基于LED光源优势的植物工厂光照策略探讨

刘文科 查凌雁 邵明杰

|摘要| LED是半导体固态电光源，具有节能、光效高、寿命长、响应快、环保、体积小和坚固耐用等众多传统光源无法比拟的光电优势，更兼具按需调制光谱、智能控制和冷光源等在植物工厂应用中的独特优势，被誉为人工光植物工厂的理想光源。LED光源所提供的光环境（光质和光强及其持续时长）及其时间转换智能可控的特性赋予了LED在植物工厂中应用的诱人潜力和广阔前景。因此，LED光源植物工厂具备调控智慧生产光环境的能力，通常可以在纳米波长光质、PPFD基本单位光强和分钟尺度时长等方面对光环境进行管控，也可实现内涵丰富的连续光照、间歇光照和交替光照等特殊光照模式及其集成应用。对植物工厂光照策略的制定，应针对各种植物种类及品种构建出集成了多种光照模式的光照策略，实现提高植物生产力和植物工厂生产效率的光调控目标。因此，应加强对各种光照模式植物生理效应和能耗的研究和评价，筛选出基于植物种类或品种的适宜集成机制，以获得高效节能的植物工厂光照策略。

引言

人工光植物工厂是设施园艺发展的必然趋势和高级阶段，是一种颠覆性的土地利用方式和农作方式，可以通过替代或补充传统设施园艺生产方式实现我国设施园艺科技和产业的跨越式发展，并解决当前我国设施园艺以简易设施（日光温室和塑料大棚）、土壤栽培和设施内被动式环控为特征的生产方式中的诸多的资源、环境和生产效率问题，也是实现21世纪农业可持续发展和食物安全保障的有效途径[1]。光照是植物赖以生存的关键环境因子，光照通过光合作用提供能量和环境信号调控植物的生长发育和产量品质[2]。光照不仅有光强、光周期和照射时长等数量属性，也有光谱能量分布（光质）和昼夜节律等质量属性，这些属性都决定着电能投入量。因此，光照调控是提高人工光植物工厂生产效率的重要手段。相对传统光源（如荧光灯），LED是半导体固态电光源，具有节能、光效高、寿命长、响应快、环保、体积小和坚固耐用等众多传统光源无法比拟的光电优势[2]。LED光源被誉为植物工厂应用的优选光源，植物工厂也是LED光源设施园艺应用的最佳场所，LED植物工厂已成为人工光植物工厂发展的基本方向。LED光源植物工厂的研发与应用激发了植物工厂产业和农业照明产业的活力，成为农业和照明行业跨界交叉发展的原动力和产业增长点，同时也促进了植物光质生理学的学科发展。

LED光源在植物工厂中应用的优势

除了节能、光效高、寿命长、响应快、环保、耐用、體积小等共性应用优势外，LED光源在植物工厂中应用拥有3点优势，主要表现在以下几个方面。首先，LED可按需调制光谱，按需用光。LED可按植物生长发育需求调制光谱，形成特定的光照配方，实现按需用光，植物光效高。其次，LED光源光环境可以进行智能控制，实现规律性动态光照。从时间角度，LED可精准调控所发射光的光强、光质和光周期等属性，实施实时转换的规律性动态光照，适宜工厂化生产，有助于植物工厂智慧生产。最后，LED光源为冷光源，可贴近叶片照射。LED灯发光面下无热量散失，热负荷小，可贴近植物照射，近距离照射可提高植物工厂空间利用率和栽培密度。总之，LED光源所提供的光环境可塑性和可控性强，光质、光强及其持续时长等属性的时间转换智能可控，凸显了其在植物工厂中的内涵式应用、诱人潜力和广阔前景。

LED光源的应用推进了人工光植物工厂光环境调控及其植物生理响应机制的研究，丰富了植物工厂光照模式和控制策略内涵。在太阳光照射下，露地植物的光照质量和数量属性相对恒定，并按照昼夜、季节、海拔和纬度等因素发生时空规律性变异。但是，太阳光照也会受到天气情况、大气污染程度、设施类型及覆盖物种类等因素的影响，是具有昼夜间歇的相对固定的动态光照，无法精准调控。在人工光植物工厂条件下，设施光照条件不受外界环境影响，完全取决于电光源性能。在光照模式多样性方面，LED的性能远优于太阳光和传统电光源，借助智能控制系统，LED不仅能提供多样的恒定光照，也能提供多样的规律性动态光照，在各种时间尺度精准调控植物生理代谢过程，从而实现优质高产高效的目标。

植物工厂LED特有光照模式的内涵及应用效益

在恒定光照的基础上，建立动态光照模式是LED植物工厂光照系统未来制定光照策略的重要特征，许多动态光照模式是自然条件下不存在的光照模式。通过研究，按植物生理或生产目标需要从时间上自动化调控光照模式，继而集成形成设施植物生产的调控策略，可以实现设施植物生产力的最大化，获得最大生物量和碳水化合物含量。LED的优势使种植者可以采纳植物生理有效辐射甚至光合有效辐射范围内纳米级光谱进行规律性连续光照、超强或极弱光照、单色或复合光照、间歇光照、脉冲光照、交替光照、非24 h昼夜节律照射等特殊光照模式及其组合调控策略。

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、光强呈抛物线变化的动态规律，而LED光源借助智能控制系统，可以设计不同的光照模式，比较典型的光照模式包括连续光照、交替光照、间歇光照。实践中，LED光源可实现在纳米波长光质、PPFD基本单位光强和分钟尺度时长等方面对光环境的管控。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[3-8]，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。

连续光照的概念与应用效益

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[3-4，9-20]，且光照属性随时间可调可控的光照模式。连续光照具有不中断、无暗期和属性特征随时间可调控3个基本特征。在人工光植物工厂中，利用人工光源可实现光照时间的延长，甚至可进行连续光照栽培。LED光源在设施园艺中的广泛应用极大地增加了连续光照的内涵和应用价值，亟待研究明晰植物连续光照生理响应生理机制及其调控途径，构建连续光照应用模式。利用LED进行连续光照时，可按生产需求调制光质和光强，从而能更好地研究连续光照下园艺作物的生理响应机理，其研究结果也能为制定LED光照配方和照明调控策略提供生物学依据。总结而言，连续光照研究分为短期连续光照和长期连续光照两种情景，前者主要是采前短期连续光照[9-15]，后者是三天甚至几十天的长期连续光照[16-20]。

从实践应用角度来划分，可把设施植物分为连续光照敏感型植物种类和品種、连续光照适应型植物种类和品种[21]，需分别采取不同的连续光照应用策略，以获得最大化应用效益。对连续光照敏感型植物种类或品种可采纳3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的问题;其二，可在植物生长期某段时间长期应用6～9天，提高产量品质，不产生伤害[16];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进行长期连续光照，提高产量品质的同时还要避免造成伤害[22-23]。对连续光照适应型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。在人工光植物工厂中，无论短期连续光照还是长期连续光照都具有应用价值，连续光照在人工光植物工厂中的应用丰富了植物工厂照明的理论和实践。究其原因，连续光照增加了植物的光合作用和同化作用的时间，同时避免了暗期呼吸作用的消耗，从而增加了干物质和营养物质的累积。

交替光照的概念与应用效益

交替光照是指LED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、策略变化的光照模式，供给光或光质存在规律性的时空变化，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上按照一定规律交替出现或叠加出现的循环照明方式[5-6]。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[5]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/（m2·s），光周期为14 h/天，红光开始照射时间与蓝光启动的时间同时进行或延迟1、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的时间位移红蓝光照射时段提高产量。Chen等[6]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4种交替光处理，具有相同的8.64 μmol/m2的日累计光量和相似的红光：蓝光为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、4、2和1 h。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%。显著更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交替处理的生菜中，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。Shao等[8]发现，与LED红蓝光恒定光强150 μmol/（m2·s）光照模式相比，LED红蓝光强光500 μmol/（m2·s）交替可以提高生菜产量和品质，20天后以交替强光1 h处理生菜地上部干鲜重和叶面积最大，其次是交替强光2 h处理。

间歇光照的概念与应用效益

间歇光照是指在人工光下可设置不同的昼夜节律，而且在同一个昼夜节律内可设置2个以上明暗期交替循环的光照模式。很显然，人工光间歇光照比自然光复杂得多，后者在24 h昼夜节律中只包含1个明暗期循环。间歇光照时长可设置为分钟或小时尺度上，明暗期循环2次以上。若间歇光照时长过低，达到毫秒甚至微秒级，间歇光照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等[7]研究了24 h明期内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。6个处理中红蓝光处理的光周期都是16 h/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。5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处理降低了生菜的地上部生物量。8 h/4 h处理的生菜具有较高的己糖/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 处理下生菜的可溶性糖含量较高，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的果糖含量。8 h/4 h和6 h/3 h处理通过提高甜度和脆度优化了生菜的口味，而6 h/3 h处理同时增加了地上部干重。Sivakumar 等[24]比较了间歇光与持续光对甜土豆组培苗的作用效果，结果显示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红蓝混合光的处理。

LED植物工厂光照策略的构建

LED赋予植物工厂光环境调控更多内涵和调控模式，因此光照模式及其植物生理响应机制已成为植物工厂植物生理学研究的热点。连续光照、交替光照和间歇光照这3种基于LED光电特性而建立起的特殊光照模式在人工光植物工厂中具有广阔的应用前景。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，3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。但是，研究表明连续光照下不同植物种类和品种生理响应差异客观存在，因此光照策略的制定应因植物种类甚至品种而异。此外，为了避免连续光照造成的生理伤害，运用连续光照时其属性要素应给予合理的运行参数，而且需要把连续光照合理地整合到植物工厂照明管理策略中形成高效的光配方和光照策略。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。

实践中也可将3种光照模式集成到植物工厂光环境管理策略中，发挥系統优势，切实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。研究表明，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[25]研究了连续光照条件下LED红蓝光交替对生菜生长和营养品质的影响。Lanoue等[23]发现，红蓝光交替连续光照也可以削减连续光照对番茄的伤害。总之，未来可通过系统研究明确这些人工光下特殊光照模式的植物生理功能，利用集成了多种光照模式的光照策略来提高植物生长发育速率，调节产量和品质，提升设施植物、设施作物生产力和系统生产效率。

总之，LED光源植物工厂具备智慧生产的光环境调控的能力，通常可以在纳米波长光质、PPFD基本单位光强和分钟尺度时长等方面对光环境进行管控，也可实现内涵丰富的连续光照、间歇光照和交替光照等特殊光照模式及其集成应用。对植物工厂光照策略的制定，应针对各种植物种类及品种构建出集成了多种光照模式的光照策略，实现提高植物生产力和植物工厂生产效率的光调控目标。但是，当前研究仅仅揭示了多种光照模式在人工光植物工厂光能提质增效方面的有效性和可行性，而在能耗分析和综合效益评价方面仍需要做大量工作。因此，应加强对不同规模植物工厂中各种光照模式的植物生理效应和能耗的研究和评价，筛选出基于植物种类或品种的适宜集成机制，以获得高效节能的植物工厂光照策略。

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*项目支持：国家自然科学基金面上项目（31672202）。

作者简介：刘文科（1974-），男，河北孟村人，研究员、博士生导师，从事设施园艺环境与营养生理及调控技术研究工作。E-mail： liuwenke@caas.cn。

[引用信息]刘文科，查凌雁，邵明杰.基于LED光源优势的植物工厂光照策略探讨[J].农业工程技术，2020，40（13）：59-63.