專利名稱：栽培小植物的裝置和使用該裝置栽培小植物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及栽培小植物的裝置和使用該裝置栽培小植物的方法。尤其是通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的實(shí)用裝置和通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的方法，該裝置能在封閉栽培容器中的小植物周?chē)纬删鶆虻亩趸紳舛确植?，并便于控制培養(yǎng)液的飼給量和穩(wěn)定地大量生產(chǎn)生長(zhǎng)度極佳的一致?tīng)I(yíng)養(yǎng)苗；該方法就是利用這種裝置經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單操作來(lái)有效而穩(wěn)定地大量生產(chǎn)生長(zhǎng)度極佳的一致?tīng)I(yíng)養(yǎng)苗的。
自從開(kāi)始有了植物栽培，迄今為止生產(chǎn)植物的地下條件一直依賴于土壤。但是，由于土壤具有復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物學(xué)特性，通過(guò)土壤極難控制地下環(huán)境。因此，近年來(lái)人們對(duì)使用營(yíng)養(yǎng)液而不用土壤的栽培進(jìn)行了研究。
為了利用培養(yǎng)液栽培而穩(wěn)定地大量生產(chǎn)植物，使環(huán)境控制系統(tǒng)能具有完全符合植物生長(zhǎng)需要的人為控制環(huán)境條件是極為重要的。通過(guò)環(huán)境控制系統(tǒng)來(lái)生產(chǎn)植物的最好技術(shù)是給植物生長(zhǎng)人為提供最適環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)如上所述的技術(shù)，就必須對(duì)影響植物生長(zhǎng)的因素進(jìn)行綜合控制，包括光照、環(huán)境溫度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、環(huán)境濕度和培養(yǎng)液。
迄今已發(fā)現(xiàn)的控制植物生長(zhǎng)環(huán)境的方法有多種形式，根據(jù)對(duì)植物地上和地下部分控制的方法把它們分為單氣相類、氣液兩相類、氣液固三相類和單液相類，其中，根據(jù)地下部的環(huán)境差異劃分的氣液兩相類和氣液固三相類，其地上部均在氣相中。氣液兩相類小植物浮在液體表面，由聚苯乙烯泡沫板等提供支撐，根部位于液體中。而氣液固三相類是采用固體形式如沙子、礫石、煙煤以及包括礦棉、多孔體等纖維或類似物代替土壤來(lái)作為小植物的支撐體?，F(xiàn)在已在商業(yè)中應(yīng)用的所謂植物工廠主要屬于采用適于在地下條件下的營(yíng)養(yǎng)液栽培的氣液兩相類和氣液固三相類中任何一種。
迄今為止，作為利用環(huán)境控制系統(tǒng)栽培小植物的方法，利用的是光混合促長(zhǎng)方法，該方法中作為碳源使用的是與糖等結(jié)合的培養(yǎng)液，由于人們認(rèn)為在封閉環(huán)境中栽培小植物的氣相中二氧化碳會(huì)很快減少，所以，糖類必須加到培養(yǎng)液中作為碳源。
不過(guò)采用光混合促進(jìn)生長(zhǎng)的栽培方法(以后在某些情況下縮寫(xiě)為“光混合促進(jìn)栽培”)由于要給培養(yǎng)液加糖等作為碳源而帶來(lái)問(wèn)題，這包括害怕混雜的芽孢和細(xì)菌(簡(jiǎn)稱“污染物”)破壞被栽培的小植物而使小植物減少；依靠產(chǎn)生光混合促進(jìn)狀態(tài)的加糖栽培使小植物在栽培期間生長(zhǎng)延緩；在把小植物從栽培容器移植后進(jìn)入光能自養(yǎng)狀態(tài)期間延遲小植物的生長(zhǎng)等問(wèn)題。
在這種情況下，為了解決上述的問(wèn)題，最近人們注意到采用光能自養(yǎng)生長(zhǎng)技術(shù)的栽培方法(以后在有些情況下簡(jiǎn)稱“光能自養(yǎng)栽培”)來(lái)解決上述問(wèn)題(參見(jiàn)“Acta Hortic”.Vol.230,pp121-127,1988)。這種光能自養(yǎng)栽培使用的培養(yǎng)液不是加糖等作為碳源的，而是利用了待栽培小植物自身的光合作用并利用二氧化碳作為碳源，從而解決了上述光混合促進(jìn)栽培中存在的問(wèn)題。
由于在光能自養(yǎng)栽培中，是在有光照射且栽培容器中的二氧化碳濃度保持高水平的情況下進(jìn)行栽培的，這種方法的關(guān)鍵之處是提供二氧化碳。
提供二氧化碳方法的例子有強(qiáng)制通氣法和自然通氣法，強(qiáng)制通氣法是在栽培容器中強(qiáng)制供給富含二氧化碳的空氣，眾所周知強(qiáng)制通氣法對(duì)小植物的生長(zhǎng)更為有利{參見(jiàn)“Hort Science”vol.27,pp1312-1314(1992)}。但普通的強(qiáng)制通氣法存在問(wèn)題是在氣流入口附近和出口附近小植物的生長(zhǎng)程度差異很大，難以確保營(yíng)養(yǎng)苗的一致{參見(jiàn)“Environ.Control in Biol.”vol.37,pp83-92(1999)}。
在這種情況下，為了生產(chǎn)生長(zhǎng)度均一的營(yíng)養(yǎng)苗，嘗試著在栽培裝置中安排管道來(lái)使二氧化碳濃度分布均勻化{參見(jiàn)“In Vitro Cell.Dev.Biol.-Plant”vol.35,pp350-355(1999)}。上述方法雖然在小規(guī)模的栽培裝置中很有效，但卻導(dǎo)致了管道進(jìn)口和管道出口之間的氣壓差。結(jié)果致使栽培裝置中二氧化碳濃度分布又不均勻，從而難以生產(chǎn)生長(zhǎng)度一致的營(yíng)養(yǎng)苗。
一方面，一旦把培養(yǎng)液放進(jìn)栽培裝置后，在小植物被取出前，常難以自由地加進(jìn)和取出培養(yǎng)液，從而也難以補(bǔ)償營(yíng)養(yǎng)成分變化或保持適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)量和溶液水平。
這樣以來(lái)，為了將培養(yǎng)液提供給栽培容器從而可能在栽培期改變和控制供給栽培容器的培養(yǎng)液質(zhì)量及數(shù)量，償試著在栽培容器外部安裝一個(gè)培養(yǎng)液桶{參見(jiàn)“In Vitro cell.Dev.Biol.-Plant”vol.35,pp350-355(1999)}。但不能說(shuō)這種方法是一個(gè)完全控制法，因?yàn)樗荒芸刂婆囵B(yǎng)液中溶解的氧濃度并進(jìn)行強(qiáng)制排放。
鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供利用光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的實(shí)用裝置，該裝置能將封閉栽培容器中的二氧化碳濃度均勻化，能自由地把培養(yǎng)液排出和放進(jìn)栽培容器，能控制培養(yǎng)液的質(zhì)量和數(shù)量以及溶解的氧量，也能控制栽培容器中的溫度和濕度，能穩(wěn)定大量生產(chǎn)生長(zhǎng)度極佳的一致?tīng)I(yíng)養(yǎng)苗。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供利用光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的實(shí)用方法，該方法使用上述裝置通過(guò)簡(jiǎn)便地操作就能有效穩(wěn)定地大量生產(chǎn)生長(zhǎng)度極佳的一致?tīng)I(yíng)養(yǎng)苗。
本發(fā)明的其它目的會(huì)明顯地體現(xiàn)在下述公開(kāi)的說(shuō)明內(nèi)容中。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明人經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的深入研究，發(fā)現(xiàn)利用光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的裝置能滿足上述目的，其主要組成部分包括可透光且封閉的栽培容器、接觸栽培容器底部安裝的且作為緩沖室的供應(yīng)富含二氧化碳空氣的供給室、培養(yǎng)液桶、把富含二氧化碳空氣供給室與栽培容器彼此連通的多個(gè)垂直細(xì)管以及安裝在培養(yǎng)液桶上的空氣泵。研究結(jié)果表明，通過(guò)使用上述裝置利用簡(jiǎn)便地操作就能有效穩(wěn)定地大量生產(chǎn)生長(zhǎng)度極佳的一致?tīng)I(yíng)養(yǎng)苗。本發(fā)明是根據(jù)上述結(jié)果和信息來(lái)完成的。
即，本發(fā)明提供了通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的裝置，它的主要組成部分包括可透光且至少在其頂部有一個(gè)排氣孔的封閉栽培容器，接觸栽培容器底部安裝的富含二氧化碳空氣供給室，以及給栽培容器提供培養(yǎng)液的培養(yǎng)液桶，其特征在于供氣室與富含二氧化碳空氣的供給源相連并通過(guò)多個(gè)垂直細(xì)管與栽培容器連通，每個(gè)細(xì)管在每一末端有一開(kāi)口，細(xì)管安裝在栽培容器的底部以便每個(gè)細(xì)管的上末端從栽培容器中的培養(yǎng)液液體表面突出，培養(yǎng)液桶通過(guò)一個(gè)管連接到栽培容器上并配置有用于給栽培容器提供培養(yǎng)液的空氣泵。
此外，還提供了利用上述栽培裝置通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的方法，它包括提供一個(gè)封閉栽培容器，其中在具有培養(yǎng)液的支持體上移植有小植物，該培養(yǎng)液是使用空氣泵由培養(yǎng)液桶提供的；利用空氣泵的壓力和栽培容器與培養(yǎng)液桶間的高度差異來(lái)控制培養(yǎng)液的飼給速率；以及從富含二氧化碳空氣供給室給栽培容器供給富含二氧化碳的空氣。


圖1表示本發(fā)明通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的裝置實(shí)施例示意圖2是表示實(shí)施例1和比較實(shí)施例1的栽培容器中二氧化碳濃度隨時(shí)間變化圖；圖3包括(a)表示實(shí)施例1栽培開(kāi)始后第28天栽培容器每部位二氧化碳濃度三維分布圖；(b)表示實(shí)施例1中桉樹(shù)營(yíng)養(yǎng)苗高度的三維示意圖。
數(shù)字符號(hào)表示的部分如下1封閉栽培容器；2富含二氧化碳空氣的供給室；3培養(yǎng)液桶；4空氣導(dǎo)管；5垂直細(xì)管；6空氣泵；7撓性管；8壓縮空氣的導(dǎo)管；9排氣孔；10栽培的小植物；11支持體；12支持盆；20本發(fā)明的栽培裝置。
通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培植物體的裝置主要組成部分包括一個(gè)可透光的封閉栽培容器、一個(gè)富含二氧化碳空氣的供給室以及一個(gè)培養(yǎng)液桶。
上述封閉栽培容器要有透光特性、重量輕、加工性能好、抗高壓等，為此，它最好由透光材料構(gòu)成，優(yōu)選以透明塑料為例，可以是丙烯酸類樹(shù)脂、聚丙烯和聚碳酸酯。
對(duì)該封閉栽培容器的結(jié)構(gòu)和形狀并不需要特殊限定，一般采用長(zhǎng)方體的形式。其大小也不用特殊限定，能大量生產(chǎn)目標(biāo)小植物且同時(shí)生產(chǎn)效率高就可以。這種封閉栽培容器唯一要限定的是要足以確保被栽培小植物的密度和小植物的高度。
該封閉栽培容器至少在其上部設(shè)置有一個(gè)排氣孔。排氣孔的位置并沒(méi)有特殊限定。不過(guò)當(dāng)該容器為長(zhǎng)方體時(shí)排氣孔最好設(shè)置在相對(duì)兩側(cè)面上垂直中心線的上部相同位置處。排氣孔可以設(shè)置兩對(duì)之間相對(duì)兩側(cè)面的一對(duì)上，共計(jì)為兩個(gè)排氣孔；或在其兩對(duì)上都設(shè)置孔，使總排氣孔為4個(gè)。從加工性來(lái)看，排氣孔可以設(shè)置為管道，優(yōu)選是用與容器相同的材料制成的塑料管，以便伸向容器外。排氣孔的直徑?jīng)]有特殊限定，但可以由富含二氧化碳空氣的飼給速率來(lái)確定。一般該封閉栽培容器配備有溫度檢測(cè)器和濕度檢測(cè)器。
每個(gè)排氣孔在其出口配備有所需孔徑大小的過(guò)濾盤(pán)，例如，為了防止因混雜的芽孢和細(xì)菌透進(jìn)容器引起的污染，過(guò)濾盤(pán)的孔直徑不大于0.5μm。
此外，把富含二氧化碳空氣的供給室(以后有時(shí)縮寫(xiě)為“供氣室”)接觸前述栽培容器的底部安裝，與富含二氧化碳空氣供給源相連，并且，通過(guò)多個(gè)垂直細(xì)管與該栽培容器連通，每個(gè)細(xì)管的每個(gè)末端有一個(gè)開(kāi)口，細(xì)管安裝在栽培容器的底部以便使每個(gè)細(xì)管的上末端從培養(yǎng)液的液體表面突出。
基于重量輕、加工性好、抗高壓等因素，上述的供氣室的制作材料最好與栽培容器的制作材料相同。供氣室的高度并沒(méi)特殊限定，但供氣室需要保留一定的空間起緩沖空間的功能，當(dāng)供氣室提供的富含二氧化碳的空氣通過(guò)多個(gè)垂直細(xì)管流進(jìn)栽培容器時(shí)，使富含二氧化碳空氣的流動(dòng)速率在每個(gè)垂直細(xì)管中幾乎平衡。
為了給供氣室提供富含二氧化碳的空氣，該室與一個(gè)富含二氧化碳空氣的供應(yīng)源連接。一般這種連接是采用撓性管連接實(shí)現(xiàn)的。朝外安裝在供氣室底部的一個(gè)或多個(gè)管朝向一個(gè)或多個(gè)噴嘴，該噴嘴安裝在空氣泵釋放處的空氣分布排氣管上?？諝獗靡话阍诔隹谔幣渲糜幸粋€(gè)用于測(cè)定富含二氧化碳空氣流速的流量表和一個(gè)具有一定孔徑大小的過(guò)濾盤(pán)，例如，為了防止因混雜的芽孢和細(xì)菌透進(jìn)容器引起的污染，過(guò)濾盤(pán)的孔直徑不大于0.5μm。
對(duì)安裝在供氣室底部的管的數(shù)目、直徑和制作材料并沒(méi)有特殊的限定，但基于加工性和抗高壓性，管材最好與制作供氣室的材料相同。
垂直細(xì)管的直徑一般在0.1-10mm，最好0.5-5mm的范圍內(nèi)選擇。但必須使每個(gè)管的上末端從培養(yǎng)液液體表面突出。所以，自栽培容器底算起的管高度依賴于培養(yǎng)液的表面，一般可以為1-50mm，最好為2-25mm。雖然垂直細(xì)管的數(shù)量和制作材料并沒(méi)特殊限定，但數(shù)量最好限定為能確保每個(gè)植物體周?chē)亩趸紳舛染鶆蚧?，基于加工性和抗高壓性，材料最好與制作栽培容器的材料相同。
通過(guò)配置具有這種結(jié)構(gòu)的供氣室，能使該室對(duì)富含二氧化碳的空氣起緩沖室的作用，并能通過(guò)多個(gè)裝配在容器底部的垂直細(xì)管給栽培容器內(nèi)部提供濃度穩(wěn)定而均勻的富含二氧化碳的空氣，從而使栽培容器里的富含二氧化碳空氣分布均勻。
為了控制栽培容器內(nèi)的濕度，當(dāng)需要時(shí)，本發(fā)明還能裝配一個(gè)給供氣室提供培養(yǎng)液和/或無(wú)菌水的部件。在這種情況下，最好安裝上能延伸進(jìn)供氣室底部的空氣導(dǎo)管，該管安裝在供氣室的底部，用于導(dǎo)入富含二氧化碳的空氣。
如果需要，最好在供氣室內(nèi)安裝一個(gè)諸如加熱器這樣的溫度調(diào)節(jié)件。這樣的機(jī)構(gòu)便于栽培容器中溫度和濕度的控制。
為了把培養(yǎng)液桶中培養(yǎng)液供給栽培容器，把培養(yǎng)液桶的下部與栽培容器的下部用管連接，最好是撓性管連接。在培養(yǎng)液桶上還配置一空氣泵。通過(guò)安裝連接到該空氣泵釋放口上的管，使其末端位于培養(yǎng)液桶中溶液的上部或溶液里面，并且操作該空氣泵，給培養(yǎng)液桶提供壓力，使培養(yǎng)液桶中的培養(yǎng)液通過(guò)撓性管提供給栽培容器，使栽培容器中的液面保持在前述水平，以便把被栽培的小植物根部浸入培養(yǎng)液中。在這個(gè)步驟中，當(dāng)把連接到空氣泵上的管末端放進(jìn)培養(yǎng)液桶的培養(yǎng)液中時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)管末端的垂直位置就能控制培養(yǎng)液中溶解的氧濃度。一般在空氣泵的出口端配置有具有一定孔徑大小的過(guò)濾盤(pán)，例如，為了防止因混雜的芽孢和細(xì)菌透進(jìn)培養(yǎng)液引起的污染，過(guò)濾盤(pán)的孔直徑不大于0.5μm。
在本發(fā)明中最好將培養(yǎng)液桶安置為桶內(nèi)培養(yǎng)液液面低于栽培容器中培養(yǎng)液液面。通過(guò)這種配置并結(jié)合停止空氣泵的操作就能利用重力作用使栽培容器中的培養(yǎng)液返回到培養(yǎng)液桶中。最好在栽培容器的最低部排出和放進(jìn)培養(yǎng)液，這樣能使支持體中還沒(méi)有被吸收的所有過(guò)量培養(yǎng)液返回到培養(yǎng)液桶中。
對(duì)培養(yǎng)液桶的大小和材料并沒(méi)有特殊限定，但基于重量輕、加工性能好、抗高壓等因素考慮，最好用塑料制作。此外，至少培養(yǎng)液桶一部分是透明的，以便觀察液面。
圖1表示本發(fā)明通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物裝置的一個(gè)實(shí)施例示意圖。
根據(jù)本發(fā)明，栽培裝置20主要組成包括一個(gè)透光的至少具有一個(gè)排氣孔9的封閉栽培容器1、一個(gè)接觸栽培容器1底部安裝的提供富含二氧化碳空氣的供給室2以及一個(gè)配置有空氣泵6的培養(yǎng)液桶3。
提供富含二氧化碳空氣的供氣室2通過(guò)空氣導(dǎo)管(圖中未示出)連接到富含二氧化碳的空氣供給源上，并且通過(guò)多個(gè)垂直細(xì)管5與栽培容器1連通，每個(gè)垂直細(xì)管5在其每個(gè)末端都有開(kāi)口，并且把垂直細(xì)管5安裝在栽培容器1的底部，以使每個(gè)管的上末端從栽培容器1中的培養(yǎng)液液面突出。
一方面，通過(guò)撓性管7把培養(yǎng)液桶3連接到栽培容器1上以便給栽培容器1提供培養(yǎng)液，并通過(guò)一個(gè)壓縮空氣導(dǎo)入管8將培養(yǎng)液桶3的上表面與空氣泵6相連。此外，可以裝配管8使其末端位于培養(yǎng)液中。把培養(yǎng)液桶3裝配成其中的液面低于栽培容器1中的液面。
此外，
圖1表示了栽培容器1中的內(nèi)部狀態(tài)，其中，已被移植到支持體(固體支持材料)11上的要栽培的小植物10和支持體11一起被各自放進(jìn)多個(gè)支持盆12中，每個(gè)支持盆12至少在其側(cè)面和底部有一個(gè)通孔以易于培養(yǎng)液滲進(jìn)。多個(gè)支持盆12可以是自身相連的，這種情況下可以在支持盆的連接部分制有通孔，以便垂直細(xì)管從中穿過(guò)。
下面，將詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的方法。
在光能自養(yǎng)栽培中(本發(fā)明方法采用該栽培方法)，使用無(wú)糖的培養(yǎng)液。對(duì)無(wú)糖培養(yǎng)液并沒(méi)有特殊的限定，但可以選用目前光能自養(yǎng)栽培中常用的培養(yǎng)液。以這些培養(yǎng)液為例說(shuō)明；這些培養(yǎng)液含有無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)成分，如大量元素包括氮、磷、鉀、鎂和鈣，微量元素包括鐵、錳、銅和鋅。培養(yǎng)液還可含有維生素、有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，維生素如尼克酸和鹽酸硫胺素，有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物如氨基酸，但上述所舉成分并不總是必要的。以成分濃度半量的MS培養(yǎng)基為特例說(shuō)明培養(yǎng)液。
以mg/l為濃度單位，MS培養(yǎng)基成分含有NH4NO31650、KNO31900、CaCl2·2H2O440、MgSO4·7H2O 370、KH2PO4170、FeSO4·7H2O 27.8、Na2-EDTA 37.3、MnSO4·4H2O22.3、ZnSO4·4H2O 8.6、CaCl2·6H2O 0.025、CuSO4·5H2O 0.025、Na2MoO4·2H2O0.25、KI 0.83、H3BO36.2、尼克酸0.5、鹽酸吡哆素0.5、鹽酸硫胺素0.1、肌醇100和甘氨酸2。
能使用本發(fā)明栽培方法的小植物可以包括能在氣液固三相的環(huán)境控制系統(tǒng)中栽培的任何種類小植物，對(duì)其起源沒(méi)有特殊限定。例如能栽培的小植物包括一株小植物和用一種方法形成的多個(gè)輔助嫩枝，形成多個(gè)輔助嫩枝的方法是把利用細(xì)胞培養(yǎng)、頂端分生組織培養(yǎng)等得到的組織進(jìn)行初級(jí)培養(yǎng)和連續(xù)的繼代培養(yǎng)、然后對(duì)產(chǎn)生的小植物，并且最好是帶有葉片或具有小植物的莖部一節(jié)進(jìn)行早期分枝法、類原球莖體法、枝芽原基法等，所述小植物中多個(gè)節(jié)按節(jié)單元切成節(jié)段。這些小植物的特殊例子包括所有藥草、花、樹(shù)，如卡特蘭屬、蝶蘭屬、石斛屬、蘭屬、兜蘭屬、萬(wàn)帶蘭屬、Ascoscenda屬、樹(shù)蘭屬、米爾頓屬、唇瓣蘭屬、Odontglossum屬、Epiphlonitis屬、蝦脊蘭屬、腎鱗蕨屬、花葉萬(wàn)年青屬、白蝶蘭屬、蘭屬、Burceraceae屬、森格尼屬、好望角苣苔屬、鐵線蓮、老鸛草、一品紅、杜鵑花、大巖桐、六出花屬、萱草屬、香雪蘭、鳶尾、麝香石竹、縷絲花、補(bǔ)血草、菊花、扶郎花、櫻草、非洲紫羅蘭屬、仙客來(lái)屬、百合、唐菖蒲、大麗花、致瑰花、鮑伐德屬、杜鵑花、龍膽、水仙、朱頂蘭、風(fēng)信子、秋海棠屬、薩瓦提厄紫菀(astersavatieri)、米爾頓屬、鐵角蕨屬、貝加明延令草屬、Spathiphyllum屬、綠蘿、海芋屬、龜背竹屬、喜林芋屬、Syndabsis屬、五彩芋屬、鳳梨屬、Neoregelia屬、龍血樹(shù)屬、桫欏屬、鐵線蕨屬、鳥(niǎo)巢鐵角蕨(Asplenium nidus)、蕨類植物門(mén)、花燭屬、結(jié)縷草屬、草莓、大蒜、日本辣根、黃瓜、番茄、茄子、馬鈴薯、甘薯、天南星科植物、薯蕷、山藥、胡羅卜、西瓜、摩芋、bogrhubarb、天門(mén)冬屬、蕓苔屬、稻屬、大麥、棉株、洋麻、香蕉、菠蘿、油棕、咖啡、可可、蘋(píng)果、梨、日本柿子、葡萄、桃樹(shù)、日本杏樹(shù)、柑桔、日本茶、懸鉤子、越桔、巴旦杏、櫻桃、荔枝屬、倒捻子、senkyu、半夏、Jiou屬、關(guān)蒼術(shù)、顛茄屬、烏頭屬植物、賽茛菪屬、吐根、大黃、櫻花、苦蘇(kozo)、白樺、六道木屬、桉屬、金合歡、橡膠木、泡桐屬、楊屬、山楊、檀木屬、柚木屬、拉坦棕屬、榆樹(shù)、樺樹(shù)、桑樹(shù)、櫟樹(shù)種類、羅漢松(hiba)、雪松、柏樹(shù)、云杉屬、冷杉、松樹(shù)、紅豆杉(yew)、紅杉、柳桉、龍腦香科、石梓、桃花心木。
在本發(fā)明中，對(duì)生長(zhǎng)和發(fā)育上述小植物的支持體(固體支持材料)并沒(méi)有特殊限定，可以適當(dāng)任選地選用目前已在氣液固三相環(huán)境控制體系的栽培方法中使用的眾所周知的傳統(tǒng)支持體。這類支持體的例子包括纖維和/或多孔材料，如沙子、礫石、煙煤、蛭石、珍珠巖、纖維素纖維、聚酯纖維、陶瓷纖維、上述列舉的支持體可以單獨(dú)使用也可至少與另一種結(jié)合使用。其中，從生根特性和生長(zhǎng)促進(jìn)特性等來(lái)看，尤其優(yōu)選使用蛭石和纖維素纖維的混合物(如“Florialite”，由Nisshinbo Industries Inc.制造)。
本發(fā)明使用的光源可是太陽(yáng)光或人造光源。雖然太陽(yáng)光有利于生產(chǎn)成本，但太陽(yáng)光變化明顯難以控制，所以一般使用人造光源。人造光源的例子包括熒光燈、水銀蒸氣燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉蒸氣燈和光發(fā)射二極管。
下面參照
圖1詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明栽培小植物的方法。首先，把被栽培的小植物10移放到支持體11上，支持體各自是裝填在多個(gè)支持盆12中的，每個(gè)支持盆至少在其側(cè)壁或底部有一個(gè)穿通孔，便于培養(yǎng)液的滲透。接著，把小植物10及支持體用封閉栽培容器1蓋住。
其次，啟動(dòng)空氣泵6將壓力施加于培養(yǎng)液桶3，從而給栽培容器1的里面提供培養(yǎng)液。當(dāng)培養(yǎng)液的液體水平達(dá)到規(guī)定水平時(shí)，停止空氣泵6。在重力的作用下，立刻或在適當(dāng)時(shí)間后，栽培容器1中的培養(yǎng)液通過(guò)撓性管7返回培養(yǎng)液桶3。可以在栽培期間以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔重復(fù)該過(guò)程。
為了使培養(yǎng)液的位置保持在規(guī)定高度，在撓性管7上安裝一個(gè)閥門(mén)或塞子，并且在培養(yǎng)液已供給栽培容器1后關(guān)閉該閥門(mén)或塞子。
在本發(fā)明中，培養(yǎng)液的飼給量調(diào)節(jié)是利用空氣泵壓力以及栽培容器與培養(yǎng)液桶間高度差來(lái)進(jìn)行的。
一方面，利用一個(gè)空氣泵(圖中未示出)通過(guò)空氣導(dǎo)管4向富含二氧化碳空氣的供給室2供應(yīng)富含二氧化碳的空氣，該導(dǎo)管4是安裝在供氣室2底部的。提供的富含二氧化碳的空氣經(jīng)過(guò)許多垂直細(xì)管5而進(jìn)到栽培容器1的里面，并通過(guò)排氣孔9排出系統(tǒng)。一般將二氧化碳的濃度控制為300-3000μmol/mol，最好控制為350-2000μmol/mol.當(dāng)二氧化碳濃度不合理的低時(shí)，不能進(jìn)行有效的光合作用，而當(dāng)二氧化碳濃度超過(guò)一定限制，不能成比例加強(qiáng)光合作用。當(dāng)被栽培的小植物大小、數(shù)量和質(zhì)量以及栽培環(huán)境一定時(shí)，小植物生長(zhǎng)消耗的二氧化碳變化方式幾乎總是相同的。所以，全面掌握它們之間的關(guān)系就能把栽培容器中的二氧化碳濃度保持在規(guī)定范圍內(nèi)，而不必定期或隨時(shí)進(jìn)行測(cè)量。
在栽培期間，用系統(tǒng)外的光輻照小植物。為了說(shuō)明光照條件，一般采用光合作用的光子通量(此后有時(shí)縮寫(xiě)為“PPF”)。PPF因栽培小植物的種類等因素而異，一般選擇范圍為50-500μmolm-2s-1，最好為100-300μmolm-2s-1。當(dāng)PPF不合理的低時(shí)會(huì)降低被栽培的小植物的光合作用效率，而當(dāng)PPF不合理的高時(shí)有時(shí)會(huì)抑制小植物的生長(zhǎng)，此外，也不利于成本。光輻照常常并不是連續(xù)的，而是包括光照期和黑暗期的間歇式輻照。例如，光輻照條件可以采用12-16小時(shí)的光照期和12-8小時(shí)的黑暗期。
栽培容器中的溫度根據(jù)被栽培小植物的種類等而定，一般選擇5-40℃，最好為20-35℃。濕度用相對(duì)濕度表示，栽培容器中的濕度根據(jù)所栽培小植物的起源、種類、生長(zhǎng)程度等而定。例如，苗圃培養(yǎng)體系中的小苗需要高濕度，而生長(zhǎng)到不再需要練苗的程度的植物需要低濕度。不過(guò)一般濕度范圍為40-98％，最好為50-95％。
對(duì)于通氣指數(shù)(用每單位時(shí)間內(nèi)栽培容器中通氣量除以栽培容器的體積所得的商值)來(lái)說(shuō)，可采用一種方法，其中在栽培初期其數(shù)值低，隨著栽培時(shí)間的延續(xù)而增加其數(shù)值。
在本發(fā)明方法中，通過(guò)控制富含二氧化碳空氣的濕度和培養(yǎng)液的飼給量能控制栽培容器中的濕度，此外，通過(guò)控制培養(yǎng)液和/或富含二氧化碳空氣的溫度能控制栽培容器中的溫度。
在本發(fā)明方法中，當(dāng)需要時(shí)還可以給富含二氧化碳空氣供給室提供培養(yǎng)液或無(wú)菌水，也可以調(diào)節(jié)所供給培養(yǎng)液或無(wú)菌水的溫度。上述控制進(jìn)一步便于控制栽培容器中的濕度和溫度。當(dāng)需要時(shí)也可以在通過(guò)加壓將空氣放進(jìn)培養(yǎng)液桶而排出培養(yǎng)液時(shí)通過(guò)加壓使空氣進(jìn)入培養(yǎng)液中來(lái)控制培養(yǎng)液中被溶解的氧濃度。
總之，本發(fā)明的效果在于，利用光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的裝置以及使用該裝置栽培小植物的方法，能使封閉栽培容器中的二氧化碳濃度均勻分布，且容易控制培養(yǎng)液的飼給量，通過(guò)簡(jiǎn)單的操作就能有效而穩(wěn)定地大量生產(chǎn)具有極好生長(zhǎng)度的一致?tīng)I(yíng)養(yǎng)苗，從實(shí)踐角度來(lái)看，本發(fā)明提供的技術(shù)有很高的使用價(jià)值。
下面參照比較實(shí)施例和本發(fā)明實(shí)施例更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，但這并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
實(shí)施例1把
圖1所示的裝置用作栽培裝置。封閉栽培容器1呈一個(gè)內(nèi)部體積約為20升的平行六面體的形式，用厚度為2mm的丙烯酸樹(shù)脂板材制備的，其長(zhǎng)度為610mm，寬度為310mm，高度為105mm。富含二氧化碳空氣(此后有時(shí)縮寫(xiě)為“空氣”)供給室2是用與栽培容器1相同的丙烯酸樹(shù)脂板材制成的，并且其深度為10mm。配置有4個(gè)各自用丙烯酸樹(shù)脂制的空氣導(dǎo)管4，管長(zhǎng)25mm，管內(nèi)徑為1.5mm，每個(gè)管都連接有一個(gè)噴嘴，噴嘴是裝在空氣分布排氣管上的，空氣分布排氣管裝在用于提供空氣的空氣泵釋放口上。在空氣泵的釋放口上安裝有一個(gè)流量計(jì)和一個(gè)過(guò)濾盤(pán)，過(guò)濾盤(pán)的直徑為50mm，孔直徑為0.5μm。多個(gè)用丙烯酸樹(shù)脂管制的垂直細(xì)管5把供氣室2和栽培容器1相互連通，細(xì)管5的長(zhǎng)度為3.5mm，內(nèi)徑為0.5mm。各自用丙烯酸樹(shù)脂制的排氣孔9的長(zhǎng)度為10mm，內(nèi)徑為1.5mm，安裝在容器的兩個(gè)縱向相對(duì)側(cè)面的垂直中心線的上部，并且每個(gè)末端都配置有直徑為50mm、孔直徑為0.5μm的過(guò)濾盤(pán)，以便防止因混雜的芽孢和細(xì)菌滲透進(jìn)容器引起污染。
用塑料制的培養(yǎng)液桶3內(nèi)部容積為2.5升，其中的培養(yǎng)液液體表面低于栽培容器1底部15cm，該桶的下部用撓性管7連接到栽培容器1的最下部。把由定時(shí)器操縱的空氣泵6釋放口用壓縮空氣導(dǎo)管8經(jīng)過(guò)直徑50mm、孔直徑0.5μm的過(guò)濾盤(pán)連接到培養(yǎng)液桶3的上表面。
被栽培的小植物是各自具有兩葉一節(jié)的小苗，它是把桉樹(shù)苗生長(zhǎng)在試管中經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)方法培養(yǎng)30天形成的，培養(yǎng)液使用的是沒(méi)有任何糖和維生素的改良MS成分培養(yǎng)液。
第一步是把448株所述桉樹(shù)小苗分別移放到支持體上，該支持體是由蛭石和纖維素纖維的混合物(“Florialite”，由Nisshinbo Industries Inc.制造)構(gòu)成的，把該支持體裝進(jìn)具有多個(gè)通孔的支持盆中，隨后用栽培容器蓋住，栽植密度約為2.4×103小苗/m2。
前四天供給栽培容器中的培養(yǎng)液能使部分支持體浸入培養(yǎng)液中而不排出培養(yǎng)液。從第五天開(kāi)始，當(dāng)培養(yǎng)液返回培養(yǎng)液桶時(shí)再啟動(dòng)空氣泵5分鐘把培養(yǎng)液供進(jìn)栽培容器，并使栽培容器中過(guò)量的培養(yǎng)液返回液桶。間隔24小時(shí)重復(fù)上述作業(yè)。
前兩天不供給富含二氧化碳的空氣，隨后在第七天之前以12L/小時(shí)(通氣指數(shù)為0.6h-1)飼給速率供給。之后，每3-4天增加飼給速率，在第28天達(dá)到最大飼給速率210L/小時(shí)(通氣指數(shù)為10.4h-1)。在供給富含二氧化碳空氣期間，栽培容器內(nèi)二氧化碳濃度保持在850-900μmol/mol范圍內(nèi)，供給栽培容器的空氣中二氧化碳的濃度保持在1100-1200μmol/mol范圍內(nèi)。
除了8小時(shí)的暗期外，在16小時(shí)的光照期使用白色熒光燈進(jìn)行輻照，同時(shí)，栽培容器內(nèi)的溫度保持為26±2℃。在光照期間光合作用光子通量(PPF)為120μmol m-2s-1，供給栽培容器的富含二氧化碳空氣的相對(duì)濕度控制在60-70％。
以前述方式栽培28天后，把栽培容器中生長(zhǎng)過(guò)的營(yíng)養(yǎng)苗取出測(cè)定葉面積和葉數(shù)、莖長(zhǎng)度以及葉、莖、根的鮮重和干重。栽培條件和栽培結(jié)果分別列于表1和表2中。
從栽培的營(yíng)養(yǎng)苗中將100個(gè)單株移出栽培容器而不經(jīng)過(guò)練苗，10天后測(cè)定移栽苗的成活率，其結(jié)果為86％。
圖2是表示栽培容器中二氧化碳濃度隨栽培時(shí)間而變化的圖形。測(cè)定濃度的樣品取自第7、14、21、28天排氣口處250μl氣體，使用氣相色譜分析儀進(jìn)行測(cè)定(三次測(cè)定的平均值)。
圖3包括(a)表示栽培開(kāi)始后第28天栽培容器中每部位處二氧化碳濃度的三維示意圖；(b)表示桉樹(shù)營(yíng)養(yǎng)苗高度的三維示意圖。測(cè)定二氧化碳濃度的取樣為自栽培容器(蓋體)上表面10mm距離的20個(gè)部位處各250μl氣體，使用氣相色譜分析儀測(cè)定(三次測(cè)定的平均值)。
還評(píng)價(jià)了第28天營(yíng)養(yǎng)苗的光合速率，并用微型濕度傳感器測(cè)定了第14天和第28天栽培容器內(nèi)相對(duì)濕度；通過(guò)對(duì)其中的氣體取樣并使用氣相色譜分析儀測(cè)定(五次測(cè)定的平均值)第14天和第28天栽培容器內(nèi)的乙烯濃度，結(jié)果列于表1中。眾所周知，乙烯會(huì)影響植物的生長(zhǎng)和分化，在特定的條件下植物自身都會(huì)產(chǎn)生乙烯。
上述營(yíng)養(yǎng)苗的光合速率用下列公式計(jì)算
Pn={kEV(C出-C進(jìn))}/N其中，Pn光合速率(mol·h-1/營(yíng)養(yǎng)苗數(shù))k從體積到摩爾的CO2的轉(zhuǎn)化系數(shù)E通氣指數(shù)(h-1)V栽培容器的氣相體積(m3)C出光合作用期間穩(wěn)態(tài)供給的空氣中CO2濃度(mol/mol)C進(jìn)光合作用期間栽培容器里的穩(wěn)態(tài)CO2濃度(mol/mol)N每個(gè)栽培容器中的營(yíng)養(yǎng)苗數(shù)比較實(shí)施例1栽培裝置使用目前常用的內(nèi)部體積為0.4升的10單元Magenta型栽培容器。用4組與實(shí)施例1相同的桉樹(shù)苗移植到置于支持盆內(nèi)的支持體“Florialite”上，隨后放進(jìn)栽培容器中，栽培密度約為1.1×103個(gè)營(yíng)養(yǎng)苗/m2。培養(yǎng)液與實(shí)施例1的相同，使用無(wú)糖或維生素的改良MS配方的培養(yǎng)液，每個(gè)栽培容器中有培養(yǎng)液60ml。用標(biāo)準(zhǔn)蓋蓋住每個(gè)栽培容器，然后用Parafilm密封。每個(gè)栽培容器有兩個(gè)直徑為2mm的通孔，每個(gè)孔上帶有孔直徑為0.5μm的過(guò)濾盤(pán)。栽培期間自然通氣的通氣指數(shù)為2.5h-1。
與實(shí)施例1相同的方式進(jìn)行光照，栽培前兩天在不進(jìn)行通氣的條件下保持栽培容器內(nèi)的溫度為26±2℃而，以后自然通氣。在栽培期間，外部氣氛中的二氧化碳濃度控制在1100-1200μmol/mol范圍內(nèi)，其中的相對(duì)濕度控制為60-70％。
栽培28天后，從每個(gè)栽培容器中取出生長(zhǎng)過(guò)的營(yíng)養(yǎng)苗，按同實(shí)施例1相同的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果列于表2中。
在栽培的營(yíng)養(yǎng)苗中，把沒(méi)有經(jīng)過(guò)練苗的20個(gè)單株移出栽培容器，10天后測(cè)定移栽苗的成活率。結(jié)果為46％。
圖2是表示栽培容器中的二氧化碳濃度隨時(shí)間變化的圖示。測(cè)定濃度的樣品取自第7、14、21、28天每個(gè)容器內(nèi)上部的氣體，與實(shí)施例1相同的方式進(jìn)行測(cè)定。
采用與實(shí)施例1相同的方式，評(píng)價(jià)第28天營(yíng)養(yǎng)苗的光合速率，并測(cè)定了第14天和第28天栽培容器內(nèi)相對(duì)濕度。結(jié)果列于表1中。
表1
表2
符號(hào)解釋干重wt.％是根據(jù)鮮重計(jì)算的*t檢驗(yàn)顯著水平P=0.01**t檢驗(yàn)顯著水平P=0.05從表1的結(jié)果可以看出，盡管實(shí)施例1和比較實(shí)施例1中供應(yīng)空氣中的相對(duì)濕度在整個(gè)栽培期為60-70％，但實(shí)施例1中栽培容器上部中的相對(duì)濕度在第14天時(shí)為86％，在第28天時(shí)只增加為90％，而比實(shí)實(shí)施例1中相對(duì)濕度顯著地高，達(dá)到95％和98％。
從圖2可以看出，實(shí)施例1中栽培容器內(nèi)的二氧化碳濃度在栽培第7天至28天幾乎保持恒定在大約870-900μmol范圍內(nèi)；而比較實(shí)施例1中二氧化碳濃度從第14天的320μmol顯著減小為第28天的180μmol，這種減小是由于自然通氣中栽培容器內(nèi)側(cè)與體系外側(cè)間氣體交換受到限制以及營(yíng)養(yǎng)苗的光合活性所造成的。
此外，在栽培期間沒(méi)有測(cè)定到實(shí)施例1中栽培容器內(nèi)的乙烯，但測(cè)定到比較實(shí)施例1中第14天和第28天的乙烯。很明顯自然通氣不可能充分地除去營(yíng)養(yǎng)苗所產(chǎn)生的乙烯。
從圖2還能看出，盡管實(shí)施例1的栽植密度是比較實(shí)施例1的大約2.2倍，但與比較實(shí)施例1相比，實(shí)施例1的葉、莖和根生長(zhǎng)極佳。
另外，實(shí)施例1中每株?duì)I養(yǎng)苗在第28天的光合速率為9.1μmolh-1，而比較實(shí)施例1中在相同條件下光合速率為7.8μmolh-1。我們認(rèn)為二者之間的這種差異是由于實(shí)施例1采用強(qiáng)迫通氣使栽培容器內(nèi)的二氧化碳濃度能保持在高水平之故。
此外，不經(jīng)過(guò)練苗把被栽培的營(yíng)養(yǎng)苗移出栽培容器的情況下，比較實(shí)施例1的存活率僅為46％，而且即使存活的營(yíng)養(yǎng)苗也表現(xiàn)極差，在移植后幾乎所有的葉子都立即萎蔫，并且其中的一些不能再恢復(fù)；而實(shí)施例1的存活率高達(dá)86％，而且存活著的營(yíng)養(yǎng)苗的葉即使萎蔫也能在短期內(nèi)恢復(fù)。
此外，從圖2和圖3明顯可以看出，實(shí)施例1栽培容器中的二氧化碳濃度幾乎是均勻的，結(jié)果使生長(zhǎng)過(guò)的營(yíng)養(yǎng)苗有一致的莖長(zhǎng)度和一致的生長(zhǎng)度。
權(quán)利要求
1.一種利用光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的裝置，主要組成部分包括一個(gè)可透光且在其上部有至少一個(gè)排氣孔的封閉栽培容器、一個(gè)接觸該栽培容器底部裝配的富含二氧化域空氣的供給室和一個(gè)給栽培容器提供培養(yǎng)液的培養(yǎng)液桶，其特征在于供氣室與富含二氧化碳空氣的供應(yīng)源連接并通過(guò)多個(gè)垂直細(xì)管與栽培容器連通，每個(gè)細(xì)管的每個(gè)末端都有一個(gè)開(kāi)口，并且細(xì)管安裝在栽培容器的底部，以便每個(gè)細(xì)管的上末端從栽培容器中的培養(yǎng)液液面中突出，把培養(yǎng)液桶用管連接到栽培容器上，并在培養(yǎng)液桶上配置給栽培容器提供培養(yǎng)液的空氣泵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的裝置，其特征在于培養(yǎng)液桶安裝為其中的液體表面低于封閉栽培容器中的液體表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的裝置，其特征在于還包括一個(gè)給富含二氧化碳空氣的供給室提供培養(yǎng)液和/或無(wú)菌水的部件。
4.一種利用權(quán)利要求1至3之一所述的栽培裝置通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的方法，包括用空氣泵從培養(yǎng)液桶給一個(gè)蓋在多個(gè)小植物上的封閉栽培容器提供培養(yǎng)液，這些小植物被置于支持體上；利用空氣泵的壓力和栽培容器與培養(yǎng)液桶間的高度差異來(lái)控制培養(yǎng)液的飼給量；從富含二氧化碳空氣的供給室給栽培容器供應(yīng)富含二氧化碳的空氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的方法，其特征在于還包括給富含二氧化碳空氣的供給室提供培養(yǎng)液和/或無(wú)菌水，從而控制富含二氧化碳空氣中的濕度。
全文摘要
通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的裝置以及利用該裝置通過(guò)光能自養(yǎng)生長(zhǎng)栽培小植物的方法,該裝置主要組成部分包括可透光的封閉栽培容器1、接觸該栽培容器底部裝配的提供富含二氧化碳空氣的供給室2和一個(gè)培養(yǎng)液桶3,其特征在于供氣室2通過(guò)多個(gè)垂直細(xì)管與栽培容器1連通,培養(yǎng)液桶用管連接到栽培容器上,并在培養(yǎng)液桶上配置給栽培容器提供培養(yǎng)液的空氣泵。利用上述裝置和方法通過(guò)簡(jiǎn)單的操作就能有效穩(wěn)定地提供大量具有極佳生長(zhǎng)度的一致?tīng)I(yíng)養(yǎng)苗。
文檔編號(hào)A01G9/18GK1307795SQ0111163
公開(kāi)日2001年8月15日 申請(qǐng)日期2001年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月21日
發(fā)明者S·M·A·佐巴葉德, 長(zhǎng)谷川修, 古在豐樹(shù), F·A·佐巴葉德 申請(qǐng)人:日清紡織株式會(huì)社