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(jià)值。綜述了人工光植物工廠和太陽(yáng)光植物工廠中UV光的分布規(guī)律， 特征波長(zhǎng)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(lì)和發(fā)展LED植物照明，記者聯(lián)系了中國(guó)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(duì)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(zhǎng) 中國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)、 利用和調(diào)控太陽(yáng)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(shí)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(yáng)光是連續(xù)光譜， 其波長(zhǎng)范圍從100 nm的X射線到100 m的無(wú)線電波。太陽(yáng)輻射中99%的能量集中在280~500nm波段范圍內(nèi)。太陽(yáng)光中不同光譜對(duì)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(guò)程。而根據(jù)人眼的感知能力， 通常把太陽(yáng)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(zhǎng)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(gè)波段： 即波長(zhǎng)為320~380 nm長(zhǎng)波紫外線 (UV-A)， 波長(zhǎng)280~320 nm的中波紫外線 (UV-B) 和波長(zhǎng)100~280 nm的短波紫外線 (UV-C) [1]。在全部太陽(yáng)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(yáng)光光譜中光合有效輻射、 UV和遠(yuǎn)紅光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有調(diào)控功能，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有應(yīng)用價(jià)值。

　　1、 露地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中UV輻射特征

　　太陽(yáng)輻射通過(guò)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(guò)濾了。對(duì)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(zhǎng)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(yáng)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(yáng)光譜中， UV-A和可見光豐富， UV-B及其他波長(zhǎng)的光質(zhì)較少， 這決定了露地植物所能接收到的太陽(yáng)能量及光信號(hào)的種類。就輻射能量而言， 太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)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(yáng)能僅占照到植物葉片表面太陽(yáng)輻射的5%[2]。

　　近年來(lái)， 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(duì)太陽(yáng)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(shì)。臭氧層破壞對(duì)UV-A和UV-C輻射的空間變化無(wú)影響， 研究表明即使臭氧層減少90%也不會(huì)有UV-C到達(dá)地面。到達(dá)地面的UV-B輻射增強(qiáng)， 對(duì)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(jì)， 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(guò)設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制， 實(shí)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(guó)際上公認(rèn)為設(shè)施農(nóng)業(yè)的最高級(jí)發(fā)展階段， 是衡量一個(gè)國(guó)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(shì)， 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(shì)， 對(duì)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(lái)航天工程、 月球和其他星球探索過(guò)程中實(shí)現(xiàn)食物自給的重要手段[5]。

　　通常， 植物工廠可分為太陽(yáng)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(yáng)光植物工廠的光能主要來(lái)自太陽(yáng)光， 人工補(bǔ)光僅起輔助作用。

　　太陽(yáng)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(yáng)光為光源， 故此其內(nèi)的UV輻射分布特征與玻璃、 遮陽(yáng)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(duì)自然光有吸收、 遮擋和過(guò)濾作用[6]。一般， 覆蓋材料對(duì)可見光的透過(guò)率在88%左右， 紫外線透過(guò)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(yáng)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(yáng)光植物工廠中UV輻射還受補(bǔ)光燈具的影響， 因?yàn)楦邏衡c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(lái)源 (如熒光燈和發(fā)光二級(jí)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(duì)設(shè)施植物生長(zhǎng)與品質(zhì)的調(diào)控作用

　　植物工廠的一個(gè)重要特征是缺乏太陽(yáng)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(yáng)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(lái)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(guó)際研究熱點(diǎn)。

　　3.1 UV輻射的生物效應(yīng)

　　適宜的UV輻射對(duì)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(huì)對(duì)設(shè)施蔬菜生長(zhǎng)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(zhǎng)， 營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)低、 色澤晦暗， 味道不鮮等問題， 還會(huì)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(shí)品質(zhì)[10]。但是， UV-B高劑量暴露也會(huì)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(zhǎng)發(fā)育[11]。UV-A也影響植物的生長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)： 節(jié)能環(huán)保、 冷光源、 使用壽命長(zhǎng)、 體積小、 光質(zhì)純、 光效高、 波長(zhǎng)類型豐富、 光譜能量易復(fù)合、 調(diào)制便捷等突出優(yōu)勢(shì)， 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(shì)， 在提高植物工廠生產(chǎn)效能， 增加生產(chǎn)過(guò)程可控性方面發(fā)揮作用。