提升人工光植物工厂生产力的LED照明策略

提升人工光植物工厂生产力的LED照明策略

刘文科

（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室）

人工光植物工厂是设施园艺发展的必然趋势和高级阶段，是颠覆性的土地利用方式和作物生产方式，对发展现代农业、保障农产品安全、周年有效供给、解决农业生产中的资源和环境问题至关重要。理论上讲，人工光植物工厂将应是最先实现智能化和智慧化管理的业态，在实现农业智能化和智慧化进程中将起到一定的引领作用。人工光植物工厂非常适合根叶茎菜、辛辣类蔬菜、草莓、药用植物和香料植物等低矮植物种类的周年高效生产，已有诸多成功栽培高产的实例报道。人工光植物工厂最显著的生产优势之一：生产效率高、环境友好。以叶菜为例，据日本学者计算其生产效率可达露地的100倍以上；而且，就地产销减少了碳和农业污染物排放。人工光植物工厂最显著的生产优势之二：产品品质高、安全。人工光植物工厂所生产的植物产品具有品相好、洁净新鲜、无污染（农药、重金属、病原菌等）和营养品质高（抗氧化物质、碳水化合物及矿物质等）等基本特征，健康价值高。

进入21世纪，国内外人工光植物工厂技术研究方兴未艾，产业蓬勃发展。中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所刘文科研究员“十二五”期间主持了科技部首个植物工厂领域863项目“智能化植物工厂生产技术研究”项目中的LED照明课题“植物工厂LED节能光源及光环境智能控制技术（2013AA103001）”的研究工作，参与了“十一五”863课题“LED非视觉照明技术研究（2011AA03A114）”。课题研究成果极大地推动了我国植物工厂LED照明领域的科研和产业发展，解决了诸多关键技术和共性技术问题，确立了LED光源植物工厂产业发展的技术基础。但是，植物工厂建造和运行费用高、生产效率水平低的问题一直是困扰人工光植物工厂规模化应用的技术瓶颈。由于人工光植物工厂采用密闭式固定的围护结构作为生产设施，以多层立体水培系统、人工光源照明和精准环境调控等作为生产的前提手段，设施建造、设备购置和运行费用较高。技术层面而言，减少初装成本和运行能耗、提高资源和能源利用效率、提升植物工厂的生产力水平是保障盈利和可持续发展的基础和根本，实现提质增效的发展目标。理论上，充分发挥植物工厂生产要素可智能控制的内在优势，集成调控光环境等生产要素，生产效率提升的空间和潜力非常大。

在硬件设施既定的条件下，通过光环境调控促进植物生长发育来提高植物生产力的途径最为有效。基于发光二极管（Light-emitting diode,LED）光电优势的光环境调控是提升人工光植物工厂生产效率和生产力的有效途径。作为新型固态半导体光源，LED在植物工厂应用中表现出了诸多光电优势，具有节能、环保、长寿命、体积小、固体耐用、冷光源等光电优势，更为重要的是可以按照植物生理需求调制光谱，并能按照植物生产的时空需求智能控制光环境，可达到较高的生物光效和农学效益。LED光源虽作为节能光源，但其能源消耗仍旧占据人工光植物工厂运行费用的很大比例（20%左右），光源节能增效仍旧是一项重要研究内容。为此，人工光植物工厂LED光源的高效利用成为一个重要研究课题，成为推动人工光植物工厂提质增效、提高生产力最大的驱动力。通过LED光源优化设计和管控策略创新，最大程度提高光源的电能利用效率，是提高生产效率的重要途径。随着植物光质生理学规律的逐步揭示，基于植物光质光合生理规律，以优质高产为目标，通过全生育期设定光环境条件调动光合色素和光受体机能，最大程度提高光合效率和时长，提高初级代谢和次级代谢产物积累，提升产量和品质，从而形成LED植物工厂智能照明策略。这种照明策略应具有节能、可控性高、高产、品质好等全部特征或部分特征。

1.LED光源激发了人工光植物工厂的生产潜力

人工光植物工厂发展目标是智能照明，最大程度调动植物遗传潜力，提升光合效率，获得更多生物量和营养物质。LED为节能光源，其诸多光电优势多方面提升了人工光植物工厂的生产效率，成为21世纪撬动人工光植物工厂研发切入点和引爆点。LED节能属性大幅度降低了运行能耗，降低了电能投入和光源运行成本。LED长寿命特性可降低光源更换频率，减少光源购置和运行维护成本。LED 冷光源优点可实现立体多层栽培，种植密度大幅提高，提升了人工光植物工厂的空间利用效率。LED可按需调制光

-I-

谱，最大化应用生物高光效光谱，简化光源光谱组成，降低光源和控制系统制造复杂性及成本。总之，LED光源可按照需要进行智能控制，精准对标植物各生育阶段光环境需求，促进光能的植物最大化利用，转化为生物量和品质物质。LED植物光质生理规律研究与揭示已成为人工光植物工厂自动化、智能化甚至智慧化的关键环节，也是提升植物工厂生产力水平的根本环节。

2.LED光源设计是人工光植物工厂生产力提升的保障

基于植物光合生理需求，设计最佳的LED光源用于人工光植物工厂，可大幅度提高光能利用效率，提高生产力水平。植物光质生理方面的研究成果为LED光源设计提供了科学基础，其光谱组成特征决定着制造成本、光能利用效率、视觉健康和智能控制难易等诸多属性。近些年，在中国照明学会等权威机构的指导下，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所、华南理工大学、浙江大学、中国计量大学、五邑大学等科研高校机构致力于植物工厂光质生理与LED植物灯研发工作，也涌现出了以河北普兰特生物科技有限公司、北京金晟达生物电子科技有限公司等高新科技公司为代表的诸多企业研发力量。目前，在以红蓝光为主要光谱的LED光源及植物灯研发领域创新不断，产品不断出现，具有制造成本低，光能利用效率高，智能控制易等优势，视觉健康等优势。

3.LED照明策略构建提高人工光植物工厂的生产力的关键

3.4光配方(Light recipe)建立是人工光植物工厂照明策略构建的基础

光配方是以光谱组成及其强度为核心而言的，也是针对植物工厂植物冠层光照效果而言的。侠义的光配方仅指恒定光照条件下光照的光质光强的集成，而广义的光配方是指动态光照条件下光照的质量属性和数量属性在时间和空间范畴的多维演变集成。因此，广义的光配方既包含空间尺度上的光照方向、光质和光强的集成，更包括时间尺度(分钟、小时为单位)上光质和光强变化特征。广义光配方是通过一个或多个LED光源控制来实现的，是相对有规则的动态光照。光配方是光照控制和照明控制策略构建的基础，是提高人工光植物工厂生产力的保障。从植物角度而言，光配方是特定植物种类和品种全生育期内的最佳的光环境配置数据库，追求节能、优质和高产目标。过去10余年，国内外相关研究集中于LED红蓝光及光合有效辐射中微量光质组合对多种植物种类及品种的生长生理和产量的影响，迄今特定比例的红蓝光质栽培植物的充要性已广泛认同，绿光添加提效作用也被认识。中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所刘文科研究员所在团队有关光配方方面的研究成果获得2017年国家科学技术进步奖二等奖(高光效低能耗LED智能植物工厂关键技术及系统

集成，2017-J-251-2-03)和2016年北京市科学技术二等奖

(智能植物工厂能效提升与营养品质调控关键技术研究与应用，2016农-2-002-06)o

3.2LED光照模式(Light mode)创新成为人工光植物工

厂生产力提升的新途径

光照模式是指LED光源下光环境属性(光强、光质、光周期)按照特定规则循环照射的方式。它是以24h为昼夜节律，具有固定的循环规则，只有在人工光下甚至自动化控制条件下才能发生。自然光条件下，光照呈现出昼夜交替循环，光强为抛物线型日变化动态规律，具体光照情形受天气、设施、时间等因素的影响。人工光植物工厂条件下，借助自动甚至智能控制系统LED光源可以设计出多种特殊光照模式，比较典型的光照模式包括恒定光照(Constant light)、连续光照(Continuous light)、交替光照(Alternative light)、交叠光照(Overlap light)、

间歇光照(intermittent light)等。近几年，这些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，优化筛选出诸多对应的高效光质组合及其时间转换方式，

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。中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所刘文科研究员领导的研究团队在LED红蓝光连续光照、

强弱光交替提升人工光栽培生菜生产效益等方面取得了可喜的研究进展，研究成果发表在｛(Frontiers in Plant Science》、《Environmental and Experimental Botany》,

《Scientia Horticulturae》和《Horticulture,Environment& Biotechnology》等国际期刊上。光环境调控提高水培叶菜营养品质的方法一直是国内外研究的热点，利用LED光源智能可控的优势，通过创新光照模式，增加有效调控品质物质合成代谢的光照条件，是解决水培叶菜品质低问题最直接、最有效、绿色安全的途径。这些光照模式的筛选应用正在逐步推进，中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所提出了采前连续光照提高水培叶菜产量和品质的方法及技术参数，已成为人工光植物工厂生产的重要技术突破，正在被广泛应用。

3.3供光模式构建成为人工光植物工厂生产力提升的新

热点

供光模式(Light regime)是比光照模式更复杂、更精细的光照体系，增加了光环境调控的内涵和精准度，

非常适合人工光植物工厂运用。供光模式是指LED光源下光环境属性(光强、光质、光周期和昼夜节律)的动态变化特征。它可以突破24h为昼夜节律，可以按照时间尺度产生规则或不规则的动态光照方式，比光照模式控制更需要复杂的自动化控制系统才能实现。在人工光植物工厂中，供光模式可以涵盖光照模式，也可以耦合

-II-