设施园艺论文（范文总结8篇）之第八篇
摘要：为应对连阴天、雾霾等恶劣天气导致的弱光寡照逆境, 设施园艺趋向采纳新型半导体节能固态光源, 即LED光源装备进行应对, 以保障设施作物高产稳产。本文依据LED光源光电特性, 基于园艺设施类型内的光环境特征, 提出了针对塑料大棚、日光温室、连栋温室和植物工厂专用的LED光源的设计和智能应用策略。
关键词：植物工厂,LED光源,日光温室,智能调控,连栋温室
发展现代设施园艺产业是保障国家农产品有效供给的重要手段, 也是应对人口增长、资源减少、环境污染、气候变化等问题的重要举措, 可大幅度提高农业生产效率, 拓宽农业生产的时空强度。我国是设施园艺大国, 至2017年设施栽培面积高达420万公顷, 居世界首位。现今, 塑料大棚、日光温室、连栋温室和植物工厂是我国设施园艺产业主要的设施类型, 环境可控程度依次提高, 建造成本和管控能源投入也依次提高。塑料大棚、日光温室属于被动式环控的设施类型, 栽培空间狭小且易污染, 其内的环境要素无法按需调控, 只能因势利导地利用太阳能进行被动式地温度控制, 环境因子波动幅度大, 抗逆境能力十分有限。连栋温室和植物工厂属于主动式环控的设施类型, 空间宽大且洁净, 可通过环境控制装备对设施内温湿度、光照、气流、甚至二氧化碳浓度进行按需调控, 满足植物的实时需求, 环境因子相对稳定。
近些年来, 我国设施蔬菜产区及大都市周边弱光寡照逆境频发, 除了连阴天外雾霾等恶劣天气因素不可忽视, 波及的地域范围极大。弱光寡照逆境对冬春季园艺作物生产效益影响十分严重, 减产甚至绝收。当前, 通过农业工程手段克服生产中弱光寡照逆境的危害显得十分重且迫切。首先, 冬春茬是设施园艺作物生产的赢利的关键茬口, 其产量和品质对经济效益会产生直接影响。其次, 冬春茬是设施园艺作物生长发育的关键期, 也是雾霾等恶劣天气发生频率最高的时段, 两个时段的重叠导致的产量与经济负效应十分明显。通过农业工程手段, 即农业半导体照明是一条最直接、最有效的应对方法[1]。
农业半导体照明是指采用半导体电光源及其智能化管控装备, 按照农业生物的光环境需求规律和农业生产各领域的生产目标要求, 利用人工光创造适宜光环境或弥补自然光照的不足, 调控农业生物的生长发育和繁殖, 以实现现代农业"优质、高产、稳产、高效、生态、安全"生产目标的一种农业工程措施[2,3]。当前, 为了保障设施作物高产、稳产, 节能高效的LED光源装备需求非常迫切, 催生了方兴未艾的农业半导体照明这一跨界新业态。农业半导体照明的执行机构是LED光源, 除了充分利用LED本身具备的光质纯、节能、耐用性、光谱调控、冷光源、安全环保等优势外, 作为设施园艺用专用光源, 若达到高效运用的目标, 在LED光源设计与应用策略上应加强创新研究。在LED光源设计上应遵循一些基本原则, 提高光源产品的性能和设施园艺生产适用性, LED光源设计和配光的高自由度优势恰好能够满足这一需求。首先, LED光源应具备满足所应用的设施类型内人工光调控的需求的属性, 在强度和光质方面满足植物生产需求。其次, LED光源应具备光质智能调控的功能, 能够调控光质、光强组成, 达到一灯多用, 使之具有一定的广谱适用性。再次, LED光源要有匹配的散热机构设计, 保证灯的性能与寿命。最后, LED光源悬挂方式和照射方式应满足植物栽培平台需求, 最大程度地让植物叶片获得短距离传输的垂直光照。目前, 由于人工光植物工厂、连栋温室、日光温室和塑料大棚的设施水平及其内部光照条件差异较大, 需有针对性地研发专用LED灯、悬挂系统和控制系统, 区别化针对性进行制定LED光源设计与应用策略。
1 人工光植物工厂LED光源设计与应用策略
1.1 人工光植物工厂LED光源设计策略
植物工厂是设施园艺发展的高级阶段和必然趋势, 其本质特征是通过设施内高精度环境控制实现作物周年连续生产, 不受或很少受自然条件制约的高效农业生产系统[4], 是技术和装备密集型产业。在众多的人工光植物工厂装备中, 照明系统 (电光源、悬挂装置、控制系统) 在植物工厂生产中占有核心关键性地位。LED智能植物工厂已成为业界公认的植物工厂的发展方向。LED是植物工厂优选光源, 植物工厂是LED光源设施园艺应用的最佳场所。LED光源是智能植物工厂光环境调控的执行机构, 是实现按照光配方照明的特殊装备, 需要满足独特的设计。当前, 用于植物工厂生产的LED光源主要是面板灯为主, 少量采纳荧光灯管或灯条。电光源作为人工光植物工厂内的唯一光照来源, 悬挂位置固定, 出于环境控制精度高的考虑和光环境调控丰富功能, LED光源设计应注重可控性、普适性、均匀性和高光电转换效率等, 减少因发光面过度设计造成的光损失, 不讲求相对于发光面的照射面积的扩增, 更追求发光面、照射面积的准确性和规则性。人工光植物工厂LED光源不必过分追求高的防护等级和高规格外观。通常, 可以人工光源灯具输出的光合有效光量子通量与其功率的比值, 即光合有效光量子效率 (mol/W) 来评价植物光源的光效高低。为了达到上述LED光源设计策略, 需要从几个层面进行优化设计组合, 缺一不可。首先, 在LED芯片光质构建方面通过芯片选型、光谱构建、荧光粉应用、封装方式等环节的优化获得低成本、节能高效光谱[5]。显然, 高效光谱是LED光源高效使用的基础, 因为仅有部分光谱对植物光合作用和光形态建成有效或者高效。其次, 通过选择适宜功率 (大中小功率) 和发光角度的LED灯珠进行LED阵列设计, 获得垂直方向适宜的光强分布和均匀性。灯珠的功率决定着灯发射光的强度, 而发光角度决定着光线的衰减速率和均匀性。实践中, 无法用一款灯来实现对所有植物按照光配方调控, 需区别对待。按照一类植物光配方的光强阈值设计通用LED光源是合适的研发方法。再次, 通过LED光源灯具发光面性状设计, 获得最大冠层光能截获率, 提高光照效益。规则的发光面和照射面可方便栽培平台上的植物种植设计, 使得照射面积恰好能覆盖植物冠层。最后, 改进灯具的散热系统装置, 提高寿命, 获得较好的投入产出效益。通过自然冷却、主动空气冷却、直接液体冷却等方法散热降低灯具温度。散热途径有导热、热对流和热辐射。
1.2 人工光植物工厂LED光源应用策略
人工光植物工厂LED光源是被安装在层架结构的栽培系统 (宽度50~60 cm, 长度2 m以上) 上端的, 一般层间距离为50~60 cm。LED面板灯的厚度控制在10 cm以内, 宽度50~60 cm, 长度小于90 cm。通过悬挂机构固定好, 其照射面等于或略大于发光面, 呈规则的长方形, 横向覆盖植物冠层。首先, 基于众多光配方, 应将LED光源按照分成几个系列的阈值范围, 针对性地进行产品定型设计。LED光源必需具备足够大的额定光强 (比如叶菜用LED光源光强应小于300μmol·m-2·s-1, 功率小于600 W) 和光质调控阈值 (1∶1~5∶1) , 才能满足智能调控系统的需要。其次, LED光源的光谱能量分布类型包括红蓝复合光质或红蓝连续光质两种, 红蓝光质的能量分布比例需大于80%, 以保障光源效率。而且, 发光面设计应减少光衰, 促进光照均匀, 冠层部位没有明显的照射光斑。
基于植物光配方实施智能光环境调控是人工光植物工厂LED光源高效应用的策略。从硬件实现上讲, 为了实现智能控制是LED光源必须具有红蓝光或白光可单独调控的电路, 具有垂直移动的调控机械, 具有智能调控的软件和调控模式, 编制智能调控的软件。在LED灯额定光强和光质调控阈值范围内, 人工光植物工厂可采纳光配方优化参数与分段式或连续式智能控制模式。目前, 有关叶菜的光配方构建日渐成熟。比如, 叶菜可分为苗期、生长中期、生长后期和末端处置4个阶段;果菜可分为, 苗期, 营养生长期、开花阶段、采收阶段。从光配方光强属性来讲, 苗期光强应略低, 应在60~100μmol·m-2·s-1, 随后逐渐增大。叶菜最高可至100~200μmol·m-2·s-1, 果菜可达300~500μmol·m-2·s-1, 以保障各生育期植物光合作用对光强的要求, 实现高产的需要;对光质而言, 红蓝比例至关重要。苗期为了增加苗质量, 防止徒长, 一般把红蓝比例设置在较低的水平 (1~2∶1) , 随后逐渐降低, 以满足植物光形态建成的需求。叶菜红蓝比可设置在3~6∶1之间。对光周期而言, 与光强类似, 应呈现岁生育期延长而增加的趋势, 以使得叶菜有更多地光合时间进行光合作用。果菜的光配方更加复杂, 除了上述基本规律外, 应重点关注开花期光环境设置中的光周期设置, 必需促进蔬菜的开花结果, 以免适得其反。
2 连栋温室补光LED光源设计与应用策略
2.1 连栋温室补光LED光源设计策略
连栋温室具有不同于人工光植物工厂的光照特征, 栽培面积大, 光环境质量依赖于太阳光, 受调控太阳高度角的地域性、季节性的影响, 因此人工光照在充分利用太阳光的基础上, 实施及时有效补光。温室补光专用LED光源研发是农业半导体照明应用的重要领域和研发方向, 在保障温室作物弱光寡照逆境天气条件下稳产、高产方面的作用至关重要, 尤其是在高纬度地区以及大气透明度低、雾霾发生频繁地域需求迫切[1]。连栋温室补光LED光源应具备大功率、辐射面大且规则、光强光质均匀、智能控制精准、体积适宜等性能特征。首先, 连栋温室补光LED光源应十分讲求发光面设计, 具备较高的照射面积与功率的比值。连栋温室补光LED光源必定是大功率设计, 力求在一定的额定功率 (小于1 200 W) 较高的单位功率的照射面积, 覆盖规则区域, 避免散射光和不必要的照射重叠。其次, LED光源应具备要有较高的照射均匀性。在规则的照射面积里, 各种光质的强度分布应均匀, 标准误差应该小于80%。此外, LED光源体积要适当, 减少遮光面积, 提高白天光照均匀性。最后, 连栋温室补光LED光源必须具备智能控制功能。具有智能调控光环境的照明系统是温室LED补光的基本要求, 要基于植物光环境时空需求动态提供适宜的人工光以弥补太阳光照的不足, 最大程度地利用太用光, 减少能量投入;同时, 也可以智能控制光源的照射方向 (水平照射、垂直照射及其转换) , 在云台上的转动以求获得倍增的补光效率。
2.2 连栋温室补光LED光源应用策略
按照LED光源在温室内的空间悬挂方式可将温室补光分为3类, 即温室顶部悬挂补光、冠层悬挂补光 (光层上部、内部和行间3类) 和落地式垂直补光 (云台移动式和非移动式两类) [6]。实践中, 采取那类补光方式主要取决于温室园艺作物生产方式、作物种类及其冠层体积及空间分布特征, 需要多种专用的LED光源装备来充当执行机构。温室植物LED补光原则包括以下几条, 应尽量满足该原则以提高补光效率[5]。 (1) 贴近原则。LED光源应通过机械悬挂或固定, 在保证一定有效照射面积基础上其位置应尽量贴近冠层叶片, 减少因距离拉大导致的光衰减。 (2) 照射面积原则。LED光源应有一定的有效冠层照射面积, 过高或过低的照射面积将影响光强及其补光效果。 (3) 垂直叶片原则。通常补光是针对果菜进行, 所以应以果实为中心的活性叶片群优先补光, 这样不仅可提高补光光合效率, 也可减少光合产物运输距离, 更有效促进增产。 (4) 动态原则。环境因子耦合控制原则。最后, 光源光照投影应与设施园艺栽培平台有机对接, 有效覆盖植物冠层, 提高光能利用效率。
3 日光温室和塑料大棚补光LED光源设计与应用策略
3.1 日光温室和塑料大棚补光LED光源设计策略
日光温室为东西北三面墙、南一面坡的设施结构, 为非等高建筑, 屋顶及内部空间自南向北成规律性坡降式斜坡, 有一定的承载力和蓄热保温能力。塑料大棚结构较日光温室更简单, 为无墙体的设施结构, 横切面为半圆形剖面结构, 也是非等高建筑, 承载力小, 缺乏蓄热保温能力。日光温室和塑料大棚的建筑和内部立体空间有别于连栋温室, 不能照搬连栋温室LED光源设计与补光技术。日光温室专用LED补光灯设计策略上应注重适当功率 (100 W左右) 、长方形规则性照射、照射面积大 (30~100 mm2) 、较高照射均匀性、特殊悬挂方式、低成本原则。
日光温室和塑料大棚生产效益较连栋温室低, 经济承受力小, 应在专用LED光源设计上讲求低成本和高效率。在低功率设计的基础上通过二次光学设计和发光面创新, 大幅度提高照射面积/功率比值, 实现单位面积用灯功率降低。日光温室和塑料大棚补光区别于连栋温室的精准数量和质量补光, 可采纳分段式补光控制方式, 根据太阳光的弱化程度分级分档进行补光。可采用光合作用补光为辅, 光周期补光为主的模式, 避免弱光寡照的危害, 提升植物的光合能力, 充分利用太阳光能。日光温室和塑料大棚承载力有限, 补光灯应采用轻材质、小体积设计, 如灯管等和投光灯。而且, 若悬挂使用补光灯, 需要设计独特的灯悬挂装置安装补光灯。与连栋温室不同, 落地式补光也是日光温室和塑料大棚一个选择, 便捷低成本, 调控更容易。日光温室和塑料大棚对补光技术装备需求却很迫切, 应加大研发力度, 在性价比, 单位面积瓦数上做出技术突破。
3.2 日光温室和塑料大棚补光LED光源应用策略
日光温室和塑料大棚补光应遵守光温协同调控原则, 提高补光效率, 减少补光负效应。在较适宜的温度基础上进行补光才能获得较高的生物学收益, 若在低温下补光, 低温强光下植物生长反而受到抑制。我国北方的日光温室低温危害明显, 与连栋温室相比全天内适宜补光的时段有限, 一般选择白天和日落后时段补光。与日光温室相比, 我国南方的塑料大棚低温危害小, 适宜补光的时段多, 全天均可补光, 效益更明显。与人工光植物工厂和连栋温室不同, 日光温室和塑料大棚因空间有限, 季节性补光需求差异巨大, 温湿度变化剧烈, 有必要将LED灯在休闲时段拆下来维护保养, 防止老化, 以延长其使用年限。在使用季节, 临时安装。通常, LED灯可使用10~15年, 鉴于寿命受多种因素局限, 年度维护保养是必要的。
结语
日光温室、连栋温室和植物工厂是我国设施园艺产业主要的设施类型, 环境可控程度依次提高, 为应对连阴天、雾霾等恶劣天气导致的弱光寡照逆境, 为了保障设施作物高产稳产, LED光源装备需求非常迫切。温室LED补光灯的悬挂方式取决于LED灯的光电特性、作物冠层特性两方面, 上述原则对LED灯具设计与配光、悬挂方式提出了要求。未来要提高可控环境里作物稠密群冠层的生产潜力时, 需进行全方位补光很重要。日光温室和塑料大棚补光是我国LED补光的重点和主体, 其中又以日光温室补光技术装备研发为难点。
参考文献
[1]刘文科, 杨其长.雾霾天气与设施园艺补光[J].科技导报, 2014, 32 (10) :12.
[2]刘文科.设施园艺半导体照明及其研发中的科技问题[J].照明工程学报, 2014, 25 (6) :8-11.
[3]刘文科, 杨其长.设施园艺半导体照明[M].北京:中国农业科学技术出版社, 2016.
[4]杨其长, 魏灵玲, 刘文科.植物工厂系统与实践[M].北京:化学工业出版社, 2012.
