刘文科，杨其长

(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室，北京 100081)

引言

植物工厂是一种通过设施内高精度环境控制，实现作物周年连续生产的高效设施农业系统，是由计算机对作物生育过程中的温度、湿度、光照、CO2浓度、气流以及营养液等环境要素进行自动控制，不受或很少受自然条件制约的全新生产方式[1]。植物工厂已被国际公认为是设施农业的最高级发展阶段，是未来设施园艺发展的必然趋势，是衡量一个国家农业高技术发展水平的重要标志之一。与露地农田系统相比，植物工厂生产系统具有更高的可控性和稳定性，在解决世界资源、环境与粮食安全问题，应对气候变化和极端天气灾害方面具有重要价值。植物工厂按光照来源可分为人工光植物工厂和太阳光植物工厂两种。但国际上狭义的植物工厂是指人工光植物工厂。

人工光植物工厂的内在本质技术特征包括四点：(1)植物生长发育所需的环境因子智能可控，如温度、湿度、CO2浓度、光照、气流等；(2)植物栽培采用无土立体多层栽培模式，一般采用DFT、NFT、雾培及半水培方式进行水肥一体化供给与控制；(3)电光源人工光照技术，通过电光源为植物提供光合作用能量和光环境信号；(4)维护建筑结构为全封闭式、密闭性强、不透光、隔热性好。生产要素的智能控制是植物工厂最为本质的特征，它以第四点为前提条件，涵盖了上述前三点的本质技术特征。当然，植物工厂技术的发展不是短期形成的，它是工业技术和农业技术发展共同作用的结果。归纳而言，植物工厂发展的技术基础包括以下三点：(1)矿质营养学说的提出及化肥工业的发展孕育产生的立体无土栽培技术；(2)计算机与传感器技术的发展使环境因子与养分监测控制成为现实；(3)半导体照明技术的发展促进了人工光照技术的发展，扩展了光环境控制的内涵。当前，植物工厂所有环境因素都实现了自动检测、储存分析和智能控制，发展智能型植物工厂的时机已经成熟。

1 植物工厂光环境智能控制的必要性

智能型植物工厂生产运行不仅要求环境因子控制、水肥供给与调配控制的自动化，也需要在育苗、移栽、采收等生产环节实现自动化操作，减少人为活动对生产空间的干扰与污染。植物工厂运行及生产的智能化管理与控制都需要消耗电能。人工光植物工厂的能耗构成包括光源、空调、泵动系统、气动系统、检测控制系统等。就人工光植物工厂而言，能耗最大的是光照系统，占总能耗的60%以上；其次是空调系统，占总能耗的30%以上，其余管控系统消耗能源相对较少。目前，运行能耗成本已成为植物工厂运行成本的构成主体，是植物工厂运行成本居高不下的重要原因。因此，减少光照系统的能耗，已成为植物工厂节能增效的主要途径。

LED光源是荧光灯等传统植物工厂光源的理想替代品，节能效果明显[2-3]。更为重要的是，LED照明技术的发展为植物工厂光源节能和环境智能控制提供了硬件条件，其最大节能潜力就是实现了光质、光强和光周期的智能化控制。同时，光照作为调控植物生长发育与产量品质形成的有效环境因子，光环境调控对提高人工光植物工厂生产效益至关重要。目前，植物工厂存在LED光源能耗高、光能利用率低、光环境精准控制技术缺乏等突出问题，开展植物工厂主要园艺作物光环境优化参数与控制模式研究是削减LED照明系统能耗，提高生产效率的必由之路。

2 植物工厂光环境智能控制策略

植物工厂光环境控制是通过LED光源、传感器、计算机组成的控制系统实现的，其目标有两个：节能和植物优质高产。植物产量品质响应是植物工厂环境控制调控的目标核心，而植物生长发育所需要的光环境参数是植物工厂光照技术的依据，也是光环境智能控制的生物学基础。因此，基于LED照明技术，植物工厂光照节能增效的主要方法就是基于植物的光环境需求特性及时空特征，建立针对性的光照配方(Lighting recipe，LR)和光环境控制策略(Light environment control strategy, LECS)[4]，通过计算机实现自动管控，这样既能最大程度地提高植物的生产力，也能使光照有的放矢，避免盲目性无效光照造成的能源浪费。提高植物工厂生产力是增加植物工厂生产效益的主要途径。LR是指以优质高产为目标，人工光植物工厂内所栽培特定植物种类及品种生长发育各阶段所必需的光质组成及其数量属性的参数集合。LECS是指以优质高产为目标，以人工光植物工厂内所栽培特定植物种类及品种生长发育各阶段LR为基础，通过计算机直接控制和切换光环境参数的方法。LR所含的光质种类包括可见光、UV和远红光，其中红光和蓝光是植物所需的大量光质，其他可见光为植物所需要的微量光质，而UV和远红光为植物所需要的有益光质。LR的核心是光质组成及其数量属性，三类光质合理特定的组合搭配构成了一个LR。

光环境调控植物生长发育是通过改变光质质量属性以及光强和光周期数量属性，调节光合色素、光受体作用来影响碳氮代谢实现的[5-6]，其调控机制见图1。不同的植物种类甚至品种对光环境的要求都存在一定差别，因此需要系统研究建立植物LR和LECS。植物工厂特定植物LR的确定要以植物生长发育阶段为中心，以优质高产为目的，通过研究确定不同阶段植物所需要的最佳光环境参数来获得。LR是光源和光环境智能控制的基础，建立LR及LR库是植物工厂节能高效生产的前提。以LR为基础，研制LED光源，建立LR时空转换控制策略和时间节点，即光环境控制策略(LECS)，以协调光质、光强和光周期的转换，是实现植物工厂优质高产的前提(见图2)。LECS的实施需要LED光源、灯具以及控制系统软硬件条件来支撑。LED照明技术实现了植物工厂光环境的智能管控，解决了植物工厂环境因子控制的最后一关。光照的智能化管控标志着智能化植物工厂及其智能化生产成为了现实。

图1 LED照明调节植物生长代谢的机制Fig.1 Mechanisms of LED lighting to mediate plant metabolisms for high productivity

图2 植物工厂节能及优质高产光环境控制策略的建立Fig.2 LECS for high plant productivity under artificial lighting plant factor

3 结束语

光照及光环境的智能化控制是人工光植物工厂最后实现的一个环境因子，具有里程碑式的意义。LR及LECS的建立不仅可为光源的节能提供技术参数，更为植物的优质高产提供了光环境调控手段。LR及LECS技术的建立为人工光植物工厂的可持续发展提供了新的技术支撑，也是实现植物工厂节能高效生产的重要技术支撑，同时，结合LED光源空间管理技术，如垂直与水平光源移动技术以及灯具上表面、下照射表面及侧面的光反射技术，可有效提高植物工厂的光能利用效率。这两种技术的有机结合将大幅提高植物工厂光照的利用效率。

[1] 杨其长，魏灵玲，刘文科. 植物工厂系统与实践[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

[2] 刘文科，杨其长，魏灵玲. LED光源及其设施园艺应用[J]. 北京：中国农业科学技术出版社，2012.

[3] 刘文科，杨其长. LED光质生物学与植物工厂的发展[J]. 科技导报，2014，32(10)：25-28.

[4] Liu W K. Light environmental management for artificial protected horticulture[J]. Agrotechnology, 2012, 1:101.

[5] Stutte G W. Light-emitting diodes for manipulating the phytochrome apparatus[J]. HortScience, 2009, 44(2): 231-234.

[6] McCree K J. The action spectra absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants[J]. Agricultural Meteorology, 1972, 9:191-196.