植物工廠補光照明方法現(xiàn)狀與趨勢.pdf

<p>溫室園藝 2018-03 30 DOI: 10.16815/j.cnki.11-5436/s.2018.07.005引言 &nbsp;植物工廠將現(xiàn)代工業(yè)、生物科技、營養(yǎng)液栽 培和信息技術等相結合，對設施內(nèi)環(huán)境因子實施 高精度控制，具有全封閉、對周圍環(huán)境要求低， 縮短植物收獲期，節(jié)水節(jié)肥、無農(nóng)藥生產(chǎn)、不向 外排放廢物等優(yōu)點 1 ，單位土地利用效率是露地 生產(chǎn)的 40108 倍，其中智能化人工光源及其光 環(huán)境調(diào)控對其生產(chǎn)效率起到?jīng)Q定性作用 2 。 光作為重要的物理環(huán)境因子，對植物的生長 發(fā)育和物質(zhì)代謝均起到關鍵的調(diào)控作用。“植物 工廠的主要特征之一就是全人工光源并實現(xiàn)光環(huán) 境的智能調(diào)控”已經(jīng)成為業(yè)界的普遍共識 3 。植物對光照的需求 &nbsp;植物的生命活動離不開光照，光是植物光合 作用的唯一能量來源 ，光照強度 、光質(zhì) （光譜） 及光的周期性變化對作物的生長發(fā)育具有深刻影 響， 其中以光照強度對植物的光合作用影響最大 4 。 光照強度 光照的強弱能改變作物的形態(tài)，如開花、節(jié) 間長短、莖的粗細及葉片的大小與薄厚。植物對 光照強度的要求可分為喜光型、喜中光型、耐弱 光型植物。蔬菜多數(shù)屬于喜光型植物，其光補償 點和光飽和點均比較高，在人工光植物工廠中作 物對光照強度的相關要求是選擇人工光源的重要 依據(jù)， 了解不同植物的光照需求對設計人工光源、 提高系統(tǒng)的生產(chǎn)性能都極為必要。 光質(zhì) 光質(zhì) （光譜）分布對植物光合作用和形態(tài) 建成同樣具有重要影響（圖 1 ）。光是輻射的一 部分 ，而輻射是一種電磁波 。電磁波具有波的 特性與量子 （粒子）特性 。光的量子稱為光子 （photon） ，在園藝領域亦稱為光量子 。波長 范圍為 300800 nm 的輻射稱為植物的生理有效 輻 射（physiologically active radiation）； 而 植物工廠補光照明方法現(xiàn)狀與趨勢趙 &nbsp;靜，周增產(chǎn)，卜云龍，蘭立波，姚 &nbsp;濤，李秀剛 &nbsp;( 北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司，北京市植物工廠工程技術研究中心，北京 100094) 【摘要】 植物工廠的主要特征之一就是利用全人工光源實現(xiàn)光環(huán)境的智能控制?；?植物生長發(fā)育合理需求的電光源產(chǎn)品及其智能光控設備的研發(fā)與應用是今后植物工廠及 栽培方法革新的核心內(nèi)容。本文闡述了植物工廠中常見的補光照明方法的特性與優(yōu)點， 介紹了典型作物補光系統(tǒng)的設計思路，并對 LED 光源在植物工廠中的應用發(fā)展前景進 行趨勢分析。 圖 1 &nbsp;與植物生長相關的輻射分類 /nm 可見光 800 紅外幅射 360 280 315 400 500 600 700 780 波長 名稱 光合有效輻射 遠紫外 (UV-B) 近紫外 (UV-A) 近紅外 遠紅外 遠紅 藍 綠 紅 植物生理有效輻射 溫室園藝 2018-03 31 可分為長日照作物，如白菜等，在其生育的某一 階段需要 1214 h 以上的光照時數(shù) ； 短日照作物， 如洋蔥、 大豆等， 需要 1214 h 以下的光照時數(shù) ； 中日照作物，如黃瓜、番茄、辣椒等，在較長或 者較短的日照下，都能開花結實。 環(huán)境三要素中，光照強度是選擇人工光源的 重要依據(jù)，目前對光照強度有多種表述方法，主 要包括如下 3 種。 （1 ）光照度（Illumination）是指受照平面 上接受的光通量面密度（單位面積的光通量）， 單位：勒克斯（lx）。 （2 ） 光合有效輻射照度 PAR ，單位 ：W/m 2 。 （3）光合有效光量子流密度 PPFD 或 PPF 即單位時間、單位面積上到達或通過的光合有效 輻射的光量子數(shù)，單位： mol/(m 2 ·s)。主要指與 光合作用直接有關的 400700 nm 的光照強度。 也是植物生產(chǎn)領域最常用的光照強度指標。典型補光系統(tǒng)的光源分析 &nbsp;人工補光是通過安裝補光系統(tǒng)，提高目標區(qū) 域內(nèi)的光照強度或延長光照時間從而實現(xiàn)植物對 光的需求 。一般來說 ，補光系統(tǒng)包括補光設備 、 電路及其控制系統(tǒng) 。補光光源主要包括白熾燈 、 熒光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈及 LED 等幾種 常用類型 。由于白熾燈電光效率低 ，光合能效低 等缺點， 已經(jīng)被市場淘汰了， 故本文不做詳細分析。 圖 2 &nbsp;各光合色素的光譜吸收圖示 波長范圍 400700 nm 的輻射稱為植物的光合有 效輻射 （ photosynthetically active radiation， PAR ）。 植物光合作用最重要的 2 種色素是葉綠素 （Chlorophyll）和胡蘿卜素 （ Carotenes）。 圖 2 為各光合色素的光譜吸收圖譜，其中葉綠素 吸收光譜集中在紅藍波段，照明補光系統(tǒng)是根據(jù) 作物的光譜需求進行人工補光，以促進植物的光 合作用。 光周期 植物的光合作用和光形態(tài)建成與日長（或光 期時間）之間的相互關系稱為植物的光周性。光 周性與光照時數(shù)密切相關，光照時數(shù)是指作物被 光照射的時間。不同的作物，完成光周期需要一 定的光照時數(shù)才能開花結實。 按照光周期的不同， 圖 3 &nbsp;熒光燈下作物生長圖 吸收率 /% 葉綠素 b 葉綠素 b 葉綠素 a 葉綠素 a 類胡蘿卜素 波長 /nm 80 60 400 500 600 700 40 20 溫室園藝 2018-03 32 熒光燈 &nbsp;屬于低壓氣體放電燈的類型。玻璃 管內(nèi)充有水銀蒸汽或惰性氣體，管內(nèi)壁涂有熒光 粉，光色隨管內(nèi)所涂熒光材料的不同而異。熒光 燈光譜性能好，發(fā)光效率較高，功率較小，與白 熾燈相比壽命較長（12000 h），成本相對較低。 因熒光燈自身發(fā)熱量較小，可以貼近植物進行照 明， 適用于立體栽培， 但熒光燈光譜布局不合理， 國際上比較常用的方法是增設反光罩，盡量增加 栽培區(qū)作物的有效光源成分 5 。日本 adv-agri 公 司還開發(fā)了新型補光光源 HEFL，HEFL 實際上屬 于熒光燈范疇，是冷陰極熒光燈（CCFL）及外部 電極熒光燈（EEFL）的總稱，是一種混合電極熒 光燈。HEFL 燈管極細，直徑僅 4 mm 左右，長度 按照栽培需要可從 450 mm 調(diào)節(jié)到 1200 mm，算 是常規(guī)熒光燈的改進版。 金屬鹵化物燈 &nbsp;在高壓水銀燈的基礎上，通 過在放電管內(nèi)添加各種金屬鹵化物（溴化錫、碘 化鈉等）而形成的可激發(fā)不同元素產(chǎn)生不同波長 的一種高強度放電燈 5 。鹵化燈發(fā)光效率較高、 功率大、光色好、壽命較高、光譜大。但由于發(fā) 光效率低于高壓鈉燈，壽命也比高壓鈉燈短，目 前僅在少數(shù)植物工廠使用。 高壓鈉燈 &nbsp;屬于高壓氣體放電燈類型。高壓 鈉燈是在放電管內(nèi)充高壓鈉蒸汽，并添加少量氙 （Xe）和汞燈金屬的鹵化物的一種高效燈 5 。由 于高壓鈉燈具有較高的電光轉換效率同時兼顧較 低制造成本，所以目前農(nóng)業(yè)設施補光應用中高壓 鈉燈是最廣泛的，但由于其光譜存在光合效率低 的缺點，造成能效較低的短板。另一方面高壓鈉 燈所發(fā)出的光譜成分主要集中在黃橙光波段，缺 少植物生長必須的紅色和藍色光譜。 發(fā)光二極管（LED） &nbsp;作為新一代光源，具有 更高的電光轉換效率 ，光譜可調(diào) 、光合效率高等 諸多優(yōu)點。LED 能夠發(fā)出植物生長所需要的單色 圖 4 &nbsp;高壓鈉燈（左）與鹵素燈（右）下玫瑰生長圖 圖 5 &nbsp;高壓鈉燈霧培葉菜生長圖 圖 6 &nbsp;LED 補光燈下作物生長圖 a. 太陽光型植物工廠 b. 人工光型植物工廠 溫室園藝 2018-03 33 光， 與普通熒光燈等補光光源相比， LED 具有節(jié)能、 環(huán)保 、壽命長 、單色光 、冷光源等優(yōu)點 5 。隨著 LED 的電光效率進一步提升，規(guī)模效應產(chǎn)生的成 本下降，LED 將成為農(nóng)業(yè)設施補光的主流設備。 通過比較， 可清晰了解不同補光光源的特性， 如表 1 所示 5 。移動式補光裝置 &nbsp;光照強弱與作物的生長密切相關，植物工廠 中多采用立體栽培，但受栽培架結構所限，層架 間的光照、溫度分布不均，這樣會影響作物的產(chǎn) 量，收獲期也不同步。北京京鵬環(huán)球科技股份有 限公司在 2010 年已成功開發(fā)手動升降補光裝置， 其原理是通過搖動搖柄轉動小型卷膜器帶動傳動 軸及固定在其上面的繞線器轉動，實現(xiàn)收放鋼絲 繩的目的，吊掛補光燈鋼絲繩通過多組換向輪與 升降器的繞線輪連接，從而達到調(diào)整補光燈高低 的效果 6 。2017 年京鵬公司設計開發(fā)了新型移動 式補光裝置，該裝置可以根據(jù)作物生長需求實時 自動調(diào)節(jié)補光高度。該調(diào)節(jié)裝置現(xiàn)安裝在 3 層式 光源升降式立體栽培架上，裝置頂層為光照情況 最好的層級，所以配置高壓鈉燈；中間層及底層 配置可升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)，安裝 LED 燈具，可根據(jù) 光傳感器的檢測信號，自動調(diào)節(jié)補光燈高度，為 作物提供合適的光照環(huán)境 7 。 相對于為立體栽培量身訂制的移動式補光裝 置 ，荷蘭開發(fā)了一種可水平移動的補光燈裝置 。 為了免于陽光下補光燈的陰影對植物生長的影響， 可將補光燈沿水平方向通過伸縮式滑道推向支架 兩邊 ，讓陽光全面照射到植物上 ；沒有太陽光的 陰雨天 ，可將補光燈推向支架中間 ，使補光燈的 光照均勻地給植物補光 ；通過支架上的滑道水平 方向移動補光燈 ，避免了頻繁地拆裝和搬動補光 燈， 降低了員工的勞動強度， 有效提高了工作效率。典型作物補光系統(tǒng)設計思路 &nbsp;從移動式補光裝置的設計不難看出，植物工 廠補光系統(tǒng)的設計通常以不同作物生育期的光照 強度、光質(zhì)和光周期參數(shù)以及末端調(diào)控特殊手段 圖 7 &nbsp;京鵬自動升降補光裝置 表 1 &nbsp;各類人工光源的特性指標比較 人工光源 功率 /W 發(fā)光效率 /（lm/W） 可見光比 /% 使用壽命 /h 熒光燈 45 100 34 12000 金屬鹵化物燈 400 110 30 6000 高壓鈉燈 360 125 32 12000 LED 燈 0.04 20 90 50000 圖 8 &nbsp;荷蘭水平移動補光裝置 溫室園藝 2018-03 34 最為設計的核心內(nèi)容，依賴智能控制系統(tǒng)來執(zhí)行 實 施，達到節(jié)能高產(chǎn)的終極目標。目前，有關葉菜 的補光設計構建已逐漸成熟。舉例來說，葉菜可分 為苗期、 生長中期、 生長后期和末端處置 4 個階段 ； 果菜可分為苗期、營養(yǎng)生長期、開花階段、采收 階段。從補光光照強度屬性來說，苗期光照強度 應略低， 在 60200 mol/(m 2 ·s)， 隨后逐漸增大。 葉菜最高可至 100200 mol/(m 2 ·s)，果菜可達 300500 mol/(m 2 ·s)，以保障各生育期植物光合 作用對光照強度的要求，實現(xiàn)高產(chǎn)的需要；對光 質(zhì)而言，紅藍比例至關重要。苗期為了增加苗質(zhì) 量，防止徒長，一般把紅藍比例設置在較低水平 (12):1，隨后逐漸降低，以滿足植物光形態(tài)建 成的需求，可將葉菜紅藍光比設置 (36):1 8 。對 光周期而言，與光照強度類似，應呈現(xiàn)隨生育期 延長而增加的趨勢，以使得葉菜有更多地光合時 間進行光合作用。果菜的補光設計會更加復雜， 除上述基本規(guī)律外，應重點關注開花期的光周期 設置， 必須促進蔬菜的開花結果， 以免適得其反。 值得提出的是，光配方應包括末端處置光環(huán)境設 置內(nèi)容，比如通過連續(xù)補光可大幅提高水培葉菜 苗菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，或者通過 UV 處理可顯著提 高芽菜和葉菜（尤其是紫葉和紅葉生菜）的營養(yǎng) 品質(zhì)。 除了對特選作物進行優(yōu)化補光外 ，一些人 工光型植物工廠的光源控制系統(tǒng)近年來也發(fā)展迅 速 ，這種控制系統(tǒng)一般是基于 B/S 架構 ，通過 WIFI 實現(xiàn)遠程操控對作物生育過程的溫度、濕 度、光照、CO 2 濃度等環(huán)境因素進行自動控制， 不受外界條件制約的生產(chǎn)方式。這種智能補光系 統(tǒng)，采用 LVD 無極燈作為補光光源，結合遠程 智能控制系統(tǒng)，能夠滿足植物波長光照需求，特 別適合應用于光控植物設施栽培環(huán)境，可以很好 地滿足市場需求 9 。結束語 &nbsp;植物工廠被認為是 21 世紀解決世界資源、 人口和環(huán)境問題的重要途徑，是未來高科技工程 中實現(xiàn)食物自給的重要方式 3 。作為新型的農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)方式，植物工廠還處于學習與成長階段，需 要投入更多的關注與研究。本文闡述了植物工廠 中常見的補光照明方法的特性與優(yōu)點，介紹了典 型作物補光系統(tǒng)的設計思路， 通過比較不難發(fā)現(xiàn)， 為應對連陰天、霧霾等惡劣天氣導致的弱光寡照 逆境，同時保障設施作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，LED 光源裝 備最為符合當前發(fā)展趨勢。未來植物工廠的發(fā)展 方向應側重新型高精度、低成本傳感器和遠程可 控的、可調(diào)光譜的補光照明裝置系統(tǒng)及專家化控 制系統(tǒng)。同時，未來植物工廠將向低成本化、智 能化、自適應化不斷發(fā)展。LED 光源的使用和普 及為植物工廠高精度環(huán)境控制提供保障，LED 光 環(huán)境調(diào)控是一個復雜的過程，涉及光質(zhì)、光照強 度、光周期等綜調(diào)控，有待相關專家學者對人工 光植物工廠 LED 補光照明進行深入研究與使用 推廣。 參考文獻 1 徐圓圓 , 覃儀 , 呂蔓芳 , 等 .LED 光源在植物工廠中的應用 J. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技 ,2016(06):161-162. 2 鄭盛華 , 覃志豪 , 王志丹 . 我國現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢及關鍵 技術 J. 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟 ,2015(04):62-63. 3 周小麗 , 劉木清 . 植物工廠中的關鍵技術 J . 中國照明電 器 ,2016(12):1-4. 4 種培芳 , 陳年來 . 光照強度對園藝植物光合作用影響的研究進 展 J. 甘肅農(nóng)業(yè)大學學報 ,2008(05):104-109. 5 楊其長 , 魏玲玲 , 劉文科 , 等 . 植物工廠系統(tǒng)與實踐 M. 北京 : 化學工業(yè)出版社 ,2012:35-48. 6 龍智強 , 周增產(chǎn) , 卜云龍 , 等 . 植物工廠人工環(huán)境控制栽培室 的設計研究 J. 北方園藝 ,2010(15):85-88. 7 趙靜 , 周增產(chǎn) , 卜云龍 , 等 . 植物工廠自動立體栽培系統(tǒng)的研 究開發(fā) J. 農(nóng)業(yè)工程 ,2018(1):18-21. 8 劉文科 , 劉義飛 . 設施園藝 LED 光源設計與應用策略探討 J. 中國照明電器 ,2017(11):24-27. 9 李文鵬 , 沈振華 , 李維德 . 植物工廠的智能補光系統(tǒng)的探討 J. 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