人工光植物工厂特殊光照模式及其应用策略

刘文科，吴启保，邵明杰

(1.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；2.深圳信息职业技术学院 智能制造与装备学院，广东 深圳 518172)

引言

人工光植物工厂是设施园艺发展的高级形式，具有生产要素控制精度高、资源利用率高、周年连续生产、农产品安全洁净无污染等优势，是未来设施园艺发展的必然趋势[1,2]。但是，人工光植物工厂设施建造、设备安装和运行费用较高，要想实现高效盈利生产必须研发技术手段提高其植物生产力，提高植物生长速率，缩短生育期，提高营养品质，减少能源和资源消耗，达到高产优质高效的目标。LED光源取代荧光灯在植物工厂中的应用大幅度降低了能耗，同时LED光源可以按照植物生理需求调制光谱，并能按照植物生产的时空需求智能控制光环境，达到较高的生物光效和农学效益。因此，LED光源光电优势为人工光植物工厂提供了多种特殊的光照模式，比如连续光照、交替光照、间歇光照，可以基于植物生理响应特征设计光照策略，最大程度获得生物量和健康有益物质。

光照模式是指人工光源下人工光环境属性的光强、光质、光周期动态变化规律。自然光条件下，光照呈现出昼夜交替、光强为抛物线变化的动态规律，而LED光源下借助智能控制系统，可以任意设计光照模式，比较典型的光照模式包括连续光照、交替光照、间歇光照。近几年，连续光照、交替光照、间歇光照模式对植物生长、产量和营养品质影响的研究多有报道，优化筛选出诸多对应的高效光质组合及其时间转换方式(交替、叠加、复合、拆减)、适宜光强参数及转换方式(置零、增加和递减)，为这些特殊光照模式的植物工厂应用提供了科学依据。同时，特殊光照模式的技术化应用需要光环境智能可调的LED灯和智能控制系统的支撑，相关研制工作正在逐步推进。本文归纳总结了国内外有关连续光照、交替光照、间歇光照对设施植物生长发育及产量品质影响的研究进展，提出了人工光植物工厂LED光源实施特殊光照提高植物生产力的应用策略。

1 连续光照的概念及应用策略

连续光照是指打破植物24 h明暗期交替的自然光照模式，给植物提供连续24 h的光照条件[3,4]。很显然，连续光照具有不中断、无暗期和属性特征随时空可调控三个基本特征，因此连续光照在时间序变化上连续光照属性特征可以是恒定模式和动态模式两种。前者是指连续光照的光强和光质被固定的连续光照，后者是指连续光照的光强和光质要按一定规律动态变化的光照模式。连续光照的属性特征不仅包括光强、光质的基本要素，也包含特定要素及其组合的持续时长以及转换规律。因此，连续光照的变化多样性高，可从多个植物生理层面调控植物生长发育和产量品质，应用前景广阔。按持续光照的天数来分，可将连续光照划分为两类，即短期连续光照(3 d以内)和长期连续光照(3 d以上)。

短期连续光照和长期连续光照对设施植物生长、产量和品质均有调控作用，其主要机制是延长植物光合作用时长，消除暗期及暗期呼吸消耗，提高生物量和光合产物合成与累积数量。通常，在水培叶菜采收前进行2～3 d的LED红蓝光或红蓝绿光连续光照可显著提高水培生菜地上部产量和营养品质[5-8]，该技术已广泛应用于人工光植物工厂水培叶菜生产实践，具有成本低、易操作、效果好、无负效应等优点。长期连续光照对设施植物生理的影响取决于植物种类和品种，按照植物对长期连续光照适应性的差异分为连续光照敏感型植物种类和品种、连续光照适应型植物种类和品种。两类植物需分别采取不同的长期连续光照应用策略，以获得最大化应用效益。对连续光照伤害敏感性植物种类或品种可采纳三种应用方式。其一，采收前短期应用连续光照，提高产量品质，克服水培叶菜品质低问题。其二，可在植物生长期某段时间长期应用6～9 d，提高产量品质，不产生伤害。其三，制定合理的调控方案，在变温管理、光质交替等协同措施下长期连续光照，提高产量品质，不产生伤害。对连续光照适应性植物种类或品种可采纳直接应用的方式，需要基于节能、高效的原则制定成套的连续光照光环境参数、动态模式和控制方式，可获得较好的产量品质效应。

2 交替光照概念及其应用策略

交替光照是指在人工光植物工厂中照明光源的光质及其数量属性在植物生长发育过程中按一定规则、策略变化供给光或光质，存在的规律性时空变化，以达到增加产量，提高品质的目的。交替光照包括完全交替光照和叠加交替光照两类，即持续光照时段内两种或多种光质在时间序按照一定规律交替出现或叠加出现的循环照明方式[9,10]。交替光照需要借助自动化控制系统和具有独立光质的LED光源，只存在可控环境人工光植物工厂中。交替光照因交替频率、交替光质种类及其强度不同呈现出多样性的光照策略，从而影响植物的生长、产量甚至营养品质。

已有报道表明，交替光照模式中存在最优的技术参数，可提高产量和品质。Jishi等[9]研究了LED红蓝光组合的光照模式对生菜生长和形态的影响，在24 h光周期里光强有一定的变化。试验1中，红蓝光光强为90 μmol·m-2·s-1，光周期为每天14 h。红光开始照射时间与蓝光启动的时间同时进行或延迟1 h、4 h或7 h。结果表明，红光启动时间比蓝光延迟4 h和7 h的处理生菜地上部鲜重显著高于红蓝光同时启动光照模式。结果表明，植物生长可通过单纯地时间位移红蓝光照射时段提高产量。Chen等[10]研究了LED红蓝光交替对生菜生长和营养品质的影响，设计了四种交替光处理，具有相同的8.64 μmol·m-2的光合有效辐射日总量(daily light integral,DLI)和相似的R∶B为2∶1，但在红蓝交替间隔时间上不同，分别是在16 h光周期内8 h、4 h、2 h和1 h。6种处理具有相同DLI，但红蓝光交替和同时发生。结果表明，不同交替类型的光照导致生菜明显的形态、生物量和营养品质变化。生长在红蓝光同时照射8 h处理的植物比红蓝光同时辐射16 h的植株更稀疏，后者更紧实。植株高度、宽度和叶片长度和宽度均以红蓝光8 h交替最好，其次是1 h交替。生菜生物量以红蓝光同时照射16 h最高，是红蓝光同时照射8 h，红蓝光4 h交替和2 h交替的2倍多，是红蓝光8 h交替和1 h交替处理生物量的不到2倍。与其他处理相比，红蓝光同时照射16 h显著降低了可溶性糖含量9%～32%，增加了粗纤维含量14%～39%。显著高的抗坏血酸含量和较低的硝酸盐含量出现在红蓝光4 h交替和2 h交替处理的生菜，相对低的抗坏血酸含量和较高的硝酸盐含量出现在红蓝光8 h交替和1 h交替处理。基于相同的能量消耗，与同时照射红蓝光相比，红蓝光8 h交替和1 h交替处理可导致较高的产量，而红蓝光4 h交替和2 h交替处理可获得较高的营养。

将交替光照模式嵌入到连续光照中，可以进一步提升光照的生理效应，提高植物生产力。Ohtake等[11]研究了6.9 mol·m-2·d-1日光照量和连续光照条件下LED红蓝光交替对生菜生长和营养品质的影响。结果表明，与荧光灯和红蓝光处理相比，红蓝光交替显著加速了生菜的生长，生菜具有更高的同化速率和总的及高吸光叶面积。而且，叶片中糖、抗坏血酸、花青素含量较高。因此，连续光照时采用红蓝交替模式可进一步促进生菜生长且提高营养品质。Shao等[12]发现，与LED红蓝光恒定光强(150 μmol·m-2·s-1)光照模式相比，LED红蓝光强光(500 μmol·m-2·s-1)交替可以提高生菜产量和品质，20 d后以交替强光1 h处理生菜地上部干鲜重和叶面积最大，其次是2 h处理。

3 间歇光照概念及其应用策略

通常，自然光条件下在24 h昼夜节律中只包含1个明暗期循环，但在人工光植物工厂中可以设置不同的昼夜节律，而且在同一个昼夜节律内可设置2个以上明暗期循环周期，形成间歇光照。间歇光一般时长在min至 h数量级上，明暗期循环2次以上。若间歇光时长过低，达到毫秒或微秒级，间歇光就变成频率较高的脉冲光了。已有报道表明，间歇光照模式中存在最优的技术参数，可提高产量和品质。Chen和Yang[13]研究了24 h内明期LED红蓝光连续光照、间歇光照对生菜生长和碳水化合物累积的影响。六个处理中红蓝光处理的光周期都是16 h每天，其中红蓝光连续光照处理仅一个明暗期(16 h/8 h)，作为对照。五个红蓝光间歇处理的敏感期处理分别为8 h/4 h、6 h/3 h、4 h/2 h、3 h/1.5 h、2 h/1 h。结果表明，与明期内连续光照处理相比生菜地上部生物量在8 h/4 h、4 h/2 h、3 h/1.5 h、2 h/1 h间歇光照处理下显著增加，而6 h/3 h处理降低了明其内生菜地上部生物量。8 h/4 h处理具有较高的己糖/蔗糖比率、蔗糖降解酶活性，较弱的蔗糖合成酶活性。8 h/4 h、6 h/3 h 处理下可溶性糖(尤其是果糖)含量较高，粗纤维和淀粉含量较低。与对照比较，所有间歇处理显著提高了生菜中的果糖含量。8 h/4 h和6 h/3 h处理通过提高天都和脆度增加了生菜的口味，而6 h/3 h处理同时增加了地上部生物量(干重)。比如，相同光周期下的明暗期交替。Sivakumar 等[14]比较了间歇光与持续光对甜土豆组培苗的作用效果，结果发现间歇供应的红蓝混合光下土豆苗的干重以及碳水化合物含量均高于持续供应的红蓝混合光。

4 结语

连续光照、交替光照和间歇光照是具有重要植物生理效应的特殊光照模式，三种光照模式中均存在最优的技术参数，可以在不增加电能投入的前提下提高光能利用效率，提高设施植物的产量和品质。因此，连续光照、交替光照和间歇光照在LED光源植物工厂中具有重要应用价值，需要针对特定植物种类及品种加快光照技术参数的筛选、整合和实践验证。同时将三种光照模式集成到植物工厂光环境管理策略中，发挥系统优势，大幅度提高植物生产力，提高植物工厂系统的生产效率，推进植物工厂照明技术和产业发展。