專利名稱：一種調(diào)控植物生長(zhǎng)的光物理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物物理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的光物理方法。
植物的生長(zhǎng)發(fā)育離不開光照、水分、營(yíng)養(yǎng)(肥料)、空氣和溫度，特別是高等植物離開上述五大條件便無法生存，目前對(duì)影響植物生長(zhǎng)的這幾個(gè)條件前人已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究并取得了很大的成果，人們已經(jīng)有辦法通過給作物施用特定的肥料和澆水來提供必要的養(yǎng)分和水分從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，可以通過溫室來調(diào)控作物需要的溫濕度進(jìn)行反季節(jié)的栽培，光線的調(diào)控方面，自從上世紀(jì)50年代末發(fā)現(xiàn)光敏色素以來，植物在連續(xù)光譜持續(xù)照射形態(tài)種植技術(shù)方面的研究，世界上許多國家都在做，也有不少成功的報(bào)道特別是上世紀(jì)90年代以來，光調(diào)控對(duì)植物作用的基因表達(dá)和光信息傳導(dǎo)研究已成為國際上植物生理學(xué)和分子生物學(xué)的熱點(diǎn)問題，上世紀(jì)70年代以來，我國逐漸重視可見光譜中高頻光對(duì)植物生長(zhǎng)、代謝、發(fā)育和遺傳的影響，80年代我國北方曾大面積推廣增光肥料和單色增光薄膜技術(shù)，在小麥、棉花、玉米、甜菜和大豆等植物種植領(lǐng)域取得重大成果，增產(chǎn)、早產(chǎn)方面的效益顯著。近年來用發(fā)光二極管發(fā)出單色光譜持續(xù)照射植物，研究植物生長(zhǎng)的課題也時(shí)有報(bào)道，但是還沒有找到一種可以模擬自然光的周期掃描特性使作物在人工模擬的條件下正常生長(zhǎng)的方法，因此目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上在光的方面還不能像水分、營(yíng)養(yǎng)等方面進(jìn)行人工的調(diào)控，仍然只能依靠自然太陽光，而太陽光隨著氣候、季節(jié)、地域的不同變化無常，因此靠天吃飯的問題依然無法解決?，F(xiàn)在的人工培養(yǎng)箱大多數(shù)只使用幾盞自熾燈作為模擬光源，只能用于培養(yǎng)低等植物，真正能用于培養(yǎng)高等植物的人工培養(yǎng)裝置至今未見報(bào)道。
本發(fā)明的目的是提供一種光物理調(diào)控的方法，使植物能在人工模擬光物理環(huán)境條件下正常生長(zhǎng)。
本發(fā)明的目的是通過下面的方案實(shí)現(xiàn)的采用計(jì)算機(jī)可編程序脈沖掃描信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖周期掃描的信號(hào)來控制安裝于通道式(或平板式或旋轉(zhuǎn)式)發(fā)光板中的紅、綠、籃光光源組產(chǎn)生脈沖周期掃描的燈光信號(hào)，從而模擬出自然光因大氣層水蒸氣的移動(dòng)所產(chǎn)生的掃描信號(hào)、各光譜線間的暗線及晝夜光物理變化所產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)，使植物能在人工模擬的光物理環(huán)境條件下正常生長(zhǎng)；
1、本發(fā)明的理論依據(jù)A).太陽光是吸收光譜，在各譜線間存在暗線，經(jīng)過長(zhǎng)期細(xì)致的觀察我們發(fā)現(xiàn)太陽光經(jīng)過大氣層后照射到地球上，由于大氣層中的水蒸汽移動(dòng)的影響，產(chǎn)生了周期性的光譜掃描特性，因此照射到植物上的太陽光已經(jīng)形成了脈沖的、周期掃描的光譜，因此，我們采用脈沖的、周期掃描的紅、綠、藍(lán)可見光譜進(jìn)行模擬照射，可使植物在沒有太陽光的條件下正常的生長(zhǎng)，而且生長(zhǎng)的速度優(yōu)于太陽光照射下的植物，我們還發(fā)現(xiàn)只要模擬的紅、綠、藍(lán)可見光譜具有脈沖的、周期掃描的特性，當(dāng)光譜信號(hào)與植物內(nèi)對(duì)應(yīng)元素原子外層電子溢出功光譜相同時(shí)，并形成一定信號(hào)序列排列掃描作用于植物時(shí)，植物內(nèi)部鉀鈣鐵銅等9種金屬元素組成的植物生長(zhǎng)信號(hào)系統(tǒng)開關(guān)打開，植物處于最優(yōu)光環(huán)境生長(zhǎng)條件。(模擬的脈沖周期掃描紅、綠、藍(lán)可見光譜小于2％太陽光照能量條件下某些植物生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于與100％太陽光條件下該種植物的生長(zhǎng)速度。)B).脈沖周期性掃描光譜使得植物在光合作用的過程中，光反應(yīng)和暗反應(yīng)之間的能量ATP得以充分地利用，從而更好地合成有機(jī)物，快速生長(zhǎng)。
C).光作為打開植物生長(zhǎng)開關(guān)的一種信號(hào)，脈沖周期性掃描光譜環(huán)境中的脈沖式光照方對(duì)打開貯藏在電子梯中的，用于釋放與酶結(jié)合的ATP的能量，具有很好的效果.
2、本發(fā)明的特征是設(shè)計(jì)一套用于培養(yǎng)植物的，能夠產(chǎn)生脈沖的、周期掃描的紅、綠、藍(lán)可見光譜的裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，控制電路原理示意圖見圖2，發(fā)光板紅.綠.藍(lán)光(平行形式安裝位置結(jié)構(gòu)排列)示意圖見圖3，如圖可見，裝置中的光源發(fā)生裝置采用光通道形式或平面光板懸掛式結(jié)構(gòu)，光源采用線狀發(fā)光燈管(組)或點(diǎn)狀發(fā)光燈炮(組)組成，把他們按發(fā)出紅、綠、藍(lán)光間隔排列成發(fā)光板，紅、綠、籃燈管(組)或燈炮(組)的發(fā)光周期變化由計(jì)算機(jī)控制器進(jìn)行控制，使其能夠產(chǎn)生周期性變化的脈沖紅、綠、藍(lán)光譜及掃描狀態(tài)，這些脈沖光譜的強(qiáng)度可調(diào)，脈沖周期可調(diào)，紅、綠、藍(lán)脈沖可見光掃描組合形式可調(diào)，通過控制電路的控制，可使裝置中的紅、綠、藍(lán)光產(chǎn)生各種有規(guī)律的掃描和脈沖光譜，如紅光的掃描順序可以是(1)紅光1亮、其他紅光滅→紅光2亮、其他紅光滅→……紅光n亮、其他紅光滅；(2)紅光1亮、其他紅光滅→紅光1、2亮、其他紅光滅→……紅光1、2、…n亮、其他紅光滅→紅光全亮及全滅，接著，本程序反向運(yùn)行；綠光、藍(lán)光的掃描過程類同上述紅光的掃描；還可以產(chǎn)生不同光線的交叉、組合如藍(lán)光1亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→藍(lán)光1紅光1亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→藍(lán)光1紅光1亮綠光1亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→……→藍(lán)光n紅光n亮綠光n亮其的紅、綠、藍(lán)光滅→…接著，本程序反向運(yùn)行…或藍(lán)光1紅光1亮綠光1亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→藍(lán)光1紅光1亮綠光1藍(lán)光2紅光2亮綠光2亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→…藍(lán)光1紅光1亮綠光1藍(lán)光2紅光2亮綠光2亮…藍(lán)光n紅光n亮綠光n亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→…紅、綠、藍(lán)光全亮及全滅，接著，本程序反向運(yùn)行；…等藍(lán)光+紅光，紅光+綠光，綠光+藍(lán)光…不同光線的交叉、組合掃描形式；在掃描一個(gè)周期以后可以全部光熄滅，形成植物的光反應(yīng)和暗反應(yīng)周期；產(chǎn)生一個(gè)脈沖周期后，再重復(fù)上述掃描，脈沖過程。通過這些周期性的掃描和脈沖可見光譜，模擬出了自然光經(jīng)過大氣層以后受水蒸氣的影響產(chǎn)生的周期性的自然掃描過程，從而滿足了植物對(duì)自然光的正常照射要求，克服了目前單純使用白熾燈等人造光源照射不能模擬實(shí)際太陽光照射效果造成植物不正常生長(zhǎng)的狀況，脈沖周期掃描可見光譜參數(shù)為光照度(紅綠藍(lán)光全亮)50LUX---3500LUX，紅光波長(zhǎng)610------670nm，綠光波長(zhǎng)510----600nm，藍(lán)光波長(zhǎng)380---500nm，脈沖占空比30％-----70％[即脈沖亮/(亮+滅)時(shí)間]，脈沖寬度2ms------50ms，掃描周期間隙時(shí)間1s-----20s，1個(gè)掃描周期5s-----120s。
3、本發(fā)明的試驗(yàn)方法(1)趨勢(shì)試驗(yàn)將盆栽的生菜12盆分成四組，每組3盆，一組放入上述試驗(yàn)裝置中，開啟控制系統(tǒng)進(jìn)行周期性的脈沖、掃描照射；一組放在自然光下或玻璃溫室內(nèi)；一組放入安裝有白熾燈的暗室中，一組放在全黑的暗室中，四組作物除了光照條件不同以外，其雜肥、水、氣等條件全部相同，處理過程種每12小時(shí)進(jìn)行一次調(diào)查，48小時(shí)后檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)a)全黑暗條件下生菜已出現(xiàn)嚴(yán)重的黃化，下部早生葉已枯黃萎縮，輕度爛葉 b)白熾燈照射條件的生菜，出現(xiàn)輕度黃化現(xiàn)象，下部早生葉出現(xiàn)枯黃萎縮。c)自然光條件下的生菜生長(zhǎng)正常d)脈沖光譜周期掃描光物料條件下(＜5％太陽光＝的生菜生長(zhǎng)速度快于c).(2)肯定趨勢(shì)試驗(yàn)后轉(zhuǎn)入脈沖組合光譜周期掃描光物理環(huán)境(簡(jiǎn)稱光物理環(huán)境)與自然光環(huán)境植物生長(zhǎng)對(duì)照試驗(yàn)這時(shí)我們采用了更多的植物包括仙人掌，天竺葵，水仙(球莖)，萬年青，石竹，蘆薈，菜心等進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果完全肯定了利用生菜進(jìn)行趨勢(shì)試驗(yàn)的結(jié)果。(3)極端典型對(duì)照試驗(yàn)將盆栽的菜心6盆分成二組，將菜心主干相同位置折斷只留一邊1/3外皮連接，出現(xiàn)(1).3盆置于光譜周期掃描光物理環(huán)境中的菜心斷端仍保持繼續(xù)生長(zhǎng)狀態(tài)7天，展現(xiàn)強(qiáng)盛生命力.(2)..3盆置于自然光環(huán)境，菜心斷端30分鐘后出現(xiàn)萎縮，1天后嚴(yán)重黃化。
本發(fā)明由于采用了脈沖的、周期掃描的紅、綠、藍(lán)可見光譜，可以使植物在人造模擬的光照條件下正常生長(zhǎng)，通過調(diào)整光譜脈沖的周期和掃描的速度，起到模擬晝夜光照變化的特征，可以實(shí)行調(diào)控植物生長(zhǎng)速度的目的，當(dāng)然由于本發(fā)明目前主要是從單純物理光照的角度進(jìn)行調(diào)控，還需要其他措施包括養(yǎng)分、水分、溫度等條件的全面配合，才能達(dá)到使植物在人工模擬環(huán)境下正常生長(zhǎng)的目的，其作用機(jī)理也還需要進(jìn)一步的研究，但從目前的研究結(jié)果看，本發(fā)明已經(jīng)達(dá)到可以重復(fù)，可以靈活控制，可以實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)的水平。
說明書附圖中圖1是本發(fā)明紅、綠、藍(lán)光脈沖光譜周期掃描裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(A)是裝置的前視圖，(B)是裝置的頂視圖，(C)是裝置的左視圖，圖中1.是紅綠藍(lán)掃描光譜發(fā)光板，2.是主支撐架，3.是升降支撐架調(diào)節(jié)器，4.是門，5.是計(jì)算機(jī)控制的可編程序的脈沖掃描開關(guān)控制器，6.是自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，7.是噴淋頭，8.是進(jìn)水管，9.至電源調(diào)節(jié)器，10.是推薦的3種升降支撐架調(diào)節(jié)器方式。
圖2是本發(fā)明控制電路(即圖1中的計(jì)算機(jī)控制的可編程序的脈沖掃描開關(guān)控制器及紅、綠、藍(lán)光源)原理示意圖，圖中11.是電源輸入調(diào)壓器，12是計(jì)算機(jī)可編程脈沖掃描開關(guān)信號(hào)控制器，13.是控制紅燈開關(guān)的雙向可控硅(SCR)，14.是控制綠燈開關(guān)的雙向可控硅(SCR)，15、是控制藍(lán)燈開關(guān)的雙向可控硅(SCR)，16.是輸出紅燈控制信號(hào)的接線端口及發(fā)紅光光源，17.是輸出綠燈控制信號(hào)的接線端口及發(fā)綠光光源，18、是輸出籃燈控制信號(hào)的接線端口及發(fā)藍(lán)光光源。
圖3是本發(fā)明的發(fā)光板紅、綠、藍(lán)光(平行形式安裝位置結(jié)構(gòu)排列)示意圖圖中Rn----表示第n發(fā)紅光光源，亮或滅由圖二中16、的紅燈控制信號(hào)的接線端口對(duì)應(yīng)控制，Gn----表示第n發(fā)綠光光源，亮或滅由圖二中17.的綠燈控制信號(hào)的接線端口對(duì)應(yīng)控制，Bn----表示第n發(fā)藍(lán)光光源，亮或滅由圖二中17.的藍(lán)燈控制信號(hào)的接線端口對(duì)應(yīng)控制.發(fā)光板紅.綠.藍(lán)光源既可以為平行形式排列結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，也可以為同心圓形式排列結(jié)構(gòu)(如圖5所示)。
下面結(jié)合


本發(fā)明的實(shí)施(典型例)如圖1所示，用角鐵焊成可升降高度的通道式支撐架2及3，前后左右及頂端用隔光板把整個(gè)裝置密封成為一個(gè)暗室系統(tǒng)，兩側(cè)安裝可開合的門4，紅綠藍(lán)掃描光譜發(fā)光板1安裝于通道支撐架2四周內(nèi)鍘(地面及兩側(cè)門除外)，成可拆卸的懸吊形式(絕緣隔離，以方便維修)，各發(fā)光光源電極匯集于每塊發(fā)光板一側(cè)，然后分別連接到計(jì)算機(jī)可編程序控制器的對(duì)應(yīng)接線端口16、17、18上，通過計(jì)算機(jī)可編程脈沖掃描開關(guān)信號(hào)控制器12.輸出脈沖掃描控制開關(guān)信號(hào)控制控制紅、綠、藍(lán)光源開關(guān)的雙向可控硅(SCR)13.14、15.的通斷狀態(tài)，使裝置中的紅、綠、藍(lán)光源產(chǎn)生各種有規(guī)律的掃描和脈沖光譜，如紅光的掃描順序可以是(1)紅光1亮、其他紅光滅→紅光2亮、其他紅光滅→……紅光n亮、其他紅光滅；(2)紅光1亮、其他紅光滅-紅光1、2亮、其他紅光滅→……紅光1、2、…n亮、其他紅光滅→紅光全亮及全滅，接著，本程序反向運(yùn)行；綠光、藍(lán)光的掃描過程類同上述紅光的掃描；還可以產(chǎn)生不同光線的交叉、組合如藍(lán)光1亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→藍(lán)光1紅光1亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→藍(lán)光1紅光1亮綠光1亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→……→藍(lán)光n紅光n亮綠光n亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→……接著，本程序反向運(yùn)行……或藍(lán)光1紅光1亮綠光1亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→藍(lán)光1紅光1亮綠光1藍(lán)光2紅光2亮綠光2亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→……藍(lán)光1紅光1亮綠光1藍(lán)光2紅光2亮綠光2亮…藍(lán)光n紅光n亮綠光n亮其他紅、綠、藍(lán)光滅→……紅、綠、藍(lán)光全亮及全滅，接著，本程序反向運(yùn)行；…等藍(lán)光+紅光，紅光+綠光，綠光+藍(lán)光…不同光線的交叉、組合掃描形式；在掃描一個(gè)周期以后可以全部光熄滅，形成植物的光反應(yīng)和暗反應(yīng)周期；產(chǎn)生一個(gè)脈沖周期后，再重復(fù)上述掃描，脈沖過程。通過這些周期性的掃描和脈沖，模擬出了自然光經(jīng)過大氣層以后受水蒸氣的影響產(chǎn)生的周期性的自然掃描過程，從而滿足了植物對(duì)自然光的正常照射要求，克服了目前單純使用白熾燈等人造光源照射不能模擬實(shí)際人陽光照射效果造成作物不正常生長(zhǎng)的狀況。整個(gè)系統(tǒng)采用220V或380V的電源供電，電源輸入調(diào)壓器輸出0～220V(380V)至主發(fā)光電路以調(diào)節(jié)光照度參數(shù).脈沖光譜參數(shù)為光照度(紅、綠、藍(lán)光全亮)≤1500lux，紅光中心波長(zhǎng)690nm，綠光中心波長(zhǎng)580nm，藍(lán)光中心波長(zhǎng)470nm，脈沖占空比50％(即脈沖亮/(亮+滅)時(shí)間)，脈沖寬度5ms，掃描周期間隙時(shí)間2s，1個(gè)掃描周期10s，結(jié)構(gòu)中還安裝有自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，通風(fēng)機(jī)，溫濕度計(jì)，漏電保護(hù)裝置...等。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的光物理方法，其特征在于采用計(jì)算機(jī)可編程序脈沖掃描信號(hào)發(fā)生器來控制安裝有紅、綠、籃燈光組的裝置產(chǎn)生脈沖掃描的燈光信號(hào)，從而模擬出自然光因大氣層水蒸氣的移動(dòng)所產(chǎn)生的掃描信號(hào)、各光譜線間的暗線及晝夜光物理變化所產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)，使植物能在人工模擬的光物理環(huán)境條件下正常生長(zhǎng)。
2.根據(jù)權(quán)力要求書1所述的裝置，其特征在于裝置中的光源發(fā)生裝置采用光通道形式或平面光板懸掛式結(jié)構(gòu)或平面光板旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，光源采用線狀發(fā)光燈管(組)或點(diǎn)狀發(fā)光燈炮(組)組成，把他們按發(fā)出紅、綠、藍(lán)光間隔排列成發(fā)光板，紅、綠、籃燈管(組)或燈炮(組)的脈沖掃描發(fā)光周期變化由計(jì)算機(jī)可編程控制器進(jìn)行控制，使其能夠產(chǎn)生周期性變化的脈沖紅、綠、藍(lán)光譜及掃描狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)力要求書1所述的裝置，其特征在于這些脈沖光譜的強(qiáng)度可調(diào)，脈沖周期可調(diào)，紅、綠、藍(lán)脈沖可見光掃描組合形式可調(diào)，掃描周期可調(diào)。
全文摘要
一種調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)的光物理方法，其特征在于采用計(jì)算機(jī)可編程序脈沖掃描信號(hào)發(fā)生器來控制安裝有紅、綠、籃燈光組的裝置產(chǎn)生脈沖掃描的燈光信號(hào)，從而模擬出自然光因大氣層水蒸氣的移動(dòng)所產(chǎn)生的掃描信號(hào)、各光譜線間的暗線及晝夜光物理變化所產(chǎn)生的光脈沖信號(hào)，使植物能在人工模擬的光物理環(huán)境條件下正常生長(zhǎng)。
文檔編號(hào)A01G9/20GK1493183SQ0211479
公開日2004年5月5日 申請(qǐng)日期2002年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月29日
發(fā)明者陳愈, 陳 愈 申請(qǐng)人:陳愈, 陳 愈