設(shè)施黃瓜生產(chǎn)中人工光系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

都金龍 喬凱，王迎豐，耿建忠*

|摘要|光照和溫度是設(shè)施黃瓜生長的主要限制因子。秋冬季節(jié)，北歐高緯度地區(qū)、俄羅斯及中國北方溫室光照嚴(yán)重不足，增加人工補(bǔ)光設(shè)備，為設(shè)施黃瓜生長提供適合的光源光譜、光照強(qiáng)度和電器燈具配置，可改善設(shè)施內(nèi)的光照質(zhì)量并顯著提升黃瓜的品質(zhì)和產(chǎn)量。研究表明，大功率農(nóng)用高壓鈉燈（HPS）頂部補(bǔ)光加中小功率農(nóng)用高壓鈉燈（HPS）株間補(bǔ)光組合方案，更適宜這些地區(qū)設(shè)施黃瓜種植的補(bǔ)光需要。通過確定光照設(shè)備的最佳補(bǔ)光照射夾角、配置密度和配置方位規(guī)律，以及調(diào)節(jié)補(bǔ)光設(shè)備光源和主要配件的更換周期，可增加設(shè)施黃瓜生產(chǎn)效益。

黃瓜（Cucumis sativus L.）是設(shè)施種植最廣泛的蔬菜種類之一，其單果重量、果實(shí)長度、果實(shí)橫徑、果實(shí)營養(yǎng)、果實(shí)表觀和保質(zhì)期等影響著黃瓜產(chǎn)品的等級，而光照和溫度則是設(shè)施黃瓜生長的主要限制因子[1]。秋冬季節(jié)，北歐等高緯度地區(qū)、俄羅斯以及中國北方，設(shè)施內(nèi)自然光照長期不足，會嚴(yán)重影響黃瓜的生長。通過合理配置人工補(bǔ)光設(shè)備，改善設(shè)施內(nèi)的光照質(zhì)量，調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度等措施可以提升黃瓜的品質(zhì)與產(chǎn)量。生產(chǎn)中，部分園區(qū)采用HPS頂部補(bǔ)光（Toplight）加LED株間補(bǔ)光（Interlight）的補(bǔ)光組合[2]，珠海美光原科技股份有限公司經(jīng)試驗(yàn)研究證實(shí)，不同功率和規(guī)格的HPS（TL，1000 W;IL，250 W）組合（圖 1），可以取得更理想的效果。以芬蘭的3 hm2設(shè)施黃瓜為例，黃瓜品質(zhì)等級高，年產(chǎn)量達(dá)到了300 kg/m2以上。本文結(jié)合芬蘭設(shè)施黃瓜生產(chǎn)案例，詳細(xì)闡釋了設(shè)施黃瓜補(bǔ)光設(shè)備的配置和應(yīng)用方法。

設(shè)施黃瓜的生長條件

黃瓜是喜溫喜光作物，最適宜生長溫度為18～32℃，最適宜光合作用的溫度是25～32℃。芬蘭地處北歐高緯度地區(qū)（北緯60°～70°），冬季多數(shù)以多云或雨雪天氣為主，冬季平均氣溫在-15～3℃左右，遠(yuǎn)低于黃瓜正常生長的光照和溫度條件，所以增加設(shè)施內(nèi)的人工補(bǔ)光設(shè)備和供暖設(shè)備必不可少。俄羅斯和中國北方的高緯度地區(qū)，氣候條件與此類似。配合利用自然光，設(shè)施黃瓜的補(bǔ)光系統(tǒng)包括TL和IL。TL提供溫室內(nèi)人工補(bǔ)光的大部分來源，但并不會100%被作物吸收。這是因?yàn)椋环矫鎭碜詼厥翼敳康娜斯ぱa(bǔ)光會被植株冠層上部遮蔽，冠層中下部的葉片和果實(shí)受光面積減少;另一方面植株行間相互遮蔽，導(dǎo)致作物植株中下部受光面積減少，這兩種情況都會影響補(bǔ)光效果，因此增加作物株間補(bǔ)光非常必要[3]，實(shí)際增產(chǎn)效果也非常顯著。采用大功率HPS（TL）在植株行寬的正上方[4]，與植株冠層的上下葉面之間構(gòu)成不同夾角，確保植株上下葉面均能受光，平均3～4 m2/盞。株間輔以小功率可升降管式HPS（IL），可以確保不同方位的植株均勻受光，不留補(bǔ)光死角。

溫室照明設(shè)備性能對比

HPS和LED性能對比

設(shè)施內(nèi)人工補(bǔ)光的電力費(fèi)用相當(dāng)高，占到生產(chǎn)成本的30%～40%[5]。因此選擇有效的光源至關(guān)重要，且在此基礎(chǔ)上光源的光合光子通量（PPF）越高越好。HPS具備成本低、功率大、光輸出量大且壽命長、光譜適合作物生長需要等特點(diǎn)。結(jié)合設(shè)施黃瓜溫室的地理位置和實(shí)際補(bǔ)光強(qiáng)度需要，一般可以選用600～1000 W的HPS（TL）。例如，HPS 1000 W，PPF 2100 μmol/s，壽命大于20000 h（約4～5年使用壽命）。而LED實(shí)際應(yīng)用效果暫時沒有明顯優(yōu)勢：①相比HPS，LED確實(shí)節(jié)能，目前一般按照HPS功率數(shù)值的60%替換為相應(yīng)的LED產(chǎn)品（即1000 W的HPS以600W的LED替代），但在實(shí)際使用過程中LED促進(jìn)植物光合作用，提升黃瓜產(chǎn)量的效果并不突出[6]，主要原因是光源光譜、表面的熱輻射和其它能量輸出不足[7]。②目前LED的設(shè)備投資成本很高，同樣的光通量，單價成本遠(yuǎn)高于同規(guī)格的HPS產(chǎn)品。③溫室運(yùn)營商會覺得采用LED補(bǔ)光不經(jīng)濟(jì)。1.5倍的補(bǔ)光能源成本，僅能應(yīng)用于HPS補(bǔ)光系統(tǒng)下溫室面積的1/5。使用LED補(bǔ)光設(shè)備，溫室黃瓜產(chǎn)量也比HPS補(bǔ)光系統(tǒng)低10%～20%。而且LED補(bǔ)光設(shè)備尺寸較大，其外殼會遮擋15%～30%的自然光線。

HPS的功率和電壓對比

芬蘭設(shè)施黃瓜溫室的主要光源是功率為1000 W的HPS（TL），以400 V電壓為主，有230 V和400 V電壓電源可以選擇。補(bǔ)光燈在不同電壓下的光譜和光強(qiáng)度表現(xiàn)得都很好（I1=5.5 A;I2=4.1 A;I3=3.1 A）。由表1和圖2可看到溫室內(nèi)HPS與LED的特點(diǎn)比較。

相比于400 V，HPS在230 V電壓下的光輸出差異并不大，但是1000 W/400 V的HPS補(bǔ)光強(qiáng)度更大，且分布在Y（黃光）-R（紅光）譜區(qū)，促進(jìn)植物光合作用的效果最好，這款大功率的高光效補(bǔ)光燈廣泛用于芬蘭設(shè)施黃瓜項(xiàng)目的頂部補(bǔ)光。HPS具體配置何種功率和電壓，用不用內(nèi)反燈（圖3），需要專業(yè)人員根據(jù)具體情況測算后才能確定。

電感和數(shù)字鎮(zhèn)流器特點(diǎn)

任何氣體放電燈，包括HPS，都在鎮(zhèn)流器上工作。鎮(zhèn)流器使用特點(diǎn)產(chǎn)生的影響體現(xiàn)在整體照明設(shè)備的有效性和技術(shù)上?，F(xiàn)在HPS主要使用電感鎮(zhèn)流器和數(shù)字鎮(zhèn)流器，兩種鎮(zhèn)流器的特點(diǎn)見表2。

數(shù)字鎮(zhèn)流器優(yōu)點(diǎn)是啟動電流小，較高功率因數(shù)，在燈電壓波動下功率穩(wěn)定性好，可遠(yuǎn)程控制，能夠調(diào)節(jié)光通量，光輸出穩(wěn)定，重量更輕。數(shù)字鎮(zhèn)流器應(yīng)用前景廣泛，能夠提升溫室照明設(shè)備有效性20%～30%。在不同的人工光系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中選擇合適的配光設(shè)備、額定技術(shù)參數(shù)可以提高溫室照明設(shè)備的有效性。

人工光系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

合理的配光方案需要結(jié)合溫室材料的透光性和當(dāng)?shù)刈匀还獾恼丈湟?guī)律，綜合考慮TL、TL加IL等不同的補(bǔ)光選擇及補(bǔ)光時間，以確保設(shè)計(jì)的補(bǔ)光方案讓作物植株冠層受光面積最大、光源輸出量最大、補(bǔ)光時長適宜、設(shè)施黃瓜產(chǎn)量最高，經(jīng)濟(jì)性最好。

有效活動系數(shù)和配光曲線

有效活動系數(shù)和配光曲線是影響溫室光照設(shè)備有效性的主要因子。有效活動系數(shù)是指光源光通量從電器獲得的比例。顯然，有效活動系數(shù)越高越好。目前電器有效活動系數(shù)大約在0.8～0.95，并且很接近理論最大值1。配光曲線描繪的是電器射線在空間中的分配，它取決于光的最大強(qiáng)度電壓，配光曲線分為寬的（max=55°～85°），半寬的（max=35°～55°），余弦（max=0°～35°）。

簡單來說，光照設(shè)備發(fā)出的光垂直照射到水平面A點(diǎn)，此時A點(diǎn)的光照輻射強(qiáng)度最大，但處于A點(diǎn)的植物葉子表面實(shí)際是自由懸掛并接近垂直的，因此垂直方向照射的光線對葉子來說幾乎沒有什么作用，也就是說，在實(shí)際條件下，水平光束照射在葉子表面實(shí)際是垂直的并能被葉子有效吸收。因此在溫室實(shí)際種植條件下，HPS（TL）光線實(shí)際上和葉子表面形成一個夾角（圖4），夾角越小，光照效率越高。因此，HPS（TL）通常置于植株行寬的中間，而可升降的懸掛式管式HPS（IL）可更直接地將光束作用于植物葉子表面，增產(chǎn)效果更明顯。

寬配光曲線光照設(shè)備和配光曲線余弦光照設(shè)備的應(yīng)用

在設(shè)施黃瓜人工補(bǔ)光的實(shí)際條件下，為最大化利用光束的照度，應(yīng)當(dāng)使電器的光束不垂直向下，因?yàn)樵诮咏椒较虻慕嵌认逻@些光束能帶來最大化的作用。然而現(xiàn)有的光照配置系統(tǒng)并未考慮到實(shí)際種植情況，在實(shí)際種植中，需要考慮在相同能耗下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的最大化。這一訴求會影響電器的配光曲線，例如寬的配光曲線（圖5），光通量集中覆蓋角度55°～75°;配光曲線余弦則集中照射在垂直線下的0°～35°。

由圖5可以看出，每個植物的葉子受到不同方面不同方向電器的光照，光照是有效的，在沒有配置IL設(shè)備的情況下，這種補(bǔ)光選擇能更有效地被植物吸收利用。圖6提供了類似的系統(tǒng)，但卻是配光曲線余弦的電器照明。在這里每片葉子只收到一個光，來自兩個電器，照明有效性不夠。

假設(shè)生產(chǎn)中具備了充足的光照有效性，會在設(shè)施黃瓜產(chǎn)量上直接體現(xiàn)出來。以芬蘭項(xiàng)目為例，芬蘭項(xiàng)目溫室面積總計(jì)3 hm2。設(shè)施黃瓜種植共分春季茬口（1月）、夏季茬口（5月）和秋季茬口（9月），每茬平均4個月，其中收獲期約1個月左右。黃瓜定植密度平均為2.5株/m2。溫室內(nèi)安裝TL和IL兩種規(guī)格的燈共計(jì)10725套，每天溫室補(bǔ)光時間19 h，全部燈使用時每小時耗電量5021 kW·h。

在芬蘭項(xiàng)目溫室中，有一段450 m2的種植單元，應(yīng)用HPS 600 W的內(nèi)反燈（寬配光Imax=68°），其中HPS 600 W內(nèi)反燈的PPF是1220 μmol/s，對照其他半寬配光的設(shè)施黃瓜溫室進(jìn)行了3年時間的對比，結(jié)果顯示，在補(bǔ)光設(shè)備的照射下，溫室產(chǎn)量比半寬配光穩(wěn)定提升了20%～25%，黃瓜年產(chǎn)量達(dá)到了160 kg/m2以上，這說明相對半寬配光來說，在沒有增加IL的情況下，寬配光曲線方案是有效的。

目前芬蘭、俄羅斯都在廣泛推廣使用IL系統(tǒng)，與TL一起，形成立體補(bǔ)光方案，設(shè)施內(nèi)的黃瓜植株能夠最大程度地吸收人工補(bǔ)光。利用設(shè)施黃瓜的HPS（TL，帶反射器效果更好，或直接用內(nèi)反燈）加垂直懸掛式管式HPS（IL，無反射器）（圖7），頂端電器光具有接近半寬或者余弦配光曲線，并利用IL來改善TL的有效性，并給植物建立了立體光照模型，從而能夠增加設(shè)施內(nèi)黃瓜的產(chǎn)量。盡管IL并不局限于HPS，也可以是控制特定光譜的LED[3]，以促進(jìn)作物的果實(shí)表觀或特定營養(yǎng)物質(zhì)，譬如VC、酚酸、可溶性蛋白質(zhì)或糖含量的要求，來滿足顧客特定的風(fēng)味需求。

在芬蘭設(shè)施黃瓜項(xiàng)目中，經(jīng)驗(yàn)證，IL與頂端寬配光曲線補(bǔ)光相結(jié)合，事實(shí)上并沒有產(chǎn)生很好的效果。因此，IL與半寬或者余弦配光曲線相結(jié)合，并且TL設(shè)備放在植物的中間過道上，讓人工補(bǔ)光能夠更深入地滲透到植株冠層的內(nèi)部，生產(chǎn)效果更好。在圖7這種TL加IL（HPS）的補(bǔ)光模型下，黃瓜每年產(chǎn)量可達(dá)300 kg/m2，芬蘭3 hm2設(shè)施黃瓜項(xiàng)目年總產(chǎn)量900萬kg以上，按照芬蘭當(dāng)?shù)攸S瓜市場平均價格1.49 /kg測算，該項(xiàng)目每年總產(chǎn)值高達(dá)1300萬歐元，經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

一般來說，設(shè)施黃瓜的生長主要以自然光照為主，尤其是夏季，人工補(bǔ)光只是加速黃瓜生長的輔助手段之一。但在芬蘭所處的高緯度地區(qū)，受海洋性氣候影響，一年之中的天氣以多云和雨雪為主，自然光照條件嚴(yán)重不足，因此人工補(bǔ)光措施就顯得格外重要。此外，該項(xiàng)目的溫室屋頂還采用了漫散射型玻璃，更好地利用了夏季短暫的光照條件，讓自然光更好地深入到植株內(nèi)部，促進(jìn)植物立體補(bǔ)光，作物產(chǎn)量也因此增加了7%～10%，這也間接證實(shí)了荷蘭瓦赫寧根大學(xué)研究專家的判斷[8]。

結(jié)論與建議

從補(bǔ)光設(shè)備的高效利用角度出發(fā)，現(xiàn)階段可采用：①HPS（400 V，1000 W）用于TL，懸掛式管式HPS（400 V， 250 W）用于IL，效果良好;②配寬光曲線的HPS（TL）設(shè)備;或者半寬/余弦配光曲線的HPS（TL）設(shè)備加懸掛式管式HPS（IL），有利于光照被植物最大化程度吸收。

從收益和成本角度考慮：①光源和電器在整體運(yùn)營中具備高穩(wěn)定性的光電參數(shù)，長期工作條件下的耐受性好，壽命長，性能穩(wěn)定;②及時成群更換補(bǔ)光燈和反射器。一般第3年開始成群更換懸掛式管式HPS（IL）;第4～5年成群更換高功率直管HPS、雙端HPS或HPS內(nèi)反燈（TL），對比照明設(shè)備的購置成本和產(chǎn)出效益最劃算。

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作者簡介：都金龍（1975- ），男，山東濰坊人，新加坡南洋理工大學(xué)工學(xué)博士，設(shè)施園藝智能裝備研究專家，壓電陶瓷變壓器輸出功率和功率密度世界記錄保持者，深耕設(shè)施農(nóng)業(yè)人工光領(lǐng)域20年。

*通信作者：耿建忠（1971- ），男，河北滄州人，研究方向?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)國外技術(shù)。

[引用信息]都金龍，喬凱，王迎豐，等.設(shè)施黃瓜生產(chǎn)中人工光系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（25）：24-28.