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，本網(wǎng)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。

　　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100nm的X射線到100m的無線電波。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400~700nm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380nm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320~380nm長(zhǎng)波紫外線（UV-A），波長(zhǎng)280~320nm的中波紫外線（UV-B）和波長(zhǎng)100~280nm的短波紫外線（UV-C）。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。

　　露地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中UV輻射特征

　　太陽(yáng)輻射通過大氣層后，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。波長(zhǎng)大于2500nm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%。

　　近年來，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。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%。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。

　　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。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，也是未來航天工程、月球和其他星球探索過程中實(shí)現(xiàn)食物自給的重要手段。

　　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、遮擋和過濾作用。一般，覆蓋材料對(duì)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(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0.5W·m-2，而玻璃溫室內(nèi)僅約0.075W·m-2。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。

　　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)。

　　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，促進(jìn)次生代謝產(chǎn)物如類胡蘿卜素的積累等作用，改善番茄果實(shí)品質(zhì)。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。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)過程可控性方面發(fā)揮作用。

　　UV輻射在植物工廠中的應(yīng)用

　　設(shè)施園藝作物品質(zhì)是衡量其產(chǎn)品商品價(jià)值的重要指標(biāo)，國(guó)際上關(guān)于園藝產(chǎn)品營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究方興未艾。植物工廠中紫外光的利用與調(diào)節(jié)對(duì)保障優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)非常重要。應(yīng)用人工控制UV光源在設(shè)施內(nèi)補(bǔ)充UV輻射技術(shù)，能減少化學(xué)方法導(dǎo)致的蔬菜徒長(zhǎng)和改善蔬菜品質(zhì)，是生產(chǎn)綠色有機(jī)食品的重要保證?？墒?，迄今關(guān)于中長(zhǎng)波紫外光補(bǔ)光對(duì)設(shè)施蔬菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，尤其是抗氧化物質(zhì)的調(diào)控機(jī)制研究的報(bào)道較少，缺乏紫外光有效的管理調(diào)控技術(shù)與裝備。

　　Li等發(fā)現(xiàn)，熒光燈下不同LED光質(zhì)明期補(bǔ)光對(duì)生菜營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)有影響，增加UV-A能夠提高花青素含量11%。Caldwell等研究了補(bǔ)充UV-A和UV-A+UV-B處理對(duì)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(bǔ)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(yīng)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(dǎo)出相對(duì)于綠葉生菜顯著高的酚醛物質(zhì)，可能降低了葉綠體中類胡蘿卜素的光保護(hù)需求。大棚番茄補(bǔ)充照射UV-B的結(jié)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。Tsormpatsidis等研究了不同UV輻射透過膜下生菜生長(zhǎng)和花青素、類黃酮和酚類物質(zhì)的產(chǎn)生情況，包括UV完全透過膜，可以透過320、350、370、380nm的膜，以及完全不透過UV輻射的膜。發(fā)現(xiàn)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。

　　植物工廠UV人工光調(diào)控應(yīng)用及策略

　　植物工廠中UV人工光調(diào)控在實(shí)現(xiàn)設(shè)施園藝優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)方面具有很好的應(yīng)用價(jià)值，但應(yīng)用時(shí)應(yīng)針對(duì)作物種類、應(yīng)用目標(biāo)來選擇應(yīng)用劑量、照射時(shí)機(jī)以保證應(yīng)用安全。在作物種類選擇上，設(shè)施蔬菜、藥用植物、花卉和果樹都可應(yīng)用；應(yīng)用目標(biāo)上主要控制植物的徒長(zhǎng)和提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，比如提高蔬菜中抗氧化物質(zhì)的含量，增加藥用植物中次生代謝物質(zhì)的累積等，加快花卉葉片和花瓣中顯色物質(zhì)的合成與累積等。為了控制好紫外光調(diào)控效果，UV輻射的劑量必須控制好?？刹捎枚唐谛┝繎?yīng)用，間歇式反復(fù)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(chǎng)銷售的主要是UV燈管，但UV-LED光源可能是未來UV光調(diào)控的優(yōu)選電光源，可精準(zhǔn)定位照射。從安全角度而言，應(yīng)基于設(shè)施園藝作物生理需求和品質(zhì)調(diào)控目標(biāo)，制定合理的智能化光環(huán)境管理措施，規(guī)避UV對(duì)人體的暴露，如采用夜晚補(bǔ)照白天停止的辦法，使UV能夠發(fā)揮其品質(zhì)調(diào)控作用，提高設(shè)施園藝作物的商品價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)保健功能。