植物工廠LED光源與光環境智能控制策略

劉文科，楊其長

(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)

引言

植物工廠是一種通過設施內高精度環境控制，實現作物周年連續生產的高效設施農業系統，是由計算機對作物生育過程中的溫度、濕度、光照、CO2濃度、氣流以及營養液等環境要素進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的全新生產方式[1]。植物工廠已被國際公認為是設施農業的最高級發展階段，是未來設施園藝發展的必然趨勢，是衡量一個國家農業高技術發展水平的重要標志之一。與露地農田系統相比，植物工廠生產系統具有更高的可控性和穩定性，在解決世界資源、環境與糧食安全問題，應對氣候變化和極端天氣災害方面具有重要價值。植物工廠按光照來源可分為人工光植物工廠和太陽光植物工廠兩種。但國際上狹義的植物工廠是指人工光植物工廠。

人工光植物工廠的內在本質技術特征包括四點：(1)植物生長發育所需的環境因子智能可控，如溫度、濕度、CO2濃度、光照、氣流等；(2)植物栽培采用無土立體多層栽培模式，一般采用DFT、NFT、霧培及半水培方式進行水肥一體化供給與控制；(3)電光源人工光照技術，通過電光源為植物提供光合作用能量和光環境信號；(4)維護建筑結構為全封閉式、密閉性強、不透光、隔熱性好。生產要素的智能控制是植物工廠最為本質的特征，它以第四點為前提條件，涵蓋了上述前三點的本質技術特征。當然，植物工廠技術的發展不是短期形成的，它是工業技術和農業技術發展共同作用的結果。歸納而言，植物工廠發展的技術基礎包括以下三點：(1)礦質營養學說的提出及化肥工業的發展孕育產生的立體無土栽培技術；(2)計算機與傳感器技術的發展使環境因子與養分監測控制成為現實；(3)半導體照明技術的發展促進了人工光照技術的發展，擴展了光環境控制的內涵。當前，植物工廠所有環境因素都實現了自動檢測、儲存分析和智能控制，發展智能型植物工廠的時機已經成熟。

1 植物工廠光環境智能控制的必要性

智能型植物工廠生產運行不僅要求環境因子控制、水肥供給與調配控制的自動化，也需要在育苗、移栽、采收等生產環節實現自動化操作，減少人為活動對生產空間的干擾與污染。植物工廠運行及生產的智能化管理與控制都需要消耗電能。人工光植物工廠的能耗構成包括光源、空調、泵動系統、氣動系統、檢測控制系統等。就人工光植物工廠而言，能耗最大的是光照系統，占總能耗的60%以上；其次是空調系統，占總能耗的30%以上，其余管控系統消耗能源相對較少。目前，運行能耗成本已成為植物工廠運行成本的構成主體，是植物工廠運行成本居高不下的重要原因。因此，減少光照系統的能耗，已成為植物工廠節能增效的主要途徑。

LED光源是熒光燈等傳統植物工廠光源的理想替代品，節能效果明顯[2-3]。更為重要的是，LED照明技術的發展為植物工廠光源節能和環境智能控制提供了硬件條件，其最大節能潛力就是實現了光質、光強和光周期的智能化控制。同時，光照作為調控植物生長發育與產量品質形成的有效環境因子，光環境調控對提高人工光植物工廠生產效益至關重要。目前，植物工廠存在LED光源能耗高、光能利用率低、光環境精準控制技術缺乏等突出問題，開展植物工廠主要園藝作物光環境優化參數與控制模式研究是削減LED照明系統能耗，提高生產效率的必由之路。

2 植物工廠光環境智能控制策略

植物工廠光環境控制是通過LED光源、傳感器、計算機組成的控制系統實現的，其目標有兩個：節能和植物優質高產。植物產量品質響應是植物工廠環境控制調控的目標核心，而植物生長發育所需要的光環境參數是植物工廠光照技術的依據，也是光環境智能控制的生物學基礎。因此，基于LED照明技術，植物工廠光照節能增效的主要方法就是基于植物的光環境需求特性及時空特征，建立針對性的光照配方(Lighting recipe，LR)和光環境控制策略(Light environment control strategy, LECS)[4]，通過計算機實現自動管控，這樣既能最大程度地提高植物的生產力，也能使光照有的放矢，避免盲目性無效光照造成的能源浪費。提高植物工廠生產力是增加植物工廠生產效益的主要途徑。LR是指以優質高產為目標，人工光植物工廠內所栽培特定植物種類及品種生長發育各階段所必需的光質組成及其數量屬性的參數集合。LECS是指以優質高產為目標，以人工光植物工廠內所栽培特定植物種類及品種生長發育各階段LR為基礎，通過計算機直接控制和切換光環境參數的方法。LR所含的光質種類包括可見光、UV和遠紅光，其中紅光和藍光是植物所需的大量光質，其他可見光為植物所需要的微量光質，而UV和遠紅光為植物所需要的有益光質。LR的核心是光質組成及其數量屬性，三類光質合理特定的組合搭配構成了一個LR。

光環境調控植物生長發育是通過改變光質質量屬性以及光強和光周期數量屬性，調節光合色素、光受體作用來影響碳氮代謝實現的[5-6]，其調控機制見圖1。不同的植物種類甚至品種對光環境的要求都存在一定差別，因此需要系統研究建立植物LR和LECS。植物工廠特定植物LR的確定要以植物生長發育階段為中心，以優質高產為目的，通過研究確定不同階段植物所需要的最佳光環境參數來獲得。LR是光源和光環境智能控制的基礎，建立LR及LR庫是植物工廠節能高效生產的前提。以LR為基礎，研制LED光源，建立LR時空轉換控制策略和時間節點，即光環境控制策略(LECS)，以協調光質、光強和光周期的轉換，是實現植物工廠優質高產的前提(見圖2)。LECS的實施需要LED光源、燈具以及控制系統軟硬件條件來支撐。LED照明技術實現了植物工廠光環境的智能管控，解決了植物工廠環境因子控制的最后一關。光照的智能化管控標志著智能化植物工廠及其智能化生產成為了現實。

圖1 LED照明調節植物生長代謝的機制Fig.1 Mechanisms of LED lighting to mediate plant metabolisms for high productivity

圖2 植物工廠節能及優質高產光環境控制策略的建立Fig.2 LECS for high plant productivity under artificial lighting plant factor

3 結束語

光照及光環境的智能化控制是人工光植物工廠最后實現的一個環境因子，具有里程碑式的意義。LR及LECS的建立不僅可為光源的節能提供技術參數，更為植物的優質高產提供了光環境調控手段。LR及LECS技術的建立為人工光植物工廠的可持續發展提供了新的技術支撐，也是實現植物工廠節能高效生產的重要技術支撐，同時，結合LED光源空間管理技術，如垂直與水平光源移動技術以及燈具上表面、下照射表面及側面的光反射技術，可有效提高植物工廠的光能利用效率。這兩種技術的有機結合將大幅提高植物工廠光照的利用效率。

[1] 楊其長，魏靈玲，劉文科. 植物工廠系統與實踐[M]. 北京：化學工業出版社，2012.

[2] 劉文科，楊其長，魏靈玲. LED光源及其設施園藝應用[J]. 北京：中國農業科學技術出版社，2012.

[3] 劉文科，楊其長. LED光質生物學與植物工廠的發展[J]. 科技導報，2014，32(10)：25-28.

[4] Liu W K. Light environmental management for artificial protected horticulture[J]. Agrotechnology, 2012, 1:101.

[5] Stutte G W. Light-emitting diodes for manipulating the phytochrome apparatus[J]. HortScience, 2009, 44(2): 231-234.

[6] McCree K J. The action spectra absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants[J]. Agricultural Meteorology, 1972, 9:191-196.