作者：Jing Zhao，Zengchan Zhou，Yunlong Bu等。来源媒体：农业工程技术（温室园艺）

工厂工厂结合了现代工业，生物技术，营养水培法和信息技术，以对设施中的环境因素进行高精度控制。它是完全封闭的，对周围环境的需求较低，缩短了植物收获期，节省水和肥料，并且由于非农药的产量和无废物排放的优势，单位使用土地使用效率为40至108倍开放式生产。其中，智能人工光源及其光环境法规在其生产效率中起决定性作用。

作为重要的物理环境因素，光在调节植物生长和材料代谢中起关键作用。 “工厂工厂的主要特征之一是完整的人造光源，实现智能调节光环境”已成为该行业的一般共识。

植物对光的需求

光是植物光合作用的唯一能源来源。光强度，光质量（光谱）和光的周期性变化对农作物的生长和发育产生了深远的影响，其中光强度对植物光合作用的影响最大。

■ 光强度

光强度可以改变农作物的形态，例如开花，节间长度，茎厚度以及叶子的大小和厚度。植物对光强度的需求可以分为热爱光线的，中等光线和耐受耐受性的植物。蔬菜主要是爱好的植物，其轻度补偿点和光饱和点相对较高。在人工植物工厂中，农作物对光强度的相关要求是选择人造光源的重要基础。了解不同植物的光线需求对于设计人造光源很重要，这对于改善系统的生产性能是至关重要的。

■ 轻质质量

光质量（光谱）分布也对植物光合作用和形态发生有重要影响（图1）。光是辐射的一部分，辐射是电磁波。电磁波具有波特性和量子（粒子）特性。光的量子在园艺场中称为光子。波长为300〜800nm的辐射称为植物的生理活性辐射。波长为400〜700nm的辐射称为植物的光合活性辐射（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光谱，其中叶绿素吸收光谱浓缩在红色和蓝色带中。照明系统基于农作物对人为补充光的光谱需求，以促进植物的光合作用。

■光周期
植物的光合作用与光形态发生与日期（或光周期时间）之间的关系称为植物的光周期。光周期与光小时密切相关，这是指作物被光照射的时间。不同的农作物需要一定数量的光线才能完成光周期以盛开并带有果实。根据不同的光周期，可以将其分为长期的农作物，例如卷心菜等，在其生长的某个阶段需要超过12-14h的光小时。短期作物，例如洋葱，大豆等，需要少于12-14h的照明时间；黄瓜，西红柿，辣椒等中等阳性作物可以在更长或更短的阳光下盛开并承受果实。
在环境的三个要素中，光强度是选择人造光源的重要基础。目前，有许多表达光强度的方法，主要包括以下三种。
（1）照明是指在照明平面上接收到的发光通量的表面密度（LUX（LX））。

（2）光合辐射，标准杆，单位：w/m²。

3）（3）光合有效的光子通量密度PPFD或PPF是到达或通过单位时间和单位面积的光合有效辐射的数量，单位：μmol/（m²·s）。晶状体的光强度升至400〜700nm的光强度与光合作用直接相关。它也是植物生产领域中最常用的光强度指标。

典型补充光系统的光源分析
人造光补充剂是增加目标区域的光强度，或通过安装补充光系统来满足植物的光线需求来延长光线。一般而言，补充灯系统包括补充轻设备，电路及其控制系统。补充光源主要包括几种常见类型，例如白炽灯，荧光灯，金属卤化灯，高压钠灯和LED。由于白炽灯的电气和光学效率低，光合作用效率低和其他缺点，因此该市场已消除，因此本文没有进行详细的分析。

■荧光灯
荧光灯属于低压气体排放灯的类型。玻璃管中充满了汞蒸气或惰性气体，管子的内壁涂有荧光粉末。浅色随覆盖在管中的荧光材料而变化。与白炽灯相比，荧光灯具有良好的光谱性能，高发光效率，低功率，更长的寿命（12000H），并且成本相对较低。由于荧光灯本身会发出较少的热量，因此它可以靠近植物以进行照明，并且适合三维培养。但是，荧光灯的光谱布局是不合理的。世界上最常见的方法是添加反射器，以最大化耕作区域的作物的有效光源成分。日本Adv-Gagri公司还开发了一种新型的补充光源HEFL。 HEFL实际上属于荧光灯的类别。它是冷阴极荧光灯（CCFL）和外部电极荧光灯（EEFL）的一般项，是混合电极荧光灯。 HEFL管非常细，直径仅为4mm，并且长度可以根据培养需求从450mm到1200mm。这是传统荧光灯的改进版本。

■金属卤化灯
金属卤化物灯是一种高强度放电灯，可以通过高压汞灯在放电管中添加各种金属卤化物（锡溴，碘化钠等）来激发不同的元素以产生不同的波长。卤素灯具有较高的发光效率，高功率，良好的浅色，长寿和较大的光谱。但是，由于发光效率低于高压钠灯的效率，并且寿命比高压钠灯短，因此目前仅在几个工厂工厂中使用。

■高压钠灯
高压钠灯属于高压燃气排放灯的类型。高压钠灯是一种高效灯，其中高压钠蒸气被填充在排放管中，并添加了少量的Xenon（XE）和汞金属卤化物。由于高压钠灯具有较高的电光转化效率，制造成本较低，因此高压钠灯目前是在农业设施中使用补充光中最广泛使用的。但是，由于光合效率低的缺点，它们的能源效率低。另一方面，高压钠灯发射的光谱成分主要集中在黄橙色灯带中，橙色灯带缺乏植物生长所需的红色和蓝色光谱。

■发光二极管
作为新一代的光源，发光二极管（LED）具有许多优势，例如较高的电流转换效率，可调节的光谱和高光合作用效率。 LED可以发出植物生长所需的单色光。与普通的荧光灯和其他补充光源相比，LED具有节能，环境保护，长寿，单色光，冷光源等的优势。随着LED的电流效率的进一步提高以及降低量表效应造成的成本的降低，LED生长照明系统将成为补充农业设施中光线的主流设备。结果，LED生长灯已被应用超过99.9％的植物工厂。

通过比较，可以清楚地理解不同补充光源的特征，如表1所示。

移动照明设备
光强度与农作物的生长密切相关。三维种植通常用于植物工厂。但是，由于栽培架的结构的限制，架子之间的光和温度分布不均会影响农作物的产量，而收获期将不会同步。北京的一家公司在2010年成功开发了一种手动提升光补充设备（HPS照明固定装置和LED生长灯光固定装置）。原理是旋转驱动轴，并通过摇动手柄来旋转手柄以旋转小胶片卷轴，并旋转绕线机。实现缩回和解开电线绳的目的。生长灯的电线绳通过电梯的绕组轮通过多组反向车轮连接，以达到调节生长光的高度的效果。 2017年，这家上述公司设计和开发了一种新的移动灯补充设备，该设备可以根据作物增长需求自动实时调整光补充高度。现在，调整设备安装在3层光源提升型三维种植架上。设备的顶层是具有最佳光线状态的水平，因此配备了高压钠灯。中层和底层配备了LED生长灯和提升调节系统。它可以自动调节生长灯的高度，为农作物提供合适的照明环境。

与针对三维种植的移动光补充装置相比，荷兰开发了一种水平的可移动LED LED生长浅色补充装置。为了避免生长灯光对阳光下植物生长的影响，可以将生长的光系统推到托架的两侧，并通过望远镜滑动在水平方向上，以便太阳完全是太阳在植物上受到辐照；在没有阳光的阴天和雨天，将生长的光系统推到括号的中间，使生长光系统的光均匀地填充植物。将生长光系统水平移动到支架上的幻灯片上，避免频繁拆卸并去除生长的光系统，并降低员工的劳动力强度，从而有效提高工作效率。

典型生长光系统的设计思想
从移动照明补充设备的设计中，不难看出，工厂工厂补充照明系统的设计通常将不同作物生长期的光强度，光质和光周期参数作为设计的核心内容，依靠智能控制系统实施，实现节能和高收益的最终目标。

目前，绿叶蔬菜的补充光的设计和构造已经逐渐成熟。例如，绿叶蔬菜可以分为四个阶段：幼苗阶段，中期，后期和末期；水果蔬菜可以分为幼苗阶段，营养生长阶段，开花阶段和收获阶段。从补充光强度的属性中，幼苗阶段的光强度应略低，在60〜200μmol/（m²·s）下，然后逐渐增加。多叶蔬菜最多可以达到100〜200μmol/（m²·S），水果蔬菜可以达到300〜500μmol/（m²·S），以确保每个生长期间植物光合作用的光强度要求并满足满足的需求高产;在光质量方面，红色与蓝色的比率非常重要。为了提高幼苗的质量并防止在幼苗阶段过度生长，红色与蓝色的比率通常设置为低水平[（1〜2）：1]，然后逐渐减小以满足植物的需求光形态。红色与蓝色蔬菜的比率可以设置为（3〜6）：1。对于与光强度相似的光周期，它应该显示出随着生长期扩展而增加的趋势，因此叶蔬菜具有更多的光合时间来进行光合作用。水果和蔬菜的轻度补充设计将更加复杂。除了上述基本定律外，我们还应专注于在开花期间的光周期设置，并且必须促进蔬菜的开花和果实，以免适得其反。

值得一提的是，轻型公式应包括针对轻型环境设置的最终处理。例如，连续的光补充可以大大提高水培叶蔬菜幼苗的产量和质量，或使用紫外线处理来显着改善芽菜和叶蔬菜（尤其是紫色叶子和红叶生菜）营养品质。

除了优化选定农作物的光补充外，近年来，某些人造植物工厂的光源控制系统还迅速发展。该控制系统通常基于B/S结构。通过WiFi实现了农作物生长期间温度，湿度，光和二氧化碳浓度等环境因素的遥控和自动控制，同时，一种不受外部条件限制的生产方法。这种智能的补充光系统使用LED生长灯具作为补充光源，再加上远程智能控制系统，可以满足植物波长照明的需求，特别适合轻度控制的植物种植环境，并且可以很好地满足市场需求。

总结说
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方法，也是实现未来高科技项目粮食自给自足的重要方法。作为一种新型的农业生产方法，植物工厂仍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中常见补充照明方法的特征和优势，并介绍了典型的作物补充照明系统的设计思想。通过比较很难找到，以应对由持续多云和阴霾等恶劣天气造成的低光，并确保设施作物的高且稳定的生产，LED生长的光源设备与当前的开发最为一致趋势。

工厂工厂的未来开发方向应集中于新的高精度，低成本传感器，可调节的光谱照明设备系统和专家控制系统。同时，未来的工厂工厂将继续发展为低成本，聪明和自适应。 LED种植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证。 LED光环境调节是一个复杂的过程，涉及对光质量，光强度和光周期的全面调节。相关专家和学者需要进行深入研究，从而促进人工植物工厂中的LED补充照明。