紫外 （UV） 光在植物光形態建成、 次生代謝和葉色形成方面具有重要光生物學和光化學作用， 在調控設施園藝優質高產方面具有潛在應用價值。綜述了人工光植物工廠和太陽光植物工廠中UV光的分布規律， 特征波長UV光的植物效應及其人工調控的必要性和調控策略。提出了植物工廠中UV-LED利用的前景、 目標和方法。為進一步鼓勵和發展LED植物照明，本網聯系了中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所劉文科教授特分享了一些論文，希望對投身LED植物照明領域的人士有所幫助。

 

　　作者：劉文科， 楊其長 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所， 農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室

 

　　在農業生產中， 光照條件的好壞直接關系著露地農業生產的效率和效益。因此， 認識、 利用和調控太陽光譜成分一直是農業研究的重要內容。尤其在現代農業生產中， 設施農業發展成為支柱產業， 人工光環境調控的技術客觀需求變得現實且迫切， 調控目標得到了拓展， 以人工照明為手段的光環境調控已經成為設施農業發展的必然選擇。

 

　　太陽光是連續光譜， 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。太陽光中不同光譜對植物光合作用貢獻大小不一， 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過程。而根據人眼的感知能力， 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。根據紫外線的物理和生物學特性， 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和遠紅光對植物生長發育具有調控功能，對農業生產具有應用價值。

 

　　1 露地農業系統中UV輻射特征

 

　　太陽輻射通過大氣層后， 光強和光譜均發生了變化。表現為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能夠達到地面， 到達地面的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和水蒸氣的強烈吸收，到達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地面， 在大氣層中損失較小。因此， 在到達地面的太陽光譜中， 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， 太陽光經過大氣層到達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物質大量釋放， 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， 導致到達植物葉片表面的UV-B輻射強度有增加趨勢。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到達地面。到達地面的UV-B輻射增強， 對暴露的地球植物而產生嚴重的生物學效應。據估計， 大氣臭氧每減少1%， 到達地表的輻射強度將增加2%~3%， 糧食將減產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、 溫室效應、 酸雨并稱為全球3大環境問題。

 

　　2 植物工廠中紫外光的分布特征

 

　　植物工廠作為設施園藝的一種生產形式， 是通過設施內高精度環境控制， 實現作物周年連續生產的高效設施農業系統， 不受或很少受自然條件制約的全新生產方式[5]。植物工廠被國際上公認為設施農業的最高級發展階段， 是衡量一個國家農業高技術水平的重要標志之一。較傳統設施園藝， 植物工廠具有眾多生產優勢， 生產效率高， 可控性好， 應用前景廣闊。因此， 植物工廠是設施園藝發展的必然趨勢， 對解決21世紀人口、 資源、 環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光環境調控方面存在差異。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結構， 以太陽光為光源， 故此其內的UV輻射分布特征與玻璃、 遮陽網和棚膜材質密切相關。溫室和大棚由于覆蓋材料 （玻璃、 塑膜和高質量防老化膜等） 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， 而玻璃溫室內僅約0.075 W·m-2[7]。此外， 太陽光植物工廠中UV輻射還受補光燈具的影響， 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結構， 以人工光源為植物光照來源 （如熒光燈和發光二級管 （LED） 燈）， 紫外輻射強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對設施植物生長與品質的調控作用

 

　　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缺乏情況下設施園藝作物的生物效應尚不清楚； 但伴隨臭氧層破壞太陽輻射中的UV-B強度提高， 設施內UV的變化及其生物效應目前更不清楚。一方面， 植物工廠覆蓋材料保護了設施植物免受UV輻射的危害， 但是完全缺失UV輻射也帶來了生產負效應。所以， 調控植物工廠內UV的輻射水平是十分必要的， 但這種調控必需以生產需求和植物耐受響應規律為依據。目前， 設施蔬菜暴露在不同或劑量變化的紫外線輻射下的生物學效應已成為新的生態學和生物學問題， 成為國際研究熱點。

 

　　3.1 UV輻射的生物效應

 

　　適宜的UV輻射對設施蔬菜的優質高效生產十分重要。UV輻射缺乏會對設施蔬菜生長發育造成負效應。例如， 低UV-B輻射通常造成設施蔬菜的植株徒長， 營養品質低、 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。合理的UV-B輻射劑量能矮化植株[8]， 促進次生代謝產物如類胡蘿卜素的積累等作用[9]， 改善番茄果實品質[10]。但是， UV-B高劑量暴露也會引發植物光合作用的一些響應， 如CO2吸收、 光合電子傳遞鏈、 暗呼吸、 氣孔行為、 色素含量和植物內源激素含量， 抑制植物的生長發育[11]。UV-A也影響植物的生長和發育， 但生物學效應較小。

 

　　為了解決蔬菜設施栽培中存在的這些問題， 利用人工控制UV-B光源在設施內補充UV-B輻射對于改善這些蔬菜的品質， 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， 品質調控問題必須依賴于補充UV-A和V-B。目前， 設施人工光栽培以熒光燈和LED紅藍光組合光源為主要光源， 很明顯缺乏紫外光譜組成。設施內紫外光的缺失導致嚴重的生長和品質問題， 補光優化光譜組成十分迫切。LED已作為節能光源應用于人工光設施蔬菜栽培。

 

　　LED具有其他電光源無法比擬的優勢： 節能環保、 冷光源、 使用壽命長、 體積小、 光質純、 光效高、 波長類型豐富、 光譜能量易復合、 調制便捷等突出優勢， 可近距離照射植物， 可采用多層立體栽培系統， 提高空間利用率。因此， UV-LED將在植物工廠中具有應用優勢， 在提高植物工廠生產效能， 增加生產過程可控性方面發揮作用。

 

　　3.2 UV輻射在植物工廠中的應用

 

　　設施園藝作物品質是衡量其產品商品價值的重要指標，國際上關于園藝產品營養學研究方興未艾。植物工廠中紫外光的利用與調節對保障優質高產非常重要。應用人工控制UV光源在設施內補充UV輻射技術， 能減少化學方法導致的蔬菜徒長和改善蔬菜品質， 是生產綠色有機食品的重要保證。可是， 迄今關于中長波紫外光補光對設施蔬菜營養品質， 尤其是抗氧化物質的調控機制研究的報道較少， 缺乏紫外光有效的管理調控技術與裝備。

 

　　Li等[12]發現， 熒光燈下不同LED光質明期補光對生菜營養品質有影響， 增加 UV-A 能夠提高花青素含量 11%。Caldwell等[13]研究了補充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誘導出相對于綠葉生菜顯著高的酚醛物質， 可能降低了葉綠體中類胡蘿卜素的光保護需求[14]。大棚番茄補充照射UV-B的結果表明， 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、 類黃酮和酚類物質的產生情況， 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。發現利用完全不透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人工光調控應用及策略

 

　　植物工廠中UV人工光調控在實現設施園藝優質高產方面具有很好的應用價值， 但應用時應針對作物種類、 應用目標來選擇應用劑量、 照射時機以保證應用安全。在作物種類選擇上， 設施蔬菜、 藥用植物、 花卉和果樹都可應用； 應用目標上主要控制植物的徒長和提高農產品品質， 比如提高蔬菜中抗氧化物質的含量， 增加藥用植物中次生代謝物質的累積等， 加快花卉葉片和花瓣中顯色物質的合成與累積等。為了控制好紫外光調控效果， UV輻射的劑量必須控制好。可采用短期小劑量應用， 間歇式反復照射、 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光調控的優選電光源， 可精準定位照射。從安全角度而言， 應基于設施園藝作物生理需求和品質調控目標， 制定合理的智能化光環境管理措施， 規

 

　　避UV對人體的暴露， 如采用夜晚補照白天停止的辦法， 使UV能夠發揮其品質調控作用， 提高設施園藝作物的商品價值和營養保健功能。

 

　　參考文獻

 

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