设施光环境调控技术装备研究现状与发展趋势

刘艺涵，李晶，陈晓丽，高轶楠，范凤翠，郭文忠*

（1.天津农学院园艺园林学院，天津 300384；2.北京市农林科学院智能装备技术研究中心，北京 100097；3.河北省农林科学院农业信息与经济研究所，河北 石家庄 050051）

近年来，随着科技水平的不断进步，设施农业已经成为现代农业的重要组成部分[1]。设施农业涉及的作物种类丰富，主要包括蔬菜、瓜果、花卉、菌类等，其中蔬菜种植面积占设施园艺种植总面积的85%以上，主要种植作物为番茄和黄瓜等。在设施生产过程中，不适宜的环境会严重影响园艺作物的生长发育，进而影响园艺产品的产量和质量[2]。光是影响植物生长发育的主要环境因子，对作物形态建成、生育调控、光合物质合成、产量及品质形成等均具有重要影响。随着设施园艺产业的迅速发展，合理调控光环境带来的经济效益逐渐凸显出来，国内外学者开始研究设施光环境调控对作物形态生长、生理生化以及产量和品质的影响[3-5]，并取得了大量研究成果，促进了设施蔬菜光调控理论和技术的发展。对设施光环境调控技术和装备研究现状以及不同补光设备的性能与优缺点进行综述，探究设施补光技术和装备在应用过程中存在的问题，并对其发展前景进行展望，以期为我国设施农业生产光环境调控、设施作物高产优质生产提供参考。

1 设施光环境调控的必要性

我国农业的发展历史十分悠久，传统农业以精耕细作、因时因地制宜为特点，存在规模小、较分散、生产技术落后、生产效率低等问题[6]。传统农业生产受不确定因素影响过多，其中受自然气候影响较大，致使产品质量不稳定，经济效益忽高忽低。随着现代科技与经济的不断发展，传统农业逐渐向设施农业转型。目前，设施农业生产已经十分普遍，但在实际应用中存在一些这样或那样问题。如，设施建造位置不当导致光照不足；设施透明覆盖材料老化和污染等导致透光率下降，设施内光照强度降低、时长变短；阴雨天时植物很难见到自然光，而设施内没有相应的补光设备；冬季光照不足等造成植物生长受到严重影响，光合作用受到抑制，花和果实发育缓慢甚至停止生长，烂根死亡等[7，8]，生产出来的园艺产品质量不佳。对设施结构进行适当调整或进行合理的人工补光，可以缓解作物因设施内光照不足而产生的不利影响，保证设施作物长势强壮、高产稳产[5]。因此，基于作物高产优质的需要，对设施光环境进行合理调整及人工补光就显得尤为重要，设施光环境调控技术与装备的研究成为设施园艺栽培中的一个重要课题[9]，并逐渐成为未来的发展趋势。

2 设施光环境调控技术和装备研究现状

2.1 设施光环境调控技术研究现状

相对于露地种植，设施内光照强度较弱，光照时数较少，光质变化较大，光照分布不均。研究表明，设施内的光照条件受大气透明度、太阳高度角、设施覆盖材料、设施结构和方位、设施清洁程度、作物群体结构、栽培管理措施等多种因素的影响[10-12]，其中有些因素可以通过适当的调控技术而得到改善。

2.1.1 选择适宜的建筑场地和建筑方位 首先，温室大棚建筑场地应选择平坦开阔处，周围不宜有遮光建筑，且建造地土壤物理性质良好；其次，应选择交通便利、水电供应充足的场地。不同的地理位置，温室的适宜朝向不同。杨文雄等[13]采用日光温室光辐射环境模型模拟了北京地区5 种不同朝向日光温室的光截获情况，结果显示，正南朝向的日光温室光截获量最大。白义奎等[11]对沈阳地区不同朝向温室的太阳辐射进行了比较，结果显示，温室朝向为南偏西5°时进光量最大。因此，在确定温室的具体朝向时，应根据其所处的具体地理位置而定。北方地区温室一般为坐北朝南、东西栋建造。高纬度或气温较低的地区可以适当偏西，以更多地利用下午的阳光；而低纬度或不太寒冷的地区可以适当偏东，以充分利用上午的阳光。在生产中，要根据具体情况确定温室的偏离角，以期为设施提供最大进光量，一般偏离角为5°～10°。

2.1.2 选择合理的设施结构和屋面坡度 理论上温室最理想的屋面坡度角为阳光入射线与屋面经常保持90°，但这在现实中是不可能做到的。在一定范围内，东西向单栋温室的屋面坡度角越大，透光率越高，尤其在我国北方地区表现得更为明显。屋面坡度角α可以利用公式H0=90°-φ+δ+α（式中，H0为正午时太阳高度角，φ为纬度，δ为赤纬）计算得到。对于东西走向的连栋温室，屋面坡度角越大，透光率越大，当屋面坡度角增大到30°时透光率最大，但屋面坡度角超过30°后继续增大时透光率反而下降。但对于南北走向的温室，屋面坡度角与透光率之间关系不大。目前应用较多的屋面坡度角是22°、23°和26.5°，但在实际生产中选择屋面坡度时还要多方面考虑，不仅要考虑光能使用的合理性，还要考虑温室高度和跨度的合理性。

2.1.3 选择性能好的透明覆盖材料 覆盖材料种类不同，透光率以及设施内的光谱成分也不一样。设施生产上应选择耐老化、透光率大且透光保持率高的透明覆盖材料。马小平等[14]从温室栽培的角度出发对设施园艺覆盖材料的选择进行分析，认为理想的覆盖材料是在300～750 nm 有效辐射范围内具有最高的透过率。此外，经过长时间使用后，设施的透明覆盖材料会被灰尘、烟雾等污染，内表面会附上一层水膜，导致透光率下降。同时，透明覆盖材料自身也会随使用时间的延长而老化，但不同种类的透明覆盖材料，其老化速度不同。目前生产中使用的透明覆盖材料主要有玻璃，以及EVA、PE、PC、PVC 等材质的塑料薄膜或塑料板等。功能越好的覆盖材料通常价格越高，在实际生产中选择透明覆盖材料时应结合具体情况进行综合考虑[14]，既要考虑设施的类型，又要考虑栽培作物的种类，还要考虑覆盖材料的综合性价比以及当地的气候条件等。

2.1.4 选择合理的管理措施和种植行向 透明屋面上的任何污染和遮挡均会对设施内的植物采光造成不利影响，应尽可能保持透明屋面的清洁，将透光率控制在理想范围内。以保温为前提时，应尽量早揭晚盖外保温物和内保温物[15]。条件允许时还可以覆盖地膜或张挂反光幕，利用反射光，起到补光的作用。在作物栽培上要合理密植，选择合理的种植行向[16]，既要避免作物过于密集而造成的互相挡光，又要避免作物稀疏而造成的空间浪费。

2.1.5 选择合适的遮光方式和骨架材料 某些蔬菜不适宜在高温环境中生长，因此设施栽培时需要通过遮光来抑制室内温度的上升，以保证产量和品质。遮光材料主要有遮阳网、苇帘、草苫等。对于某些玻璃温室，也可以通过表面涂白的方法来减缓温度的升高。根据覆盖部位的不同，遮光材料分为内覆盖和外覆盖两类[17]，通常外覆盖的作用效果优于内覆盖。此外，还要选择适合的骨架材料，以尽量减少材料的遮阳[18]，并提高设施内的光照水平。如，荷兰的文洛型温室，其具有独特的结构，节省了很多材料，且使用园艺专用玻璃，使得透光率大幅度提高[19]。在实际应用中，这样的光调控技术还有很多。

2.1.6 合理利用作物对光调节的生理反应 近年来，科研工作者在光调节对作物生理的影响方面进行了大量研究。陈晓丽等[20]利用不同有色膜覆盖的棚架人工种植药用蔬菜紫苏，结果表明，有色膜覆盖可提高叶片的总鲜重以及K 等7 种元素的含量，但会降低Fe元素的累积量。闻婧等[21]研究发现，红蓝黄组合光处理下铁皮石斛的干鲜重显著高于其他光源处理，而单色红、蓝、黄光处理下铁皮石斛的干鲜重均显著降低。张立伟等[22]认为，红光处理可以促进香椿苗鲜重的提高，而蓝光处理会导致香椿苗干鲜重降低。可以看出，光质对作物无机元素含量及同化物积累具有重要影响，但不同光质的影响结果不同。分析原因可能是红光促进了植物光合作用，进而增加了干物质的积累；而蓝光会损坏植物的叶绿体结构，进而抑制了干物质的积累。因此，在无法使用补光灯时，可以通过改变薄膜的颜色为作物生长提供适宜的环境。弱光会对植物正常生长造成一定的负面影响，苗辰[23]认为，弱光会导致番茄植株徒长，光合作用受到抑制，生物量、果实产量以及果实的可溶性糖、可溶性固形物、总酚和类黄酮含量降低。何静雯等[24]研究表明，适当遮光有利于鄞红葡萄叶片生长，而过度遮光会对鄞红葡萄植株造成不可恢复的伤害。丘立杭等[25]发现，弱光会导致甘蔗分蘖延迟，株高和茎粗增加受到抑制，但可提高甘蔗的叶绿素含量。在实际生产中，弱光会严重影响作物的正常生长以及产量的提高，设施栽培遇到的环境弱光问题可以通过适当补光来解决；而对于适宜生活在弱光环境中的阴生植物，可以通过遮光的方式来保证其生长发育。

2.2 设施光环境调控装备研究现状

随着科技的发展，仅仅依靠调控技术来改善设施内的光照环境已经不能满足人们的要求，且在一些设施中如全封闭植物工厂等，人工光源是植物能够吸收利用的唯一光源。于是，为了保证植物达到理想的生长状态，人们依据设施植物对光照的需求进行人工补光，人为设置光环境。植物补光设备结构组成主要包括三部分：光源、电路和配套的控制系统。目前，现代农业生产过程中使用的补光设备主要有白炽灯、荧光灯、高压钠灯、LED 灯等，不同补光设备的工作原理和性能不同（表1）。

表1 不同补光设备的性能比较Table 1 Comparison of performance of different fill light equipments

2.2.1 白炽灯 白炽灯由灯泡、灯丝和电源线构成[26]，俗称电灯泡，是最早使用的补光灯种类[27]。其灯丝的主要成分是钨，为避免钨挥发，一般是在灯泡抽成真空之后充些惰性气体。白炽灯靠钨丝在通电时加热至白炽化才发光。白炽灯生理辐射比例很低，但价格低廉、使用简便，因此常用于农业生产，适用于温室花卉的补光，通过白炽灯的悬挂密度和高度来调节设施内的光照强度。目前，白炽灯正逐渐被淘汰，一般仅作为辅助光源应用[26]。黄三晓等[28]试验发现，LED+白炽灯照明模式改善了LED 光源的光品质，进一步证明了白炽灯可以用作辅助光源。

2.2.2 荧光灯 荧光灯由灯管、起辉器、镇流器和灯座构成[26]，其工作原理是利用低压气体放电而发光。灯管内的气体主要是氩气，还有少量氪、氖和水银[29]，灯管内壁涂抹荧光物质，这些荧光物质决定了发光的颜色。目前温室补光大多使用白色荧光灯，其光谱成分与日光比较接近。荧光灯的发光效率高于白炽灯，目前使用较为普遍，多使用T5 和T8 类型。哈尔滨工程大学研制出的HGH-高效节能温室稀土补光灯[30]，适用面广、经济效益高、寿命长，填补了我国稀土补光设备方面的空白。

2.2.3 高压钠灯 高压钠灯利用金属钠蒸汽放电而发光，是继白炽灯、荧光灯之后的第3 代照明设备[31]，也是当前温室内普遍使用的人工补光光源之一。高压钠灯热量较大、表面温度较高，不适合近距离照射到作物上，但是距离作物也不能太远，通常悬挂在植株正上方1 m 左右。国内外研究证明，高压钠灯可以应用于植物开花和结果阶段，能够提高作物产量和品质[32，33]。

2.2.4 发光二极管 发光二极管即LED 灯，是一种把电能转化为光能的固态半导体器件，是第4 代照明设备。典型的LED 植物补灯设备包括感应器模块、传感器组件、电源模块、LED 控制组件和LED 灯具阵列组件等[34，35]。1991 年Bula 等[36]对LED 光源和其他传统光源下的莴苣生长情况进行了比较，认为LED 灯可以作为补光光源使用。陈晓丽等[37]研究了不同光谱成分及其组合条件对叶用莴苣矿物质吸收的影响，结果表明，各处理均提高了莴苣中各元素的含量。钱舒婷等[38]研究了5 种补光方式对草莓生长发育、产量和品质的影响，发现用红蓝光配比为4.9∶1 的LED 灯进行补光效果最优，说明相同条件下一定配比的LED组合效果优于高压钠灯和红色荧光灯。

4 种设施常用补光灯的性能比较结果显示，白炽灯、荧光灯和高压钠灯虽然价格较低，但光合效率、寿命和环保性能远不及LED 灯，光谱成分也没有LED 灯全光谱且光谱可调的优点。总体来看，目前LED 灯性能最优，但价格高昂，并不适用于所有情况。

2.2.5 多光源阵列+智能动态控制系统 传统的植物补光装备由单一传统光源和简单的静态控制系统组成，难以满足植物不同时期、不同发育阶段的光质需求。因此，国内外学者研发出了多光源阵列+智能动态控制系统的全自动照明方案，可以结合植物需求实时进行光照调节。

程鑫等[39]设计了一款基于PSO-SVR 模型的温室智能补光系统，根据CO2浓度和温度变化进行补光，解决了补光系统自动化、智能化不足和耗能高的问题。郑吉澍等[40]设计了一款基于旋转栽培架的补光设备，并试验证明该控制系统可以自动调整补光灯的数量。刘晓宇[41]设计了一款由LED 补光模块、通信模块和终端模块三部分组成的植物工厂LED 补光系统，用户可以通过客户端对该系统进行远程监控；此外，还具有历史、定时和植物光配方库模块，便于使用者进行数据整理和分析，实现LED 灯自动化补光，这款设备实现了LED 补光调控的自动化。邵美旋[42]设计了一种基于无线网络的植物光照控制系统，以LED 作为补光光源，将温室内的光照数据传输到补光可视化平台，用户可以根据当前数据进行科学补光；此外，其还通过仿真试验对比了2 种LED 光源阵列的光照效果，结果表明，在光源高度15 cm 条件下，交错间隔排列的光照强度均匀性优于等间距均匀排列。但该研究只是针对独立温室进行的，且通信范围有限，因此，该补光系统在其他设施内的使用效果尚不能保证，还需进一步验证。

3 我国设施光环境调控技术与装备存在的主要问题

3.1 企业补光装备研发积极性不高

我国植物补光行业起步较早，已有20 a 的历史，虽然部分成果已达到国际领先水平，但与其他先进国家相比，我国企业对补光装备研发的积极性不高，智能补光装备研发仍然较为滞后。荷兰等国家早就把人工补光技术装备广泛应用于现代农业生产。

3.2 农用补光装备产品化程度低

随着现代农业的不断发展，全封闭型植物工厂生产形式愈加常见，植物补光装备需求量也将持续增大。然而，我国补光装备研究成果大多处于试验阶段，尚未投入市场。因此，需要更多的资金投入，丰富补光装备市场，推动我国农用补光装备的发展。

3.3 LED 灯使用不普遍

LED 灯是一种绿色照明装备，虽然近几年LED的价格逐渐下降，但在实际生产中一块灯板往往需要上百个发光二极管，与其他传统补光装备相比，LED灯价格仍然较高，导致生产投入成本高；此外，LED补光装备很难适应高温高湿的设施环境，使用中易损坏，需要投入大量资金维修。因此，目前LED 补光装备应用面积较小，尤其是农民应用得更少。

3.4 补光装备使用率低

植物补光装备在冬季和早春使用较多，在阳光充沛的春天和夏天使用频率会大幅度降低，当自然光能够满足作物生长需求时甚至不再使用。此外，植物也需要休息，所以，即使自然光不足，补光装备也不会全天候工作，有一部分时间是处于闲置状态，致使其使用率很低。因此，补光装备的闲置问题应加以重视。

3.5 易造成光过剩、能源浪费等问题

补光灯大多是用来补充自然光不足、调节作物生长周期的，生产上如果工作人员未按照作物对光线的要求进行科学补光，补光时间太长或者过度补光，不仅会造成光过剩和能源浪费，还会造成设施作物长势不佳，甚至死亡。

4 设施光环境调控技术装备研究展望

随着我国设施农业的发展，人们对作物产量和品质的要求不断提高，应用植物补光技术装备带来的效益愈加明显，设施光环境调控技术越来越受到重视，并开始规模化用于农业生产。植物补光装备在温室大棚领域应用得最广，在全人工植物工厂发展得最快速，目前也逐渐应用于户外大田种植，如火龙果等经济价值高的作物[43]，预计未来植物补光装备的应用场景将不断丰富。在现代农业中，通过光质调节控制植物的生长发育以及形态建成是一项重要技术，未来植物补光装备将应用于越来越多的植物，如在食用菌、菌菇类和药用植物上的应用会越来越普遍。或许在未来可以将补光技术、装备与更多的环境因素如温度、湿度等相结合，使现有的补光装备得到进一步改进。此外，还可以使用特定的光照来控制植物生长，从而减少植物激素、调节剂等的使用，保护植物免受病虫为害。然而这方面的技术尚处于发展阶段，因此，基于作物需光模型决策的光环境智能调控装备将是未来设施环境调控的主要方向。研制开发出符合我国生产实际的植物补光自动控制系统，对发展我国设施栽培产业具有重要意义。