利用多功能检测装置进行的植物生长最优条件探究

花睿阳

【摘要】随着全球人口增长、气候变化等对农业的挑战逐渐显现，优化植物生长条件就成为提高作物产量、保障粮食安全的关键途径之一。通过搭建多功能检测装置，可探究不同环境因子（温度、二氧化碳浓度）对蒜苗生长发育的影响，并探究不同膜（PE、PVC、PO）覆盖下多种环境因子（温度、湿度、二氧化碳浓度）的变化。

【关键词】电子元件、检测装置、多功能化、环境因子影响、植物生长发育条件

一、研究背景：应对农业挑战

随着全球人口增长、气候变化等等对农业的挑战逐渐显现，优化植物生长条件就成为提高作物产量、保障粮食安全的关键途径之一，这使得植物工厂、温室大棚等设施农业逐渐成为现代农业发展的主力，其核心是对植物生长的光、温、水、气、肥（即生长条件）进行精准调控，以达到高产、优质、高效的目的。

但是，尽管植物生理学已取得长足进展，但在多环境因子实时交互作用下探寻最优生长条件，仍面临传统监测手段难以同时连续采集高精度数据的挑战。

为解决此类问题，本实验将利用多功能检测装置进行植物生长的最优条件探究，该装置集成了三个传感器（温度、湿度、二氧化碳浓度），可以实现24小时不间断自动监测，克服了人工采样数据稀疏、不连续的缺点，能捕捉到植物生长的动态变化过程。

二、实验目的

利用自行搭建的多功能检测装置探究不同环境因子（温度、二氧化碳浓度）对蒜苗生长发育的影响，通过连续监测和数据分析，探索其生长的最优条件组合；同时探究不同大棚膜覆盖（PE、PVC、PO）下多种环境因子（温度、湿度、二氧化碳浓度）的变化，为农业生产提供经验。

三、探究过程

3.1 实验准备

多功能检测装置有关装置：热敏电阻、万用表、鳄鱼夹导线、杜邦线、Arduino开发板、OLED显示屏、面包板、电子温度计、DHT11湿度模块、JW01气体传感器模块、9V电池、接线端子等

种植有关装置：大棚膜、塑料盒、花园土、大蒜等

环境调整装置：加热垫、冰袋、二氧化碳气瓶等

3.2 实验过程

3.2.1 利用Arduino开发板、OLED显示屏、传感器（热敏电阻、DHT11湿度模块、JW01气体传感器模块）搭建多功能检测装置

通过使用电子元器件确定传感器分压信号与环境因子的函数关系，并利用显示屏构建电路，搭建可视的多功能检测装置。

首先是连接电路（图1）：这一过程连接了传感器、Arduino开发板与OLED显示屏，是搭建可视电子温度计平台的基础。

 图1

接着确定传感器分压信号与环境因子的函数关系：

以研究热敏电阻分压信号与温度的函数关系为例，先测出10-80℃（每5度测量一次）温度下5.1电阻分压信号，再把数据录入Excel中得到拟合方程（图2），最后把拟合方程代入Arduino程序即可。

图2

同理添加湿度检测模块与二氧化碳检测模块。

最后将Arduino开发板、迷你面包板放在一个纸盒中，将检测探头、OLED显示屏和电池置于纸盒外。（成品见图3、4）

    图3                                 图4

3.2.2 探究不同环境因子（温度、二氧化碳浓度）对蒜苗生长发育的影响

首先探究温度与蒜苗株高的关系：

设置5组实验，利用加热垫和冰袋改变蒜苗萌发时的环境温度，利用多功能检测装置实时测温，并控制其他条件相同且适宜，记录栽培25天后的蒜苗株高（图表1）

  图表1 温度与蒜苗株高的关系

由实验数据可知，20℃至25℃下蒜苗株高最高，可达360mm左右。但由于温度过高容易造成蒜苗徒长（即出现假茎细弱、叶片薄而色淡的情况），故而20℃左右应为蒜苗生长发育的最适温度。

接着探究二氧化碳浓度与蒜苗株高的关系：

设置4组实验，用气瓶通气的方法改变蒜苗萌发时的二氧化碳浓度，利用多功能检测装置实时监测，并控制其他条件相同且适宜，记录栽培25天后的蒜苗株高（图表2）

由实验数据可知，1000-1200ppm下蒜苗株高最高，可达340mm左右，浓度过高或过低均引起生长抑制。

图表2 二氧化碳浓度与蒜苗株高的关系

3.2.3 实验拓展——利用多功能检测装置探究不同大棚膜（PE、PVC、PO）覆盖下多种环境因子（温度、湿度、二氧化碳浓度）的变化

对各种大棚膜（PE、PVC、PO）进行裁剪，随后将其覆盖在正方体框架表面（图5），在阳光下放置2小时后进行监测。

图表3 不同温室膜对温室环境影响数据记录表（夏季）

3组膜分别同时进行3次重复实验后并记录数据（图表3），由此得出结论，保温性：PVC>PE>PO；保湿性：PVC>PO>PE。

实验表明，以上三种膜的主要成分不同导致了保温和保湿的效果不同。

PVC膜主要成分是聚氯乙烯，属于无滴膜；而PE膜主要成分为聚乙烯，属于有滴膜。由于有滴膜内面容易聚集大量水滴，严重影响光的透过率，故保温性较差；聚集的水滴随时可能滴落，导致膜内湿度较大且不易控制。

由此得出结论，在实际生产生活中应优先选择保温保湿效果更好的PVC膜。

四、创新探究

通过查阅资料，不同大棚膜的性质有很大差异：

聚乙烯膜耐酸、耐碱、耐盐；不易产生有毒气体，对作物安全；不易沾灰，透光性好，密度小。该膜适用于韭菜、芹菜等耐低温弱光叶菜类生产。

聚氯乙烯薄膜保温性较好，耐酸、耐碱、耐盐，喷上农药化肥也不易变质，但防尘性、抗风性、抗老化性差；棚内湿度小，大大减轻病虫害的发生；温度高，光照好，适用于春季果菜类生产。

在实际生产生活中，应考虑价格、实用性等综合因素，遵循整体、协调的生态原则，选择最适宜作物生产的大棚膜。

附录（学科融合清单）：

数学学科：数据统计、函数拟合计算

物理学科：热敏电阻等传感器应用

生物学科：植物学相关知识、农业生产相关知识