设施栽培蔬菜光环境及调控研究进展

邵 丽 杨小龙 王 蕊 须 晖

（沈阳农业大学园艺学院，设施园艺省部共建教育部重点实验室，北方园艺设施设计与应用技术国家地方联合工程研究中心，辽宁沈阳 110866）

设施栽培又称环境调控农业，为蔬菜、水果、花卉等园艺作物产品商品化各阶段提供了适宜的条件，使其不受自然环境的制约。早在2 000多年前，蔬菜栽培已经在设施园艺中出现（陈国辉 等，2004），其栽培面积占设施栽培总面积的95%以上。在节能型日光温室中，太阳光是唯一的能量来源，是主导蔬菜生长的环境因素，光照直接决定温室热环境，它不仅影响设施栽培蔬菜的光合能力，也参与调节各种生理过程。在集约化园艺作物生产中，为了实现可持续发展并获得较高经济利益，光质、光强、光谱、光周期和光照方向等都要满足蔬菜作物的需求，而且光环境因子的调控必须与整个园艺系统中的其他因子高度集成，进而实现设施蔬菜周年连续生产（Hemming，2009）。当温室自然光照达不到最佳时，人工光源补光就会有很大的空间来提高蔬菜作物对能量的利用效率。除了人工光源调控，研究温室结构、透明覆盖材料、遮阳网、反光幕等对温室自然光环境的调控也有重要的应用价值。对人工光和自然光的研究可以为设施栽培蔬菜的光环境管理提供一定的理论依据和实践意义。

1 光照对设施栽培蔬菜的影响

蔬菜作物的生长和产量很大程度上取决于光合作用的效率，温室内的蔬菜作物长期处于变化的光环境中，然而不是所有的光都有助于植物生长，波长在400～700 nm范围的特定光频率更直接影响着植物的光合作用（Deram et al.，2014）。叶绿素对红蓝光的吸收率约为90%（Terashima et al.，2009），红光最早作为光合驱动光源被关注，植物的生长发育也需要蓝光调控，红蓝光缺少任何一个都会导致光合无效（Hogewoning et al.，2010）（表 1）。

可控环境下的光质管理能使蔬菜品质、营养潜力等获得经济效益最大化。光质不仅影响色素的含量，也影响着蛋白、糖、酸及其他次级代谢产物如抗坏血酸、酚类等的含量（Fukuda，2013）。红白蓝LED光照射下的莴苣，生长量的积累增加（Lin et al.，2013）；红辣椒果实的类胡萝卜素及总碳水化合物含量在红蓝LED光照下升高（Gangadhar et al.，2012）。黄光和绿光条件下番茄抗旱性更好。在光质对蔬菜作物抗逆性调节的生理作用机制方面，研究还相对缺乏。光强是植物光同化物运转的一个基本因素，光强的变化能够促进植物叶片的光吸收运转。光周期会对可溶性糖和淀粉的分配产生影响（Martins et al.，2013），光周期的延长可以显著增加光吸收同化物的输出。冬季每天对温室黄瓜延长光照时间，不仅提前了采收期，总产量也与结实期所接受的光照总量成正比（Durieux，1997）。但并不是光周期越长越好，Clapwijk（1981）研究表明：日辐射总量相同时，短时间光照能促进番茄开花；持续24 h照射黄瓜，会出现叶片黄化、产量降低等现象（Moe et al.，2005）。

表1 红蓝光对蔬菜作物的调控作用

2 园艺设施内光环境特征

园艺设施结构特殊，光照强度仅为自然光照的30%～70%（朱静娴，2012），变化趋势与自然光大致相似。但设施内太阳辐射的空间分布情况复杂，随地理位置、温室朝向、建筑参数、气候特点、温室内气体、采光面透射角、大气透明度、屋面形状、覆盖材料和天空云量等对光环境的影响而呈现动态变化。温室分布不均匀的光环境下，植株能够通过改变自身形态结构使叶片最大限度地接受光照辐射。

2.1 不同类型设施的光环境特征

温室地理位置、覆盖材料一致时，其结构就会成为影响采光量和光分布的主要因素。我国日光温室三面墙一面坡、坐北朝南的建筑形式使其只能接受单方向的光照。温室东西方向上，光辐射以中部最高；南北方向上，太阳总辐射量南部较北部平均高出200 W·m-2以上（曲佳 等，2011）。连栋温室光照分布的均匀性较单栋棚好，但总体透光效果较差，且多云天气的整体透光率比晴天高（朱育强 等，2005）；玻璃温室由于其骨架、天沟等结构极大地降低了透光率；全钢架装配式日光温室内外太阳总辐射存在极显著正相关关系（赵丽玲 等，2015）；圆-抛物面温室与单斜面和抛物面结构温室相比，内部透光率、光照度均较高（王静 等，2002），这与李有和张述景（2001）对不同采光面采光效率的研究结果一致。

2.2 气候条件对光环境的影响

温室内的光照变化受季节和天气影响较大，整体光照条件晴天时较好，但光照分布相对不均匀，透光率比多云天气低。对于连栋温室而言，内部光照比较均匀，但仅仅是对各点的日光照总量而言，连栋温室内光环境受外界光条件影响较大。冬季许多地区温室内见光时数少，温室外温度、温室内日均温度、光照强度都随时间推移逐步降低，而温室内蔬菜作物在果实发育期的光照环境较差，必然影响光合作用及各个生理代谢过程，限制植株光合产物的形成；春季温室内见光时段的太阳辐射易达到蔬菜光饱和点，温室内光照强度、日均温、见光时数等都随时间推移逐步上升，整个生育过程基本能够保证较好的温光环境，满足蔬菜作物对光环境的需求（杨贺 等，2007）。然而，果菜类等对温光条件要求较高的蔬菜作物在光照较弱时要采取相应补光措施。

2.3 植株群体及栽培方式对光环境的影响

栽培密度、季节、株高等均能影响植株群体内接受的太阳辐射量，同一季节，栽培密度越大，内部光照越弱。在温室密集作物栽培中，光照不足通常是由于沿植物剖面的光垂直分布减少及相互遮阴引起的（Tewolde et al.，2016），在冠层顶部，叶片比较稀疏，截获的光能也相对较少，太阳总辐射量的垂直衰减较平缓；在冠层底部，叶片密集，光线向下传输过程中叶片截获的光能较多，并且随着光线穿过叶层的增加，植株群体的光截获率也加大。张亚红等（2003）研究了温室内不同生育时期黄瓜的群体结构情况及太阳总辐射水平分布和垂直分布的规律。对番茄而言，日照长短、冠层上方总辐射、群体结构等是影响番茄群体光照水平的主要原因。冠层光分布导致的光合差异是最主要因素，叶面积指数和冠层结构严重影响光分布（曲佳 等，2011），当番茄叶面积指数大于4时，就会影响光合产物的积累（倪纪恒 等，2005）。在实际生产中，生产者可以根据不同栽培密度制定栽培措施，及时整枝，维持通风透光的环境，创造合理的群体冠层，保证蔬菜处于良好的光环境中。

3 设施栽培光环境调控

光照影响蔬菜生长发育的大量研究为设施内光环境调控打下了坚实的理论基础。随着现代设施栽培技术的蓬勃发展，许多学者开始对温室结构、新型覆盖材料、光伏太阳能温室、高效节能光源补光等进行研究。表2总结了设施栽培光环境调控的主要技术手段。

表2 设施栽培光环境调控技术

3.1 自然光照下设施栽培蔬菜光环境调控

3.1.1 设施的采光 设施内光照来源主要为太阳光。位置相同的温室，方位不同，对自然光的利用率不同，综合考虑各种因素，选择南北向东西延长来建造温室容易获得较优的光照环境。在我国，王书通（1988）最早把采光问题归结为阳光对采光面入射角的问题。周长吉（2012）运用网格优化理论获得透光量，以此对温室采光性能进行优化。彩钢板保温装配式节能日光温室的出现使温室的屋面采光角达到 41.5°，同时做到了较均匀的光照分布和较大采光量（孙周平 等，2013）；新型倾转屋面日光温室实现了采光面倾角依据采光需求的变换，达到最佳采光入射角，极大提高了温室采光率和辐射度，也提高了温室温度（张勇 等，2014）。

3.1.2 设施栽培透明覆盖技术 传统的设施覆盖材料包括聚氯乙烯膜（PVC）、聚乙烯膜（PE）、乙烯醋酸乙烯复合膜（EVA）、聚碳酸酯板（PC）、聚酯膜（PET）以及氟素膜（ETFE）等。此外，还有一些新型覆盖材料如聚烯烃膜（PO）、调光生态农膜、新型实体复合抛物面聚光材料、玻璃-薄膜结合（GFC）的透明覆盖材料等。研究表明，调光生态农膜的透光性有利于番茄生长（马光恕 等，2002）；新型实体复合抛物面聚光材料不影响温室内上、下午光照，可以收集多余的光照进行光伏发电，完美削弱午时入射光照，改善温室光照不均匀的情况，从而使太阳光的综合利用率升高。

3.1.3 反光幕技术 反光幕是通过对自然光线的反射增强温室内光照度，使更多植株获得更均一的光照环境，提升整齐度。反光幕利于增加作物得到的二次反射光，能改善大棚后部光照，使光照度接近温室中部（刘持红和李中立，1989）。在温室后墙、东西山墙挂反光膜以及铺设反光地膜都能起到调控光环境的作用。但反光膜会削弱后墙的蓄热能力，导致温室凌晨的温度下降，因此在温室内使用位置可上下移动且面积可变的反光膜，可以使后墙均匀受热，增大蓄热量以保证温室生产力（崔庆法 等，2005）。

3.1.4 栽培管理措施 设施栽培茬口多，不同季节、不同模式和不同栽培密度对蔬菜的生长和产量会造成差异。早在1962年师惠芬就对温室黄瓜栽培温光水气肥条件及栽培方式进行了研究（师惠芬，1962）。调控栽培模式可以形成合理的冠层结构，提高群体光能利用率。采用高矮搭配栽培、小植株立体栽培（通过增加单位面积植株的数量提高产量）（Mahdavi et al.，2012）、喜光耐阴作物间作搭配的栽培布局，不仅可以节省温室有限空间，而且作物的受光及通气状况也会得到改善。

3.2 人工光下设施栽培蔬菜光环境调控

光环境调控是一种精准高效、科学智能的控制方式，植物在人工光下的光合速率通常比自然光更高（于海业 等，2017）。早在20世纪60年代，美国就出现了人工光源对植物补光的研究，我国对温室蔬菜补光最早始于20世纪90年代。传统的温室补光灯包括金属卤化物灯、高压钠灯、白炽灯、荧光灯等。在北欧的一些国家，温室内每天用高压钠灯补光16 h（Paradiso et al.，2011）。钠灯和镝灯有很高的发光效率，适于用作蔬菜补光光源，但钠灯成本较高，蔬菜育苗应以经济且能培育壮苗为基础，所以难以做到大面积应用（杨其长，2005）；白炽灯的构造简单，成本低廉，但发光效率也相对较低；相比之下，荧光灯的发光效率高。荧光灯在组织培养、人工气候室及植物工厂中也有应用。环境控制技术促进了植物工厂的产生与发展，光环境调控是其中的主要因素之一。植物工厂内植物的生长环境可根据需要精确控制，多用于绿叶蔬菜的商业生产，也有用于番茄、黄瓜、辣椒等的移植（Merrill et al.，2016）。植物工厂的光环境最初为试验阶段的高压钠灯光源，20世纪70年代，研究者对植物工厂中的人工光源进行改善，用荧光灯取代了高压钠灯（杨其长和张成波，2005）。然而传统的补光光源都存在发热高、能耗高、光谱匹配不精确等不足，不能完全适用于我国设施栽培蔬菜生产。

LED灯具有代替传统补光灯的潜力，有发热低、寿命长、能量转换效率较高等诸多优势。LED光源的出现极大降低了植物工厂的能耗。因其光效提高得非常快，能够提供精确的输出，可以根据要求随时调整发射光谱（波）的长度，被认为是温室主要的补光光源。迄今为止，已有许多关于补光光质、光谱、光强、补光时间及温度等条件对蔬菜不同时期生理指标、形态指标及果实指标影响的研究。对设施蔬菜进行补光，可以不同程度地提前开花期及采收期，同时提升品质，增加产量。1982年，LED红光最早被日本三菱公司应用于温室番茄栽培。LED补光普遍采用有线布置且大多为单一的光强、时间等因子控制，存在弊端，有研究者提出以LED 灯为基础的无线光环境调控系统，如ZigBee无线网络通过远程监测蔬菜光环境从而进行数据采集和远程管理（Ijaz et al.，2012）；分布式无线智能LED光照度调控系统采用无线通讯方式实现上位机对控制终端的开关调控、光照度监测等（顾梁 等，2015）。

4 先进的温室光环境控制系统

近些年来，研究者将计算机技术与光学原理、温室几何形状、温室结构材料参数相结合，利用仿真技术建立了温室光环境的计算机模拟模型，为温室结构设计提供了更新、更简单的分析手段。有基于PLC、神经网络、二维模糊控制算法、无线传感器网络（WSN）、力控组态软件、智能农业大系统和复杂大系统等关于温室光照的检测及调控系统。PLC，即可编程逻辑控制器，陈景波（2015）研制了基于PLC的温室植物生长环境要素调控系统，以检测到的传感器实时值来控制各调控模块的工作，利用LED补光模块进行补充照明试验。人工神经网络，即依据人类大脑神经结构及思维机制特点，构建的一种以计算机信息技术为基础的信息处理结构模型。王曦等（2016）研究指出，基于神经网络的仿真模拟可以精确判断设施内光环境的变化，实用性强。WSN具有自主网、部署简单、能耗低、易于管理等优点，可实现环境数据采集、传输、处理与控制功能，适于应用在温室环境监控领域。张校磊和陈俊丽（2017）基于WSN设计了一套满足不同温室类型、不同作物需求的温室光环境调控系统，通过分析温室光环境从而实现红蓝光的精准补光。周益民等（2013）研发出的基于单片机的温室植物照明系统，通过LED光源配置，实现了对光环境的定量控制。由于传感器、智能控制器及物联网技术的发展，植物工厂智能化管控成为可能（杨其长，2016）。

在我国，研究者首次以光能传递理论为基础，依据塑料薄膜的漫射及规则透射特性，引入光线跟踪、蒙特卡罗方和辐射度3种方法建立了双层充气连栋塑料温室光环境模型（Chen et al.，2013）。综合考虑温光等环境条件，刘翔（2015）提出了一种光环境目标值动态可调的设施光环境监测与智能调控系统，并对该系统监测的精准度及调控性能进行了部署验证。利用计算机模拟植株光分布是研究光照方式对温室蔬菜光截获影响较为快速简洁的方法，董乔雪等（2005）利用结构模型与辐射度算法的结合，模拟了番茄3D叶片上的光截获及冠层内光分布。如今，对蔬菜作物结构-功能模型的研究越来越多，de Visser 等（2012）发现了自然光和人工光在3D作物模型间的光分布，通过优化LED光源在植物间的位置模拟了节能光照策略。目前，将温室内光源装置与作物三维结构和植物生理结合起来的研究仍鲜见报道。

5 应用前景

设施栽培光环境调控是对蔬菜作物所接受光照的光周期、光强、光质和光向进行调节，其基本原则是依据自然光照和蔬菜生长发育不同阶段的需光特性，定时、定量、定质、定向调控，此外必须考虑如温度、湿度等其他因子的互作。近年来，随着人们对先进设施农业的不断探索，从覆盖材料、反光幕、高压钠灯、荧光灯到LED灯；从人工到智能，温室栽培的光环境调控技术已取得了较优成果，LED照明的控制系统在设施栽培领域的应用前景已相当广阔。但是，现阶段LED照明智能控制光环境的应用仍存在一些问题和障碍：LED灯生产成本高；应用标准不健全；市场竞争不规范；寿命不能保证；LED还未能真正取得生产者的认可，其光效在一定程度上还不能完全取代传统灯具。设施栽培产业作为农业中的支柱产业和农民致富的主要途径，设施内的光环境对蔬菜的生长有重大影响，调节好光环境是实现高产优质的首要条件。