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)境因子調控來提高生產(chǎn)效率是設施農(nóng)業(yè)的本質特征，可擺脫自然條件的束縛，實現(xiàn)資源環(huán)境的調節(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，展示了園藝設施隨科技發(fā)展不斷進步的軌跡。植物工廠是設施園藝發(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用價值。植物工廠的發(fā)展具有深刻的技術、社會、資源環(huán)境、人口和氣候變化等背景，多種驅動因素促進了植物工廠技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。植物工廠是在通過設施內高精度環(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，是設施動植物、食用菌生長發(fā)育和產(chǎn)量品質形成的必需環(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）中的應用規(guī)模正在大幅增加，已成為設施農(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施園藝生產(chǎn)效率的高低。很顯然，人工光調控在保障設施園藝智能化控制、優(yōu)質、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，其技術裝備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化需求日益迫切。實際上，根據(jù)設施生物的光生物學需求，設置人工光環(huán)境及其管理策略，進行動態(tài)智能化管控，設施農(nóng)業(yè)才能徹底擺脫自然光照的束縛，實現(xiàn)人為操控，按需調控光照條件。確切地講，光照是設施園藝生產(chǎn)中最后一個實現(xiàn)智能調控的環(huán)境因子，其決定性科技進步是第4代半導體電光源LED照明技術的發(fā)展進步。LED光質豐富，光譜可組合調制，光環(huán)境智能可控，環(huán)保節(jié)能，體積小冷光源，被業(yè)界人士譽為設施農(nóng)業(yè)的理想光源和替代光源，半導體固態(tài)照明的農(nóng)業(yè)應用是必然趨勢。LED可作為唯一光源或補光光源滿足設施園藝作物光環(huán)境配置需求，最大限度地增加生物光效，實現(xiàn)設施園藝生產(chǎn)的大幅節(jié)能，提質增效。基于LED的固態(tài)照明的應用是過去幾十年來設施園藝照明的最大進步之一，其廣泛應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研究的核心目標。植物工廠領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)質高產(chǎn)。因此，光配方的構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、光強和光周期及其變化模式，從數(shù)量和質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，光配方的核心內容應包括每個生育期的光強、光質和光周期參數(shù)以及末端調控特殊光環(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)質和節(jié)能）的高低，智能光環(huán)境管理是植物工廠核心關鍵技術。光質是指光源所發(fā)射光照的光譜能量分布。光質的本質屬性是光譜組成特征，而光譜組成具有空間和能量特征。植物光質生理學是植物光生物學的分支，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)量品質形成調控的生理學規(guī)律，包括群體、個體、組織、器官、細胞和分子尺度，可為設施園藝光環(huán)境調控提供生理學依據(jù)。植物光質生理學是光生物學的重要內容，是設施農(nóng)業(yè)尤其是設施園藝光調控技術研發(fā)與規(guī)模化應用的科學基礎和技術關鍵。植物光質生理學規(guī)律與植物種類密切相關，表現(xiàn)出生物學規(guī)律的復雜性，既有共性規(guī)律也有個性特征，必須針對應用領域做系統(tǒng)化、深入地研究，加以明確。同時，設施園藝植物光質生理學實踐應用也與設施類型密切相關，需結合栽培平臺特征設計和應用LED光源，實現(xiàn)節(jié)能高效。LED是植物光質生理學研究的工具，也是植物光質生理學植物工廠應用的手段。應用的目標是利用植物光質生理學規(guī)律，通過全生育期或特定生長發(fā)育階段通過LED光質及其強度的時空調配，縮短植物生長周期，提高農(nóng)產(chǎn)品商品性產(chǎn)量、品質及形態(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)調達到節(jié)能、高產(chǎn)、優(yōu)質和易管控的目標。
LED是植物工廠優(yōu)選光源，植物工廠是LED光源設施園藝應用的最佳場所，其應用基礎就是植物光質生理學規(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)中占有核心關鍵性地位。現(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)了設施園藝全過程的光環(huán)境智能化管控。當前，設施園藝光源正由熒光燈、高壓鈉燈等為主導的傳統(tǒng)光源向半導體固態(tài)光源LED轉換。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涵，也推進了植物工廠向LED智能植物工廠的轉進。光環(huán)境的智能調控是LED光源植物工廠高效運行的核心技術，決定著植物的高產(chǎn)、優(yōu)質和節(jié)能水平的高低。光配方是復雜的數(shù)據(jù)庫，必需基于植物生理學原理，按照生長發(fā)育階段、生產(chǎn)目標、生產(chǎn)要素條件等因素構建其核心與延伸內容，實現(xiàn)植物高產(chǎn)、優(yōu)質和節(jié)能目標。當前，亟待需要從兩方面入手推進LED智能植物工廠光環(huán)境智能調控技術裝備的研發(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生理學參數(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)，設計系列化的可智能調控的LED光源裝置及其智能控制系統(tǒng)。
中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所是國內最早從事植物光質生理學、LED光源創(chuàng)制及設施園藝半導體照明領域研究的單位之一，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（2013AA103001）十二五863計劃高效半導體照明關鍵材料技術研發(fā)重大項目課題LED非視覺照明技術研究（2011AA03A114）和國家自然科學基金面上項目LED紅藍光連續(xù)照射對高氮水培生菜AsA代謝網(wǎng)絡影響機理及其節(jié)律效應（31672202）等項目的資助下，在設施園藝尤其是植物工廠植物光質生理學、專用LED光源及其應用方面取得了眾多成果，獲得廣泛的推廣應用。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年獲得國家科學技術進步獎二等獎（高光效低能耗LED智能植物工廠關鍵技術及系統(tǒng)集成，2017-J-251-2-03）；2016年獲得北京市科學技術二等獎（智能植物工廠能效提升與營養(yǎng)品質調控關鍵技術研究與應用，2016農(nóng)-2-002-06）；2015年獲得中國農(nóng)業(yè)科學院科學技術成果獎（智能植物工廠能效提升與營養(yǎng)品質調控關鍵技術，2015-JC-04-01-R01）；2013年獲得中華農(nóng)業(yè)科技獎二等獎（植物LED光環(huán)境精準調控及節(jié)能高效生產(chǎn)關鍵技術研究與應用，KJ2013-R2-032）。課題組在20122017年分別出版了《LED光源及其設施園藝應用》《設施園藝半導體照明》《設施蔬菜無土栽培及其根區(qū)與冠層調控》和《藥用植物栽培系統(tǒng)及其調控》四本著作，初步總結了設施園藝專用LED光源及設施園藝應用生理學原理、生產(chǎn)應用效果以及在蔬菜、育苗、藥用植物、食用菌等領域的產(chǎn)業(yè)化推廣的進展。
植物光質生理學是植物半導體照明甚至植物照明的科學基礎，更是LED植物工廠高效節(jié)能生產(chǎn)的科學保障，其基本原理、規(guī)律的揭示與應用對人工光植物工廠產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有基礎性驅動作用。為了更全面地反映國際上有關植物工廠植物光質生理響應與反饋機制的最新研究成果，總結、挖掘和展示研究團隊近些年在設施園藝半導體照明和植物光質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外在LED光源植物工廠植物光質生理及其調控應用的最新研究進展，為業(yè)界人士提供參考，推動我國LED光源在設施園藝中應用的基礎研究與技術創(chuàng)新。該書以光生物學、設施園藝學、蔬菜學、植物生理學、植物營養(yǎng)學、生物環(huán)境工程、LED半導體照明和智能控制技術等多學科交叉和有機結合為特點，以課題組研究成果為主線，系統(tǒng)展示了幾十年來國內外農(nóng)業(yè)半導體照明發(fā)展應用現(xiàn)狀，以及設施園藝光質生理學和設施園藝LED光源應用技術與裝備的研發(fā)全貌，深度闡述了設施園藝半導體照明的應用潛力、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)量品質和代謝生理等為核心描述光環(huán)境控制在設施植物生產(chǎn)中的作用機制與應用方法。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，《植物工廠植物光質生理及其調控》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)境及其調控概述；第二章植物工廠光環(huán)境調控的植物生理基礎；第三章植物工廠植物生長發(fā)育光質調控生理；第四章植物工廠植物光質營養(yǎng)生理；第五章植物工廠植物光質代謝生理；第六章植物工廠植物光質產(chǎn)量生理；第七章植物工廠植物光質品質生理；第八章植物工廠植物光質逆境生理；第九章植物工廠植物光質光合生理；第十章植物工廠植物光質環(huán)境生理；第十一章人工光植物工廠LED光質調控；第十二章太陽光植物工廠LED光質調控；第十三章植物工廠植物光質生理研究展望。本書適于大專院校農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程、設施園藝科學與工程、植物生理學和蔬菜學等專業(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)半導體照明技術研發(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)務費專項資金項目（項目編號:BSRF201702；BSRF201711）和國家自然科學基金面上項目（31672202）對本書出版的資助。

劉文科2018年10月于北京