李永志

摘 要：與傳統(tǒng)的光源相比，LED是一種具有節(jié)能環(huán)保、體積小、使用年限長(zhǎng)、耐用性強(qiáng)、響應(yīng)極快以及堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)的半導(dǎo)體固態(tài)電光源。除此之外，還具備一些能夠在植物工廠中應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，例如可以根據(jù)植物工廠的實(shí)際需要來調(diào)節(jié)冷光源以及光譜，實(shí)現(xiàn)對(duì)光照的智能控制，是在人工光植物工廠中一種極其理想的應(yīng)用光源。LED光源的特點(diǎn)是可以智能控制時(shí)間的轉(zhuǎn)換，能夠?yàn)橹参锕S提供較長(zhǎng)時(shí)間的光強(qiáng)以及光質(zhì)。由此可知，LED光源在植物工廠中的應(yīng)用具有廣闊的前景以及極大的潛力。由于LED光源植物工廠能夠根據(jù)實(shí)際需要來對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的光進(jìn)行智能調(diào)節(jié)控制，一般情況下，均能在光照的時(shí)長(zhǎng)和程度、光質(zhì)以及光強(qiáng)等方面來管理控制光的環(huán)境。除此之外，LED光還能在植物工廠中應(yīng)用一些特殊的光照模式，例如交替光照、連續(xù)光照以及間接光照等。為了制定有效的植物工廠光照方案，使植物工廠的植物生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)能力得到有效提升，相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同植物的品種來制定相應(yīng)的、結(jié)合多種光照模式的光照方案。所以，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)積極研究探索各類光照模式下各種植物的耗能以及生理反應(yīng)，選出一個(gè)以植物品種為基礎(chǔ)的、合適的光照集成機(jī)制，制定節(jié)能環(huán)保、高效的植物工廠光照方案。

關(guān)鍵詞：人工光;植物工廠;特殊光照

隨著社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)也進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段，而設(shè)施園藝發(fā)展的必然結(jié)果就是人工光植物工廠，其不僅是一種與以往大相徑庭的農(nóng)作方式以及土地利用手段，也是設(shè)施園藝的一個(gè)高級(jí)發(fā)展形式。人工光植物工廠能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)施園藝中生產(chǎn)方式的不足，如設(shè)施較為落后簡(jiǎn)易、生產(chǎn)效率較低、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等，除了能夠有效促進(jìn)我國(guó)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展之外，也是保障食物安全性的有效措施，與我國(guó)推行的可持續(xù)觀念相符。在植物的生存環(huán)境中，一個(gè)關(guān)鍵因素就是光照。通過光合作用為植物的生存環(huán)境提供能量，使植物的產(chǎn)量、發(fā)育情況以及品質(zhì)均得到一定程度的保障。光照除了具有晝夜節(jié)律以及光譜能量分布等相關(guān)質(zhì)量特性之外，還具有照射時(shí)長(zhǎng)、光強(qiáng)以及光周期等相關(guān)數(shù)量特性，這些特性對(duì)電能的投入量有著直接的影響。

1 ? ?植物工廠、LED、特殊光照模式

LED植物工廠光照系統(tǒng)在制定光照方案的過程中，一個(gè)重要的步驟就是在恒定光照的基礎(chǔ)上構(gòu)建動(dòng)態(tài)光照模式，大部分的動(dòng)態(tài)光照模式均不能在自然條件下存在。經(jīng)過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)生產(chǎn)的目標(biāo)或者是植物的生理特征來對(duì)光照模式的時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)化調(diào)控，形成一個(gè)植物生產(chǎn)的相關(guān)集成方案。通過這樣的方式，極大程度地提高了植物的生產(chǎn)力，繼而實(shí)現(xiàn)碳水化合物以及生物量的最大化。LED光源自身具有的優(yōu)勢(shì)[1]能夠讓相關(guān)種植工作人員在光合作用有效輻射以及植物的有效輻射范圍內(nèi)，使用納米級(jí)光譜來對(duì)植物施行一些特殊光照模式或者是組合調(diào)控方案。

光照模式具體指的是在人工光源的照射下，光環(huán)境的光質(zhì)、光周期以及光強(qiáng)等相關(guān)屬性的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。在自然光的照射下，光照會(huì)有一個(gè)光強(qiáng)呈拋物線軌跡變化以及晝夜交替的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。然而，LED光源可以通過智能控制系統(tǒng)來對(duì)各種光照模式進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，較為突出的光照模式有間歇光照、連續(xù)光照以及交替光照。

2 ? ?連續(xù)光照模式

連續(xù)光照模式具體指的是改變植物在24 h自然光照射條件明期、暗期交替的光照模式，為植物提供具有連續(xù)24 h光照條件的環(huán)境，同時(shí)可以根據(jù)時(shí)間的變化以及實(shí)際的需要來調(diào)節(jié)控制光照的模式。連續(xù)光照模式的特點(diǎn)有：光照的屬性可隨著時(shí)間的變化以及實(shí)際需要調(diào)節(jié)控制、不會(huì)中斷、沒有暗期[2]。在人工光植物工廠里，使用LED光源不僅可以延長(zhǎng)植物的光照時(shí)間，還可以在連續(xù)光照條件下對(duì)植物進(jìn)行栽培。由于在設(shè)施園藝中大面積普及應(yīng)用LED光源，連續(xù)光照的應(yīng)用價(jià)值得到了極大的提升，同時(shí)豐富了連續(xù)光照的內(nèi)涵。種植工作人員在使用LED光源對(duì)植物進(jìn)行連續(xù)光照的過程中，可以根據(jù)生產(chǎn)的目標(biāo)以及需求對(duì)光強(qiáng)以及光質(zhì)進(jìn)行制定調(diào)節(jié)，通過這樣的方式來對(duì)植物在連續(xù)光照條件下的生理響應(yīng)進(jìn)行分析研究。對(duì)連續(xù)光照的分析研究可以分成兩組來進(jìn)行：第一組是短期連續(xù)光照，具體操作方法為：對(duì)植物進(jìn)行短時(shí)間的連續(xù)光照;第二組是長(zhǎng)期連續(xù)光照，具體的操作方法為：對(duì)植物進(jìn)行3天、5天甚至幾十天的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)光照。

從實(shí)踐應(yīng)用的角度對(duì)設(shè)施植物進(jìn)行劃分，可以將設(shè)施植物分成兩個(gè)種類：一種是適應(yīng)連續(xù)光照的植物，另一種是對(duì)連續(xù)光照敏感的植物。

采取直接應(yīng)用的方法對(duì)適應(yīng)連續(xù)光照的植物進(jìn)行研究，研究需遵循“節(jié)能環(huán)保、高效”的基本原則，然后基于此原則對(duì)連續(xù)光照條件下的控制方式、環(huán)境參數(shù)以及動(dòng)態(tài)模式進(jìn)行成套的制定。

研究對(duì)連續(xù)光照敏感的植物時(shí)，可以使用3種方法：第一，制定具有一定科學(xué)性、合理性的相關(guān)調(diào)控策略，控制光質(zhì)的交替，管理溫度的變化情況。在此基礎(chǔ)上，對(duì)植物進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)光照，在避免植物受損的同時(shí)，要將植物的質(zhì)量、品質(zhì)以及產(chǎn)量提高;第二，采納、收集短期連續(xù)光照應(yīng)用過程中所出現(xiàn)的問題以及相關(guān)有效措施，使水培植物質(zhì)量不高的問題得到一定的改善，提升植物的品質(zhì)、質(zhì)量以及產(chǎn)量;第三，選擇植物生產(chǎn)發(fā)育過程中的一個(gè)時(shí)間段對(duì)植物進(jìn)行6～9天的連續(xù)光照，以此減少對(duì)植物的損害，將植物的產(chǎn)量、質(zhì)量以及品質(zhì)進(jìn)一步提升[3]。

在人工光植物工廠中，不管是長(zhǎng)期連續(xù)光照或是短期連續(xù)光照均有一定的應(yīng)用價(jià)值。在人工光植物工廠中，實(shí)踐應(yīng)用連續(xù)光照，能夠在降低植物暗期進(jìn)行呼吸作用所產(chǎn)生能耗的同時(shí)，將植物的光合作用時(shí)間延長(zhǎng)，將植物體內(nèi)積累的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量提高，豐富植物工廠光照的實(shí)踐以及理論知識(shí)。

3 ? ?交替光照模式

交替光照模式具體指的是在植物生長(zhǎng)發(fā)育的過程中，LED光源的光質(zhì)以及光質(zhì)的數(shù)量屬性能夠有規(guī)律地變化的光照模式，向植物提供的光以及光質(zhì)會(huì)存在一些具有規(guī)律性的時(shí)空變化，使植物的品質(zhì)、產(chǎn)量以及質(zhì)量均能得到一定程度的提高。交替光照可以分成兩種，一種是疊加交替光照，另一種是完全交替光照。具體指的是在同一個(gè)持續(xù)性的光照時(shí)間段里，兩種或者兩種以上的光質(zhì)在具有一定規(guī)律的時(shí)間段中疊加出現(xiàn)或者交替出現(xiàn)的一種循環(huán)照明模式。進(jìn)行交替光照的前提條件是必須使用具有一個(gè)單獨(dú)光質(zhì)的LED光源以及一個(gè)自動(dòng)化的智能控制系統(tǒng)。因此，交替光照模式只在能對(duì)環(huán)境進(jìn)行智能控制的人工光植物工廠中存在[4]。由于交替光照具有不同程度的光照強(qiáng)度，且交替的頻率以及光質(zhì)的種類均不同，交替光照的光照方案具有一定的多樣性，能夠?qū)χ参锏钠焚|(zhì)、生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量、質(zhì)量等造成一定的影響。

有相關(guān)研究報(bào)道顯示，交替光照模式中存在技術(shù)參數(shù)的最優(yōu)值，這個(gè)最優(yōu)值能夠?qū)⒅参锏钠焚|(zhì)、質(zhì)量以及產(chǎn)量提升。有相關(guān)研究人員對(duì)生菜的形態(tài)以及生長(zhǎng)發(fā)育在LED藍(lán)光及紅光組合的光照條件下的影響進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，光周期是一天14 h，藍(lán)光及紅光的光強(qiáng)是80 μmol/（m2·s），紅光開始進(jìn)行照射的時(shí)間可以和啟動(dòng)藍(lán)光的時(shí)間一樣，或者是延后1、4或7 h。研究結(jié)果顯示，紅光開始照射的時(shí)間比藍(lán)光延后幾個(gè)小時(shí)的效果，明顯比紅光以及藍(lán)光同時(shí)進(jìn)行照射要好[5]。由此可知，使用變換紅光藍(lán)光照射時(shí)間段的方法能夠?qū)⒅参锏漠a(chǎn)量以及品質(zhì)提升。

4 ? ?間歇光照模式

間歇光照模式具體指的是在人工光的照射下，能夠?qū)Σ煌瑫円构?jié)律進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)，可以在同個(gè)晝夜節(jié)律下設(shè)置兩個(gè)及以上的明期暗期循環(huán)交替的光照模式。與自然光相比，人工光間歇光照的復(fù)雜程度更高，自然光在24 h的晝夜節(jié)律里只有一個(gè)明期暗期循環(huán)交替。然而，間歇光照的時(shí)間則可以設(shè)置在h或者是min的尺度上[6]，明期暗期的循環(huán)交替在兩次及以上。如果間歇的時(shí)長(zhǎng)低至μs或者是ms級(jí)，間歇光照將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂休^高頻率的脈沖光。

相關(guān)研究報(bào)道顯示，間歇光照處理不僅能夠?qū)χ参锏纳L(zhǎng)發(fā)育發(fā)揮良好的作用，還能提高植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量。

5 ? ?LED植物工廠光照方案的構(gòu)建

LED光源能夠在一定程度上豐富植物工廠的環(huán)境調(diào)控模式以及內(nèi)涵。間歇光照、連續(xù)光照以及交替光照這 ? 3種特殊光照模式的建立基礎(chǔ)就是LED光源自身所具有的光電特性[7]。因此，這3種光照模式在人工光植物工廠中具有一定的應(yīng)用潛力以及前景，同時(shí)，也能夠在不改變電能投入的基礎(chǔ)上，將光能的使用率以及利用率大幅度提高，使植物的品質(zhì)、質(zhì)量以及產(chǎn)量均得到有效提升。除此之外，可以在植物工廠對(duì)光環(huán)境的管理中應(yīng)用這3種光照模式，將系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)最大限度地發(fā)揮出來，使植物的生產(chǎn)能力得到有效提高[8]，繼而將植物工廠的整體生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量大幅度提升，使人工光植物工廠的相關(guān)照明技術(shù)得到大力發(fā)展。

6 ? ?結(jié)語

在植物工廠中應(yīng)用LED光源，將會(huì)使植物工廠對(duì)光環(huán)境的智能調(diào)控能力增強(qiáng)，使植物工廠能夠?qū)猸h(huán)境的光照時(shí)長(zhǎng)、光強(qiáng)以及光質(zhì)進(jìn)行智能管理調(diào)節(jié)以及控制，繼而在植物工廠中應(yīng)用交替光照、連續(xù)光照以及間歇光照3種特殊的光照模式。在制定植物工廠光照方案的過程中，相關(guān)工作人員應(yīng)根據(jù)工廠中不同種類以及不同品種植物的特性來對(duì)相應(yīng)的光照模式進(jìn)行科學(xué)、合理的構(gòu)建，在一定程度上將植物工廠的植物生產(chǎn)能力、生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)效率提升。但是，由于一些因素以及條件的限制，現(xiàn)階段只是對(duì)在植物工廠中應(yīng)用基于LED光源的3種特殊光照模式的可行性以及有效性進(jìn)行分析研究，在綜合效益以及能耗方面的研究比較薄弱。所以，相關(guān)工作人員應(yīng)積極對(duì)各種植物工廠中不同光照條件下的植物能耗以及生理反應(yīng)進(jìn)行研究分析，制定出光照集成機(jī)制，提高植物工廠的生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，推動(dòng)人工光植物工廠的發(fā)展。

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