基于LED光源優(yōu)勢的植物工廠光照策略探討

劉文科 查凌雁 邵明杰

|摘要| LED是半導體固態(tài)電光源，具有節(jié)能、光效高、壽命長、響應快、環(huán)保、體積小和堅固耐用等眾多傳統(tǒng)光源無法比擬的光電優(yōu)勢，更兼具按需調制光譜、智能控制和冷光源等在植物工廠應用中的獨特優(yōu)勢，被譽為人工光植物工廠的理想光源。LED光源所提供的光環(huán)境（光質和光強及其持續(xù)時長）及其時間轉換智能可控的特性賦予了LED在植物工廠中應用的誘人潛力和廣闊前景。因此，LED光源植物工廠具備調控智慧生產光環(huán)境的能力，通?？梢栽诩{米波長光質、PPFD基本單位光強和分鐘尺度時長等方面對光環(huán)境進行管控，也可實現(xiàn)內涵豐富的連續(xù)光照、間歇光照和交替光照等特殊光照模式及其集成應用。對植物工廠光照策略的制定，應針對各種植物種類及品種構建出集成了多種光照模式的光照策略，實現(xiàn)提高植物生產力和植物工廠生產效率的光調控目標。因此，應加強對各種光照模式植物生理效應和能耗的研究和評價，篩選出基于植物種類或品種的適宜集成機制，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施園藝發(fā)展的必然趨勢和高級階段，是一種顛覆性的土地利用方式和農作方式，可以通過替代或補充傳統(tǒng)設施園藝生產方式實現(xiàn)我國設施園藝科技和產業(yè)的跨越式發(fā)展，并解決當前我國設施園藝以簡易設施（日光溫室和塑料大棚）、土壤栽培和設施內被動式環(huán)控為特征的生產方式中的諸多的資源、環(huán)境和生產效率問題，也是實現(xiàn)21世紀農業(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鍵環(huán)境因子，光照通過光合作用提供能量和環(huán)境信號調控植物的生長發(fā)育和產量品質[2]。光照不僅有光強、光周期和照射時長等數(shù)量屬性，也有光譜能量分布（光質）和晝夜節(jié)律等質量屬性，這些屬性都決定著電能投入量。因此，光照調控是提高人工光植物工廠生產效率的重要手段。相對傳統(tǒng)光源（如熒光燈），LED是半導體固態(tài)電光源，具有節(jié)能、光效高、壽命長、響應快、環(huán)保、體積小和堅固耐用等眾多傳統(tǒng)光源無法比擬的光電優(yōu)勢[2]。LED光源被譽為植物工廠應用的優(yōu)選光源，植物工廠也是LED光源設施園藝應用的最佳場所，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)與應用激發(fā)了植物工廠產業(yè)和農業(yè)照明產業(yè)的活力，成為農業(yè)和照明行業(yè)跨界交叉發(fā)展的原動力和產業(yè)增長點，同時也促進了植物光質生理學的學科發(fā)展。

LED光源在植物工廠中應用的優(yōu)勢

除了節(jié)能、光效高、壽命長、響應快、環(huán)保、耐用、體積小等共性應用優(yōu)勢外，LED光源在植物工廠中應用擁有3點優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。首先，LED可按需調制光譜，按需用光。LED可按植物生長發(fā)育需求調制光譜，形成特定的光照配方，實現(xiàn)按需用光，植物光效高。其次，LED光源光環(huán)境可以進行智能控制，實現(xiàn)規(guī)律性動態(tài)光照。從時間角度，LED可精準調控所發(fā)射光的光強、光質和光周期等屬性，實施實時轉換的規(guī)律性動態(tài)光照，適宜工廠化生產，有助于植物工廠智慧生產。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。總之，LED光源所提供的光環(huán)境可塑性和可控性強，光質、光強及其持續(xù)時長等屬性的時間轉換智能可控，凸顯了其在植物工廠中的內涵式應用、誘人潛力和廣闊前景。

LED光源的應用推進了人工光植物工廠光環(huán)境調控及其植物生理響應機制的研究，豐富了植物工廠光照模式和控制策略內涵。在太陽光照射下，露地植物的光照質量和數(shù)量屬性相對恒定，并按照晝夜、季節(jié)、海拔和緯度等因素發(fā)生時空規(guī)律性變異。但是，太陽光照也會受到天氣情況、大氣污染程度、設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固定的動態(tài)光照，無法精準調控。在人工光植物工廠條件下，設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)律性動態(tài)光照，在各種時間尺度精準調控植物生理代謝過程，從而實現(xiàn)優(yōu)質高產高效的目標。

植物工廠LED特有光照模式的內涵及應用效益

在恒定光照的基礎上，建立動態(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，按植物生理或生產目標需要從時間上自動化調控光照模式，繼而集成形成設施植物生產的調控策略，可以實現(xiàn)設施植物生產力的最大化，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納米級光譜進行規(guī)律性連續(xù)光照、超強或極弱光照、單色或復合光照、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、光質、光周期動態(tài)變化規(guī)律。自然光條件下，光照呈現(xiàn)出晝夜交替、光強呈拋物線變化的動態(tài)規(guī)律，而LED光源借助智能控制系統(tǒng)，可以設計不同的光照模式，比較典型的光照模式包括連續(xù)光照、交替光照、間歇光照。實踐中，LED光源可實現(xiàn)在納米波長光質、PPFD基本單位光強和分鐘尺度時長等方面對光環(huán)境的管控。近幾年，連續(xù)光照、交替光照、間歇光照模式對植物生長、產量和營養(yǎng)品質影響的研究多有報道[3-8]，優(yōu)化篩選出諸多對應的高效光質組合及其時間轉換方式（交替、疊加、復合、拆減）、適宜光強參數(shù)及轉換方式（置零、增加和遞減），為這些特殊光照模式的植物工廠應用提供了科學依據(jù)。同時，特殊光照模式的技術化應用需要光環(huán)境智能可調的LED燈和智能控制系統(tǒng)的支撐，相關研制工作正在逐步推進。

連續(xù)光照的概念與應用效益

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]，且光照屬性隨時間可調可控的光照模式。連續(xù)光照具有不中斷、無暗期和屬性特征隨時間可調控3個基本特征。在人工光植物工廠中，利用人工光源可實現(xiàn)光照時間的延長，甚至可進行連續(xù)光照栽培。LED光源在設施園藝中的廣泛應用極大地增加了連續(xù)光照的內涵和應用價值，亟待研究明晰植物連續(xù)光照生理響應生理機制及其調控途徑，構建連續(xù)光照應用模式。利用LED進行連續(xù)光照時，可按生產需求調制光質和光強，從而能更好地研究連續(xù)光照下園藝作物的生理響應機理，其研究結果也能為制定LED光照配方和照明調控策略提供生物學依據(jù)。總結而言，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]。

從實踐應用角度來劃分，可把設施植物分為連續(xù)光照敏感型植物種類和品種、連續(xù)光照適應型植物種類和品種[21]，需分別采取不同的連續(xù)光照應用策略，以獲得最大化應用效益。對連續(xù)光照敏感型植物種類或品種可采納3種應用方式：其一，采收前短期應用連續(xù)光照，提高產量品質，克服水培葉菜品質低的問題;其二，可在植物生長期某段時間長期應用6～9天，提高產量品質，不產生傷害[16];其三，制定合理的調控方案，在變溫管理、光質交替等協(xié)同措施下進行長期連續(xù)光照，提高產量品質的同時還要避免造成傷害[22-23]。對連續(xù)光照適應型植物種類或品種可采納直接應用的方式，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)光照都具有應用價值，連續(xù)光照在人工光植物工廠中的應用豐富了植物工廠照明的理論和實踐。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間，同時避免了暗期呼吸作用的消耗，從而增加了干物質和營養(yǎng)物質的累積。

交替光照的概念與應用效益

交替光照是指LED光源的光質及其數(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，供給光或光質存在規(guī)律性的時空變化，以達到增加產量、提高品質的目的。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)光照時段內兩種或多種光質在時間上按照一定規(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化控制系統(tǒng)和具有獨立光質的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、交替光質種類及其強度不同呈現(xiàn)出多樣性的光照策略，從而影響植物的生長、產量甚至營養(yǎng)品質。

已有報道表明，交替光照模式中存在最優(yōu)的技術參數(shù)，可提高產量和品質。Jishi等[5]研究了LED紅藍光組合的光照模式對生菜生長和形態(tài)的影響，在24 h光周期里光強有一定的變化。試驗1中，紅藍光光強為90 μmol/（m2·s），光周期為14 h/天，紅光開始照射時間與藍光啟動的時間同時進行或延遲1、4 h或7 h。結果表明，紅光啟動時間比藍光延遲4 h和7 h的處理生菜地上部鮮重顯著高于紅藍光同時啟動光照模式。結果表明，植物生長可通過單純的時間位移紅藍光照射時段提高產量。Chen等[6]研究了LED紅藍光交替對生菜生長和營養(yǎng)品質的影響，設計了4種交替光處理，具有相同的8.64 μmol/m2的日累計光量和相似的紅光：藍光為2：1，但在紅藍交替間隔時間上不同，分別是在16 h光周期內8、4、2和1 h。結果表明，不同交替類型的光照導致生菜明顯的形態(tài)、生物量和營養(yǎng)品質變化。生菜生物量以紅藍光同時照射16 h最高，是紅藍光同時照射8 h，紅藍光4 h交替和2 h交替的2倍多，是紅藍光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，紅藍光同時照射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)在紅藍光4 h交替和2 h交替處理的生菜中，相對低的抗壞血酸含量和較高的硝酸鹽含量出現(xiàn)在紅藍光8 h交替和1 h交替處理?；谙嗤哪芰肯?，與同時照射紅藍光相比，紅藍光8 h交替和1 h交替處理可導致較高的產量，而紅藍光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紅藍光恒定光強150 μmol/（m2·s）光照模式相比，LED紅藍光強光500 μmol/（m2·s）交替可以提高生菜產量和品質，20天后以交替強光1 h處理生菜地上部干鮮重和葉面積最大，其次是交替強光2 h處理。

間歇光照的概念與應用效益

間歇光照是指在人工光下可設置不同的晝夜節(jié)律，而且在同一個晝夜節(jié)律內可設置2個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雜得多，后者在24 h晝夜節(jié)律中只包含1個明暗期循環(huán)。間歇光照時長可設置為分鐘或小時尺度上，明暗期循環(huán)2次以上。若間歇光照時長過低，達到毫秒甚至微秒級，間歇光照就變成頻率較高的脈沖光了。已有報道表明，間歇光照模式中存在最優(yōu)的技術參數(shù)，可提高產量和品質。Chen等[7]研究了24 h明期內LED紅藍光連續(xù)光照、間歇光照對生菜生長和碳水化合物累積的影響。6個處理中紅藍光處理的光周期都是16 h/天，其中紅藍光連續(xù)光照處理僅一個明暗期（16 h/8 h），作為對照。5個紅藍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。結果表明，與明期內連續(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處理同時增加了地上部干重。Sivakumar 等[24]比較了間歇光與持續(xù)光對甜土豆組培苗的作用效果，結果顯示間歇供應的紅藍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)供應紅藍混合光的處理。

LED植物工廠光照策略的構建

LED賦予植物工廠光環(huán)境調控更多內涵和調控模式，因此光照模式及其植物生理響應機制已成為植物工廠植物生理學研究的熱點。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的特殊光照模式，3種光照模式中均存在最優(yōu)的技術參數(shù)，可以在不增加電能投入的前提下提高光能利用效率，提高設施植物的產量和品質。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差異客觀存在，因此光照策略的制定應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，運用連續(xù)光照時其屬性要素應給予合理的運行參數(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用價值，需要針對特定植物種類及品種加快光照技術參數(shù)的篩選、整合和實踐驗證。

實踐中也可將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，切實大幅度提高植物生產力，提高植物工廠系統(tǒng)的生產效率，推進植物工廠照明技術和產業(yè)發(fā)展。研究表明，將交替光照模式嵌入到連續(xù)光照中，可以進一步提升光照的生理效應，提高植物生產力。Ohtake等[25]研究了連續(xù)光照條件下LED紅藍光交替對生菜生長和營養(yǎng)品質的影響。Lanoue等[23]發(fā)現(xiàn)，紅藍光交替連續(xù)光照也可以削減連續(xù)光照對番茄的傷害?？傊?，未來可通過系統(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，調節(jié)產量和品質，提升設施植物、設施作物生產力和系統(tǒng)生產效率。

總之，LED光源植物工廠具備智慧生產的光環(huán)境調控的能力，通?？梢栽诩{米波長光質、PPFD基本單位光強和分鐘尺度時長等方面對光環(huán)境進行管控，也可實現(xiàn)內涵豐富的連續(xù)光照、間歇光照和交替光照等特殊光照模式及其集成應用。對植物工廠光照策略的制定，應針對各種植物種類及品種構建出集成了多種光照模式的光照策略，實現(xiàn)提高植物生產力和植物工廠生產效率的光調控目標。但是，當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增效方面的有效性和可行性，而在能耗分析和綜合效益評價方面仍需要做大量工作。因此，應加強對不同規(guī)模植物工廠中各種光照模式的植物生理效應和能耗的研究和評價，篩選出基于植物種類或品種的適宜集成機制，以獲得高效節(jié)能的植物工廠光照策略。

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*項目支持：國家自然科學基金面上項目（31672202）。

作者簡介：劉文科（1974-），男，河北孟村人，研究員、博士生導師，從事設施園藝環(huán)境與營養(yǎng)生理及調控技術研究工作。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)勢的植物工廠光照策略探討[J].農業(yè)工程技術，2020，40（13）：59-63.