黨聰聰, 褚慶全
(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,農(nóng)業(yè)部農(nóng)作制度重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091)
光是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基本環(huán)境因素,也是光合作用的必需能量來(lái)源。隨著植物光環(huán)境作用機(jī)理的不斷揭示,眾多的研究理論逐漸轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)實(shí)踐,指導(dǎo)植物的生產(chǎn)應(yīng)用。作為設(shè)施內(nèi)利用高精度環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物連續(xù)生產(chǎn)的系統(tǒng),植物工廠應(yīng)運(yùn)而生[1],并逐漸發(fā)展成為設(shè)施園藝發(fā)展的高級(jí)形式。與設(shè)施園藝發(fā)展模式相適應(yīng)的是農(nóng)用照明光源的改革,我國(guó)的農(nóng)用照明光源經(jīng)歷了由白熾燈[2]、熒光燈[3]、高壓鈉燈[4]為主的高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)向發(fā)光二極管(LED)[5]的轉(zhuǎn)變,目前形成了以LED植物工廠為代表的新型園藝產(chǎn)業(yè)模式。人工光源作為設(shè)施植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵性需求,現(xiàn)已在植物工廠中逐步實(shí)現(xiàn)了智能控制,為植物生產(chǎn)創(chuàng)造了更高的生物學(xué)光效和農(nóng)學(xué)效益[6]。
近年來(lái),隨著LED作為第四代新型照明能源在植物工廠等設(shè)施領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,人們開(kāi)始探究更為高效、精準(zhǔn)的植物照明產(chǎn)品,服務(wù)于植物生產(chǎn)的激光光源(Laser Light Sources)應(yīng)運(yùn)而生。與熒光燈、高壓鈉燈等傳統(tǒng)光源相比,LED和激光光源共同具備了精準(zhǔn)高效、低耗環(huán)保、冷光源可接近照射、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn);同時(shí),激光具有比LED固態(tài)光源更為突出的優(yōu)勢(shì),具體表現(xiàn)在以下方面:一是單色性好、方向性強(qiáng)[7],波長(zhǎng)控制更精準(zhǔn),激光光源的相干性優(yōu)良,在高效光激勵(lì)方面更顯優(yōu)勢(shì);二是照射功率高,激光具有比LED更大的輸出功率,亦可通過(guò)設(shè)定短脈沖降低所需功率;三是使用壽命更長(zhǎng)久,電流可直接調(diào)制;此外,光源的最大優(yōu)勢(shì)在于其較高的光電轉(zhuǎn)換效率,發(fā)光效率可達(dá)到LED光源的兩倍,大大降低電力消耗[8]。但是,由于LED植物照明光源的日益普及,當(dāng)前激光植物生長(zhǎng)燈的價(jià)格要高于LED光源,即意味著生產(chǎn)者需要投入更大的初始成本。
目前,關(guān)于人工光照對(duì)植物生長(zhǎng)效應(yīng)的研究,主要集中在植物對(duì)LED光質(zhì)、光強(qiáng)等光環(huán)境參數(shù)和連續(xù)、間歇等照明方式的響應(yīng)機(jī)制方面,而有關(guān)激光作用于植物生產(chǎn)的報(bào)道相對(duì)較少。本文綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于激光輻照對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量、生理品質(zhì)、抗逆能力的影響及激光對(duì)植物生理代謝機(jī)制的研究進(jìn)展,探討了激光植物工廠的應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展策略。
在設(shè)施園藝領(lǐng)域,光作為重要的環(huán)境調(diào)控因子,影響著植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段,光源的質(zhì)量屬性(光質(zhì))與數(shù)量屬性(光強(qiáng)、光周期),連同光源的末端照明策略共同組成了適宜植物生長(zhǎng)的光配方[9],實(shí)現(xiàn)了生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝的正向調(diào)控。激光作為新型光源,具有更精準(zhǔn)的波長(zhǎng)設(shè)定和高效光激勵(lì)機(jī)制,對(duì)植物生物學(xué)效應(yīng)的響應(yīng)突出,可從促進(jìn)作物形態(tài)建成、增加生物量、提高生理品質(zhì)和增強(qiáng)抗逆性等多角度予以利用,應(yīng)用潛力巨大。
在植物光生物學(xué)研究領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試將激光應(yīng)用于生菜、菠菜等葉菜類蔬菜和辣椒、番茄等茄果類蔬菜作物,以及水稻等糧食作物的生產(chǎn)研究,均發(fā)現(xiàn)了激光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育及生物量積累的積極效果。Murase[10]將紅-綠-藍(lán)復(fù)合激光燈用于蘿卜幼芽的生長(zhǎng),發(fā)現(xiàn)此環(huán)境下生長(zhǎng)的蘿卜幼苗長(zhǎng)勢(shì)良好,達(dá)到與熒光燈照射同樣的效果;該學(xué)者在研究激光對(duì)生菜苗期的影響時(shí),提出了PWM同步類囊體反應(yīng)的理論,即結(jié)合植物感光細(xì)胞的特性對(duì)激光光源設(shè)置了特定脈寬,以使感官細(xì)胞需要光子激發(fā)能量的時(shí)刻與激光照明的時(shí)間一致,隨后發(fā)現(xiàn)在此條件下生長(zhǎng)的生菜幼苗,其株高和鮮重相較黑暗條件下均顯著提高,同時(shí)達(dá)到了節(jié)省能耗、降低經(jīng)濟(jì)成本的目的,此研究展示了激光光源應(yīng)用于植物工廠的潛力。趙定杰等[11]用激光植物生長(zhǎng)燈對(duì)辣椒幼苗進(jìn)行累計(jì)24 d的補(bǔ)光處理,發(fā)現(xiàn)激光補(bǔ)光對(duì)辣椒苗具有矮化作用,使辣椒苗莖粗增加,同時(shí)縮短了辣椒的生長(zhǎng)周期,使現(xiàn)蕾期、始收期提前,辣椒的百株鮮重、干重及苗期可見(jiàn)葉片數(shù)顯著增加,收獲期的平均畝產(chǎn)量增產(chǎn)19%。張二朝等[12]在冬季黃瓜大棚內(nèi)使用紅藍(lán)8∶1光質(zhì)配比的激光植物生長(zhǎng)燈,對(duì)黃瓜幼苗進(jìn)行補(bǔ)光并調(diào)查霜霉病的發(fā)病率及采后產(chǎn)量,結(jié)果表明冬季激光補(bǔ)光促進(jìn)了黃瓜折合畝產(chǎn)量的明顯提升,同時(shí)可在一定程度上控制霜霉病的發(fā)生。徐煒賢[13]報(bào)道了日本植物工廠引入激光照明的研究進(jìn)展,日本濱松公司采用其研發(fā)的具有葉綠素高吸收力、波長(zhǎng)680 nm的紅色激光光源,結(jié)合含5%藍(lán)色激光的熒光燈作為輔助光源,進(jìn)行水稻秧苗栽培,成功將水稻的生育期縮短至3個(gè)月,并據(jù)此推測(cè),若按照5~6片葉齡的秧苗移栽大田計(jì)算,水稻可實(shí)現(xiàn)一年5熟耕作,且可節(jié)約同期使用鈉燈耗電量的90%。Chen等[14]研究了紅藍(lán)7∶3的激光植物生長(zhǎng)燈對(duì)草莓生長(zhǎng)的影響,結(jié)果表明經(jīng)連續(xù)30 d、累計(jì)12h/d補(bǔ)光處理的草莓株高、莖粗、葉面積和植株總重明顯增大,單果重顯著提高,果實(shí)硬度降低,激光補(bǔ)光在一定程度上促進(jìn)了草莓的成熟和增產(chǎn)。
近年來(lái),越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)和制造商開(kāi)始將半導(dǎo)體照明應(yīng)用于植物生產(chǎn),以期實(shí)現(xiàn)植物產(chǎn)品品質(zhì)提升的目的。隨著激光對(duì)植物生理的影響價(jià)值被挖掘,用于激光輻射的作物種類和生理指標(biāo)的研究范圍不斷擴(kuò)大。學(xué)者多以植物的共有成分如可溶性糖、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、色素含量等作為一般研究對(duì)象,而一些經(jīng)濟(jì)附加值較高的植物如中藥材,其藥用價(jià)值主要取決于特有成分(如萜類、酮類、有機(jī)酸等)的含量[15],因此常被用作藥用植物栽培的品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。2000年,齊智等[16]用波長(zhǎng)632.8 nm的He-Ne激光輻射風(fēng)干的玉米種子,促進(jìn)了玉米苗期可溶性蛋白的合成;Chen等[14]研究表明,經(jīng)紅藍(lán)7∶3比例激光補(bǔ)光處理的草莓果實(shí),其可溶性糖、固酸比含量顯著提高,果實(shí)口感更佳;2003年,Takatsuji等[8]以紅色脈沖激光光源下正常生長(zhǎng)的生菜為例,討論了激光植物工廠的可能性,發(fā)現(xiàn)紅藍(lán)10∶1比例的激光最適合生菜生長(zhǎng),且紅色激光燈中660 nm波長(zhǎng)比680 nm效果更好,同時(shí)發(fā)現(xiàn)激光照射對(duì)生菜葉片葡聚糖和維生素C的積累作用明顯,尤其是維生素C的含量比市面萵苣高出數(shù)十個(gè)百分點(diǎn)。張建東等[17,18]研究了CO2激光處理對(duì)大豆、玉米種子萌發(fā)及生理代謝的影響,結(jié)果表明,激光處理后的大豆種子發(fā)芽率、淀粉酶活性明顯提高,可溶性蛋白、可溶糖及游離氨基酸含量增加,并且顯著促進(jìn)了玉米葉片的淀粉合成。陳怡平等[19,20]將He-Ne激光器用于菘藍(lán)、大青葉等中藥材的種子萌發(fā)過(guò)程,提高了菘藍(lán)植株的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度,增加了菘藍(lán)葉片的可溶性糖及葉綠素含量,促進(jìn)了大青葉中靛藍(lán)、靛玉紅等有效成分的積累。
隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展,大氣污染帶來(lái)地球臭氧層破壞的加劇,導(dǎo)致紫外輻射不斷增強(qiáng),人類和其他生物的生存環(huán)境面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[21],科研人員逐漸開(kāi)展了有關(guān)激光影響植物抗逆能力的研究,發(fā)現(xiàn)激光處理對(duì)植物抵抗UV-B輻射傷害、干旱和凍害等逆境條件表現(xiàn)出積極作用。2005年,李方民等[22]報(bào)道了CO2激光預(yù)處理對(duì)UV-B輻射造成的小麥幼苗膜脂過(guò)氧化傷害的防護(hù)作用,發(fā)現(xiàn)CO2激光光源通過(guò)照射小麥種子,能夠促進(jìn)其幼苗體內(nèi)酶類抗氧化物(SOD、POD、CAT)及非酶類抗氧化物(GSH、ASA)的積累,并且減少丙二醛(MDA)的合成,降低小麥幼苗的膜脂過(guò)氧化程度。Chen[23]的研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)激光照射的中藥材——菘藍(lán)種子,也表現(xiàn)出與小麥相類似的、削減UV-B引起的幼苗膜脂過(guò)氧化的作用。2008年,王小花等[24]利用He-Ne激光照射小麥幼苗,證明了一定劑量的He-Ne激光可以解除UV-B輻射對(duì)小麥幼苗正常基因表達(dá)的抑制,使相關(guān)蛋白質(zhì)代謝加強(qiáng),減弱逆境傷害。同年,邱宗波等[25]發(fā)現(xiàn)了經(jīng)CO2激光短期處理的小麥種子,通過(guò)提高谷胱甘肽抗氧化酶系統(tǒng)的谷胱甘肽GSH/GSSG比率,促進(jìn)干旱脅迫引起的過(guò)氧化產(chǎn)物的降解,增強(qiáng)了小麥幼苗的抗旱能力,且根系活力顯著增強(qiáng),保障了干旱環(huán)境下水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的穩(wěn)定運(yùn)輸;此研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),利用He-Ne激光處理的小麥幼苗在經(jīng)歷適度干旱后,丙二醛含量和超氧自由基產(chǎn)生速率顯著降低,過(guò)氧化物酶、抗壞血酸的含量顯著增加,小麥逆境抗性增強(qiáng)[26]。隨后,Chen等[27]也用CO2激光照射小麥種子,并對(duì)幼苗進(jìn)行低溫處理,發(fā)現(xiàn)小麥的抗凍能力顯著增加,同時(shí)降低了幼苗凍害造成的生物量損耗。
由于光環(huán)境中的光質(zhì)、光強(qiáng)、光周期等因素影響植物生長(zhǎng)及品質(zhì)的形成,與植物生產(chǎn)相適應(yīng)的生理機(jī)制研究不斷被完善。眾多研究表明,不同波長(zhǎng)的光通過(guò)影響植物的內(nèi)源激素水平調(diào)控莖的生長(zhǎng),進(jìn)而影響植株形態(tài)。比如,紅光及紅外光能夠改變植物體內(nèi)的赤霉素含量,調(diào)節(jié)節(jié)間長(zhǎng)度[28];藍(lán)光通過(guò)提高吲哚乙酸氧化酶的活性降低生長(zhǎng)素水平,抑制植株徒長(zhǎng)。而與紅光相關(guān)的光敏色素和藍(lán)光受體——隱花色素,可直接參與植物的成花反應(yīng),對(duì)決定植物開(kāi)花時(shí)間具有決定性作用。近年來(lái),隨著設(shè)施園藝光環(huán)境調(diào)控的研究更加深入,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn),以維生素C在內(nèi)的植物初級(jí)代謝產(chǎn)物和花青素等次級(jí)代謝產(chǎn)物,其合成代謝大多受到光調(diào)控的影響。多項(xiàng)研究證實(shí),植物抗壞血酸(AsA)合成途徑的關(guān)鍵酶——L半乳糖內(nèi)酯脫氫酶(GLDH)基因受光的調(diào)節(jié)[29];紫外光和藍(lán)光能誘導(dǎo)丙氨酸解氨酶(PAL)的生成和一些酶蛋白的重新組合,促進(jìn)次生抗氧化物質(zhì)類黃酮的積累[15]。此外,植物體內(nèi)草酸、硝酸鹽和類胡蘿卜素等物質(zhì)的合成也與光環(huán)境有關(guān)[30]。
目前,有關(guān)激光影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的機(jī)理性研究逐步深入,大多集中在激光促使作物增產(chǎn)提質(zhì)機(jī)理和紫外輻射修復(fù)機(jī)理兩大模塊,研究成果中,關(guān)于激光產(chǎn)生植物生物學(xué)效應(yīng)的機(jī)理性解釋,主要體現(xiàn)為以下方面:一是改變相關(guān)酶的活性,調(diào)控植物體內(nèi)糖代謝和氮代謝,He-Ne激光輻照通過(guò)提高α,β-淀粉酶活性、可溶性糖含量和降低蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性調(diào)節(jié)幼苗的糖代謝系統(tǒng)[31],同時(shí)通過(guò)改變谷氨酸脫氫酶和硝酸還原酶的活性修復(fù)UV-B輻射造成的氮代謝損失[32];二是利用植物的光敏色素、光合色素對(duì)激光光譜的吸收特性,植物體內(nèi)存在光敏色素、隱花色素、向光素等光受體蛋白和葉綠素、藻膽素等光合色素,它們均有特定波長(zhǎng)的吸收光譜[15]。而630 nm的激光波長(zhǎng)接近光敏素的吸收峰值,誘導(dǎo)產(chǎn)生光敏素激發(fā)相關(guān)酶活性,通過(guò)改變植物的焓能熵流,提高生長(zhǎng)代謝水平[33];三是激發(fā)植物的鈣信號(hào)系統(tǒng),激光輻照促進(jìn)小麥幼苗葉片鈣調(diào)蛋白(CAM)的合成[34],進(jìn)而激發(fā)鈣信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)植物的代謝[35];四是激發(fā)抗氧化系統(tǒng)活性,CO2激光和He-Ne激光處理能夠激活小麥幼苗抗氧化系統(tǒng)中酶類基因和非酶類基因的表達(dá),增強(qiáng)對(duì)植物膜脂過(guò)氧化傷害的防護(hù)作用[22];此外,還有相關(guān)研究從基因?qū)用娼忉屃思す鈱?duì)植物UV-B輻射損傷的修復(fù)作用機(jī)制。王小花等[36]的研究表明,激光輻照能在一定程度上解除UV-B輻射對(duì)正?;虮磉_(dá)的抑制,同時(shí)抑制UV-B輻射導(dǎo)致的某些基因的過(guò)表達(dá)。另有研究發(fā)現(xiàn),激光輻射降低了小麥根尖細(xì)胞的染色體畸變率,其原因是通過(guò)對(duì)UV-B造成的小麥種胚總RNA合成抑制的部分解除,促進(jìn)種子非按期DNA的合成,同時(shí)降低了UV-B輻射產(chǎn)生的大量環(huán)丁烷嘧啶二聚體(CPDs)的積累[37]。也有學(xué)者將激光的生物學(xué)效應(yīng)從物理學(xué)角度做了解釋,指出對(duì)于包括可見(jiàn)光激光在內(nèi)的低功率激光,其作用于生物體產(chǎn)生的一系列效應(yīng)主要為光效應(yīng)和電磁場(chǎng)效應(yīng),由于它們產(chǎn)生的熱和壓力較小,因而熱效應(yīng)和壓力作用微弱[38]。但也有學(xué)者提出了相反觀點(diǎn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了激光修復(fù)UV-B造成的小麥損傷不是激光的光效應(yīng)作用引起[39]。關(guān)于激光作用于植物體生長(zhǎng)發(fā)育的物理學(xué)效應(yīng)機(jī)制,有待今后進(jìn)一步探索。
在植物工廠設(shè)施園藝的國(guó)際化發(fā)展浪潮中,日本作為最早的發(fā)起國(guó)之一,其全控型LED植物工廠的研究已進(jìn)入實(shí)用化階段,并提出了利用LED作為植物照明光源的“激光植物工廠”的發(fā)展目標(biāo)[40]。作為新一代人工光源,激光在未來(lái)植物工廠中的應(yīng)用具有巨大價(jià)值:其一,激光獨(dú)特的光源特性使其具備與LED照明相同甚至更優(yōu)的植物生產(chǎn)效果,使激光具有輔助或替代LED進(jìn)行植物工廠照明的可能性,且激光具有比LED光源更為明顯的相干性好、高功率、高光效激勵(lì)[40]優(yōu)勢(shì),因此具有巨大的應(yīng)用推廣潛力;其二,激光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育及環(huán)境適應(yīng)性的影響使得光生物學(xué)等領(lǐng)域的研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。目前有關(guān)激光對(duì)植物形態(tài)建成、產(chǎn)量、品質(zhì)及抗逆性的生物學(xué)效應(yīng)機(jī)理被大量發(fā)現(xiàn)并證實(shí),尤其是當(dāng)前地球環(huán)境惡化的大背景下,激光表現(xiàn)出對(duì)植物遭受紫外輻射后修復(fù)作用的正向效應(yīng),促使了與光環(huán)境相關(guān)的植物生理學(xué)研究更富有社會(huì)價(jià)值;其三,激光照明豐富了植物工廠的種類和內(nèi)涵,為人工光型植物照明光源的示范性應(yīng)用構(gòu)建了多樣化理論基礎(chǔ),更為未來(lái)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向提供了新的思路。
如今,現(xiàn)代化的大型植物工廠已經(jīng)發(fā)展成為上萬(wàn)平方米甚至更大的規(guī)模,進(jìn)行人工補(bǔ)光將耗費(fèi)巨大的電力能源,因此提高光源效率十分必要。激光光源的最大優(yōu)勢(shì),就在于其高使用壽命和高發(fā)光效率。首先,壽命長(zhǎng)、劣化少的特點(diǎn),可以將植物工廠照明光源更新?lián)Q代的頻率降到最低,避免了維修及設(shè)備等額外成本的增加;其次,波長(zhǎng)精準(zhǔn)、可設(shè)置脈沖的特點(diǎn)保證了高發(fā)光效率,由于激光光源沒(méi)有多余的波長(zhǎng)散出,其脈寬又可以與光合作用的明暗反應(yīng)時(shí)段相結(jié)合,因此在實(shí)現(xiàn)植物光合效率大幅提升的同時(shí),可能節(jié)約20%~30%的電力成本[8];再次,冷光源的特點(diǎn)可使植物實(shí)現(xiàn)近距離接觸,使照明光源在用于多層立體的高密度栽培空間的同時(shí),避免了降溫、冷卻的電力消耗;最后,利用半導(dǎo)體激光的光催化技術(shù)[40],還可能降低植物工廠營(yíng)養(yǎng)液的有機(jī)物或菌類污染,達(dá)到植物工廠內(nèi)部抗菌防霉的復(fù)合效應(yīng)。除了以上較為明顯的光源特征外,激光光源低電壓驅(qū)動(dòng)、小型便捷、智能控制等屬性,也增加了其應(yīng)用于設(shè)施園藝生產(chǎn)的可行性。
然而,目前激光在植物生產(chǎn)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用極為緩慢,最大阻礙在于高昂的成本。早前的農(nóng)用型激光器還存在照明均勻性差的弱點(diǎn),但已通過(guò)特殊的擴(kuò)散透鏡技術(shù)解決[10]。另外需要注意的是,激光的使用劑量直接影響作用效果的好壞[33],低強(qiáng)度的激光對(duì)植物生長(zhǎng)表現(xiàn)出諸多益處,而高劑量激光則帶來(lái)抑制,甚至造成嚴(yán)重的植物傷害。因此,應(yīng)加強(qiáng)不同種類和品種的植物對(duì)激光輻射強(qiáng)度耐受性的研究工作,進(jìn)而推動(dòng)人工光型植物工廠照明的應(yīng)用。在未來(lái)植物工廠光配方的設(shè)定中,激光植物生長(zhǎng)燈的輻照強(qiáng)度、功率及照射時(shí)間均需嚴(yán)格控制,并針對(duì)不同作物種類鎖定具體的最佳劑量值,以促使植物在不受生理傷害的前提下,實(shí)現(xiàn)最大限度的增產(chǎn)提質(zhì)。同時(shí),基于當(dāng)下植物工廠發(fā)展中面臨的植物生產(chǎn)種類單一、投資建設(shè)及維護(hù)成本高、應(yīng)用推廣難等問(wèn)題[41],未來(lái)激光植物工廠的應(yīng)用可能有兩大發(fā)展方向:一是從設(shè)施產(chǎn)業(yè)需求出發(fā),擴(kuò)大設(shè)施作物的種類范圍,開(kāi)發(fā)更多具有高附加值的植物產(chǎn)品,創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[42];二是節(jié)能降本,這一方面要從半導(dǎo)體激光光源的設(shè)計(jì)層面出發(fā),探索并設(shè)計(jì)出更為優(yōu)化的有效精準(zhǔn)光質(zhì)和高頻低耗輸出裝置,在保證作物產(chǎn)量穩(wěn)定和品質(zhì)提升的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減耗、降低經(jīng)濟(jì)投入的目的,另一方面則需科學(xué)研究人員繼續(xù)深入植物光生物學(xué)的探索,為實(shí)現(xiàn)人工光型植物工廠的實(shí)用化發(fā)展奠定更為扎實(shí)廣闊的理論基礎(chǔ)。在今后的植物型激光光源研究中,可能需要進(jìn)一步探究以“低成本、高光效”為核心的應(yīng)用模式,比如:設(shè)計(jì)出高功率型掃描激光照明裝置,利用掃描特性檢測(cè)植物生長(zhǎng)情況并給予靈活的光性能調(diào)節(jié);研究激光光源在遠(yuǎn)程智能屏控制、人機(jī)交互等方面實(shí)現(xiàn)大的突破;注重植物工廠內(nèi)設(shè)施架構(gòu)因素的耦合,充分利用激光冷光源的特性,針對(duì)不同作物采取(平面多層立體栽培、多面體立體栽培、幕墻式、圓柱式等)多樣化栽培模式,提高設(shè)施內(nèi)空間的利用率。
在人工光型植物工廠中,激光獨(dú)特的光源特性使其具備了與LED相似的應(yīng)用價(jià)值,而植物在激光作用下的生物學(xué)響應(yīng)機(jī)制具有深刻的研究意義。通過(guò)合理利用激光光源,實(shí)現(xiàn)植物光環(huán)境的智能調(diào)控,不僅有利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)品品質(zhì)改善,還能夠在一定程度上消除不利條件對(duì)機(jī)體的生理?yè)p傷,提高植物的抗逆能力。但需要注意的是,無(wú)論LED照明還是激光照明,植物的光生物學(xué)效應(yīng)均因種類或品種的不同表現(xiàn)出差異性,同時(shí),激光應(yīng)用于植物生產(chǎn)更需對(duì)光照劑量實(shí)施嚴(yán)格控制,以同時(shí)達(dá)到避免植物傷害、節(jié)能減耗的目的。展望未來(lái),隨著植物光環(huán)境控制技術(shù)研究的不斷推進(jìn),將有更多的理論成果實(shí)現(xiàn)應(yīng)用性轉(zhuǎn)化,植物工廠設(shè)施模式的發(fā)展趨勢(shì)必然不斷壯大,激光光源在植物生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值也將日益彰顯。