劉文科，吳啟保，邵明杰

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與裝備學(xué)院，廣東 深圳 518172)

引言

人工光植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的高級(jí)形式，具有生產(chǎn)要素控制精度高、資源利用率高、周年連續(xù)生產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品安全潔凈無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)設(shè)施園藝發(fā)展的必然趨勢(shì)[1,2]。但是，人工光植物工廠設(shè)施建造、設(shè)備安裝和運(yùn)行費(fèi)用較高，要想實(shí)現(xiàn)高效盈利生產(chǎn)必須研發(fā)技術(shù)手段提高其植物生產(chǎn)力，提高植物生長(zhǎng)速率，縮短生育期，提高營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，減少能源和資源消耗，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效的目標(biāo)。LED光源取代熒光燈在植物工廠中的應(yīng)用大幅度降低了能耗，同時(shí)LED光源可以按照植物生理需求調(diào)制光譜，并能按照植物生產(chǎn)的時(shí)空需求智能控制光環(huán)境，達(dá)到較高的生物光效和農(nóng)學(xué)效益。因此，LED光源光電優(yōu)勢(shì)為人工光植物工廠提供了多種特殊的光照模式，比如連續(xù)光照、交替光照、間歇光照，可以基于植物生理響應(yīng)特征設(shè)計(jì)光照策略，最大程度獲得生物量和健康有益物質(zhì)。

光照模式是指人工光源下人工光環(huán)境屬性的光強(qiáng)、光質(zhì)、光周期動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。自然光條件下，光照呈現(xiàn)出晝夜交替、光強(qiáng)為拋物線變化的動(dòng)態(tài)規(guī)律，而LED光源下借助智能控制系統(tǒng)，可以任意設(shè)計(jì)光照模式，比較典型的光照模式包括連續(xù)光照、交替光照、間歇光照。近幾年，連續(xù)光照、交替光照、間歇光照模式對(duì)植物生長(zhǎng)、產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)影響的研究多有報(bào)道，優(yōu)化篩選出諸多對(duì)應(yīng)的高效光質(zhì)組合及其時(shí)間轉(zhuǎn)換方式(交替、疊加、復(fù)合、拆減)、適宜光強(qiáng)參數(shù)及轉(zhuǎn)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(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，特殊光照模式的技術(shù)化應(yīng)用需要光環(huán)境智能可調(diào)的LED燈和智能控制系統(tǒng)的支撐，相關(guān)研制工作正在逐步推進(jìn)。本文歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外有關(guān)連續(xù)光照、交替光照、間歇光照對(duì)設(shè)施植物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)影響的研究進(jìn)展，提出了人工光植物工廠LED光源實(shí)施特殊光照提高植物生產(chǎn)力的應(yīng)用策略。

1 連續(xù)光照的概念及應(yīng)用策略

連續(xù)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(xù)24 h的光照條件[3,4]。很顯然，連續(xù)光照具有不中斷、無(wú)暗期和屬性特征隨時(shí)空可調(diào)控三個(gè)基本特征，因此連續(xù)光照在時(shí)間序變化上連續(xù)光照屬性特征可以是恒定模式和動(dòng)態(tài)模式兩種。前者是指連續(xù)光照的光強(qiáng)和光質(zhì)被固定的連續(xù)光照，后者是指連續(xù)光照的光強(qiáng)和光質(zhì)要按一定規(guī)律動(dòng)態(tài)變化的光照模式。連續(xù)光照的屬性特征不僅包括光強(qiáng)、光質(zhì)的基本要素，也包含特定要素及其組合的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)以及轉(zhuǎn)換規(guī)律。因此，連續(xù)光照的變化多樣性高，可從多個(gè)植物生理層面調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)，應(yīng)用前景廣闊。按持續(xù)光照的天數(shù)來(lái)分，可將連續(xù)光照劃分為兩類，即短期連續(xù)光照(3 d以內(nèi))和長(zhǎng)期連續(xù)光照(3 d以上)。

短期連續(xù)光照和長(zhǎng)期連續(xù)光照對(duì)設(shè)施植物生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)均有調(diào)控作用，其主要機(jī)制是延長(zhǎng)植物光合作用時(shí)長(zhǎng)，消除暗期及暗期呼吸消耗，提高生物量和光合產(chǎn)物合成與累積數(shù)量。通常，在水培葉菜采收前進(jìn)行2～3 d的LED紅藍(lán)光或紅藍(lán)綠光連續(xù)光照可顯著提高水培生菜地上部產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[5-8]，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人工光植物工廠水培葉菜生產(chǎn)實(shí)踐，具有成本低、易操作、效果好、無(wú)負(fù)效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。長(zhǎng)期連續(xù)光照對(duì)設(shè)施植物生理的影響取決于植物種類和品種，按照植物對(duì)長(zhǎng)期連續(xù)光照適應(yīng)性的差異分為連續(xù)光照敏感型植物種類和品種、連續(xù)光照適應(yīng)型植物種類和品種。兩類植物需分別采取不同的長(zhǎng)期連續(xù)光照應(yīng)用策略，以獲得最大化應(yīng)用效益。對(duì)連續(xù)光照傷害敏感性植物種類或品種可采納三種應(yīng)用方式。其一，采收前短期應(yīng)用連續(xù)光照，提高產(chǎn)量品質(zhì)，克服水培葉菜品質(zhì)低問(wèn)題。其二，可在植物生長(zhǎng)期某段時(shí)間長(zhǎng)期應(yīng)用6～9 d，提高產(chǎn)量品質(zhì)，不產(chǎn)生傷害。其三，制定合理的調(diào)控方案，在變溫管理、光質(zhì)交替等協(xié)同措施下長(zhǎng)期連續(xù)光照，提高產(chǎn)量品質(zhì)，不產(chǎn)生傷害。對(duì)連續(xù)光照適應(yīng)性植物種類或品種可采納直接應(yīng)用的方式，需要基于節(jié)能、高效的原則制定成套的連續(xù)光照光環(huán)境參數(shù)、動(dòng)態(tài)模式和控制方式，可獲得較好的產(chǎn)量品質(zhì)效應(yīng)。

2 交替光照概念及其應(yīng)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(zhì)及其數(shù)量屬性在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中按一定規(guī)則、策略變化供給光或光質(zhì)，存在的規(guī)律性時(shí)空變化，以達(dá)到增加產(chǎn)量，提高品質(zhì)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(xù)光照時(shí)段內(nèi)兩種或多種光質(zhì)在時(shí)間序按照一定規(guī)律交替出現(xiàn)或疊加出現(xiàn)的循環(huán)照明方式[9,10]。交替光照需要借助自動(dòng)化控制系統(tǒng)和具有獨(dú)立光質(zhì)的LED光源，只存在可控環(huán)境人工光植物工廠中。交替光照因交替頻率、交替光質(zhì)種類及其強(qiáng)度不同呈現(xiàn)出多樣性的光照策略，從而影響植物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量甚至營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

已有報(bào)道表明，交替光照模式中存在最優(yōu)的技術(shù)參數(shù)，可提高產(chǎn)量和品質(zhì)。Jishi等[9]研究了LED紅藍(lán)光組合的光照模式對(duì)生菜生長(zhǎng)和形態(tài)的影響，在24 h光周期里光強(qiáng)有一定的變化。試驗(yàn)1中，紅藍(lán)光光強(qiáng)為90 μmol·m-2·s-1，光周期為每天14 h。紅光開(kāi)始照射時(shí)間與藍(lán)光啟動(dòng)的時(shí)間同時(shí)進(jìn)行或延遲1 h、4 h或7 h。結(jié)果表明，紅光啟動(dòng)時(shí)間比藍(lán)光延遲4 h和7 h的處理生菜地上部鮮重顯著高于紅藍(lán)光同時(shí)啟動(dòng)光照模式。結(jié)果表明，植物生長(zhǎng)可通過(guò)單純地時(shí)間位移紅藍(lán)光照射時(shí)段提高產(chǎn)量。Chen等[10]研究了LED紅藍(lán)光交替對(duì)生菜生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響，設(shè)計(jì)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(lán)交替間隔時(shí)間上不同，分別是在16 h光周期內(nèi)8 h、4 h、2 h和1 h。6種處理具有相同DLI，但紅藍(lán)光交替和同時(shí)發(fā)生。結(jié)果表明，不同交替類型的光照導(dǎo)致生菜明顯的形態(tài)、生物量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)變化。生長(zhǎng)在紅藍(lán)光同時(shí)照射8 h處理的植物比紅藍(lán)光同時(shí)輻射16 h的植株更稀疏，后者更緊實(shí)。植株高度、寬度和葉片長(zhǎng)度和寬度均以紅藍(lán)光8 h交替最好，其次是1 h交替。生菜生物量以紅藍(lán)光同時(shí)照射16 h最高，是紅藍(lán)光同時(shí)照射8 h，紅藍(lán)光4 h交替和2 h交替的2倍多，是紅藍(lán)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(lán)光同時(shí)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(xiàn)在紅藍(lán)光4 h交替和2 h交替處理的生菜，相對(duì)低的抗壞血酸含量和較高的硝酸鹽含量出現(xiàn)在紅藍(lán)光8 h交替和1 h交替處理?；谙嗤哪芰肯?，與同時(shí)照射紅藍(lán)光相比，紅藍(lán)光8 h交替和1 h交替處理可導(dǎo)致較高的產(chǎn)量，而紅藍(lán)光4 h交替和2 h交替處理可獲得較高的營(yíng)養(yǎng)。

將交替光照模式嵌入到連續(xù)光照中，可以進(jìn)一步提升光照的生理效應(yīng)，提高植物生產(chǎn)力。Ohtake等[11]研究了6.9 mol·m-2·d-1日光照量和連續(xù)光照條件下LED紅藍(lán)光交替對(duì)生菜生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，與熒光燈和紅藍(lán)光處理相比，紅藍(lán)光交替顯著加速了生菜的生長(zhǎng)，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(xù)光照時(shí)采用紅藍(lán)交替模式可進(jìn)一步促進(jìn)生菜生長(zhǎng)且提高營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。Shao等[12]發(fā)現(xiàn)，與LED紅藍(lán)光恒定光強(qiáng)(150 μmol·m-2·s-1)光照模式相比，LED紅藍(lán)光強(qiáng)光(500 μmol·m-2·s-1)交替可以提高生菜產(chǎn)量和品質(zhì)，20 d后以交替強(qiáng)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(yīng)用策略

通常，自然光條件下在24 h晝夜節(jié)律中只包含1個(gè)明暗期循環(huán)，但在人工光植物工廠中可以設(shè)置不同的晝夜節(jié)律，而且在同一個(gè)晝夜節(jié)律內(nèi)可設(shè)置2個(gè)以上明暗期循環(huán)周期，形成間歇光照。間歇光一般時(shí)長(zhǎng)在min至 h數(shù)量級(jí)上，明暗期循環(huán)2次以上。若間歇光時(shí)長(zhǎng)過(guò)低，達(dá)到毫秒或微秒級(jí)，間歇光就變成頻率較高的脈沖光了。已有報(bào)道表明，間歇光照模式中存在最優(yōu)的技術(shù)參數(shù)，可提高產(chǎn)量和品質(zhì)。Chen和Yang[13]研究了24 h內(nèi)明期LED紅藍(lán)光連續(xù)光照、間歇光照對(duì)生菜生長(zhǎng)和碳水化合物累積的影響。六個(gè)處理中紅藍(lán)光處理的光周期都是16 h每天，其中紅藍(lán)光連續(xù)光照處理僅一個(gè)明暗期(16 h/8 h)，作為對(duì)照。五個(gè)紅藍(lán)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(jié)果表明，與明期內(nèi)連續(xù)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(nèi)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(duì)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(guò)提高天都和脆度增加了生菜的口味，而6 h/3 h處理同時(shí)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(xù)光對(duì)甜土豆組培苗的作用效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)間歇供應(yīng)的紅藍(lán)混合光下土豆苗的干重以及碳水化合物含量均高于持續(xù)供應(yīng)的紅藍(lán)混合光。

4 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)光照、交替光照和間歇光照是具有重要植物生理效應(yīng)的特殊光照模式，三種光照模式中均存在最優(yōu)的技術(shù)參數(shù)，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(shè)施植物的產(chǎn)量和品質(zhì)。因此，連續(xù)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(yīng)用價(jià)值，需要針對(duì)特定植物種類及品種加快光照技術(shù)參數(shù)的篩選、整合和實(shí)踐驗(yàn)證。同時(shí)將三種光照模式集成到植物工廠光環(huán)境管理策略中，發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，大幅度提高植物生產(chǎn)力，提高植物工廠系統(tǒng)的生產(chǎn)效率，推進(jìn)植物工廠照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。