作者：赵晶，周增婵，卜云龙等来源媒体：农业工程技术（温室园艺）

植物工厂结合现代工业、生物技术、营养水培和信息技术，对设施内的环境因素实施高精度控制。全封闭，对周围环境要求低，缩短植物采收期，节水节肥，且具有不生产农药、无废物排放等优点，单位土地利用效率是普通农田的40～108倍。露地生产。其中，智能人工光源及其光环境调节对其生产效率起着决定性作用。

光作为重要的物理环境因子，在调节植物生长和物质代谢方面发挥着关键作用。 “植物工厂的一大特点是全人工光源，实现光环境的智能调节”已成为业内普遍共识。

植物对光的需求

光是植物光合作用的唯一能源。光强度、光质量（光谱）以及光的周期性变化对作物的生长发育有着深远的影响，其中光强度对植物光合作用的影响最大。

■ 光照强度

光的强度可以改变作物的形态，如开花、节间长度、茎粗细以及叶子的大小和厚度。植物对光强度的要求可分为喜光植物、喜中光植物和耐弱光植物。蔬菜多为喜光植物，其光补偿点和光饱和点都比较高。在人造光植物工厂中，作物对光强的相关要求是选择人造光源的重要依据。了解不同植物的光照需求对于设计人造光源非常重要，对于提高系统的生产性能极为必要。

■ 光质

光质（光谱）分布对植物光合作用和形态建成也有重要影响（图1）。光是辐射的一部分，而辐射是电磁波。电磁波具有波动特性和量子（粒子）特性。光的量子在园艺领域被称为光子。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的辐射称为植物的光合有效辐射(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光谱，其中叶绿素吸收光谱集中在红色和蓝色波段。照明系统是根据作物的光谱需求，人工补充光照，从而促进植物的光合作用。

■ 光周期
植物的光合作用和光形态建成与日长（或光周期时间）的关系称为植物的光周期。光周期与光照时数密切相关，光照时数是指作物受光照射的时间。不同的作物需要一定的光照时数才能完成光周期才能开花结果。根据光周期的不同，可分为长日照作物，如甘蓝等，在其生长的某一阶段需要12-14h以上的光照时数；短日照作物，如洋葱、大豆等，要求光照时间小于12-14h；中日照作物，如黄瓜、西红柿、辣椒等，在较长或较短的日照下即可开花结果。
在环境三要素中，光强是选择人造光源的重要依据。目前，表示光强度的方法有很多种，主要包括以下三种。
（1）照度是指在被照射平面上接收到的光通量（单位面积的光通量）的面密度，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是单位时间、单位面积到达或穿过的光合有效辐射的数量，单位：μmol/(m²·s)。主要指400~700nm的光强与光合作用直接相关。也是植物生产领域最常用的光强度指标。

典型补光系统光源分析
人工补光是通过安装补光系统来增加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。补充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。由于白炽灯电光效率低、光合能效低等缺点，已被市场淘汰，因此本文不做详细分析。

■ 荧光灯
荧光灯属于低压气体放电灯类型。玻璃管内充满汞蒸气或惰性气体，管内壁涂有荧光粉。光色随灯管内涂有荧光材料的不同而变化。荧光灯的光谱性能好，发光效率高，功率低，与白炽灯相比寿命更长（12000h），而且成本相对较低。由于日光灯本身散发的热量较少，因此可以靠近植物进行照明，适合立体栽培。但荧光灯的光谱布局不合理。国际上最常见的方法是添加反光罩，以最大限度地发挥栽培区域农作物的有效光源成分。日本adv-agri公司也开发出新型补充光源HEFL。 HEFL实际上属于荧光灯的范畴。它是冷阴极荧光灯（CCFL）和外电极荧光灯（EEFL）的总称，属于混合电极荧光灯。 HEFL管极细，直径仅为4mm左右，长度可根据培养需要在450mm至1200mm之间调节。它是传统荧光灯的改进版本。

■ 金卤灯
金卤灯是在高压汞灯的基础上，在放电管中加入各种金属卤化物（溴化锡、碘化钠等），可激发不同元素产生不同波长的高强度放电灯。卤素灯发光效率高、功率大、光色好、寿命长、光谱大。但由于发光效率比高压钠灯低，寿命比高压钠灯短，目前仅在少数植物工厂使用。

■ 高压钠灯
高压钠灯属于高压气体放电灯类型。高压钠灯是放电管内充有高压钠蒸气，并添加少量氙（Xe）和汞金属卤化物的高效灯。由于高压钠灯电光转换效率高，制造成本较低，因此高压钠灯是目前农业设施补光应用中应用最广泛的。但由于其光谱光合效率低的缺点，导致它们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光波段，缺乏植物生长所需的红、蓝光谱。

■ 发光二极管
发光二极管（LED）作为新一代光源，具有电光转换效率较高、光谱可调、光合效率高等诸多优点。 LED可以发出植物生长所需的单色光。与普通荧光灯等补充光源相比，LED具有节能、环保、寿命长、单色光、冷光源等优点。随着LED光电效率的进一步提升以及规模效应带来的成本降低，LED植物照明系统将成为农业设施补光的主流设备。目前，99.9%以上的植物工厂已应用LED植物灯。

通过比较，可以清楚地了解不同补充光源的特点，如表1所示。

移动照明装置
光照的强弱与作物的生长密切相关。立体栽培常用于植物工厂。但由于栽培架结构的限制，架间光照和温度分布不均，会影响农作物的产量，收获期不同步。北京某公司于2010年成功研制出手动升降补光装置（HPS照明灯具和LED植物照明灯具），其原理是通过摇动手柄来旋转驱动轴和固定在其上的收卷器，从而使小薄膜卷轴旋转。达到收放钢丝绳的目的。植物灯的钢丝绳通过多组换向轮与升降机的卷绕轮连接，从而达到调节植物灯高度的效果。 2017年，上述公司设计研发了新型移动补光装置，可根据作物生长需要，实时自动调节补光高度。现将调节装置安装在3层光源升降式立体栽培架上。装置顶层是光照条件最好的层面，因此配备高压钠灯；中层和底层装有LED植物灯和升降调节系统。它可以自动调节生长灯的高度，为作物提供合适的光照环境。

相比于立体栽培量身定制的移动补光装置，荷兰开发了可水平移动的LED植物补光装置。为了避免植物在阳光下的阴影对植物生长的影响，可以通过水平方向的伸缩滑道将植物灯系统推至支架两侧，使阳光充分照射到支架上。照射植物；在没有阳光的阴雨天，将补光系统推到支架中间，使补光系统的光线均匀地充满植物；通过支架上的滑道将植物灯系统水平移动，避免植物灯系统的频繁拆卸和拆卸，减轻员工的劳动强度，从​​而有效提高工作效率。

典型植物生长灯系统设计思路
从移动补光装置的设计中不难看出，植物工厂补光系统的设计通常以不同作物生长期的光强、光质量和光周期参数作为设计的核心内容，依靠智能控制系统来实施，达到节能高产的最终目标。

目前，叶类蔬菜补光设计和施工已逐渐成熟。例如，叶类蔬菜可分为苗期、生育中期、生育后期、末期四个阶段；果蔬可分为苗期、营养生长期、开花期、采收期。从补光强度的属性来看，苗期光照强度应稍低，以60~200μmol/(m²·s)为宜，然后逐渐增加。叶类蔬菜可达100~200 μmol/(m²·s)，果类蔬菜可达300~500 μmol/(m²·s)，保证植物各生育期光合作用的光强需求，满足植物生长的需要。高产;就光质量而言，红蓝比例非常重要。为了提高苗木质量，防止苗期徒长，一般将红蓝比例设定在较低水平[(1~2):1]，然后逐渐减少以满足植物的需要。光形态。红蓝与叶菜的比例可以设置为（3~6）：1。对于光周期来说，与光强类似，随着生长期的延长，它应呈现增加的趋势，使叶类蔬菜有更多的光合作用时间进行光合作用。果蔬的补光设计会比较复杂。除上述基本规律外，还应注重花期光周期的设置，促进蔬菜开花结果，以免适得其反。

值得一提的是，灯光配方应包括对光环境设置的末端处理。例如，持续补光可大幅提高水培叶类蔬菜幼苗的产量和品质，或采用紫外线处理可显着提高豆芽和叶类蔬菜（特别是紫叶和红叶生菜）的营养品质。

除了针对选定作物优化补光外，一些人工光植物工厂的光源控制系统近年来也得到了快速发展。这种控制系统一般是基于B/S结构的。通过WIFI实现对作物生长过程中的温度、湿度、光照、CO2浓度等环境因素的远程控制和自动控制，同时实现不受外界条件限制的生产方式。这种智能补光系统采用LED植物灯作为补充光源，结合远程智能控制系统，可以满足植物波长照明的需求，特别适合光控植物栽培环境，可以很好地满足市场需求。

结束语
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中实现粮食自给自足的重要途径。植物工厂作为一种新型的农业生产方式，还处于学习和成长阶段，需要更多的关注和研究。本文介绍了植物工厂常见补光方式的特点和优点，介绍了典型作物补光系统的设计思路。通过对比不难发现，为了应对持续阴霾等恶劣天气造成的弱光，保障设施作物高产稳产，LED植物光源设备最符合当前发展。趋势。

植物工厂未来的发展方向应重点关注新型高精度、低成本传感器、远程可控、可调光谱照明装置系统和专家控制系统。同时，未来的植物工厂将继续向低成本、智能化、自适应方向发展。 LED植物光源的使用和普及，为植物工厂的高精度环境控制提供了保障。 LED光环境调控是一个复杂的过程，涉及光质量、光强、光周期的综合调控。相关专家学者需要进行深入研究，在人造光植物工厂推广LED补光照明。