人工光植物工厂特殊光照模式及应用.pdf

131 第 1期 2 0 2 1年 2 月 N o 1 F ebruary 202 1 随着 社 会 的进步 发 展 我 国 的科学技 术 也 进 入 了 飞速 发 展的 阶 段 而设 施 园 艺发 展的 必 然 结 果 就 是 人 工 光 植 物工 厂 其 不 仅是 一 种 与 以 往大相 径 庭 的 农 作方式 以 及土 地利 用 手 段 也是 设 施园艺的一 个 高级 发 展 形 式 人 工 光 植 物工 厂 能够弥 补传 统 设施 园 艺 中 生产方式 的 不 足 如 设施较为落 后简 易 生 产效率 较低 资源浪费 环 境 污染 等 除 了 能 够 有 效 促 进我国 设 施园艺 产 业 以及 相关科 学 技 术的快 速 发 展 之 外 也是 保 障 食 物安 全 性的有 效 措施 与我国推 行的 可持 续 观念 相符 在植 物的 生 存环 境 中 一 个关 键因 素就 是光 照 通 过光 合作 用 为植物的生 存环境 提 供能 量 使植物的产量 发 育 情况 以及品质均 得 到一 定 程 度的保 障 光 照除 了 具 有 昼 夜 节 律 以 及 光 谱 能 量 分布 等 相 关 质 量 特 性 之 外 还 具 有 照 射 时 长 光强 以及光 周 期等相关 数 量 特 性 这 些 特 性 对 电 能 的投 入量 有 着 直接 的 影响 1 植物工厂 LED 特殊光照模式 LED植物工厂 光 照系统 在制定光 照方 案的过 程中 一 个 重要 的 步 骤 就是 在 恒 定 光照 的 基础上 构 建动 态 光照 模式 大 部分 的 动 态 光 照 模 式 均 不 能 在 自 然条 件 下 存 在 经 过 相关 研究发现 根 据生 产的 目 标 或 者是植物的生理特 征 来 对光 照 模式的时 间进 行 自 动化 调控 形 成 一个 植 物生 产 的相关 集 成 方 案 通 过 这 样的 方 式 极 大 程 度 地 提高了 植物的生 产 力 继而实 现 碳 水化合 物以 及 生物 量 的 最 大化 LED光 源自身具 有的优势 1 能 够 让相 关种植工 作 人 员 在 光合作 用 有效辐射 以 及植物的有 效 辐 射范围内 使 用纳 米 级光谱 来 对 植物 施行 一 些 特 殊光照 模式或者 是 组 合调 控 方案 光 照 模 式 具 体 指的是 在 人 工 光 源的照 射 下 光 环 境 的 光 质 光 周 期 以及光强等相关 属 性的动态 变化规律 在 自 然 光的 照 射 下 光 照 会有 一 个 光强 呈 抛物 线 轨 迹 变化 以及 昼 夜 交 替的 动 态 变 化 规 律 然而 LED 光 源 可以 通 过 智 能 控 制 系 统 来 对 各 种 光 照 模 式 进行 有 效 设 计 较 为 突 出 的光 照 模式 有 间 歇光照 连 续 光照 以 及 交 替 光照 2 连续光照模式 连 续 光照 模式 具 体指 的 是 改变 植 物在24 h 自然 光 照 射 条 件明期 暗期 交替的光 照模 式 为 植物 提 供 具 有连 续24 h 光 照条 件的环境 同时 可 以根 据时间 的变化 以及实际的需要 来 调 节 控 制 光照 的 模式 连 续 光照 模式 的 特 点 有 光照 的 属 性 可 随着时 间 的变化 以及 实际 需 要 调节 控 制 不会 中 断 没 有 暗期 2 在 人 工 光 植 物 工 厂 里 使 用 LED光 源 不 仅可以 延 长 植物 的 光 照 时 间 还 可 以 在 连 续 光 照 条 件 下 对 植物 进 行 栽 培 由于 在 设 施园艺中大面 积普 及 应 用LED光 源 连 续 光 照的 应 用 价 值得 到 了极 大 的 提 升 同 时丰富了连 续 光 照的内 涵 种植工 作 人 员 在 使用LED光 源 对 植物 进 行 连 续 光 照的 过 程 中 可 以 根 据生 产 的 目 标 以及 需求 对 光强 以及光 质进行 制 定 调 节 通 过 这 样的 方 式 来 对 植 物 在 连 续 光 照条 件 下 的 生理响应 进行分析研究 对 连 续光 照的分析研究可以分成两 组 来 进行 第 一组 是 短 期 连 续光 照 具 体 操作 方 法为 对 植 物 进行 短时间 的连 续光 照 第 二 组 是长期连 续光 照 具 体的 操 作 方 法 为 对 植 物 进 行 3 天 5 天 甚至几 十 天的长 时间连 续 光 照 从 实践 应 用的角度 对 设 施 植物 进行 划 分 可以将设 施 植 物 分成两个种 类 一种是 适 应 连 续 光 照的 植物 另一种是 对 连 续 光照 敏感 的植 物 采取直接应用 的方法对适应连续光照 的植 物进行研 究 研 究 需 遵 循 节 能 环 保 高 效 的 基 本 原 则 然 后 基 于 此 原 则对 连 续 光 照 条 件 下 的 控 制方 式 环 境 参 数 以及 动 态 模 式 进行成 套的制定 作者简介 李永志 2002 男 重庆人 本科生 研究方向 轻工类 人工光植物工厂特殊光照模式及应用 李永志 华南理工大学 广东 广州 510630 摘 要 与传 统 的光 源 相比 LED是一 种具 有 节能 环 保 体 积小 使 用年 限长 耐用性 强 响应 极 快以 及 坚 固等 优 点的 半 导 体固态电光 源 除 此 之 外 还 具 备 一些 能够在 植 物工厂 中 应用的独 特 优势 例如可以 根 据 植 物工厂 的实际需要 来调节冷 光 源 以 及 光谱 实现 对光 照的 智能 控制 是 在 人 工光 植 物工厂 中一 种 极 其 理 想的应用光 源 LED 光 源 的 特 点是 可 以 智 能控 制 时 间 的 转 换 能 够为 植 物工厂提 供 较长 时 间的光 强以 及 光 质 由此可知 LED 光 源 在 植 物工厂中的应用具 有广阔的 前景以 及 极 大 的 潜 力 由 于 LED 光 源 植 物工厂 能够根 据实际需要 来 对 生产环 境的光 进 行 智能调节 控制 一 般情 况 下 均能 在 光 照的时长 和 程 度 光 质以 及 光 强 等 方面来管理 控制 光 的环 境 除 此 之 外 LED 光 还 能 在 植 物工厂 中 应用一些 特 殊 的光 照 模 式 例如交替 光 照 连 续光 照以 及 间 接 光 照等 为 了 制定 有效的植 物工厂 光 照 方 案 使 植 物工厂 的植 物生产效率以 及 生产能 力得到 有效 提 升 相 关 工作 人员应当根 据不同 植 物 的品 种来 制 定 相 应的 结合多种光 照 模 式的光 照 方 案 所 以 相 关人员应当积 极 研 究 探 索各 类 光 照 模 式 下 各 种 植 物 的耗 能以 及 生 理 反 应 选 出一个以 植 物品种为基 础 的 合 适 的光 照集 成 机 制 制定节能 环 保 高 效 的 植 物 工 厂光 照 方 案 关键词 人 工 光 植 物 工 厂 特 殊 光 照 现 代 盐化 工 Modern Salt and Chemical Industry 132 第 1期 2 0 2 1年 2 月 N o 1 F ebruary 202 1 研 究 对连 续 光照 敏感 的植 物时 可 以 使用3种 方 法 第 一 制 定具 有 一 定 科 学性 合 理 性 的 相关调 控 策 略 控制光 质 的 交 替 管理 温 度 的 变 化 情 况 在 此 基 础上 对植 物 进 行 长 期 的 连 续 光 照 在 避 免 植 物 受 损 的同 时 要 将 植 物 的质 量 品 质 以 及 产 量 提 高 第 二 采 纳 收 集 短 期 连 续 光 照 应 用 过 程中 所出现的问题以及 相关有 效 措 施 使 水 培植物质量 不 高的问题得到一定的改善 提升植物的 品质 质量以及产量 第 三 选 择 植物 生 产 发 育 过 程中 的 一 个 时 间 段 对 植物 进 行 6 9天的连 续光照 以此减 少 对 植物的 损害 将植物的产量 质量 以及品质进一步提升 3 在 人 工 光植 物 工厂 中 不 管 是 长 期连 续 光照或 是短 期连 续 光 照均 有 一定的应 用价 值 在 人 工光 植物工 厂 中 实践 应 用 连 续 光 照 能 够 在 降 低 植 物 暗 期 进 行 呼 吸 作 用 所 产 生 能 耗 的同时 将 植物的光 合 作用时间延 长 将 植物 体内积 累 的营 养 物质含 量提高 丰富植物工厂 光 照的实践 以及理论 知识 3 交替光照模式 交 替 光 照模 式 具 体 指的 是 在 植物 生 长 发 育 的 过 程中 LED光 源 的光 质 以及 光 质 的 数 量 属 性能 够 有规律 地变化的 光 照模 式 向植物 提 供的光 以及光 质 会存 在一些具 有规律性 的时 空变化 使 植物的 品质 产量以及 质量 均 能得 到一 定 程 度的 提高 交替光 照可以 分成两 种 一种是 叠 加交替光 照 另 一种是完 全交替光 照 具体 指的是在同一个持 续性的光 照时 间段 里 两 种或 者两 种 以上的光 质 在具 有 一 定规律的时间段 中叠 加出现 或 者交替出现的一种 循 环照明模 式 进行交替光 照 的 前 提 条件 是必 须 使用 具 有 一 个 单 独 光质 的LED光 源以 及 一 个 自 动 化的智 能 控制系统 因此 交 替 光 照 模 式 只 在 能 对 环 境 进 行 智能 控 制的人 工光 植物 工 厂中存 在 4 由 于 交 替 光 照具 有不同程 度的光 照强 度 且交替的频率以及光 质 的种 类 均 不 同 交 替 光 照 的 光 照 方案 具有 一 定 的 多 样 性 能 够 对 植物的 品质 生 长发 育 产量 质量 等造 成一定的影 响 有 相 关 研 究 报 道 显 示 交 替 光 照 模 式 中 存 在 技 术 参 数 的 最 优值 这 个 最 优值 能 够 将 植物 的品质 质量以 及 产 量 提 升 有相关 研究人员对 生 菜的形 态 以及 生 长发 育在LED 蓝光 及 红光 组 合的光 照条 件 下 的影 响 进行研究 实 验 发现 光 周 期是一 天14 h 蓝光 及红 光 的 光强 是80 mol m 2 s 红 光 开 始 进 行 照 射 的 时 间 可 以 和 启 动 蓝 光 的 时 间 一 样 或 者是 延后1 4 或7 h 研 究 结 果 显 示 红 光 开 始 照 射 的 时 间 比 蓝 光 延 后 几 个 小 时的效 果 明 显 比 红 光 以 及 蓝 光 同 时 进 行 照 射要 好 5 由 此 可 知 使 用 变换红 光 蓝 光照 射时 间 段 的方 法 能 够 将 植物的产量以 及品质提 升 4 间歇光照模式 间 歇光照 模式 具 体指 的 是 在 人 工 光 的 照 射 下 能 够 对 不 同昼夜 节 律 进行 设 置 同时 可 以 在 同个 昼夜 节 律 下 设 置两 个及以 上 的明期 暗 期 循 环 交替的 光 照模 式 与自然 光 相比 人 工 光 间 歇 光 照 的 复杂 程度 更 高 自 然 光 在24 h 的昼夜 节律 里 只有一 个 明期 暗 期 循 环 交替 然而 间 歇 光 照的 时 间则 可 以设 置在h或 者是min 的尺 度 上 6 明 期 暗 期 的 循 环 交 替 在 两 次 及 以上 如果间歇的时 长 低 至 s或 者是ms 级 间 歇光照 将 会转变 为具有 较高频率的脉冲光 相关研究报道显示 间歇光照处理不仅能够对植物 的生 长发 育 发 挥 良好的作用 还能 提高植物的营养 物质 含 量 5 LED植物工厂光照方案的构建 LED光 源 能 够 在一定 程 度 上 丰富 植 物 工 厂的 环 境 调 控模式 以及内涵 间歇光照 连续光照 以及交替光照这 3 种 特 殊 光 照模 式 的建 立 基 础 就 是LED光 源自身所具 有 的 光电 特 性 7 因 此 这 3 种光 照 模 式 在人 工 光 植 物 工 厂 中 具 有 一定 的 应 用 潜力 以 及前 景 同 时 也 能 够 在不 改 变电 能 投 入 的 基 础 上 将 光 能 的 使 用率以 及 利 用率 大 幅 度 提 高 使植物的 品质 质量以及产量均得到有效提升 除此 之 外 可 以 在植 物工厂对光环境的管理 中 应 用这3 种 光 照模 式 将 系 统 具 有 的 优 势 最 大 限 度 地 发 挥出来 使 植 物 的 生 产 能力得到有效提 高 8 继而 将 植物 工 厂 的 整 体 生 产 效 率 以及 生 产 质 量 大 幅 度 提 升 使 人 工 光 植 物 工 厂 的相 关 照 明 技 术 得 到 大 力 发 展 6 结语 在 植物 工 厂中应 用LED光源 将会使植 物 工厂对 光环境 的 智能 调 控 能 力 增 强 使 植物 工 厂 能 够 对 光 环 境 的 光 照 时 长 光 强 以 及 光 质进行智能 管 理调 节以 及 控制 继而在 植物 工 厂 中 应 用 交 替 光照 连 续 光照 以 及 间 歇光照3种 特 殊的光 照模 式 在制定 植物工 厂 光 照方 案的 过 程中 相关 工 作 人员 应 根 据工 厂 中 不同 种 类以 及 不同 品 种 植物 的 特 性 来 对 相 应 的光 照模 式 进行 科 学 合 理的 构建 在 一 定程 度 上 将植物工 厂 的植 物 生产 能 力 生产 质 量 以 及生产 效 率 提 升 但是 由 于 一些因素以 及 条 件的限制 现 阶段只是 对在植物工 厂中应 用基于LED光 源的3种 特 殊 光 照模 式 的可行 性以 及有 效 性 进 行分析研究 在 综 合效 益 以 及能 耗方面的 研究比较 薄 弱 所 以 相关 工 作 人员应积极 对各种 植物工厂 中 不同光 照条 件 下 的 植物 能 耗以及 生理 反 应 进行研究分析 制定出光 照集 成 机 制 提高 植物工 厂的生 产质量以 及 生 产 效率 推 动人 工光 植 物工 厂的发 展 参考文献 1 李 政 璞 佟 静 王 素 娜 等 植 物 工厂条 件下 不同营 养 液 配 方 对 韭 菜 生长的 影 响 J 江 苏 农 业 科 学 2020 48 17 153 157 2 刘 文 科 吴 启 保 邵 明 杰 人 工光 植 物工厂特 殊 光 照 模 式 及 其应用 策略 J 照明工 程学 报 2020 31 4 141 144 3 闫 征 南 贺 冬 仙 钮 根 花 等 白红 与红 蓝LED 光 照 环 境 对 两 种生 菜 生 长 品 质 和 能 量 利 用 效 率 的 影 响 J 农 业工 程 技 术 2020 40 21 93 4 张 树芳 人工 光 型 植 物 工 厂 的 发 展 现状 及未 来技 术 发 展 趋 势 J 农 业工 程 技 术 2020 40 16 64 67 5 赵越 基于闭 锁式育秧 平台寒 地 玉 米育秧 环 境 参 数 优 化 试 验 研 究 D 大 庆 黑 龙 江 八 一 农 垦 大 学 2020 6 王 静 欧 福 超 南 轩 等 基于 植 物 工 厂条 件下 LED灯 源热 环 境 分 析 J 江 苏 农 业 科 学 2020 48 10 240 244 7 周 增 产 赵 静 姚 涛 等 罗马 尼 亚 LED植 物 工厂设 计与应 用 J 农 业工 程 2020 10 3 35 41 8 李家 奥 CFD 技 术在人工 光植 物 工 厂 的 应 用 前 景 J 河北 农 机 2020 2 28 现 代 盐 化 工 经 营与 管 理