植物工厂植物光质生理及其调控

植物工厂是人工光植物工厂研发与应用的方向，建立基于植物种类高效生产的光配方、营养液配方及环控配方是LED智能植物工厂植物生理学研究的核心目标。植物工厂领域光配方是指基于植物种类或品种及其生育期的*的光环境配置数据库，实现节能条件下光环境的智能控制和植物的优质高产的目标。因此，光配方的构建需要先确立植物种类和品种，确定通过植物工厂条件下的生育期阶段划分的数量及其时长，根据生产评价指标，多波次研究确定各生育期的*光质、光强和光周期及其变化模式，从数量和质量双重角度定义光环境匹配的整体方案。本书以*的科技成果和*先端的学术研究结论提出了我国植物工厂发展的趋势。

作者为中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研究员、博士生导师、塔里木大学昆仑学者与硕士生导师、青海省高端创新人才千人计划拔尖人才。现任中国照明学会农业照明专业委员会秘书长、中国农业机械学会现代物理农业工程分会副秘书长、国家智慧植物工厂创新联盟副秘书、中国照明学会第七届编辑工作委员会委员、中国照明学会第七届学术工作委员会委员、研究所学位委员会委员、中国蔬菜流通协会一二三产业融合发展分会专家委员、中国农业国际合作促进会专家委员、河北省农业产业协会专家委员。现兼任《照明工程学报》、《中国照明电器》、《农业工程技术·温室园艺》编委，国家及北京市自然科学基金项目评审专家、中国博士后科学基金评审专家、*学位与研究生教育发展中心抽检学位论文评议专家、研究生院优秀硕士论文导师、中国科协285次青年科学家论坛-光生物与光化学应用研究论坛执行主席、中国之光网·明课堂特聘教师。2004年中国农业大学获得植物营养学专业博士学位，2005年日本国际农林水产研究中心（JIRCAS）进修，2012年日本蔬菜茶叶研究所进修。2013年1月任研究员，2014任博士研究生导师。现为科技部重点领域创新团队“农业生物环境科学与工程创新团队”骨干、中国农业科学院国家创新工程“设施植物环境工程创新团队”骨干。 

章植物工厂光环境及其调控概述
11植物工厂概述
12植物工厂环境要素
13植物工厂环境要素调控方式
14植物工厂光环境及其内涵
15植物光质生理学定义与内涵
16植物有效辐射光质
17LED半导体光源及其单色光质
18设施园艺LED光源设计与应用策略
19设施园艺半导体照明定义及其应用领域
110植物工厂光质调控
111植物工厂光环境调控原理
第二章植物工厂光质调控的植物生理基础
21植物光合作用生理机制
22植物光形态建成生理机制
23植物光质生理作用
24植物光响应与光适应
25叶片与冠层光质的截获与利用
第三章植物工厂植物生长发育光质调控生理
31植物工厂光质种子萌发调控
32植物工厂种苗光质调控
33植物工厂蔬菜生产光质调控
34植物工厂药用植物生产光质调控
35植物工厂农作物栽培光质调控
36植物工厂花卉生产光质调控
37植物工厂草莓生产光质调控
第四章植物工厂植物光质营养生理
41植物矿质营养元素与无土栽培
42植物工厂养分生理光质调控
43元素盈亏型功能性蔬菜
第五章植物工厂植物光质代谢生理
51植物碳代谢及其影响因素
52植物氮代谢及其影响因素
53光质与植物碳代谢
54光质与植物氮代谢
55光质与植物次生代谢
第六章植物工厂植物光质产量生理
61植物产量生理概述
62光质与碳水化合物合成与累积
63光质与碳水化合物运输利用
64光质与种子生产
65光质与植物源—库关系
66育苗光质及移栽产量效应
67光质在植物增产中的应用策略
68连续光照产量调控效应
第七章植物工厂植物光质品质生理
71光质对蔬菜营养品质的影响
72光质对药用植物药用成分含量的影响
73UV辐射对蔬菜营养品质的影响
74LED光质对蔬菜外观品质的影响
75LED光质调控园艺作物营养品质的影响因素
76采收前连续光照蔬菜品质调控作用
第八章植物工厂植物光质逆境生理
81植物的抗逆生理及其光质的调控作用
82光逆境及光质调控作用
83其他非生物逆境及光质调控作用
84生物逆境及光质调控作用
第九章植物工厂植物光质光合生理
91植物光质需求规律的研究史
92植物光质需求规律（Plant spectral requirement rule,PSRR）建立
93植物生理有效辐射光合生理
94光质与植物光合荧光
第十章植物工厂植物光质环境生理
101光质与温度互作生理
102光质与湿度互作生理
103光质与CO2浓度互作生理
104光质与风速互作生理
105光质与养分互作生理
106植物种类及品种光质生理差异
第十一章人工光植物工厂LED光质调控
111人工光植物工厂植物种类及其采收器官
112人工光植物工厂药用植物调控
113人工光植物工厂水培叶菜调控
114人工光植物工厂水培叶菜LED光源研发现状
115人工光植物工厂植物生理障碍及光质调控机制
116植物工厂营养液自毒物质去除技术
第十二章太阳光植物工厂LED光质调控
121太阳光植物工厂LED补光技术装备
122太阳光植物工厂光质调控技术
123LED与HPS等光源补光效能评价
124激光补光模式
125太阳光植物工厂果菜补光光环境优化指标及调控模式
第十三章植物工厂植物光质生理研究展望
131植物工厂植物光质生理研究现状
132植物工厂植物光质生理LED调控研究现状
133植物工厂植物光质生理学研究展望
134植物工厂植物光质生理LED调控装备展望
135植物工厂光质生理学研发大事件与产业现状
136国内研究团队综述
参考文献

前言

发展现代农业，保障粮食安全和农产品有效供给已成为国家长期发展战略。提高农业生产的现代化水平和生产效率对实现现代农业绿色发展、乡村振兴、生态文明具有战略意义。设施农业作为环境可控，周年生产的高效农业生产系统越来越受到人们的关注，在动物、植物和食用菌等农产品生产，尤其是在保障反季节鲜活农产品均衡供给，解决人类隐性饥饿等方面具有十分重要产业价值。通过环境因子调控来提高生产效率是设施农业的本质特征，可摆脱自然条件的束缚，实现资源环境的调节与耦合利用，从而不同程度地具备了周年生产的能力。纵观我国设施园艺发展史，从简易塑料大棚、日光温室直至连栋温室、植物工厂，展示了园艺设施随科技发展不断进步的轨迹。植物工厂是设施园艺发展的高级阶段和必然趋势，是颠覆性农作方式和土地利用方式，对解决21世纪人口、资源环境和食物安全问题具有重要应用价值。植物工厂的发展具有深刻的技术、社会、资源环境、人口和气候变化等背景，多种驱动因素促进了植物工厂技术研发和产业发展。植物工厂是在通过设施内高精度环境控制实现作物周年连续生产的系统，是一种不受或很少受自然条件制约的高效农业生产方式，是设施园艺发展的高级阶段。植物工厂广义上分为太阳光植物工厂和人工光植物工厂，分别兴起于欧美国家和日本。植物工厂狭义上是指人工光植物工厂。太阳光植物工厂可用于所有园艺作物种类的生产，特别是植株高大且生育期较长的园艺作物。人工光植物工厂则主要生产植株矮小且生育期较短的园艺作物，两者具有互补性和差异性，人工光植物工厂可用于种苗、茎叶菜、根菜、药用植物、苗菜、花卉和组培苗等植物产品的规模化生产，自动化完成由种子到产品的过程。
光作为环境信号和光合作用的能量来源，是设施动植物、食用菌生长发育和产量品质形成的必需环境要素。在自然界中，太阳光照不仅存在日变化，且随地理纬度、季节和天气状况的不同而发生改变。人工光在农业生产（蔬菜、药用植物、种苗和食用菌等）中的应用规模正在大幅增加，已成为设施农业的重要环控手段，人工光的适宜性及智能管控水平很大程度上决定了设施园艺生产效率的高低。很显然，人工光调控在保障设施园艺智能化控制、优质、高产、稳产中具有不可或缺的作用，是一种现代农业发展的必需工程手段，其技术装备研发与产业化需求日益迫切。实际上，根据设施生物的光生物学需求，设置人工光环境及其管理策略，进行动态智能化管控，设施农业才能彻底摆脱自然光照的束缚，实现人为操控，按需调控光照条件。确切地讲，光照是设施园艺生产中后一个实现智能调控的环境因子，其决定性科技进步是第4代半导体电光源LED照明技术的发展进步。LED光质丰富，光谱可组合调制，光环境智能可控，环保节能，体积小冷光源，被业界人士誉为设施农业的理想光源和替代光源，半导体固态照明的农业应用是必然趋势。LED可作为光源或补光光源满足设施园艺作物光环境配置需求，限度地增加生物光效，实现设施园艺生产的大幅节能，提质增效。基于LED的固态照明的应用是过去几十年来设施园艺照明的进步之一，其广泛应用具有里程碑式的意义。植物照明属于非视觉照明、农业照明或超越照明的范畴。
LED智能植物工厂是人工光植物工厂研发与应用的方向，建立基于植物种类的高效生产的光配方、营养液配方及环控配方是LED智能植物工厂植物生理学研究的核心目标。植物工厂领域光配方是指基于植物种类或品种及其生育期的的光环境配置数据库，实现节能条件下光环境的智能控制和植物的优质高产。因此，光配方的构建需要先确立植物种类和品种，确定通过植物工厂条件下的生育期阶段划分的数量及其时长，根据生产评价指标，多波次研究确定各生育期的光质、光强和光周期及其变化模式，从数量和质量双重层次定义光环境匹配的整体方案。光配方是一个规模不等的数据库，具有复杂性。光配方的组成强烈依赖于植物种类和品种，同时光配方构成具有时空特性，随生育期的延伸发生改变。通常，光配方的核心内容应包括每个生育期的光强、光质和光周期参数以及末端调控特殊光环境手段组成，只能依赖智能控制系统来执行实施。基于光配方的植物工厂光环境动态管理水平高低决定着LED智能植物工厂运行效率（高产、优质和节能）的高低，智能光环境管理是植物工厂核心关键技术。光质是指光源所发射光照的光谱能量分布。光质的本质属性是光谱组成特征，而光谱组成具有空间和能量特征。植物光质生理学是植物光生物学的分支，是研究LED植物生理有效辐射（可见光、UV和远红光）单色光与其组合光及其数量属性对植物生长发育和产量品质形成调控的生理学规律，包括群体、个体、组织、器官、细胞和分子尺度，可为设施园艺光环境调控提供生理学依据。植物光质生理学是光生物学的重要内容，是设施农业尤其是设施园艺光调控技术研发与规模化应用的科学基础和技术关键。植物光质生理学规律与植物种类密切相关，表现出生物学规律的复杂性，既有共性规律也有个性特征，必须针对应用领域做系统化、深入地研究，加以明确。同时，设施园艺植物光质生理学实践应用也与设施类型密切相关，需结合栽培平台特征设计和应用LED光源，实现节能高效。LED是植物光质生理学研究的工具，也是植物光质生理学植物工厂应用的手段。应用的目标是利用植物光质生理学规律，通过全生育期或特定生长发育阶段通过LED光质及其强度的时空调配，缩短植物生长周期，提高农产品商品性产量、品质及形态，实现植物工厂高效节能生产。光配方与营养液配方及环控配方构成了LED植物工厂高效生产的核心工艺参数，三者配合协调达到节能、高产、优质和易管控的目标。
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场所，其应用基础就是植物光质生理学规律。在众多的植物工厂装备中，照明系统（电光源、悬挂装置和控制系统）在植物工厂生产中占有核心关键性地位。现代农业照明系统使得植物工厂摆脱了对太阳光的完全依赖，实现了完全人工光植物生产，也实现了设施园艺全过程的光环境智能化管控。当前，设施园艺光源正由荧光灯、高压钠灯等为主导的传统光源向半导体固态光源LED转换。LED光源必将推动植物工厂实现光环境要素的智能调控和节能高效运行，同时极大地丰富了植物栽培的供光策略的内涵，也推进了植物工厂向LED智能植物工厂的转进。光环境的智能调控是LED光源植物工厂高效运行的核心技术，决定着植物的高产、优质和节能水平的高低。光配方是复杂的数据库，必需基于植物生理学原理，按照生长发育阶段、生产目标、生产要素条件等因素构建其核心与延伸内容，实现植物高产、优质和节能目标。当前，亟待需要从两方面入手推进LED智能植物工厂光环境智能调控技术装备的研发工作。首先，继续系统研究更多植物种类及其品种的光质生理学参数，建立光配方核心与延伸数据库；其次，根据光配方参数，设计系列化的可智能调控的LED光源装置及其智能控制系统。
中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所是国内早从事植物光质生理学、LED光源创制及设施园艺半导体照明领域研究的单位之一，开展了十余年的研究工作。在“十二五”国家863计划项目“智能化植物工厂生产技术研究”课题“植物工厂LED节能光源及光环境智能控制技术（2013AA103001）”“十二五”863计划“高效半导体照明关键材料技术研发”重大项目课题“LED非视觉照明技术研究（2011AA03A114）”和国家自然科学基金面上项目“LED红蓝光连续照射对高氮水培生菜AsA代谢网络影响机理及其节律效应（31672202）”等项目的资助下，在设施园艺尤其是植物工厂植物光质生理学、专用LED光源及其应用方面取得了众多成果，获得广泛的推广应用。单位团队先后获得国家科技进步奖1项，省部级科研奖励3项。其中，2017年获得国家科学技术进步奖二等奖（高光效低能耗LED智能植物工厂关键技术及系统集成，2017-J-251-2-03）；2016年获得北京市科学技术二等奖（智能植物工厂能效提升与营养品质调控关键技术研究与应用，2016农-2-002-06）；2015年获得中国农业科学院科学技术成果奖（智能植物工厂能效提升与营养品质调控关键技术，2015-JC-04-01-R01）；2013年获得中华农业科技奖二等奖（植物LED光环境精准调控及节能高效生产关键技术研究与应用，KJ2013-R2-032）。课题组在2012—2017年分别出版了《LED光源及其设施园艺应用》《设施园艺半导体照明》《设施蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控》和《药用植物栽培系统及其调控》四本著作，初步总结了设施园艺专用LED光源及设施园艺应用生理学原理、生产应用效果以及在蔬菜、育苗、药用植物、食用菌等领域的产业化推广的进展。
植物光质生理学是植物半导体照明甚至植物照明的科学基础，更是LED植物工厂高效节能生产的科学保障，其基本原理、规律的揭示与应用对人工光植物工厂产业发展具有基础性驱动作用。为了更全面地反映国际上有关植物工厂植物光质生理响应与反馈机制的研究成果，总结、挖掘和展示研究团队近些年在设施园艺半导体照明和植物光质生理方面的研究成果，萌生了撰写本书的想法。本书力求能够反映国内外在LED光源植物工厂植物光质生理及其调控应用的研究进展，为业界人士提供参考，推动我国LED光源在设施园艺中应用的基础研究与技术创新。该书以光生物学、设施园艺学、蔬菜学、植物生理学、植物营养学、生物环境工程、LED半导体照明和智能控制技术等多学科交叉和有机结合为特点，以课题组研究成果为主线，系统展示了几十年来国内外农业半导体照明发展应用现状，以及设施园艺光质生理学和设施园艺LED光源应用技术与装备的研发全貌，深度阐述了设施园艺半导体照明的应用潜力、存在问题及发展前景。本书聚焦新型光环境控制手段，揭示植物光环境控制生理规律，通过针对性的精准环控手段，以生长发育、产量品质和代谢生理等为核心描述光环境控制在设施植物生产中的作用机制与应用方法。值此国家大力发展现代农业，确立了保障粮食安全和农产品有效供给长期发展战略，推进植物工厂产业蓬勃发展之际，《植物工厂植物光质生理及其调控》撰写完毕并付之以梓，甚是欣慰。
全书共包括十三章，即章植物工厂光环境及其调控概述；第二章植物工厂光环境调控的植物生理基础；第三章植物工厂植物生长发育光质调控生理；第四章植物工厂植物光质营养生理；第五章植物工厂植物光质代谢生理；第六章植物工厂植物光质产量生理；第七章植物工厂植物光质品质生理；第八章植物工厂植物光质逆境生理；第九章植物工厂植物光质光合生理；第十章植物工厂植物光质环境生理；第十一章人工光植物工厂LED光质调控；第十二章太阳光植物工厂LED光质调控；第十三章植物工厂植物光质生理研究展望。本书适于大专院校农业生物环境工程、设施园艺科学与工程、植物生理学和蔬菜学等专业的本科生、研究生、教师和广大农业科技工作者以及LED企业界人士阅读参考。本书编写过程中收集整理了硕士生邱志平、赵姣姣、余意和周晚来等人的研究发表结果，周成波、张玉彬、李宗耕和邵明杰等研究生在书稿资料收集方面作出了贡献，在此一并表示感谢。希望本书能够为我国农业半导体照明技术研发与产业化发展起到一定推动作用，作为激活培养跨界人才的纽带，健全植物照明专用LED产品研发链和产业链。由于著者水平有限，书中不妥之处在所难免，恳请广大读者提出宝贵意见和建议。后，感谢中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（项目编号:BSRF201702；BSRF201711）和国家自然科学基金面上项目（31672202）对本书出版的资助。

刘文科2018年10月于北京