作者：赵静、周增婵、卜云龙等。来源媒体：《农业工程技术（温室园艺）》

该植物工厂融合了现代工业、生物技术、营养液栽培和信息技术，实现了对厂内环境因素的高精度控制。它采用全封闭式生产，对周边环境要求低，缩短了植物的收获周期，节约了水肥，并且具有无农药生产、无废物排放的优势，单位土地利用效率是露天种植的40至108倍。其中，智能人工光源及其光环境调控是其生产效率的关键因素。

光照作为一种重要的物理环境因素，在调节植物生长和物质代谢方面发挥着关键作用。“植物工厂的主要特点之一是采用全人工光源并实现光环境的智能调控”已成为业内普遍共识。

植物对光照的需求

光是植物光合作用的唯一能量来源。光照强度、光质（光谱）和光照周期性变化对作物的生长发育有深远的影响，其中光照强度对植物光合作用的影响最大。

■ 光照强度

光照强度会影响作物的形态，例如开花、节间长度、茎秆粗细以及叶片的大小和厚度。植物对光照强度的需求可分为喜光植物、中光植物和耐阴植物。蔬菜大多属于喜光植物，其光补偿点和光饱和点相对较高。在人工光源工厂中，作物对光照强度的相关需求是选择人工光源的重要依据。了解不同植物的光照需求对于人工光源的设计至关重要，也是提高系统生产性能的必要条件。

■ 光线质量

光质（光谱）分布对植物光合作用和形态发生也有重要影响（图1）。光是辐射的一部分，而辐射是一种电磁波。电磁波既具有波动性，又具有量子（粒子性）。在园艺领域，光的量子被称为光子。波长范围为300~800nm的辐射称为植物生理活性辐射；波长范围为400~700nm的辐射称为植物光合活性辐射（PAR）。

叶绿素和胡萝卜素是植物光合作用中最重要的两种色素。图2显示了每种光合色素的光谱吸收谱，其中叶绿素的吸收光谱集中在红光和蓝光波段。该照明系统基于作物的光谱需求，人工补充光照，从而促进植物的光合作用。

■ 光周期
植物光合作用和光形态建成与日照长度（或光周期时间）之间的关系称为植物的光周期性。光周期性与光照时长密切相关，光照时长是指作物接受光照的时间。不同的作物需要一定的光照时长才能完成光周期，从而开花结果。根据光周期的不同，作物可分为长日照作物（如卷心菜等），它们在生长的某些阶段需要12-14小时以上的光照；短日照作物（如洋葱、大豆等），它们需要少于12-14小时的光照；以及中日照作物（如黄瓜、番茄、辣椒等），它们在更长或更短的日照条件下都能开花结果。
在环境的三大要素中，光照强度是选择人工光源的重要依据。目前，光照强度的表示方法有很多种，主要包括以下三种。
（1）照度是指照射平面上接收到的光通量（单位面积的光通量）的表面密度，单位为勒克斯（lx）。

（2）光合有效辐射，PAR，单位：W/m²。

（3）光合有效光子通量密度（PPFD 或 PPF）是指单位时间和单位面积内到达或穿过的光合有效辐射量，单位为：μmol/(m²·s)。主要指与光合作用直接相关的 400~700nm 波段的光强度，也是植物生产领域最常用的光强度指标。

典型辅助照明系统的光源分析
人工补光是指通过安装补光系统来提高目标区域的光照强度或延长光照时间，以满足植物的光照需求。一般来说，补光系统包括补光设备、电路及其控制系统。补光光源主要包括白炽灯、荧光灯、金卤灯、高压钠灯和LED等几种常见类型。由于白炽灯的电光效率低、光合作用能量效率低等缺点，已被市场淘汰，因此本文不作详细分析。

■ 荧光灯
荧光灯属于低压气体放电灯。其玻璃管内填充汞蒸气或惰性气体，管内壁涂覆荧光粉。灯光颜色随涂覆荧光材料的种类而变化。与白炽灯相比，荧光灯具有光谱性能好、发光效率高、功耗低、寿命长（12000小时）且成本相对较低等优点。由于荧光灯本身发热量低，可以靠近植物进行照明，适用于立体栽培。然而，荧光灯的光谱布局并不合理。目前全球最常用的方法是增加反射器，以最大限度地提高栽培区域内作物有效光源的成分。日本adv-agri公司也开发了一种新型辅助光源HEFL。HEFL实际上也属于荧光灯的范畴，它是冷阴极荧光灯（CCFL）和外电极荧光灯（EEFL）的统称，是一种混合电极荧光灯。 HEFL灯管极其纤细，直径仅约4毫米，长度可根据种植需要从450毫米调节至1200毫米。它是传统荧光灯的改良版。

■ 金属卤化物灯
金属卤化物灯是一种高强度放电灯，它是在高压汞灯的基础上，通过在放电管中添加各种金属卤化物（如溴化锡、碘化钠等）来激发不同元素，从而产生不同波长的光。卤素灯具有发光效率高、功率大、光色好、寿命长、光谱范围广等优点。但是，由于其发光效率低于高压钠灯，且寿命也低于高压钠灯，目前仅在少数工厂中使用。

■ 高压钠灯
高压钠灯属于高压气体放电灯的一种。高压钠灯是一种高效灯，其放电管内填充高压钠蒸气，并添加少量氙气（Xe）和汞金属卤化物。由于高压钠灯具有较高的电光转换效率和较低的制造成本，目前在农业设施的辅助照明应用中最为广泛。然而，由于其光谱中光合作用效率较低，因此也存在能量效率低的缺点。另一方面，高压钠灯发出的光谱成分主要集中在黄橙色波段，缺乏植物生长所需的红色和蓝色光谱。

■ 发光二极管
作为新一代光源，发光二极管（LED）具有电光转换效率高、光谱可调、光合效率高等诸多优势。LED能够发出植物生长所需的单色光。与普通荧光灯和其他辅助光源相比，LED具有节能、环保、寿命长、单色光、冷光源等优点。随着LED电光转换效率的进一步提升以及规模效应带来的成本降低，LED植物生长灯系统将成为农业设施辅助照明的主流设备。因此，LED植物生长灯已应用于99.9%以上的植物工厂。

通过比较，可以清楚地了解不同辅助光源的特性，如表1所示。

移动照明设备
光照强度与作物生长密切相关。三维立体栽培常用于植物工厂。然而，由于栽培架结构的限制，架间光照和温度分布不均会影响作物产量，导致收获期无法同步。北京一家公司于2010年成功研发出一种手动升降补光装置（包含高压钠灯和LED植物生长灯）。其原理是通过摇动手柄带动驱动轴及其上的卷筒旋转，从而实现钢丝绳的收放。植物生长灯的钢丝绳通过多组换向轮与升降机的卷筒相连，从而调节植物生长灯的高度。2017年，该公司设计研发了一种新型移动补光装置，可根据作物生长需求实时自动调节补光高度。目前，该调节装置已安装在三层光源升降式三维立体栽培架上。该装置的顶层光照条件最佳，因此配备了高压钠灯；中间层和底层则配备了LED植物生长灯和升降调节系统。它可以自动调节植物生长灯的高度，为作物提供适宜的光照环境。

与专为三维立体栽培设计的移动式补光装置相比，荷兰开发了一种水平移动式LED植物生长补光装置。为了避免生长灯阴影对阳光下植物生长的影响，该生长灯系统可通过伸缩滑轨水平推至支架两侧，使植物充分接受阳光照射；在阴雨天等无阳光照射时，可将生长灯系统推至支架中间，使光照均匀地照射植物；通过支架上的滑轨水平移动生长灯系统，避免了频繁的拆卸，降低了员工的劳动强度，从​​而有效提高了工作效率。

典型植物生长灯系统的设计理念
从移动式补光装置的设计不难看出，植物工厂的补光系统设计通常以不同作物生长阶段的光照强度、光照质量和光周期参数为核心内容，依靠智能控制系统来实现，最终达到节能增产的目标。

目前，叶菜类蔬菜的补光设计与建设已日趋成熟。例如，叶菜类蔬菜可分为幼苗期、中期、后期和末期四个生长阶段；果菜类蔬菜可分为幼苗期、营养生长期、开花期和收获期。从补光强度来看，幼苗期的光照强度应略低，为60~200 μmol/(m²·s)，之后逐渐增加。叶菜类蔬菜的光照强度可达100~200 μmol/(m²·s)，果菜类蔬菜可达300~500 μmol/(m²·s)，以确保各生长阶段植物光合作用的光照强度需求，并满足高产的需要；在光质方面，红光与蓝光的比例至关重要。为了提高幼苗质量并防止幼苗期过度生长，红蓝光比例一般设定在较低水平（1~2:1），然后根据植物光照形态的需求逐步降低。叶菜类蔬菜的红蓝光比例可以设定在（3~6:1）。光周期与光照强度类似，应随着生长期的延长而增加，以保证叶菜类蔬菜有更多的时间进行光合作用。果蔬的补光设计则更为复杂。除了上述基本规律外，还应重点关注开花期的光周期设定，促进蔬菜的开花结果，避免适得其反。

值得一提的是，光照方案应包含光照环境设置的最终处理方案。例如，持续补光可以显著提高水培叶菜幼苗的产量和品质，或者使用紫外线处理可以显著改善芽苗菜和叶菜（尤其是紫叶生菜和红叶生菜）的营养品质。

除了针对特定作物优化补光外，近年来一些人工光源植物工厂的光源控制系统也发展迅速。该控制系统通常基于B/S架构，通过Wi-Fi实现对作物生长过程中温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等环境因素的远程控制和自动控制，同时实现了不受外部条件限制的生产方式。这种智能补光系统采用LED植物生长灯具作为补光光源，结合远程智能控制系统，能够满足植物对不同波长光照的需求，尤其适用于光控植物栽培环境，能够很好地满足市场需求。

总结发言
植物工厂被认为是解决21世纪世界资源、人口和环境问题的重要途径，也是未来高科技项目实现粮食自给自足的重要方向。作为一种新型农业生产方式，植物工厂仍处于学习和发展阶段，需要更多关注和研究。本文阐述了植物工厂中常用补光方式的特点和优势，并介绍了典型作物补光系统的设计思路。通过对比不难发现，为了应对持续阴天、雾霾等恶劣天气造成的光照不足，并确保设施作物的高效稳定生产，LED植物生长光源设备最符合当前的发展趋势。

植物工厂未来的发展方向应着重于新型高精度、低成本传感器、可远程控制、光谱可调的照明设备系统以及专家控制系统。同时，未来的植物工厂将继续朝着低成本、智能化和自适应的方向发展。LED植物生长光源的应用和普及为植物工厂的高精度环境控制提供了保障。LED光环境调控是一个涉及光质、光强度和光周期等多个方面的复杂过程。相关专家学者需要开展深入研究，推动LED辅助照明在人工植物工厂中的应用。