开发一种动态协议，以提高无土农业系统的生产力

《Smart Energy》：Development of a dynamic protocol for improving the productivity of soilless farming systems

本研究针对室内垂直农场（VFPS）中生菜的高效生产，设计并验证了动态栽培协议。通过三因素两水平实验（温度、营养液浓度、光照强度），结合生长因子（GF）指标分析，发现动态调整环境参数可使生物量积累提升25%，同时保持硝酸盐含量安全。该协议每周优化环境条件，验证了分阶段调控对产量提升的显著效果，为可持续室内农业提供了新方法。

　　在当今全球面临气候变化和人口增长的双重挑战背景下，农业生产面临前所未有的压力。传统的农业模式受到极端天气、土地资源稀缺以及运输成本高昂等因素的制约，而室内农业技术则为解决这些问题提供了新的思路。室内种植系统，如水培、雾培和水产种植系统，能够在不受外部环境影响的情况下实现全年无休的高质量作物生产。这种技术不仅能够减少水资源和化学物质的使用，还具有较高的单位面积产量，是可持续城市农业的重要组成部分。然而，室内种植系统的一个显著缺点是其对能源的高需求，尤其是为了维持适宜的温度和光照条件，这使得系统的经济可持续性面临挑战。因此，本研究旨在开发一种针对幼生生菜的种植协议，以提高整体产量，同时降低能源消耗。

### 1. 研究背景

室内种植技术的核心在于通过人工控制环境参数，如温度、光照和营养液浓度，来优化作物生长条件。这种技术特别适用于气候条件恶劣或水资源有限的地区，例如干旱或寒冷的环境。此外，室内种植系统还可以通过垂直种植的方式，有效利用空间，提高土地利用率。在现代农业中，随着科技的发展，室内种植系统逐渐从简单的传感器和执行器组成演变为具备智能化和数据驱动能力的系统，能够根据植物生理状态和外部因素（如电价）动态调整环境条件，从而提高生产效率和经济可行性。

然而，尽管室内种植系统具有诸多优势，其对能源的依赖仍然是一个亟待解决的问题。为了解决这一问题，本研究引入了一种动态种植协议，该协议通过每周调整种植条件，以满足植物在不同生长阶段的需求，从而在不增加资源消耗的前提下提高整体生产力。这种策略不仅有助于提高单位面积的产量，还能减少能源浪费，增强系统的经济和环境可持续性。

### 2. 研究方法

为了实现这一目标，研究团队设计并搭建了一个水培种植系统，用于对生菜的生长条件进行实验分析。该系统包括三个商业化水培模块，每个模块都配备了传感器和自动控制装置，以监测和调节温度、湿度、营养液浓度、光照强度等关键参数。系统中的传感器能够实时采集数据，并通过物联网技术传输至控制单元。控制单元使用了一块单板计算机（Raspberry Pi）进行数据处理和系统控制，能够根据设定的参数调整环境条件，如启动或关闭加热器、冷却器、灌溉泵等。

在种植过程中，使用了特定的营养液配方，并通过每周的测量和分析，收集了生菜的生长数据。数据包括新鲜重量（FW）、干重（DW）和叶面积（LA），这些都是衡量作物生长和产量的重要指标。此外，研究还引入了一个新的指标——生长因子（GF），用于衡量植物在特定时间点的生长速率。GF的计算基于新鲜重量的变化率，即当前时间点的FW与前一个时间点的FW的比值，从而更精确地反映植物在不同阶段的生长情况。

研究采用了**设计实验（Design of Experiment, DoE）**的方法，对三种关键环境因素（温度、营养液浓度和光照强度）进行系统分析。通过DoE，研究团队可以评估这些因素在不同组合下的综合影响，并从中选择最优的种植条件。实验设计采用了**23全因子设计**，即对每个因素进行高低两组实验，共生成8种组合，通过随机分配实验单元，确保实验结果的可靠性和代表性。每种实验条件重复进行两次，以增强数据的统计显著性。

### 3. 实验结果

实验结果显示，采用动态种植协议的生菜产量显著高于固定条件下的产量。具体而言，动态协议在前两周采用了高温度、高营养液浓度和高光照强度的组合（T+N+L+），而在第三周则采用了低温度、低营养液浓度和高光照强度的组合（T-N-L+）。这种调整使得生菜在生长的不同阶段都能获得最佳的生长条件，从而实现更高的生物量积累。

实验数据表明，动态种植协议使系统平均产量提高了约25%，并且在保持相同高质量的前提下，没有增加资源的使用量。这证明了动态种植策略在提升室内种植系统生产力方面的巨大潜力。此外，对硝酸盐含量的分析也显示，无论种植条件如何变化，硝酸盐含量始终低于法定安全限值，说明动态种植不会影响作物的营养价值和安全性。

生长因子（GF）的分析进一步揭示了植物在不同生长阶段对环境因素的不同响应。例如，在第二周，GF值较高，表明该阶段植物对营养液浓度的依赖性较强，而在第三周，GF值下降，表明植物对营养液浓度的需求减少。这表明，植物在不同生长阶段对营养液浓度、温度和光照强度的需求存在差异，因此，动态调整种植条件能够更精准地满足植物的生理需求，从而提高整体产量。

### 4. 讨论与分析

本研究的成果不仅为室内种植系统的优化提供了理论依据，也为实际应用提供了可行的方案。通过动态调整种植条件，可以有效提高系统的生产力，同时减少能源消耗。这种策略的核心在于对植物生长过程的精细化管理，即根据植物的生长阶段调整温度、营养液浓度和光照强度等参数。

研究还发现，尽管营养液浓度对最终产量的影响较小，但对生长速率的影响显著。这表明，营养液浓度的动态调整对于提高植物的生长效率具有重要意义。此外，光照强度和温度对产量和生长速率的影响更为直接，因此在动态种植策略中，这些因素应作为优先考虑的变量。

值得注意的是，GF指标的引入使得研究能够更准确地捕捉植物在不同阶段的生长速率变化。这种指标能够帮助研究人员更全面地理解植物的生长动态，并据此优化种植条件。GF的计算虽然受到不同植物之间数据差异的影响，但通过增加样本量和采用统计分析方法，可以有效提高其准确性和可靠性。

此外，研究还探讨了其他环境因素，如湿度和二氧化碳浓度，对植物生长的影响。虽然这些因素在实验中被控制在一定范围内，但它们的微小变化仍可能对植物的生长产生一定影响。因此，在未来的系统优化中，这些因素也需要被纳入考虑范围。

本研究的动态种植协议虽然针对生菜这一特定作物，但其方法论具有较强的通用性，可以推广到其他作物的种植过程中。通过类似的实验设计和数据分析方法，其他作物的种植条件也可以被动态调整，以提高整体产量和资源利用效率。同时，研究还指出，未来可以进一步探索更短时间点的实验设计，以实现对植物生长的实时监测和调整，从而更精确地满足植物的需求。

### 5. 结论

本研究通过设计实验和动态种植协议的开发，验证了室内种植系统在优化生长条件方面的潜力。研究发现，通过每周调整种植条件，可以显著提高生菜的产量，同时保持其营养价值和安全性。动态种植策略不仅能够提高系统的经济可持续性，还能减少能源消耗，为未来可持续农业的发展提供新的思路。

此外，生长因子（GF）的引入为研究植物生长速率提供了新的视角。GF能够更精确地反映植物在不同生长阶段的生理变化，有助于优化种植条件。研究还强调了对植物生长过程的精细化管理的重要性，即根据植物的生理需求动态调整环境参数，而不是采用固定的种植条件。

总体而言，本研究为室内种植系统提供了一种新的优化方法，具有重要的实际应用价值。未来的研究可以进一步探索动态种植策略在不同作物和不同生长周期中的适用性，并结合更多的环境因素进行综合分析，以实现更高效的农业生产。同时，研究团队也建议，未来可以对动态种植策略的经济性进行更深入的分析，以评估其在实际应用中的可行性。