設(shè)施栽培蔬菜光環(huán)境及調(diào)控研究進(jìn)展

邵 麗 楊小龍 王 蕊 須 暉

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，設(shè)施園藝省部共建教育部重點(diǎn)實驗室，北方園藝設(shè)施設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧沈陽 110866）

設(shè)施栽培又稱環(huán)境調(diào)控農(nóng)業(yè)，為蔬菜、水果、花卉等園藝作物產(chǎn)品商品化各階段提供了適宜的條件，使其不受自然環(huán)境的制約。早在2 000多年前，蔬菜栽培已經(jīng)在設(shè)施園藝中出現(xiàn)（陳國輝 等，2004），其栽培面積占設(shè)施栽培總面積的95%以上。在節(jié)能型日光溫室中，太陽光是唯一的能量來源，是主導(dǎo)蔬菜生長的環(huán)境因素，光照直接決定溫室熱環(huán)境，它不僅影響設(shè)施栽培蔬菜的光合能力，也參與調(diào)節(jié)各種生理過程。在集約化園藝作物生產(chǎn)中，為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展并獲得較高經(jīng)濟(jì)利益，光質(zhì)、光強(qiáng)、光譜、光周期和光照方向等都要滿足蔬菜作物的需求，而且光環(huán)境因子的調(diào)控必須與整個園藝系統(tǒng)中的其他因子高度集成，進(jìn)而實現(xiàn)設(shè)施蔬菜周年連續(xù)生產(chǎn)（Hemming，2009）。當(dāng)溫室自然光照達(dá)不到最佳時，人工光源補(bǔ)光就會有很大的空間來提高蔬菜作物對能量的利用效率。除了人工光源調(diào)控，研究溫室結(jié)構(gòu)、透明覆蓋材料、遮陽網(wǎng)、反光幕等對溫室自然光環(huán)境的調(diào)控也有重要的應(yīng)用價值。對人工光和自然光的研究可以為設(shè)施栽培蔬菜的光環(huán)境管理提供一定的理論依據(jù)和實踐意義。

1 光照對設(shè)施栽培蔬菜的影響

蔬菜作物的生長和產(chǎn)量很大程度上取決于光合作用的效率，溫室內(nèi)的蔬菜作物長期處于變化的光環(huán)境中，然而不是所有的光都有助于植物生長，波長在400～700 nm范圍的特定光頻率更直接影響著植物的光合作用（Deram et al.，2014）。葉綠素對紅藍(lán)光的吸收率約為90%（Terashima et al.，2009），紅光最早作為光合驅(qū)動光源被關(guān)注，植物的生長發(fā)育也需要藍(lán)光調(diào)控，紅藍(lán)光缺少任何一個都會導(dǎo)致光合無效（Hogewoning et al.，2010）（表 1）。

可控環(huán)境下的光質(zhì)管理能使蔬菜品質(zhì)、營養(yǎng)潛力等獲得經(jīng)濟(jì)效益最大化。光質(zhì)不僅影響色素的含量，也影響著蛋白、糖、酸及其他次級代謝產(chǎn)物如抗壞血酸、酚類等的含量（Fukuda，2013）。紅白藍(lán)LED光照射下的萵苣，生長量的積累增加（Lin et al.，2013）；紅辣椒果實的類胡蘿卜素及總碳水化合物含量在紅藍(lán)LED光照下升高（Gangadhar et al.，2012）。黃光和綠光條件下番茄抗旱性更好。在光質(zhì)對蔬菜作物抗逆性調(diào)節(jié)的生理作用機(jī)制方面，研究還相對缺乏。光強(qiáng)是植物光同化物運(yùn)轉(zhuǎn)的一個基本因素，光強(qiáng)的變化能夠促進(jìn)植物葉片的光吸收運(yùn)轉(zhuǎn)。光周期會對可溶性糖和淀粉的分配產(chǎn)生影響（Martins et al.，2013），光周期的延長可以顯著增加光吸收同化物的輸出。冬季每天對溫室黃瓜延長光照時間，不僅提前了采收期，總產(chǎn)量也與結(jié)實期所接受的光照總量成正比（Durieux，1997）。但并不是光周期越長越好，Clapwijk（1981）研究表明：日輻射總量相同時，短時間光照能促進(jìn)番茄開花；持續(xù)24 h照射黃瓜，會出現(xiàn)葉片黃化、產(chǎn)量降低等現(xiàn)象（Moe et al.，2005）。

表1 紅藍(lán)光對蔬菜作物的調(diào)控作用

2 園藝設(shè)施內(nèi)光環(huán)境特征

園藝設(shè)施結(jié)構(gòu)特殊，光照強(qiáng)度僅為自然光照的30%～70%（朱靜嫻，2012），變化趨勢與自然光大致相似。但設(shè)施內(nèi)太陽輻射的空間分布情況復(fù)雜，隨地理位置、溫室朝向、建筑參數(shù)、氣候特點(diǎn)、溫室內(nèi)氣體、采光面透射角、大氣透明度、屋面形狀、覆蓋材料和天空云量等對光環(huán)境的影響而呈現(xiàn)動態(tài)變化。溫室分布不均勻的光環(huán)境下，植株能夠通過改變自身形態(tài)結(jié)構(gòu)使葉片最大限度地接受光照輻射。

2.1 不同類型設(shè)施的光環(huán)境特征

溫室地理位置、覆蓋材料一致時，其結(jié)構(gòu)就會成為影響采光量和光分布的主要因素。我國日光溫室三面墻一面坡、坐北朝南的建筑形式使其只能接受單方向的光照。溫室東西方向上，光輻射以中部最高；南北方向上，太陽總輻射量南部較北部平均高出200 W·m-2以上（曲佳 等，2011）。連棟溫室光照分布的均勻性較單棟棚好，但總體透光效果較差，且多云天氣的整體透光率比晴天高（朱育強(qiáng) 等，2005）；玻璃溫室由于其骨架、天溝等結(jié)構(gòu)極大地降低了透光率；全鋼架裝配式日光溫室內(nèi)外太陽總輻射存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（趙麗玲 等，2015）；圓-拋物面溫室與單斜面和拋物面結(jié)構(gòu)溫室相比，內(nèi)部透光率、光照度均較高（王靜 等，2002），這與李有和張述景（2001）對不同采光面采光效率的研究結(jié)果一致。

2.2 氣候條件對光環(huán)境的影響

溫室內(nèi)的光照變化受季節(jié)和天氣影響較大，整體光照條件晴天時較好，但光照分布相對不均勻，透光率比多云天氣低。對于連棟溫室而言，內(nèi)部光照比較均勻，但僅僅是對各點(diǎn)的日光照總量而言，連棟溫室內(nèi)光環(huán)境受外界光條件影響較大。冬季許多地區(qū)溫室內(nèi)見光時數(shù)少，溫室外溫度、溫室內(nèi)日均溫度、光照強(qiáng)度都隨時間推移逐步降低，而溫室內(nèi)蔬菜作物在果實發(fā)育期的光照環(huán)境較差，必然影響光合作用及各個生理代謝過程，限制植株光合產(chǎn)物的形成；春季溫室內(nèi)見光時段的太陽輻射易達(dá)到蔬菜光飽和點(diǎn)，溫室內(nèi)光照強(qiáng)度、日均溫、見光時數(shù)等都隨時間推移逐步上升，整個生育過程基本能夠保證較好的溫光環(huán)境，滿足蔬菜作物對光環(huán)境的需求（楊賀 等，2007）。然而，果菜類等對溫光條件要求較高的蔬菜作物在光照較弱時要采取相應(yīng)補(bǔ)光措施。

2.3 植株群體及栽培方式對光環(huán)境的影響

栽培密度、季節(jié)、株高等均能影響植株群體內(nèi)接受的太陽輻射量，同一季節(jié)，栽培密度越大，內(nèi)部光照越弱。在溫室密集作物栽培中，光照不足通常是由于沿植物剖面的光垂直分布減少及相互遮陰引起的（Tewolde et al.，2016），在冠層頂部，葉片比較稀疏，截獲的光能也相對較少，太陽總輻射量的垂直衰減較平緩；在冠層底部，葉片密集，光線向下傳輸過程中葉片截獲的光能較多，并且隨著光線穿過葉層的增加，植株群體的光截獲率也加大。張亞紅等（2003）研究了溫室內(nèi)不同生育時期黃瓜的群體結(jié)構(gòu)情況及太陽總輻射水平分布和垂直分布的規(guī)律。對番茄而言，日照長短、冠層上方總輻射、群體結(jié)構(gòu)等是影響番茄群體光照水平的主要原因。冠層光分布導(dǎo)致的光合差異是最主要因素，葉面積指數(shù)和冠層結(jié)構(gòu)嚴(yán)重影響光分布（曲佳 等，2011），當(dāng)番茄葉面積指數(shù)大于4時，就會影響光合產(chǎn)物的積累（倪紀(jì)恒 等，2005）。在實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)者可以根據(jù)不同栽培密度制定栽培措施，及時整枝，維持通風(fēng)透光的環(huán)境，創(chuàng)造合理的群體冠層，保證蔬菜處于良好的光環(huán)境中。

3 設(shè)施栽培光環(huán)境調(diào)控

光照影響蔬菜生長發(fā)育的大量研究為設(shè)施內(nèi)光環(huán)境調(diào)控打下了堅實的理論基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代設(shè)施栽培技術(shù)的蓬勃發(fā)展，許多學(xué)者開始對溫室結(jié)構(gòu)、新型覆蓋材料、光伏太陽能溫室、高效節(jié)能光源補(bǔ)光等進(jìn)行研究。表2總結(jié)了設(shè)施栽培光環(huán)境調(diào)控的主要技術(shù)手段。

表2 設(shè)施栽培光環(huán)境調(diào)控技術(shù)

3.1 自然光照下設(shè)施栽培蔬菜光環(huán)境調(diào)控

3.1.1 設(shè)施的采光 設(shè)施內(nèi)光照來源主要為太陽光。位置相同的溫室，方位不同，對自然光的利用率不同，綜合考慮各種因素，選擇南北向東西延長來建造溫室容易獲得較優(yōu)的光照環(huán)境。在我國，王書通（1988）最早把采光問題歸結(jié)為陽光對采光面入射角的問題。周長吉（2012）運(yùn)用網(wǎng)格優(yōu)化理論獲得透光量，以此對溫室采光性能進(jìn)行優(yōu)化。彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室的出現(xiàn)使溫室的屋面采光角達(dá)到 41.5°，同時做到了較均勻的光照分布和較大采光量（孫周平 等，2013）；新型傾轉(zhuǎn)屋面日光溫室實現(xiàn)了采光面傾角依據(jù)采光需求的變換，達(dá)到最佳采光入射角，極大提高了溫室采光率和輻射度，也提高了溫室溫度（張勇 等，2014）。

3.1.2 設(shè)施栽培透明覆蓋技術(shù) 傳統(tǒng)的設(shè)施覆蓋材料包括聚氯乙烯膜（PVC）、聚乙烯膜（PE）、乙烯醋酸乙烯復(fù)合膜（EVA）、聚碳酸酯板（PC）、聚酯膜（PET）以及氟素膜（ETFE）等。此外，還有一些新型覆蓋材料如聚烯烴膜（PO）、調(diào)光生態(tài)農(nóng)膜、新型實體復(fù)合拋物面聚光材料、玻璃-薄膜結(jié)合（GFC）的透明覆蓋材料等。研究表明，調(diào)光生態(tài)農(nóng)膜的透光性有利于番茄生長（馬光恕 等，2002）；新型實體復(fù)合拋物面聚光材料不影響溫室內(nèi)上、下午光照，可以收集多余的光照進(jìn)行光伏發(fā)電，完美削弱午時入射光照，改善溫室光照不均勻的情況，從而使太陽光的綜合利用率升高。

3.1.3 反光幕技術(shù) 反光幕是通過對自然光線的反射增強(qiáng)溫室內(nèi)光照度，使更多植株獲得更均一的光照環(huán)境，提升整齊度。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，使光照度接近溫室中部（劉持紅和李中立，1989）。在溫室后墻、東西山墻掛反光膜以及鋪設(shè)反光地膜都能起到調(diào)控光環(huán)境的作用。但反光膜會削弱后墻的蓄熱能力，導(dǎo)致溫室凌晨的溫度下降，因此在溫室內(nèi)使用位置可上下移動且面積可變的反光膜，可以使后墻均勻受熱，增大蓄熱量以保證溫室生產(chǎn)力（崔慶法 等，2005）。

3.1.4 栽培管理措施 設(shè)施栽培茬口多，不同季節(jié)、不同模式和不同栽培密度對蔬菜的生長和產(chǎn)量會造成差異。早在1962年師惠芬就對溫室黃瓜栽培溫光水氣肥條件及栽培方式進(jìn)行了研究（師惠芬，1962）。調(diào)控栽培模式可以形成合理的冠層結(jié)構(gòu)，提高群體光能利用率。采用高矮搭配栽培、小植株立體栽培（通過增加單位面積植株的數(shù)量提高產(chǎn)量）（Mahdavi et al.，2012）、喜光耐陰作物間作搭配的栽培布局，不僅可以節(jié)省溫室有限空間，而且作物的受光及通氣狀況也會得到改善。

3.2 人工光下設(shè)施栽培蔬菜光環(huán)境調(diào)控

光環(huán)境調(diào)控是一種精準(zhǔn)高效、科學(xué)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（于海業(yè) 等，2017）。早在20世紀(jì)60年代，美國就出現(xiàn)了人工光源對植物補(bǔ)光的研究，我國對溫室蔬菜補(bǔ)光最早始于20世紀(jì)90年代。傳統(tǒng)的溫室補(bǔ)光燈包括金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、白熾燈、熒光燈等。在北歐的一些國家，溫室內(nèi)每天用高壓鈉燈補(bǔ)光16 h（Paradiso et al.，2011）。鈉燈和鏑燈有很高的發(fā)光效率，適于用作蔬菜補(bǔ)光光源，但鈉燈成本較高，蔬菜育苗應(yīng)以經(jīng)濟(jì)且能培育壯苗為基礎(chǔ)，所以難以做到大面積應(yīng)用（楊其長，2005）；白熾燈的構(gòu)造簡單，成本低廉，但發(fā)光效率也相對較低；相比之下，熒光燈的發(fā)光效率高。熒光燈在組織培養(yǎng)、人工氣候室及植物工廠中也有應(yīng)用。環(huán)境控制技術(shù)促進(jìn)了植物工廠的產(chǎn)生與發(fā)展，光環(huán)境調(diào)控是其中的主要因素之一。植物工廠內(nèi)植物的生長環(huán)境可根據(jù)需要精確控制，多用于綠葉蔬菜的商業(yè)生產(chǎn)，也有用于番茄、黃瓜、辣椒等的移植（Merrill et al.，2016）。植物工廠的光環(huán)境最初為試驗階段的高壓鈉燈光源，20世紀(jì)70年代，研究者對植物工廠中的人工光源進(jìn)行改善，用熒光燈取代了高壓鈉燈（楊其長和張成波，2005）。然而傳統(tǒng)的補(bǔ)光光源都存在發(fā)熱高、能耗高、光譜匹配不精確等不足，不能完全適用于我國設(shè)施栽培蔬菜生產(chǎn)。

LED燈具有代替?zhèn)鹘y(tǒng)補(bǔ)光燈的潛力，有發(fā)熱低、壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率較高等諸多優(yōu)勢。LED光源的出現(xiàn)極大降低了植物工廠的能耗。因其光效提高得非常快，能夠提供精確的輸出，可以根據(jù)要求隨時調(diào)整發(fā)射光譜（波）的長度，被認(rèn)為是溫室主要的補(bǔ)光光源。迄今為止，已有許多關(guān)于補(bǔ)光光質(zhì)、光譜、光強(qiáng)、補(bǔ)光時間及溫度等條件對蔬菜不同時期生理指標(biāo)、形態(tài)指標(biāo)及果實指標(biāo)影響的研究。對設(shè)施蔬菜進(jìn)行補(bǔ)光，可以不同程度地提前開花期及采收期，同時提升品質(zhì)，增加產(chǎn)量。1982年，LED紅光最早被日本三菱公司應(yīng)用于溫室番茄栽培。LED補(bǔ)光普遍采用有線布置且大多為單一的光強(qiáng)、時間等因子控制，存在弊端，有研究者提出以LED 燈為基礎(chǔ)的無線光環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，如ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通過遠(yuǎn)程監(jiān)測蔬菜光環(huán)境從而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程管理（Ijaz et al.，2012）；分布式無線智能LED光照度調(diào)控系統(tǒng)采用無線通訊方式實現(xiàn)上位機(jī)對控制終端的開關(guān)調(diào)控、光照度監(jiān)測等（顧梁 等，2015）。

4 先進(jìn)的溫室光環(huán)境控制系統(tǒng)

近些年來，研究者將計算機(jī)技術(shù)與光學(xué)原理、溫室?guī)缀涡螤?、溫室結(jié)構(gòu)材料參數(shù)相結(jié)合，利用仿真技術(shù)建立了溫室光環(huán)境的計算機(jī)模擬模型，為溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了更新、更簡單的分析手段。有基于PLC、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、二維模糊控制算法、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、力控組態(tài)軟件、智能農(nóng)業(yè)大系統(tǒng)和復(fù)雜大系統(tǒng)等關(guān)于溫室光照的檢測及調(diào)控系統(tǒng)。PLC，即可編程邏輯控制器，陳景波（2015）研制了基于PLC的溫室植物生長環(huán)境要素調(diào)控系統(tǒng)，以檢測到的傳感器實時值來控制各調(diào)控模塊的工作，利用LED補(bǔ)光模塊進(jìn)行補(bǔ)充照明試驗。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即依據(jù)人類大腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)及思維機(jī)制特點(diǎn)，構(gòu)建的一種以計算機(jī)信息技術(shù)為基礎(chǔ)的信息處理結(jié)構(gòu)模型。王曦等（2016）研究指出，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿真模擬可以精確判斷設(shè)施內(nèi)光環(huán)境的變化，實用性強(qiáng)。WSN具有自主網(wǎng)、部署簡單、能耗低、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，可實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與控制功能，適于應(yīng)用在溫室環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域。張校磊和陳俊麗（2017）基于WSN設(shè)計了一套滿足不同溫室類型、不同作物需求的溫室光環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)，通過分析溫室光環(huán)境從而實現(xiàn)紅藍(lán)光的精準(zhǔn)補(bǔ)光。周益民等（2013）研發(fā)出的基于單片機(jī)的溫室植物照明系統(tǒng)，通過LED光源配置，實現(xiàn)了對光環(huán)境的定量控制。由于傳感器、智能控制器及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，植物工廠智能化管控成為可能（楊其長，2016）。

在我國，研究者首次以光能傳遞理論為基礎(chǔ)，依據(jù)塑料薄膜的漫射及規(guī)則透射特性，引入光線跟蹤、蒙特卡羅方和輻射度3種方法建立了雙層充氣連棟塑料溫室光環(huán)境模型（Chen et al.，2013）。綜合考慮溫光等環(huán)境條件，劉翔（2015）提出了一種光環(huán)境目標(biāo)值動態(tài)可調(diào)的設(shè)施光環(huán)境監(jiān)測與智能調(diào)控系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)監(jiān)測的精準(zhǔn)度及調(diào)控性能進(jìn)行了部署驗證。利用計算機(jī)模擬植株光分布是研究光照方式對溫室蔬菜光截獲影響較為快速簡潔的方法，董喬雪等（2005）利用結(jié)構(gòu)模型與輻射度算法的結(jié)合，模擬了番茄3D葉片上的光截獲及冠層內(nèi)光分布。如今，對蔬菜作物結(jié)構(gòu)-功能模型的研究越來越多，de Visser 等（2012）發(fā)現(xiàn)了自然光和人工光在3D作物模型間的光分布，通過優(yōu)化LED光源在植物間的位置模擬了節(jié)能光照策略。目前，將溫室內(nèi)光源裝置與作物三維結(jié)構(gòu)和植物生理結(jié)合起來的研究仍鮮見報道。

5 應(yīng)用前景

設(shè)施栽培光環(huán)境調(diào)控是對蔬菜作物所接受光照的光周期、光強(qiáng)、光質(zhì)和光向進(jìn)行調(diào)節(jié)，其基本原則是依據(jù)自然光照和蔬菜生長發(fā)育不同階段的需光特性，定時、定量、定質(zhì)、定向調(diào)控，此外必須考慮如溫度、濕度等其他因子的互作。近年來，隨著人們對先進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的不斷探索，從覆蓋材料、反光幕、高壓鈉燈、熒光燈到LED燈；從人工到智能，溫室栽培的光環(huán)境調(diào)控技術(shù)已取得了較優(yōu)成果，LED照明的控制系統(tǒng)在設(shè)施栽培領(lǐng)域的應(yīng)用前景已相當(dāng)廣闊。但是，現(xiàn)階段LED照明智能控制光環(huán)境的應(yīng)用仍存在一些問題和障礙：LED燈生產(chǎn)成本高；應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)不健全；市場競爭不規(guī)范；壽命不能保證；LED還未能真正取得生產(chǎn)者的認(rèn)可，其光效在一定程度上還不能完全取代傳統(tǒng)燈具。設(shè)施栽培產(chǎn)業(yè)作為農(nóng)業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)和農(nóng)民致富的主要途徑，設(shè)施內(nèi)的光環(huán)境對蔬菜的生長有重大影響，調(diào)節(jié)好光環(huán)境是實現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的首要條件。