基于LED光源優(yōu)勢的植物工廠光照策略探討.pdf

溫室園藝 2020 05 59 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 基于LED光源優(yōu)勢的植物工廠光照策略探討 摘要 LED 是半導體固態(tài)電光源 具有節(jié)能 光效高 壽命長 響應(yīng)快 環(huán)保 體積小和堅固耐用等眾多 傳統(tǒng)光源無法比擬的光電優(yōu)勢 更兼具按需調(diào)制光譜 智能控制和冷光源等在植物工廠應(yīng)用中的獨特優(yōu)勢 被譽為人工光植物工廠的理想光源 LED 光源所提供的光環(huán)境 光質(zhì)和光強及其持續(xù)時長 及其時間轉(zhuǎn)換 智能可控的特性賦予了 LED 在植物工廠中應(yīng)用的誘人潛力和廣闊前景 因此 LED 光源植物工廠具備調(diào)控 智慧生產(chǎn)光環(huán)境的能力 通?？梢栽诩{米波長光質(zhì) PPFD 基本單位光強和分鐘尺度時長等方面對光環(huán)境 進行管控 也可實現(xiàn)內(nèi)涵豐富的連續(xù)光照 間歇光照和交替光照等特殊光照模式及其集成應(yīng)用 對植物工廠 光照策略的制定 應(yīng)針對各種植物種類及品種構(gòu)建出集成了多種光照模式的光照策略 實現(xiàn)提高植物生產(chǎn)力 和植物工廠生產(chǎn)效率的光調(diào)控目標 因此 應(yīng)加強對各種光照模式植物生理效應(yīng)和能耗的研究和評價 篩選 出基于植物種類或品種的適宜集成機制 以獲得高效節(jié)能的植物工廠光照策略 DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 13 010 引言 人工光植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的必然趨 勢和高級階段 是一種顛覆性的土地利用方式和 農(nóng)作方式 可以通過替代或補充傳統(tǒng)設(shè)施園藝生 產(chǎn)方式實現(xiàn)我國設(shè)施園藝科技和產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā) 展 并解決當前我國設(shè)施園藝以簡易設(shè)施 日光 溫室和塑料大棚 土壤栽培和設(shè)施內(nèi)被動式環(huán) 控為特征的生產(chǎn)方式中的諸多的資源 環(huán)境和生 產(chǎn)效率問題 也是實現(xiàn) 21 世紀農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展 和食物安全保障的有效途徑 1 光照是植物賴以 生存的關(guān)鍵環(huán)境因子 光照通過光合作用提供能 量和環(huán)境信號調(diào)控植物的生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì) 2 光照不僅有光強 光周期和照射時長等數(shù)量屬性 也有光譜能量分布 光質(zhì) 和晝夜節(jié)律等質(zhì)量屬 性 這些屬性都決定著電能投入量 因此 光照 調(diào)控是提高人工光植物工廠生產(chǎn)效率的重要手 段 相對傳統(tǒng)光源 如熒光燈 LED 是半導體 固態(tài)電光源 具有節(jié)能 光效高 壽命長 響應(yīng)快 環(huán)保 體積小和堅固耐用等眾多傳統(tǒng)光源無法比 擬的光電優(yōu)勢 2 LED 光源被譽為植物工廠應(yīng)用 的優(yōu)選光源 植物工廠也是 LED 光源設(shè)施園藝 應(yīng)用的最佳場所 LED 植物工廠已成為人工光植 物工廠發(fā)展的基本方向 LED 光源植物工廠的研 發(fā)與應(yīng)用激發(fā)了植物工廠產(chǎn)業(yè)和農(nóng)業(yè)照明產(chǎn)業(yè) 的 活力 成為農(nóng)業(yè)和照明行業(yè)跨界交叉發(fā)展的原動 力和產(chǎn)業(yè)增長點 同時也促進了植物光質(zhì)生理學 的學科發(fā)展 LED光源在植物工廠中應(yīng)用的優(yōu)勢 除了節(jié)能 光效高 壽命長 響應(yīng)快 環(huán)保 耐用 體積小等共性應(yīng)用優(yōu)勢外 LED 光源在植 物工廠中應(yīng)用擁有 3 點優(yōu)勢 主要表現(xiàn)在以下幾 個方面 首先 LED 可按需調(diào)制光譜 按需用光 LED 可按植物生長發(fā)育需求調(diào)制光譜 形成特定 的光照配方 實現(xiàn)按需用光 植物光效高 其次 LED 光源光環(huán)境可以進行智能控制 實現(xiàn)規(guī)律性 動態(tài)光照 從時間角度 LED 可精準調(diào)控所發(fā)射 光的光強 光質(zhì)和光周期等屬性 實施實時轉(zhuǎn)換 的規(guī)律性動態(tài)光照 適宜工廠化生產(chǎn) 有助于植 物工廠智慧生產(chǎn) 最后 LED 光源為冷光源 可 貼近葉片照射 LED 燈發(fā)光面下無熱量散失 熱 溫室園藝 2020 05 60 溫室裝備 Greenhouse Equipment 負荷小 可貼近植物照射 近距離照射可提高植 物工廠空間利用率和栽培密度 總之 LED 光源 所提供的光環(huán)境可塑性和可控性強 光質(zhì) 光強 及其持續(xù)時長等屬性的時間轉(zhuǎn)換智能可控 凸顯 了其在植物工廠中的內(nèi)涵式應(yīng)用 誘人潛力和廣 闊前景 LED 光源的應(yīng)用推進了人工光植物工廠光環(huán) 境調(diào)控及其植物生理響應(yīng)機制的研究 豐富了植 物工廠光照模式和控制策略內(nèi)涵 在太陽光照射 下 露地植物的光照質(zhì)量和數(shù)量屬性相對恒定 并按照晝夜 季節(jié) 海拔和緯度等因素發(fā)生時空 規(guī)律性變異 但是 太陽光照也會受到天氣情況 大氣污染程度 設(shè)施類型及覆蓋物種類等因素的 影響 是具有晝夜間歇的相對固定的動態(tài)光照 無法精準調(diào)控 在人工光植物工廠條件下 設(shè)施 光照條件不受外界環(huán)境影響 完全取決于電光源 性能 在光照模式多樣性方面 LED 的性能遠 優(yōu)于太陽光和傳統(tǒng)電光源 借助智能控制系統(tǒng) LED 不僅能提供多樣的恒定光照 也能提供多樣 的規(guī)律性動態(tài)光照 在各種時間尺度精準調(diào)控植 物生理代謝過程 從而實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效的目標 植物工廠 LED 特有光照模式的 內(nèi)涵及應(yīng)用效益 在恒定光照 的 基礎(chǔ)上 建立動態(tài)光照模式 是 LED 植物工廠光照系統(tǒng)未來制定光照策略的重要 特征 許多動態(tài)光照模式是自然條件下不存在的 光照模式 通過研究 按植物生理或生產(chǎn)目標需 要 從 時間上自動化調(diào)控光照模式 繼而集成形成 設(shè)施植物生產(chǎn)的調(diào)控策略 可 以實現(xiàn)設(shè)施植物生 產(chǎn)力的最大化 獲得最大生物量和碳水化合物 含 量 LED 的優(yōu)勢使種植者可以采納植物生理有效 輻射甚至光合有效輻射范圍內(nèi)納米級光譜進行規(guī) 律性連續(xù)光照 超強或極弱光照 單色或復合光照 間歇光照 脈沖光照 交替光照 非 24 h 晝夜節(jié) 律照射等特殊光照模式及其組合調(diào)控策略 光照模式是指人工光源下人工光環(huán)境屬性的 光強 光質(zhì) 光周期動態(tài)變化規(guī)律 自然光條件下 光照呈現(xiàn)出晝夜交替 光強呈拋物線變化的動態(tài) 規(guī)律 而 LED 光源借助智能控制系統(tǒng) 可以設(shè) 計 不同的光照模式 比較典型的光照模式包括連 續(xù)光照 交替光照 間歇光照 實踐中 LED 光 源可實現(xiàn)在納米波長光質(zhì) PPFD 基本單位光強 和分鐘尺度時長等方面對光環(huán)境的管控 近幾年 連續(xù)光照 交替光照 間歇光照模式對植物生長 產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)影響的研究多有報道 3 8 優(yōu)化 篩選出諸多對應(yīng)的高效光質(zhì)組合及其時間轉(zhuǎn)換方 式 交替 疊加 復合 拆減 適宜光強參數(shù) 及轉(zhuǎn)換方式 置零 增加和遞減 為這些特殊 光照模式的植物工廠應(yīng)用提供了科學依據(jù) 同時 特殊光照模式的技術(shù)化應(yīng)用需要光環(huán)境智能可調(diào) 的 LED 燈和智能控制系統(tǒng)的支撐 相關(guān)研制工 作正在逐步推進 連續(xù)光照是指打破植物24 h 明暗期交替的 自然光照模式 給植物提供連續(xù)24 h 的光照條 件 3 4 9 20 且光照屬性隨時間可調(diào)可控的光照模 式 連續(xù)光照具有不中斷 無暗期和屬性特征隨 時間可調(diào)控 3 個基本特征 在人工光植物工廠中 利用人工光源可實現(xiàn)光照時間的延長 甚至可 進 行 連續(xù)光照栽培 LED 光源在設(shè)施園藝中的廣泛 應(yīng)用極大地增加了連續(xù)光照的內(nèi)涵和應(yīng)用價值 亟待研究明晰植物連續(xù)光照生理響應(yīng)生理機制及 其調(diào)控途徑 構(gòu)建連續(xù)光照應(yīng)用模式 利用 LED 進行連續(xù)光照時 可按生產(chǎn)需求調(diào)制光質(zhì)和光強 從而能更好地研究連續(xù)光照下園藝作物的生理響 應(yīng)機理 其研究結(jié)果也能為制定 LED 光照配方和 照明調(diào)控策略提供生物學依據(jù) 總結(jié)而言 連續(xù) 光照研究分為短期連續(xù)光照和長期連續(xù)光照兩種 情景 前者主要是采前短期連續(xù)光照 9 15 后者 是三天甚至幾十天的長期連續(xù)光照 16 20 從實踐應(yīng)用角度來劃分 可把設(shè)施植物分 為連續(xù)光照敏感型植物種類和品種 連續(xù)光照適 應(yīng)型植物種類和品種 21 需分別采取不同的連 續(xù)光照應(yīng)用策略 以獲得最大化應(yīng)用效益 對連 續(xù)光照敏感型植物種類或品種可采納 3 種應(yīng)用方 式 其一 采收前短期應(yīng)用連續(xù)光照 提高產(chǎn)量 品質(zhì) 克服水培葉菜品質(zhì)低 的 問題 其二 可在 溫室園藝 2020 05 61 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 植物生長期某段時間長期應(yīng)用 6 9 天 提高產(chǎn)量 品質(zhì) 不產(chǎn)生傷害 16 其三 制定合理的調(diào)控 方案 在變溫管理 光質(zhì)交替等協(xié)同措施下進行 長期連續(xù)光照 提高產(chǎn)量品質(zhì)的同時還要避免 造 成傷害 22 23 對連續(xù)光照適應(yīng)型植物種類或品種 可采納直接應(yīng)用的方式 需要基于節(jié)能 高效的 原則制定成套的連續(xù)光照光環(huán)境參數(shù) 動態(tài)模式 和控制方式 在人工光植物工廠中 無論短期連 續(xù)光照還是長期連續(xù)光照都具有應(yīng)用價值 連續(xù) 光照在人工光植物工廠中的應(yīng)用豐富了植物工廠 照明的理論和實踐 究其原因 連續(xù)光照增加了 植物的光合作用和同化作用的時間 同時避免了 暗期呼吸作用的消耗 從而增加了干物質(zhì)和營養(yǎng) 物質(zhì)的累積 交替光照是指 LED 光源的光質(zhì)及其數(shù)量屬 性在植物生長發(fā)育過程中按一定規(guī)則 策略變化 的光照模式 供給光或光質(zhì)存在規(guī)律性的時空變 化 以達到增加產(chǎn)量 提高品質(zhì)的目的 交替光 照包括完全交替光照和疊加交替光照兩類 即持 續(xù)光照時段內(nèi)兩種或多種光質(zhì)在時間上按照一定 規(guī)律交替出現(xiàn)或疊加出現(xiàn)的循環(huán)照明方式 5 6 交替光照需要借助自動化控制系統(tǒng)和具有獨立光 質(zhì)的 LED 光源 只存在可控環(huán)境人工光植物工 廠中 交替光照因交替頻率 交替光質(zhì)種類及其 強度不同呈現(xiàn)出多樣性的光照策略 從而影響植 物的生長 產(chǎn)量甚至營養(yǎng)品質(zhì) 已有報道表明 交替光照模式中存在最優(yōu)的 技術(shù)參數(shù) 可提高產(chǎn)量和品質(zhì) Jishi 等 5 研究了 LED 紅藍光組合的光照模式對生菜生長和形態(tài)的 影響 在24 h 光周期里光強有一定的變化 試 驗 1 中 紅藍光光強為 90 mol m 2 s 光周 期為 14 h 天 紅光開始照射時間與藍光啟動的時 間同時進行或延遲 1 4 h 或 7 h 結(jié)果表明 紅 光啟動時間比藍光延遲 4 h 和 7 h 的處理生菜地上 部鮮重顯著高于紅藍光同時啟動光照模式 結(jié)果 表明 植物生長可通過單純的時間位移紅藍光照 射時段提高產(chǎn)量 Chen 等 6 研究了 LED 紅藍光 交替對生菜生長和營養(yǎng)品質(zhì)的影響 設(shè)計了 4 種 交替光處理 具有相同的 8 64 mol m 2 的日累計 光量和相似的紅光 藍光 為 2 1 但在紅藍交替間 隔時間上不同 分別是在 16 h 光周期內(nèi) 8 4 2 和 1 h 結(jié)果表明 不同交替類型的光照導致生菜 明顯的形態(tài) 生物量和營養(yǎng)品質(zhì)變化 生菜生物 量以紅藍光同時照射16 h 最高 是紅藍光同時 照射 8 h 紅藍光 4 h 交替和 2 h 交替的 2 倍多 是紅藍光 8 h 交替和 1 h 交替處理生物量的不到 2 倍 與其他處理相比 紅藍光同時照射 16 h 顯 著降低了可溶性糖含量 9 32 增加了粗纖維 含量 14 39 顯著更高的抗壞血酸含量和較低 的硝酸鹽含量出現(xiàn)在紅藍光 4 h 交替和 2 h 交替處 理的生菜中 相對低的抗壞血酸含量和較高的硝 酸鹽含量出現(xiàn)在紅藍光 8 h 交替和 1 h 交替處理 基于相同的能量消耗 與同時照射紅藍光相比 紅藍光8 h 交替和1 h 交替處理可導致較高的產(chǎn)量 而紅藍光 4 h 交替和 2 h 交替處理可獲得較高的 營 養(yǎng) Shao 等 8 發(fā)現(xiàn) 與 LED 紅藍光恒定光強 150 mol m 2 s 光照模式相比 LED 紅藍光強 光 500 mol m 2 s 交替可以提高生菜產(chǎn)量和品 質(zhì) 20 天后以交替強光 1 h 處理生菜地上部干鮮 重和葉面積最大 其次是交替強光 2 h 處理 間歇光照是指在人工光下可設(shè)置不同的晝 夜節(jié)律 而且在同一個晝夜節(jié)律內(nèi)可設(shè)置 2 個以 上明暗期交替循環(huán)的光照模式 很顯然 人工光 間歇光照比自然光復雜得多 后者在 24 h 晝夜 節(jié)律中只包含 1 個明暗期循環(huán) 間歇光照時長可 設(shè)置為分鐘或小時尺度上 明暗期循環(huán) 2 次以 上 若間歇光照時長過低 達到毫秒甚至微秒級 間歇光照就變成頻率較高的脈沖光了 已有報 道表明 間歇光照模式中存在最優(yōu)的技術(shù)參數(shù) 可提高產(chǎn)量和品質(zhì) Chen 等 7 研究了24 h 明 期內(nèi) LED 紅藍光連續(xù)光照 間歇光照對生菜生 長和碳水化合物累積的影響 6 個處理中紅藍光 處理的光周期都是 16 h 天 其中紅藍光連續(xù)光 照處理僅一個明暗期 16 h 8 h 作為對照 5 個紅藍光間歇處理的敏感期處理分別為 8 h 4 h 6 h 3 h 4 h 2 h 3 h 1 5 h 2 h 1 h 結(jié)果表明 溫室園藝 2020 05 62 溫室裝備 Greenhouse Equipment 與明期內(nèi)連續(xù)光照處理相比 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 間歇光 照處理下顯著增加 而 6 h 3 h 處理降低了生菜 的地上部生物量 8 h 4 h 處理的生菜具有較高的 己糖 蔗糖比率 蔗糖降解酶活性 較弱的蔗糖 合成酶活性 8 h 4 h 6 h 3 h 處理下生菜的可溶 性糖含量較高 粗纖維和淀粉含量較低 與對照 比較 所有間歇處理顯著提高了生菜的果糖含量 8 h 4 h 和 6 h 3 h 處理通過提高甜度和脆度優(yōu)化 了生菜的口味 而 6 h 3 h 處理同時增加了地上 部干重 Sivakumar 等 24 比較了間歇光與持續(xù) 光對甜土豆組培苗的作用效果 結(jié)果顯示間歇供 應(yīng)的紅藍混合光下土豆苗的干重以及碳水化合物 含量均高于持續(xù)供應(yīng)紅藍混合光的處理 LED 植物工廠光照策略的構(gòu)建 LED 賦予植物工廠光環(huán)境調(diào)控更多內(nèi)涵和調(diào) 控模式 因此光照模式及其植物生理響應(yīng)機制已 成為植物工廠植物生理學研究的熱點 連續(xù)光照 交替光照和間歇光照這 3 種基于 LED 光電特性 而建立起的特殊光照模式在人工光植物工廠中具 有廣闊的應(yīng)用前景 連續(xù)光照 交替光照和間歇 光照是具有重要植物生理效應(yīng)的特殊光照模式 3 種光照模式中均存在最優(yōu)的技術(shù)參數(shù) 可以在 不增加電能投入的前提下提高光能利用效率 提 高設(shè)施植物的產(chǎn)量和品質(zhì) 但是 研究表明連續(xù) 光照下不同植物種類和品種生理響應(yīng)差異客觀存 在 因此光照策略的制定應(yīng)因植物種類甚至品種 而異 此外 為了避免連續(xù)光照造成的生理傷害 運用連續(xù)光照時其屬性要素應(yīng)給予合理的運行參 數(shù) 而且需要把連續(xù)光照合理地整合到植物工廠 照明管理策略中形成高效的光配方和光照策略 因此 連續(xù)光照 交替光照和間歇光照在 LED 光 源植物工廠中具有重要應(yīng)用價值 需要針對特定 植物種類及品種加快光照技術(shù)參數(shù)的篩選 整合 和實踐驗證 實踐中也可將 3 種光照模式集成到植物工廠 光環(huán)境管理策略中 發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢 切實大幅度 提高植物生產(chǎn)力 提高植物工廠系統(tǒng)的生產(chǎn)效率 推進植物工廠照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展 研究表明 將交替光照模式嵌入到連續(xù)光照中 可以進一步 提升光照的生理效應(yīng) 提高植物生產(chǎn)力 Ohtake 等 25 研究了連續(xù)光照條件下 LED 紅藍光交替對 生菜生長和營養(yǎng)品質(zhì)的影響 Lanoue 等 23 發(fā)現(xiàn) 紅藍光交替連續(xù)光照也可以削減連續(xù)光照對番茄 的傷害 總之 未來可通過系統(tǒng)研究明確這些人 工光下特殊光照模式的植物生理功能 利用集成 了多種光照模式的光照策略來提高植物生長發(fā)育 速率 調(diào)節(jié)產(chǎn)量和品質(zhì) 提升設(shè)施植物 設(shè)施作 物生產(chǎn)力和系統(tǒng)生產(chǎn)效率 總 之 LED 光源植物工廠具備智慧生產(chǎn)的 光環(huán)境調(diào)控的能力 通?？梢栽诩{米波長光質(zhì) PPFD 基本單位光強和分鐘尺度時長等方面對光 環(huán)境進行管控 也可實現(xiàn)內(nèi)涵豐富的連續(xù)光照 間歇光照和交替光照等特殊光照模式及其集成 應(yīng)用 對植物工廠光照策略的制定 應(yīng)針對各種 植物種類及品種構(gòu)建出集成了多種光照模式的 光照策略 實現(xiàn)提高植物生產(chǎn)力和植物工廠生產(chǎn) 效率的光調(diào)控目標 但是 當前研究僅僅揭示了 多種光照模式在人工光植物工廠光能提質(zhì)增效 方面的有效性和可行性 而在能耗分析和綜合效 益評價方面仍需要做大量工作 因此 應(yīng)加強 對 不同規(guī)模植物工廠中各種光照模式的植物生理 效應(yīng)和能耗的研究和評價 篩選出基于植物種類 或品種的適宜集成機制 以獲得高效節(jié)能的植物 工廠光照策略 參考文獻 1 劉文科 查凌雁 植物工廠植物光質(zhì)生理及其調(diào)控 M 北京 中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社 2019 2 劉文科 楊其長 設(shè)施園藝半導體照明 M 北京 中國農(nóng)業(yè)科 學技術(shù)出版社 2016 3 Sysoeva MI 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