植物工廠補光照明方法及未來植物工廠的發(fā)展方向

植物工廠將現(xiàn)代工業(yè)、生物科技、營養(yǎng)液栽培和信息技術等相結(jié)合，對設施內(nèi)環(huán)境因子實施高精度控制，具有全封閉、對周圍環(huán)境要求低，縮短植物收獲期，節(jié)水節(jié)肥、無農(nóng)藥生產(chǎn)、不向外排放廢物等優(yōu)點，單位土地利用效率是露地生產(chǎn)的40~108倍，其中智能化人工光源及其光環(huán)境調(diào)控對其生產(chǎn)效率起到?jīng)Q定性作用。

光作為重要的物理環(huán)境因子，對植物的生長發(fā)育和物質(zhì)代謝均起到關鍵的調(diào)控作用。“植物工廠的主要特征之一就是全人工光源并實現(xiàn)光環(huán)境的智能調(diào)控”已經(jīng)成為業(yè)界的普遍共識。

植物對光照的需求

植物的生命活動離不開光照，光是植物光合作用的唯一能量來源，光照強度、光質(zhì)（光譜）及光的周期性變化對作物的生長發(fā)育具有深刻影響，其中以光照強度對植物的光合作用影響最大。

■ 光照強度

光照的強弱能改變作物的形態(tài)，如開花、節(jié)間長短、莖的粗細及葉片的大小與薄厚。植物對光照強度的要求可分為喜光型、喜中光型、耐弱光型植物。蔬菜多數(shù)屬于喜光型植物，其光補償點和光飽和點均比較高，在人工光植物工廠中作物對光照強度的相關要求是選擇人工光源的重要依據(jù)，了解不同植物的光照需求對設計人工光源、提高系統(tǒng)的生產(chǎn)性能都極為必要。

■ 光質(zhì)

光質(zhì)（光譜）分布對植物光合作用和形態(tài)建成同樣具有重要影響（圖1）。光是輻射的一部分，而輻射是一種電磁波。電磁波具有波的特性與量子（ 粒子） 特性。光的量子稱為光子（photon），在園藝領域亦稱為光量子。波長范圍為300~800nm的輻射稱為植物的生理有效輻射（physiologically active radiation）； 而波長范圍400~700nm的輻射稱為植物的光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR）。

植物光合作用最重要的2種色素是葉綠素（Chlorophyll）和胡蘿卜素（Carotenes）。圖2為各光合色素的光譜吸收圖譜，其中葉綠素吸收光譜集中在紅藍波段，照明補光系統(tǒng)是根據(jù)作物的光譜需求進行人工補光，以促進植物的光合作用。

■ 光周期

植物的光合作用和光形態(tài)建成與日長（或光期時間）之間的相互關系稱為植物的光周性。光周性與光照時數(shù)密切相關，光照時數(shù)是指作物被光照射的時間。不同的作物，完成光周期需要一定的光照時數(shù)才能開花結(jié)實。按照光周期的不同，可分為長日照作物，如白菜等，在其生育的某一階段需要12~14h 以上的光照時數(shù)；短日照作物，如洋蔥、大豆等，需要12~14h以下的光照時數(shù)；中日照作物，如黃瓜、番茄、辣椒等，在較長或者較短的日照下，都能開花結(jié)實。

環(huán)境三要素中，光照強度是選擇人工光源的重要依據(jù)，目前對光照強度有多種表述方法，主要包括如下3種。

（1）光照度（Illumination）是指受照平面上接受的光通量面密度（單位面積的光通量），單位：勒克斯（lx）。

（2）光合有效輻射照度PAR，單位：W/m?。

（3）光合有效光量子流密度PPFD 或PPF即單位時間、單位面積上到達或通過的光合有效輻射的光量子數(shù)，單位：μmol/(m?·s)。主要指與光合作用直接有關的400~700nm的光照強度。也是植物生產(chǎn)領域最常用的光照強度指標。

典型補光系統(tǒng)的光源分析

人工補光是通過安裝補光系統(tǒng)，提高目標區(qū)域內(nèi)的光照強度或延長光照時間從而實現(xiàn)植物對光的需求。一般來說，補光系統(tǒng)包括補光設備、電路及其控制系統(tǒng)。補光光源主要包括白熾燈、熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈及LED等幾種常用類型。由于白熾燈電光效率低，光合能效低等缺點，已經(jīng)被市場淘汰了，故本文不做詳細分析。

■ 熒光燈

熒光燈屬于低壓氣體放電燈的類型。玻璃管內(nèi)充有水銀蒸汽或惰性氣體，管內(nèi)壁涂有熒光粉，光色隨管內(nèi)所涂熒光材料的不同而異。熒光燈光譜性能好，發(fā)光效率較高，功率較小，與白熾燈相比壽命較長（12000h），成本相對較低。因熒光燈自身發(fā)熱量較小，可以貼近植物進行照明，適用于立體栽培，但熒光燈光譜布局不合理，國際上比較常用的方法是增設反光罩，盡量增加栽培區(qū)作物的有效光源成分。日本adv-agri公司還開發(fā)了新型補光光源HEFL，HEFL實際上屬于熒光燈范疇，是冷陰極熒光燈（CCFL）及外部電極熒光燈（EEFL）的總稱，是一種混合電極熒光燈。HEFL燈管極細，直徑僅4mm 左右，長度按照栽培需要可從450mm調(diào)節(jié)到1200mm，算是常規(guī)熒光燈的改進版。

■ 金屬鹵化物

金屬鹵化物燈是在高壓水銀燈的基礎上，通過在放電管內(nèi)添加各種金屬鹵化物（溴化錫、碘化鈉等）而形成的可激發(fā)不同元素產(chǎn)生不同波長的一種高強度放電燈[5]。鹵化燈發(fā)光效率較高、功率大、光色好、壽命較高、光譜大。但由于發(fā)光效率低于高壓鈉燈，壽命也比高壓鈉燈短，目前僅在少數(shù)植物工廠使用。

■ 高壓鈉燈

高壓鈉燈屬于高壓氣體放電燈類型。高壓鈉燈是在放電管內(nèi)充高壓鈉蒸汽，并添加少量氙（Xe）和汞燈金屬的鹵化物的一種高效燈。由于高壓鈉燈具有較高的電光轉(zhuǎn)換效率同時兼顧較低制造成本，所以目前農(nóng)業(yè)設施補光應用中高壓鈉燈是最廣泛的，但由于其光譜存在光合效率低的缺點，造成能效較低的短板。另一方面高壓鈉燈所發(fā)出的光譜成分主要集中在黃橙光波段，缺少植物生長必須的紅色和藍色光譜。

■ 發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LED）作為新一代光源，具有更高的電光轉(zhuǎn)換效率，光譜可調(diào)、光合效率高等諸多優(yōu)點。LED能夠發(fā)出植物生長所需要的單色光，與普通熒光燈等補光光源相比，LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、單色光、冷光源等優(yōu)點。隨著LED的電光效率進一步提升，規(guī)模效應產(chǎn)生的成本下降，LED將成為農(nóng)業(yè)設施補光的主流設備。

通過比較，可清晰了解不同補光光源的特性，如表1所示。

移動式補光裝置

光照強弱與作物的生長密切相關，植物工廠中多采用立體栽培，但受栽培架結(jié)構(gòu)所限，層架間的光照、溫度分布不均，這樣會影響作物的產(chǎn)量，收獲期也不同步。北京一公司在2010年已成功開發(fā)手動升降補光裝置，其原理是通過搖動搖柄轉(zhuǎn)動小型卷膜器帶動傳動軸及固定在其上面的繞線器轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)收放鋼絲繩的目的，吊掛補光燈鋼絲繩通過多組換向輪與升降器的繞線輪連接，從而達到調(diào)整補光燈高低的效果。2017年上述公司設計開發(fā)了新型移動式補光裝置，該裝置可以根據(jù)作物生長需求實時自動調(diào)節(jié)補光高度。該調(diào)節(jié)裝置現(xiàn)安裝在3層式光源升降式立體栽培架上，裝置頂層為光照情況最好的層級，所以配置高壓鈉燈；中間層及底層配置可升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 安裝LED燈具， 可根據(jù)光傳感器的檢測信號，自動調(diào)節(jié)補光燈高度，為作物提供合適的光照環(huán)境。

相對于為立體栽培量身訂制的移動式補光裝置，荷蘭開發(fā)了一種可水平移動的補光燈裝置。為了免于陽光下補光燈的陰影對植物生長的影響，可將補光燈沿水平方向通過伸縮式滑道推向支架兩邊，讓陽光全面照射到植物上；沒有太陽光的陰雨天，可將補光燈推向支架中間，使補光燈的光照均勻地給植物補光；通過支架上的滑道水平方向移動補光燈，避免了頻繁地拆裝和搬動補光燈，降低了員工的勞動強度，有效提高了工作效率。

典型作物補光系統(tǒng)設計思路

從移動式補光裝置的設計不難看出，植物工廠補光系統(tǒng)的設計通常以不同作物生育期的光照強度、光質(zhì)和光周期參數(shù)以及末端調(diào)控特殊手段最為設計的核心內(nèi)容，依賴智能控制系統(tǒng)來執(zhí)行實施，達到節(jié)能高產(chǎn)的終極目標。

目前，有關葉菜的補光設計構(gòu)建已逐漸成熟。舉例來說，葉菜可分為苗期、生長中期、生長后期和末端處置4個階段；果菜可分為苗期、營養(yǎng)生長期、開花階段、采收階段。從補光光照強度屬性來說，苗期光照強度應略低，在60~200 μmol/(m?·s)，隨后逐漸增大。葉菜最高可至100~200 μmol/(m?·s)，果菜可達300~500 μmol/(m?·s)，以保障各生育期植物光合作用對光照強度的要求，實現(xiàn)高產(chǎn)的需要；對光質(zhì)而言，紅藍比例至關重要。苗期為了增加苗質(zhì)量，防止徒長，一般把紅藍比例設置在較低水平[(1~2):1]，隨后逐漸降低，以滿足植物光形態(tài)建成的需求，可將葉菜紅藍光比設置(3~6):1。對光周期而言，與光照強度類似，應呈現(xiàn)隨生育期延長而增加的趨勢，以使得葉菜有更多地光合時間進行光合作用。果菜的補光設計會更加復雜，除上述基本規(guī)律外，應重點關注開花期的光周期設置，必須促進蔬菜的開花結(jié)果，以免適得其反。

值得提出的是，光配方應包括末端處置光環(huán)境設置內(nèi)容，比如通過連續(xù)補光可大幅提高水培葉菜苗菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，或者通過UV處理可顯著提高芽菜和葉菜（尤其是紫葉和紅葉生菜）的營養(yǎng)品質(zhì)。

除了對特選作物進行優(yōu)化補光外，一些人工光型植物工廠的光源控制系統(tǒng)近年來也發(fā)展迅速，這種控制系統(tǒng)一般是基于B/S架構(gòu)，通過WIFI實現(xiàn)遠程操控對作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因素進行自動控制，不受外界條件制約的生產(chǎn)方式。這種智能補光系統(tǒng)，采用LVD無極燈作為補光光源，結(jié)合遠程智能控制系統(tǒng)，能夠滿足植物波長光照需求，特別適合應用于光控植物設施栽培環(huán)境，可以很好地滿足市場需求。

結(jié)束語

植物工廠被認為是21世紀解決世界資源、人口和環(huán)境問題的重要途徑，是未來高科技工程中實現(xiàn)食物自給的重要方式。作為新型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，植物工廠還處于學習與成長階段，需要投入更多的關注與研究。本文闡述了植物工廠中常見的補光照明方法的特性與優(yōu)點，介紹了典型作物補光系統(tǒng)的設計思路，通過比較不難發(fā)現(xiàn)，為應對連陰天、霧霾等惡劣天氣導致的弱光寡照逆境，同時保障設施作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，LED光源裝備最為符合當前發(fā)展趨勢。

未來植物工廠的發(fā)展方向應側(cè)重新型高精度、低成本傳感器和遠程可控的、可調(diào)光譜的補光照明裝置系統(tǒng)及專家化控制系統(tǒng)。同時，未來植物工廠將向低成本化、智能化、自適應化不斷發(fā)展。LED光源的使用和普及為植物工廠高精度環(huán)境控制提供保障，LED光環(huán)境調(diào)控是一個復雜的過程，涉及光質(zhì)、光照強度、光周期等綜調(diào)控，有待相關專家學者對人工光植物工廠LED補光照明進行深入研究與使用推廣。