空間微重力下植物栽培水分養分控制研究

景海鵬 陳冬 趙丕盛 沈韞賾 郭雙生

受控生態生保系統(Controlled ecological life support systen,CELSS)是載人航天長期駐留任務的必然途徑.該系統能夠實現氧氣、水和食物的自給自足.高等植物能夠利用光能將二氧化碳和水合成為有機物,并產生氧氣,同時通過蒸騰作用實現水的凈化,可以保障人在太空中對環境和食品的需求,是受控生態生保系統中的關鍵生物部件[1?7].空間植物栽培技術研究已有40余年的發展歷程,已進行多種植物的空間栽培實驗,重點研究微重力對植物生長發育的影響.

1975年前蘇聯就開始了空間植物栽培的探索,他們嘗試在飛船中栽種小麥、洋蔥等植物.20世紀90年代,俄羅斯和保加利亞聯合研制了SVET空間溫室,在和平號空間站進行了長期搭載,并在其中完成了小麥“從種子到種子”的三代完整生長周期培養.2002年,俄羅斯針對國際空間站研制了一款名為LADA的空間溫室,至今已進行了20多次空間植物栽培實驗,成功培育了小麥、生菜等植物.近期俄羅斯研制了新一代LADA空間溫室,擬用于多種植物的空間栽培[8?10].

2014年,NASA將Veggie空間蔬菜生產系統運送到空間站,并進行了Veg-01實驗.2015年,經過33天的培養,三名航天員在空間站收獲并品嘗了第二批種植的蔬菜—紅色長葉萵苣.2015年11月,NASA在軌道實驗室進行了百日菊培養實驗,并進行了天地對比.在太空中,百日菊完成了開花過程,并于2016年2月進行了收獲[11?16].

為將前期CELSS植物栽培研究成果應用于真正的受控生態生保系統,必須進行空間植物搭載實驗.航天員中心在空間實驗室任務中搭載一臺植物栽培裝置,在軌驗證植物在空間環境中的栽培技術和生長發育狀況.

空間微重力下水分傳導特性與地面有很大不同.在微重力條件下,流體行為發生根本變化,植物周圍形成邊界層,導致植物與周圍物質交換變得困難.同時,在微重力條件下實現栽培基質水分養分的充分供應,同時保證栽培基質的通氣也具有挑戰性.在空間微重力下進行植物光合、蒸騰和呼吸作用效率的測定與評價也具有較大難度.因此,微重力下的水分養分控制技術是空間植物栽培的關鍵.航天員中心在空間實驗室任務中搭載一臺植物栽培裝置,以驗證空間微重力下植物栽培水分養分的控制技術.

因此,微重力下的水分養分控制技術是空間植物栽培的關鍵.航天員中心在空間實驗室任務中搭載一臺植物栽培裝置,以驗證空間微重力下植物栽培水分養分的控制技術.

1 材料與方法

1.1 實驗條件

實驗時間為2016年10月20日到11月15日,實驗地點為天宮二號空間實驗室.

空間實驗室在軌進行空間植物栽培的同時,地面同步進行模擬空間實驗室大氣環境參數的植物栽培對照實驗,實驗條件及栽培方法均與天基實驗相同,區別為地基實驗為完全重力.

天基實驗環境條件控制如表1所示,地基實驗條件控制以前一天天基環境參數測量平均值為標準.播種過程在地面完成,種子在萌發結構中播種完畢,隨飛行器進入空間.

1.2 實驗裝置

本研究利用自主研制的空間植物栽培裝置進行.空間植物栽培裝置的結構如圖1所示,裝置主要參數如表2所示.

1.3 水分控制

1.3.1 水分傳導結構

針對空間微重力特點,在植物栽培盒空間內設計了特殊的水分傳導結構和路徑,保證在微重力環境下水分能夠在栽培空間內有效傳導,并供給植物的水分需求.水分傳導結構由栽培盒體、供水管路、栽培基質、導水材料、種子固定結構組成,具體的結構如圖2所示.

圖1 空間植物栽培裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of space plant cultivation device

圖2 水分傳導結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of water conduction structure

栽培盒體構成水分傳導結構的外邊界,在栽培盒底部,分布著供水管路.栽培基質作為根系生長介質,填充在栽培空間內.在栽培基質中間分布著導水材料構成的導水框架.栽培基質上方與種子固定結構連接.

1)栽培盒體

栽培盒體采用3D打印制成,結構采用九宮格設計,每一格對應一株生菜.格與格之間由擋板隔開,使每個格相對獨立,以保證整個栽培結構的穩定性.擋板中間鏤空,用于格與格之間傳導水分,保持每株生菜基質含水率均勻.

2)供水管路

供水管路位于栽培盒體底部,使注入的水分迅速流通至每一個格的下方,如圖3所示.

表2 空間植物栽培裝置達到的主要性能指標Table 2 Main performance indicators of space plant cultivation device

圖3 供水管路結構Fig.3 Structure of water supply pipeline

3)栽培基質

栽培基質是水分傳導的最主要載體,其理化性能直接影響整個結構水分傳導的能力.為保證空間微重力下水分的有效傳導,必須嚴格篩選栽培基質.篩選標準包括容重、比重、孔隙率、結構強度、導水性、持水性、陽離子交換量等理化指標.

4)導水材料

導水材料為纖維材質,導水性強,其作用是在栽培基質中間構建起導水框架,協助整個栽培空間內的水分傳導,促進水分在整個空間內的均勻分布.

5)種子固定結構

種子固定結構材質為聚乙烯醇縮甲醛樹脂,位于栽培基質上方,與栽培基質連接,從栽培基質中吸取水分,為種子萌發提供適宜的水分.

聚乙烯醇縮甲醛樹脂具有以下特點:

1)高吸水性和高導水性.這一特性保證其能夠從栽培基質中吸取足夠的水分促使種子萌發.

2)輕質.這一特性保證其不會增加太多重量,有利于控制整套裝置重量.

3)干燥時為剛性,吸水后為柔性.干燥時為剛性,保證了在隨飛行器上行震蕩過程中栽培結構的穩定;在軌實驗開始后,通過注水,使樹脂材料變為柔性,滿足種子萌發和扎根需求.

1.3.2 水分傳導路徑

水分傳導路徑設計:1)纖維導水材料導水速度比蛭石快;2)水注入供水管路后,首先沿著纖維導水材料傳導至整個纖維導水框架;3)而后水分通過纖維導水材料組成的導水框架滲透至蛭石;4)種子固定結構從纖維導水材料吸取水分,支持種子萌發.

1.3.3 水分測定

水分測定采用土壤多參數分析儀,其測定原理為頻域反射.儀器探頭有3個探針,覆蓋面積大,可測定較大基質范圍內的含水率.栽培盒兩側各有一個探頭插入栽培基質,用于驗證基質含水率的均勻性.每天讀取一次含水率數據,最后繪制成含水率變化曲線,用于分析整個實驗周期內含水率變化規律,為水分控制技術研究提供數據支撐.

1.3.4 補水機制

補水機制的確定采用地面確定標準–在軌曲線測定–天地比對–修正的基本方法:1)栽培基質種類篩選完畢后,針對該基質特點,確定適合植物生長的基質含水率范圍.2)在地基驗證實驗中,根據含水率控制范圍,確定補水時間和補水量.3)在天基實驗中,根據地面確定的補水時間和補水量進行補水.同時每天測定基質含水率.4)根據含水率數據繪制天基實驗含水率曲線,并與地基驗證實驗含水率曲線進行比對.

1.4 養分控制

1.4.1 養分供應

養分供應方式:緩釋肥.緩釋肥是一種可以持續緩慢釋放養分的特殊肥料,通過硫基樹脂等包衣材料控制內部養分釋放速率;針對本次實驗,專門研制了適合生菜生長發育規律的緩釋肥,肥效30天,成分配比如表3.

表3 緩釋肥成分配比Table 3 Ingredient ratio of slow release fertilizer

緩釋肥放置位置為栽培基質中層和下層,如圖2所示.

2 結果與分析

2.1 栽培基質水分養分控制情況及分析

2.1.1 栽培基質水分控制情況及分析

由于水分和養分情況對植物生長發育具有重要影響,因此在研究空間微重力對植物生長發育影響的同時,必須監測微重力下基質水分養分控制情況,了解微重力對水分養分傳導和分布的影響.整個實驗期間,天基和地基同步對照實驗栽培盒基質中水分的動態變化監測情況如圖4所示.

圖4 天基和地基同步對照實驗栽培基質含水率變化曲線Fig.4 Change curves of moisture content of substrates in space-based and ground-based synchronous controlled trials

從圖4中可以看出,實驗前期,天基水分測量值明顯高于地基對照測量值,而且天基與地基的變化趨勢相反,即天基基質水分大約在第1～10天期間,其每天在不斷緩慢上升,之后在約第11～15天內基本保持平穩,再后在約第16～18天三天內則開始逐步緩慢下降.在第18天補充水分和營養液后,天基基質含水率測量值較地基急劇上升,之后則急速下降.由此可以看出,天基栽培基質水分測量值與地基測量值存在較大差異,但從第15天后開始變化趨勢接近,這在一定程度上能夠大致反映水分的變化趨勢.1995年,美俄科學家在“和平號”空間站利用空間溫室-2聯合進行過在軌植物栽培基質含水量測試.其采用的是熱脈沖濕度傳感器(Heat pulse moisture sensors),實驗結果表明其天基測量數據也要明顯高于地基,高出約2.5倍.該實驗的天地栽培基質水分監測差異性原因的分析過程與結果是:在地面上,土壤中水分受到重力、吸附力和表面張力(即毛細管力)等三種力的作用,保持土壤水分的力主要是吸附力和表面張力,而重力主要影響水分進行垂直分布.此時,當給基質澆水后,水分由于受到重力作用(當然同時也受到吸附力和表面張力作用)而不斷下沉,在基質顆粒表面不易形成水膜,因此其含水量測量值會逐漸呈下降趨勢.而在天基微重力條件下,由于基質水分失去重力作用,水分運動和分布的主要影響力變為吸附力和表面張力,這兩種力會使水分在基質顆粒中緩慢進行同心圓均勻化分布,并在其表面極易形成較厚的一層水膜[17].

因此,在天基開始澆水后探頭周圍的水分含量會逐漸上升,過一定時間后會達到水分平衡,之后隨著基質蒸發和植株吸收水分等作用導致失水,基質含水量則會逐漸下降.

本實驗采用的是頻域反射濕度傳感器(Frequency-domain reflection moisture sensors),實驗所測得基質含水量數據變化情況與上述文獻資料報道的情況相似,因此,盡管雙方的測量原理不同,但我們認為本次實驗其栽培基質水分監測天地差異性的原因與上述文獻報道的差異原因分析相同,即本實驗利用另外一種測量原理真實反映了天基微重力條件下植物栽培基質中水分的動態傳導與分布特征,而并非儀器受微重力等影響而測試不準確所致.因此,本次實驗研究結果證明,基于頻域反射原理的土壤濕度傳感器可用于空間微重力條件下的植物栽培基質含水量測試,能夠較為精確反映在軌植物栽培基質水分的動態分布特征與規律,而且證明該測試方法對周圍環境的電子儀器設備等沒有任何干擾或破壞作用(國外擔心該方法會對周圍儀器設備造成影響而一直未做過嘗試),因此,本次實驗為今后利用頻域反射原理實施空間植物栽培技術水分管理奠定了重要基礎.

2.1.2 栽培基質養分控制情況及分析

天基實驗與地基同步對照實驗的栽培基質電導率均呈現先上升后穩定的趨勢,天基實驗達到130ms/m左右后趨于穩定,而地基同步對照實驗達到140ms/m左右后趨于穩定,即地基略高于天基.這與前期地面1:1驗證實驗的規律一致.實驗第18天補營養液后,天基和地基同步對照實驗的栽培基質電導率均上升,天基測量值略高于地基,之后天基與地基電導率均逐日較快下降,趨勢較為一致,如圖5所示.

整個栽培過程中,天基與地基實驗電導率在大部分時間均保持在100～150mS/m水平范圍內,吻合度較好.由此可以說明,天基和地基條件下栽培基質的養分釋放和傳導分布情況相似,因此,基于頻域反射原理的土壤水分儀同樣能夠基本正常測量栽培基質的養分電導率.另外,到目前為止,尚未見有關在軌植物栽培基質電導率監測的文獻資料報道,因此,本次在軌植物栽培基質電導率監測技術實驗在國際上尚屬首次.

圖5 天基和地基同步對照實驗栽培基質電導率變化曲線Fig.5 Electrical conductivity curves of space-based and ground-based synchronous controlled culture media

2.2 種子發芽情況

實驗結果表明,實驗啟動后第三天,種子開始萌發.天基實驗發芽時間與地基同步對照實驗的種子開始發芽時間基本一致.實驗結果表明,在三種種子萌發結構中,吸水材料切縫結構發芽率最高,其次為海綿材料發芽結構,丸粒化結構發芽率較低.這與地基同步對照實驗的種子發芽率變化趨勢是一致的.然而,相比地基同步對照實驗,天基實驗三種播種方式發芽率均有所下降,具體情況如表4所示.

表4 天基和地基同步對照實驗發芽情況統計Table 4 Germination statistics of space-based and ground-based synchronous controlled trials

種子在空間微重力下發芽率降低的原因可能有兩個:1)微重力直接作用于種子萌發過程,導致發芽率降低;2)微重力影響了種子萌發的環境條件,間接導致發芽率降低.

在之前進行的空間微重力條件種子萌發實驗表明,微重力并不會影響種子的萌發過程[18?19].因此可以判斷,微重力并未直接影響種子萌發過程,而是通過改變種子萌發的環境條件間接降低了發芽率.天地差異可能導致水分傳輸條件不同從而造成發芽效果不同.地基同步對照實驗由于重力作用,吸水材料、海綿與種子表皮之間貼合緊實程度較高,水分容易被種子吸收;天基實驗在微重力條件下,吸水材料、海綿與種子表皮之間貼合緊實程度沒有地面高,因此水分傳導不如地基同步對照實驗.種子吸水難易程度的差異導致發芽率不同.丸粒化結構在天基發芽不理想,10粒種子均未發芽.究其原因是大粒化種子的外表包裹層雖具有纖維導水材料,但在微重力條件下其與周圍接觸不好,阻礙其獲取了種子發芽所需的適宜水分.

2.3 植株生長狀況及分析

實驗期間,天基實驗與地基同步對照實驗的植株生長發育均正常,如圖6所示.

圖6 植株生長狀況Fig.6 Plant growth condition

天基實驗植株基本株型未出現明顯異常,前期相比地基實驗葉片顯得散亂,第27天時天基與地基整體株型無明顯差異.天基實驗莖稈長度大于地基實驗,平均株高高于地基實驗.生長初期天基實驗植株發育稍慢于地基實驗(進入三葉期稍晚),12天以后天基實驗和地基實驗平均葉片數無顯著差異.葉片顏色方面,天基實驗植株呈深綠色,整個葉片從葉片基部到葉片邊緣顏色均勻,無顏色過渡;地基實驗植株呈淺綠色,葉片基部(葉柄部分)近乳白色,從葉片基部到葉片邊緣綠色逐漸加深.

顏色的差異反應的是植株葉綠素含量及分布的差異.有研究表明,葉綠體數量及活性受到微重力作用的影響,數量及活性均有所提高[20],這也解釋了為什么天基實驗植株綠色比地基實驗更深.而顏色均勻性的差異說明,在微重力條件下,生菜在地面形成的葉綠素分布規律被打破,而呈現均勻分布的特點.這與微重力下物質轉運特性有關.在地面環境下,植株為了最大限度的提高光合效率,葉綠素更多的向葉片邊緣轉運,而這種機理受到重力調控,與細胞內重力信號轉導受體有關,因此在微重力下葉綠素分布規律被打破,呈現均勻分布.

3 結論

通過實驗,驗證了微重力下水分養分傳導結構的合理性,了解了空間微重力下水分養分的傳導和分布規律,為研究空間植物栽培水分養分供應方法和測試方法提供了依據.生菜在空間實驗室微重力環境下的順利萌發、生長發育,表明了種子萌發結構、水分養分傳導及控制方法的合理性和可行性,為后續開展更大規模的空間植物栽培奠定了基礎.