植物工廠補(bǔ)光照明方法現(xiàn)狀與趨勢(shì)
光作為重要的物理環(huán)境因子，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和物質(zhì)代謝均起到關(guān)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(shí)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(shí)。
植物工廠將現(xiàn)代工業(yè)、生物科技、營(yíng)養(yǎng)液栽培和信息技術(shù)等相結(jié)合，對(duì)設(shè)施內(nèi)環(huán)境因子實(shí)施高精度控制，具有全封閉、對(duì)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(diǎn)，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(duì)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(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和物質(zhì)代謝均起到關(guān)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(shí)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(shí)。
植物對(duì)光照的需求
植物的生命活動(dòng)離不開光照，光是植物光合作用的唯一能量來源，光照強(qiáng)度、光質(zhì)(光譜)及光的周期性變化對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育具有深刻影響，其中以光照強(qiáng)度對(duì)植物的光合作用影響最大。
光照強(qiáng)度
光照的強(qiáng)弱能改變作物的形態(tài)，如開花、節(jié)間長(zhǎng)短、莖的粗細(xì)及葉片的大小與薄厚。植物對(duì)光照強(qiáng)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(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)均比較高，在人工光植物工廠中作物對(duì)光照強(qiáng)度的相關(guān)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(duì)設(shè)計(jì)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(duì)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(lǐng)域亦稱為光量子。波長(zhǎng)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(zhǎng)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?qǐng)D譜，其中葉綠素吸收光譜集中在紅藍(lán)波段，照明補(bǔ)光系統(tǒng)是根據(jù)作物的光譜需求進(jìn)行人工補(bǔ)光，以促進(jìn)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(zhǎng)(或光期時(shí)間)之間的相互關(guān)系稱為植物的光周性。光周性與光照時(shí)數(shù)密切相關(guān)，光照時(shí)數(shù)是指作物被光照射的時(shí)間。不同的作物，完成光周期需要一定的光照時(shí)數(shù)才能開花結(jié)實(shí)。按照光周期的不同，可分為長(zhǎng)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(shí)數(shù);短日照作物，如洋蔥、大豆等，需要12~14h以下的光照時(shí)數(shù);中日照作物，如黃瓜、番茄、辣椒等，在較長(zhǎng)或者較短的日照下，都能開花結(jié)實(shí)。
環(huán)境三要素中，光照強(qiáng)度是選擇人工光源的重要依據(jù)，目前對(duì)光照強(qiáng)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/m2。
(3)光合有效光量子流密度PPFD 或PPF即單位時(shí)間、單位面積上到達(dá)或通過的光合有效輻射的光量子數(shù)，單位：mol/(m2s)。主要指與光合作用直接有關(guān)的400~700nm的光照強(qiáng)度。也是植物生產(chǎn)領(lǐng)域最常用的光照強(qiáng)度指標(biāo)。
典型補(bǔ)光系統(tǒng)的光源分析
人工補(bǔ)光是通過安裝補(bǔ)光系統(tǒng)，提高目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的光照強(qiáng)度或延長(zhǎng)光照時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)植物對(duì)光的需求。一般來說，補(bǔ)光系統(tǒng)包括補(bǔ)光設(shè)備、電路及其控制系統(tǒng)。補(bǔ)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(diǎn)，已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰了，故本文不做詳細(xì)分析。
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(zhǎng)(12000h)，成本相對(duì)較低。因熒光燈自身發(fā)熱量較小，可以貼近植物進(jìn)行照明，適用于立體栽培，但熒光燈光譜布局不合理，國(guó)際上比較常用的方法是增設(shè)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(bǔ)光光源HEFL，HEFL實(shí)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(xì)，直徑僅4mm 左右，長(zhǎng)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(jìn)版。
金屬鹵化物燈 在高壓水銀燈的基礎(chǔ)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(zhǎng)的一種高強(qiáng)度放電燈。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 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(shí)兼顧較低制造成本，所以目前農(nóng)業(yè)設(shè)施補(bǔ)光應(yīng)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(diǎn)，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(zhǎng)必須的紅色和藍(lán)色光譜。
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(diǎn)。LED能夠發(fā)出植物生長(zhǎng)所需要的單色光，與普通熒光燈等補(bǔ)光光源相比，LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、單色光、冷光源等優(yōu)點(diǎn)。隨著LED的電光效率進(jìn)一步提升，規(guī)模效應(yīng)產(chǎn)生的成本下降，LED將成為農(nóng)業(yè)設(shè)施補(bǔ)光的主流設(shè)備。
通過比較，可清晰了解不同補(bǔ)光光源的特性，如表1所示。
移動(dòng)式補(bǔ)光裝置
光照強(qiáng)弱與作物的生長(zhǎng)密切相關(guān)，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(huì)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(dòng)升降補(bǔ)光裝置，其原理是通過搖動(dòng)搖柄轉(zhuǎn)動(dòng)小型卷膜器帶動(dòng)傳動(dòng)軸及固定在其上面的繞線器轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)收放鋼絲繩的目的，吊掛補(bǔ)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(dá)到調(diào)整補(bǔ)光燈高低的效果。2017年上述公司設(shè)計(jì)開發(fā)了新型移動(dòng)式補(bǔ)光裝置，該裝置可以根據(jù)作物生長(zhǎng)需求實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)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(jí)，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(cè)信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)光燈高度，為作物提供合適的光照環(huán)境。
相對(duì)于為立體栽培量身訂制的移動(dòng)式補(bǔ)光裝置，荷蘭開發(fā)了一種可水平移動(dòng)的補(bǔ)光燈裝置。為了免于陽(yáng)光下補(bǔ)光燈的陰影對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，可將補(bǔ)光燈沿水平方向通過伸縮式滑道推向支架兩邊，讓陽(yáng)光全面照射到植物上;沒有太陽(yáng)光的陰雨天，可將補(bǔ)光燈推向支架中間，使補(bǔ)光燈的光照均勻地給植物補(bǔ)光;通過支架上的滑道水平方向移動(dòng)補(bǔ)光燈，避免了頻繁地拆裝和搬動(dòng)補(bǔ)光燈，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高了工作效率。
典型作物補(bǔ)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路
從移動(dòng)式補(bǔ)光裝置的設(shè)計(jì)不難看出，植物工廠補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常以不同作物生育期的光照強(qiáng)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(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，依賴智能控制系統(tǒng)來執(zhí)行實(shí)施，達(dá)到節(jié)能高產(chǎn)的終極目標(biāo)。目前，有關(guān)葉菜的補(bǔ)光設(shè)計(jì)構(gòu)建已逐漸成熟。舉例來說，葉菜可分為苗期、生長(zhǎng)中期、生長(zhǎng)后期和末端處置4個(gè)階段;果菜可分為苗期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、開花階段、采收階段。從補(bǔ)光光照強(qiáng)度屬性來說，苗期光照強(qiáng)度應(yīng)略低，在60~200 mol/(m2s)，隨后逐漸增大。葉菜最高可至100~200 mol/(m2s)，果菜可達(dá)300~500 mol/(m2s)，以保障各生育期植物光合作用對(duì)光照強(qiáng)度的要求，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的需要;對(duì)光質(zhì)而言，紅藍(lán)比例至關(guān)重要。苗期為了增加苗質(zhì)量，防止徒長(zhǎng)，一般把紅藍(lán)比例設(shè)置在較低水平，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(lán)光比設(shè)置(3~6):1。對(duì)光周期而言，與光照強(qiáng)度類似，應(yīng)呈現(xiàn)隨生育期延長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)，以使得葉菜有更多地光合時(shí)間進(jìn)行光合作用。果菜的補(bǔ)光設(shè)計(jì)會(huì)更加復(fù)雜，除上述基本規(guī)律外，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注開花期的光周期設(shè)置，必須促進(jìn)蔬菜的開花結(jié)果，以免適得其反。值得提出的是，光配方應(yīng)包括末端處置光環(huán)境設(shè)置內(nèi)容，比如通過連續(xù)補(bǔ)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(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。
除了對(duì)特選作物進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控對(duì)作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度等環(huán)境因素進(jìn)行自動(dòng)控制，不受外界條件制約的生產(chǎn)方式。這種智能補(bǔ)光系統(tǒng)，采用LVD無極燈作為補(bǔ)光光源，結(jié)合遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，能夠滿足植物波長(zhǎng)光照需求，特別適合應(yīng)用于光控植物設(shè)施栽培環(huán)境，可以很好地滿足市場(chǎng)需求。
結(jié)束語(yǔ)
植物工廠被認(rèn)為是21世紀(jì)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(shí)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(xué)習(xí)與成長(zhǎng)階段，需要投入更多的關(guān)注與研究。本文闡述了植物工廠中常見的補(bǔ)光照明方法的特性與優(yōu)點(diǎn)，介紹了典型作物補(bǔ)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，通過比較不難發(fā)現(xiàn)，為應(yīng)對(duì)連陰天、霧霾等惡劣天氣導(dǎo)致的弱光寡照逆境，同時(shí)保障設(shè)施作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，LED光源裝備最為符合當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)。未來植物工廠的發(fā)展方向應(yīng)側(cè)重新型高精度、低成本傳感器和遠(yuǎn)程可控的、可調(diào)光譜的補(bǔ)光照明裝置系統(tǒng)及專家化控制系統(tǒng)。同時(shí)，未來植物工廠將向低成本化、智能化、自適應(yīng)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(gè)復(fù)雜的過程，涉及光質(zhì)、光照強(qiáng)度、光周期等綜調(diào)控，有待相關(guān)專家學(xué)者對(duì)人工光植物工廠LED補(bǔ)光照明進(jìn)行深入研究與使用推廣。(作者: 趙靜，周增產(chǎn)，卜云龍等)
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