人工光在植物工廠中的應(yīng)用

劉文科，楊其長

(中國農(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)

引言

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，它是依靠動(dòng)物、植物和微生物自然生長發(fā)育功能和繁育機(jī)能達(dá)到了規(guī)?；a(chǎn)目的生物生產(chǎn)方式。萬物生長靠太陽，太陽光是地球生物賴以生存的能量來源，是露地農(nóng)業(yè)不可或缺的環(huán)境條件，光照條件的好壞直接決定著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能否獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。然而，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，光照條件通常無法調(diào)節(jié)，受天氣條件控制。隨著人們對農(nóng)業(yè)生物環(huán)境條件需求特性的逐步認(rèn)識，環(huán)境條件可控的設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，為光環(huán)境、溫度、濕度、CO2濃度等因子調(diào)控提供了條件。設(shè)施農(nóng)業(yè)是具有一定設(shè)施，能在局部范圍改善和創(chuàng)造環(huán)境氣象因素，為動(dòng)植物的生長發(fā)育提供良好的環(huán)境條件，進(jìn)行有效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式。設(shè)施農(nóng)業(yè)按照生產(chǎn)農(nóng)業(yè)生物的種類來分，主要包括設(shè)施園藝和設(shè)施養(yǎng)殖兩大部分。設(shè)施養(yǎng)殖主要有水產(chǎn)養(yǎng)殖和畜牧養(yǎng)殖兩大類。我國是設(shè)施農(nóng)業(yè)大國，2012年設(shè)施蔬菜栽培面積已接近380萬公頃，產(chǎn)值5800多億元；同期我國食用菌生產(chǎn)總量達(dá)3000萬噸，產(chǎn)值超過1500億元，占世界總產(chǎn)量的70%以上，設(shè)施蔬菜與食用菌產(chǎn)量均居世界首位?，F(xiàn)今，根據(jù)設(shè)施條件和設(shè)施內(nèi)環(huán)境因子控制水平來分，我國園藝設(shè)施類型主要包括小拱棚、塑料大棚、日光溫室、連棟溫室和植物工廠(Plant factory)等幾類。通常，隨著設(shè)施內(nèi)環(huán)境因子控制精度的提高，設(shè)施園藝生產(chǎn)過程受到自然環(huán)境影響的程度降低，集約化程度增加，周年生產(chǎn)效能和系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。植物工廠作為環(huán)境因子控制精度最高的設(shè)施園藝類型，被譽(yù)為是設(shè)施園藝的最高形式，是未來設(shè)施園藝發(fā)展的必然趨勢和頂級階段，在解決世界資源環(huán)境與糧食安全問題，拓?cái)U(kuò)耕地資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展上具有重要價(jià)值。

1 植物工廠的概念與優(yōu)勢

植物工廠是一種通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效設(shè)施農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是由計(jì)算機(jī)對作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行自動(dòng)控制，不受或很少受自然條件制約的全新生產(chǎn)方式[1]。植物工廠被國際上公認(rèn)為設(shè)施農(nóng)業(yè)的最高級發(fā)展階段，是衡量一個(gè)國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。植物工廠按光照來源可分為人工光植物工廠和太陽光植物工廠兩種[1]。前者指在完全密閉可控的環(huán)境下采用人工光源與營養(yǎng)液栽培技術(shù)，在不受外界氣候條件影響的環(huán)境下，進(jìn)行植物周年生產(chǎn)的植物工廠。后者指在半密閉的溫室環(huán)境下，主要利用太陽光或短期人工補(bǔ)光以及營養(yǎng)液栽培技術(shù)進(jìn)行植物周年生產(chǎn)的植物工廠。植物工廠在反季節(jié)蔬菜、花卉、果品和食用菌生產(chǎn)方面具有重要用途，而且在種苗、組培苗、大田作物育苗(水稻、煙草等)和瀕危植物(中草藥)擴(kuò)繁與生產(chǎn)中具有獨(dú)特的用途。目前，我國已出現(xiàn)了蔬菜工廠、種苗工廠、植物組培工廠等形式。植物工廠具有露地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無法比擬的優(yōu)勢，具體表現(xiàn)為：(1)不受外界氣候條件影響，可進(jìn)行計(jì)劃性周年連續(xù)生產(chǎn)；(2)可實(shí)施多層立體栽培，單位面積產(chǎn)量高，土地資源利用率高；(3)機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，工作環(huán)境舒適；(4)潔凈程度高，無病蟲害，不使用農(nóng)藥，產(chǎn)品安全無污染；(5)可在非可耕地上生產(chǎn)，也可建在城市周邊或市區(qū)，就地生產(chǎn)銷售[2]。最后，植物工廠環(huán)境因子控制精度高，植物生長快，不僅縮短生長周期，且確保了植物苗生長的一致性。據(jù)估算，以生產(chǎn)葉菜為例，人工光植物工廠的生產(chǎn)效能約為露地生產(chǎn)的40～108倍[3]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率獲得極大地提升。

2 植物工廠人工光應(yīng)用領(lǐng)域及必要性

2.1 植物工廠人工光應(yīng)用領(lǐng)域

實(shí)際上，按照人工光在植物工廠中的應(yīng)用目的來分，可分為光生物學(xué)和光化學(xué)兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域(見表1)，通過光生物和光化學(xué)反應(yīng)，人工光調(diào)控為植物工廠的可持續(xù)生產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供技術(shù)支持。

表1 人工光在植物工廠中的應(yīng)用領(lǐng)域、作用與目標(biāo)Table 1 Fields，functions and targets of artificial lighting application in plant factory

2.2 人工光光生物學(xué)應(yīng)用必要性

光作為環(huán)境信號和光合作用的能量的唯一來源，是設(shè)施植物生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)形成的必需環(huán)境要素。就太陽光植物工廠而言，人工補(bǔ)光十分必要。自然界中，太陽光照隨地理緯度、季節(jié)和天氣狀況的不同而變化，高緯度地區(qū)光照時(shí)間不足、低緯度地區(qū)因陰雨雪霧天氣、霧霾等惡劣天氣，以及大氣污染和浮塵等因素的影響，致使日光溫室、塑料大棚等設(shè)施內(nèi)光環(huán)境(光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期)不能滿足設(shè)施作物的生長發(fā)育與產(chǎn)量品質(zhì)形成的需求，光照時(shí)間不夠、光照強(qiáng)度不足和光質(zhì)欠缺現(xiàn)象普遍，限制了設(shè)施園藝生產(chǎn)潛力。另外，就人工光植物工廠而言，人工光環(huán)境調(diào)控更為必要。完全人工光栽培產(chǎn)業(yè)(植物組織培養(yǎng)、育苗工廠、蔬菜工廠和食用菌工廠等)更需要人工光來為農(nóng)業(yè)生物生長發(fā)育和繁殖提供適宜的光環(huán)境，光環(huán)境脅迫將導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收。人工補(bǔ)光主要應(yīng)對弱光寡照和短日照危害，調(diào)控植物的光合作用和光周期，促進(jìn)植物的生長發(fā)育和開花結(jié)果。而人工光環(huán)境調(diào)控是個(gè)復(fù)合過程，涉及時(shí)間尺度上的光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期等的數(shù)量和質(zhì)量因素的綜合調(diào)控，是未來人工光植物工廠必需實(shí)現(xiàn)和滿足的技術(shù)手段。

2.3 人工光光化學(xué)應(yīng)用必要性

營養(yǎng)液管理是植物工廠生產(chǎn)和設(shè)施無土栽培的核心。為了實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)液的循環(huán)利用，避免因廢棄營養(yǎng)液排放造成的環(huán)境污染，國際上正逐步以封閉式無土栽培系統(tǒng)取代開放式無土栽培系統(tǒng)，這必然成為設(shè)施園藝特別是植物工廠營養(yǎng)液管理發(fā)展的必然趨勢。封閉式營養(yǎng)液栽培系統(tǒng)中營養(yǎng)液可循環(huán)利用(進(jìn)行必要的水和養(yǎng)分的補(bǔ)充調(diào)節(jié))，具有環(huán)境友好，水分和養(yǎng)分利用率高的優(yōu)點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)正在積極研發(fā)和應(yīng)用。

與露地栽培相似，在封閉式無土栽培系統(tǒng)連續(xù)栽培蔬菜過程中，因蔬菜根系分泌有機(jī)酸等自毒物質(zhì)的累積，常誘發(fā)連作障礙，造成蔬菜生長抑制和產(chǎn)量下降。研究表明，常見的蔬菜種類如黃瓜、番茄、蘆筍和生菜等都可通過根系分泌途徑向營養(yǎng)液中釋放有機(jī)酸等自毒物質(zhì)，在連續(xù)栽培過程中自毒物質(zhì)的大量累積抑制了蔬菜的生長，造成蔬菜產(chǎn)量下降[4、5]。另外，有機(jī)栽培基質(zhì)(如稻殼)在栽培過程中也會(huì)釋放出植物毒性物質(zhì)，影響蔬菜的生長與產(chǎn)量[6]。Lee等(2006)[4]發(fā)現(xiàn)，生菜栽培二次利用的營養(yǎng)液中累積了大量有機(jī)酸，對其生長產(chǎn)生危害。同時(shí)，營養(yǎng)液中大量有機(jī)物質(zhì)的存在易孳生病原菌，發(fā)生病害。因此，在封閉式營養(yǎng)液栽培系統(tǒng)中，營養(yǎng)液自毒物質(zhì)和微生物的去除是非常必要的，有效去除自毒物質(zhì)將避免連作障礙的發(fā)生，提升封閉式營養(yǎng)液栽培系統(tǒng)的可持續(xù)生產(chǎn)能力。目前，納米級二氧化鈦(TiO2)光催化法是營養(yǎng)液質(zhì)量控制較為有效的方法。該方法是利用TiO2材料吸收紫外光所產(chǎn)生的強(qiáng)氧化效應(yīng)，將吸附到其表面的有機(jī)物分解成二氧化碳，達(dá)到殺死微生物和去除自毒物質(zhì)的目的。其實(shí)，光催化可以在紫外光、可見光或紅外光照射下發(fā)生，是光催化劑吸收光后發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)[6]。目前，人們正試圖通過摻雜、半導(dǎo)體復(fù)合和協(xié)同催化等手段提高光催化氧化效率。

3 植物工廠理想的人工光源：發(fā)光二極管(LED)

發(fā)光二極管(LED)是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，是第四代電光源，可以直接將電能轉(zhuǎn)化為光能。LED光源具有傳統(tǒng)電光源無法比擬的光電特性和光譜優(yōu)勢，是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人工光調(diào)控的理想光源。首先，LED體積小、重量輕、長壽命、節(jié)能、環(huán)保、安全性高；其次，LED光質(zhì)純且專一，光譜能量分布調(diào)制容易，可滿足農(nóng)業(yè)生物生長發(fā)育與繁殖對光質(zhì)的需求，是當(dāng)前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)光質(zhì)調(diào)控的新型光源；再次，LED為冷光源，可貼近生物照射，生物光效高；而且，LED為直流電可控性好，可精準(zhǔn)調(diào)控光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期等，適宜工廠化生產(chǎn)；最后，LED光源裝置形狀多樣(燈板、燈帶、燈管和燈泡)，適于設(shè)施農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的光環(huán)境調(diào)控需求[7]。由于LED可為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供智能化的光環(huán)境調(diào)控，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)、光質(zhì)和光周期按需調(diào)控，因此國外學(xué)者認(rèn)為LED在農(nóng)業(yè)照明中的應(yīng)用是近幾十年來農(nóng)業(yè)照明發(fā)展的最大進(jìn)步，具有里程碑式的意義。光環(huán)境調(diào)控不僅可以提高農(nóng)業(yè)生物生長發(fā)育的速率，而且可提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，比如：光環(huán)境調(diào)控能促進(jìn)植物的光合作用和光形態(tài)建成，顯著提高蔬菜、食用菌等可食部分的營養(yǎng)品質(zhì)和保健功能。

4 人工光在植物工廠中的光生物學(xué)應(yīng)用

植物所需光質(zhì)的生物學(xué)效應(yīng)包括：(1)可見光-光合有效輻射(PAR)，紅藍(lán)光用于植物生長發(fā)育，提供能量和光形態(tài)建成信號(400～700nm)；(2)UV光質(zhì)調(diào)控植物(蔬菜和藥用植物)的次生代謝過程(UV-B或UV-A)；(3)遠(yuǎn)紅光(Fr)用于調(diào)節(jié)植物光形態(tài)建成，如植物工廠育苗。植物光質(zhì)需求共識為：植物必需光質(zhì)是不連續(xù)的，紅光、藍(lán)光是植物正常生長發(fā)育、完成生活史的必需光質(zhì)。紅藍(lán)組合光質(zhì)可替代連續(xù)全光譜光源進(jìn)行植物栽培，這簡化了燈具設(shè)計(jì)，降低了制造成本。另外，人工光在植物工廠中的光生物學(xué)應(yīng)用還體現(xiàn)在其對植物的調(diào)控作用，主要包括：(1)光對植物光合作用的調(diào)控作用;(2)光對植物形態(tài)建成的調(diào)控作用；(3)光對植物產(chǎn)品品質(zhì)的調(diào)控作用。

5 人工光植物工廠中光化學(xué)應(yīng)用

TiO2的光催化特性已被廣泛應(yīng)用到空氣、水等環(huán)境介質(zhì)的污染治理中[8-9]，而在營養(yǎng)液的自毒物質(zhì)去除應(yīng)用方面也有一些報(bào)道[5-6，10-11]。Miyama等(2009)[6]采用此方法降解了無土栽培基質(zhì)(稻殼)產(chǎn)生的植物毒性物質(zhì)，降低了產(chǎn)量損失。Sunada等(2008)[5]用此方法降低了蘆筍設(shè)施無土栽培中所分泌自毒物質(zhì)的危害。該方法具有成本低、效果持久、便于應(yīng)用、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且還具有公認(rèn)的殺菌功能，極具研發(fā)前景。Qui等(2013)[10]選取的6種典型的植物自毒物質(zhì)在納米TiO2光催化下均可被有效降解。光催化6小時(shí)后，與對照組相比，納米TiO2光催化處理下苯甲酸、水楊酸、阿魏酸、沒食子酸、乙酸和單寧酸的降解量分別達(dá)到31.2%，51.8%，18.0%，43.0%，71.4% 和52.5%。不同自毒物質(zhì)在納米TiO2光催化下的降解率不同，這可能與其自身的結(jié)構(gòu)及其水溶液的pH有關(guān)。同時(shí)，邱志平等(2013)[11]以納米TiO2光催化系統(tǒng)處理水培過多茬生菜的營養(yǎng)液，研究了營養(yǎng)液中根分泌物、有效態(tài)Fe、Mn、Zn元素含量的變化，并以處理后的營養(yǎng)液水培生菜，研究了納米TiO2光催化處理對水培生菜產(chǎn)量及品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：納米TiO2光催化處理可有效去除營養(yǎng)液中累積的根系分泌物，但同時(shí)降低了有效態(tài)Fe、Mn、Zn元素含量；與對照相比，以經(jīng)過納米TiO2光催化處理后的營養(yǎng)液培養(yǎng)生菜，提高了生菜的單株鮮重、總產(chǎn)量、生菜葉片中葉綠素、VC及可溶性糖含量。

6 人工光在植物工廠中的應(yīng)用展望

在國家節(jié)能減排和設(shè)施農(nóng)業(yè)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)目標(biāo)的推動(dòng)下，隨著LED技術(shù)的發(fā)展和成本的下降，LED光源在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用將越來越受到世界各國學(xué)者、LED生產(chǎn)企業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)從業(yè)者的廣泛關(guān)注。十幾年來，LED光源在設(shè)施園藝中的應(yīng)用技術(shù)及其光生物學(xué)基礎(chǔ)研究已成為世界學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)，并取得了可喜的進(jìn)展，為完全LED光源植物栽培提供了科學(xué)依據(jù)。中國、美國、荷蘭、日本、韓國、立陶宛等國家已對LED光源在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)開展了廣泛的研究工作，并逐步把LED照明技術(shù)用于植物工廠中，成功地生產(chǎn)出了多種蔬菜、苗木和藥用植物等。根據(jù)行業(yè)分析機(jī)構(gòu)Winter Green報(bào)道，2013年全球植物工廠LED植物生長燈的產(chǎn)值高達(dá)12億美元，較2012年增長了27%。然而，LED光源在植物工廠中的應(yīng)用也在光生物學(xué)規(guī)律和光催化提效研究方面以及LED光源裝置創(chuàng)新與制造方面存在一些阻礙，有待深入系統(tǒng)的研究。

在光生物學(xué)領(lǐng)域，首先植物營養(yǎng)與生長發(fā)育規(guī)律具有多樣性和復(fù)雜性；其次農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域龐雜，農(nóng)業(yè)生物賦存形態(tài)各異，光環(huán)境時(shí)空需求不同；再者，光環(huán)境的數(shù)量屬性(光強(qiáng)和光周期)、質(zhì)量屬性(光質(zhì)和光譜)和電光源發(fā)光特性(占空比、頻率)多，需要逐一研究其生物學(xué)效應(yīng)。這三方面因素疊加顯現(xiàn)了植物光生物學(xué)研究的復(fù)雜性和系統(tǒng)性。由于LED農(nóng)業(yè)照明技術(shù)起步較晚，所以上述研究尚需時(shí)日。在光化學(xué)領(lǐng)域，如何拓展光催化有效光譜范圍、提高光催化反應(yīng)效率、研制適于營養(yǎng)液處理的UV-LED光源均是當(dāng)前需要研究解決的技術(shù)難點(diǎn)。毋庸置疑，隨著相關(guān)研究的不斷深入，LED光源在植物工廠中的推廣應(yīng)用將逐年增加，應(yīng)用效率將更高，也必將為植物工廠的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)及可持續(xù)運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

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