人工光在植物工廠中的應用

劉文科，楊其長

(中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

引言

農業是國民經濟的基礎，它是依靠動物、植物和微生物自然生長發育功能和繁育機能達到了規模化生產目的生物生產方式。萬物生長靠太陽，太陽光是地球生物賴以生存的能量來源，是露地農業不可或缺的環境條件，光照條件的好壞直接決定著農業生產能否獲得優質高產。然而，在傳統農業中，光照條件通常無法調節，受天氣條件控制。隨著人們對農業生物環境條件需求特性的逐步認識，環境條件可控的設施農業應運而生，為光環境、溫度、濕度、CO2濃度等因子調控提供了條件。設施農業是具有一定設施，能在局部范圍改善和創造環境氣象因素，為動植物的生長發育提供良好的環境條件，進行有效農業生產的現代農業模式。設施農業按照生產農業生物的種類來分，主要包括設施園藝和設施養殖兩大部分。設施養殖主要有水產養殖和畜牧養殖兩大類。我國是設施農業大國，2012年設施蔬菜栽培面積已接近380萬公頃，產值5800多億元；同期我國食用菌生產總量達3000萬噸，產值超過1500億元，占世界總產量的70%以上，設施蔬菜與食用菌產量均居世界首位。現今，根據設施條件和設施內環境因子控制水平來分，我國園藝設施類型主要包括小拱棚、塑料大棚、日光溫室、連棟溫室和植物工廠(Plant factory)等幾類。通常，隨著設施內環境因子控制精度的提高，設施園藝生產過程受到自然環境影響的程度降低，集約化程度增加，周年生產效能和系統穩定性提高。植物工廠作為環境因子控制精度最高的設施園藝類型，被譽為是設施園藝的最高形式，是未來設施園藝發展的必然趨勢和頂級階段，在解決世界資源環境與糧食安全問題，拓擴耕地資源和農業生產空間，促進農業可持續發展上具有重要價值。

1 植物工廠的概念與優勢

植物工廠是一種通過設施內高精度環境控制，實現作物周年連續生產的高效設施農業系統，是由計算機對作物生育過程的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養液等環境要素進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的全新生產方式[1]。植物工廠被國際上公認為設施農業的最高級發展階段，是衡量一個國家農業高技術水平的重要標志之一。植物工廠按光照來源可分為人工光植物工廠和太陽光植物工廠兩種[1]。前者指在完全密閉可控的環境下采用人工光源與營養液栽培技術，在不受外界氣候條件影響的環境下，進行植物周年生產的植物工廠。后者指在半密閉的溫室環境下，主要利用太陽光或短期人工補光以及營養液栽培技術進行植物周年生產的植物工廠。植物工廠在反季節蔬菜、花卉、果品和食用菌生產方面具有重要用途，而且在種苗、組培苗、大田作物育苗(水稻、煙草等)和瀕危植物(中草藥)擴繁與生產中具有獨特的用途。目前，我國已出現了蔬菜工廠、種苗工廠、植物組培工廠等形式。植物工廠具有露地農業生產無法比擬的優勢，具體表現為：(1)不受外界氣候條件影響，可進行計劃性周年連續生產；(2)可實施多層立體栽培，單位面積產量高，土地資源利用率高；(3)機械化、自動化程度高，勞動強度低，工作環境舒適；(4)潔凈程度高，無病蟲害，不使用農藥，產品安全無污染；(5)可在非可耕地上生產，也可建在城市周邊或市區，就地生產銷售[2]。最后，植物工廠環境因子控制精度高，植物生長快，不僅縮短生長周期，且確保了植物苗生長的一致性。據估算，以生產葉菜為例，人工光植物工廠的生產效能約為露地生產的40～108倍[3]，農業生產效率獲得極大地提升。

2 植物工廠人工光應用領域及必要性

2.1 植物工廠人工光應用領域

實際上，按照人工光在植物工廠中的應用目的來分，可分為光生物學和光化學兩個應用領域(見表1)，通過光生物和光化學反應，人工光調控為植物工廠的可持續生產與優質高產提供技術支持。

表1 人工光在植物工廠中的應用領域、作用與目標Table 1 Fields，functions and targets of artificial lighting application in plant factory

2.2 人工光光生物學應用必要性

光作為環境信號和光合作用的能量的唯一來源，是設施植物生長發育和產量品質形成的必需環境要素。就太陽光植物工廠而言，人工補光十分必要。自然界中，太陽光照隨地理緯度、季節和天氣狀況的不同而變化，高緯度地區光照時間不足、低緯度地區因陰雨雪霧天氣、霧霾等惡劣天氣，以及大氣污染和浮塵等因素的影響，致使日光溫室、塑料大棚等設施內光環境(光強、光質和光周期)不能滿足設施作物的生長發育與產量品質形成的需求，光照時間不夠、光照強度不足和光質欠缺現象普遍，限制了設施園藝生產潛力。另外，就人工光植物工廠而言，人工光環境調控更為必要。完全人工光栽培產業(植物組織培養、育苗工廠、蔬菜工廠和食用菌工廠等)更需要人工光來為農業生物生長發育和繁殖提供適宜的光環境，光環境脅迫將導致減產甚至絕收。人工補光主要應對弱光寡照和短日照危害，調控植物的光合作用和光周期，促進植物的生長發育和開花結果。而人工光環境調控是個復合過程，涉及時間尺度上的光強、光質和光周期等的數量和質量因素的綜合調控，是未來人工光植物工廠必需實現和滿足的技術手段。

2.3 人工光光化學應用必要性

營養液管理是植物工廠生產和設施無土栽培的核心。為了實現營養液的循環利用，避免因廢棄營養液排放造成的環境污染，國際上正逐步以封閉式無土栽培系統取代開放式無土栽培系統，這必然成為設施園藝特別是植物工廠營養液管理發展的必然趨勢。封閉式營養液栽培系統中營養液可循環利用(進行必要的水和養分的補充調節)，具有環境友好，水分和養分利用率高的優點，在世界范圍內正在積極研發和應用。

與露地栽培相似，在封閉式無土栽培系統連續栽培蔬菜過程中，因蔬菜根系分泌有機酸等自毒物質的累積，常誘發連作障礙，造成蔬菜生長抑制和產量下降。研究表明，常見的蔬菜種類如黃瓜、番茄、蘆筍和生菜等都可通過根系分泌途徑向營養液中釋放有機酸等自毒物質，在連續栽培過程中自毒物質的大量累積抑制了蔬菜的生長，造成蔬菜產量下降[4、5]。另外，有機栽培基質(如稻殼)在栽培過程中也會釋放出植物毒性物質，影響蔬菜的生長與產量[6]。Lee等(2006)[4]發現，生菜栽培二次利用的營養液中累積了大量有機酸，對其生長產生危害。同時，營養液中大量有機物質的存在易孳生病原菌，發生病害。因此，在封閉式營養液栽培系統中，營養液自毒物質和微生物的去除是非常必要的，有效去除自毒物質將避免連作障礙的發生，提升封閉式營養液栽培系統的可持續生產能力。目前，納米級二氧化鈦(TiO2)光催化法是營養液質量控制較為有效的方法。該方法是利用TiO2材料吸收紫外光所產生的強氧化效應，將吸附到其表面的有機物分解成二氧化碳，達到殺死微生物和去除自毒物質的目的。其實，光催化可以在紫外光、可見光或紅外光照射下發生，是光催化劑吸收光后發生的化學反應[6]。目前，人們正試圖通過摻雜、半導體復合和協同催化等手段提高光催化氧化效率。

3 植物工廠理想的人工光源：發光二極管(LED)

發光二極管(LED)是一種固態的半導體器件，是第四代電光源，可以直接將電能轉化為光能。LED光源具有傳統電光源無法比擬的光電特性和光譜優勢，是設施農業生產人工光調控的理想光源。首先，LED體積小、重量輕、長壽命、節能、環保、安全性高；其次，LED光質純且專一，光譜能量分布調制容易，可滿足農業生物生長發育與繁殖對光質的需求，是當前唯一能夠實現光質調控的新型光源；再次，LED為冷光源，可貼近生物照射，生物光效高；而且，LED為直流電可控性好，可精準調控光強、光質和光周期等，適宜工廠化生產；最后，LED光源裝置形狀多樣(燈板、燈帶、燈管和燈泡)，適于設施農業各領域的光環境調控需求[7]。由于LED可為設施農業生產提供智能化的光環境調控，實現光強、光質和光周期按需調控，因此國外學者認為LED在農業照明中的應用是近幾十年來農業照明發展的最大進步，具有里程碑式的意義。光環境調控不僅可以提高農業生物生長發育的速率，而且可提高農產品的品質，比如：光環境調控能促進植物的光合作用和光形態建成，顯著提高蔬菜、食用菌等可食部分的營養品質和保健功能。

4 人工光在植物工廠中的光生物學應用

植物所需光質的生物學效應包括：(1)可見光-光合有效輻射(PAR)，紅藍光用于植物生長發育，提供能量和光形態建成信號(400～700nm)；(2)UV光質調控植物(蔬菜和藥用植物)的次生代謝過程(UV-B或UV-A)；(3)遠紅光(Fr)用于調節植物光形態建成，如植物工廠育苗。植物光質需求共識為：植物必需光質是不連續的，紅光、藍光是植物正常生長發育、完成生活史的必需光質。紅藍組合光質可替代連續全光譜光源進行植物栽培，這簡化了燈具設計，降低了制造成本。另外，人工光在植物工廠中的光生物學應用還體現在其對植物的調控作用，主要包括：(1)光對植物光合作用的調控作用;(2)光對植物形態建成的調控作用；(3)光對植物產品品質的調控作用。

5 人工光植物工廠中光化學應用

TiO2的光催化特性已被廣泛應用到空氣、水等環境介質的污染治理中[8-9]，而在營養液的自毒物質去除應用方面也有一些報道[5-6，10-11]。Miyama等(2009)[6]采用此方法降解了無土栽培基質(稻殼)產生的植物毒性物質，降低了產量損失。Sunada等(2008)[5]用此方法降低了蘆筍設施無土栽培中所分泌自毒物質的危害。該方法具有成本低、效果持久、便于應用、可控性強等優點，并且還具有公認的殺菌功能，極具研發前景。Qui等(2013)[10]選取的6種典型的植物自毒物質在納米TiO2光催化下均可被有效降解。光催化6小時后，與對照組相比，納米TiO2光催化處理下苯甲酸、水楊酸、阿魏酸、沒食子酸、乙酸和單寧酸的降解量分別達到31.2%，51.8%，18.0%，43.0%，71.4% 和52.5%。不同自毒物質在納米TiO2光催化下的降解率不同，這可能與其自身的結構及其水溶液的pH有關。同時，邱志平等(2013)[11]以納米TiO2光催化系統處理水培過多茬生菜的營養液，研究了營養液中根分泌物、有效態Fe、Mn、Zn元素含量的變化，并以處理后的營養液水培生菜，研究了納米TiO2光催化處理對水培生菜產量及品質的影響。結果表明：納米TiO2光催化處理可有效去除營養液中累積的根系分泌物，但同時降低了有效態Fe、Mn、Zn元素含量；與對照相比，以經過納米TiO2光催化處理后的營養液培養生菜，提高了生菜的單株鮮重、總產量、生菜葉片中葉綠素、VC及可溶性糖含量。

6 人工光在植物工廠中的應用展望

在國家節能減排和設施農業優質高產目標的推動下，隨著LED技術的發展和成本的下降，LED光源在現代農業生產中的應用將越來越受到世界各國學者、LED生產企業和設施農業從業者的廣泛關注。十幾年來，LED光源在設施園藝中的應用技術及其光生物學基礎研究已成為世界學術界關注的熱點，并取得了可喜的進展，為完全LED光源植物栽培提供了科學依據。中國、美國、荷蘭、日本、韓國、立陶宛等國家已對LED光源在設施農業中的應用技術開展了廣泛的研究工作，并逐步把LED照明技術用于植物工廠中，成功地生產出了多種蔬菜、苗木和藥用植物等。根據行業分析機構Winter Green報道，2013年全球植物工廠LED植物生長燈的產值高達12億美元，較2012年增長了27%。然而，LED光源在植物工廠中的應用也在光生物學規律和光催化提效研究方面以及LED光源裝置創新與制造方面存在一些阻礙，有待深入系統的研究。

在光生物學領域，首先植物營養與生長發育規律具有多樣性和復雜性；其次農業生產領域龐雜，農業生物賦存形態各異，光環境時空需求不同；再者，光環境的數量屬性(光強和光周期)、質量屬性(光質和光譜)和電光源發光特性(占空比、頻率)多，需要逐一研究其生物學效應。這三方面因素疊加顯現了植物光生物學研究的復雜性和系統性。由于LED農業照明技術起步較晚，所以上述研究尚需時日。在光化學領域，如何拓展光催化有效光譜范圍、提高光催化反應效率、研制適于營養液處理的UV-LED光源均是當前需要研究解決的技術難點。毋庸置疑，隨著相關研究的不斷深入，LED光源在植物工廠中的推廣應用將逐年增加，應用效率將更高，也必將為植物工廠的優質高產及可持續運行提供技術支撐。

[1] 楊其長，魏靈玲，劉文科. 植物工廠系統與實踐[M]. 北京：化學工業出版社，2012.

[2] 楊其長，張成波. 植物工廠概述[M]. 北京：中國農業科學技術出版社，2005.

[3] Kozai T. Plant factory in Japan-current situation and perspectives[J]. Chronica Horticulturae, 2013, 53(2): 8-11.

[4] Lee, J G, Lee B Y, Lee H J. Accumulation of phytotxic organic acids in reused nutrient solution during hydroponic cultivation of lettuce (Lactuca sativa L). Scientia Horticulture, 2006, 110:119-128.

[5] Sunada K, Ding X G, Utami M S, et al. Detoxification of phytotoxic compounds by TiO2 photocatalysis in a recycling hydroponic cultivation system of asparagus[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2008, 56:4819-4824.

[6] Miyama Y, Hara Y, Hashimoto K, et al. Closed soilless cultivation system of roses planted in rice hull substrate with TiO2photocatalytic treatment of waste nutrient solution[J]. Shokubutsu Kankyo Kogaku, 2012, 24:31-37.

[7] 蔡偉民，龍明策.環境光催化材料與光催化凈化技術[M]. 上海：上海交通大學出版社，2011.

[8] 劉文科，楊其長，魏靈玲. LED光源及其設施園藝應用[M]. 北京：中國農業科學技術出版社，2012.

[9] Paola A D, Garcia-Lopez E, Ikeda S, et al. Photocatalytic degradation of organic compounds in aqueous systems by transition metal doped polycrystalline TiO2[J]. Catalysis Today, 2002, 75:87-93.

[10] Shahmoradia B, Ibrahimb I A, Sakamotoc N. Photocatalytic treatment of municipal wastewater using modified neodymium doped TiO2hybrid nanoparticles[J]. Journal of Environmental Science and Health, 2010, 45(10):1248-1255.

[11] Qui Z P, Liu W K, Yang Q C. Photocatalytic degradation of phytotoxic substances in waste nutrient solution by various immobilized levels of nano-TiO2[J]. Water, Air & Soil Pollution, 2013, 224(3): 1461.

[12] 邱志平，楊其長，劉文科. 納米TiO2光催化對水培生菜產量及品質的影響[J]. 華北農學報,2013, 28(2):103-107.