[發明專利]一種基于吸收動力學方程的生菜生長環境調控方法及系統

在審

• 申請號: 202310560383.7
• 申請日: 2023-05-18
• 公開（公告）號: CN116338109A
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發明（設計）人: 陳澤瑞;張喜海;李鴻博;宋偉先;孟繁鋒;張宇;王政達;王浩;夏舉恒
• 申請（專利權）人: 東北農業大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G05D27/02;A01G31/00
• 代理公司: 黑龍江立超同創知識產權代理有限責任公司 23217
• 代理人: 沈麗

1.一種基于吸收動力學方程的生菜生長環境調控方法，其特征在于，基于耗竭法進行生菜吸收動力學實驗，分別在不同的溫度梯度下，將生菜放入一定濃度的硝酸根離子吸收液中，分別在放入后的0、1、2、4、6、8、10h時間階段測定吸收液中離子濃度，結束后立即剪取生菜根系并吸干表面水分，稱重并記錄；

以測定時間為橫坐標，吸收液樣品中離子濃度為縱坐標，擬合各溫度下生菜吸氮的動力學曲線方程，求解不同溫度下生菜吸氮的動力學參數，確定生菜根系吸氮對外界溫度變化的響應，從而制定調控策略。

2.根據權利要求1所述的基于吸收動力學方程的生菜生長環境調控方法，其特征在于，所述溫度梯度為：14、17、20、23、26、29℃。

3.根據權利要求2所述的基于吸收動力學方程的生菜生長環境調控方法，其特征在于，所述吸收液中硝酸根離子濃度為4.8～5.2mmol/L的營養液；

優選的，所述吸收液中硝酸根離子濃度為5mmol/L的營養液。

4.根據權利要求1所述的基于吸收動力學方程的生菜生長環境調控方法，其特征在于，測定吸收液中離子的濃度，采用離子傳感器測量吸收液中的離子濃度。

5.根據權利要求1所述的基于吸收動力學方程的生菜生長環境調控方法，其特征在于，在生菜吸收動力學實驗之前，還包括對生菜進行饑餓處理，具體為：在與生菜吸收動力學實驗相同的溫度梯度下，將生菜苗放入饑餓液中46～48h，每天光照11～12h，光照強度為180～200μmol/(m²·s)。

優選的，所述饑餓處理過程為，將生菜苗放入饑餓液中48h，每天光照12h，光照強度為200μmol/(m²·s)。

6.根據權利要求5所述的基于吸收動力學方程的生菜生長環境調控方法，其特征在于，所述饑餓液為0.2mmol/LCaSO₄的溶液。

7.根據權利要求1所述的基于吸收動力學方程的生菜生長環境調控方法，其特征在于，所述生菜苗是按照如下方法培養得到的：將生菜種子用1％次氯酸鈉消毒5min后，分散放置在紗布上，轉移到盛有適量水的育苗盤中，并覆蓋一層吸水紙，保持種子濕潤，種子發芽后，去除吸水紙讓幼苗自由生長，同時保證育苗盤中水超過根部，待幼苗展開第一對子葉，將育苗盤移至溫室中培養架上給予光照，待生菜長出4葉一心，用海綿包裹幼苗根部，將生菜幼苗移栽至營養液中培養，每層培養架的光照強度為170～200μmol/(m²·s)，每日從早5點到晚9點光照16h，且培養過程中水泵以2000L/H的流量每隔20分鐘循環2分鐘。

8.根據權利要求1所述的基于吸收動力學方程的生菜生長環境調控方法，其特征在于，所述生菜吸收離子的動力學曲線方程的表達式為：

Y＝aX²+bX+c?????(1)

對方程求一階導數得到濃度變化速率方程：

Y'＝2aX+b?????(2)

其中，Y表示營養液中離子的濃度，X表示植物根系吸收離子的時間，Y'表示介質濃度的變化速率，a為二次項系數，b為一次項系數，c為常數項；

由于離子消耗曲線為開口向上且遞減的二次曲線，所以當X＝0即Y'＝b時，介質濃度有最大變化速率，選擇根系鮮重為度量單位，求得最大吸收速率V_max，即

其中，V為養分吸收試驗液體的原體積，RFW為根系鮮重；

吸收速率為時溶液的離子濃度為米氏常數K_m，令解得將X代入公式(1)求得：

為了增強對比性，選擇用來表示根系對養分離子的親和力；當吸收速率為0時介質中離子的濃度為平衡濃度C_min，即Y'＝0，求解X帶入公式(1)求得：

流入速率公式為：

9.一種基于吸收動力學方程的生菜生長環境調控系統，其特征在于，包括：

環境監測模塊，包括二氧化碳傳感器、光照度傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器，用于監測環境數據，并發送；

營養液監測模塊，包括PH傳感器、EC傳感器、傳感器和溫度傳感器，用于監測營養液的酸堿度、離子濃度、離子濃度和溫度，并發送；

控制模塊，接收環境監測模塊和營養液監測模塊發送的數據，包括與環境監測模塊和營養液監測模塊傳感器相對應的多個控制器，發送控制指令，其中，環境溫度的控制根據生菜吸收動力學分析模型確定的最佳溫度目標值，確定需要調控的溫度數據；

環境執行模塊，接收控制數據，以此對環境進行調整，包括與環境監測模塊中傳感器對應的執行設備，包括：CO₂發生器、生長燈、壓縮機、風扇、加濕器；

營養液執行模塊，接收控制數據，以此對營養液環境進行調整，包括水泵；

所述生菜吸收動力學分析模型通過如下方式構建：

首先，根據環境溫度參數，基于耗竭法進行生菜吸收動力學實驗，在不同溫度梯度下，將生菜放入一定濃度的硝酸根離子吸收液中，分別在0、1、2、4、6、8、10h時間階段測定吸收液中離子濃度，結束后立即剪取生菜根系并吸干表面水分，稱重并記錄；

其次，以測定時間為橫坐標，吸收液樣品中離子濃度為縱坐標，擬合各溫度下生菜吸氮的動力學曲線方程，求解不同溫度下生菜吸氮的動力學參數，選擇流入速率值最大的溫度作為最佳溫度。