人工光植物工廠特殊光照模式及應用

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、耐用性強、響應極快以及堅固等優(yōu)點的半導體固態(tài)電光源。除此之外，還具備一些能夠在植物工廠中應用的獨特優(yōu)勢，例如可以根據(jù)植物工廠的實際需要來調(diào)節(jié)冷光源以及光譜，實現(xiàn)對光照的智能控制，是在人工光植物工廠中一種極其理想的應用光源。LED光源的特點是可以智能控制時間的轉(zhuǎn)換，能夠為植物工廠提供較長時間的光強以及光質(zhì)。由此可知，LED光源在植物工廠中的應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)實際需要來對生產(chǎn)環(huán)境的光進行智能調(diào)節(jié)控制，一般情況下，均能在光照的時長和程度、光質(zhì)以及光強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)工作人員應當根據(jù)不同植物的品種來制定相應的、結(jié)合多種光照模式的光照方案。所以，相關(guān)人員應當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，選出一個以植物品種為基礎的、合適的光照集成機制，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

隨著社會的進步發(fā)展，我國的科學技術(shù)也進入了飛速發(fā)展的階段，而設施園藝發(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，也是設施園藝的一個高級發(fā)展形式。人工光植物工廠能夠彌補傳統(tǒng)設施園藝中生產(chǎn)方式的不足，如設施較為落后簡易、生產(chǎn)效率較低、資源浪費、環(huán)境污染等，除了能夠有效促進我國設施園藝產(chǎn)業(yè)以及相關(guān)科學技術(shù)的快速發(fā)展之外，也是保障食物安全性的有效措施，與我國推行的可持續(xù)觀念相符。在植物的生存環(huán)境中，一個關(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，還具有照射時長、光強以及光周期等相關(guān)數(shù)量特性，這些特性對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，一個重要的步驟就是在恒定光照的基礎上構(gòu)建動態(tài)光照模式，大部分的動態(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)的目標或者是植物的生理特征來對光照模式的時間進行自動化調(diào)控，形成一個植物生產(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[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)，使用納米級光譜來對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)、光周期以及光強等相關(guān)屬性的動態(tài)變化規(guī)律。在自然光的照射下，光照會有一個光強呈拋物線軌跡變化以及晝夜交替的動態(tài)變化規(guī)律。然而，LED光源可以通過智能控制系統(tǒng)來對各種光照模式進行有效設計，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，同時可以根據(jù)時間的變化以及實際的需要來調(diào)節(jié)控制光照的模式。連續(xù)光照模式的特點有：光照的屬性可隨著時間的變化以及實際需要調(diào)節(jié)控制、不會中斷、沒有暗期[2]。在人工光植物工廠里，使用LED光源不僅可以延長植物的光照時間，還可以在連續(xù)光照條件下對植物進行栽培。由于在設施園藝中大面積普及應用LED光源，連續(xù)光照的應用價值得到了極大的提升，同時豐富了連續(xù)光照的內(nèi)涵。種植工作人員在使用LED光源對植物進行連續(xù)光照的過程中，可以根據(jù)生產(chǎn)的目標以及需求對光強以及光質(zhì)進行制定調(diào)節(jié)，通過這樣的方式來對植物在連續(xù)光照條件下的生理響應進行分析研究。對連續(xù)光照的分析研究可以分成兩組來進行：第一組是短期連續(xù)光照，具體操作方法為：對植物進行短時間的連續(xù)光照;第二組是長期連續(xù)光照，具體的操作方法為：對植物進行3天、5天甚至幾十天的長時間連續(xù)光照。

從實踐應用的角度對設施植物進行劃分，可以將設施植物分成兩個種類：一種是適應連續(xù)光照的植物，另一種是對連續(xù)光照敏感的植物。

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

研究對連續(xù)光照敏感的植物時，可以使用3種方法：第一，制定具有一定科學性、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。在此基礎上，對植物進行長期的連續(xù)光照，在避免植物受損的同時，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)育過程中的一個時間段對植物進行6～9天的連續(xù)光照，以此減少對植物的損害，將植物的產(chǎn)量、質(zhì)量以及品質(zhì)進一步提升[3]。

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

3 ? ?交替光照模式

交替光照模式具體指的是在植物生長發(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)會存在一些具有規(guī)律性的時空變化，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持續(xù)性的光照時間段里，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。進行交替光照的前提條件是必須使用具有一個單獨光質(zhì)的LED光源以及一個自動化的智能控制系統(tǒng)。因此，交替光照模式只在能對環(huán)境進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)、生長發(fā)育、產(chǎn)量、質(zhì)量等造成一定的影響。

有相關(guān)研究報道顯示，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)研究人員對生菜的形態(tài)以及生長發(fā)育在LED藍光及紅光組合的光照條件下的影響進行研究，實驗發(fā)現(xiàn)，光周期是一天14 h，藍光及紅光的光強是80 μmol/（m2·s），紅光開始進行照射的時間可以和啟動藍光的時間一樣，或者是延后1、4或7 h。研究結(jié)果顯示，紅光開始照射的時間比藍光延后幾個小時的效果，明顯比紅光以及藍光同時進行照射要好[5]。由此可知，使用變換紅光藍光照射時間段的方法能夠?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)律進行設置。同時，可以在同個晝夜節(jié)律下設置兩個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雜程度更高，自然光在24 h的晝夜節(jié)律里只有一個明期暗期循環(huán)交替。然而，間歇光照的時間則可以設置在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。如果間歇的時長低至μs或者是ms級，間歇光照將會轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂休^高頻率的脈沖光。

相關(guān)研究報道顯示，間歇光照處理不僅能夠?qū)χ参锏纳L發(fā)育發(fā)揮良好的作用，還能提高植物的營養(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用潛力以及前景，同時，也能夠在不改變電能投入的基礎上，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，可以在植物工廠對光環(huán)境的管理中應用這3種光照模式，將系統(tǒng)具有的優(yōu)勢最大限度地發(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

在植物工廠中應用LED光源，將會使植物工廠對光環(huán)境的智能調(diào)控能力增強，使植物工廠能夠?qū)猸h(huán)境的光照時長、光強以及光質(zhì)進行智能管理調(diào)節(jié)以及控制，繼而在植物工廠中應用交替光照、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)工作人員應根據(jù)工廠中不同種類以及不同品種植物的特性來對相應的光照模式進行科學、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)階段只是對在植物工廠中應用基于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)工作人員應積極對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進行研究分析，制定出光照集成機制，提高植物工廠的生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，推動人工光植物工廠的發(fā)展。

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