<p>溫室園藝 2018-03 30 DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.07.005引言 &nbsp;植物工廠將現(xiàn)代工業(yè)、生物科技、營(yíng)養(yǎng)液栽 培和信息技術(shù)等相結(jié)合，對(duì)設(shè)施內(nèi)環(huán)境因子實(shí)施 高精度控制，具有全封閉、對(duì)周圍環(huán)境要求低， 縮短植物收獲期，節(jié)水節(jié)肥、無(wú)農(nóng)藥生產(chǎn)、不向 外排放廢物等優(yōu)點(diǎn) 1 ，單位土地利用效率是露地 生產(chǎn)的 40108 倍，其中智能化人工光源及其光 環(huán)境調(diào)控對(duì)其生產(chǎn)效率起到?jīng)Q定性作用 2 。 光作為重要的物理環(huán)境因子，對(duì)植物的生長(zhǎng) 發(fā)育和物質(zhì)代謝均起到關(guān)鍵的調(diào)控作用?！爸参?工廠的主要特征之一就是全人工光源并實(shí)現(xiàn)光環(huán) 境的智能調(diào)控”已經(jīng)成為業(yè)界的普遍共識(shí) 3 。植物對(duì)光照的需求 &nbsp;植物的生命活動(dòng)離不開光照，光是植物光合 作用的唯一能量來源 ，光照強(qiáng)度 、光質(zhì) （光譜） 及光的周期性變化對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育具有深刻影 響， 其中以光照強(qiáng)度對(duì)植物的光合作用影響最大 4 。 光照強(qiáng)度 光照的強(qiáng)弱能改變作物的形態(tài)，如開花、節(jié) 間長(zhǎng)短、莖的粗細(xì)及葉片的大小與薄厚。植物對(duì) 光照強(qiáng)度的要求可分為喜光型、喜中光型、耐弱 光型植物。蔬菜多數(shù)屬于喜光型植物，其光補(bǔ)償 點(diǎn)和光飽和點(diǎn)均比較高，在人工光植物工廠中作 物對(duì)光照強(qiáng)度的相關(guān)要求是選擇人工光源的重要 依據(jù)， 了解不同植物的光照需求對(duì)設(shè)計(jì)人工光源、 提高系統(tǒng)的生產(chǎn)性能都極為必要。 光質(zhì) 光質(zhì) （光譜）分布對(duì)植物光合作用和形態(tài) 建成同樣具有重要影響（圖 1 ）。光是輻射的一 部分 ，而輻射是一種電磁波 。電磁波具有波的 特性與量子 （粒子）特性 。光的量子稱為光子 （photon） ，在園藝領(lǐng)域亦稱為光量子 。波長(zhǎng) 范圍為 300800 nm 的輻射稱為植物的生理有效 輻 射（physiologically active radiation）； 而 植物工廠補(bǔ)光照明方法現(xiàn)狀與趨勢(shì)趙 &nbsp;靜，周增產(chǎn)，卜云龍，蘭立波，姚 &nbsp;濤，李秀剛 &nbsp;( 北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京市植物工廠工程技術(shù)研究中心，北京 100094) 【摘要】 植物工廠的主要特征之一就是利用全人工光源實(shí)現(xiàn)光環(huán)境的智能控制?；?植物生長(zhǎng)發(fā)育合理需求的電光源產(chǎn)品及其智能光控設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用是今后植物工廠及 栽培方法革新的核心內(nèi)容。本文闡述了植物工廠中常見的補(bǔ)光照明方法的特性與優(yōu)點(diǎn)， 介紹了典型作物補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并對(duì) LED 光源在植物工廠中的應(yīng)用發(fā)展前景進(jìn) 行趨勢(shì)分析。 圖 1 &nbsp;與植物生長(zhǎng)相關(guān)的輻射分類 /nm 可見光 800 紅外幅射 360 280 315 400 500 600 700 780 波長(zhǎng) 名稱 光合有效輻射 遠(yuǎn)紫外 (UV-B) 近紫外 (UV-A) 近紅外 遠(yuǎn)紅外 遠(yuǎn)紅 藍(lán) 綠 紅 植物生理有效輻射 溫室園藝 2018-03 31 可分為長(zhǎng)日照作物，如白菜等，在其生育的某一 階段需要 1214 h 以上的光照時(shí)數(shù) ； 短日照作物， 如洋蔥、 大豆等， 需要 1214 h 以下的光照時(shí)數(shù) ； 中日照作物，如黃瓜、番茄、辣椒等，在較長(zhǎng)或 者較短的日照下，都能開花結(jié)實(shí)。 環(huán)境三要素中，光照強(qiáng)度是選擇人工光源的 重要依據(jù)，目前對(duì)光照強(qiáng)度有多種表述方法，主 要包括如下 3 種。 （1 ）光照度（Illumination）是指受照平面 上接受的光通量面密度（單位面積的光通量）， 單位：勒克斯（lx）。 （2 ） 光合有效輻射照度 PAR ，單位 ：W/m 2 。 （3）光合有效光量子流密度 PPFD 或 PPF 即單位時(shí)間、單位面積上到達(dá)或通過的光合有效 輻射的光量子數(shù)，單位： mol/(m 2 ·s)。主要指與 光合作用直接有關(guān)的 400700 nm 的光照強(qiáng)度。 也是植物生產(chǎn)領(lǐng)域最常用的光照強(qiáng)度指標(biāo)。典型補(bǔ)光系統(tǒng)的光源分析 &nbsp;人工補(bǔ)光是通過安裝補(bǔ)光系統(tǒng)，提高目標(biāo)區(qū) 域內(nèi)的光照強(qiáng)度或延長(zhǎng)光照時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)植物對(duì) 光的需求 。一般來說 ，補(bǔ)光系統(tǒng)包括補(bǔ)光設(shè)備 、 電路及其控制系統(tǒng) 。補(bǔ)光光源主要包括白熾燈 、 熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈及 LED 等幾種 常用類型 。由于白熾燈電光效率低 ，光合能效低 等缺點(diǎn)， 已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰了， 故本文不做詳細(xì)分析。 圖 2 &nbsp;各光合色素的光譜吸收?qǐng)D示 波長(zhǎng)范圍 400700 nm 的輻射稱為植物的光合有 效輻射 （ photosynthetically active radiation， PAR ）。 植物光合作用最重要的 2 種色素是葉綠素 （Chlorophyll）和胡蘿卜素 （ Carotenes）。 圖 2 為各光合色素的光譜吸收?qǐng)D譜，其中葉綠素 吸收光譜集中在紅藍(lán)波段，照明補(bǔ)光系統(tǒng)是根據(jù) 作物的光譜需求進(jìn)行人工補(bǔ)光，以促進(jìn)植物的光 合作用。 光周期 植物的光合作用和光形態(tài)建成與日長(zhǎng)（或光 期時(shí)間）之間的相互關(guān)系稱為植物的光周性。光 周性與光照時(shí)數(shù)密切相關(guān)，光照時(shí)數(shù)是指作物被 光照射的時(shí)間。不同的作物，完成光周期需要一 定的光照時(shí)數(shù)才能開花結(jié)實(shí)。 按照光周期的不同， 圖 3 &nbsp;熒光燈下作物生長(zhǎng)圖 吸收率 /% 葉綠素 b 葉綠素 b 葉綠素 a 葉綠素 a 類胡蘿卜素 波長(zhǎng) /nm 80 60 400 500 600 700 40 20 溫室園藝 2018-03 32 熒光燈 &nbsp;屬于低壓氣體放電燈的類型。玻璃 管內(nèi)充有水銀蒸汽或惰性氣體，管內(nèi)壁涂有熒光 粉，光色隨管內(nèi)所涂熒光材料的不同而異。熒光 燈光譜性能好，發(fā)光效率較高，功率較小，與白 熾燈相比壽命較長(zhǎng)（12000 h），成本相對(duì)較低。 因熒光燈自身發(fā)熱量較小，可以貼近植物進(jìn)行照 明， 適用于立體栽培， 但熒光燈光譜布局不合理， 國(guó)際上比較常用的方法是增設(shè)反光罩，盡量增加 栽培區(qū)作物的有效光源成分 5 。日本 adv-agri 公 司還開發(fā)了新型補(bǔ)光光源 HEFL，HEFL 實(shí)際上屬 于熒光燈范疇，是冷陰極熒光燈（CCFL）及外部 電極熒光燈（EEFL）的總稱，是一種混合電極熒 光燈。HEFL 燈管極細(xì)，直徑僅 4 mm 左右，長(zhǎng)度 按照栽培需要可從 450 mm 調(diào)節(jié)到 1200 mm，算 是常規(guī)熒光燈的改進(jìn)版。 金屬鹵化物燈 &nbsp;在高壓水銀燈的基礎(chǔ)上，通 過在放電管內(nèi)添加各種金屬鹵化物（溴化錫、碘 化鈉等）而形成的可激發(fā)不同元素產(chǎn)生不同波長(zhǎng) 的一種高強(qiáng)度放電燈 5 。鹵化燈發(fā)光效率較高、 功率大、光色好、壽命較高、光譜大。但由于發(fā) 光效率低于高壓鈉燈，壽命也比高壓鈉燈短，目 前僅在少數(shù)植物工廠使用。 高壓鈉燈 &nbsp;屬于高壓氣體放電燈類型。高壓 鈉燈是在放電管內(nèi)充高壓鈉蒸汽，并添加少量氙 （Xe）和汞燈金屬的鹵化物的一種高效燈 5 。由 于高壓鈉燈具有較高的電光轉(zhuǎn)換效率同時(shí)兼顧較 低制造成本，所以目前農(nóng)業(yè)設(shè)施補(bǔ)光應(yīng)用中高壓 鈉燈是最廣泛的，但由于其光譜存在光合效率低 的缺點(diǎn)，造成能效較低的短板。另一方面高壓鈉 燈所發(fā)出的光譜成分主要集中在黃橙光波段，缺 少植物生長(zhǎng)必須的紅色和藍(lán)色光譜。 發(fā)光二極管（LED） &nbsp;作為新一代光源，具有 更高的電光轉(zhuǎn)換效率 ，光譜可調(diào) 、光合效率高等 諸多優(yōu)點(diǎn)。LED 能夠發(fā)出植物生長(zhǎng)所需要的單色 圖 4 &nbsp;高壓鈉燈（左）與鹵素?zé)簦ㄓ遥┫旅倒迳L(zhǎng)圖 圖 5 &nbsp;高壓鈉燈霧培葉菜生長(zhǎng)圖 圖 6 &nbsp;LED 補(bǔ)光燈下作物生長(zhǎng)圖 a. 太陽(yáng)光型植物工廠 b. 人工光型植物工廠 溫室園藝 2018-03 33 光， 與普通熒光燈等補(bǔ)光光源相比， LED 具有節(jié)能、 環(huán)保 、壽命長(zhǎng) 、單色光 、冷光源等優(yōu)點(diǎn) 5 。隨著 LED 的電光效率進(jìn)一步提升，規(guī)模效應(yīng)產(chǎn)生的成 本下降，LED 將成為農(nóng)業(yè)設(shè)施補(bǔ)光的主流設(shè)備。 通過比較， 可清晰了解不同補(bǔ)光光源的特性， 如表 1 所示 5 。移動(dòng)式補(bǔ)光裝置 &nbsp;光照強(qiáng)弱與作物的生長(zhǎng)密切相關(guān)，植物工廠 中多采用立體栽培，但受栽培架結(jié)構(gòu)所限，層架 間的光照、溫度分布不均，這樣會(huì)影響作物的產(chǎn) 量，收獲期也不同步。北京京鵬環(huán)球科技股份有 限公司在 2010 年已成功開發(fā)手動(dòng)升降補(bǔ)光裝置， 其原理是通過搖動(dòng)搖柄轉(zhuǎn)動(dòng)小型卷膜器帶動(dòng)傳動(dòng) 軸及固定在其上面的繞線器轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)收放鋼絲 繩的目的，吊掛補(bǔ)光燈鋼絲繩通過多組換向輪與 升降器的繞線輪連接，從而達(dá)到調(diào)整補(bǔ)光燈高低 的效果 6 。2017 年京鵬公司設(shè)計(jì)開發(fā)了新型移動(dòng) 式補(bǔ)光裝置，該裝置可以根據(jù)作物生長(zhǎng)需求實(shí)時(shí) 自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)光高度。該調(diào)節(jié)裝置現(xiàn)安裝在 3 層式 光源升降式立體栽培架上，裝置頂層為光照情況 最好的層級(jí)，所以配置高壓鈉燈；中間層及底層 配置可升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)，安裝 LED 燈具，可根據(jù) 光傳感器的檢測(cè)信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)光燈高度，為 作物提供合適的光照環(huán)境 7 。 相對(duì)于為立體栽培量身訂制的移動(dòng)式補(bǔ)光裝 置 ，荷蘭開發(fā)了一種可水平移動(dòng)的補(bǔ)光燈裝置 。 為了免于陽(yáng)光下補(bǔ)光燈的陰影對(duì)植物生長(zhǎng)的影響， 可將補(bǔ)光燈沿水平方向通過伸縮式滑道推向支架 兩邊 ，讓陽(yáng)光全面照射到植物上 ；沒有太陽(yáng)光的 陰雨天 ，可將補(bǔ)光燈推向支架中間 ，使補(bǔ)光燈的 光照均勻地給植物補(bǔ)光 ；通過支架上的滑道水平 方向移動(dòng)補(bǔ)光燈 ，避免了頻繁地拆裝和搬動(dòng)補(bǔ)光 燈， 降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度， 有效提高了工作效率。典型作物補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 &nbsp;從移動(dòng)式補(bǔ)光裝置的設(shè)計(jì)不難看出，植物工 廠補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常以不同作物生育期的光照 強(qiáng)度、光質(zhì)和光周期參數(shù)以及末端調(diào)控特殊手段 圖 7 &nbsp;京鵬自動(dòng)升降補(bǔ)光裝置 表 1 &nbsp;各類人工光源的特性指標(biāo)比較 人工光源 功率 /W 發(fā)光效率 /（lm/W） 可見光比 /% 使用壽命 /h 熒光燈 45 100 34 12000 金屬鹵化物燈 400 110 30 6000 高壓鈉燈 360 125 32 12000 LED 燈 0.04 20 90 50000 圖 8 &nbsp;荷蘭水平移動(dòng)補(bǔ)光裝置 溫室園藝 2018-03 34 最為設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，依賴智能控制系統(tǒng)來執(zhí)行 實(shí) 施，達(dá)到節(jié)能高產(chǎn)的終極目標(biāo)。目前，有關(guān)葉菜 的補(bǔ)光設(shè)計(jì)構(gòu)建已逐漸成熟。舉例來說，葉菜可分 為苗期、 生長(zhǎng)中期、 生長(zhǎng)后期和末端處置 4 個(gè)階段 ； 果菜可分為苗期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、開花階段、采收 階段。從補(bǔ)光光照強(qiáng)度屬性來說，苗期光照強(qiáng)度 應(yīng)略低， 在 60200 mol/(m 2 ·s)， 隨后逐漸增大。 葉菜最高可至 100200 mol/(m 2 ·s)，果菜可達(dá) 300500 mol/(m 2 ·s)，以保障各生育期植物光合 作用對(duì)光照強(qiáng)度的要求，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的需要；對(duì)光 質(zhì)而言，紅藍(lán)比例至關(guān)重要。苗期為了增加苗質(zhì) 量，防止徒長(zhǎng)，一般把紅藍(lán)比例設(shè)置在較低水平 (12):1，隨后逐漸降低，以滿足植物光形態(tài)建 成的需求，可將葉菜紅藍(lán)光比設(shè)置 (36):1 8 。對(duì) 光周期而言，與光照強(qiáng)度類似，應(yīng)呈現(xiàn)隨生育期 延長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)，以使得葉菜有更多地光合時(shí) 間進(jìn)行光合作用。果菜的補(bǔ)光設(shè)計(jì)會(huì)更加復(fù)雜， 除上述基本規(guī)律外，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注開花期的光周期 設(shè)置， 必須促進(jìn)蔬菜的開花結(jié)果， 以免適得其反。 值得提出的是，光配方應(yīng)包括末端處置光環(huán)境設(shè) 置內(nèi)容，比如通過連續(xù)補(bǔ)光可大幅提高水培葉菜 苗菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，或者通過 UV 處理可顯著提 高芽菜和葉菜（尤其是紫葉和紅葉生菜）的營(yíng)養(yǎng) 品質(zhì)。 除了對(duì)特選作物進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)光外 ，一些人 工光型植物工廠的光源控制系統(tǒng)近年來也發(fā)展迅 速 ，這種控制系統(tǒng)一般是基于 B/S 架構(gòu) ，通過 WIFI 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控對(duì)作物生育過程的溫度、濕 度、光照、CO 2 濃度等環(huán)境因素進(jìn)行自動(dòng)控制， 不受外界條件制約的生產(chǎn)方式。這種智能補(bǔ)光系 統(tǒng)，采用 LVD 無(wú)極燈作為補(bǔ)光光源，結(jié)合遠(yuǎn)程 智能控制系統(tǒng)，能夠滿足植物波長(zhǎng)光照需求，特 別適合應(yīng)用于光控植物設(shè)施栽培環(huán)境，可以很好 地滿足市場(chǎng)需求 9 。結(jié)束語(yǔ) &nbsp;植物工廠被認(rèn)為是 21 世紀(jì)解決世界資源、 人口和環(huán)境問題的重要途徑，是未來高科技工程 中實(shí)現(xiàn)食物自給的重要方式 3 。作為新型的農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)方式，植物工廠還處于學(xué)習(xí)與成長(zhǎng)階段，需 要投入更多的關(guān)注與研究。本文闡述了植物工廠 中常見的補(bǔ)光照明方法的特性與優(yōu)點(diǎn)，介紹了典 型作物補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路， 通過比較不難發(fā)現(xiàn)， 為應(yīng)對(duì)連陰天、霧霾等惡劣天氣導(dǎo)致的弱光寡照 逆境，同時(shí)保障設(shè)施作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，LED 光源裝 備最為符合當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)。未來植物工廠的發(fā)展 方向應(yīng)側(cè)重新型高精度、低成本傳感器和遠(yuǎn)程可 控的、可調(diào)光譜的補(bǔ)光照明裝置系統(tǒng)及專家化控 制系統(tǒng)。同時(shí)，未來植物工廠將向低成本化、智 能化、自適應(yīng)化不斷發(fā)展。LED 光源的使用和普 及為植物工廠高精度環(huán)境控制提供保障，LED 光 環(huán)境調(diào)控是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及光質(zhì)、光照強(qiáng) 度、光周期等綜調(diào)控，有待相關(guān)專家學(xué)者對(duì)人工 光植物工廠 LED 補(bǔ)光照明進(jìn)行深入研究與使用 推廣。 參考文獻(xiàn) 1 徐圓圓 , 覃儀 , 呂蔓芳 , 等 .LED 光源在植物工廠中的應(yīng)用 J. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 ,2016(06):161-162. 2 鄭盛華 , 覃志豪 , 王志丹 . 我國(guó)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵 技術(shù) J. 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì) ,2015(04):62-63. 3 周小麗 , 劉木清 . 植物工廠中的關(guān)鍵技術(shù) J . 中國(guó)照明電 器 ,2016(12):1-4. 4 種培芳 , 陳年來 . 光照強(qiáng)度對(duì)園藝植物光合作用影響的研究進(jìn) 展 J. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ,2008(05):104-109. 5 楊其長(zhǎng) , 魏玲玲 , 劉文科 , 等 . 植物工廠系統(tǒng)與實(shí)踐 M. 北京 : 化學(xué)工業(yè)出版社 ,2012:35-48. 6 龍智強(qiáng) , 周增產(chǎn) , 卜云龍 , 等 . 植物工廠人工環(huán)境控制栽培室 的設(shè)計(jì)研究 J. 北方園藝 ,2010(15):85-88. 7 趙靜 , 周增產(chǎn) , 卜云龍 , 等 . 植物工廠自動(dòng)立體栽培系統(tǒng)的研 究開發(fā) J. 農(nóng)業(yè)工程 ,2018(1):18-21. 8 劉文科 , 劉義飛 . 設(shè)施園藝 LED 光源設(shè)計(jì)與應(yīng)用策略探討 J. 中國(guó)照明電器 ,2017(11):24-27. 9 李文鵬 , 沈振華 , 李維德 . 植物工廠的智能補(bǔ)光系統(tǒng)的探討 J. 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