植物工厂光质选配策略

徐 永（福建工程学院计算机科学与数学学院，福州 350118）

随着人口增长、耕地减少、环境污染和农药化肥滥用等问题日益严重，传统作物生产模式在产量与安全等方面都面临着重大挑战。同时，人们对食品卫生、营养、健康和绿色等方面的要求也越来越高。植物工厂为解决上述矛盾提供了一个有效的途径。植物工厂是利用人工光照系统，通过自动控制和生物信息等技术，对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度和营养液等环境条件进行控制，使植物生长不受自然环境制约而进行周年生产的系统，是现代设施农业发展的一个重要里程碑。植物工厂的高级阶段将完全实现工业化、程序化的生产模式，最终实现栽培环境的最优化，所生产的植物品质好、周期短、产量高、污染少、效益高，具有传统栽培模式无法比拟的优势，是植物生产的最高形式，代表着未来农业的发展方向。

植物工厂主要优势有6 点：①生产率高，通过立体栽培和智能环境控制技术，极大提高了单位产出率和劳动生产率；②种植地域广，可在酷热、寒冷、沙漠甚至太空等不毛之地进行农业生产；③产品质量优，无需农药和各种生长激素，可提供优质新鲜的绿色食品；④产出率稳，利用人工光和营养液栽培，不受外界环境的制约，实现有计划的周年生产；⑤工作环境好，有温控和空气净化的优越作业环境，加上机械化作业省工省力，使农业生产劳动成为一种享受；⑥种植对象广，植物工厂可生产蔬菜、水果、花卉、食用菌、药材和部分大田作物等。

关于光强、光质和光周期对植物生长过程的影响已有较为全面的综述文章可供参考[1]，本文仅就植物工厂在种植过程中遇到的有关光质选配方面的问题做具体的分析和阐述，以期对植物工厂在设计和运营过程中遇到的一些关键问题提供有实用价值的参考。

光源选择

与自然栽培模式相比，植物工厂内采用全人工光照明，工厂建设投入大，照明时间长，运行过程中能源消耗高。研究表明，在环境控制良好的植物工厂中，照明所用的电能约占总能耗的70%，而环境控制和其他动力能耗则占总用电量的30%[2]。随着植物照明用电的增加，其在密闭的植物工厂内所产生的热量也将增加，用于环控的制冷能耗随之增加，上述的能耗比基本保持不变。因此，光源的选择对植物工厂建造和运行成本的降低至关重要。

光源的选择不仅与植物工厂的建造和运营成本有关，还关系到所种植物生产周期的长短、产量和品质。因为光是影响植物生长发育最重要的环境因素之一，它不仅关系到种子的萌发和茎叶的生长，还可以调节植物体内有效物质的积累和开花时间等生理过程，并且对不同的植物种类其影响也略有不同。因此，选择合适的光源并使其含有适宜的光质对于植物工厂的运营十分关键。

为满足上述需求，植物工厂生产一般选用LED 灯。这是因为LED 灯具有光效高、能耗低、发热少、寿命长及光强光谱可调等特点，既可以满足植物生长和有效物资积累的要求，又能达到节约能源、减少发热和用电成本的目的。LED 又可分为单芯片普通照明用宽光谱LED灯、单芯片植物专用宽光谱LED 灯及多芯片组合可调光谱LED 灯。后两种植物专用LED 灯的价格一般为普通照明用LED 灯价格的5 倍以上，所以应该根据不同的目的而选用不同的光源。对于大型植物工厂而言，其种植植物的种类随着市场需求变化而变化，为了降低建造成本且不显著影响生产效率，笔者建议采用一般照明用宽光谱LED 作为照明光源。对于小型的植物工厂，如果种植植物的种类相对固定，为获得较高的生产效率和品质且不显著增加建造成本，则可以采用植物专用或普通照明用宽光谱LED 作为照明光源；如果是为了研究光照对植物生长和有效物质积累的影响，从而为今后大规模生产提供最佳的光照配方，则可选用多芯片组合可调光谱LED 灯，通过在种植过程中改变光强、光质和光照时间这些因素，为每种植物获得最佳光照配方，为大规模的生产提供依据。

红蓝光作用

为了获得较高的光合效率，在生产实际中一般选用含有红蓝光的组合作为光照系统，但不同的组合将产生不同的效果。有学者曾用不同红蓝配比的LED 灯对生菜[3-4]、菠菜[5]、瓠瓜苗[6]、黄瓜苗[7]和番茄苗[8]等进行了广泛而深入的研究，结果表明，不同红蓝光组合在植物生长和有效物质积累方面所起的作用明显不同，但相同的组合在不同种类的植物间产生的差异并不明显。因此，一个较好的光质配方基本上可以适用于不同种类的叶菜和苗菜类植物。

就具体实验结果而言，当红光(R) 的含量高于蓝光(B) 时（生菜R:B=6:2 和7:3；菠菜R:B=4:1；瓠瓜苗R:B=7:3；黄瓜苗R:B=7:3），实验表明所有受试植物在各个不同阶段（7天、14 天和21 天等）的生物量含量（包括地上部分的株高、最大叶面积、鲜重和干重等）都较高，但植株的茎粗和壮苗指数则是在蓝光含量高于红光时较大。对生化指标而言，红光含量高于蓝光一般有利于植物体内可溶性糖含量的增加，但对于植物体内VC、可溶性蛋白、叶绿素和类胡萝卜素含量的积累，则用蓝光含量高于红光的LED 照明比较有利，在这种光照条件下丙二醛的含量也相对较低。

由于植物工厂主要用于种植叶菜类植物或进行工厂化育苗，从以上结果可以得出，在提高产量并兼顾品质的前提下，适于选用红光含量高于蓝光的LED 作为光源，具体配比为R:B=7:3为佳。并且这样的红蓝光配比对各类叶菜或苗菜都基本适用，对不同植物也没有特异性的要求。因此在一般情况下只要选用经过精心挑选的且红蓝光配比适宜的普通照明用LED 灯即可，没有必要采用价格较为昂贵的植物照明专用LED 灯。并且在合适的配比条件下，既可以确保所种植物的产量，又可以获得较好的品质。

红蓝光波长选择

对叶菜类植物生产或工厂化育苗而言，植物在这些阶段的生长主要靠光合作用，因此对光照的要求是必须要有高的光合作用效率。为此必须选用适当波长的红蓝光组合来实现这一目的。但目前有关植物工厂设计或光照对植物生长影响的研究中很少涉及这方面的问题。为探究什么是红蓝光波长的最佳组合，就需研究高等植物的光合过程。在光合作用期间，光能主要是通过叶绿素a 和叶绿素b 而被吸收的。图1 给出了叶绿素a 和叶绿素b 的吸收光谱，其中绿色谱线为叶绿素a 的吸收光谱，蓝色谱线为叶绿素b 的吸收光谱。从图中可以看出，叶绿素a 和叶绿素b 都有2 个吸收峰，一个在蓝光区，另一个在红光区。但叶绿素a 和叶绿素b 的2 个吸收峰略有不同。准确说来，叶绿素a 两个峰值波长分别为430 nm 和662 nm，而叶绿素b 两个峰值波长分别为453 nm 和642 nm。这4 个波长值不会随着植物的不同而变化，因此照明光源中红蓝光波长的选用也不会随植物种类的不同而不同。

图1 叶绿素a 和叶绿素b 的吸收光谱

如果用宽光谱的普通LED 照明灯作为植物工厂的光源，只要红蓝光部分能够覆盖叶绿素a和叶绿素b 的两个峰值波长即可，即一般选用红光的波长范围为620～680 nm，而蓝光的波长范围为400～480 nm。但红蓝光波长范围不能太宽，太宽了不仅浪费光能，还可能会产生其他影响。例如，从图1 上看波长范围在320～380 nm 的近紫外光也可能被叶绿素吸收，但因为这些光的波长太短，容易在植物体内引起光胁迫，抑制植物的生长，因此除特殊用途外一般不选用。

如果要用由红黄蓝三色芯片组成的LED 灯作为植物工厂的光源，则应将红光的峰值波长设置为叶绿素a 的峰值波长，即在660 nm 处，蓝光的峰值波长则应设置为叶绿素b 的峰值波长，即在450 nm 处。这一方面是因为在红光附近叶绿素a 的吸收峰大于叶绿素b 的吸收峰，而在蓝光附近则是叶绿素b 的吸收峰大于叶绿素a 的吸收峰；另一方面上述试验及文献中的数据都表明，不同种类的高等绿色植物叶片中叶绿素a 的含量一般为叶绿素b 的3 倍或以上，并且不因红蓝光的配比而产生显著的变化，因此将红光的峰值波长设置为叶绿素a 的峰值波长附近更易于植物的吸收，但如果因此也将蓝光的峰值波长设置在叶绿素a 的峰值波长附近，其结果并不会大幅提高叶片对蓝光的吸收，还会因为这些光的波长较短，容易在植物体内引起蓝光胁迫，从而抑制植物生长。

从以上的讨论可以看出，如果选用宽光谱的LED 灯作为植物工厂的光源，由于绿色植物叶片中叶绿素a 和叶绿素b 的比值及峰值吸收波长都不会随着植物种类的不同而不同，也基本不会随着光照环境的不同而不同，不会有太大的植物特异性，只要选用适当的红蓝光配比就可以适应不同植物生长的需求，因此不必采用价格偏高的植物专用LED 照明灯。

黄绿光作用

在植物照明领域，介于红蓝光间的大片光谱范围一般统称为黄绿光。曾以拟南芥为实验对象，对黄绿光（以下简称“绿光”）在植物生长过程中的作用做了详细的研究[9]，结果表明无论是在拟南芥的种子萌发阶段还是幼苗生长阶段，如果单独使用红光，可以促进种子的萌发及其主根和下胚轴的生长，而单独的蓝光则对它们起抑制作用。但加入20% 的绿光(G)后（R:G 或B:G=8:2），与红光共同作用时可适当抑制种子的萌发及主根和下胚轴的生长，而与蓝光共同作用时则可适当促进种子的萌发及主根和下胚轴的生长。换言之，绿光在此起到了中和红蓝光的作用，它可以减弱由红蓝光单独作用时对植物生长可能产生的过度抑制或促进而导致的不利于植物健康成长的因素。

通过对移栽25 天后拟南芥叶片中的叶绿素a、叶绿素b 及类胡萝卜素含量的分析和比较发现，红蓝光单独作用对拟南芥叶片中叶绿素a、叶绿素b 的形成均有一定的抑制作用。但类胡萝卜素对红蓝光单独作用时的响应却完全相反，其含量在红光照射下显著减少，而在蓝光照射下却显著增加。但当绿光分别与红蓝光共同作用时，它也起到了对红蓝光的明显的中和作用。

如果将红绿蓝三种色光混合（R:G:B=6:1:3或3:1:6），则发现拟南芥的各项生长和生化指标更趋合理。在上述生菜实验[4]中也发现，用绿光代替一定比例的红光或蓝光对生菜的生长和品质的提升更为有效。因此，无论是使用宽光谱LED 灯还是三芯片组合窄光谱LED灯，加入少量的绿光成分对植物的正常生长是有利的，这也是植物生长灯中必须含有一定量的绿光的原因。但由于绿光在植物生长过程中只起到辅助和调节的作用，其含量不宜太大，否则不仅不利于植物的健康成长，而且也会浪费宝贵的光能。因此，红绿蓝三色光的配比为R:G:B=6:1:3 较为合适。至于绿光峰值波长的确定，由于它在植物生长过程中主要起调节作用，只要介于530～550 nm 即可。

总结

本文从理论和实践两方面探讨了植物工厂中的光质选配策略，包括LED 光源中红蓝光波长范围的选择及黄绿光的作用和配比等。本文的结果对植物工厂光照方案的设计、运营成本的降低和植物产量和品质的提升都有一定的指导意义。在植物生长过程中还应综合考虑光强、光质和光照时间这三因素间的合理匹配，及其与养分、温湿度和CO2浓度间的关系等。但限于篇幅，有关这方面的内容我们将在今后适当的时间予以讨论。不过对于实际生产而言，无论是计划使用宽光谱还是多芯片组合可调光谱LED 灯，波长的配比都是首要考虑的因素，因为除了光质外其他因素都可以在运营过程中进行实时的调节。因此，在植物工厂设计阶段最重要的考虑因素应该是光质选配的问题。