新農民技術貼——植物工廠里光的技術

植物工廠對許多讀者來說已經不是陌生的名詞，我們可以不斷在新聞中看到有關新的植物工廠被建成的報道。巨大的科研價值，潛在的經濟利益，無限的利用空間使它在農業領域悄然興起。作為一個新興的技術領域，植物工廠的發展影響了非常多的技術創新，今天我們就來介紹其中的最「耀眼」的光的內容。『』

什麼是光配方？顧名思義，光的組成與配比，植物工廠里的光配方可以說是人為設置的將各色光以一定比例和數值調和的處方。那麼光配方是如何被用來創造價值的呢？讓我們分別談一談光和配方這兩件事。

從自然光到人工光

光是植物的生命之源。自農耕文明起，人類就學會了利用自然光種植作物作為食物。如同人類從食物中獲取能量，植物的「食物」是光，水和二氧化碳。許多人對光最初的科學的認識來自初中物理課，各種單色光組合在一起會形成白光，我們日常所見的太陽光就是這種光。

通過光合作用，植物葉片吸收這些不同顏色的光，把光能轉化為化學能，用以生長所需的能量，所以植物生長量的一個限制性條件就是光照的量。現代農業為了滿足激增人口對食物的需求，需要不斷提高農業效率。光照不足會限制產量，人工補光也就成了提高效率的方式之一。

現代農業的人工光源主要包括高壓鈉燈，LED（發光二極體）和熒光燈（即日光燈）。高壓鈉燈發光效率高，成本低廉，是最常用的人工補光設備。熒光燈同樣既可以滿足植物生長對光源的需求又能節約成本。但兩者在照明時都會產生遠高於適宜植物生長的溫度，所以必須與作物之間留有一定的距離防止植物燒傷。而且，高壓鈉燈的耗電量也巨大，運營成本高昂。

LED是冷光源，可以近距離照明植物，同時不會對植物工廠造成室內升溫，所以LED是非常適合高密度種植的植物工廠的人工光源。LED有著獨特的光源特性，它的光譜是單一的，也就是說，它只能發出一種單色光。

這就跟我們熟悉的自然光大不相同了。那麼在自然光照不足時，人工補光應該補哪種光呢？人工光型植物工廠又應該用哪些顏色的光源呢？現代化的植物工廠通常都有幾萬到幾十萬平米大小，如果要進行人工補光，能源消耗非常巨大。在這樣數量級的行為面前，提高效率顯得非常必要，那什麼樣的補光方式效率最高？為了解答這些問題，為植物提供充足高效的光，光配方的研究十分有必要。

光配方初成

要給出能促進植物生長的光配方，就要知道哪種顏色的光對光合作用有效，不同顏色的光又應該如何按比例分配。其實，太陽已經給我們了一些提示，下面讓我們把自然光「解剖」開來看一下吧。

下面這張圖展示了自然光中各種可見光的含量，包括紅橙黃綠青藍紫，甚至有人眼看不見的紫外線和遠紅光等等。

圖中不同顏色的光按照波長劃分，曲線的高低表示了自然光中對應顏色的光的含量，這就是光譜。其中波長在455～492納米（nm）之間的的是藍光，492～580nm波長的是綠光，622～770nm波長的是紅光。圖：Jorge J. Casal / Annu. rev. Plant Biol. 2013.64:403-427

各色的光到底是如何被植物吸收的呢？

當光照在植物葉片上，它在葉片中的旅途就開始了（下圖）。此時它穿過葉片的表皮，進入了表皮下面的葉肉細胞，在某個葉肉細胞內，光需要經過細胞外圍，來到了我們都了解過的葉綠體內。葉綠體里有一些扁平的囊狀結構，是光的最終目的地。囊體表面附著著光合色素，它們是光子的吸收器，可以把光能轉化為植物所需要的能量。

葉綠體中最主要的色素是綠色的葉綠素、黃色的葉黃素和橙色的胡蘿蔔素。這些色素分別吸收不同顏色的光進行光合作用。葉綠素主要吸收紅光和藍紫光，胡蘿蔔素和葉黃素主要吸收藍紫光。

植物對紅光和藍紫光之間的橙、黃、綠光吸收很少，其中對綠光的吸收最少，於是綠光被反射出來，所以許多葉子呈現綠色。無論光源是多麼複雜的複合光，植物都可以選擇性吸收自己需要的某些波長的光。

被植物吸收最多、對光合作用最為有效的是紅藍光——這說明在植物補光領域主要的光源應該是紅藍光。

那麼紅光和藍光又要如何分配？科學家針對某一種植物，通過試驗不同配比的紅藍光補光方案，最終可以得到最利於植物生長的光配方。在滿足植物需求的前提下，改變紅藍光的配比還可以更省電。植物吸收的能量多少是由光子數量決定的，由於波長不同，每個光子攜帶的能量不同，消耗相同電力產生的紅光光子數和藍光光子數也不同，二者的大致比例是7：4。

從這個角度，相同的紅光被植物吸收比藍光產生的能量更多。如果生產中紅光多一些，將會在一定程度上節省電力成本。

光配方的優化：紅＋藍=萬能光配方？

科學家發現，植物不僅從光源獲取能量，還能識別不同波長的光，從中讀取信息作為它們調控生長的信號。這種識別光譜的能力要得益於植物體內一類特殊的蛋白質，光感受器。每種顏色的光對植物來說都代表了獨特的信號。

紅光是對植物生長最重要的光，它往往與遠紅光共同作用影響植物生長。在自然界中，光照充足與否很大程度上被植物的光感受器「翻譯」為紅光多遠紅光少，或者紅光少，遠紅光多。

比如夏季人們好乘涼的大樹底下紅光的量就非常少而遠紅光很多。於是，當紅光少時，植物會把它當成一個光照不足的信號，把更多的營養和能量用在節長的更高，葉片增大，以便從上方接收到更多的光照和有更大的光照面積；同時，紅光少會引發植物的「生存危機」，它們會因此提早開花繁殖。

這對於有些食用部位不是果實的蔬菜的及時收穫是很不利的，比如西蘭花和花菜，當紅光過少，它們提前開花結籽之後就失去了食用價值。

當紅光多時，植物則會把更多的營養用於分枝和分櫱，所以紅光充足而遠紅光少時，植物「安全感」倍增，就像慵懶的小胖子，身材矮壯。另外，紅光還可以增加葉綠素、類胡蘿蔔素的含量，增強植物的生物和非生物抗性等等。

當然，對於植物的生長發育而言，僅僅有紅光是不夠的。在單一紅光下生菜可以完成生命周期，但是要想縮短培育周期，獲得更大更美味的產品，必須補充適量的藍光。雖然過量的藍光會抑制植物生長，致使節間變短、分枝減少、葉面積變小等等，但藍光卻是對於植物光合作用至關重要的光源，葉綠體形成和葉綠素合成都需要藍光，並且藍光可以有效促進光合作用的進行，可以說是植物生長的「興奮劑」。

有趣的是，藍光對人體也有類似的作用。臨床醫學上在治療季節性情感障礙（冬季抑鬱症）時用藍光照射病人進行光療，可以起到療愈的效果，可見，心情低落時出去晒晒太陽也是沒錯的。

光界的微量元素——其他的光

綠光被認為是最不利於植物生長的光，它往往有對立於藍光效應的作用，例如綠光可以逆轉藍光對光合作用的正向刺激。不過，給黑暗中生長的幼苗照射綠光，卻可以加速苗莖伸長，使它長得更快。實驗證明，一束微弱的綠光加入光源，可以收穫兩倍大的胡蘿蔔，這是無論怎麼增加光照量也達不到的。

紫外線會抑制植物生長，降低光合作用速率，減少植物葉面積，但它有消毒殺菌，減少植物病害的作用，同時可以誘導植物防禦機制，增強抗性。

光與植物的作用紛繁複雜，橙、黃、綠等光更少被提及。想要讓植物朝著高產高質量的方向生長，讀懂植物眼中的光信號很重要。破解這些光信號和背後的作用機理，正是目前科學家們的研究課題。

對光配方的解讀是我們對植物工廠更加深入的一瞥。可以看到，這是一個科研與生產緊密結合的全新領域，人工光可以對植物實現多種影響，植物工廠也可以陸續生產出更加優質，功能性強大的食物。植物工廠的現在已經碩果累累，未來也同樣令人期待。

嚴謹的科學和服務態度

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黃河三角洲農業高新技術示範區希望建成一個生產與研究結合的人工光植物工廠，在光照配方與光照模型的選擇上，中環易達的技術團隊可以提供專業的技術支持，利用科研技術手段與先進的設施進行嚴謹的前期測試，為客戶提供最適合的植物生長光配方。