溫室植物半導體照明智能控制技術(shù)分析

劉文科

(中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081)

在我國，設(shè)施園藝栽培面積高達400萬公頃，包括自然光栽培系統(tǒng)(拱棚、塑料大棚、日光溫室、玻璃溫室等)和人工光栽培系統(tǒng)(植物工廠、組培室、培養(yǎng)箱等)。溫室是最為重要的自然光栽培系統(tǒng)類型，截止2014年底，溫室面積已有100萬公頃以上，在反季節(jié)蔬菜、花卉、果樹栽培方面起主導作用。溫室主要包括日光溫室和連棟溫室，溫室補光是設(shè)施農(nóng)業(yè)半導體照明應用主要場所。國內(nèi)外研究表明，溫室補光非常必要，對保障作物健康生長發(fā)育具有重要作用。其一，溫室補光是設(shè)施農(nóng)業(yè)的本質(zhì)需求。設(shè)施農(nóng)業(yè)的本質(zhì)是促生生產(chǎn)方式，就是要通過環(huán)境控制促進或延遲農(nóng)業(yè)生物生長發(fā)育與繁殖過程，獲得更高的產(chǎn)量和品質(zhì)。光照最為重要環(huán)境因子，認為調(diào)控起著關(guān)鍵作用，現(xiàn)代溫室生產(chǎn)必需實現(xiàn)光照條件的按需調(diào)節(jié)。其二，溫室補光是溫室生產(chǎn)的現(xiàn)實需求。實際生產(chǎn)中，連陰雨雪、霧霾、灰塵污染等導致的弱光寡照脅迫時有發(fā)生，危害嚴重，導致作物減產(chǎn)甚至絕收(補光)；而且，高緯度地區(qū)日照短，無法滿足長日照園藝作物的光周期需求，需要人工光補充。最后，LED補光裝備是溫室環(huán)控的必需執(zhí)行機構(gòu)。溫室內(nèi)光照環(huán)境隨外界自然光照的變化即時變化，加之墻體、溫室橫梁支架結(jié)構(gòu)、以及保溫覆蓋遮陽機構(gòu)的遮擋，其內(nèi)部光照條件在光強和光周期上遭到縮減，在光質(zhì)上也產(chǎn)生了變化。這些改變在弱光寡照天氣條件下尤為嚴重，光環(huán)境脅迫已成為制約我國溫室園藝產(chǎn)業(yè)體質(zhì)增效的瓶頸障礙，亟待解決。按照因子綜合作用率理論，實施溫室光環(huán)境智能控制不僅可保障溫室作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，也能提高溫室生產(chǎn)資源的利用效率(水肥、CO2等)，可提升溫室自動化水平，節(jié)省人力資源。荷蘭作為設(shè)施園藝強國，已將補光技術(shù)研究推上了較高水平，取得了豐碩的成果，在LED補光方面走在了世界前列，而我國溫室半導體照明則剛剛起步。

1 溫室植物半導體照明智能控制的必要性

通常而言，溫室工廠化生產(chǎn)需要環(huán)境要素甚至生產(chǎn)要素的智能控制，基于智能控制使溫室具有周年生產(chǎn)的能力。溫室智能控制的實現(xiàn)難度與溫室類型有關(guān)，取決于外圍護結(jié)構(gòu)及其材料種類，其投入產(chǎn)出比存在溫室類型差別。而且，智能控制系統(tǒng)的性能隨著電力電子技術(shù)和計算機網(wǎng)絡通訊技術(shù)的發(fā)展而不斷優(yōu)化和提升。實際上，我國塑料大棚、日光溫室遠未實現(xiàn)智能控制管理，只有連棟溫室和玻璃溫室裝備水平較高。現(xiàn)今，世界范圍內(nèi)絕大多數(shù)溫室未真正意義上實現(xiàn)智能補光，多數(shù)連棟溫室僅采用HPS實現(xiàn)了定時補光。LED光源的出現(xiàn)與技術(shù)發(fā)展從根本上解決了溫室智能補光缺乏執(zhí)行機構(gòu)的難題，正在推進溫室光環(huán)境調(diào)控的智能化進程。實際上，溫室補光因溫室類型而存在本質(zhì)上的不同，也與栽培作物種類、季節(jié)因素有關(guān)，這種補光需求的時空變異性導致溫室補光必需實施智能化管控，才能節(jié)能、高效。而且，溫室人工補光是以自然光為主導的調(diào)控模式，需要智能化控制才能達到節(jié)能、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和提高資源利用效率的目標。LED照明系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)是以最大化提高其光電轉(zhuǎn)化效率和時空生物光效為目標的，以確保設(shè)施園藝光環(huán)境調(diào)控的效益。同時，溫室內(nèi)溫度不僅受控于環(huán)境溫度、溫室保溫性能，更受控于光照條件，弱光寡照天氣導致的光脅迫常伴隨著低溫脅迫的發(fā)生。此外，與溫室氣溫相比，溫室作物根區(qū)溫度變化具有滯后性，在補光時需要考慮。溫室內(nèi)光環(huán)境的質(zhì)量和數(shù)量屬性瞬時間都在發(fā)生日變化和季節(jié)變化，如果采用恒定不變的補光系統(tǒng)進行光環(huán)境調(diào)控是不適合的，難以取得很好的生物學效益。所以，溫室補光系統(tǒng)必須采用智能控制，充分考慮利用自然光條件，減少人工光的能耗，按需補光。溫室半導體照明可行性高，在無電力地區(qū)可采納光伏發(fā)電技術(shù)供LED照明使用。

智能控制是指利用計算機、無線通訊數(shù)據(jù)傳輸、擴頻電力載波通訊技術(shù)、計算機智能化信息處理及節(jié)能型電器控制等技術(shù)組成的分布式無線遙測、遙控、要尋控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)對照明設(shè)備的智能化控制[1]。智能控制方式可分為兩類，有線控制無線控制。當前，溫室補光應該采納基于傳感器和PLC系統(tǒng)構(gòu)成的智能控制系統(tǒng)，而非基于WiFi通訊和Zigbee組網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，后者實際應用的必要性尚遠。智能控制除了光照配方智能控制外，更需要關(guān)注基于設(shè)施植物生產(chǎn)領(lǐng)域、植物的各生長發(fā)育階段的形態(tài)、調(diào)控目標和自然光資源利用的照明技術(shù)差異，應因地制宜，因溫室類型而變。

2 溫室植物半導體照明智能控制的內(nèi)涵

現(xiàn)代設(shè)施園藝必需發(fā)展實現(xiàn)光環(huán)境智能控制，營造作物適宜的生長條件，保證高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)。溫室植物半導體照明智能控制是指按照生產(chǎn)季節(jié)、設(shè)施類型、作物種類和生產(chǎn)優(yōu)先目標主導的設(shè)施光環(huán)境時空變化和需求規(guī)律，以LED光源為光源執(zhí)行機構(gòu)，按照節(jié)能、高效的原則實施的光源動作自動化管理的運行模式。溫室植物半導體照明智能控制是具有多維、多因素、多目標的管理模式，具有豐富的內(nèi)涵，其核心要建立光環(huán)境調(diào)控的模型，按照模型實施智能控制。其內(nèi)涵之一，溫室植物半導體照明智能控制的內(nèi)容包括光質(zhì)、光強和光周期及其耦合調(diào)節(jié)，對LED光源性能有特殊的要求；其內(nèi)涵之二，溫室植物半導體照明智能控制是時間和空間的雙尺度的耦合調(diào)控，既要考慮光環(huán)境的日變化，也要考慮季節(jié)變化和作物生長變化，需要統(tǒng)籌安排；其內(nèi)涵之三，溫室植物半導體照明智能控制是與溫室其他環(huán)境要素、水肥要素耦合的控制過程，要做必要的交互設(shè)計；其內(nèi)涵之四，溫室植物半導體照明智能控制是要充分利用自然光基礎(chǔ)上，最大程度地發(fā)揮人工光的效用，使自然光和人工光資源有機結(jié)合，發(fā)揮疊加效應和互補效用，而不是替代關(guān)系。總之，光環(huán)境智能控制是個復雜的系統(tǒng)工程，而且它僅是溫室智能控制較小的必要組分，如何將溫室補光智能控制合理、有機地嵌套到溫室智能控制系統(tǒng)中是發(fā)揮最大效能的關(guān)鍵。

3 溫室植物半導體照明智能控制的技術(shù)策略

劉文科和楊其長(2014)[2]提出了人工光植物工廠光環(huán)境智能控制的策略，強調(diào)基于植物光環(huán)境需求特性，建立光照配方(Lighting recipe，LR)，制定光環(huán)境控制策略(Light environment control strategy, LECS)，是保證優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)前提下實現(xiàn)光能最大利用效率，削減光源能耗的有效方法。實際上，溫室光環(huán)境調(diào)控智能控制需要考慮的因素比人工光植物工廠光環(huán)境智能控制更復雜，控制模型與策略更復雜(具體技術(shù)體系見圖1)。首先，溫室植物半導體照明智能控制技術(shù)需要充分利用設(shè)施內(nèi)太陽光能量與資源，實時調(diào)整光照配方中自然光貢獻部分，調(diào)整光照策略，削減能耗。其次，溫室植物半導體照明智能控制技術(shù)需要遵循設(shè)施內(nèi)園藝作物生長的時空規(guī)律，按照植物生長發(fā)育階段，考慮作物冠層分布、果實分布與葉片角度等要素，注重照射面積與作物冠層的匹配關(guān)系，調(diào)整光源懸掛位置、照射角度等控制參數(shù)。最后，溫室植物半導體照明智能控制技術(shù)需要大功率紅藍LED光源裝置作為執(zhí)行機構(gòu)，該光源裝置具有較寬的光強控制范圍，較大的照射面積，較好的散熱性能，并具有可調(diào)節(jié)的懸掛能力。從節(jié)能角度而言，劉文科(2015)[3]論述了LED照明系統(tǒng)裝備的構(gòu)成(LED光源及LED燈、LED燈懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)、光環(huán)境智能控制系統(tǒng))及其光效提升途徑，重點闡明LED芯片光質(zhì)構(gòu)建、LED燈珠發(fā)光角度、LED陣列排布方式、發(fā)光面性狀設(shè)計、散熱系統(tǒng)設(shè)計、光環(huán)境智能控制、懸掛裝置及調(diào)控系統(tǒng)、栽培平臺創(chuàng)新與調(diào)控等環(huán)節(jié)的技術(shù)途徑。具體而言，溫室植物半導體照明智能控制技術(shù)要充分檢測、利用自然光基礎(chǔ)上進行人工補光，基于溫室作物光環(huán)境需求(光強和光周期)分階段分強度進行動態(tài)實時補光。

圖1 溫室植物補光智能控制技術(shù)體系構(gòu)建Fig.1 Technology system establishment of supplemental lighting for plants in protected facilities

通常，葉片的光能利用率僅有5%，補光照射方向與葉片間的夾角度大小很重要。目前，溫室補光已有冠層內(nèi)補光、冠層上補光、行間補光和立體補光等技術(shù)模式，能夠最大程度地擴大冠層和葉片的受光的比例和強度，盡量讓補覆蓋光面積無法覆蓋整個冠層，在不能完全覆蓋的情況下，補光應集中于生理活性最高、葉面積指數(shù)最大部位進行補光，而且要以果實著生部位周邊作為補光重點，才能達到最佳的補光效果。

4 溫室植物補光響應的生物學方式

光作為溫室作物生產(chǎn)的重要環(huán)境要素，是植物光合作用的唯一能量來源，也是調(diào)節(jié)作物光形態(tài)建成的關(guān)鍵環(huán)境信號。一方面，人們可通過改變光質(zhì)，調(diào)節(jié)其質(zhì)量屬性控制植物生長發(fā)育；另一方面，通過改變光強和光周期，調(diào)控其數(shù)量屬性來控制植物生長發(fā)育及其速率。光對植物的調(diào)節(jié)作用是通過葉片中的光合色素和光受體作用來進行的[4]，進而影響植物碳氮代謝等生物學過程來實現(xiàn)的。不同的植物種類甚至品種對光環(huán)境的要求都存在一定差別，因此需要系統(tǒng)研究建立植物LR和LECS。植物工廠特定植物的LR確定要以植物生長發(fā)育階段為中心，以優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)為目的，通過研究確定不同階段植物所需要的最佳光環(huán)境參數(shù)來獲得的。LR是光源和光環(huán)境智能控制的基礎(chǔ)，建立LR及LR庫是植物工廠節(jié)能高效生產(chǎn)的前提。從光質(zhì)角度而言，400nm～700nm可見光通過植物光合色素調(diào)節(jié)光合機構(gòu)活性與效率，是光合有效輻射，300nm～800nm是生理有效輻射。紅藍光為植物葉片光合需求最多的光譜類型，是人工補光的主體[5]。其次，遠紅光與UV光通過植物光受體調(diào)節(jié)葉、莖與植株形態(tài)。從植物生物學角度，植物從不同尺度響應光環(huán)境的變化，包括形態(tài)學響應、生理學響應(初級代謝和次生代謝，可食部位產(chǎn)量和品質(zhì)指標)和分子生物學響應(基因表達)，各種響應相輔相成、相互影響。

5 結(jié)語

溫室半導體照明實現(xiàn)了溫室內(nèi)光照及光環(huán)境的智能化控制，在溫室環(huán)境管控技術(shù)發(fā)展史上具有里程碑式的意義。基于LR及LEMS技術(shù)建立起的人工光植物工廠智能控制系統(tǒng)是溫室補光智能控制的基礎(chǔ)。溫室半導體照明智能控制將對溫室優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)能、穩(wěn)產(chǎn)起到關(guān)鍵作用，亟待實現(xiàn)和推廣應用。

[1] 居家奇，姚其，陳大華,等. 智能控制在植物生長補光系統(tǒng)中的應用探討[J]. 照明工程學報，2015,26(4)：115-117.

[2] 劉文科，楊其長. 植物工廠LED光源與光環(huán)境智能控制策略[J]. 照明工程學報，2014，25(4)：6-8.

[3] 劉文科. 設(shè)施園藝LED照明系統(tǒng)及其光效提升途徑[J]. 中國照明電器，2015,(8):26-28.

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

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