定的排列方式栽培。

在本发明的范围内，借助叶系统的二氧化碳同化和水分蒸发可以 受到控制并具体适应于根压。代替使用直接红外灯，这也可以利用靠 近叶系统放置的螺旋形灯丝、加热板等来实现。如果需要，叶加热手 段例如实施例中的红外辐射器，可以进一步整合在人造光照手段的同 一个装置中，以达到例如节约空间和/或易于安装的目的。

在本发明中，真正重要的是植物的生长发育由最重要的生长因素 即光合作用、根压和二氧化碳同化的链条中最微弱的环节所决定，并 且按照本发明，所有这些因素以相互关联的方式受到控制，并且如果 需要，通过人工方式改变，以便获得最佳的链条。