前言

發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，保障糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給已成為國家長期發(fā)展戰(zhàn)略。提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平和生產(chǎn)效率對實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展、鄉(xiāng)村振興、生態(tài)文明具有戰(zhàn)略意義。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為環(huán)境可控，周年生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注，在動物、植物和食用菌等農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，尤其是在保障反季節(jié)鮮活農(nóng)產(chǎn)品均衡供給，解決人類隱性饑餓等方面具有十分重要產(chǎn)業(yè)價值。通過環(huán)境因子調(diào)控來提高生產(chǎn)效率是設(shè)施農(nóng)業(yè)的本質(zhì)特征，可擺脫自然條件的束縛，實現(xiàn)資源環(huán)境的調(diào)節(jié)與耦合利用，從而不同程度地具備了周年生產(chǎn)的能力�？v觀我國設(shè)施園藝發(fā)展史，從簡易塑料大棚、日光溫室直至連棟溫室、植物工廠，展示了園藝設(shè)施隨科技發(fā)展不斷進步的軌跡。植物工廠是設(shè)施園藝發(fā)展的高級階段和必然趨勢，是顛覆性農(nóng)作方式和土地利用方式，對解決21世紀人口、資源環(huán)境和食物安全問題具有重要應(yīng)用價值。植物工廠的發(fā)展具有深刻的技術(shù)、社會、資源環(huán)境、人口和氣候變化等背景，多種驅(qū)動因素促進了植物工廠技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。植物工廠是在通過設(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)的系統(tǒng)，是一種不受或很少受自然條件制約的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，是設(shè)施園藝發(fā)展的高級階段。植物工廠廣義上分為太陽光植物工廠和人工光植物工廠，分別興起于歐美國家和日本。植物工廠狹義上是指人工光植物工廠。太陽光植物工廠可用于所有園藝作物種類的生產(chǎn)，特別是植株高大且生育期較長的園藝作物。人工光植物工廠則主要生產(chǎn)植株矮小且生育期較短的園藝作物，兩者具有互補性和差異性，人工光植物工廠可用于種苗、莖葉菜、根菜、藥用植物、苗菜、花卉和組培苗等植物產(chǎn)品的規(guī)�；�生產(chǎn)，自動化完成由種子到產(chǎn)品的過程。
光作為環(huán)境信號和光合作用的能量來源，是設(shè)施動植物、食用菌生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)形成的必需環(huán)境要素。在自然界中，太陽光照不僅存在日變化，且隨地理緯度、季節(jié)和天氣狀況的不同而發(fā)生改變。人工光在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（蔬菜、藥用植物、種苗和食用菌等）中的應(yīng)用規(guī)模正在大幅增加，已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要環(huán)控手段，人工光的適宜性及智能管控水平很大程度上決定了設(shè)施園藝生產(chǎn)效率的高低。很顯然，人工光調(diào)控在保障設(shè)施園藝智能化控制、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)中具有不可或缺的作用，是一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必需工程手段，其技術(shù)裝備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化需求日益迫切。實際上，根據(jù)設(shè)施生物的光生物學(xué)需求，設(shè)置人工光環(huán)境及其管理策略，進行動態(tài)智能化管控，設(shè)施農(nóng)業(yè)才能徹底擺脫自然光照的束縛，實現(xiàn)人為操控，按需調(diào)控光照條件。確切地講，光照是設(shè)施園藝生產(chǎn)中最后一個實現(xiàn)智能調(diào)控的環(huán)境因子，其決定性科技進步是第4代半導(dǎo)體電光源LED照明技術(shù)的發(fā)展進步。LED光質(zhì)豐富，光譜可組合調(diào)制，光環(huán)境智能可控，環(huán)保節(jié)能，體積小冷光源，被業(yè)界人士譽為設(shè)施農(nóng)業(yè)的理想光源和替代光源，半導(dǎo)體固態(tài)照明的農(nóng)業(yè)應(yīng)用是必然趨勢。LED可作為唯一光源或補光光源滿足設(shè)施園藝作物光環(huán)境配置需求，最大限度地增加生物光效，實現(xiàn)設(shè)施園藝生產(chǎn)的大幅節(jié)能，提質(zhì)增效�；�于LED的固態(tài)照明的應(yīng)用是過去幾十年來設(shè)施園藝照明的最大進步之一，其廣泛應(yīng)用具有里程碑式的意義。植物照明屬于非視覺照明、農(nóng)業(yè)照明或超越照明的范疇。
LED智能植物工廠是人工光植物工廠研發(fā)與應(yīng)用的方向，建立基于植物種類的高效生產(chǎn)的光配方、營養(yǎng)液配方及環(huán)控配方是LED智能植物工廠植物生理學(xué)研究的核心目標。植物工廠領(lǐng)域光配方是指基于植物種類或品種及其生育期的最佳的光環(huán)境配置數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)節(jié)能條件下光環(huán)境的智能控制和植物的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。因此，光配方的構(gòu)建需要先確立植物種類和品種，確定通過植物工廠條件下的生育期階段劃分的數(shù)量及其時長，根據(jù)生產(chǎn)評價指標，多波次研究確定各生育期的最優(yōu)光質(zhì)、光強和光周期及其變化模式，從數(shù)量和質(zhì)量雙重層次定義光環(huán)境匹配的整體方案。光配方是一個規(guī)模不等的數(shù)據(jù)庫，具有復(fù)雜性。光配方的組成強烈依賴于植物種類和品種，同時光配方構(gòu)成具有時空特性，隨生育期的延伸發(fā)生改變。通常，光配方的核心內(nèi)容應(yīng)包括每個生育期的光強、光質(zhì)和光周期參數(shù)以及末端調(diào)控特殊光環(huán)境手段組成，只能依賴智能控制系統(tǒng)來執(zhí)行實施�；�于光配方的植物工廠光環(huán)境動態(tài)管理水平高低決定著LED智能植物工廠運行效率（高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和節(jié)能）的高低，智能光環(huán)境管理是植物工廠核心關(guān)鍵技術(shù)。光質(zhì)是指光源所發(fā)射光照的光譜能量分布。光質(zhì)的本質(zhì)屬性是光譜組成特征，而光譜組成具有空間和能量特征。植物光質(zhì)生理學(xué)是植物光生物學(xué)的分支，是研究LED植物生理有效輻射（可見光、UV和遠紅光）單色光與其組合光及其數(shù)量屬性對植物生長發(fā)育和產(chǎn)量品質(zhì)形成調(diào)控的生理學(xué)規(guī)律，包括群體、個體、組織、器官、細胞和分子尺度，可為設(shè)施園藝光環(huán)境調(diào)控提供生理學(xué)依據(jù)。植物光質(zhì)生理學(xué)是光生物學(xué)的重要內(nèi)容，是設(shè)施農(nóng)業(yè)尤其是設(shè)施園藝光調(diào)控技術(shù)研發(fā)與規(guī)�；瘧�(yīng)用的科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)關(guān)鍵。植物光質(zhì)生理學(xué)規(guī)律與植物種類密切相關(guān)，表現(xiàn)出生物學(xué)規(guī)律的復(fù)雜性，既有共性規(guī)律也有個性特征，必須針對應(yīng)用領(lǐng)域做系統(tǒng)化、深入地研究，加以明確。同時，設(shè)施園藝植物光質(zhì)生理學(xué)實踐應(yīng)用也與設(shè)施類型密切相關(guān)，需結(jié)合栽培平臺特征設(shè)計和應(yīng)用LED光源，實現(xiàn)節(jié)能高效。LED是植物光質(zhì)生理學(xué)研究的工具，也是植物光質(zhì)生理學(xué)植物工廠應(yīng)用的手段。應(yīng)用的目標是利用植物光質(zhì)生理學(xué)規(guī)律，通過全生育期或特定生長發(fā)育階段通過LED光質(zhì)及其強度的時空調(diào)配，縮短植物生長周期，提高農(nóng)產(chǎn)品商品性產(chǎn)量、品質(zhì)及形態(tài)，實現(xiàn)植物工廠高效節(jié)能生產(chǎn)。光配方與營養(yǎng)液配方及環(huán)控配方構(gòu)成了LED植物工廠高效生產(chǎn)的核心工藝參數(shù)，三者配合協(xié)調(diào)達到節(jié)能、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和易管控的目標。
LED是植物工廠優(yōu)選光源，植物工廠是LED光源設(shè)施園藝應(yīng)用的最佳場所，其應(yīng)用基礎(chǔ)就是植物光質(zhì)生理學(xué)規(guī)律。在眾多的植物工廠裝備中，照明系統(tǒng)（電光源、懸掛裝置和控制系統(tǒng)）在植物工廠生產(chǎn)中占有核心關(guān)鍵性地位�，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)使得植物工廠擺脫了對太陽光的完全依賴，實現(xiàn)了完全人工光植物生產(chǎn)，也實現(xiàn)了設(shè)施園藝全過程的光環(huán)境智能化管控。當(dāng)前，設(shè)施園藝光源正由熒光燈、高壓鈉燈等為主導(dǎo)的傳統(tǒng)光源向半導(dǎo)體固態(tài)光源LED轉(zhuǎn)換。LED光源必將推動植物工廠實現(xiàn)光環(huán)境要素的智能調(diào)控和節(jié)能高效運行，同時極大地豐富了植物栽培的供光策略的內(nèi)涵，也推進了植物工廠向LED智能植物工廠的轉(zhuǎn)進。光環(huán)境的智能調(diào)控是LED光源植物工廠高效運行的核心技術(shù)，決定著植物的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和節(jié)能水平的高低。光配方是復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫，必需基于植物生理學(xué)原理，按照生長發(fā)育階段、生產(chǎn)目標、生產(chǎn)要素條件等因素構(gòu)建其核心與延伸內(nèi)容，實現(xiàn)植物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和節(jié)能目標。當(dāng)前，亟待需要從兩方面入手推進LED智能植物工廠光環(huán)境智能調(diào)控技術(shù)裝備的研發(fā)工作。首先，繼續(xù)系統(tǒng)研究更多植物種類及其品種的光質(zhì)生理學(xué)參數(shù)，建立光配方核心與延伸數(shù)據(jù)庫；其次，根據(jù)光配方參數(shù)，設(shè)計系列化的可智能調(diào)控的LED光源裝置及其智能控制系統(tǒng)。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所是國內(nèi)最早從事植物光質(zhì)生理學(xué)、LED光源創(chuàng)制及設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明領(lǐng)域研究的單位之一，開展了十余年的研究工作。在十二五國家863計劃項目智能化植物工廠生產(chǎn)技術(shù)研究課題植物工廠LED節(jié)能光源及光環(huán)境智能控制技術(shù)（2013AA103001）十二五863計劃高效半導(dǎo)體照明關(guān)鍵材料技術(shù)研發(fā)重大項目課題LED非視覺照明技術(shù)研究（2011AA03A114）和國家自然科學(xué)基金面上項目LED紅藍光連續(xù)照射對高氮水培生菜AsA代謝網(wǎng)絡(luò)影響機理及其節(jié)律效應(yīng)（31672202）等項目的資助下，在設(shè)施園藝尤其是植物工廠植物光質(zhì)生理學(xué)、專用LED光源及其應(yīng)用方面取得了眾多成果，獲得廣泛的推廣應(yīng)用。單位團隊先后獲得國家科技進步獎1項，省部級科研獎勵3項。其中，2017年獲得國家科學(xué)技術(shù)進步獎二等獎（高光效低能耗LED智能植物工廠關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)集成，2017-J-251-2-03）；2016年獲得北京市科學(xué)技術(shù)二等獎（智能植物工廠能效提升與營養(yǎng)品質(zhì)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，2016農(nóng)-2-002-06）；2015年獲得中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科學(xué)技術(shù)成果獎（智能植物工廠能效提升與營養(yǎng)品質(zhì)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，2015-JC-04-01-R01）；2013年獲得中華農(nóng)業(yè)科技獎二等獎（植物L(fēng)ED光環(huán)境精準調(diào)控及節(jié)能高效生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，KJ2013-R2-032）。課題組在20122017年分別出版了《LED光源及其設(shè)施園藝應(yīng)用》《設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明》《設(shè)施蔬菜無土栽培及其根區(qū)與冠層調(diào)控》和《藥用植物栽培系統(tǒng)及其調(diào)控》四本著作，初步總結(jié)了設(shè)施園藝專用LED光源及設(shè)施園藝應(yīng)用生理學(xué)原理、生產(chǎn)應(yīng)用效果以及在蔬菜、育苗、藥用植物、食用菌等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化推廣的進展。
植物光質(zhì)生理學(xué)是植物半導(dǎo)體照明甚至植物照明的科學(xué)基礎(chǔ)，更是LED植物工廠高效節(jié)能生產(chǎn)的科學(xué)保障，其基本原理、規(guī)律的揭示與應(yīng)用對人工光植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有基礎(chǔ)性驅(qū)動作用。為了更全面地反映國際上有關(guān)植物工廠植物光質(zhì)生理響應(yīng)與反饋機制的最新研究成果，總結(jié)、挖掘和展示研究團隊近些年在設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明和植物光質(zhì)生理方面的研究成果，萌生了撰寫本書的想法。本書力求能夠反映國內(nèi)外在LED光源植物工廠植物光質(zhì)生理及其調(diào)控應(yīng)用的最新研究進展，為業(yè)界人士提供參考，推動我國LED光源在設(shè)施園藝中應(yīng)用的基礎(chǔ)研究與技術(shù)創(chuàng)新。該書以光生物學(xué)、設(shè)施園藝學(xué)、蔬菜學(xué)、植物生理學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)、生物環(huán)境工程、LED半導(dǎo)體照明和智能控制技術(shù)等多學(xué)科交叉和有機結(jié)合為特點，以課題組研究成果為主線，系統(tǒng)展示了幾十年來國內(nèi)外農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，以及設(shè)施園藝光質(zhì)生理學(xué)和設(shè)施園藝LED光源應(yīng)用技術(shù)與裝備的研發(fā)全貌，深度闡述了設(shè)施園藝半導(dǎo)體照明的應(yīng)用潛力、存在問題及發(fā)展前景。本書聚焦新型光環(huán)境控制手段，揭示植物光環(huán)境控制生理規(guī)律，通過針對性的精準環(huán)控手段，以生長發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)和代謝生理等為核心描述光環(huán)境控制在設(shè)施植物生產(chǎn)中的作用機制與應(yīng)用方法。值此國家大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，確立了保障糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給長期發(fā)展戰(zhàn)略，推進植物工廠產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展之際，《植物工廠植物光質(zhì)生理及其調(diào)控》撰寫完畢并付之以梓，甚是欣慰。
全書共包括十三章，即第一章植物工廠光環(huán)境及其調(diào)控概述；第二章植物工廠光環(huán)境調(diào)控的植物生理基礎(chǔ)；第三章植物工廠植物生長發(fā)育光質(zhì)調(diào)控生理；第四章植物工廠植物光質(zhì)營養(yǎng)生理；第五章植物工廠植物光質(zhì)代謝生理；第六章植物工廠植物光質(zhì)產(chǎn)量生理；第七章植物工廠植物光質(zhì)品質(zhì)生理；第八章植物工廠植物光質(zhì)逆境生理；第九章植物工廠植物光質(zhì)光合生理；第十章植物工廠植物光質(zhì)環(huán)境生理；第十一章人工光植物工廠LED光質(zhì)調(diào)控；第十二章太陽光植物工廠LED光質(zhì)調(diào)控；第十三章植物工廠植物光質(zhì)生理研究展望。本書適于大專院校農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程、設(shè)施園藝科學(xué)與工程、植物生理學(xué)和蔬菜學(xué)等專業(yè)的本科生、研究生、教師和廣大農(nóng)業(yè)科技工作者以及LED企業(yè)界人士閱讀參考。本書編寫過程中收集整理了碩士生邱志平、趙姣姣、余意和周晚來等人的研究發(fā)表結(jié)果，周成波、張玉彬、李宗耕和邵明杰等研究生在書稿資料收集方面作出了貢獻，在此一并表示感謝。希望本書能夠為我國農(nóng)業(yè)半導(dǎo)體照明技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起到一定推動作用，作為激活培養(yǎng)跨界人才的紐帶，健全植物照明專用LED產(chǎn)品研發(fā)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈。由于著者水平有限，書中不妥之處在所難免，懇請廣大讀者提出寶貴意見和建議。最后，感謝中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（項目編號:BSRF201702；BSRF201711）和國家自然科學(xué)基金面上項目（31672202）對本書出版的資助。

劉文科2018年10月于北京