人工光植物工廠特殊光照模式及應用

李永志

摘 要：與傳統的光源相比，LED是一種具有節能環保、體積小、使用年限長、耐用性強、響應極快以及堅固等優點的半導體固態電光源。除此之外，還具備一些能夠在植物工廠中應用的獨特優勢，例如可以根據植物工廠的實際需要來調節冷光源以及光譜，實現對光照的智能控制，是在人工光植物工廠中一種極其理想的應用光源。LED光源的特點是可以智能控制時間的轉換，能夠為植物工廠提供較長時間的光強以及光質。由此可知，LED光源在植物工廠中的應用具有廣闊的前景以及極大的潛力。由于LED光源植物工廠能夠根據實際需要來對生產環境的光進行智能調節控制，一般情況下，均能在光照的時長和程度、光質以及光強等方面來管理控制光的環境。除此之外，LED光還能在植物工廠中應用一些特殊的光照模式，例如交替光照、連續光照以及間接光照等。為了制定有效的植物工廠光照方案，使植物工廠的植物生產效率以及生產能力得到有效提升，相關工作人員應當根據不同植物的品種來制定相應的、結合多種光照模式的光照方案。所以，相關人員應當積極研究探索各類光照模式下各種植物的耗能以及生理反應，選出一個以植物品種為基礎的、合適的光照集成機制，制定節能環保、高效的植物工廠光照方案。

關鍵詞：人工光;植物工廠;特殊光照

隨著社會的進步發展，我國的科學技術也進入了飛速發展的階段，而設施園藝發展的必然結果就是人工光植物工廠，其不僅是一種與以往大相徑庭的農作方式以及土地利用手段，也是設施園藝的一個高級發展形式。人工光植物工廠能夠彌補傳統設施園藝中生產方式的不足，如設施較為落后簡易、生產效率較低、資源浪費、環境污染等，除了能夠有效促進我國設施園藝產業以及相關科學技術的快速發展之外，也是保障食物安全性的有效措施，與我國推行的可持續觀念相符。在植物的生存環境中，一個關鍵因素就是光照。通過光合作用為植物的生存環境提供能量，使植物的產量、發育情況以及品質均得到一定程度的保障。光照除了具有晝夜節律以及光譜能量分布等相關質量特性之外，還具有照射時長、光強以及光周期等相關數量特性，這些特性對電能的投入量有著直接的影響。

1 ? ?植物工廠、LED、特殊光照模式

LED植物工廠光照系統在制定光照方案的過程中，一個重要的步驟就是在恒定光照的基礎上構建動態光照模式，大部分的動態光照模式均不能在自然條件下存在。經過相關研究發現，根據生產的目標或者是植物的生理特征來對光照模式的時間進行自動化調控，形成一個植物生產的相關集成方案。通過這樣的方式，極大程度地提高了植物的生產力，繼而實現碳水化合物以及生物量的最大化。LED光源自身具有的優勢[1]能夠讓相關種植工作人員在光合作用有效輻射以及植物的有效輻射范圍內，使用納米級光譜來對植物施行一些特殊光照模式或者是組合調控方案。

光照模式具體指的是在人工光源的照射下，光環境的光質、光周期以及光強等相關屬性的動態變化規律。在自然光的照射下，光照會有一個光強呈拋物線軌跡變化以及晝夜交替的動態變化規律。然而，LED光源可以通過智能控制系統來對各種光照模式進行有效設計，較為突出的光照模式有間歇光照、連續光照以及交替光照。

2 ? ?連續光照模式

連續光照模式具體指的是改變植物在24 h自然光照射條件明期、暗期交替的光照模式，為植物提供具有連續24 h光照條件的環境，同時可以根據時間的變化以及實際的需要來調節控制光照的模式。連續光照模式的特點有：光照的屬性可隨著時間的變化以及實際需要調節控制、不會中斷、沒有暗期[2]。在人工光植物工廠里，使用LED光源不僅可以延長植物的光照時間，還可以在連續光照條件下對植物進行栽培。由于在設施園藝中大面積普及應用LED光源，連續光照的應用價值得到了極大的提升，同時豐富了連續光照的內涵。種植工作人員在使用LED光源對植物進行連續光照的過程中，可以根據生產的目標以及需求對光強以及光質進行制定調節，通過這樣的方式來對植物在連續光照條件下的生理響應進行分析研究。對連續光照的分析研究可以分成兩組來進行：第一組是短期連續光照，具體操作方法為：對植物進行短時間的連續光照;第二組是長期連續光照，具體的操作方法為：對植物進行3天、5天甚至幾十天的長時間連續光照。

從實踐應用的角度對設施植物進行劃分，可以將設施植物分成兩個種類：一種是適應連續光照的植物，另一種是對連續光照敏感的植物。

采取直接應用的方法對適應連續光照的植物進行研究，研究需遵循“節能環保、高效”的基本原則，然后基于此原則對連續光照條件下的控制方式、環境參數以及動態模式進行成套的制定。

研究對連續光照敏感的植物時，可以使用3種方法：第一，制定具有一定科學性、合理性的相關調控策略，控制光質的交替，管理溫度的變化情況。在此基礎上，對植物進行長期的連續光照，在避免植物受損的同時，要將植物的質量、品質以及產量提高;第二，采納、收集短期連續光照應用過程中所出現的問題以及相關有效措施，使水培植物質量不高的問題得到一定的改善，提升植物的品質、質量以及產量;第三，選擇植物生產發育過程中的一個時間段對植物進行6～9天的連續光照，以此減少對植物的損害，將植物的產量、質量以及品質進一步提升[3]。

在人工光植物工廠中，不管是長期連續光照或是短期連續光照均有一定的應用價值。在人工光植物工廠中，實踐應用連續光照，能夠在降低植物暗期進行呼吸作用所產生能耗的同時，將植物的光合作用時間延長，將植物體內積累的營養物質含量提高，豐富植物工廠光照的實踐以及理論知識。

3 ? ?交替光照模式

交替光照模式具體指的是在植物生長發育的過程中，LED光源的光質以及光質的數量屬性能夠有規律地變化的光照模式，向植物提供的光以及光質會存在一些具有規律性的時空變化，使植物的品質、產量以及質量均能得到一定程度的提高。交替光照可以分成兩種，一種是疊加交替光照，另一種是完全交替光照。具體指的是在同一個持續性的光照時間段里，兩種或者兩種以上的光質在具有一定規律的時間段中疊加出現或者交替出現的一種循環照明模式。進行交替光照的前提條件是必須使用具有一個單獨光質的LED光源以及一個自動化的智能控制系統。因此，交替光照模式只在能對環境進行智能控制的人工光植物工廠中存在[4]。由于交替光照具有不同程度的光照強度，且交替的頻率以及光質的種類均不同，交替光照的光照方案具有一定的多樣性，能夠對植物的品質、生長發育、產量、質量等造成一定的影響。

有相關研究報道顯示，交替光照模式中存在技術參數的最優值，這個最優值能夠將植物的品質、質量以及產量提升。有相關研究人員對生菜的形態以及生長發育在LED藍光及紅光組合的光照條件下的影響進行研究，實驗發現，光周期是一天14 h，藍光及紅光的光強是80 μmol/（m2·s），紅光開始進行照射的時間可以和啟動藍光的時間一樣，或者是延后1、4或7 h。研究結果顯示，紅光開始照射的時間比藍光延后幾個小時的效果，明顯比紅光以及藍光同時進行照射要好[5]。由此可知，使用變換紅光藍光照射時間段的方法能夠將植物的產量以及品質提升。

4 ? ?間歇光照模式

間歇光照模式具體指的是在人工光的照射下，能夠對不同晝夜節律進行設置。同時，可以在同個晝夜節律下設置兩個及以上的明期暗期循環交替的光照模式。與自然光相比，人工光間歇光照的復雜程度更高，自然光在24 h的晝夜節律里只有一個明期暗期循環交替。然而，間歇光照的時間則可以設置在h或者是min的尺度上[6]，明期暗期的循環交替在兩次及以上。如果間歇的時長低至μs或者是ms級，間歇光照將會轉變為具有較高頻率的脈沖光。

相關研究報道顯示，間歇光照處理不僅能夠對植物的生長發育發揮良好的作用，還能提高植物的營養物質含量。

5 ? ?LED植物工廠光照方案的構建

LED光源能夠在一定程度上豐富植物工廠的環境調控模式以及內涵。間歇光照、連續光照以及交替光照這 ? 3種特殊光照模式的建立基礎就是LED光源自身所具有的光電特性[7]。因此，這3種光照模式在人工光植物工廠中具有一定的應用潛力以及前景，同時，也能夠在不改變電能投入的基礎上，將光能的使用率以及利用率大幅度提高，使植物的品質、質量以及產量均得到有效提升。除此之外，可以在植物工廠對光環境的管理中應用這3種光照模式，將系統具有的優勢最大限度地發揮出來，使植物的生產能力得到有效提高[8]，繼而將植物工廠的整體生產效率以及生產質量大幅度提升，使人工光植物工廠的相關照明技術得到大力發展。

6 ? ?結語

在植物工廠中應用LED光源，將會使植物工廠對光環境的智能調控能力增強，使植物工廠能夠對光環境的光照時長、光強以及光質進行智能管理調節以及控制，繼而在植物工廠中應用交替光照、連續光照以及間歇光照3種特殊的光照模式。在制定植物工廠光照方案的過程中，相關工作人員應根據工廠中不同種類以及不同品種植物的特性來對相應的光照模式進行科學、合理的構建，在一定程度上將植物工廠的植物生產能力、生產質量以及生產效率提升。但是，由于一些因素以及條件的限制，現階段只是對在植物工廠中應用基于LED光源的3種特殊光照模式的可行性以及有效性進行分析研究，在綜合效益以及能耗方面的研究比較薄弱。所以，相關工作人員應積極對各種植物工廠中不同光照條件下的植物能耗以及生理反應進行研究分析，制定出光照集成機制，提高植物工廠的生產質量以及生產效率，推動人工光植物工廠的發展。

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