植物工厂补光照明现状和照明光源的趋势

2018-05-04 09:02:50 128

植物工厂补光照明方法现状与趋势

植物工厂将现代工业、生物科技、营养液栽培和信息技术等相结合,对设施内环境因子实施高精度控制,具有全封闭、对周围环境要求低,缩短植物收获期,节水节肥、无农药生产、不向外排放废物等优点,单位土地利用效率是露地生产的40~108倍,其中智能化人工光源及其光环境调控对其生产效率起到决定性作用。光作为重要的物理环境因子,对植物的生长发育和物质代谢均起到关键的调控作用。“植物工厂的主要特征之一就是全人工光源并实现光环境的智能调控”已经成为业界的普遍共识。

植物对光照的需求
植物的生命活动离不开光照,光是植物光合作用的唯一能量来源,光照强度、光质(光谱)及光的周期性变化对作物的生长发育具有深刻影响,其中以光照强度对植物的光合作用影响最大。

○ 光照强度
光照的强弱能改变作物的形态,如开花、节间长短、茎的粗细及叶片的大小与薄厚。植物对光照强度的要求可分为喜光型、喜中光型、耐弱光型植物。蔬菜多数属于喜光型植物,其光补偿点和光饱和点均比较高,在人工光植物工厂中作物对光照强度的相关要求是选择人工光源的重要依据,了解不同植物的光照需求对设计人工光源、提高系统的生产性能都极为必要。

○ 光质
光质(光谱)分布对植物光合作用和形态建成同样具有重要影响(图1)。光是辐射的一部分,而辐射是一种电磁波。电磁波具有波的特性与量子( 粒子) 特性。光的量子称为光子(photon),在园艺领域亦称为光量子。波长范围为300~800nm的辐射称为植物的生理有效辐射(physiologically active radiation); 而波长范围400~700nm的辐射称为植物的光合有效辐射(photosynthetically active radiation,PAR)。

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图 2 各光合色素的光谱吸收图示

植物光合作用最重要的2种色素是叶绿素(Chlorophyll)和胡萝卜素(Carotenes)。图2为各光合色素的光谱吸收图谱,其中叶绿素吸收光谱集中在红蓝波段,照明补光系统是根据作物的光谱需求进行人工补光,以促进植物的光合作用。

○ 光周期
植物的光合作用和光形态建成与日长(或光期时间)之间的相互关系称为植物的光周性。光周性与光照时数密切相关,光照时数是指作物被光照射的时间。不同的作物,完成光周期需要一定的光照时数才能开花结实。按照光周期的不同,可分为长日照作物,如白菜等,在其生育的某一阶段需要12~14h 以上的光照时数;短日照作物,如洋葱、大豆等,需要12~14h以下的光照时数;中日照作物,如黄瓜、番茄、辣椒等,在较长或者较短的日照下,都能开花结实。

环境三要素中,光照强度是选择人工光源的重要依据,目前对光照强度有多种表述方法,主要包括如下3种。
(1)光照度(Illumination)是指受照平面上接受的光通量面密度(单位面积的光通量),单位:勒克斯(lx)。
(2)光合有效辐射照度PAR,单位:W/m²。
(3)光合有效光量子流密度PPFD 或PPF即单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射的光量子数,单位:μmol/(m²·s)。主要指与光合作用直接有关的400~700nm的光照强度。也是植物生产领域最常用的光照强度指标。

典型补光系统的光源分析
人工补光是通过安装补光系统,提高目标区域内的光照强度或延长光照时间从而实现植物对光的需求。一般来说,补光系统包括补光设备、电路及其控制系统。补光光源主要包括白炽灯、荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯及LED等几种常用类型。由于白炽灯电光效率低,光合能效低等缺点,已经被市场淘汰了,故本文不做详细分析。

○ 荧光灯
属于低压气体放电灯的类型。玻璃管内充有水银蒸汽或惰性气体,管内壁涂有荧光粉,光色随管内所涂荧光材料的不同而异。荧光灯光谱性能好,发光效率较高,功率较小,与白炽灯相比寿命较长(12000h),成本相对较低。因荧光灯自身发热量较小,可以贴近植物进行照明,适用于立体栽培,但荧光灯光谱布局不合理,国际上比较常用的方法是增设反光罩,尽量增加栽培区作物的有效光源成分。日本adv-agri公司还开发了新型补光光源HEFL,HEFL实际上属于荧光灯范畴,是冷阴极荧光灯(CCFL)及外部电极荧光灯(EEFL)的总称,是一种混合电极荧光灯。HEFL灯管极细,直径仅4mm 左右,长度按照栽培需要可从450mm调节到1200mm,算是常规荧光灯的改进版。

○ 金属卤化物灯
在高压水银灯的基础上,通过在放电管内添加各种金属卤化物(溴化锡、碘化钠等)而形成的可激发不同元素产生不同波长的一种高强度放电灯[5]。卤化灯发光效率较高、功率大、光色好、寿命较高、光谱大。但由于发光效率低于高压钠灯,寿命也比高压钠灯短,目前仅在少数植物工厂使用。

○ 高压钠灯
属于高压气体放电灯类型。高压钠灯是在放电管内充高压钠蒸汽,并添加少量氙(Xe)和汞灯金属的卤化物的一种高效灯。由于高压钠灯具有较高的电光转换效率同时兼顾较低制造成本,所以目前农业设施补光应用中高压钠灯是最广泛的,但由于其光谱存在光合效率低的缺点,造成能效较低的短板。另一方面高压钠灯所发出的光谱成分主要集中在黄橙光波段,缺少植物生长必须的红色和蓝色光谱。

发光二极管(LED)
作为新一代光源,具有更高的电光转换效率,光谱可调、光合效率高等诸多优点。LED植物生长灯能够发出植物生长所需要的单色光,与普通荧光灯等补光光源相比,LED具有节能、环保、寿命长、单色光、冷光源等优点。随着LED的电光效率进一步提升,规模效应产生的成本下降,LED植物生长灯将成为农业设施补光的主流设备。

通过比较,可清晰了解不同补光光源的特性,如表1所示。

表 1 各类人工光源的特性指标比较
移动式补光装置
光照强弱与作物的生长密切相关,植物工厂中多采用立体栽培,但受栽培架结构所限,层架间的光照、温度分布不均,这样会影响作物的产量,收获期也不同步。北京一公司在2010年已成功开发手动升降补光装置,其原理是通过摇动摇柄转动小型卷膜器带动传动轴及固定在其上面的绕线器转动,实现收放钢丝绳的目的,吊挂补光灯钢丝绳通过多组换向轮与升降器的绕线轮连接,从而达到调整补光灯高低的效果。

2017年上述公司设计开发了新型移动式补光装置,该装置可以根据作物生长需求实时自动调节补光高度。该调节装置现安装在3层式光源升降式立体栽培架上,装置顶层为光照情况最好的层级,所以配置高压钠灯;中间层及底层配置可升降调节系统, 安装LED灯具, 可根据光传感器的检测信号,自动调节补光灯高度,为作物提供合适的光照环境。

相对于为立体栽培量身订制的移动式补光装置,荷兰开发了一种可水平移动的补光灯装置。为了免于阳光下补光灯的阴影对植物生长的影响,可将补光灯沿水平方向通过伸缩式滑道推向支架两边,让阳光全面照射到植物上;没有太阳光的阴雨天,可将补光灯推向支架中间,使补光灯的光照均匀地给植物补光;通过支架上的滑道水平方向移动补光灯,避免了频繁地拆装和搬动补光灯,降低了员工的劳动强度,有效提高了工作效率。

典型作物补光系统设计思路
从移动式补光装置的设计不难看出,植物工厂补光系统的设计通常以不同作物生育期的光照强度、光质和光周期参数以及末端调控特殊手段最为设计的核心内容,依赖智能控制系统来执行实施,达到节能高产的终极目标。目前,有关叶菜的补光设计构建已逐渐成熟。

举例来说,叶菜可分为苗期、生长中期、生长后期和末端处置4个阶段;果菜可分为苗期、营养生长期、开花阶段、采收阶段。从补光光照强度属性来说,苗期光照强度应略低,在60~200 μmol/(m²·s),随后逐渐增大。叶菜最高可至100~200 μmol/(m²·s),果菜可达300~500 μmol/(m²·s),以保障各生育期植物光合作用对光照强度的要求,实现高产的需要;对光质而言,红蓝比例至关重要。苗期为了增加苗质量,防止徒长,一般把红蓝比例设置在较低水平[(1~2):1],随后逐渐降低,以满足植物光形态建成的需求,可将叶菜红蓝光比设置(3~6):1。

对光周期而言,与光照强度类似,应呈现随生育期延长而增加的趋势,以使得叶菜有更多地光合时间进行光合作用。果菜的补光设计会更加复杂,除上述基本规律外,应重点关注开花期的光周期设置,必须促进蔬菜的开花结果,以免适得其反。值得提出的是,光配方应包括末端处置光环境设置内容,比如通过连续补光可大幅提高水培叶菜苗菜的产量和品质,或者通过UV处理可显著提高芽菜和叶菜(尤其是紫叶和红叶生菜)的营养品质。

除了对特选作物进行优化补光外,一些人工光型植物工厂的光源控制系统近年来也发展迅速,这种控制系统一般是基于B/S架构,通过WIFI实现远程操控对作物生育过程的温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因素进行自动控制,不受外界条件制约的生产方式。这种智能补光系统,采用LVD无极灯作为补光光源,结合远程智能控制系统,能够满足植物波长光照需求,特别适合应用于光控植物设施栽培环境,可以很好地满足市场需求。

结束语
植物工厂被认为是21世纪解决世界资源、人口和环境问题的重要途径,是未来高科技工程中实现食物自给的重要方式。作为新型的农业生产方式,植物工厂还处于学习与成长阶段,需要投入更多的关注与研究。本文阐述了植物工厂中常见的补光照明方法的特性与优点,介绍了典型作物补光系统的设计思路,通过比较不难发现,为应对连阴天、雾霾等恶劣天气导致的弱光寡照逆境,同时保障设施作物高产稳产,LED光源装备最为符合当前发展趋势。未来植物工厂的发展方向应侧重新型高精度、低成本传感器和远程可控的、可调光谱的补光照明装置系统及专家化控制系统。同时,未来植物工厂将向低成本化、智能化、自适应化不断发展。LED光源的使用和普及为植物工厂高精度环境控制提供保障,LED光环境调控是一个复杂的过程,涉及光质、光照强度、光周期等综调控,有待相关专家学者对人工光植物工厂LED补光照明进行深入研究与使用推广。