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很好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很优光质、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。本书以很新的科技成果和很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、中国农业靠前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、教育部学位与研究生教育发展中心抽检学位论文评议专家、研究生院很好硕士论文导师、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年日本靠前农林水产研究中心（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

    章植物工厂光环境及其调控概述摘要：植物工厂是设施园艺发展的必然趋势和不错阶段，是颠覆性的土地利用方式和农作方式，可以通过替代或补充传统设施园艺模式实现我国设施园艺科技和产业的跨越式发展，解决当前我国设施园艺以简易设施（日光温室和塑料大棚）、土壤栽培和设施内被动式环控为特征的生产方式中的诸多的资源、环境和生产效率问题，也是实现21世纪农业可持续发展和食物安全保障的有效途径。植物工厂作为技术高度密集、资源高效利用型的立体化集约化的现代农业生产方式，被认为是突破资源环境约束，保障食物安全，提升生产效率，发展现代农业，实现乡村振兴和生态文明的重要途径，东亚、欧美等一些国家和地区高度重视植物工厂的发展。我国是植物工厂技术装备研发与产业化发展很快的国家，在引进消化吸收再创新的基础上，在国家研发项目和产业政策引导下，在农业企业和照明企业的转型探索下，仅用十几年的时间使该领域的研发由跟跑发展到世界优选水平。我国植物工厂产业发展受到多元背景因素的直接或间接驱动，包括气候变化、资源、环境、食物安全、靠前外设施园艺发展、社会发展水平和科技发展水平等。从概念上讲，植物工厂是有档次级别之分的，其本质优势在于植物生产要素的智能化管控水平，按此标准可分为4类。20世纪60—90年代，LED光源的陆续发明与半导体照明技术的成熟是推动植物工厂21世纪快速发展的很直接、有效、很持久和综合效益优选的技术装备因素，兼具多重效益目标、多元调控内涵、多样应用场景，成为替代传统光源，实现植物工厂生产全要素智能化管控的关键且不可或缺的一环。植物工厂是LED光源应用的很好场所,LED光源植物工厂应用的优选光源，LED植物工厂是人工光植物工厂的发展基本方向。LED光源植物工厂研发与应用激发了植物工厂产业和农业照明产业活力，成为农业和照明行业跨界交叉发展的原动力和产业增长点；同时，也催生了植物光生物学的分支即植物光质生理学学科。植物工厂是植物光质生理学研究与应用的理想场所和设施类型，光环境调控对植物优质高产稳产的农学意义重大。植物工厂高效运营有待于植物光质生理学的深入揭示，植物光质生理学规律的揭示将为植物工厂光环境调控乃至环控策略建立提供科学依据。本章总结了植物工厂的定义与内涵、发展背景、生产优势、环境调控因素及调控方法、光环境内涵、植物光质生理学的定义与内涵、植物工厂光源特征及应用方法。根据Science杂志和联合国预测，世界人口至21世纪将持续增长，到2050年将达到96亿人，而到2100年可达110亿人。我国人口也将大幅增加，到2030年将达到145亿～16亿人，粮食等农产品需要大幅度增产才能满足消费需求。逐年递增的世界人口将对食物和粮食、燃料、纤维、饲料类农产品及功能化合物需求逐年增加，而土地等农业资源数量减少和质量降低，农田环境污染日益恶化，气候变化导致的特别天气和自然灾害日趋频繁，农田生态系统产能受自然条件的束缚难以持续增长且增长潜力有限，粮食和食物产出难以保证，供给侧与需求侧在粮食和食物数量与质量关系上出现矛盾，食物数量安全与质量安全问题日益凸显。如何保障粮食和食物安全与农产品有效供应已成为21世纪必须解决的重大现实问题。为此，我国必须大力发展现代农业，保障粮食、食物安全和农产品有效供给，消灭隐形饥饿，提高农业生产的现代化水平和生产效率，这已成为是国家长期发展战略，国计民生意义十分重大。我国农业资源有限，现在用占世界1/10的耕地、6%的淡水生产了占世界1/4粮食，养活了占世界1/4的人口。2017年全国粮食总产量为618亿t，比2016年增加了166万t，增长了03%（国家统计局数据）。根据估算，我国2030年需要粮食为72亿t，而露地农田单产采用传统技术提升空间有限，在耕地面积有限情况下，亟待开发新的粮食或食物生产方式。设施农业在保障我国食物安全和农产品有效供给，尤其是在确保“菜篮子”安全方面具有不可或缺的作用，是现代农业的重要组成部分。设施农业作为环境可控，周年生产的高效农业生产方式，越来越受到人们的关注，在动植物和食用菌等农产品生产，尤其是高品质鲜活食物供给，均衡农产品四季供给，解决人类隐性饥饿等方面具有十分重要的应用价值，已成为现代农业的主体业态。设施园艺可通过环境控制促进或延迟农业生物的生长发育与繁殖过程，按照人类的时空要求获得所需要的植物和食用菌产品。从2018年中国工程科技论坛—智慧农业论坛获取信息可知，我国设施园艺栽培面积高居世界首位，业界估计2016年已达到4765万hm2，产值超146万亿元。其中，设施蔬菜面积占78%。设施园艺通过强化设施内光照、温度和CO2等可再生环境要素，对植物及水肥等非可再生要素实施精准控制，可根据作物不同生长发育阶段的水肥需求进行定量供给，提高资源利用率，充分体现了“环境替代资源的战略”发展思路。设施农业可通过环境因子调控来提高农业生产效率，使农业摆脱了自然条件的束缚，不同程度地具备了周年生产的能力。我国园艺设施类型有小拱棚、塑料大棚、日光温室、连栋温室、植物工厂和垂直农场，初期投入成本和环控水平逐级递增，但应用规模和数量却梯级下降。目前，小拱棚、塑料大棚、日光温室、连栋温室等设施园艺栽培面积大约在4765万hm2，且以土壤栽培为主，生产蔬菜为主，少量果树、食用菌和西瓜、甜瓜。其中，日光温室占265%，塑料大棚占44%，小拱棚占283%，连栋温室占07%，而植物工厂和垂直农场面积较小。我国植物工厂生产面积为10～50hm2，以无土栽培为主，以种苗、蔬菜和花卉生产为主。到2025年，设施园艺面积预计将达到500万hm2，其中设施蔬菜为75万hm2，连栋温室面积占比可达1%。我国北方以日光温室为主体和南方以塑料大棚为主体的传统设施园艺生产模式采用土壤栽培，设施简陋，实施被动式的环控技术模式，无环控调控装备，设施与外界之间的物理性隔绝措施不完善，在生产中暴露出诸多环控、洁净生产等问题，无法维持可持续发展。究其原因，我国日光温室内光照、气温日变化和季节变化十分剧烈，低温高温频繁发生，营养液和基质温热缓冲能力差，在剧烈温热变化条件下其温度波动过大，不利于植物健康地生长发育。我国不能照抄荷兰连栋温室模式主要是气候差异导致温度控制成本相差悬殊。荷兰属温带海洋性气候，冬温夏凉，1月平均气温2～3℃，7月18～19℃。荷兰日温差和年温差都不大，设施温度调控能耗小，冬季加温和夏季降温环控能耗较小。与荷兰相比，北京属温带半湿润半干旱季风气候，年特别优选气温一般在35～40℃，年特别大力度优惠气温一般在-20～-14℃。设施温度冬季较低，夏季较高，冬季加温和夏季降温环控能耗较高。根据统计，连栋温室冬季加温成本为50～100元/m2。当前，日光温室园艺作物生产的主要问题包括8个方面：①连作障碍频发，病虫害发生严重，农药残留严重；②水肥资源利用率低，养分和水资源浪费严重，养分通过淋洗进入地下水，通过径流进入地表水，通过N2O和NH3等气体挥发进入大气，损失比例较高，利用率亟待提高；③环境污染严重，因过量水肥施用造成的地下水氮磷污染、温室气体排放、农药、抗生素和重金属污染问题严重；④土壤肥力不平衡现象恶化，设施土壤物化性状恶化（酸化、盐渍化、板结和碳亏缺等）问题严重，形成机制和治理方法有待长期监测来揭示；⑤劣质有机肥大量施用，寄生虫、抗生素和重金属污染严重；⑥高低温危害严重，冬季低温和夏季高温危害严重阻碍了设施园艺的周年高效生产；⑦自动化和机械化水平低，栽种到采收劳动力需求多，劳动力成本逐年提高；⑧蔬菜产量和品质偏低，单产平均水平和蔬菜品质有待提高，增加经济效益。总之，鉴于我国蔬菜价格偏低，菜农净收益提升速率小的现状，我国设施园艺（蔬菜）生产长期处于低投入—低产出—低效益的恶性循环里，应发展适当（高）投入—高产出—高效益的新型生产方式。设施蔬菜无土栽培技术是我国设施园艺发展方向，工程手段将日益受到重视。设施蔬菜无土栽培技术的规模化应用使得设施蔬菜生产进入工厂化、规模化的阶段，甚至具有周年连续生产、立体多层栽培等高效生产属性，生产效率可提高几倍至数十倍。发展限根栽培是无土栽培发展的必然方向。根区和冠层是植物地下部根系水肥吸收与地上部枝叶光合作用两个重要区域空间，该区域空间内的物理、化学和生物化学环境条件直接关系到植物的健康和品质。根区和冠层是设施蔬菜生产过程中人为调控有效、很直接和很节能的植物部位，也是必须协同调控的两个部位，以保证地上部和根系进行耦合高效的生理代谢，促进快速健康生长发育，提高蔬菜可食部分生物量和健康有益物质的合成累积。各种园艺设施内蔬菜的根区冠层技术装备研发、根区冠层调控生理机制、根区冠层协同生理机理等研究是靠前外关注热点，取得了很多可喜的成果，亟待系统收集整理，以推进该领域的发展。设施蔬菜无土栽培具有良好的根区冠层调控的基础属性，能够对根区介质及其水肥、温度、溶解氧和空间等理化性状进行定向调控，在设施内也能同时对整个设施空间和植物群体冠层的光照、温湿度、CO2浓度、气流等环境要素进行协同调节，基于植物生理学时空特性建立控制模型，耦合调控生长全要素。根区与冠层是设施植物环境控制的核心部位。在生产要素中，只有光照、营养是同时具有质量属性和数量属性的因素，需要“光配方”和“营养配方”及其数量调控策略。所以，根区冠层调控的核心且很复杂的因子是光照和营养，结合其他生长要素，制定合理的“环控配方”。植物工厂是设施园艺发展的必然趋势和不错阶段，是颠覆性的土地利用方式和农作方式，可以通过替代或补充传统设施园艺模式实现我国设施园艺科技和产业的跨越式发展，解决当前我国设施园艺以简易设施（日光温室和塑料大棚）、土壤栽培和设施内被动式环控为特征的生产方式中的诸多的资源、环境和生产效率问题，也是实现21世纪农业可持续发展和食物安全保障的有效途径。太阳光植物工厂为智能化程度较高的连栋温室。人工光植物工厂为技术高度密集、资源高效利用型的立体化集约化的现代农业生产方式，被认为是突破资源环境约束，保障食物安全，提升生产效率，发展现代农业，实现乡村振兴和生态文明的重要途径。人工光植物工厂通常采纳多层立体无土栽培技术进行规模化生产，层数可达3～20层，具有独特的生产环境和调控策略。较连栋温室（或太阳光植物工厂）无土栽培相比，人工光植物工厂无土栽培在空间资源利用率方面有保证优势，在栽培植物种类和水肥供给、环境调控等方面差异巨大。尤其在LED半导体光源应用后，人工光植物工厂有效实现了全部生产要素的智能调控，目前该领域的研发与产业化受到世界各国学者、LED生产企业和设施园艺生产者的广泛关注。植物工厂很为本质优势包括：①生产环境洁净，无病虫害，不使用农药和化学调节剂，无药残危害；②生产材料洁净，无寄生虫或病原菌，可免洗鲜食，避免洗涤造成的外观和营养品质降低；③生长要素按需调控，耦合调配资源和能源，生产条件一致性好，高产高效；④具有通过生产要素针对性单一或复合调控大幅提升蔬菜品质的潜力，提高农产品中初级和次生代谢健康有益物质（抗氧化物质中的维生素、酚酸、花青素和类黄酮等）的合成和累积；⑤可通过生物强化方式提高农产品中的健康有益元素的含量（如锌、铁、硒和碘等）；⑥具有工厂化的本质属性，具有生产自动化和植物产品形成的流水线管控装备，省时省力；⑦与外界环境隔绝，物质能量交换得到严格控制，外界污染物、生物、冷热、气流和光照对植物工厂生产影响较小。植物工厂是高效农业生产系统，栽培方式、环控水平和资源利用率发生了变革，提倡空间立体栽培、精准环控和循环利用等理念，是高投入—高产出的设施园艺生产系统。植物工厂通常釆用立体多层栽培技术取代平面单层栽培方式，进行周年不间断生产（分区多批次或连续采收），土地利用效率和植物产量是传统农业产量的几十倍甚至上百倍；釆用洁净控制技术和环境控制技术防止了规模化病虫害发生，可免施化学农药和杀虫菌剂，使植物产品的品质达到无公害和绿色级别；釆用物质资源循环利用技术，提高了水肥气等多种资源利用率，又实现了零排放、零污染。在优选层面和我国国情条件下，植物工厂在靠前上和我国的发展存在其客观原因和现实必然。在靠前层面上，设施园艺发达国家，如荷兰、日本、美国和以色列等竞相研发太阳光植物工厂与人工光植物工厂，主要基于优选气候变化危害、设施农业发展必然趋势、农业资源环境承受力、食物安全、社会发展水平、技术装备水平等各种相关背景的综合作用的结果。对我国而言，又存在自己的国情和社会条件。总之，植物工厂是现代农业发展的必然趋势。植物工厂植物产品的产能、品质是有保障的，是一类绿色食品的高规格农产品。在中国、日本和韩国，植物工厂蔬菜已经商业化销售，但较高售价需要公众逐步认可接受。其实，蔬菜的价格应该与蔬菜的品质（外观品质、卫生品质和营养品质等）成正比的，但由于缺乏公信度较高的蔬菜质量认证机构，无法实现优质优价，阻碍了植物工厂农产品的盈利销售。植物工厂农产品品质是有保证的，主要得益于光环境的调控功能。LEDs拥有独特的性质，很好适合植物工厂及食品工业中几个业务操作中使用。这些属性包括低辐射热释放、高单色光发射效率、高光电及量子效率、长寿命、灵活性和机械稳固性。因此，LED可减少作物和食物的热伤害和降级，也适合在冷藏领域应用。调控LED光源的光谱组成可增加园艺作物和农产品的产量和营养品质。LEDs也能维持或提高采后阶段食物的营养品质，调控水果果实成熟过程，减少真菌侵染。UV-LEDs可保鲜使用，减少化学防腐剂和添加剂用量。DSouza等（2015）综述了LED技术以及其在食物生产、采后保存和微生物安全领域的应用。11植物工厂概述111植物工厂的定义与发展背景植物工厂作为设施园艺的优选级发展阶段，植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的系统，即利用计算机对环境温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内作物生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产系统（杨其长和张成波，2005）。与传统农业生产系统相比，设施农业具有资源利用率高（土地资源、水肥资源、能源等）、生产要素可精准控制、复种指数高、系统可周年生产、高产稳产、产品优质无污染和工厂化、智能化管理等特点。植物工厂是继我国塑料大棚、日光温室、玻璃温室、连栋温室后出现的新型设施园艺生产系统。与传统农业生产系统相比，植物工厂是设施园艺发展的优选阶段，也是现代农业发展的必然趋势。植物工厂在蔬菜、花卉、果品、药用植物和食用菌生产方面具有重要用途，而且在种苗、组培苗、大田作物育苗（水稻、烟草等）和濒危植物（中草药）扩繁与生产中具有独特的用途。设施农业通过强化对光照、温度和CO2等环境要素，对水肥实施精准控制，可根据作物不同生长发育阶段的水肥需求进行定量供给，充分体现了“环境替代资源的战略”构想的内涵。植物工厂按光照来源可分为人工光植物工厂和太阳光植物工厂两种。前者指在接近密闭可控的环境下采用人工光源与营养液栽培技术，在不受外界气候条件影响的环境下，进行植物周年连续生产的植物工厂。后者指在半密闭的温室环境下，主要利用太阳光或短期人工补光以及营养液栽培技术进行植物周年连续生产的植物工厂，即智能化控制的连栋温室。狭义的植物工厂是指人工光植物工厂。总结而言，植物工厂作为现代农业发展的必然趋势，其发展背景受多元背景因素的直接或间接驱动，是我国设施园艺发展的必然选择，通过植物工厂产业化实现中国设施园艺产业跨越式发展。多元驱动背景详述如下。（1）优选气候变化背景。①气候变化导致特别天气事件时有发生，气候灾害更加频繁，使露地农田系统生产性能稳定性降低；在诸多植物难以防御自然灾害面前，植物生产面临挑战；②气候变化下温度、CO2浓度等气象因素的变化直接影响作物生长发育和产量品质，设施农业人工调控干预的必要性和迫切性增加，设施农业生产策略需要调整；③臭氧层破坏导致露地光辐射UV组分增强，影响露地及设施植物生长发育，需要制定应对策略。（2）靠前设施园艺发展背景。①设施园艺是环控农业，环境控制是基本手段，生产要素的环控水平首先取决于设施类型的隔热保温、透光性能，因塑料大棚、日光温室、玻璃温室、连栋温室和植物工厂环控水平逐级提高，是设施农业发展的必然趋势；②靠前设施园艺强国均在发展以水肥一体化管控、环境因子自动化管控为技术特征的现代设施园艺产业。如日本、荷兰、以色列和美国等设施园艺发达国家实践经验指明了植物工厂发展的广阔前景。（3）农业资源环境背景。①农田环境污染严重（农药、重金属和抗生素等），食品安全问题日益突出；②农业资源（土地、水肥和电能等）短缺，质量下降。农业资源数量和质量，农业环境的承载力已无法支撑传统粗放式设施农业的发展，必须实施集约化、工厂化和规模化生产方式，提高资源利用效率，减少环境废弃物排放；③农业稀缺植物资源枯竭，需要植物工厂规模化生产，保护种质资源。（4）食物安全保障背景。①快捷高效、大规模新鲜农产品周年连续生产的迫切需要，满足食物数量需求，保障有效供给；②无污染、安全、高保健价值植物产品周年连续生产的需求，保证质量安全。由于是在干净无尘的环境中生长，加上没有使用杀虫剂，不含重金属等污染物，可富含特定保健营养物质，所以植物工厂种植出来的蔬菜营养健全，口感佳，不需要清洗就能直接品尝鲜食。（5）社会发展水平背景。①优选人口在21世纪持续增长，对粮食和农产品的需求数量和质量逐年增加；②城市化进程加快，农业劳动力短缺，必然需要提高设施农业自动化管控水平，减少对劳动力数量依赖；③城市人口剧增，城市农业发展趋势明显，植物工厂就地产销的优势明显，减少了碳足迹和碳排放，提高了土地利用效率。（6）技术装备水平背景。植物工厂是科技发展耦合驱动的产物。植物工厂是建立在人们对植物生理学规律全面认知，以及对无土栽培技术、LED照明技术、智能控制等技术、环境检测技术、太阳能光伏发电等技术发展耦合驱动的产物。其中，LED节能固态光源的发明及其照明技术发展是21世纪植物工厂技术与产业发展的很直接、有效的科技驱动力，从技术、效率、产品质量和运营成本等多个方面提振了植物工厂产业发展信心，完善了植物工厂的发展策略。可以认为，20世纪60—90年代，LED光源的陆续发明与照明技术的成熟是推动植物工厂21世纪快速发展的很直接、有效、很持久的技术装备因素，兼具多重效益目标、多元调控内涵、多样应用场景的巨大优势，成为替代传统光源，实现植物工厂全生产要素智能化管控的关键且不可或缺的一环。（7）我国设施园艺跨越式发展的客观需求。在我国设施农业一直以北方日光温室和南方塑料大棚为主体的园艺设施，陷入了低投入—低产出—低效益的恶性循环中，单产不高，资源环境代价偏大，迫切需要利用工程手段进行变革，实施“环境替代资源”发展战略，发展现代农业。只有在生产要素高精度条件下，才可改善农业生物的产量、品质，缩短生长周期，提高生产效益。我国农业发展正面临着人口、资源、环境的巨大压力和社会需求持续增长的严峻挑战。以工业化生产理念构建工厂化农业正是摆脱耕地、水、气候等资源和环境的制约，实现产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代可持续农业的必由之路。靠前上，设施园艺强国争相发展植物工厂产业，以应对各种农业可持续发展的挑战。我国设施园艺（特别是设施蔬菜）产业发展处于变革的十字路口，亟待增强设施园艺自动化和环境可控化水平，摆脱设施蔬菜冬春季“忍饥受冻”和夏季“强光高温”的危害。必须充分利用土壤栽培的优点，削减因水肥过量使用导致的病虫害和土壤环境质量问题，实现清洁生产，提升单产和农产品品质。当前设施园艺的主体设施是日光温室，基于日光温室的优缺点，必须大力发展太阳光植物工厂以弥补日光温室园艺作物生产的不足，加速我国设施园艺产业的发展。由于维护结构和空间结构特征差异，日光温室存在空间小、环控水平低、土壤栽培问题严重、水肥管控粗放、操作工人数量多、难以生产品质园艺作物等缺点，太阳光植物工厂恰能很好地解决上述问题。当然，太阳光植物工厂较日光温室，也存在成本高、维护运行费用高、工人素质要求高、资源能源投入高等问题，但从靠前设施园艺发展的成功经验来看，放弃日光温室低投入—低产出—低效益的思想，走适当（高）投入—高产出—高效益的现代设施园艺产业思路是必然选择。植物工厂不仅极大地扩大和延长了农业生产的空间和时间，提高了土、肥、水、光、热等农业资源的利用率和集约化程度，使单位土地面积的生产能力、生产效率、经济效益成倍增长，还能克服传统土壤栽培中常见的连作障碍、土传病害的发生、土壤肥力的下降及因化学肥料的流失而造成的环境问题的发生（Massantini等,1988；Hayden,2006；段彦丹等，2008；Rouphael等,2015），被认为是21世纪解决粮食安全的有效途径。112植物工厂分类植物工厂作为设施园艺的优选级发展阶段，植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的系统，即利用计算机对环境温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内作物生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产系统。植物工厂按光照来源可分为人工光植物工厂和太阳光植物工厂两种。植物工厂是全封闭式或半封闭式空间，环境控制等自动化高新技术周年连续生产的农业生产系统。植物工厂作为一个高技术、高投入和高产出的新兴产业，是现代生物技术、环境工程、机械传动和自动化控制等高新技术综合集成的产物，也是设施农业发展的不错阶段，其主要特征包括：准确可控环境设施、工厂化作业、绿色环保和高密度生产等（杨其长，2012；杨其长，2016）。分析而言，起源于日本学者的植物工厂概念均存在一定的不足，主要表现在定义概括性过强，边界条件较为模糊，未涉及设施类型、设施密闭性和控制因素及其精度的差异性。这阻碍了人们对植物工厂的统一认识，混淆了系统技术研发方向和产业化应用方向，是有害的。植物工厂应具备“工厂”基本属性的密闭式植物生产系统，生产的自动化程度是衡量植物工厂现代化和工厂化生产潜力的核心指标。从概括性和严谨性角度思考，植物工厂环境控制本质上包括三类：水肥自动化控制技术、环境因素自动化控制和植物产品生产空间管理技术。植物工厂植物生产要素的自动化管控可实现植物产品由种子到农产品的转变，其过程可能是整批次性的，也可能是分批次的，分区采收和连续递进采收，后者才是具有流水线特征的真正意义上的植物产品自动化生产。植物工厂应是具有一定自动化程度的流水线式植物生产设施，植物产品的空间管理自动化是发展趋势。自动化的流水线分为产前（育苗）、产中（移栽定植+栽培）和产后（采收、包装）三个阶段，重点是产前与产中阶段。植物工厂的本质特征为生产要素的自动化控制，但植物工厂的自动化水平是有层次的，设施智能化水平是有划分的，不是一致的。基本内涵包括：①植物工厂是一种植物生产设施，具有隔离或控制物质与能量与外界的交换的能力；②生产空间的生长要素、洁净度采纳了不同控制程度的自动化管理，比如水肥一体化，温度、光照、湿度、CO2浓度和气流速率等的控制；③控制的自动化程度不同，既有开闭控制，又有自动化动态控制。人工控制和智能自动化控制结合，关键是控制措施可扩展并覆盖到植物工厂整个生产空间，而非局部；④判定植物工厂的指标重要性图谱依次为水肥一体化、环境要素（温度、光照、气流、湿度和CO2浓度等）、操作管理（定植移栽、采收操作）。因此，植物工厂推荐定义应着力阐述其设施内的自动化控制本质特征。先前定义着眼于植物工厂优选阶段和理想形式，而忽略了植物工厂发展过程赋存的多种形态，难以囊括当前所有植物工厂模式，建议需要进行修正。植物工厂是指植物生长发育直接相关的部分或全部生产要素（环境因子和水肥供给等）全程可自动化调控，并具有一定的植物生产流程的空间自动管理功能，实现植物规模化高效生产，较少或不受外界环境干扰的设施生产方式（刘文科，2016）。基于这一定义，日光温室、多层建筑形式的设施模式在一定条件下也可被归为植物工厂，只要它具备定义本质特征。关于植物工厂的分类，因所持的角度不同，其划分方式也各异。方法一：从建设规模上来分可分为大型（1 000m 以上）、中型（300～1 000m）和小型（300m以下）；方法二：从生产功能上来分可分为植物苗工厂、叶菜工厂、果菜工厂、果树工厂、组培苗工厂和中药材工厂等；方法三：按光能的利用方式不同来划分，共有两种类型，即太阳光利用型、人工光利用型。其中，人工光利用型被视为狭义的植物工厂，称为人工光植物工厂，以连栋温室为代表的视为太阳光植物工厂。目前，第三种分类方法被普遍认同。该分类方法是按照植物生长中很重要的条件光能的来源来分类的，仅与光源类型有关，与生产要素管控自动化水平无关。因此，该分类体系无法评价植物工厂的现代化水准，无法评价生产效率水平、投资等，与植物工厂定义联系松散。而且，局部性特征的定义将误导公众对植物工厂的理解和认同。生产要素管控自动化水平是判定设施系统是否是植物工厂的根本依据。自动化控制是指采用计算机或控制器，利用执行机构可按照需求将生产要素稳定或控制到一定水平的能力，是一种主动非被动过程。按照植物工厂生产要素的自动化程度法分为四类：①环境要素部分控制型，控制生产要素包括温度、气流、光照、洁净度等部分环境要素；②环境要素接近环境控制型，控制生产要素包括温度、湿度、CO2浓度、气流、光照、洁净度等全部环境要素；③生长要素部分控制型，部分或全部环境要素、水肥要素、植物产品从育苗到采收空间管理实现了自动化水平；④生长要素接近控制型，环境因素、洁净度、水肥以及植物产品从育苗到采收的空间管理接近实现了自动化管控，是植物工厂发展的优选级阶段。113植物工厂的生产优势植物工厂具有露地农业生产无法比拟的优势。据估算，以生产叶菜为例，人工光植物工厂的生产效能约为露地生产的40～108倍（Kozai,2013），农业生产效率获得极大地提升。植物工厂生产优势主要表现在以下几个方面。①植物工厂是稳定的生产系统，植物工厂不受外界气候条件影响（如各种自然灾害—台风、干旱、水涝和病虫害等），可进行计划性周年连续生产或按照订单生产，生产周期可控，产量稳定；②植物工厂土地资源利用率高，植物工厂可实施多层立体栽培，单位面积产量高，土地、空间资源利用率高；③植物工厂采用流水线式自动化生产方式，植物工厂的机械化、自动化程度高，劳动强度低，工作环境舒适，劳动力投入少；④植物工厂产品品质高，植物工厂生产空间和生产材料洁净程度高，植物产品无病虫害发生，不使用农药，产品安全无污染，无病原菌附着，营养品质高；⑤植物工厂适宜在多种土地资源上建设，植物工厂可在闲置办公室、工厂、仓库，以及非可耕地（如砂石地与盐碱地）和不适宜土壤栽培的地区建设人工光植物工厂；⑥植物工厂植物栽培效率提高，植物工厂环境因子控制精度高，植物生长快，不仅缩短生长周期，且确保了植物苗生长的一致性，农产品营养品质可调控；⑦植物工厂可采纳LED和光伏发电等节能技术装备。植物工厂适宜LED半导体光源应用，可大幅提高资源能源利用效率；植物工厂适宜与光伏农业结合，充分利用屋顶空间和太阳能；⑧植物工厂规模可大可小，适宜多种场所，具有“无所不在”特征。植物工厂可用于商业化规模化生产，也可用于家庭、办公室等小型场所观赏和体验，适用于多种场所，功能丰富。植物工厂可满足极地、太空和岛屿等特殊地域使用；也可在城市周边或市区建立植物工厂，就地生产销售，减少运输碳足迹；⑨植物工厂技术集成化程度高，环保效益丰硕。植物工厂采纳水肥一体化技术装备，无废弃物排放，同时可大幅度吸纳二氧化碳气体，释放氧气，环保效益高；⑩其他优势。除上述优势外，植物工厂的生产优势和所生产农产品优势见相关著作《设施蔬菜无土栽培及其根区与冠层调控》中表9-1和表9-2所示。植物工厂这种植物生产系统杜绝了有害农药、化肥和防腐剂的使用，使产量得到有效提高，且几乎无化学添加，与现代人追求高品质的绿色健康生活宗旨不谋而合。调动植物工厂中一切可控因素，实现植物很大净光合速率，增加干物质累积速率，提高农产品产出数量和质量是植物工厂的中心目标。围绕此中心目标，需优化实施环境因素控制、养分水分供给、植物种类与种类甄选等相关条件，达到整体上综合控制、整合与耦合生长条件，促进植物叶片、根系与空气、根际之间的气体、水分、养分和根分泌物的释放与吸收，按照植物生长得时空需求提供很好的植物生长环境和水肥条件，减少或避免病虫害、植物的营养或生理失调的发生，兼顾快速生长获得高产的同时且可达到优质的目标。众所周知，精准环境调控是植物工厂周年连续高效生产的技术基础和本质优势。植物工厂应高精度环境控制包括是植物生长环境因子精准控制、水肥精准供给、生产空间无菌无尘控制、操作人员洁净及植物生产流水线空间管理等内容。在植物工厂可控的环境条件下，植物生长发育速率及商品部位产量、品质高低是判定环境控制是否高效的系统标准，也是植物工厂环境控制综合水平考核的很终指标。洁净环境是人工光植物工厂的优势之一。人工光型植物工厂是由准备间、参观室、栽培室、作业室、设备间、预冷库、仓库、事务室、更衣室和洗手间等房间构成。在生产过程中，为了防止附着在人身体上痢疾杆菌、霍乱弧菌等细菌污染作用，很多植物工厂严格要求工人必须换穿无菌作业服，经过风淋室消毒后才能进入栽培室和作业室，减少病原菌进入生产空间。在栽培室内，应通过空气净化器保持室内洁净度，减少微生物和粉尘数量，实现洁净生产。人工光植物工厂的栽培室由6大要素构成：①高保温、高密封、高清洁度的房间；②照明装置和配备营养液栽培槽的多段栽培架；③家用空调或工业空调，以及室内空气循环风机；④CO2施肥装置；⑤营养液罐及配管、循环泵、杀菌装置（紫外线、臭氧和过滤膜等）等；⑥室内气温、照明和营养液等环境测量控制装置。此外，还包括空气净化器等附属品。114植物工厂的栽培方式生产要素的智能控制是植物工厂很为本质的特征。当然，植物工厂技术的发展不是短期形成的，它是工业技术和农业技术发展共同作用的结果。归纳而言，植物工厂发展的技术基础包括以下4个方面：①矿质营养学说的提出及化肥工业的发展孕育产生的立体无土栽培技术；②计算机与传感器技术的发展使环境因子与养分检测与控制成为现实；③半导体照明技术的发展促进了人工光照技术的发展，扩展了光环境控制的内涵；④流水线无人化和自动化的管理机器装备是植物工厂未来重点发展的关键技术。当前，植物工厂所有环境因素都实现了自动检测、储存分析和智能控制，发展智能型植物工厂的时机已经成熟，重点是要实现自动化流水线式生产技术体系。温室作物栽培实现了对种植环境的人工控制，无土栽培又将栽培作物的根区环境实现了人工控制，所以设施无土栽培蔬菜的根区、冠层是可以接近人工控制的，极大地提高了增产高产的潜力。顾名思义，无土栽培是指不用天然土壤，而是只用基质或仅育苗时用基质，而用营养液进行灌溉的栽培方法统称为无土栽培。这种栽培采用营养液取代天然土壤向植物提供水分、养分、氧气和温度，使植物能够正常生长，完成其整个生命周期。然而，无土栽培根区环境除了能够提供固定植株，提供水分、养分、氧气、温度外，还需要保持黑暗环境，避免绿藻滋生，这也是无土栽培设施应具备的基本功能。植物工厂是采纳无土栽培进行生产的，可实现循环利用，杜绝营养液的环境释放，可大幅度提高水肥利用效率。水肥一体化是发展现代农业重大技术，更是资源节约、环境友好现代农业重要技术。水溶性肥料和灌溉设备是水肥一体化技术的两大物质材料。我国常规肥料利用率大都在20%～30%，而水溶性肥料可以达到70%～80%。土壤栽培具有很多局限性，设施蔬菜无土栽培取代土壤栽培是技术发展的必然趋势。土壤栽培无须购置介质材料，简单易操作，成本低。但是，因土壤比重大、紧实难移动、三相组分复杂、组分不可精准剔除、物理化学和生物学属性调控难等缺点，蔬菜产量和品质难以按照生产需要灵活调节，也缺乏调控根区与冠层的有效手段；加之设施内大气—土壤—地下水是连通的整体，在太阳光热和农艺措施的共同控制下投入的水肥、农药、抗生素等外源化学物质和温室气体可直接照释放到地下水或空气中，或者残留到土壤体中，生产过程很难做到洁净生产，易污染环境。无土栽培是控肥控水的栽培方式，具有土壤栽培无法比拟的优势：①无土栽培（特别是基质栽培）是限根栽培，通过物理隔绝将根系和栽培介质到一个有限的局部区域，使得农业投入品被约束无法释放到环境中，阻断了扩散淋洗途径，解决了土壤栽培面源污染与连作障碍问题；②精准滴灌水肥一体化可从源头减少水肥投入，防止了面源污染和土壤质量恶化，替代末端治理修复。但是，传统的无土栽培技术装备要求高，介质体积小，水肥和温热缓冲能力小，需要精准控制策略，避免断电等意外发生。当前，基于设施作物生物学特性，尤其是食用部位，主要采用水培、基质培、气雾培和半水培等栽培方式，太空农业有其特有的栽培系统，以适应微重力或失重环境。(1)水培（Hydroponics）。水培或营养液栽培是植物工厂蔬菜生产的主体栽培技术，不利用固体基质而单一利用营养液进行栽培地一种栽培方法。由于水介质具有纯度高、流体易移动、可消毒、易调节组分等优点，是植物工厂优选栽培方式。植物工厂多采用立体多层栽培模式，提高蔬菜生产效率和空间利用率。水培需要维持稳定持续的水分和养分供给，也要保证根系获得充足的氧气供给，避光照才能生长良好。因此，在栽培装备上要包括：①立体多层支架，承重营养液和栽培装置，并保持水平；②栽培床系统（栽培槽、带栽培孔的盖板、栽培杯或海绵块及辅助装置）承载植物；③营养液管路系统，使得营养液均匀等深度地流经栽培槽底部，使得根系与营养液充分接触，吸收水分和养分；④泵动系统和营养液池（槽），供给营养液，接收回液；⑤控制系统，包括营养液调配系统和控制系统，按需提供营养液；⑥人工光照明系统，提供适宜植物生长的光环境，包括光强、光质和光周期；⑦消毒过滤系统，通过UV、O3等方式消毒去掉病原菌，保持植物工厂健康。水培适合多数植物工厂植物栽培生产，如叶菜、叶类药用植物等。但是，根菜和根茎类药用植物必须采纳基质栽培模式生产。水培有多种衍生栽培模式，按栽培装置面积大小分可分为槽床式栽培和管道式栽培。槽床式栽培分为营养液膜技术（NFT）和深液流技术（DFT）2类，前者主要适合果菜生产，后者适合叶菜生产。槽床式栽培和管道式栽培都可实现多层立体栽培，其中NFT和DFT技术在植物工厂中应用广泛。NFT是指将植物种植在浅层流动的营养液中的水培方法，而DFT是指将植物种植在较为深层且流动的营养液层内的一种种植技术。管道式栽培是指利用PVC管等材料按照一定形状连接起来，通过泵动和重力作用营养液在管道内流动生产植物的方法。（2）基质培（Substrate culture）。基质培是指采用固态颗粒或粉末状基质，通过智能供给营养液栽培植物的方法。因此，在栽培装备上要包括：①立体多层支架，承重营养液和栽培装置，并保持水平；②栽培槽、盆钵和栽培基质承载植物；③营养液管路系统或滴管系统，使得营养液均匀等深度地流经栽培槽底部，使得根系与营养液充分接触，吸收水分和养分；④泵动系统和营养液池（槽），供给营养液，接收回液；⑤控制系统，包括营养液调配系统和控制系统，按需提供营养液；⑥人工光照明系统，提供适宜植物生长的光环境，包括光强、光质和光周期；⑦消毒过滤系统，通过UV、O3等方式消毒去掉病原菌，保持植物工厂健康。水培适合多数植物工厂植物栽培生产，如叶菜、叶类药用植物等。但是，有些植物种类（如根菜和根茎类药用植物）基于特殊的生物学需求，需要根部提供压力和固体环境，在营养液中无法膨大根系，必须采纳基质栽培模式生产。基质栽培缺点较多。一是基质组分复杂。基质含有各种微生物、化合物和有机无机物质；二是污染营养液。基质中水溶性物质易进入营养液中，污染营养液，滋生微生物；三是基质根际环境调控难于水培。基质培很难自动化精准控制水肥供给，水肥循环再利用难度大；四是基质培蔬菜采收和基质中根系去除难度大。就植物工厂中植物的供液方式而言，日本普遍使用潮汐式，采用底部定时给水和排水的营养液供液技术，具有节水节肥、生产效率高、降低环境污染等优点，主要针对盆栽植物和容器育苗，亦可应用于设施花卉、蔬菜生产及种苗生产（Van der Gaag等,2001；张晓文等，2011）。与此同时，温室工厂化育苗开始逐渐推广漂浮式育苗，这是一种将种子播于装有轻质育苗基质的泡沫穴盘上，使之漂浮于水面，由水床和基质提供水分和养分的供液技术（饶贵珍等，2008），已成功应用于烟草（Masaka等,2007）、番茄和草莓（张军云等，2011）等园艺作物育苗。前人研究表明，潮汐式灌溉通过毛细管作用可以满足植物的水肥供应，有利于植株根系及植株的快速生长（王成等，2008）。漂浮式育苗能促进植株根系主根生长、侧根发生（齐选民等，2008），从而增加植株生长量（Bilalis等,2009）。尽管目前有很多关于漂浮式育苗与传统育苗方式的报道，但有关植物工厂中漂浮式与潮汐式供液方式对育苗影响的报道很少。苗妍秀等（2012）以植物工厂辣椒育苗为对象，研究漂浮式（floating system）与潮汐式（ebb and flow bench system）供液方式对育苗的影响。试验结果表明，漂浮式处理营养液和基质的pH值显著高于潮汐式处理，EC值显著低于潮汐式处理；与潮汐式处理相比，漂浮式处理中幼苗株高和茎粗分别增加184%和236%；漂浮式处理幼苗根尖数、总根长和直径在0～05mm的根长分别增加了370%、455%和501%；幼苗地上部鲜质量、全株鲜质量、地上部含水量和植株含水量分别增加456%、321%、25%和18%。漂浮式育苗显著促进辣椒幼苗侧根生长，形成良好的根系系统，促进根系对水分和可溶性盐类的吸收，加快地上部形态建成，提升种苗整体质量。与潮汐式育苗相比，漂浮式育苗能显著促进根系对可溶性盐类的吸收。潮汐式灌溉系统起源于设施栽培技术发达的荷兰（刘铭等，2010），该项技术很早应用于北美、欧洲等设施栽培技术发达的国家（周长吉，2005），在荷兰已成为温室花卉种植和蔬菜工厂化育苗的主要灌溉方式（辜松等，2013）。以类似涨潮落潮的底部灌溉方式，通过基质的毛细管作用将水分提升到栽培容器中。潮汐式灌溉方式有床式、槽式和地板式等，能够起到节水节肥、保持叶面干燥、减少菌类滋生、促进光合作用和稳定根部水气含量等作用。无土栽培可有效阻断虫源入侵，减少病虫害的发生，为蔬菜提供适宜的生长环境（王成等，2008；张跃群和佘得琴，2002）。将潮汐式灌溉和无土栽培技术相结合，利用二者的优势，可实现速生叶菜规模化、集约化和机械化生产。目前潮汐式灌溉已在花卉与蔬菜工厂化育苗中得以规模化应用。包长征等（2010）和李建设等（2010）对潮汐灌溉条件下蔬菜育苗进行了研究。结果表明，与传统灌溉相比，潮汐灌溉节水率达到40%；同时与上部喷水的灌溉方式相比，潮汐灌溉条件下黄瓜、辣椒和西葫芦幼苗的生长势和光合作用均不错，达到壮苗标准的幼苗数量也很多。潮汐灌溉底部供液，具有基质水肥供给均匀、快速；幼苗地上部保持干燥，降低病虫害发生；节省劳动力和生产成本，而且供液效率高等优点（赵颖雷和任莉，2013），从而解决了传统育苗每株秧苗之间水肥环境独立、出苗不整齐、长势不一致等问题。目前靠前潮汐灌溉技术研究还处于起步阶段，系统设备和供液准确程度还有待于完善和提高。采用电子控制设备，提高灌溉效率和供液准确程度，保证育苗质量和提升栽培效果，是未来穴盘育苗发展的必然趋势。根菜需要采用基质培进行植物工厂生产。樱桃萝卜是一种生长周期短，株型矮小的根菜作物，其地上部及地下部均可食用，营养丰富，经济价值高，很好适宜在植物工厂中栽培。光环境调控是人工光生产中提高产量和改善品质的有效手段。光质、光强是光环境的关键组成部分，二者均可对根菜作物的生长发育产生显著影响。据早期报道，萝卜的形态显著依赖于光质，单独红光下，萝卜不形成膨大根，根冠比低，但地上部生长受光质影响较小（Kara 等，1996；Bukhov等，1997）。补充蓝光能够促进非结构性碳水化合物在地上部和贮藏根的分配，从而促进贮藏根的增粗（Samuolienè等，2011），红光LED补充10%蓝色荧光能够显著增加萝卜干重但仍无法达到萝卜的很大生长效率（Yorio等，2001）。然而Drozdova等（2001）发现，在单独红光下，萝卜生长后期肉质根中也能积累大量的干物质。多个研究表明，光照强度对根菜的肉质根生长发育有显著影响（Ikeda 等，1988；Inada和Yasumoto，1989；Cope等，2014）。在100～500μmol/（m2·s）光强范围内，随着光强的下降，根甜菜、胡萝卜和萝卜的贮藏根干鲜重均显著降低，但不同光强下根甜菜、胡萝卜的地上部鲜重维持不变，萝卜地上部干鲜重却随光强降低而降低，但其影响程度比根部轻（Hole和Dearman，1999）。目前，有关纯红光和纯蓝光对萝卜生长影响的研究较多，但关于红蓝组合光对萝卜生长影响的研究报道甚少。Cope等（2014）利用含有其他光质的不同比例，研究红蓝光光质对萝卜生长的影响，发现随着蓝光比例的增加，萝卜叶片中的叶绿素和干物质含量均表现为先增加后降低的趋势，优选值出现在蓝光比例为20%～30%时的情况，当然其结果也可能受其他光质的影响。另外，光质、光强这两个光环境因子并不是相互独立的，而是共同影响植物生长发育。在不同光强下，光质对植物的影响也会发生改变。例如光强100μmol/（m2·s）时，不同红蓝光比下生菜干重差异不大，当光强200～300μmol/（m2·s）时，红蓝光比023～033的干重显著高于其他组合（Furuyama等，2014）。但目前关于在不同光强下光质对萝卜生长影响的研究也鲜有报道。刘文科团队采用LED光源在室内可控环境下研究了红蓝光配比（RB）及其光强和光周期对樱桃萝卜生长与产量的影响，以探索适合樱桃萝卜工厂化生产的光照条件。试验一光照处理设置了2种红蓝光比（1R1B、2R1B）和3种光照强度［180μmol/（m2·s）、240μmol/（m2·s）和300μmol/（m2·s）］；试验二设置了2种红蓝光比（1R1B、2R1B）和2种光周期（12/12、16/8）。结果表明，光强为180μmol/（m2·s）时，1R1B和2R1B对樱桃萝卜各生长指标的影响无显著差异。光强为240μmol/（m2·s）和300μmol/（m2·s）时，2R1B处理的地上部和肉质根干鲜重、根直径和根体积均显著高于红蓝光1R1B处理。樱桃萝卜的叶片叶绿素含量和肉质根的直径、干鲜重均随着光强的增加而增加。光强为240μmol/（m2·s）和300μmol/（m2·s）时，樱桃萝卜的根才能膨大增粗形成肉质根。光周期为12/12时，1R1B和2R1B处理的真叶数、叶片叶绿素含量、地上部和肉质根干鲜重均无显著差异。光周期为16/8时，2R1B处理显著提高了樱桃萝卜的根直径、根体积和肉质根干鲜重。光质一定时，叶片叶绿素含量随光周期延长显著增加。2R1B、光周期16/8的处理的樱桃萝卜生物量显著高于其他光质光周期组合。数据表明，光强240～300μmol/（m2·s）、2R1B、光周期16/8的光环境参数比较适宜樱桃萝卜的人工光生产。总之，一定强度适宜的LED红蓝光质是植物工厂樱桃萝卜高产的光环境基础，并且光强高于一定临界值时红蓝光质的调控作用更为显著。彩图1-1是试验一中2种LED光质和3种光强下定植24d时樱桃萝卜的生长情况。彩图1-2是试验二中2种LED光质和2种光周期下定植24d时樱桃萝卜的生长情况。由表1-1可见，不同强度2种红蓝光配比LED照射下，定植24d后樱桃萝卜植株上的叶片数均无显著性差异，每棵植株上平均有3～4片叶；叶龄较长的老叶叶绿素含量（SPAD值）不同处理之间也无显著差异，而新叶叶绿素含量不同处理之间有一定的差异。各处理新叶中叶绿素含量优选达494，大力度优惠为385，表现出随光强增强而增高的特点，但光强相同时2种红蓝光配比下新叶叶绿素含量无显著差异。表1-1不同红蓝光配比及光强处理下樱桃萝卜地上部生长指标的比较

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不错阶段和必然趋势，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，是设施园艺发展的不错阶段。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最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可作为唯一光源或补光光源满足设施园艺作物光环境配置需求，优选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优选进步之一，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最佳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最优光质、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最佳场所，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最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最新研究成果，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最新研究进展，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。最后，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