日光温室补光技术的应用现状分析与对策研究
摘要：光是作物生长发育不可缺少的重要环境因子之一。在针对光对作物生长发育的影响进行系统分析基础上，对日光温室补光技术的应用现状和突出问题进行研究，指出了日光温室补光技术需解决的关键问题及其解决对策。
中图分类号：S626 文献标志码ki.1671—9646（X）.2017.07.053。
The Analysis of Application Status of Solar Greenhouse Light Supplement Technology and its Countermeasure Research。
YANG Xuekun，JIANG Xiao，HU Yaomei。
（Schools of Mechanical & Electrical Engineering，Beijng Vocational College of Agriculture，Beijing 102208，China）。
Abstract：Light is one of the important environmental factors which have a significant effect on the crop growth and development. Based on the systematic analysis of the effect of light on the crop growth and development，the application status and prominent problems of solar greenhouse light supplement technology are studied to point out the crucial problems that remain to be urgently solved in the solar greenhouse light supplement technology. Also，its countermeasures are proposed.
Key words：greenhouse；light supplement；application status；countermeasure。
光是作物生長发育不可缺少的重要环境因子之一。光因子通过影响光合作用、光形态建成，以及光周期来调节植物的生长发育。自然界中，光照随地理纬度、季节和天气等因素的影响与限制，设施内的光照条件除了受覆盖材料及其洁净度的影响外；在生产实践中，还会受到季节、恶劣天气、大气污染等因素的影响，设施内光照弱、光周期不足等现象频繁发生，严重影响了设施作物的生长、产量和品质。尤其是自2013 年以来，大范围、周期长的连续雾霾天气频发，导致大气透明度大幅下降，显著降低温室内的光照强度（10%～90%），甚至改变了光谱，诱发作物病虫害，严重影响了日光温室生产的产量、品质和效益，有的温室甚至造成了绝收。冬春季节是雾霾的高发期，同时也是日光温室生产的关键期，雾霾天气的频发严重影响了温室生产的经济效益。
植物补光灯是用灯光代替太阳光给植物提供生长发育环境的灯具。据有关研究，采用补光技术的温室作物，可提前成熟10 d左右，产量提高30%，同时显著提高作物的免疫力和抗病能力，果实着色较好、畸形果少、品质优良，含糖量及维生素含量均得到提升。随着温室产业的发展，合理采用人工补光技术的重要性及其性价比日益显现。
对日光温室补光技术的应用现状和存在突出问题进行研究，指出了日光温室补光技术需解决的关键问题及对策，对于促进农作物生长发育、提高作物产量和品质，提高温室生产效益和农民收入具有十分重要的现实意义。
在荷兰、日本等发达国家设施园艺已得到了广泛应用，补光的效果也得到了较好的验证。2013年以来，补光技术成为我国温室环境控制领域的研究热点之一。通过中国知网（）的期刊文献数据库进行检索发现，截至到2016年11月，篇名含“补光”的学术论文达到381篇；2009年以前，每年发表的论文仅有10篇左右；2010—2012年的年均发表论文数为20篇左右；2013年以来每年平均达到50篇左右。
初期的研究主要集中在不同光质对于作物生 长发育的促进作用方面。①用400 W的高压钠灯 （HPSL）和日光色镝灯（SDL）2种光源对温室栽培生菜的生长进行了补光效果测试，结果表明，在相同的光照强度下，对于光合作用强度的促进效果，钠灯比镝灯好；并且根据作物生长对光照的要求和不同光源的光照强度分布特点，分别设计了钠灯和镝灯在温室中的合理配置方式。②采用不同的光质灯（蓝光、红光、UV—A和UV—B）对温室内黄瓜进行定时补光，研究了不同补充光质对黄瓜果实VC、蛋白质、还原糖含量及产量的影响。结果表明，日光温室内补充UV—A可明显增加黄瓜的产量。③研究不同光质补光对温室葡萄生长的影响，结果表明，不同光质补光处理均促进新梢延长生长，缩短了新梢节间长度。其中，补充红光、蓝光能明显增加新梢基部粗度；补充蓝光、紫外光减小了单叶面积；红光处理明显增加了新梢总的干物质积累，而且增大了叶片干物质分配比例。
近年来，LED补光灯在光谱方面的独特优势逐渐被大家所认知。①系统分析了基于温室植物生产过程光环境特征的人工补光需求和技术内涵、补光的目标与策略，重点阐明了温室光环境调控技术与装备研发需求，认为LED光源的光电特性和光谱优势是传统电光源无法比拟的，是设施农业生产人工光调控的理想光源[1—3]。②根据植物的光照需求特性设计了温室LED补光设备，试验证明与不补光的对照区相比，应用LED补光技术的西兰花增产14.3%，而且西兰花的花密色深，采收期提前[4—6]。③以LED植物生长灯为补光材料，在日光温室中对试验材料番茄进行整个生育期的补光处理，对不同补光时间对温室番茄生长发育的影响进行了研究。结果表明，不同补光时间处理对番茄生长指标、开花坐果、果实品质，以及产量与对照相比都有所提高，7 h补光处理下番茄生长最优，品质、产量其次；10 h补光处理下品质最佳、产量最大。④在日光温室中采用LED灯管和高压钠灯（HPS）为光源，研究了不同LED光质晚间和早晨补光2 h对日光温室番茄生长和产量的影响。结果表明，不同补光方式对番茄的生长具有显著影响[7—8]。
继温度、湿度、CO2浓度等环境因子之后，光照成为日光温室生产中最后一个实现智能控制的环 境因子，对光环境智能控制系统的研究刚刚起步。①依据植物对光的选择性吸收特点，研制出了基于单片机的温室植物LED补光系统。该系统配置了由红光、蓝光、远红光和紫外光四色LED组成单元模块，再由若干个单元模块组成的LED阵列平面光源，系统可以实时监测LED基板温度和光强，能够对光质、光强、光周期和工作方式进行动态调节。实际应用表明，该系统具有操作简便、检测准确的特点，可有效实现定量精确补光。②设计基于专家规则的智能补光系统。系统可以依据用户的相关设置控制植物的补光量，试验证明，系统可对植物各阶段进行按需补光，提高了能源利用率。AVR单片机的温室大棚LED智能补光系统基于ATmega16L单片机，利用光敏电阻阻值变化引起电路电流的变化，测出大棚内光照的强度，设定占空比进行间断补光，通过脉宽调制控制LED灯光照强度，从而达到实际需要的光饱和点。试验表明，该系统节能环保、安全性高、稳定性好，在温室大棚智能控制方面具有很好的应用和推广前景[9—12]。
综上，随着日光温室产业的蓬勃发展，对于补光技术和补光设备的研发仍需深入进行。一方面，光源及灯具、灯具悬挂装置及调节机构、光环境智能控制系统等3个方面软硬件装备的研发需要加 快步伐。另一方面，以追求光环境调控效益（即投入与产出之差）最大化为原则，构建补光的原则和策略[13]。
根据温室生产和光环境的特点，用于温室人工补光的光源，必须具备栽培作物必需的光谱成分（即光质）和一定的功率（即光量），灯具应具有经济耐用、使用方便、安全无污染的特点。目前，作为温室补光用的光源主要有白炽灯、白光荧光灯、植物生长型荧光灯、金属卤化物灯（金卤灯）、高压水银灯（高压汞灯）、高压钠灯、LED 光源等[14]。
常用光源的性能比较见表1。
从表1可以看出，除白炽灯和高压水银灯外，其他几种光源均有不同程度的应用。为了克服普通荧光灯在光质方面的不足，经过调质后的植物生长型荧光灯，红、橙光占45%～50%，绿、黄光占10%，蓝、紫光占25%，较为贴近植物光合作用的光谱吸收曲线，还可通過采用成组灯管创造要求强度的光照，成本较低，目前得到了广泛的推广和应用，受到了广大日光温室种植者的欢迎。此外，荧光灯支架也将更轻、更容易安装，用户使用起来更方便，同时还可随时更换灯泡。预计到2020年，全球植物生长型荧光灯市场将达10亿美元。
LED是近年来快速发展的照明技术。LED照明在光效、寿命等方面较传统光源具有很大优势，在光谱空间、时间及尺度空间等方面具有很大的灵活性。近年来，LED技术不断完善，光效等不断提高，价格快速下降，使得LED用于温室补光成为可能，但由于温室补光的复杂性，使得LED用于温室补光尚处在试验阶段。目前仅在植物工厂和实验室研究方面有所应用，随着LED性能的提高与价格的下降，在温室补光上LED会具有很大的应用前景。
作为一项服务于农业生产的科学与技术，温室补光继承了农业科学多学科性、复杂性的特点，所涉及的学科包括植物学、生物统计学、照明技术、控制技术等。影响作物生长的条件因素也非常多，除了阳光、空气、水这几个植物生长的环境因子之外，种子、土壤等也会影响植物的生长，各种条件的相互影响将使研究问题更加复杂化。温室补光研究的试验难度大、样本多、时间跨度长，温室补光成为了费时、费力、费空间的研究。概括起来，在技术应用层面尚需解决如下几个问题。
（1）建立面向控制特定作物生长发育、优质高产所需的光照配方。所谓光照配方，是指以优质高产为目标，按照作物种类及其生长发育各阶段所需的光质种类及其数量属性的参数集合。建立特定作物生长发育、优质高产所需要的光照配方是进行温室补光的基础，光照配方的建立离不开作物生长模拟模型。目前，作物生长模型多基于大田作物而建立，主要用于作物的估产，基于日光温室的作物生长模型还处于研究阶段，目前仍存在变量过多、模型精度较低等问题需要解决。
（2）依据光照配方制定光环境控制策略。光照配方建立后，需要合理地制定光环境的控制策略。人工补光的目的一般分为补充自然光的不足和调节作物生长周期（如开花期的调节）2种。在实际生产中，一般遵循按需补光的原则，即按照作物生长发育的需求，从延长光照时间和增加光照强度2个方面进行补光。
光环境控制的目的，应该是在作物生产中实现低投入、高产出的平衡状态，既不能一味地追求低投入忽视产出，也不能一味地追求高产出而忽视投入，因此在实际生产中光环境的控制策略，必须考虑温室补光灯的调控能力和在调控过程所消耗的成本投入。
（3）研发与日光温室相适应的光源、灯具、调节机构及智能控制系统。补光策略的实现，离不开光源及灯具、灯具悬挂装置及调节机构、光环境智能控制系统等装备。
理想的温室补光人工光源应具备低散热、低耗能、坚固耐用、成本低、寿命长、调控性好等特点。荧光灯等传统光源的光谱特性无法调节，LED光源的出现，迎合了温室补光对人工光源的需求。但目前LED灯具成本较高，距离在日光温室当中推广应用仍然有较大的距离。应进一步通过技术研发、规模化生产等降低成本。
随着自动控制技术的迅速发展，与作物生长相关的空气温度、空气湿度等环境因子已经实现了智能控制，简单的开关控制已不能完成光环境复合调控的需求，温室补光也应实现智能控制。基于此，一方面应该建立一个面向控制及包含光照强度的日光温室小气候模型、作物生长模型及能量消耗模型，为实现智能控制奠定基础；另一方面，应该针对日光温室研制智能化程度高、操作简单直观、管理方式多样、系统廉价可靠的控制系统及其调节机构。控制系统应具备调节灯具的光质、光强和光周期，控制灯具的空间位置等功能。
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