人工光系统
在现代化玻璃温室中的应用研究
人工光系统是室内种植的核心要素。在现代化玻璃温室中，由于水、CO2、温度、湿度、植物营养供应都能够被精确控制，人工光系统就成为决定温室作物实际产量的主要因素。应用于人工光系统中的光源有很多种，如荧光灯、等离子灯、金属卤化物灯（包括金卤灯和陶瓷金卤灯）、高压钠灯（HPS）、发光二极管（LED）等。到目前为止，在温室中实现规模化生产应用最成功的是高压钠灯、金卤灯和LED。
绿色植物吸收光能，并利用光能同化二氧化碳（CO2）和水（H2O）制造有机物质并释放出氧气。植物有几种能够吸收光能和提供植物光合作用的植物色素，但是对于光合作用最普遍和有效的是叶绿素。
如图1中所示，植物叶片含有2种叶绿素——叶绿素a和叶绿素b。在红光和蓝光区域都有吸收峰，黄色光谱/绿色光谱能够被其他的诸如胡萝卜素的植物色素所吸收，其他光没有被吸收而被叶片反射（这赋予了植物绿色），可以看到该光谱超过50%的成分被反射掉或者利用不足。
图2显示了整个PAR光谱范围的植物吸收过程。由图2可知，绿色/黄色边界的吸收低到了30%，并且从620nm（红色边界）到520nm（蓝色/绿色边界）吸收率完全低于50%。除了叶绿素之外，还有其他的色素可以吸收和利用这些光谱，但是他们通常位于叶片底部并且效率要低得多。
图 1 光合作用的吸收光谱
1.人工光系统的光源种类介绍
高压钠灯
图3所示的是在商业玻璃温室中最流行的600W和1000W农用钠灯的光谱图。高压钠灯在种植作物的温室大棚中应用的效果非常好，因为高压钠灯有非常高的光输出。例如，飞利浦1000W的高压钠灯能够达到超过15万流明的光输出和超过2100μmol/(m2·s)的PPFD，并且输出维持率也非常好，在使用10000h的情况下，仍然能够保证超过95%的输出特性。但是高压钠灯也存在一些缺点，如随着功率的增加热量大幅度增加，蓝色光谱成分较少等。
图 3 典型农用钠灯光谱图
陶瓷金卤灯（CMH）
图4所示的是温室中典型的陶瓷金卤灯的光谱。与钠灯相比陶瓷金卤灯有更多的蓝光成分。在过去的几年中，陶瓷金卤灯被成功应用于植株生长阶段，能够达到很高的PAR值输出[超过1.7μmol/(m2·s)]。陶瓷金卤灯在温室中应用的缺点也相对明显，如功率密度偏低、产生的热量太高等。
图 4 温室中典型的陶瓷金卤灯光谱
发光二极管（LED）
图5所示的是在温室中应用于顶端补光和株间补光典型的LED光源的光谱。与高压钠灯和金卤灯相比，LED能够简单的选择不同波长的光（色温）。这就意味着LED能够通过设计配比出不同的光谱，可以满足植物在不同生长阶段所需要的特殊光谱需求。
图5 顶端和株间补光使用的LED光源
“白光”LED本身是不可能存在的。白光LED通过2种形式“封装”出来，第一种也是最少见的一种，是将红、绿和蓝3种颜色的LED芯片混合在一起从而产生的白色。但是由于绿色LED价格昂贵并且效率很低，所以最常见的白光LED是由蓝色LED芯片和涂有荧光粉的透镜所组成，是使用蓝色LED发出的蓝光来激发荧光粉。对于植物生长的最优设计是被称为混合光谱的方法。混合光谱如图5所示。LED灯具的光谱可以根据作物的实际需求使用不同颜色的LED混合而成，使用混合光谱的LED是十分高效的。而混合光谱LED也有它的缺点，如与高压钠灯和陶瓷金卤灯相比功率密度太低，没有辐射热等。
2.人工光系统在商业玻璃温室中的成功应用
顶端高压钠灯系统
顶端高压钠灯系统是稳定的人工光系统。到目前为止，超过90%的规模化种植的人工光系统使用顶端高压钠灯作为补光的光源，并且产量也相当可观。目前，高压钠灯人工光系统解决方案的问题是超过2/3的光需要使用反光器来反射到作物表面。反光器的反射效率衰减很严重，这使得高压钠灯系统的实际输出效率只有50%~70%。并且由于光源和反光器的位置没有固定的很好，很多的光线在反射的过程中通过了高压钠灯的光芯，这就使得高压钠灯的实际使用寿命大大缩短。
为了能够有效的解决人工光系统中高压钠灯的这些问题，珠海美光原科技股份有限公司开发了一种新型高压钠灯人工光系统（称为MPS），如图7所示。MPS系统相对于在玻璃温室中使用的其他钠灯人工光系统能够提高超过15%的输出效果。表1列举出了这些最流行的高压钠灯人工光系统的试验数据。
图 6 使用顶端高压钠灯系统种植花卉和番茄
图 7 最高效的人工光系统—MPS 系统
顶端高压钠灯和顶端金卤灯系统
顶端高压钠灯和顶端金卤灯系统，是最强光照密度和最接近太阳光谱的解决方案。图8所示的人工光系统适用于最大光强度和全光谱的种植需求。经常被使用在育苗阶段。这个系统的最大缺点是对电力的需求相当大，并且同时产生大量的热。图9所示的光源是更好的选择，通过将金卤灯和钠灯光芯混合来得到真正的全光谱光源（目标光谱）。
图8 顶端高压钠灯和金卤灯组合项目（先正达）
图9 钠灯和金卤灯双弧光源（EYE）
顶端和株间高压钠灯
顶端和株间高压钠灯，是目前产量最高的人工光系统。在俄罗斯和北欧，有非常好的应用案例。HellenOY（芬兰）和Reflux（俄罗斯）有非常好的设计。通过这种人工光系统能够得到最高的产量，但是需要有足够的电力供应能力。
顶端高压钠灯和株间LED
顶端高压钠灯和株间LED，是最高效的人工光系统解决方案。图11所示的系统是目前为止运行效率最高的人工光系统。通过顶部高压钠灯人工光系统中增加密度为50W/m2的LED株间补光，能够将总产量提高超过20%。通过Khosla的试验数据可以看到，将株间LED的功率密度提高到50W/m2以上的时候，产量会得到一定的提高。
图10 顶端和株间高压钠灯人工光系统
图11 顶端高压钠灯和株间LED 人工光系统
顶端LED和株间LED
顶端LED和株间LED可能会成为最高效的人工光系统解决方案（图12）。理论上来讲，通过顶端和株间LED人工光系统，能够为植物提供定制化的光谱和光照强度。但也是成本最高的人工光系统，目前已经有几个大型的项目在运行，未来的一年就能看到它的结果。
图12 顶端LED 和株间LED 人工光系统案例
3.结论
在商业化温室大棚中，人工光系统已经越来越重要。一个普通的温室，例如超过10hm2的温室，通过使用人工光系统，3~5年内可以回收成本，而不使用人工光系统则需要8~10年的时间（俄罗斯农业部2017年的研究数据）。如何能够获得最高效并且最低成本的人工光系统，对人们而言依旧是一个重要问题。到目前为止，有2种人工光系统可供选择，顶端大功率高压钠灯系统和顶端大功率高压钠灯加低功率株间LED人工光系统。然而对于科研人员和研究机构来说，顶端加株间LED的人工光系统将是最好的研究方向。
作者：都金龙，乔 凯，王迎丰（珠海美光原科技股份有限公司， 北京瑞莱星光电科技有限公司）
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