劉文科 查凌雁 邵明杰

|摘要| LED是半導(dǎo)體固態(tài)電光源，具有節(jié)能、光效高、壽命長、響應(yīng)快、環(huán)保、體積小和堅(jiān)固耐用等眾多傳統(tǒng)光源無法比擬的光電優(yōu)勢(shì)，更兼具按需調(diào)制光譜、智能控制和冷光源等在植物工廠應(yīng)用中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為人工光植物工廠的理想光源。LED光源所提供的光環(huán)境（光質(zhì)和光強(qiáng)及其持續(xù)時(shí)長）及其時(shí)間轉(zhuǎn)換智能可控的特性賦予了LED在植物工廠中應(yīng)用的誘人潛力和廣闊前景。因此，LED光源植物工廠具備調(diào)控智慧生產(chǎn)光環(huán)境的能力，通?？梢栽诩{米波長光質(zhì)、PPFD基本單位光強(qiáng)和分鐘尺度時(shí)長等方面對(duì)光環(huán)境進(jìn)行管控，也可實(shí)現(xiàn)內(nèi)涵豐富的連續(xù)光照、間歇光照和交替光照等特殊光照模式及其集成應(yīng)用。對(duì)植物工廠光照策略的制定，應(yīng)針對(duì)各種植物種類及品種構(gòu)建出集成了多種光照模式的光照策略，實(shí)現(xiàn)提高植物生產(chǎn)力和植物工廠生產(chǎn)效率的光調(diào)控目標(biāo)。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)各種光照模式植物生理效應(yīng)和能耗的研究和評(píng)價(jià)，篩選出基于植物種類或品種的適宜集成機(jī)制，以獲得高效節(jié)能的植物工廠光照策略。

引言

人工光植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的必然趨勢(shì)和高級(jí)階段，是一種顛覆性的土地利用方式和農(nóng)作方式，可以通過替代或補(bǔ)充傳統(tǒng)設(shè)施園藝生產(chǎn)方式實(shí)現(xiàn)我國設(shè)施園藝科技和產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，并解決當(dāng)前我國設(shè)施園藝以簡易設(shè)施（日光溫室和塑料大棚）、土壤栽培和設(shè)施內(nèi)被動(dòng)式環(huán)控為特征的生產(chǎn)方式中的諸多的資源、環(huán)境和生產(chǎn)效率問題，也是實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和食物安全保障的有效途徑[1]。光照是植物賴以生存的關(guān)鍵環(huán)境因子，光照通過光合作用提供能量和環(huán)境信號(hào)調(diào)控植物的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)[2]。光照不僅有光強(qiáng)、光周期和照射時(shí)長等數(shù)量屬性，也有光譜能量分布（光質(zhì)）和晝夜節(jié)律等質(zhì)量屬性，這些屬性都決定著電能投入量。因此，光照調(diào)控是提高人工光植物工廠生產(chǎn)效率的重要手段。相對(duì)傳統(tǒng)光源（如熒光燈），LED是半導(dǎo)體固態(tài)電光源，具有節(jié)能、光效高、壽命長、響應(yīng)快、環(huán)保、體積小和堅(jiān)固耐用等眾多傳統(tǒng)光源無法比擬的光電優(yōu)勢(shì)[2]。LED光源被譽(yù)為植物工廠應(yīng)用的優(yōu)選光源，植物工廠也是LED光源設(shè)施園藝應(yīng)用的最佳場所，LED植物工廠已成為人工光植物工廠發(fā)展的基本方向。LED光源植物工廠的研發(fā)與應(yīng)用激發(fā)了植物工廠產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)照明產(chǎn)業(yè)的活力，成為農(nóng)業(yè)和照明行業(yè)跨界交叉發(fā)展的原動(dòng)力和產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)，同時(shí)也促進(jìn)了植物光質(zhì)生理學(xué)的學(xué)科發(fā)展。

LED光源在植物工廠中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

除了節(jié)能、光效高、壽命長、響應(yīng)快、環(huán)保、耐用、體積小等共性應(yīng)用優(yōu)勢(shì)外，LED光源在植物工廠中應(yīng)用擁有3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，LED可按需調(diào)制光譜，按需用光。LED可按植物生長發(fā)育需求調(diào)制光譜，形成特定的光照配方，實(shí)現(xiàn)按需用光，植物光效高。其次，LED光源光環(huán)境可以進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)規(guī)律性動(dòng)態(tài)光照。從時(shí)間角度，LED可精準(zhǔn)調(diào)控所發(fā)射光的光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期等屬性，實(shí)施實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的規(guī)律性動(dòng)態(tài)光照，適宜工廠化生產(chǎn)，有助于植物工廠智慧生產(chǎn)。最后，LED光源為冷光源，可貼近葉片照射。LED燈發(fā)光面下無熱量散失，熱負(fù)荷小，可貼近植物照射，近距離照射可提高植物工廠空間利用率和栽培密度?？傊琇ED光源所提供的光環(huán)境可塑性和可控性強(qiáng)，光質(zhì)、光強(qiáng)及其持續(xù)時(shí)長等屬性的時(shí)間轉(zhuǎn)換智能可控，凸顯了其在植物工廠中的內(nèi)涵式應(yīng)用、誘人潛力和廣闊前景。

LED光源的應(yīng)用推進(jìn)了人工光植物工廠光環(huán)境調(diào)控及其植物生理響應(yīng)機(jī)制的研究，豐富了植物工廠光照模式和控制策略內(nèi)涵。在太陽光照射下，露地植物的光照質(zhì)量和數(shù)量屬性相對(duì)恒定，并按照晝夜、季節(jié)、海拔和緯度等因素發(fā)生時(shí)空規(guī)律性變異。但是，太陽光照也會(huì)受到天氣情況、大氣污染程度、設(shè)施類型及覆蓋物種類等因素的影響，是具有晝夜間歇的相對(duì)固定的動(dòng)態(tài)光照，無法精準(zhǔn)調(diào)控。在人工光植物工廠條件下，設(shè)施光照條件不受外界環(huán)境影響，完全取決于電光源性能。在光照模式多樣性方面，LED的性能遠(yuǎn)優(yōu)于太陽光和傳統(tǒng)電光源，借助智能控制系統(tǒng)，LED不僅能提供多樣的恒定光照，也能提供多樣的規(guī)律性動(dòng)態(tài)光照，在各種時(shí)間尺度精準(zhǔn)調(diào)控植物生理代謝過程，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效的目標(biāo)。

植物工廠LED特有光照模式的內(nèi)涵及應(yīng)用效益

在恒定光照的基礎(chǔ)上，建立動(dòng)態(tài)光照模式是LED植物工廠光照系統(tǒng)未來制定光照策略的重要特征，許多動(dòng)態(tài)光照模式是自然條件下不存在的光照模式。通過研究，按植物生理或生產(chǎn)目標(biāo)需要從時(shí)間上自動(dòng)化調(diào)控光照模式，繼而集成形成設(shè)施植物生產(chǎn)的調(diào)控策略，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)施植物生產(chǎn)力的最大化，獲得最大生物量和碳水化合物含量。LED的優(yōu)勢(shì)使種植者可以采納植物生理有效輻射甚至光合有效輻射范圍內(nèi)納米級(jí)光譜進(jìn)行規(guī)律性連續(xù)光照、超強(qiáng)或極弱光照、單色或復(fù)合光照、間歇光照、脈沖光照、交替光照、非24 h晝夜節(jié)律照射等特殊光照模式及其組合調(diào)控策略。

光照模式是指人工光源下人工光環(huán)境屬性的光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。自然光條件下，光照呈現(xiàn)出晝夜交替、光強(qiáng)呈拋物線變化的動(dòng)態(tài)規(guī)律，而LED光源借助智能控制系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)不同的光照模式，比較典型的光照模式包括連續(xù)光照、交替光照、間歇光照。實(shí)踐中，LED光源可實(shí)現(xiàn)在納米波長光質(zhì)、PPFD基本單位光強(qiáng)和分鐘尺度時(shí)長等方面對(duì)光環(huán)境的管控。近幾年，連續(xù)光照、交替光照、間歇光照模式對(duì)植物生長、產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)影響的研究多有報(bào)道[3-8]，優(yōu)化篩選出諸多對(duì)應(yīng)的高效光質(zhì)組合及其時(shí)間轉(zhuǎn)換方式（交替、疊加、復(fù)合、拆減）、適宜光強(qiáng)參數(shù)及轉(zhuǎn)換方式（置零、增加和遞減），為這些特殊光照模式的植物工廠應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，特殊光照模式的技術(shù)化應(yīng)用需要光環(huán)境智能可調(diào)的LED燈和智能控制系統(tǒng)的支撐，相關(guān)研制工作正在逐步推進(jìn)。

連續(xù)光照的概念與應(yīng)用效益

連續(xù)光照是指打破植物24 h明暗期交替的自然光照模式，給植物提供連續(xù)24 h的光照條件[3-4，9-20]，且光照屬性隨時(shí)間可調(diào)可控的光照模式。連續(xù)光照具有不中斷、無暗期和屬性特征隨時(shí)間可調(diào)控3個(gè)基本特征。在人工光植物工廠中，利用人工光源可實(shí)現(xiàn)光照時(shí)間的延長，甚至可進(jìn)行連續(xù)光照栽培。LED光源在設(shè)施園藝中的廣泛應(yīng)用極大地增加了連續(xù)光照的內(nèi)涵和應(yīng)用價(jià)值，亟待研究明晰植物連續(xù)光照生理響應(yīng)生理機(jī)制及其調(diào)控途徑，構(gòu)建連續(xù)光照應(yīng)用模式。利用LED進(jìn)行連續(xù)光照時(shí)，可按生產(chǎn)需求調(diào)制光質(zhì)和光強(qiáng)，從而能更好地研究連續(xù)光照下園藝作物的生理響應(yīng)機(jī)理，其研究結(jié)果也能為制定LED光照配方和照明調(diào)控策略提供生物學(xué)依據(jù)?？偨Y(jié)而言，連續(xù)光照研究分為短期連續(xù)光照和長期連續(xù)光照兩種情景，前者主要是采前短期連續(xù)光照[9-15]，后者是三天甚至幾十天的長期連續(xù)光照[16-20]。

從實(shí)踐應(yīng)用角度來劃分，可把設(shè)施植物分為連續(xù)光照敏感型植物種類和品種、連續(xù)光照適應(yīng)型植物種類和品種[21]，需分別采取不同的連續(xù)光照應(yīng)用策略，以獲得最大化應(yīng)用效益。對(duì)連續(xù)光照敏感型植物種類或品種可采納3種應(yīng)用方式：其一，采收前短期應(yīng)用連續(xù)光照，提高產(chǎn)量品質(zhì)，克服水培葉菜品質(zhì)低的問題;其二，可在植物生長期某段時(shí)間長期應(yīng)用6～9天，提高產(chǎn)量品質(zhì)，不產(chǎn)生傷害[16];其三，制定合理的調(diào)控方案，在變溫管理、光質(zhì)交替等協(xié)同措施下進(jìn)行長期連續(xù)光照，提高產(chǎn)量品質(zhì)的同時(shí)還要避免造成傷害[22-23]。對(duì)連續(xù)光照適應(yīng)型植物種類或品種可采納直接應(yīng)用的方式，需要基于節(jié)能、高效的原則制定成套的連續(xù)光照光環(huán)境參數(shù)、動(dòng)態(tài)模式和控制方式。在人工光植物工廠中，無論短期連續(xù)光照還是長期連續(xù)光照都具有應(yīng)用價(jià)值，連續(xù)光照在人工光植物工廠中的應(yīng)用豐富了植物工廠照明的理論和實(shí)踐。究其原因，連續(xù)光照增加了植物的光合作用和同化作用的時(shí)間，同時(shí)避免了暗期呼吸作用的消耗，從而增加了干物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的累積。

交替光照的概念與應(yīng)用效益

交替光照是指LED光源的光質(zhì)及其數(shù)量屬性在植物生長發(fā)育過程中按一定規(guī)則、策略變化的光照模式，供給光或光質(zhì)存在規(guī)律性的時(shí)空變化，以達(dá)到增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)的目的。交替光照包括完全交替光照和疊加交替光照兩類，即持續(xù)光照時(shí)段內(nèi)兩種或多種光質(zhì)在時(shí)間上按照一定規(guī)律交替出現(xiàn)或疊加出現(xiàn)的循環(huán)照明方式[5-6]。交替光照需要借助自動(dòng)化控制系統(tǒng)和具有獨(dú)立光質(zhì)的LED光源，只存在可控環(huán)境人工光植物工廠中。交替光照因交替頻率、交替光質(zhì)種類及其強(qiáng)度不同呈現(xiàn)出多樣性的光照策略，從而影響植物的生長、產(chǎn)量甚至營養(yǎng)品質(zhì)。

已有報(bào)道表明，交替光照模式中存在最優(yōu)的技術(shù)參數(shù)，可提高產(chǎn)量和品質(zhì)。Jishi等[5]研究了LED紅藍(lán)光組合的光照模式對(duì)生菜生長和形態(tài)的影響，在24 h光周期里光強(qiáng)有一定的變化。試驗(yàn)1中，紅藍(lán)光光強(qiáng)為90 μmol/（m2·s），光周期為14 h/天，紅光開始照射時(shí)間與藍(lán)光啟動(dòng)的時(shí)間同時(shí)進(jìn)行或延遲1、4 h或7 h。結(jié)果表明，紅光啟動(dòng)時(shí)間比藍(lán)光延遲4 h和7 h的處理生菜地上部鮮重顯著高于紅藍(lán)光同時(shí)啟動(dòng)光照模式。結(jié)果表明，植物生長可通過單純的時(shí)間位移紅藍(lán)光照射時(shí)段提高產(chǎn)量。Chen等[6]研究了LED紅藍(lán)光交替對(duì)生菜生長和營養(yǎng)品質(zhì)的影響，設(shè)計(jì)了4種交替光處理，具有相同的8.64 μmol/m2的日累計(jì)光量和相似的紅光：藍(lán)光為2：1，但在紅藍(lán)交替間隔時(shí)間上不同，分別是在16 h光周期內(nèi)8、4、2和1 h。結(jié)果表明，不同交替類型的光照導(dǎo)致生菜明顯的形態(tài)、生物量和營養(yǎng)品質(zhì)變化。生菜生物量以紅藍(lán)光同時(shí)照射16 h最高，是紅藍(lán)光同時(shí)照射8 h，紅藍(lán)光4 h交替和2 h交替的2倍多，是紅藍(lán)光8 h交替和1 h交替處理生物量的不到2倍。與其他處理相比，紅藍(lán)光同時(shí)照射16 h顯著降低了可溶性糖含量9%～32%，增加了粗纖維含量14%～39%。顯著更高的抗壞血酸含量和較低的硝酸鹽含量出現(xiàn)在紅藍(lán)光4 h交替和2 h交替處理的生菜中，相對(duì)低的抗壞血酸含量和較高的硝酸鹽含量出現(xiàn)在紅藍(lán)光8 h交替和1 h交替處理?；谙嗤哪芰肯?，與同時(shí)照射紅藍(lán)光相比，紅藍(lán)光8 h交替和1 h交替處理可導(dǎo)致較高的產(chǎn)量，而紅藍(lán)光4 h交替和2 h交替處理可獲得較高的營養(yǎng)。Shao等[8]發(fā)現(xiàn)，與LED紅藍(lán)光恒定光強(qiáng)150 μmol/（m2·s）光照模式相比，LED紅藍(lán)光強(qiáng)光500 μmol/（m2·s）交替可以提高生菜產(chǎn)量和品質(zhì)，20天后以交替強(qiáng)光1 h處理生菜地上部干鮮重和葉面積最大，其次是交替強(qiáng)光2 h處理。

間歇光照的概念與應(yīng)用效益

間歇光照是指在人工光下可設(shè)置不同的晝夜節(jié)律，而且在同一個(gè)晝夜節(jié)律內(nèi)可設(shè)置2個(gè)以上明暗期交替循環(huán)的光照模式。很顯然，人工光間歇光照比自然光復(fù)雜得多，后者在24 h晝夜節(jié)律中只包含1個(gè)明暗期循環(huán)。間歇光照時(shí)長可設(shè)置為分鐘或小時(shí)尺度上，明暗期循環(huán)2次以上。若間歇光照時(shí)長過低，達(dá)到毫秒甚至微秒級(jí)，間歇光照就變成頻率較高的脈沖光了。已有報(bào)道表明，間歇光照模式中存在最優(yōu)的技術(shù)參數(shù)，可提高產(chǎn)量和品質(zhì)。Chen等[7]研究了24 h明期內(nèi)LED紅藍(lán)光連續(xù)光照、間歇光照對(duì)生菜生長和碳水化合物累積的影響。6個(gè)處理中紅藍(lán)光處理的光周期都是16 h/天，其中紅藍(lán)光連續(xù)光照處理僅一個(gè)明暗期（16 h/8 h），作為對(duì)照。5個(gè)紅藍(lán)光間歇處理的敏感期處理分別為8 h/4 h、6 h/3 h、4 h/2 h、3 h/1.5 h、2 h/1 h。結(jié)果表明，與明期內(nèi)連續(xù)光照處理相比，生菜地上部生物量在8 h/4 h、4 h/2 h、3 h/1.5 h、2 h/1 h間歇光照處理下顯著增加，而6 h/3 h處理降低了生菜的地上部生物量。8 h/4 h處理的生菜具有較高的己糖/蔗糖比率、蔗糖降解酶活性，較弱的蔗糖合成酶活性。8 h/4 h、6 h/3 h 處理下生菜的可溶性糖含量較高，粗纖維和淀粉含量較低。與對(duì)照比較，所有間歇處理顯著提高了生菜的果糖含量。8 h/4 h和6 h/3 h處理通過提高甜度和脆度優(yōu)化了生菜的口味，而6 h/3 h處理同時(shí)增加了地上部干重。Sivakumar 等[24]比較了間歇光與持續(xù)光對(duì)甜土豆組培苗的作用效果，結(jié)果顯示間歇供應(yīng)的紅藍(lán)混合光下土豆苗的干重以及碳水化合物含量均高于持續(xù)供應(yīng)紅藍(lán)混合光的處理。

LED植物工廠光照策略的構(gòu)建

LED賦予植物工廠光環(huán)境調(diào)控更多內(nèi)涵和調(diào)控模式，因此光照模式及其植物生理響應(yīng)機(jī)制已成為植物工廠植物生理學(xué)研究的熱點(diǎn)。連續(xù)光照、交替光照和間歇光照這3種基于LED光電特性而建立起的特殊光照模式在人工光植物工廠中具有廣闊的應(yīng)用前景。連續(xù)光照、交替光照和間歇光照是具有重要植物生理效應(yīng)的特殊光照模式，3種光照模式中均存在最優(yōu)的技術(shù)參數(shù)，可以在不增加電能投入的前提下提高光能利用效率，提高設(shè)施植物的產(chǎn)量和品質(zhì)。但是，研究表明連續(xù)光照下不同植物種類和品種生理響應(yīng)差異客觀存在，因此光照策略的制定應(yīng)因植物種類甚至品種而異。此外，為了避免連續(xù)光照造成的生理傷害，運(yùn)用連續(xù)光照時(shí)其屬性要素應(yīng)給予合理的運(yùn)行參數(shù)，而且需要把連續(xù)光照合理地整合到植物工廠照明管理策略中形成高效的光配方和光照策略。因此，連續(xù)光照、交替光照和間歇光照在LED光源植物工廠中具有重要應(yīng)用價(jià)值，需要針對(duì)特定植物種類及品種加快光照技術(shù)參數(shù)的篩選、整合和實(shí)踐驗(yàn)證。

實(shí)踐中也可將3種光照模式集成到植物工廠光環(huán)境管理策略中，發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，切實(shí)大幅度提高植物生產(chǎn)力，提高植物工廠系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，推進(jìn)植物工廠照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。研究表明，將交替光照模式嵌入到連續(xù)光照中，可以進(jìn)一步提升光照的生理效應(yīng)，提高植物生產(chǎn)力。Ohtake等[25]研究了連續(xù)光照條件下LED紅藍(lán)光交替對(duì)生菜生長和營養(yǎng)品質(zhì)的影響。Lanoue等[23]發(fā)現(xiàn)，紅藍(lán)光交替連續(xù)光照也可以削減連續(xù)光照對(duì)番茄的傷害?？傊磥砜赏ㄟ^系統(tǒng)研究明確這些人工光下特殊光照模式的植物生理功能，利用集成了多種光照模式的光照策略來提高植物生長發(fā)育速率，調(diào)節(jié)產(chǎn)量和品質(zhì)，提升設(shè)施植物、設(shè)施作物生產(chǎn)力和系統(tǒng)生產(chǎn)效率。

總之，LED光源植物工廠具備智慧生產(chǎn)的光環(huán)境調(diào)控的能力，通?？梢栽诩{米波長光質(zhì)、PPFD基本單位光強(qiáng)和分鐘尺度時(shí)長等方面對(duì)光環(huán)境進(jìn)行管控，也可實(shí)現(xiàn)內(nèi)涵豐富的連續(xù)光照、間歇光照和交替光照等特殊光照模式及其集成應(yīng)用。對(duì)植物工廠光照策略的制定，應(yīng)針對(duì)各種植物種類及品種構(gòu)建出集成了多種光照模式的光照策略，實(shí)現(xiàn)提高植物生產(chǎn)力和植物工廠生產(chǎn)效率的光調(diào)控目標(biāo)。但是，當(dāng)前研究僅僅揭示了多種光照模式在人工光植物工廠光能提質(zhì)增效方面的有效性和可行性，而在能耗分析和綜合效益評(píng)價(jià)方面仍需要做大量工作。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不同規(guī)模植物工廠中各種光照模式的植物生理效應(yīng)和能耗的研究和評(píng)價(jià)，篩選出基于植物種類或品種的適宜集成機(jī)制，以獲得高效節(jié)能的植物工廠光照策略。

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*項(xiàng)目支持：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31672202）。

作者簡介：劉文科（1974-），男，河北孟村人，研究員、博士生導(dǎo)師，從事設(shè)施園藝環(huán)境與營養(yǎng)生理及調(diào)控技術(shù)研究工作。E-mail： liuwenke@caas.cn。

[引用信息]劉文科，查凌雁，邵明杰.基于LED光源優(yōu)勢(shì)的植物工廠光照策略探討[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（13）：59-63.