“月宫一号”植物舱中的LED植物照明

刘文科

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所)

2018年5月15日上午，在由北京航空航天大学研制的“月宫一号”中进行了为期370天的人类密闭生存模拟试验获得了圆满成功，创造了人类密闭生存时间的世界纪录。此次试验实现了98%系统闭合度，氧气和水100%在系统内循环再生，80%的食物循环再生。“月宫一号”是一种生物再生生命保障系统，系统是基于生态系统原理将生物技术与工程控制技术有机结合，构建由植物、动物、微生物组成的人工生态系统，人类生活所必需物质在系统内循环再生，为人类提供类似地球生态环境的生命保障。“月宫一号”的具体构造包括1个综合舱和2个植物舱，总面积160平方米，总体积500立方米。每个植物舱分隔为2个植物间，可根据不同植物生长需要独立控制环境条件，从光照、温度、养分等方面调控植物更快更好地生长发育，获取更多的人体所需的健康物质，供志愿者食用，维持生命活动。在完全没有太阳光的情况下，需要怎样的人工光照条件是“月宫一号”必需解决的技术难点问题。“月宫一号”植物栽培利用了人工光植物照明技术——LED植物照明。

LED光源具有传统光源无法比拟的太空应用优势，具有节能、环保、体积小、光效高、可调制光谱、可智能控制光环境、冷光源、坚固耐用等光电优势，可很好地满足太空条件下狭小的生物再生生命保障系统中立体栽培，提高稀缺空间的利用效率，能够满足多种植物种类对光照条件特定的需求，保障了农作物的优质高产。而且，LED运行时的低热量产出有利于减轻保障系统能量平衡的控制。LED植物照明技术助力了这次试验的成功，展现了LED光源在太空的应用前景。“月宫一号”植物舱的植物生长光源由北京航空航天大学研制，植物生长LED光源采用145只1米长100 W智能4通道植物生长灯，162只1.2米120 W智能4通道植物生长灯。植物舱中需要种植几十种作物，如大豆、油莎豆等粮食作物，以及辣椒、茄子、西红柿等茄果类作物和油菜、生菜、荆芥等蔬菜作物。因此，针对不同类型的作物、不同生长周期、不同时段，植物照明方案采用独立的“多通道”无线调光方式，以保障植物舱内各种植物对光的需求。“月宫一号”植物舱首创了4通道独立调控且峰值波长的组合符合植物光合作用吸收响应曲线，实现了在一个植物照明灯具上可以根据不同的作物的光合作用特征，在光质、光周期以及光量子通量密度上进行自由调控，为不同作物的光配方的研究工作建立了系统基础。这次世界上时间最长、闭合度最高的生物再生生命保障系统试验，实现了闭合度和生物多样性更高的“人-植物-动物-微生物”四生物链环人工闭合生态系统的长期稳定循环运转，且保持了人员身心健康，而植物照明技术装备研发是关键技术装备研发的环节之一，通过植物光合作用可产生氧气，消纳舱室内二氧化碳，对维持舱室内物质和能量平衡至关重要，并提供人体必需的维生素、微量元素和碳水化合物等营养物质。此外，绿色植物可愉悦实验舱内试验人员的心情，有利于其生理健康和精神健康。

自红光LED和蓝光LED问世以来，以LED光源为核心的植物照明技术快速发展，不仅成功应用于设施园艺规模化生产，还可用于设施植物高效补光照明(温室补光)和完全人工光植物生产照明(植物工厂)，对保障园艺作物优质高产生产，实现高效、智慧农业具有重要意义。而且，LED植物照明实现了诸多特殊场所的植物生产，满足了特殊人群对新鲜蔬菜等农产品的需求。譬如，利用LED植物照明技术装备，已经实现了在太空、海岛、舰艇、极地、家庭、荒漠、戈壁等场所的植物生产，其多元应用价值引起了广泛的关注。目前我国植物照明已经成为LED照明应用领域较大的细分市场之一，其市场潜在规模巨大。随着科研人员逐步揭示更多植物的光质生理学规律，以及植物照明光配方数据库的逐步建立和智能控制系统的不断开发，LED植物照明已成为衡量国家农业高技术水平的重要标志之一，未来LED植物照明必将在现代农业生产中获得更大规模的应用。