植物工廠光質(zhì)選配策略

徐 永（福建工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)院，福州 350118）

隨著人口增長(zhǎng)、耕地減少、環(huán)境污染和農(nóng)藥化肥濫用等問(wèn)題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)作物生產(chǎn)模式在產(chǎn)量與安全等方面都面臨著重大挑戰(zhàn)。同時(shí)，人們對(duì)食品衛(wèi)生、營(yíng)養(yǎng)、健康和綠色等方面的要求也越來(lái)越高。植物工廠為解決上述矛盾提供了一個(gè)有效的途徑。植物工廠是利用人工光照系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)控制和生物信息等技術(shù)，對(duì)植物生長(zhǎng)的溫度、濕度、光照、CO2濃度和營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行控制，使植物生長(zhǎng)不受自然環(huán)境制約而進(jìn)行周年生產(chǎn)的系統(tǒng)，是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。植物工廠的高級(jí)階段將完全實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、程序化的生產(chǎn)模式，最終實(shí)現(xiàn)栽培環(huán)境的最優(yōu)化，所生產(chǎn)的植物品質(zhì)好、周期短、產(chǎn)量高、污染少、效益高，具有傳統(tǒng)栽培模式無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，是植物生產(chǎn)的最高形式，代表著未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

植物工廠主要優(yōu)勢(shì)有6 點(diǎn)：①生產(chǎn)率高，通過(guò)立體栽培和智能環(huán)境控制技術(shù)，極大提高了單位產(chǎn)出率和勞動(dòng)生產(chǎn)率；②種植地域廣，可在酷熱、寒冷、沙漠甚至太空等不毛之地進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；③產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)，無(wú)需農(nóng)藥和各種生長(zhǎng)激素，可提供優(yōu)質(zhì)新鮮的綠色食品；④產(chǎn)出率穩(wěn)，利用人工光和營(yíng)養(yǎng)液栽培，不受外界環(huán)境的制約，實(shí)現(xiàn)有計(jì)劃的周年生產(chǎn)；⑤工作環(huán)境好，有溫控和空氣凈化的優(yōu)越作業(yè)環(huán)境，加上機(jī)械化作業(yè)省工省力，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)成為一種享受；⑥種植對(duì)象廣，植物工廠可生產(chǎn)蔬菜、水果、花卉、食用菌、藥材和部分大田作物等。

關(guān)于光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程的影響已有較為全面的綜述文章可供參考[1]，本文僅就植物工廠在種植過(guò)程中遇到的有關(guān)光質(zhì)選配方面的問(wèn)題做具體的分析和闡述，以期對(duì)植物工廠在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中遇到的一些關(guān)鍵問(wèn)題提供有實(shí)用價(jià)值的參考。

光源選擇

與自然栽培模式相比，植物工廠內(nèi)采用全人工光照明，工廠建設(shè)投入大，照明時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)行過(guò)程中能源消耗高。研究表明，在環(huán)境控制良好的植物工廠中，照明所用的電能約占總能耗的70%，而環(huán)境控制和其他動(dòng)力能耗則占總用電量的30%[2]。隨著植物照明用電的增加，其在密閉的植物工廠內(nèi)所產(chǎn)生的熱量也將增加，用于環(huán)控的制冷能耗隨之增加，上述的能耗比基本保持不變。因此，光源的選擇對(duì)植物工廠建造和運(yùn)行成本的降低至關(guān)重要。

光源的選擇不僅與植物工廠的建造和運(yùn)營(yíng)成本有關(guān)，還關(guān)系到所種植物生產(chǎn)周期的長(zhǎng)短、產(chǎn)量和品質(zhì)。因?yàn)楣馐怯绊懼参锷L(zhǎng)發(fā)育最重要的環(huán)境因素之一，它不僅關(guān)系到種子的萌發(fā)和莖葉的生長(zhǎng)，還可以調(diào)節(jié)植物體內(nèi)有效物質(zhì)的積累和開(kāi)花時(shí)間等生理過(guò)程，并且對(duì)不同的植物種類(lèi)其影響也略有不同。因此，選擇合適的光源并使其含有適宜的光質(zhì)對(duì)于植物工廠的運(yùn)營(yíng)十分關(guān)鍵。

為滿(mǎn)足上述需求，植物工廠生產(chǎn)一般選用LED 燈。這是因?yàn)長(zhǎng)ED 燈具有光效高、能耗低、發(fā)熱少、壽命長(zhǎng)及光強(qiáng)光譜可調(diào)等特點(diǎn)，既可以滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)和有效物資積累的要求，又能達(dá)到節(jié)約能源、減少發(fā)熱和用電成本的目的。LED 又可分為單芯片普通照明用寬光譜LED燈、單芯片植物專(zhuān)用寬光譜LED 燈及多芯片組合可調(diào)光譜LED 燈。后兩種植物專(zhuān)用LED 燈的價(jià)格一般為普通照明用LED 燈價(jià)格的5 倍以上，所以應(yīng)該根據(jù)不同的目的而選用不同的光源。對(duì)于大型植物工廠而言，其種植植物的種類(lèi)隨著市場(chǎng)需求變化而變化，為了降低建造成本且不顯著影響生產(chǎn)效率，筆者建議采用一般照明用寬光譜LED 作為照明光源。對(duì)于小型的植物工廠，如果種植植物的種類(lèi)相對(duì)固定，為獲得較高的生產(chǎn)效率和品質(zhì)且不顯著增加建造成本，則可以采用植物專(zhuān)用或普通照明用寬光譜LED 作為照明光源；如果是為了研究光照對(duì)植物生長(zhǎng)和有效物質(zhì)積累的影響，從而為今后大規(guī)模生產(chǎn)提供最佳的光照配方，則可選用多芯片組合可調(diào)光譜LED 燈，通過(guò)在種植過(guò)程中改變光強(qiáng)、光質(zhì)和光照時(shí)間這些因素，為每種植物獲得最佳光照配方，為大規(guī)模的生產(chǎn)提供依據(jù)。

紅藍(lán)光作用

為了獲得較高的光合效率，在生產(chǎn)實(shí)際中一般選用含有紅藍(lán)光的組合作為光照系統(tǒng)，但不同的組合將產(chǎn)生不同的效果。有學(xué)者曾用不同紅藍(lán)配比的LED 燈對(duì)生菜[3-4]、菠菜[5]、瓠瓜苗[6]、黃瓜苗[7]和番茄苗[8]等進(jìn)行了廣泛而深入的研究，結(jié)果表明，不同紅藍(lán)光組合在植物生長(zhǎng)和有效物質(zhì)積累方面所起的作用明顯不同，但相同的組合在不同種類(lèi)的植物間產(chǎn)生的差異并不明顯。因此，一個(gè)較好的光質(zhì)配方基本上可以適用于不同種類(lèi)的葉菜和苗菜類(lèi)植物。

就具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果而言，當(dāng)紅光(R) 的含量高于藍(lán)光(B) 時(shí)（生菜R:B=6:2 和7:3；菠菜R:B=4:1；瓠瓜苗R:B=7:3；黃瓜苗R:B=7:3），實(shí)驗(yàn)表明所有受試植物在各個(gè)不同階段（7天、14 天和21 天等）的生物量含量（包括地上部分的株高、最大葉面積、鮮重和干重等）都較高，但植株的莖粗和壯苗指數(shù)則是在藍(lán)光含量高于紅光時(shí)較大。對(duì)生化指標(biāo)而言，紅光含量高于藍(lán)光一般有利于植物體內(nèi)可溶性糖含量的增加，但對(duì)于植物體內(nèi)VC、可溶性蛋白、葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素含量的積累，則用藍(lán)光含量高于紅光的LED 照明比較有利，在這種光照條件下丙二醛的含量也相對(duì)較低。

由于植物工廠主要用于種植葉菜類(lèi)植物或進(jìn)行工廠化育苗，從以上結(jié)果可以得出，在提高產(chǎn)量并兼顧品質(zhì)的前提下，適于選用紅光含量高于藍(lán)光的LED 作為光源，具體配比為R:B=7:3為佳。并且這樣的紅藍(lán)光配比對(duì)各類(lèi)葉菜或苗菜都基本適用，對(duì)不同植物也沒(méi)有特異性的要求。因此在一般情況下只要選用經(jīng)過(guò)精心挑選的且紅藍(lán)光配比適宜的普通照明用LED 燈即可，沒(méi)有必要采用價(jià)格較為昂貴的植物照明專(zhuān)用LED 燈。并且在合適的配比條件下，既可以確保所種植物的產(chǎn)量，又可以獲得較好的品質(zhì)。

紅藍(lán)光波長(zhǎng)選擇

對(duì)葉菜類(lèi)植物生產(chǎn)或工廠化育苗而言，植物在這些階段的生長(zhǎng)主要靠光合作用，因此對(duì)光照的要求是必須要有高的光合作用效率。為此必須選用適當(dāng)波長(zhǎng)的紅藍(lán)光組合來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的。但目前有關(guān)植物工廠設(shè)計(jì)或光照對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究中很少涉及這方面的問(wèn)題。為探究什么是紅藍(lán)光波長(zhǎng)的最佳組合，就需研究高等植物的光合過(guò)程。在光合作用期間，光能主要是通過(guò)葉綠素a 和葉綠素b 而被吸收的。圖1 給出了葉綠素a 和葉綠素b 的吸收光譜，其中綠色譜線為葉綠素a 的吸收光譜，藍(lán)色譜線為葉綠素b 的吸收光譜。從圖中可以看出，葉綠素a 和葉綠素b 都有2 個(gè)吸收峰，一個(gè)在藍(lán)光區(qū)，另一個(gè)在紅光區(qū)。但葉綠素a 和葉綠素b 的2 個(gè)吸收峰略有不同。準(zhǔn)確說(shuō)來(lái)，葉綠素a 兩個(gè)峰值波長(zhǎng)分別為430 nm 和662 nm，而葉綠素b 兩個(gè)峰值波長(zhǎng)分別為453 nm 和642 nm。這4 個(gè)波長(zhǎng)值不會(huì)隨著植物的不同而變化，因此照明光源中紅藍(lán)光波長(zhǎng)的選用也不會(huì)隨植物種類(lèi)的不同而不同。

圖1 葉綠素a 和葉綠素b 的吸收光譜

如果用寬光譜的普通LED 照明燈作為植物工廠的光源，只要紅藍(lán)光部分能夠覆蓋葉綠素a和葉綠素b 的兩個(gè)峰值波長(zhǎng)即可，即一般選用紅光的波長(zhǎng)范圍為620～680 nm，而藍(lán)光的波長(zhǎng)范圍為400～480 nm。但紅藍(lán)光波長(zhǎng)范圍不能太寬，太寬了不僅浪費(fèi)光能，還可能會(huì)產(chǎn)生其他影響。例如，從圖1 上看波長(zhǎng)范圍在320～380 nm 的近紫外光也可能被葉綠素吸收，但因?yàn)檫@些光的波長(zhǎng)太短，容易在植物體內(nèi)引起光脅迫，抑制植物的生長(zhǎng)，因此除特殊用途外一般不選用。

如果要用由紅黃藍(lán)三色芯片組成的LED 燈作為植物工廠的光源，則應(yīng)將紅光的峰值波長(zhǎng)設(shè)置為葉綠素a 的峰值波長(zhǎng)，即在660 nm 處，藍(lán)光的峰值波長(zhǎng)則應(yīng)設(shè)置為葉綠素b 的峰值波長(zhǎng)，即在450 nm 處。這一方面是因?yàn)樵诩t光附近葉綠素a 的吸收峰大于葉綠素b 的吸收峰，而在藍(lán)光附近則是葉綠素b 的吸收峰大于葉綠素a 的吸收峰；另一方面上述試驗(yàn)及文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)都表明，不同種類(lèi)的高等綠色植物葉片中葉綠素a 的含量一般為葉綠素b 的3 倍或以上，并且不因紅藍(lán)光的配比而產(chǎn)生顯著的變化，因此將紅光的峰值波長(zhǎng)設(shè)置為葉綠素a 的峰值波長(zhǎng)附近更易于植物的吸收，但如果因此也將藍(lán)光的峰值波長(zhǎng)設(shè)置在葉綠素a 的峰值波長(zhǎng)附近，其結(jié)果并不會(huì)大幅提高葉片對(duì)藍(lán)光的吸收，還會(huì)因?yàn)檫@些光的波長(zhǎng)較短，容易在植物體內(nèi)引起藍(lán)光脅迫，從而抑制植物生長(zhǎng)。

從以上的討論可以看出，如果選用寬光譜的LED 燈作為植物工廠的光源，由于綠色植物葉片中葉綠素a 和葉綠素b 的比值及峰值吸收波長(zhǎng)都不會(huì)隨著植物種類(lèi)的不同而不同，也基本不會(huì)隨著光照環(huán)境的不同而不同，不會(huì)有太大的植物特異性，只要選用適當(dāng)?shù)募t藍(lán)光配比就可以適應(yīng)不同植物生長(zhǎng)的需求，因此不必采用價(jià)格偏高的植物專(zhuān)用LED 照明燈。

黃綠光作用

在植物照明領(lǐng)域，介于紅藍(lán)光間的大片光譜范圍一般統(tǒng)稱(chēng)為黃綠光。曾以擬南芥為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)黃綠光（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“綠光”）在植物生長(zhǎng)過(guò)程中的作用做了詳細(xì)的研究[9]，結(jié)果表明無(wú)論是在擬南芥的種子萌發(fā)階段還是幼苗生長(zhǎng)階段，如果單獨(dú)使用紅光，可以促進(jìn)種子的萌發(fā)及其主根和下胚軸的生長(zhǎng)，而單獨(dú)的藍(lán)光則對(duì)它們起抑制作用。但加入20% 的綠光(G)后（R:G 或B:G=8:2），與紅光共同作用時(shí)可適當(dāng)抑制種子的萌發(fā)及主根和下胚軸的生長(zhǎng)，而與藍(lán)光共同作用時(shí)則可適當(dāng)促進(jìn)種子的萌發(fā)及主根和下胚軸的生長(zhǎng)。換言之，綠光在此起到了中和紅藍(lán)光的作用，它可以減弱由紅藍(lán)光單獨(dú)作用時(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)可能產(chǎn)生的過(guò)度抑制或促進(jìn)而導(dǎo)致的不利于植物健康成長(zhǎng)的因素。

通過(guò)對(duì)移栽25 天后擬南芥葉片中的葉綠素a、葉綠素b 及類(lèi)胡蘿卜素含量的分析和比較發(fā)現(xiàn)，紅藍(lán)光單獨(dú)作用對(duì)擬南芥葉片中葉綠素a、葉綠素b 的形成均有一定的抑制作用。但類(lèi)胡蘿卜素對(duì)紅藍(lán)光單獨(dú)作用時(shí)的響應(yīng)卻完全相反，其含量在紅光照射下顯著減少，而在藍(lán)光照射下卻顯著增加。但當(dāng)綠光分別與紅藍(lán)光共同作用時(shí)，它也起到了對(duì)紅藍(lán)光的明顯的中和作用。

如果將紅綠藍(lán)三種色光混合（R:G:B=6:1:3或3:1:6），則發(fā)現(xiàn)擬南芥的各項(xiàng)生長(zhǎng)和生化指標(biāo)更趨合理。在上述生菜實(shí)驗(yàn)[4]中也發(fā)現(xiàn)，用綠光代替一定比例的紅光或藍(lán)光對(duì)生菜的生長(zhǎng)和品質(zhì)的提升更為有效。因此，無(wú)論是使用寬光譜LED 燈還是三芯片組合窄光譜LED燈，加入少量的綠光成分對(duì)植物的正常生長(zhǎng)是有利的，這也是植物生長(zhǎng)燈中必須含有一定量的綠光的原因。但由于綠光在植物生長(zhǎng)過(guò)程中只起到輔助和調(diào)節(jié)的作用，其含量不宜太大，否則不僅不利于植物的健康成長(zhǎng)，而且也會(huì)浪費(fèi)寶貴的光能。因此，紅綠藍(lán)三色光的配比為R:G:B=6:1:3 較為合適。至于綠光峰值波長(zhǎng)的確定，由于它在植物生長(zhǎng)過(guò)程中主要起調(diào)節(jié)作用，只要介于530～550 nm 即可。

總結(jié)

本文從理論和實(shí)踐兩方面探討了植物工廠中的光質(zhì)選配策略，包括LED 光源中紅藍(lán)光波長(zhǎng)范圍的選擇及黃綠光的作用和配比等。本文的結(jié)果對(duì)植物工廠光照方案的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)成本的降低和植物產(chǎn)量和品質(zhì)的提升都有一定的指導(dǎo)意義。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中還應(yīng)綜合考慮光強(qiáng)、光質(zhì)和光照時(shí)間這三因素間的合理匹配，及其與養(yǎng)分、溫濕度和CO2濃度間的關(guān)系等。但限于篇幅，有關(guān)這方面的內(nèi)容我們將在今后適當(dāng)?shù)臅r(shí)間予以討論。不過(guò)對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)而言，無(wú)論是計(jì)劃使用寬光譜還是多芯片組合可調(diào)光譜LED 燈，波長(zhǎng)的配比都是首要考慮的因素，因?yàn)槌斯赓|(zhì)外其他因素都可以在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)。因此，在植物工廠設(shè)計(jì)階段最重要的考慮因素應(yīng)該是光質(zhì)選配的問(wèn)題。