人工光植物工厂特殊光照模式及应用

李永志

摘 要：与传统的光源相比，LED是一种具有节能环保、体积小、使用年限长、耐用性强、响应极快以及坚固等优点的半导体固态电光源。除此之外，还具备一些能够在植物工厂中应用的独特优势，例如可以根据植物工厂的实际需要来调节冷光源以及光谱，实现对光照的智能控制，是在人工光植物工厂中一种极其理想的应用光源。LED光源的特点是可以智能控制时间的转换，能够为植物工厂提供较长时间的光强以及光质。由此可知，LED光源在植物工厂中的应用具有广阔的前景以及极大的潜力。由于LED光源植物工厂能够根据实际需要来对生产环境的光进行智能调节控制，一般情况下，均能在光照的时长和程度、光质以及光强等方面来管理控制光的环境。除此之外，LED光还能在植物工厂中应用一些特殊的光照模式，例如交替光照、连续光照以及间接光照等。为了制定有效的植物工厂光照方案，使植物工厂的植物生产效率以及生产能力得到有效提升，相关工作人员应当根据不同植物的品种来制定相应的、结合多种光照模式的光照方案。所以，相关人员应当积极研究探索各类光照模式下各种植物的耗能以及生理反应，选出一个以植物品种为基础的、合适的光照集成机制，制定节能环保、高效的植物工厂光照方案。

关键词：人工光;植物工厂;特殊光照

随着社会的进步发展，我国的科学技术也进入了飞速发展的阶段，而设施园艺发展的必然结果就是人工光植物工厂，其不仅是一种与以往大相径庭的农作方式以及土地利用手段，也是设施园艺的一个高级发展形式。人工光植物工厂能够弥补传统设施园艺中生产方式的不足，如设施较为落后简易、生产效率较低、资源浪费、环境污染等，除了能够有效促进我国设施园艺产业以及相关科学技术的快速发展之外，也是保障食物安全性的有效措施，与我国推行的可持续观念相符。在植物的生存环境中，一个关键因素就是光照。通过光合作用为植物的生存环境提供能量，使植物的产量、发育情况以及品质均得到一定程度的保障。光照除了具有昼夜节律以及光谱能量分布等相关质量特性之外，还具有照射时长、光强以及光周期等相关数量特性，这些特性对电能的投入量有着直接的影响。

1    植物工厂、LED、特殊光照模式

LED植物工厂光照系统在制定光照方案的过程中，一个重要的步骤就是在恒定光照的基础上构建动态光照模式，大部分的动态光照模式均不能在自然条件下存在。经过相关研究发现，根据生产的目标或者是植物的生理特征来对光照模式的时间进行自动化调控，形成一个植物生产的相关集成方案。通过这样的方式，极大程度地提高了植物的生产力，继而实现碳水化合物以及生物量的最大化。LED光源自身具有的优势[1]能够让相关种植工作人员在光合作用有效辐射以及植物的有效辐射范围内，使用纳米级光谱来对植物施行一些特殊光照模式或者是组合调控方案。

光照模式具体指的是在人工光源的照射下，光环境的光质、光周期以及光强等相关属性的动态变化规律。在自然光的照射下，光照会有一个光强呈抛物线轨迹变化以及昼夜交替的动态变化规律。然而，LED光源可以通过智能控制系统来对各种光照模式进行有效设计，较为突出的光照模式有间歇光照、连续光照以及交替光照。

2    连续光照模式

连续光照模式具体指的是改变植物在24 h自然光照射条件明期、暗期交替的光照模式，为植物提供具有连续24 h光照条件的环境，同时可以根据时间的变化以及实际的需要来调节控制光照的模式。连续光照模式的特点有：光照的属性可随着时间的变化以及实际需要调节控制、不会中断、没有暗期[2]。在人工光植物工厂里，使用LED光源不仅可以延长植物的光照时间，还可以在连续光照条件下对植物进行栽培。由于在设施园艺中大面积普及应用LED光源，连续光照的应用价值得到了极大的提升，同时丰富了连续光照的内涵。种植工作人员在使用LED光源对植物进行连续光照的过程中，可以根据生产的目标以及需求對光强以及光质进行制定调节，通过这样的方式来对植物在连续光照条件下的生理响应进行分析研究。对连续光照的分析研究可以分成两组来进行：第一组是短期连续光照，具体操作方法为：对植物进行短时间的连续光照;第二组是长期连续光照，具体的操作方法为：对植物进行3天、5天甚至几十天的长时间连续光照。

从实践应用的角度对设施植物进行划分，可以将设施植物分成两个种类：一种是适应连续光照的植物，另一种是对连续光照敏感的植物。

采取直接应用的方法对适应连续光照的植物进行研究，研究需遵循“节能环保、高效”的基本原则，然后基于此原则对连续光照条件下的控制方式、环境参数以及动态模式进行成套的制定。

研究对连续光照敏感的植物时，可以使用3种方法：第一，制定具有一定科学性、合理性的相关调控策略，控制光质的交替，管理温度的变化情况。在此基础上，对植物进行长期的连续光照，在避免植物受损的同时，要将植物的质量、品质以及产量提高;第二，采纳、收集短期连续光照应用过程中所出现的问题以及相关有效措施，使水培植物质量不高的问题得到一定的改善，提升植物的品质、质量以及产量;第三，选择植物生产发育过程中的一个时间段对植物进行6～9天的连续光照，以此减少对植物的损害，将植物的产量、质量以及品质进一步提升[3]。

在人工光植物工厂中，不管是长期连续光照或是短期连续光照均有一定的应用价值。在人工光植物工厂中，实践应用连续光照，能够在降低植物暗期进行呼吸作用所产生能耗的同时，将植物的光合作用时间延长，将植物体内积累的营养物质含量提高，丰富植物工厂光照的实践以及理论知识。

3    交替光照模式

交替光照模式具体指的是在植物生长发育的过程中，LED光源的光质以及光质的数量属性能够有规律地变化的光照模式，向植物提供的光以及光质会存在一些具有规律性的时空变化，使植物的品质、产量以及质量均能得到一定程度的提高。交替光照可以分成两种，一种是叠加交替光照，另一种是完全交替光照。具体指的是在同一个持续性的光照时间段里，两种或者两种以上的光质在具有一定规律的时间段中叠加出现或者交替出现的一种循环照明模式。进行交替光照的前提条件是必须使用具有一个单独光质的LED光源以及一个自动化的智能控制系统。因此，交替光照模式只在能对环境进行智能控制的人工光植物工厂中存在[4]。由于交替光照具有不同程度的光照强度，且交替的频率以及光质的种类均不同，交替光照的光照方案具有一定的多样性，能够对植物的品质、生长发育、产量、质量等造成一定的影响。

有相关研究报道显示，交替光照模式中存在技术参数的最优值，这个最优值能够将植物的品质、质量以及产量提升。有相关研究人员对生菜的形态以及生长发育在LED蓝光及红光组合的光照条件下的影响进行研究，实验发现，光周期是一天14 h，蓝光及红光的光强是80 μmol/（m2·s），红光开始进行照射的时间可以和启动蓝光的时间一样，或者是延后1、4或7 h。研究结果显示，红光开始照射的时间比蓝光延后几个小时的效果，明显比红光以及蓝光同时进行照射要好[5]。由此可知，使用变换红光蓝光照射时间段的方法能够将植物的产量以及品质提升。

4    间歇光照模式

间歇光照模式具体指的是在人工光的照射下，能够对不同昼夜节律进行设置。同时，可以在同个昼夜节律下设置两个及以上的明期暗期循环交替的光照模式。与自然光相比，人工光间歇光照的复杂程度更高，自然光在24 h的昼夜节律里只有一个明期暗期循环交替。然而，间歇光照的时间则可以设置在h或者是min的尺度上[6]，明期暗期的循環交替在两次及以上。如果间歇的时长低至μs或者是ms级，间歇光照将会转变为具有较高频率的脉冲光。

相关研究报道显示，间歇光照处理不仅能够对植物的生长发育发挥良好的作用，还能提高植物的营养物质含量。

5    LED植物工厂光照方案的构建

LED光源能够在一定程度上丰富植物工厂的环境调控模式以及内涵。间歇光照、连续光照以及交替光照这   3种特殊光照模式的建立基础就是LED光源自身所具有的光电特性[7]。因此，这3种光照模式在人工光植物工厂中具有一定的应用潜力以及前景，同时，也能够在不改变电能投入的基础上，将光能的使用率以及利用率大幅度提高，使植物的品质、质量以及产量均得到有效提升。除此之外，可以在植物工厂对光环境的管理中应用这3种光照模式，将系统具有的优势最大限度地发挥出来，使植物的生产能力得到有效提高[8]，继而将植物工厂的整体生产效率以及生产质量大幅度提升，使人工光植物工厂的相关照明技术得到大力发展。

6    结语

在植物工厂中应用LED光源，将会使植物工厂对光环境的智能调控能力增强，使植物工厂能够对光环境的光照时长、光强以及光质进行智能管理调节以及控制，继而在植物工厂中应用交替光照、连续光照以及间歇光照3种特殊的光照模式。在制定植物工厂光照方案的过程中，相关工作人员应根据工厂中不同种类以及不同品种植物的特性来对相应的光照模式进行科学、合理的构建，在一定程度上将植物工厂的植物生产能力、生产质量以及生产效率提升。但是，由于一些因素以及条件的限制，现阶段只是对在植物工厂中应用基于LED光源的3种特殊光照模式的可行性以及有效性进行分析研究，在综合效益以及能耗方面的研究比较薄弱。所以，相关工作人员应积极对各种植物工厂中不同光照条件下的植物能耗以及生理反应进行研究分析，制定出光照集成机制，提高植物工厂的生产质量以及生产效率，推动人工光植物工厂的发展。

[参考文献]

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[3]闫征南，贺冬仙，钮根花，等.白红与红蓝LED光照环境对两种生菜生长、品质和能量利用效率的影响[J].农业工程技术，2020，40（21）：93.

[4]张树芳.人工光型植物工厂的发展现状及未来技术发展趋势[J].农业工程技术，2020，40（16）：64-67.

[5]赵越.基于闭锁式育秧平台寒地玉米育秧环境参数优化试验研究[D].大庆：黑龙江八一农垦大学，2020.

[6]王静，欧福超，南轩，等.基于植物工厂条件下LED灯源热环境分析[J].江苏农业科学，2020，48（10）：240-244.

[7]周增产，赵静，姚涛，等.罗马尼亚LED植物工厂设计与应用[J].农业工程，2020，10（3）：35-41.

[8]李家奥.CFD技术在人工光植物工厂的应用前景[J].河北农机，2020（2）：28.