人工光植物工廠特殊光照模式及其應用策略

劉文科，吳啟保，邵明杰

(1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081；2.深圳信息職業技術學院 智能制造與裝備學院，廣東 深圳 518172)

引言

人工光植物工廠是設施園藝發展的高級形式，具有生產要素控制精度高、資源利用率高、周年連續生產、農產品安全潔凈無污染等優勢，是未來設施園藝發展的必然趨勢[1,2]。但是，人工光植物工廠設施建造、設備安裝和運行費用較高，要想實現高效盈利生產必須研發技術手段提高其植物生產力，提高植物生長速率，縮短生育期，提高營養品質，減少能源和資源消耗，達到高產優質高效的目標。LED光源取代熒光燈在植物工廠中的應用大幅度降低了能耗，同時LED光源可以按照植物生理需求調制光譜，并能按照植物生產的時空需求智能控制光環境，達到較高的生物光效和農學效益。因此，LED光源光電優勢為人工光植物工廠提供了多種特殊的光照模式，比如連續光照、交替光照、間歇光照，可以基于植物生理響應特征設計光照策略，最大程度獲得生物量和健康有益物質。

光照模式是指人工光源下人工光環境屬性的光強、光質、光周期動態變化規律。自然光條件下，光照呈現出晝夜交替、光強為拋物線變化的動態規律，而LED光源下借助智能控制系統，可以任意設計光照模式，比較典型的光照模式包括連續光照、交替光照、間歇光照。近幾年，連續光照、交替光照、間歇光照模式對植物生長、產量和營養品質影響的研究多有報道，優化篩選出諸多對應的高效光質組合及其時間轉換方式(交替、疊加、復合、拆減)、適宜光強參數及轉換方式(置零、增加和遞減)，為這些特殊光照模式的植物工廠應用提供了科學依據。同時，特殊光照模式的技術化應用需要光環境智能可調的LED燈和智能控制系統的支撐，相關研制工作正在逐步推進。本文歸納總結了國內外有關連續光照、交替光照、間歇光照對設施植物生長發育及產量品質影響的研究進展，提出了人工光植物工廠LED光源實施特殊光照提高植物生產力的應用策略。

1 連續光照的概念及應用策略

連續光照是指打破植物24 h明暗期交替的自然光照模式，給植物提供連續24 h的光照條件[3,4]。很顯然，連續光照具有不中斷、無暗期和屬性特征隨時空可調控三個基本特征，因此連續光照在時間序變化上連續光照屬性特征可以是恒定模式和動態模式兩種。前者是指連續光照的光強和光質被固定的連續光照，后者是指連續光照的光強和光質要按一定規律動態變化的光照模式。連續光照的屬性特征不僅包括光強、光質的基本要素，也包含特定要素及其組合的持續時長以及轉換規律。因此，連續光照的變化多樣性高，可從多個植物生理層面調控植物生長發育和產量品質，應用前景廣闊。按持續光照的天數來分，可將連續光照劃分為兩類，即短期連續光照(3 d以內)和長期連續光照(3 d以上)。

短期連續光照和長期連續光照對設施植物生長、產量和品質均有調控作用，其主要機制是延長植物光合作用時長，消除暗期及暗期呼吸消耗，提高生物量和光合產物合成與累積數量。通常，在水培葉菜采收前進行2～3 d的LED紅藍光或紅藍綠光連續光照可顯著提高水培生菜地上部產量和營養品質[5-8]，該技術已廣泛應用于人工光植物工廠水培葉菜生產實踐，具有成本低、易操作、效果好、無負效應等優點。長期連續光照對設施植物生理的影響取決于植物種類和品種，按照植物對長期連續光照適應性的差異分為連續光照敏感型植物種類和品種、連續光照適應型植物種類和品種。兩類植物需分別采取不同的長期連續光照應用策略，以獲得最大化應用效益。對連續光照傷害敏感性植物種類或品種可采納三種應用方式。其一，采收前短期應用連續光照，提高產量品質，克服水培葉菜品質低問題。其二，可在植物生長期某段時間長期應用6～9 d，提高產量品質，不產生傷害。其三，制定合理的調控方案，在變溫管理、光質交替等協同措施下長期連續光照，提高產量品質，不產生傷害。對連續光照適應性植物種類或品種可采納直接應用的方式，需要基于節能、高效的原則制定成套的連續光照光環境參數、動態模式和控制方式，可獲得較好的產量品質效應。

2 交替光照概念及其應用策略

交替光照是指在人工光植物工廠中照明光源的光質及其數量屬性在植物生長發育過程中按一定規則、策略變化供給光或光質，存在的規律性時空變化，以達到增加產量，提高品質的目的。交替光照包括完全交替光照和疊加交替光照兩類，即持續光照時段內兩種或多種光質在時間序按照一定規律交替出現或疊加出現的循環照明方式[9,10]。交替光照需要借助自動化控制系統和具有獨立光質的LED光源，只存在可控環境人工光植物工廠中。交替光照因交替頻率、交替光質種類及其強度不同呈現出多樣性的光照策略，從而影響植物的生長、產量甚至營養品質。

已有報道表明，交替光照模式中存在最優的技術參數，可提高產量和品質。Jishi等[9]研究了LED紅藍光組合的光照模式對生菜生長和形態的影響，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 μmol·m-2·s-1，光周期為每天14 h。紅光開始照射時間與藍光啟動的時間同時進行或延遲1 h、4 h或7 h。結果表明，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。結果表明，植物生長可通過單純地時間位移紅藍光照射時段提高產量。Chen等[10]研究了LED紅藍光交替對生菜生長和營養品質的影響，設計了四種交替光處理，具有相同的8.64 μmol·m-2的光合有效輻射日總量(daily light integral,DLI)和相似的R∶B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8 h、4 h、2 h和1 h。6種處理具有相同DLI，但紅藍光交替和同時發生。結果表明，不同交替類型的光照導致生菜明顯的形態、生物量和營養品質變化。生長在紅藍光同時照射8 h處理的植物比紅藍光同時輻射16 h的植株更稀疏，后者更緊實。植株高度、寬度和葉片長度和寬度均以紅藍光8 h交替最好，其次是1 h交替。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%。顯著高的抗壞血酸含量和較低的硝酸鹽含量出現在紅藍光4 h交替和2 h交替處理的生菜，相對低的抗壞血酸含量和較高的硝酸鹽含量出現在紅藍光8 h交替和1 h交替處理?；谙嗤哪芰肯?，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量，而紅藍光4 h交替和2 h交替處理可獲得較高的營養。

將交替光照模式嵌入到連續光照中，可以進一步提升光照的生理效應，提高植物生產力。Ohtake等[11]研究了6.9 mol·m-2·d-1日光照量和連續光照條件下LED紅藍光交替對生菜生長和營養品質的影響。結果表明，與熒光燈和紅藍光處理相比，紅藍光交替顯著加速了生菜的生長，生菜具有更高的同化速率和總的及高吸光葉面積。而且，葉片中糖、抗壞血酸、花青素含量較高。因此，連續光照時采用紅藍交替模式可進一步促進生菜生長且提高營養品質。Shao等[12]發現，與LED紅藍光恒定光強(150 μmol·m-2·s-1)光照模式相比，LED紅藍光強光(500 μmol·m-2·s-1)交替可以提高生菜產量和品質，20 d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2 h處理。

3 間歇光照概念及其應用策略

通常，自然光條件下在24 h晝夜節律中只包含1個明暗期循環，但在人工光植物工廠中可以設置不同的晝夜節律，而且在同一個晝夜節律內可設置2個以上明暗期循環周期，形成間歇光照。間歇光一般時長在min至 h數量級上，明暗期循環2次以上。若間歇光時長過低，達到毫秒或微秒級，間歇光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的技術參數，可提高產量和品質。Chen和Yang[13]研究了24 h內明期LED紅藍光連續光照、間歇光照對生菜生長和碳水化合物累積的影響。六個處理中紅藍光處理的光周期都是16 h每天，其中紅藍光連續光照處理僅一個明暗期(16 h/8 h)，作為對照。五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。結果表明，與明期內連續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處理降低了明其內生菜地上部生物量。8 h/4 h處理具有較高的己糖/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 處理下可溶性糖(尤其是果糖)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中的果糖含量。8 h/4 h和6 h/3 h處理通過提高天都和脆度增加了生菜的口味，而6 h/3 h處理同時增加了地上部生物量(干重)。比如，相同光周期下的明暗期交替。Sivakumar 等[14]比較了間歇光與持續光對甜土豆組培苗的作用效果，結果發現間歇供應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供應的紅藍混合光。

4 結語

連續光照、交替光照和間歇光照是具有重要植物生理效應的特殊光照模式，三種光照模式中均存在最優的技術參數，可以在不增加電能投入的前提下提高光能利用效率，提高設施植物的產量和品質。因此，連續光照、交替光照和間歇光照在LED光源植物工廠中具有重要應用價值，需要針對特定植物種類及品種加快光照技術參數的篩選、整合和實踐驗證。同時將三種光照模式集成到植物工廠光環境管理策略中，發揮系統優勢，大幅度提高植物生產力，提高植物工廠系統的生產效率，推進植物工廠照明技術和產業發展。