植物工廠LED光源與光環(huán)境智能控制策略

劉文科，楊其長(zhǎng)

(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，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

引言

植物工廠是一種通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效設(shè)施農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是由計(jì)算機(jī)對(duì)作物生育過程中的溫度、濕度、光照、CO2濃度、氣流以及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動(dòng)控制，不受或很少受自然條件制約的全新生產(chǎn)方式[1]。植物工廠已被國(guó)際公認(rèn)為是設(shè)施農(nóng)業(yè)的最高級(jí)發(fā)展階段，是未來設(shè)施園藝發(fā)展的必然趨勢(shì)，是衡量一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)高技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。與露地農(nóng)田系統(tǒng)相比，植物工廠生產(chǎn)系統(tǒng)具有更高的可控性和穩(wěn)定性，在解決世界資源、環(huán)境與糧食安全問題，應(yīng)對(duì)氣候變化和極端天氣災(zāi)害方面具有重要價(jià)值。植物工廠按光照來源可分為人工光植物工廠和太陽(yáng)光植物工廠兩種。但國(guó)際上狹義的植物工廠是指人工光植物工廠。

人工光植物工廠的內(nèi)在本質(zhì)技術(shù)特征包括四點(diǎn)：(1)植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的環(huán)境因子智能可控，如溫度、濕度、CO2濃度、光照、氣流等；(2)植物栽培采用無土立體多層栽培模式，一般采用DFT、NFT、霧培及半水培方式進(jìn)行水肥一體化供給與控制；(3)電光源人工光照技術(shù)，通過電光源為植物提供光合作用能量和光環(huán)境信號(hào)；(4)維護(hù)建筑結(jié)構(gòu)為全封閉式、密閉性強(qiáng)、不透光、隔熱性好。生產(chǎn)要素的智能控制是植物工廠最為本質(zhì)的特征，它以第四點(diǎn)為前提條件，涵蓋了上述前三點(diǎn)的本質(zhì)技術(shù)特征。當(dāng)然，植物工廠技術(shù)的發(fā)展不是短期形成的，它是工業(yè)技術(shù)和農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展共同作用的結(jié)果。歸納而言，植物工廠發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)包括以下三點(diǎn)：(1)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)說的提出及化肥工業(yè)的發(fā)展孕育產(chǎn)生的立體無土栽培技術(shù)；(2)計(jì)算機(jī)與傳感器技術(shù)的發(fā)展使環(huán)境因子與養(yǎng)分監(jiān)測(cè)控制成為現(xiàn)實(shí)；(3)半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了人工光照技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)展了光環(huán)境控制的內(nèi)涵。當(dāng)前，植物工廠所有環(huán)境因素都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)、儲(chǔ)存分析和智能控制，發(fā)展智能型植物工廠的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

1 植物工廠光環(huán)境智能控制的必要性

智能型植物工廠生產(chǎn)運(yùn)行不僅要求環(huán)境因子控制、水肥供給與調(diào)配控制的自動(dòng)化，也需要在育苗、移栽、采收等生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，減少人為活動(dòng)對(duì)生產(chǎn)空間的干擾與污染。植物工廠運(yùn)行及生產(chǎn)的智能化管理與控制都需要消耗電能。人工光植物工廠的能耗構(gòu)成包括光源、空調(diào)、泵動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)控制系統(tǒng)等。就人工光植物工廠而言，能耗最大的是光照系統(tǒng)，占總能耗的60%以上；其次是空調(diào)系統(tǒng)，占總能耗的30%以上，其余管控系統(tǒng)消耗能源相對(duì)較少。目前，運(yùn)行能耗成本已成為植物工廠運(yùn)行成本的構(gòu)成主體，是植物工廠運(yùn)行成本居高不下的重要原因。因此，減少光照系統(tǒng)的能耗，已成為植物工廠節(jié)能增效的主要途徑。

LED光源是熒光燈等傳統(tǒng)植物工廠光源的理想替代品，節(jié)能效果明顯[2-3]。更為重要的是，LED照明技術(shù)的發(fā)展為植物工廠光源節(jié)能和環(huán)境智能控制提供了硬件條件，其最大節(jié)能潛力就是實(shí)現(xiàn)了光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期的智能化控制。同時(shí)，光照作為調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育與產(chǎn)量品質(zhì)形成的有效環(huán)境因子，光環(huán)境調(diào)控對(duì)提高人工光植物工廠生產(chǎn)效益至關(guān)重要。目前，植物工廠存在LED光源能耗高、光能利用率低、光環(huán)境精準(zhǔn)控制技術(shù)缺乏等突出問題，開展植物工廠主要園藝作物光環(huán)境優(yōu)化參數(shù)與控制模式研究是削減LED照明系統(tǒng)能耗，提高生產(chǎn)效率的必由之路。

2 植物工廠光環(huán)境智能控制策略

植物工廠光環(huán)境控制是通過LED光源、傳感器、計(jì)算機(jī)組成的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，其目標(biāo)有兩個(gè)：節(jié)能和植物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。植物產(chǎn)量品質(zhì)響應(yīng)是植物工廠環(huán)境控制調(diào)控的目標(biāo)核心，而植物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的光環(huán)境參數(shù)是植物工廠光照技術(shù)的依據(jù)，也是光環(huán)境智能控制的生物學(xué)基礎(chǔ)。因此，基于LED照明技術(shù)，植物工廠光照節(jié)能增效的主要方法就是基于植物的光環(huán)境需求特性及時(shí)空特征，建立針對(duì)性的光照配方(Lighting recipe，LR)和光環(huán)境控制策略(Light environment control strategy, LECS)[4]，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)管控，這樣既能最大程度地提高植物的生產(chǎn)力，也能使光照有的放矢，避免盲目性無效光照造成的能源浪費(fèi)。提高植物工廠生產(chǎn)力是增加植物工廠生產(chǎn)效益的主要途徑。LR是指以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標(biāo)，人工光植物工廠內(nèi)所栽培特定植物種類及品種生長(zhǎng)發(fā)育各階段所必需的光質(zhì)組成及其數(shù)量屬性的參數(shù)集合。LECS是指以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目標(biāo)，以人工光植物工廠內(nèi)所栽培特定植物種類及品種生長(zhǎng)發(fā)育各階段LR為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)直接控制和切換光環(huán)境參數(shù)的方法。LR所含的光質(zhì)種類包括可見光、UV和遠(yuǎn)紅光，其中紅光和藍(lán)光是植物所需的大量光質(zhì)，其他可見光為植物所需要的微量光質(zhì)，而UV和遠(yuǎn)紅光為植物所需要的有益光質(zhì)。LR的核心是光質(zhì)組成及其數(shù)量屬性，三類光質(zhì)合理特定的組合搭配構(gòu)成了一個(gè)LR。

光環(huán)境調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育是通過改變光質(zhì)質(zhì)量屬性以及光強(qiáng)和光周期數(shù)量屬性，調(diào)節(jié)光合色素、光受體作用來影響碳氮代謝實(shí)現(xiàn)的[5-6]，其調(diào)控機(jī)制見圖1。不同的植物種類甚至品種對(duì)光環(huán)境的要求都存在一定差別，因此需要系統(tǒng)研究建立植物L(fēng)R和LECS。植物工廠特定植物L(fēng)R的確定要以植物生長(zhǎng)發(fā)育階段為中心，以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目的，通過研究確定不同階段植物所需要的最佳光環(huán)境參數(shù)來獲得。LR是光源和光環(huán)境智能控制的基礎(chǔ)，建立LR及LR庫(kù)是植物工廠節(jié)能高效生產(chǎn)的前提。以LR為基礎(chǔ)，研制LED光源，建立LR時(shí)空轉(zhuǎn)換控制策略和時(shí)間節(jié)點(diǎn)，即光環(huán)境控制策略(LECS)，以協(xié)調(diào)光質(zhì)、光強(qiáng)和光周期的轉(zhuǎn)換，是實(shí)現(xiàn)植物工廠優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提(見圖2)。LECS的實(shí)施需要LED光源、燈具以及控制系統(tǒng)軟硬件條件來支撐。LED照明技術(shù)實(shí)現(xiàn)了植物工廠光環(huán)境的智能管控，解決了植物工廠環(huán)境因子控制的最后一關(guān)。光照的智能化管控標(biāo)志著智能化植物工廠及其智能化生產(chǎn)成為了現(xiàn)實(shí)。

圖1 LED照明調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)代謝的機(jī)制Fig.1 Mechanisms of LED lighting to mediate plant metabolisms for high productivity

圖2 植物工廠節(jié)能及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)光環(huán)境控制策略的建立Fig.2 LECS for high plant productivity under artificial lighting plant factor

3 結(jié)束語(yǔ)

光照及光環(huán)境的智能化控制是人工光植物工廠最后實(shí)現(xiàn)的一個(gè)環(huán)境因子，具有里程碑式的意義。LR及LECS的建立不僅可為光源的節(jié)能提供技術(shù)參數(shù)，更為植物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供了光環(huán)境調(diào)控手段。LR及LECS技術(shù)的建立為人工光植物工廠的可持續(xù)發(fā)展提供了新的技術(shù)支撐，也是實(shí)現(xiàn)植物工廠節(jié)能高效生產(chǎn)的重要技術(shù)支撐，同時(shí)，結(jié)合LED光源空間管理技術(shù)，如垂直與水平光源移動(dòng)技術(shù)以及燈具上表面、下照射表面及側(cè)面的光反射技術(shù)，可有效提高植物工廠的光能利用效率。這兩種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合將大幅提高植物工廠光照的利用效率。

[1] 楊其長(zhǎng)，魏靈玲，劉文科. 植物工廠系統(tǒng)與實(shí)踐[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2] 劉文科，楊其長(zhǎng)，魏靈玲. LED光源及其設(shè)施園藝應(yīng)用[J]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[3] 劉文科，楊其長(zhǎng). LED光質(zhì)生物學(xué)與植物工廠的發(fā)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào)，2014，32(10)：25-28.

[4] Liu W K. Light environmental management for artificial protected horticulture[J]. Agrotechnology, 2012, 1:101.

[5] Stutte G W. Light-emitting diodes for manipulating the phytochrome apparatus[J]. HortScience, 2009, 44(2): 231-234.

[6] McCree K J. The action spectra absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants[J]. Agricultural Meteorology, 1972, 9:191-196.