基于LED光源优势的植物工厂光照策略探讨.pdf

温室园艺 2020 05 59 农业工程技术 温室园艺 基于LED光源优势的植物工厂光照策略探讨 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 DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 13 010 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 体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 温室园艺 2020 05 60 温室装备 Greenhouse Equipment 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种 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 温室园艺 2020 05 61 农业工程技术 温室园艺 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 mol m 2 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 mol m 2 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 mol m 2 s 光照模式相比 LED 红蓝光强 光 500 mol m 2 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 温室园艺 2020 05 62 温室装备 Greenhouse Equipment 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 发挥系统优势 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 参考文献 1 刘文科 查凌雁 植物工厂植物光质生理及其调控 M 北京 中国农业科学技术出版社 2019 2 刘文科 杨其长 设施园艺半导体照明 M 北京 中国农业科 学技术出版社 2016 3 Sysoeva MI Markovskaya EF Shibaeva T Plants under continuous light review J Plant Stress 2010 4 5 17 4 Velez Ramirez A I Ieperen W V Vreugdenhil D et al Plants under continuous light J Trends in Plant Science 2011 16 6 310 318 5 Jishi T Kimura K Matsuda R et al Effects of temporally shifted irradiation of blue and red led light o n cos 温室园艺 2020 05 63 农业工程技术 温室园艺 lettuce growth and morphology Scientia Horticulturae 2016 198 227 232 6 Chen XL Yang QC Song WP et al Growth and nutritional properties of lettuce affected by different alternating intervals of red and blue led irradiation J Scientia Horticulturae 2017 223 44 52 7 Chen XL Yang QC Effects of intermittent light exposure with red and blue light emitting diodes on growth and carbohydrate accumulation of lettuce J Scientia Horticulturae 2018 234 220 226 8 Shao MJ Liu WK Zha LY et al Differential effects of high light duration on growth nutritional quality and oxidative stress of hydroponic lettuce under red and blue LED irradiation Scientia Horticulturae 2020 268 9 Zhou WL Liu WK Yang QC Quality changes of hydroponic lettuce under pre harvest short term continuous light with different intensity J The Journal of Horticultural Science Biotechnology 2012 87 5 429 434 10 Zhou WL Liu WK Yang QC Reducing nitrate concentration in lettuce by elongated lighting delivered by red and blue LEDs before harvest J Journal of Plant Nutrition 2013 36 3 481 490 11 余意 杨其长 刘文科 LED 短期连续光照与氮营养对水培生 菜品质的影响 J 应用生态学报 2015 26 11 114 119 12 Bian ZH Cheng RF Yang QC et al Continuous light from red blue and green light emitting diodes reduces nitrate content and enhances phytochemical concentrations and antioxidant capacity in lettuce J Journal of American Society of Horticultural Science 2016 141 2 186 195 13 Bian ZH Cheng RF Wang Y et al Effect of green light on nitrate reduction and edible quality of hydroponically grown lettuce Lactuca sativa L under short term continuous light from red and blue light emitting diodes J Environmental and Experimental Botany 2018 153 63 71 14 Bian ZH Yang QC Li T et al Study of the beneficial effects of green light on lettuce grown under short term continuous red and blue light emitting diodes J Physiologia Plantarum 2018 164 226 240 1 5 Wu MC Hou CY Jiang CM et al A novel approach of LED light radiation improves the antioxidant activity of pea seedlings J Food Chemistry 2007 101 1753 1758 16 Zha LY Zhang YB LiuWK Dynamic responses of ascorbate pool and metabolism in lettuce to long term continuous light provided by red and blue LEDs J Environmental and Experimental Botany 2019 163 15 23 17 Zha LY LiuWK Responses of growth ascorbate metabolism oxidative stress and chlorophyll fluorescence in lettuce to continuous light of different intensities J Frontiers in Plant Science 2019 10 1440 18 査凌雁 张玉彬 李宗耕 等 LED 红蓝光连续光照及其光 强对生菜生长及矿质元素吸收的影响 J 光谱学与光谱分 析 2019 39 8 2474 2480 19 查凌雁 刘文科 昼夜连续照射 LED 红蓝光对不同品种生菜 生长和品质的影响 J 中国农业气象 2018 39 7 27 35 20 查凌雁 刘文科 LED 红蓝光连续光照对五种生菜生长 光合和叶绿素荧光特性的影响 J 植物生理学报 2017 9 164 170 21 Van Gestel N Nesbit AE Green C et al Continuous light may induce photosynthetic downregulation in onion consequences for growth and biomass partitioning J Physiologia Plantarum 2005 125 2 235 246 2 2 Haque MS Alexandra DS Cristiano S et al Temperature variation under continuous light restores tomato leaf photosynthesis and maintains the diurnal pattern in stomatal conductance J Frontiers in Plant Science 2017 8 1602 23 Lanoue J Zheng JM Little C et al Alternating red and blue light emitting diodes allows for injury free tomato production with continuous lighting J Frontiers in Plant Science 2019 10 1114 24 Sivakumar G Heo JW Kozai T et al Effect of continuous or intermittent radiation on sweet potato plantlets in vitro J The Journal of Horticultural Science and Biotechnology 2006 81 3 546 548 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