专利名称：一种模拟光环境的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及植物栽培技术领域，尤其涉及一种模拟光环境的方法及系统。
背景技术：
间作套种是一种利用生物多样性原理，将两种或两种以上的作物相间同时种植在田间的种植方式。我国人口众多，人均耕地面积不断减少，间作套种栽培普遍，常年面积在观00万公顷以上，对提高土地利用率、增加粮食播种面积和产量起到了关键性作用。已有大量研究表明，不同类型作物间作套种，不仅改善了作物群体结构、提高了资源利用率、增强了群体抗逆性，而且减少了化肥、农药的施用量，同时保障国家粮食安全和提高农产品的市场竞争力，具有显著的经济效益、生态效益和社会效益。例如将禾谷类作物与豆科植物进行间作套种在印度、东南亚、拉丁美洲和非州等国家，对解决粮食温饱问题起着至关重要的作用。不同作物对光的互补利用与竞争程度对间作套种复合群体各作物的形态建成和产量形成影响最大。高秆作物(如玉米、甘蔗等)对自然光的优先吸收，一方面导致群体下部光强减弱，从而降低矮秆作物(如大豆、马铃薯等)的光合速率，减少光合产物积累，最终影响产量和品质；另一方面改变光谱组成，红光与远红光比例下降引起茎秆过度伸长、纤细、柔弱和倒伏加剧。因此，研究间作套种复合群体内的特殊光环境下，不同作物或基因型的形态建成、生理生化过程、特异基因表达、物质吸收与积累、光能的利用等，对阐明作物的耐荫机理、选育适合间作套种的作物品种、改进栽培技术措施，具有重要意义，也正成为农学领域的研究热点。传统模拟作物群体内光环境的方法是在日光灯下方加一层或多层绿色滤光纸或者遮阴网，该方法虽然可以改变光谱组成，但无法根据不同作物间作套种田间的实际光谱组成对光环境进行精确模拟，难以满足间作套种生理生化机制和分子机理研究需要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟光环境的方法和系统，可以对间作套种复合群体内的实际光环境进行精确模拟。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案—种模拟光环境的方法，包括在作物所处实际光环境的光谱中分别确定影响作物生长的光线的光强；依据灯珠输出功率与发光光强的对应关系，调整可发射影响作物生长的光线的灯珠的输出功率。优选的，在上述方法中，在确定影响作物生长的光线的光强的过程中，分别确定波长为660纳米、450纳米和730纳米的光线的光强。优选的，在上述方法中，进一步包括检测所述作物所处实际光环境的光谱。优选的，在上述方法中，检测所述作物所处实际光环境中距离地面5厘米 15厘米处的光谱。
优选的，在上述方法中，通过脉冲调制方式调整灯具的输出功率。一种模拟光环境的系统，包括光谱检测装置，用于检测作物所处实际光环境的光谱；灯具，所述灯具可发射影响作物生长的光线；控制器，用于在所述光谱中确定影响作物生长的光线的光强，并依据灯具输出功率与发光光强的对应关系，调整所述灯具的输出功率。优选的，在上述系统中，所述灯具包括灯板，所述灯板安装有发光波长为660纳米、450纳米和730纳米的LED发光二极管灯珠；电源板，用于为所述灯板中的LED灯珠供 H1^ ο优选的，在上述系统中，所述灯板中发光波长为660纳米、450纳米和730纳米的 LED灯珠的比例为3 1 3。由此可见，本发明公开的模拟光环境的方法和系统，采用可发射影响作物生长的光线的灯具作为光源，根据作物所处实际光环境的光谱确定影响作物生长的光线的光强， 并据此调整相应灯具的输出功率，保证灯具所发射光线的光强与实际光环境中该光线的光强一致，实现光环境的精确模拟。
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明公开的一种模拟光环境的方法的流程图；图2为本发明公开的另一种模拟光环境的方法的流程图；图3为自然环境和玉米行间光谱对比图；图4为本发明公开的一种模拟光环境的系统的结构示意图；图5为本发明公开的模拟光环境的系统中灯具的结构示意图；图6为图5所示灯具中LED灯珠的安装位置示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。本发明公开了一种模拟光环境的方法，可以对间作套种复合群体内的实际光环境进行精确模拟。参见图1，图1为本发明公开的一种模拟光环境的方法的流程图。包括步骤Sll 在作物所处实际光环境的光谱中分别确定影响作物生长的光线的光强；步骤S12 依据灯珠输出功率与发光光强的对应关系，分别调整可发射影响作物生长的光线的灯珠的输出功率。在植物生长过程中，只有特定波长的光线会对植物的生长造成影响，因此在模拟间作套种复合群体内的实际光环境的过程中，只需要确定实际光环境中特定波长的光线的光强，并选择可发射该特定波长的灯珠作为光源，调整灯珠发射光线的光强至前述确定的光强，即可准确模拟实际光环境。由于灯珠的输出功率与光线的光强成正比，因此通过调整灯珠的输出功率即可实现对灯珠发射光线光强的调节。本发明公开的模拟光环境的方法，采用可发射影响作物生长的光线的灯珠作为光源，根据作物所处实际光环境的光谱确定影响作物生长的光线的光强，并据此调整相应灯珠的输出功率，保证灯珠所发射光线的光强与实际光环境中相应波长光线的光强一致，实现间作套种复合群体内的实际光环境的精确模拟。本发明申请人经过多次试验发现对于植物来说，红光(波长为660纳米)和蓝光 (波长为450纳米)是自然光中有效光合辐射的重要组成部分，其强弱对作物光合作用和物质积累起到重要作用；远红光(波长为730纳米)虽然对光合作用意义不大，但其强弱以及其与红光间的比例，对于作物株高、节间长等形态建成，具有重要意义。在作物群体内部，上部叶片中的叶绿素对红光(波长为660纳米)和蓝光(波长为450纳米)吸收量最大，对波长为730纳米的远红光吸收量小。因此，在间作套种生产系统中，与自然光相比，下部作物所处光环境的红蓝光与远红光的比例下降，其程度与栽培规格、作物种类、生育时期有关。因此，在本发明中采用波长为660纳米、450纳米和730纳米的光线来模拟间作套种复合群体内部不同的光环境。参见图2，图2为本发明公开的另一种模拟光环境的方法的流程图。包括步骤S21 检测作物所处实际光环境的光谱；步骤S22 在作物所处实际光环境的光谱中分别确定影响作物生长的光线的光强；步骤S23 依据灯珠输出功率与发光光强的对应关系，调整可发射影响作物生长的光线的灯珠的输出功率。在步骤S21中，可以在作物所处实际光环境中选取一个检测点进行光谱检测，也可以选取多个检测点分别进行光谱检测，之后计算多个光谱的平均值作为作物所处实际光环境的光谱。可以理解的是，当检测点数量较多时获得的光谱更加真实、可靠。在实施中，以间距15厘米选取20个检测点，并分别检测20个检测点的光谱，计算检测得到的20个光谱的平均值，作为作物所处实际光环境的光谱。优选的，在检测各检测点的光谱时，选取距离地面5厘米 15厘米处检测光谱。下面以模拟玉米大豆间作套种田间光环境为例进行说明。按照我国西南地区生产上玉米大豆套作常规栽培方法，玉米于4月上旬播种，密度为每亩观00株 3000株，采用宽窄行间隔栽培，宽行行距150厘米，窄行行距50厘米， 穴距45厘米 50厘米，每穴定苗2株。在玉米生长至大喇叭口期时(即5月下旬至6月上旬)，在玉米宽行内播种大豆。此时在玉米宽行中间(距玉米75厘米)选取20个检测点，相邻检测点之间的间距为15厘米，在各检测点距离地面10厘米处检测光谱图，计算各个光谱图的平均值作为大豆所处实际光环境的光谱，如图3所示。分别选取可发射红光(波长为660纳米)、蓝光(波长为450纳米)和远红光(波长为730纳米)的灯珠作为模拟光环境的光源。在大豆所处实际光环境的光谱图中，分别确定红光、蓝光和远红光的光强。根据灯珠输出功率与发光光强的对应关系，分别确定可发射红光的灯具、可发射蓝光的灯具、以及可发射远红光的灯具的输出功率，调整灯珠的输出功率，保证各灯珠所发射光线的光强与大豆所处实际光环境中相应光线的光强一致。在实施中，调整灯珠的输出功率可以通过脉冲调制方式实现。本发明还公开了一种模拟光环境的系统，可以对间作套种复合群体内的实际光环境进行精确模拟。参见图4，图4为本发明公开的一种模拟光环境的系统的结构示意图。该系统包括光谱检测装置41、灯具42和控制器43。其中，光谱检测装置41用于检测作物所处实际光环境的光谱，灯具42可发射影响作物生长的光线，控制器43用于在光谱检测装置获得的光谱中确定影响作物生长的光线的光强，并依据灯具42输出功率与发光光强的对应关系，调整灯具42的输出功率。在植物生长过程中，只有特定波长的光线会对植物的生长造成影响，选取可发射该波长的灯具42作为光源，通过光谱检测装置41检测作物所处实际光环境的光谱，控制器 43在光谱检测装置41获得的光谱中确定影响作物生长的光线的光强，并依据灯具42输出功率与发光光强的对应关系，调整灯具42的输出功率，保证灯具42所发射光线的光强与实际光环境中相应波长光线的光强一致，实现间作套种复合群体内的实际光环境的精确模拟。本发明申请人经过多次试验发现对于植物来说，红光(波长为660纳米)和蓝光 (波长为450纳米)是自然光中有效光合辐射的重要组成部分，其强弱对作物光合作用和物质积累起到重要作用；远红光(波长为730纳米)虽然对光合作用意义不大，但其强弱以及其与红光间的比例，对于作物株高、节间长等形态建成，具有重要意义。在作物群体内部，上部叶片中的叶绿素对红光(波长为660纳米)和蓝光(波长为450纳米)吸收量最大，对波长为730纳米的远红光吸收量小。因此，在间作套种生产系统中，与自然光相比，下部作物所处光环境的红蓝光与远红光的比例下降，其程度与栽培规格、作物种类、生育时期有关。因此，在本发明中采用波长为660纳米、450纳米和730纳米的光线来模拟间作套种复合群体内部的实际光环境。参见图5，图5为本发明公开的模拟光环境的系统中灯具的一种结构示意图。该灯具包括灯板421和电源板422。灯板421上安装有可发射红光(波长为660 纳米)的红光LED灯珠4211、发射蓝光(波长为450纳米)的蓝光LED灯珠4212、以及发射远红光(波长为730纳米)的远红光LED灯珠4213。电源板422与灯板421连接，用于为灯板421中的LED灯珠供电。在模拟间作套种复合群体内部的实际光环境时，控制器在光谱检测装 置检测获得的实际光环境的光谱中分别确定红光、蓝光和远红光的光强，并依据确定的红光、蓝光和远红光的光强分别调整灯具中红光LED灯珠4211、蓝光LED灯珠4212和远红光LED灯珠4213 的输出功率，保证红光LED灯珠4211、蓝光LED灯珠4212和远红光LED灯珠4213所发射光线的光强与实际光环境中相应光线的光强一致。在实施中，为了有效模拟间作套种复合群体内有效光合强度和各波段光谱比例， 同时创造更均勻的光环境，设置红光LED灯珠4211、蓝光LED灯珠4212和远红光LED灯珠 4213的比例为3 1 3。
如图6所示，在长度为270毫米、宽度为180毫米的灯板421上，设置有18个红光 LED灯珠4211、6个蓝光LED灯珠4212、以及18个远红光LED灯珠4213。 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
权利要求
1.一种模拟光环境的方法，其特征在于，包括在作物所处实际光环境的光谱中分别确定影响作物生长的光线的光强； 依据灯珠输出功率与发光光强的对应关系，调整可发射影响作物生长的光线的灯珠的输出功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定影响作物生长的光线的光强的过程中，分别确定波长为660纳米、450纳米和730纳米的光线的光强。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括检测作物所处实际光环境的光谱。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，检测作物所处实际光环境中距离地面5厘米 15厘米处的光谱。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过脉冲调制方式调整灯珠的输出功率。
6.一种模拟光环境的系统，其特征在于，包括光谱检测装置，用于检测作物所处实际光环境的光谱； 灯具，所述灯具可发射影响作物生长的光线；控制器，用于在所述光谱中确定影响作物生长的光线的光强，并依据灯具输出功率与发光光强的对应关系，调整所述灯具的输出功率。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述灯具包括灯板，所述灯板安装有发光波长为660纳米、450纳米和730纳米的LED发光二极管灯珠；电源板，用于为所述灯板中的LED灯珠供电。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述灯板中发光波长为660纳米、450纳米和730纳米的LED灯珠的比例为3 1 3。
全文摘要
本发明公开了一种模拟光环境的方法，包括在作物所处实际光环境的光谱中分别确定影响作物生长的光线的光强；依据灯珠输出功率与发光光强的对应关系，调整可发射影响作物生长的光线的灯珠的输出功率。本发明公开的模拟光环境的方法，采用可发射影响作物生长的光线的灯具作为光源，根据作物所处实际光环境的光谱确定影响作物生长的光线的光强，并据此调整相应灯具的输出功率，保证灯具所发射光线的光强与实际光环境中该光线的光强一致，实现光环境的精确模拟。本发明还公开了一种模拟光环境的系统。
文档编号A01G7/06GK102150569SQ20101059303
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者刘卫国, 宋颖, 杨峰, 杨文钰, 范德会, 雍太文 申请人:四川农业大学, 范德会