徐 永（福建工程學院計算機科學與數(shù)學學院，福州 350118）

隨著人口增長、耕地減少、環(huán)境污染和農(nóng)藥化肥濫用等問題日益嚴重，傳統(tǒng)作物生產(chǎn)模式在產(chǎn)量與安全等方面都面臨著重大挑戰(zhàn)。同時，人們對食品衛(wèi)生、營養(yǎng)、健康和綠色等方面的要求也越來越高。植物工廠為解決上述矛盾提供了一個有效的途徑。植物工廠是利用人工光照系統(tǒng)，通過自動控制和生物信息等技術，對植物生長的溫度、濕度、光照、CO2濃度和營養(yǎng)液等環(huán)境條件進行控制，使植物生長不受自然環(huán)境制約而進行周年生產(chǎn)的系統(tǒng)，是現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要里程碑。植物工廠的高級階段將完全實現(xiàn)工業(yè)化、程序化的生產(chǎn)模式，最終實現(xiàn)栽培環(huán)境的最優(yōu)化，所生產(chǎn)的植物品質(zhì)好、周期短、產(chǎn)量高、污染少、效益高，具有傳統(tǒng)栽培模式無法比擬的優(yōu)勢，是植物生產(chǎn)的最高形式，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

植物工廠主要優(yōu)勢有6 點：①生產(chǎn)率高，通過立體栽培和智能環(huán)境控制技術，極大提高了單位產(chǎn)出率和勞動生產(chǎn)率；②種植地域廣，可在酷熱、寒冷、沙漠甚至太空等不毛之地進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；③產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)，無需農(nóng)藥和各種生長激素，可提供優(yōu)質(zhì)新鮮的綠色食品；④產(chǎn)出率穩(wěn)，利用人工光和營養(yǎng)液栽培，不受外界環(huán)境的制約，實現(xiàn)有計劃的周年生產(chǎn)；⑤工作環(huán)境好，有溫控和空氣凈化的優(yōu)越作業(yè)環(huán)境，加上機械化作業(yè)省工省力，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動成為一種享受；⑥種植對象廣，植物工廠可生產(chǎn)蔬菜、水果、花卉、食用菌、藥材和部分大田作物等。

關于光強、光質(zhì)和光周期對植物生長過程的影響已有較為全面的綜述文章可供參考[1]，本文僅就植物工廠在種植過程中遇到的有關光質(zhì)選配方面的問題做具體的分析和闡述，以期對植物工廠在設計和運營過程中遇到的一些關鍵問題提供有實用價值的參考。

光源選擇

與自然栽培模式相比，植物工廠內(nèi)采用全人工光照明，工廠建設投入大，照明時間長，運行過程中能源消耗高。研究表明，在環(huán)境控制良好的植物工廠中，照明所用的電能約占總能耗的70%，而環(huán)境控制和其他動力能耗則占總用電量的30%[2]。隨著植物照明用電的增加，其在密閉的植物工廠內(nèi)所產(chǎn)生的熱量也將增加，用于環(huán)控的制冷能耗隨之增加，上述的能耗比基本保持不變。因此，光源的選擇對植物工廠建造和運行成本的降低至關重要。

光源的選擇不僅與植物工廠的建造和運營成本有關，還關系到所種植物生產(chǎn)周期的長短、產(chǎn)量和品質(zhì)。因為光是影響植物生長發(fā)育最重要的環(huán)境因素之一，它不僅關系到種子的萌發(fā)和莖葉的生長，還可以調(diào)節(jié)植物體內(nèi)有效物質(zhì)的積累和開花時間等生理過程，并且對不同的植物種類其影響也略有不同。因此，選擇合適的光源并使其含有適宜的光質(zhì)對于植物工廠的運營十分關鍵。

為滿足上述需求，植物工廠生產(chǎn)一般選用LED 燈。這是因為LED 燈具有光效高、能耗低、發(fā)熱少、壽命長及光強光譜可調(diào)等特點，既可以滿足植物生長和有效物資積累的要求，又能達到節(jié)約能源、減少發(fā)熱和用電成本的目的。LED 又可分為單芯片普通照明用寬光譜LED燈、單芯片植物專用寬光譜LED 燈及多芯片組合可調(diào)光譜LED 燈。后兩種植物專用LED 燈的價格一般為普通照明用LED 燈價格的5 倍以上，所以應該根據(jù)不同的目的而選用不同的光源。對于大型植物工廠而言，其種植植物的種類隨著市場需求變化而變化，為了降低建造成本且不顯著影響生產(chǎn)效率，筆者建議采用一般照明用寬光譜LED 作為照明光源。對于小型的植物工廠，如果種植植物的種類相對固定，為獲得較高的生產(chǎn)效率和品質(zhì)且不顯著增加建造成本，則可以采用植物專用或普通照明用寬光譜LED 作為照明光源；如果是為了研究光照對植物生長和有效物質(zhì)積累的影響，從而為今后大規(guī)模生產(chǎn)提供最佳的光照配方，則可選用多芯片組合可調(diào)光譜LED 燈，通過在種植過程中改變光強、光質(zhì)和光照時間這些因素，為每種植物獲得最佳光照配方，為大規(guī)模的生產(chǎn)提供依據(jù)。

紅藍光作用

為了獲得較高的光合效率，在生產(chǎn)實際中一般選用含有紅藍光的組合作為光照系統(tǒng)，但不同的組合將產(chǎn)生不同的效果。有學者曾用不同紅藍配比的LED 燈對生菜[3-4]、菠菜[5]、瓠瓜苗[6]、黃瓜苗[7]和番茄苗[8]等進行了廣泛而深入的研究，結(jié)果表明，不同紅藍光組合在植物生長和有效物質(zhì)積累方面所起的作用明顯不同，但相同的組合在不同種類的植物間產(chǎn)生的差異并不明顯。因此，一個較好的光質(zhì)配方基本上可以適用于不同種類的葉菜和苗菜類植物。

就具體實驗結(jié)果而言，當紅光(R) 的含量高于藍光(B) 時（生菜R:B=6:2 和7:3；菠菜R:B=4:1；瓠瓜苗R:B=7:3；黃瓜苗R:B=7:3），實驗表明所有受試植物在各個不同階段（7天、14 天和21 天等）的生物量含量（包括地上部分的株高、最大葉面積、鮮重和干重等）都較高，但植株的莖粗和壯苗指數(shù)則是在藍光含量高于紅光時較大。對生化指標而言，紅光含量高于藍光一般有利于植物體內(nèi)可溶性糖含量的增加，但對于植物體內(nèi)VC、可溶性蛋白、葉綠素和類胡蘿卜素含量的積累，則用藍光含量高于紅光的LED 照明比較有利，在這種光照條件下丙二醛的含量也相對較低。

由于植物工廠主要用于種植葉菜類植物或進行工廠化育苗，從以上結(jié)果可以得出，在提高產(chǎn)量并兼顧品質(zhì)的前提下，適于選用紅光含量高于藍光的LED 作為光源，具體配比為R:B=7:3為佳。并且這樣的紅藍光配比對各類葉菜或苗菜都基本適用，對不同植物也沒有特異性的要求。因此在一般情況下只要選用經(jīng)過精心挑選的且紅藍光配比適宜的普通照明用LED 燈即可，沒有必要采用價格較為昂貴的植物照明專用LED 燈。并且在合適的配比條件下，既可以確保所種植物的產(chǎn)量，又可以獲得較好的品質(zhì)。

紅藍光波長選擇

對葉菜類植物生產(chǎn)或工廠化育苗而言，植物在這些階段的生長主要靠光合作用，因此對光照的要求是必須要有高的光合作用效率。為此必須選用適當波長的紅藍光組合來實現(xiàn)這一目的。但目前有關植物工廠設計或光照對植物生長影響的研究中很少涉及這方面的問題。為探究什么是紅藍光波長的最佳組合，就需研究高等植物的光合過程。在光合作用期間，光能主要是通過葉綠素a 和葉綠素b 而被吸收的。圖1 給出了葉綠素a 和葉綠素b 的吸收光譜，其中綠色譜線為葉綠素a 的吸收光譜，藍色譜線為葉綠素b 的吸收光譜。從圖中可以看出，葉綠素a 和葉綠素b 都有2 個吸收峰，一個在藍光區(qū)，另一個在紅光區(qū)。但葉綠素a 和葉綠素b 的2 個吸收峰略有不同。準確說來，葉綠素a 兩個峰值波長分別為430 nm 和662 nm，而葉綠素b 兩個峰值波長分別為453 nm 和642 nm。這4 個波長值不會隨著植物的不同而變化，因此照明光源中紅藍光波長的選用也不會隨植物種類的不同而不同。

圖1 葉綠素a 和葉綠素b 的吸收光譜

如果用寬光譜的普通LED 照明燈作為植物工廠的光源，只要紅藍光部分能夠覆蓋葉綠素a和葉綠素b 的兩個峰值波長即可，即一般選用紅光的波長范圍為620～680 nm，而藍光的波長范圍為400～480 nm。但紅藍光波長范圍不能太寬，太寬了不僅浪費光能，還可能會產(chǎn)生其他影響。例如，從圖1 上看波長范圍在320～380 nm 的近紫外光也可能被葉綠素吸收，但因為這些光的波長太短，容易在植物體內(nèi)引起光脅迫，抑制植物的生長，因此除特殊用途外一般不選用。

如果要用由紅黃藍三色芯片組成的LED 燈作為植物工廠的光源，則應將紅光的峰值波長設置為葉綠素a 的峰值波長，即在660 nm 處，藍光的峰值波長則應設置為葉綠素b 的峰值波長，即在450 nm 處。這一方面是因為在紅光附近葉綠素a 的吸收峰大于葉綠素b 的吸收峰，而在藍光附近則是葉綠素b 的吸收峰大于葉綠素a 的吸收峰；另一方面上述試驗及文獻中的數(shù)據(jù)都表明，不同種類的高等綠色植物葉片中葉綠素a 的含量一般為葉綠素b 的3 倍或以上，并且不因紅藍光的配比而產(chǎn)生顯著的變化，因此將紅光的峰值波長設置為葉綠素a 的峰值波長附近更易于植物的吸收，但如果因此也將藍光的峰值波長設置在葉綠素a 的峰值波長附近，其結(jié)果并不會大幅提高葉片對藍光的吸收，還會因為這些光的波長較短，容易在植物體內(nèi)引起藍光脅迫，從而抑制植物生長。

從以上的討論可以看出，如果選用寬光譜的LED 燈作為植物工廠的光源，由于綠色植物葉片中葉綠素a 和葉綠素b 的比值及峰值吸收波長都不會隨著植物種類的不同而不同，也基本不會隨著光照環(huán)境的不同而不同，不會有太大的植物特異性，只要選用適當?shù)募t藍光配比就可以適應不同植物生長的需求，因此不必采用價格偏高的植物專用LED 照明燈。

黃綠光作用

在植物照明領域，介于紅藍光間的大片光譜范圍一般統(tǒng)稱為黃綠光。曾以擬南芥為實驗對象，對黃綠光（以下簡稱“綠光”）在植物生長過程中的作用做了詳細的研究[9]，結(jié)果表明無論是在擬南芥的種子萌發(fā)階段還是幼苗生長階段，如果單獨使用紅光，可以促進種子的萌發(fā)及其主根和下胚軸的生長，而單獨的藍光則對它們起抑制作用。但加入20% 的綠光(G)后（R:G 或B:G=8:2），與紅光共同作用時可適當抑制種子的萌發(fā)及主根和下胚軸的生長，而與藍光共同作用時則可適當促進種子的萌發(fā)及主根和下胚軸的生長。換言之，綠光在此起到了中和紅藍光的作用，它可以減弱由紅藍光單獨作用時對植物生長可能產(chǎn)生的過度抑制或促進而導致的不利于植物健康成長的因素。

通過對移栽25 天后擬南芥葉片中的葉綠素a、葉綠素b 及類胡蘿卜素含量的分析和比較發(fā)現(xiàn)，紅藍光單獨作用對擬南芥葉片中葉綠素a、葉綠素b 的形成均有一定的抑制作用。但類胡蘿卜素對紅藍光單獨作用時的響應卻完全相反，其含量在紅光照射下顯著減少，而在藍光照射下卻顯著增加。但當綠光分別與紅藍光共同作用時，它也起到了對紅藍光的明顯的中和作用。

如果將紅綠藍三種色光混合（R:G:B=6:1:3或3:1:6），則發(fā)現(xiàn)擬南芥的各項生長和生化指標更趨合理。在上述生菜實驗[4]中也發(fā)現(xiàn)，用綠光代替一定比例的紅光或藍光對生菜的生長和品質(zhì)的提升更為有效。因此，無論是使用寬光譜LED 燈還是三芯片組合窄光譜LED燈，加入少量的綠光成分對植物的正常生長是有利的，這也是植物生長燈中必須含有一定量的綠光的原因。但由于綠光在植物生長過程中只起到輔助和調(diào)節(jié)的作用，其含量不宜太大，否則不僅不利于植物的健康成長，而且也會浪費寶貴的光能。因此，紅綠藍三色光的配比為R:G:B=6:1:3 較為合適。至于綠光峰值波長的確定，由于它在植物生長過程中主要起調(diào)節(jié)作用，只要介于530～550 nm 即可。

總結(jié)

本文從理論和實踐兩方面探討了植物工廠中的光質(zhì)選配策略，包括LED 光源中紅藍光波長范圍的選擇及黃綠光的作用和配比等。本文的結(jié)果對植物工廠光照方案的設計、運營成本的降低和植物產(chǎn)量和品質(zhì)的提升都有一定的指導意義。在植物生長過程中還應綜合考慮光強、光質(zhì)和光照時間這三因素間的合理匹配，及其與養(yǎng)分、溫濕度和CO2濃度間的關系等。但限于篇幅，有關這方面的內(nèi)容我們將在今后適當?shù)臅r間予以討論。不過對于實際生產(chǎn)而言，無論是計劃使用寬光譜還是多芯片組合可調(diào)光譜LED 燈，波長的配比都是首要考慮的因素，因為除了光質(zhì)外其他因素都可以在運營過程中進行實時的調(diào)節(jié)。因此，在植物工廠設計階段最重要的考慮因素應該是光質(zhì)選配的問題。