紫外光在植物工廠中分布特征及應(yīng)用前景

　　紫外 (UV) 光在植物光形態(tài)建成、 次生代謝和葉色形成方面具有重要光生物學(xué)和光化學(xué)作用， 在調(diào)控設(shè)施園藝優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)方面具有潛在應(yīng)用價值。綜述了人工光植物工廠和太陽光植物工廠中UV光的分布規(guī)律， 特征波長UV光的植物效應(yīng)及其人工調(diào)控的必要性和調(diào)控策略。提出了植物工廠中UV-LED利用的前景、 目標(biāo)和方法。為進(jìn)一步鼓勵和發(fā)展LED植物照明，記者聯(lián)系了中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所劉文科教授特分享了一些論文，希望對投身LED植物照明領(lǐng)域的人士有所幫助。

　　作者：劉文科， 楊其長 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所， 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室

　　在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中， 光照條件的好壞直接關(guān)系著露地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和效益。因此， 認(rèn)識、 利用和調(diào)控太陽光譜成分一直是農(nóng)業(yè)研究的重要內(nèi)容。尤其在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中， 設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展成為支柱產(chǎn)業(yè)， 人工光環(huán)境調(diào)控的技術(shù)客觀需求變得現(xiàn)實且迫切， 調(diào)控目標(biāo)得到了拓展， 以人工照明為手段的光環(huán)境調(diào)控已經(jīng)成為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇。

　　太陽光是連續(xù)光譜， 其波長范圍從100 nm的X射線到100 m的無線電波。太陽輻射中99%的能量集中在280~500nm波段范圍內(nèi)。太陽光中不同光譜對植物光合作用貢獻(xiàn)大小不一， 僅400~700 nm范圍的光為植物光合有效輻射， 參與了植物的碳水化合物合成的光反應(yīng)過程。而根據(jù)人眼的感知能力， 通常把太陽光譜分為可見光和不可見光， 不可見光包括紅外光和紫外光， 其中波長小于380 nm的波段稱為紫外光。根據(jù)紫外線的物理和生物學(xué)特性， 將其分為3個波段： 即波長為320~380 nm長波紫外線 (UV-A)， 波長280~320 nm的中波紫外線 (UV-B) 和波長100~280 nm的短波紫外線 (UV-C) [1]。在全部太陽輻射中可見光約占50%， 紅外線約占48%~49%， 其余紫外光約占1%~2%。研究表明， 在太陽光光譜中光合有效輻射、 UV和遠(yuǎn)紅光對植物生長發(fā)育具有調(diào)控功能，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有應(yīng)用價值。

　　1、 露地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中UV輻射特征

　　太陽輻射通過大氣層后， 光強(qiáng)和光譜均發(fā)生了變化。表現(xiàn)為X射線和一些超短波輻射減少， 主要是被電離層氧、 氮　　及其他大氣成分強(qiáng)烈吸收過濾了。對紫外線而言， 大氣平流層中的臭氧幾乎能吸收全部 UV-C， 而UV-A和UV-B能夠達(dá)到地面， 到達(dá)地面的UV中95%為UV-A， 5%為UV-B[1]。波長大于2500 nm的射線由于大氣層CO2和水蒸氣的強(qiáng)烈吸收，到達(dá)地面的能量微乎其微。太陽輻射中只有可見光部分較為完整地到達(dá)地面， 在大氣層中損失較小。因此， 在到達(dá)地面的太陽光譜中， UV-A和可見光豐富， UV-B及其他波長的光質(zhì)較少， 這決定了露地植物所能接收到的太陽能量及光信號的種類。就輻射能量而言， 太陽光經(jīng)過大氣層到達(dá)海平面處或地球表面， 再到植物葉片表面輻射能量逐漸降低， 最終植物光合作用固定的太陽能僅占照到植物葉片表面太陽輻射的5%[2]。

　　近年來， 由于氯氟烷烴 (CFCs) 和氮氧化合物等化學(xué)物質(zhì)大量釋放， 致使大氣平流層臭氧含量下降[3]。大氣臭氧層遭到破壞削弱了其對太陽UV-B輻射的吸收作用， 導(dǎo)致到達(dá)植物葉片表面的UV-B輻射強(qiáng)度有增加趨勢。臭氧層破壞對UV-A和UV-C輻射的空間變化無影響， 研究表明即使臭氧層減少90%也不會有UV-C到達(dá)地面。到達(dá)地面的UV-B輻射增強(qiáng)， 對暴露的地球植物而產(chǎn)生嚴(yán)重的生物學(xué)效應(yīng)。據(jù)估計， 大氣臭氧每減少1%， 到達(dá)地表的輻射強(qiáng)度將增加2%~3%， 糧食將減產(chǎn)2%[4]。1978—1991年大氣層臭氧降低了1%~5%， 到2060年將減少16%。UV-B輻射增強(qiáng)、 溫室效應(yīng)、 酸雨并稱為全球3大環(huán)境問題。

　　2、 植物工廠中紫外光的分布特征

　　植物工廠作為設(shè)施園藝的一種生產(chǎn)形式， 是通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制， 實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效設(shè)施農(nóng)業(yè)系統(tǒng)， 不受或很少受自然條件制約的全新生產(chǎn)方式[5]。植物工廠被國際上公認(rèn)為設(shè)施農(nóng)業(yè)的最高級發(fā)展階段， 是衡量一個國家農(nóng)業(yè)高技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。較傳統(tǒng)設(shè)施園藝， 植物工廠具有眾多生產(chǎn)優(yōu)勢， 生產(chǎn)效率高， 可控性好， 應(yīng)用前景廣闊。因此， 植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的必然趨勢， 對解決21世紀(jì)人口、 資源、 環(huán)境問題的具有重要意義， 也是未來航天工程、 月球和其他星球探索過程中實現(xiàn)食物自給的重要手段[5]。

　　通常， 植物工廠可分為太陽光植物工廠和人工光植物工廠兩類， 兩類植物工廠UV輻射背景值、 UV光環(huán)境調(diào)控方面存在差異。人工光植物工廠需要人為利用電光源為植物提供光照， 而太陽光植物工廠的光能主要來自太陽光， 人工補(bǔ)光僅起輔助作用。

　　太陽光植物工廠通常是以半密閉式玻璃溫室或日光溫室為維護(hù)結(jié)構(gòu)， 以太陽光為光源， 故此其內(nèi)的UV輻射分布特征與玻璃、 遮陽網(wǎng)和棚膜材質(zhì)密切相關(guān)。溫室和大棚由于覆蓋材料 (玻璃、 塑膜和高質(zhì)量防老化膜等) 而對自然光有吸收、 遮擋和過濾作用[6]。一般， 覆蓋材料對可見光的透過率在88%左右， 紫外線透過率僅在15.9%~21.1%。與露地相比， 網(wǎng)膜和玻璃能濾掉大部分UV-A和UV-B， 太陽光植物工廠中UV-A和UV-B顯著降低， 紫外輻射顯著減少。露地晴天中　　午UV-B輻照度約為0.5 W·m-2， 而玻璃溫室內(nèi)僅約0.075 W·m-2[7]。此外， 太陽光植物工廠中UV輻射還受補(bǔ)光燈具的影響， 因為高壓鈉燈 (HPS) 或紫外燈具含有UV輻射成分。人工光植物工廠通常以密閉式避光建筑作為維護(hù)結(jié)構(gòu)， 以人工光源為植物光照來源 (如熒光燈和發(fā)光二級管 (LED) 燈)， 紫外輻射強(qiáng)度完全取決于人工光源光譜中紫外光成分的多寡。

　　人工光植物工廠取決于燈具的UV輻射量， 熒光燈中含UV輻射成分非常少， 非UV-LED燈具中的UV輻射成分幾乎為零。所以， 人工光植物工廠中光照中UV-A和UV-B輻射非常缺乏， 甚至完全缺失。

　　3 、UV對設(shè)施植物生長與品質(zhì)的調(diào)控作用

　　植物工廠的一個重要特征是缺乏太陽光中的UV-A和UV-B輻射， UV缺乏情況下設(shè)施園藝作物的生物效應(yīng)尚不清楚; 但伴隨臭氧層破壞太陽輻射中的UV-B強(qiáng)度提高， 設(shè)施內(nèi)UV的變化及其生物效應(yīng)目前更不清楚。一方面， 植物工廠覆蓋材料保護(hù)了設(shè)施植物免受UV輻射的危害， 但是完全缺失UV輻射也帶來了生產(chǎn)負(fù)效應(yīng)。所以， 調(diào)控植物工廠內(nèi)UV的輻射水平是十分必要的， 但這種調(diào)控必需以生產(chǎn)需求和植物耐受響應(yīng)規(guī)律為依據(jù)。目前， 設(shè)施蔬菜暴露在不同或劑量變化的紫外線輻射下的生物學(xué)效應(yīng)已成為新的生態(tài)學(xué)和生物學(xué)問題， 成為國際研究熱點。

　　3.1 UV輻射的生物效應(yīng)

　　適宜的UV輻射對設(shè)施蔬菜的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)十分重要。UV輻射缺乏會對設(shè)施蔬菜生長發(fā)育造成負(fù)效應(yīng)。例如， 低UV-B輻射通常造成設(shè)施蔬菜的植株徒長， 營養(yǎng)品質(zhì)低、 色澤晦暗， 味道不鮮等問題， 還會阻礙植物色素的合成， 不利于茄果類蔬菜生產(chǎn)。合理的UV-B輻射劑量能矮化植株[8]， 促進(jìn)次生代謝產(chǎn)物如類胡蘿卜素的積累等作用[9]， 改善番茄果實品質(zhì)[10]。但是， UV-B高劑量暴露也會引發(fā)植物光合作用的一些響應(yīng)， 如CO2吸收、 光合電子傳遞鏈、 暗呼吸、 氣孔行為、 色素含量和植物內(nèi)源激素含量， 抑制植物的生長發(fā)育[11]。UV-A也影響植物的生長和發(fā)育， 但生物學(xué)效應(yīng)較小。

　　為了解決蔬菜設(shè)施栽培中存在的這些問題， 利用人工控制UV-B光源在設(shè)施內(nèi)補(bǔ)充UV-B輻射對于改善這些蔬菜的品質(zhì)， 能取得良好的效果。另外， 人工光栽培蔬菜以熒光燈和LED為主要光源， 品質(zhì)調(diào)控問題必須依賴于補(bǔ)充UV-A和V-B。目前， 設(shè)施人工光栽培以熒光燈和LED紅藍(lán)光組合光源為主要光源， 很明顯缺乏紫外光譜組成。設(shè)施內(nèi)紫外光的缺失導(dǎo)致嚴(yán)重的生長和品質(zhì)問題， 補(bǔ)光優(yōu)化光譜組成十分迫切。LED已作為節(jié)能光源應(yīng)用于人工光設(shè)施蔬菜栽培。

　　LED具有其他電光源無法比擬的優(yōu)勢： 節(jié)能環(huán)保、 冷光源、 使用壽命長、 體積小、 光質(zhì)純、 光效高、 波長類型豐富、 光譜能量易復(fù)合、 調(diào)制便捷等突出優(yōu)勢， 可近距離照射植物， 可采用多層立體栽培系統(tǒng)， 提高空間利用率。因此， UV-LED將在植物工廠中具有應(yīng)用優(yōu)勢， 在提高植物工廠生產(chǎn)效能， 增加生產(chǎn)過程可控性方面發(fā)揮作用。

　　3.2 UV輻射在植物工廠中的應(yīng)用

　　設(shè)施園藝作物品質(zhì)是衡量其產(chǎn)品商品價值的重要指標(biāo)，國際上關(guān)于園藝產(chǎn)品營養(yǎng)學(xué)研究方興未艾。植物工廠中紫外光的利用與調(diào)節(jié)對保障優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)非常重要。應(yīng)用人工控制UV光源在設(shè)施內(nèi)補(bǔ)充UV輻射技術(shù)， 能減少化學(xué)方法導(dǎo)致的蔬菜徒長和改善蔬菜品質(zhì)， 是生產(chǎn)綠色有機(jī)食品的重要保證。可是， 迄今關(guān)于中長波紫外光補(bǔ)光對設(shè)施蔬菜營養(yǎng)品質(zhì)， 尤其是抗氧化物質(zhì)的調(diào)控機(jī)制研究的報道較少， 缺乏紫外光有效的管理調(diào)控技術(shù)與裝備。

　　Li等[12]發(fā)現(xiàn)， 熒光燈下不同LED光質(zhì)明期補(bǔ)光對生菜營養(yǎng)品質(zhì)有影響， 增加 UV-A 能夠提高花青素含量 11%。Caldwell等[13]研究了補(bǔ)充UV-A和UV-A+UV-B處理對8種綠葉和紅葉生菜品種類胡蘿卜素和葉綠素影響， 證明補(bǔ)充UV-B增加了綠葉生菜類胡蘿卜素和葉綠素的含量， 但降低了紅葉生菜中類胡蘿卜素和葉綠素含量。不同葉色生菜響應(yīng)UV-A和UV-B輻射的差異可能是由于植物酚醛水平的光依賴性變化造成的。紅葉生菜中UV誘導(dǎo)出相對于綠葉生菜顯著高的酚醛物質(zhì)， 可能降低了葉綠體中類胡蘿卜素的光保護(hù)需求[14]。大棚番茄補(bǔ)充照射UV-B的結(jié)果表明， 高劑量UV-B可降低番茄紅素和維生素C的含量， 低劑量UV-B可提高番茄紅素和維生素C (Vc) 含量[10]。Tsormpatsidis等[15]研究了不同UV輻射透過膜下生菜生長和花青素、 類黃酮和酚類物質(zhì)的產(chǎn)生情況， 包括UV完全透過膜， 可以透過320、 350、 370、380 nm的膜， 以及完全不透過UV輻射的膜。發(fā)現(xiàn)利用完全不透UV的膜， 生菜生物量干重為UV完全透過膜生菜的2.2倍; 相反， 完全透UV膜下生菜的花青素含量大約是UV完全不透膜下的8倍。

　　4 、植物工廠UV人工光調(diào)控應(yīng)用及策略

　　植物工廠中UV人工光調(diào)控在實現(xiàn)設(shè)施園藝優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)方面具有很好的應(yīng)用價值， 但應(yīng)用時應(yīng)針對作物種類、 應(yīng)用目標(biāo)來選擇應(yīng)用劑量、 照射時機(jī)以保證應(yīng)用安全。在作物種類選擇上， 設(shè)施蔬菜、 藥用植物、 花卉和果樹都可應(yīng)用; 應(yīng)用目標(biāo)上主要控制植物的徒長和提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)， 比如提高蔬菜中抗氧化物質(zhì)的含量， 增加藥用植物中次生代謝物質(zhì)的累積等， 加快花卉葉片和花瓣中顯色物質(zhì)的合成與累積等。為了控制好紫外光調(diào)控效果， UV輻射的劑量必須控制好。可采用短期小劑量應(yīng)用， 間歇式反復(fù)照射、 采前短期照射等方法減少使用劑量。燈具方面， 目前市場銷售的主要是UV燈管，但UV-LED光源可能是未來UV光調(diào)控的優(yōu)選電光源， 可精準(zhǔn)定位照射。從安全角度而言， 應(yīng)基于設(shè)施園藝作物生理需求和品質(zhì)調(diào)控目標(biāo)， 制定合理的智能化光環(huán)境管理措施， 規(guī)

　　避UV對人體的暴露， 如采用夜晚補(bǔ)照白天停止的辦法， 使UV能夠發(fā)揮其品質(zhì)調(diào)控作用， 提高設(shè)施園藝作物的商品價值和營養(yǎng)保健功能。

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