設施黃瓜生產中人工光系統的優化設計

都金龍 喬凱，王迎豐，耿建忠*

|摘要|光照和溫度是設施黃瓜生長的主要限制因子。秋冬季節，北歐高緯度地區、俄羅斯及中國北方溫室光照嚴重不足，增加人工補光設備，為設施黃瓜生長提供適合的光源光譜、光照強度和電器燈具配置，可改善設施內的光照質量并顯著提升黃瓜的品質和產量。研究表明，大功率農用高壓鈉燈（HPS）頂部補光加中小功率農用高壓鈉燈（HPS）株間補光組合方案，更適宜這些地區設施黃瓜種植的補光需要。通過確定光照設備的最佳補光照射夾角、配置密度和配置方位規律，以及調節補光設備光源和主要配件的更換周期，可增加設施黃瓜生產效益。

黃瓜（Cucumis sativus L.）是設施種植最廣泛的蔬菜種類之一，其單果重量、果實長度、果實橫徑、果實營養、果實表觀和保質期等影響著黃瓜產品的等級，而光照和溫度則是設施黃瓜生長的主要限制因子[1]。秋冬季節，北歐等高緯度地區、俄羅斯以及中國北方，設施內自然光照長期不足，會嚴重影響黃瓜的生長。通過合理配置人工補光設備，改善設施內的光照質量，調節光照強度等措施可以提升黃瓜的品質與產量。生產中，部分園區采用HPS頂部補光（Toplight）加LED株間補光（Interlight）的補光組合[2]，珠海美光原科技股份有限公司經試驗研究證實，不同功率和規格的HPS（TL，1000 W;IL，250 W）組合（圖 1），可以取得更理想的效果。以芬蘭的3 hm2設施黃瓜為例，黃瓜品質等級高，年產量達到了300 kg/m2以上。本文結合芬蘭設施黃瓜生產案例，詳細闡釋了設施黃瓜補光設備的配置和應用方法。

設施黃瓜的生長條件

黃瓜是喜溫喜光作物，最適宜生長溫度為18～32℃，最適宜光合作用的溫度是25～32℃。芬蘭地處北歐高緯度地區（北緯60°～70°），冬季多數以多云或雨雪天氣為主，冬季平均氣溫在-15～3℃左右，遠低于黃瓜正常生長的光照和溫度條件，所以增加設施內的人工補光設備和供暖設備必不可少。俄羅斯和中國北方的高緯度地區，氣候條件與此類似。配合利用自然光，設施黃瓜的補光系統包括TL和IL。TL提供溫室內人工補光的大部分來源，但并不會100%被作物吸收。這是因為，一方面來自溫室頂部的人工補光會被植株冠層上部遮蔽，冠層中下部的葉片和果實受光面積減少;另一方面植株行間相互遮蔽，導致作物植株中下部受光面積減少，這兩種情況都會影響補光效果，因此增加作物株間補光非常必要[3]，實際增產效果也非常顯著。采用大功率HPS（TL）在植株行寬的正上方[4]，與植株冠層的上下葉面之間構成不同夾角，確保植株上下葉面均能受光，平均3～4 m2/盞。株間輔以小功率可升降管式HPS（IL），可以確保不同方位的植株均勻受光，不留補光死角。

溫室照明設備性能對比

HPS和LED性能對比

設施內人工補光的電力費用相當高，占到生產成本的30%～40%[5]。因此選擇有效的光源至關重要，且在此基礎上光源的光合光子通量（PPF）越高越好。HPS具備成本低、功率大、光輸出量大且壽命長、光譜適合作物生長需要等特點。結合設施黃瓜溫室的地理位置和實際補光強度需要，一般可以選用600～1000 W的HPS（TL）。例如，HPS 1000 W，PPF 2100 μmol/s，壽命大于20000 h（約4～5年使用壽命）。而LED實際應用效果暫時沒有明顯優勢：①相比HPS，LED確實節能，目前一般按照HPS功率數值的60%替換為相應的LED產品（即1000 W的HPS以600W的LED替代），但在實際使用過程中LED促進植物光合作用，提升黃瓜產量的效果并不突出[6]，主要原因是光源光譜、表面的熱輻射和其它能量輸出不足[7]。②目前LED的設備投資成本很高，同樣的光通量，單價成本遠高于同規格的HPS產品。③溫室運營商會覺得采用LED補光不經濟。1.5倍的補光能源成本，僅能應用于HPS補光系統下溫室面積的1/5。使用LED補光設備，溫室黃瓜產量也比HPS補光系統低10%～20%。而且LED補光設備尺寸較大，其外殼會遮擋15%～30%的自然光線。

HPS的功率和電壓對比

芬蘭設施黃瓜溫室的主要光源是功率為1000 W的HPS（TL），以400 V電壓為主，有230 V和400 V電壓電源可以選擇。補光燈在不同電壓下的光譜和光強度表現得都很好（I1=5.5 A;I2=4.1 A;I3=3.1 A）。由表1和圖2可看到溫室內HPS與LED的特點比較。

相比于400 V，HPS在230 V電壓下的光輸出差異并不大，但是1000 W/400 V的HPS補光強度更大，且分布在Y（黃光）-R（紅光）譜區，促進植物光合作用的效果最好，這款大功率的高光效補光燈廣泛用于芬蘭設施黃瓜項目的頂部補光。HPS具體配置何種功率和電壓，用不用內反燈（圖3），需要專業人員根據具體情況測算后才能確定。

電感和數字鎮流器特點

任何氣體放電燈，包括HPS，都在鎮流器上工作。鎮流器使用特點產生的影響體現在整體照明設備的有效性和技術上?，F在HPS主要使用電感鎮流器和數字鎮流器，兩種鎮流器的特點見表2。

數字鎮流器優點是啟動電流小，較高功率因數，在燈電壓波動下功率穩定性好，可遠程控制，能夠調節光通量，光輸出穩定，重量更輕。數字鎮流器應用前景廣泛，能夠提升溫室照明設備有效性20%～30%。在不同的人工光系統設計方案中選擇合適的配光設備、額定技術參數可以提高溫室照明設備的有效性。

人工光系統設計方案優化

合理的配光方案需要結合溫室材料的透光性和當地自然光的照射規律，綜合考慮TL、TL加IL等不同的補光選擇及補光時間，以確保設計的補光方案讓作物植株冠層受光面積最大、光源輸出量最大、補光時長適宜、設施黃瓜產量最高，經濟性最好。

有效活動系數和配光曲線

有效活動系數和配光曲線是影響溫室光照設備有效性的主要因子。有效活動系數是指光源光通量從電器獲得的比例。顯然，有效活動系數越高越好。目前電器有效活動系數大約在0.8～0.95，并且很接近理論最大值1。配光曲線描繪的是電器射線在空間中的分配，它取決于光的最大強度電壓，配光曲線分為寬的（max=55°～85°），半寬的（max=35°～55°），余弦（max=0°～35°）。

簡單來說，光照設備發出的光垂直照射到水平面A點，此時A點的光照輻射強度最大，但處于A點的植物葉子表面實際是自由懸掛并接近垂直的，因此垂直方向照射的光線對葉子來說幾乎沒有什么作用，也就是說，在實際條件下，水平光束照射在葉子表面實際是垂直的并能被葉子有效吸收。因此在溫室實際種植條件下，HPS（TL）光線實際上和葉子表面形成一個夾角（圖4），夾角越小，光照效率越高。因此，HPS（TL）通常置于植株行寬的中間，而可升降的懸掛式管式HPS（IL）可更直接地將光束作用于植物葉子表面，增產效果更明顯。

寬配光曲線光照設備和配光曲線余弦光照設備的應用

在設施黃瓜人工補光的實際條件下，為最大化利用光束的照度，應當使電器的光束不垂直向下，因為在接近水平方向的角度下這些光束能帶來最大化的作用。然而現有的光照配置系統并未考慮到實際種植情況，在實際種植中，需要考慮在相同能耗下實現產量的最大化。這一訴求會影響電器的配光曲線，例如寬的配光曲線（圖5），光通量集中覆蓋角度55°～75°;配光曲線余弦則集中照射在垂直線下的0°～35°。

由圖5可以看出，每個植物的葉子受到不同方面不同方向電器的光照，光照是有效的，在沒有配置IL設備的情況下，這種補光選擇能更有效地被植物吸收利用。圖6提供了類似的系統，但卻是配光曲線余弦的電器照明。在這里每片葉子只收到一個光，來自兩個電器，照明有效性不夠。

假設生產中具備了充足的光照有效性，會在設施黃瓜產量上直接體現出來。以芬蘭項目為例，芬蘭項目溫室面積總計3 hm2。設施黃瓜種植共分春季茬口（1月）、夏季茬口（5月）和秋季茬口（9月），每茬平均4個月，其中收獲期約1個月左右。黃瓜定植密度平均為2.5株/m2。溫室內安裝TL和IL兩種規格的燈共計10725套，每天溫室補光時間19 h，全部燈使用時每小時耗電量5021 kW·h。

在芬蘭項目溫室中，有一段450 m2的種植單元，應用HPS 600 W的內反燈（寬配光Imax=68°），其中HPS 600 W內反燈的PPF是1220 μmol/s，對照其他半寬配光的設施黃瓜溫室進行了3年時間的對比，結果顯示，在補光設備的照射下，溫室產量比半寬配光穩定提升了20%～25%，黃瓜年產量達到了160 kg/m2以上，這說明相對半寬配光來說，在沒有增加IL的情況下，寬配光曲線方案是有效的。

目前芬蘭、俄羅斯都在廣泛推廣使用IL系統，與TL一起，形成立體補光方案，設施內的黃瓜植株能夠最大程度地吸收人工補光。利用設施黃瓜的HPS（TL，帶反射器效果更好，或直接用內反燈）加垂直懸掛式管式HPS（IL，無反射器）（圖7），頂端電器光具有接近半寬或者余弦配光曲線，并利用IL來改善TL的有效性，并給植物建立了立體光照模型，從而能夠增加設施內黃瓜的產量。盡管IL并不局限于HPS，也可以是控制特定光譜的LED[3]，以促進作物的果實表觀或特定營養物質，譬如VC、酚酸、可溶性蛋白質或糖含量的要求，來滿足顧客特定的風味需求。

在芬蘭設施黃瓜項目中，經驗證，IL與頂端寬配光曲線補光相結合，事實上并沒有產生很好的效果。因此，IL與半寬或者余弦配光曲線相結合，并且TL設備放在植物的中間過道上，讓人工補光能夠更深入地滲透到植株冠層的內部，生產效果更好。在圖7這種TL加IL（HPS）的補光模型下，黃瓜每年產量可達300 kg/m2，芬蘭3 hm2設施黃瓜項目年總產量900萬kg以上，按照芬蘭當地黃瓜市場平均價格1.49 /kg測算，該項目每年總產值高達1300萬歐元，經濟效益非常可觀。

一般來說，設施黃瓜的生長主要以自然光照為主，尤其是夏季，人工補光只是加速黃瓜生長的輔助手段之一。但在芬蘭所處的高緯度地區，受海洋性氣候影響，一年之中的天氣以多云和雨雪為主，自然光照條件嚴重不足，因此人工補光措施就顯得格外重要。此外，該項目的溫室屋頂還采用了漫散射型玻璃，更好地利用了夏季短暫的光照條件，讓自然光更好地深入到植株內部，促進植物立體補光，作物產量也因此增加了7%～10%，這也間接證實了荷蘭瓦赫寧根大學研究專家的判斷[8]。

結論與建議

從補光設備的高效利用角度出發，現階段可采用：①HPS（400 V，1000 W）用于TL，懸掛式管式HPS（400 V， 250 W）用于IL，效果良好;②配寬光曲線的HPS（TL）設備;或者半寬/余弦配光曲線的HPS（TL）設備加懸掛式管式HPS（IL），有利于光照被植物最大化程度吸收。

從收益和成本角度考慮：①光源和電器在整體運營中具備高穩定性的光電參數，長期工作條件下的耐受性好，壽命長，性能穩定;②及時成群更換補光燈和反射器。一般第3年開始成群更換懸掛式管式HPS（IL）;第4～5年成群更換高功率直管HPS、雙端HPS或HPS內反燈（TL），對比照明設備的購置成本和產出效益最劃算。

參考文獻

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[8] S.Heming.Use of Natural and Artificial Light in Horticulture-Interaction of Plant and Technology[J].ActaHortic，907（1）：25-36.

作者簡介：都金龍（1975- ），男，山東濰坊人，新加坡南洋理工大學工學博士，設施園藝智能裝備研究專家，壓電陶瓷變壓器輸出功率和功率密度世界記錄保持者，深耕設施農業人工光領域20年。

*通信作者：耿建忠（1971- ），男，河北滄州人，研究方向為設施農業國外技術。

[引用信息]都金龍，喬凱，王迎豐，等.設施黃瓜生產中人工光系統的優化設計[J].農業工程技術，2020，40（25）：24-28.