人工光在植物工厂中的应用

刘文科，杨其长

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081)

引言

农业是国民经济的基础，它是依靠动物、植物和微生物自然生长发育功能和繁育机能达到了规模化生产目的生物生产方式。万物生长靠太阳，太阳光是地球生物赖以生存的能量来源，是露地农业不可或缺的环境条件，光照条件的好坏直接决定着农业生产能否获得优质高产。然而，在传统农业中，光照条件通常无法调节，受天气条件控制。随着人们对农业生物环境条件需求特性的逐步认识，环境条件可控的设施农业应运而生，为光环境、温度、湿度、CO2浓度等因子调控提供了条件。设施农业是具有一定设施，能在局部范围改善和创造环境气象因素，为动植物的生长发育提供良好的环境条件，进行有效农业生产的现代农业模式。设施农业按照生产农业生物的种类来分，主要包括设施园艺和设施养殖两大部分。设施养殖主要有水产养殖和畜牧养殖两大类。我国是设施农业大国，2012年设施蔬菜栽培面积已接近380万公顷，产值5800多亿元；同期我国食用菌生产总量达3000万吨，产值超过1500亿元，占世界总产量的70%以上，设施蔬菜与食用菌产量均居世界首位。现今，根据设施条件和设施内环境因子控制水平来分，我国园艺设施类型主要包括小拱棚、塑料大棚、日光温室、连栋温室和植物工厂(Plant factory)等几类。通常，随着设施内环境因子控制精度的提高，设施园艺生产过程受到自然环境影响的程度降低，集约化程度增加，周年生产效能和系统稳定性提高。植物工厂作为环境因子控制精度最高的设施园艺类型，被誉为是设施园艺的最高形式，是未来设施园艺发展的必然趋势和顶级阶段，在解决世界资源环境与粮食安全问题，拓扩耕地资源和农业生产空间，促进农业可持续发展上具有重要价值。

1 植物工厂的概念与优势

植物工厂是一种通过设施内高精度环境控制，实现作物周年连续生产的高效设施农业系统，是由计算机对作物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境要素进行自动控制，不受或很少受自然条件制约的全新生产方式[1]。植物工厂被国际上公认为设施农业的最高级发展阶段，是衡量一个国家农业高技术水平的重要标志之一。植物工厂按光照来源可分为人工光植物工厂和太阳光植物工厂两种[1]。前者指在完全密闭可控的环境下采用人工光源与营养液栽培技术，在不受外界气候条件影响的环境下，进行植物周年生产的植物工厂。后者指在半密闭的温室环境下，主要利用太阳光或短期人工补光以及营养液栽培技术进行植物周年生产的植物工厂。植物工厂在反季节蔬菜、花卉、果品和食用菌生产方面具有重要用途，而且在种苗、组培苗、大田作物育苗(水稻、烟草等)和濒危植物(中草药)扩繁与生产中具有独特的用途。目前，我国已出现了蔬菜工厂、种苗工厂、植物组培工厂等形式。植物工厂具有露地农业生产无法比拟的优势，具体表现为：(1)不受外界气候条件影响，可进行计划性周年连续生产；(2)可实施多层立体栽培，单位面积产量高，土地资源利用率高；(3)机械化、自动化程度高，劳动强度低，工作环境舒适；(4)洁净程度高，无病虫害，不使用农药，产品安全无污染；(5)可在非可耕地上生产，也可建在城市周边或市区，就地生产销售[2]。最后，植物工厂环境因子控制精度高，植物生长快，不仅缩短生长周期，且确保了植物苗生长的一致性。据估算，以生产叶菜为例，人工光植物工厂的生产效能约为露地生产的40～108倍[3]，农业生产效率获得极大地提升。

2 植物工厂人工光应用领域及必要性

2.1 植物工厂人工光应用领域

实际上，按照人工光在植物工厂中的应用目的来分，可分为光生物学和光化学两个应用领域(见表1)，通过光生物和光化学反应，人工光调控为植物工厂的可持续生产与优质高产提供技术支持。

表1 人工光在植物工厂中的应用领域、作用与目标Table 1 Fields，functions and targets of artificial lighting application in plant factory

2.2 人工光光生物学应用必要性

光作为环境信号和光合作用的能量的唯一来源，是设施植物生长发育和产量品质形成的必需环境要素。就太阳光植物工厂而言，人工补光十分必要。自然界中，太阳光照随地理纬度、季节和天气状况的不同而变化，高纬度地区光照时间不足、低纬度地区因阴雨雪雾天气、雾霾等恶劣天气，以及大气污染和浮尘等因素的影响，致使日光温室、塑料大棚等设施内光环境(光强、光质和光周期)不能满足设施作物的生长发育与产量品质形成的需求，光照时间不够、光照强度不足和光质欠缺现象普遍，限制了设施园艺生产潜力。另外，就人工光植物工厂而言，人工光环境调控更为必要。完全人工光栽培产业(植物组织培养、育苗工厂、蔬菜工厂和食用菌工厂等)更需要人工光来为农业生物生长发育和繁殖提供适宜的光环境，光环境胁迫将导致减产甚至绝收。人工补光主要应对弱光寡照和短日照危害，调控植物的光合作用和光周期，促进植物的生长发育和开花结果。而人工光环境调控是个复合过程，涉及时间尺度上的光强、光质和光周期等的数量和质量因素的综合调控，是未来人工光植物工厂必需实现和满足的技术手段。

2.3 人工光光化学应用必要性

营养液管理是植物工厂生产和设施无土栽培的核心。为了实现营养液的循环利用，避免因废弃营养液排放造成的环境污染，国际上正逐步以封闭式无土栽培系统取代开放式无土栽培系统，这必然成为设施园艺特别是植物工厂营养液管理发展的必然趋势。封闭式营养液栽培系统中营养液可循环利用(进行必要的水和养分的补充调节)，具有环境友好，水分和养分利用率高的优点，在世界范围内正在积极研发和应用。

与露地栽培相似，在封闭式无土栽培系统连续栽培蔬菜过程中，因蔬菜根系分泌有机酸等自毒物质的累积，常诱发连作障碍，造成蔬菜生长抑制和产量下降。研究表明，常见的蔬菜种类如黄瓜、番茄、芦笋和生菜等都可通过根系分泌途径向营养液中释放有机酸等自毒物质，在连续栽培过程中自毒物质的大量累积抑制了蔬菜的生长，造成蔬菜产量下降[4、5]。另外，有机栽培基质(如稻壳)在栽培过程中也会释放出植物毒性物质，影响蔬菜的生长与产量[6]。Lee等(2006)[4]发现，生菜栽培二次利用的营养液中累积了大量有机酸，对其生长产生危害。同时，营养液中大量有机物质的存在易孳生病原菌，发生病害。因此，在封闭式营养液栽培系统中，营养液自毒物质和微生物的去除是非常必要的，有效去除自毒物质将避免连作障碍的发生，提升封闭式营养液栽培系统的可持续生产能力。目前，纳米级二氧化钛(TiO2)光催化法是营养液质量控制较为有效的方法。该方法是利用TiO2材料吸收紫外光所产生的强氧化效应，将吸附到其表面的有机物分解成二氧化碳，达到杀死微生物和去除自毒物质的目的。其实，光催化可以在紫外光、可见光或红外光照射下发生，是光催化剂吸收光后发生的化学反应[6]。目前，人们正试图通过掺杂、半导体复合和协同催化等手段提高光催化氧化效率。

3 植物工厂理想的人工光源：发光二极管(LED)

发光二极管(LED)是一种固态的半导体器件，是第四代电光源，可以直接将电能转化为光能。LED光源具有传统电光源无法比拟的光电特性和光谱优势，是设施农业生产人工光调控的理想光源。首先，LED体积小、重量轻、长寿命、节能、环保、安全性高；其次，LED光质纯且专一，光谱能量分布调制容易，可满足农业生物生长发育与繁殖对光质的需求，是当前唯一能够实现光质调控的新型光源；再次，LED为冷光源，可贴近生物照射，生物光效高；而且，LED为直流电可控性好，可精准调控光强、光质和光周期等，适宜工厂化生产；最后，LED光源装置形状多样(灯板、灯带、灯管和灯泡)，适于设施农业各领域的光环境调控需求[7]。由于LED可为设施农业生产提供智能化的光环境调控，实现光强、光质和光周期按需调控，因此国外学者认为LED在农业照明中的应用是近几十年来农业照明发展的最大进步，具有里程碑式的意义。光环境调控不仅可以提高农业生物生长发育的速率，而且可提高农产品的品质，比如：光环境调控能促进植物的光合作用和光形态建成，显著提高蔬菜、食用菌等可食部分的营养品质和保健功能。

4 人工光在植物工厂中的光生物学应用

植物所需光质的生物学效应包括：(1)可见光-光合有效辐射(PAR)，红蓝光用于植物生长发育，提供能量和光形态建成信号(400～700nm)；(2)UV光质调控植物(蔬菜和药用植物)的次生代谢过程(UV-B或UV-A)；(3)远红光(Fr)用于调节植物光形态建成，如植物工厂育苗。植物光质需求共识为：植物必需光质是不连续的，红光、蓝光是植物正常生长发育、完成生活史的必需光质。红蓝组合光质可替代连续全光谱光源进行植物栽培，这简化了灯具设计，降低了制造成本。另外，人工光在植物工厂中的光生物学应用还体现在其对植物的调控作用，主要包括：(1)光对植物光合作用的调控作用;(2)光对植物形态建成的调控作用；(3)光对植物产品品质的调控作用。

5 人工光植物工厂中光化学应用

TiO2的光催化特性已被广泛应用到空气、水等环境介质的污染治理中[8-9]，而在营养液的自毒物质去除应用方面也有一些报道[5-6，10-11]。Miyama等(2009)[6]采用此方法降解了无土栽培基质(稻壳)产生的植物毒性物质，降低了产量损失。Sunada等(2008)[5]用此方法降低了芦笋设施无土栽培中所分泌自毒物质的危害。该方法具有成本低、效果持久、便于应用、可控性强等优点，并且还具有公认的杀菌功能，极具研发前景。Qui等(2013)[10]选取的6种典型的植物自毒物质在纳米TiO2光催化下均可被有效降解。光催化6小时后，与对照组相比，纳米TiO2光催化处理下苯甲酸、水杨酸、阿魏酸、没食子酸、乙酸和单宁酸的降解量分别达到31.2%，51.8%，18.0%，43.0%，71.4% 和52.5%。不同自毒物质在纳米TiO2光催化下的降解率不同，这可能与其自身的结构及其水溶液的pH有关。同时，邱志平等(2013)[11]以纳米TiO2光催化系统处理水培过多茬生菜的营养液，研究了营养液中根分泌物、有效态Fe、Mn、Zn元素含量的变化，并以处理后的营养液水培生菜，研究了纳米TiO2光催化处理对水培生菜产量及品质的影响。结果表明：纳米TiO2光催化处理可有效去除营养液中累积的根系分泌物，但同时降低了有效态Fe、Mn、Zn元素含量；与对照相比，以经过纳米TiO2光催化处理后的营养液培养生菜，提高了生菜的单株鲜重、总产量、生菜叶片中叶绿素、VC及可溶性糖含量。

6 人工光在植物工厂中的应用展望

在国家节能减排和设施农业优质高产目标的推动下，随着LED技术的发展和成本的下降，LED光源在现代农业生产中的应用将越来越受到世界各国学者、LED生产企业和设施农业从业者的广泛关注。十几年来，LED光源在设施园艺中的应用技术及其光生物学基础研究已成为世界学术界关注的热点，并取得了可喜的进展，为完全LED光源植物栽培提供了科学依据。中国、美国、荷兰、日本、韩国、立陶宛等国家已对LED光源在设施农业中的应用技术开展了广泛的研究工作，并逐步把LED照明技术用于植物工厂中，成功地生产出了多种蔬菜、苗木和药用植物等。根据行业分析机构Winter Green报道，2013年全球植物工厂LED植物生长灯的产值高达12亿美元，较2012年增长了27%。然而，LED光源在植物工厂中的应用也在光生物学规律和光催化提效研究方面以及LED光源装置创新与制造方面存在一些阻碍，有待深入系统的研究。

在光生物学领域，首先植物营养与生长发育规律具有多样性和复杂性；其次农业生产领域庞杂，农业生物赋存形态各异，光环境时空需求不同；再者，光环境的数量属性(光强和光周期)、质量属性(光质和光谱)和电光源发光特性(占空比、频率)多，需要逐一研究其生物学效应。这三方面因素叠加显现了植物光生物学研究的复杂性和系统性。由于LED农业照明技术起步较晚，所以上述研究尚需时日。在光化学领域，如何拓展光催化有效光谱范围、提高光催化反应效率、研制适于营养液处理的UV-LED光源均是当前需要研究解决的技术难点。毋庸置疑，随着相关研究的不断深入，LED光源在植物工厂中的推广应用将逐年增加，应用效率将更高，也必将为植物工厂的优质高产及可持续运行提供技术支撑。

[1] 杨其长，魏灵玲，刘文科. 植物工厂系统与实践[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[2] 杨其长，张成波. 植物工厂概述[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2005.

[3] Kozai T. Plant factory in Japan-current situation and perspectives[J]. Chronica Horticulturae, 2013, 53(2): 8-11.

[4] Lee, J G, Lee B Y, Lee H J. Accumulation of phytotxic organic acids in reused nutrient solution during hydroponic cultivation of lettuce (Lactuca sativa L). Scientia Horticulture, 2006, 110:119-128.

[5] Sunada K, Ding X G, Utami M S, et al. Detoxification of phytotoxic compounds by TiO2 photocatalysis in a recycling hydroponic cultivation system of asparagus[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, 56:4819-4824.

[6] Miyama Y, Hara Y, Hashimoto K, et al. Closed soilless cultivation system of roses planted in rice hull substrate with TiO2photocatalytic treatment of waste nutrient solution[J]. Shokubutsu Kankyo Kogaku, 2012, 24:31-37.

[7] 蔡伟民，龙明策.环境光催化材料与光催化净化技术[M]. 上海：上海交通大学出版社，2011.

[8] 刘文科，杨其长，魏灵玲. LED光源及其设施园艺应用[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2012.

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[11] Qui Z P, Liu W K, Yang Q C. Photocatalytic degradation of phytotoxic substances in waste nutrient solution by various immobilized levels of nano-TiO2[J]. Water, Air & Soil Pollution, 2013, 224(3): 1461.

[12] 邱志平，杨其长，刘文科. 纳米TiO2光催化对水培生菜产量及品质的影响[J]. 华北农学报,2013, 28(2):103-107.