适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩及其光谱调节方法

摘要

本发明公开了一种适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩及其光谱调节方法。所述可变光谱罩包括内层罩和外层罩，内层罩套装在外层罩内并且内层罩能够在外层罩的轴线方向上沿着外层罩的内壁面移动，外层罩上设置有用于固定内层罩的固定组件；内层罩由内层框体和覆盖内层框体的侧面和顶面的多块透明面板组成，外层罩由外层框体和覆盖外层框体的侧面的多块透明面板组成，内层框体和外层框体上还设置有多个滤光膜卡槽以在各透明面板表面设置所需的滤光膜。所述光谱调节方法利用所述可变光谱罩进行罩内局部环境的光谱调节，模拟不同植物所需的光谱环境。本发明能够通过调整滤光膜种类及配比来模拟不同的光谱信号，适用于室内外各种植物的生长研究。

权利要求

1.一种适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩，其特征在于，所述可变光谱罩包括内层罩和外层罩，所述内层罩套装在外层罩内并且所述内层罩能够在外层罩的轴线方向上沿着外层罩的内壁面移动，所述外层罩上设置有用于固定内层罩的固定组件；所述内层罩由内层框体和覆盖所述内层框体的侧面和顶面的多块透明面板组成，所述外层罩由外层框体和覆盖所述外层框体的侧面的多块透明面板组成，所述内层框体和外层框体上还设置有多个滤光膜卡槽以在各透明面板表面设置所需的滤光膜。

2.根据权利要求1所述的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩，其特征在于，所述固定组件包括固定螺帽和设置在所述外层框体上的螺帽孔。

3.根据权利要求1所述的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩，其特征在于，所述内层框体和外层框体的横截面形状相同。

4.根据权利要求3所述的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩，其特征在于，所述内层框体和外层框体的横截面形状为圆形、三角形、四边形、五边形、六边形或八边形。

5.根据权利要求1所述的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩，其特征在于，所述透明面板为透明玻璃板或透明塑料板；所述外层罩和/或内层罩上还设置有多个通气孔。

6.一种适用于小型设施农艺研究的光谱调节方法，其特征在于，在自然光照条件下或室内人工光照条件下，采用权利要求1至5中任一项所述的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩并将所述可变光谱罩罩在植物上，通过调整设置在所述可变光谱罩上的滤光膜的颜色及配比来模拟不同的光谱信号并实现对所述可变光谱罩内环境的光谱调节。

7.根据权利要求6所述的适用于小型设施农艺研究的光谱调节方法，其特征在于，所述光谱调节方法还包括根据植物的高度调整所述可变光谱罩的内层罩的位置的步骤。

8.根据权利要求6所述的适用于小型设施农艺研究的光谱调节方法，其特征在于，设置在所述内层罩上的滤光膜的颜色和配比与设置在所述外层罩上的滤光膜的颜色和配比相同。

9.根据权利要求6所述的适用于小型设施农艺研究的光谱调节方法，其特征在于，所述光谱调节方法还能够改变所述可变光谱罩内环境的光照强度和/或R/FR比值。

说明书

适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩及其光谱调节方法

技术领域

[0001] 本发明涉及植物研究试验的技术领域，更具体地讲，本发明涉及一种适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩及其光谱调节方法。

背景技术

[0002] 光是植物生长发育的重要环境因子，光照为植物的生长提供环境信号和能量来源，光信号通过光质、光照强度、光周期和光照时间等因素直接或间接地控制植物体内大多数的代谢进程，其构成了植物生长发育必不可少的生态因子。光质或光谱是光的重要属性，根据实际需求对植物所受光质进行调整不但能够改变植物的生长进程，甚至能够改变植物的地域属性和季节属性。

[0003] 在现代农业生产中，利用有色塑料薄膜来调整光照配置以达到调控植物生长发育的方法已在大型设施农艺中有广泛的应用，但该方法不便于在小型设施农艺研究中实现对光质条件的广泛模拟。并且，利用LED光源调制不同光质配比的方法在室内光质模拟中也有广泛的应用，但该方法对场地、设施具有一定要求且成本较高。

[0004] 因此，在小型设施农艺研究中，特别是盆栽试验中，亟需一种简便、可控并能够广泛模拟不同光质或光谱条件的轻便器具，以适应室内外小型设施农艺研究中对不同光质或光谱条件模拟的需要。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便并且能够根据不同需要有效地模拟不同光谱条件的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩及其光谱调节方法。

[0006] 为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩，所述可变光谱罩包括内层罩和外层罩，所述内层罩套装在外层罩内并且所述内层罩能够在外层罩的轴线方向上沿着外层罩的内壁面移动，所述外层罩上设置有用于固定内层罩的固定组件；所述内层罩由内层框体和覆盖所述内层框体的侧面和顶面的多块透明面板组成，所述外层罩由外层框体和覆盖所述外层框体的侧面的多块透明面板组成，所述内层框体和外层框体上还设置有多个滤光膜卡槽以在各透明面板表面设置所需的滤光膜。

[0007] 根据本发明的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩的一个实施例，所述固定组件包括固定螺帽和设置在所述外层框体上的螺帽孔。

[0008] 根据本发明的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩的一个实施例，所述内层框体和外层框体的横截面形状相同。

[0009] 根据本发明的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩的一个实施例，所述内层框体和外层框体的横截面形状为圆形、三角形、四边形、五边形、六边形或八边形。

[0010] 根据本发明的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩的一个实施例，所述透明面板为透明玻璃板或透明塑料板；所述外层罩和/或内层罩上还设置有多个通气孔。

[0011] 本发明还提供了一种适用于小型设施农艺研究的光谱调节方法，在自然光照条件下或室内人工光照条件下，采用上述适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩并将所述可变光谱罩罩在植物上，通过调整设置在所述可变光谱罩上的滤光膜的颜色及配比来模拟不同的光谱信号并实现对所述可变光谱罩内环境的光谱调节。

[0012] 根据本发明的适用于小型设施农艺研究的光谱调节方法的一个实施例，所述光谱调节方法还包括根据植物的高度调整所述可变光谱罩的内层罩的位置的步骤。

[0013] 根据本发明的适用于小型设施农艺研究的光谱调节方法的一个实施例，设置在所述内层罩上的滤光膜的颜色和配比与设置在所述外层罩上的滤光膜的颜色和配比相同。

[0014] 根据本发明的适用于小型设施农艺研究的光谱调节方法的一个实施例，所述光谱调节方法还能够改变所述可变光谱罩内环境的光照强度和/或R/FR比值。

[0015] 本发明提供的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩及其光谱调节方法能够通过调整滤光膜种类及配比来模拟不同的光谱信号，实现对不同植物、不同研究课题对光谱的不同需求；上述可变光谱罩的结构简单、轻便且成本低，能够节约空间且便于管理，能够在自然光照条件及室内人工光照等各种条件下实现对局部空间的光谱模拟，并不影响其他光谱的模拟，适用于室内外各种植物的生长研究。

附图说明

[0016] 图1示出了根据本发明示例性实施例的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩在拉伸状态下的主视结构示意图。

[0017] 图2示出了根据本发明示例性实施例的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩的俯视结构示意图。

[0018] 图3示出了示例1中典型玉米-大豆套作模式下大豆冠层光谱及其拟合光谱的对比图。

[0019] 图4示出了示例2中表1所列的不同滤光膜组合模拟得到的不同R/FR比值下光环境的拟合光谱图。

[0020] 附图标记说明：

[0021] 10-外层罩、11-外层框体、12、22-透明面板、20-内层罩、21-内层框体、30-滤光膜卡槽、40-螺帽孔、50-通气孔、60-固定螺帽。

具体实施方式

[0022] 在下文中，将详细说明本发明的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩及其光谱调节方法。

[0023] 图1示出了根据本发明示例性实施例的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩在拉伸状态下的主视结构示意图，图2示出了根据本发明示例性实施例的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩的俯视结构示意图。

[0024] 如图1和图2所示，根据本发明的示例性实施例，所述适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩包括内层罩20和外层罩10，内层罩20套装在外层罩10内并且内层罩20能够在外层罩10的轴线方向上沿着外层罩10的内壁面移动，外层罩10上设置有用于固定内层罩20的固定组件。本发明的可变光谱罩具有敞开的底部，由此可以罩在植物上对可变光谱罩内的环境进行光谱的模拟和调整。并且，内层罩20具有略小于外层罩10的尺寸，以确保内层罩20可以在外层罩10的轴线方向上沿着外层罩10的内壁面移动并且确保了内层罩20与外层罩10之间的缝隙足够的小。将可变光谱罩设置为可伸缩的双层结构是为了适应不同高度的植物，从而扩大可变光谱罩的使用范围和适用空间。

[0025] 具体地，内层罩20和外层罩10均为透明罩。内层罩20由内层框体21和覆盖内层框体22的侧面和顶面的多块透明面板22组成，外层罩也由外层框体11和覆盖外层框体11的侧面的多块透明面板12组成，内层框体21和外层框体22上还设置有多个滤光膜卡槽30以在各透明面板表面设置所需的滤光膜(未示出)。滤光膜是能够衰减光强度或改变光谱成分的膜层，通过在内层罩20和外层罩10上设置不同的滤光膜组合，由此实现光谱的调节。其中，滤光膜卡槽30可以采用L型的结构形式，也可以采用其它的结构形式，只要能够保证滤光膜放置的稳定性和更换的便利性即可；透明面板可以为透明玻璃板或透明塑料板，本发明对此不进行限制。

[0026] 当内层罩20被提升后，需要对其进行固定以保持可变光谱罩的拉伸状态，具体可以在外层罩10上设置固定组件进行固定。根据本发明的示例性实施例，固定组件可以包括固定螺帽60和设置在外层框体11上的螺帽孔40，即可以利用多个固定螺帽60对内层罩20的侧面进行多处固定。优选地，螺帽孔40设置在外层框体11的顶框的各根框梁上，以便更好地进行调整和固定。但本发明不限于上述形式的固定组件和固定方式，只要能够实现有效固定即可。

[0027] 此外，为了保证内层罩20的可移动性以及整体可变光谱罩的容纳空间，优选地将内层框体21和外层框体11的横截面形状设置为相同，例如，将内层框体和外层框体的横截面形状均设置为圆形、三角形、四边形、五边形、六边形或八边形等规则形状。如图1和图2所示，根据本发明的示例性实施例，所述可变光谱罩的外层框体和内层框体的横截面形状均为四边形。

[0028] 由于本发明的可变光谱罩是罩在植物上并且通过调整罩内环境的光谱条件进行植物生长研究和实验的，所以需要保证可变光谱罩内的透气性。优选地，外层罩和/或内层罩上还设置有多个通气孔50。

[0029] 基于上述可变光谱罩，本发明还提供了一种适用于小型设施农艺研究的光谱调节方法。具体为，在自然光照条件下或室内人工光照条件下，采用上述适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩并将所述可变光谱罩罩在植物上，通过调整设置在可变光谱罩上的滤光膜的颜色及配比来模拟不同的光谱信号并实现对可变光谱罩内环境的光谱调节。

[0030] 其中，所述的滤光膜的颜色是指滤光膜具有的不同颜色，例如蓝色、绿色、黄色等，所述的滤光膜的配比是指设置在可变光谱罩的外层罩或内层罩的透明面板上的不同颜色滤光膜的张数比，例如，绿膜与蓝膜的配比为1:1代表叠置一张绿膜与一张蓝膜，绿膜与蓝膜的配比为1:2代表叠置一张绿膜与两张蓝膜。当然也可以在可变光谱罩的内层罩和外层罩上只设置一层单色膜而不设置组合膜。通过调整设置在可变光谱罩上的滤光膜的颜色和配比就能够实现不同的光谱信号的模拟，满足不同植物、不同研究课题对光谱的不同需求。

[0031] 并且，本发明的光谱调节方法还可以包括根据植物的高度调整可变光谱罩的内层罩的位置的步骤。由于内层罩20可以拉伸，因此可以容易地扩展可变光谱罩的高度和使用空间，进而适用于不同高度的植物并扩大适用范围。

[0032] 优选地，设置在内层罩20上的滤光膜的颜色和配比与设置在外层罩10上的滤光膜的颜色和配比相同，以保证内层罩20与外层罩10在重合状态或拉伸状态下对罩内植物的光谱影响是相同的。

[0033] 根据实验研究，本发明的光谱调节方法还能够改变所述可变光谱罩内环境的光照强度和/或R/FR比值。

[0034] 下面将通过具体示例来对本发明的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩及其光谱调节方法进行进一步描述。

[0035] 示例1：

[0036] 玉米-大豆带状复合种植是近年来农业生产中发展极快的间套作种植模式之一，在该模式下，大豆因受到高位作物玉米的荫蔽影响而导致光环境发生变化，低位作物大豆冠层的光质与净作大豆冠层的光环境相比，光质比例发生了改变，从而对大豆的生长发育、形态建成及代谢过程产生极大影响。套作光谱的模拟是开展该模式下大豆生理代谢、基因表达等方面研究的重要前提。

[0037] 本示例采用上述的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩，并将该可变光谱罩用于光膜的调节和模拟。以正常玉米-大豆套作模式下的大豆冠层波谱图为模拟目标，采用不同颜色的滤光膜组合，以实现对上述目标光谱的人工模拟。本示例将蓝膜(编号C16)与绿膜(编号C1)按照1:1的配比叠置的组合膜设置在可变光谱罩的外层罩和内层罩上，从而较好地模拟了玉米-大豆带状复合种植模式下大豆冠层的光谱信号。图3示出了示例1中典型玉米-大豆套作模式下大豆冠层光谱及其拟合光谱的对比图，由图3可知，二者的光谱趋势一致，这说明通过本发明的可变光谱罩和光谱调节方法成功地实现了对套作模式下大豆冠层光谱的模拟。

[0038] 示例2：

[0039] 植物体内含有不同的色素系统，不同的色素会利用不同波长范围的光线，从而对植物的生长发育产生影响。400～700nm波长范围的光是影响植物光合作用与生长发育的主要因素，其中600～700nm的红光(R)能降低植物体内赤霉素的含量，从而减少节间长度和植株高度；而700～800nm的远红光(FR)的作用恰好与红光相反，能提高植物体内的赤霉素的含量，从而增加节间长度和植株高度。因此，以660nm和730nm两个波长为中心的波长带的光通量的比即红光与远红光的比(R/FR)表征了光照对植物光形态建成影响最大的光谱参数。

[0040] 本示例采用上述的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩，并将该可变光谱罩用于自然光下光膜的调节和模拟。本示例采用单一滤光膜或者不同滤光膜组合，在自然光照条件下，通过变换不同的滤光膜，实现过滤(吸收)掉部分红光或红外光的效果，从而改变可变光谱罩内环境中的R/FR比值，达到控制植株高度的目的。

[0041] 表1列出了采用不同滤光膜组合在自然光下模拟得到的R/FR比值，图4示出了示例2中表1所列的不同滤光膜组合模拟得到的不同R/FR比值下光环境的拟合光谱图。

[0042] 表1 示例2中采用不同滤光膜组合模拟得到的R/FR比值

[0043]编号 组合膜颜色 R/FR 编号 组合膜颜色 R/FR
C4+C14 黄色+浅紫玫瑰 0.61 C9+C4 桃红+黄色 1.09
C13+C6 浅玫瑰+柠檬黄 0.76 CK —— 1.16

[0044] 由表1和图4可以看出，在自然光照条件下，本示例成功模拟了不同R/FR比值的光环境，以655～665nm波长范围内光谱辐照度(Spectral irradiance μWatt.cm-2)累加值为红外光通量，以725～735nm波长范围内光谱辐照度累加值为远红外光通量，成功实现了不同R/FR比值光谱的模拟，可变光谱罩内环境光照的R/FR比值由自然光的1.16分别变为了0.61、0.76、1.09。其中，CK代表无滤光膜条件下的正常光照条件。

[0045] 示例3：

[0046] 在玉米-大豆、玉米-花生、玉米-马铃薯、高粱-大豆、甘蔗-大豆、烟草-大豆等多种复合种植模式的研究中，低位作物(大豆、花生、马铃薯等)常受到高位作物(玉米、高粱、甘蔗等)的荫蔽胁迫，导致倒伏加剧而影响产量和品质。以玉米-大豆套作为例，套作荫蔽环境下，避荫性反应导致栽培大豆品种节间伸长，由直立型变为半直立型或蔓生型，最终导致倒伏，其程度受复合群体内光环境的影响，荫蔽胁迫不同于弱光胁迫和光质变化，其包含光强和光质两方面的变化，一方面是遮阴导致光照强度的降低，一方面是自然光透射玉米绿色叶片，导致大豆冠层光质的变化，即R/FR比值降低。为了探明大豆对荫蔽胁迫的响应机制，利于大豆品种选育、化学调控等方面的研究，需要一种可同时模拟不同程度光强与光质的简易装置。

[0047] 本示例采用上述的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩，并将该可变光谱罩用于罩内环境的调节和模拟。本示例采用不同滤光膜组合，在人工气候室设置光照条件下，通过变换不同的滤光膜，从而改变可变光谱罩内环境中的光强和R/FR比值，达到在室内模拟不同程度荫蔽胁迫的目的。

[0048] 表2列出了采用不同滤光膜组合模拟得到的光照强度和R/FR比值。

[0049] 由表2可以看出，在人工气候室设置光照条件下，本示例成功模拟了不同光强和R/FR比值的光环境，使可变光谱罩内环境光照强度在66～14400Lux(光谱罩底部)、156～25200Lux(光谱罩顶部)这样的大区间内梯度变化，并同时实现了其R/FR比值在0.50～4.31这样的大区间内梯度变化，成功实现了不同荫蔽胁迫环境条件的模拟。

[0050] 表2 示例3中采用不同滤光膜组合模拟得到的光照强度和R/FR比值[0051]

[0052] 综上所述，本发明提供的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩及其光谱调节方法能够通过调整滤光膜种类及配比来模拟不同的光谱信号和环境，实现对不同植物、不同研究课题对光谱的不同需求；上述可变光谱罩的结构简单、轻便且成本低，能够节约空间且便于管理，能够在自然光照条件及室内人工光照等各种条件下实现对局部空间的光谱模拟，并不影响其他光谱的模拟，适用于室内外各种植物的生长研究。

[0053] 尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明的适用于小型设施农艺研究的可变光谱罩及其光谱调节方法，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改和变化。