劉文科

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所)

2018年5月15日上午，在由北京航空航天大學(xué)研制的“月宮一號(hào)”中進(jìn)行了為期370天的人類(lèi)密閉生存模擬試驗(yàn)獲得了圓滿(mǎn)成功，創(chuàng)造了人類(lèi)密閉生存時(shí)間的世界紀(jì)錄。此次試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了98%系統(tǒng)閉合度，氧氣和水100%在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)再生，80%的食物循環(huán)再生?！霸聦m一號(hào)”是一種生物再生生命保障系統(tǒng)，系統(tǒng)是基于生態(tài)系統(tǒng)原理將生物技術(shù)與工程控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建由植物、動(dòng)物、微生物組成的人工生態(tài)系統(tǒng)，人類(lèi)生活所必需物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)再生，為人類(lèi)提供類(lèi)似地球生態(tài)環(huán)境的生命保障?！霸聦m一號(hào)”的具體構(gòu)造包括1個(gè)綜合艙和2個(gè)植物艙，總面積160平方米，總體積500立方米。每個(gè)植物艙分隔為2個(gè)植物間，可根據(jù)不同植物生長(zhǎng)需要獨(dú)立控制環(huán)境條件，從光照、溫度、養(yǎng)分等方面調(diào)控植物更快更好地生長(zhǎng)發(fā)育，獲取更多的人體所需的健康物質(zhì)，供志愿者食用，維持生命活動(dòng)。在完全沒(méi)有太陽(yáng)光的情況下，需要怎樣的人工光照條件是“月宮一號(hào)”必需解決的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題。“月宮一號(hào)”植物栽培利用了人工光植物照明技術(shù)——LED植物照明。

LED光源具有傳統(tǒng)光源無(wú)法比擬的太空應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具有節(jié)能、環(huán)保、體積小、光效高、可調(diào)制光譜、可智能控制光環(huán)境、冷光源、堅(jiān)固耐用等光電優(yōu)勢(shì)，可很好地滿(mǎn)足太空條件下狹小的生物再生生命保障系統(tǒng)中立體栽培，提高稀缺空間的利用效率，能夠滿(mǎn)足多種植物種類(lèi)對(duì)光照條件特定的需求，保障了農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。而且，LED運(yùn)行時(shí)的低熱量產(chǎn)出有利于減輕保障系統(tǒng)能量平衡的控制。LED植物照明技術(shù)助力了這次試驗(yàn)的成功，展現(xiàn)了LED光源在太空的應(yīng)用前景?！霸聦m一號(hào)”植物艙的植物生長(zhǎng)光源由北京航空航天大學(xué)研制，植物生長(zhǎng)LED光源采用145只1米長(zhǎng)100 W智能4通道植物生長(zhǎng)燈，162只1.2米120 W智能4通道植物生長(zhǎng)燈。植物艙中需要種植幾十種作物，如大豆、油莎豆等糧食作物，以及辣椒、茄子、西紅柿等茄果類(lèi)作物和油菜、生菜、荊芥等蔬菜作物。因此，針對(duì)不同類(lèi)型的作物、不同生長(zhǎng)周期、不同時(shí)段，植物照明方案采用獨(dú)立的“多通道”無(wú)線調(diào)光方式，以保障植物艙內(nèi)各種植物對(duì)光的需求?！霸聦m一號(hào)”植物艙首創(chuàng)了4通道獨(dú)立調(diào)控且峰值波長(zhǎng)的組合符合植物光合作用吸收響應(yīng)曲線，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)植物照明燈具上可以根據(jù)不同的作物的光合作用特征，在光質(zhì)、光周期以及光量子通量密度上進(jìn)行自由調(diào)控，為不同作物的光配方的研究工作建立了系統(tǒng)基礎(chǔ)。這次世界上時(shí)間最長(zhǎng)、閉合度最高的生物再生生命保障系統(tǒng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了閉合度和生物多樣性更高的“人-植物-動(dòng)物-微生物”四生物鏈環(huán)人工閉合生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，且保持了人員身心健康，而植物照明技術(shù)裝備研發(fā)是關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)的環(huán)節(jié)之一，通過(guò)植物光合作用可產(chǎn)生氧氣，消納艙室內(nèi)二氧化碳，對(duì)維持艙室內(nèi)物質(zhì)和能量平衡至關(guān)重要，并提供人體必需的維生素、微量元素和碳水化合物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。此外，綠色植物可愉悅實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)試驗(yàn)人員的心情，有利于其生理健康和精神健康。

自紅光LED和藍(lán)光LED問(wèn)世以來(lái)，以LED光源為核心的植物照明技術(shù)快速發(fā)展，不僅成功應(yīng)用于設(shè)施園藝規(guī)模化生產(chǎn)，還可用于設(shè)施植物高效補(bǔ)光照明(溫室補(bǔ)光)和完全人工光植物生產(chǎn)照明(植物工廠)，對(duì)保障園藝作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高效、智慧農(nóng)業(yè)具有重要意義。而且，LED植物照明實(shí)現(xiàn)了諸多特殊場(chǎng)所的植物生產(chǎn)，滿(mǎn)足了特殊人群對(duì)新鮮蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的需求。譬如，利用LED植物照明技術(shù)裝備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在太空、海島、艦艇、極地、家庭、荒漠、戈壁等場(chǎng)所的植物生產(chǎn)，其多元應(yīng)用價(jià)值引起了廣泛的關(guān)注。目前我國(guó)植物照明已經(jīng)成為L(zhǎng)ED照明應(yīng)用領(lǐng)域較大的細(xì)分市場(chǎng)之一，其市場(chǎng)潛在規(guī)模巨大。隨著科研人員逐步揭示更多植物的光質(zhì)生理學(xué)規(guī)律，以及植物照明光配方數(shù)據(jù)庫(kù)的逐步建立和智能控制系統(tǒng)的不斷開(kāi)發(fā)，LED植物照明已成為衡量國(guó)家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一，未來(lái)LED植物照明必將在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中獲得更大規(guī)模的應(yīng)用。