人工气候室是在充分利用自然资源的基础上,综合运用生物科学、信息科学、管理科学和控制科学等相关学科知识,采用人工的方法模拟自然界中四季气候变换的实验环境,主要针对特定小环境内各个环境因子,如温度、湿度、光照和CO2 浓度等,根据不同的需求对其进行自动控制和调节,满足特定环境需求, 在工业、农业、航空等领域都具有广泛的应用。
一、人工气候室类型
1)人工气候室按照功能分,有这几种类型:
组培室:组培室是植物组培必备的设备,组培是利用植物微小组织进行无性繁殖的一项技术,它必须在无菌室内进行无菌操作,然后在高标准的温湿度环境内进行精心炼苗,组培室通过配备相关硬件设施,采用计算机控制技术,能对环境温湿度进行精确控制,确保组培苗的茁壮成长。组培室适用于植物细胞、原生质体等培养,它主要由准备室、接种室和培养室三部分组成。
温控范围:4~35℃
控湿范围:≤70%RH
光照强度范围:0~2000/0~5000/0~10000Lux
萌发室:萌发室又称为催芽室,种子的萌发是从干燥种子吸水膨胀开始的,适宜的温度和湿度是促进种子快速发芽的重要条件。萌发室通过对温度、湿度、光照等环境调控,营造出适应种子发芽的理想环境条件,提高种子发芽率或促进发芽整齐。萌发室可用于调查植物发芽情况,进行植物种子萌发、幼苗期实验等。
温控范围:10~30℃
控湿范围:50~90%RH
光照强度范围:0~2000/0~5000/0~10000Lux
育秧室:育秧室适用于大批量生产禾谷类、茄果类、瓜类等植物秧苗,主要进行室内炼苗、培育壮苗等工作。
温控范围:10~30℃
控湿范围:50~90%RH
光照强度范围:0~2000/0~5000/0~10000Lux
春化室:一些冬季种植的农作物,其在第二年的开花需要经过冬春季的低温诱导,如冬小麦、萝卜、甜菜等。春化室通过模拟室外低温环境,为需春化诱导才能完成正常生命过程作物营造有利环境条件,加快作物成长进程。
温控范围:-10~35℃
控湿范围:≤80%RH
光照强度范围:0~2000/0~5000/0~10000Lux
生长室:生长室通过室内环境模拟,对作物全生育期进行研究,并根据用户栽培作物高度科学合理定制排布植物培养架或顶置光源。
温控范围:10~40℃
控湿范围:45~90%RH
光照强度范围:根据用户使用需求定制
育种室:育种室适用于室内加代实验,能有效缩短育种周期,还可用于引种作物的室内繁种。所谓育种“加代”,指在育种过程中,增加种子繁衍的世代,即在短期内,实现种子的多代繁殖。
温控范围:10~35℃
控湿范围:≥80%RH
光照强度范围:根据用户使用需求定制
昆虫培养室:昆虫培养室又称为养虫室。它是对虫类研究必备的设备,在昆虫培养室内模拟自然或特定的气候环境,研究虫类的生活习性及生长特点。主要用于培养各种有害或有益昆虫,研究昆虫有害防治,根据有害生物和环境之间相互关系,科学治理有害昆虫的发生及造成的危害,充分发掘、利用和保护有益昆虫资源及自然生物链,促进农业自然生态可持续发展。昆虫培养室采用计算机控制技术,对环境温湿度进行精确控制,确保对虫类的研究顺利进行。
温控范围:15~25℃
控湿范围:45~85%RH
光照强度范围:0~10000Lux
植物病理研究室:植物病理研究室主要对引起植物疾病的病原体(感染性微生物)和环境条件(生理因素)进行科学研究。通过培育接种病原菌的植物,来观察其生长状况、调查病菌侵害症状,此外,还可以进行室内病原菌治“未病”、治病研究。
温控范围:15~30℃
控湿范围:≥80%RH
光照强度范围:0~10000Lux
逆境研究室:逆境研究室主要模拟不良自然环境,例如干旱、短光照、寒冷、高温、涝害、盐碱、病虫害和环境污染等,进行植物的抗逆性、适应性研究。通过加强植物抗性生理研究,探明植物在不良环境下的生命活动规律并加以人为调控,对于夺取农业高产稳产具有重要意义。
温控范围:-10~45℃
控湿范围:30~90%RH
光照强度范围:根据具体使用场景定制,可组合多个可变环境因子
2)人工气候室应用广泛,按照结构类型来看,目前使用较多的有自然光人工气候室、培养架光源人工气候室、顶置光源人工气候室。
自然光人工气候室:自然光人工气候室又称阳光型人工气候室,建在室外,它主要利用天然的太阳光作为植物生长光合作用所需的光源,配以人工补光(人工补光仅仅作为雨雪天气的一个补充)、制冷、制热、加湿、除湿、CO2补充等设备,创造可控的、适宜于植物生长研究的气候环境。该气候环境为全天候的自动化管理,按照实验需求可设定光周期、温湿度、CO2浓度、昼夜模式等。
自然光人工气候室的光源直接采用太阳光,不仅节能环保,而且更加符合科研需求,可培育最接近自然环境中的大多数植物。
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培养架光源人工气候室:培养架光源人工气候室建在室内,通过采用培养架的立体架构,可大幅提高气候室的空间利用率。在培养架的材质选择上,采用镀锌防锈钢板外加喷塑工艺,可上下移动;且每层培养架顶部配置全光谱节能灯光,每层照度可独立调节、开关时间可独立控制。
培养架光源人工气候室适用于低矮植物的培育,如拟南芥、烟草等,也可用于组织培养。
顶置光源人工气候室:顶置光源人工气候室又称为高照度人工气候室,建在室内,通过在顶部配置LED植物生长灯来满足植物生长需求。LED植物生长灯,光源高低可调节,光照度等级可调节,具有寿命长、光效高的特点;培育作物的苗床高度也可根据生长周期不同进行动态调整。
顶置光源人工气候室满足于高杆、低杆植株的需求,如水稻、小麦、玉米、棉花、苗木等。
二、人工气候室具体建设内容
人工气候室具体建设内容主要包括温度、湿度、光照、风速、二氧化碳浓度等环境因子打造,具体配置为:
中央控制系统:具备人机交互界面,能够设置温度、湿度、光照、时间控制等参数,自动构成局部微环境。
温控系统:能够满足室内温控范围要求,保证温度均匀度、温度精度误差在实验要求范围内。
湿控系统:能够满足室内湿控范围要求,保证湿度均匀度、湿度精度误差在实验要求范围内。按需配置加湿器或除湿机。
光照系统:能够模拟不同的光照周期、不同波段和强度光等。可按需配置LED植物生长专用光源,同时还需要考虑灯光的稳定性和使用寿命等问题。
新风系统:使气候室内送风均匀,具备新风换气功能,可快速与外界气体进行新风对流,保证室内空气清新。
围护结构:根据室内的建设尺寸,选用专用保温板,保证气候室具备良好的绝热保温性能。
选配试验配套设备:
灭菌系统:按需配置灭菌系统,对室内空间进行高效灭菌。
培养架:安装合适的培养架,用来支撑和培养植物。
此外,可根据需求,配备智能控制系统,自带管理云平台和手机APP,通过手机,实现远程调控、监管人工气候室内环境数据。
三、人工气候室建设后期维护工作
建立完善的安全管理制度
人工气候室建设完成后,需要对管理人员进行相关技术培训,包括基本的设备操作、报警模块处理、室内安全操作流程等。当面对意外情况时,也能保证室内实验也能够顺利进行。
定期检测和维护设备和环境
人工气候室建设完成后,也需要定期检测和维护室内的设备和环境,保证其具备良好的运行状态。包括周期性的设备校准和维护,环境参数的监测和调整,以及相关人工气候室的升级和改造,确保人工气候室能够高效平稳运行。
四、部分人工气候室建设案例展示
海盐县人民政府副县长胡飞一行莅临托普云农调研参观
海南省委常委、三亚市委书记周红波等领导一行莅临托普云农海南子公司考察调研
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