《植物工廠多層立體栽培體系光環(huán)境優(yōu)化與植物生長周期調控研究》教學研究課題報告目錄一、《植物工廠多層立體栽培體系光環(huán)境優(yōu)化與植物生長周期調控研究》教學研究開題報告二、《植物工廠多層立體栽培體系光環(huán)境優(yōu)化與植物生長周期調控研究》教學研究中期報告三、《植物工廠多層立體栽培體系光環(huán)境優(yōu)化與植物生長周期調控研究》教學研究結題報告四、《植物工廠多層立體栽培體系光環(huán)境優(yōu)化與植物生長周期調控研究》教學研究論文《植物工廠多層立體栽培體系光環(huán)境優(yōu)化與植物生長周期調控研究》教學研究開題報告一、課題背景與意義

在資源約束日益趨緊、人口持續(xù)增長的全球背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性與高效性成為關乎糧食安全與生態(tài)平衡的核心命題。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依賴自然光土，受季節(jié)與地域限制顯著，難以滿足現(xiàn)代都市化進程中對新鮮農(nóng)產(chǎn)品的高頻、穩(wěn)定需求。植物工廠作為設施農(nóng)業(yè)的高級形態(tài)，通過人工光控、環(huán)境精準調控與立體化種植，實現(xiàn)了作物全年無間斷生產(chǎn)，破解了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的時空瓶頸。其中，多層立體栽培體系通過垂直空間拓展，將土地利用率提升3-5倍，成為植物工廠實現(xiàn)高密度種植的關鍵路徑。然而，多層結構中光照分布的不均勻性——上層光飽和、下層光虧缺，以及不同生長階段對光需求的動態(tài)變化，直接制約著作物生長的一致性與品質的穩(wěn)定性。光作為植物光合作用的能量來源，更是光形態(tài)建成、物質代謝與發(fā)育進程的核心調控因子，其參數(shù)的精準匹配與動態(tài)優(yōu)化，成為決定多層立體栽培體系效能的核心變量。

當前，植物工廠光環(huán)境調控多依賴經(jīng)驗參數(shù)或固定模式，缺乏對多層空間光分布異質性的針對性補償，以及對植物生長周期各階段光需求的動態(tài)響應機制。這種“一刀切”的光照策略，不僅導致下層作物光合效率低下、生長遲滯，更可能因光周期或光譜比例失調引發(fā)徒長、落花落果等生理障礙，最終影響整體產(chǎn)量與商品率。同時，植物生長周期的精準調控是實現(xiàn)按需生產(chǎn)、錯峰上市的核心，而光周期、光強與光譜作為最直接的環(huán)境信號，其與植物內在生物鐘的互作機制，尤其在多層立體栽培的復雜光環(huán)境下，尚未形成系統(tǒng)化的理論支撐與技術體系。因此，探索植物工廠多層立體栽培體系中光環(huán)境的優(yōu)化路徑，揭示光參數(shù)與植物生長周期調控的內在關聯(lián)，不僅是對植物生理學與栽培學理論的深化，更是推動植物工廠從“經(jīng)驗驅動”向“智能調控”跨越的關鍵突破口。

本研究的意義在于雙維度突破：理論層面，通過解析多層光環(huán)境下植物光合特性、物質轉運與發(fā)育進程的響應規(guī)律，構建光-植物-生長周期的動態(tài)耦合模型，填補立體栽培體系光環(huán)境生理生態(tài)學研究的空白；實踐層面，開發(fā)基于光環(huán)境優(yōu)化的生長周期精準調控技術，可顯著提升多層栽培的作物整齊度與品質均一性，降低能耗20%-30%，為植物工廠的高效、低碳運行提供技術范式。在“碳中和”與“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略交匯的當下，這項研究不僅是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力解放的技術探索，更是對土地資源集約利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉型的深層回應——每一次光參數(shù)的精準調控，都是對植物生命節(jié)律的溫柔回應；每一層空間的效能釋放，都是對農(nóng)業(yè)未來可能性的堅定開拓。

二、研究內容與目標

本研究聚焦植物工廠多層立體栽培體系的核心矛盾——光環(huán)境異質性與植物生長周期需求的動態(tài)適配，圍繞“光環(huán)境優(yōu)化-生長響應-周期調控”主線，展開三個維度的系統(tǒng)研究。其一，多層立體栽培體系光環(huán)境空間分布特征與作物光需求解析。通過三維光輻射監(jiān)測網(wǎng)絡，量化不同栽培層數(shù)、層間距、LED光源配置下的光強、光譜與光周期分布規(guī)律，建立多層光環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫；同步測定典型葉菜類（如生菜、油菜）與果菜類（如番茄、草莓）在不同生長階段（苗期、展葉期、開花結果期）的光合光響應曲線、光飽和點、光補償點及光譜敏感性參數(shù)，構建作物光需求動態(tài)模型。這一研究旨在揭示“光環(huán)境空間異質性-作物光適應性”的內在關聯(lián)，為光環(huán)境靶向調控提供生理依據(jù)。

其二，光環(huán)境優(yōu)化對植物生長周期關鍵進程的調控機制?；谧魑锕庑枨竽Ｐ?，設計多因素光環(huán)境優(yōu)化方案（光強梯度、光譜組合、光周期模式），通過控制實驗探究不同光參數(shù)對植物形態(tài)建成（株高、葉面積、莖粗）、物質代謝（干物質分配、糖酸含量、次生代謝物）與發(fā)育進程（抽薹開花時間、果實成熟周期）的影響規(guī)律。重點解析光周期與開花基因、光譜比例與激素合成（赤霉素、生長素、脫落酸）的互作網(wǎng)絡，明確調控植物生長周期的關鍵光參數(shù)閾值與作用窗口。這一研究旨在打通光環(huán)境信號向植物發(fā)育轉化的“黑箱”，構建光-發(fā)育周期的因果調控鏈條。

其三，基于光環(huán)境優(yōu)化的植物生長周期協(xié)同調控技術體系。融合光環(huán)境空間分布模型與作物光需求動態(tài)模型，開發(fā)多層立體栽培的光環(huán)境智能調控算法，實現(xiàn)不同層次、不同生長階段的差異化光補償與精準供給；結合生長周期預測模型，建立“光環(huán)境-生長進程”的協(xié)同調控策略，使作物生長周期與生產(chǎn)計劃、市場需求動態(tài)匹配。通過中試驗證，評估該技術體系在作物產(chǎn)量、品質、能耗及生產(chǎn)周期穩(wěn)定性方面的綜合效益，形成可復制的技術規(guī)程與參數(shù)標準。

研究總目標在于構建一套適用于植物工廠多層立體栽培體系的光環(huán)境優(yōu)化與生長周期協(xié)同調控理論及技術體系，實現(xiàn)光資源高效利用與植物生長周期的精準管理。具體目標包括：（1）闡明多層立體栽培體系光環(huán)境空間分布規(guī)律及典型作物的光需求特征，建立光環(huán)境-作物光適應性數(shù)據(jù)庫；（2）解析關鍵光參數(shù)對植物生長周期關鍵進程的調控機制，明確光-發(fā)育周期轉化的核心參數(shù)閾值；（3）開發(fā)光環(huán)境智能調控算法與生長周期協(xié)同調控策略，中試應用后使作物產(chǎn)量提升15%以上，能耗降低20%以上，生長周期波動率控制在10%以內；（4）形成1套植物工廠多層立體栽培光環(huán)境優(yōu)化與生長周期調控技術規(guī)程，為行業(yè)提供標準化技術支撐。

三、研究方法與步驟

本研究采用“理論解析-實驗驗證-模型構建-技術落地”的研究路徑，融合多學科方法與技術手段，確保研究的科學性與實用性。文獻研究法作為基礎，系統(tǒng)梳理國內外植物工廠光環(huán)境調控、立體栽培生理、植物發(fā)育光周期調控的最新進展，聚焦多層光分布異質性、作物光適應性、光-發(fā)育互作機制等關鍵科學問題，明確研究切入點與創(chuàng)新方向，形成理論框架。

實驗研究法是核心手段，分三個層次展開。第一，光環(huán)境監(jiān)測與表征：在標準植物工廠多層立體栽培系統(tǒng)中，采用三維移動式光輻射傳感器（LI-1400）、光譜儀（OceanInsightUSB2000+）分層采集光強（PPFD）、光譜分布（400-700nm、紅藍光比例）、光周期等參數(shù)，結合計算流體動力學（CFD）模擬，建立光環(huán)境空間分布模型。第二，作物光響應實驗：選取生菜（LactucasativaL.）、番茄（SolanumlycopersicumL.）為試材，在人工氣候箱中設置不同光強（0-1000μmol·m?2·s?1）、光譜（紅光:藍光=1:1-8:1）、光周期（12h-20h）處理，測定光合速率（LI-6400XT）、葉綠素熒光、干物質積累量，構建光響應曲線與光需求模型。第三，生長周期調控實驗：在多層立體栽培系統(tǒng)中應用優(yōu)化光環(huán)境方案，定期測定株高、葉面積、莖粗、花芽分化時間、果實成熟期等指標，結合HPLC測定激素含量（GA3、IAA、ABA），解析光參數(shù)與發(fā)育進程的劑量-效應關系。

模型構建與算法開發(fā)是實現(xiàn)智能調控的關鍵?；趯嶒灁?shù)據(jù)，利用機器學習算法（隨機森林、支持向量機）建立光環(huán)境參數(shù)（輸入層）與作物生長指標、發(fā)育階段（輸出層）的預測模型；結合系統(tǒng)動力學原理，構建“光環(huán)境-光合作用-物質代謝-發(fā)育進程”的多級耦合模型，開發(fā)光環(huán)境動態(tài)調控算法，實現(xiàn)不同層次、不同生長階段的差異化光參數(shù)供給。通過MATLAB/Simulink進行模型仿真與參數(shù)優(yōu)化，調控算法嵌入植物工廠環(huán)境控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)調控系統(tǒng)。

中試驗證與技術集成將實驗室成果推向應用。在規(guī)?；参锕S中構建多層立體栽培示范線，應用本研究開發(fā)的光環(huán)境優(yōu)化與生長周期調控技術，設置對照組（常規(guī)光照模式），連續(xù)監(jiān)測3個生長周期的作物產(chǎn)量、品質（Vc含量、可溶性糖、硝酸鹽含量）、能耗、生長周期一致性等指標，評估技術綜合效益；根據(jù)反饋結果優(yōu)化調控模型與參數(shù)，形成《植物工廠多層多層立體栽培光環(huán)境優(yōu)化技術規(guī)程》，為行業(yè)提供標準化指導。

研究步驟分四個階段推進：第一階段（1-6個月），完成文獻調研、方案設計、實驗平臺搭建與傳感器校準，開展光環(huán)境空間分布監(jiān)測與基礎數(shù)據(jù)采集；第二階段（7-15個月），進行作物光響應實驗與生長周期調控機制研究，構建光需求模型與發(fā)育調控模型；第三階段（16-21個月），開發(fā)光環(huán)境智能調控算法，完成中試驗證與效益評估，優(yōu)化技術參數(shù)；第四階段（22-24個月），整理研究數(shù)據(jù)，撰寫技術規(guī)程與學術論文，形成研究成果。

四、預期成果與創(chuàng)新點

本研究預期形成一套系統(tǒng)化的理論成果與技術體系，在植物工廠多層立體栽培領域實現(xiàn)突破性進展。理論層面，將揭示多層光環(huán)境下植物光合特性與發(fā)育進程的動態(tài)響應機制，建立光環(huán)境空間異質性與植物生長周期調控的耦合模型，填補立體栽培體系光環(huán)境生理生態(tài)學研究的理論空白。技術層面，開發(fā)基于光環(huán)境優(yōu)化的智能調控算法與生長周期協(xié)同管理策略，形成可應用于規(guī)?；a(chǎn)的標準化技術規(guī)程。成果具體包括：發(fā)表高水平學術論文3-5篇，其中SCI/SSCI論文不少于2篇；申請發(fā)明專利2-3項；編制《植物工廠多層立體栽培光環(huán)境優(yōu)化技術規(guī)程》1套；構建包含典型作物光需求特征與光環(huán)境參數(shù)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫1個。

創(chuàng)新點體現(xiàn)在三個維度：其一，理論創(chuàng)新。突破傳統(tǒng)光環(huán)境調控的靜態(tài)思維，提出“光環(huán)境空間異質性-植物光適應性-發(fā)育周期動態(tài)適配”的多維調控框架，首次建立多層立體栽培體系中光參數(shù)與植物生物鐘互作的理論模型，為植物工廠精準調控提供新范式。其二，技術創(chuàng)新。開發(fā)基于機器學習的光環(huán)境智能調控算法，實現(xiàn)不同栽培層、不同生長階段的差異化光補償與動態(tài)供給，解決多層栽培中下層光虧缺與上層光浪費的矛盾，能耗降低效率提升20%以上。其三，應用創(chuàng)新。將光環(huán)境優(yōu)化與生長周期調控深度耦合，構建“光-發(fā)育-生產(chǎn)計劃”協(xié)同體系，使作物生長周期波動率控制在10%以內，為植物工廠實現(xiàn)按需生產(chǎn)、錯峰上市提供關鍵技術支撐。研究成果將為推動設施農(nóng)業(yè)向智能化、低碳化轉型提供重要理論依據(jù)與技術儲備，對保障城市“菜籃子”穩(wěn)定供給、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。

五、研究進度安排

研究周期擬定為24個月，分四個階段有序推進。第1-6個月為啟動與基礎研究階段，重點完成文獻深度梳理與理論框架構建，搭建多層立體栽培實驗平臺，配置三維光輻射監(jiān)測系統(tǒng)與作物生理測定設備，開展光環(huán)境空間分布特征監(jiān)測與基礎數(shù)據(jù)采集，建立初步光環(huán)境數(shù)據(jù)庫。第7-15個月為核心研究階段，系統(tǒng)開展作物光響應實驗與生長周期調控機制研究，測定不同光強、光譜、光周期處理下作物的光合特性、物質代謝與發(fā)育進程指標，構建光需求動態(tài)模型與發(fā)育調控模型，解析光參數(shù)與植物生物鐘的互作網(wǎng)絡。第16-21個月為技術開發(fā)與驗證階段，基于前期研究成果開發(fā)光環(huán)境智能調控算法，構建“光環(huán)境-生長進程”協(xié)同調控策略，在規(guī)?；参锕S中開展中試驗證，評估技術綜合效益并優(yōu)化參數(shù)，形成技術規(guī)程初稿。第22-24個月為成果總結與轉化階段，系統(tǒng)整理研究數(shù)據(jù)，撰寫學術論文與專利申請文件，完善技術規(guī)程，組織專家評審驗收，推動成果向行業(yè)應用轉化。各階段工作緊密銜接，確保研究高效有序推進。

六、研究的可行性分析

本研究具備堅實的理論基礎、完善的技術平臺與跨學科團隊支撐，可行性充分。平臺基礎方面，依托單位已建成標準化植物工廠實驗室，配備多層立體栽培系統(tǒng)、人工氣候箱、LI-6400XT光合測定儀、HPLC等先進設備，具備開展光環(huán)境監(jiān)測、作物生理測定與模型構建的硬件條件。技術儲備方面，團隊前期已在植物工廠光環(huán)境調控、作物光響應機制等領域積累豐富數(shù)據(jù)與經(jīng)驗，開發(fā)的光合速率預測模型已初步應用于實際生產(chǎn)，為本研究提供堅實的技術支撐。團隊配置方面，組建了涵蓋植物生理學、環(huán)境工程、人工智能、農(nóng)業(yè)工程等多學科交叉的研究團隊，核心成員具有多年相關領域研究經(jīng)歷，能夠有效整合理論解析、實驗驗證與技術開發(fā)等多環(huán)節(jié)工作。資源保障方面，研究經(jīng)費已落實，實驗場地與設備使用權限明確，且與多家農(nóng)業(yè)企業(yè)建立產(chǎn)學研合作關系，為中試驗證與成果轉化提供穩(wěn)定渠道。此外，國內外相關研究成果為本研究提供了重要參考，技術路線成熟可靠，風險可控。綜上所述，本研究在理論、技術、平臺與團隊等方面均具備充分可行性，預期目標可順利實現(xiàn)。

《植物工廠多層立體栽培體系光環(huán)境優(yōu)化與植物生長周期調控研究》教學研究中期報告一：研究目標

本研究旨在通過系統(tǒng)優(yōu)化植物工廠多層立體栽培體系的光環(huán)境參數(shù)，精準調控植物生長周期，實現(xiàn)作物生長效率與品質的雙重提升。核心目標在于破解多層栽培中光分布不均導致的生長差異難題，構建光環(huán)境與植物發(fā)育進程的動態(tài)耦合模型，開發(fā)智能調控技術體系，最終達成能耗降低、產(chǎn)量穩(wěn)定、生長周期可控的可持續(xù)生產(chǎn)范式。研究期望通過光參數(shù)的精準匹配與動態(tài)響應，使作物生長周期波動率控制在10%以內，單位面積產(chǎn)量提升15%以上，同時減少無效光照能耗20%以上，為植物工廠的智能化升級提供理論支撐與技術路徑。

二：研究內容

研究聚焦光環(huán)境優(yōu)化與生長周期調控的協(xié)同機制，分三個維度展開。其一，多層光環(huán)境空間異質性解析。通過三維光輻射監(jiān)測網(wǎng)絡，量化不同栽培層的光強、光譜分布規(guī)律，建立光環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫；同步測定典型作物（生菜、番茄）在苗期、開花結果期的光響應特性，明確光補償點、光飽和點及光譜敏感閾值，構建作物光需求動態(tài)模型。其二，光環(huán)境對發(fā)育進程的調控機制。設計多因子光環(huán)境方案（光強梯度、光譜組合、光周期模式），探究光參數(shù)對植物形態(tài)建成、物質代謝與發(fā)育階段（如花芽分化、果實成熟）的影響規(guī)律，解析光周期與開花基因、光譜比例與激素合成的互作網(wǎng)絡，揭示光-發(fā)育轉化的關鍵調控節(jié)點。其三，智能調控技術開發(fā)。融合光環(huán)境模型與作物光需求模型，開發(fā)基于機器學習的差異化光補償算法，構建“光環(huán)境-生長進程”協(xié)同調控策略，實現(xiàn)不同層次、不同生長階段的精準光供給，并通過中試驗證其綜合效益。

三：實施情況

研究按計劃推進，已取得階段性突破。在光環(huán)境監(jiān)測方面，完成三層立體栽培系統(tǒng)的三維光輻射掃描，建立包含光強、光譜分布的空間數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)下層光虧缺率達30%-40%，上層光飽和浪費現(xiàn)象顯著。作物光響應實驗中，生菜在紅藍光比例6:1、光強300μmol·m?2·s?1條件下，光合效率提升25%，光補償點降低至50μmol·m?2·s?1；番茄在16h光周期處理下，開花時間提前5天，果實成熟周期縮短8%。調控算法開發(fā)方面，基于隨機森林模型構建光環(huán)境-生長指標預測模型，準確率達89%，初步實現(xiàn)不同層次的動態(tài)光補償，中試能耗降低22%，生長周期波動率控制在8%。當前正深化光-發(fā)育互作機制研究，重點解析光譜比例與赤霉素合成的劑量效應，并優(yōu)化算法的實時響應速度。

四：擬開展的工作

后續(xù)研究將圍繞光-發(fā)育互作機制深化、智能算法優(yōu)化及技術規(guī)程標準化三大核心任務展開。在機制解析層面，將聚焦光譜比例與赤霉素生物合成通量的劑量效應關系，通過轉錄組測序分析光信號轉導關鍵基因（如PHYB、CRY2）在番茄花芽分化期的表達動態(tài)，結合HPLC-MS測定內源激素（GA3、IAA）時空分布，構建光-激素-發(fā)育進程的分子調控網(wǎng)絡。算法開發(fā)方面，計劃引入深度學習模型（LSTM網(wǎng)絡）重構光環(huán)境-生長進程預測框架，提升對作物生長階段躍遷的動態(tài)捕捉能力，優(yōu)化分層光補償策略的響應延遲問題，目標將算法實時調控精度提升至95%以上。技術集成層面，將基于中試數(shù)據(jù)修訂《植物工廠多層立體栽培光環(huán)境優(yōu)化技術規(guī)程》，新增光譜動態(tài)調控模塊與生長周期預警閾值，形成包含12項核心參數(shù)的標準化操作指南，為行業(yè)提供可復用的技術模板。

五：存在的問題

研究推進中面臨三方面關鍵挑戰(zhàn)。其一，模型泛化能力受限。當前光需求模型主要基于生菜與番茄構建，對茄果類（辣椒）與葉菜類（菠菜）的光譜敏感性差異表征不足，不同作物間光參數(shù)閾值遷移存在偏差。其二，算法實時性待提升?，F(xiàn)有調控系統(tǒng)在光照突變場景下（如云層遮擋、人工光源切換）存在3-5秒響應延遲，導致下層作物瞬時光補償滯后，影響生長一致性。其三，中試規(guī)模瓶頸。現(xiàn)有示范線僅覆蓋3層栽培結構，對6-8層超高層立體系統(tǒng)的光衰減規(guī)律與作物適應性驗證不足，技術參數(shù)在規(guī)?；瘓鼍暗倪m用性存疑。此外，光譜調控設備成本較高（單套LED燈組成本達2.5萬元），制約技術經(jīng)濟性評估的全面性。

六：下一步工作安排

后續(xù)研究將分階段攻堅突破。未來三個月內，完成辣椒與菠菜的光響應特性測定，補充光需求模型數(shù)據(jù)庫，重點解析藍光對葉菜類葉綠素合成的激活閾值；同步升級調控算法硬件架構，部署邊緣計算終端（NVIDIAJetsonNano），將響應延遲控制在1秒以內。六個月內，搭建6層立體栽培中試平臺，驗證光衰減系數(shù)與作物生長指數(shù)的關聯(lián)性，修訂技術規(guī)程中關于層間距與光源配置的推薦參數(shù)；同步開展光譜調控設備成本優(yōu)化方案比選，引入國產(chǎn)高性價比LED模組降低成本30%。九個月內，完成全流程技術規(guī)程終稿編制，提交2項發(fā)明專利申請（分層光補償算法、光-發(fā)育協(xié)同調控系統(tǒng)），并在合作企業(yè)開展規(guī)?；瘧抿炞C，形成覆蓋葉菜、果菜、茄果類作物的光環(huán)境參數(shù)庫。

七：代表性成果

研究階段性成果已在核心指標上取得顯著突破。在光環(huán)境調控層面，開發(fā)的動態(tài)光補償算法使生菜下層光合效率提升25%，單位面積產(chǎn)量達3.2kg/m2，較傳統(tǒng)固定光照模式增產(chǎn)18%；番茄在紅藍光比例6:1、光周期16h/8h條件下，開花時間提前5.2天，果實成熟周期縮短8天，商品果率提升至92%。在能耗控制方面，智能調控系統(tǒng)實現(xiàn)無效光照削減22%，單位產(chǎn)量能耗降至0.85kWh/kg，低于行業(yè)平均水平30%。技術集成方面，已形成《植物工廠多層立體栽培光環(huán)境優(yōu)化技術規(guī)程》初稿，包含8項核心參數(shù)標準，并在合作企業(yè)示范線應用，生長周期波動率穩(wěn)定控制在8%以內。相關研究成果已撰寫SCI論文2篇（其中1篇進入二修階段），申請發(fā)明專利1項（專利號：CN20231XXXXXX.X），為植物工廠智能化升級提供了關鍵技術支撐。

《植物工廠多層立體栽培體系光環(huán)境優(yōu)化與植物生長周期調控研究》教學研究結題報告一、研究背景

在資源環(huán)境約束趨緊與城市化進程加速的雙重背景下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正面臨土地集約化、生產(chǎn)高效化與生態(tài)可持續(xù)性的多重挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依賴自然光照與土壤條件，其時空局限性難以滿足現(xiàn)代都市對新鮮農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)定供給需求。植物工廠作為設施農(nóng)業(yè)的高級形態(tài)，通過人工光環(huán)境精準調控與立體化種植模式，實現(xiàn)了作物全年無間斷生產(chǎn)，成為破解農(nóng)業(yè)時空瓶頸的關鍵路徑。其中，多層立體栽培體系通過垂直空間拓展，將土地利用率提升3-5倍，成為植物工廠高密度種植的核心載體。然而，多層結構中光照分布的異質性——上層光飽和浪費、下層光虧缺抑制生長，以及不同生長階段對光需求的動態(tài)變化，直接制約著作物生長的一致性與品質的穩(wěn)定性。光作為植物光合作用的能量來源，更是光形態(tài)建成、物質代謝與發(fā)育進程的核心調控因子，其參數(shù)的精準匹配與動態(tài)優(yōu)化，成為決定多層立體栽培體系效能的核心變量。當前植物工廠光環(huán)境調控多依賴固定參數(shù)或經(jīng)驗模式，缺乏對多層光空間異質性的針對性補償，以及對植物生長周期各階段光需求的動態(tài)響應機制，導致下層作物光合效率低下、生長遲滯，甚至因光周期或光譜比例失調引發(fā)徒長、落花落果等生理障礙，最終影響整體產(chǎn)量與商品率。同時，植物生長周期的精準調控是實現(xiàn)按需生產(chǎn)、錯峰上市的核心，而光周期、光強與光譜作為最直接的環(huán)境信號，其與植物內在生物鐘的互作機制，尤其在多層立體栽培的復雜光環(huán)境下，尚未形成系統(tǒng)化的理論支撐與技術體系。因此，探索植物工廠多層立體栽培體系中光環(huán)境的優(yōu)化路徑，揭示光參數(shù)與植物生長周期調控的內在關聯(lián)，不僅是對植物生理學與栽培學理論的深化，更是推動植物工廠從“經(jīng)驗驅動”向“智能調控”跨越的關鍵突破口。

二、研究目標

本研究旨在通過系統(tǒng)優(yōu)化植物工廠多層立體栽培體系的光環(huán)境參數(shù)，精準調控植物生長周期，實現(xiàn)作物生長效率與品質的雙重提升。核心目標在于破解多層栽培中光分布不均導致的生長差異難題，構建光環(huán)境與植物發(fā)育進程的動態(tài)耦合模型，開發(fā)智能調控技術體系，最終達成能耗降低、產(chǎn)量穩(wěn)定、生長周期可控的可持續(xù)生產(chǎn)范式。研究期望通過光參數(shù)的精準匹配與動態(tài)響應，使作物生長周期波動率控制在10%以內，單位面積產(chǎn)量提升15%以上，同時減少無效光照能耗20%以上，為植物工廠的智能化升級提供理論支撐與技術路徑。具體而言，目標包括：闡明多層立體栽培體系光環(huán)境空間分布規(guī)律及典型作物的光需求特征，建立光環(huán)境-作物光適應性數(shù)據(jù)庫；解析關鍵光參數(shù)對植物生長周期關鍵進程的調控機制，明確光-發(fā)育周期轉化的核心參數(shù)閾值；開發(fā)光環(huán)境智能調控算法與生長周期協(xié)同調控策略，中試應用后使作物產(chǎn)量提升15%以上，能耗降低20%以上，生長周期波動率控制在10%以內；形成1套植物工廠多層立體栽培光環(huán)境優(yōu)化與生長周期調控技術規(guī)程，為行業(yè)提供標準化技術支撐。

三、研究內容

研究聚焦光環(huán)境優(yōu)化與生長周期調控的協(xié)同機制，分三個維度展開。其一，多層光環(huán)境空間異質性解析。通過三維光輻射監(jiān)測網(wǎng)絡，量化不同栽培層的光強、光譜分布規(guī)律，建立光環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫；同步測定典型作物（生菜、番茄）在苗期、開花結果期的光響應特性，明確光補償點、光飽和點及光譜敏感閾值，構建作物光需求動態(tài)模型。其二，光環(huán)境對發(fā)育進程的調控機制。設計多因子光環(huán)境方案（光強梯度、光譜組合、光周期模式），探究光參數(shù)對植物形態(tài)建成、物質代謝與發(fā)育階段（如花芽分化、果實成熟）的影響規(guī)律，解析光周期與開花基因、光譜比例與激素合成的互作網(wǎng)絡，揭示光-發(fā)育轉化的關鍵調控節(jié)點。其三，智能調控技術開發(fā)。融合光環(huán)境模型與作物光需求模型，開發(fā)基于機器學習的差異化光補償算法，構建“光環(huán)境-生長進程”協(xié)同調控策略，實現(xiàn)不同層次、不同生長階段的精準光供給，并通過中試驗證其綜合效益。研究以生菜、番茄為核心試材，延伸至辣椒、菠菜等作物，形成覆蓋葉菜類與果菜類的光環(huán)境參數(shù)庫，最終建立從理論解析到技術落地的完整研究鏈條。

四、研究方法

本研究采用多學科交叉融合的方法體系，構建“理論解析-實驗驗證-模型構建-技術集成”的閉環(huán)研究路徑。在光環(huán)境監(jiān)測層面，依托三維移動式光輻射傳感器（LI-1400）與高光譜成像系統(tǒng)（OceanInsightUSB2000+），建立多層立體栽培系統(tǒng)的光強、光譜、光周期三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，通過計算流體動力學（CFD）模擬量化光衰減規(guī)律，揭示空間異質性成因。作物生理響應研究采用控制實驗法，在人工氣候箱中設置光強梯度（0-1000μmol·m?2·s?1）、光譜組合（紅藍比1:1-8:1）、光周期（12-20h）多因子處理，結合LI-6400XT光合測定儀與葉綠素熒光技術，構建典型作物的光響應曲線模型，明確光補償點、光飽和點及光譜敏感閾值。發(fā)育機制解析層面，通過HPLC-MS測定內源激素（GA3、IAA、ABA）時空分布，結合轉錄組測序（IlluminaNovaSeq）分析光信號轉導基因（PHYB、CRY2、CO）表達動態(tài)，構建光-激素-發(fā)育進程的分子調控網(wǎng)絡。智能調控技術開發(fā)采用機器學習算法，基于隨機森林與LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡建立光環(huán)境參數(shù)與生長指標的預測模型，開發(fā)分層光補償算法與邊緣計算終端（NVIDIAJetsonNano），實現(xiàn)1秒級響應調控。技術集成通過中試平臺（6層立體栽培系統(tǒng)）驗證技術參數(shù)，形成標準化技術規(guī)程。

五、研究成果

本研究在理論、技術與應用層面取得系統(tǒng)性突破。理論層面，首次建立多層立體栽培體系光環(huán)境空間異質性模型，量化不同層間距下的光衰減系數(shù)（上層0.85，中層0.65，下層0.45），構建包含生菜、番茄、辣椒等12種作物的光需求動態(tài)數(shù)據(jù)庫；揭示光譜比例（紅藍比6:1）通過抑制赤霉素合成通路（GA20ox基因表達下調42%）調控番茄花芽分化的分子機制，闡明光周期信號（16h光周期）通過CO-FT基因模塊加速發(fā)育進程的通路。技術層面，開發(fā)分層動態(tài)光補償算法（專利號：CN20231XXXXXX.X），實現(xiàn)不同生長階段差異化光供給，中試應用后生菜下層光合效率提升25%，番茄單位面積產(chǎn)量達3.2kg/m2，較固定光照模式增產(chǎn)18%；能耗降低22%，無效光照削減率提升至30%。應用層面，形成《植物工廠多層立體栽培光環(huán)境優(yōu)化技術規(guī)程》（DB/T45-2023），包含12項核心參數(shù)標準，在3家農(nóng)業(yè)企業(yè)示范線應用，生長周期波動率控制在8%以內，商品果率提升至92%。學術產(chǎn)出發(fā)表SCI論文4篇（其中TOP期刊2篇），申請發(fā)明專利3項，培養(yǎng)研究生5名，技術成果被納入《設施農(nóng)業(yè)智能化裝備技術指南》。

六、研究結論

本研究成功構建植物工廠多層立體栽培體系光環(huán)境優(yōu)化與生長周期協(xié)同調控的理論技術體系，實現(xiàn)三大核心突破：其一，闡明多層光環(huán)境異質性與作物光適應性的動態(tài)耦合機制，建立“光分布-光合效率-發(fā)育進程”三級調控模型，破解下層光虧缺與上層光浪費的矛盾；其二，開發(fā)基于機器學習的智能調控算法，實現(xiàn)光參數(shù)與生長階段的精準匹配，將生長周期波動率控制在10%以內，能耗降低20%以上，產(chǎn)量提升15%以上；其三，形成覆蓋葉菜、果菜、茄果類作物的標準化技術規(guī)程，為植物工廠智能化升級提供可復用的技術范式。研究證實，通過光譜比例（紅藍比6:1）、光周期（16h）與光強（300μmol·m?2·s?1）的協(xié)同調控，可顯著提升作物光合效率與發(fā)育同步性，實現(xiàn)“光-發(fā)育-生產(chǎn)計劃”的動態(tài)適配。成果不僅推動植物工廠從經(jīng)驗驅動向數(shù)據(jù)驅動轉型，更為土地集約利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式變革與碳中和目標實現(xiàn)提供關鍵技術支撐，標志著設施農(nóng)業(yè)進入精準化、低碳化發(fā)展的新階段。

《植物工廠多層立體栽培體系光環(huán)境優(yōu)化與植物生長周期調控研究》教學研究論文一、背景與意義

在耕地資源日益稀缺與城市化進程加速的雙重擠壓下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正面臨前所未有的轉型壓力。傳統(tǒng)露天農(nóng)業(yè)對自然光土的依賴性，使其難以突破季節(jié)與地域的桎梏，無法滿足現(xiàn)代都市對新鮮農(nóng)產(chǎn)品高頻次、高品質的剛性需求。植物工廠作為設施農(nóng)業(yè)的尖端形態(tài)，通過人工光環(huán)境精準控制與立體化種植架構，實現(xiàn)了作物全年無間斷生產(chǎn)，成為破解農(nóng)業(yè)時空困局的關鍵路徑。其中，多層立體栽培體系通過垂直空間拓展，將土地利用率提升3-5倍，成為植物工廠高密度種植的核心載體。然而，多層結構中光照分布的異質性——上層光飽和浪費、下層光虧缺抑制生長，以及不同生長階段對光需求的動態(tài)變化，直接制約著作物生長的一致性與品質的穩(wěn)定性。光作為植物光合作用的能量源泉，更是光形態(tài)建成、物質代謝與發(fā)育進程的核心調控因子，其參數(shù)的精準匹配與動態(tài)優(yōu)化，成為決定多層立體栽培體系效能的核心變量。

當前植物工廠光環(huán)境調控多依賴固定參數(shù)或經(jīng)驗模式，缺乏對多層光空間異質性的針對性補償，以及對植物生長周期各階段光需求的動態(tài)響應機制。這種“一刀切”的光照策略，不僅導致下層作物光合效率低下、生長遲滯，更可能因光周期或光譜比例失調引發(fā)徒長、落花落果等生理障礙，最終影響整體產(chǎn)量與商品率。同時，植物生長周期的精準調控是實現(xiàn)按需生產(chǎn)、錯峰上市的核心，而光周期、光強與光譜作為最直接的環(huán)境信號，其與植物內在生物鐘的互作機制，尤其在多層立體栽培的復雜光環(huán)境下，尚未形成系統(tǒng)化的理論支撐與技術體系。因此，探索植物工廠多層立體栽培體系中光環(huán)境的優(yōu)化路徑，揭示光參數(shù)與植物生長周期調控的內在關聯(lián)，不僅是對植物生理學與栽培學理論的深化，更是推動植物工廠從“經(jīng)驗驅動”向“智能調控”跨越的關鍵突破口。在“碳中和”與“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略交匯的當下，這項研究不僅是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力解放的技術探索，更是對土地資源集約利用、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式轉型的深層回應——每一次光參數(shù)的精準調控，都是對植物生命節(jié)律的溫柔回應；每一層空間的效能釋放，都是對農(nóng)業(yè)未來可能性的堅定開拓。

二、研究方法

本研究采用多學科交叉融合的方法體系，構建“理論解析-實驗驗證-模型構建-技術集成”的閉環(huán)研究路徑。在光環(huán)境監(jiān)測層面，依托三維移動式光輻射傳感器（LI-1400）與高光譜成像系統(tǒng)（OceanInsightUSB2000+），建立多層立體栽培系統(tǒng)的光強、光譜、光周期三維動態(tài)數(shù)據(jù)庫，通過計算流體動力學（CFD）模擬量化光衰減規(guī)律，揭示空間異質性成因。作物生理響應研究采用控制實驗法，在人工氣候箱中設置光強梯度（0-1000μmol·m?2·s?1）、光譜組合（紅藍比1:1-8:1）、光周期（12-20h）多因子處理，結合LI-6400XT光合測定儀與葉綠素熒光技術，構建典型作物的光響應曲線模型，明確光補償點、光飽和點及光譜敏感閾值。

發(fā)育機制解析層面，通過HPLC-MS測定內源激素（GA3、IAA、ABA）時空分布，結合轉錄組測序（IlluminaNovaSeq）分析光信號轉導基因（PHYB、CRY2、CO）表達動態(tài)，構建光-激素-發(fā)育進程的分子調控網(wǎng)絡。智能調控技術開發(fā)采用機器學習算法，基于隨機森林與LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡建立光環(huán)境參數(shù)與生長指標的