设施黄瓜生产中人工光系统的优化设计

都金龙 乔凯，王迎丰，耿建忠*

|摘要|光照和温度是设施黄瓜生长的主要限制因子。秋冬季节，北欧高纬度地区、俄罗斯及中国北方温室光照严重不足，增加人工补光设备，为设施黄瓜生长提供适合的光源光谱、光照强度和电器灯具配置，可改善设施内的光照质量并显著提升黄瓜的品质和产量。研究表明，大功率农用高压钠灯（HPS）顶部补光加中小功率农用高压钠灯（HPS）株间补光组合方案，更适宜这些地区设施黄瓜种植的补光需要。通过确定光照设备的最佳补光照射夹角、配置密度和配置方位规律，以及调节补光设备光源和主要配件的更换周期，可增加设施黄瓜生产效益。

黄瓜（Cucumis sativus L.）是设施种植最广泛的蔬菜种类之一，其单果重量、果实长度、果实横径、果实营养、果实表观和保质期等影响着黄瓜产品的等级，而光照和温度则是设施黄瓜生长的主要限制因子[1]。秋冬季节，北欧等高纬度地区、俄罗斯以及中国北方，设施内自然光照长期不足，会严重影响黄瓜的生长。通过合理配置人工补光设备，改善设施内的光照质量，调节光照强度等措施可以提升黄瓜的品质与产量。生产中，部分园区采用HPS顶部补光（Toplight）加LED株间补光（Interlight）的补光组合[2]，珠海美光原科技股份有限公司经试验研究证实，不同功率和规格的HPS（TL，1000 W;IL，250 W）组合（图 1），可以取得更理想的效果。以芬兰的3 hm2设施黄瓜为例，黄瓜品质等级高，年产量达到了300 kg/m2以上。本文结合芬兰设施黄瓜生产案例，详细阐释了设施黄瓜补光设备的配置和应用方法。

设施黄瓜的生长条件

黄瓜是喜温喜光作物，最适宜生长温度为18～32℃，最适宜光合作用的温度是25～32℃。芬兰地处北欧高纬度地区（北纬60°～70°），冬季多数以多云或雨雪天气为主，冬季平均气温在-15～3℃左右，远低于黄瓜正常生长的光照和温度条件，所以增加设施内的人工补光设备和供暖设备必不可少。俄罗斯和中国北方的高纬度地区，气候条件与此类似。配合利用自然光，设施黄瓜的补光系统包括TL和IL。TL提供温室内人工补光的大部分来源，但并不会100%被作物吸收。这是因为，一方面来自温室顶部的人工补光会被植株冠层上部遮蔽，冠层中下部的叶片和果实受光面积减少;另一方面植株行间相互遮蔽，导致作物植株中下部受光面积减少，这两种情况都会影响补光效果，因此增加作物株间补光非常必要[3]，实际增产效果也非常显著。采用大功率HPS（TL）在植株行宽的正上方[4]，与植株冠层的上下叶面之间构成不同夹角，确保植株上下叶面均能受光，平均3～4 m2/盏。株间辅以小功率可升降管式HPS（IL），可以确保不同方位的植株均匀受光，不留补光死角。

温室照明设备性能对比

HPS和LED性能对比

设施内人工补光的电力费用相当高，占到生产成本的30%～40%[5]。因此选择有效的光源至关重要，且在此基础上光源的光合光子通量（PPF）越高越好。HPS具备成本低、功率大、光输出量大且寿命长、光谱适合作物生长需要等特点。结合设施黄瓜温室的地理位置和实际补光强度需要，一般可以选用600～1000 W的HPS（TL）。例如，HPS 1000 W，PPF 2100 μmol/s，寿命大于20000 h（约4～5年使用寿命）。而LED实际应用效果暂时没有明显优势：①相比HPS，LED确实节能，目前一般按照HPS功率数值的60%替换为相应的LED产品（即1000 W的HPS以600W的LED替代），但在实际使用过程中LED促进植物光合作用，提升黄瓜产量的效果并不突出[6]，主要原因是光源光谱、表面的热辐射和其它能量输出不足[7]。②目前LED的设备投资成本很高，同样的光通量，单价成本远高于同规格的HPS产品。③温室运营商会觉得采用LED补光不经济。1.5倍的补光能源成本，仅能应用于HPS补光系统下温室面积的1/5。使用LED补光设备，温室黄瓜产量也比HPS补光系统低10%～20%。而且LED补光设备尺寸较大，其外壳会遮挡15%～30%的自然光线。

HPS的功率和电压对比

芬兰设施黄瓜温室的主要光源是功率为1000 W的HPS（TL），以400 V电压为主，有230 V和400 V电压电源可以选择。补光灯在不同电压下的光谱和光强度表现得都很好（I1=5.5 A;I2=4.1 A;I3=3.1 A）。由表1和图2可看到温室内HPS与LED的特点比较。

相比于400 V，HPS在230 V电压下的光输出差异并不大，但是1000 W/400 V的HPS补光强度更大，且分布在Y（黄光）-R（红光）谱区，促进植物光合作用的效果最好，这款大功率的高光效补光灯广泛用于芬兰设施黄瓜项目的顶部补光。HPS具体配置何种功率和电压，用不用内反灯（图3），需要专业人员根据具体情况测算后才能确定。

电感和数字镇流器特点

任何气体放电灯，包括HPS，都在镇流器上工作。镇流器使用特点产生的影响体现在整体照明设备的有效性和技术上。现在HPS主要使用电感镇流器和数字镇流器，两种镇流器的特点见表2。

数字镇流器优点是启动电流小，较高功率因数，在灯电压波动下功率稳定性好，可远程控制，能够调节光通量，光输出稳定，重量更轻。数字镇流器应用前景广泛，能够提升温室照明设备有效性20%～30%。在不同的人工光系统设计方案中选择合适的配光设备、额定技术参数可以提高温室照明设备的有效性。

人工光系统设计方案优化

合理的配光方案需要结合温室材料的透光性和当地自然光的照射规律，综合考虑TL、TL加IL等不同的补光选择及补光时间，以确保设计的补光方案让作物植株冠层受光面积最大、光源输出量最大、补光时长适宜、设施黄瓜产量最高，经济性最好。

有效活動系数和配光曲线

有效活动系数和配光曲线是影响温室光照设备有效性的主要因子。有效活动系数是指光源光通量从电器获得的比例。显然，有效活动系数越高越好。目前电器有效活动系数大约在0.8～0.95，并且很接近理论最大值1。配光曲线描绘的是电器射线在空间中的分配，它取决于光的最大强度电压，配光曲线分为宽的（max=55°～85°），半宽的（max=35°～55°），余弦（max=0°～35°）。

简单来说，光照设备发出的光垂直照射到水平面A点，此时A点的光照辐射强度最大，但处于A点的植物叶子表面实际是自由悬挂并接近垂直的，因此垂直方向照射的光线对叶子来说几乎没有什么作用，也就是说，在实际条件下，水平光束照射在叶子表面实际是垂直的并能被叶子有效吸收。因此在温室实际种植条件下，HPS（TL）光线实际上和叶子表面形成一个夹角（图4），夹角越小，光照效率越高。因此，HPS（TL）通常置于植株行宽的中间，而可升降的悬挂式管式HPS（IL）可更直接地将光束作用于植物叶子表面，增产效果更明显。

宽配光曲线光照设备和配光曲线余弦光照设备的应用

在设施黄瓜人工补光的实际条件下，为最大化利用光束的照度，应当使电器的光束不垂直向下，因为在接近水平方向的角度下这些光束能带来最大化的作用。然而现有的光照配置系统并未考虑到实际种植情况，在实际种植中，需要考虑在相同能耗下实现产量的最大化。这一诉求会影响电器的配光曲线，例如宽的配光曲线（图5），光通量集中覆盖角度55°～75°;配光曲线余弦则集中照射在垂直线下的0°～35°。

由图5可以看出，每个植物的叶子受到不同方面不同方向电器的光照，光照是有效的，在没有配置IL设备的情况下，这种补光选择能更有效地被植物吸收利用。图6提供了类似的系统，但却是配光曲线余弦的电器照明。在这里每片叶子只收到一个光，来自两个电器，照明有效性不够。

假设生产中具备了充足的光照有效性，会在设施黄瓜产量上直接体现出来。以芬兰项目为例，芬兰项目温室面积总计3 hm2。设施黄瓜种植共分春季茬口（1月）、夏季茬口（5月）和秋季茬口（9月），每茬平均4个月，其中收获期约1个月左右。黄瓜定植密度平均为2.5株/m2。温室内安装TL和IL两种规格的灯共计10725套，每天溫室补光时间19 h，全部灯使用时每小时耗电量5021 kW·h。

在芬兰项目温室中，有一段450 m2的种植单元，应用HPS 600 W的内反灯（宽配光Imax=68°），其中HPS 600 W内反灯的PPF是1220 μmol/s，对照其他半宽配光的设施黄瓜温室进行了3年时间的对比，结果显示，在补光设备的照射下，温室产量比半宽配光稳定提升了20%～25%，黄瓜年产量达到了160 kg/m2以上，这说明相对半宽配光来说，在没有增加IL的情况下，宽配光曲线方案是有效的。

目前芬兰、俄罗斯都在广泛推广使用IL系统，与TL一起，形成立体补光方案，设施内的黄瓜植株能够最大程度地吸收人工补光。利用设施黄瓜的HPS（TL，带反射器效果更好，或直接用内反灯）加垂直悬挂式管式HPS（IL，无反射器）（图7），顶端电器光具有接近半宽或者余弦配光曲线，并利用IL来改善TL的有效性，并给植物建立了立体光照模型，从而能够增加设施内黄瓜的产量。尽管IL并不局限于HPS，也可以是控制特定光谱的LED[3]，以促进作物的果实表观或特定营养物质，譬如VC、酚酸、可溶性蛋白质或糖含量的要求，来满足顾客特定的风味需求。

在芬兰设施黄瓜项目中，经验证，IL与顶端宽配光曲线补光相结合，事实上并没有产生很好的效果。因此，IL与半宽或者余弦配光曲线相结合，并且TL设备放在植物的中间过道上，让人工补光能够更深入地渗透到植株冠层的内部，生产效果更好。在图7这种TL加IL（HPS）的补光模型下，黄瓜每年产量可达300 kg/m2，芬兰3 hm2设施黄瓜项目年总产量900万kg以上，按照芬兰当地黄瓜市场平均价格1.49 /kg测算，该项目每年总产值高达1300万欧元，经济效益非常可观。

一般来说，设施黄瓜的生长主要以自然光照为主，尤其是夏季，人工补光只是加速黄瓜生长的辅助手段之一。但在芬兰所处的高纬度地区，受海洋性气候影响，一年之中的天气以多云和雨雪为主，自然光照条件严重不足，因此人工补光措施就显得格外重要。此外，该项目的温室屋顶还采用了漫散射型玻璃，更好地利用了夏季短暂的光照条件，让自然光更好地深入到植株内部，促进植物立体补光，作物产量也因此增加了7%～10%，这也间接证实了荷兰瓦赫宁根大学研究专家的判断[8]。

结论与建议

从补光设备的高效利用角度出发，现阶段可采用：①HPS（400 V，1000 W）用于TL，悬挂式管式HPS（400 V， 250 W）用于IL，效果良好;②配宽光曲线的HPS（TL）设备;或者半宽/余弦配光曲线的HPS（TL）设备加悬挂式管式HPS（IL），有利于光照被植物最大化程度吸收。

从收益和成本角度考虑：①光源和电器在整体运营中具备高稳定性的光电参数，长期工作条件下的耐受性好，寿命长，性能稳定;②及时成群更换补光灯和反射器。一般第3年开始成群更换悬挂式管式HPS（IL）;第4～5年成群更换高功率直管HPS、双端HPS或HPS内反灯（TL），对比照明设备的购置成本和产出效益最划算。

参考文献

[1] Hovi-Pekkanen T，Tahvonen R.Effects of interlighting on yield and external fruit quality in year-round cultivated cucumber[J].Scientia Horticulturae，116（2）：152-161.

[2] Liisa E，S?rkk?l.Effects of HPS and LED lighting on cucumber leaf photosynthesis，light quality penetration and temperature in the canopy，plant morphology and yield[J].Agricultural and Food Science，2017（26）：102-110.

[3] 刘思宇.外源补光对温室遮光部位黄瓜生长的影响[J].中国瓜菜，2016，29（3）：11-13.

[4] TiinaHovi，JuhaN?kkil?，RistoTahvonen.Interlighting improves production of year-round cucumber[J].Scientia Horticulturae，102（3）：283-294.

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[7] Govert Trouwborst.The responses of light interception，photosynthesis and fruit yield of cucumber to LED‐lighting within the canopy[J].Physiologia Plantarum，138（3）：249-355.

[8] S.Heming.Use of Natural and Artificial Light in Horticulture-Interaction of Plant and Technology[J].ActaHortic，907（1）：25-36.

作者簡介：都金龙（1975- ），男，山东潍坊人，新加坡南洋理工大学工学博士，设施园艺智能装备研究专家，压电陶瓷变压器输出功率和功率密度世界记录保持者，深耕设施农业人工光领域20年。

*通信作者：耿建忠（1971- ），男，河北沧州人，研究方向为设施农业国外技术。

[引用信息]都金龙，乔凯，王迎丰，等.设施黄瓜生产中人工光系统的优化设计[J].农业工程技术，2020，40（25）：24-28.