2021年10月27日，由中国农业机械流通协会联合中国农业大学农业规划科学研究所共同主办，北京中农富通园艺有限公司承办的“温室园艺产业发展论坛”成功举办。会上，中国农业科学院研究员、中国照明学会农业照明专业委员会秘书长刘文科以“人工光植物工厂生产力提升的LED照明策略” 为题作了主题报告，本文根据发言内容整理而成。

大家上午好，很高兴跟大家交流。今天结合团队的一些工作，谈谈人工光植物工厂生产力提升的LED照明策略，报告从5个方面展开。

一、人工光植物工厂及其成本特征

是高级园艺设施，垂直农场的组分

首先介绍一下人工光植物工厂及其成本特征。我国现存的主要园艺设施的类型，包括南方塑料大棚，北方日光温室，连栋温室，玻璃温室。以及人工植物工厂，未来的垂直农场。从发展脉络看，人工光植物工厂在发展过程中处于承上启下的地位，它既是高级的园艺设施，也是未来垂直农场的重要组成部分。人工光植物工厂逐渐被大家熟知，它的研发和产业发展非常迅速。

中国南和设施农业产业集群

设施园艺乃至现代农业的发展方向

这张PPT展示的，在2018年中国工程科技论坛智慧农业论坛上，北京大学童庆喜院士提出了“植物工厂是现代农业的发展方向”这一观点，李天来院士也认为“植物工厂是设施园艺发展的4.0阶段”。实际上植物工厂是一种颠覆性的农作方式，和传统的农作方式相比，它的优势非常明显。

为颠覆性的农作方式，优势明显

第一方面在于生产环境洁净，植物产品无病原菌和寄生虫。第二方面是生产环境可控，资源高效，可以周年生产，优质高产。第三方面采用立体多层栽培方式，生产效率高。生产效率较大田农业提高40~108倍。以生菜为例，日本学者古代枫树教授认为生产效率可提高108倍。第四方面是生产材料洁净。没有病虫害，农药残留，也没有重金属或者抗生素的污染，保证食物安全。最后一方面是生产自动化控制。最终实现流水线生产，我认为未来将成为智慧农业的先锋。

可生产多类农作物：尤其高附加值植物种类

人工光植物工厂可以生产多种类农作物，尤其适合生产高附加值的植物种类。通常人工光植物工厂适合光强需求较低，植株比较矮小的蔬菜、草莓等植物，且生长周期较短。从国内外发展趋势来看，人工光植物工厂也可以生产高附加值和植株高大植物，比如美国很多生产大麻的企业，逐渐采用人工光植物工厂来生产，还有一些日本学者及企业也用人工光植物工厂生产甘草等一些高附加值的中药材，不过生产这类植物会提高照明成本。

发展人工光植物工厂十分必要

从我国当前设施园艺发展的趋势来看，发展人工光植物工厂是有必要的。首先发展人工光植物工厂可以一定程度上实现农产品周年有效供给，保证食物安全，提供健康的植物产品。其次可以节省农业资源，保护环境，减少污染物的排放。还能促进都市农业发展，实现我国设施园艺的跨越式发展。设施园艺发展的必然趋势和最高阶段是，LED照明、无土栽培、环境控制的集成应用。也是打造我国LED半导体照明产业新的增长点。这一点被LED照明企业所青睐，照明企业已经涉足植物照明，尤其在人工光植物工厂植物照明方面。

人工光植物工厂建造、生产成本高——提升生产力水平十分必要

从当前的发展现状来看，人工光植物工厂的建造和生产成本是非常高的，提高生产力水平是非常必要的。一般的人工光植物工厂的建造成本一般是5000~10000元每平方米，由栽培的层数，水培层架的材质，LED灯具以及环控水平决定，比普通的园艺设施成本高很多。另外一方面人工光植物的运行成本较高，包括折旧、人工、生产材料、电能消耗等等，其中电能消耗占整个运行成本的19%。LED照明的消耗占整个能耗的80%以上，照明的能耗比例高。在建造成本和运行成本比较高的情况下，如何降低人工光植物工厂的生产成本？有两个途径，一是通过技术创新减少建造和运行成本，另一途径是在一定的成本条件下提升生产力水平。团队的工作集中在利用LED的光环境调控来提高人工光植物工厂的生产力水平，来降低它的生产成本。通过LED的光环境调控，基于植物光子生物生理学的规律，通过照明技术的创新来提高人工光植物工厂的生产力水平。

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二、人工光植物工厂生产力提升照明途径

LED是人工光植物工厂的理想光源，激活并撬动了植物照明产业和植物光质生理的研究，LED照明是提升生产力的手段。

人工光植物工厂生产力水平提升的照明途径有哪些？首先介绍一下执行机构，二极管LED被认为是人工光植物工厂的理想光源，它的发明和应用激活撬动了植物照明产业和植物光质生理的研究是LED照明提升生产力的手段。从它的光电优势来看，非常适合LED与人工光植物工厂的应用。首先，光谱可以按需调制。按植物的需求调整光谱，光效比较高。第二，光通过智能控制系统或自动控制系统调控光源的强光指光中心。第三，LED照明为冷光源，向下照射的发光面没有温度的提升，可以贴近植物照射，可以提高空间的利用效率。第四，器件优势明显，比荧光灯、高压大灯节能环保，寿命、体积重量等方面都有非常重要的优势。最后LED照明体积小，光源装置设计自由度非常高，市场上存在多样的 LED，尤其是植物生长等方面，可以满足设施园艺多样多领域的需求。

创新LED照明策略提高生产力——优质高产（单位资源）

通过LED的照明来提高人工光植物工厂的生产力，实现优质高产。在单位资源条件下提高产能就要创新 LED照明的策略，传统的人工光植物生产采用的是恒定光照的模式，什么叫恒定的光照模式？就是指植物的全生育期光环境参数恒定。团队之前针对某一种植物种类或者品种做的光配方，用光照最佳的红蓝光或者其他的微量光指的组方进行筛选和优化，实施参数恒定的光照模式。光照方位单一，一般是顶部光照，这种传统的光照方式，不能高效地调动植物生理潜力，生产力没有得到有效挖掘。根据国内外的研究进展，对于提高人工光植物工厂的生产力，团队提出了两种新的光照策略，第一是动态光照模式，这种光照模式按照时间的顺序提供变化、动态的光照，调动植物光合色素和光受体的功能，实现高产优质，需要智能控制或者自动控制系统的协助。另一种是立体光照模式，按照空间序给植物提供多方位的光照，不仅仅是顶部光照，维持植物整体高效光合作用和光形态建成。

三、人工光植物工厂LED动态照明技术

连续光照技术——采收前短期连续光照技术

结合国内外的研究进展，借两种光照模式，给大家介绍一下人工光植物工厂LED动态照明技术，这是团队最早提出的一种动态照明技术，也叫做连续光照技术。第一是采收前的短期连续光照技术，在采收前1~3天，进行24小时的连续光照，通过这种技术，快速提高水培叶菜的产量和营养品质，尤其在营养品质方面效果显著。可以快速降低叶菜里面的硝酸盐含量，提高可溶性糖、维生素c的含量。研究表明红蓝光比例4:1时效果最好。

连续光照技术——长期连续光照技术

我们团队延长了连续光照的技术，提出了长期连续光照的技术。通过实验，首先对绿叶的生菜连续光照6天和9天，当连续光照400，持续6天时产生了一点伤害，但起到了增产作用。但是当光照200、300、400光强的连续光照9天时，均产生了一定的生理伤害，也可以提高产量。因此对绿叶生产，连续光照的时间在6天左右可以最大程度上增产和提高品质。

另外紫叶生菜也做了相同的实验，得出紫叶生菜无论是连续光照6天还是9天，与常规的昼夜明暗期的对照处理相比，产量都得到了显著的提高，品质也有提升，而且没有发生实质性的生理伤害。这表明绿叶生菜和紫叶生菜对长期连续光照的响应机制是不同的。在人工光植物工厂里面生产紫叶生菜时，可以采用长期连续光照的技术来提高生产力，提高产量和品质。

间歇光照技术（明暗期交替控制）

这是国内北京市农林科学院的一位学者做的间歇光照技术。什么叫间歇光照？就是明暗期的交替控制，大家可以看上面图片，第一行是正常的明暗期交替日变化的光照控制模式。第二行把明期和暗期进行了拆分，它实现了两次交替。第三行是三次等等，这种明暗期的交替频率会影响生菜的生长和品质，可以从里面筛选所需的交替频率。对提高人工光植物工厂的生产力是有帮助的。

交替光照技术（红蓝光交替照射）

什么叫交替照射技术？大家看第二行图片，植物照明有一个明暗期，明期LED照明一般采用的是红光加蓝光的复合光进行照明，这项研究以复合光植物照明对照的情况下，设置了几种红蓝光交替照射的处理，包括4种不同的处理频率。实验结果表明，不同的红蓝光的交替处理及其频率会影响生菜的产量和品质，对提升人工光植物工厂的生产力水平是有帮助的。

交叠光照技术（红蓝光交替照射）

这是日本学者在2016年的研究技术，我们称为交叠光照技术，红光与蓝光交叠出现的，不是交替，也不是完全重合。日本学者的研究结果表明，这种交叠照射光照的技术比传统照射相比，产量和品质有所提升。

采收前短时强光照射技术

最近我们团队在研究一种采收前短时强光照射技术，先按常规、传统的光周期的培养模式，在采收前一天进行强光照射，设置正常光照200微摩尔每平方米每秒的对照，另外设置了300、400、500强光照射的对比，结果发现16小时的强光处理，显著提高了生菜抗坏血酸的含量，也调控了抗活血栓的代谢网络。抗化学酸的含量及其总量，不管是500、400还是300，在较强光处理8小时的时候，效果都达到了最佳水平，比较经济。所以团队采用采收前短时强光照射的技术，提升人工光植物工厂生产叶菜的品质。

全生育期短时强光照射

全生育期每天进行短时强光的照射，是否影响生菜的产量和品质？团队的研究表明，全生命期每天给生菜照射一小时的LED红蓝光强光，照射强度为500微摩尔每平方米每秒，可以显著提高生菜的产量和品质，具有应用前景。

四、提升生产力的LED立体照明技术

人工光植物工厂立体照明技术

从空间上来讲传统的人工光植物工厂的照明模式是顶部照明，根据国内外研究现状，团队提出了顶端照明加冠层底部向上照明，侧面行间照明和冠层内照明的组合模式。

行间照明技术

有研究表明，用黄瓜温室里的黄瓜，四季黄瓜的生产作为一个研究系统，研究了顶端补光和顶端补光加行间补光对生产的影响，发现顶部补光对黄瓜夏季生产增产最为有效，顶部补光加行间补光对冬春季生产有效增产。

冠层底部向上照明技术

很多学者研究了冠层底部向上的照明技术，有人以大麻作为研究植物，在生产过程中采用冠层底部向上补光的方式，分别补红蓝光红蓝绿光，发现补光以后可以增加大麻酚的含量和产量，效果还是非常好的。另外有的学者用玫瑰花进行研究，也证实了冠层底部向上补光，能够促进玫瑰的开花，可以维持叶片的光合能力，对室内玫瑰生产具有应用价值。

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五、人工光植物工厂生产力提升照明策略

人工光植物工厂LED照明进入新阶段——构建生产力提升的照明策略

基于上述的国内外的研究进展，团队提出人工光植物工厂生产力提升的照明策略。我们认为植物照明进入了动态照明加立体照明的一个新阶段，对LED植物灯的研发提出了新的设计要求。动态照明方面借助智能控制，智慧农业发展的趋势，突破了恒定光照的局限性，实施实时动态地向植物提供光信号和光合能量。在空间方面，立体照明突破了单向照明的局限性，实现了多方位立体的照明。

人工光植物工厂照明策略构建——时间序动态照明技术

在技术方面，实现了动态照明技术，包括末端的处理技术。采收前的短期连续光照、短时强光照射等技术，在全世界的照明模式方面，比如连续光照技术、红蓝光交替技术、连续光照技术加红蓝光交替技术，短时强光照射技术。这些技术可以融合到人工光植物工厂的照明策略里。

人工光植物工厂照明策略构建——空间序立体照明技术

在空间序立体照明技术方面，将形成一个顶部光照加冠层底部向上光照加侧面行间光照的新策略，这样可以维持植物冠层底部叶片的光合能力，由于冠层深度大，底部叶片容易产生衰老。减少它的光合能力，因此通过立体光照可以减少底部叶片的衰老，提高植物的生物量和产量。而且通过立体光照可以强化植物中、上部叶片的光合能力，增强植物整体的光合能力，提高产量和品质。

团队推进植物工厂与植物照明研发与产业发展——科研奖励

近20年来，我们团队一直推进植物工厂与植物照明研发与产业化发展。取得了一些研发成果和科研奖励。2016年获得了北京市科学技术二等奖，2017年获得国家科学技术进步二等奖。另外结合团队近20年的研究成果编辑了几本著作，包括《设施园艺半导体照明》《设施蔬菜无土栽培及其根区域冠层调控》《药用植物栽培系统及其调控》和《LED光源及其设施园艺应用》。2019年出版了一部《植物工厂植物光质生理及其调控》，这部书对从事植物相关领域的研究人员、科研人员和企业人士具有很高的参考价值，书籍一共703页。

2015-2018年举办10次植物工厂与植物照明培训班

最近几年团队为了普及植物工厂和植物照明的研究技术和国内外的发展趋势，联合其他单位举办了10次培训班，取得了非常好的效果。很多参加培训班的企业老板现在都发展得非常好。由于之前的疫情，培训班基本上停止了。今年 7月16~19日，在北京举办了植物工厂与植物照明培训班，有60人参加。我的报告就到这里，欢迎合作研究，谢谢大家。