設施光環境調控技術裝備研究現狀與發展趨勢

劉藝涵，李晶，陳曉麗，高軼楠，范鳳翠，郭文忠*

（1.天津農學院園藝園林學院，天津 300384；2.北京市農林科學院智能裝備技術研究中心，北京 100097；3.河北省農林科學院農業信息與經濟研究所，河北 石家莊 050051）

近年來，隨著科技水平的不斷進步，設施農業已經成為現代農業的重要組成部分[1]。設施農業涉及的作物種類豐富，主要包括蔬菜、瓜果、花卉、菌類等，其中蔬菜種植面積占設施園藝種植總面積的85%以上，主要種植作物為番茄和黃瓜等。在設施生產過程中，不適宜的環境會嚴重影響園藝作物的生長發育，進而影響園藝產品的產量和質量[2]。光是影響植物生長發育的主要環境因子，對作物形態建成、生育調控、光合物質合成、產量及品質形成等均具有重要影響。隨著設施園藝產業的迅速發展，合理調控光環境帶來的經濟效益逐漸凸顯出來，國內外學者開始研究設施光環境調控對作物形態生長、生理生化以及產量和品質的影響[3-5]，并取得了大量研究成果，促進了設施蔬菜光調控理論和技術的發展。對設施光環境調控技術和裝備研究現狀以及不同補光設備的性能與優缺點進行綜述，探究設施補光技術和裝備在應用過程中存在的問題，并對其發展前景進行展望，以期為我國設施農業生產光環境調控、設施作物高產優質生產提供參考。

1 設施光環境調控的必要性

我國農業的發展歷史十分悠久，傳統農業以精耕細作、因時因地制宜為特點，存在規模小、較分散、生產技術落后、生產效率低等問題[6]。傳統農業生產受不確定因素影響過多，其中受自然氣候影響較大，致使產品質量不穩定，經濟效益忽高忽低。隨著現代科技與經濟的不斷發展，傳統農業逐漸向設施農業轉型。目前，設施農業生產已經十分普遍，但在實際應用中存在一些這樣或那樣問題。如，設施建造位置不當導致光照不足；設施透明覆蓋材料老化和污染等導致透光率下降，設施內光照強度降低、時長變短；陰雨天時植物很難見到自然光，而設施內沒有相應的補光設備；冬季光照不足等造成植物生長受到嚴重影響，光合作用受到抑制，花和果實發育緩慢甚至停止生長，爛根死亡等[7，8]，生產出來的園藝產品質量不佳。對設施結構進行適當調整或進行合理的人工補光，可以緩解作物因設施內光照不足而產生的不利影響，保證設施作物長勢強壯、高產穩產[5]。因此，基于作物高產優質的需要，對設施光環境進行合理調整及人工補光就顯得尤為重要，設施光環境調控技術與裝備的研究成為設施園藝栽培中的一個重要課題[9]，并逐漸成為未來的發展趨勢。

2 設施光環境調控技術和裝備研究現狀

2.1 設施光環境調控技術研究現狀

相對于露地種植，設施內光照強度較弱，光照時數較少，光質變化較大，光照分布不均。研究表明，設施內的光照條件受大氣透明度、太陽高度角、設施覆蓋材料、設施結構和方位、設施清潔程度、作物群體結構、栽培管理措施等多種因素的影響[10-12]，其中有些因素可以通過適當的調控技術而得到改善。

2.1.1 選擇適宜的建筑場地和建筑方位 首先，溫室大棚建筑場地應選擇平坦開闊處，周圍不宜有遮光建筑，且建造地土壤物理性質良好；其次，應選擇交通便利、水電供應充足的場地。不同的地理位置，溫室的適宜朝向不同。楊文雄等[13]采用日光溫室光輻射環境模型模擬了北京地區5 種不同朝向日光溫室的光截獲情況，結果顯示，正南朝向的日光溫室光截獲量最大。白義奎等[11]對沈陽地區不同朝向溫室的太陽輻射進行了比較，結果顯示，溫室朝向為南偏西5°時進光量最大。因此，在確定溫室的具體朝向時，應根據其所處的具體地理位置而定。北方地區溫室一般為坐北朝南、東西棟建造。高緯度或氣溫較低的地區可以適當偏西，以更多地利用下午的陽光；而低緯度或不太寒冷的地區可以適當偏東，以充分利用上午的陽光。在生產中，要根據具體情況確定溫室的偏離角，以期為設施提供最大進光量，一般偏離角為5°～10°。

2.1.2 選擇合理的設施結構和屋面坡度 理論上溫室最理想的屋面坡度角為陽光入射線與屋面經常保持90°，但這在現實中是不可能做到的。在一定范圍內，東西向單棟溫室的屋面坡度角越大，透光率越高，尤其在我國北方地區表現得更為明顯。屋面坡度角α可以利用公式H0=90°-φ+δ+α（式中，H0為正午時太陽高度角，φ為緯度，δ為赤緯）計算得到。對于東西走向的連棟溫室，屋面坡度角越大，透光率越大，當屋面坡度角增大到30°時透光率最大，但屋面坡度角超過30°后繼續增大時透光率反而下降。但對于南北走向的溫室，屋面坡度角與透光率之間關系不大。目前應用較多的屋面坡度角是22°、23°和26.5°，但在實際生產中選擇屋面坡度時還要多方面考慮，不僅要考慮光能使用的合理性，還要考慮溫室高度和跨度的合理性。

2.1.3 選擇性能好的透明覆蓋材料 覆蓋材料種類不同，透光率以及設施內的光譜成分也不一樣。設施生產上應選擇耐老化、透光率大且透光保持率高的透明覆蓋材料。馬小平等[14]從溫室栽培的角度出發對設施園藝覆蓋材料的選擇進行分析，認為理想的覆蓋材料是在300～750 nm 有效輻射范圍內具有最高的透過率。此外，經過長時間使用后，設施的透明覆蓋材料會被灰塵、煙霧等污染，內表面會附上一層水膜，導致透光率下降。同時，透明覆蓋材料自身也會隨使用時間的延長而老化，但不同種類的透明覆蓋材料，其老化速度不同。目前生產中使用的透明覆蓋材料主要有玻璃，以及EVA、PE、PC、PVC 等材質的塑料薄膜或塑料板等。功能越好的覆蓋材料通常價格越高，在實際生產中選擇透明覆蓋材料時應結合具體情況進行綜合考慮[14]，既要考慮設施的類型，又要考慮栽培作物的種類，還要考慮覆蓋材料的綜合性價比以及當地的氣候條件等。

2.1.4 選擇合理的管理措施和種植行向 透明屋面上的任何污染和遮擋均會對設施內的植物采光造成不利影響，應盡可能保持透明屋面的清潔，將透光率控制在理想范圍內。以保溫為前提時，應盡量早揭晚蓋外保溫物和內保溫物[15]。條件允許時還可以覆蓋地膜或張掛反光幕，利用反射光，起到補光的作用。在作物栽培上要合理密植，選擇合理的種植行向[16]，既要避免作物過于密集而造成的互相擋光，又要避免作物稀疏而造成的空間浪費。

2.1.5 選擇合適的遮光方式和骨架材料 某些蔬菜不適宜在高溫環境中生長，因此設施栽培時需要通過遮光來抑制室內溫度的上升，以保證產量和品質。遮光材料主要有遮陽網、葦簾、草苫等。對于某些玻璃溫室，也可以通過表面涂白的方法來減緩溫度的升高。根據覆蓋部位的不同，遮光材料分為內覆蓋和外覆蓋兩類[17]，通常外覆蓋的作用效果優于內覆蓋。此外，還要選擇適合的骨架材料，以盡量減少材料的遮陽[18]，并提高設施內的光照水平。如，荷蘭的文洛型溫室，其具有獨特的結構，節省了很多材料，且使用園藝專用玻璃，使得透光率大幅度提高[19]。在實際應用中，這樣的光調控技術還有很多。

2.1.6 合理利用作物對光調節的生理反應 近年來，科研工作者在光調節對作物生理的影響方面進行了大量研究。陳曉麗等[20]利用不同有色膜覆蓋的棚架人工種植藥用蔬菜紫蘇，結果表明，有色膜覆蓋可提高葉片的總鮮重以及K 等7 種元素的含量，但會降低Fe元素的累積量。聞婧等[21]研究發現，紅藍黃組合光處理下鐵皮石斛的干鮮重顯著高于其他光源處理，而單色紅、藍、黃光處理下鐵皮石斛的干鮮重均顯著降低。張立偉等[22]認為，紅光處理可以促進香椿苗鮮重的提高，而藍光處理會導致香椿苗干鮮重降低。可以看出，光質對作物無機元素含量及同化物積累具有重要影響，但不同光質的影響結果不同。分析原因可能是紅光促進了植物光合作用，進而增加了干物質的積累；而藍光會損壞植物的葉綠體結構，進而抑制了干物質的積累。因此，在無法使用補光燈時，可以通過改變薄膜的顏色為作物生長提供適宜的環境。弱光會對植物正常生長造成一定的負面影響，苗辰[23]認為，弱光會導致番茄植株徒長，光合作用受到抑制，生物量、果實產量以及果實的可溶性糖、可溶性固形物、總酚和類黃酮含量降低。何靜雯等[24]研究表明，適當遮光有利于鄞紅葡萄葉片生長，而過度遮光會對鄞紅葡萄植株造成不可恢復的傷害。丘立杭等[25]發現，弱光會導致甘蔗分蘗延遲，株高和莖粗增加受到抑制，但可提高甘蔗的葉綠素含量。在實際生產中，弱光會嚴重影響作物的正常生長以及產量的提高，設施栽培遇到的環境弱光問題可以通過適當補光來解決；而對于適宜生活在弱光環境中的陰生植物，可以通過遮光的方式來保證其生長發育。

2.2 設施光環境調控裝備研究現狀

隨著科技的發展，僅僅依靠調控技術來改善設施內的光照環境已經不能滿足人們的要求，且在一些設施中如全封閉植物工廠等，人工光源是植物能夠吸收利用的唯一光源。于是，為了保證植物達到理想的生長狀態，人們依據設施植物對光照的需求進行人工補光，人為設置光環境。植物補光設備結構組成主要包括三部分：光源、電路和配套的控制系統。目前，現代農業生產過程中使用的補光設備主要有白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、LED 燈等，不同補光設備的工作原理和性能不同（表1）。

表1 不同補光設備的性能比較Table 1 Comparison of performance of different fill light equipments

2.2.1 白熾燈 白熾燈由燈泡、燈絲和電源線構成[26]，俗稱電燈泡，是最早使用的補光燈種類[27]。其燈絲的主要成分是鎢，為避免鎢揮發，一般是在燈泡抽成真空之后充些惰性氣體。白熾燈靠鎢絲在通電時加熱至白熾化才發光。白熾燈生理輻射比例很低，但價格低廉、使用簡便，因此常用于農業生產，適用于溫室花卉的補光，通過白熾燈的懸掛密度和高度來調節設施內的光照強度。目前，白熾燈正逐漸被淘汰，一般僅作為輔助光源應用[26]。黃三曉等[28]試驗發現，LED+白熾燈照明模式改善了LED 光源的光品質，進一步證明了白熾燈可以用作輔助光源。

2.2.2 熒光燈 熒光燈由燈管、起輝器、鎮流器和燈座構成[26]，其工作原理是利用低壓氣體放電而發光。燈管內的氣體主要是氬氣，還有少量氪、氖和水銀[29]，燈管內壁涂抹熒光物質，這些熒光物質決定了發光的顏色。目前溫室補光大多使用白色熒光燈，其光譜成分與日光比較接近。熒光燈的發光效率高于白熾燈，目前使用較為普遍，多使用T5 和T8 類型。哈爾濱工程大學研制出的HGH-高效節能溫室稀土補光燈[30]，適用面廣、經濟效益高、壽命長，填補了我國稀土補光設備方面的空白。

2.2.3 高壓鈉燈 高壓鈉燈利用金屬鈉蒸汽放電而發光，是繼白熾燈、熒光燈之后的第3 代照明設備[31]，也是當前溫室內普遍使用的人工補光光源之一。高壓鈉燈熱量較大、表面溫度較高，不適合近距離照射到作物上，但是距離作物也不能太遠，通常懸掛在植株正上方1 m 左右。國內外研究證明，高壓鈉燈可以應用于植物開花和結果階段，能夠提高作物產量和品質[32，33]。

2.2.4 發光二極管 發光二極管即LED 燈，是一種把電能轉化為光能的固態半導體器件，是第4 代照明設備。典型的LED 植物補燈設備包括感應器模塊、傳感器組件、電源模塊、LED 控制組件和LED 燈具陣列組件等[34，35]。1991 年Bula 等[36]對LED 光源和其他傳統光源下的萵苣生長情況進行了比較，認為LED 燈可以作為補光光源使用。陳曉麗等[37]研究了不同光譜成分及其組合條件對葉用萵苣礦物質吸收的影響，結果表明，各處理均提高了萵苣中各元素的含量。錢舒婷等[38]研究了5 種補光方式對草莓生長發育、產量和品質的影響，發現用紅藍光配比為4.9∶1 的LED 燈進行補光效果最優，說明相同條件下一定配比的LED組合效果優于高壓鈉燈和紅色熒光燈。

4 種設施常用補光燈的性能比較結果顯示，白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈雖然價格較低，但光合效率、壽命和環保性能遠不及LED 燈，光譜成分也沒有LED 燈全光譜且光譜可調的優點。總體來看，目前LED 燈性能最優，但價格高昂，并不適用于所有情況。

2.2.5 多光源陣列+智能動態控制系統 傳統的植物補光裝備由單一傳統光源和簡單的靜態控制系統組成，難以滿足植物不同時期、不同發育階段的光質需求。因此，國內外學者研發出了多光源陣列+智能動態控制系統的全自動照明方案，可以結合植物需求實時進行光照調節。

程鑫等[39]設計了一款基于PSO-SVR 模型的溫室智能補光系統，根據CO2濃度和溫度變化進行補光，解決了補光系統自動化、智能化不足和耗能高的問題。鄭吉澍等[40]設計了一款基于旋轉栽培架的補光設備，并試驗證明該控制系統可以自動調整補光燈的數量。劉曉宇[41]設計了一款由LED 補光模塊、通信模塊和終端模塊三部分組成的植物工廠LED 補光系統，用戶可以通過客戶端對該系統進行遠程監控；此外，還具有歷史、定時和植物光配方庫模塊，便于使用者進行數據整理和分析，實現LED 燈自動化補光，這款設備實現了LED 補光調控的自動化。邵美旋[42]設計了一種基于無線網絡的植物光照控制系統，以LED 作為補光光源，將溫室內的光照數據傳輸到補光可視化平臺，用戶可以根據當前數據進行科學補光；此外，其還通過仿真試驗對比了2 種LED 光源陣列的光照效果，結果表明，在光源高度15 cm 條件下，交錯間隔排列的光照強度均勻性優于等間距均勻排列。但該研究只是針對獨立溫室進行的，且通信范圍有限，因此，該補光系統在其他設施內的使用效果尚不能保證，還需進一步驗證。

3 我國設施光環境調控技術與裝備存在的主要問題

3.1 企業補光裝備研發積極性不高

我國植物補光行業起步較早，已有20 a 的歷史，雖然部分成果已達到國際領先水平，但與其他先進國家相比，我國企業對補光裝備研發的積極性不高，智能補光裝備研發仍然較為滯后。荷蘭等國家早就把人工補光技術裝備廣泛應用于現代農業生產。

3.2 農用補光裝備產品化程度低

隨著現代農業的不斷發展，全封閉型植物工廠生產形式愈加常見，植物補光裝備需求量也將持續增大。然而，我國補光裝備研究成果大多處于試驗階段，尚未投入市場。因此，需要更多的資金投入，豐富補光裝備市場，推動我國農用補光裝備的發展。

3.3 LED 燈使用不普遍

LED 燈是一種綠色照明裝備，雖然近幾年LED的價格逐漸下降，但在實際生產中一塊燈板往往需要上百個發光二極管，與其他傳統補光裝備相比，LED燈價格仍然較高，導致生產投入成本高；此外，LED補光裝備很難適應高溫高濕的設施環境，使用中易損壞，需要投入大量資金維修。因此，目前LED 補光裝備應用面積較小，尤其是農民應用得更少。

3.4 補光裝備使用率低

植物補光裝備在冬季和早春使用較多，在陽光充沛的春天和夏天使用頻率會大幅度降低，當自然光能夠滿足作物生長需求時甚至不再使用。此外，植物也需要休息，所以，即使自然光不足，補光裝備也不會全天候工作，有一部分時間是處于閑置狀態，致使其使用率很低。因此，補光裝備的閑置問題應加以重視。

3.5 易造成光過剩、能源浪費等問題

補光燈大多是用來補充自然光不足、調節作物生長周期的，生產上如果工作人員未按照作物對光線的要求進行科學補光，補光時間太長或者過度補光，不僅會造成光過剩和能源浪費，還會造成設施作物長勢不佳，甚至死亡。

4 設施光環境調控技術裝備研究展望

隨著我國設施農業的發展，人們對作物產量和品質的要求不斷提高，應用植物補光技術裝備帶來的效益愈加明顯，設施光環境調控技術越來越受到重視，并開始規模化用于農業生產。植物補光裝備在溫室大棚領域應用得最廣，在全人工植物工廠發展得最快速，目前也逐漸應用于戶外大田種植，如火龍果等經濟價值高的作物[43]，預計未來植物補光裝備的應用場景將不斷豐富。在現代農業中，通過光質調節控制植物的生長發育以及形態建成是一項重要技術，未來植物補光裝備將應用于越來越多的植物，如在食用菌、菌菇類和藥用植物上的應用會越來越普遍。或許在未來可以將補光技術、裝備與更多的環境因素如溫度、濕度等相結合，使現有的補光裝備得到進一步改進。此外，還可以使用特定的光照來控制植物生長，從而減少植物激素、調節劑等的使用，保護植物免受病蟲為害。然而這方面的技術尚處于發展階段，因此，基于作物需光模型決策的光環境智能調控裝備將是未來設施環境調控的主要方向。研制開發出符合我國生產實際的植物補光自動控制系統，對發展我國設施栽培產業具有重要意義。