環(huán)境可控農(nóng)業(yè)中基于生物反饋系統(tǒng)的光合作用光照控制方法

田婧+李明

Marc W. van Iersel1，Geoffrey Weaver1，Michael T. Martin1，Rhuanito S. Ferrarezi2，Erico Mattos3，Mark Haidekker4

（1.Department of Horticulture， University of Georgia，Athens，GA 30602； 2.Agricultural Experiment Station， University of the Virgin Islands，

Kingshill，VI 00850； 3.PhytoSynthetix LLC，Athens， GA 30602； 4.College of Engineering， University of Georgia，Athens， GA 30602）

境可控農(nóng)業(yè)包括利用溫室和室內(nèi)設施進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，這種方式在全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中變的越來越重要。完全密閉型植物工廠自20世紀70年代起在日本開始快速發(fā)展，目前廣泛分布于大都市的郊區(qū)。近年來，垂直農(nóng)場（大型的室內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設施）也受到越來越多的關(guān)注。這類設施不僅可以有效解決人口快速增長帶來的糧食短缺問題，還能減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響。盡管垂直農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的200～1000倍，但其建造和運行成本非常高。根據(jù)調(diào)查，垂直農(nóng)業(yè)的農(nóng)產(chǎn)品販賣價格必須達到13.75美元/kg（92.61元/kg）時才能與運行成本相平衡。

大型植物工廠的可行性和可持續(xù)性飽受質(zhì)疑。對于植物工廠來說，造成其運行成本過高的部分原因是人工光源的電耗較高。在密閉的植物工廠，植物的光合作用主要靠人工光源產(chǎn)生的光來驅(qū)動。LED燈的節(jié)能效果非常好，而且光照強度和光譜可以調(diào)控。因此，LED就成為植物工廠內(nèi)一種非常流行的人工光源。但根據(jù)對一個概念性垂直農(nóng)場的分析，LED照明和冷卻的電力成本占垂直農(nóng)場總電力成本的比例超過了30%。而在植物工廠中，照明成本也占整個運行成本的40%。

根據(jù)光合作用原理，植物葉綠素和輔助色素所吸收的光子不能都用于植物光反應。這些多余的光子會對葉綠體結(jié)構(gòu)造成破壞。光系統(tǒng)II（PSII）的反應中心，尤其是D1蛋白質(zhì)非常容易受到光破壞（即光抑制），并使PSII的光量子產(chǎn)率降低。為了應對多余的光能，高等植物已經(jīng)進化出了一系列復雜的反應機制來將光轉(zhuǎn)化為熱量（導致非光化學淬滅，NPQ），從而盡可能地減輕光抑制。被葉綠體吸收的光能中除了用于光合作用和轉(zhuǎn)化為熱量外，還有一小部分被葉綠體轉(zhuǎn)化為熒光并發(fā)射出去。通過檢測葉綠素熒光可以得到有效PSII的光化學量子效率（ΦPSII）。如ΦPSII減小，則表明植物可能將光能轉(zhuǎn)化為熱耗散的比率增加（NPQ的上調(diào)管理），或者發(fā)生光抑制。結(jié)合光合有效光量子通量密度（PPFD），ΦPSII還能用來檢測通過PSII的電子傳遞速率（ETR）。因此，可通過檢測葉綠體熒光來獲得詳細的植物生理信息，并用來優(yōu)化植物生產(chǎn)。本文的目的是開發(fā)一種生物反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能用來檢測ΦPSII和ETR，還可以控制PPFD使ETR保持在一定的水平。在未來，該系統(tǒng)可通過檢測植物實際上對光的利用能力來控制PPFD，并最終減少LED照明的電耗，降低未來大型設施的農(nóng)業(yè)環(huán)境的控制成本。

材料與方法

LED及測量方法

本研究所使用的LED為定制的400 W LED陣列。該LED陣列包括4個100 W暖白色LED模組，模組上安裝有鋁制散熱片和2個120 W散熱風扇，用來促進模組散熱。每個LED模組下方還裝有玻璃透鏡，可調(diào)節(jié)LED下方的光照范圍。LED組件的照射面積為0.75 m2，通過定制的控制面板來調(diào)節(jié)LED的光照強度。

植物葉片的葉綠素熒光參數(shù)使用脈沖調(diào)制式葉綠素熒光儀測量。將光合光量子傳感器（LI-190）安裝在葉綠體熒光測量點的附近來測量植物葉片上的PPFD。然后計算ETR為ETR=ΦPSII×PPFD×0.5×0.84。

生物反饋控制

本研究中，使用生物反饋系統(tǒng)根據(jù)植物測量的ETR控制LED光強。若植物實際的ETR低于試驗設定的電子傳遞速率（ETRT），則通過生物反饋系統(tǒng)將LED的PPFD提高。反之，則減小LED的PPFD。

植物材料

本研究選用喜光植物甘薯，中性植物生菜和喜陰植物石柑進行試驗。所使用的生菜品種為Green Towers和Green Ice。生菜發(fā)芽生根之后，在溫室內(nèi)培育6～8周備用。石柑和甘薯為扦插苗。

試驗方法

試驗在生長箱內(nèi)進行。生長箱的光源由LED提供，箱內(nèi)氣溫控制在25℃，CO2濃度控制在大氣水平。每次測試時，將一株植物放入生長箱，然后用熒光葉片夾夾住供試植物最上層完全展開的葉片，然后將光合有效光量子傳感器放置在靠近葉片夾的位置。上述傳感器與LED燈的距離約為55 cm。

第一個試驗為恒定ETR試驗，即通過生物反饋系統(tǒng)將植物的ETR控制在70或100 ?mol/（m2·s）。該試驗所使用的生菜品種為Green Towers。試驗前，供試植物在生長箱內(nèi)栽培2周以適應生長箱內(nèi)的環(huán)境[16 h光周期，光期和暗期溫度分別為25、20℃，PPFD為240 ?mol/（m2·s）]。Fm①每15 min測量1次，F(xiàn)s②每5 min測量1次。然后據(jù)此計算ΦPSII和ETR，并相應調(diào)整光照。在暗光適應期間，葉綠素熒光參數(shù)每小時測試1次，連續(xù)測試4 h。

第二個試驗為ETR階梯變化試驗，即通過生物反饋系統(tǒng)階段性的將植物ETR從0增加到設定的ETR最大值，然后再階段性降低。每個階段持續(xù)時間為1 h。供試植物在試驗開始前的一個晚上從溫室移植到生長箱，以使供試驗植物能充分適應生長箱的環(huán)境。在試驗中，以生菜為供試植物使用的PPFD最大為560 ?mol/（m2·s），生菜ETR設定值首先以10 ?mol/（m2·s）的速率漸次從0增加到70 ?mol/（m2·s），然后以同樣的速率漸次減小。甘薯和石柑的最大的PPFD為940 ?mol/（m2·s），甘薯的ETRT以14 ?mol/（m2·s）的速率從0階梯式增加到98 ?mol/（m2·s），然后以同樣的速率梯式減小。對于石柑來說，ETRT以7 ?mol/（m2·s）的速率從0梯式增加到49 ?mol/（m2·s），然后以同樣的速率減小。每個試驗至少重復3次。Fs和（Fm）③每2 min測量1次，以此獲得足夠的數(shù)據(jù)來確定是否ETRT在60 min內(nèi)保持穩(wěn)定。

結(jié)果與討論

恒定ETR試驗

在該試驗中，通過生物反饋系統(tǒng)自動將生菜光期的ETR保持在70或100 ?mol/（m2·s）。關(guān)閉LED燈之后，每隔1 h進行1次熒光測量，持續(xù)4 h。

當生菜的ETRT為70 ?mol/（m2·s）的時候，在開燈前的暗期中所測得的（Fv/Fm）④為0.82，該數(shù)值處于正常范圍。當LED打開之后[PPFD為232 ?mol/（m2·s）]的時候，F(xiàn)s和Fm每5 min測試1次。但此時的ΦPSII⑤較低，僅為0.516。這可能是因為在光期開始后，葉綠體電子傳遞鏈中的電子受體較少，PSII反應中心的初級電子受體不能將吸收的電子轉(zhuǎn)移至下一個受體，致使PSII光反應中心關(guān)閉。當卡爾文循環(huán)中的酶在光的引導下被激活后反應中心才會再次打開。因此，光期剛開始時期的ΦPSII較低，ETR僅為41.5 ?mol/（m2·s），低于70 ?mol/（m2·s）的設定值。隨后，PPFD在生物反饋系統(tǒng)作用下開始增加。在第二次測量Fm后，ΦPSII恢復到0.643，相應的ETR為91.6 ?mol/（m2·s）。生物反饋系統(tǒng)向下調(diào)節(jié)PPFD，使ETR在接下的光期內(nèi)穩(wěn)定在70±0.8 ?mol/（m2·s）。ETR穩(wěn)定之后，不需要啟動生物反饋系統(tǒng)來調(diào)整PPFD。該期間內(nèi)的NPQ穩(wěn)定在0.383±0.007。在光期結(jié)束后，F(xiàn)v/Fm為0.83，表明熒光測量沒有對PSII反應中心造成損傷。但隨后的觀察表明，在暗期較為頻繁的熒光測量（每5 min或更短時間測量1次）會導致Fv/Fm降低，表面熒光測量對生菜葉片造成了光抑制。這可能是由測量過程中使用的飽和脈沖光造成。

當ETRT為100 ?mol/（m2·s）時，最初的

ΦPSII較低，而NPQ較高。這與ETRT為70 ?mol/

（m2·s）時所觀察到的現(xiàn)象類似。由于在光期時ΦPSII隨著時間逐漸從0.612減少到0.582。伴隨著ΦPSII的下降，NPQ則逐漸升高。這可能是因為葉黃素循環(huán)上調(diào)加快，使吸收的多余光能轉(zhuǎn)化為熱能。因此，此時需要通過使用生物反饋系統(tǒng)將增加PPFD，進而使ETR升高到設定值。在明期結(jié)束之后的暗期，F(xiàn)v/Fm為0.815，表明PSII反應中心沒有造成破壞。

ETRT階梯變化試驗

本試驗的目的是測試使用生物反饋系統(tǒng)測試和管理ETR的能力。在試驗中，ETR以小時為單位進行階梯式變化，即在15 h內(nèi)逐漸從0增加到ETR設定最大值，然后再以同樣的速率逐漸減少。

生菜和甘薯在試驗中的反應較為相似。當ETRT較低的時候，ETR較容易控制。但生菜和甘薯在試驗中能達到的ETR分別為60、

84 ?mol/（m2·s）。對于生菜來說，這可能是因為試驗中所用的PPFD僅為560 ?mol/（m2·s）。石柑的ETR可通過生物反饋系統(tǒng)在設定范圍內(nèi)進行有效調(diào)控。但當ETRT較高的時候，石柑的ETR會出現(xiàn)較大變動，而當ETRT較低的時候，ETR的變化趨勢與生菜和甘薯相同，也與恒定ETRT試驗的結(jié)果相似。

如同本文作出的假設一樣，逐漸增加PPFD可以獲得更高的ETR。但在試驗中，為獲得相同的ETR，試驗中ETRT逐漸減小時所需的PPFD要高于ETRT逐漸增加時的PPFD。在甘薯和生菜的試驗中，該現(xiàn)象非常明顯。這可能是由于ETRT逐漸減小時ΦPSII較小造成的。所有供試作物的試驗都觀察到了同樣的現(xiàn)象，也就是說為獲得同樣的ETR，試驗后半段所需的PPFD要高于試驗前半段。例如，在ETRT逐漸增加時，使ETR為30 ?mol/（m2·s）的PPFD為

145 ?mol/（m2·s），而當ETRT逐漸減小的時候，維持同樣的ETR所需要的PPFD為265 ?mol/（m2·s）。該結(jié)果表明ETRT逐漸增加時的ΦPSII高于ETRT逐漸減小時的ΦPSII。

在試驗最初的8 h中，所有試驗的ΦPSII隨著ETRT和PPFD的增加而減小。這個現(xiàn)象在石柑和甘薯的試驗中非常明顯，這是因為該試驗中所使用的PPFD比生菜的更高。另外，ΦPSII也伴隨著NPQ的增加而下降，這是PPFD增加所導致的一個典型反應。但是，由于生菜和石柑的NPQ在ETRT逐漸減小時的下降速率較快，該期間ΦPSII隨NPQ增加而減少的速率要比ETRT逐漸增加時要慢。甘薯ΦPSII隨NPQ的變化模式不同于生菜和石柑，NPQ在試驗最初的11 h內(nèi)都在持續(xù)增加，這是因為對ΦPSII和葉黃素循環(huán)的短期和長期管理與植物種類和品種相關(guān)。

在試驗的后半階段，伴隨著NPQ的下降，生菜和石柑的ΦPSII出現(xiàn)小幅增加。在同樣的NPQ下，試驗最初的8 h，即ETRT逐漸增加時的ΦPSII要高于ETRT逐漸減小時的ΦPSII。但在甘薯試驗中，ETRT逐漸減小時，ΦPSII與NPQ的關(guān)系與ETRT逐漸增加時的關(guān)系類似。

在實施光照前的1 h，所有試驗的Fv/Fm逐漸減小。這表明每隔2 min測量一次葉綠素熒光會對被測試葉片的生理狀態(tài)產(chǎn)生顯著的不良影響。而當14 h后結(jié)束光照的時候，NPQ已經(jīng)恢復到光照實施前的水平，而Fv/Fm還沒有恢復到正常葉片的水平。該結(jié)果表明Fv/Fm的減小與NPQ無關(guān)。

在試驗后半階段ETRT和PPFD逐漸減小時，較低的Fv/Fm與較慢的ΦPSII增加速率相一致。ΦPSII長期處于較低的水平可能是由于葉黃素循環(huán)色素水平持續(xù)增加，長期光抑制促進玉米黃素的積累滯留而造成的。因此，與ETRT逐漸減小期間相比，在ETRT逐漸增大期間維持同樣的ETR需要更高的PPFD。一般當NPQ長期處于較高水平時，葉黃素的積累會比較明顯。但該現(xiàn)象并沒有在生菜和石柑的試驗中觀察到。這表明生菜和石柑試驗中NPQ和ΦPSII的變化關(guān)系，在ETRT增加和下降期間所出現(xiàn)的差異并不是由于較高的NPQ造成的，而是由光抑制造成的。PSII反應中心對光非常敏感，其關(guān)鍵蛋白D1蛋白質(zhì)容易在強光下發(fā)生降解，導致光反應中心受到破壞?？紤]到D1蛋白的修復需要數(shù)個小時，發(fā)生光抑制葉片的ΦPSII和ETR會長期處于較低水平。

使用熒光測量可以很容易辨別ΦPSII的減小是由于NPQ上調(diào)引起還是光抑制所造成的。NPQ上調(diào)會降低Fm，但ΦPSII的減少卻可能是由Fm降低或Fs升高造成的。根據(jù)石柑和生菜的試驗結(jié)果，即使PPFD下降，植物葉片F(xiàn)s仍長時間處于較高水平。因此，試驗中ΦPSII的減少是由于光抑制造成的。這是由于在進行熒光測量的時候必須使用高光強的飽和脈沖光。即使飽和光脈沖僅僅持續(xù)1 s，但植物頻繁暴露于飽和光脈沖時，就會出現(xiàn)光抑制。根據(jù)試驗NPQ在相對穩(wěn)定的PPFD下變化較為緩慢的結(jié)果，F(xiàn)m一般不會快速變化。在該情況下可以通過增加Fs測量次數(shù)，而減少Fm測量次數(shù)來計算ΦPSII。

優(yōu)化照明的應用前景

本研究旨在開發(fā)一種生物反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可用來監(jiān)測植物葉片ΦPSII和ETR，還能利用上述信息調(diào)節(jié)PPFD來獲得穩(wěn)定的ETR。在未來的工作將會關(guān)注如何使用該系統(tǒng)來提高作物產(chǎn)量。通過開發(fā)包含ETR、ΦPSII、NPQ和電價的控制函數(shù)，不僅提出合理的控制方法，還能提出經(jīng)濟上的最優(yōu)光照水平。該方法不僅可應用于垂直農(nóng)場，還能用于溫室補光。當溫室內(nèi)太陽光照不斷的變化時，可利用生物反饋系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)補光強度，由此獲得較高的補光效率。

結(jié)論

葉綠素熒光測試是監(jiān)測植物生長情況的有力工具。在本試驗中，可根據(jù)實時測量的ΦPSII和PPFD，通過生物反饋系統(tǒng)將生菜、甘薯和石柑的ETR進行有效調(diào)控。由于較高的ETR常伴隨著較低的ΦPSII。所以，提高將電能轉(zhuǎn)化葉綠體內(nèi)傳遞電子的效率將會有助于發(fā)現(xiàn)減輕植物NPQ和光抑制的方法。葉綠體熒光測量不僅可以用來控制ΦPSII和ETR，也可以用來判斷是NPQ還是光抑制導致ΦPSII減小。本試驗開發(fā)的生物反饋控制系統(tǒng)可以用來使植物葉片保持良好的生理活性，在農(nóng)業(yè)環(huán)境的控制或植物生理學的基礎研究中都有一定的應用潛力。但在應用中要注意Fm的測量次數(shù)不能過于頻繁，這樣會對葉片造成生理傷害，并導致ΦPSII和ETR降低。

（摘譯自：Marc W van I， Geoffrey W， Michael T M， et al. A Chlorophyll Fluorescence-based Biofeedback System to Control Photosynthetic Lighting in Controlled Environment Agriculture[J]. Journal of the American Society for Horticultural Science， 2016， 141（2）：169-176.）